基于LPC2136的嵌入式工業(yè)控制器開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)

白宇

摘 要：本設(shè)計(jì)以LPC2136微處理器芯片為硬件核心，外擴(kuò)工業(yè)常用的控制接口、通訊接口以及常用的功能模塊，在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OSⅡ下開發(fā)片內(nèi)外設(shè)和外部擴(kuò)展器件的驅(qū)動(dòng)。平臺(tái)軟件中實(shí)現(xiàn)了Modbus協(xié)議棧，可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)和從機(jī)的組網(wǎng)通訊。

關(guān)鍵詞：ARM；Modbus；LPC2136；開發(fā)平臺(tái)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.010

0 引言

隨著硬件開發(fā)水平以及工業(yè)現(xiàn)場工藝水平的提高，工業(yè)現(xiàn)場對(duì)工業(yè)儀表提出更高的要求，傳統(tǒng)的51系列單片機(jī)因其片內(nèi)資源相對(duì)較少，需要擴(kuò)展的器件較多，大數(shù)據(jù)量的計(jì)算完成周期較長，實(shí)時(shí)性難以控制等不利因素正在被不斷的淘汰，工業(yè)產(chǎn)品為了盡快占領(lǐng)市場，常常把產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間壓縮的很短；為了不必每次都從底層做起，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于ARM和Modbus協(xié)議的嵌入式工業(yè)控制開發(fā)平臺(tái)。平臺(tái)選擇ARM微處理器，加入以IC公司生產(chǎn)的大量片內(nèi)外設(shè)，使ARM系列處理器擁有非常優(yōu)良的應(yīng)用性能。在ARM中安裝uC/OSⅡ操作系統(tǒng)，并在uC/OSⅡ環(huán)境下開發(fā)可剪裁、可移植的平臺(tái)軟件，實(shí)現(xiàn)Modbus協(xié)議的主從機(jī)通訊。使用此平臺(tái)開發(fā)的主機(jī)具有較高且可靠的實(shí)時(shí)性，可組建工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)集中控制，靈活性高，維護(hù)和升級(jí)成本低，易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。

1 硬件設(shè)計(jì)

（1）器件選擇。平臺(tái)硬件主要由高性能ARM、4～20mA電流產(chǎn)生電路、接口隔離、計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和RS232串口構(gòu)成。其中高性能的ARM采用NXP公司的LPC2xxx系列ARM7中的LPC2136.擁有一個(gè)SPI、一個(gè)SSP、兩個(gè)UART、一個(gè)DAC、兩個(gè)ADC、256KB的FLASH和32KB的RAM等片內(nèi)外設(shè)。4～20mA電流產(chǎn)生采用AD421芯片配合外圍芯片。接口隔離采用高速電偶合成器6N137和雙向光耦繼電器AWQ210.計(jì)數(shù)器采用16位可編程計(jì)數(shù)器8254.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用I?C接口的電源監(jiān)控芯片CAT1025中的E?ROM。RS-232串口采用美信的MAX232。

（2）平臺(tái)硬件連接。1）、LPC2136與8254的連接。由于LPC2136沒有總線結(jié)構(gòu)，搭建時(shí)需要用GPIO來模擬8254的數(shù)據(jù)線和控制信號(hào)線。雖然8254是5V供電，但是LPC2136的GPIO口可以承受5V電壓的數(shù)字信號(hào)，兩者之間不需要電平轉(zhuǎn)換可以直接連接；2）LPC2136與AD421的連接。AD421是SPI控制方式，為外部接口電路，不可以直接與LPC2136直接連接，因此設(shè)計(jì)電源隔離模塊隔離電源，用高速光電耦合器件6N137隔離SPI總線。

2 平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

為了方便平臺(tái)軟件的移植和剪裁，每個(gè)模塊都有相應(yīng)的配置文件（頭文件）。配置文件中都定義了宏USE_XXXX，其中，XXXX是模塊的名稱。當(dāng)USE_XXXX標(biāo)志位enable時(shí)，是相應(yīng)的功能模塊可以使用，否則模塊disable。

（1）LPC2136片內(nèi)外設(shè)的驅(qū)動(dòng)。平臺(tái)用到的片內(nèi)外設(shè)有UART控制器、I?C控制器、看門狗控制器、SPI控制器、SSP控制器和RTC控制器。其中UART控制器、I?C控制器、SPI控制器和SSP控制器接口采用中斷方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在驅(qū)動(dòng)模塊的配置文件中定義配置參數(shù)，通過修改配置參數(shù)的值，來改變驅(qū)動(dòng)接口函數(shù)的配置。如：在UART0驅(qū)動(dòng)的配置文件中定義宏RS_485_R0（）和RS_485_S0（），就可以使UART0驅(qū)動(dòng)用于RS-485進(jìn)行通訊。

