基于双核OMAP5910微处理器实现通用网络测控系统的设计
随着物联网概念的提出及相关技术的发展，网络化测量控制已成为测控系统发展的必然趋势。然而，当前国内外工业控制领域普遍使用且技术相当成熟的plc(programable logic controller)基本都不支持网络，也不能简单升级具有网络功能，且模式较为单一。因而，设计与实现了一种网络化通用测控系统平台，以实现网络化测控需求且具有一般平台的通用性能。本文主要介绍了arm嵌入式系统与zigbee无线技术相结合的通用网络测控平台的硬件设计。
1 系统硬件总体设计
基于arm的通用网络测控系统硬件架构如图1所示，本系统在测控端采用基于arm的cpu，通过网络接口与internet相连，外围扩展有数字量输入／输出模块、模拟量输入／输出模块及无线zigbee组网数据传输模块。硬件设计的主要研究内容：基于arm的嵌入式主控硬件平台、zigbee无线网络数据传输模块、测控i／0模块硬件以及硬件系统的通用性指标和网络化性能的分析测试。
图1 系统硬件架构
2 arm主控模块硬件
系统核心芯片是samsung公司生产的基于arm920t核16／32位rsic(reduced instruction set computer，精简指令集计算机)微处理器s3c2440a，该芯片资源丰富、运算速度快、功能强大，且价格相对合理。核心板系统框图如图2所示。
图2 核心板系统框图
2．1存储器电路
flash存储器采用samsung半导体生产的64m×8 b的k9f1208u0m nand flash存储器芯片。本系统使用了一片该芯片构成64mb的flash，系统的启动代码bootloader文件、内核镜像文件以及文件系统均存于此。sdram存储器采用hynix生产的4 banks×4m×16 b的hy57v561620 csd-ram芯片，为了保证系统的运行速度，本系统采用两片该芯片并联构成32位数据存储器。
2．2 jtag调试接口
jtag(joint test action group，联合测试行动小组)是一种国际标准测试协议(ieee 1149．1兼容)，主要用于芯片内部测试。它在芯片内部封装了专门的测试电路tap(test access port，测试访问口)，通过专用的jtag测试工具对内部节点进行测试，同时可用于在线编程。标准的jtag接口是4线：tms，tck，tdi，tdo，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。系统采用20针的标准接口，用于在线调试及系统bootloader的下载。
2．3 电源与系统时钟电路
电源设计的可靠性关系到系统运行的稳定与否。本系统输入电源为5 v，通过lm1117芯片将其稳压至3．3v，使用大电容抑制低频干扰，小电容抑制高频干扰，用于芯片接口的供电，同时采用专用电源芯片mic5219bmm，为内核提供低噪的1．3 v电压，以确保系统供电稳定。
系统时钟主要分为主频时钟fclk，ahb总线设备时钟hclk，aph总线设备时钟pclk。本系统采用外部12 mhz晶体振荡器，通过s3c2440的设置模式选择引脚om[2：3]均为低电平的组合方式来选择s3c2440的时钟源为外部晶振xtipll。同时，可通过片内的两个锁相环mpll和upll来得到内核时钟和usb时钟。
2．4 串行接口电路
当前，基本上各种处理器上都具备串口，本系统中的串口主要用于前期调试以及与主无线模块的通信。由于cpu串口引出脚电平不是标准rs 232电平，因此在与pc机连接调试时需进行电平转换，而与无线模块通信则可直连。可以在linux内核串口驱动的基础上修改为zigbee的数据收发驱动，其电路如图3所示。
图3 串行接口电路
2．5 网络接口电路
