基于ARM的嵌入式网络控制器设计

摘要

基于ARM的高效率新型嵌入式网络控制器的分布式控制系统的设计。它被用于各种工业控制领域。这对于满足系统的实时性，可靠性，低功耗等需求是非常有益的。本文从网络控制器的总体结构和软件和硬件方案方面展开设计。重点对网络控制器的冗余设计架构进行了研究。它包括冗余逻辑电路和高速冗余通信信道的电路设计方法。此外，还介绍了各个模块的硬件电路设计，硬件调试的步骤和控制器在软件方面的层次化、结构化的设计。详细内容将在本文中作出介绍。

关键词：嵌入式ARM；分布式控制系统；网络控制器和冗余

1引言

随着计算机技术，通信技术和现场总线技术的发展，一种新的分布式控制系统（DCS）已经被创建。它越来越广泛地被应用于各种工业领域，并且将成为应用于工业控制系统领域的主流。它的新的特性包括分散控制，信息集中，系统模块化，强大的数据通讯能力，友好的人机界面和高可靠性。

在分布式控制系统中，控制层和现场设备层之间的网络控制器是分布式控制系统的核心。每个网络控制器负责一个控制区域，负责该区域的软件和硬件的协调关系，负责控制区中的控制任务，并完成I / O信号的处理，网络通信，计算的控制功能等等。

本文首先介绍了网络控制器的微处理器，即基于Cortex-M3内核的32位LM3S615芯片，然后给出了基于ARM的嵌入式网络控制器的设计方案。为了提高系统的可靠性，所以重点对冗余架构的设计进行了研究。

2总体设计方案

在分布式控制系统中，网络控制器和进程控制层设备，如工程师站，操作员站等，通过现场总线或工业以太网通信，以实现控制操作和其他功能。另一方面，网络控制器和现场设备通过总线接口进行通信。此外，不同的网络控制器，即，各控制区之间可以进行数据交换。

在网络控制器的设计中，首先，结合控制器的整体设计目标，然后选择适当的微处理器。微处理器的性能在控制器的性能（可靠性，系统尺寸，响应时间等）上起着关键作用 ^[1]。

ARM Cortex-M系列被用于设计要求为低成本，低功耗，快速中断响应和高效率的嵌入式应用，特别是对于实时控制系统。在Cortex-M3内核采用ARMv7-M体系结构，速度快，低功耗和高静态随机存取存储器[2]。该芯片带有一个内部正交编码器，ADC，PWM，一个温度传感器，三个模拟比较器，两个 通用异步收发器（ UART）， 小规模集成电路（SSI），定时器，I ² C和其他外围设备集成。

该控制器使用两块数据宽度为16M*16bits 的SDRAM芯片HY57V56162016，芯片的工作电压为3.3V，主要用于可执行代码和变量的存储。一块数据宽度为8Mtimes;16位的英特尔28F128J3A闪存芯片被用于操作系统内核，文件系统和应用程序的固化存储。

复位电路采用具有看门狗和电源监控功能的复位芯片MAX813L。它具有体积小，功耗低和性价比高的优势。当系统上电，断电和电源电压降低时，复位输出端就会有效。复位脉冲宽度的典型值为200ms。该芯片具有手动复位输入引脚和一个阈值检测器。

LM3S615的系统时钟是由一个6MHz的晶振和两个18pF之微调电容器组成的外部振荡器提供。通过内部PLL电路的倍频后，最大振荡频率可达200MHz。

LM3S615，一个数据存储器，程序存储器，一个复位电路，时钟电路共同组成一个ARM最小系统，为各种开发和应用提供了足够的空间。为了进一步提高系统可靠性，因此这个系统采用双CPU的设计，即，在一个LM3S615微处理器和另一个LM3S615微处理器之间可通过控制器的冗余接口和冗余逻辑电路实现数据和工作状态的切换。

如图1所示，控制器还包括以下主要部分：用于存储小的启动代码或调试监视器的NOR闪存;获取由控制器芯片所需要的稳定的3.3V电源的冗余电源电路; JTAG;冗余的现场总线通讯接口;冗余的以太网接口; GPIO（通用输入输出接口）。

图1 整体结构框图

3 冗余设计

网络控制器的冗余设计包括四个部分：一是控制器之间的热备用接口，二是以太网接口，三是现场总线通讯接口，四是分别使用了两个5V电源的供电电源冗余设计。当其中一个电源出现故障时，能确保控制器仍能正常工作。

控制器的热备用冗余，即，控制器作为主控制器完成各种操作，另一控制器作为从属控制器，在待机状态下，监视实时运行状态及工作主控制器的参数。当主控制器出现异常时，从控制器立即转变为主控制器，并取代在主控制器的工作。两个控制器通过逻辑电路和现场总线切换工作状态和交换信息。

