基于嵌入式技術(shù)的MultiBus－CPU模塊設計

引 言

　　MultiBus-CPU模塊是基于A(yíng)T91RM9200微控制器的智能化多總線(xiàn)測控模塊。該CPU模塊主要實(shí)現對下位機的控制，并建立基于Modbus-RTU總線(xiàn)協(xié)議的總線(xiàn)通信體系結構，讓系統設備可以無(wú)縫接入基于Modbus-RTU模式的總線(xiàn)系統，可靠、實(shí)時(shí)、準確地實(shí)現工業(yè)現場(chǎng)數據采集、信號輸出等功能；同時(shí)，提供標準視頻接口用于顯示16位色圖像，提供標準音頻輸入輸出接口用于實(shí)現錄放音功能。該模塊作為嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境的核心，可實(shí)現人機界面的交互操作和顯示、海量數據的存儲、多串口、多USB口、音頻信號輸入輸出、以太網(wǎng)口等接口；運行Linux操作系統，可以快速搭建面向應用的嵌入式應用系統。

1 MultIBus-CPU模塊軟件設計方案

　　為了滿(mǎn)足實(shí)際應用對實(shí)時(shí)性的要求，MultiBus-CPU模塊軟件采用了Linux 2.6.21操作系統。其中，Linux 2.6的內核任務(wù)可以被搶占，這一特性使得Linux 2.6內核適用于實(shí)時(shí)系統和嵌入式系統中。驅動(dòng)程序在Linux環(huán)境下進(jìn)行開(kāi)發(fā)，應用層采用標準的通信協(xié)議——Modbus協(xié)議，控制設備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行集中監控。通過(guò)一致的Modbus接口，MultiBus-CPU模塊與擴展下位機均可作為對等設備在工業(yè)網(wǎng)絡(luò )中進(jìn)行對話(huà)，使得各個(gè)設備無(wú)縫接人到工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )中。MNtiBus-CPU模塊支持現階段工業(yè)測控系統中最常用的以太網(wǎng)(UDP)通信及RS485通信協(xié)議。因此，本模塊在與其他功能模塊進(jìn)行通信時(shí)，采用Modbus-RTU數據通信方式，利用以太網(wǎng)(UDP)／RS485總線(xiàn)進(jìn)行數據的發(fā)送與接收，實(shí)現對各功能模塊的集中監控。軟件總體結構如圖1所示。

2 MultiBus-CPU模塊硬件設計方案

　　硬件設計原理圖如圖2所示。MultiBus-CPU模塊選用Atmel公司的AT91RM9200為主處理器，融合了ARM920T ARM Thumb處理器。其工作于180 MHz時(shí)性能高達200 MIPS；具備存儲器管理單元，可以運行Linux等實(shí)時(shí)操作系統；具備10／100 Base-T型以太網(wǎng)卡接口，只需外擴一個(gè)PHY即可實(shí)現以太網(wǎng)通信；具備USB 2.0全速(12 Mb／s)主機雙端口，可以擴展鍵盤(pán)、鼠標、U盤(pán)等標準外設。

　　主處理器AT91RM9200具備5個(gè)串口：1個(gè)DEBUG串口，設計為RS232接口，可以直接連接PC的串口進(jìn)行調試；1個(gè)RS485接口，可以與其他功能模塊的RS485接口組成網(wǎng)絡(luò )；其余3個(gè)串口均設計為RS232接口。

　　通過(guò)CPU模塊的外部總線(xiàn)和Epson公司的S1D13506顯示芯片擴展了一個(gè)VGA接口，分辨率為640×480，256色。IS41LVl6100為其提供獨立顯存，容量為1M×16位，支持EDO PAGE模式。

　　GL850A芯片是一個(gè)低功耗的USB 2.0 HUB控制器，AT91RM9200本身的USB HOST接口通過(guò)GL850A芯片擴展為4個(gè)USB HOST接口。

　　DS3231是精度非常高的I2C集成實(shí)時(shí)時(shí)鐘。其精度在0～40℃內高達±2 ppm，在-40～85℃內精度可達±3.5ppm；板載電池，掉電后可以保持時(shí)間；可為系統提供秒、分、小時(shí)、日、日期、月、年等信息，具有自動(dòng)閏年調整功能。

　　WM8731是一個(gè)低功耗網(wǎng)絡(luò )音頻編解碼器(CODEC)，具有輸出功率放大器和可編程采樣速率設定功能。WM8731芯片通過(guò)I2S接口與CPU連接，為CPU模塊擴展了音頻信號的輸入輸出接口，使系統具備音頻采樣功能，音頻信號數字化后可以通過(guò)以太網(wǎng)傳送。

　　DM9161為10／100M快速以太網(wǎng)物理層單芯片收發(fā)器，H1102為網(wǎng)絡(luò )隔離變壓器，用于實(shí)現10／100M自適應的可靠網(wǎng)絡(luò )傳輸功能。

　　MultiBus-CPU模塊通過(guò)增加顯示控制芯片及其驅動(dòng)實(shí)現了顯示接口，系統運行信息可以直接通過(guò)VGA顯示器顯示出來(lái)，大大提高了人機交互的可操作性。

3 顯示模塊硬件設計方案

　　3.1 接口芯片選擇

　　接口芯片選用Epson公司生產(chǎn)的大規模顯示控制器S1D13506。它是以SEDl354控制器為基礎發(fā)展起來(lái)的具有更多功能的LCD顯示控制器，支持全類(lèi)型、大規模的LCD及CRT／TV顯示器。S1D13506內置RAMDAC(Random Access Memory Digital-to-Analog Converter，隨機數模轉換記憶體)硬件X-Y軸轉置二維加速器，共有114個(gè)寄存器，可以靈活地設置各種不同的顯示方式。

　　3.2 接口硬件設計