网络接口电路是该系统中重要的硬件部分。为了保证网络数据传输的稳定流畅，本系统中采用10／100 mb／s自适应以太网mac控制器芯片dm9000a，该芯片具有一个10／100 mb／s自适应的phy和4k dword值的sram，物理协议层接口完全符合ieee 802．3u规范，支持ieee802.3x全双工流量控制。主控模块板上ngcs3接dm9000a的片选cs#，地址配置为0x18000002，ldata[15：0]接dm9000a数据位sd[15：0]构成16位数据总线模式。此外，采用hs9016用于i／o隔离变压，然后连接rj45接口。隔离电路如图4所示。
图4 网络接口隔离变压电路
3 测控i／o模块硬件
3．1 数字量输入／输出模块
系统实现了8路数字量的输入，8路数字量的输出，采用ch573对数字量输出进行锁存，采用ch245对输入量进行选通。为了节省端口资源，数字量的输入、输出的8根数据线复用，通过控制ch573的锁存信号以及ch245的片选信号来实现输出量和输入量的复用。同时，采用光耦用于端口光电隔离。
3．2 模拟量输入／输出模块
系统a／d实现4路12位模拟量或2路12位差分信号模拟量采样输入，系统d／a实现2路12位模拟量输出。该模块a／d采用microchip公司生产的12位模数转换器mcp3204，采样速率最高可达100 ksps，且价格低廉；该模块d／a采用ti公司的12位数模转换器tlv5638，该芯片具有内部基准，建立时间为1～3．5μs，具备2通道模拟量输出能力。只需外加信号调理电路即可。由于上述两款芯片均为spi接口，可直接挂接到处理器的spi总线接口上，通过片选cs0和cs1来控制数据传输的切换。其结构图如5所示。
图5 模拟量i/o模块结构图
4 zigbee无线模块硬件
zigbee技术是当前发展较为迅速且日趋成熟的一种无线通讯技术，采用国际通用免费频段2．4 ghz，具有低功耗、低成本、低复杂度等优点。zigbee技术较易实现自动组网，网络容量大，可容纳多达65 000个节点，网络中的任意节点之间都可进行数据通讯。网络具有星状、树状和网状网络拓扑结构。
本系统采用的是ti公司生产的soc芯片cc2430，内置增强型的8051内核，接口丰富，具有8 kb sdram，128 kb闪存，只需加上电源电路、晶振电路、天线而无需其它外部扩展即可配置为ffd(全功能器件)或rfd(简化功能器件)，因而硬件设计简便，成本也相对较低，模块采用串口与arm系统通信。实物图如图6所示。
图6 实物图
5 系统分析测试
网络化在本系统中主要体现为两个方面，一个是采用zigbee构成的无线网络，用于无线数据采集。另一个则是internet网络，用于嵌入式系统与主控制端进行数据交互。并且，本系统测控i／o模块符合标准测控电压电流规格定义，并采用zigbee无线技术，可实现简单二次开发。经软件测试，该系统可完成不同物理量、本地或远程、无线或有线以及一定精度与实时性的网络测量控制，具备一般通用平台的性能。
6 结语
网络化是测控技术发展的一个重要方向，伴随网络技术的发展，也需要一种通用的平台统一各分散的测控点。本文基于上述考虑，提出了通用网络测控系统设计基本思想，也阐述了较为详尽的硬件设计方案，该系统通用性好、网络设计合理、成本低，并且易于产品化。经简单设置或二次开发，该系统可应用于工业生产车间、智能家居，以及油田油井遥测等广泛的行业和领域。
前端工程师应该怎样提升自己
赛灵思首次公开演示全球第一款可扩展处理平台
数据中心处理器市场“争霸赛”正式打响
关于Cumulocity IoT云平台在液压站上的应用
美国商务部或在两周内解决中兴出口禁令
基于双核OMAP5910微处理器实现通用网络测控系统的设计
lcos投影技术介绍
中国联通和英特尔全互联PC领域展开战略合作
一文看懂激励器和效果器的作用
夹具设计、校准及测试
CKS32F4xx系列ETH通信详解
杉数科技积极实现数据驱动的人工智能决策
如何写代码减少逻辑单元的使用数量？
Vivo推出双wifi技术号称上网速度堪比5G
