基于ARM7單片機(jī)的國產(chǎn)500 kW發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅天涯

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和集成電路的不斷發(fā)展，基于32位ARM微處理器的嵌入式系統(tǒng)對各行各業(yè)自動(dòng)化發(fā)展產(chǎn)生了越來越重大的影響；近幾年來研制的國產(chǎn)500 kW發(fā)射機(jī)選用了ARM單片機(jī)作為嵌入式系統(tǒng)的微處理器進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)。該文主要介紹了基于ARM7單片機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)的DF500A型國產(chǎn)500 kW發(fā)射機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)和主要功能，簡單介紹了ARM7芯片LPC2388的基本功能，分模塊地介紹了該機(jī)型自動(dòng)控制系統(tǒng)核心部分ARM1通信控制板、ARM2調(diào)諧控制板的通信任務(wù)及軟件設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：國產(chǎn)發(fā)射機(jī) ARM7單片機(jī) 控制系統(tǒng) 通信任務(wù) 軟件設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）02（a）-0030-03

DF500A型國產(chǎn)500 kW短波發(fā)射機(jī)是由北京北廣科技股份有限公司研制生產(chǎn)的，整機(jī)由射頻系統(tǒng)、調(diào)制器系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)主要由四部分構(gòu)成：上位機(jī)人機(jī)交互自動(dòng)控制系統(tǒng)，邏輯控制系統(tǒng)，調(diào)諧控制系統(tǒng)，燈絲控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)作為發(fā)射機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，采用了CPCD+ARM+工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等技術(shù)開臺同步自主開發(fā)，其中由ARM單片機(jī)作為核心處理器的自動(dòng)控制系統(tǒng)是現(xiàn)今比較流行，使用最廣泛也是最先進(jìn)的嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)具有運(yùn)算處理能力強(qiáng)，與PC通信方便、成本低，針對應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)、用戶使用方便等方面的優(yōu)勢。DF500A型500 kW發(fā)射機(jī)按照行業(yè)自動(dòng)化技術(shù)規(guī)范的要求開發(fā)出來的自動(dòng)控制系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)了發(fā)射機(jī)自動(dòng)開關(guān)機(jī)，自動(dòng)調(diào)諧，故障診斷，網(wǎng)絡(luò)管理，遠(yuǎn)程監(jiān)控等諸多功能。

1 基于ARM7單片機(jī)的發(fā)射機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及功能說明

1.1 發(fā)射機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)介紹

DF500A型國產(chǎn)500 kW短波發(fā)射機(jī)的核心控制系統(tǒng)主要由ARM7單片機(jī)系列的芯片LPC2388為核心處理器組成的。LPC2388芯片是Philis公司生產(chǎn)的基于實(shí)時(shí)仿真的32位ARM7TDMI-S微處理器，適用于為了各種需要而進(jìn)行通訊的應(yīng)用。它包含了4個(gè)UART、1個(gè)SPI、2個(gè)同步串行端口（SSP）、3個(gè)I2C接口、2路CAN通道、1個(gè)I2S接口、10/100Ethernet MAC、USB2.0等接口并支持OTG等功能。LPC2388具有高達(dá)512 K的Flash存儲(chǔ)器和96K的SRAM。Flash在ARM的局部總線上，能夠進(jìn)行高性能的CPU訪問：有兩個(gè)AHB系統(tǒng)，可以同步進(jìn)行Ethernet DMA、USB DMA和片內(nèi)Flash執(zhí)行程序；先進(jìn)的中斷向量控制器，可以支持多大32個(gè)中斷，還具有通用定時(shí)器、RTC、看門狗等功能模塊。LPC2388的工作電壓一般3.0～3.6 V，有空閑、睡眠、掉電和深度掉電等四個(gè)低功耗模式；內(nèi)部有4 MHz的RC振蕩器，還選擇作為系統(tǒng)時(shí)鐘，片內(nèi)PLL可使系統(tǒng)時(shí)鐘最高工作在72 MHz；封裝在LQFP144。以上這些特點(diǎn)使它非常適合工業(yè)控制等領(lǐng)域。

DF500A型國產(chǎn)500 kW短波發(fā)射機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)主要包括通信控制板（ARM1）、調(diào)諧控制板（ARM2）、邏輯控制器、上位機(jī)組成，整機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

ARM1通信控制板主要功能是負(fù)責(zé)與上位機(jī)、ARM2、CPLD進(jìn)行通信，協(xié)調(diào)控制發(fā)射機(jī)開關(guān)機(jī)、調(diào)諧以及狀態(tài)信息、報(bào)警信息的及時(shí)上傳。ARM2調(diào)諧控制板主要是負(fù)責(zé)調(diào)諧，接收ARM1發(fā)送的調(diào)諧命令，上傳通過A/D轉(zhuǎn)換獲取的狀態(tài)信息，以及通過D/A接口控制發(fā)射機(jī)進(jìn)行調(diào)諧；同時(shí)，ARM2可通過顯示器及鍵盤實(shí)現(xiàn)手動(dòng)微調(diào)馬達(dá)。

