PIC32MX664的智能儀表集中控制器設(shè)計

摘要：針對多數(shù)智能儀器儀表集中控制器的穩(wěn)定性欠佳的問題，設(shè)計基于PIC32MX664的集中控制器，采用抗強干擾RS485通信設(shè)計實現(xiàn)與智能儀器儀表的通信，采用IPort串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器實現(xiàn)與遠程控制服務(wù)器的通信。給出了集中控制器系統(tǒng)原理框圖以及各模塊的設(shè)計方法。
關(guān)鍵詞：PIC32MAX664；串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器；外設(shè)函數(shù)庫；抗強干擾；RS485通信

引言
    現(xiàn)在絕大多數(shù)智能儀器儀表都具有智能接口，并需要集中監(jiān)控，因此，集中控制器的穩(wěn)定性就決定了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，集中控制器的穩(wěn)定性極為重要。本文介紹了基于PIC32MX664微處理器設(shè)計的集中控制器，給出了詳細的軟硬件設(shè)計。實際應(yīng)用證明該控制器具有很好的穩(wěn)定性。

1 PIC32MX664簡介
    PIC32MX664單片機是一款基于MIPS Technologies的M4K內(nèi)核的復(fù)雜片上系統(tǒng)。M4K是新型的32位低功耗RISC處理器內(nèi)核，采用了增強型MIPS32 Release 2指令集架構(gòu)。芯片提供各種通用和專用的外設(shè)，包括以太網(wǎng)、CAN總線、USB主／設(shè)備／OTG、閃存32 KB、板載RAM 128KB。最高可達到1．5 DMIPS／MHz的性能。乘法／除法單元，最高指令發(fā)出速率為每個時鐘一條32×16乘法指令。PIC32MX664所有處理器中都包含了高性能RISC CPU，可以使用32位、16位模式，以及混合模式進行編程。PIC32MX664 MCU包含了高性能中斷控制器、DMA控制器、USB控制器、在線調(diào)試器、用于對外設(shè)進行高速數(shù)據(jù)訪問的高性能開關(guān)矩陣，以及用于保存數(shù)據(jù)和程序的片上數(shù)據(jù)RAM存儲器。對于閃存，采用了獨特的預(yù)取高速緩存和預(yù)取緩沖區(qū)，無需閃存訪問延時，提供相當(dāng)于0個等待狀態(tài)的訪問性能。

2 系統(tǒng)原理框圖
    集中控制器系統(tǒng)框圖如圖1所示。智能儀表的智能接口通過光電隔離的RS485接口與集中控制器通信，遠程控制服務(wù)器通過TCP／IP與集中控制器通信，集中控制器接收到命令后把命令轉(zhuǎn)發(fā)給智能儀表。當(dāng)無遠程控制服務(wù)器控制命令時，集中控制器對智能儀表輪詢，將結(jié)果顯示在串口顯示屏上。有智能儀表報警時，集中控制器讀取時鐘芯片的當(dāng)前時間，將其與報警種類、報警實際測量值、報警閾值等信息一起保存在EEPROM中，以便后續(xù)查詢或者遠程控制服務(wù)器讀取，并及時通過微型打印機打印出來。為了防止集中控制器意外斷電，造成集中控制器
不能有效監(jiān)控，每次上電開機時有開機打印。集中控制器運行參數(shù)可以通過鍵盤設(shè)置并保存在EEPROM中，也可以通過遠程控制服務(wù)器設(shè)置并保存在EEPROM中。

