基于ARM处理器的数据记录分析仪的设计

摘要：为集中监控工业现场的大量自动化仪表，提高工业生产中的自动化水平，现以S3C2410A为主控芯片，以液晶屏为显示设备，以触摸屏为输入设备，以SD卡为存储设备，设计一种电力设备数据记录分析仪。记录仪支持CAN通信与485通信2种总线方式采集采样模块的数据，具有大屏幕显示输出，简单易行的触摸屏输入，利用以太网上传数据，大容量的存储空间，功能齐全，用途广泛。

   随着科学技术的发展和我国工业自动化程度的提高，大量的自动化设备和仪表已经广泛应用于各大厂矿的工业现场。这些设备和仪表大多具有数据采集，传送，联网的能力，然而在现场应用中，往往需要对各个设备的相关数据进行实时记录与及时分析。本文所设计的系统就是为了满足这样的需求。本系统以S3C2410为核心，采用linux实时操作系统，结合嵌入式设备与网络技术的优点，有可连接设备数量多，速度快，功能多及可扩展性强等优点，可完成大量电力设备的集中监控，显着提高用户自动化系统的可靠性，节约大量的人力物力。
   1 系统的总体结构
   系统的组成部分和主要功能如下：
   1）上位机部分，主要负责远程的信息配置与数据采集，记录，与处理。
   2）数据记录分析仪部分：主要负责现场的信息配置和数据记录与处理。
   3）单片机系统：主要负责环境信息的采集，监控，处理。
   2 系统的硬件设计
   记录仪的硬件系统由核心板与主板2部分构成。其中核心板主要负责CPU与RAM存储器，Flash存储器等的搭建。
   主板包括整个系统的电源部分，以太网通信部分，CAN通信部分，485通信部分，串行通信部分，显示部分，数据存储部分，CPLD部分等。核心板与主板通过双排插针的结构连接。
   硬件设计的的结构图如图1所示。
   
图1 记录仪结构图
   2.1 核心板的设计
   核心板主要由CPU S3C2410、内存SDRAM、闪存NANDFlash、晶振电路、启动配置电路等几部分构成。
   CPU S3C2410A的内部仅仅集成了4k大小的SRAM，用作系统程序的引导程序空间，所以需要扩展一定容量的RAM，用来用作主程序的运行空间，数据及堆栈区。当系统启动时，CPU首先从复位地址0x0处读启动代码，完成系统初始化后，程序代码一般都调入SDRAM中运行，以提高系统的运行速度，同时，系统及用户堆栈，运行数据也都放在SDRAM中。SRAM中的引导程序完成以后，会将操作系统镜像加载到SDRAM中。本系统的SDRAM由2片HY57V561620T构建成1个32位的SDRAM存储结构。
   HY57V561620T是1个268 435 456位的CMOS SDRAM芯片，能够很好地满足大容量高宽度的存储需求。
   本系统中使用的Flash为三星公司的K9F1208.，容量为64MB，采用块页式存储管理，8个I/O引脚充当数据，地址，命令的复用端口。
   2.2 主板的设计
   如上所述，主板负责整个系统的电源部分，以太网通信部分，CAN通信部分，485通信部分，串行通信部分，显示部分，数据存储部分，CPLD部分等。
   2.2.1 电源模块的设计
   CPUS3C2410A芯片的各个模块采取独立供电，其中，内核在200MHz工作时，工作电压是1.8V，在266MHz工作时，工作电压是2V，存储器和I/O的工作电压是3.3V，所以本系统采用一个+5V的开关电源模块，然后再分别将+5V电压处理成3.3V电压和1.8V电压。其中3.3V电压是用低压差线性电压源通过+5V调整得到的。直流5V电压经外部接入，经过电源的滤波，输出平稳的，5V可用的电压，通过LM1117T的调整可以得到可用的3.3V电压。最后在输出端接入一个100μF的钽电容，来改善其瞬态响应和稳定性。
   原理图如图2所示。
   
图2 3.3V电压的实现
   系统中的1.8V，是用线性电压调节器MIC5207根据3.3V转换而成的，其原理图如图3所示。输出电压用于向CPU的内核供电。在上图中，MIC5207的3脚接到CPU的PWREN管脚，通过PWREN给MIC5207一个电平，可以控制MIC5207的开关，从而可以将CPU内核的电源关闭，使其进入掉电状态。MIC5207的4脚接入1个470pF的旁路电容，其作用在于进一步降低噪音。其输出接入1个470pF的滤波电容，进一步使输出更加平稳。
   
图3 1.8V电压的实现
   2.2.2 通信模块的设计
   本系统作为一个多功能的数据记录显示仪器，提供485通信与CAN通信与下位机采样模块连接。485通信与CAN通信是工业现场比较常用的2种模块。另外，系统还配置了以太网通信模块，便于将数据传送到上位机进行集中监控和管理。下面，就分别进行简单说明。
   1）485通信模块的设计
   485通信模块原理图如图4所示。
   
