基于ARM處理器的數(shù)據(jù)記錄分析儀的設(shè)計

摘要：為集中監(jiān)控工業(yè)現(xiàn)場的大量自動化儀表，提高工業(yè)生產(chǎn)中的自動化水平，現(xiàn)以S3C2410A為主控芯片，以液晶屏為顯示設(shè)備，以觸摸屏為輸入設(shè)備，以SD卡為存儲設(shè)備，設(shè)計一種電力設(shè)備數(shù)據(jù)記錄分析儀。記錄儀支持CAN通信與485通信2種總線方式采集采樣模塊的數(shù)據(jù)，具有大屏幕顯示輸出，簡單易行的觸摸屏輸入，利用以太網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)，大容量的存儲空間，功能齊全，用途廣泛。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和我國工業(yè)自動化程度的提高，大量的自動化設(shè)備和儀表已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各大廠礦的工業(yè)現(xiàn)場。這些設(shè)備和儀表大多具有數(shù)據(jù)采集，傳送，聯(lián)網(wǎng)的能力，然而在現(xiàn)場應(yīng)用中，往往需要對各個設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)進行實時記錄與及時分析。本文所設(shè)計的系統(tǒng)就是為了滿足這樣的需求。本系統(tǒng)以S3C2410為核心，采用linux實時操作系統(tǒng)，結(jié)合嵌入式設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)點，有可連接設(shè)備數(shù)量多，速度快，功能多及可擴展性強等優(yōu)點，可完成大量電力設(shè)備的集中監(jiān)控，顯著提高用戶自動化系統(tǒng)的可靠性，節(jié)約大量的人力物力。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的組成部分和主要功能如下：

1）上位機部分，主要負責(zé)遠程的信息配置與數(shù)據(jù)采集，記錄，與處理。

2）數(shù)據(jù)記錄分析儀部分：主要負責(zé)現(xiàn)場的信息配置和數(shù)據(jù)記錄與處理。

3）單片機系統(tǒng)：主要負責(zé)環(huán)境信息的采集，監(jiān)控，處理。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

記錄儀的硬件系統(tǒng)由核心板與主板2部分構(gòu)成。其中核心板主要負責(zé)CPU與RAM存儲器，F(xiàn)lash存儲器等的搭建。

主板包括整個系統(tǒng)的電源部分，以太網(wǎng)通信部分，CAN通信部分，485通信部分，串行通信部分，顯示部分，數(shù)據(jù)存儲部分，CPLD部分等。核心板與主板通過雙排插針的結(jié)構(gòu)連接。

硬件設(shè)計的的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 記錄儀結(jié)構(gòu)圖

2.1 核心板的設(shè)計

核心板主要由CPU S3C2410、內(nèi)存SDRAM、閃存NANDFlash、晶振電路、啟動配置電路等幾部分構(gòu)成。

CPU S3C2410A的內(nèi)部僅僅集成了4k大小的SRAM，用作系統(tǒng)程序的引導(dǎo)程序空間，所以需要擴展一定容量的RAM，用來用作主程序的運行空間，數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。當(dāng)系統(tǒng)啟動時，CPU首先從復(fù)位地址0x0處讀啟動代碼，完成系統(tǒng)初始化后，程序代碼一般都調(diào)入SDRAM中運行，以提高系統(tǒng)的運行速度，同時，系統(tǒng)及用戶堆棧，運行數(shù)據(jù)也都放在SDRAM中。SRAM中的引導(dǎo)程序完成以后，會將操作系統(tǒng)鏡像加載到SDRAM中。本系統(tǒng)的SDRAM由2片HY57V561620T構(gòu)建成1個32位的SDRAM存儲結(jié)構(gòu)。

HY57V561620T是1個268 435 456位的CMOS SDRAM芯片，能夠很好地滿足大容量高寬度的存儲需求。

本系統(tǒng)中使用的Flash為三星公司的K9F1208.，容量為64MB，采用塊頁式存儲管理，8個I/O引腳充當(dāng)數(shù)據(jù)，地址，命令的復(fù)用端口。

2.2 主板的設(shè)計

如上所述，主板負責(zé)整個系統(tǒng)的電源部分，以太網(wǎng)通信部分，CAN通信部分，485通信部分，串行通信部分，顯示部分，數(shù)據(jù)存儲部分，CPLD部分等。

