远程无线数据采集系统的现场监控主机.doc

远程无线数据采集系统的现场监控主机液晶显示 无线通信 通用性1 引言 本文所设计的一种通用型的可应用于各种数据采集系统中的现场监控模块，具有通信方式多样，海量数据存储，显示界面及其内容软件可设，显示环境的界面及内容可自动保存于存储器中，开机时可通过键盘自行选择。达到了数据的现场监视，数据的现场备份，以及工作环境灵活的目的。2 系统设计2.1 硬件设计 对于要达到的上述所要达到的要求，本设计的结构框图如图1所示，有以下几部分构成：中心处理单元完成各部分的整合，电源处理单元为整个系统提供适当的电源，声光报警单元用于在某个报警变量超限时的进行报警，液晶显示单元完成数据的显示功能，实时时钟单元为系统提供不低于5PPM精度的系统时钟，数据通信单元为本监控主机提供灵活的通信接口，海量数据存储单元则完成所有数据的现场备份，参数及字库存储单元则完成系统的参数及液晶要显示的内容的存储，键盘输入单元完成外部五个键盘的操作功能。2.2 CPU的选型 监控主机的CPU需要的硬件资源有至少二个UART口，一个CANBUS口，以及足够的IO口去控制与连接这些通信设备及液晶显示模块；软件上需要完成对液晶显示模块的操作，以及对多种通信协议的解析打包。有鉴于此，本设计中的CPU选用NEC单片机 uPD78F0881(A)(780/2系列)，这是一款8位单片机，32K ROM，1024Bytes 内部高速RAM，1024Bytes外部扩展RAM，共有44个脚，有两组UART口UART60与UART61，一个CAN收发接口，其资源可以满足本设计的要求。 如图2所示，由于NEC单片机的不带掉电存储模块，但对于本监控主机来讲，一些工作环境参数，液晶显示的字库等等，需要进行掉电存储，所以，在本设计中外接一两片EEPROM存储芯片，其型号为24C512及24C02，它们都为IIC接口，24C512用来存储液晶显示的字库，24C02用来存储监控主机的参数，两片存储芯片为IIC总线上两个从设备芯片。值得注意的是，对于如24C512或者24C128这些容量较大的存储芯片，大部分的厂商提供的芯片A2都为空脚(可以接地)，也就是说在一个IIC总线上最多只能有4个这样的芯片。2.3 通信接口 监控主机具备灵活的通信接口，如图3所示，其中串口UART61接一个RS485芯片，将TTL电平的串口转化为485总线电平，以方便接入多种无线设备，这一RS485总线将从模具的第三个接口1394口的其中两根引出，可以外接其他无线设备或者直接用RS485有线通信；同时在监控主机电路设计中，将数传电台FC-201/SA及广州三川公司的ZigBee无线通信模块接入，两个通信设备在模具内部有安装位置。 串口UART60接一个RS485芯片，将TTL电平的串口转化485总线电平，以方便接入其他无线设备，这一RS485总线将连接GPRS模块，在本监控主机电路中，将GPRS模块H7118GPRS DTU接入，可安装于模具内部；RS485芯片的型号为65HVD3082。第三个通信接口为CANBUS，CANBUS的收发芯片为TJA1040，CANBUS通信接口将通过从模具的第三个接口1394口的另外两根引出，以方便连接其他CANBUS设备。2.4 其它硬件电路 海量数据存储是应用U盘做存储介质进行数据存储。为此应用一款U盘数据读写模块来做为U盘数据的读写，这一个U盘读写模块来自南京沁恒电子公司，其主要特点在于不用太多的编写USB协议程序，而只是利用其串行接口，调用自带的函数，就可对U盘进行读写操作。基于程序及可靠性的考虑，海量数据存储单元需用一个单独的单片机进行操作，如图4所示。 其基本结构如图4所示，U盘读写的外部接口为CAN BUS，当解析到从CAN BUS的数据为所要存储的数据时，开启U盘读写模块电源，将数据按照存储规则进行存储(U盘数据的存储规则将在软件设计中说明)，当存储失败时，将数据存储入数据暂存器，当U盘读写功能正常时，再将数据从数据暂存器取出，存入U盘。 需要说明的是上图中的电源控制单元，它是由三极管及PMOS管构成，如图5所示，图中CUSB为单片机IO，当CUSB为高电平时，三极管S8050饱和导通，此时PMOS管G端处于低电平状态，即0V左右，那么根据PMOS的特性，PMOS管25P03L将导通，那么Vusb的电压约等于VCC，当CUSB输出低电平时，三极管S805截止，此时PMOS管G端处于高电平状态，即与VCC处于一个电平，根据PMOS的特性，PMOS管25P03L将截止，那么给U盘读写模块的电源将被断开。这一个控制单元的优点在于，可以在低功耗的状态，对电源进行完全的高端控制，同时PMOS管25P03L所能承受的电流最大为25A，因此，这一电路也可以用在大电流的电源控制当中。 根据要显示的数据种类及显示美观的考虑，主机用的液晶屏为图形点阵型，点阵个数为320x240，其型号为SYM320240CZK，其液晶片为宽温-20oC70oC，蓝模，背光为LED白光，板载负压，无需外接负压。