EPA主控卡的硬件设计与驱动开发

　　引言

　　EPA(Ethernet for Plant Automation)系统包括工作站、控制站、网络设备、现场设备以及通信介质等部分，而控制站是整个系统的核心。最主要的硬件平台，由EPA主控卡、I/O子系统、电源以及附属设备等构成。EPA主控卡是控制站中的主要设备，它连接在整个以太网，与上层组态软件、网络设备进行信息交互，实现控制系统的开放性和可互操作性;与下层各种协议模块连接、通信，并实现对模块的控制策略。EPA主控卡是依据EPA标准设计的，对EPA的应用推广具有重要作用。

　　1 EPA主控卡功能介绍

　　根据图1所示的EPA系统网络拓扑结图可知，EPA主控卡是一个符合EPA协议的现场设备，它将和其他的EPA现场设备一样，参与整个EPA网络组态、互操作、确定性调度等。EPA主控卡是连接各种协议的底层设备、I/O模块与上层软件的平台。模块和主控卡之间通过自定义的接口进行数据交换。因此，主控卡需要实现以下基本功能：

　　①信息转发功能。通过组态工作站完成信息的上载、显示、处理、发布以及下载。

　　②过程测量与控制。主控卡向I/O、总线模块传递数据采集命令/控制信息、这些模块作为应答向主控卡传送的过程变量测量数据以及其状态(好/坏)、设备状态信息等，并报告给监控层网络。

　　③管理功能。实现对现场总线模块、I/O模块的控制、管理。在系统运行过程中，对控制区域的模块进行自动识别、管理，并为其分配地址、空间，同时将新模块设备描述信息向上层组态软件报告。

　　④总线供电。主控卡总线供电功能，保证主控卡稳定工作。接入主控卡的线缆不仅能传送数据信号，还能给主控卡提供工作电源。

　　2 EPA主控卡硬件总体方案

　　根据主控卡功能需求分析，硬件部分主要有5大模块：CPU控制模块、以太网通信模块、USB主机模块、总线供电模块以及存储模块。图2为EPA主控卡硬件设计原理框图。其中CPU控制模块主要实现特定网络接口功能及执行相关控制信息;以太网PHY收发器KSZ8041NL和CPU内部集成的以太网控制器一起组成以太网通信模块，实现EPA主控卡的以太网接入和网络信息数据传输;

　　USB模块由CPU内部集成的USB主机控制器和外围电路构成，实现USB设备的热插拔、即插即用以及信息交换;总线供电模块RJ45接口在提供数据通信的同时还为现场设备提供总线供电;存储模块主要作为程序存储空间和内存。结合CPU特性，以太网PHY收发器采用RMII连接，存储模块通过总线连接。

　　2.1 ARM微处理器

　　CPU选用基于ARM7TDMI—S核的微处理器LPC2478，其运行频率高达72 MHz，具有高性能的32位RISC结构、16位的指令集，具有低功耗等特点。它的内部资源丰富，包括1个10/100M以太网媒体访问控制器(MAC)、1个带4 KB终端RAM的USB全速设备/主机/OTG控制器、4个U1AR-T、1个SPI接口、512KB片上Flash程序存储器。同时还带有1个4 MHz的片内振荡器、98 KB RAM(包括64 KB局部SRAM、16 KB以太网SRAM)以及1个外部存储器控制器(EMC)来支持上述的各种串行通信接口。这些特性使得它非常适用于通信网关和协议转换器，为多种类型的通信应用提供了理想的解决方案。