2.2.1 電源模塊的設(shè)計

CPUS3C2410A芯片的各個模塊采取獨立供電，其中，內(nèi)核在200MHz工作時，工作電壓是1.8V，在266MHz工作時，工作電壓是2V，存儲器和I/O的工作電壓是3.3V，所以本系統(tǒng)采用一個+5V的開關(guān)電源模塊，然后再分別將+5V電壓處理成3.3V電壓和1.8V電壓。其中3.3V電壓是用低壓差線性電壓源通過+5V調(diào)整得到的。直流5V電壓經(jīng)外部接入，經(jīng)過電源的濾波，輸出平穩(wěn)的，5V可用的電壓，通過LM1117T的調(diào)整可以得到可用的3.3V電壓。最后在輸出端接入一個100μF的鉭電容，來改善其瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。

原理圖如圖2所示。

圖2 3.3V電壓的實現(xiàn)

系統(tǒng)中的1.8V，是用線性電壓調(diào)節(jié)器MIC5207根據(jù)3.3V轉(zhuǎn)換而成的，其原理圖如圖3所示。輸出電壓用于向CPU的內(nèi)核供電。在上圖中，MIC5207的3腳接到CPU的PWREN管腳，通過PWREN給MIC5207一個電平，可以控制MIC5207的開關(guān)，從而可以將CPU內(nèi)核的電源關(guān)閉，使其進入掉電狀態(tài)。MIC5207的4腳接入1個470pF的旁路電容，其作用在于進一步降低噪音。其輸出接入1個470pF的濾波電容，進一步使輸出更加平穩(wěn)。

圖3 1.8V電壓的實現(xiàn)

2.2.2 通信模塊的設(shè)計

本系統(tǒng)作為一個多功能的數(shù)據(jù)記錄顯示儀器，提供485通信與CAN通信與下位機采樣模塊連接。485通信與CAN通信是工業(yè)現(xiàn)場比較常用的2種模塊。另外，系統(tǒng)還配置了以太網(wǎng)通信模塊，便于將數(shù)據(jù)傳送到上位機進行集中監(jiān)控和管理。下面，就分別進行簡單說明。

1）485通信模塊的設(shè)計

485通信模塊原理圖如圖4所示。

圖4 485通信模塊原理圖

常規(guī)的485通信模塊由電源隔離，光耦電氣隔離，RS-485總線收發(fā)器與保護器構(gòu)成。由于地回路的存在，通信回路與地之間存在電勢差，在環(huán)境惡劣的場合尤為突出。電勢差會在通信線之間形成共模電壓。由于通信線之間對地阻抗不平衡，共模電壓就會在通信線之間產(chǎn)生干擾電壓，使通信的可靠性降低，嚴(yán)重情況下還會毀壞通信節(jié)點。電源隔離和光耦隔離的作用在于防止此情況發(fā)生，但是加入太多的隔離模塊會使電路復(fù)雜化。在本系統(tǒng)中，采用集成的隔離485收發(fā)器模塊RSM485CHT，它集成了電源隔離，光耦電氣隔離，總線收發(fā)器與總線保護器。這樣降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，又能有效地提高電路的抗干擾能力，傳輸速度和可靠性。還有效地減小了PCB板的面積以及布線的復(fù)雜程度。

由于RSM485CHT芯片的TXD，RXD，CON的接口匹配電平是+5V電平，而CPU的管腳電平是3.3V，所以需要接入1個總線電平轉(zhuǎn)化器74LV4245A， 用來給3V器件和5V器件提供接口。也可以選擇與3.3V電平匹配的隔離模塊RSM3485CHT。

2）CAN通信模塊的設(shè)計

CAN總線由BOSCH公司開發(fā)，最先應(yīng)用于汽車工業(yè)，為解決現(xiàn)代汽車中龐大的電子控制裝置之間的通訊，減少不斷增加的信號線。它是一種多主方式的串行通信總線，有高的位速率，高的抗電磁干擾性，成本低，傳輸效率高，傳輸效率遠，有可靠的錯誤處理和檢錯機制。因為CAN總線有很好的實時性能，所以在汽車工業(yè)，航空工業(yè)，工業(yè)控制，安全防護能領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

