基于ＥＰＡ與ＩＥＥＥ８０２．１５．４兩用手抄器的設計

劉成濤　付　蔚

摘要：本設計是基于EPA和IEEE802.15.4兩種協(xié)議的手抄器的解決方案，用于工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場和工業(yè)無線通信現(xiàn)場。該設計方案采用AT91R40008芯片作為CPU，將兩種協(xié)議集于一款手抄器，為設備維護帶來方便。

關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng)；工業(yè)無線；手抄器；AT91R40008

引言

在工業(yè)現(xiàn)場中，如工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場和工業(yè)無線通信現(xiàn)場，由于有些環(huán)境比較惡劣，主站操作現(xiàn)場設備不方便等因素可以副主站即手抄器對從站設備進行實時性操作。副主站幾乎可以連接在網(wǎng)絡的任何地方，在不影響主站通訊的情況下對任何一個現(xiàn)場的從設備進行操作，實現(xiàn)了兩個主站(主站和副主站)與同一個從設備之間的通訊。

手抄器設計

現(xiàn)場總線和工業(yè)無線通信是兩大處于國際前沿的研究方向，兩個系統(tǒng)如果分別做手抄器，成本相對較高，而且不方便管理。這款兩用手抄器集成了EPA(Ethernet for PlantAutomation)和IEEE802.15.4(低數(shù)據(jù)率的WPAN標準)兩個協(xié)議，能夠通過有線或者無線的方式在不同的工業(yè)現(xiàn)場得到應用，在不影響上位機通訊的情況下對現(xiàn)場設備進行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測和控制。

該手抄器使用的是ARM7控制芯片。它包含了微處理器(AT91R40008)、存儲器、通信模塊、網(wǎng)絡通信接口、顯示終端、無線通信模塊等重要組成部分。在該設計中，使用了兩種供電方式，一種電源使用了以太網(wǎng)供電設備，該設備除了用于網(wǎng)口通信，還提供設計中所需要的電源。該電源經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換，為微處理器、存儲器、無線通信模塊等提供所需的+3.3V和+1.8V電源；另一種電源使用了電池供電。32位的微處理器AT91R40008通過串口0和串口1與無線通信模塊和液晶終端進行數(shù)據(jù)交換。圖1為ARM7手抄器的硬件框圖。

微處理器

選用AT91R40008做CPU。AT91R40008包括一個高性能32位精簡指令系統(tǒng)和一個高密度16位的指令系統(tǒng)。AT91R40008具有片上SRAM或ROM、完全可編成的外部總線接口(EBI)、32個可編程的I／o口、8個優(yōu)先級、4個外部中斷、2個USART及16位的定時器／計數(shù)器等。

AT91R40008具有與外部存儲器的直聯(lián)的特色，通過外設的FLASH，經(jīng)過完全可編程外部總線接口(EBI)、一個八位優(yōu)先向量中斷控制器，及外部數(shù)據(jù)控制器，能大大提高處理器的即時性能。

微處理器部分的設計包含系統(tǒng)硬件的啟動與復位，地址總線、數(shù)據(jù)總線的分配和定義，通過串行線對無線通信模塊和液晶終端的讀寫等。

系統(tǒng)由外部的50MHz鐘振作為時鐘源向CPU輸入時鐘信號。復位電路由10μF的電容、10kΩ的電阻及按鍵組成低電平復位電路。AT91R40008內(nèi)部ROM為128k，外部最大可擴64M的存儲器，根據(jù)實際的設計需要，在設計中擴展了一片2M字節(jié)的SST36VF160對軟件程序進行存儲。網(wǎng)卡芯片AX88796通過片選線、中斷線、讀寫信號控制線和地址數(shù)據(jù)總線與CPU相連，實現(xiàn)現(xiàn)場設備和上位機的網(wǎng)絡通信。AT91R40008分別通過串口0和串口1實現(xiàn)與無線通信模塊和顯示終端的數(shù)據(jù)交換。

