周永明，黃　偉，葉朝輝

(1．清華大學自動化系，北京　100084；2．北京睿清智華信息技術有限公司，北京　100084)

0　引言

在多路測控系統(tǒng)中，多采用單片機或ARM級聯(lián)的方式，如文獻[1]所述基于RS485總線的多路溫度測量系統(tǒng)和文獻[2]所述基于串口通信的分布式大壩自動測控系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中，受單片機資源的限制，需要多片單片機級聯(lián)才可完成任務，這樣增大了系統(tǒng)的體積和復雜性，降低了系統(tǒng)的集成度和可靠性。圖1為文獻[2]所述大壩測控系統(tǒng)的網絡拓撲結構圖。

圖1　某分布式大壩自動測控系統(tǒng)的網絡拓撲結構圖

某些多路測控系統(tǒng)則使用了DSP或FPGA作為控制核心[3-4]，由于DSP和FPGA成本相對較高，這些系統(tǒng)多采用單核，因此需外接多選一數據選擇器或多路A/D轉換器來實現多路測量，如文獻[3]所述基于FPGA的多路采集系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖2所示，該系統(tǒng)雖然充分利用了FPGA I/O口多、可編程的優(yōu)勢，用單核完成多路測量，但由于FPGA不能處理模擬信號，因此需外接多路選擇器和模數轉換器來實現功能，且HDL相對C語言開發(fā)難度稍大，開發(fā)周期長。

圖2　基于FPGA的多路信號采集系統(tǒng)

近年來，將微控制器、存儲器、模擬和數字外設集成在單一芯片上的片上系統(tǒng)得到了越來越多的應用，PSoC(可編程片上系統(tǒng))單芯片集成微控制器、存儲器、模擬和數字外設，最新的PSoC5可處理數10個采集通道。具有可配置的邏輯陣列、至所有I/O引腳的靈活路由以及一個高性能的32位ARM Cortex-M3內核[5]。因此可以簡化系統(tǒng)設計，通過將系統(tǒng)資源配置為需要的模塊，提高芯片資源利用率，使單芯片完成多路數字、模擬信號的采集。

文中介紹用于大壩監(jiān)測的基于PSoC的多路測量系統(tǒng)，單PSoC芯片可同時處理30路溫度和16路流量脈沖信號，采集數據可通過以太網實時上傳到上位機，每30 s實時采樣1次。要處理30路溫度和16路脈沖流量信號，需46個I/O口和16個計數器，表1顯示了需要的不同類型的處理器芯片數量，包括Atmel的AT89S52、TI的ARM cortex M4系列LM4F232H5QD、TI的C2000系列DSP TMS320F2812以及文中介紹的PSoC，不難看出，要完成所述測量功能，需要的PSoC芯片數量是最少的。

表1　不同類型的處理器需求對比

1　系統(tǒng)總體設計

基于PSoC的遠程多路測量系統(tǒng)由以太網通信板、傳感器采集板和傳感器3部分組成，總體設計框圖如圖3所示。

圖3　總體設計框圖

傳感器采集板負責所有傳感器的數據采集，每個采集板連接30路DS18B20數字溫度傳感器和16路脈沖式流量傳感器。它通過導線與傳感器直接相連，周期性地采集溫度和流量數據，收到上傳命令后，將采集的數據通過I2C總線上傳給以太網通信板。

以太網通信板負責系統(tǒng)的過程控制、數據的存儲和上傳，它控制采集板進行數據采集和上傳，并在內部E2PROM中存儲部分采集數據，同時可以根據上位機的指令，通過以太網使用TCP協(xié)議將采集的溫度和流量數據實時上傳。

如果一個采集板不能完成所有的測量，那么可在I2C總線上掛接更多的采集板，即可以根據傳感器的多少靈活確定傳感器采集板的數量。PSoC5具有易于配置的數字、模擬模塊，每個模塊的接口可靈活地路由到任意I/O口，使得系統(tǒng)具有很好的靈活性和可擴展性。與圖1中所示大壩監(jiān)測系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)不需要PC工控機，數據傳輸通過以太網通信板實現，而且需要的采集板的數量減少，這些都降低了系統(tǒng)的復雜性。

