基于ARM+zigBee的通用網(wǎng)絡測控系統(tǒng)硬件設計

0引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的提出及相關技術的發(fā)展，網(wǎng)絡化測量控制已成為測控系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。然而，當前國內(nèi)外工業(yè)控制領域普遍使用且技術相當成熟的PLC(Programable Logic Controller)基本都不支持網(wǎng)絡，也不能簡單升級具有網(wǎng)絡功能，且模式較為單一。因而，設計與實現(xiàn)了一種網(wǎng)絡化通用測控系統(tǒng)平臺，以實現(xiàn)網(wǎng)絡化測控需求且具有一般平臺的通用性能。本文主要介紹了ARM嵌入式系統(tǒng)與ZigBee無線技術相結(jié)合的通用網(wǎng)絡測控平臺的硬件設計。

1 系統(tǒng)硬件總體設計

基于ARM的通用網(wǎng)絡測控系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示，本系統(tǒng)在測控端采用基于ARM的CPU，通過網(wǎng)絡接口與Internet相連，外圍擴展有數(shù)字量輸入／輸出模塊、模擬量輸入／輸出模塊及無線ZigBee組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊。硬件設計的主要研究內(nèi)容：基于ARM的嵌入式主控硬件平臺、ZigBee無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸模塊、測控I／0模塊硬件以及硬件系統(tǒng)的通用性指標和網(wǎng)絡化性能的分析測試。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2 ARM主控模塊硬件

系統(tǒng)核心芯片是Samsung公司生產(chǎn)的基于ARM920T核16／32位RSIC(Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集計算機)微處理器S3C2440A，該芯片資源豐富、運算速度快、功能強大，且價格相對合理。核心板系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 核心板系統(tǒng)框圖

2．1 存儲器電路

FLASH存儲器采用Samsung半導體生產(chǎn)的64M×8 b的K9F1208U0M Nand FLASH存儲器芯片。本系統(tǒng)使用了一片該芯片構(gòu)成64MB的FLASH，系統(tǒng)的啟動代碼Bootloader文件、內(nèi)核鏡像文件以及文件系統(tǒng)均存于此。SDRAM存儲器采用Hynix生產(chǎn)的4 Banks×4M×16 b的HY57V561620 CSD-RAM芯片，為了保證系統(tǒng)的運行速度，本系統(tǒng)采用兩片該芯片并聯(lián)構(gòu)成32位數(shù)據(jù)存儲器。

2．2 JTAG調(diào)試接口

JTAG(Joint Test Action Group，聯(lián)合測試行動小組)是一種國際標準測試協(xié)議(IEEE 1149．1兼容)，主要用于芯片內(nèi)部測試。它在芯片內(nèi)部封裝了專門的測試電路TAP(Test Access Port，測試訪問口)，通過專用的JTAG測試工具對內(nèi)部節(jié)點進行測試，同時可用于在線編程。標準的JTAG接口是4線：TMS，TCK，TDI，TDO，分別為模式選擇、時鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。系統(tǒng)采用20針的標準接口，用于在線調(diào)試及系統(tǒng)Bootloader的下載。

2．3 電源與系統(tǒng)時鐘電路

電源設計的可靠性關系到系統(tǒng)運行的穩(wěn)定與否。本系統(tǒng)輸入電源為5 V，通過LM1117芯片將其穩(wěn)壓至3．3V，使用大電容抑制低頻干擾，小電容抑制高頻干擾，用于芯片接口的供電，同時采用專用電源芯片MIC5219BMM，為內(nèi)核提供低噪的1．3 V電壓，以確保系統(tǒng)供電穩(wěn)定。

系統(tǒng)時鐘主要分為主頻時鐘FCLK，AHB總線設備時鐘HCLK，APH總線設備時鐘PCLK。本系統(tǒng)采用外部12 MHz晶體振蕩器，通過S3C2440的設置模式選擇引腳OM[2：3]均為低電平的組合方式來選擇S3C2440的時鐘源為外部晶振XTIPLL。同時，可通過片內(nèi)的兩個鎖相環(huán)MPLL和UPLL來得到內(nèi)核時鐘和USB時鐘。

2．4 串行接口電路

當前，基本上各種處理器上都具備串口，本系統(tǒng)中的串口主要用于前期調(diào)試以及與主無線模塊的通信。由于CPU串口引出腳電平不是標準RS 232電平，因此在與PC機連接調(diào)試時需進行電平轉(zhuǎn)換，而與無線模塊通信則可直連。可以在Linux內(nèi)核串口驅(qū)動的基礎上修改為ZigBee的數(shù)據(jù)收發(fā)驅(qū)動，其電路如圖3所示。

