基于嵌入式技術的以太網節點控制器研制

韓學軍, 王濤濤(東北大學 . 機械工程與自動化學院；. 信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110819)

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基于嵌入式技術的以太網節點控制器研制

韓學軍a, 王濤濤b
(東北大學 a. 機械工程與自動化學院；b. 信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110819)

研制了基于嵌入式技術的FAST射電望遠鏡以太網節點控制器，節點控制器具有嵌入式以太網通信模塊，高速的工作速率和實時可靠的操作，較強的運算能力和遠程更新等功能。硬件電路方面主要實現了以太網接口模塊、電機控制電路、網絡通信模塊電路和時鐘芯片電路等的設計，控制器程序方面完成了基于μC/OS-II操作系統上的各個程序模塊的設計。以太網節點控制器在密云模型中進行了運行和測試，達到了主動反射面控制系統的設計要求。

嵌入式技術； 射電望遠鏡； 以太網； LPC2368

0 引 言

為加快對宇宙探索的進程，提高我國的深空探測能力， 1994年中國天文界提出建造世界最大的單口徑射電望遠鏡[1]—500 m單口徑球面射電天文望遠鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST)。針對FAST整體索網反射面[2]上眾多節點的控制系統，網絡化設計是其首選方案。在如今的工業控制領域，總線技術[3]應用非常廣泛。現流行的總線方式[4]有RS-485總線技術、CAN總線技術[5]等。而以太網具有應用廣泛，價格低廉、多種傳輸介質可選、高速度、易于組網應用等優點[6]，于是以太網作為該系統的現場總線技術非常合適。本文應用在50 m密云縮比模型基礎上，選擇嵌入式實時系統作為節點控制器的操作系統，節點控制器通過以太網接收來自總控制PC的命令，并根據命令內容控制索網節點發生相應動作，并把索網節點的運行狀況與狀態通過以太網傳輸給總控制PC，從而達到對整個反射面的控制。

1 以太網控制器總體設計

節點控制器作為整個主動反射面控制系統的基本控制單元，起著非常重要的作用。節點控制器的主要功能：從總控制PC收到控制信息然后依據控制信息的內容做出判斷并控制電機運動；同時也會將電機的狀態信息上傳給控制計算機。根據節點控制器的功能，確定節點控制器的設計方案，如圖1所示。

整個節點控制器分為以下幾個部分：①電源管理模塊：將電源總線提供的電源轉換為節點控制器內部需要的標準電壓，并將節點控制器的電源與總線電源相互隔離，從而起到保護節點控制器的功能。②主控芯片LPC2368及其外圍電路模塊；③以太網通信模塊：主要是由LPC2368的MAC模塊、物理層芯片DM9161、網絡變壓器HR601682和RJ45接口組成，是一種非常經典，并具有較高的穩定性與可靠性的以太網硬件接口；④電機控制反饋模塊；⑤上/下限位信號硬件部分：是由安裝在促動器上的行程開關連接與斷開來判斷執行機構是否超出其運動范圍；⑥手動控制模塊：主要是根據硬件選擇節點控制器選擇的工作模式，其中有LED指示燈用于顯示當前選擇的模式，手動功能只有在某種調試時才會使用，大多數情況下，節點控制器均處于自動模式；⑦數碼管顯示模塊：是在調試階段便于觀察促動器當前位置等相關信息的本地監控；⑧數據存儲與時間模塊：由時鐘芯片FM3130來實現，其具有數據存儲和提供時間信息兩個功能；⑨接口電路模塊：采用光耦將輸入信號和輸出信號將外部信號與控制器內部電路相互隔離。RS-485電路模塊是用于備用串行網絡，它將在后期的網絡流量監測[7]，網絡性能分析中使用。

2 控制器硬件設計

節點控制器[8]作為整個索網反射面控制系統的基本控制單元，根據實際功能需要，硬件方面應具備以太網接口模塊、網絡通信模塊電路、電機控制電路、電機監測電路和時鐘芯片電路等功能。控制器電路板是實現控制器功能的底層硬件平臺。

2.1 主控芯片模塊設計

節點控制器的主控芯片采用NXP公司的基于ARM內核的LPC2368芯片[9]。LPC2368內核為ARM7TDMI-S處理器，可在高達72 MHz的工作頻率下運行，具有豐富的GPIO資源和外部中斷資源，可作為控制器零點、限位和電機控制等多路信號的輸入輸出引腳。芯片內部集成了以太網MAC模塊，外接必要的物理層芯片可實現以太網接入功能。同時該芯片的抗干擾能力強，適合在工業控制領域的應用。