其连接电路如图6所示，该液晶屏数据为8位输入输出，数据位由单片机的P8口提供，图中CBLA口为单片机IO，用来控制液晶屏的背光，由于该液晶屏有板载负压，其液晶片的驱动电压的负电压由R1、R2分压提供，调节R1、R2的电阻可以调整液晶屏所显示的字的对比度。本现场监控模块的一个主要目的在于实现它的通用性，可以应用于多种工作环境，所以在字库存储芯片中，对应了几种工作显示环境及其所包含的数据类型。 为了保证时钟信号的精度及稳定性，实时时钟是一款自带内部晶振的时钟芯片，其型号为DS3231，这是一款IIC接口的、自带温度补偿、并可实现温度测量的时钟芯片，时钟精度小于5PPM(在-40+80，10年之内)；由于时钟芯片在无电的状态下无法工作，在重上电后也就无法保证时钟的准确性，因此在实时时钟芯片的后备电源引脚处外接0.33F的法拉电容做，在初始化完毕，外接电源去除之后，后备电源可以保证实时时钟20天内时钟正常计数，以保证时钟的准确性。 单片机有一个蜂鸣器输出IO，可以用这一IO来控制蜂鸣器报警；对于光控制则通过IO口P130，它是一个只有输出的IO。 监控主机要完成一些查询及控制命令，需要外部信号的接入，除通过通信接口用命令完成这一功能外，主机本身还自带键盘输入功能。由于IO口资源有限，键盘电路的设计是外接一个3-8译码器来扩展IO，可用3个IO使8个按键输入。3-8译码器型号为74LS148。所连接的3个IO均为单片机的外部中断输入口。2.5 软件设计(1) 初始化程序：主要完成对各个芯片的初始化，包括单片机时钟初始化，单片机工作模式初始化，单片机IO初始化，初始参数读取，UART串口程序初始化，IIC程序初始化，CAN芯片初始化，液晶屏模块初始化，以及液晶屏初始界面初始化等。(2) 液晶显示服务程序：主要完成对液晶屏的显示功能，包括液晶屏读写服务程序，单字节写程序，界面更新程序。(3) 字库更新程序：字库更新程序主要完成对字库程序的更新，包括字库开始更新信号，字库内容接收，字库更新完毕信号接收，程序重新开始。字库内容包括工作环境名称与工作环境界面。(4) 通信服务程序：主要完成数据的接收与转发的任务，包括UART发送程序(两个UART口TX61，TX60)，UART中断接收程序(两个UART口，REC60，REC61)，CAN BUS服务程序，CAN BUS接收程序，CAN BUS发送程序，CAN BUS的接收判断程序，CAN BUS多帧发送程序。其中，CAN BUS的接收判断程序直接在定时器中断T50中进行，可以节省全局变量，节省所用的寄存器，内部高速寄存器有1024个，全局变量的定义将全部用内部高速寄存器。(5) 键盘服务程序：由于单片机与键盘电路所连接的3个IO全部都为外部中断输入，所以键盘服务程序也就是在外部中断程序里判断所接下的按键是那一个。(6) 实时时钟程序：时钟芯片设置程序，时钟芯片写时间程序，时钟芯片读时间程序。(7) 海量数据存储程序：这一部分的程序将写在另一块单片机中，主要完成U盘数据的读写功能，包括CAN BUS接收程序，CAN BUS判断程序，U盘数据存储程序，U盘数据存储失败后数据暂存EEPROM程序等。(8) 数据查询程序：这一部包含了上面提到的键盘服务程序的部分内容，包括，键盘服务程序，时间选择程序，读U盘数据程序，数据显示程序等。3 技术关键3.1 CAN通信接口 CAN接口用的是TJA1040，它有两种工作方式，即正常模式和待机模式。可以通过引脚STB选择。在正常工作模式时，发送器和接收器可以通过总线CANH和CANL接收和以送数据。在待机模式时，发送器和接收器都关断，此时电源电流降到最小，仍能保证该器件有好的抗电磁干扰性能，并能识别总线上的唤醒事件。由于该芯片最多可驱动110个节点，因此该总线上最多可有110个带CAN接口的设备。3.2 DS3231时钟芯片 DS3231时钟芯片要注意其它后备电源的设计。其后备电源常见有2种方式。一种是接大容量的法拉电容，另外一种是接不可冲电的锂电池。这两种接法就要注意上下电对时钟芯片的干扰。当电流电压降到2.5V时，芯片就会复位，再上电时时钟芯片的数据将会出错。因此要在该芯片的电源引脚前加一个RC低通滤波电路。它可以保证芯片电源引脚的电压不会突变。3.3 液晶屏 液晶屏可通过调节R1、R2的电阻的大小来调整液晶屏所显示的字的对比度。液晶屏的引脚可直接和单片机的引脚相连，不需要额外的驱动电路。由于其自带字库，可以根据需要来调用内部的文件。3.4 U盘读写 板子上U盘读写模块的接口设计要注意USB接口的保护电路设计。USB的全称是Universal Serial Bus，具有热拔插和即插即用功能。USB详细接线如图7所示。USB接口传送信号和电源是通过一种四线的电缆，图1-1中的D-和D+两根线是用来传送差动数据；而VBUS、GND二条线，向设备提供+5V