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 Plant Automation)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。
圖1 手抄器硬件系統(tǒng)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具有片上的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)器等特點。
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、10K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，由SST特有的高性能的Super Flash技術(shù)制造而成。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?？紤]到SST39F160的這些優(yōu)點選用這款FLASH，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)絡通信接口接入工業(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10/100 Mb/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。AX88796執(zhí)行的是基于IEEE802.3/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Local 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;列連接在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，列引腳為低電平狀態(tài)，列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比較寄存器的直和所選擇的時鐘沿決定?？捎熊浖臀缓投〞r器啟動。
初始化：列PIO配置為輸入，行PIO配置為輸出，且輸出為0; 列PIO打開中斷，初始化該中斷;使能PIO時鐘;初始化定時器中斷。
PIO中斷子程序：鍵盤掃描前，所有的行輸出為0，當有鍵按下，與其對應的列電平為0，引起PIO中斷。為了避免毛刺噪聲的影響，需要啟動定時器延時判斷。設延時時間為20ms(31250個tick) 。
圖2 AR91M40008與鍵盤連接圖
定時器中斷子程序：定時器溢出后，開始第二次掃描，判斷是否有鍵按下，如確實有鍵按下，PIO引腳為低電平的列即為按鍵按下的列。然后再將PIO設置為輸入狀態(tài)，所按下的鍵的行輸入狀態(tài)該為高電平，因此判斷具體是哪個鍵按下。
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32MHz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。
圖3 無線通信模塊結(jié)構(gòu)圖
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。
圖4 工業(yè)現(xiàn)場中手抄器的應用
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。