基于LPC2136的嵌入式工業(yè)控制器開發(fā)平臺設(shè)計

白宇

摘 要：本設(shè)計以LPC2136微處理器芯片為硬件核心，外擴工業(yè)常用的控制接口、通訊接口以及常用的功能模塊，在實時操作系統(tǒng)uC/OSⅡ下開發(fā)片內(nèi)外設(shè)和外部擴展器件的驅(qū)動。平臺軟件中實現(xiàn)了Modbus協(xié)議棧，可以實現(xiàn)主機和從機的組網(wǎng)通訊。

關(guān)鍵詞：ARM；Modbus；LPC2136；開發(fā)平臺

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.010

0 引言

隨著硬件開發(fā)水平以及工業(yè)現(xiàn)場工藝水平的提高，工業(yè)現(xiàn)場對工業(yè)儀表提出更高的要求，傳統(tǒng)的51系列單片機因其片內(nèi)資源相對較少，需要擴展的器件較多，大數(shù)據(jù)量的計算完成周期較長，實時性難以控制等不利因素正在被不斷的淘汰，工業(yè)產(chǎn)品為了盡快占領(lǐng)市場，常常把產(chǎn)品的研發(fā)時間壓縮的很短；為了不必每次都從底層做起，設(shè)計了一個基于ARM和Modbus協(xié)議的嵌入式工業(yè)控制開發(fā)平臺。平臺選擇ARM微處理器，加入以IC公司生產(chǎn)的大量片內(nèi)外設(shè)，使ARM系列處理器擁有非常優(yōu)良的應(yīng)用性能。在ARM中安裝uC/OSⅡ操作系統(tǒng)，并在uC/OSⅡ環(huán)境下開發(fā)可剪裁、可移植的平臺軟件，實現(xiàn)Modbus協(xié)議的主從機通訊。使用此平臺開發(fā)的主機具有較高且可靠的實時性，可組建工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)集中控制，靈活性高，維護和升級成本低，易于擴展等優(yōu)點。

1 硬件設(shè)計

（1）器件選擇。平臺硬件主要由高性能ARM、4～20mA電流產(chǎn)生電路、接口隔離、計數(shù)器、數(shù)據(jù)存儲和RS232串口構(gòu)成。其中高性能的ARM采用NXP公司的LPC2xxx系列ARM7中的LPC2136.擁有一個SPI、一個SSP、兩個UART、一個DAC、兩個ADC、256KB的FLASH和32KB的RAM等片內(nèi)外設(shè)。4～20mA電流產(chǎn)生采用AD421芯片配合外圍芯片。接口隔離采用高速電偶合成器6N137和雙向光耦繼電器AWQ210.計數(shù)器采用16位可編程計數(shù)器8254.數(shù)據(jù)存儲采用I?C接口的電源監(jiān)控芯片CAT1025中的E?ROM。RS-232串口采用美信的MAX232。

（2）平臺硬件連接。1）、LPC2136與8254的連接。由于LPC2136沒有總線結(jié)構(gòu)，搭建時需要用GPIO來模擬8254的數(shù)據(jù)線和控制信號線。雖然8254是5V供電，但是LPC2136的GPIO口可以承受5V電壓的數(shù)字信號，兩者之間不需要電平轉(zhuǎn)換可以直接連接；2）LPC2136與AD421的連接。AD421是SPI控制方式，為外部接口電路，不可以直接與LPC2136直接連接，因此設(shè)計電源隔離模塊隔離電源，用高速光電耦合器件6N137隔離SPI總線。

2 平臺軟件設(shè)計

為了方便平臺軟件的移植和剪裁，每個模塊都有相應(yīng)的配置文件（頭文件）。配置文件中都定義了宏USE_XXXX，其中，XXXX是模塊的名稱。當(dāng)USE_XXXX標(biāo)志位enable時，是相應(yīng)的功能模塊可以使用，否則模塊disable。

（1）LPC2136片內(nèi)外設(shè)的驅(qū)動。平臺用到的片內(nèi)外設(shè)有UART控制器、I?C控制器、看門狗控制器、SPI控制器、SSP控制器和RTC控制器。其中UART控制器、I?C控制器、SPI控制器和SSP控制器接口采用中斷方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在驅(qū)動模塊的配置文件中定義配置參數(shù)，通過修改配置參數(shù)的值，來改變驅(qū)動接口函數(shù)的配置。如：在UART0驅(qū)動的配置文件中定義宏RS_485_R0（）和RS_485_S0（），就可以使UART0驅(qū)動用于RS-485進行通訊。

