基于LM3S8970的信號(hào)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展呈現(xiàn)智能化、數(shù)字化、聯(lián)網(wǎng)化的趨勢(shì)。工控信息傳遞方式的多樣化使得各種有線、無線通訊連接方式的應(yīng)用更加廣泛和深入。將工業(yè)控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)引入到地鐵運(yùn)行安全監(jiān)控中，可以提高地鐵運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和快速性。然而，各種信息通訊接口的不同勢(shì)必影響系統(tǒng)不同模塊間的兼容性和信息通訊的準(zhǔn)確性、靈活性。

綜上，文章從信號(hào)傳輸兼容性出發(fā)，設(shè)計(jì)了更強(qiáng)功能基于LM3S8970的信號(hào)轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器對(duì)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行優(yōu)化處理，把經(jīng)過交換處理的數(shù)據(jù)更快的傳輸?shù)礁h(yuǎn)的交換器或中心站。使信號(hào)的傳輸距離由傳統(tǒng)的5 km提高到10 km。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在轉(zhuǎn)換器中，用于連接地下以太網(wǎng)終端設(shè)備，各終端設(shè)備可以通過轉(zhuǎn)換器相互傳輸數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換器可接一路光纖、2路RJ45的網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備、兩路CAN總線設(shè)備、1路485總線設(shè)備;轉(zhuǎn)換器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，把經(jīng)過交換處理的數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁h(yuǎn)的轉(zhuǎn)換器或者中心站。如圖1為轉(zhuǎn)換器外圍設(shè)備框圖。

1.1 系統(tǒng)組成

轉(zhuǎn)換器主要由電源模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換板、電源充電板、電池組、等各功能模塊組成。轉(zhuǎn)換器具有雙向通信及工作狀態(tài)指示功能，電源指示功能，自診斷和故障指示功能，具有備用電源功能。

1.2 ARM Cortex—M3內(nèi)核與微控制器LM3S8970

Cortex—M3內(nèi)核處理器是ARM公司面向低成本應(yīng)用領(lǐng)域研發(fā)出的32位處理器。該處理器高度集成了外設(shè)，與內(nèi)核組成一個(gè)片上系統(tǒng)(So C)。Cortex—M3內(nèi)核結(jié)合了Thumb-2指令32位哈佛微體系結(jié)構(gòu)，提高了代碼密度，比32位編碼減少了約26%內(nèi)存使用率，較16位編碼提高了約25%性能，通過降低系統(tǒng)工作時(shí)鐘頻率，降低了功耗和研發(fā)成本。并且內(nèi)核應(yīng)用了Tail-Chaining中斷技術(shù)，該技術(shù)把中斷之間的延遲縮短到6個(gè)機(jī)器周期，在實(shí)際應(yīng)用中可減少約70%中斷。

系統(tǒng)核心控制器選用TI公司基于ARM Cortex—M3內(nèi)核的LM3S8970工業(yè)級(jí)微控制器，工作溫度范圍是-40～85 ℃，控制器具有較好電磁兼容特性，可應(yīng)用于地鐵安全監(jiān)控系統(tǒng)中。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 核心處理單元

設(shè)計(jì)核心處理單元包括ARM處理器及外圍電路。硬件組成結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。LM3S8970的優(yōu)勢(shì)在于能夠方便的運(yùn)用多種ARM開發(fā)工具和片上系統(tǒng)底層IP應(yīng)用方案。

2.2 通信處理單元及存儲(chǔ)單元

通信處理單元包括CAN通信處理單元和485通信處理單元。CAN通信處理單元包括光耦隔離器6N137和CAN收發(fā)器SN65HVD1050。單片機(jī)發(fā)出的信號(hào)通過光耦隔離，高電平信號(hào)經(jīng)過上拉，低電平信號(hào)下拉處理后連接到CAN收發(fā)器的TXD引腳，經(jīng)過濾波后接到外部CAN接收器上。外部CAN信號(hào)經(jīng)過濾波、限壓處理后連接到CAN收發(fā)器的CANH，CANL引腳，通過光耦隔離后輸入到LM3S8970中。

