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引言 在工業(yè)現場(chǎng)中，如工業(yè)以太網(wǎng)現場(chǎng)和工業(yè)無(wú)線(xiàn)通信現場(chǎng)，由于有些環(huán)境比較惡劣，主站操作現場(chǎng)設備不方便等因素可以副主站即手抄器對從站設備進(jìn)行實(shí)時(shí)性操作。副主站幾乎可以連接在網(wǎng)絡(luò )的任何地方，在不影響主站通訊的情況下對任何一個(gè)現場(chǎng)的從設備進(jìn)行操作，實(shí)現了兩個(gè)主站(主站和副主站)與同一個(gè)從設備之間的通訊。 手抄器設計 現場(chǎng)總線(xiàn)和工業(yè)無(wú)線(xiàn)通信是兩大處于國際前沿的研究方向，兩個(gè)系統如果分別做手抄器，成本相對較高，而且不方便管理。這款兩用手抄器集成了EPA(Ethernet for Plant Automation)和IEEE802.15.4(低數據率的WPAN標準)兩個(gè)協(xié)議，能夠通過(guò)有線(xiàn)或者無(wú)線(xiàn)的方式在不同的工業(yè)現場(chǎng)得到應用，在不影響上位機通訊的情況下對現場(chǎng)設備進(jìn)行數據采集、監測和控制。 該手抄器使用的是ARM7控制芯片。它包含了微處理器(AT91R40008)、存儲器、通信模塊、網(wǎng)絡(luò )通信接口、顯示終端、無(wú)線(xiàn)通信模塊等重要組成部分。在該設計中，使用了兩種供電方式，一種電源使用了以太網(wǎng)供電設備，該設備除了用于網(wǎng)口通信，還提供設計中所需要的電源。該電源經(jīng)過(guò)電平轉換，為微處理器、存儲器、無(wú)線(xiàn)通信模塊等提供所需的+3.3V和+1.8V電源;另一種電源使用了電池供電。32位的微處理器AT91R40008通過(guò)串口0和串口1與無(wú)線(xiàn)通信模塊和液晶終端進(jìn)行數據交換。圖1為ARM7手抄器的硬件框圖。
微處理器 選用AT91R40008做CPU。AT91R40008包括一個(gè)高性能32位精簡(jiǎn)指令系統和一個(gè)高密度16位的指令系統。AT91R40008具有片上的SRAM或ROM、完全可編成的外部總線(xiàn)接口(EBI)、32個(gè)可編程的I/O口、8個(gè)優(yōu)先級、4個(gè)外部中斷、2個(gè)USART及16位的定時(shí)器/計數器等特點(diǎn)。 AT91R40008具有與外部存儲器的直聯(lián)的特色,通過(guò)外設的FLASH，經(jīng)過(guò)完全可編程外部總線(xiàn)接口(EBI)、 一個(gè)八位優(yōu)先向量中斷控制器,，及外部數據控制器，能大大提高處理器的即時(shí)性能。 微處理器部分的設計包含系統硬件的啟動(dòng)與復位，地址總線(xiàn)、數據總線(xiàn)的分配和定義，通過(guò)串行線(xiàn)對無(wú)線(xiàn)通信模塊和液晶終端的讀寫(xiě)等。 系統由外部的50MHz鐘振作為時(shí)鐘源向CPU輸入時(shí)鐘信號。復位電路由10μF的電容、10K的電阻及按鍵組成低電平復位電路。AT91R40008內部ROM為128K，外部最大可擴64M的存儲器，根據實(shí)際的設計需要，在設計中擴展了一片2M字節的SST36VF160對軟件程序進(jìn)行存儲。網(wǎng)卡芯片AX88796通過(guò)片選線(xiàn)、中斷線(xiàn)、讀寫(xiě)信號控制線(xiàn)和地址數據總線(xiàn)與CPU相連，實(shí)現現場(chǎng)設備和上位機的網(wǎng)絡(luò )通信。