基于ARM LPC2119的水情测报终端设计与实现

摘要：由于水情测报终端应用环境恶劣，保证水情测报终端的稳定性和低功耗显得尤为重要，提出了基于ARM7LPC2119在水情测报上输出单元的设计与实现，把嵌入式技术运用到水情测报控制中，设计了一个最小系统。在有人或无人的情况下。通过PC机或者上位机发送用户需要的指令，远程控制电机工作，从而控制闸门的升降，达到了水资源调度和控制的目的。详细叙述了整个系统的功能及其构成模块，给出了电源转换模块、中心模块、通信模块、外围驱动模块的硬件接口电路图。本系统在都江堰下属闸门经过实际运行表明设计是准确可靠的，实现了在无人的恶劣环境下的长时间低功耗稳定工作，比以往的设计更省电，更经济适用，在市场上有广泛的应用前景。
关键词：ARM7 LPC2119；水情测报；电源转换模块；中心模块；通信模块
       防洪、抗旱给国家和家庭造成巨大的经济损失，水资源的优化调度和科学管理得到了人们的重视。因此，在水资源调度和控制方面投放了更多人力物力，能得到有效控制。而嵌入式技术为水情测报控制提供良好的技术平台，设计了一个最小系统，能够在有人或者无人的情况下，通过PC机或上位机发送用户需要的指令远程控制电机工作，从而控制闸门的升降，实现水资源调度控制。
   1 系统总体结构
     该系统总体设计结构主要由4个模块构成，分别为电源转换模块、中心模块(CPU模块)、通信模块、外围驱动模块等。这些模块之间的关系如图l所示。
   
   
   2 系统硬件设计
2．1 电源转换模块设计
     系统各个模块需要使用5、3．3、1．8 V，特别是主芯片LPC2119所需要的电压。因此该系统设计采用一个电源转换模块将电源板输出的稳定12 V电源转换为所需要的电压。其中采用MAXl659将+12 V转换为+5 V和+5 V_P，并通过程序控制该芯片的工作．从而控制了后续所需的+5 V_P电压的任何电路；用MAXl658芯片将+5 V转换为+3．3 V_P，并控制该芯片的工作，控制后面需要+3．3 V_P电压的任何电路；采用MIC-5207芯片将+5 V转换为+3．3、+1．8 V，供后面电路提供电源。每一个转换后的电压都用了一个发光二极管的亮灭来检查这些芯片是否正常工作，亮表示工作正常，反之则表示此转换器有问题(损坏)。
2．2 中心模块设计
     中心模块采用周立功公司提供的ARM7芯片LPC2119进行中心控制，该芯片共有64个引脚，内置128 KB的Flash存储器，16 KB的RAM，2个CAN通道，每个总线的数据波特率可达l Mb／s。
     在此模块中留有1个JTAG接口，用于调试程序；并接上了8个拨码开关，设置波特率和选择采用何种通信方式进行通信(RS485通信，RS232通信，CAN通信)；给了8位的I／O输出数据到外围驱动电路，控制电机；在芯片的引脚上留有1路的CAN通信输出，l路的RS485通信输出，l路的RS232通信输出；使用MAX708S进行系统复位和低压保护，当监测系统电压低于4．4 V的时候，它输出一个复位脉冲进行系统复位，起到低压保护，同时在其MR引脚上接上一个按钮到地，通过按钮给一个低电平实现手动复位系统。
2．3 通信模块设计
     要输出板工作，必须由上面的PC机或者上位机下达指令，告诉输出板该控制哪个闸门开闭，这个就需要上位机与终端进行通信。在输出板上留下3种通信方式的接口，具体采用哪一种按实际情况而定。
     3种通信方式具体为RS485通信、RS232通信、CAN通信。当通信距离较短时，输出板一般与PC机直接相连，这时一般采用RS232通信；当通信距离较长时，一般采用RS485通信和CAN通信，但两者也有差别。RS485总线通信模式由于使用了差分电平传输信号，传输距离比RS232更长，最多可达到l 500 m，同时具有结构简单、价格低廉、组网方便和数据传输速率适当，仍然能发挥良好的作用，但对于在系统的数据冗余量较大，干扰强度太大，速度要求高的应用场所不适宜用RS485总线通信。而CAN总线通信除了有RS485通信的优点以外，还能承受较大的传输数据量，抗干扰能力较强。
     LPC2119输出TTL电平，在用RS232通信时，必须将TTL电平转换为RS232电平，才能与RS232接口连接并通信，使用SP3232E或SP3243ECA进行电平转换。同时加上了稳压管进行保护，因为一般RS232通信都是与PC机直接相连，环境不太恶劣，所以保护就比较简单。具体的电路实现如图2所示。
   
