基于嵌入式系统的数据记录分析仪的硬件设计

摘要： 为集中监控工业现场的大量自动化仪表，提高工业生产中的自动化水平，现以S3C2410A 为主控芯片，以液晶屏为显示设备，以触摸屏为输入设备，以SD 卡为存储设备，设计一种电力设备数据记录分析仪。记录仪支持CAN 通信与485 通信2 种总线方式采集采样模块的数据，具有大屏幕显示输出，简单易行的触摸屏输入，利用以太网上传数据，大容量的存储空间，功能齐全，用途广泛。

　　本文所设计的系统就是为了满足对各个设备的相关数据进行实时记录与及时分析这样的需求。本系统以S3C2410 为核心，采用linux 实时操作系统，结合嵌入式设备与网络技术的优点， 有可连接设备数量多，速度快，功能多及可扩展性强等优点，可完成大量电力设备的集中监控，显着提高用户自动化系统的可靠性，节约大量的人力物力。

     基于S3C2410 的电力设备记录仪采用了功能强大的ARM920T 内核的芯片作为CPU，支持485，CAN，以太网3 种通信方式，采用液晶显示与触摸屏，大容量SD 卡存储单元。

　　1 系统的总体结构设计

　　系统的组成部分和主要功能如下：

　　1）上位机部分，主要负责远程的信息配置与数据采集，记录，与处理。

　　2）数据记录分析仪部分：主要负责现场的信息配置和数据记录与处理。

　　3）单片机系统：主要负责环境信息的采集，监控，处理。

　　2 系统的硬件设计

　　记录仪的硬件系统由核心板与主板2 部分构成。其中核心板主要负责CPU 与RAM 存储器，Flash 存储器等的搭建。

　　主板包括整个系统的电源部分， 以太网通信部分，CAN 通信部分，485 通信部分，串行通信部分，显示部分，数据存储部分，CPLD 部分等。核心板与主板通过双排插针的结构连接。

　　硬件设计的的结构图如图1 所示。

图1 记录仪结构图

　　2.1 核心板的设计

　　核心板主要由CPU S3C2410、内存SDRAM、闪存NANDFlash、晶振电路、启动配置电路等几部分构成。

　　CPU S3C2410A 的内部仅仅集成了4 k 大小的SRAM，用作系统程序的引导程序空间， 所以需要扩展一定容量的RAM，用来用作主程序的运行空间，数据及堆栈区。当系统启动时，CPU 首先从复位地址0x0 处读启动代码， 完成系统初始化后，程序代码一般都调入SDRAM 中运行，以提高系统的运行速度， 同时， 系统及用户堆栈， 运行数据也都放在SDRAM 中。SRAM 中的引导程序完成以后，会将操作系统镜像加载到SDRAM 中。本系统的SDRAM 由2 片HY57V561620T 构建成1 个32 位的SDRAM 存储结构。

　　HY57V561620T 是1 个268 435 456 位的CMOS SDRAM 芯片，能够很好地满足大容量高宽度的存储需求。

　　本系统中使用的Flash 为三星公司的K9F1208.， 容量为64 MB， 采用块页式存储管理，8 个I/O 引脚充当数据，地址，命令的复用端口。

　2.2 主板的设计

　　如上所述，主板负责整个系统的电源部分，以太网通信部分，CAN 通信部分，485 通信部分，串行通信部分，显示部分，数据存储部分，CPLD 部分等。

　　2.2.1 电源模块的设计

　　CPUS3C2410A 芯片的各个模块采取独立供电， 其中，内核在200 MHz 工作时， 工作电压是1.8 V， 在266 MHz 工作时，工作电压是2 V，存储器和I/O 的工作电压是3.3 V，所以本系统采用一个+5 V 的开关电源模块， 然后再分别将+5 V电压处理成3.3 V 电压和1.8 V 电压。其中3.3 V 电压是用低压差线性电压源通过+5 V 调整得到的。直流5 V 电压经外部接入，经过电源的滤波，输出平稳的，5 V 可用的电压，通过LM1117T 的调整可以得到可用的3.3 V 电压。最后在输出端接入一个100 μF 的钽电容， 来改善其瞬态响应和稳定性。

　　原理图如图2 所示。

图2 3.3 V 电压的实现

　　系统中的1.8 V， 是用线性电压调节器MIC5207 根据3.3 V转换而成的，其原理图如图3 所示。输出电压用于向CPU 的内核供电。在上图中，MIC5207 的3 脚接到CPU 的PWREN管脚， 通过PWREN 给MIC5207 一个电平， 可以控制MIC5207 的开关，从而可以将CPU 内核的电源关闭，使其进入掉电状态。MIC5207 的4 脚接入1 个470 pF 的旁路电容，其作用在于进一步降低噪音。其输出接入1 个470 pF 的滤波电容，进一步使输出更加平稳。

　　

图3 1.8 V 电压的实现

　　2.2.2 通信模块的设计

　　本系统作为一个多功能的数据记录显示仪器， 提供485通信与CAN 通信与下位机采样模块连接。485 通信与CAN通信是工业现场比较常用的2 种模块。另外，系统还配置了以太网通信模块，便于将数据传送到上位机进行集中监控和管理。下面，就分别进行简单说明。

　　1） 485 通信模块的设计

　　485 通信模块原理图如图4 所示。

图4 485 通信模块原理图

　　常规的485 通信模块由电源隔离， 光耦电气隔离，RS-485 总线收发器与保护器构成。由于地回路的存在，通信回路与地之间存在电势差，在环境恶劣的场合尤为突出。电势差会在通信线之间形成共模电压。由于通信线之间对地阻抗不平衡，共模电压就会在通信线之间产生干扰电压，使通信的可靠性降低，严重情况下还会毁坏通信节点。电源隔离和光耦隔离的作用在于防止此情况发生，但是加入太多的隔离模块会使电路复杂化。在本系统中，采用集成的隔离485 收发器模块RSM485CHT，它集成了电源隔离，光耦电气隔离，总线收发器与总线保护器。这样降低了系统的复杂程度，又能有效地提高电路的抗干扰能力，传输速度和可靠性。还有效地减小了PCB 板的面积以及布线的复杂程度。

　　由于RSM485CHT 芯片的TXD，RXD，CON 的接口匹配电平是+5 V 电平，而CPU 的管脚电平是3.3 V，所以需要接入1 个总线电平转化器74LV4245A， 用来给3 V 器件和5 V器件提供接口。也可以选择与3.3 V 电平匹配的隔离模块RSM3485CHT。