AT91R40008分別通過(guò)串口0和串口1實(shí)現與無(wú)線(xiàn)通信模塊和顯示終端的數據交換。 FLASH存儲器 由于該手抄器是應用于工業(yè)現場(chǎng)中，所以在軟件中必須加入相應的規范標準。在手抄器的系統設計中，在CPU的外部拓展了2M字節的FLASH。SST39VF160是一個(gè)1M×16的CMOS多功能FLASH器件，由SST特有的高性能的 Super Flash技術(shù)制造而成。SST39VF160具有功耗較低的優(yōu)點(diǎn)，它的工作電壓為3.3V，具有高性能的編程功能，字編程時(shí)間為14μs�？紤]到 SST39F160的這些優(yōu)點(diǎn)選用這款FLASH，在目前測試環(huán)境中證明這款FLASH能夠更方便和更低成本的滿(mǎn)足程序配置和數據存儲的要求。 網(wǎng)絡(luò )通信接口 在設計中采用網(wǎng)絡(luò )通信接口接入工業(yè)以太網(wǎng)，數據由以太網(wǎng)傳遞到上位機中，實(shí)現工業(yè)現場(chǎng)的無(wú)線(xiàn)設備和上位機的通信。在實(shí)際的設計過(guò)程中，我們采用HR61H50L作為網(wǎng)絡(luò )隔離器，采用AX88796作為網(wǎng)卡芯片。 AX88796是臺灣Asix公司的NE2000兼容快速以太網(wǎng)控制器。其內部集成有10/100 Mb/s自適應的物理層收發(fā)器和8K×16位的SRAM，支持MCS-51系列、80186系列以及MC68K系列等多種CPU總線(xiàn)類(lèi)型。AX88796 執行的是基于IEEE802.3/IEEE802.3u 局域網(wǎng)標準的10Mb/s和100Mb/s以太網(wǎng)控制功能，并提供IEEE802.3u兼容的媒質(zhì)無(wú)關(guān)接口MII，用以支持在其它媒質(zhì)上的應用。AX88796的地址總線(xiàn)SA[9:0]與數據總線(xiàn) SD[15:0]分別與CPU的地址/數據總線(xiàn)相連。CPU通過(guò)I/O讀寫(xiě)NE2000寄存器來(lái)控制AX88796的工作狀態(tài)，通過(guò)遠程DMA FIFOs與AX88796的內部緩存SRAM進(jìn)行數據交換。SRAM與MAC核之間進(jìn)行Local DMA將數據發(fā)送至MAC層，再經(jīng)由內部的PHY層發(fā)送至RJ45接口，或者經(jīng)過(guò)MII接口送至外部的物理層芯片。SEEPROM接口可以用來(lái)連接串行 EEPROM。EEPROM可用于存儲MAC地址，供AX88796每次初始化時(shí)讀取。 電源 由于此手抄器用于兩種不同的協(xié)議，實(shí)際設計中使用了兩套電源管理系統，并進(jìn)行了特殊處理，避免了其中一套供電時(shí)對另一套電源造成影響。 當手抄器用于工業(yè)以太網(wǎng)的一致性測試時(shí)，電源采用的是以太網(wǎng)供電設備，該設備采用符合802.3受電設備標準，輸出標準的+24V，經(jīng)過(guò)LM2576-5、AS1117-1.8和AS1117-3.3電源芯片，電平轉換后，輸出手抄器上的CPU、存儲器、網(wǎng)卡芯片、智能顯示終端上所需的1.8V和3.3V電源。 當手抄器用于工業(yè)無(wú)線(xiàn)系統中，電源采用的是電池供電，普通的手機電池即可。電池輸出電壓經(jīng)過(guò)TPS60110、TPS60100電源芯片，電平轉換后，輸出手抄器上的CPU、存儲器、網(wǎng)卡芯片、智能顯示終端終端和無(wú)線(xiàn)通信模塊上所需的工作電壓。 