摘要：根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控需求,，采用了ARM" title="ARM">ARM920T核的微處理器S3C2440" title="S3C2440">S3C2440,，ZigBee無線SoC芯片CC2430F128相結(jié)合的硬件設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了一種基于ARM和ZigBee的通用網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)硬件平臺(tái),，詳細(xì)闡明了系統(tǒng)各模塊的硬件設(shè)計(jì),。實(shí)際應(yīng)用表明，系統(tǒng)硬件平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)性能好,、通用性強(qiáng)且成本較低,。
關(guān)鍵詞：ARM；網(wǎng)絡(luò)測(cè)控,；通用平臺(tái),；硬件設(shè)計(jì)；ZigBee
O 引言
隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的提出及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,，網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量控制已成為測(cè)控系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì),。然而，當(dāng)前國內(nèi)外工業(yè)控制領(lǐng)域普遍使用且技術(shù)相當(dāng)成熟的PLC(Programable Logic Controller)基本都不支持網(wǎng)絡(luò),，也不能簡單升級(jí)具有網(wǎng)絡(luò)功能,，且模式較為單一。因而,，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一種網(wǎng)絡(luò)化通用測(cè)控系統(tǒng)平臺(tái),，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控需求且具有一般平臺(tái)的通用性能。本文主要介紹了ARM嵌入式系統(tǒng)與ZigBee無線技術(shù)相結(jié)合的通用網(wǎng)絡(luò)測(cè)控" title="通用網(wǎng)絡(luò)測(cè)控">通用網(wǎng)絡(luò)測(cè)控平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì),。
1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)
基于ARM的通用網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示,，本系統(tǒng)在測(cè)控端采用基于ARM的CPU，通過網(wǎng)絡(luò)接口與Internet相連,，外圍擴(kuò)展有數(shù)字量輸入／輸出模塊,、模擬量輸入／輸出模塊及無線ZigBee組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊。硬件設(shè)計(jì)的主要研究內(nèi)容：基于ARM的嵌入式主控硬件平臺(tái),、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊,、測(cè)控I／0模塊硬件以及硬件系統(tǒng)的通用性指標(biāo)和網(wǎng)絡(luò)化性能的分析測(cè)試。
2 ARM主控模塊硬件
系統(tǒng)核心芯片是Samsung公司生產(chǎn)的基于ARM920T核16／32位RSIC(Reduced Instruction Set Computer,，精簡指令集計(jì)算機(jī))微處理器S3C2440A,，該芯片資源豐富、運(yùn)算速度快,、功能強(qiáng)大,，且價(jià)格相對(duì)合理。核心板系統(tǒng)框圖如圖2所示,。
2．1 存儲(chǔ)器電路
FLASH存儲(chǔ)器采用Samsung半導(dǎo)體生產(chǎn)的64M×8 b的K9F1208U0M Nand FLASH存儲(chǔ)器芯片,。本系統(tǒng)使用了一片該芯片構(gòu)成64MB的FLASH,，系統(tǒng)的啟動(dòng)代碼Bootloader文件、內(nèi)核鏡像文件以及文件系統(tǒng)均存于此,。SDRAM存儲(chǔ)器采用Hynix生產(chǎn)的4 Banks×4M×16 b的HY57V561620 CSD-RAM芯片,，為了保證系統(tǒng)的運(yùn)行速度，本系統(tǒng)采用兩片該芯片并聯(lián)構(gòu)成32位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,。
2．2 JTAG調(diào)試接口
JTAG(Joint Test Action Group,，聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組)是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議(IEEE 1149．1兼容)，主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試,。它在芯片內(nèi)部封裝了專門的測(cè)試電路TAP(Test Access Port,，測(cè)試訪問口)，通過專用的JTAG測(cè)試工具對(duì)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試,，同時(shí)可用于在線編程,。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口是4線：TMS，TCK,，TDI,，TDO，分別為模式選擇,、時(shí)鐘,、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。系統(tǒng)采用20針的標(biāo)準(zhǔn)接口,，用于在線調(diào)試及系
統(tǒng)Bootloader的下載,。
2．3 電源與系統(tǒng)時(shí)鐘電路
電源設(shè)計(jì)的可靠性關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定與否。本系統(tǒng)輸入電源為5 V,，通過LM1117芯片將其穩(wěn)壓至3．3V，使用大電容抑制低頻干擾,，小電容抑制高頻干擾,，用于芯片接口的供電，同時(shí)采用專用電源芯片MIC5219BMM,，為內(nèi)核提供低噪的1．3 V電壓,，以確保系統(tǒng)供電穩(wěn)定。
系統(tǒng)時(shí)鐘主要分為主頻時(shí)鐘FCLK,，AHB總線設(shè)備時(shí)鐘HCLK,，APH總線設(shè)備時(shí)鐘PCLK。本系統(tǒng)采用外部12 MHz晶體振蕩器,，通過S3C2440的設(shè)置模式選擇引腳OM[2：3]均為低電平的組合方式來選擇S3C2440的時(shí)鐘源為外部晶振XTIPLL,。同時(shí)，可通過片內(nèi)的兩個(gè)鎖相環(huán)MPLL和UPLL來得到內(nèi)核時(shí)鐘和USB時(shí)鐘,。
