EPA主控卡的硬件设计与驱动开发

摘要：EPA标准进入国际标准，为我国工业自动化产业带来了新的机遇。EPA主控卡的开发，对于开发基于EPA的控制系统具有较大意义。EPA主控卡是连接各种协议的现场总线模块、I／O模块和上层软件的平台。在整个EPA系统中，它是符合EPA协议的现场设备，与上层工程师站和操作站进行通信，又与现场总线模块、I／O模块进行数据传输，负责信号的采集、处理和控制。
关键词：EPA；LPC2478；硬件设计；软件设计；测试

引言
EPA(Ethernet for Plant Automation)系统包括工作站、控制站、网络设备、现场设备以及通信介质等部分，而控制站是整个系统的核心。最主要的硬件平台，由EPA主控卡、I／O子系统、电源以及附属设备等构成。EPA主控卡是控制站中的主要设备，它连接在整个以太网，与上层组态软件、网络设备进行信息交互，实现控制系统的开放性和可互操作性；与下层各种协议模块连接、通信，并实现对模块的控制策略。EPA主控卡是依据EPA标准设计的，对EPA的应用推广具有重要作用。

1 EPA主控卡功能介绍
根据图1所示的EPA系统网络拓扑结图可知，EPA主控卡是一个符合EPA协议的现场设备，它将和其他的EPA现场设备一样，参与整个EPA网络组态、互操作、确定性调度等。EPA主控卡是连接各种协议的底层设备、I／O模块与上层软件的平台。模块和主控卡之间通过自定义的接口进行数据交换。因此，主控卡需要实现以下基本功能：

①信息转发功能。通过组态工作站完成信息的上载、显示、处理、发布以及下载。
②过程测量与控制。主控卡向I／O、总线模块传递数据采集命令／控制信息、这些模块作为应答向主控卡传送的过程变量测量数据以及其状态(好／坏)、设备状态信息等，并报告给监控层网络。
③管理功能。实现对现场总线模块、I／O模块的控制、管理。在系统运行过程中，对控制区域的模块进行自动识别、管理，并为其分配地址、空间，同时将新模块设备描述信息向上层组态软件报告。
④总线供电。主控卡总线供电功能，保证主控卡稳定工作。接入主控卡的线缆不仅能传送数据信号，还能给主控卡提供工作电源。

2 EPA主控卡硬件总体方案
根据主控卡功能需求分析，硬件部分主要有5大模块：CPU控制模块、以太网通信模块、USB主机模块、总线供电模块以及存储模块。图2为EPA主控卡硬件设计原理框图。其中CPU控制模块主要实现特定网络接口功能及执行相关控制信息；以太网PHY收发器KSZ8041NL和CPU内部集成的以太网控制器一起组成以太网通信模块，实现EPA主控卡的以太网接入和网络信息数据传输；

USB模块由CPU内部集成的USB主机控制器和外围电路构成，实现USB设备的热插拔、即插即用以及信息交换；总线供电模块RJ45接口在提供数据通信的同时还为现场设备提供总线供电；存储模块主要作为程序存储空间和内存。结合CPU特性，以太网PHY收发器采用RMII连接，存储模块通过总线连接。
2．1 ARM微处理器
CPU选用基于ARM7TDMI—S核的微处理器LPC2478，其运行频率高达72 MHz，具有高性能的32位RISC结构、16位的指令集，具有低功耗等特点。它的内部资源丰富，包括1个10／100M以太网媒体访问控制器(MAC)、1个带4 KB终端RAM的USB全速设备／主机／OTG控制器、4个U1AR-T、1个SPI接口、512KB片上Flash程序存储器。同时还带有1个4 MHz的片内振荡器、98 KB RAM(包括64 KB局部SRAM、16 KB以太网SRAM)以及1个外部存储器控制器(EMC)来支持上述的各种串行通信接口。这些特性使得它非常适用于通信网关和协议转换器，为多种类型的通信应用提供了理想的解决方案。
2．2 以太网PHY收发器
KSZ8041NL是Micrel公司推出的第6代PHY(局域网接口)解决方案。它具有功耗低、体积小、波形稳定、价格便宜等特点。该芯片拥有150 mW的低电耗，以及6kV的针对快速以太网收发器的高静电放电(Electro Static Discharge，ESD)保护功能。
2．3 存储模块
外部存储器采用美国SST公司的SST39VF1601。这是一个1M×16位的CMOS多功能Flash(MPF)器件，尤其适用于要求程序、配置或数据存储器方便和低成本的应用。对于所有的系统，SST39VF1601可以显著增强系统的性能和可靠性，降低功耗。
内存芯片(RAM)HY57V561620CLT—HI是一个32MB、16位的CMOS同步DRAM，它用于高带宽大容量的主存储器。HY57V561620CLT—HI的运行与时钟的高电平同步，所有数据的输入和输出都与输入时钟的上升沿相同步。数据通过内部的管道来达到非常高的数据带宽。所有的输入和输出电压电平都和LVTTL电平相匹配。
2．4 USB主机模块
LPC2478内部具有一个嵌入式USB主机控制器，遵循OHCI(Open Host Controller Interface，开放式主机控制器接口)规范。LPC2478的USB主机控制器结构如图3所示。