FLASH存儲器

由于該手抄器是應用于工業(yè)現(xiàn)場中，所以在軟件中必須加入相應的規(guī)范標準。在手抄器的系統(tǒng)設計中，在CPU的外部拓展了2M字節(jié)的FLASH。SST39VF160是一個1M×16的CMOS多功能FLASH器件。SST39VF160具有功耗較低的優(yōu)點，它的工作電壓為3.3V，具有高性能的編程功能，字編程時間為14μs。在目前測試環(huán)境中證明這款FLASH能夠更方便和更低成本的滿足程序配置和數(shù)據(jù)存儲的要求。

網(wǎng)絡通信接口

在設計中采用網(wǎng)絡通信接口接人工業(yè)以太網(wǎng)，數(shù)據(jù)由以太網(wǎng)傳遞到上位機中，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的無線設備和上位機的通信。在實際的設計過程中，我們采用HR61H50L作為網(wǎng)絡隔離器，采用AX88796作為網(wǎng)卡芯片。

AX88796是臺灣Asix公司的NE2000兼容快速以太網(wǎng)控制器。其內(nèi)部集成有10／100Mb／s自適應的物理層收發(fā)器和8k×16位的SRAM，支持MCS-51系列、80186系列以及MC68K系列等多種CPU總線類型。AX 88796執(zhí)行的是基于IEEE 802.3／IEEE802.3u局域網(wǎng)標準的10Mb／s和100Mb／s以太網(wǎng)控制功能，并提供IEEE802.3u兼容的媒質(zhì)無關(guān)接口MII，用以支持在其它媒質(zhì)上的應用。AX88796的地址總線SA[9:0]與數(shù)據(jù)總線SD[15:0]分別與CPU的地址／數(shù)據(jù)總線相連。CPU通過I／o讀寫NE2000寄存器來控制AX88796的工作狀態(tài)，通過遠程DMA FIFOs與AX88796的內(nèi)部緩存SRAM進行數(shù)據(jù)交換。SRAM與MAC核之間進行Locai DMA將數(shù)據(jù)發(fā)送至MAC層，再經(jīng)由內(nèi)部的PHY層發(fā)送至RJ45接口，或者經(jīng)過MII接口送至外部的物理層芯片。SEEPROM接口可以用來連接串行EEPROM。EEPROM可用于存儲MAC地址，供AX88796每次初始化時讀取。

電源

由于此手抄器用于兩種不同的協(xié)議，實際設計中使用了兩套電源管理系統(tǒng)，并進行了特殊處理，避免了其中一套供電時對另一套電源造成影響。

當手抄器用于工業(yè)以太網(wǎng)的一致性測試時，電源采用的是以太網(wǎng)供電設備，該設備采用符合802.3受電設備標準，輸出標準的+24V，經(jīng)過LM2576－5、AS1117－1.8和AS1117-3.3電源芯片，電平轉(zhuǎn)換后，輸出手抄器上的CPU、存儲器、網(wǎng)卡芯片、智能顯示終端上所需的1.8V和3.3V電源。

當手抄器用于工業(yè)無線系統(tǒng)中，電源采用的是電池供電，普通的手機電池即可。電池輸出電壓經(jīng)過TPS60110、TPS60100電源芯片，電平轉(zhuǎn)換后，輸出手抄器上的CPU、存儲器、網(wǎng)卡芯片、智能顯示終端終端和無線通信模塊上所需的工作電壓。

JTAG調(diào)試接口

這里使用JTAG調(diào)試接口主要是為了調(diào)試顯示終端、無線通信模塊、CPU和上位機之間的通信，及測試其通信性能。

鍵盤接口

自主設計了一個6×4矩陣鍵盤。如圖2所示。鍵盤的行連接在CPU的6個PIO引腳上，配置為輸出；對連接在4個能夠產(chǎn)生終端的引腳上，配置為輸入。由于上拉電阻的作用，在空閑模式下，這些引腳為高電平狀態(tài)。當有按鍵按下時，對引腳為低電平狀態(tài)，對引腳的下降沿引起中斷。處理器進入PIO中斷子程序，并打開定時器。定時器溢出后，進入定時器中斷子程序，以判斷是否

