基于ARM LPC2119的水情測報終端設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：由于水情測報終端應(yīng)用環(huán)境惡劣，保證水情測報終端的穩(wěn)定性和低功耗顯得尤為重要，提出了基于ARM7LPC2119在水情測報上輸出單元的設(shè)計與實現(xiàn)，把嵌入式技術(shù)運用到水情測報控制中，設(shè)計了一個最小系統(tǒng)。在有人或無人的情況下。通過PC機或者上位機發(fā)送用戶需要的指令，遠(yuǎn)程控制電機工作，從而控制閘門的升降，達(dá)到了水資源調(diào)度和控制的目的。詳細(xì)敘述了整個系統(tǒng)的功能及其構(gòu)成模塊，給出了電源轉(zhuǎn)換模塊、中心模塊、通信模塊、外圍驅(qū)動模塊的硬件接口電路圖。本系統(tǒng)在都江堰下屬閘門經(jīng)過實際運行表明設(shè)計是準(zhǔn)確可靠的，實現(xiàn)了在無人的惡劣環(huán)境下的長時間低功耗穩(wěn)定工作，比以往的設(shè)計更省電，更經(jīng)濟(jì)適用，在市場上有廣泛的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：ARM7 LPC2119；水情測報；電源轉(zhuǎn)換模塊；中心模塊；通信模塊

    防洪、抗旱給國家和家庭造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，水資源的優(yōu)化調(diào)度和科學(xué)管理得到了人們的重視。因此，在水資源調(diào)度和控制方面投放了更多人力物力，能得到有效控制。而嵌入式技術(shù)為水情測報控制提供良好的技術(shù)平臺，設(shè)計了一個最小系統(tǒng)，能夠在有人或者無人的情況下，通過PC機或上位機發(fā)送用戶需要的指令遠(yuǎn)程控制電機工作，從而控制閘門的升降，實現(xiàn)水資源調(diào)度控制。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    該系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)主要由4個模塊構(gòu)成，分別為電源轉(zhuǎn)換模塊、中心模塊(CPU模塊)、通信模塊、外圍驅(qū)動模塊等。這些模塊之間的關(guān)系如圖l所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 電源轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計
    系統(tǒng)各個模塊需要使用5、3．3、1．8 V，特別是主芯片LPC2119所需要的電壓。因此該系統(tǒng)設(shè)計采用一個電源轉(zhuǎn)換模塊將電源板輸出的穩(wěn)定12 V電源轉(zhuǎn)換為所需要的電壓。其中采用MAXl659將+12 V轉(zhuǎn)換為+5 V和+5 V_P，并通過程序控制該芯片的工作．從而控制了后續(xù)所需的+5 V_P電壓的任何電路；用MAXl658芯片將+5 V轉(zhuǎn)換為+3．3 V_P，并控制該芯片的工作，控制后面需要+3．3 V_P電壓的任何電路；采用MIC-5207芯片將+5 V轉(zhuǎn)換為+3．3、+1．8 V，供后面電路提供電源。每一個轉(zhuǎn)換后的電壓都用了一個發(fā)光二極管的亮滅來檢查這些芯片是否正常工作，亮表示工作正常，反之則表示此轉(zhuǎn)換器有問題(損壞)。[!--empirenews.page--]
2．2 中心模塊設(shè)計
    中心模塊采用周立功公司提供的ARM7芯片LPC2119進(jìn)行中心控制，該芯片共有64個引腳，內(nèi)置128 KB的Flash存儲器，16 KB的RAM，2個CAN通道，每個總線的數(shù)據(jù)波特率可達(dá)l Mb／s。
    在此模塊中留有1個JTAG接口，用于調(diào)試程序；并接上了8個撥碼開關(guān)，設(shè)置波特率和選擇采用何種通信方式進(jìn)行通信(RS485通信，RS232通信，CAN通信)；給了8位的I／O輸出數(shù)據(jù)到外圍驅(qū)動電路，控制電機；在芯片的引腳上留有1路的CAN通信輸出，l路的RS485通信輸出，l路的RS232通信輸出；使用MAX708S進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位和低壓保護(hù)，當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)電壓低于4．4 V的時候，它輸出一個復(fù)位脈沖進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位，起到低壓保護(hù)，同時在其MR引腳上接上一個按鈕到地，通過按鈕給一個低電平實現(xiàn)手動復(fù)位系統(tǒng)。
2．3 通信模塊設(shè)計
    要輸出板工作，必須由上面的PC機或者上位機下達(dá)指令，告訴輸出板該控制哪個閘門開閉，這個就需要上位機與終端進(jìn)行通信。在輸出板上留下3種通信方式的接口，具體采用哪一種按實際情況而定。
    3種通信方式具體為RS485通信、RS232通信、CAN通信。當(dāng)通信距離較短時，輸出板一般與PC機直接相連，這時一般采用RS232通信；當(dāng)通信距離較長時，一般采用RS485通信和CAN通信，但兩者也有差別。RS485總線通信模式由于使用了差分電平傳輸信號，傳輸距離比RS232更長，最多可達(dá)到l 500 m，同時具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、組網(wǎng)方便和數(shù)據(jù)傳輸速率適當(dāng)，仍然能發(fā)揮良好的作用，但對于在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)冗余量較大，干擾強度太大，速度要求高的應(yīng)用場所不適宜用RS485總線通信。而CAN總線通信除了有RS485通信的優(yōu)點以外，還能承受較大的傳輸數(shù)據(jù)量，抗干擾能力較強。
    LPC2119輸出TTL電平，在用RS232通信時，必須將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平，才能與RS232接口連接并通信，使用SP3232E或SP3243ECA進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。同時加上了穩(wěn)壓管進(jìn)行保護(hù)，因為一般RS232通信都是與PC機直接相連，環(huán)境不太惡劣，所以保護(hù)就比較簡單。具體的電路實現(xiàn)如圖2所示。