（2）可編程計數(shù)器8254的驅(qū)動和應(yīng)用函數(shù)。平臺使用了4片8254芯片。由于LPC2136沒有總線結(jié)構(gòu)，采用模擬總線和控制信號的方式。在驅(qū)動的配置文件中，定義了數(shù)據(jù)線D0～D7、CS1～CS2、A0～A1、WR和RD，使用時根據(jù)實際硬件連接修改。配置文件中定義了宏CS1_EN、CS2_EN、CS3_EN和CS4_EN，若其值為1，則對應(yīng)芯片的驅(qū)動可用，否則被屏蔽。如：定義宏CS1_EN為0，片選為CS1的8254芯片驅(qū)動不可用。

用戶應(yīng)用函數(shù)包括：計數(shù)器初始化、儲存計數(shù)器值和讀計數(shù)器值。平臺采用鎖存回讀的方式讀取計數(shù)器8254中的16位計數(shù)值。為保證各個計數(shù)器工作時的一致性，在鎖存計數(shù)器值前，調(diào)用OS_ENTER_CRITICAL（）宏定義關(guān)閉中斷和任務(wù)調(diào)度，鎖存結(jié)束調(diào)用OS_EXIT_CRITICAL（）宏定義恢復(fù)中斷和任務(wù)調(diào)度。在讀計數(shù)器值時，保存計數(shù)值的緩沖區(qū)可能被其他任務(wù)操作，為了保證臨界代碼段的完整性，同時使用OS_ENTER_CRITICAL（）和OS_EXIT_CRITICAL（）宏定義。

（3）CAT1025中E?ROM的讀寫函數(shù)。CAT1025中E?ROM的讀寫函數(shù)是在I?C驅(qū)動函數(shù)的基礎(chǔ)上編寫的，通過修改配置文件中的宏定義I?CWrite和I?CRead的值來確定使用I?C0或I?C1控制器。根據(jù)CAT1025的特性，讀操作時只有確定起始地址和數(shù)據(jù)個數(shù)即可，而寫操作采用頁寫模式，本設(shè)計的寫CAT1025中E?ROM的操作函數(shù)實現(xiàn)一次寫任意頁面、任意地址和不限數(shù)量的功能，用戶不必考慮換頁問題。

（4）Modbus協(xié)議的實現(xiàn)。采用ModbusRTU協(xié)議，實現(xiàn)從機協(xié)議棧和主機協(xié)議棧部分。通過修改協(xié)議棧的配置文件，可把控制器設(shè)置為主機、從機或即為主機又為從機。主機物理層使用LPC2136的UART1，從機物理層使用LPC2136的UART0，根據(jù)協(xié)議棧的主從機設(shè)備描述信息初始化UART的波特率、停止位、奇偶校驗，實現(xiàn)RS-232或RS-485通訊。主從機協(xié)議棧主要實現(xiàn)了讀線圈、讀離散量輸入、讀保持寄存器、讀輸入寄存器、寫單個線圈、寫多個線圈和寫多個寄存器的功能。通過修改配置文件，可以確定使用哪些功能。

3 結(jié)束語

ARM的迅速發(fā)展，使其逐漸取代了傳統(tǒng)51單片機在工業(yè)儀表中的應(yīng)用。本文介紹了基于ARM和Modbus協(xié)議的嵌入式工業(yè)儀表控制器開發(fā)平臺，硬件設(shè)計合理，工作可靠，軟件采用先進技術(shù)，移植和裁剪方便，通用Modbus協(xié)議，使儀表通訊可靠，并可組建工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，具有實用價值，是工業(yè)儀表控制器的可靠平臺。

參考文獻：

[1]周立功.深入淺出ARM7-LPC213x/LPC214x（上冊）[K].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2005.

[2][美]Jean J.Labrose著，邵貝貝等譯.嵌入式實時操作系統(tǒng)uC/OS-Ⅱ（第二版）.北京：北京航天航空出版社，2003.

[3]Modbus協(xié)議，http：//www.chinakong.net.