2　系統(tǒng)硬件電路設計

由于PSoC5芯片內部集成了數據采集需要的各種數字、模擬模塊和通信接口，使得傳感器采集板和以太網通信板需要的外圍芯片大為減少，硬件電路大為簡化。

傳感器采集板由PSoC5芯片與基本的電平轉換芯片、晶振和JTAG接口組成。PSoC5芯片選用CY8C5588AXI-060，速度可達80 MHz，存儲器包含Flash、SRAM和E2PROM，模擬部分包含ADC、DAC、比較器、運放，數字部分包含定時器/PWM模塊、全速USB、CAN控制器等。此外，模擬部分還有可編程的開關電容/連續(xù)時間模塊，可配置為可編程增益放大器、互阻放大器等；數字部分包含可配置的通用數字模塊，能夠針對應用或設計創(chuàng)建所有常用嵌入式外設和定制功能。

以太網通信板除PSoC5、電平轉換芯片、晶振和JTAG接口外，還包含ENC28J60以太網控制芯片和HR911105A帶網絡變壓器的RJ45以太網口。 ENC28J0是帶有標準SPI接口的獨立以太網控制器[6]，僅有28個引腳，是全球目前最小封裝的以太網控制器，非常適合在微控制器上使用，ENC28J60連接示意圖如圖4所示。

圖4　ENC28J60連接示意圖

系統(tǒng)的硬件設計框圖如圖5所示。

圖5　硬件設計框圖

3　PSoC5芯片內部模塊配置

以太網通信板上，PSoC5內部使用的模塊包括與ENC28J60通信的SPI模塊、與采集板通信的I2C模塊、同步采集板的PWM模塊、存儲數據的E2PROM，如圖6所示。

圖6　以太網通信板模塊圖

傳感器采集板上，PSoC5芯片內部使用的模塊有外接30路溫度和16路流量傳感器的46個I/O口，一個I2C模塊用于上傳數據，8個二選一多路選擇器模塊和8個16位計數器對脈沖流量傳感器進行計數。一個二選一多路選擇器模塊結合一個計數器模塊，就可以對兩路流量脈沖分時計數，流量測量部分的模塊圖如圖7所示。

圖6和圖7為在PSoC Creator中配置PSoC內部模塊，PSoC Creator引入了獨特的基于電路圖的設計方式，將最新的軟件開發(fā)IDE與圖形設計編輯器結合，形成強大的軟硬件協(xié)調設計集成開發(fā)環(huán)境，為PSoC的可編程、可配置提供了強有力的支撐。如果系統(tǒng)中使用的傳感器種類發(fā)生變化，無需改變硬件，只需在PSoC Creator中簡單的修改，即可適應新的應用環(huán)境。

圖7　流量測量模塊圖

4　系統(tǒng)軟件設計

軟件設計包括傳感器采集板的程序設計、以太網通信板的程序設計以及兩者之間的同步與通信。

4．1板間同步與通信

程序每30 s完成1次采集和上傳，為使以太網通信板和采集板同步，也為在掛接多個采集板時各板同時開始采集，設計同步PWM波進行同步。由以太網通信板產生周期為30 s的PWM波傳給每個采集板，采集板在PWM波的下降沿同時開始采集周期，這樣就能保證通信板與采集板之間、不同的采集板之間是同步的。

通過計算，采集板完成所有采集需24 s，因此設置PWM波的低電平時間為26 s(2 s時間裕量)，這樣在PWM波的上升沿所有傳感器數據都已完成更新，以太網通信板在此時通過I2C總線讀取采集板數據。時序上，采集板在PWM波的下降沿開始采集，通信板在PWM波的上升沿讀取數據，即使系統(tǒng)中存在多個CPU，仍能有條不紊地工作。

