基于嵌入式控制器的远程监控系统的开发

　　1 引言

　　在仪器仪表迅速发展的同时，计算机和网络技术也在迅速发展，PC机已经从高速增长进入到平稳发展时期，单纯由PC机带领电子产业蒸蒸日上的时代己经成为历史，嵌入式系统的出现和广泛应用，使计算机和网络进入了后PC时代。基于嵌入式智能仪表远程监控系统作为工业控制网络重要发展方向之一，是工业数据通讯与控制网络技术、互联网技术等多种技术共同发展的结果[1]。该项技术的发展与成熟将会给人们的生产生活带来深远的影响。

　　2 嵌入式控制器硬件设计

　　控制器的定义：嵌入式控制器以高速处理器为核心，由高速处理器和其他芯片协同工作来控制的电子设备或装置，能够完成监视、控制等各种自动化处理任务[4]。嵌入式控制器是系统的核心部分。

　　2.1 系统硬件结构图

　 　图1 嵌入式控制器系统硬件结构图

　　嵌入式控制器的系统硬件结构图见图1所示。由5V、3.3V和1.8V二种直流电源供电。系统主要由DSP芯片TMS320C5402、256K FLASH存储器、以太网接口芯片RTL8019AS、 A/D转换芯片、串口芯片等组成。

　　从嵌入式控制器的系统硬件结构图以看出嵌入式控制器是嵌入式远程监控系统的关键部分。现场智能仪器仪表可以通过嵌入式控制器的模拟量和数字量接口输入信号，由控制器内嵌的服务程序，通过以太网或Modem，在远程由客户端程序对现场智能仪表进行信号的查看和控制，从而实现智能仪表的远程监控。

　　2.2 处理器DSP 5402最小系统设计

　　（1）复位电路。同时设计上电复位电路和人工复位电路，当系统运行中出现故障时可方便地人工复位。复位电路一方面应确保复位低电平时间足够长，保证DSP可靠复位；另一方面应保证稳定性良好，防止DSP误复位。复位电路采用MAX706R芯片组成自动复位电路。MAX706R是一种能与具有3.3V工作电压的DSP芯片相匹配的自动复位芯片。该芯片的具体接法如图2所示。

　　（2）时钟电路。一般DSP系统中经常使用外部时钟输入，因为使用外部时钟时，时钟的精度高，稳定性好，使用方便。由于DSP工作是以时钟为基准，如果时钟质量不高，那么系统的可靠性、稳定性就很难保证。因此，本系统拟采用外部时钟源提供时钟，如图3所示。将外部的时钟信号直接加到DSP芯片的X2/CLKIN引脚，X1引脚悬空。设置CLKMEI=1，CLKMD2=1，CLKMD3=1。复位后使DSP芯片的时钟为外部晶振频率的1/2，即2分频。

图2 系统自动复位电路

　　 图3 时钟电路

　　（3）系统电源设计。TMS320VC5402芯片采用双电源供电，DSP的核内电压和I/O接口电压分别为1.8V和3.3V， 本系统需要三种电源，电压为5V、3.3V和1.8V。其中，RTL8019AS网卡芯片和模数转换电路均采用5V电源供电。DSP的双电源解决方案采用TPS73HD318实现，输入的电源电压为5V，输出电压分别为3.3V和1.8V，每路电源的最大输出电流为750mA。

　　2.3 程序存储器的扩展

　　FLASH存储器与EPROM相比，具有更高的性能价格比，而且体积小、功耗低、可电擦写、使用方便，并且3.3V的FLASH可以直接与DSP芯片连接。因此，采用FLASH作为程序存储器存储程序和一些固定数据是一种比较好的选择。本系统的程序存储器选用了一片AT29LV020 FLASH存储器。此芯片有256K×8的存储空间，最快读取速度为100ns。所以在读取程序时，要使主频低于10MHz。

　　2.4 接口电路设计

　　（1）模拟量输入接口。模拟量输入通道采用了TI公司生产的TLV2544芯片，当与DSP芯片连接时，可用一个帧同步信号FS来控制一个串行数据帧的开始。采用TMS320VC5402提供高速、双向、多通道带缓冲串行端口MCBSP，可用来与串行A/D转换器直接连接。

　　（2）以太网扩展接口。实现嵌入式智能仪表的远程监控系统，首要的问题就是要让智能仪表具有以太网接口。台湾Realtek公司生产的RTL8019AS以太网接口芯片可以让嵌入式控制器具有通用计算机的网络接口。

　　（3）RS-232串行接口设计。RS-232-C并未定义连接器的物理特性，因此存在DB-25， DB-15和DB-9等多种类型的连接器。DSP为了同现场智能仪表的串口相连，我们用MAXIM公司的MAX3111来完成EIA到TTL电路之间的电平和逻辑关系的转换。

　　（4）RS-485串行通信接口。RS-485是为了适应远距离、分布式控制系统的需要而制定的一种串行通信总线标准。它支持多节点、远距离传输。RS-485标准采有用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线。为了扩展终端连接设备的数量，本设计增加了RS-485接口。DSP与RS-485串口的连接使用MAXIM公司的MAX3140UART通信芯片来完成。

　　3 嵌入式TCP/IP协议设计

　　3.1总体数据流设计

　　嵌入式TCP/IP的总体数据流图如图4所示。