基于ARM微控制器LPC2138的分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：本文基于RS485總線，以ARM微控制器LPC2138為核心構(gòu)建了一個(gè)分布式控制系統(tǒng)，依靠ARM微控制器的強(qiáng)大的控制處理能力和豐富的外設(shè)，實(shí)現(xiàn)了智能化的控制和更大程度的系統(tǒng)集成，文中給出了部分電路圖，闡述了系統(tǒng)中引入的無(wú)極性連接和IAP（在應(yīng)用可編程）技術(shù)。
關(guān)鍵詞：分布式；RS485；ARM；IAP

引言
分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System，DCS)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)、管理和分散控制的綜合性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。目前，采用微控制器作為分布控制核心，通過(guò)RS485網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的分布式控制系統(tǒng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，例如，分布式溫室環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分布式水下電腦燈控制系統(tǒng)等等。

LPC2138是飛利浦公司推出的基于ARM7TDMI-S 內(nèi)核的微控制器，它具有非常豐富的外圍模塊，強(qiáng)大的處理和控制功能，非常易于構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)。用它構(gòu)建的分布式控制系統(tǒng)，不僅體積小，性價(jià)比高，而且還具有穩(wěn)定可靠、功能強(qiáng)大、開發(fā)周期短等特點(diǎn)。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖


LPC2138微控制器介紹
LPC2138內(nèi)嵌512KB的高速Flash存儲(chǔ)器和32KB的RAM，具有豐富的外設(shè)資源：2個(gè)32位定時(shí)器(帶捕獲、比較通道)；2個(gè)10位8路ADC；1個(gè)10位DAC；PWM 通道；47路GPIO；9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷；具有獨(dú)立電源和時(shí)鐘的RTC；多個(gè)串行接口(UART、I2C、SPI、SSP)。它內(nèi)含向量中斷控制器，可配置中斷優(yōu)先級(jí)和向量地址，片內(nèi)Boot裝載程序可以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)/在應(yīng)用編程(ISP/IAP)，通過(guò)片內(nèi)PLL可實(shí)現(xiàn)60MHz的CPU操作頻率，具有空閑和掉電2種低功耗模式，并且可通過(guò)外部中斷喚醒。

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在分布式的控制系統(tǒng)中一般采用通用的單片機(jī)作為控制處理的核心，不僅速度慢信息處理能力弱，而且一般需要附加許多外圍電路，例如RAM、ROM、ADC、DAC、看門狗等等。采用ARM微控制器LPC2138為核心的分布式控制系統(tǒng)，通過(guò)擴(kuò)展簡(jiǎn)單的外圍電路(顯示模塊、中斷鍵盤、RS485模塊)，開發(fā)相應(yīng)的嵌入式程序即可實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大的系統(tǒng)，不僅具有較高的系統(tǒng)集成度和穩(wěn)定性，而且開發(fā)周期比較短。本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，包含了OLED顯示、中斷鍵盤、RS485接口和EXT_CON接口(用來(lái)功能擴(kuò)展的預(yù)留接口)。

顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)顯示模塊采用OLED顯示模塊VGS12864E，它是64128矩陣式單色圖形字符顯示模塊，由于采用有機(jī)發(fā)光技術(shù)，無(wú)需背光源，所以與傳統(tǒng)LCD相比在陽(yáng)光照射下更能呈現(xiàn)清晰的圖像和數(shù)據(jù)。另外它還具有高亮度、高對(duì)比度、寬視角、低驅(qū)動(dòng)電壓和高發(fā)光效率等優(yōu)越的特性，較寬的溫度范圍(存儲(chǔ)溫度：-30℃~80℃，工作溫度： -20℃~70℃)也能適應(yīng)更惡劣的環(huán)境。

VGS12864E使用兩片列驅(qū)動(dòng)控制器，內(nèi)嵌6464顯示數(shù)據(jù)RAM，RAM中每位數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)屏上一個(gè)點(diǎn)的亮、暗，每個(gè)半屏都被分成了按行的八頁(yè)，因?yàn)槊總€(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)按低位(LSB)在上，高位(MSB)在下的結(jié)構(gòu)排列，所以在提取字庫(kù)的時(shí)候，需要設(shè)置取字模的方式為：縱向取模，字節(jié)倒序。它與LPC2138的連接如圖2所示。ARM和OLED之間需要加電平轉(zhuǎn)換芯片，本設(shè)計(jì)采用16位雙向電平轉(zhuǎn)換芯片IDT74FCT164245，另外進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換時(shí)需要進(jìn)行方向控制(圖2中DIR即為方向控制腳)。　

圖2 OLED顯示連接示意圖

　
RS485接口電路設(shè)計(jì)
RS485通信部分采用TI公司的SN65HVD24 收發(fā)芯片，它具有較高的共模電壓范圍(-20~25V)，支持最多256個(gè)節(jié)點(diǎn)，高達(dá)16kV的ESD，通信速率在500m時(shí)最高達(dá)3Mbps。為了防止串行通信時(shí)外界干擾引入微控制器，在微控制器和RS485通信芯片間加入了光電隔離電路，電路圖見圖3。

