（电子科学与技术专业论文）工业无线监控终端的研究与开发.pdf

中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n g w i t ht h e i n d u s t r i a la u t o m a t i o n d e v e l o p m e n t ， t h e r e q u i r e m e n tf o ri i l d u s 仃ym o n i t o r i i 堰s y s t e mi sb e c o m i n gh i g h e r a n d h i g h e r a t p r e s 饥t ， m e i n d u s 仃ym o n i t o r i n gt e c h n o l o g y b a s e do n f i e l d b u s o re t h e m c th 硒g o te x c e l l e n ta p p l i c a t i o ni ni n d u s t 哕m o n i t o r i n g s y s t e m h o w e v e r 廿l ea b o v ew i r em o n i t o r i n gw a yh 懿al o to fd e f e c t s s u c h 私d i 伍c u l tr o u t i n g ，h i 曲c o s t s 觚ds o0 n s ot l l ew i r e l e s si n d u s 仃y m o n i t o r i n gt e c 址l o l o g yh 嬲r a p i d l yb e c o m e r e s e a r c hh o t s p o t s f i r s t l y n l ed e v e l o p m e n to fi i l d u s t d ，m o n i t o r i n ga th o m e 孤d a b r o a d i ss u | e y e d ，t l l es t a t u sq u oo fw i r e l e s sc o m i m m i c a t i o ni sd i s c u s s e d 1 1 1 r o u 曲d e m o n s t r a t i n gt h es c h e m eo ft h ew i r e l e s sm o n i t o 血gt e r m m a l ， t l l ea i 之mi sc h o s e 嬲c p u ，t h em d i o 蠡r e q u e n c yp a r ti sc h o s e 弱w h i e l e s s m o d u l e ，觚d 也ec o m m u m c a t i o np r o t o c o l i sd e f i n e db ys e l s e c o n d l y ，t h e h a r d w a r ed e s i 笋0 v e r a l ls c h e m ei sp r o p o s e d t h eh a r d w a r ed e s i 伊o f 也e p r i n c i p l ec i i u i to ft h e e n l b e d d e ds y s t e mi sg i v e n i ti n c l u d e st h ed e s i g n o fp o w e rs u p p l yc 疵u i t ，c 哆s t a lc 硫u i t ，r e s e tc i r c u i t ，m e m o 巧c 妣u i t ，粕d p e r i p h e r a l ：l i tc i r c u i t ，a n dm ed e s i 毋1o fw i r l e s sm o d u l e 锄dp c b c n u i t t h i r d l y o nt l l eh a n do fs o 胁a r ed e s i g n ，t 1 1 e p l a t f 0 衄f 0 r e m b e d d e ds y s t e m sb a s e do na r m 9i sb u i l t ，i l l c l u d 证gi 1 1 s t a l l i n gt h ec r o s s c o n l p i l e r m a l ( i n gt h eb o o t l o a d e 凡c r o p i n g t l l el i i 眦i 【l ( e m e l s ，m a l ( i n g t h er o o tf i l es y s t e m ，觚dp r o 铲觚h n 证g 也e 弱s 0 c i a t e dd r i v e r s a tl a 瓯t h e s o 脚a r eo fw i r e l e