基于ARM 的远程控制器应用开发①

王 鹏

(江苏国电南自海吉科技有限公司，江苏 南京，210000)

0 引 言

物联网(IoT)是利用局部网络或者互联网等通信技术把传感器、控制器、设备、人和物等通过一定的方式联结在一起，最终形成人与物、物与物相联的远程管理控制、信息化与智能化的网络［1］.

1 系统硬件平台的设计与应用分析

本控制系统的硬件主要有以下几个部分组成:以LPC2368 ARM7 处理器为核心的嵌入式监测控制中心，以DM9161A 以太网PHY 芯片或GPRS 模块为核心的网络通信部分，以EPM240 芯片为核心的CPLD 继电器控制模块，以及各种执行设备，参见文献［2］给出的控制器结构框架图.

1.1 LPC2368 外围电路的设计

根据物联网控制器的实际要求，结合LPC2368的片内资源，设计LPC2368 外围电路，如图1 所示.

图1 LPC2368 外围电路

1.2 DM9161A 以太网模块电路设计

DM9161A 是一个10M/100M 以太网PHY 收发器，它支持MII 和RMII 接口，在这里使用的是RMII 接口.DM9161A 的RMII 接口包括发送数据脚TXD［0］、TXD［1］，发送使能脚TXEN，接受数据脚RXD［0］、RXD［1］，接受数据时钟脚RXCLK，接受错误数据RXEN，这些脚和MII 管理接口的管理数据时钟脚MDC、管理数据I/O 脚MDIO 等与LPC2368 的对应脚相连.此外，一些管脚的上拉或下拉电阻主要是用于配置DM9161A 的运行状态.PWRDWN 脚下拉表示DM9161A 不会进入掉电模式;MDINTR 脚的上拉表示中断的输出低电平有效;COL/RMII 的上拉表示DM9161A 工作在RMII接口模式;BGRES 和BGRESG 脚之间的6.8kΩ 的电阻是用于调整DM9161A 的网络驱动能力，XT1和XT2 为时钟输入脚，因为使用RMII 接口，所以时钟输入是50MHz，选用50MHz 的有源晶振，通过XT2 输入，XT1 悬空.

图2 独立控制的RS485 串行通信电路图

图3 开关量输出

1.3 RS485 串行通信电路设计

利用RS485 自动换向原理设计3 路RS485 串行通信电路，参见文献［3］给出的电路图.

该电路充分的利用了B0505LS DC－DC 隔离电源芯片和6N137 光耦隔离芯片，B0505LS 可以产生一个单独的电源，6N137 芯片是高速光耦隔离芯片，速度可达10Mbit/s，电路中包括2 个6N317 芯片和1 个B0505LS 芯片，利用B0505LS 芯片制造一个电源单独给MAX485 以及用于LPC2368 传输数据隔离的光耦供电，另一个用于数据接收隔离的光耦用3.3V 电源供电.当RS485_TXD1 信号为“1”时，对应的6N137 光耦芯片输出VO 为“1”，因此加在MAX485 DI 上的信号为“1”，DCT2 三极管集电极和发射极导通，使得RE、DE 上的信号都为“0”，自动禁能MAX485 发送器，使能MAX485 作为接受器准备接受数据;当RS485_TXD1 信号为“0”时，对应的6N137 光耦芯片输出VO 为“0”，因此加在MAX485 DI 上的信号为“0”，DCT2 三极管集电极和发射极断开，使得RE、DE 上的信号都为“1”，自动禁能MAX485 接收器，使能MAX485 作为发送器发送数据.

这一种RS－485 自动换向电路可能并不适合所有的RS485 应用，因此利用光耦PC817 隔离芯片单独控制1 路的RS485 通信，电路图如图2 所示.利用LPC2368 的P0.8 GPIO 口输出对光耦PC817 的控制进而控制RS485 是作为发送器还是接收器，当P0.8 输出“1”时，使RE、DE 上的信号都为“1”，使能MAX485 作为发送器，当P0.8 输出“0”、RS485_TXD2 上的信号为“1”时，使能MAX485 作为接受器.RS485_TXD2 与LPC2368 的P2.0 口相连，使能P2.0 口为TXD1 功能.

1.4 开关量输入输出模块

开关量输出模块主要是用于控制继电器模块开关的通断，电路原理图如图3 所示.此处利用了2 片74HC04 反相器，因为是使用9013 NPN 型三极管的做开关来控制输出，三极管的集电极作为输出，也就是当基极与发射极之间电势差为高电平时开关输出为低电平，也就是LPC2368 的GPIO 口输出低电平时，经过反相器和三极管作用使最终输出为低电平，而当集电极与发射极之间的电势差为低电平时，由于集电极与发射极之间不导通，因此输出口处于高阻态状态，这样保证了开关量只能输出低电平，确保了对继电器进行可靠的控制，加入74HC04 反相器的目的是提高输出电路的驱动能力，同时也能起到隔离保护作用.

开关量输入模块如图4 所示.该部分利用PC817 光耦隔离输入可用于检测其他电路的工作状态.

