基于LM3S8970的信號轉換器的設計

隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制系統的發(fā)展呈現智能化、數字化、聯(lián)網(wǎng)化的趨勢。工控信息傳遞方式的多樣化使得各種有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)通訊連接方式的應用更加廣泛和深入。將工業(yè)控制系統和信息系統引入到地鐵運行安全監控中，可以提高地鐵運行的安全性、穩定性和快速性。然而，各種信息通訊接口的不同勢必影響系統不同模塊間的兼容性和信息通訊的準確性、靈活性。

綜上，文章從信號傳輸兼容性出發(fā)，設計了更強功能基于LM3S8970的信號轉換器，該轉換器對數據傳輸進(jìn)行優(yōu)化處理，把經(jīng)過(guò)交換處理的數據更快的傳輸到更遠的交換器或中心站。使信號的傳輸距離由傳統的5 km提高到10 km。

1 系統總體設計

在轉換器中，用于連接地下以太網(wǎng)終端設備，各終端設備可以通過(guò)轉換器相互傳輸數據。轉換器可接一路光纖、2路RJ45的網(wǎng)絡(luò )終端設備、兩路CAN總線(xiàn)設備、1路485總線(xiàn)設備;轉換器對數據進(jìn)行優(yōu)化處理，把經(jīng)過(guò)交換處理的數據傳輸到更遠的轉換器或者中心站。如圖1為轉換器外圍設備框圖。

1.1 系統組成

轉換器主要由電源模塊、信號轉換板、電源充電板、電池組、等各功能模塊組成。轉換器具有雙向通信及工作狀態(tài)指示功能，電源指示功能，自診斷和故障指示功能，具有備用電源功能。

1.2 ARM Cortex—M3內核與微控制器LM3S8970

Cortex—M3內核處理器是ARM公司面向低成本應用領(lǐng)域研發(fā)出的32位處理器。該處理器高度集成了外設，與內核組成一個(gè)片上系統(So C)。Cortex—M3內核結合了Thumb-2指令32位哈佛微體系結構，提高了代碼密度，比32位編碼減少了約26%內存使用率，較16位編碼提高了約25%性能，通過(guò)降低系統工作時(shí)鐘頻率，降低了功耗和研發(fā)成本。并且內核應用了Tail-Chaining中斷技術(shù)，該技術(shù)把中斷之間的延遲縮短到6個(gè)機器周期，在實(shí)際應用中可減少約70%中斷。

系統核心控制器選用TI公司基于A(yíng)RM Cortex—M3內核的LM3S8970工業(yè)級微控制器，工作溫度范圍是-40～85 ℃，控制器具有較好電磁兼容特性，可應用于地鐵安全監控系統中。

2 系統硬件設計

2.1 核心處理單元

設計核心處理單元包括ARM處理器及外圍電路。硬件組成結構圖如圖2所示。LM3S8970的優(yōu)勢在于能夠方便的運用多種ARM開(kāi)發(fā)工具和片上系統底層IP應用方案。

2.2 通信處理單元及存儲單元

通信處理單元包括CAN通信處理單元和485通信處理單元。CAN通信處理單元包括光耦隔離器6N137和CAN收發(fā)器SN65HVD1050。單片機發(fā)出的信號通過(guò)光耦隔離，高電平信號經(jīng)過(guò)上拉，低電平信號下拉處理后連接到CAN收發(fā)器的TXD引腳，經(jīng)過(guò)濾波后接到外部CAN接收器上。外部CAN信號經(jīng)過(guò)濾波、限壓處理后連接到CAN收發(fā)器的CANH，CANL引腳，通過(guò)光耦隔離后輸入到LM3S8970中。