CAN總線發(fā)明以來，出現(xiàn)了許許多多的CAN控制芯片，它們各有優(yōu)勢。本文所采用的控制芯片，是PHILIPS公司的SJA1000T。SJA1000是一種獨立控制器，它增加了一種新的模式，可以支持CAN2.0B協(xié)議。它是82C200的替代品，相比于后者，它各方面的性能都有很大的提高，標(biāo)識符由原來的11位擴展到29位，濾波方式由原來的單一方式改為單濾波和雙濾波2種方式，并且在出錯處理，超載能力，以及接受濾波等方面有了很大的改進。

與485通信模塊相同，CAN通信模塊的設(shè)計仍然采用隔離模塊CTM1050。CTM1050作為物理總線與CAN控制器之間的接口，用于提高總線的差動發(fā)送能力與CAN總線的差動接受能力。CTM1050則采用了全灌封工藝，內(nèi)部集成了CAN總線所必需的所有收發(fā)電路，完全電器隔離電路，隔離電壓。很好地實現(xiàn)了系統(tǒng)的模塊化設(shè)計，簡化了電路的連接與維護。

CAN總線模塊的原理圖如圖5所示。

圖5 CAN通信模塊原理圖

如上圖所示，CAN總線通信模塊由CAN控制器SJA1000T與集成收發(fā)控制器CTM1050構(gòu)成。CAN收發(fā)器連接到CAN總線，負責(zé)控制從CAN控制器到總線物理層或相反的邏輯電平信號，CAN收發(fā)器的上一層是CAN控制器，負責(zé)執(zhí)行CAN規(guī)范的中完整的協(xié)議，通常用于報文緩沖和驗收濾波。CAN控制器的上一層是CPU。

SJA1000支持2種CPU類型：80C51 和68**，這一功能是通過配置MODE引腳實現(xiàn)的，在本系統(tǒng)中，采用80C51的INTEL模式，另外，采用獨立的外接晶振，來改善CAN節(jié)點的EMC性能。

3）以太網(wǎng)通信模塊的設(shè)計

監(jiān)控器中的以太網(wǎng)接口設(shè)計是為了通過組態(tài)軟件與上位機通信，從而提高整個系統(tǒng)的自動化程度，增加可操作性。

以太網(wǎng)接口控制器主要包括MAC和PHY 2部分，其中MAC層控制作為邏輯控制比較容易承載處理器內(nèi)部。沒有集成MAC控制器的嵌入式處理器，更通用的方法是采用集成了MAC控制器與PHY的以太網(wǎng)控制器，本系統(tǒng)就是采取這種方法，以Host Bus接口的控制器有很多，本系統(tǒng)采用的是Cirrus Logic公司的CS8900[5]。

CS8900A是一個真正的單片，全雙工的以太網(wǎng)控制器，它把所有需要的模擬電路和數(shù)字電路集成為一個完整的以太網(wǎng)電路，有以下幾個模塊組成：直接的ISA-bus接口、接口緩沖內(nèi)存、串行的EEPROM接口、帶有10ASE-T端口和AUI端口的完整的模擬濾波器。

CS8900可以設(shè)置為測試模式和休眠模式，低電平有效，正常模式下把nTEXT和nSLEEP位置高位。CS8900A-CQ3是一個3.3V電平的芯片，可以與S3C2410直接連通。在本系統(tǒng)中，在地址總線和CPU之間與數(shù)據(jù)總線與CPU之間都接入一個三態(tài)門，這樣可以對總線進行有效的控制。另外，用CPLD模塊代替了普通常用的與非門電路，節(jié)省了CPU的管腳，同時減小了電路板的體積。電路原理圖如圖6所示。

圖6 以太網(wǎng)模塊原理圖

系統(tǒng)的顯示模塊采用800×600的液晶屏，電阻式觸摸屏，結(jié)構(gòu)比較簡單，由于篇幅所限在此不再贅述。

3 結(jié)論

基于S3C2410的電力設(shè)備記錄儀采用了功能強大的ARM920T內(nèi)核的芯片作為CPU，支持485，CAN，以太網(wǎng)3種通信方式，采用液晶顯示與觸摸屏，大容量SD卡存儲單元。

能將分散在各個工作現(xiàn)場的設(shè)備數(shù)據(jù)集中起來，能自己完成數(shù)據(jù)的集中顯示，分析，對各單元設(shè)備的操作控制，還可以作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹虚g站，將數(shù)據(jù)傳輸于上位機進行集中的檢測與控制。在工業(yè)現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)中，能起到很關(guān)鍵的作用。另外，該系統(tǒng)通用性強，搭配不同的軟件定義，可以應(yīng)用于許多場合。