基于嵌入式系統的新型無紙記錄儀摘　要:在分析了基于8 位單片機的無紙記錄儀的功能和結構的基礎上,提出了一種新型的基于ATMEL 公司的32 位嵌入式系統ARM芯片AT91M55800A 的無紙記錄儀的軟件設計和硬件設計方案,完整地解決了基于8 位單片機的無紙記錄儀無法實現的難點,而且大大增強了儀表的實時性和穩定性,并在工業控制中得到證實。
關鍵詞:無紙記錄儀;單片機;實時性

The NEW Paperless2Recorder Based on Embedded System

Abstract : The Author introduces a kind of Paperless2Recorder designing based on AT91M55800A , compared with that of based on MCS251 microcontroller. This New Paperless2Recorder not only has the basic function of ordinary Paperless - Recorder ,
but also add the function of control. The Display of color LCD makes the interface more friendly.Moreover ,the instrument has good real time. The fact proves that the design is successful.
Key words : paperless2recorder ; single chip microcomputer ; realtime
1 　引　言
隨著工業過程自動化的高速發展,企業對無紙記錄儀提出了越來越高的要求。基于8 位單片機的無紙記錄儀的功能已遠遠達不到用戶的要求,儀表開發人員面臨著重新設計無紙記錄儀的軟硬件結構的挑戰,以滿足市場對色彩豐富的LCD 顯示畫面、超大記錄容量、增強的控制功能等等方面的需求。
開發人員一致將目光投向了嵌入式ARM 微處理核的32 位RISC 處理器,它強大的性能、豐富的接口以及優異的性價比,為無紙記錄儀的發展提供了無限的空間,也是無紙記錄儀發展的必然趨勢。
2 　基于8 位單片機的無紙記錄儀結構和功能的分析
　工業現場的無紙記錄儀常采用MCS251 系列單片機,該系列的處理器工作頻率一般不大于24MHz ,而且可擴展的資源相當有限,最大能夠擴展的程序空間和內存空間都只有64KB ,很難實時完成具有一定復雜度的算法和需要大批量傳送數據的彩色LCD畫面的顯示,因此該類無紙記錄儀一般采用單色LCD 顯示畫面,不提供復雜的算法。
  其外圍電路一般包括: (1) 外部RAM,用于數據的緩存; (2) ROM,作為系統程序的存儲; (3) 操作鍵盤,可以進行歷史數據的查詢和組態信息的修改,多采用查詢方式讀取鍵值; (4) 單色LCD 圖形液晶,為用戶提供了人機界面,但顯示畫面不好; (5) 實時時鐘芯片,為儀表提供標準的實時時間; (6) FLASH 芯片,為歷史數據的存儲提供空間,但由于CPU 的尋址空間為64KB ,數據總線寬度為8 位,因此對該芯片的操作不方便,而且讀寫數據時間較長; (7) 電源,由于擴展的外部芯片較多,所以功耗較大; (8) 采樣模塊,對外部信號進行AD 轉換和必要的數據處理。
3 　基于嵌入式系統的無紙記錄儀的外部特性該系統以嵌入式芯片AT91M55800A 為核心,并輔以大容量的FLASH存儲技術、信號智能調理和高分辨率的圖形液晶顯示器,具有體積小、通道數多、功耗低、實時性強、精度高、運行穩定等特點。其優勢在于:
(1) 采用320 ×240 點陣的高清晰度圖形液晶控制器,具有豐富的圖形和文字顯示畫面,最大程度地反應記錄儀工作的現場工業信息。
(2) 采用超大容量的FLASH 存儲技術,無需后備電池,斷電時能夠保存記錄的數據,而且存儲容量高達128Mbit ,最長記錄時間可達30 年之久。
(3) 記錄方式多樣化。可分為等間隔記錄和事件記錄。
(4) 采樣模塊為萬能輸入模塊。即在不必更換任何器件或進行任何硬件設置下,就可以實現對熱電阻、熱電偶、II/ III 型標準信號的采樣。
(5) 豐富的軟件算法。具有多種溫壓補償算法,實現對各種氣體的開放和線性補償算法。