s sm o d u l ei sp r 0 莎a m m e d ，a i l da c c o r d i n gt om o d b u s p r o t o c o lm l e ，aw l e s sc o m m u n i c a t i o np r 0 妣o l i s d e f i n e d t h et e s to fw n l e s s 慨m s f e r r i n g 觚dw i r e l e s sm o n i t o r i n gt e m i i n a l i s 西v e n t h 阳廿l ea p p l i c a t i o ni nw a t e rm e a r s u r e m e n ts y s t e mw i t ht h e w i r e l e s sm o n i t o r i n gt e m l i l l a li si n 仃o d u c e dd e t a i l e d l y ，m eh a r d w a r e s 仇l c m r eo fs y s t e mi s c o r n p o s e d， l e d e v e l o p m e n to f 印p l i c a t i o n s o r w 缸ei sc 痂e do n ，也eh 龇。1 w 缸es t m c t u r eo ft l l es y s t e mi sg i v e n t h e m a i nm o n i t o n gi n t e m c ei nt l l eu p p e rc o m p u t e ri sd c s i g n e db yu s eo f k m g v i e w ：t h e h u m 锄- c o m p u t e r i i l t e r a c t i o ni nn l ew i r e l e s s m o n i t o r i n g t e r m i n a li s d e s i g n e d u n d e rt l l e q t e n v i r o n m e n t t h e a p p l i c a t i o ne f r e c ti l l u s t 】心l t e st h ef e a s i b i l i t ) ，o ft h i ss y s t e m 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t k e yw o i 己d sw i r e l e s s m o n i t o r i n g ，a i 之m 9p r o c e s s o r w i r e l e s s 批戗m s m i s s i o nm o d u l e ，e m b e d d e ds y s t e m ，m o d b u sp r o t o c o l ，q t 中南大学硕士学位论文绪论 1 1 国内外研究现状与水平 第一章绪论 目前，工业监控系统基本上都是以有线方式进行连接，实现各种控制功能。 工业监控系统的主要类别有：p l c ( 可编程控制系统) 、工业p c 、d c s ( 集散控制 系统) 、f c s ( 现场总线系统) 及c n c ( 数控系统) 。p l c 是在“继电一接触器 控制 系统的基础上发展起来的计算机控制装置，控制功能侧重于开关量处理、顺序控 制、逻辑运算方面。p l c 的重要发展方向是功能化、网络化。通过具有各种特殊 功能的模块( 如温度测量与调节模块、模拟量输入输出模块、p i d 调节模块等) 与网络链接手段，当代p l c 已经可以很容易地通过各种现场总线、工业以太网、 构成完整的分布式p l c 控制系统。工业p c 是以通用微型计算机为基础的工业现 场自动控制设备，它的特点是具有标准化的总线结构，因此各种型的兼容性好， 与计算机间的通信容易，在低成本工业控制系统中应用非常广泛。d c s 是从传 统的仪表盘监控系统发展而来的，f c s 是由d c s 与p l c 发展而来的。总之工业 监控技术正在向数字化、智能化、网络化、微型化的方向发展。 从工业监控系统的发展现状来看，基于工业以太网的监控技术和基于现场总 线的工业监控技术都得到了较好的应用。而在复杂的工业控制环境下，采用上述 监控技术虽减少了布线数，但由于设备本身特性或者特殊现场情况的局限，仍使 布线极为不便甚至不可能布线。如在生产车间，有些天花板的设计没有考虑线路 布局的空间，致使布局和维护时很不方便；在有历史价值的建筑物、混凝土建筑 和有大理石的建筑物内布线也是极为不便的。再比如在采矿的控制现场中，由于 互相进行数据传输的各个采矿设备是分布在采矿现场的山地中，如果利用有线的 方式进行连接，线路的距离非常的远，而且布线的难度很大，更重要的是裸露在 户外山地中的线路，在雷雨天气中，很容易被雷击，因而就需增加防雷等措施来 保证设备运行的可靠性与稳定性【1 1 ，但与此同时，也增大了成本和维护的难度。 