一種基于ARM的航標(biāo)終端設(shè)計方案

　　0 引言

　　航標(biāo)是航行標(biāo)志的簡稱，是指示航道方向、界限與礙航物的標(biāo)志，為船舶的安全航行提供了基本保障。航標(biāo)終端通過測量航標(biāo)燈工作狀態(tài)（電壓、電流、可用燈泡數(shù)、閃光周期、位置信息等參數(shù)），再將這些狀態(tài)信息以數(shù)據(jù)報的形式在CPU的控制下通過公共通訊網(wǎng)發(fā)送回航標(biāo)監(jiān)控中心。同時，監(jiān)控中心也可以對航標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控。這樣，就能使得當(dāng)代的航道建設(shè)趨于數(shù)字化、信息化。

　　1.系統(tǒng)總體設(shè)計

　　航標(biāo)終端需要測量和控制的對象參數(shù)主要有電壓、電流、燈質(zhì)、日光值等，既有模擬量又有數(shù)字量。終端必須是一個電源適應(yīng)能力強、抗干擾能力強、功耗低、集成模數(shù)轉(zhuǎn)換的SOC（System On Chip）系統(tǒng)。本航標(biāo)終端采用主、從雙CPU結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)主控制器采用NXP（恩智浦）公司的32位Cortex-M3內(nèi)核嵌入式微處理器 LPC1769，負(fù)責(zé)與監(jiān)控中心的GPRS/GSM通信、GPS信號的讀取與前差分處理、本地數(shù)據(jù)的存儲、RS-232/485擴展通信、模擬量檢測、與從CPU通信及系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級等工作，并預(yù)留其他通信接口；從CPU采用NXP公司的32位Cortex-M0內(nèi)核嵌入式微處理器LPC1114，負(fù)責(zé)燈質(zhì)、傾角/撞擊和環(huán)境溫度等參數(shù)的檢測并預(yù)留其他通信接口?；?a target="_blank">ARM的航標(biāo)終端系統(tǒng)框架如圖1示。

　　圖1中，A/D用于檢測電壓和電流；從CPU負(fù)責(zé)燈質(zhì)、傾角/撞擊、溫度的測量及預(yù)留接口；64K E2PROM保存配置數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等；串口0用于在系統(tǒng)升級和調(diào)試，串口2用于GPRS/GSM模塊通訊，串口3用于GPS數(shù)據(jù)的通訊，串口1用于提供一個RS-232/485接口，和其他外設(shè)通訊。

　　2.主要模塊硬件電路設(shè)計

　　2.1 A/D測量電路

　　模擬量測量包括航標(biāo)燈、電池、太陽能板等的電壓、電流。電壓直接通過濾波電路送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理。電流的測量則通過電流傳感器將電流轉(zhuǎn)換成電壓量并濾波后送入A/D轉(zhuǎn)換器。電路如圖2所示。

　　2.2 電源控制

　　電源設(shè)計上采用3片高效率、低壓差的線性穩(wěn)壓電源（LDO）分時工作來實現(xiàn)系統(tǒng)電源的高效管理。其中，監(jiān)控主系統(tǒng)和GPS各采用一片TPS77533供電，把航標(biāo)燈電池上6.4V的電壓降到監(jiān)控系統(tǒng)所需要的3.3V電壓。TPS77533是美國TI公司生產(chǎn)的一款高效率、低壓差線性穩(wěn)壓集成電路，具有外圍電路簡單、電壓轉(zhuǎn)換效率高（最高可達(dá)92%）、輸入電壓范圍寬、使用穩(wěn)定可靠等特點，適用于絕大多數(shù)工作電壓范圍的航標(biāo)燈的使用。由于通信模塊在 GPRS發(fā)射時的瞬間電流可高達(dá)2A/3.8V，因此，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止各模塊之間的影響和干擾，本系統(tǒng)采用一片大功率的線性穩(wěn)壓電源 NCP630對GPRS模塊單獨供電，配合大電容蓄能濾波電路（多個電容并聯(lián)實現(xiàn)）方式，給GPRS提供充足的能量。NCP630是安森美公司的一款大電流、高效率、低壓差線性穩(wěn)壓集成電路，其最大輸出電流可達(dá)3A，最高電壓轉(zhuǎn)換效率90%，配合多個大電容的并聯(lián)，可以給GPRS模塊提供充足的能量，保證在GPRS的發(fā)射瞬間不會因電流過大而拉低模塊電壓，導(dǎo)致GPRS工作不穩(wěn)定。電源控制電路的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。