基于ARM LPC2119的水情測報終端設計與實現

方弄玉，趙劍萍

（1.廣東農工商職業技術學院 廣東 廣州 510507；2.中興通訊股份有限公司 廣東 深圳 518057）

防洪、抗旱給國家和家庭造成巨大的經濟損失，水資源的優化調度和科學管理得到了人們的重視。因此，在水資源調度和控制方面投放了更多人力物力，能得到有效控制。而嵌入式技術[1]為水情測報控制提供良好的技術平臺，設計了一個最小系統[2]，能夠在有人或者無人的情況下，通過PC機或上位機發送用戶需要的指令遠程控制電機工作，從而控制閘門的升降，實現水資源調度控制。

1 系統總體結構

該系統總體設計結構[3-6]主要由4個模塊構成，分別為電源轉換模塊、中心模塊（CPU模塊）、通信模塊、外圍驅動模塊等。這些模塊之間的關系如圖1所示。

圖1 系統模塊關系Fig.1 Relationship of system modules

2 系統硬件設計[7-8]

2.1 電源轉換模塊設計

系統各個模塊需要使用 5、3.3、1.8 V，特別是主芯片LPC2119所需要的電壓。因此該系統設計采用一個電源轉換模塊將電源板輸出的穩定12 V電源轉換為所需要的電壓。其中采用MAX1659將+12 V轉換為+5 V和+5 V P，并通過程序控制該芯片的工作，從而控制了后續所需的+5 V P電壓的任何電路；用MAX1658芯片將+5 V轉換為+3.3 V P，并控制該芯片的工作，控制后面需要+3.3 V P電壓的任何電路；采用MIC5207芯片將+5 V轉換為+3.3、+1.8 V，供后面電路提供電源。每一個轉換后的電壓都用了一個發光二極管的亮滅來檢查這些芯片是否正常工作，亮表示工作正常，反之則表示此轉換器有問題（損壞）。

2.2 中心模塊設計

中心模塊采用周立功公司提供的ARM7芯片LPC2119進行中心控制[3-4]，該芯片共有64個引腳，內置128 KB的Flash存儲器，16 KB的RAM，2個CAN通道，每個總線的數據波特率可達1 Mb/s。

在此模塊中留有1個JTAG接口，用于調試程序；并接上了8個撥碼開關，設置波特率和選擇采用何種通信方式進行通信（RS485通信，RS232通信，CAN通信）；給了 8位的 I/O輸出數據到外圍驅動電路，控制電機；在芯片的引腳上留有1路的CAN通信輸出，1路的RS485通信輸出，1路的RS232通信輸出；使用MAX708S進行系統復位和低壓保護，當監測系統電壓低于4.4 V的時候，它輸出一個復位脈沖進行系統復位，起到低壓保護，同時在其MR引腳上接上一個按鈕到地，通過按鈕給一個低電平實現手動復位系統。

2.3 通信模塊設計

要輸出板工作，必須由上面的PC機或者上位機下達指令，告訴輸出板該控制哪個閘門開閉，這個就需要上位機與終端進行通信。在輸出板上留下3種通信方式的接口，具體采用哪一種按實際情況而定。

3種通信方式具體為RS485通信、RS232通信、CAN通信。當通信距離較短時，輸出板一般與PC機直接相連，這時一般采用RS232通信；當通信距離較長時，一般采用RS485通信和CAN通信，但兩者也有差別。RS485總線通信模式由于使用了差分電平傳輸信號，傳輸距離比RS232更長，最多可達到1 500 m，同時具有結構簡單、價格低廉、組網方便和數據傳輸速率適當，仍然能發揮良好的作用，但對于在系統的數據冗余量較大，干擾強度太大，速度要求高的應用場所不適宜用RS485總線通信。而CAN總線通信除了有RS485通信的優點以外，還能承受較大的傳輸數據量，抗干擾能力較強。

LPC2119輸出TTL電平，在用RS232通信時，必須將TTL電平轉換為RS232電平，才能與RS232接口連接并通信，使用SP3232E或SP3243ECA進行電平轉換。同時加上了穩壓管進行保護，因為一般RS232通信都是與PC機直接相連，環境不太惡劣，所以保護就比較簡單。具體的電路實現如圖2所示。