因此，近年来基于无线通信的工业监控技术迅速成为研究热点，也是未来工 业自动化产品的新增长点。它成功解决了有线工业监控系统的上述问题【2 l 。 基于无线通信的工业控制的架构不同，目前有以下几种不同的无线通信技 术，简单介绍如下。 1 1 1 无线局域网 无线局域网的组成包括无线网络接口卡和无线接入点。无线网络接口卡是 p c 机或其他设备与无线网络连接的桥梁，而接入点聚合数个无线的接入站至有 中南大学硕士学位论文 绪论 线网络上，就相当于无线网络中的一个无线基站。主要采用的通信协议是 i e e e 8 0 2 1 l 系列，此协议为“点到点”和“主从”两种无线网络配置类型规定 了标准，并分别制定了2 4 g h z 跳频、2 4 g h z 直序和红外线等无线技术规范。一 般实现方法：上位机以p c 机作为控制器，与无线网络的接入由无线网卡完成， 外部的局域网则使用网络服务器和无线路由来搭建。下位机也同样具有接入无线 网络的功能【3 1 。这样的控制系统投入的成本较高，但它的优势是采用标准的网络 通信协议，可以和外部的无线网络直接相连，易于无线网络的扩展和兼容。 1 1 2z i g b e e 无线模块和z i g b e e 协议栈 z i g b e e 无线网络技术的特点是一种低速率、短距离的新兴技术。它通过自己 相应的无线电标准，协调上千个微小传感器实现相互通信。z i g b e e 是以 正e e 8 0 2 1 5 4 为基础，但i e e e 仅能处理低级m a c 和物理层协议，z i g b e e 联盟因 此对a p l 和网络层协议进行了标准化。z i g b e e 协议栈简单紧凑，从而使得具体实 现要求很低【4 】。只要8 位处理器再配上4 k br o m 和6 4 k br a m 等，就可以满足 其求。利用m c u 和支持z i g b e e 协议栈的无线模块就可以进行无线通信。 1 1 3 无线数传模块和自定义协议 无线数传模块通常是利用m c u 和射频芯片构成【5 】。如c c l l 0 0 是一种真正单 片的成本很低u h f 收发器。它的电路主要设定在3 1 5 m 】4 3 3 m h z 8 6 8 m h z 9 1 5 m h z 的i s m 频段，c c l l 0 0 集成了一个可配置程度极高的调制解调器在其r f 收发器中，并且这个调制解调器支持不同的调制格式，能达到5 0 0 k b p s 的数据传 输率。c c l l 0 0 可用s p i 接口控制其主要操作参数和“位传输接收【6 】。无线数传 模块主要应用在建筑和住宅自动化、无线报警和安全系统、低功率遥感勘测、工 业检测和控制以及无线传感器网络等领域。这种无线模块一般没有实现协议，需 要自己根据实际需要、特定功能来专门实现一种通行协议。比如可以利用 m o d b u s 协议实现在工业监控系统中的通信协议【7 1 。其优点就是实现比较容易， 缺点就是不是标准的通信协议，即不能解决普遍应用和成规模应用。 1 1 4g s m ，g p r s 无线技术 g s m 起源于欧洲的移动通信技术标准，俗称“全球通”，是第二代移动通信 技术它采用的技术是一种电路交换系统。g p r s 是一种基于g s m 系统的无线分组 交换技术，采用的技术是无线分组交换技术l 酊。g p r s 利用现有的g s m 系统，采 用与g s m 相同的物理信道，提高了无线资源的利用率。它具有高速的访问速率， 2 中南大学硕士学位论文 绪论 速度可达1 7 1 2 k b p s ，无需其他网络转接便可与其他网络无缝连接，具有计费功 能等优点【9 】。总之，g p r s 可提供因特网、多媒体、电子商务等业务，可应用于 运输业、金融、天气预报、交通信息等领域。主要应用于传输距离较远的场合。 1 2 论文研究意义 随着无线技术的迅速发展，无线传输技术也逐渐被各行业所接受并应用，无 线工业监控作为一个特殊使用方式也逐渐被广大用户看好【1 0 】。无线工业监控系 统较之传统的工业监控系统的研究意义有以下方面： 它可以良好的解决由于布线困难而带来的各种问题。在许多情况下，用户往 往会受到地理环境和工作内容的限制，例如山地、港口和开阔地等特殊的地理环 境，有线传输将会及其不便，施工周期长，甚至根本无法实现。但无线连接不必 埋管挖沟，因此非常适合距离较远的户外和已装修好的场合【l l 】。 它可以提高数据通信的可靠性、安全性和实时性。由于无线传输是以电磁波 作为传输介质，利用无线传输的特有技术，比如调制解调，误差校正，冲突处理 可以有效的提高数据传输的可靠性和实时性。另一方面，还可以解决有线连接时， 遭雷击而引起设备故障，使得数据丢失的问题。 无线监控系统的研究可以使得设备的安装和维护变得更加简单，操作更加灵 活，工作效率更加显著。摆脱了缆线的束缚，避免了有线系统安装成本高，维护 成本高，价格不断上升的问题，从而提供低价的技术，可以间接的改善操作环境。 另外，操作人员可远方监控，避开恶劣的操作环境【1 2 l 。 