如圖3所示。處理單元中采用二極管保護(hù)器件D403，D404保證CAN傳輸信號(hào)不低于-0.7 V，瞬態(tài)抑制二極管D407、D408保證CAN信號(hào)不高于6 V。提高了信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定與正確性。485通信處理單元采用RS-485收發(fā)器ADM2483，該收發(fā)器電氣數(shù)據(jù)隔離電壓2 500 V，最高數(shù)據(jù)速率500 Kbps，最多掛接節(jié)點(diǎn)256個(gè)，提高了數(shù)據(jù)通信的安全性、快速性和后續(xù)性。如圖4所示。存儲(chǔ)單元采用串行SPI大容量16Mbit Flash存儲(chǔ)器SST25VF016B，主要存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)地址，接口電路如圖5所示。

2.3 電源及備用電源單元

設(shè)計(jì)內(nèi)部采用AC/DC電源模塊，在外部設(shè)備供電時(shí)給主板提供24 V直流電源通過LM2596變換為5 V，再通過SPX1117—3.3變換為3.3 V供電，如圖6所示;在電池組電量不足時(shí)，24 V直流電源通過充放電路板給電池組充電。在外部電源停電時(shí)直接切換到備用電源供電，如圖7所示。備用電源電路采用以CN3718為核心的電源管理電路給10節(jié)鎳氫電池充電，保證在外部電源掉電的情況下還能維持系統(tǒng)工作2小時(shí)，大大提高了監(jiān)控系統(tǒng)工作的安全性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 RealView MDK簡(jiǎn)介

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用RealView MDK集成開發(fā)環(huán)境。RealView MDK集成了業(yè)內(nèi)最領(lǐng)先的技術(shù)，包括μVision3集成開發(fā)環(huán)境與RealView編譯器，支持最新的Cortex—M3核處理器，能夠自動(dòng)配置啟動(dòng)代碼，集成Flash燒寫模塊。與ARM之前的工具包ADS等相比，RealView編譯器可將性能改善超過20%。

3.2 LwIP協(xié)議棧應(yīng)用

LwIP是Light Weight(輕型)IP協(xié)議，有無操作系統(tǒng)的支持都可以運(yùn)行。LwIP協(xié)議棧主要關(guān)注的是怎樣減少內(nèi)存的使用和代碼的大小，以便讓LwIP適用于例如嵌入式系統(tǒng)等資源有限的小型平臺(tái)。LwIP實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對(duì)RAM的占用，它只需十幾Kb的RAM和40Kb左右的ROM就可以運(yùn)行。并且LwIP提供的一組應(yīng)用程序編程接口函數(shù)很容易用于應(yīng)用程序調(diào)用。在本設(shè)計(jì)中使用LwIP協(xié)議棧十分合適。

3.3 系統(tǒng)工作軟件流程圖

系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示，包括引腳配置、MAC地址初始化、工作模式選擇等。

4 系統(tǒng)性能分析

由于地下環(huán)境的復(fù)雜性，系統(tǒng)經(jīng)過一系列沖擊、高溫、低溫、振動(dòng)試驗(yàn)。經(jīng)測(cè)試，在試驗(yàn)中系統(tǒng)工作穩(wěn)定，信號(hào)傳輸性能如下：

1)轉(zhuǎn)換器通過光纜通信

a)傳輸方式：主從、半雙工;

b)傳輸速率：1 000 Mbps;

c)發(fā)射光功率：≥-10 dBm;

d)接收靈敏度：≤-20 dBm;

e)最大傳輸距離：10 km;

2)轉(zhuǎn)換器通過CAN總線通信

a)傳輸方式：主從式、異步、半雙工、CAN總線;

b)傳輸速率：5 kbps;

c)通信信號(hào)峰-峰值電壓：(0～5)V;

d)通信信號(hào)峰值電流：≤40 mA;

e)最大傳輸距離10 km(串入一臺(tái)中繼器);

3)轉(zhuǎn)換器通過485總線通信

a)傳輸方式：主從式、異步、半雙工、485總線;

b)傳輸速率：9 600 bps;

c)通信信號(hào)峰-峰值電壓：(0～5)V;

d)通信信號(hào)峰值電流：≤40 mA;

e)傳輸距離2 km;

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的信號(hào)轉(zhuǎn)換器采用了先進(jìn)的ARM Cortex—M3內(nèi)核的LM3S8970處理器，并創(chuàng)新性的將使用充電電池作為信號(hào)轉(zhuǎn)換器的備用電源供電。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)信號(hào)傳輸快速，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可以適用于地下的復(fù)雜工作環(huán)境，具有良好的應(yīng)用前景。