基于ARM7的LPC21XX系列微控制器在BAS中的應用

　　近年來，在我國建筑業(yè)強勁發(fā)展的環(huán)境下，建筑智能化市場迅速成長起來，而給人們帶來舒適工作及生活環(huán)境的樓宇自控系統(tǒng)的市場隨之越來越大。目前在這個領域中的國內廠商大都是系統(tǒng)集成商，核心技術和知識產權多為國外少數(shù)的樓宇自控廠商所有，因此，有必要鼓勵國內廠商開發(fā)出具有自身特點的樓宇自動化系統(tǒng)產品，來滿足市場對產品性能和價格等多方面的需求。

1. 樓宇自動化系統(tǒng)概述

　　樓宇自動化系統(tǒng)（Building Automation System,簡稱BAS），實際上是一套中央監(jiān)控系統(tǒng)。它通過對建筑物（或建筑群）內的各種電力設備、空調設備、冷熱源設備、防火、防盜設備等進行集中監(jiān)控，達到在確保建筑內環(huán)境舒適、充分考慮能源節(jié)約和環(huán)境保護的條件下，使建筑內的各種設備狀態(tài)及利用率均達到最佳的目的。

圖1 BAS的組成

　　圖1是BAS的組成示意圖，其中的中央控制室（數(shù)據(jù)中心）主要包括中央處理機（一臺微型計算機、存儲器、磁帶機和接口裝置）、外圍設備（顯示終端、鍵盤、打印機）和不間斷電源三部分。

　　傳感器是指裝設在現(xiàn)場的各種敏感元件、觸點和限位開關、以及變送器，用來檢測現(xiàn)場設備的各種參數(shù)（溫度、濕度、壓力、液位等），并發(fā)出信號送到控制器（分站、數(shù)據(jù)中心等）。

　　執(zhí)行機構是指裝設在現(xiàn)場接受分站控制器的輸出指令信號，控制現(xiàn)場運行設備的機構，如電動閥、執(zhí)行機構和調節(jié)機構。

　　分站控制器是以微處理器為基礎的直接數(shù)字控制器（DDC），它接收來自傳感器的信號，進行數(shù)字運算，邏輯判斷，處理后自動輸出控制信號，至執(zhí)行機構。分站控制器是整個控制系統(tǒng)的核心，它具有AI、AO、DI、DO四種輸入/輸出接口。

2.ARM及LPC21XX系列微控制器概述

　　我們在這里采用的是基于ARM7內核的PHILIPS公司的LPC21XX微控制器。ARM的文字含義是Advanced RISC Microprocessor(高級RISC微處理器)。ARM系列是32位微處理器RISC微控制器方案，在便攜式通訊、數(shù)字化多媒體和工業(yè)控制中，使用ARM正成為一種標準的趨勢。根據(jù)有關報告，2001年，在眾多RISC微處理器的銷售量中，74.6%是ARM微處理器。ARM將其技術授權給世界上許多著名的半導體、計算機和OEM廠商，提供 ARM相關技術及服務。利用這種合伙關系，ARM很快成多全球性RISC標準產品的締造者。目前，總共有超過70家公司與ARM簽訂了硬件技術使用許可協(xié)議，其中包括INTEL、IBM、LG、NEC、SONY、PHILIPS等大公司。

　　ARM7處理器是ARM通用32 位微處理器家族的成員之一。ARM 處理器具有優(yōu)異的性能，但功耗卻很低。ARM 結構是基于精簡指令集計算機Reduce Instruction-Set Computer（RISC）原理而設計的，指令集和相關的譯碼機制比復雜指令集計算機Complex Instruction Set Computer（CISC）要簡單得多；ARM7處理器使用3級流水線來增加處理器指令流的速度，可使幾個操作同時進行，并使處理和存儲器系統(tǒng)連續(xù)操作；ARM7處理器使用了馮.諾依曼結構，指令和數(shù)據(jù)共用一條32 位總線，只有裝載、存儲和交換指令可以對存儲器中的數(shù)據(jù)進行訪問。