CeBIT移动互联网“连结世界”
三星首款可折叠屏手机或将于2月20日发布
世强硬创成为台达中国区唯一授权电商
最新调查：76%的Julia用户将Python作为首选语言
台积电董事会批准65亿美元用于先进工艺和产能扩张
国产工控主板，你知道使用时需要注意哪些事项吗？
1 系统硬件总体设计
基于arm的通用网络测控系统硬件架构如图1所示，本系统在测控端采用基于arm的cpu，通过网络接口与internet相连，外围扩展有数字量输入／输出模块、模拟量输入／输出模块及无线zigbee组网数据传输模块。硬件设计的主要研究内容：基于arm的嵌入式主控硬件平台、zigbee无线网络数据传输模块、测控i／0模块硬件以及硬件系统的通用性指标和网络化性能的分析测试。
图1 系统硬件架构
2 arm主控模块硬件
系统核心芯片是samsung公司生产的基于arm920t核16／32位rsic(reduced instruction set computer，精简指令集计算机)微处理器s3c2440a，该芯片资源丰富、运算速度快、功能强大，且价格相对合理。核心板系统框图如图2所示。
图2 核心板系统框图
2．1存储器电路
flash存储器采用samsung半导体生产的64m×8 b的k9f1208u0m nand flash存储器芯片。本系统使用了一片该芯片构成64mb的flash，系统的启动代码bootloader文件、内核镜像文件以及文件系统均存于此。sdram存储器采用hynix生产的4 banks×4m×16 b的hy57v561620 csd-ram芯片，为了保证系统的运行速度，本系统采用两片该芯片并联构成32位数据存储器。
2．2 jtag调试接口
jtag(joint test action group，联合测试行动小组)是一种国际标准测试协议(ieee 1149．1兼容)，主要用于芯片内部测试。它在芯片内部封装了专门的测试电路tap(test access port，测试访问口)，通过专用的jtag测试工具对内部节点进行测试，同时可用于在线编程。标准的jtag接口是4线：tms，tck，tdi，tdo，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。系统采用20针的标准接口，用于在线调试及系统bootloader的下载。
2．3 电源与系统时钟电路
电源设计的可靠性关系到系统运行的稳定与否。本系统输入电源为5 v，通过lm1117芯片将其稳压至3．3v，使用大电容抑制低频干扰，小电容抑制高频干扰，用于芯片接口的供电，同时采用专用电源芯片mic5219bmm，为内核提供低噪的1．3 v电压，以确保系统供电稳定。
系统时钟主要分为主频时钟fclk，ahb总线设备时钟hclk，aph总线设备时钟pclk。本系统采用外部12 mhz晶体振荡器，通过s3c2440的设置模式选择引脚om[2：3]均为低电平的组合方式来选择s3c2440的时钟源为外部晶振xtipll。同时，可通过片内的两个锁相环mpll和upll来得到内核时钟和usb时钟。
2．4 串行接口电路
当前，基本上各种处理器上都具备串口，本系统中的串口主要用于前期调试以及与主无线模块的通信。由于cpu串口引出脚电平不是标准rs 232电平，因此在与pc机连接调试时需进行电平转换，而与无线模块通信则可直连。可以在linux内核串口驱动的基础上修改为zigbee的数据收发驱动，其电路如图3所示。
图3 串行接口电路
2．5 网络接口电路
网络接口电路是该系统中重要的硬件部分。为了保证网络数据传输的稳定流畅，本系统中采用10／100 mb／s自适应以太网mac控制器芯片dm9000a，该芯片具有一个10／100 mb／s自适应的phy和4k dword值的sram，物理协议层接口完全符合ieee 802．3u规范，支持ieee802.3x全双工流量控制。主控模块板上ngcs3接dm9000a的片选cs#，地址配置为0x18000002，ldata[15：0]接dm9000a数据位sd[15：0]构成16位数据总线模式。此外，采用hs9016用于i／o隔离变压，然后连接rj45接口。隔离电路如图4所示。
