基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄分析儀的硬件設(shè)計

摘要： 為集中監(jiān)控工業(yè)現(xiàn)場的大量自動化儀表，提高工業(yè)生產(chǎn)中的自動化水平，現(xiàn)以S3C2410A 為主控芯片，以液晶屏為顯示設(shè)備，以觸摸屏為輸入設(shè)備，以SD 卡為存儲設(shè)備，設(shè)計一種電力設(shè)備數(shù)據(jù)記錄分析儀。記錄儀支持CAN 通信與485 通信2 種總線方式采集采樣模塊的數(shù)據(jù)，具有大屏幕顯示輸出，簡單易行的觸摸屏輸入，利用以太網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)，大容量的存儲空間，功能齊全，用途廣泛。

　　本文所設(shè)計的系統(tǒng)就是為了滿足對各個設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時記錄與及時分析這樣的需求。本系統(tǒng)以S3C2410 為核心，采用linux 實時操作系統(tǒng)，結(jié)合嵌入式設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)點， 有可連接設(shè)備數(shù)量多，速度快，功能多及可擴(kuò)展性強等優(yōu)點，可完成大量電力設(shè)備的集中監(jiān)控，顯著提高用戶自動化系統(tǒng)的可靠性，節(jié)約大量的人力物力。

???? 基于S3C2410 的電力設(shè)備記錄儀采用了功能強大的ARM920T 內(nèi)核的芯片作為CPU，支持485，CAN，以太網(wǎng)3 種通信方式，采用液晶顯示與觸摸屏，大容量SD 卡存儲單元。

　　1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　系統(tǒng)的組成部分和主要功能如下：

　　1）上位機部分，主要負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程的信息配置與數(shù)據(jù)采集，記錄，與處理。

　　2）數(shù)據(jù)記錄分析儀部分：主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場的信息配置和數(shù)據(jù)記錄與處理。

　　3）單片機系統(tǒng)：主要負(fù)責(zé)環(huán)境信息的采集，監(jiān)控，處理。

　　2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　記錄儀的硬件系統(tǒng)由核心板與主板2 部分構(gòu)成。其中核心板主要負(fù)責(zé)CPU 與RAM 存儲器，F(xiàn)lash 存儲器等的搭建。

　　主板包括整個系統(tǒng)的電源部分， 以太網(wǎng)通信部分，CAN 通信部分，485 通信部分，串行通信部分，顯示部分，數(shù)據(jù)存儲部分，CPLD 部分等。核心板與主板通過雙排插針的結(jié)構(gòu)連接。

　　硬件設(shè)計的的結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 記錄儀結(jié)構(gòu)圖

　　2.1 核心板的設(shè)計

　　核心板主要由CPU S3C2410、內(nèi)存SDRAM、閃存NANDFlash、晶振電路、啟動配置電路等幾部分構(gòu)成。

　　CPU S3C2410A 的內(nèi)部僅僅集成了4 k 大小的SRAM，用作系統(tǒng)程序的引導(dǎo)程序空間， 所以需要擴(kuò)展一定容量的RAM，用來用作主程序的運行空間，數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。當(dāng)系統(tǒng)啟動時，CPU 首先從復(fù)位地址0x0 處讀啟動代碼， 完成系統(tǒng)初始化后，程序代碼一般都調(diào)入SDRAM 中運行，以提高系統(tǒng)的運行速度， 同時， 系統(tǒng)及用戶堆棧， 運行數(shù)據(jù)也都放在SDRAM 中。SRAM 中的引導(dǎo)程序完成以后，會將操作系統(tǒng)鏡像加載到SDRAM 中。本系統(tǒng)的SDRAM 由2 片HY57V561620T 構(gòu)建成1 個32 位的SDRAM 存儲結(jié)構(gòu)。

　　HY57V561620T 是1 個268 435 456 位的CMOS SDRAM 芯片，能夠很好地滿足大容量高寬度的存儲需求。

　　本系統(tǒng)中使用的Flash 為三星公司的K9F1208.， 容量為64 MB， 采用塊頁式存儲管理，8 個I/O 引腳充當(dāng)數(shù)據(jù)，地址，命令的復(fù)用端口。