所以工业无线监控系统的研究有着深远而美好的意义。 1 3 课题的研究内容 上文介绍了目前应用广泛的四种无线通信技术，根据工业监控系统应用的实 际要求。无线局域网的成本较高，一般可以与外部网络相连接。z i g b e e 使用自己 的协议栈开发较复杂，g p l 述适合于更远距离的通信，而无线数传模块和自定义 协议，实现简单，成本较低，其特点完全适合中小型的工业监控系统的开发。因 此本课题选择的无线通信的方案为无线数传模块及自定义协议。 无线终端的c p u 选用趾蝴9 ，它与以微型计算机作为数据采集和监控终端 相比，具有以下优势： ( 1 ) 体积小，可以成功的构成便携式系统，携带和使用非常方便。 ( 2 ) 易扩展，功能强。j 6 瓜m 9 很容易扩展输入，输出接口，实现各种功能。 ( 3 ) 开发周期短，成本低。嵌入式工业监控系统具有微型机的大部分功能， 且集成度高，硬件支持完全满足工业监控的应用。 中南大学硕士学位论文绪论 本系统主要研究的内容如下所示： ( 1 ) 无线监控终端的硬件设计 了解删9 高性能3 2 位嵌入式处理器的体系结构，选择删9 为内核的 s 3 c 2 4 4 0 a 芯片作为微处理器，配合外围电路，进行存储器电路f l a s h 、s d r a m 、 串口、触摸屏、电源、复位电路等硬件电路设计。最重要的是实现无线收发模块 的接口设计。 ( 2 ) 自定义无线通信协议 介绍了m o d b u s 协议的两种传输模式，c r c 校验，部分功能码。重点是根 据具体功能实现本系统的自定义的功能码和通信协议要求。通过串口实现对无线 传输模块的连接，以及对监测数据实时显示等功能。 ( 3 ) 无线监控终端的软件设计 针对无线终端硬件控制器搭建嵌入式平台，对操作系统l i n l 内核源代码进 行修改、编译内核并将l m 【操作系统移植到硬件平台上。完成串口驱动程序以 及与无线模块通信的串口通信程序、按键驱动程序、l c d 驱动程序、应用程序 等的编写与添加。 ( 4 ) 结合无线监控终端的设计，将其应用在水计量系统中。 4 中南大学硕士学位论文 无线监控终端的硬件设计 第二章无线监控终端的硬件设计 2 1 无线监控系统的总体硬件设计方案 2 1 1 系统方案选择 嵌入式系统在工业控制系统中主要用于对现场级的数据进行采集、处理、监 控以及传输等功能。嵌入式工业监控终端主要由微处理器、外围的硬件设备以及 嵌入式操作系统组成。随着微处理和嵌入式操作系统的发展，嵌入式技术在工业 监控中的应用也发生了巨大的变化。下面根据目前工业监控终端发展背景总结三 种可行方案，并根据本课题的实际需求进行选择。 方案一：以单片机为核心的监控终端 以传统的8 位或1 6 位单片机为核心的监控终端，一般不存在操作系统，开 发人员可以直接控制外围设备。这种系统的结构和功能相对单一，运行速度较低， 存储容量较小，内部集成的功能较少，只适用于以前较早的简单的控制系统。由 于此类系统存在的以上种种缺点已经远远不能适用于高速处理，不能满足需要大 容量存储介质的现代化工业控制和新兴的智能仪表的需求。 方案二：以d s p 处理器为核心的监控终端 d s p 处理器是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。 它最大的特色是强大的数据处理能力和高运行的速度，在控制算法方面很擅长， 比较适合用在对控制要求较高的场合，比如军用导航，电机伺服驱动，图像处理 等方面。其与通用微处理器相比，d s p 芯片的其他功能相对较弱，不强调人机交 互，没有很多的通信接口，操作系统也不是很完善。 方案三：以删处理器为核心的监控终端 删处理器是3 2 位的微处理器芯片，采用融s c 架构。a r m 芯片支持 1 n h u m b a r m 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位处理器。大量使用寄存器，指 令执行速度很快。全性能的m m u 功能，支持w i n d o w sc e 、l i n 腿、p a l mo s 等 多种主流的嵌入式操作系统。相对与单片机来说处理速度较高，内部集成功能丰 富，有很多通信接口比如说以太网接口、u s b 接口、串口、s p i 口、h c 接口、 u s 接口、s d 卡接口等。它支持外部存储器s d r j m ，n 锄df l 勰h 或n o rf l a s h ， 可以有较大的存储容量。由于引入了嵌入式操作系统，开发人员可以在其上进行 良好的人机界面开发。对硬件的操作是通过设备文件实现的，因此更便于模块化 和通用化。 在工业应用中，无线监控终端的主要功能是采集外界信号，例如模拟量、开 中南大学硕士学位论文 无线监控终端的硬件设计 关量，并且能够将数字量的控制信号转化为模拟量进行输出，以达到对外部设备 的控制。在此基础上，本课题所设计的系统有以下要求： ( 1 ) 多通道模拟量采集。由于很多信号是模拟量，采用s 3 c 2 “o a 自带的 剐d 转换功能，采集数据进行加转换。 ( 2 ) 采集数据的无线传输。这是本课题设计的重点，各个节点的数据的收发 由无线传输模块实现的，无线模块与c p u 的接口通过r s 2 3 2 进行通信。 ( 3 ) 采集数据的监控界面及显示。监控界面在嵌入式下q 班m b e d d e d 的编 程环境实现，通过l c d 进行实时显示。 ( 4 ) 采集数据的存储功能。主要是对以往的数据进行保存，便于以后的数据 查询和分析。 基于以上分析，采用以a l 蝴处理器为核心的监控终端的设计方案是最优的 选择。 无线终端的主板是以s 3 c 2 4 4 0 a 芯片为处理器的最小系统，包含s d r a m 、 f l a s h 、电源电路、复位电路、按键电路、报警电路、串口电路及a d 接口电 路。外接l c d 屏，和以c c l l 0 0 芯片为核心的无线收发模块。系统框图如图2 1 所示： 图2 1 无线监控终端系统框图 2 1 2s 3 c 2 4 4 0 a 引脚分布及信号描述 s 3 c 2 4 4 0 a 芯片采用的是b g a 封装，一共有2 8 9 个引脚如图2 3 所示。具体 引脚位置说明可参考s 3 c 2 4 4 0 ad a l r a s h e e 1 3 】【1 4 1 。 6 中南大学硕士学位论文 图2 2s 3 c 2 4 4 0 引脚图 下面详细介绍本系统用到的引脚信号描述。 表2 1 总线控制信号 7 无线监控终端的硬件设计 o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 中南大学硕士学位论文 无线监控终端的硬件设计 表2 2s d 黜蝴控制器信号 信号管脚号 i i 怕u t功能描述 n s r a sc 6 os d 黜蝴行地址选通信号 n s c a sd 6os d 黜蝴列地址选通信号 n s c s fl ：o 】 e 7 d 2os d r a m 芯片选择信号 d q m f 3 ：0 1 d 4 d 5 b 5 e 5os d r j w 数据屏蔽信号 s c l k l ：0 】 b 3 b 4os d r a m 时钟信号 s c k ea 2os d r 削m 时钟使能信号 n b e 3 ：o 】d 4 d 5 b 5 e 5 o高或低字节使能信号 c l ef 5o命令锁存使能 a l e d lo地址锁存使能 n f c e f 4on m 岫f l 嬲h 芯片选择信号 n f r ee 1on a n d f l 嬲h 芯片读信号 n f w ef 3 o啪f l a s h 芯片写信号 n c o nr 1 2 i 数据配置 f 凡mg 6 i忙信号 表2 4l c d 控制器信号 信号 管脚号 i n o u t 功能描述 8 中南大学硕士学位论文 无线监控终端的硬件设计 表2 6 复位，时钟和电源信号 由上可知该芯片具有丰富的外围接口，操作方便，适合低功耗，移动性较的 系统。 2 1 3s 3 c 2 4 4 0 a 控制器主电路 s 3 c 2 4 4 0 a 集成了丰富的功能模块，有外部存储器，l c d 控制器，串口，a d c 和触摸屏接口，有1 3 0 个通i o 口和2 4 道中断源等。控制器与外部电路连接原 理图如图2 3 、图2 4 和图2 5 所示： 9 中南大学硕士学位论文 无线监控终端的硬件设计 图2 3 控制器原理图1 目品目 f r ： 再 i 塾工曼丁品l ，l ， 申叠印 图2 4 控制器原理图2 l o 中南大学硕士学位论文无线监控终端的硬件设计 图2 5 控制器原理图3 2 2 电源时钟及复位电路设计 目各 盈备 电源系统为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础。在该系统中，电源 设计采用5 v 输入，带有电源开关和指示灯。经低压差线性稳压电源 l m l l1 7 c t 3 3 芯片提供部分所需3 3 v 电源。同样内核芯片s 3 c 2 4 4 0 a 的电源 1 8 v 也是经低压差线性稳压电源l m l l l 7 c t l 8 芯片获得。电源电路如图2 6 所 示： 图2 6 电源电路 中南大学硕士学位论文无线监控终端的硬件设计 为了提供高效的电源监控作用，选取了专门的系统监视复位芯片8 l l s ， 实现对电源电压的监控和手动复位操作。m a x 8 1 1 s 为低电平复位，支持手动复 位，在凇引脚持续1 8 0 麟的低电平时，将在复位输出引脚产生复位信号。该 芯片优良，一旦系统电源低于系统复位的阈值( 2 9 3 v ) ，复位芯片8 1 l s 将 会对系统进行复位来实现电源监控。 系统复位电路如图2 7 所示： 图2 7 复位电路 s 3 c 2 4 4 0 a 需要的时钟信号，包括c p u 使用的主频f c l k 剐曲；总线设备使 用的h c l k ，以及a p b 总线设备使用的p c l k 。