(6) 開發投入少。由于AT91M55800A 具有在線仿真單元( ICE) ,因此,只需一條并口的JTAG線,便可實現對系統的仿真、調試和程序的燒錄,從而減少了購買仿真器和編程器的費用。
4 　基于AT91M55800A 無紙記錄儀的硬件設計AT91M55800A 是ATMEL 公司基于ARM7TDMI微處理核的32 位嵌入式RISC 處理器,具有體積小、功耗低、成本低、性能高等優點,并具備16 位與32位雙指令集。芯片支持在片ICE( In - Circuit Emula2tion) 功能,可直接通過芯片上的JTAG口與PC 機通信,從而實現JTAG仿真功能和FLASH 程序存儲器的燒寫。AT91M55800A 具有完全可編程的EBI ( Ex2ternal Bus Interface) 接口,提供與外部存儲器和外圍器件的擴展接口,配置極為方便。具有8 級優先級的中斷,中斷源極為豐富, PDC( Peripheral Data Con2troller) 功能使得串行口在大塊數據傳送時,不需要處理器的干預, 從而保證了系統的實時性。AT91M55800A 提供30MIPS 的處理能力,這使得它相對于8 位MCS251 系列處理器在速度上有很大的
優勢。58 根可編程的IO 引腳提供豐富IO 資源。另外,AT91M55800A 還具有SPI 接口、8 路10 位的AD轉換器、2 路10 位的DA 轉換器、RTC 功能、WDT 功能和高級電源管理功能(APMC) 。利用AT91M55800A 豐富的接口資源和靈活的擴展功能,設計出如圖1 所示的硬件結構框圖。4. 1 　AT91M55800A與外部存儲器的接口無紙記錄儀的外部存儲器包括:用于數據緩存的外部SRAM、存放程序的ROM、存放實時數據的外部FLASH 以及保存組態信息的非易失性NvRAM。其與AT91M55800A 的接口電路基本相同,而且CPU芯片具有8 個片選線和24 位地址線,每片最大尋址可達16M,因此外部擴展空間可達128M,可以滿足系統外圍器件的要求。圖2 描述了AT91M55800 與外部SRAM的接口。圖2 　AT91M55800A與SRAM的接口由于程序仿真時需要下載到外部SRAM 運行,以及該芯片對外部芯片速度的要求, 所以選用UTRON 公司高速16 位數據總線的靜態大容量SRAM:UT61L25616 ,其讀取速度達10ns ,完全滿足此高速CPU 的要求,而且存儲空間為512KB ,也可以滿足程序仿真的要求。程序存儲器選用ATMEL 公司的FLASH:AT29LV1024 ,存儲容量為128KB。當系統上電后,CPU 從與NCS0 相連的存儲器開始執行指令,因此程序FLASH 的片選線必須與NCS0 相接。存放數據的FLASH選用Intel 公司的28F640j3 ,存取空間為64Mbit ,其存取速度為120ns ,通過配置EBI的等待周期為5 ,就可以實現CPU 與它的時序匹配。存放無紙記錄儀的通道組態信息,選用非易失性RAM:HK1225 ,其容量為8KB ,同樣通過配置EBI 的等待周期,就可以實現CPU 和它的時序匹配。
4. 2 　AT91M55800A與LCD 接口選用16 色的彩色圖形液晶,其點陣為320 ×240 ,考慮到LCD 控制器的工作電壓為5V ,而主CPU的工作電壓為3. 3V ,因此采用74HCT164245 對數據總線進行電平轉換。LCD 控制器與主CPU 的接口包括8 位數據總線和WR、RD、A0、CS、RST等控制線,為了與LCD 控制器的總線存取速度匹配,需要設定EBI 的等待周期為5 ,硬件接口如圖3 所示。液晶的操作主要包括寫命令和寫數據兩個函數,下面是這兩個函數的源代碼,其中0x04000000是LCD 控制器緩沖區地址空間的首地址。
# define LCDCOM ( (uchar 3 ) 0x04000000 )
# define LCDDATA ( (uchar 3 ) 0x04000001 )
/ / 寫命令函數
void wcom(uchar com)
{
uchar 3 p - lcdc ,temp ;
p - lcdc =LCDCOM;
temp = com;
3 p - lcdc = temp ;
}
/ / 寫數據函數
void wdata (uchar dat)
{ 　uchar 3 p - lcdd ,temp ;