　　PHILIPS公司的LPC21XX系列微控制器是一個基于含ARM7TDMI-S內核的CPU，并帶有嵌入的Flash存儲器的MCU，同時它還帶有兩個CAN通道。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在高達60MHZ的工作頻率下運行。由于LPC21XX系列采用非常小的LQFP或HVQFN封裝、極低的功耗、多個32位定時器、4路10位ADC、PWM輸出以及多達9個外部中斷。該系列部分工業(yè)級微控制器的工作溫度范圍可以從－40到85 ℃，這使它特別適用于樓宇自控系統(tǒng)這樣的應用領域。

　　下面表中列出已經應用在樓宇自動化系統(tǒng)作為控制器的兩種產品比較，包括8位MCU，和運用ARM7內核的16/32位微控制器LPL21XX，由于現(xiàn)在設計生產8位MCU的廠商眾多，根據(jù)應用的范圍不同，片內資源也有很大的區(qū)別，而筆者只選擇了一種有代表性的芯片來比較。


表一：應用在BAS中的控制器的資源性能比較

　　從表中我們可以更直觀的了解運用ARM7內核的16/32位微控制器將給我們的樓宇自控系統(tǒng)的性能帶來的提升，它實現(xiàn)了更高的指令吞吐量，更出色的實時中斷響應，以及功耗更小。

3. LPC21XX應用在BAS的技術方案

圖2表示的就是采用包括了兩個CAN控制器的LPC21XX系列的BAS的分站控制器CPU模塊的簡化結構框圖。


圖2 采用LPC21XX的BAS微控制器方框圖

　　CAN控制器用邏輯電路的組合來實現(xiàn)網絡物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的通訊，對外它提供了與微處理器的物理線路的接口；通過對它的編程，CPU可以設置它的工作方式，控制它的工作狀態(tài)，進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，把應用層建立在它的基礎之上。CAN收發(fā)器又可叫CAN總線驅動器，它用來提供CAN控制器與物理總線之間的接口以及對CAN總線的差動發(fā)送和接收功能。

　　圖2中，一個CAN控制器通過一路CAN收發(fā)器負責和AI、AO、DI、DO四種MCU輸入/輸出接口進行通訊，另外一個CAN控制器則是通過另一路CAN收發(fā)器負責和上位機通訊，此外，也可用以太網接口來實現(xiàn)上位機和MCU的遠程通訊。串行口主要用來直接下載組態(tài)程序以及控制LCD面板的顯示。

　　另外，我們外擴了16位的SRAM，它的優(yōu)勢在于讀寫速度快，無次數(shù)限制；為了保證有存放較大RTOS（實時操作系統(tǒng)）的空間，也因為需要一個負責內存映像保存和程序執(zhí)行的外部存儲器子系統(tǒng)，還外擴了16位的FLASH。，還利用了一個電源監(jiān)測芯片，當SRAM發(fā)生掉電，它會觸發(fā)使SRAM的數(shù)據(jù)轉存到FLASH存儲器中。

4.結束語

　　直到現(xiàn)在國內樓宇控制產品還沒有統(tǒng)一詳盡的國家標準，我們在產品的設計和開發(fā)過程中，是根據(jù)相應的實際需求和借鑒了智能樓宇系統(tǒng)中已經普遍認可的一些行業(yè)規(guī)范。目前以ARM芯片及嵌入式操作系統(tǒng)為基礎的嵌入式技術和產品方興未艾，在樓宇自控領域的應用的前景也非常廣泛。我們在以后的研發(fā)中，將進一步充分利用32位ARM微控制器的強大的處理控制能力，并通過對嵌入式RTOS的開發(fā)使之更加具有智能化和靈活性，來滿足日益變化和提升的市場需求。


【參考文獻】
1.2003年樓宇自控系統(tǒng)報告.
2.PHILIPS 公司32 位FLASH MCU 的優(yōu)勢. ARM(中國)公司
3. ARM7TDMI-S(Rev 4)技術參考手冊. 廣州周立功單片機發(fā)展有限公司
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