如圖3所示。處理單元中采用二極管保護器件D403，D404保證CAN傳輸信號不低于-0.7 V，瞬態(tài)抑制二極管D407、D408保證CAN信號不高于6 V。提高了信號傳輸的穩定與正確性。485通信處理單元采用RS-485收發(fā)器ADM2483，該收發(fā)器電氣數據隔離電壓2 500 V，最高數據速率500 Kbps，最多掛接節點(diǎn)256個(gè)，提高了數據通信的安全性、快速性和后續性。如圖4所示。存儲單元采用串行SPI大容量16Mbit Flash存儲器SST25VF016B，主要存儲網(wǎng)絡(luò )地址，接口電路如圖5所示。

2.3 電源及備用電源單元

設計內部采用AC/DC電源模塊，在外部設備供電時(shí)給主板提供24 V直流電源通過(guò)LM2596變換為5 V，再通過(guò)SPX1117—3.3變換為3.3 V供電，如圖6所示;在電池組電量不足時(shí)，24 V直流電源通過(guò)充放電路板給電池組充電。在外部電源停電時(shí)直接切換到備用電源供電，如圖7所示。備用電源電路采用以CN3718為核心的電源管理電路給10節鎳氫電池充電，保證在外部電源掉電的情況下還能維持系統工作2小時(shí)，大大提高了監控系統工作的安全性。

3 系統軟件設計

3.1 RealView MDK簡(jiǎn)介

系統軟件設計采用RealView MDK集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。RealView MDK集成了業(yè)內最領(lǐng)先的技術(shù)，包括μVision3集成開(kāi)發(fā)環(huán)境與RealView編譯器，支持最新的Cortex—M3核處理器，能夠自動(dòng)配置啟動(dòng)代碼，集成Flash燒寫(xiě)模塊。與ARM之前的工具包ADS等相比，RealView編譯器可將性能改善超過(guò)20%。

3.2 LwIP協(xié)議棧應用

LwIP是Light Weight(輕型)IP協(xié)議，有無(wú)操作系統的支持都可以運行。LwIP協(xié)議棧主要關(guān)注的是怎樣減少內存的使用和代碼的大小，以便讓LwIP適用于例如嵌入式系統等資源有限的小型平臺。LwIP實(shí)現的重點(diǎn)是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎上減少對RAM的占用，它只需十幾Kb的RAM和40Kb左右的ROM就可以運行。并且LwIP提供的一組應用程序編程接口函數很容易用于應用程序調用。在本設計中使用LwIP協(xié)議棧十分合適。

3.3 系統工作軟件流程圖

系統軟件流程圖如圖8所示，包括引腳配置、MAC地址初始化、工作模式選擇等。

4 系統性能分析

由于地下環(huán)境的復雜性，系統經(jīng)過(guò)一系列沖擊、高溫、低溫、振動(dòng)試驗。經(jīng)測試，在試驗中系統工作穩定，信號傳輸性能如下：

1)轉換器通過(guò)光纜通信

a)傳輸方式：主從、半雙工;

b)傳輸速率：1 000 Mbps;

c)發(fā)射光功率：≥-10 dBm;

d)接收靈敏度：≤-20 dBm;

e)最大傳輸距離：10 km;

2)轉換器通過(guò)CAN總線(xiàn)通信

a)傳輸方式：主從式、異步、半雙工、CAN總線(xiàn);

b)傳輸速率：5 kbps;

c)通信信號峰-峰值電壓：(0～5)V;

d)通信信號峰值電流：≤40 mA;

e)最大傳輸距離10 km(串入一臺中繼器);

3)轉換器通過(guò)485總線(xiàn)通信

a)傳輸方式：主從式、異步、半雙工、485總線(xiàn);

b)傳輸速率：9 600 bps;

c)通信信號峰-峰值電壓：(0～5)V;

d)通信信號峰值電流：≤40 mA;

e)傳輸距離2 km;

5 結論

本文設計的信號轉換器采用了先進(jìn)的ARM Cortex—M3內核的LM3S8970處理器，并創(chuàng )新性的將使用充電電池作為信號轉換器的備用電源供電。經(jīng)測試，系統信號傳輸快速，運行穩定可靠，可以適用于地下的復雜工作環(huán)境，具有良好的應用前景。