|
引言 分布式控制系統(DistributedControl System，DCS)是應用計算機技術(shù)對生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中監測、管理和分散控制的綜合性網(wǎng)絡(luò )系統。目前，采用微控制器作為分布控制核心，通過(guò)RS485網(wǎng)絡(luò )構建的分布式控制系統在工業(yè)、農業(yè)、醫療等領(lǐng)域獲得了廣泛的應用，例如，分布式溫室環(huán)境信息監測系統，分布式水下電腦燈控制系統等等。 LPC2138是飛利浦公司推出的基于ARM7TDMI-S內核的微控制器，它具有非常豐富的外圍模塊，強大的處理和控制功能，非常易于構建嵌入式系統。用它構建的分布式控制系統，不僅體積小，性?xún)r(jià)比高，而且還具有穩定可靠、功能強大、開(kāi)發(fā)周期短等特點(diǎn)。LPC21 38微控制器介紹LPC2138內嵌512KB的高速Flash存儲器和32KB的RAM，具有豐富的外設資源：2個(gè)32位定時(shí)器(帶捕獲、比較通道)；2個(gè)10位8路ADC；1個(gè)10位DAC；PWM通道；4 7 路GPIO；9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷；具有獨立電源和時(shí)鐘的RTc；多個(gè)串行接口(UART、I2C、SPI、SSP)。它內含向量中斷控制器，可配置中斷優(yōu)先級和向量地址，片內Boot裝載程序可以實(shí)現在系統／在應用編程(ISP／IAP)，通過(guò)片內PLL可實(shí)現60MHz的CPU操作頻率，具有空閑和掉電2種低功耗模式，并且可通過(guò)外部中斷喚醒。 控制系統設計 在分布式的控制系統中一般采用通用的單片機作為控制處理的核心，不僅速度慢信息處理能力弱，而且一般需要附加許多外圍電路，例如RAM、ROM、ADC、DAC、看門(mén)狗等等。采用ARM微控制器LPC2138為核心的分布式控制系統，通過(guò)擴展簡(jiǎn)單的外圍電路(顯示模塊、中斷鍵盤(pán)、RS485模塊)，開(kāi)發(fā)相應的嵌入式程序即可實(shí)現功能強大的系統，不僅具有較高的系統集成度和穩定性，而且開(kāi)發(fā)周期比較短。本文所設計系統總體框圖如圖1所示，包含了OLED顯示、中斷鍵盤(pán)、RS485接口和EXT_CON接口(用來(lái)功能擴展的預留接口)。 系統顯示模塊采用OLED顯示模塊VGSl2864E，它是64×128矩陣式單色圖形字符顯示模塊，由于采用有機發(fā)光技術(shù)，無(wú)需背光源，所以與傳統LCD相比在陽(yáng)光照射下更能呈現清晰的圖像和數據。另外它還具有高亮度、高對比度、寬視角、低驅動(dòng)電壓和高發(fā)光效率等優(yōu)越的特性，較寬的溫度范圍(存儲溫度：-30℃～80℃，工作溫度：-20℃～70℃)也能適應更惡劣的環(huán)境。 VGS12864E使用兩片列驅動(dòng)控制器，內嵌64×64顯示數據RAM，RAM中每位數據對應屏上一個(gè)點(diǎn)的亮、暗，每個(gè)半屏都被分成了按行的八頁(yè)，因為每個(gè)字節的數據按低位(LSB)在上，高位(MSB)在下的結構排列，所以在提取字庫的時(shí)候，需要設置取字模的方式為：縱向取模，字節倒序。它與LPC2138的連接如圖2所示。ARM和OLED之間需要加電平轉換芯片，本設計采用16位雙向電平轉換芯片IDT74FCT164245，另外進(jìn)行電平轉換時(shí)需要進(jìn)行方向控制(圖2中DIR即為方向控制腳)。 RS485接口電路設計 RS485通信部分采用TI公司的SN65HVD24收發(fā)芯片，它具有較高的共模電壓范圍(一 20～25V)，支持最多256個(gè)節點(diǎn)，高達16kV的ESD，通信速率在500m時(shí)最高達3Mbps。為了防止串行通信時(shí)外界干擾引入微控制器，在微控制器和RS485通信芯片間加入了光電隔離電路，電路圖見(jiàn)圖3。 無(wú)極性連接設計 實(shí)現無(wú)極性連接有利于工程施工，方便系統擴容。如果采用差分曼徹斯特編碼的方法雖然可靠性高，但需要增加編解碼器，提高了硬件復雜性。本系統采用了異或門(mén)和軟件編程的方法實(shí)現。