JTAG調試接口 這里使用JTAG調試接口主要是為了調試顯示終端、無(wú)線(xiàn)通信模塊、CPU和上位機之間的通信，及測試其通信性能。 鍵盤(pán)接口 自主設計了一個(gè)6×4矩陣鍵盤(pán)。如圖2所示。鍵盤(pán)的行連接在CPU的6個(gè)PIO引腳上，配置為輸出;列連接在4個(gè)能夠產(chǎn)生終端的引腳上，配置為輸入。由于上拉電阻的作用，在空閑模式下，這些引腳為高電平狀態(tài)。當有按鍵按下時(shí)，列引腳為低電平狀態(tài)，列引腳的下降沿引起中斷。處理器進(jìn)入PIO中斷子程序，并打開(kāi)定時(shí)器。定時(shí)器溢出后，進(jìn)入定時(shí)器中斷子程序，以判斷是否確實(shí)有鍵按下，是哪個(gè)鍵按下。定時(shí)器設置為波形模式，RC比較中斷，中間溢出由RC 比較寄存器的直和所選擇的時(shí)鐘沿決定�？捎熊浖䦶臀缓投〞r(shí)器啟動(dòng)。 初始化：列PIO配置為輸入，行PIO配置為輸出，且輸出為0; 列PIO打開(kāi)中斷，初始化該中斷;使能PIO時(shí)鐘;初始化定時(shí)器中斷。 PIO中斷子程序：鍵盤(pán)掃描前，所有的行輸出為0，當有鍵按下，與其對應的列電平為0，引起PIO中斷。為了避免毛刺噪聲的影響，需要啟動(dòng)定時(shí)器延時(shí)判斷。設延時(shí)時(shí)間為20ms(31250個(gè)tick) 。
定時(shí)器中斷子程序：定時(shí)器溢出后，開(kāi)始第二次掃描，判斷是否有鍵按下，如確實(shí)有鍵按下，PIO引腳為低電平的列即為按鍵按下的列。然后再將PIO設置為輸入狀態(tài)，所按下的鍵的行輸入狀態(tài)該為高電平，因此判斷具體是哪個(gè)鍵按下。 智能顯示終端 根據實(shí)際應用的要求，選用了一款臺灣奇美的3.5寸的TFT彩色顯示屏。為了便于管理，所設計手抄器采用了AT91R40008，但是這款CPU不帶有LCD驅動(dòng)，沒(méi)法直接驅動(dòng)顯示屏，因此選用了一款工業(yè)標準的M600系列模組來(lái)驅動(dòng)TFT顯示屏。 M600能夠實(shí)現 “TFT顯示驅動(dòng)”和“文本和圖像處理接口函數”以及一部分“用戶(hù)應用程序”。它集成了顯示驅動(dòng)、1MB顯存、128MB Flash，其中最大32MB 用戶(hù)數據庫，方便了實(shí)際測控系統的數據存儲應用。采用的是串口的方式和用戶(hù)系統連接，使用過(guò)程中只要3根線(xiàn)(+3.3V、GND、RXD)就可以把 M600接起來(lái)點(diǎn)亮一個(gè)TFT屏，方便了本手抄器的以后的改進(jìn)設計。M600采用的是統一的指令集，我們可以通過(guò)軟件設置來(lái)適應不同分辨率的顯示屏，在工業(yè)現場(chǎng)中如果需要更換顯示屏，只需修改極少量的代碼，就可以完成手抄器的更新?lián)Q代。 無(wú)線(xiàn)通信模塊 基于IEEE 802.15.4工業(yè)無(wú)線(xiàn)通信模塊采用的是CC2430，整個(gè)模塊的結構簡(jiǎn)單，采用單芯片進(jìn)行數據的處理,在CC2430只要用很少的一些外圍元件就可以進(jìn)行正常的工作。它外圍電路主要是由天線(xiàn)、晶振電路、復位電路以及用于調試的JATG口組成。 在功能上，主要用于完成無(wú)線(xiàn)通信模塊之間的數據收發(fā)，同時(shí)將數據發(fā)送給手抄器的處理器。它們之間的數據傳送是通過(guò)串口進(jìn)行數據的傳送。晶振電路分別為32.768KHz和32MHz兩個(gè)晶振,32.768KHz提供模塊在休眠狀態(tài)的工作時(shí)鐘。32MHz提供模塊在工作狀態(tài)下的工作時(shí)鐘。JATG用于在線(xiàn)的程序設計，如圖3所示。