微控制器LPC2368的最小系統電路，包括芯片供電電路，復位電路，晶振電路和程序下載電路4部分。LPC2368具有多組電源引腳，其中10個引腳需要3.3 V供電，同時要在電源腳和地之間接入0.1 μF的去藕電容，這樣能夠降低電路板因走線而形成的電源噪聲，另外有8個引腳需要接地。LPC2368的復位為低電平有效，該電路具有上電復位和手動復位功能。晶振電源部分采用12 MHz的外部晶振，經芯片內部鎖相環倍頻后，LPC2368的時鐘頻率可達72 MHz。

2.2 時鐘芯片電路設計

時鐘芯片FM3130作為數據存儲和實時時鐘雙重身份出現，該芯片采用3.3 V供電，在無備用電源時，電源下電，存儲在非易失性存儲器中的數據不會丟失，但時鐘信息將會丟失。上次的時鐘信息對本次的使用沒有價值，因為控制系統對時間的精度要求較高，在整個反射面系統中具有一個標準的統一時間，需要整個系統遵守。故每次在進入自動觀測狀態前需要對節點控制器設定時間，使所有的節點控制器具有相同的時間。該芯片需要時鐘電路，其采用32.768 kHz的外部晶振提供內部時鐘。它與主控芯片之間的通信方式采用IIC總線協議，它將作為從設備，掛在總線上，而MCU將作為主設備對時鐘芯片配置時鐘信息和存儲或讀取FRAM中的數據。因為采用的是IIC總線協議因此在數據引腳和時鐘引腳分別加上一個上拉電阻，為確保VDD引腳具有良好的退耦性，VDD需要接一個0.1 μF電容進行濾波。其電路圖如圖2所示。

圖2 時鐘芯片電路

2.3 接口電路設計

節點控制器使用光耦TLP521將控制器外部和內部相互隔離，避免了外部可能的干擾對電路板的影響。

零點檢測信號和計數信號是由外部霍爾提供的，它們的信號高電平均為5 V電壓，但由于微控制器LPC2368使用3.3 V供電，其大部分GPIO只能接受3.3 V的電壓，5 V的電壓可能會對IO[10]造成損壞。故對它們的信號需要電平轉換，而光耦TLP521即可實現這個功能。因為如圖3所示為TLP521的內部原理圖，其輸入端和輸出端隔離，僅通過光信號來傳遞的。故既起到隔離的作用也可以實現電平轉換的作用。

節點控制器的控制信號作為強電驅動板的邏輯芯片的輸入信號，由于節點控制器與強電板有一定的距離，為了提高輸出信號的驅動能力，選用TLP521增強驅動之用。強電板上使用380 V交流，因此遭到強電破壞的可能也會增加，為了避免強電板對控制板帶來的損壞，故選用TLP521用作隔離之用。因此TLP521在控制信號輸出端具有隔離與增加驅動能力的功能。

2.4 網絡通信模塊電路設計

節點控制器要實現以太網的接入，必須為其設計以太網硬件接口電路。嵌入式[11]以太網硬件接口典型電路包括MAC模塊、物理層芯片、網絡隔離變壓器和RJ45接口四部分組成。在主控芯片LPC2368中帶有以太網MAC模塊，這個以太網MAC通過使用加速的DMA硬件來提供優化的性能。選用DM9161作為物理層芯片，它是一款單芯片的10/100 MHz以太網物理層收發器[12]，它具有低功耗、波形穩定、價格便宜等特點。采用HR601682作為網絡隔離變壓器，它在網絡通信過程中所起的作用[13]有兩個：一是傳輸數據，將物理層輸出的差分信號通過差模耦合的線圈進行耦波以增強信號，并且通過電磁場的轉換耦合到不同電平的連接網線的另外一端；除此之外，以太網濾波變壓器還能對設備起到一定的防雷保護作用。RJ45接口采用帶有LED指示燈的標準接口。

