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基于EPA與IEEE802.15.4兩用手抄器的設計
摘要: 現場總線和工業無線通信是兩大處于國際前沿的研究方向,兩個系統如果分別做手抄器,成本相對較高,而且不方便管理。這款兩用手抄器集成了EPA(EthernetforPlantAutomation)和IEEE802.15.4(低數據率的WPAN標準)兩個協議,能夠通過有線或者無線的方式在不同的工業現場得到應用,在不影響上位機通訊的情況下對現場設備進行數據采集、監測和控制。
Abstract:
Key words :

現場總線和工業無線通信是兩大處于國際前沿的研究方向,兩個系統如果分別做手抄器,成本相對較高,而且不方便管理。這款兩用手抄器集成了EPA(Ethernet for Plant Automation)和IEEE802.15.4(低數據率的WPAN標準)兩個協議,能夠通過有線或者無線的方式在不同的工業現場得到應用,在不影響上位機通訊的情況下對現場設備進行數據采集、監測和控制。

  該手抄器使用的是ARM7控制芯片。它包含了微處理器(AT91R40008)、存儲器、通信模塊、網絡通信接口、顯示終端、無線通信模塊等重要組成部分。在該設計中,使用了兩種供電方式,一種電源使用了以太網供電設備,該設備除了用于網口通信,還提供設計中所需要的電源。該電源經過電平轉換,為微處理器、存儲器、無線通信模塊等提供所需的+3.3V和+1.8V電源;另一種電源使用了電池供電。32位的微處理器AT91R40008通過串口0和串口1與無線通信模塊和液晶終端進行數據交換。圖1為ARM7手抄器的硬件框圖。

   圖1 手抄器硬件系統框圖

  微處理器

  選用AT91R40008做CPU。AT91R40008包括一個高性能32位精簡指令系統和一個高密度16位的指令系統。AT91R40008具有片上的SRAM或ROM、完全可編成的外部總線接口(EBI)、32個可編程的I/O口、8個優先級、4個外部中斷、2個USART及16位的定時器/計數器等特點。

  AT91R40008具有與外部存儲器的直聯的特色,通過外設的FLASH,經過完全可編程外部總線接口(EBI)、 一個八位優先向量中斷控制器,,及外部數據控制器,能大大提高處理器的即時性能。

  微處理器部分的設計包含系統硬件的啟動與復位,地址總線、數據總線的分配和定義,通過串行線對無線通信模塊和液晶終端的讀寫等。

  系統由外部的50MHz鐘振作為時鐘源向CPU輸入時鐘信號。復位電路由10μF的電容、10K的電阻及按鍵組成低電平復位電路。AT91R40008內部ROM為128K,外部最大可擴64M的存儲器,根據實際的設計需要,在設計中擴展了一片2M字節的SST36VF160對軟件程序進行存儲。網卡芯片AX88796通過片選線、中斷線、讀寫信號控制線和地址數據總線與CPU相連,實現現場設備和上位機的網絡通信。AT91R40008分別通過串口0和串口1實現與無線通信模塊和顯示終端的數據交換。

  FLASH存儲器

  由于該手抄器是應用于工業現場中,所以在軟件中必須加入相應的規范標準。在手抄器的系統設計中,在CPU的外部拓展了2M字節的FLASH。SST39VF160是一個1M×16的CMOS多功能FLASH器件,由SST特有的高性能的Super Flash技術制造而成。SST39VF160具有功耗較低的優點,它的工作電壓為3.3V,具有高性能的編程功能,字編程時間為14μs。考慮到SST39F160的這些優點選用這款FLASH,在目前測試環境中證明這款FLASH能夠更方便和更低成本的滿足程序配置和數據存儲的要求。

網絡通信接口

   在設計中采用網絡通信接口接入工業以太網,數據由以太網傳遞到上位機中,實現工業現場的無線設備和上位機的通信。在實際的設計過程中,我們采用HR61H50L作為網絡隔離器,采用AX88796作為網卡芯片。

  AX88796是臺灣Asix公司的NE2000兼容快速以太網控制器。其內部集成有10/100 Mb/s自適應的物理層收發器和8K×16位的SRAM,支持MCS-51系列、80186系列以及MC68K系列等多種CPU總線類型。AX88796執行的是基于IEEE802.3/IEEE802.3u 局域網標準的10Mb/s和100Mb/s以太網控制功能,并提供IEEE802.3u兼容的媒質無關接口MII,用以支持在其它媒質上的應用。AX88796的地址總線SA[9:0]與數據總線SD[15:0]分別與CPU的地址/數據總線相連。CPU通過I/O讀寫NE2000寄存器來控制AX88796的工作狀態,通過遠程DMA FIFOs與AX88796的內部緩存SRAM進行數據交換。SRAM與MAC核之間進行Local DMA將數據發送至MAC層,再經由內部的PHY層發送至RJ45接口,或者經過MII接口送至外部的物理層芯片。SEEPROM接口可以用來連接串行EEPROM。EEPROM可用于存儲MAC地址,供AX88796每次初始化時讀取。