1.2 發(fā)射機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)控制板功能說明

1.2.1母板

母板負(fù)責(zé)鏈接ADC模/數(shù)轉(zhuǎn)換板、DAC數(shù)/模轉(zhuǎn)換板、通信控制板ARM1、調(diào)諧控制板ARM2和通信接口板，進(jìn)行各個(gè)電路板之間信號的鏈接和轉(zhuǎn)換。

1.2.2ADC模/數(shù)轉(zhuǎn)換板

ADC電路板行主要由兩個(gè)多路選擇開關(guān)（ADG40）和一個(gè)AD轉(zhuǎn)換芯片（AD7233）及其外圍電路組成，并且整個(gè)控制系統(tǒng)的電源（+24V）從該板輸入。功能是把十三路馬達(dá)位置數(shù)據(jù)和各種表值數(shù)據(jù)的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送給調(diào)諧板ARM2。

1.2.3DAC數(shù)/模轉(zhuǎn)換板

DAC電路板主要由兩個(gè)DA轉(zhuǎn)換芯片（AD7839）及其外圍電路組成。功能是把調(diào)諧控制板AMR2傳送過來的13路馬達(dá)控制信號由數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量去控制13路電機(jī)，并且激勵(lì)器的控制從該板輸出。

1.2.4通信接口板

通信接口板功能是負(fù)責(zé)控制板和外圍設(shè)備的接口，光耦隔離進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)外圍設(shè)備。X2是邏輯控制的接口，X6是波段控制的接口。

1.2.5通信控制板ARM1

通信控制板ARM1主要由ARM7芯片LPC2388和iPort模塊組成，主要負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信、調(diào)諧控制板ARM2通信和一些邏輯控制功能。通信控制板ARM1實(shí)現(xiàn)的邏輯功能有關(guān)機(jī)、黑燈絲、紅燈絲、高壓合、高壓斷、復(fù)位、快速燈絲、封鎖音周、封鎖PSM指令。

1.2.6調(diào)諧控制板ARM2

調(diào)諧控制板ARM2主要由ARM7芯片LPC2388和液晶顯示模塊組成，主要是負(fù)責(zé)調(diào)諧控制、與邏輯控制器通信、與通信控制板ARM1通信、液晶顯示、指示燈和一些邏輯控制功能。調(diào)諧控制板ARM2實(shí)現(xiàn)的邏輯功能有高功率、低功率、升功率、降功率和啟動(dòng)調(diào)諧。

1.2.7邏輯控制器

邏輯控制器主要采用兩片EPM7512EAQI208作為核心處理器（一片負(fù)責(zé)所有的邏輯控制，一片負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信），輸入接口電路、輸出接口電路、狀態(tài)指示燈電路作為外部接口電路。它主要完成如下三方面的功能：一、實(shí)時(shí)采樣。控制器系統(tǒng)實(shí)時(shí)采樣一百多路發(fā)射機(jī)風(fēng)路、水路、燈絲、高壓、馬達(dá)等各個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)量，并通過RS232串行通信方式上傳至上位機(jī)。二、故障處理?？刂破飨到y(tǒng)通過采樣到的狀態(tài)量分析發(fā)射機(jī)的運(yùn)行狀況，并采取相應(yīng)保護(hù)措施。三、控制命令處理。操作人員可以通過上位機(jī)控制或手動(dòng)按鍵控制實(shí)現(xiàn)整個(gè)發(fā)射機(jī)的過程控制

2 ARM7單片機(jī)的發(fā)射機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想

2.1 通信控制板ARM1的軟件設(shè)計(jì)介紹

單片機(jī)ARM1主要負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信，它的通信任務(wù)包括：接收上位機(jī)發(fā)送的控制命令；上傳ARM2及CPLD的狀態(tài)信息；上傳命令執(zhí)行過程中的日志信息。單片機(jī)ARM1與上位機(jī)的通信采用UART3串行接口模塊實(shí)現(xiàn)。

通信控制板ARM1設(shè)計(jì)思想如下。

（1）LED指示工作狀態(tài)，1Hz頻率閃爍。

（2）為每個(gè)通訊設(shè)計(jì)一個(gè)單獨(dú)任務(wù)，用于上發(fā)和下傳指令。

（3）關(guān)機(jī)、開機(jī)、調(diào)諧三個(gè)獨(dú)立的任務(wù)用于實(shí)現(xiàn)控制邏輯。

（4）掃描運(yùn)行圖任務(wù)，根據(jù)本地運(yùn)行圖自動(dòng)觸發(fā)運(yùn)行時(shí)間，給調(diào)諧任務(wù)發(fā)送信號量。

（5）上傳狀態(tài)信息任務(wù)，該任務(wù)每隔2 s向PC端發(fā)送最新的CPLD狀態(tài)信息和ARM2讀取的狀態(tài)信息。

2.2 調(diào)諧控制板ARM2的軟件設(shè)計(jì)介紹

單片機(jī)ARM2主要負(fù)責(zé)發(fā)射機(jī)的調(diào)諧控制，以串口中斷方式實(shí)時(shí)從UART1獲得ARM1發(fā)送的消息，如果是ARM1的58字節(jié)狀態(tài)信息，則更新ARM2中保持的ARM1狀態(tài)，如果是粗調(diào)完成、前級調(diào)諧完成或者是末級調(diào)諧完成命令，則發(fā)送相應(yīng)的信號量給調(diào)