基于LPC824的嵌入式工業(yè)控制儀表的開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)

任閣

摘 要：本設(shè)計(jì)以創(chuàng)新型LPC824微處理器芯片為硬件核心，外擴(kuò)工業(yè)常用的控制接口、通訊接口以及常用的功能模塊，在μVision5環(huán)境下開發(fā)片內(nèi)外設(shè)和外部擴(kuò)展器件的驅(qū)動(dòng)。平臺(tái)軟件中實(shí)現(xiàn)了Modbus協(xié)議棧，可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)和從機(jī)的組網(wǎng)通訊。

關(guān)鍵詞：ARM；Modbus；LPC824；開發(fā)平臺(tái)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.021

0 引言

創(chuàng)新型微處理器LPC824可覆蓋8 位/16 位，同時(shí)其內(nèi)核為32 位ARM? Cortex?-M0+處理器，運(yùn)行頻率最高可達(dá)到30MHz，片上擁有豐富的接口，可以支持3路UART、2路SPI 和4路I ?C，為平臺(tái)開發(fā)的理想芯片，可作為很多儀表的更新替代內(nèi)核芯片。平臺(tái)選擇LPC微處理器，加入工業(yè)控制中常用到的外設(shè)，使ARM系列處理器擁有非常優(yōu)良的應(yīng)用性能。在μVision5環(huán)境下開發(fā)可剪裁、可移植的程序，實(shí)現(xiàn)Modbus協(xié)議的主從機(jī)通訊。使用此平臺(tái)開發(fā)的主機(jī)具有較高且可靠的實(shí)時(shí)性，可組建工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)集中控制，擁有靈活性高，維護(hù)和升級(jí)成本低，易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)思路

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常用的控制信號(hào)有隔離的開關(guān)量、繼電器輸出、4～20mA電流輸出、模擬轉(zhuǎn)數(shù)字模塊和串行通信等。根據(jù)這些比較常用的接口或需要的功能設(shè)計(jì)軟硬件。

2 硬件設(shè)計(jì)

平臺(tái)硬件主要構(gòu)成為：LPC824、4～20mA電流產(chǎn)生電路、異種電源隔離、16位可編程計(jì)數(shù)器、E?ROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和RS232串口構(gòu)成。其中高性能的ARM采用NXP公司的LPC824.支持3路ART、2路SPI和4路I ?C；此外芯片內(nèi)部還集成了12MHz 的RC 振蕩器，可以作為系統(tǒng)的時(shí)鐘源。4～20mA電流產(chǎn)生采用AD421芯片配合外圍芯片；隔離芯片采用高速電偶合成器6N137和雙向光耦繼電器AWQ210；應(yīng)用16位可編程計(jì)數(shù)器8254；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 采用μVision5環(huán)境進(jìn)行編程

LPC824內(nèi)核具有單片機(jī)編程環(huán)境下達(dá)到ARM性能的特點(diǎn)，可在線仿真，現(xiàn)采用μVision5環(huán)境進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，編寫出可以并且方便移植的程序模塊。

3.2 使用Modbus協(xié)議

作為一款應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，取得很好口碑的協(xié)議，Modbus作用豐富。通過此協(xié)議，控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)與其他的設(shè)備通訊。定義一個(gè)控制器方便識(shí)別使用的消息結(jié)構(gòu)即可，不必關(guān)心底層如何運(yùn)行，它描述的是一個(gè)過程，即控制器請(qǐng)求訪問，至于如何回應(yīng)來自其他設(shè)備的請(qǐng)求，如何偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄，它指定了消息域格式。

在工業(yè)儀表使用時(shí)，通常安裝在測(cè)量、控制現(xiàn)場(chǎng)，多使RS-485串口通訊方式與中央控制室中的工控機(jī)通訊。為了使儀表達(dá)到為客戶節(jié)省成本的目的，需要選擇一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)可使儀表連接到工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的通訊協(xié)議，這一部分有很多選擇，考慮到工業(yè)環(huán)境惡劣，電磁干擾強(qiáng)烈，最終選擇使用Modbus協(xié)議。

