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        PIC32MX664的智能儀表集中控制器設(shè)計※—

        2013-08-14 08:03:06付勛如
        關(guān)鍵詞:單片機

        付勛如

        (中國核動力研究設(shè)計院,成都610041)

        付勛如(高級工程師),主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)和智能控制與檢測技術(shù)。

        引 言

        現(xiàn)在絕大多數(shù)智能儀器儀表都具有智能接口,并需要集中監(jiān)控,因此,集中控制器的穩(wěn)定性就決定了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性,集中控制器的穩(wěn)定性極為重要。本文介紹了基于PIC32MX664微處理器設(shè)計的集中控制器,給出了詳細的軟硬件設(shè)計。實際應(yīng)用證明該控制器具有很好的穩(wěn)定性。

        1 PIC32MX664簡介

        PIC32MX664單片機是一款基于MIPS Technologies的M4K內(nèi)核的復(fù)雜片上系統(tǒng)。M4K是新型的32位低功耗RISC處理器內(nèi)核,采用了增強型MIPS32Release 2指令集架構(gòu)。芯片提供各種通用和專用的外設(shè),包括以太網(wǎng)、CAN 總線、USB主/設(shè)備/OTG、閃存32KB、板載RAM 128KB。最高可達到1.5DMIPS/MHz的性能。乘法/除法單元,最高指令發(fā)出速率為每個時鐘一條32×16乘法指令。PIC32MX664所有處理器中都包含了高性能RISC CPU,可以使用32位、16位模式,以及混合模式進行編程。PIC32MX664MCU包含了高性能中斷控制器、DMA控制器、USB控制器、在線調(diào)試器、用于對外設(shè)進行高速數(shù)據(jù)訪問的高性能開關(guān)矩陣,以及用于保存數(shù)據(jù)和程序的片上數(shù)據(jù)RAM存儲器。對于閃存,采用了獨特的預(yù)取高速緩存和預(yù)取緩沖區(qū),無需閃存訪問延時,提供相當(dāng)于0個等待狀態(tài)的訪問性能。

        2 系統(tǒng)原理框圖

        集中控制器系統(tǒng)框圖如圖1所示。智能儀表的智能接口通過光電隔離的RS485接口與集中控制器通信,遠程控制服務(wù)器通過TCP/IP與集中控制器通信,集中控制器接收到命令后把命令轉(zhuǎn)發(fā)給智能儀表。當(dāng)無遠程控制服務(wù)器控制命令時,集中控制器對智能儀表輪詢,將結(jié)果顯示在串口顯示屏上。有智能儀表報警時,集中控制器讀取時鐘芯片的當(dāng)前時間,將其與報警種類、報警實際測量值、報警閾值等信息一起保存在EEPROM中,以便后續(xù)查詢或者遠程控制服務(wù)器讀取,并及時通過微型打印機打印出來。為了防止集中控制器意外斷電,造成集中控制器不能有效監(jiān)控,每次上電開機時有開機打印。集中控制器運行參數(shù)可以通過鍵盤設(shè)置并保存在EEPROM中,也可以通過遠程控制服務(wù)器設(shè)置并保存在EEPROM中。

        圖1 系統(tǒng)框圖

        3 外設(shè)函數(shù)庫

        PIC32系列MCU集成了大量的片內(nèi)高性能外設(shè),為了加快對這些外設(shè)的使用,PIC32的MPLAB C32編譯器包含了與16位Microchip MCU兼容的軟件外設(shè)函數(shù)庫。該外設(shè)函數(shù)庫以源代碼和目標(biāo)格式提供,并附有詳細的API描述文檔。使用MPLAB C32編譯器的軟件應(yīng)用程序可以通過簡單地將相應(yīng)的頭文件包含在源文件中來調(diào)用外設(shè)庫函數(shù),MPLAB C32編譯器具有內(nèi)置的庫/頭文件和歸檔文件的信息。外設(shè)頭文件及其完整源代碼分別位于相應(yīng)的外設(shè)子目錄C:\Program Files\Microchip\MPLAB C32\pic32mx\include\peripheral和C:\Program Files\Microchip\MPLAB C32\pic32-libs\peripheral下。