p - lcdd =LCDDATA ;
temp = dat ;
3 p - lcdd = temp ;
}
4. 3 　AT91M55800A與鍵盤接口
由于用戶對無紙記錄儀的操作比較簡單,鍵盤設置了5 個鍵,分別為左鍵、右鍵、上鍵、下鍵和確任鍵,與AT91M55800A 的PA 口直接相接,接口電路,如圖4 所示。主CPU 通過定時掃描PA 口來讀取鍵值,為了消除按鍵抖動造成的鍵值錯判,不僅開啟了PA 口的濾波功能,而且在軟件上采取延時判別來保證鍵值的準確性。圖4 　鍵盤與AT91M55800 的接口電路記錄儀的許多參數需要用戶通過鍵盤操作來設置,為了加快用戶對參數的設置,軟件設計上進行了加速處理,鍵被按下的時間越長,單位時間內參數變化量就越大。因此如果需要設置的參數比較大,用戶可以首先按下鍵不松,使參數值迅速接近設定值,然后再小步距調整。
4. 4 　與采樣模塊的通信
信號的采樣和調理功能集成在一個采樣模塊上,主CPU 通過與采樣模塊通信來讀取信號采樣值以及對采樣模塊進行設置,這樣不僅降低了硬件設計的復雜度,而且使得采樣通道配置十分靈活。同時在串行通信中使用了PDC 功能,只需告訴CPU 數據包的首地址和長度,就可以在不需CPU 的干預下實現數據的通信,從而增強了整個儀表的實時性,接口如圖5 所示。
4. 5 　實時時鐘( RTC)
AT91M55800A 具有片上實時時鐘,通過專用的32. 768kHz 晶振電路和外接電池,使得系統在斷電的情況下,仍然保持準確的實時時間,這樣就為記錄儀的數據記錄提供了精確的時間基準,保證了記錄的準確性和數據處理的可靠性。同時省去了外部時鐘芯片,減小了PCB 板的面積,降低了成本。
4. 6 　儀表安全性設計
為了保證記錄數據的正確性和完整性,以及整個儀表運行的可靠性,采用MAX706 實現對電源的監控、硬件WDT和系統的復位功能。通過調節電源的監控電壓, 使系統電壓在低于2. 7V 時進入AT91M55800 的快中斷(Fast Interrupt) ,迅速對重要數據進行保護。其次,AT91M558000 具有自帶的WDT功能,在程序初始化時將WDT 初始化,主循環中不斷清除WDT的溢出寄存器,從而在軟件和硬件上雙重保證了整個儀表運行的可靠性。
5 　基于AT91M55800A 的無紙記錄儀的軟件設計
5. 1 　引導程序與MCS251 系列單片機不同的是,AT91M55800A上電后要先執行一段BOOT 程序,用于對各個外部接口進行配置。AT91M55800A 上電時的工作頻率為32. 768kHz ,即實時時鐘作為系統的工作時鐘。為此,在BOOT 程序中,首先應開啟系統主振,然后根據需要是否進行倍頻,最后將系統工作時鐘切換到主時鐘上使ARM核到達正常工作頻率。接著,完成初始化EBI ,存儲中斷向量到內部的RAM,初始化變量和分配系統堆棧。最后,通過跳轉指令轉向主程序。由于BOOT 程序要對AT91M55800 中的寄存器操作以及分配堆棧,這樣很難用C 語言直接操作,因此BOOT 程序一般用匯編語言編寫。
5. 2 　主程序
主程序用C 語言編寫,使得程序有較強的可讀性和可移植性。程序結構上按功能模塊編寫,大致分為以下幾個模塊: (1) 系統的自檢,每次上電時對儀表的所有芯片進行測試,保證儀表的正常工作。(2) 系統初始化,主要完成對串口、定時器、IO 口、鍵盤以及液晶的初始化。(3) 通信處理,與采樣模塊通信,實現對各個采樣通道的數據采集并對相應的輸出通道發送控制信號。(4) 數據處理,由于從采樣通道獲取的采樣數據是AD 采樣的數值,并非工程值,因此還要對通信處理后的數據進行工程量化和算法處理。(5) 鍵盤處理,實現菜單操作,界面切換以及參數設置。(6) 液晶顯示程序,將采樣通道的數據實時顯示在LCD 屏上。(7) 數據存儲,將數據處理后的各個通道的數據存儲到超大容量flash 中。整個程序的流程圖,如圖6 所示。
圖6 　主程序流程圖
6 　結束語
基于AT91M55800A 的無紙記錄儀已經研制成功,并且已經在工業現場使用,證明了其硬件設計和軟件設計的合理性和正確性。相信隨著嵌入式系統的發展和嵌入式ARM 芯片在工業現場儀表上的不斷應用,功能更加強大的新型工業智能儀表將層出不窮。
參考文獻:
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