基于ARM和CPLD的温度控制器的设计

1 引言
     随着计算机技术的飞速发展，在日常生活和生产中，人们要求更精确测量和控制温度等模拟物理量，不仅满足工业现场实时监控，上位PC机遥观、遥测和遥控等，而且要求连-接互联网，以实现远程监控和访问数字化、智能化的传感器功能。
     这里提出一种以ARM微控制器为核心，结合CPLD技术的温度控制系统。该系统将温度传感器采集的信息A/D转换后传输至微处理器处理，其处理数据再经网络接121远程传输。或通过RS232串行接口与上位机PC机通信实现分布式温度监控系统。
   2 系统硬件设计
     该系统设计主要是针对工业控制领域现场仪器仪表开发的，其硬件设计框图如图1所示，该框图包括ARM微处理器、电源、监控复位、存储器扩展(RAM、Flash和EEPROM)、人机交换接口(LED)、网络通信、温度检测电路、A／D转换、 D／A转换输出、RS232通信和CPLD控制电路(外围设备的译码、配置，实现系统的硬件软件化)等模块。
   
     温度传感器测量外部温度信息，在CPLD的控制下，把A／D转换后的数字信号送入ARM微处理器中进行处理，同时通过LCD显示处理信息，由网络接121 远程监控。当然，现场也可由键盘实时人工干预。经ARM微处理器处理的数据通过RS232串口传送到上位机进行显示存储。当然，工作过程中若出现错误，会产生声光报警等。同时，键盘还可现场干预设置，处理故障等。
       这里ARM微处理器选用ATMEL公司32位的AT91M40800。AT91M40800除具有ARM7TDMI内核外，其内部还集成有许多外围设备，大量内部寄存器可快速完成中断处理。由于AT91M40800微处理器通过可编程的EBI与片外存储器相连，使其具有较快的访问速度；同时它还具有8个优先级向量中断控制器与外部数据控制器连接，进而提高中断响应速度。因此，AT91M40800微处理器非常适用于工业实时控制领域，是嵌入式工业控制器中处理器的最佳选择。
2．1 网络通信接口电路设计
     AT91M40800本身无ETHERNET接口，需通过外接以太网控制器实现网络功能。考虑到性价比，系统选用ReaItek公司生产的RTL8019AS型以太网控制器，外扩一个ETHER，NET接口。RTL8019AS连接电路如图2所示。
   
       RTL8019AS的JP引脚接VCC使其工作在jumper(配置模式)模式下，以I／O方式进行读写操作。NETCS为AT91M40800对 RTL8019AS的片选信号，地址为0x03000300~0x0300031FLED0、LED1各接一只发光二极管以指示通讯状态。
     采用10BASE-T布线标准通过双绞线实现以太网通讯，由于RTL8019AS内置10BASE-T收发器，所以网络接口电路较简单。只需外接一个隔离低通滤波器(LPF)20F-01与外部网络相连。TPIN±为接收线，TPOUT±为发送线，经隔离后分别与RJ-45接口的RX±、TX±端相连。
     RTL8019AS工作在中断方式下，当接收到数据包时．NETINT(中断信号)输出低电平，并通知处理器读取数据。CPU启动远端DMA，NETCS (片选信号)和NETRD(读信号)有效，进而从RTL8019AS内部RAM读取数据。NETRST(复位信号)由控制电路CPLD产生，高电平有效，保证RTL8019AS可靠复位。
2．2 CPLD控制电路
     CPLD主要对RTL8019AS以太网控制器、LCD液晶显示和MAX197的控制电路译码，选用Altera公司的CPLDEPM7032A。该器件具有600个可用门，32个宏单元，38个用户I／O引脚，采用3．3 V CMOS工艺，具有5 V容限输入。应用MAX+PLUSII开发平台，在图形编辑器中完成所需设计。EPM7032A的内部设计实现如图3所示。
   
   
   
   
       网络接口模块也是该设计重点，其主程序负责完成系统参数的初始化和实时调用任务。主程序采用轮询方式不断检测状态字和功能函数返回值，判断某事件是否发生，如果发生就处理该事件，处理完毕后返回主程序，继续执行后面的程序。网络接口模块主程序流程如图5所示。
     程序首先进行系统初始化，分配内存缓冲池用于处理TCP／IP协议；接着网络参数初始化；然后依次完成串口、定时器、ARP缓冲和RTL8019AS等的初始化工作；最后由一个while死循环检测状态字，由各子程序进行相关处理。
   4 系统调试
     系统调试主要包括硬件调试、软件调试和系统仿真综合调试三部分。首先，实验板接通电源，通过其相应的ARM和CPLD的JTAG接口与计算机并口相连，然后把相应的已编译、仿真的程序分别下载烧写到ARM和CPLD中，依次调试各个模块，基本满足温度信号采集、处理等功能，调试后的参数结果符合要求，运行状态良好。
   5 结束语
       以嵌入式系统为研究方向，面向工业控制领域，以仪器仪表为应用对象，构建并开发基于ARM和CPLD的嵌入式工业控制器通用平台，完成基于ARM处理器的嵌入式工业控制器的具体设计。系统测试效果良好，性能稳定，达到预期的设计目标。基于ARM和CPLD的嵌入式工业控制器通用平台具有广阔的应用前景，可广泛用于工农业检测、智能控制等控制领域，为以后系统升级提供有益参考。