圖3 串行接口電路

2．5 網(wǎng)絡接口電路

網(wǎng)絡接口電路是該系統(tǒng)中重要的硬件部分。為了保證網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定流暢，本系統(tǒng)中采用10／100 Mb／s自適應以太網(wǎng)MAC控制器芯片DM9000A，該芯片具有一個10／100 Mb／s自適應的PHY和4K DWORD值的SRAM，物理協(xié)議層接口完全符合IEEE 802．3u規(guī)范，支持IEEE802.3x全雙工流量控制。主控模塊板上nGCS3接DM9000A的片選CS#，地址配置為0x18000002，LDATA[15：0]接DM9000A數(shù)據(jù)位SD[15：0]構(gòu)成16位數(shù)據(jù)總線模式。此外，采用HS9016用于I／O隔離變壓，然后連接RJ45接口。隔離電路如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡接口隔離變壓電路

3 測控I／O模塊硬件

3．1 數(shù)字量輸入／輸出模塊

系統(tǒng)實現(xiàn)了8路數(shù)字量的輸入，8路數(shù)字量的輸出，采用CH573對數(shù)字量輸出進行鎖存，采用CH245對輸入量進行選通。為了節(jié)省端口資源，數(shù)字量的輸入、輸出的8根數(shù)據(jù)線復用，通過控制CH573的鎖存信號以及CH245的片選信號來實現(xiàn)輸出量和輸入量的復用。同時，采用光耦用于端口光電隔離。

3．2 模擬量輸入／輸出模塊

系統(tǒng)A／D實現(xiàn)4路12位模擬量或2路12位差分信號模擬量采樣輸入，系統(tǒng)D／A實現(xiàn)2路12位模擬量輸出。該模塊A／D采用Microchip公司生產(chǎn)的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器MCP3204，采樣速率最高可達100 KSPS，且價格低廉；該模塊D／A采用TI公司的12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLV5638，該芯片具有內(nèi)部基準，建立時間為1～3．5μs，具備2通道模擬量輸出能力。只需外加信號調(diào)理電路即可。由于上述兩款芯片均為SPI接口，可直接掛接到處理器的SPI總線接口上，通過片選CS0和CS1來控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)那袚Q。其結(jié)構(gòu)圖如5所示。

圖5 模擬量I/O模塊結(jié)構(gòu)圖

4 ZigBee無線模塊硬件

ZigBee技術是當前發(fā)展較為迅速且日趨成熟的一種無線通訊技術，采用國際通用免費頻段2．4 GHz，具有低功耗、低成本、低復雜度等優(yōu)點。ZigBee技術較易實現(xiàn)自動組網(wǎng)，網(wǎng)絡容量大，可容納多達65 000個節(jié)點，網(wǎng)絡中的任意節(jié)點之間都可進行數(shù)據(jù)通訊。網(wǎng)絡具有星狀、樹狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。

本系統(tǒng)采用的是TI公司生產(chǎn)的SOC芯片CC2430，內(nèi)置增強型的8051內(nèi)核，接口豐富，具有8 KB SDRAM，128 KB閃存，只需加上電源電路、晶振電路、天線而無需其它外部擴展即可配置為FFD(全功能器件)或RFD(簡化功能器件)，因而硬件設計簡便，成本也相對較低，模塊采用串口與ARM系統(tǒng)通信。實物圖如圖6所示。

圖6 實物圖

5 系統(tǒng)分析測試

網(wǎng)絡化在本系統(tǒng)中主要體現(xiàn)為兩個方面，一個是采用ZigBee構(gòu)成的無線網(wǎng)絡，用于無線數(shù)據(jù)采集。另一個則是Internet網(wǎng)絡，用于嵌入式系統(tǒng)與主控制端進行數(shù)據(jù)交互。并且，本系統(tǒng)測控I／O模塊符合標準測控電壓電流規(guī)格定義，并采用ZigBee無線技術，可實現(xiàn)簡單二次開發(fā)。經(jīng)軟件測試，該系統(tǒng)可完成不同物理量、本地或遠程、無線或有線以及一定精度與實時性的網(wǎng)絡測量控制，具備一般通用平臺的性能。

6 結(jié)語

網(wǎng)絡化是測控技術發(fā)展的一個重要方向，伴隨網(wǎng)絡技術的發(fā)展，也需要一種通用的平臺統(tǒng)一各分散的測控點。本文基于上述考慮，提出了通用網(wǎng)絡測控系統(tǒng)設計基本思想，也闡述了較為詳盡的硬件設計方案，該系統(tǒng)通用性好、網(wǎng)絡設計合理、成本低，并且易于產(chǎn)品化。經(jīng)簡單設置或二次開發(fā)，該系統(tǒng)可應用于工業(yè)生產(chǎn)車間、智能家居，以及油田油井遙測等廣泛的行業(yè)和領域。