引言

隨著物聯網概念的提出及相關技術的發展，網絡化測量控制已成為測控系統發展的必然趨勢。然而，當前國內外工業控制領域普遍使用且技術相當成熟的PLC(Programable Logic Controller)基本都不支持網絡，也不能簡單升級具有網絡功能，且模式較為單一。因而，設計與實現了一種網絡化通用測控系統平臺，以實現網絡化測控需求且具有一般平臺的通用性能。本文主要介紹了ARM嵌入式系統與ZigBee無線技術相結合的通用網絡測控平臺的硬件設計。

1 系統硬件總體設計

基于ARM的通用網絡測控系統硬件架構如圖1所示，本系統在測控端采用基于ARM的CPU，通過網絡接口與Internet相連，外圍擴展有數字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊及無線ZigBee組網數據傳輸模塊。硬件設計的主要研究內容：基于ARM的嵌入式主控硬件平臺、ZigBee無線網絡數據傳輸模塊、測控I/0模塊硬件以及硬件系統的通用性指標和網絡化性能的分析測試。

圖1 系統硬件架構

2 ARM主控模塊硬件

系統核心芯片是Samsung公司生產的基于ARM920T核16/32位RSIC(Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集計算機)微處理器S3C2440A，該芯片資源豐富、運算速度快、功能強大，且價格相對合理。核心板系統框圖如圖2所示。

圖2 核心板系統框圖

2.1 存儲器電路

FLASH存儲器采用Samsung半導體生產的64M×8 b的K9F1208U0M Nand FLASH存儲器芯片。本系統使用了一片該芯片構成64MB的FLASH，系統的啟動代碼Bootloader文件、內核鏡像文件以及文件系統均存于此。SDRAM存儲器采用Hynix生產的4 Banks×4M×16 b的HY57V561620 CSD-RAM芯片，為了保證系統的運行速度，本系統采用兩片該芯片并聯構成32位數據存儲器。

2.2 JTAG調試接口

JTAG(Joint Test Action Group，聯合測試行動小組)是一種國際標準測試協議(IEEE 1149.1兼容)，主要用于芯片內部測試。它在芯片內部封裝了專門的測試電路TAP(Test Access Port，測試訪問口)，通過專用的JTAG測試工具對內部節點進行測試，同時可用于在線編程。標準的JTAG接口是4線：TMS，TCK，TDI，TDO，分別為模式選擇、時鐘、數據輸入和數據輸出線。系統采用20針的標準接口，用于在線調試及系統Bootloader的下載。

2.3 電源與系統時鐘電路

電源設計的可靠性關系到系統運行的穩定與否。本系統輸入電源為5 V，通過LM1117芯片將其穩壓至3.3V，使用大電容抑制低頻干擾，小電容抑制高頻干擾，用于芯片接口的供電，同時采用專用電源芯片MIC5219BMM，為內核提供低噪的1.3 V電壓，以確保系統供電穩定。

系統時鐘主要分為主頻時鐘FCLK，AHB總線設備時鐘HCLK，APH總線設備時鐘PCLK。本系統采用外部12MHz晶體振蕩器，通過S3C2440的設置模式選擇引腳OM[2：3]均為低電平的組合方式來選擇S3C2440的時鐘源為外部晶振XTIPLL。同時，可通過片內的兩個鎖相環MPLL和UPLL來得到內核時鐘和USB時鐘。

2.4 串行接口電路

當前，基本上各種處理器上都具備串口，本系統中的串口主要用于前期調試以及與主無線模塊的通信。由于CPU串口引出腳電平不是標準RS 232電平，因此在與PC機連接調試時需進行電平轉換，而與無線模塊通信則可直連。可以在Linux內核串口驅動的基礎上修改為ZigBee的數據收發驅動，其電路如圖3所示。

圖3 串行接口電路

2.5 網絡接口電路

網絡接口電路是該系統中重要的硬件部分。為了保證網絡數據傳輸的穩定流暢，本系統中采用10/100 Mb/s自適應以太網MAC控制器芯片DM9000A，該芯片具有一個10/100 Mb/s自適應的PHY和4K DWORD值的SRAM，物理協議層接口完全符合IEEE 802.3u規范，支持IEEE802.3x全雙工流量控制。主控模塊板上nGCS3接DM9000A的片選CS#，地址配置為0x18000002，LDATA[15：0]接DM9000A數據位SD[15：0]構成16位數據總線模式。此外，采用HS9016用于I/O隔離變壓，然后連接RJ45接口。隔離電路如圖4所示。

圖4 網絡接口隔離變壓電路

3 測控I/O模塊硬件

3.1 數字量輸入/輸出模塊

系統實現了8路數字量的輸入，8路數字量的輸出，采用CH573對數字量輸出進行鎖存，采用CH245對輸入量進行選通。為了節省端口資源，數字量的輸入、輸出的8根數據線復用，通過控制CH573的鎖存信號以及CH245的片選信號來實現輸出量和輸入量的復用。同時，采用光耦用于端口光電隔離。

3.2 模擬量輸入/輸出模塊

系統A/D實現4路12位模擬量或2路12位差分信號模擬量采樣輸入，系統D/A實現2路12位模擬量輸出。該模塊A/D采用Microchip公司生產的12位模數轉換器MCP3204，采樣速率最高可達100 KSPS，且價格低廉；該模塊D/A采用TI公司的12位數模轉換器TLV5638，該芯片具有內部基準，建立時間為1～3.5μs，具備2通道模擬量輸出能力。只需外加信號調理電路即可。由于上述兩款芯片均為SPI接口，可直接掛接到處理器的SPI總線接口上，通過片選CS0和CS1來控制數據傳輸的切換。其結構圖如5所示。

圖5 模擬量I/O模塊結構圖

4 ZigBee無線模塊硬件

ZigBee技術是當前發展較為迅速且日趨成熟的一種無線通訊技術，采用國際通用免費頻段2.4GHz，具有低功耗、低成本、低復雜度等優點。ZigBee技術較易實現自動組網，網絡容量大，可容納多達65 000個節點，網絡中的任意節點之間都可進行數據通訊。網絡具有星狀、樹狀和網狀網絡拓撲結構。

本系統采用的是TI公司生產的SOC芯片CC2430，內置增強型的8051內核，接口豐富，具有8 KB SDRAM，128 KB閃存，只需加上電源電路、晶振電路、天線而無需其它外部擴展即可配置為FFD(全功能器件)或RFD(簡化功能器件)，因而硬件設計簡便，成本也相對較低，模塊采用串口與ARM系統通信。實物圖如圖6所示。

圖6 實物圖

5 系統分析測試

網絡化在本系統中主要體現為兩個方面，一個是采用ZigBee構成的無線網絡，用于無線數據采集。另一個則是Internet網絡，用于嵌入式系統與主控制端進行數據交互。并且，本系統測控I/O模塊符合標準測控電壓電流規格定義，并采用ZigBee無線技術，可實現簡單二次開發。經軟件測試，該系統可完成不同物理量、本地或遠程、無線或有線以及一定精度與實時性的網絡測量控制，具備一般通用平臺的性能。

6 結語

網絡化是測控技術發展的一個重要方向，伴隨網絡技術的發展，也需要一種通用的平臺統一各分散的測控點。本文基于上述考慮，提出了通用網絡測控系統設計基本思想，也闡述了較為詳盡的硬件設計方案，該系統通用性好、網絡設計合理、成本低，并且易于產品化。經簡單設置或二次開發，該系統可應用于工業生產車間、智能家居，以及油田油井遙測等廣泛的行業和領域。