4．2傳感器采集板的軟件設計

如圖8所示，測量電路板首先進行初始化，然后等待同步PWM下降沿，PWM波下降沿會觸發(fā)中斷，開始一個周期的采集。

圖8　傳感器采集板的程序流程圖

在一個采集周期內，需采集16路流量和30路溫度傳感器，因只有8個計數器，所以利用8個數據選擇器對計數器進行分時復用，前12 s對前8路流量脈沖進行計數，后12 s對后8路流量脈沖進行計數，計數完成以后，將計數值轉換為流量值。在12 s計時中間，內核是空閑的，在這段時間內進行溫度采集。

采集完成以后，在PWM波的上升沿，通信板會從I2C總線讀取采集板最新的采集數據，在傳感器采集板中調用的從I2C模塊稱為EZI2C Slave，在使用時，需在初始化代碼中為EZI2C Slave定義一個緩沖區(qū)，I2C主控就可以查看/修改此緩沖區(qū)中的任何變量，初始化時定義的緩沖區(qū)表現為主控與從器件之間的共享存儲器[7]，因此，在采集板的程序中，只需將最新的采集數據放在這個緩沖區(qū)中，通信板的主I2C接口就可以進行讀取，而不需要采集板程序的干預。

4．3以太網通信板的軟件設計

以太網通信板的程序主要包含2部分，通過I2C總線讀取采集板的數據，通過以太網按照TCP協(xié)議將數據上傳。

以太網通信板對采集板的數據讀取是中斷驅動的，當通信板捕捉到PWM的上升沿，通信板進入中斷服務程序，通過I2C總線讀取采集板數據。而在主函數中，移植Microchip公司提供的協(xié)議棧，運行以太網通信程序，循環(huán)檢測是否收到上位機的數據請求包，將存儲的傳感器數據按TCP協(xié)議傳輸給上位機。以太網通信的流程圖如圖9所示。

圖9　以太網通信的程序流程圖

5　系統(tǒng)性能和結論

本文用PSoC設計多路測量系統(tǒng)，達到了預期的性能指標，結果表明：該系統(tǒng)單板能同時采集30路數字溫度傳感器和16路脈沖流量傳感器的數據；傳感器和采集板之間的導線可長達200 m，即單板測量半徑達200 m；一個采集周期為30 s；上下位機能夠通過TCP/IP協(xié)議進行遠程通信。

系統(tǒng)不僅可根據傳感器的多少來靈活確定傳感器采集板的數量，而且由于PSoC可在系統(tǒng)編程，且內部模塊易于配置，所以通過簡單的內部模塊重配置，即可使系統(tǒng)適用于其他類型的傳感器測量，而不需要更改系統(tǒng)硬件，從而縮短開發(fā)周期。因此系統(tǒng)具有集成度高、可配置、可擴展、單芯片可采集信號的路數多、數據可傳輸到遠程計算機等優(yōu)點。

參考文獻：

[1]用RS-485實現多路溫度測量．電子產品世界，2010 (3)：42-44．

[2]鄒海，姜建國，李朝峰，等．基于串口通訊的分布式大壩監(jiān)測自動測控系統(tǒng)．工業(yè)控制計算機，2003，16(2)：23-24．

[3]張學強，秦龍勇，謝拴勤．基于 FPGA 的多路模擬量，數字量采集與處理系統(tǒng)．單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2003(4)：68-72．

[4]黃鶴，彭曉，楊躍龍．基于 FPGA 多路同步數據采集系統(tǒng)的設計．儀表技術與傳感器，2012 (11)：139-140．

[5]Cypress．PSoC5 family datasheet．Cypress Inc．2010．

[6]Microchip．ENC28J60 Stand-Alone Ethernet Controller with SPI Interface．Microchip Technology Inc．2012．

[7]Cypress．CyEZI2C_Slave datasheet．Cypress Inc．2012．