基于ARM9的RTU設(shè)計(jì)

對(duì)于數(shù)字量輸入，可在輸入端加入適當(dāng)?shù)臑V波電容、自恢復(fù)保險(xiǎn)絲、壓敏電阻、整流二極管和電阻等元件組成的電路，然后和光耦隔離器PS2801串聯(lián)。值得注意的是，和光耦隔離器串聯(lián)的電阻R3、并聯(lián)的電阻R4選取要恰當(dāng)，通過(guò)調(diào)整其電阻值，可以得到合適的輸入電壓閾值。數(shù)字量輸入電壓通過(guò)光耦隔離之后，轉(zhuǎn)換為合適的電壓信號(hào)至MCU?？紤]到數(shù)字量輸入可為開(kāi)關(guān)量輸入和脈沖信號(hào)輸入，應(yīng)選用MCU的外部中斷功能引腳作為數(shù)字量輸入管腳，這樣MCU才能及時(shí)響應(yīng)數(shù)字量輸入。
對(duì)于數(shù)字量輸出(電壓輸出)，MCU通過(guò)光耦隔離器PS2801控制固態(tài)繼電器VN3401SP的輸出。數(shù)字量輸出可分為開(kāi)關(guān)量輸出和脈沖輸出。對(duì)于開(kāi)關(guān)量輸出，可以通過(guò)MCU的普通GPIO引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)控制；對(duì)于脈沖輸出，可以使用MCU的PWM引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。
1．3 模擬量輸入模塊
當(dāng)MCU內(nèi)部集成的ADC不能滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求時(shí)，需要外加一個(gè)滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的ADC，外部ADC采集的數(shù)據(jù)可以通過(guò)多種總線(xiàn)傳輸?shù)組CU(如IIC、SPI等)。

該RTU具有8路模擬量輸入，模擬量輸入原理圖如圖3所示。模擬量輸入范圍為直流4～20 mA或0～5 V，采用TI公司的ADS7952(采樣頻率為1 MHz，12位分辨率，20 MHz的SPI串行接口)，在模擬量輸入前端加入適當(dāng)?shù)恼{(diào)理電路(由濾波電容、自恢復(fù)保險(xiǎn)絲、TVS管、精密電阻、高速運(yùn)放、穩(wěn)壓管等元件組成的電路)，ADS7952的數(shù)據(jù)傳輸采用SPI總線(xiàn)傳輸，在ADC和MCU的SPI總線(xiàn)上加上一個(gè)磁耦隔離器ADuM1401，注意磁耦隔離器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率要大于SPI的傳輸波特率。
1．4 通信模塊
新型RTU具有強(qiáng)大的通信組網(wǎng)能力，并且兼容多種通信方式，如TCP／IP、RS232、RS485通信等等。該RTU有1個(gè)RS232通信接口、1個(gè)RS4 85通信接口和1個(gè)以太網(wǎng)接口。其中，RS232通信接口還可以外接一個(gè)ZigBee模塊，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
MCU的UART端口通過(guò)磁耦隔離器ADuM1402分別與RS232收發(fā)器MAX3232E和RS485收發(fā)器SN65HVD-1176D相連。由于RS232／RS485通信均為有線(xiàn)通信，在惡劣的環(huán)境下，例如通信電纜受到雷擊干擾，收發(fā)器可能由于過(guò)壓而燒壞，甚至?xí)绊慚CU的正常工作，所以應(yīng)該在收發(fā)器接線(xiàn)端子上加上合適的防雷保護(hù)電路。防雷保護(hù)電路可以分為三層保護(hù)：第一層用三個(gè)玻璃放電管組成一個(gè)三角形電路作為一級(jí)保護(hù)，可以把雷擊電壓降到數(shù)百伏；第二層用耐高壓的TVS管，可以把傳輸線(xiàn)上的電壓降到數(shù)十伏；第三層加上適當(dāng)?shù)碾姼谢虮ｋU(xiǎn)絲，用于進(jìn)一步保護(hù)收發(fā)器。RS232／RS485通信模塊的結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示。

MCU通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)、地址總線(xiàn)、若干控制信號(hào)線(xiàn)與以太網(wǎng)控制器DM9000相連，以太網(wǎng)控制器的兩對(duì)差分信號(hào)線(xiàn)接到合適的網(wǎng)絡(luò)變壓器上，同時(shí)為了保護(hù)以太網(wǎng)控制器，在網(wǎng)絡(luò)變壓器跟RJ45網(wǎng)口之間加入一個(gè)合適的ESD保護(hù)電路，可以消除外部環(huán)境的影響。以太網(wǎng)通信模塊圖工作原理如圖5所示。