基于ARM9的测控系统通信接口设计方法和过程

摘要：控制终端是测控装置中不可缺少的主要组成部分，目前应用的许多测控系统都具有规模大、控制点分散、大多控制点计算密度较低、受控体及接口种类繁多等特点。文章设计了ARM9S3C2440处理器下的RS485、RS232、CAN、IO输入／输出、IIC等通信控制接口，本文重点介绍其设计方法和过程。
关键词：ARM9；S3C2440；系统接口；控制终端；控制器

0 引言
    控制终端是测控装置中不可缺少的主要组成部分，是测控系统存在的基础，目前应用的许多测控系统都具有规模大、控制点分散、大多控制点计算密度较低、受控体及接口种类繁多等特点。
    近年来嵌入式系统以体积小、功耗低、控制功能较强、能够嵌入操作系统、易于扩展外围接口(包括各种现场总线和百兆网等)等优点，很适合计算密度较低的分布式控制终端的应用。本设计采用ARM9 3C2440来开发测控终端，完成了测控装置中的RS485、RS232、CAN、IO输入／输出、IIC通信控制接口设计。下面重点介绍其设计方法和过程。

1 系统设计
    图1系统总体结构是采取核心板跟底板的结构。核心板的资源包括S3C2440A的基于ARM920T核的处理器，其内部集成了许多外设，可以很容易地对处理器进行扩展，形成各种不同的控制／通信接口。存储系统方面核心板上扩展了64M的SDRAM，256M的NAND FLASH，以及2M的NOR FLASH，能够满足一般的工业控制需求。另外核心板上还集成着DM9000以太网控制芯片。在底板上利用S3C2440处理器上的功能模块，再加上外围电路，形成各种接口的扩展，其中包括有半双工的RS485、RS232、CAN通信模块、IO数字量口输入、IO口数字量输出。



2 模块硬件配置
2．1 RS-485总线接口的设计
    S3C2440片内集成的三路UART接口，UART接口通过电平转换芯片可以很方便地转换为485接口。UARTO作为嵌入式LINUX的控制台(conso le)接口，UART1用作RS485扩展，UART2作为RS232扩展。我们用到的是UART1。由于ARM处理器的引脚电平和EIA规定的电气标准不一样，所以必须要外接电平转换芯片，利用片内UART外接不同的转换芯片可以轻松地实现RS485或者RS232串行协议标准。RS485采用差分信号负逻辑，为了达到RS485总线的电气特性标准，设计中用到的是Analog Devices公司的半双工RS-485隔离收发器。
    ADM2483是带隔离的增强型RS485收发器，它包括一个三通道隔离器，一个带三态输出的差分驱动器和一个带三态输入的差分接收器，允许多达256个收发器接入总线，最高传输速率为500kb／s，逻辑端兼容3V／5V工作电源。总线端5V供电。


    图2为系统中利用S3C2440中的ART1实现半双工的RS-485总线的原理图，其中的引脚RE’与DE分别为接收使能和发送使能端，现在将其并联起来接到S3C2440的nCTS0引脚，由该引脚的电平控制芯片数据的方向。要发送数据时要叫其置1，接收数据时要将其清0。   

2．2 CAN总线接口的设计Microchip
    公司推出的MCP2515是一款独立控制器局域网络协议控制器，完全支持CAN V2．0B技术规范。该器件能发送和接收标准和扩展数据帧以及远程帧。MCP2515自带的两个验收屏蔽寄存器和六个验收滤波寄存器可以过滤掉不想要的报文，因此减少了主单片机的开销。MCP2515与MCU的连接是通过业界标准串行外设接口(SPI)来实现的。在S3C2440处理器上片内集成了两个SPI控制器，可以通过SPI总线与MCP2515的控制线连接，进而对MCP2515进行控制和配置等各项操作。此外要组成CAN网络，仍需要一个与具体物理线路连接的CAN收发器，本设计中采用了Microc hip公司的MCP2551。MCP2551是一个可容错的高速CAN器件，可作为CAN协议控制器与物理线路之间的接口，为CAN控制器起差分收发能力，能够把CAN控制器生成的数字信号转化成为适合总线上传输的信号。


2．3 RS232接口的设计
    RS232适于本地的设备之间的通信。利用S3C2440片内的UART可以轻松地实现串行数据的传输，MAX232采用单电压5V供电，可以轻松地实现电平转换，特别是在没有12V电源的情况下。该芯片采用DIP封装，集成了2个电压转换器，连线简单而方便使用。


2．4 数字量输入／输出接口的设计
    数字量的输入输出可以直接控制ARM的引脚为GPIO功能而实现，输入和输出具有相同的原理。一般控制系统需要工作在恶劣的环境中，电压值会产生突变，而且一般都高于ARM处理器可接受的范围，所以必须采取一定隔离措施，需要外接隔离芯片。隔离芯片在电路中起到三方面的作用：1)隔离了破坏电压，防止处理器受到破坏性损坏；2)完成逻辑电平的转换，将工业控制中的信号逻辑电平转换为嵌入式处理器所允许的逻辑电平；3)隔离噪声，抑制共模信号。在本设计中采用的是ADI公司的ADuM1200数字隔离器。这款数字隔离器采用的是iCoupler磁隔离技术，无论在性能、工号体积等各方面都有传统的光电隔离器无法比拟的优势，具有比光电耦合器更高的数据传输速率，时序精度和瞬态共模抑制能力。在一个芯片上集成了两个独立的隔离通道，两端工作电压为2．7V～5．5V，每个隔离通道具有很低的脉宽失真，而且还具有直流校正功能。综合上述各优势，是本设计中采取该隔离芯片的原因。



3 结束语
    本设计成功应用在中微子实验室的环境测量系统中，实现了工业现场的嵌入操作系统、网络互联功能、微型化、高可靠性设计，运行稳定可靠、效果良好。但存在远距离通信时速度不高的缺陷，具体解决方法有待进一步研究。