图4 485通信模块原理图
   常规的485通信模块由电源隔离，光耦电气隔离，RS-485总线收发器与保护器构成。由于地回路的存在，通信回路与地之间存在电势差，在环境恶劣的场合尤为突出。电势差会在通信线之间形成共模电压。由于通信线之间对地阻抗不平衡，共模电压就会在通信线之间产生干扰电压，使通信的可靠性降低，严重情况下还会毁坏通信节点。电源隔离和光耦隔离的作用在于防止此情况发生，但是加入太多的隔离模块会使电路复杂化。在本系统中，采用集成的隔离485收发器模块RSM485CHT，它集成了电源隔离，光耦电气隔离，总线收发器与总线保护器。这样降低了系统的复杂程度，又能有效地提高电路的抗干扰能力，传输速度和可靠性。还有效地减小了PCB板的面积以及布线的复杂程度。
   由于RSM485CHT芯片的TXD，RXD，CON的接口匹配电平是+5V电平，而CPU的管脚电平是3.3V，所以需要接入1个总线电平转化器74LV4245A， 用来给3V器件和5V器件提供接口。也可以选择与3.3V电平匹配的隔离模块RSM3485CHT。
   2）CAN通信模块的设计
   CAN总线由BOSCH公司开发，最先应用于汽车工业，为解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。它是一种多主方式的串行通信总线，有高的位速率，高的抗电磁干扰性，成本低，传输效率高，传输效率远，有可靠的错误处理和检错机制。因为CAN总线有很好的实时性能，所以在汽车工业，航空工业，工业控制，安全防护能领域得到了广泛的应用。
   CAN总线发明以来，出现了许许多多的CAN控制芯片，它们各有优势。本文所采用的控制芯片，是PHILIPS公司的SJA1000T。SJA1000是一种独立控制器，它增加了一种新的模式，可以支持CAN2.0B协议。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，标识符由原来的11位扩展到29位，滤波方式由原来的单一方式改为单滤波和双滤波2种方式，并且在出错处理，超载能力，以及接受滤波等方面有了很大的改进。
   与485通信模块相同，CAN通信模块的设计仍然采用隔离模块CTM1050。CTM1050作为物理总线与CAN控制器之间的接口，用于提高总线的差动发送能力与CAN总线的差动接受能力。CTM1050则采用了全灌封工艺，内部集成了CAN总线所必需的所有收发电路，完全电器隔离电路，隔离电压。很好地实现了系统的模块化设计，简化了电路的连接与维护。
   CAN总线模块的原理图如图5所示。
   
图5 CAN通信模块原理图
   如上图所示，CAN总线通信模块由CAN控制器SJA1000T与集成收发控制器CTM1050构成。CAN收发器连接到CAN总线，负责控制从CAN控制器到总线物理层或相反的逻辑电平信号，CAN收发器的上一层是CAN控制器，负责执行CAN规范的中完整的协议，通常用于报文缓冲和验收滤波。CAN控制器的上一层是CPU。
   SJA1000支持2种CPU类型：80C51 和68**，这一功能是通过配置MODE引脚实现的，在本系统中，采用80C51的INTEL模式，另外，采用独立的外接晶振，来改善CAN节点的EMC性能。
   3）以太网通信模块的设计
   监控器中的以太网接口设计是为了通过组态软件与上位机通信，从而提高整个系统的自动化程度，增加可操作性。
   以太网接口控制器主要包括MAC和PHY 2部分，其中MAC层控制作为逻辑控制比较容易承载处理器内部。没有集成MAC控制器的嵌入式处理器，更通用的方法是采用集成了MAC控制器与PHY的以太网控制器，本系统就是采取这种方法，以Host Bus接口的控制器有很多，本系统采用的是Cirrus Logic公司的CS8900[5]。
   CS8900A是一个真正的单片，全双工的以太网控制器，它把所有需要的模拟电路和数字电路集成为一个完整的以太网电路，有以下几个模块组成：直接的ISA-bus接口、接口缓冲内存、串行的EEPROM接口、带有10ASE-T端口和AUI端口的完整的模拟滤波器。
   CS8900可以设置为测试模式和休眠模式，低电平有效，正常模式下把nTEXT和nSLEEP位置高位。CS8900A-CQ3是一个3.3V电平的芯片，可以与S3C2410直接连通。在本系统中，在地址总线和CPU之间与数据总线与CPU之间都接入一个三态门，这样可以对总线进行有效的控制。另外，用CPLD模块代替了普通常用的与非门电路，节省了CPU的管脚，同时减小了电路板的体积。电路原理图如图6所示。
   
图6 以太网模块原理图
   系统的显示模块采用800×600的液晶屏，电阻式触摸屏，结构比较简单，由于篇幅所限在此不再赘述。
   3 结论
   基于S3C2410的电力设备记录仪采用了功能强大的ARM920T内核的芯片作为CPU，支持485，CAN，以太网3种通信方式，采用液晶显示与触摸屏，大容量SD卡存储单元。
   能将分散在各个工作现场的设备数据集中起来，能自己完成数据的集中显示，分析，对各单元设备的操作控制，还可以作为数据传输的中间站，将数据传输于上位机进行集中的检测与控制。在工业现场的网络中，能起到很关键的作用。另外，该系统通用性强，搭配不同的软件定义，可以应用于许多场合。