控制器中的信息主要是通过现场总线实现通信。根据不同的现场总线网络，有Modbus，Profibus，CAN总线等等。该设计采用CAN总线。虽然CAN协议本身具有检错和纠错能力强，但在工业控制领域中，它会破坏CAN总线通信的可靠性导致出现不安全的插头连接，受损的传输介质或公交车司机的伤害等。这将使得系统丧失部分或全部通信能力，并导致系统故障和麻痹。解决这一问题的有效方法是采用循环控制设计，即双CAN总线通信回路设计。

如图2所示，每个控制器使用两套独立的总线控制器和总线驱动器，从而导致了两个独立的CAN接口的出现。两个控制器的CAN接口分别连接，从而形成一个环形电路。因此，在物理介质，物理层和数据链路层，深知应用层的充分冗余得以实现。它极大地提高了系统的可靠性。

图2 CAN总线通信结构框图

此外， CAN-3热备用通信电路被用来在主控制器和从属控制器之间进行信息交流。在电路的设计中，在CAN总线控制器SJA1000和收发器PCA82C250之间不使用光电隔离器。因为两个相同的控制器之间互相通信，干扰是很小的。与此同时，有一个热备用接口用来区分主从控制器。

以太网接口冗余设计和CAN总线通信控制器的设计是类似的，即在两个控制器之间形成环回网络。这里就不再赘述了。

4控制器的模块设计

4.1 CAN总线通信接口设计

由于CAN总线有优点，如通信速率高，抗干扰能力强，抗干扰能力强，可靠性高，传输距离远等，因此被广泛应用于控制领域，而且CAN 总线已经发展到国际水平。由于LM3S615芯片上没有CAN通信控制器，因此它需要被扩展。该系统采用飞利浦公司的通信控制器芯片SJA1000。

LM3S61中含有SSI端口，它用于连接系统中的SJA1000的SSI端口，同时，还使用了光电隔离装置和CAN总线收发器PCA82C250芯片。他们一起构成了集成CAN总线接口电路。

4.2以太网接口设计

DM9000是一种快速以太网控制芯片，成本低，设计简单，低功耗和高性能。它有ISA总线接口，嵌入式SRAM，10BASE-T收发器和100BASE-TX收发器。时钟由外部的25MHz振荡器提供，并且芯片可以很容易地完成不同系统的软件驱动的开发^[3]。

在这个系统中，两个DM9000的两个以太网接口与另一个控制器的两个以太网接口分别相连，从而形成了一个高速的和可靠的冗余通信信道。

4.3电源设计

为了使系统的性能更稳定，所以合理地选择电源是非常重要的。在这个系统中，选择了低压差稳压器AMS1117。 AMS1117的泄漏电流较低，即在输出电流为1A时，可以得到低于1.2V的压降。在AMS1117中有热保护电路和电流限制电路。 AMS1117可以输出以1％的精度的满足CPU，SDRAM和其它设备需要的3.3V直流电压。

5控制器的硬件调试

设计完成之后，需要通过调试硬件来验证设计的正确性。硬件调试主要包括CPU电源启动正确性的验证;内存模块的读、写操作的正确性;串行接口，CAN总线通信接口，网络接口的能否正常工作和冗余切换逻辑电路的能否运行。由于系统硬件电路比较复杂而且外围接口模块单元也是相当多，所以采用先进行每个模块单独调试，然后综合调试的调试方法。调试步骤如下：

1）首先检查每个控制器设备的安装和焊接。排除短路，断电路，错焊，虚焊等情况。

2）结合嵌入式开发软件，写调试程序，然后通过JTAG调试接口，下载和调试程序。如：IAR EWARMi是一个增强型的、集成的嵌入式开发环境，它将文件编辑，编译，链接，项目管理和嵌入式系统开发所需的调试工具完全集成。LM LINK仿真器可以实现实时在线仿真调试。 LM LINK是一种低成本，高性能的USB JTAG调试器。 USB接口连接LM LINK与计算机，打破了并口和串口下载程序的传统模式，它专门用于调试和下载的立功单片机系列程序^[2]。