而在s 3 c 2 4 4 0 a 内部有两个p l l ， 一个是m p l l 用于f c l k 、h c l k 和p c l k ，另外一个是u p l l 用于u s b 电路。 系统的时钟源可以是来自外部晶振x t i p l l 或外部时钟e x t c l k ，具体的选择 是由芯片引脚o m 【3 ：2 】进行设置。当o m 【3 ：2 】引脚为o o 时，主频时钟源为外部 晶振，u s b 时钟源也为外部晶振。 本系统c p u 时钟源直接采用外部晶振，因此芯片引脚o m 3 ：2 】接地。根据公 式有m p l l ：等【1 5 l ，其中朋= ( m d i v + 8 ) ，尸( p d i v + 2 ) ，萨s d 。f 小 p i 为时钟输入，所得m p l l 值为f c l k 即主频的大小。m d 为主分频控制、p d 为预分频控制、s d i v 为后分频控制，具体的设置在锁相环控制寄存器中。如本 系统输入时钟为1 2 m ，m d = 1 2 7 ，p d 宅，s d - l 就可得到f l c k 的频率为 4 0 5 m h z 。实时时钟的标准电路，一般采用3 2 7 6 8 k h z 的晶振。系统时钟电路和 实时时钟电路如图2 8 所示： 图2 8 时钟电路 1 2 中南大学硕士学位论文无线监控终端的硬件设计 2 3 系统存储器电路设计 由芯片的特点可知s 3 c 2 4 4 0 对外引出了2 7 根地址线，访问的地址空间为 1 2 8 m 。但是芯片还对外引出8 根片选信号n g c s 肛i l g c s 7 ，对应8 个b a i l l 【，每个 b a n k 有1 2 8 m 的字节。所以就对应l g 的地址空间。其中六个是r o m ，s r a m 等 类型存储器，2 个是可作为s d r a m 寄存器，其中前七个的b a i l l ( 的起始地址是固 定的。空间的分布图如图2 9 所示，左边是n g c s o 片选的n 0 rf l 嬲h 启动模式下的 存储分配图【1 们，右边是n a n df l 砒启动模式下的存储分配图。本系统存储器包括 s d r a m 和f l a s h ，配置了两片3 2 m b y t e 的三星s d r a m ，一片n 舢叮d f l a s h ( 6 4 m b y t c ) 。 嘲哪- 叫曩咖 蚋田l 9 呻 “翻哪 “帅i - 曩吃印 伽m 脚- 豳哪 嘣i 加4 i 搬 2 3 1s d r a m 设计 嗣k 如瞩_s 两一麓) 删 j h 田州舯 g e 眦奶 舟a 麓增蚓鬟岫 ，曼皇 j 如i - 啪r s r o - 0 懿m t a h u 目暂 n 明 舟置目睹n 旧厄聃 扣6 c 翳i扣g c s 剃翻跏 馕 o c s 研g c s 岛 o 划的 嘲 g c ig c m r 嘴黜 s 日滑s 两d 懈i 口 知g c s 3 i馘s 对 r o 剃 口 0 口田 0 c l 萄 嗣删 s r o 蕾 g c 鲥i嵋c s ， 蝴 蕾 g c 鞠i b o 矾h 协n i s r 圳 悯 图2 9s 3 c 2 4 4 0 存储空间分配 本系统采用两片1 6 位的三星k 4 s 5 6 1 6 3 2 c 芯片共同组成一个3 2 位数据宽度 的s d r a m 系统，提高了其与c p u 的通信效率，更好的发挥s 3 c 2 “o a 芯片的 潜能。l “s 5 6 1 6 3 2 c 芯片工作电压为3 3 v ，每片的存储容量为4 m 1 6 b i t 4 b 龇l ( s ， 共3 2 m b y t e 。电路连接中n c s 引脚接l n g s 6 即s 3 c 2 4 4 0 a 的b a i l i 【6 ，决定了 s d r a m 的物理地址是o x 3 0 0 0 0 0 0 0 。而b a l ：b a 0 是s d 黜蝴的最高位，组合 选择4 个b a i l k 中的哪一个。s d l 乙蝴的访问步骤为：首先c p u 发出芯片选择信 1 3 中南大学硕士学位论文 无线监控终端的硬件设计 号n g c s 6 有效，选中s d 删芯片，然后s d 黜w 有4 个b a n k ，需要两个地址 信号来选中其中一个，即a d d r 2 4 和a d d r 2 5 。接着由于行地址和列地址信号 表2 7k 4 s 5 6 1 6 3 2 c 芯片引脚表 s c l k s d r a m 时钟 n c s s c l ( e a 0 a 1 2 b a 0 b a l n i 认s n ( m s n 1 j | e l ( u ) d q m d q 0 1 5 v d d v s s v d d q v s s q s d r a m 片选 s d r a m 时钟使能 行列地址复用线 b a n l 【块地址选择 s d r a m 行地址选通 s d r a m 列地址选通 写字节使能 s d r a m 数据屏蔽 数据输出 电源和地信号 屏蔽电源和地 图2 1 0s d r 删设计电路 共用地址线a d d r 2 a d d r l 4 ，对他们进行区分是通过行地址选通信号( n s r a s ) 1 4 中南大学硕士学位论文无线监控终端的硬件设计 和列地址选通信号( n s c a s ) ，当行地址信号有效时，a d d r 2 叫d r l 4 发出的是 行地址，对应地址空间b i t 2 3 ：l l 】，当列地址线有效时，a d d r 2 。