基于嵌入式技術(shù)的MultiBus－CPU模塊設(shè)計(jì)

引 言

　　MultiBus-CPU模塊是基于AT91RM9200微控制器的智能化多總線測(cè)控模塊。該CPU模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的控制，并建立基于Modbus-RTU總線協(xié)議的總線通信體系結(jié)構(gòu)，讓系統(tǒng)設(shè)備可以無(wú)縫接入基于Modbus-RTU模式的總線系統(tǒng)，可靠、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)輸出等功能；同時(shí)，提供標(biāo)準(zhǔn)視頻接口用于顯示16位色圖像，提供標(biāo)準(zhǔn)音頻輸入輸出接口用于實(shí)現(xiàn)錄放音功能。該模塊作為嵌入式開發(fā)環(huán)境的核心，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的交互操作和顯示、海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、多串口、多USB口、音頻信號(hào)輸入輸出、以太網(wǎng)口等接口；運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，可以快速搭建面向應(yīng)用的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。

1 MultIBus-CPU模塊軟件設(shè)計(jì)方案

　　為了滿足實(shí)際應(yīng)用對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，MultiBus-CPU模塊軟件采用了Linux 2.6.21操作系統(tǒng)。其中，Linux 2.6的內(nèi)核任務(wù)可以被搶占，這一特性使得Linux 2.6內(nèi)核適用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)中。驅(qū)動(dòng)程序在Linux環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)，應(yīng)用層采用標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議——Modbus協(xié)議，控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中監(jiān)控。通過(guò)一致的Modbus接口，MultiBus-CPU模塊與擴(kuò)展下位機(jī)均可作為對(duì)等設(shè)備在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行對(duì)話，使得各個(gè)設(shè)備無(wú)縫接人到工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中。MNtiBus-CPU模塊支持現(xiàn)階段工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中最常用的以太網(wǎng)(UDP)通信及RS485通信協(xié)議。因此，本模塊在與其他功能模塊進(jìn)行通信時(shí)，采用Modbus-RTU數(shù)據(jù)通信方式，利用以太網(wǎng)(UDP)／RS485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，實(shí)現(xiàn)對(duì)各功能模塊的集中監(jiān)控。軟件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 MultiBus-CPU模塊硬件設(shè)計(jì)方案

　　硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。MultiBus-CPU模塊選用Atmel公司的AT91RM9200為主處理器，融合了ARM920T ARM Thumb處理器。其工作于180 MHz時(shí)性能高達(dá)200 MIPS；具備存儲(chǔ)器管理單元，可以運(yùn)行Linux等實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；具備10／100 Base-T型以太網(wǎng)卡接口，只需外擴(kuò)一個(gè)PHY即可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信；具備USB 2.0全速(12 Mb／s)主機(jī)雙端口，可以擴(kuò)展鍵盤、鼠標(biāo)、U盤等標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)。

　　主處理器AT91RM9200具備5個(gè)串口：1個(gè)DEBUG串口，設(shè)計(jì)為RS232接口，可以直接連接PC的串口進(jìn)行調(diào)試；1個(gè)RS485接口，可以與其他功能模塊的RS485接口組成網(wǎng)絡(luò)；其余3個(gè)串口均設(shè)計(jì)為RS232接口。

　　通過(guò)CPU模塊的外部總線和Epson公司的S1D13506顯示芯片擴(kuò)展了一個(gè)VGA接口，分辨率為640×480，256色。IS41LVl6100為其提供獨(dú)立顯存，容量為1M×16位，支持EDO PAGE模式。

　　GL850A芯片是一個(gè)低功耗的USB 2.0 HUB控制器，AT91RM9200本身的USB HOST接口通過(guò)GL850A芯片擴(kuò)展為4個(gè)USB HOST接口。

　　DS3231是精度非常高的I2C集成實(shí)時(shí)時(shí)鐘。其精度在0～40℃內(nèi)高達(dá)±2 ppm，在-40～85℃內(nèi)精度可達(dá)±3.5ppm；板載電池，掉電后可以保持時(shí)間；可為系統(tǒng)提供秒、分、小時(shí)、日、日期、月、年等信息，具有自動(dòng)閏年調(diào)整功能。

　　WM8731是一個(gè)低功耗網(wǎng)絡(luò)音頻編解碼器(CODEC)，具有輸出功率放大器和可編程采樣速率設(shè)定功能。WM8731芯片通過(guò)I2S接口與CPU連接，為CPU模塊擴(kuò)展了音頻信號(hào)的輸入輸出接口，使系統(tǒng)具備音頻采樣功能，音頻信號(hào)數(shù)字化后可以通過(guò)以太網(wǎng)傳送。

　　DM9161為10／100M快速以太網(wǎng)物理層單芯片收發(fā)器，H1102為網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器，用于實(shí)現(xiàn)10／100M自適應(yīng)的可靠網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。

　　MultiBus-CPU模塊通過(guò)增加顯示控制芯片及其驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了顯示接口，系統(tǒng)運(yùn)行信息可以直接通過(guò)VGA顯示器顯示出來(lái)，大大提高了人機(jī)交互的可操作性。

3 顯示模塊硬件設(shè)計(jì)方案

　　3.1 接口芯片選擇

　　接口芯片選用Epson公司生產(chǎn)的大規(guī)模顯示控制器S1D13506。它是以SEDl354控制器為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的具有更多功能的LCD顯示控制器，支持全類型、大規(guī)模的LCD及CRT／TV顯示器。S1D13506內(nèi)置RAMDAC(Random Access Memory Digital-to-Analog Converter，隨機(jī)數(shù)模轉(zhuǎn)換記憶體)硬件X-Y軸轉(zhuǎn)置二維加速器，共有114個(gè)寄存器，可以靈活地設(shè)置各種不同的顯示方式。

　　3.2 接口硬件設(shè)計(jì)