3 外設(shè)函數(shù)庫
    PIC32系列MCU集成了大量的片內(nèi)高性能外設(shè)，為了加快對這些外設(shè)的使用，PIC32的MPLAB C32編譯器包含了與16位Microchip MCU兼容的軟件外設(shè)函數(shù)庫。該外設(shè)函數(shù)庫以源代碼和目標(biāo)格式提供，并附有詳細的API描述文檔。使用MPLAB C32編譯器的軟件應(yīng)用程序可以通過簡單地將相應(yīng)的頭文件包含在源文件中來調(diào)用外設(shè)庫函數(shù)，MPLAB C32編譯器具有內(nèi)置的庫／頭文件和歸檔文件的信息。外設(shè)頭文件及其完整源代碼分別位于相應(yīng)的外設(shè)子目錄C：＼Program Files＼Microchip＼MPLAB C32＼pic32mx＼include＼periphera1和C：＼ProgramFiles＼Micr ochip＼MPLAB C32＼pic32-libs＼peripheral下。
    以下給出了PIC32MX664串口部分初始化程序，可見，PIC32MX664初始化非常簡單，易用。
   

4 IPort串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器
    IPort串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器是具有RJ45的以太網(wǎng)串口轉(zhuǎn)換模組，尺寸極小，比一般人拇指還小，只需極小的集成空間和很簡單的集成方式，就能為產(chǎn)品增加網(wǎng)絡(luò)功能。IPort串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器具有以下優(yōu)點：配置方式多樣化，支持Web遠程配置、軟件配置、AT命令配置、串口配置；IPort工作方式多樣化，具有TCP Server、TCP Client、UDP和Real Com等工作模式，目標(biāo)IP和端口均可設(shè)置；支持AUTOMDI／MDIX，可使用交叉網(wǎng)線或平行網(wǎng)線連接；支持DNS域名解析；靈活的串口分幀方式滿足用戶各種分包需求；支持本地和遠程的系統(tǒng)固件升級；支持虛擬串口工作方式，提供Windows虛擬串口驅(qū)動，讓用戶串口設(shè)備無縫升級至以太網(wǎng)通信方式，無需修改原有串口軟件；TCP支持多連接，支持連接校驗密碼和連接后發(fā)送特定數(shù)據(jù)，滿足4個以內(nèi)用戶同時管理一個嵌入模塊的設(shè)備要求；免費提供Windows平臺配置軟件函數(shù)庫，包含簡單易用的API函數(shù)庫，方便用戶編寫自己的配置軟件；提供通用配置函數(shù)庫，方便用戶使用VC、VB、Delphi和C++Builder開發(fā)應(yīng)用程序進行二次開發(fā)；兼容SOCKET工作方式(TCP Server、TCP Client、UDP等)，上位機通信軟件編寫遵從標(biāo)準(zhǔn)的SOCKET規(guī)則。
    為了串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的穩(wěn)定丁作，單獨為IPort串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器供電，電路圖如圖2所示。引腳3是模塊的復(fù)位引腳，低電平有效，在該引腳輸入一大于20μs的負脈沖，模塊復(fù)位(模塊內(nèi)部有上電復(fù)位電路，該引腳可懸空)。

    串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的接線圖如圖2所示。引腳1(COM_CFG)是串口配置控制腳，方向為輸入，高電平或懸空時是正常工作模式，低電平時是串口配置模式。在正常工作模式下，串口收發(fā)的數(shù)據(jù)是以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，在串口配置模式下，串口發(fā)送配置命令，設(shè)置模塊的工作參數(shù)或獲取模塊的工作狀態(tài)參數(shù)，該引腳內(nèi)部有弱上拉。跳針2、3連接模塊處于串口配置模式；跳針1、2連接模塊處于正常丁作模式。限流電阻R1、R2分別驅(qū)動模塊以太網(wǎng)連接信號指示燈和模塊以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)信號指示燈。引腳10是模塊串口信號輸出引腳，接MCU的串行數(shù)據(jù)接收端；引腳11是模塊串口信號輸入引腳，接MCU的串行數(shù)據(jù)發(fā)送端。