   
     在采用RS485通信和CAN通信时，一般距离都在几千米左右，并且条件恶劣，雷电闪电可能会造成大量的总线损坏，所以除了设计电平转换，还必须加上隔离保护电路。RS485电路框图如图3所示，具体的隔离保护电路如图4所示。
   
   
     在RS485通信接口设计中，采用RSM485HT进行电平转换为RS485电平，并自带有隔离。隔离电路采用了3级防雷保护，用微功率线性稳压器LT3010进行一级保护，电流过大稳压器将导通，把大电流拉向大地；用自恢复保险丝SMDl812P010TF进行二级保护，电流太大，它将熔断，切断电路，电流恢复再重新导通；用防雷管3RM090进行三级保护；这三级保护都是把大电流引向大地，所以必须确保输入时接地良好，不然会产生严重的后果。
     在CAN通信接口设计中，采用CTMl040T型高速CAN隔离收发器。隔离电路和RS485的隔离电路差不多。在主芯片LPC2119上加了8个拨码开关，可以选用其中的2个控制选择3个通信方式。
2．4 外围驱动模块设计
     外围电路主要的作用是驱动电磁阀或者继电器来控制电机的运转，实现远程控制。具体的电路框图如图5所示。
   
   
     一般的I／O口输出的电压和电流都不能直接驱动电磁阀或者继电器，所以需要芯片驱动。选用ULN2803驱动8路外围器件，只是外围用的继电器和电磁阀都没有确定，所以留有接口(8路5 V，2路12 V，2路24 V的电源接口和ULN2803的驱动输出接口)。根据外面接入的设备灵活地选择接口接入。如果外面接的是电机，就直接用交流电供电。
2．5 MCU对外围接入设备的管理
     MCU可以通过控制外面接入的设备所需电源进行控制，具体通过MCU的I／O口发送高低电平实现通断，以需要12 V的外围设备通断控制为例，其电路如图6所示。
   
   
     当外围器件要工作时，即MCU通过I／O口发送D12VENl为低的信号，此时MAXl659导通，得到12 V电源。这样做的目的有3个：1)将所用器件与外界电源隔开，减少外界干扰对器件的损坏；2)提供接入设备需要12 V用电；3)可以把不用的外围器件关掉。MAXl659是可控芯片，通过电阻R1、R2调节。其他的电源如5 V和24 V也可用同样方法进行控制。
   3 系统软件设计
     软件设计采用周立功公司提供的底层接口函数和操作系统μC／OS-Ⅱ编程，实现了上位机远程及时和定时自动控制外围设备(闸门)，同时实现了节能和远程监控。具体的控制程序流程如图7和图8所示。
   
   4 结论
     详细介绍了作为水情测报终端的输出适配器的设计方法。成功实现了对远程阀门的控制。该设计成功地将嵌入式技术运用到水情测报和控制中，以ARM7为主芯片进行综合设计成一个最小系统，它可以单独使用也可以和其他设备配合使用，通过无线或有线与上位机进行通信，从而根据用户需要发送指令，远程控制闸门的升降，同时通过控制电源转换器来断掉后面的外围器件所需要的电压，从而实现节能，主芯片的节能则通过程序实现休眠模式或掉电模式。