現場總線和工業(yè)無線通信是兩大處于國際前沿的研究方向，兩個系統(tǒng)如果分別做手抄器,，成本相對較高,，而且不方便管理。這款兩用手抄器集成了EPA(Ethernet for Plant Automation)和IEEE802.15.4(低數據率的WPAN標準)兩個協議,，能夠通過有線或者無線的方式在不同的工業(yè)現場得到應用,，在不影響上位機通訊的情況下對現場設備進行數據采集、監(jiān)測和控制,。
該手抄器使用的是ARM7控制芯片,。它包含了微處理器(AT91R40008)、存儲器,、通信模塊,、網絡通信接口、顯示終端,、無線通信模塊等重要組成部分,。在該設計中，使用了兩種供電方式,，一種電源使用了以太網供電設備,，該設備除了用于網口通信，還提供設計中所需要的電源,。該電源經過電平轉換,，為微處理器、存儲器,、無線通信模塊等提供所需的+3.3V和+1.8V電源;另一種電源使用了電池供電,。32位的微處理器AT91R40008通過串口0和串口1與無線通信模塊和液晶終端進行數據交換,。圖1為ARM7手抄器的硬件框圖。
圖1 手抄器硬件系統(tǒng)框圖
微處理器
選用AT91R40008做CPU,。AT91R40008包括一個高性能32位精簡指令系統(tǒng)和一個高密度16位的指令系統(tǒng),。AT91R40008具有片上的SRAM或ROM、完全可編成的外部總線接口(EBI),、32個可編程的I/O口,、8個優(yōu)先級、4個外部中斷,、2個USART及16位的定時器/計數器等特點,。
AT91R40008具有與外部存儲器的直聯的特色,通過外設的FLASH，經過完全可編程外部總線接口(EBI),、 一個八位優(yōu)先向量中斷控制器,,，及外部數據控制器，能大大提高處理器的即時性能,。
微處理器部分的設計包含系統(tǒng)硬件的啟動與復位,，地址總線、數據總線的分配和定義,，通過串行線對無線通信模塊和液晶終端的讀寫等,。
系統(tǒng)由外部的50MHz鐘振作為時鐘源向CPU輸入時鐘信號。復位電路由10μF的電容,、10K的電阻及按鍵組成低電平復位電路,。AT91R40008內部ROM為128K，外部最大可擴64M的存儲器,，根據實際的設計需要,，在設計中擴展了一片2M字節(jié)的SST36VF160對軟件程序進行存儲。網卡芯片AX88796通過片選線,、中斷線、讀寫信號控制線和地址數據總線與CPU相連,，實現現場設備和上位機的網絡通信,。AT91R40008分別通過串口0和串口1實現與無線通信模塊和顯示終端的數據交換。
FLASH存儲器
由于該手抄器是應用于工業(yè)現場中,，所以在軟件中必須加入相應的規(guī)范標準,。在手抄器的系統(tǒng)設計中，在CPU的外部拓展了2M字節(jié)的FLASH,。SST39VF160是一個1M×16的CMOS多功能FLASH器件,，由SST特有的高性能的Super Flash技術制造而成。SST39VF160具有功耗較低的優(yōu)點,，它的工作電壓為3.3V,，具有高性能的編程功能,，字編程時間為14μs?？紤]到SST39F160的這些優(yōu)點選用這款FLASH,，在目前測試環(huán)境中證明這款FLASH能夠更方便和更低成本的滿足程序配置和數據存儲的要求。
網絡通信接口
在設計中采用網絡通信接口接入工業(yè)以太網,，數據由以太網傳遞到上位機中,，實現工業(yè)現場的無線設備和上位機的通信。在實際的設計過程中,，我們采用HR61H50L作為網絡隔離器,，采用AX88796作為網卡芯片。
AX88796是臺灣Asix公司的NE2000兼容快速以太網控制器,。其內部集成有10/100 Mb/s自適應的物理層收發(fā)器和8K×16位的SRAM,，支持MCS-51系列、80186系列以及MC68K系列等多種CPU總線類型,。AX88796執(zhí)行的是基于IEEE802.3/IEEE802.3u 局域網標準的10Mb/s和100Mb/s以太網控制功能,，并提供IEEE802.3u兼容的媒質無關接口MII，用以支持在其它媒質上的應用,。AX88796的地址總線SA[9:0]與數據總線SD[15:0]分別與CPU的地址/數據總線相連,。CPU通過I/O讀寫NE2000寄存器來控制AX88796的工作狀態(tài)，通過遠程DMA FIFOs與AX88796的內部緩存SRAM進行數據交換,。SRAM與MAC核之間進行Local DMA將數據發(fā)送至MAC層,，再經由內部的PHY層發(fā)送至RJ45接口，或者經過MII接口送至外部的物理層芯片,。SEEPROM接口可以用來連接串行EEPROM,。EEPROM可用于存儲MAC地址，供AX88796每次初始化時讀取,。
電源
由于此手抄器用于兩種不同的協議,，實際設計中使用了兩套電源管理系統(tǒng)，并進行了特殊處理,，避免了其中一套供電時對另一套電源造成影響,。