（2）可編程計(jì)數(shù)器8254的驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用函數(shù)。平臺(tái)使用了4片8254芯片。由于LPC2136沒有總線結(jié)構(gòu)，采用模擬總線和控制信號(hào)的方式。在驅(qū)動(dòng)的配置文件中，定義了數(shù)據(jù)線D0～D7、CS1～CS2、A0～A1、WR和RD，使用時(shí)根據(jù)實(shí)際硬件連接修改。配置文件中定義了宏CS1_EN、CS2_EN、CS3_EN和CS4_EN，若其值為1，則對(duì)應(yīng)芯片的驅(qū)動(dòng)可用，否則被屏蔽。如：定義宏CS1_EN為0，片選為CS1的8254芯片驅(qū)動(dòng)不可用。

用戶應(yīng)用函數(shù)包括：計(jì)數(shù)器初始化、儲(chǔ)存計(jì)數(shù)器值和讀計(jì)數(shù)器值。平臺(tái)采用鎖存回讀的方式讀取計(jì)數(shù)器8254中的16位計(jì)數(shù)值。為保證各個(gè)計(jì)數(shù)器工作時(shí)的一致性，在鎖存計(jì)數(shù)器值前，調(diào)用OS_ENTER_CRITICAL（）宏定義關(guān)閉中斷和任務(wù)調(diào)度，鎖存結(jié)束調(diào)用OS_EXIT_CRITICAL（）宏定義恢復(fù)中斷和任務(wù)調(diào)度。在讀計(jì)數(shù)器值時(shí)，保存計(jì)數(shù)值的緩沖區(qū)可能被其他任務(wù)操作，為了保證臨界代碼段的完整性，同時(shí)使用OS_ENTER_CRITICAL（）和OS_EXIT_CRITICAL（）宏定義。

（3）CAT1025中E?ROM的讀寫函數(shù)。CAT1025中E?ROM的讀寫函數(shù)是在I?C驅(qū)動(dòng)函數(shù)的基礎(chǔ)上編寫的，通過修改配置文件中的宏定義I?CWrite和I?CRead的值來確定使用I?C0或I?C1控制器。根據(jù)CAT1025的特性，讀操作時(shí)只有確定起始地址和數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)即可，而寫操作采用頁寫模式，本設(shè)計(jì)的寫CAT1025中E?ROM的操作函數(shù)實(shí)現(xiàn)一次寫任意頁面、任意地址和不限數(shù)量的功能，用戶不必考慮換頁問題。

（4）Modbus協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。采用ModbusRTU協(xié)議，實(shí)現(xiàn)從機(jī)協(xié)議棧和主機(jī)協(xié)議棧部分。通過修改協(xié)議棧的配置文件，可把控制器設(shè)置為主機(jī)、從機(jī)或即為主機(jī)又為從機(jī)。主機(jī)物理層使用LPC2136的UART1，從機(jī)物理層使用LPC2136的UART0，根據(jù)協(xié)議棧的主從機(jī)設(shè)備描述信息初始化UART的波特率、停止位、奇偶校驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)RS-232或RS-485通訊。主從機(jī)協(xié)議棧主要實(shí)現(xiàn)了讀線圈、讀離散量輸入、讀保持寄存器、讀輸入寄存器、寫單個(gè)線圈、寫多個(gè)線圈和寫多個(gè)寄存器的功能。通過修改配置文件，可以確定使用哪些功能。

3 結(jié)束語

ARM的迅速發(fā)展，使其逐漸取代了傳統(tǒng)51單片機(jī)在工業(yè)儀表中的應(yīng)用。本文介紹了基于ARM和Modbus協(xié)議的嵌入式工業(yè)儀表控制器開發(fā)平臺(tái)，硬件設(shè)計(jì)合理，工作可靠，軟件采用先進(jìn)技術(shù)，移植和裁剪方便，通用Modbus協(xié)議，使儀表通訊可靠，并可組建工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，具有實(shí)用價(jià)值，是工業(yè)儀表控制器的可靠平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]Modbus協(xié)議，http：//www.chinakong.net.