　2.2 主板的設(shè)計

　　如上所述，主板負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的電源部分，以太網(wǎng)通信部分，CAN 通信部分，485 通信部分，串行通信部分，顯示部分，數(shù)據(jù)存儲部分，CPLD 部分等。

　　2.2.1 電源模塊的設(shè)計

　　CPUS3C2410A 芯片的各個模塊采取獨立供電， 其中，內(nèi)核在200 MHz 工作時， 工作電壓是1.8 V， 在266 MHz 工作時，工作電壓是2 V，存儲器和I/O 的工作電壓是3.3 V，所以本系統(tǒng)采用一個+5 V 的開關(guān)電源模塊， 然后再分別將+5 V電壓處理成3.3 V 電壓和1.8 V 電壓。其中3.3 V 電壓是用低壓差線性電壓源通過+5 V 調(diào)整得到的。直流5 V 電壓經(jīng)外部接入，經(jīng)過電源的濾波，輸出平穩(wěn)的，5 V 可用的電壓，通過LM1117T 的調(diào)整可以得到可用的3.3 V 電壓。最后在輸出端接入一個100 μF 的鉭電容， 來改善其瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。

　　原理圖如圖2 所示。

圖2 3.3 V 電壓的實現(xiàn)

　　系統(tǒng)中的1.8 V， 是用線性電壓調(diào)節(jié)器MIC5207 根據(jù)3.3 V轉(zhuǎn)換而成的，其原理圖如圖3 所示。輸出電壓用于向CPU 的內(nèi)核供電。在上圖中，MIC5207 的3 腳接到CPU 的PWREN管腳， 通過PWREN 給MIC5207 一個電平， 可以控制MIC5207 的開關(guān)，從而可以將CPU 內(nèi)核的電源關(guān)閉，使其進(jìn)入掉電狀態(tài)。MIC5207 的4 腳接入1 個470 pF 的旁路電容，其作用在于進(jìn)一步降低噪音。其輸出接入1 個470 pF 的濾波電容，進(jìn)一步使輸出更加平穩(wěn)。

圖3 1.8 V 電壓的實現(xiàn)

　　2.2.2 通信模塊的設(shè)計

　　本系統(tǒng)作為一個多功能的數(shù)據(jù)記錄顯示儀器， 提供485通信與CAN 通信與下位機采樣模塊連接。485 通信與CAN通信是工業(yè)現(xiàn)場比較常用的2 種模塊。另外，系統(tǒng)還配置了以太網(wǎng)通信模塊，便于將數(shù)據(jù)傳送到上位機進(jìn)行集中監(jiān)控和管理。下面，就分別進(jìn)行簡單說明。

　　1） 485 通信模塊的設(shè)計

　　485 通信模塊原理圖如圖4 所示。

圖4 485 通信模塊原理圖

　　常規(guī)的485 通信模塊由電源隔離， 光耦電氣隔離，RS-485 總線收發(fā)器與保護(hù)器構(gòu)成。由于地回路的存在，通信回路與地之間存在電勢差，在環(huán)境惡劣的場合尤為突出。電勢差會在通信線之間形成共模電壓。由于通信線之間對地阻抗不平衡，共模電壓就會在通信線之間產(chǎn)生干擾電壓，使通信的可靠性降低，嚴(yán)重情況下還會毀壞通信節(jié)點。電源隔離和光耦隔離的作用在于防止此情況發(fā)生，但是加入太多的隔離模塊會使電路復(fù)雜化。在本系統(tǒng)中，采用集成的隔離485 收發(fā)器模塊RSM485CHT，它集成了電源隔離，光耦電氣隔離，總線收發(fā)器與總線保護(hù)器。這樣降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，又能有效地提高電路的抗干擾能力，傳輸速度和可靠性。還有效地減小了PCB 板的面積以及布線的復(fù)雜程度。

　　由于RSM485CHT 芯片的TXD，RXD，CON 的接口匹配電平是+5 V 電平，而CPU 的管腳電平是3.3 V，所以需要接入1 個總線電平轉(zhuǎn)化器74LV4245A， 用來給3 V 器件和5 V器件提供接口。也可以選擇與3.3 V 電平匹配的隔離模塊RSM3485CHT。