1.5 继电器控制模块

继电器控制模块是整个控制器系统最重要的模块之一，控制器通过控制这个模块上继电器的通断对一些设备进行控制，继电器控制模块中加入了一块Altera 的MAX II 系列的EMP240 CPLD 芯片，可以用于其它功能的扩展，在此，我们只需要利用CPLD 芯片编程实现简单的逻辑门电路对继电器进行控制.

1.5.1 EMP240 CPLD 芯片外围电路设计

采用SPSS 19.0软件进行统计分析。计数资料用%表示，计量资料采用表示。组间计数资料采用χ2检验；计量资料两两比较采用t检验，三组间比较采用方差分析。变量间的相关性分析采用Pearson线性相关分析。所有统计结果以P<0.05为差异有统计学意义。

EMP240 CPLD 芯片属于Altera 的MAX○R II系列CPLD 芯片，MAX○R II 具有I/O 口数量多，速度快，以及与其他CPLD 架构连接可靠性高等优点.Altera 的MAX○R II 系列芯片配备的有MultiVol内核，用户闪存(UFM)模块，和强化的系统可编程(ISP)功能，旨在降低成本和功耗的同时，提供更多可编程解决方案的应用，如总线连接，I/O 扩展，上电复位(POR)、顺序控制和设备配置的控制.

EMP240 具有240 个宏单元，采用3.3V 电压供电，用在这里主要是用于LPC2368 ARM 控制器的I/O 扩展作用，相当于译码器替LPC2368 完成外部引脚资源扩展、输入输出时序管理，LPC2368通过EMP240 CPLD 芯片对继电器通断进行控制.

1.5.2 输入部分整形电路设计

为了提高对继电器控制的准确性和可靠性，利用CD40106BM 施密特触发器对输入的信号波形进行整形，去除信号中的谐波部分，得到平稳的直流控制信号.控制器输出部分通过PC817 光耦隔离输出给CD40106BM

1.5.3 继电器电路

继电器电路的控制输入端连接的是EMP240 CPLD 芯片，通过EMP240 编程简单逻辑电路输出控制继电器的通断，.继电器型号采用NT75－2C－DC12－S－0.41－S，其额定电压为12V，吸合电压为8.4V，释放电压为1.2V，触电负载为5A250VDC.

图5 控制器软件模块示意图

2 控制器软件部分设计

图6 系统软件主程序部分

2.1 控制器软件总体设计方案

由于LPC2368 ARM 芯片的片内资源丰富，内部有实时时钟(RTC)和以太网控制器，因此时钟模块的直接利用LPC2368 内部的RTC 去实现，主要是配置RTC 的相关寄存器利用RTC 中断实现，在此不做说明，DM9161A 以太网芯片的驱动利用LPC2368 以太网控制器控制，GPRS 模块直接与控制器RS485 串口相连实现数据交换，LCD12864 模块通过GPIO 口驱动，ATT7022CU 模块通过GPIO口模拟SPI 时序驱动.

LPC2368 属于ARM7 系列芯片，因此可以通过移植μC/OS－II 实时操作系统的方法提高LPC2368 的利用率和实时控制，利用μC/OS－II 的微小内核实现任务之间的切换，由于只移植μC/OS－II 的内核，涉及到外围电路的驱动程序就需要自己编写，这样难度较大，因此本设计中软件部分未能采用移植μC/OS－II 实时操作系统的方法实现，在以后对μC/OS－II 实时操作系统有了深入了解之后可以采用此方法进行软件设计，可以提高CPU 的执行效率.在此我们采用直接编程的方法来实现各个模块的控制，控制器软件模块示意图如图8 所示.

2.2 控制器软件主程序设计

控制器在上电复位后，根据需要调用相关函数完成系统的启动、初始化并进入中断模式开始正常工作，产生中断后将系统控制权转交给产生中断对应的中断服务程序，中断服务程序执行完后返回，释放系统控制权，继续等待中断.控制器主程序设计流程图如图6 所示.

3 总 结

采用LPC2368 ARM7 作为主控制器大大的提高了物联网控制器的性能，LPC2368 片内有以太网MAC 控制器，通过MAC 控制器控制外部PHY 芯片可以实现高速的网络数据传输，LPC2368 还可以通过串口连接GPRS 模块进行数据传输，控制器电路经过适当的修改可以应用于城市路等智能控制、远程智能家居的控制、远程农业监控;目前的不足之处主要在于控制器软件编程部分，如果能够成功移植μC/OS－II 实时操作系统，对于CPU 的利用资源分配以及系统实时性有一个质的改变，不过由于硬件平台的不同，只能移植μC/OS－II 实时操作系统的微小内核，对于外围的硬件驱动部分只能自己编写，因此开发难度较大，需要后续对ARM7以及μC/OS－II 嵌入式系统有深入学习之后再做开发.

［1］ DU Kun－kun，WANG Zhi－liang，HONG Mi.Human machine interactive system on smart home of IoT［J］.The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications，2013，20(1):96－99.

［2］ Zhang Guiqing，Duan Xingchao，Wang Mingand Li Chengdong.Controller Design for the Internet of Things for Building Electrical Equipments［J］.Power Engineering and Automation Conference(PEAM)，2012 IEEE.

［3］ 潘群，向军，王琳.RS－485 串行通信接口电路的设计与应用［J］.常州工学院学报，2009，22(3):38－42.