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1、基于双核OMAP5910微处理器实现通用网络测控系统的设计随着物联网概念的提出及相关技术的发展，网络化测量控制已成为测控系统发展的必然趋势。然而，当前国内外工业控制领域普遍使用且技术相当成熟的PLC(Programable Logic Controller)基本都不支持网络，也不能简单升级具有网络功能，且模式较为单一。因而，设计与实现了一种网络化通用测控系统平台，以实现网络化测控需求且具有一般平台的通用性能。本文主要介绍了ARM嵌入式系统与ZigBee无线技术相结合的通用网络测控平台的硬件设计。1 系统硬件总体设计基于ARM的通用网络测控系统硬件架构如图1所示，本系统在测控端采用基于ARM的C
2、PU，通过网络接口与Internet相连，外围扩展有数字量输入输出模块、模拟量输入输出模块及无线ZigBee组网数据传输模块。硬件设计的主要研究内容：基于ARM的嵌入式主控硬件平台、ZigBee无线网络数据传输模块、测控I0模块硬件以及硬件系统的通用性指标和网络化性能的分析测试。图1 系统硬件架构2 ARM主控模块硬件系统核心芯片是Samsung公司生产的基于ARM920T核1632位RSIC(Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机)微处理器S3C2440A，该芯片资源丰富、运算速度快、功能强大，且价格相对合理。核心板系统框图如图2所示。图2 核心板
3、系统框图21存储器电路FLASH存储器采用Samsung半导体生产的64M8 b的K9F1208U0M Nand FLASH存储器芯片。本系统使用了一片该芯片构成64MB的FLASH，系统的启动代码Bootloader文件、内核镜像文件以及文件系统均存于此。SDRAM存储器采用Hynix生产的4 Banks4M16 b的HY57V561620 CSD-RAM芯片，为了保证系统的运行速度，本系统采用两片该芯片并联构成32位数据存储器。22 JTAG调试接口JTAG(Joint Test Action Group，联合测试行动小组)是一种国际标准测试协议(IEEE 11491兼容)，主要用于芯片内
4、部测试。它在芯片内部封装了专门的测试电路TAP(Test Access Port，测试访问口)，通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试，同时可用于在线编程。标准的JTAG接口是4线：TMS，TCK，TDI，TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。系统采用20针的标准接口，用于在线调试及系统Bootloader的下载。23 电源与系统时钟电路电源设计的可靠性关系到系统运行的稳定与否。本系统输入电源为5 V，通过LM1117芯片将其稳压至33V，使用大电容抑制低频干扰，小电容抑制高频干扰，用于芯片接口的供电，同时采用专用电源芯片MIC5219BMM，为内核提供低噪的13 V电压，
5、以确保系统供电稳定。系统时钟主要分为主频时钟FCLK，AHB总线设备时钟HCLK，APH总线设备时钟PCLK。本系统采用外部12 MHz晶体振荡器，通过S3C2440的设置模式选择引脚OM2：3均为低电平的组合方式来选择S3C2440的时钟源为外部晶振XTIPLL。同时，可通过片内的两个锁相环MPLL和UPLL来得到内核时钟和USB时钟。24 串行接口电路当前，基本上各种处理器上都具备串口，本系统中的串口主要用于前期调试以及与主无线模块的通信。由于CPU串口引出脚电平不是标准RS 232电平，因此在与PC机连接调试时需进行电平转换，而与无线模块通信则可直连。可以在Linux内核串口驱动的基础上
6、修改为ZigBee的数据收发驱动，其电路如图3所示。图3 串行接口电路25 网络接口电路网络接口电路是该系统中重要的硬件部分。为了保证网络数据传输的稳定流畅，本系统中采用10100 Mbs自适应以太网MAC控制器芯片DM9000A，该芯片具有一个10100 Mbs自适应的PHY和4K DWORD值的SRAM，物理协议层接口完全符合IEEE 8023u规范，支持IEEE802.3x全双工流量控制。主控模块板上nGCS3接DM9000A的片选CS#，地址配置为0x18000002，LDATA15：0接DM9000A数据位SD15：0构成16位数据总线模式。此外，采用HS9016用于IO隔离变压，然
7、后连接RJ45接口。隔离电路如图4所示。图4 网络接口隔离变压电路3 测控IO模块硬件31 数字量输入输出模块系统实现了8路数字量的输入，8路数字量的输出，采用CH573对数字量输出进行锁存，采用CH245对输入量进行选通。为了节省端口资源，数字量的输入、输出的8根数据线复用，通过控制CH573的锁存信号以及CH245的片选信号来实现输出量和输入量的复用。同时，采用光耦用于端口光电隔离。32 模拟量输入输出模块系统AD实现4路12位模拟量或2路12位差分信号模拟量采样输入，系统DA实现2路12位模拟量输出。该模块AD采用Microchip公司生产的12位模数转换器MCP3204，采样速率最高可
8、达100 KSPS，且价格低廉；该模块DA采用TI公司的12位数模转换器TLV5638，该芯片具有内部基准，建立时间为135s，具备2通道模拟量输出能力。只需外加信号调理电路即可。由于上述两款芯片均为SPI接口，可直接挂接到处理器的SPI总线接口上，通过片选CS0和CS1来控制数据传输的切换。其结构图如5所示。图5 模拟量I/O模块结构图4 ZigBee无线模块硬件ZigBee技术是当前发展较为迅速且日趋成熟的一种无线通讯技术，采用国际通用免费频段24 GHz，具有低功耗、低成本、低复杂度等优点。ZigBee技术较易实现自动组网，网络容量大，可容纳多达65 000个节点，网络中的任意节点之间都
9、可进行数据通讯。网络具有星状、树状和网状网络拓扑结构。本系统采用的是TI公司生产的SOC芯片CC2430，内置增强型的8051内核，接口丰富，具有8 KB SDRAM，128 KB闪存，只需加上电源电路、晶振电路、天线而无需其它外部扩展即可配置为FFD(全功能器件)或RFD(简化功能器件)，因而硬件设计简便，成本也相对较低，模块采用串口与ARM系统通信。实物图如图6所示。图6 实物图5 系统分析测试网络化在本系统中主要体现为两个方面，一个是采用ZigBee构成的无线网络，用于无线数据采集。另一个则是Internet网络，用于嵌入式系统与主控制端进行数据交互。并且，本系统测控IO模块符合标准测控电压电流规格定义，并采用ZigBee无线技术，可实现简单二次开发。经软件测试，该系统可完成不同物理量、本地或远程、无线或有线以及一定精度与实时性的网络测量控制，具备一般通用平台的性能。6 结语网络化是测控技术发展的一个重要方向，伴随网络技术的发展，也需要一种通用的平台统一各分散的测控点。本文基于上述考虑，提出了通用网络测控系统设计基本思想，也阐述了较为详尽的硬件设计方案，该系统通用性好、网络设计合理、成本低，并且易于产品化。经简单设置或二次开发，该系统可应用于工业生产车间、智能家居，以及油田油井遥测等广泛的行业和领域。