基于LPC2378的數據采集系統的設計

摘要：本文介紹了以LPC2378微處理器為核心的數據采集及處理系統，給出了各模塊、接口和軟件設計。

關(guān)鍵詞：LPC2378；數據采集；模塊功能

引言

　　在工業(yè)控制系統中，為了更好地實(shí)現對系統的控制，除了控制單元和執行單元外，還必須有反饋環(huán)節。在反饋環(huán)節中，最重要的就是對數據的采集和處理。一般的工業(yè)控制中，數據有很多種形式，最常見(jiàn)的有電流、電壓的模擬量、以二進(jìn)制形式輸入的開(kāi)關(guān)量以及以脈沖形式輸入的脈沖信號。

　　本文主要討論了以LPC2378微處理器為核心的數據采集和處理系統的實(shí)現過(guò)程。

系統結構

　　以NXP公司LPC2378為核心構成的控制系統的結構如圖1所示。該控制系統主要包括：嵌入式主控模塊、電源控制模塊、數據采集和處理模塊(A/D、D/A、R/D)、串口擴展模塊(SC16C554)。由主控模塊進(jìn)行控制，其他模塊協(xié)同工作，共同實(shí)現數據采集和處理的功能。處理器和CPLD模塊是整個(gè)系統的核心，它控制各模塊間的協(xié)同工作；電源控制模塊負責為芯片提供所需要的工作電壓，并對電壓進(jìn)行監測，同時(shí)提供系統的復位功能；數據采集和處理模塊由A/D、D/A、R/D構成，實(shí)現數據的數?；蚰缔D換；串口擴展模塊實(shí)現了與LPC2378之間數據的串、并行轉換，并完成與上位機的通訊功能。

圖1 數據采集處理系統框圖

　　SC16C554擴展出4路UART接口，波特率等底層協(xié)議由程序獨立設置，每個(gè)通道具有16字節的FIFO，兼容16C550。通過(guò)線(xiàn)路板接插件引入2組外部雙口RAM的存取接口，符合IDT7130的時(shí)序要求，數據、地址及控制信號等驅動(dòng)。為方便客戶(hù)未來(lái)的擴展應用，系統向外部預留2組CAN總線(xiàn)接口。系統中實(shí)現2路A/D，2路D/A，2路R/D；并預留12位IO控制口，每位可單獨設置為輸入或輸出。

硬件設計

　　主控模塊

　　該模塊由LPC2378和CPLD (EPM7128AE)構成。LPC2378是一款基于A(yíng)RM7TDMI-S核的高性能32位 RISC微處理器。處理器帶有Thumb指令擴展；主頻高達72MHz；片內集成512KB Flash，支持ISP及IAP，58KB SRAM，PLL加強型矢量中斷控制器，10/100M以太網(wǎng)帶DMA，USB2.0全速設備接口，2路CAN 2.0接口，通用DMA控制器，4個(gè)UART接口，1個(gè)具有全功能Modem的接口，3個(gè)I2C串行接口，3個(gè)SPI/SSP串行接口，一個(gè)I2S接口，SD/MMC記憶卡接口，8路10位 ADC，1路10位DAC，4個(gè)32位捕獲/比較時(shí)鐘，看門(mén)狗時(shí)鐘，PWM模塊支持3相馬達控制，RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘帶可選后備電池，通用I/O等。CPLD主要負責整個(gè)系統的譯碼工作，從而為系統中的某些芯片產(chǎn)生片選和控制信號。

　　電源控制模塊

　　通過(guò)接插件向線(xiàn)路板提供±15V、±12V、＋5V的直流電源。由于系統中大多數芯片的工作電壓均為3.3V或5V，故選擇的電源電壓調節器為T(mén)PS76633，它能對外提供3.3V的電壓及250mA的電流，且誤差在3%以?xún)?。為了使系統能穩定的工作，抑制信號線(xiàn)、電源線(xiàn)上的高頻噪聲和尖峰干擾，需要使用磁珠進(jìn)行系統的模數隔離。