    在采用RS485通信和CAN通信時，一般距離都在幾千米左右，并且條件惡劣，雷電閃電可能會造成大量的總線損壞，所以除了設(shè)計電平轉(zhuǎn)換，還必須加上隔離保護(hù)電路。RS485電路框圖如圖3所示，具體的隔離保護(hù)電路如圖4所示。

    在RS485通信接口設(shè)計中，采用RSM485HT進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換為RS485電平，并自帶有隔離。隔離電路采用了3級防雷保護(hù)，用微功率線性穩(wěn)壓器LT3010進(jìn)行一級保護(hù)，電流過大穩(wěn)壓器將導(dǎo)通，把大電流拉向大地；用自恢復(fù)保險絲SMDl812P010TF進(jìn)行二級保護(hù)，電流太大，它將熔斷，切斷電路，電流恢復(fù)再重新導(dǎo)通；用防雷管3RM090進(jìn)行三級保護(hù)；這三級保護(hù)都是把大電流引向大地，所以必須確保輸入時接地良好，不然會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。[!--empirenews.page--]
    在CAN通信接口設(shè)計中，采用CTMl040T型高速CAN隔離收發(fā)器。隔離電路和RS485的隔離電路差不多。在主芯片LPC2119上加了8個撥碼開關(guān)，可以選用其中的2個控制選擇3個通信方式。
2．4 外圍驅(qū)動模塊設(shè)計
    外圍電路主要的作用是驅(qū)動電磁閥或者繼電器來控制電機的運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。具體的電路框圖如圖5所示。

    一般的I／O口輸出的電壓和電流都不能直接驅(qū)動電磁閥或者繼電器，所以需要芯片驅(qū)動。選用ULN2803驅(qū)動8路外圍器件，只是外圍用的繼電器和電磁閥都沒有確定，所以留有接口(8路5 V，2路12 V，2路24 V的電源接口和ULN2803的驅(qū)動輸出接口)。根據(jù)外面接入的設(shè)備靈活地選擇接口接入。如果外面接的是電機，就直接用交流電供電。
2．5 MCU對外圍接入設(shè)備的管理
    MCU可以通過控制外面接入的設(shè)備所需電源進(jìn)行控制，具體通過MCU的I／O口發(fā)送高低電平實現(xiàn)通斷，以需要12 V的外圍設(shè)備通斷控制為例，其電路如圖6所示。

    當(dāng)外圍器件要工作時，即MCU通過I／O口發(fā)送D12VENl為低的信號，此時MAXl659導(dǎo)通，得到12 V電源。這樣做的目的有3個：1)將所用器件與外界電源隔開，減少外界干擾對器件的損壞；2)提供接入設(shè)備需要12 V用電；3)可以把不用的外圍器件關(guān)掉。MAXl659是可控芯片，通過電阻R1、R2調(diào)節(jié)。其他的電源如5 V和24 V也可用同樣方法進(jìn)行控制。[!--empirenews.page--]

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    軟件設(shè)計采用周立功公司提供的底層接口函數(shù)和操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ編程，實現(xiàn)了上位機遠(yuǎn)程及時和定時自動控制外圍設(shè)備(閘門)，同時實現(xiàn)了節(jié)能和遠(yuǎn)程監(jiān)控。具體的控制程序流程如圖7和圖8所示。

4 結(jié)論
    詳細(xì)介紹了作為水情測報終端的輸出適配器的設(shè)計方法。成功實現(xiàn)了對遠(yuǎn)程閥門的控制。該設(shè)計成功地將嵌入式技術(shù)運用到水情測報和控制中，以ARM7為主芯片進(jìn)行綜合設(shè)計成一個最小系統(tǒng)，它可以單獨使用也可以和其他設(shè)備配合使用，通過無線或有線與上位機進(jìn)行通信，從而根據(jù)用戶需要發(fā)送指令，遠(yuǎn)程控制閘門的升降，同時通過控制電源轉(zhuǎn)換器來斷掉后面的外圍器件所需要的電壓，從而實現(xiàn)節(jié)能，主芯片的節(jié)能則通過程序?qū)崿F(xiàn)休眠模式或掉電模式。