基于EPA与IEEE802.15.4两用手抄器的设计

　　引言

　　在工业现场中，如工业以太网现场和工业无线通信现场，由于有些环境比较恶劣，主站操作现场设备不方便等因素可以副主站即手抄器对从站设备进行实时性操作。副主站几乎可以连接在网络的任何地方，在不影响主站通讯的情况下对任何一个现场的从设备进行操作，实现了两个主站(主站和副主站)与同一个从设备之间的通讯。

　　手抄器设计

　　现场总线和工业无线通信是两大处于国际前沿的研究方向，两个系统如果分别做手抄器，成本相对较高，而且不方便管理。这款两用手抄器集成了EPA(Ethernet for Plant Automation)和IEEE802.15.4(低数据率的WPAN标准)两个协议，能够通过有线或者无线的方式在不同的工业现场得到应用，在不影响上位机通讯的情况下对现场设备进行数据采集、监测和控制。

　　该手抄器使用的是ARM7控制芯片。它包含了微处理器(AT91R40008)、存储器、通信模块、网络通信接口、显示终端、无线通信模块等重要组成部分。在该设计中，使用了两种供电方式，一种电源使用了以太网供电设备，该设备除了用于网口通信，还提供设计中所需要的电源。该电源经过电平转换，为微处理器、存储器、无线通信模块等提供所需的+3.3V和+1.8V电源;另一种电源使用了电池供电。32位的微处理器AT91R40008通过串口0和串口1与无线通信模块和液晶终端进行数据交换。图1为ARM7手抄器的硬件框图。

　　图1 手抄器硬件系统框图

　　微处理器

　　选用AT91R40008做CPU。AT91R40008包括一个高性能32位精简指令系统和一个高密度16位的指令系统。AT91R40008具有片上的SRAM或ROM、完全可编成的外部总线接口(EBI)、32个可编程的I/O口、8个优先级、4个外部中断、2个USART及16位的定时器/计数器等特点。

　　AT91R40008具有与外部存储器的直联的特色,通过外设的FLASH，经过完全可编程外部总线接口(EBI)、 一个八位优先向量中断控制器,，及外部数据控制器，能大大提高处理器的即时性能。

　　微处理器部分的设计包含系统硬件的启动与复位，地址总线、数据总线的分配和定义，通过串行线对无线通信模块和液晶终端的读写等。

　　系统由外部的50MHz钟振作为时钟源向CPU输入时钟信号。复位电路由10μF的电容、10K的电阻及按键组成低电平复位电路。AT91R40008内部ROM为128K，外部最大可扩64M的存储器，根据实际的设计需要，在设计中扩展了一片2M字节的SST36VF160对软件程序进行存储。网卡芯片AX88796通过片选线、中断线、读写信号控制线和地址数据总线与CPU相连，实现现场设备和上位机的网络通信。AT91R40008分别通过串口0和串口1实现与无线通信模块和显示终端的数据交换。

　　FLASH存储器

　　由于该手抄器是应用于工业现场中，所以在软件中必须加入相应的规范标准。在手抄器的系统设计中，在CPU的外部拓展了2M字节的FLASH。SST39VF160是一个1M×16的CMOS多功能FLASH器件，由SST特有的高性能的 Super Flash技术制造而成。SST39VF160具有功耗较低的优点，它的工作电压为3.3V，具有高性能的编程功能，字编程时间为14μs。考虑到 SST39F160的这些优点选用这款FLASH，在目前测试环境中证明这款FLASH能够更方便和更低成本的满足程序配置和数据存储的要求。

　　网络通信接口

　　在设计中采用网络通信接口接入工业以太网，数据由以太网传递到上位机中，实现工业现场的无线设备和上位机的通信。在实际的设计过程中，我们采用HR61H50L作为网络隔离器，采用AX88796作为网卡芯片。

　　AX88796是台湾Asix公司的NE2000兼容快速以太网控制器。其内部集成有10/100 Mb/s自适应的物理层收发器和8K×16位的SRAM，支持MCS-51系列、80186系列以及MC68K系列等多种CPU总线类型。AX88796 执行的是基于IEEE802.3/IEEE802.3u 局域网标准的10Mb/s和100Mb/s以太网控制功能，并提供IEEE802.3u兼容的媒质无关接口MII，用以支持在其它媒质上的应用。AX88796的地址总线SA[9:0]与数据总线 SD[15:0]分别与CPU的地址/数据总线相连。CPU通过I/O读写NE2000寄存器来控制AX88796的工作状态，通过远程DMA FIFOs与AX88796的内部缓存SRAM进行数据交换。SRAM与MAC核之间进行Local DMA将数据发送至MAC层，再经由内部的PHY层发送至RJ45接口，或者经过MII接口送至外部的物理层芯片。SEEPROM接口可以用来连接串行 EEPROM。EEPROM可用于存储MAC地址，供AX88796每次初始化时读取。

　　电源

　　由于此手抄器用于两种不同的协议，实际设计中使用了两套电源管理系统，并进行了特殊处理，避免了其中一套供电时对另一套电源造成影响。

当手抄器用于工业以太网的一致性测试时，电源采用的是以太网供电设备，该设备采用符合