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。
本文所設(shè)計的系統(tǒng)就是為了滿足對各個設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時記錄與及時分析這樣的需求。本系統(tǒng)以S3C2410 為核心，采用linux 實時操作系統(tǒng)，結(jié)合嵌入式設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)點， 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，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。
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。
1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
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。
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4 k 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 中運行，以提高系統(tǒng)的運行速度， 同時， 系統(tǒng)及用戶堆棧， 運行數(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64 MB， 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立供電， 其中，內(nèi)核在200 MHz 工作時， 工作電壓是1.8 V， 在266 MHz 工作時，工作電壓是2 V，存儲器和I/O 的工作電壓是3.3 V，所以本系統(tǒng)采用一個+5 V 的開關(guān)電源模塊， 然后再分別將+5 V電壓處理成3.3 V 電壓和1.8 V 電壓。其中3.3 V 電壓是用低壓差線性電壓源通過+5 V 調(diào)整得到的。直流5 V 電壓經(jīng)外部接入，經(jīng)過電源的濾波，輸出平穩(wěn)的，5 V 可用的電壓，通過LM1117T 的調(diào)整可以得到可用的3.3 V 電壓。最后在輸出端接入一個100 μF 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。
圖2 3.3 V 電壓的實現(xiàn)
系統(tǒng)中的1.8 V， 是用線性電壓調(diào)節(jié)器MIC5207 根據(jù)3.3 V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470 pF 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470 pF 的濾波電容，進(jìn)一步使輸出更加平穩(wěn)。
圖3 1.8 V 電壓的實現(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。
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。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+5 V 電平，而CPU 的管腳電平是3.3 V，所以需要接入1 個總線電平轉(zhuǎn)化器74LV4245A， 用來給3 V 器件和5 V器件提供接口。也可以選擇與3.3 V 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。因為CAN 總線有很好的實時性能，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。
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 引腳實現(xiàn)的，在本系統(tǒng)中，采用80C51 的INTEL 模式，另外，采用獨立的外接晶振，來改善CAN 節(jié)點的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3.3 V 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。
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
本設(shè)計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。