基于EPA与IEEE802.15.4两用手抄器的设计

现场总线和工业无线通信是两大处于国际前沿的研究方向，两个系统如果分别做手抄器，成本相对较高，而且不方便管理。这款两用手抄器集成了EPA(Ethernet for Plant Automation)和IEEE802.15.4(低数据率的WPAN标准)两个协议，能够通过有线或者无线的方式在不同的工业现场得到应用，在不影响上位机通讯的情况下对现场设备进行数据采集、监测和控制。 　　该手抄器使用的是ARM7控制芯片。它包含了微处理器(AT91R40008)、存储器、通信模块、网络通信接口、显示终端、无线通信模块等重要组成部分。在该设计中，使用了两种供电方式，一种电源使用了以太网供电设备，该设备除了用于网口通信，还提供设计中所需要的电源。该电源经过电平转换，为微处理器、存储器、无线通信模块等提供所需的+3.3V和+1.8V电源;另一种电源使用了电池供电。32位的微处理器AT91R40008通过串口0和串口1与无线通信模块和液晶终端进行数据交换。图1为ARM7手抄器的硬件框图。 　　 　　图1 手抄器硬件系统框图 　　微处理器 　　选用AT91R40008做CPU。AT91R40008包括一个高性能32位精简指令系统和一个高密度16位的指令系统。AT91R40008具有片上的SRAM或ROM、完全可编成的外部总线接口(EBI)、32个可编程的I/O口、8个优先级、4个外部中断、2个USART及16位的定时器/计数器等特点。 　　AT91R40008具有与外部存储器的直联的特色,通过外设的FLASH，经过完全可编程外部总线接口(EBI)、 一个八位优先向量中断控制器,，及外部数据控制器，能大大提高处理器的即时性能。 　　微处理器部分的设计包含系统硬件的启动与复位，地址总线、数据总线的分配和定义，通过串行线对无线通信模块和液晶终端的读写等。 　　系统由外部的50MHz钟振作为时钟源向CPU输入时钟信号。复位电路由10μF的电容、10K的电阻及按键组成低电平复位电路。AT91R40008内部ROM为128K，外部最大可扩64M的存储器，根据实际的设计需要，在设计中扩展了一片2M字节的SST36VF160对软件程序进行存储。网卡芯片AX88796通过片选线、中断线、读写信号控制线和地址数据总线与CPU相连，实现现场设备和上位机的网络通信。AT91R40008分别通过串口0和串口1实现与无线通信模块和显示终端的数据交换。 　　FLASH存储器 　　由于该手抄器是应用于工业现场中，所以在软件中必须加入相应的规范标准。在手抄器的系统设计中，在CPU的外部拓展了2M字节的FLASH。SST39VF160是一个1M×16的CMOS多功能FLASH器件，由SST特有的高性能的Super Flash技术制造而成。SST39VF160具有功耗较低的优点，它的工作电压为3.3V，具有高性能的编程功能，字编程时间为14μs。考虑到SST39F160的这些优点选用这款FLASH，在目前测试环境中证明这款FLASH能够更方便和更低成本的满足程序配置和数据存储的要求。 网络通信接口 　　在设计中采用网络通信接口接入工业以太网，数据由以太网传递到上位机中，实现工业现场的无线设备和上位机的通信。在实际的设计过程中，我们采用HR61H50L作为网络隔离器，采用AX88796作为网卡芯片。 　　AX88796是台湾Asix公司的NE2000兼容快速以太网控制器。其内部集成有10/100 Mb/s自适应的物理层收发器和8K×16位的SRAM，支持MCS-51系列、80186系列以及MC68K系列等多种CPU总线类型。AX88796执行的是基于IEEE802.3/IEEE802.3u 局域网标准的10Mb/s和100Mb/s以太网控制功能，并提供IEEE802.3u兼容的媒质无关接口MII，用以支持在其它媒质上的应用。AX88796的地址总线SA[9:0]与数据总线SD[15:0]分别与CPU的地址/数据总线相连。CPU通过I/O读写NE2000寄存器来控制AX88796的工作状态，通过远程DMA FIFOs与AX88796的内部缓存SRAM进行数据交换。SRAM与MAC核之间进行Local DMA将数据发送至MAC层，再经由内部的PHY层发送至RJ45接口，或者经过MII接口送至外部的物理层芯片。SEEPROM接口可以用来连接串行EEPROM。EEPROM可用于存储MAC地址，供AX88796每次初始化时读取。 　　电源 　　由于此手抄器用于两种不同的协议，实际设计中使用了两套电源管理系统，并进行了特殊处理，避免了其中一套供电时对另一套电源造成影响。 　　