當手抄器用于工業(yè)以太網的一致性測試時，電源采用的是以太網供電設備,，該設備采用符合802.3受電設備標準,，輸出標準的+24V，經過LM2576-5,、AS1117-1.8和AS1117-3.3電源芯片,，電平轉換后，輸出手抄器上的CPU、存儲器,、網卡芯片,、智能顯示終端上所需的1.8V和3.3V電源。
當手抄器用于工業(yè)無線系統(tǒng)中,，電源采用的是電池供電,，普通的手機電池即可。電池輸出電壓經過TPS60110,、TPS60100電源芯片,，電平轉換后，輸出手抄器上的CPU,、存儲器,、網卡芯片、智能顯示終端終端和無線通信模塊上所需的工作電壓,。
JTAG調試接口
這里使用JTAG調試接口主要是為了調試顯示終端,、無線通信模塊、CPU和上位機之間的通信,，及測試其通信性能,。
鍵盤接口
自主設計了一個6×4矩陣鍵盤。如圖2所示,。鍵盤的行連接在CPU的6個PIO引腳上,，配置為輸出;列連接在4個能夠產生終端的引腳上，配置為輸入,。由于上拉電阻的作用,，在空閑模式下，這些引腳為高電平狀態(tài),。當有按鍵按下時,，列引腳為低電平狀態(tài)，列引腳的下降沿引起中斷,。處理器進入PIO中斷子程序,，并打開定時器。定時器溢出后,，進入定時器中斷子程序,，以判斷是否確實有鍵按下，是哪個鍵按下,。定時器設置為波形模式，RC比較中斷,，中間溢出由RC比較寄存器的直和所選擇的時鐘沿決定,。可有軟件復位和定時器啟動。
初始化：列PIO配置為輸入,，行PIO配置為輸出,，且輸出為0; 列PIO打開中斷，初始化該中斷;使能PIO時鐘;初始化定時器中斷,。
PIO中斷子程序：鍵盤掃描前,，所有的行輸出為0，當有鍵按下,，與其對應的列電平為0,，引起PIO中斷。為了避免毛刺噪聲的影響,，需要啟動定時器延時判斷,。設延時時間為20ms(31250個tick) 。
圖2 AR91M40008與鍵盤連接圖
定時器中斷子程序：定時器溢出后,，開始第二次掃描,，判斷是否有鍵按下，如確實有鍵按下,，PIO引腳為低電平的列即為按鍵按下的列,。然后再將PIO設置為輸入狀態(tài)，所按下的鍵的行輸入狀態(tài)該為高電平,，因此判斷具體是哪個鍵按下,。
智能顯示終端
根據實際應用的要求，選用了一款臺灣奇美的3.5寸的TFT彩色顯示屏,。為了便于管理,，所設計手抄器采用了AT91R40008，但是這款CPU不帶有LCD驅動,，沒法直接驅動顯示屏,，因此選用了一款工業(yè)標準的M600系列模組來驅動TFT顯示屏。
M600能夠實現 “TFT顯示驅動”和“文本和圖像處理接口函數”以及一部分“用戶應用程序”,。它集成了顯示驅動,、1MB顯存、128MB Flash,，其中最大32MB 用戶數據庫,，方便了實際測控系統(tǒng)的數據存儲應用。采用的是串口的方式和用戶系統(tǒng)連接,，使用過程中只要3根線(+3.3V,、GND、RXD)就可以把M600接起來點亮一個TFT屏,，方便了本手抄器的以后的改進設計,。M600采用的是統(tǒng)一的指令集，我們可以通過軟件設置來適應不同分辨率的顯示屏，在工業(yè)現場中如果需要更換顯示屏,，只需修改極少量的代碼,，就可以完成手抄器的更新換代。無線通信模塊
基于IEEE 802.15.4工業(yè)無線通信模塊采用的是CC2430,，整個模塊的結構簡單,，采用單芯片進行數據的處理,在CC2430只要用很少的一些外圍元件就可以進行正常的工作。它外圍電路主要是由天線,、晶振電路,、復位電路以及用于調試的JATG口組成。
在功能上,，主要用于完成無線通信模塊之間的數據收發(fā),，同時將數據發(fā)送給手抄器的處理器。它們之間的數據傳送是通過串口進行數據的傳送,。晶振電路分別為32.768KHz和32MHz兩個晶振,32.768KHz提供模塊在休眠狀態(tài)的工作時鐘,。32MHz提供模塊在工作狀態(tài)下的工作時鐘。JATG用于在線的程序設計,，如圖3所示,。
圖3 無線通信模塊結構圖
手抄器在工業(yè)現場中的應用
在現有的研發(fā)系統(tǒng)中，將工業(yè)以太網的有線網絡與工業(yè)現場的無線設備之間建立連接,，將手抄器作為無線手持為例,。工業(yè)現場的無線設備通過專用的傳輸協議將數據傳輸到轉換設備。數據經過轉換,，成為工業(yè)現場能夠識別和支持的格式,，并傳輸到工業(yè)現場中的一個發(fā)出指令請求的設備中。實現上位機對現場數據進行監(jiān)控,。工業(yè)現場中,，主站即上位機不方便對現場設備進行實時操控，可以使用一個手抄器和轉化設備進行連接,，對數據進行訪問和采集,，根據反饋的數據，對現場的數據進行修正,，保證設備正常運行,，如圖4所示。
圖4 工業(yè)現場中手抄器的應用
結語
本文給出了以AT91R40008為CPU的兩用手抄器的解決方案,，介紹了手抄器的硬件實現,，重點突出了在工業(yè)以太網中用到的網口通信接口，及在工業(yè)無線系統(tǒng)中應用的基于IEEE802.15.4的工業(yè)無線通信模塊,。具體設計過程中成功的引入了以往研究成果中關于EMC測試環(huán)節(jié)的解決方案,。