5 抗強干擾RS485通信
    考慮集中控制器和與其通信的子機都處于較強干擾環(huán)境，通信部分采取抗強干擾設(shè)計，采用6N137光耦合器作為隔離器件。6N137光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，其內(nèi)部有一個850 nm波長AIGaAs LED和一個集成檢測器，其檢測器由一個光敏二極管、高增益線性運放及一個肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成。具有溫度、電流和電壓補償功能，輸入／輸出強隔離，兼容LSTTL／TTL，高速通信(典型為10 MBd)，以及5 mA的極小輸入電流等優(yōu)良特性。
    在6N137光耦合器的電源腳設(shè)計一個0．1μF高頻特性好的去耦電容，并且盡量靠近光耦合器的電源引腳；另外，光耦合器的第6腳的輸出電路屬于集電極開路電路，須上拉一個電阻，光耦合器的2腳和3腳之間是一個LED，須串接一個電阻。
    采用B0505S DC—DC隔離電源給LTC485芯片供電，實現(xiàn)微處理器端與通信線端的隔離。RX、TX分別接PIC32MX664的串行通信口的接收、發(fā)送端。RE、DE分別接PIC32MX664的普通I／O腳，用來控制發(fā)送、接收。實際電路圖如圖3所示。

6 微型打印機
    采用WD—ANH型熱敏打印機來打印報警時間、報警類型等信息。WD—ANH不但可以打印ASCII字符，還可打印英文、希臘文、德文、法文、俄文、日語片假名和大量漢字以及數(shù)學(xué)符號、專用符號等各種圖形符號。WD—ANH具有40多個通用ESC打印命令，可實現(xiàn)符號和圖形的放大、縮小，打印方式的選擇，以及打印格式的設(shè)置。它具有很高的智能化程度，因此控制簡單，可實現(xiàn)各種字符、圖形、曲線及漢字的打印。例如，實現(xiàn)開機后打印開機時間的程序如下：
   
   

7 時鐘芯片
    集中控制器需要記錄各子設(shè)備的信息變化和各種報警記錄，以及發(fā)生報警的時間，這就需要時鐘芯片，選用DS1302萬年歷芯片。DS1302是Maxim公司推出的涓流充電時鐘芯片，內(nèi)含有一個實時時鐘、日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM，可以通過簡單的傳行接口與單片機進行通信，它可以提供年、月、日、日期、時、分、秒的信息。每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可以自動調(diào)整，可以通過AM／PM指示決定采用24或12小時格式，DS13 02與單片機的連接僅需要3條線：引腳、SCK串行時鐘引腳、I／O串行數(shù)據(jù)引腳。VCC1為備用電源，外接32．768 kHz晶振，為芯片提供計時脈沖。時鐘電路圖如圖4所示。

8 串口顯示屏
    OCM320240T350—1 A智能型彩屏是一款高性能、低功耗、易使用的64K色的TFT真彩顯示器，可以直接和具有UART串行接口的MCU(如51單片機、AVR、PIC、DSP、ARM、工控機等)連接。用戶只需通過串口向終端發(fā)送命令，便可完成相應(yīng)的操作。智能型彩屏終端的主要特點如下：16位真彩色顯示(65 536色)；采用UART串行接口，支持多種通信波特率，從1 200 bps到115 200 bps，默認波特率為19 200bps，支持TTL電平和RS232電平；內(nèi)置16M Flash存儲器，可存放12幅320×240像素的圖片，可存放根據(jù)客戶需求而定制的字庫；智能型顯示終端出廠預(yù)置了4個字庫，8×10點陣ASCII、8×16點陣ASCII、16 x 16點陣GB2312漢字和32×32點陣GB2312漢字(可選)；支持使用上位機軟件把圖片數(shù)據(jù)事先下載到終端內(nèi)部的圖片存儲區(qū)；用戶只需發(fā)送簡單的命令到終端，就可實現(xiàn)漢字顯示、圖片顯示以及畫點、畫線、畫矩形、畫圓等圖形繪制功能。

結(jié)語
    基于PIC32MX664單片機的集中控制器運用其集成的豐富接口資源，具有較高的穩(wěn)定性，已成功運用于實際工程項目中，表現(xiàn)出極好的抗干擾能力，明顯優(yōu)于其他單片機。