3.3 Modbus的實(shí)現(xiàn)

詳細(xì)介紹使用Modbus RTU協(xié)議完成從站和主站的協(xié)議棧。

從站協(xié)議棧程序從從站協(xié)議的數(shù)據(jù)打包開始，期間完成通訊，超時(shí)檢測(cè)，完整性檢測(cè)，CRC校驗(yàn)和仿真器服務(wù)任務(wù)的代碼，主要又Time1中斷服務(wù)程序，UART0中斷服務(wù)程序和虛擬仿真器完成。用戶實(shí)際應(yīng)用時(shí)，首先創(chuàng)建從機(jī)協(xié)議棧的服務(wù)任務(wù)，然后在用戶的應(yīng)用任務(wù)中，根據(jù)實(shí)際情況初始化從站協(xié)議棧，操作保持寄存器，輸出寄存器和線圈即可。

主機(jī)協(xié)議棧程序完成了與從機(jī)協(xié)議棧同樣的功能，主要由Timer0中斷服務(wù)程序，UART1中斷服務(wù)程序和上位機(jī)仿真器完成，用戶實(shí)際應(yīng)用時(shí)，首選創(chuàng)建主機(jī)協(xié)議棧的服務(wù)任務(wù)，然后用戶的應(yīng)用任務(wù)中，根據(jù)實(shí)際情況初始化主機(jī)協(xié)議棧。調(diào)用主機(jī)工鞥函數(shù)對(duì)從機(jī)操作，功能函數(shù)返回操作結(jié)果代碼，用戶任務(wù)可根據(jù)操作結(jié)果代碼決定具體動(dòng)作。

例1：讀保持寄存器的功能請(qǐng)求數(shù)據(jù)幀和從機(jī)返回應(yīng)答數(shù)據(jù)幀。定義CAT1025中的E ?ROM為Modbus從機(jī)的保持寄存器，發(fā)送數(shù)據(jù)幀為十六進(jìn)制02 03 00 00 00 23 04 20，02是從機(jī)地址，03是讀保持寄存器的功能代碼，00 00是起始地址的高8位和低8位，00 23是數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的高8位和低8位，04 20是CRC校驗(yàn)的高8位和低8位。從機(jī)應(yīng)答返回?cái)?shù)據(jù)幀包括，從機(jī)地址，主機(jī)請(qǐng)求功能代碼，數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，數(shù)據(jù)，CRC校驗(yàn)。

例2：寫單個(gè)線圈的功能請(qǐng)求數(shù)據(jù)幀。定義一個(gè)IO口控制發(fā)光二極管為從機(jī)中地址是2的線圈，打開線圈功能請(qǐng)求數(shù)據(jù)幀為十六進(jìn)制02 05 00 02 FF 00 2D C9，02是從機(jī)地址，03是寫單個(gè)線圈的功能代碼，00 02是線圈地址的高8位和低8位，F(xiàn)F 00是數(shù)據(jù)的高8位和低8位，2D C9是CRC校驗(yàn)的高8位和低8位。關(guān)閉線圈功能請(qǐng)求數(shù)據(jù)幀為十六進(jìn)制02 05 00 02 00 6C 39，02是從機(jī)地址，03是寫單個(gè)線圈的功能代碼，00 02是線圈地址的高8位和低8位，00 00 是數(shù)據(jù)的高8位和低8位，6C 39是CRC校驗(yàn)的高8位和低8位。

經(jīng)過驗(yàn)證，以上兩個(gè)例可以可靠的進(jìn)行。

4 結(jié)束語

經(jīng)過多方驗(yàn)證，設(shè)計(jì)平臺(tái)滿足現(xiàn)場(chǎng)儀表的改進(jìn)要求，本文詳細(xì)介紹了應(yīng)用LPC824和Modbus協(xié)議作為嵌入式工業(yè)儀表開發(fā)平臺(tái)的方法，平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)合理，工作可靠，功耗低；軟件方法易于移植；通訊方法目前在工業(yè)儀表中為主流方法，可組建工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，在開發(fā)工業(yè)儀表過程中，具有很高的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]廣州周立功單片機(jī)科技有限公司.AM824開發(fā)套件硬件設(shè)計(jì)指南V1.0[J].2015，8（30）.

[2]百度文庫 Modbus協(xié)議.