  電源

  由于此手抄器用于兩種不同的協議,實際設計中使用了兩套電源管理系統,并進行了特殊處理,避免了其中一套供電時對另一套電源造成影響。

  當手抄器用于工業以太網的一致性測試時,電源采用的是以太網供電設備,該設備采用符合802.3受電設備標準,輸出標準的+24V,經過LM2576-5、AS1117-1.8和AS1117-3.3電源芯片,電平轉換后,輸出手抄器上的CPU、存儲器、網卡芯片、智能顯示終端上所需的1.8V和3.3V電源。

  當手抄器用于工業無線系統中,電源采用的是電池供電,普通的手機電池即可。電池輸出電壓經過TPS60110、TPS60100電源芯片,電平轉換后,輸出手抄器上的CPU、存儲器、網卡芯片、智能顯示終端終端和無線通信模塊上所需的工作電壓。

  JTAG調試接口

  這里使用JTAG調試接口主要是為了調試顯示終端、無線通信模塊、CPU和上位機之間的通信,及測試其通信性能。

  鍵盤接口

  自主設計了一個6×4矩陣鍵盤。如圖2所示。鍵盤的行連接在CPU的6個PIO引腳上,配置為輸出;列連接在4個能夠產生終端的引腳上,配置為輸入。由于上拉電阻的作用,在空閑模式下,這些引腳為高電平狀態。當有按鍵按下時,列引腳為低電平狀態,列引腳的下降沿引起中斷。處理器進入PIO中斷子程序,并打開定時器。定時器溢出后,進入定時器中斷子程序,以判斷是否確實有鍵按下,是哪個鍵按下。定時器設置為波形模式,RC比較中斷,中間溢出由RC比較寄存器的直和所選擇的時鐘沿決定??捎熊浖臀缓投〞r器啟動。

  初始化:列PIO配置為輸入,行PIO配置為輸出,且輸出為0; 列PIO打開中斷,初始化該中斷;使能PIO時鐘;初始化定時器中斷。

  PIO中斷子程序:鍵盤掃描前,所有的行輸出為0,當有鍵按下,與其對應的列電平為0,引起PIO中斷。為了避免毛刺噪聲的影響,需要啟動定時器延時判斷。設延時時間為20ms(31250個tick) 。

   圖2 AR91M40008與鍵盤連接圖

  定時器中斷子程序:定時器溢出后,開始第二次掃描,判斷是否有鍵按下,如確實有鍵按下,PIO引腳為低電平的列即為按鍵按下的列。然后再將PIO設置為輸入狀態,所按下的鍵的行輸入狀態該為高電平,因此判斷具體是哪個鍵按下。

  智能顯示終端

  根據實際應用的要求,選用了一款臺灣奇美的3.5寸的TFT彩色顯示屏。為了便于管理,所設計手抄器采用了AT91R40008,但是這款CPU不帶有LCD驅動,沒法直接驅動顯示屏,因此選用了一款工業標準的M600系列模組來驅動TFT顯示屏。

  M600能夠實現 “TFT顯示驅動”和“文本和圖像處理接口函數”以及一部分“用戶應用程序”。它集成了顯示驅動、1MB顯存、128MB Flash,其中最大32MB 用戶數據庫,方便了實際測控系統的數據存儲應用。采用的是串口的方式和用戶系統連接,使用過程中只要3根線(+3.3V、GND、RXD)就可以把M600接起來點亮一個TFT屏,方便了本手抄器的以后的改進設計。M600采用的是統一的指令集,我們可以通過軟件設置來適應不同分辨率的顯示屏,在工業現場中如果需要更換顯示屏,只需修改極少量的代碼,就可以完成手抄器的更新換代。無線通信模塊

   基于IEEE 802.15.4工業無線通信模塊采用的是CC2430,整個模塊的結構簡單,采用單芯片進行數據的處理,在CC2430只要用很少的一些外圍元件就可以進行正常的工作。它外圍電路主要是由天線、晶振電路、復位電路以及用于調試的JATG口組成。

  在功能上,主要用于完成無線通信模塊之間的數據收發,同時將數據發送給手抄器的處理器。它們之間的數據傳送是通過串口進行數據的傳送。晶振電路分別為32.768KHz和32MHz兩個晶振,32.768KHz提供模塊在休眠狀態的工作時鐘。32MHz提供模塊在工作狀態下的工作時鐘。JATG用于在線的程序設計,如圖3所示。

   圖3 無線通信模塊結構圖

  手抄器在工業現場中的應用

  在現有的研發系統中,將工業以太網的有線網絡與工業現場的無線設備之間建立連接,將手抄器作為無線手持為例。工業現場的無線設備通過專用的傳輸協議將數據傳輸到轉換設備。數據經過轉換,成為工業現場能夠識別和支持的格式,并傳輸到工業現場中的一個發出指令請求的設備中。實現上位機對現場數據進行監控。工業現場中,主站即上位機不方便對現場設備進行實時操控,可以使用一個手抄器和轉化設備進行連接,對數據進行訪問和采集,根據反饋的數據,對現場的數據進行修正,保證設備正常運行,如圖4所示。

   圖4 工業現場中手抄器的應用

  結語

  本文給出了以AT91R40008為CPU的兩用手抄器的解決方案,介紹了手抄器的硬件實現,重點突出了在工業以太網中用到的網口通信接口,及在工業無線系統中應用的基于IEEE802.15.4的工業無線通信模塊。具體設計過程中成功的引入了以往研究成果中關于EMC測試環節的解決方案。

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