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基于嵌入式系统的数据记录分析仪的硬件设计

作者:  时间:2011-08-23 04:03  来源:EDN

  随着科学技术的发展和我国工业自动化程度的提高,大量的自动化设备和仪表已经广泛应用于各大厂矿的工业现场。这些设备和仪表大多具有数据采集,传送,联网的能力,然而在现场应用中,往往需要对各个设备的相关数据进行实时记录与及时分析。本文所设计的系统就是为了满足这样的需求。本系统以S3C2410 为核心,采用linux 实时操作系统,结合嵌入式设备与网络技术的优点, 有可连接设备数量多,速度快,功能多及可扩展性强等优点,可完成大量电力设备的集中监控,显着提高用户自动化系统的可靠性,节约大量的人力物力。

  1 系统的总体结构

  系统的组成部分和主要功能如下:

  1)上位机部分,主要负责远程的信息配置与数据采集,记录,与处理。

  2数据记录分析仪部分:主要负责现场的信息配置和数据记录与处理。

  3)单片机系统:主要负责环境信息的采集,监控,处理。

  2 系统的硬件设计

  记录仪的硬件系统由核心板与主板2 部分构成。其中核心板主要负责CPU RAM 存储器,Flash 存储器等的搭建。

  主板包括整个系统的电源部分, 以太网通信部分,CAN 通信部分,485 通信部分,串行通信部分,显示部分,数据存储部分,CPLD 部分等。核心板与主板通过双排插针的结构连接。

  硬件设计的的结构图如图1 所示。

1 记录仪结构图

  2.1 核心板的设计

  核心板主要由CPU S3C2410、内存SDRAM、闪存NANDFlash、晶振电路、启动配置电路等几部分构成。

  CPU S3C2410A 的内部仅仅集成了4 k 大小的SRAM,用作系统程序的引导程序空间, 所以需要扩展一定容量的RAM,用来用作主程序的运行空间,数据及堆栈区。当系统启动时,CPU 首先从复位地址0x0 处读启动代码, 完成系统初始化后,程序代码一般都调入SDRAM 中运行,以提高系统的运行速度, 同时, 系统及用户堆栈, 运行数据也都放在SDRAM 中。SRAM 中的引导程序完成以后,会将操作系统镜像加载到SDRAM 中。本系统的SDRAM 2 HY57V561620T 构建成1 32 位的SDRAM 存储结构。

  HY57V561620T 1 268 435 456 位的CMOS SDRAM 芯片,能够很好地满足大容量高宽度的存储需求。

  本系统中使用的Flash 为三星公司的K9F1208. 容量为64 MB 采用块页式存储管理,8 I/O 引脚充当数据,地址,命令的复用端口。

  2.2 主板的设计

  如上所述,主板负责整个系统的电源部分,以太网通信部分,CAN 通信部分,485 通信部分,串行通信部分,显示部分,数据存储部分,CPLD 部分等。

  2.2.1 电源模块的设计

  CPUS3C2410A 芯片的各个模块采取独立供电, 其中,内核在200 MHz 工作时, 工作电压是1.8 V 266 MHz 工作时,工作电压是2 V,存储器和I/O 的工作电压是3.3 V,所以本系统采用一个+5 V 的开关电源模块, 然后再分别将+5 V电压处理成3.3 V 电压和1.8 V 电压。其中3.3 V 电压是用低压差线性电压源通过+5 V 调整得到的。直流5 V 电压经外部接入,经过电源的滤波,输出平稳的,5 V 可用的电压,通过LM1117T 的调整可以得到可用的3.3 V 电压。最后在输出端接入一个100 μF 的钽电容, 来改善其瞬态响应和稳定性。

  原理图如图2 所示。

2 3.3 V 电压的实现

  系统中的1.8 V 是用线性电压调节器MIC5207 根据3.3 V转换而成的,其原理图如图3 所示。输出电压用于向CPU 的内核供电。在上图中,MIC5207 3 脚接到CPU PWREN管脚, 通过PWREN MIC5207 一个电平, 可以控制MIC5207 的开关,从而可以将CPU 内核的电源关闭,使其进入掉电状态。MIC5207 4 脚接入1 470 pF 的旁路电容,其作用在于进一步降低噪音。其输出接入1 470 pF 的滤波电容,进一步使输出更加平稳。

3 1.8 V 电压的实现

  2.2.2 通信模块的设计

  本系统作为一个多功能的数据记录显示仪器, 提供485通信与CAN 通信与下位机采样模块连接。485 通信与CAN通信是工业现场比较常用的2 种模块。另外,系统还配置了以太网通信模块,便于将数据传送到上位机进行集中监控和管理。下面,就分别进行简单说明。

  1 485 通信模块的设计

  485 通信模块原理图如图4 所示。

4 485 通信模块原理图

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