2．4 串行接口電路
當(dāng)前,，基本上各種處理器上都具備串口，本系統(tǒng)中的串口主要用于前期調(diào)試以及與主無線模塊的通信。由于CPU串口引出腳電平不是標(biāo)準(zhǔn)RS 232電平,，因此在與PC機(jī)連接調(diào)試時(shí)需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,，而與無線模塊通信則可直連?？梢栽贚inux內(nèi)核串口驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上修改為ZigBee的數(shù)據(jù)收發(fā)驅(qū)動(dòng),，其電路如圖3所示。
2．5 網(wǎng)絡(luò)接口電路
網(wǎng)絡(luò)接口電路是該系統(tǒng)中重要的硬件部分,。為了保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定流暢,，本系統(tǒng)中采用10／100 Mb／s自適應(yīng)以太網(wǎng)MAC控制器芯片DM9000A，該芯片具有一個(gè)10／100 Mb／s自適應(yīng)的PHY和4K DWORD值的SRAM,，物理協(xié)議層接口完全符合IEEE 802．3u規(guī)范,，支持IEEE802.3x全雙工流量控制。主控模塊板上nGCS3接DM9000A的片選CS#,，地址配置為0x18000002,，LDATA[15：0]接DM9000A數(shù)據(jù)位SD[15：0]構(gòu)成16位數(shù)據(jù)總線模式。此外,，采用HS9016用于I／O隔離變壓,，然后連接RJ45接口。隔離電路如圖4所示,。
3 測(cè)控I／O模塊硬件
3．1 數(shù)字量輸入／輸出模塊
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了8路數(shù)字量的輸入,，8路數(shù)字量的輸出，采用CH573對(duì)數(shù)字量輸出進(jìn)行鎖存,，采用CH245對(duì)輸入量進(jìn)行選通,。為了節(jié)省端口資源，數(shù)字量的輸入,、輸出的8根數(shù)據(jù)線復(fù)用,，通過控制CH573的鎖存信號(hào)以及CH245的片選信號(hào)來實(shí)現(xiàn)輸出量和輸入量的復(fù)用。同時(shí),，采用光耦用于端口光電隔離,。
3．2 模擬量輸入／輸出模塊
系統(tǒng)A／D實(shí)現(xiàn)4路12位模擬量或2路12位差分信號(hào)模擬量采樣輸入，系統(tǒng)D／A實(shí)現(xiàn)2路12位模擬量輸出,。該模塊A／D采用Microchip公司生產(chǎn)的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器MCP3204,，采樣速率最高可達(dá)100 KSPS，且價(jià)格低廉,；該模塊D／A采用TI公司的12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLV5638,，該芯片具有內(nèi)部基準(zhǔn)，建立時(shí)間為1～3．5μs,，具備2通道模擬量輸出能力,。只需外加信號(hào)調(diào)理電路即可,。由于上述兩款芯片均為SPI接口，可直接掛接到處理器的SPI總線接口上,，通過片選CS0和CS1來控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)那袚Q,。其結(jié)構(gòu)圖如5所示。
4 ZigBee無線模塊硬件
ZigBee技術(shù)是當(dāng)前發(fā)展較為迅速且日趨成熟的一種無線通訊技術(shù),，采用國際通用免費(fèi)頻段2．4 GHz,，具有低功耗、低成本,、低復(fù)雜度等優(yōu)點(diǎn),。ZigBee技術(shù)較易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)容量大,，可容納多達(dá)65 000個(gè)節(jié)點(diǎn),，網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)之間都可進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。網(wǎng)絡(luò)具有星狀,、樹狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。
本系統(tǒng)采用的是TI公司生產(chǎn)的SOC芯片CC2430，內(nèi)置增強(qiáng)型的8051內(nèi)核,，接口豐富,，具有8 KB SDRAM，128 KB閃存,，只需加上電源電路,、晶振電路、天線而無需其它外部擴(kuò)展即可配置為FFD(全功能器件)或RFD(簡化功能器件),，因而硬件設(shè)計(jì)簡便,，成本也相對(duì)較低，模塊采用串口與ARM系統(tǒng)通信,。實(shí)物圖如圖6所示,。
5 系統(tǒng)分析測(cè)試
網(wǎng)絡(luò)化在本系統(tǒng)中主要體現(xiàn)為兩個(gè)方面，一個(gè)是采用ZigBee構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò),，用于無線數(shù)據(jù)采集。另一個(gè)則是Internet網(wǎng)絡(luò),，用于嵌入式系統(tǒng)與主控制端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,。并且，本系統(tǒng)測(cè)控I／O模塊符合標(biāo)準(zhǔn)測(cè)控電壓電流規(guī)格定義,，并采用ZigBee無線技術(shù),，可實(shí)現(xiàn)簡單二次開發(fā)。經(jīng)軟件測(cè)試,，該系統(tǒng)可完成不同物理量,、本地或遠(yuǎn)程,、無線或有線以及一定精度與實(shí)時(shí)性的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量控制，具備一般通用平臺(tái)的性能,。
6 結(jié)語
網(wǎng)絡(luò)化是測(cè)控技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向,，伴隨網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，也需要一種通用的平臺(tái)統(tǒng)一各分散的測(cè)控點(diǎn),。本文基于上述考慮,，提出了通用網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本思想，也闡述了較為詳盡的硬件設(shè)計(jì)方案,，該系統(tǒng)通用性好,、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)合理、成本低,，并且易于產(chǎn)品化,。經(jīng)簡單設(shè)置或二次開發(fā)，該系統(tǒng)可應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)車間,、智能家居,，以及油田油井遙測(cè)等廣泛的行業(yè)和領(lǐng)域。