基于EPA与IEEE802.15.4两用手抄器的设计
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引言 在工业现场中，如工业以太网现场和工业无线通信现场，由于有些环境比较恶劣，主站操作现场设备不方便等因素可以副主站即手抄器对从站设备进行实时性操作。副主站几乎可以连接在网络的任何地方，在不影响主站通讯的情况下对任何一个现场的从设备进行操作，实现了两个主站(主站和副主站)与同一个从设备之间的通讯。 手抄器设计 现场总线和工业无线通信是两大处于国际前沿的研究方向，两个系统如果分别做手抄器，成本相对较高，而且不方便管理。这款两用手抄器集成了EPA(Ethernet for Plant Automation)和IEEE802.15.4(低数据率的WPAN标准)两个协议，能够通过有线或者无线的方式在不同的工业现场得到应用，在不影响上位机通讯的情况下对现场设备进行数据采集、监测和控制。 该手抄器使用的是ARM7控制芯片。它包含了微处理器(AT91R40008)、存储器、通信模块、网络通信接口、显示终端、无线通信模块等重要组成部分。在该设计中，使用了两种供电方式，一种电源使用了以太网供电设备，该设备除了用于网口通信，还提供设计中所需要的电源。该电源经过电平转换，为微处理器、存储器、无线通信模块等提供所需的+3.3V和+1.8V电源;另一种电源使用了电池供电。32位的微处理器AT91R40008通过串口0和串口1与无线通信模块和液晶终端进行数据交换。图1为ARM7手抄器的硬件框图。
微处理器 选用AT91R40008做CPU。AT91R40008包括一个高性能32位精简指令系统和一个高密度16位的指令系统。AT91R40008具有片上的SRAM或ROM、完全可编成的外部总线接口(EBI)、32个可编程的I/O口、8个优先级、4个外部中断、2个USART及16位的定时器/计数器等特点。 AT91R40008具有与外部存储器的直联的特色,通过外设的FLASH，经过完全可编程外部总线接口(EBI)、 一个八位优先向量中断控制器,，及外部数据控制器，能大大提高处理器的即时性能。 微处理器部分的设计包含系统硬件的启动与复位，地址总线、数据总线的分配和定义，通过串行线对无线通信模块和液晶终端的读写等。 系统由外部的50MHz钟振作为时钟源向CPU输入时钟信号。复位电路由10μF的电容、10K的电阻及按键组成低电平复位电路。AT91R40008内部ROM为128K，外部最大可扩64M的存储器，根据实际的设计需要，在设计中扩展了一片2M字节的SST36VF160对软件程序进行存储。网卡芯片AX88796通过片选线、中断线、读写信号控制线和地址数据总线与CPU相连，实现现场设备和上位机的网络通信。AT91R40008分别通过串口0和串口1实现与无线通信模块和显示终端的数据交换。 FLASH存储器 由于该手抄器是应用于工业现场中，所以在软件中必须加入相应的规范标准。在手抄器的系统设计中，在CPU的外部拓展了2M字节的FLASH。SST39VF160是一个1M×16的CMOS多功能FLASH器件，由SST特有的高性能的 Super Flash技术制造而成。SST39VF160具有功耗较低的优点，它的工作电压为3.3V，具有高性能的编程功能，字编程时间为14μs。考虑到 SST39F160的这些优点选用这款FLASH，在目前测试环境中证明这款FLASH能够更方便和更低成本的满足程序配置和数据存储的要求。 网络通信接口 在设计中采用网络通信接口接入工业以太网，数据由以太网传递到上位机中，实现工业现场的无线设备和上位机的通信。在实际的设计过程中，我们采用HR61H50L作为网络隔离器，采用AX88796作为网卡芯片。 AX88796是台湾Asix公司的NE2000兼容快速以太网控制器。其内部集成有10/100 Mb/s自适应的物理层收发器和8K×16位的SRAM，支持MCS-51系列、80186系列以及MC68K系列等多种CPU总线类型。AX88796 执行的是基于IEEE802.3/IEEE802.3u 局域网标准的10Mb/s和100Mb/s以太网控制功能，并提供IEEE802.3u兼容的媒质无关接口MII，用以支持在其它媒质上的应用。AX88796的地址总线SA[9:0]与数据总线 SD[15:0]分别与CPU的地址/数据总线相连。CPU通过I/O读写NE2000寄存器来控制AX88796的工作状态，通过远程DMA FIFOs与AX88796的内部缓存SRAM进行数据交换。SRAM与MAC核之间进行Local DMA将数据发送至MAC层，再经由内部的PHY层发送至RJ45接口，或者经过MII接口送至外部的物理层芯片。SEEPROM接口可以用来连接串行 EEPROM。EEPROM可用于存储MAC地址，供AX88796每次初始化时读取。 电源 由于此手抄器用于两种不同的协议，实际设计中使用了两套电源管理系统，并进行了特殊处理，避免了其中一套供电时对另一套电源造成影响。 当手抄器用于工业以太网的一致性测试时，电源采用的是以太网供电设备，该设备采用符合802.3受电设备标准，输出标准的+24V，经过LM2576-5、AS1117-1.8和AS1117-3.3电源芯片，电平转换后，输出手抄器上的CPU、存储器、网卡芯片、智能显示终端上所需的1.8V和3.3V电源。 当手抄器用于工业无线系统中，电源采用的是电池供电，普通的手机电池即可。电池输出电压经过TPS60110、TPS60100电源芯片，电平转换后，输出手抄器上的CPU、存储器、网卡芯片、智能显示终端终端和无线通信模块上所需的工作电压。 