通用网络测控系统硬件设计如何实现？

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。

李翰肃

2019-11-8 15:26:27

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CPU，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I／0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16／32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 核心板系统框图
2．1 存储器电路
FLASH存储器采用Samsung半导体生产的64M×8 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 Banks×4M×16 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。
2．2 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 1149．1兼容)，主要用于芯片内部测试。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。
2．3 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3．3V，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1．3 V电压，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OM[2：3]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。
2．4 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
2．5 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10／100 Mb／s自适应以太网MAC控制器芯片DM9000A，该芯片具有一个10／100 Mb／s自适应的PHY和4K DWORD值的SRAM，物理协议层接口完全符合IEEE 802．3u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，LDATA[15：0]接DM9000A数据位SD[15：0]构成16位数据总线模式。此外，采用HS9016用于I／O隔离变压，然后连接RJ45接口。隔离电路如图4所示。

图4 网络接口隔离变压电路

刘军

2019-11-8 15:26:36

3 测控I／O模块硬件
3．1 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。
3．2 模拟量输入／输出模块
系统A／D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D／A实现2路12位模拟量输出。该模块A／D采用Microchip公司生产的12位模数转换器MCP3204，采样速率最高可达100 KSPS，且价格低廉；该模块D／A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1～3．5μs，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2．4 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I／O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。

刘宇

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李翰肃

刘军

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