圖2 RS232通信方式及保護電路Fig.2 RS232 communication and protection circuit

在采用RS485通信和CAN通信時，一般距離都在幾千米左右，并且條件惡劣，雷電閃電可能會造成大量的總線損壞，所以除了設計電平轉換，還必須加上隔離保護電路。RS485電路框圖如圖3所示，具體的隔離保護電路如圖4所示。

圖3 RS485通信方式Fig.3 RS485 communication

圖4 RS485通信時隔離保護電路Fig.4 Isolation protection circuit when RS485 communicated

在RS485通信接口設計中，采用RSM485HT進行電平轉換為RS485電平，并自帶有隔離。隔離電路采用了3級防雷保護，用微功率線性穩壓器LT3010進行一級保護，電流過大穩壓器將導通，把大電流拉向大地；用自恢復保險絲SMD1812P010TF進行二級保護，電流太大，它將熔斷，切斷電路，電流恢復再重新導通；用防雷管3RM090進行三級保護；這三級保護都是把大電流引向大地，所以必須確保輸入時接地良好，不然會產生嚴重的后果。

在CAN通信接口設計中，采用CTM1040T型高速CAN隔離收發器。隔離電路和RS485的隔離電路差不多。在主芯片LPC2119上加了8個撥碼開關，可以選用其中的2個控制選擇3個通信方式。

2.4 外圍驅動模塊設計[3-6]

外圍電路主要的作用是驅動電磁閥或者繼電器來控制電機的運轉，實現遠程控制。具體的電路框圖如圖5所示。

圖5 外圍電路框圖Fig.5 Diagram of external circuit

一般的I/O口輸出的電壓和電流都不能直接驅動電磁閥或者繼電器，所以需要芯片驅動。選用ULN2803驅動8路外圍器件，只是外圍用的繼電器和電磁閥都沒有確定，所以留有接口（8路 5 V，2路 12 V，2路 24 V的電源接口和ULN2803的驅動輸出接口）。根據外面接入的設備靈活地選擇接口接入。如果外面接的是電機，就直接用交流電供電。

2.5 MCU對外圍接入設備的管理

MCU可以通過控制外面接入的設備所需電源進行控制[6]，具體通過MCU的I/O口發送高低電平實現通斷，以需要12 V的外圍設備通斷控制為例，其電路如圖6所示。

圖6 MCU對外圍接入設備通斷控制電路Fig.6 MCU control circuit to peripheral device

當外圍器件要工作時，即MCU通過I/O口發送D12VEN1為低的信號，此時MAX1659導通，得到12 V電源。這樣做的目的有3個：1）將所用器件與外界電源隔開，減少外界干擾對器件的損壞；2）提供接入設備需要12 V用電；3）可以把不用的外圍器件關掉。MAX1659是可控芯片，通過電阻R1、R2調節。其他的電源如5 V和24 V也可用同樣方法進行控制。

3 系統軟件設計

軟件設計采用周立功公司提供的底層接口函數和操作系統μC/OS-Ⅱ編程，實現了上位機遠程及時和定時自動控制外圍設備（閘門），同時實現了節能和遠程監控。具體的控制程序流程如圖7和圖8所示。

圖7 自動控制流程圖Fig.7 Flow chart of automatic control

圖8 定時控制流程圖Fig.8 Flow chart of timing control

4 結 論

詳細介紹了作為水情測報終端的輸出適配器的設計方法，成功實現了對遠程閥門的控制。該設計成功地將嵌入式技術運用到水情測報和控制中，以ARM7為主芯片進行綜合設計成一個最小系統，它可以單獨使用也可以和其他設備配合使用，通過無線或有線與上位機進行通信，從而根據用戶需要發送指令，遠程控制閘門的升降，同時通過控制電源轉換器來斷掉后面的外圍器件所需要的電壓，從而實現節能，主芯片的節能則通過程序實現休眠模式或掉電模式。

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