　　系統工作時(shí)，會(huì )經(jīng)常要求進(jìn)入復位工作狀態(tài)，所以，系統的復位電路必須能準確、可靠地工作。這里的復位電路采用LTC1326芯片，同時(shí)實(shí)現低電平復位和手動(dòng)復位功能。LTC1326能夠在有多種電壓供電的系統中實(shí)現同時(shí)對3種電壓的監控功能。為了提高芯片的抗干擾能力，應給每個(gè)Vcc引腳接一個(gè)0.1μF的對地旁路電容。

　　數據采集和處理模塊

　　·A/D接口電路
　　LPC2378本身提供有8路10位ADC和1路10位DAC，而該系統要求提供的A/D和D/A精度均為12位，故需要擴展外部A/D和D/A。

　　AD7922是12位逐次逼近型高速、低功耗的A/D轉換器，吞吐率最高可達 1MSPS。本系統采用通過(guò)LPC2378的SPI接口直接與其相連，不需要其他的附加邏輯電路。在采集過(guò)程中，選擇不同的通道進(jìn)行采集。

　　·D/A接口電路
　　DAC7574是12位、低功耗、4路帶緩沖器的電壓輸出型D/A轉換芯片，最高速率可達3.4Mbps。外部為該芯片提供的工作電壓為5V，故轉換后的電壓輸出范圍是0~5V，需要設計D/A轉換后輸出電壓范圍是-10V~+10V，所以要用到兩級運算放大器，第一級構成反相求和電路，第二級構成反相比例運算放大電路。經(jīng)過(guò)第一級運放后，得到-2.5V~+2.5V的電壓值，再經(jīng)過(guò)第二級運放后得到-10V~+10V的電壓范圍。為了在第一級運放的輸入端獲得精準的-2.5V電壓，這里使用LM236，它是能夠提供精確的-2.5V電壓的穩壓芯片。                          

　　R/D接口電路

　　AD2S80A是最新一代旋轉變壓器數字轉換芯片，又叫角分解器(Resolver)，是一種特殊的模數轉換器，用來(lái)測量旋轉物體的轉軸角位移和角速度。AD2S80A的分辨率有10、12、14、16bits幾種可選。用戶(hù)通過(guò)選擇不同的外接電阻和電容，可以得到不同的帶寬和跟蹤速率。本系統中只用到了R/D的8條數據線(xiàn)(DB1~DB8)，其余8條數據線(xiàn)(DB9~DB16)接地。LPC2378負責處理AD2S80A送來(lái)的信號，AD2S80A與LPC2378的相關(guān)引腳直接相連，接口電路如圖2所示。

圖2  AD2S80A與LPC2378的連接圖

　　串口擴展模塊

　　MAX3074是RS-422總線(xiàn)的收發(fā)器，其功能是實(shí)現RS-422總線(xiàn)信號電平到SC16C554可接受信號電平的轉換。該系統中共使用6片MAX3074，其中4片與SC16C554的4路UART端口連接(其中兩路做為備用)，其余2片與LPC2378的兩路UART端口相連。

　　MAX3221是RS-232總線(xiàn)的收發(fā)器，其功能是實(shí)現RS-232總線(xiàn)信號電平到LPC2378可接受信號電平的轉換。系統中使用2片MAX3221與LPC2378其余兩路UART端口相連(圖3)。

圖3  總線(xiàn)電平轉換示意圖

系統軟件設計

　　系統的軟件開(kāi)發(fā)工具采用ADS1.2，設計語(yǔ)言使用ARM C。為了實(shí)現系統各部分的正常運行，在進(jìn)行軟件設計時(shí)必須充分考慮3個(gè)因素：程序的可靠性；程序的嚴密性；程序的穩定性。

　　軟件程序由主程序和中斷服務(wù)程序構成。主程序中首先完成系統的初始化，接著(zhù)進(jìn)入一個(gè)無(wú)限循環(huán)的后臺程序，巡回地執行多個(gè)事件，完成相應的操作；使用向量IRQ中斷，中斷服務(wù)程序采用基于定時(shí)器的巡回服務(wù)流程，完成事務(wù)處理。對于CPLD的軟件設計工具采用Altera公司的MAX PlusII，使用VHDL編程語(yǔ)言。

結語(yǔ)

　　本文從硬件設計和軟件設計兩方面對基于LPC2378微處理器的數據采集系統的設計進(jìn)行了介紹。該系統現已在中國兵器工業(yè)集團某研究所的一大型系統中得以應用，工作可靠、穩定。

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