基于LPC2378的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹了以LPC2378微處理器為核心的數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)，給出了各模塊、接口和軟件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：LPC2378；數(shù)據(jù)采集；模塊功能

引言

　　在工業(yè)控制系統(tǒng)中，為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制，除了控制單元和執(zhí)行單元外，還必須有反饋環(huán)節(jié)。在反饋環(huán)節(jié)中，最重要的就是對(duì)數(shù)據(jù)的采集和處理。一般的工業(yè)控制中，數(shù)據(jù)有很多種形式，最常見(jiàn)的有電流、電壓的模擬量、以二進(jìn)制形式輸入的開(kāi)關(guān)量以及以脈沖形式輸入的脈沖信號(hào)。

　　本文主要討論了以LPC2378微處理器為核心的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　以NXP公司LPC2378為核心構(gòu)成的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該控制系統(tǒng)主要包括：嵌入式主控模塊、電源控制模塊、數(shù)據(jù)采集和處理模塊(A/D、D/A、R/D)、串口擴(kuò)展模塊(SC16C554)。由主控模塊進(jìn)行控制，其他模塊協(xié)同工作，共同實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理的功能。處理器和CPLD模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它控制各模塊間的協(xié)同工作；電源控制模塊負(fù)責(zé)為芯片提供所需要的工作電壓，并對(duì)電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)提供系統(tǒng)的復(fù)位功能；數(shù)據(jù)采集和處理模塊由A/D、D/A、R/D構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的數(shù)模或模數(shù)轉(zhuǎn)換；串口擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)了與LPC2378之間數(shù)據(jù)的串、并行轉(zhuǎn)換，并完成與上位機(jī)的通訊功能。

圖1 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)框圖

　　SC16C554擴(kuò)展出4路UART接口，波特率等底層協(xié)議由程序獨(dú)立設(shè)置，每個(gè)通道具有16字節(jié)的FIFO，兼容16C550。通過(guò)線路板接插件引入2組外部雙口RAM的存取接口，符合IDT7130的時(shí)序要求，數(shù)據(jù)、地址及控制信號(hào)等驅(qū)動(dòng)。為方便客戶(hù)未來(lái)的擴(kuò)展應(yīng)用，系統(tǒng)向外部預(yù)留2組CAN總線接口。系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)2路A/D，2路D/A，2路R/D；并預(yù)留12位IO控制口，每位可單獨(dú)設(shè)置為輸入或輸出。

硬件設(shè)計(jì)

　　主控模塊

　　該模塊由LPC2378和CPLD (EPM7128AE)構(gòu)成。LPC2378是一款基于ARM7TDMI-S核的高性能32位 RISC微處理器。處理器帶有Thumb指令擴(kuò)展；主頻高達(dá)72MHz；片內(nèi)集成512KB Flash，支持ISP及IAP，58KB SRAM，PLL加強(qiáng)型矢量中斷控制器，10/100M以太網(wǎng)帶DMA，USB2.0全速設(shè)備接口，2路CAN 2.0接口，通用DMA控制器，4個(gè)UART接口，1個(gè)具有全功能Modem的接口，3個(gè)I2C串行接口，3個(gè)SPI/SSP串行接口，一個(gè)I2S接口，SD/MMC記憶卡接口，8路10位 ADC，1路10位DAC，4個(gè)32位捕獲/比較時(shí)鐘，看門(mén)狗時(shí)鐘，PWM模塊支持3相馬達(dá)控制，RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘帶可選后備電池，通用I/O等。CPLD主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的譯碼工作，從而為系統(tǒng)中的某些芯片產(chǎn)生片選和控制信號(hào)。

　　電源控制模塊

　　通過(guò)接插件向線路板提供±15V、±12V、＋5V的直流電源。由于系統(tǒng)中大多數(shù)芯片的工作電壓均為3.3V或5V，故選擇的電源電壓調(diào)節(jié)器為T(mén)PS76633，它能對(duì)外提供3.3V的電壓及250mA的電流，且誤差在3%以?xún)?nèi)。為了使系統(tǒng)能穩(wěn)定的工作，抑制信號(hào)線、電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾，需要使用磁珠進(jìn)行系統(tǒng)的模數(shù)隔離。

　　系統(tǒng)工作時(shí)，會(huì)經(jīng)常要求進(jìn)入復(fù)位工作狀態(tài)，所以，系統(tǒng)的復(fù)位電路必須能準(zhǔn)確、可靠地工作。這里的復(fù)位電路采用LTC1326芯片，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低電平復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位功能。LTC1326能夠在有多種電壓供電的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)3種電壓的監(jiān)控功能。為了提高芯片的抗干擾能力，應(yīng)給每個(gè)Vcc引腳接一個(gè)0.1μF的對(duì)地旁路電容。