3）观察电源指示灯是否正常，芯片是否过热。然后对每个模块的功能进行一步步的调试，直到每个模块都正常工作。

4）联合调试。当多个模块同时工作时，检查是否有干扰，是否有不准确的信号和是否有不稳定的工作状态。然后改进设计，直到正常工作。

6 控制器的软件设计

如图3所示，这个网络控制器的软件分为三层，包括硬件驱动层，操作系统层和应用软件层。

图3 控制器软件结构框图

首先，根据硬件的设计，完成硬件驱动器层。写硬件的各部分的驱动程序，以便被应用层调用，包括：ARM的驱动，通信接口的驱动，SDRAM的驱动等。

第二个是操作系统层。移植代码开放的uC/ OS-II操作系统，主要完成应用软件层上的每个软件模块的调度和执行。它支持多进程之间的通信机制。应用程序是基于操作系统的主要任务，并通过调用系统函数来运行操作系统。这些任务之间的协调主要以来于操作系统的消息队列。

最后，应用软件层包括串行通信模块，例如串行通信接口，网络接口和现场总线模块接口等，它完成的通信系统的网络通信任务。使用静态优先级，即每个任务根据在创建时分配的优先级进入运行状态。任务完成后，放弃CPU的使用权，然后进入等待状态

7 结论

本文主要讲述基于ARM Cortex-M3内核的嵌入式网络控制器的设计。在具有高性能、功耗低优点的ARM系列微处理器基础上，进行包含冗余逻辑电路和高速冗余通讯通道的控制器的设计。充分考虑了系统的实时性和可靠性的需求，满足新的分布式控制系统的各种性能要求。

在完成系统测试之后，网络控制器已经能够完成预先设定的所有任务，能满足各种性能指标的要求。控制器的设计对相关工业产品的研究和发展有良好的指导作用。

参考文献

1. J. L. Yang, W.H. Bao, D.Q. Xu.基于ARM的嵌入式网络控制器的设计与实现.仪器仪表的标准化和计量.中国. 32-34, 2012.
2. Z.W. Huang.基于Luminary Micro公司LM3S系列的Cortex-M3内核的32位ARM微控制器系统的设计与实践.北京航空航天大学出版社.中国. 6-9, 2010.
3. 单片机发展有限公司.LM3S615微控制器数据手册.中国铁道出版社.中国. 7-10, 2007.
4. L.Y. Xue, J.H. Yang and S.B. Li .第二届国际测量会议论文集.仪器仪表及自动化.2013.
5. L.Y. Xue, J.H. Yang.基于ARM的嵌入式系统的研究与设计.信息技术与信息化.中国. 65-67, 2009.

基于ARM7的太阳能无线监控系统

摘要

为解决太阳能系统在数据监测方面的问题，本文根据ARM7的数据采集和串行通信原理对此展开讨论。该设计方案是结合GPRS无线通信和高效节能的LPC2114芯片提出的，系统不仅可以使数据实时有效地传输到监控中心，而且实现无人监控。在该系统中的组成中，提出了模块化设计，在通信模块之间采用RS485进行通信。该设计使得数据实现可靠传输，该系统结构简单，性能稳定，这也为未来系统升级创造了条件。

关键词：数据采集；监控系统；ARM7;GPRS;RS485

1.引言

太阳能光伏发电系统是一个多级系统，主要由太阳能电池板，电池，电源，逆变器组成^[1]，由于太阳能资源的特殊性，长期以来，如何提高太阳能资源的利用率一直是人们关注的话题，对太阳能发电系统进行整体优化是提高太阳能资源利用率的重要方法，所以太阳能发电监控系统就显得尤为重要，该数据必须能够满足全面，同步和实时的要求[7]。实时数据的有效性关系到整个电力系统的安全和运行时间，可靠的数据通信关系到监控系统的实际意义和应用价值。与传统的监控系统相比，该系统具有实时性高，可靠的通信、无需布线，无人看守等优点，并实现了太阳能发电系统监测的网络化，智能化，人性化的目标。

太阳能监控系统采用了模块化的设计理念，整个系统由三个模块组成：主控制模块采用具有发送和报警功能的ARM7系列的数据处理微处理器芯片LPC2114； 数据采集模块利用AT89C52单片机作为控制器，通过RS485总线将数据传输到核心控制模块;无线通信模块采用GR47作为无线通信装置，负责实时数据传输到监控中心。通过三个模块的组合，实现监视中心对远程电源监视系统的有效控制。

2.系统整体解决方案

太阳能发电监控系统收集太阳能发电设备周围的环境温度，背板温度，太阳辐射度和通过电缆获得的关于主控板的信息，核心处理器LPC2114用于数据的自动分析，处理，显示和自动保存，如果发电系统出现异常时，它就会产生报警信号^[2]。整个系统结构如图1所示。

图1 系统的结构框图

3.GPRS无线通信

GPRS是通用分组无线业务（通用分组无线业务）的缩写，这是在现有GSM系统上开发出一种新的承载业务，其目的是为GSM用户组提供

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