2.5 電機控制電路設計

節點控制器通過對促動器電機的控制，可以改變下拉索的長度，進而改變每個反射面單元的位置，所以整個控制電路的設計對整個球狀反射面的動態成型起著至關重要的作用。節點控制器是通過一個與其分離的電機驅動板來控制電機運行的。電機的運行受兩路信號線控制，這兩路控制信號最初是從主控芯片LPC2368的兩個引腳上發出的，經節點控制器板上的數字邏輯電路使其輸出信號與電機驅動板輸入的匹配，進而通過電機驅動板完成對電機的控制功能。如圖4所示，為節點控制的電機控制電路和限位電路原理圖。經過前端的邏輯電平轉換，將微控制器的控制電平、上下限位的邏輯電平經過三輸入或非門，共同控制促動器電機的正反轉。當微控制器控制電機轉動(向下或向上)時，發生異常，不能發送停止電平，則當促動器運動到限位開關處，接觸到限位開關產生限位電平時，限位電平可以通過邏輯電路使輸出給強電驅動板的信號處于停止電平，以免驅動裝置受到破壞。保證了主動反射面控制系統的安全運行。

圖4 電機控制及限位開關電路

3 控制器軟件設計與實現

節點控制器的軟件系統是在操作系統μC/OS-II上運行的。μC/OS-II 是一種基于優先級的搶占式多任務實時操作系統[14]，包含了實時內核、任務管理、時間管理、任務間通信同步和內存管理等功能。本文選擇Keil for ARM作為開發環境。使用通用C語言編寫程序[15]。Keil for ARM軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具。

3.1 以太網通信程序設計

本系統應用程序基于以太網驅動程序進行編程，以太網數據接收采用以太網中斷方式，其為微控制器32個中斷之一，在初始化以太網時，打開以太網中斷，等待接收數據。TCP/IP通信[16]為服務器與客戶端間進行通信，需要總控制PC訪問節點控制器，故節點控制器作為服務器，總控制PC作為客戶端。節點控制器以太網初始化和發送數據的基本流程如圖5所示。

圖5 以太網初始化和發送數據的基本流程

以太網發送數據需要在保證服務器與客戶端連接正常的情況下，才能發送數據，因此在發送數據程序中需要檢測網絡連接，以及微控制器MAC控制器的狀態，是否允許發送數據。若允許發送數據，需要將要發送的數據復制到發送緩沖區，然后調用發送子程序，其根據要發送數據的個數將緩沖區的數據發送給PHY芯片，最終經網絡變壓器發送給RJ45接口，實現數據的傳遞。

3.2 節點控制器對電機的控制程序設計

微控制器對電機的控制分為手動控制和自動控制。手動控制用于調試時，偶爾使用。自動控制是節點控制器根據目標長度輸出控制信號，不需要操作員介入。

手動控制電路部分是按照三路促動器方案設定的，包括正轉和反轉2個按鈕；2個撥斷開關用來選擇手動控制哪路促動器(先進行內部編號)；還有3個LED顯示燈，用來表示當前選擇的手動模式控制哪路促動器。微控制器對2個撥斷開關的掃描，判斷操作員選擇的運動模式(兩個撥斷開關的四個狀態)：3路自動模式、第1路處于手動模式、第2路處于手動模式和第3路處于手動模式。在密云系統中試驗階段僅對1路進行手動與自動控制。控制流程如圖6所示。

圖6 電機控制流程圖

4 結 語

以太網作為新興的現場總線方式，有其不可取代的優勢。廉價、通信可靠、對物理層數據傳輸有安全機制等優勢，故選擇以太網總線方式作為密云主動反射面控制系統的數據網絡。對節點控制器的各個功能進行完善，并在密云模型上進行了測試。節點控制器系統通過和總控制PC間的交互，能夠完成對整個反射面進行控制，并完成對監控數據的反饋，總體能夠實現射電望遠鏡設計的目標，完成射電源的觀測與跟蹤。

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Development of Ethernet Node Controller Based on Embedded Technology

HANXue-juna,WANGTao-taob
(1. School of Mechanical Engineering and Automation, 2. College of Information Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

A fast radio telescope Ethernet node controller was developed based on embedded technology. The node controller has the Ethernet communication module, high-speed work rate and real-time reliable operation, strong computing power and remote update function. In the aspect of hardware circuitry, it has achieved Ethernet interface module, motor control circuits, network communication module circuit and clock chip circuit design. In the aspect of control programming, it has completed the design of the various program modules based on μC/OS-II. Ethernet node controller in Miyun model. By testing, it has meet the requirements of the active control system.

embedded technique; radio telescope; Ethernet; LPC2368

2014-04-17

國家自然科學基金資助項目(11273001)

韓學軍(1969-),男,遼寧沈陽人,碩士,工程師,主要研究方向為機械電子工程和無線網絡等。E-mail：zhangll129@163.com

TP 393

A

1006-7167(2015)02-0101-04