基于无线网络的嵌入式控制器设计

　　随着工业控制系统的日趋复杂以及对实时性和稳定性要求的不断提高,传统的以8位单片机为内核的控制器难以满足工业控制的需求。随着微处理器性能不断提高和存储空间的不断扩展,使得片上系统的嵌入成为可能。嵌入式系统以应用为中心、以计算机技术为基础以及软件硬件可裁剪,满足了对系统功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专有计算机系统[1]的需求。文中设计的嵌入式控制器采用以ARM7TDMI为内核的微处理器,配置μC/OS-II操作系统,使嵌入式控制器可以在一个外部无线网络模块的支持下方便地组成无线控制网络。无线控制网络的优越性在降低布线成本、提高控制节点灵活性[2]的同时,实现了操作人员在机房控制室就可以对现场控制参数进行远程控制及修改。

　　1　嵌入式控制器的设计

　　嵌入式控制器设计的关键问题是保证可靠性和实时性。文中选择了工业级别的高性能LPC2114作为控制器的CPU,使用光电隔离器TLP521-4实现控制器8路开关量输入输出的电气隔离,这样有效提高控制器的抗干扰能力。采用ADS7805芯片完成对2路、4~20mA/1~5V模拟量的16位A/D转换;以及使用周立功公司出品的ZLG7290完成对键盘及LED的驱动等。为了使嵌入式控制器的多个功能模块之间相互配合,设计中将实时操作系统μC/OS-II移植到嵌入式控制器中,以管理各个功能模块,从而使得系统的结构更加清晰。μC/OS-II操作系统所具有的可抢占内核和基于优先级的调度策略,有效保证了系统的实时性。

　　1.1　嵌入式控制器的硬件设计

　　图1的嵌入式控制器主要由电源、信号采集和处理单元、CPU、显示、键盘、开关量输入输出单元、通行接口单元等几部分组成。

　　1.1.1　微处理器单元LPC2114　LPC2114是基于支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器,并带有128字节的高速Flash存储器。LPC2000系列所具备独特的加速结构,使得32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式,将代码规模降低超过30%,而性能的损失却很小。由于LPC2114采用较小的64脚封装、极低的功耗、有多个32位定时器、4路10位ADC以及多达9个外部中断,使它们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和POS机,而且最多可使用46个GPIO。由于内置了宽范围的串行通信接口,它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软Modern以及其他各种类型的应用[3]。

　　1.1.2　电源模块　由于LPC2114具有高速和低功耗的性能,使其对电源的稳定性和可靠性提出了更高的要求。电源模块LPC2114的内核工作电压为1. 8 V, I/O操作电压为3. 3 V;而且使用低功耗正向调节器SPX1117,分别将5 V DC转换为1. 8 V DC、3. 3 V DC。