確實有鍵按下，是哪個鍵按下。定時器設置為波形模式，RC比較中斷，中間溢出由RC比較寄存器的值和所選擇的時鐘沿決定?？捎熊浖臀缓投〞r器啟動。

智能顯示終端

根據(jù)實際應用的要求，選用了一款臺灣奇美的3.5寸的TFT彩色顯示屏。為了便于管理，所設計手抄器采用了AT91R40008，但是這款CPU不帶有LCD驅(qū)動，沒法直接驅(qū)動顯示屏，因此選用了一款工業(yè)標準的M600系列模組來驅(qū)動TFT顯示屏。

M600能夠?qū)崿F(xiàn)“TFT顯示驅(qū)動”和“文本和圖像處理接口函數(shù)”以及一部分“用戶應用程序”。它集成了顯示驅(qū)動、1MB顯存、128MB Flash，其中最大32MB用戶數(shù)據(jù)庫，方便了實際測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲應用。采用的是串口的方式和用戶系統(tǒng)連接，使用過程中只要3根線(+3.3V、GND、RXD)就可以把M600接起來點亮一個TFT屏，方便了本手抄器的以后的改進設計。M600采用的是統(tǒng)一的指令集，我們可以通過軟件設置來適應不同分辨率的顯示屏，在工業(yè)現(xiàn)場中如果需要更換顯示屏，只需修改極少量的代碼，就可以完成手抄器的更新?lián)Q代。

無線通信模塊

基于IEEE 802.15.4工業(yè)無線通信模塊采用的是CC2430，整個模塊的結(jié)構(gòu)簡單，采用單芯片進行數(shù)據(jù)的處理，在CC2430只要用很少的一些外圍元件就可以進行正常的工作。它外圍電路主要是由天線、晶振電路、復位電路以及用于調(diào)試的JATG口組成。

在功能上，主要用于完成無線通信模塊之間的數(shù)據(jù)收發(fā)，同時將數(shù)據(jù)發(fā)送給手抄器的處理器。它們之間的數(shù)據(jù)傳送是通過串口進行數(shù)據(jù)的傳送。晶振電路分別為32.768kHz和32MI-Iz兩個晶振，32.768kHz提供模塊在休眠狀態(tài)的工作時鐘。32MHz提供模塊在工作狀態(tài)下的工作時鐘。JATG用于在線的程序設計，如圖3所示。

手抄器在工業(yè)現(xiàn)場中的應用

在現(xiàn)有的研發(fā)系統(tǒng)中，將工業(yè)以太網(wǎng)的有線網(wǎng)絡與工業(yè)現(xiàn)場的無線設備之間建立連接，將手抄器作為無線手持為例。工業(yè)現(xiàn)場的無線設備通過專用的傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)睫D(zhuǎn)換設備。數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換，成為工業(yè)現(xiàn)場能夠識別和支持的格式，并傳輸?shù)焦I(yè)現(xiàn)場中的一個發(fā)出指令請求的設備中。實現(xiàn)上位機對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行監(jiān)控。工業(yè)現(xiàn)場中，主站即上位機不方便對現(xiàn)場設備進行實時操控，可以使用一個手抄器和轉(zhuǎn)化設備進行連接，對數(shù)據(jù)進行訪問和采集，根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)，對現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行修正，保證設備正常運行，如圖4所示。

結(jié)語

本文給出了以AT91R40008為CPU的兩用手抄器的解決方案，介紹了手抄器的硬件實現(xiàn)，重點突出了在工業(yè)以太網(wǎng)中用到的網(wǎng)口通信接口，及在工業(yè)無線系統(tǒng)中應用的基于IEEE802.15.4的工業(yè)無線通信模塊。具體設計過程中成功的引入了以往研究成果中關(guān)于EMC測試環(huán)節(jié)的解決方案。目前，手抄器在測試系統(tǒng)中運行情況良好。美中不足，由于設計出這款基于EPA與IEEE802.15.4的兩用手抄器的時間比較短，還沒有經(jīng)過大量工業(yè)現(xiàn)場的檢驗，因此還不足以發(fā)現(xiàn)手抄器存在的其它問題。工業(yè)現(xiàn)場設備安裝的環(huán)境往往比較惡劣，怎樣使本手抄器擁有更好的穩(wěn)定性、更低的功耗、更廣的工作范圍，這些對硬件設計和軟件優(yōu)化提出了更高的要求。