手抄器在工業(yè)現場(chǎng)中的應用 在現有的研發(fā)系統中，將工業(yè)以太網(wǎng)的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與工業(yè)現場(chǎng)的無(wú)線(xiàn)設備之間建立連接，將手抄器作為無(wú)線(xiàn)手持為例。工業(yè)現場(chǎng)的無(wú)線(xiàn)設備通過(guò)專(zhuān)用的傳輸協(xié)議將數據傳輸到轉換設備。數據經(jīng)過(guò)轉換，成為工業(yè)現場(chǎng)能夠識別和支持的格式，并傳輸到工業(yè)現場(chǎng)中的一個(gè)發(fā)出指令請求的設備中。實(shí)現上位機對現場(chǎng)數據進(jìn)行監控。工業(yè)現場(chǎng)中，主站即上位機不方便對現場(chǎng)設備進(jìn)行實(shí)時(shí)操控，可以使用一個(gè)手抄器和轉化設備進(jìn)行連接，對數據進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)和采集，根據反饋的數據，對現場(chǎng)的數據進(jìn)行修正，保證設備正常運行，如圖4所示。
結語(yǔ) 本文給出了以AT91R40008為CPU的兩用手抄器的解決方案，介紹了手抄器的硬件實(shí)現，重點(diǎn)突出了在工業(yè)以太網(wǎng)中用到的網(wǎng)口通信接口，及在工業(yè)無(wú)線(xiàn)系統中應用的基于IEEE802.15.4的工業(yè)無(wú)線(xiàn)通信模塊。具體設計過(guò)程中成功的引入了以往研究成果中關(guān)于EMC測試環(huán)節的解決方案。目前，手抄器在測試系統中運行情況良好。美中不足，由于設計出這款基于EPA與IEEE802.15.4的兩用手抄器的時(shí)間比較短，還沒(méi)有經(jīng)過(guò)大量工業(yè)現場(chǎng)的檢驗，因此還不足以發(fā)現手抄器存在的其它問(wèn)題。工業(yè)現場(chǎng)設備安裝的環(huán)境往往比較惡劣，怎樣使本手抄器擁有更好的穩定性、更低的功耗、更廣的工作范圍，這些對硬件設計和軟件優(yōu)化提出了更高的要求。 參考文獻： [1] Atmel Corporation.AT91X40 Ssries: AT91R40008 [2] 馬忠梅，徐英慧，葉勇建等. AT91系列ARM核微控制器結構與開(kāi)發(fā)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003 [3] 朱義君，楊育紅，趙凱，段志英. AT91系列ARM微控制器體系結構與開(kāi)發(fā)實(shí)例[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005 [4] SRWF-501-50無(wú)線(xiàn)通信模塊說(shuō)明書(shū). 上海桑銳電子科技有限公司, 2004 [5] 王平，向敏，鐘剛. 基于EPA標準的無(wú)線(xiàn)手持終端. 專(zhuān)利號：200620110844.2 [6] ARM開(kāi)發(fā)板LCD液晶屏選型指南. http://www.edmarket.com.cn/productarticleshow.asp?id=57&page=0 [7] 張春峰. 基于布爾處理的鍵盤(pán)矩陣解讀方法探討. http://www.eccn.com/xsj07/xsj074153.asp |