当手抄器用于工业以太网的一致性测试时，电源采用的是以太网供电设备，该设备采用符合802.3受电设备标准，输出标准的+24V，经过LM2576-5、AS1117-1.8和AS1117-3.3电源芯片，电平转换后，输出手抄器上的CPU、存储器、网卡芯片、智能显示终端上所需的1.8V和3.3V电源。 　　当手抄器用于工业无线系统中，电源采用的是电池供电，普通的手机电池即可。电池输出电压经过TPS60110、TPS60100电源芯片，电平转换后，输出手抄器上的CPU、存储器、网卡芯片、智能显示终端终端和无线通信模块上所需的工作电压。 　　JTAG调试接口 　　这里使用JTAG调试接口主要是为了调试显示终端、无线通信模块、CPU和上位机之间的通信，及测试其通信性能。 　　键盘接口 　　自主设计了一个6×4矩阵键盘。如图2所示。键盘的行连接在CPU的6个PIO引脚上，配置为输出;列连接在4个能够产生终端的引脚上，配置为输入。由于上拉电阻的作用，在空闲模式下，这些引脚为高电平状态。当有按键按下时，列引脚为低电平状态，列引脚的下降沿引起中断。处理器进入PIO中断子程序，并打开定时器。定时器溢出后，进入定时器中断子程序，以判断是否确实有键按下，是哪个键按下。定时器设置为波形模式，RC比较中断，中间溢出由RC比较寄存器的直和所选择的时钟沿决定。可有软件复位和定时器启动。 　　初始化：列PIO配置为输入，行PIO配置为输出，且输出为0; 列PIO打开中断，初始化该中断;使能PIO时钟;初始化定时器中断。 　　PIO中断子程序：键盘扫描前，所有的行输出为0，当有键按下，与其对应的列电平为0，引起PIO中断。为了避免毛刺噪声的影响，需要启动定时器延时判断。设延时时间为20ms(31250个tick) 。 　　 　　图2 AR91M40008与键盘连接图 　　定时器中断子程序：定时器溢出后，开始第二次扫描，判断是否有键按下，如确实有键按下，PIO引脚为低电平的列即为按键按下的列。然后再将PIO设置为输入状态，所按下的键的行输入状态该为高电平，因此判断具体是哪个键按下。 　　智能显示终端 　　根据实际应用的要求，选用了一款台湾奇美的3.5寸的TFT彩色显示屏。为了便于管理，所设计手抄器采用了AT91R40008，但是这款CPU不带有LCD驱动，没法直接驱动显示屏，因此选用了一款工业标准的M600系列模组来驱动TFT显示屏。 　　M600能够实现 “TFT显示驱动”和“文本和图像处理接口函数”以及一部分“用户应用程序”。它集成了显示驱动、1MB显存、128MB Flash，其中最大32MB 用户数据库，方便了实际测控系统的数据存储应用。采用的是串口的方式和用户系统连接，使用过程中只要3根线(+3.3V、GND、RXD)就可以把M600接起来点亮一个TFT屏，方便了本手抄器的以后的改进设计。M600采用的是统一的指令集，我们可以通过软件设置来适应不同分辨率的显示屏，在工业现场中如果需要更换显示屏，只需修改极少量的代码，就可以完成手抄器的更新换代。无线通信模块 　　基于IEEE 802.15.4工业无线通信模块采用的是CC2430，整个模块的结构简单，采用单芯片进行数据的处理,在CC2430只要用很少的一些外围元件就可以进行正常的工作。它外围电路主要是由天线、晶振电路、复位电路以及用于调试的JATG口组成。 　　在功能上，主要用于完成无线通信模块之间的数据收发，同时将数据发送给手抄器的处理器。它们之间的数据传送是通过串口进行数据的传送。晶振电路分别为32.768KHz和32MHz两个晶振,32.768KHz提供模块在休眠状态的工作时钟。32MHz提供模块在工作状态下的工作时钟。JATG用于在线的程序设计，如图3所示。 　　 　　图3 无线通信模块结构图 　　手抄器在工业现场中的应用 　　在现有的研发系统中，将工业以太网的有线网络与工业现场的无线设备之间建立连接，将手抄器作为无线手持为例。工业现场的无线设备通过专用的传输协议将数据传输到转换设备。数据经过转换，成为工业现场能够识别和支持的格式，并传输到工业现场中的一个发出指令请求的设备中。实现上位机对现场数据进行监控。工业现场中，主站即上位机不方便对现场设备进行实时操控，可以使用一个手抄器和转化设备进行连接，对数据进行访问和采集，根据反馈的数据，对现场的数据进行修正，保证设备正常运行，如图4所示。 　　 　　图4 工业现场中手抄器的应用 　　结语 　　本文给出了以AT91R40008为CPU的两用手抄器的解决方案，介绍了手抄器的硬件实现，重点突出了在工业以太网中用到的网口通信接口，及在工业无线系统中应用的基于IEEE802.15.4的工业无线通信模块。具体设计过程中成功的引入了以往研究成果中关于EMC测试环节的解决方案。