        以下給出了PIC32MX664串口部分初始化程序,可見,PIC32MX664初始化非常簡單,易用。

        4 IPort串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器

        IPort串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器是具有RJ45的以太網(wǎng)串口轉(zhuǎn)換模組,尺寸極小,比一般人拇指還小,只需極小的集成空間和很簡單的集成方式,就能為產(chǎn)品增加網(wǎng)絡(luò)功能。IPort串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器具有以下優(yōu)點:配置方式多樣化,支持Web遠程配置、軟件配置、AT命令配置、串口配置;IPort工作方式多樣化,具有TCP Server、TCP Client、UDP和Real Com等工作模式,目標(biāo)IP和端口均可設(shè)置;支持AUTO MDI/MDIX,可使用交叉網(wǎng)線或平行網(wǎng)線連接;支持DNS域名解析;靈活的串口分幀方式滿足用戶各種分包需求;支持本地和遠程的系統(tǒng)固件升級;支持虛擬串口工作方式,提供Windows虛擬串口驅(qū)動,讓用戶串口設(shè)備無縫升級至以太網(wǎng)通信方式,無需修改原有串口軟件;TCP支持多連接,支持連接校驗密碼和連接后發(fā)送特定數(shù)據(jù),滿足4個以內(nèi)用戶同時管理一個嵌入模塊的設(shè)備要求;免費提供Windows平臺配置軟件函數(shù)庫,包含簡單易用的API函數(shù)庫,方便用戶編寫自己的配置軟件;提供通用配置函數(shù)庫,方便用戶使用VC、VB、Delphi和C++Builder開發(fā)應(yīng)用程序進行二次開發(fā);兼容SOCKET工作方式(TCP Server、TCP Client、UDP等),上位機通信軟件編寫遵從標(biāo)準(zhǔn)的SOCKET規(guī)則。

        為了串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的穩(wěn)定工作,單獨為IPort串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器供電,電路圖如圖2所示。引腳3是模塊的復(fù)位引腳,低電平有效,在該引腳輸入一大于20μs的負脈沖,模塊復(fù)位(模塊內(nèi)部有上電復(fù)位電路,該引腳可懸空)。

        圖2 IPort串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器供電及接線圖

        串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的接線圖如圖2所示。引腳1(COM_CFG)是串口配置控制腳,方向為輸入,高電平或懸空時是正常工作模式,低電平時是串口配置模式。在正常工作模式下,串口收發(fā)的數(shù)據(jù)是以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),在串口配置模式下,串口發(fā)送配置命令,設(shè)置模塊的工作參數(shù)或獲取模塊的工作狀態(tài)參數(shù),該引腳內(nèi)部有弱上拉。跳針2、3連接模塊處于串口配置模式;跳針1、2連接模塊處于正常工作模式。限流電阻R1、R2分別驅(qū)動模塊以太網(wǎng)連接信號指示燈和模塊以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)信號指示燈。引腳10是模塊串口信號輸出引腳,接MCU的串行數(shù)據(jù)接收端;引腳11是模塊串口信號輸入引腳,接MCU的串行數(shù)據(jù)發(fā)送端。

        5 抗強干擾RS485通信

        考慮集中控制器和與其通信的子機都處于較強干擾環(huán)境,通信部分采取抗強干擾設(shè)計,采用6N137光耦合器作為隔離器件。6N137光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器,其內(nèi)部有一個850nm波長AIGaAs LED和一個集成檢測器,其檢測器由一個光敏二極管、高增益線性運放及一個肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成。具有溫度、電流和電壓補償功能,輸入/輸出強隔離,兼容LSTTL/TTL,高速通信(典型為10MBd),以及5mA的極小輸入電流等優(yōu)良特性。