a d d r l o 发出 的是列地址，对应地址空间b i t 【1 0 ：2 】。当找到存储单元后，则进行数据传输。 k 4 s 5 6 1 6 3 2 c 芯片主要的引脚为表2 7 所示： s d r a m 的电路如图2 1 0 所示，其中电容是退耦电容，设计时尽量靠近存储器的 电源输入引脚。 2 3 2n 锄df l 髂h 设计 s 3 c 2 4 4 0 a 微处理器带有n 柚df l 髂h 控制器接口，因此可以与三星公司的 k 9 f 1 2 0 8 连接。k 9 f 1 2 0 8 是s a m s u n g 公司生产的f l 勰h 存储器，它采用n j 心d 技术，容量大、可靠性高。k 9 f 1 2 0 8 每页5 2 8 b y t e ，每3 2 个页形成一个块。所 以一个块的容量是1 6 l 【b y t e 。而一个k 9 f 1 2 0 8 芯片有4 0 9 6 个块，总的容量即为 “m b y 讨j 。n 锄df l 邪h 的物理组织方式有三类地址，分别是块地址，页地址和 页内偏移地址。m df l 嬲h 控制器的8 位i o 端口采用地址、数据和命令复用的 方法。n 锄df l 硒h 的寻址过程为：首先传递的页内地址，对应的是 n 心p a d d r 【7 ：o 】将其传递到i o 【7 ：0 】，而第8 位由操作指令决定不需要关心， 它决定寻址的是在上半页还是在下半页。接着就是将n 朋呵da d d r 右移9 位， 将n 触崎da d d r 【1 6 ：9 】传到i o 【7 ：o 】上，然后将n a n da d d r 【2 4 ：1 7 】传到i o 【7 ：0 】 上，最后将n a n da d d r 【2 5 】放到i o 上，整个寻址过程结束。k 9 f 1 2 0 8 引脚功 能说明如表2 8 所示下： 表2 8k 9 f 1 0 2 0 8 芯片引脚 i 0 0 i 0 7数据输入输出端 c l e a l e c e r e w e l 骶 r b v c c v s s 命令锁存使能 地址锁存使能 芯片选择 读控制 写控制 写保护 忙信号 电源和地信号 连接电路图如图2 1 l 所示： 中南大学硕士学位论文无线监控终端的硬件设计 i 砌n 瞄 2 m舸 3 n 瞄 4 帕n c 2 5 m脚 l吣j 瞄 l 柏 7 r 毋l 肺 n 魁8 匪l 肼 n 旺9 旺鼎 m 阿脚 蓼、， l l 哪n c 2 2 1 2 啪啊 1 3 憾憾 二正 口n q l 罩竖 岫n 锄 耻坫 a上na9 l e 1 7 n p 怩l b 比l 髓 1 9 忱雌 i删 2 i 帕。 姗 笠 n a in c l 8 - c 1 2 c 1 7 姗n 口6 翌 删脚 2 4 系统外围电路设计 2 4 1 串口电路设计 图2 1 1f l a s h 设计电路 r s 2 3 2 串行接口是嵌入式系统中应用较多的一种接口。s 3 c 2 4 4 0 a 微处理器 内部具有3 个独立的i7 a r t 控制器，每个控制器都可以在中断模式或d m a 模式 下操作。他们支持的最高波特率是1 1 5 2 k b p s 。每个串口包含2 个1 6 位f 礤o 用 来接收和发送信号。u a r t o 电路连接图如图2 1 2 所示： u 1 3 p l 1 0 卜惯 坫l = 、 0 qc 丹 6 _ o | i32i l2 | | q w i | 7 n l l fl lhn l 谭3 的1 2 t 1 h1 1 砸 1 38 i h 芝dl o 砌a 旺列h 7 4 v 1 2 缸啪 o 989 l 函t 磁虹 v 5 巴 4 g 挣、l 6 0 毋c 穗d 嗍 | i s 岱i i | i o | i n i l fn l l f 2 4 2l c d 显示接口电路设计 图2 一1 2 串口电路 本系统选用三星公司的3 5 英寸t i 叮型l c d 一块c 1 8 j ，分辨率为2 4 0 幸3 2 0 。t f t 工作原理为：l c d 控制器在v c l k 的上升沿发送像素数据，同时在h s 屺( 行 同步脉冲) 信号到来时开始一行信号的发送，发送完一行后将会输出一个一仆厄 信号。接着进行另一行数据的发送，当所有行发送完毕后。v s y n c ( 帧同步信 1 6 中南大学硕士学位论文 无线监控终端的硬件设计 号) 发出一个脉冲信号，表示一屏发送，通过v d 1 ：2 3 】接口发送数据，并在数据 发送完毕后输出：r a m 信号。 gm 图2 一1 3l c d 显示电路 l c d 的接口选择5 0 针2 0 m m 原理定义接口如图2 1 3 所示，j 2 表示可以选 择l c d 的电源3 3 v 或5 v 。 