JTAG调试接口 这里使用JTAG调试接口主要是为了调试显示终端、无线通信模块、CPU和上位机之间的通信，及测试其通信性能。 键盘接口 自主设计了一个6×4矩阵键盘。如图2所示。键盘的行连接在CPU的6个PIO引脚上，配置为输出;列连接在4个能够产生终端的引脚上，配置为输入。由于上拉电阻的作用，在空闲模式下，这些引脚为高电平状态。当有按键按下时，列引脚为低电平状态，列引脚的下降沿引起中断。处理器进入PIO中断子程序，并打开定时器。定时器溢出后，进入定时器中断子程序，以判断是否确实有键按下，是哪个键按下。定时器设置为波形模式，RC比较中断，中间溢出由RC 比较寄存器的直和所选择的时钟沿决定。可有软件复位和定时器启动。 初始化：列PIO配置为输入，行PIO配置为输出，且输出为0; 列PIO打开中断，初始化该中断;使能PIO时钟;初始化定时器中断。 PIO中断子程序：键盘扫描前，所有的行输出为0，当有键按下，与其对应的列电平为0，引起PIO中断。为了避免毛刺噪声的影响，需要启动定时器延时判断。设延时时间为20ms(31250个tick) 。
定时器中断子程序：定时器溢出后，开始第二次扫描，判断是否有键按下，如确实有键按下，PIO引脚为低电平的列即为按键按下的列。然后再将PIO设置为输入状态，所按下的键的行输入状态该为高电平，因此判断具体是哪个键按下。 智能显示终端 根据实际应用的要求，选用了一款台湾奇美的3.5寸的TFT彩色显示屏。为了便于管理，所设计手抄器采用了AT91R40008，但是这款CPU不带有LCD驱动，没法直接驱动显示屏，因此选用了一款工业标准的M600系列模组来驱动TFT显示屏。 M600能够实现 “TFT显示驱动”和“文本和图像处理接口函数”以及一部分“用户应用程序”。它集成了显示驱动、1MB显存、128MB Flash，其中最大32MB 用户数据库，方便了实际测控系统的数据存储应用。采用的是串口的方式和用户系统连接，使用过程中只要3根线(+3.3V、GND、RXD)就可以把 M600接起来点亮一个TFT屏，方便了本手抄器的以后的改进设计。M600采用的是统一的指令集，我们可以通过软件设置来适应不同分辨率的显示屏，在工业现场中如果需要更换显示屏，只需修改极少量的代码，就可以完成手抄器的更新换代。 无线通信模块 基于IEEE 802.15.4工业无线通信模块采用的是CC2430，整个模块的结构简单，采用单芯片进行数据的处理,在CC2430只要用很少的一些外围元件就可以进行正常的工作。它外围电路主要是由天线、晶振电路、复位电路以及用于调试的JATG口组成。 在功能上，主要用于完成无线通信模块之间的数据收发，同时将数据发送给手抄器的处理器。它们之间的数据传送是通过串口进行数据的传送。晶振电路分别为32.768KHz和32MHz两个晶振,32.768KHz提供模块在休眠状态的工作时钟。32MHz提供模块在工作状态下的工作时钟。JATG用于在线的程序设计，如图3所示。
手抄器在工业现场中的应用 在现有的研发系统中，将工业以太网的有线网络与工业现场的无线设备之间建立连接，将手抄器作为无线手持为例。工业现场的无线设备通过专用的传输协议将数据传输到转换设备。数据经过转换，成为工业现场能够识别和支持的格式，并传输到工业现场中的一个发出指令请求的设备中。实现上位机对现场数据进行监控。工业现场中，主站即上位机不方便对现场设备进行实时操控，可以使用一个手抄器和转化设备进行连接，对数据进行访问和采集，根据反馈的数据，对现场的数据进行修正，保证设备正常运行，如图4所示。
结语 本文给出了以AT91R40008为CPU的两用手抄器的解决方案，介绍了手抄器的硬件实现，重点突出了在工业以太网中用到的网口通信接口，及在工业无线系统中应用的基于IEEE802.15.4的工业无线通信模块。具体设计过程中成功的引入了以往研究成果中关于EMC测试环节的解决方案。目前，手抄器在测试系统中运行情况良好。美中不足，由于设计出这款基于EPA与IEEE802.15.4的两用手抄器的时间比较短，还没有经过大量工业现场的检验，因此还不足以发现手抄器存在的其它问题。工业现场设备安装的环境往往比较恶劣，怎样使本手抄器拥有更好的稳定性、更低的功耗、更广的工作范围，这些对硬件设计和软件优化提出了更高的要求。 参考文献： [1] Atmel Corporation.AT91X40 Ssries: AT91R40008 [2] 马忠梅，徐英慧，叶勇建等. AT91系列ARM核微控制器结构与开发[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2003 [3] 朱义君，杨育红，赵凯，段志英. AT91系列ARM微控制器体系结构与开发实例[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2005 [4] SRWF-501-50无线通信模块说明书. 上海桑锐电子科技有限公司, 2004 [5] 王平，向敏，钟刚. 基于EPA标准的无线手持终端. 专利号：200620110844.2 [6] ARM开发板LCD液晶屏选型指南. http://www.edmarket.com.cn/productarticleshow.asp?id=57&page=0 [7] 张春峰. 基于布尔处理的键盘矩阵解读方法探讨. http://www.eccn.com/xsj07/xsj074153.asp |
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