《電子技術(shù)應(yīng)用》
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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,。
Abstract:
Key words :
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(jìn)行實(shí)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(shí)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(diǎn),,有可連接設(shè)備數(shù)量多,速度快,,功能多及可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),,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(jī)部分,主要負(fù)責(zé)遠(yuǎn)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(fù)責(zé)現(xiàn)場的信息配置和數(shù)據(jù)記錄與處理,。

3)單片機(jī)系統(tǒng):主要負(fù)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(fù)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,。

基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄分析儀的硬件設(shè)計
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(kuò)展一定容量的RAM,用來用作主程序的運(yùn)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(yùn)行,以提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度,,同時,,系統(tǒng)及用戶堆棧,運(yùn)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(fù)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(dú)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。

基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄分析儀的硬件設(shè)計
圖2 3.3V電壓的實(shí)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(jìn)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(jìn)一步降低噪音。其輸出接入1個470pF的濾波電容,,進(jìn)一步使輸出更加平穩(wěn),。

基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄分析儀的硬件設(shè)計
圖3 1.8V電壓的實(shí)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(jī)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(jī)進(jìn)行集中監(jiān)控和管理,。下面,就分別進(jìn)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,。

基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄分析儀的硬件設(shè)計
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(hù)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(diǎn)。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(hù)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(yuǎn),,有可靠的錯誤處理和檢錯機(jī)制,。因?yàn)镃AN總線有很好的實(shí)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(hù)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(dú)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(kuò)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(jìn),。

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(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的模塊化設(shè)計,,簡化了電路的連接與維護(hù)。

CAN總線模塊的原理圖如圖5所示,。

基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄分析儀的硬件設(shè)計
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(fù)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(fù)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(yàn)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(shí)現(xiàn)的,,在本系統(tǒng)中,采用80C51的INTEL模式,另外,,采用獨(dú)立的外接晶振,,來改善CAN節(jié)點(diǎn)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(jī)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(jìn)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。

基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄分析儀的硬件設(shè)計
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(qiáng)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(jī)進(jìn)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(qiáng),,搭配不同的軟件定義,可以應(yīng)用于許多場合,。

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