　　數(shù)據(jù)采集和處理模塊

　　·A/D接口電路
　　LPC2378本身提供有8路10位ADC和1路10位DAC，而該系統(tǒng)要求提供的A/D和D/A精度均為12位，故需要擴(kuò)展外部A/D和D/A。

　　AD7922是12位逐次逼近型高速、低功耗的A/D轉(zhuǎn)換器，吞吐率最高可達(dá) 1MSPS。本系統(tǒng)采用通過(guò)LPC2378的SPI接口直接與其相連，不需要其他的附加邏輯電路。在采集過(guò)程中，選擇不同的通道進(jìn)行采集。

　　·D/A接口電路
　　DAC7574是12位、低功耗、4路帶緩沖器的電壓輸出型D/A轉(zhuǎn)換芯片，最高速率可達(dá)3.4Mbps。外部為該芯片提供的工作電壓為5V，故轉(zhuǎn)換后的電壓輸出范圍是0~5V，需要設(shè)計(jì)D/A轉(zhuǎn)換后輸出電壓范圍是-10V~+10V，所以要用到兩級(jí)運(yùn)算放大器，第一級(jí)構(gòu)成反相求和電路，第二級(jí)構(gòu)成反相比例運(yùn)算放大電路。經(jīng)過(guò)第一級(jí)運(yùn)放后，得到-2.5V~+2.5V的電壓值，再經(jīng)過(guò)第二級(jí)運(yùn)放后得到-10V~+10V的電壓范圍。為了在第一級(jí)運(yùn)放的輸入端獲得精準(zhǔn)的-2.5V電壓，這里使用LM236，它是能夠提供精確的-2.5V電壓的穩(wěn)壓芯片。                          

　　R/D接口電路

　　AD2S80A是最新一代旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，又叫角分解器(Resolver)，是一種特殊的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)軸角位移和角速度。AD2S80A的分辨率有10、12、14、16bits幾種可選。用戶(hù)通過(guò)選擇不同的外接電阻和電容，可以得到不同的帶寬和跟蹤速率。本系統(tǒng)中只用到了R/D的8條數(shù)據(jù)線(DB1~DB8)，其余8條數(shù)據(jù)線(DB9~DB16)接地。LPC2378負(fù)責(zé)處理AD2S80A送來(lái)的信號(hào)，AD2S80A與LPC2378的相關(guān)引腳直接相連，接口電路如圖2所示。

圖2  AD2S80A與LPC2378的連接圖

　　串口擴(kuò)展模塊

　　MAX3074是RS-422總線的收發(fā)器，其功能是實(shí)現(xiàn)RS-422總線信號(hào)電平到SC16C554可接受信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)中共使用6片MAX3074，其中4片與SC16C554的4路UART端口連接(其中兩路做為備用)，其余2片與LPC2378的兩路UART端口相連。

　　MAX3221是RS-232總線的收發(fā)器，其功能是實(shí)現(xiàn)RS-232總線信號(hào)電平到LPC2378可接受信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)中使用2片MAX3221與LPC2378其余兩路UART端口相連(圖3)。

圖3  總線電平轉(zhuǎn)換示意圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)工具采用ADS1.2，設(shè)計(jì)語(yǔ)言使用ARM C。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部分的正常運(yùn)行，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮3個(gè)因素：程序的可靠性；程序的嚴(yán)密性；程序的穩(wěn)定性。

　　軟件程序由主程序和中斷服務(wù)程序構(gòu)成。主程序中首先完成系統(tǒng)的初始化，接著進(jìn)入一個(gè)無(wú)限循環(huán)的后臺(tái)程序，巡回地執(zhí)行多個(gè)事件，完成相應(yīng)的操作；使用向量IRQ中斷，中斷服務(wù)程序采用基于定時(shí)器的巡回服務(wù)流程，完成事務(wù)處理。對(duì)于CPLD的軟件設(shè)計(jì)工具采用Altera公司的MAX PlusII，使用VHDL編程語(yǔ)言。

結(jié)語(yǔ)

　　本文從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面對(duì)基于LPC2378微處理器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。該系統(tǒng)現(xiàn)已在中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)某研究所的一大型系統(tǒng)中得以應(yīng)用，工作可靠、穩(wěn)定。

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