圖3 RS485通信接口電路圖


無(wú)極性連接設(shè)計(jì)
實(shí)現(xiàn)無(wú)極性連接有利于工程施工，方便系統(tǒng)擴(kuò)容。如果采用差分曼徹斯特編碼的方法雖然可靠性高，但需要增加編解碼器，提高了硬件復(fù)雜性。本系統(tǒng)采用了異或門和軟件編程的方法實(shí)現(xiàn)。即在信息輸入輸出部分增加異或門進(jìn)行控制，當(dāng)連接錯(cuò)誤的時(shí)候控制引腳輸出高電平對(duì)信息取反，連接正確引腳輸出低電平信息不變。通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)信息監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制，由主機(jī)發(fā)送系統(tǒng)自檢信息，包括一個(gè)正向數(shù)據(jù)信息和反向的數(shù)據(jù)信息，在信息中包含正反信息碼，當(dāng)從機(jī)接收到這些信息的時(shí)候就可以自動(dòng)調(diào)整自己的控制端進(jìn)行相應(yīng)的控制操作。使用這種方式只需增加少許的軟硬件開銷就實(shí)現(xiàn)了無(wú)極性的控制。

在應(yīng)用編程(IAP)實(shí)現(xiàn)
許多場(chǎng)合(例如地下燈光控制、土壤檢測(cè))在系統(tǒng)布好后就不易進(jìn)行系統(tǒng)重新配置和程序的更新，所以采用IAP技術(shù)不僅使系統(tǒng)的適應(yīng)能力增強(qiáng)，工作壽命增長(zhǎng)而且維護(hù)比較方便。

LPC2138的IAP程序位于Boot Block中，占用12KB存儲(chǔ)空間，位于地址0x0007D000~ 0x0007FFFF的Flash中，同時(shí)它的最低64字節(jié)也出現(xiàn)在從地址0x00000000開始的Flash存儲(chǔ)器區(qū)域，所以復(fù)位后中斷向量被激活，跳轉(zhuǎn)到Boot Block裝載程序的入口。Boot裝載程序控制復(fù)位后的初始化操作，并提供實(shí)現(xiàn)Flash編程的方法。

IAP程序是Thumb代碼，位于地址0x7FFFFFF0(重映射后地址)處。IAP的功能可用下面的C代碼來(lái)調(diào)用。

(1)定義IAP程序的入口地址(由于IAP地址的第0位是1，因此，當(dāng)程序計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)移到該地址時(shí)會(huì)引起Thumb指令集的變化)
#define IAP_LOCATION 0x7FFFFFF1
(2)定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或指針
unsigned long command[5];
unsigned long result[2];
(3)定義函數(shù)類型指針
Typedef void (*IAP) (unsigned int[],unsigned int[]);
IAP iap_entry;
(4)設(shè)置函數(shù)指針
iap_entry = (IAP) IAP_LOCATION;
(5)調(diào)用IAP
iap_entry (command,result);

程序開發(fā)采用ARM公司的集成開發(fā)工具ADS1.2，把終端程序分為主程序和更新程序兩部分：

主程序用來(lái)實(shí)現(xiàn)終端的功能，是需要進(jìn)行更新的部分，更新程序僅負(fù)責(zé)主程序的更新。編譯鏈接時(shí)主程序占據(jù)0~14扇區(qū)，更新程序占據(jù)22~26扇區(qū)，15~21扇區(qū)用來(lái)存儲(chǔ)待更新主程序。更新程序用到的數(shù)據(jù)定義到片內(nèi)RAM中0x40007800～0x40007FFF區(qū)域。另外為了實(shí)現(xiàn)主程序和更新程序的精確定位，設(shè)置ARMLinker中Linktype用Scattered方式，它能根據(jù)格式文件中指定的地址映射生成ELF格式的映像文件。

更新過(guò)程可大體分為程序更新準(zhǔn)備和程序更新兩個(gè)階段：

準(zhǔn)備階段分三步完成，首先主站通過(guò)RS485總線將編譯過(guò)的新終端主程序(不包含更新模塊)分成小的數(shù)據(jù)單元下傳給終端，終端將收到的經(jīng)校驗(yàn)正確的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器中，然后主站查詢終端代碼的接收情況，并對(duì)傳輸錯(cuò)誤的部分重新下傳進(jìn)行更正，最后主站發(fā)送啟動(dòng)更新指令，終端檢驗(yàn)程序數(shù)據(jù)正確性并置上更新標(biāo)志，停止刷新看門狗，從而使終端復(fù)位。

程序更新分兩步完成，首先終端重啟時(shí)檢測(cè)到更新標(biāo)志有效即可調(diào)用更新程序進(jìn)行程序更新，程序更新完成后再次使終端自復(fù)位，即可運(yùn)行更新后的程序代碼，完成程序更新全過(guò)程。

另外，由于IAP服務(wù)代碼是Thumb指令，用C程序直接調(diào)用時(shí)須在設(shè)置編譯參數(shù)ATPCS時(shí)選中Arm/ThumbInte2rworking項(xiàng)。由于執(zhí)行IAP命令使用片內(nèi)RAM頂端的32個(gè)字節(jié)空間，因此用戶程序不應(yīng)該使用該空間。調(diào)用IAP功能前，要關(guān)閉PLL、MAM(存儲(chǔ)器加速模塊)部件及所有中斷以及正確設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘。

結(jié)語(yǔ)
基于ARM微處理器的分布式控制系統(tǒng)不僅提高了系統(tǒng)集成度，增強(qiáng)了系統(tǒng)功能和系統(tǒng)穩(wěn)定性，而且通過(guò)其強(qiáng)大的處理能力和IAP技術(shù)也使得系統(tǒng)智能化程度提高，符合分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。

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