基于A(yíng)RM9的測控系統通信接口設計

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摘要：控制終端是測控裝置中不可缺少的主要組成部分，目前應用的許多測控系統都具有規模大、控制點(diǎn)分散、大多控制點(diǎn)計算密度較低、受控體及接口種類(lèi)繁多等特點(diǎn)。文章設計了ARM9S3C2440處理器下的RS485、RS232、CAN、IO輸入／輸出、IIC等通信控制接口，本文重點(diǎn)介紹其設計方法和過(guò)程。
關(guān)鍵詞：ARM9；S3C2440；系統接口；控制終端；控制器
0 引言
控制終端是測控裝置中不可缺少的主要組成部分，是測控系統存在的基礎，目前應用的許多測控系統都具有規模大、控制點(diǎn)分散、大多控制點(diǎn)計算密度較低、受控體及接口種類(lèi)繁多等特點(diǎn)。
近年來(lái)嵌入式系統以體積小、功耗低、控制功能較強、能夠嵌入操作系統、易于擴展外圍接口(包括各種現場(chǎng)總線(xiàn)和百兆網(wǎng)等)等優(yōu)點(diǎn)，很適合計算密度較低的分布式控制終端的應用。本設計采用ARM9 3C2440來(lái)開(kāi)發(fā)測控終端，完成了測控裝置中的RS485、RS232、CAN、IO輸入／輸出、IIC通信控制接口設計。下面重點(diǎn)介紹其設計方法和過(guò)程。
1 系統設計
圖1系統總體結構是采取核心板跟底板的結構。核心板的資源包括S3C2440A的基于A(yíng)RM920T核的處理器，其內部集成了許多外設，可以很容易地對處理器進(jìn)行擴展，形成各種不同的控制／通信接口。存儲系統方面核心板上擴展了64M的SDRAM，256M的NAND FLASH，以及2M的NOR FLASH，能夠滿(mǎn)足一般的工業(yè)控制需求。另外核心板上還集成著(zhù)DM9000以太網(wǎng)控制芯片。在底板上利用S3C2440處理器上的功能模塊，再加上外圍電路，形成各種接口的擴展，其中包括有半雙工的RS485、RS232、CAN通信模塊、IO數字量口輸入、IO口數字量輸出。


2 模塊硬件配置
2．1 RS-485總線(xiàn)接口的設計
S3C2440片內集成的三路UART接口，UART接口通過(guò)電平轉換芯片可以很方便地轉換為485接口。UARTO作為嵌入式LINUX的控制臺(conso le)接口，UART1用作RS485擴展，UART2作為RS232擴展。我們用到的是UART1。由于A(yíng)RM處理器的引腳電平和EIA規定的電氣標準不一樣，所以必須要外接電平轉換芯片，利用片內UART外接不同的轉換芯片可以輕松地實(shí)現RS485或者RS232串行協(xié)議標準。RS485采用差分信號負邏輯，為了達到RS485總線(xiàn)的電氣特性標準，設計中用到的是Analog Devices公司的半雙工RS-485隔離收發(fā)器。
ADM2483是帶隔離的增強型RS485收發(fā)器，它包括一個(gè)三通道隔離器，一個(gè)帶三態(tài)輸出的差分驅動(dòng)器和一個(gè)帶三態(tài)輸入的差分接收器，允許多達256個(gè)收發(fā)器接入總線(xiàn)，最高傳輸速率為500kb／s，邏輯端兼容3V／5V工作電源�？偩�(xiàn)端5V供電。

圖2為系統中利用S3C2440中的ART1實(shí)現半雙工的RS-485總線(xiàn)的原理圖，其中的引腳RE’與DE分別為接收使能和發(fā)送使能端，現在將其并聯(lián)起來(lái)接到S3C2440的nCTS0引腳，由該引腳的電平控制芯片數據的方向。要發(fā)送數據時(shí)要叫其置1，接收數據時(shí)要將其清0。
2．2 CAN總線(xiàn)接口的設計Microchip
公司推出的MCP2515是一款獨立控制器局域網(wǎng)絡(luò )協(xié)議控制器，完全支持CAN V2．0B技術(shù)規范。該器件能發(fā)送和接收標準和擴展數據幀以及遠程幀。MCP2515自帶的兩個(gè)驗收屏蔽寄存器和六個(gè)驗收濾波寄存器可以過(guò)濾掉不想要的報文，因此減少了主單片機的開(kāi)銷(xiāo)。MCP2515與MCU的連接是通過(guò)業(yè)界標準串行外設接口(SPI)來(lái)實(shí)現的。在S3C2440處理器上片內集成了兩個(gè)SPI控制器，可以通過(guò)SPI總線(xiàn)與MCP2515的控制線(xiàn)連接，進(jìn)而對MCP2515進(jìn)行控制和配置等各項操作。此外要組成CAN網(wǎng)絡(luò )，仍需要一個(gè)與具體物理線(xiàn)路連接的CAN收發(fā)器，本設計中采用了Microc hip公司的MCP2551。MCP2551是一個(gè)可容錯的高速CAN器件，可作為CAN協(xié)議控制器與物理線(xiàn)路之間的接口，為CAN控制器起差分收發(fā)能力，能夠把CAN控制器生成的數字信號轉化成為適合總線(xiàn)上傳輸的信號。

2．3 RS232接口的設計
RS232適于本地的設備之間的通信。利用S3C2440片內的UART可以輕松地實(shí)現串行數據的傳輸，MAX232采用單電壓5V供電，可以輕松地實(shí)現電平轉換，特別是在沒(méi)有12V電源的情況下。該芯片采用DIP封裝，集成了2個(gè)電壓轉換器，連線(xiàn)簡(jiǎn)單而方便使用。

2．4 數字量輸入／輸出接口的設計
數字量的輸入輸出可以直接控制ARM的引腳為GPIO功能而實(shí)現，輸入和輸出具有相同的原理。一般控制系統需要工作在惡劣的環(huán)境中，電壓值會(huì )產(chǎn)生突變，而且一般都高于A(yíng)RM處理器可接受的范圍，所以必須采取一定隔離措施，需要外接隔離芯片。隔離芯片在電路中起到三方面的作用：1)隔離了破壞電壓，防止處理器受到破壞性損壞；2)完成邏輯電平的轉換，將工業(yè)控制中的信號邏輯電平轉換為嵌入式處理器所允許的邏輯電平；3)隔離噪聲，抑制共模信號。在本設計中采用的是ADI公司的ADuM1200數字隔離器。這款數字隔離器采用的是iCoupler磁隔離技術(shù)，無(wú)論在性能、工號體積等各方面都有傳統的光電隔離器無(wú)法比擬的優(yōu)勢，具有比光電耦合器更高的數據傳輸速率，時(shí)序精度和瞬態(tài)共模抑制能力。在一個(gè)芯片上集成了兩個(gè)獨立的隔離通道，兩端工作電壓為2．7V～5．5V，每個(gè)隔離通道具有很低的脈寬失真，而且還具有直流校正功能。綜合上述各優(yōu)勢，是本設計中采取該隔離芯片的原因。


3 結束語(yǔ)
本設計成功應用在中微子實(shí)驗室的環(huán)境測量系統中，實(shí)現了工業(yè)現場(chǎng)的嵌入操作系統、網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)功能、微型化、高可靠性設計，運行穩定可靠、效果良好。但存在遠距離通信時(shí)速度不高的缺陷，具體解決方法有待進(jìn)一步研究。