即在信息輸入輸出部分增加異或門(mén)進(jìn)行控制，當連接錯誤的時(shí)候控制引腳輸出高電平對信息取反，連接正確引腳輸出低電平信息不變。通過(guò)程序實(shí)現系統的自動(dòng)信息監測和自動(dòng)控制，由主機發(fā)送系統自檢信息，包括一個(gè)正向數據信息和反向的數據信息，在信息中包含正反信息碼，當從機接收到這些信息的時(shí)候就可以自動(dòng)調整自己的控制端進(jìn)行相應的控制操作。使用這種方式只需增加少許的軟硬件開(kāi)銷(xiāo)就實(shí)現了無(wú)極性的控制。 在應用編程(1AP)實(shí)現許多場(chǎng)合(例如地下燈光控制、土壤檢測)在系統布好后就不易進(jìn)行系統重新配置和程序的更新，所以采用IAP技術(shù)不僅使系統的適應能力增強，工作壽命增長(cháng)而且維護比較方便。 LPC2138的IAP程序位于BootBlock中，占用12KB存儲空間，位于地址0x0007D000-0x0007FFFF的Flash中，同時(shí)它的最低64字節也出現在從地址0x00000000開(kāi)始的Flash存儲器區域，所以復位后中斷向量被激活，跳轉到Boot Block裝載程序的入口。Boot裝載程序控制復位后的初始化操作，并提供實(shí)現Flash編程的方法。 IAP程序是Thumb代碼，位于地址0x7FFFFFFO(重映射后地址)處。IAP的功能可用下面的C代碼來(lái)調用。 ( 1)定義IAP程序的入口地址(由于IAP地址的第0位是1，因此，當程序計數器轉移到該地址時(shí)會(huì )引起Thumb指令集的變化) #define IAP_LOCATIONOx7FFFFFFl ( 2)定義數據結構或指針 unsigned long command[5]； unsigned long result[2]； (3)定義函數類(lèi)型指針 Typedef void(*IAP)(unsignedint[]，unsigned int[])； IAP iap_entry； ( 4)設置函數指針 iaP_entrY = (I A P)lAP_LOCATl0N； (5)調用IAP iap_entry(command，result)； 程序開(kāi)發(fā)采用ARM公司的集成開(kāi)發(fā)工具ADS1.2，把終端程序分為主程序和更新程序兩部分： 主程序用來(lái)實(shí)現終端的功能，是需要進(jìn)行更新的部分，更新程序僅負責主程序的更新。編譯鏈接時(shí)主程序占據0～14扇區，更新程序占據22～26扇區，15～21扇區用來(lái)存儲待更新主程序。更新程序用到的數據定義到片內R A M中0x40007800～0x40007FFF區域。另外為了實(shí)現主程序和更新程序的精確定位，設置ARMLinker中Linktype用Scattered方式，它能根據格式文件中指定的地址映射生成ELF格式的映像文件。 更新過(guò)程可大體分為程序更新準備和程序更新兩個(gè)階段： 準備階段分三步完成，首先主站通過(guò)RS485總線(xiàn)將編譯過(guò)的新終端主程序(不包含更新模塊)分成小的數據單元下傳給終端，終端將收到的經(jīng)校驗正確的數據存儲到片內F1ash存儲器中，然后主站查詢(xún)終端代碼的接收情況，并對傳輸錯誤的部分重新下傳進(jìn)行更正，最后主站發(fā)送啟動(dòng)更新指令，終端檢驗程序數據正確性并置上更新標志，停止刷新看門(mén)狗，從而使終端復位。 程序更新分兩步完成，首先終端重啟時(shí)檢測到更新標志有效即可調用更新程序進(jìn)行程序更新，程序更新完成后再次使終端自復位，即可運行更新后的程序代碼，完成程序更新全過(guò)程。 另外，由于IAP服務(wù)代碼是Thumb指令，用c程序直接調用時(shí)須在設置編譯參數ATPCS時(shí)選中Arm／ThumbInte2rworking項。由于執行IAP命令使用片內RAM頂端的32個(gè)字節空間，因此用戶(hù)程序不應該使用該空間。調用IAP功能前，要關(guān)閉PLL、MAM(存儲器加速模塊)部件及所有 中斷以及正確設置系統時(shí)鐘。 結語(yǔ) 基于A(yíng)RM微處理器的分布式控制系統不僅提高了系統集成度，增強了系統功能和系統穩定性，而且通過(guò)其強大的處理能力和IAP技術(shù)也使得系統智能化程度提高，符合分布式控制系統的發(fā)展方向。 |