图4 网络接口隔离变压电路
3 测控i／o模块硬件
3．1 数字量输入／输出模块
系统实现了8路数字量的输入，8路数字量的输出，采用ch573对数字量输出进行锁存，采用ch245对输入量进行选通。为了节省端口资源，数字量的输入、输出的8根数据线复用，通过控制ch573的锁存信号以及ch245的片选信号来实现输出量和输入量的复用。同时，采用光耦用于端口光电隔离。
3．2 模拟量输入／输出模块
系统a／d实现4路12位模拟量或2路12位差分信号模拟量采样输入，系统d／a实现2路12位模拟量输出。该模块a／d采用microchip公司生产的12位模数转换器mcp3204，采样速率最高可达100 ksps，且价格低廉；该模块d／a采用ti公司的12位数模转换器tlv5638，该芯片具有内部基准，建立时间为1～3．5μs，具备2通道模拟量输出能力。只需外加信号调理电路即可。由于上述两款芯片均为spi接口，可直接挂接到处理器的spi总线接口上，通过片选cs0和cs1来控制数据传输的切换。其结构图如5所示。
图5 模拟量i/o模块结构图
4 zigbee无线模块硬件
zigbee技术是当前发展较为迅速且日趋成熟的一种无线通讯技术，采用国际通用免费频段2．4 ghz，具有低功耗、低成本、低复杂度等优点。zigbee技术较易实现自动组网，网络容量大，可容纳多达65 000个节点，网络中的任意节点之间都可进行数据通讯。网络具有星状、树状和网状网络拓扑结构。
本系统采用的是ti公司生产的soc芯片cc2430，内置增强型的8051内核，接口丰富，具有8 kb sdram，128 kb闪存，只需加上电源电路、晶振电路、天线而无需其它外部扩展即可配置为ffd(全功能器件)或rfd(简化功能器件)，因而硬件设计简便，成本也相对较低，模块采用串口与arm系统通信。实物图如图6所示。
图6 实物图
5 系统分析测试
网络化在本系统中主要体现为两个方面，一个是采用zigbee构成的无线网络，用于无线数据采集。另一个则是internet网络，用于嵌入式系统与主控制端进行数据交互。并且，本系统测控i／o模块符合标准测控电压电流规格定义，并采用zigbee无线技术，可实现简单二次开发。经软件测试，该系统可完成不同物理量、本地或远程、无线或有线以及一定精度与实时性的网络测量控制，具备一般通用平台的性能。
6 结语
网络化是测控技术发展的一个重要方向，伴随网络技术的发展，也需要一种通用的平台统一各分散的测控点。本文基于上述考虑，提出了通用网络测控系统设计基本思想，也阐述了较为详尽的硬件设计方案，该系统通用性好、网络设计合理、成本低，并且易于产品化。经简单设置或二次开发，该系统可应用于工业生产车间、智能家居，以及油田油井遥测等广泛的行业和领域。
前端工程师应该怎样提升自己
赛灵思首次公开演示全球第一款可扩展处理平台
数据中心处理器市场“争霸赛”正式打响
关于Cumulocity IoT云平台在液压站上的应用
美国商务部或在两周内解决中兴出口禁令
基于双核OMAP5910微处理器实现通用网络测控系统的设计
lcos投影技术介绍
中国联通和英特尔全互联PC领域展开战略合作
一文看懂激励器和效果器的作用
夹具设计、校准及测试
CKS32F4xx系列ETH通信详解
杉数科技积极实现数据驱动的人工智能决策
如何写代码减少逻辑单元的使用数量？
Vivo推出双wifi技术号称上网速度堪比5G
CeBIT移动互联网“连结世界”
三星首款可折叠屏手机或将于2月20日发布
世强硬创成为台达中国区唯一授权电商
最新调查：76%的Julia用户将Python作为首选语言
台积电董事会批准65亿美元用于先进工艺和产能扩张
国产工控主板，你知道使用时需要注意哪些事项吗？