摘要：根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)化測控需求,，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)計方案,，設(shè)計了一種基于ARM和ZigBee的通用網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)硬件平臺,，詳細闡明了系統(tǒng)各模塊的硬件設(shè)計。實際應(yīng)用表明,，系統(tǒng)硬件平臺網(wǎng)絡(luò)性能好,、通用性強且成本較低。
關(guān)鍵詞：ARM,；網(wǎng)絡(luò)測控,；通用平臺；硬件設(shè)計；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)化測量控制已成為測控系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢,。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),，也不能簡單升級具有網(wǎng)絡(luò)功能,，且模式較為單一。因而,，設(shè)計與實現(xiàn)了一種網(wǎng)絡(luò)化通用測控系統(tǒng)平臺,，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化測控需求且具有一般平臺的通用性能。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)測控" title="通用網(wǎng)絡(luò)測控">通用網(wǎng)絡(luò)測控平臺的硬件設(shè)計,。
1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計
基于ARM的通用網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示,，本系統(tǒng)在測控端采用基于ARM的CPU，通過網(wǎng)絡(luò)接口與Internet相連,，外圍擴展有數(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)計的主要研究內(nèi)容：基于ARM的嵌入式主控硬件平臺,、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊,、測控I／0模塊硬件以及硬件系統(tǒng)的通用性指標和網(wǎng)絡(luò)化性能的分析測試。
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,，精簡指令集計算機)微處理器S3C2440A,，該芯片資源豐富、運算速度快,、功能強大,，且價格相對合理。核心板系統(tǒng)框圖如圖2所示,。
2．1 存儲器電路
FLASH存儲器采用Samsung半導(dǎo)體生產(chǎn)的64M×8 b的K9F1208U0M Nand FLASH存儲器芯片,。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)存儲器,。
2．2 JTAG調(diào)試接口
JTAG(Joint Test Action Group，聯(lián)合測試行動小組)是一種國際標準測試協(xié)議(IEEE 1149．1兼容),，主要用于芯片內(nèi)部測試,。它在芯片內(nèi)部封裝了專門的測試電路TAP(Test Access Port，測試訪問口),，通過專用的JTAG測試工具對內(nèi)部節(jié)點進行測試,，同時可用于在線編程,。標準的JTAG接口是4線：TMS，TCK,，TDI,，TDO，分別為模式選擇,、時鐘,、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。系統(tǒng)采用20針的標準接口,，用于在線調(diào)試及系
統(tǒng)Bootloader的下載,。
2．3 電源與系統(tǒng)時鐘電路
電源設(shè)計的可靠性關(guān)系到系統(tǒng)運行的穩(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)時鐘主要分為主頻時鐘FCLK，AHB總線設(shè)備時鐘HCLK,，APH總線設(shè)備時鐘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的時鐘源為外部晶振XTIPLL,。同時，可通過片內(nèi)的兩個鎖相環(huán)MPLL和UPLL來得到內(nèi)核時鐘和USB時鐘,。
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準RS 232電平,，因此在與PC機連接調(diào)試時需進行電平轉(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)動的基礎(chǔ)上修改為ZigBee的數(shù)據(jù)收發(fā)驅(qū)動，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 測控I／O模塊硬件
3．1 數(shù)字量輸入／輸出模塊
系統(tǒng)實現(xiàn)了8路數(shù)字量的輸入,，8路數(shù)字量的輸出，采用CH573對數(shù)字量輸出進行鎖存,，采用CH245對輸入量進行選通,。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的鎖存信號以及CH245的片選信號來實現(xiàn)輸出量和輸入量的復(fù)用。同時,，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實現(xiàn)4路12位模擬量或2路12位差分信號模擬量采樣輸入，系統(tǒng)D／A實現(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100 KSPS，且價格低廉,；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，建立時間為1～3．5μs,，具備2通道模擬量輸出能力,。只需外加信號調(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),，采用國際通用免費頻段2．4 GHz，具有低功耗,、低成本,、低復(fù)雜度等優(yōu)點。ZigBee技術(shù)較易實現(xiàn)自動組網(wǎng),，網(wǎng)絡(luò)容量大,，可容納多達65 000個節(jié)點,，網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點之間都可進行數(shù)據(jù)通訊。網(wǎng)絡(luò)具有星狀,、樹狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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)計簡便,，成本也相對較低，模塊采用串口與ARM系統(tǒng)通信,。實物圖如圖6所示,。
5 系統(tǒng)分析測試
網(wǎng)絡(luò)化在本系統(tǒng)中主要體現(xiàn)為兩個方面，一個是采用ZigBee構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò),，用于無線數(shù)據(jù)采集,。另一個則是Internet網(wǎng)絡(luò)，用于嵌入式系統(tǒng)與主控制端進行數(shù)據(jù)交互,。并且,，本系統(tǒng)測控I／O模塊符合標準測控電壓電流規(guī)格定義，并采用ZigBee無線技術(shù),，可實現(xiàn)簡單二次開發(fā),。經(jīng)軟件測試，該系統(tǒng)可完成不同物理量,、本地或遠程,、無線或有線以及一定精度與實時性的網(wǎng)絡(luò)測量控制，具備一般通用平臺的性能,。
6 結(jié)語
網(wǎng)絡(luò)化是測控技術(shù)發(fā)展的一個重要方向，伴隨網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,，也需要一種通用的平臺統(tǒng)一各分散的測控點,。本文基于上述考慮，提出了通用網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)設(shè)計基本思想,，也闡述了較為詳盡的硬件設(shè)計方案,，該系統(tǒng)通用性好、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計合理,、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,，以及油田油井遙測等廣泛的行業(yè)和領(lǐng)域。