        在6N137光耦合器的電源腳設(shè)計一個0.1μF高頻特性好的去耦電容,并且盡量靠近光耦合器的電源引腳;另外,光耦合器的第6腳的輸出電路屬于集電極開路電路,須上拉一個電阻,光耦合器的2腳和3腳之間是一個LED,須串接一個電阻。

        采用B0505SDC-DC隔離電源給LTC485芯片供電,實現(xiàn)微處理器端與通信線端的隔離。RX、TX分別接PIC32MX664的串行通信口的接收、發(fā)送端。RE、DE分別接PIC32MX664的普通I/O腳,用來控制發(fā)送、接收。實際電路圖如圖3所示。

        6 微型打印機

        采用WD-ANH型熱敏打印機來打印報警時間、報警類型等信息。WD-ANH不但可以打印ASCII字符,還可打印英文、希臘文、德文、法文、俄文、日語片假名和大量漢字以及數(shù)學(xué)符號、專用符號等各種圖形符號。WD-ANH具有40多個通用ESC打印命令,可實現(xiàn)符號和圖形的放大、縮小,打印方式的選擇,以及打印格式的設(shè)置。它具有很高的智能化程度,因此控制簡單,可實現(xiàn)各種字符、圖形、曲線及漢字的打印。例如,實現(xiàn)開機后打印開機時間的程序如下:

        7 時鐘芯片

        集中控制器需要記錄各子設(shè)備的信息變化和各種報警記錄,以及發(fā)生報警的時間,這就需要時鐘芯片,選用DS1302萬年歷芯片。DS1302是Maxim公司推出的涓流充電時鐘芯片,內(nèi)含有一個實時時鐘、日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM,可以通過簡單的傳行接口與單片機進行通信,它可以提供年、月、日、日期、時、分、秒的信息。每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可以自動調(diào)整,可以通過AM/PM指示決定采用24或12小時格式,DS1302與單片機的連接僅需要3條線:RST引腳、SCK串行時鐘引腳、I/O串行數(shù)據(jù)引腳。VCC1為備用電源,外接32.768kHz晶振,為芯片提供計時脈沖。時鐘電路圖如圖4所示。

        圖3 抗強干擾隔離原理圖

        8 串口顯示屏

        OCM320240T350-1A智能型彩屏是一款高性能、低功耗、易使用的64K色的TFT真彩顯示器,可以直接和具有UART串行接口的 MCU(如51單片 機、AVR、PIC、DSP、ARM、工控機等)連接。用戶只需通過串口向終端發(fā)送命令,便可完成相應(yīng)的操作。智能型彩屏終端的主要特點如下:16位真彩色顯示(65 536色);采用UART串行接口,支持多種通信波特率,從1 200bps到115 200bps,默認波特率為19 200 bps,支持TTL電平和RS232電平;內(nèi)置16MFlash存儲器,可存放12幅320×240像素的圖片,可存放根據(jù)客戶需求而定制的字庫;智能型顯示終端出廠預(yù)置了4個字庫,8×10點陣 ASCII、8×16點陣 ASCII、16×16點陣GB2312漢字和32×32點陣GB2312漢字(可選);支持使用上位機軟件把圖片數(shù)據(jù)事先下載到終端內(nèi)部的圖片存儲區(qū);用戶只需發(fā)送簡單的命令到終端,就可實現(xiàn)漢字顯示、圖片顯示以及畫點、畫線、畫矩形、畫圓等圖形繪制功能。

        圖4 時鐘電路

        結(jié) 語

        基于PIC32MX664單片機的集中控制器運用其集成的豐富接口資源,具有較高的穩(wěn)定性,已成功運用于實際工程項目中,表現(xiàn)出極好的抗干擾能力,明顯優(yōu)于其他單片機。

        編者注:本文為期刊縮略版,全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

        [1]Microchip Technology Inc.PIC32MX Family Data Sheet,2009.

        [2]竇振中.PIC系列單片機原理和程序設(shè)計[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

        [3]Microchip Technology Inc.MPLAB ICE Emulator User's Guide,2009.

        [4]廣州致遠電子有限公司.IPort-1嵌入式以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊產(chǎn)品用戶手冊,2008.

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