2 4 3a d 电路接口设计 在工业监控系统中，通常要将监控的数据，例如温度、流量等等其他的监控 数据上传到上位机。被测信号通常有牝o m a 的电流信号或o 巧v 的电压信号， 而s 3 c 2 4 4 0 a 的端口电压是o 3 3 v 。因此对于4 2 0 m a 的电流信号我们使用精密 i 变换器r c v 4 2 0 将电流信号转变为o 5 v 的电压信号，然后使用7 4 l 、，c 4 2 4 5 芯片将肛5 v 的电压转变为3 v 的电压信号。同样，对于肛5 v 的电压信号也 是使用7 4 l v c 4 2 4 5 芯片进行转变。s 3 c 2 4 4 0 a 集成了一个8 路1 0 位刖d 转换器， 其参考电压为3 3 v 。其功能使用如下所示：a n i o 为模拟电压输入，由于满额参 考电压为3 3 v ，即3 3 0 0 r n v 且转换精度为1 0 位，2 1 0 - 1 0 2 4 级，假定从a d 转换 寄存器a d c d 觚a 0 【9 ：0 】读到的值为v a l u e ，则实际电压u 为： = 簇篆胁麓e c 删 无线监控终端的模数转化电路如图2 1 4 所示： 中南大学硕士学位论文无线监控终端的硬件设计 2 5 无线收发模块的设计 图2 1 4a d 转换电路 无线收发模块的硬件设计主要由m c u 控制单元和射频模块构成的【1 9 】【2 0 】。 m c u 选取c 8 0 5l f 31 0 芯片，射频芯片选择c c l l o o 。c c l l o o 芯片的工作频率可以 为3 1 5 、4 3 3 、8 6 8 、9 1 5 m h z 。芯片的r f 收发器集成了调制解调器，数据传输速 率、输出功率等都可编程【2 1 1 。使用c c l l 0 0 只需要少量的外部元件和控制器的连 接通过s p i 接口即可实现。具体的连接电路图如图2 1 5 所示： 芏 图2 一1 5 无线收发模块原理图 1 8 中南大学硕士学位论文 无线监控终端的硬件设计 2 6p c b 设计 硬件电路板设计软件是a l t i 啪d e s i 驴盯6 9 ，此软件提供全面、高效、灵活 的p c b 设计环境。使用a l t i 哪d e s i 鲷e r6 9 设计p c b 电路流程：首先是原理图 的设计，建立正确的逻辑连接关系，接着创建网表。然后是建立p c b 封装库， 加载网络表后，进行元器件的布局、布线。最后是电源和地平面的铺铜设计，生 成报表送至p c b 工厂生产。 由于本系统包括了一些高速复杂的器件：主芯片s 3 c 2 4 4 0 a ，n 锄df l 嬲h 芯 片k 9 f 1 2 0 8 ，两片s d r a m 芯片k 4 s 5 6 1 6 3 2 c 。其中主芯片s 3 c 2 4 4 0 a 是2 8 9 个 管脚的b g a 封装，因此要把如此多的引脚信号引出至少需要4 个信号层。同时 还要加电源和地层以增强电路板的抗干扰能力，所以此部分需要设计的p c b 板 层为6 层。p c b 电路板的叠放顺序为：t 0 pl a y e 什d g l 虹汁m i d l a y e r 3 + m i d l a y e r 4 + v c c + b o t t o ml a y e r 。而针对低速的器件，如串口电路、l c d 显示， 几a g 调试、a d 接口、蜂鸣器电路、按键电路、l e d 电路、以及扩展接口设计 的p c b 板层为两层。这样设计的优点是避免了多层板加工价格高而引起了整个 系统成本高的问题，同时更加有利于硬件调试。外围电路板和核心电路板分别如 附录3 中的附图l 和附图2 所示。 为了增强系统的稳定性，在硬件设计中要考虑硬件设计本身带来的干扰问 题。本系统在p c b 设计过程中主要从这几方面加以考虑的： ( 1 ) 从布局的角度考虑，先对特殊元件布局，比如高频元件之间的连线越短 越好，设法减小连线的分布参数和相互之间的电磁干扰，易受干扰的元件不能离 得太近等。其他元件如果没有特殊要求，尽可能按照原理图的元件安排对元件进 行布局，信号从左边进入、从右边输出，从上边输入、从下边输出。按照电路流 程，安排各个功能电路单元的位置，使信号流通更加顺畅和保持方向一致。以每 个功能电路为核心，围绕这个核心电路进行布局，元件安排均匀、整齐、紧凑， 尽量减少各个元件之间的引线和连接。数字电路部分应该与模拟电路布局分开。 ( 2 ) 从布线的角度考虑，首先走线方式必须按照4 5 。角拐弯，这样可以减小 高频信号的发射和相互之间的耦合。走线长度越短越好，两根线并行距离越短越 好。层间的布线方向取垂直方向。处理好地线，将模拟地、数字地、大功率器件 的地分开连接，再汇聚到电源接地点。而本系统主核心模块是多层板将地线和电 源层各占用一层，这样可以更好的起到屏蔽作用，有效的降低寄生电感、缩短信 号线的长度、降低信号间的交叉干扰。尽量加粗地线和电源线，本系统中信号线 的宽度采用6 m i