基于ARM9的測控系統通信接口設計

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摘要：控制終端是測控裝置中不可缺少的主要組成部分，目前應用的許多測控系統都具有規模大、控制點分散、大多控制點計算密度較低、受控體及接口種類繁多等特點。文章設計了ARM9S3C2440處理器下的RS485、RS232、CAN、IO輸入／輸出、IIC等通信控制接口，本文重點介紹其設計方法和過程。
關鍵詞：ARM9；S3C2440；系統接口；控制終端；控制器
0 引言
控制終端是測控裝置中不可缺少的主要組成部分，是測控系統存在的基礎，目前應用的許多測控系統都具有規模大、控制點分散、大多控制點計算密度較低、受控體及接口種類繁多等特點。
近年來嵌入式系統以體積小、功耗低、控制功能較強、能夠嵌入操作系統、易于擴展外圍接口(包括各種現場總線和百兆網等)等優點，很適合計算密度較低的分布式控制終端的應用。本設計采用ARM9 3C2440來開發測控終端，完成了測控裝置中的RS485、RS232、CAN、IO輸入／輸出、IIC通信控制接口設計。下面重點介紹其設計方法和過程。
1 系統設計
圖1系統總體結構是采取核心板跟底板的結構。核心板的資源包括S3C2440A的基于ARM920T核的處理器，其內部集成了許多外設，可以很容易地對處理器進行擴展，形成各種不同的控制／通信接口。存儲系統方面核心板上擴展了64M的SDRAM，256M的NAND FLASH，以及2M的NOR FLASH，能夠滿足一般的工業控制需求。另外核心板上還集成著DM9000以太網控制芯片。在底板上利用S3C2440處理器上的功能模塊，再加上外圍電路，形成各種接口的擴展，其中包括有半雙工的RS485、RS232、CAN通信模塊、IO數字量口輸入、IO口數字量輸出。


2 模塊硬件配置
2．1 RS-485總線接口的設計
S3C2440片內集成的三路UART接口，UART接口通過電平轉換芯片可以很方便地轉換為485接口。UARTO作為嵌入式LINUX的控制臺(conso le)接口，UART1用作RS485擴展，UART2作為RS232擴展。我們用到的是UART1。由于ARM處理器的引腳電平和EIA規定的電氣標準不一樣，所以必須要外接電平轉換芯片，利用片內UART外接不同的轉換芯片可以輕松地實現RS485或者RS232串行協議標準。RS485采用差分信號負邏輯，為了達到RS485總線的電氣特性標準，設計中用到的是Analog Devices公司的半雙工RS-485隔離收發器。
ADM2483是帶隔離的增強型RS485收發器，它包括一個三通道隔離器，一個帶三態輸出的差分驅動器和一個帶三態輸入的差分接收器，允許多達256個收發器接入總線，最高傳輸速率為500kb／s，邏輯端兼容3V／5V工作電源。總線端5V供電。

圖2為系統中利用S3C2440中的ART1實現半雙工的RS-485總線的原理圖，其中的引腳RE’與DE分別為接收使能和發送使能端，現在將其并聯起來接到S3C2440的nCTS0引腳，由該引腳的電平控制芯片數據的方向。要發送數據時要叫其置1，接收數據時要將其清0。
2．2 CAN總線接口的設計Microchip
公司推出的MCP2515是一款獨立控制器局域網絡協議控制器，完全支持CAN V2．0B技術規范。該器件能發送和接收標準和擴展數據幀以及遠程幀。MCP2515自帶的兩個驗收屏蔽寄存器和六個驗收濾波寄存器可以過濾掉不想要的報文，因此減少了主單片機的開銷。MCP2515與MCU的連接是通過業界標準串行外設接口(SPI)來實現的。在S3C2440處理器上片內集成了兩個SPI控制器，可以通過SPI總線與MCP2515的控制線連接，進而對MCP2515進行控制和配置等各項操作。此外要組成CAN網絡，仍需要一個與具體物理線路連接的CAN收發器，本設計中采用了Microc hip公司的MCP2551。MCP2551是一個可容錯的高速CAN器件，可作為CAN協議控制器與物理線路之間的接口，為CAN控制器起差分收發能力，能夠把CAN控制器生成的數字信號轉化成為適合總線上傳輸的信號。

2．3 RS232接口的設計
RS232適于本地的設備之間的通信。利用S3C2440片內的UART可以輕松地實現串行數據的傳輸，MAX232采用單電壓5V供電，可以輕松地實現電平轉換，特別是在沒有12V電源的情況下。該芯片采用DIP封裝，集成了2個電壓轉換器，連線簡單而方便使用。

2．4 數字量輸入／輸出接口的設計
數字量的輸入輸出可以直接控制ARM的引腳為GPIO功能而實現，輸入和輸出具有相同的原理。一般控制系統需要工作在惡劣的環境中，電壓值會產生突變，而且一般都高于ARM處理器可接受的范圍，所以必須采取一定隔離措施，需要外接隔離芯片。隔離芯片在電路中起到三方面的作用：1)隔離了破壞電壓，防止處理器受到破壞性損壞；2)完成邏輯電平的轉換，將工業控制中的信號邏輯電平轉換為嵌入式處理器所允許的邏輯電平；3)隔離噪聲，抑制共模信號。在本設計中采用的是ADI公司的ADuM1200數字隔離器。這款數字隔離器采用的是iCoupler磁隔離技術，無論在性能、工號體積等各方面都有傳統的光電隔離器無法比擬的優勢，具有比光電耦合器更高的數據傳輸速率，時序精度和瞬態共模抑制能力。在一個芯片上集成了兩個獨立的隔離通道，兩端工作電壓為2．7V～5．5V，每個隔離通道具有很低的脈寬失真，而且還具有直流校正功能。綜合上述各優勢，是本設計中采取該隔離芯片的原因。


3 結束語
本設計成功應用在中微子實驗室的環境測量系統中，實現了工業現場的嵌入操作系統、網絡互聯功能、微型化、高可靠性設計，運行穩定可靠、效果良好。但存在遠距離通信時速度不高的缺陷，具體解決方法有待進一步研究。