基于AM335X的智能采集器模塊設(shè)計(jì)*

李要中，劉 鈞，馬尚昌，3

(1.成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 610225； 2.華云升達(dá)(北京)氣象科技有限責(zé)任公司，北京 102299；3.中國(guó)氣象局大氣探測(cè)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610225)

基于AM335X的智能采集器模塊設(shè)計(jì)*

李要中1，劉 鈞2，馬尚昌1，3

(1.成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 610225； 2.華云升達(dá)(北京)氣象科技有限責(zé)任公司，北京 102299；3.中國(guó)氣象局大氣探測(cè)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610225)

為了適應(yīng)氣象現(xiàn)代化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)，解決系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、布線繁瑣等問題，提出了一種基于AM335X的智能采集器模塊設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器信號(hào)的高精度采集與處理。系統(tǒng)依托Ubuntu嵌入式軟件開發(fā)平臺(tái)；硬件部分利用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將相似的部分劃在一起,盡量避免模塊間的相互銜接,增強(qiáng)了體系的可靠性,同時(shí)提升了設(shè)計(jì)的層次化標(biāo)準(zhǔn)。軟件部分基于SecureCRT測(cè)試環(huán)境，搭建函數(shù)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，采用多線程通信結(jié)構(gòu)，使得軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。測(cè)試結(jié)果表明：該模塊能有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集處理，符合應(yīng)用要求。

AM335X；智能采集器；嵌入式軟件；數(shù)據(jù)處理

0 引言

智能采集器解決了對(duì)傳感器信號(hào)接入結(jié)構(gòu)復(fù)雜、布線繁瑣的問題，具有智能化程度高、通用化、系統(tǒng)資源豐富、處理能力強(qiáng)、擴(kuò)展方便等特點(diǎn)。在國(guó)內(nèi)外主流、通用采集器技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，增加了CAN 總線的新型站結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)具有單機(jī)應(yīng)用或網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用兩種模式。設(shè)計(jì)定位主要是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)處理要求較高的高端應(yīng)用，如風(fēng)能、新型自動(dòng)站、交通氣象站等觀測(cè)需求。設(shè)計(jì)的智能采集器模塊采用AM335X系列芯片，AM335X基于ARM Cortex A8處理器的高性能[1]，以其豐富的片上系統(tǒng)資源、多種操作系統(tǒng)的支持，以及獨(dú)有的邏輯可編程實(shí)時(shí)單元(PRU模塊)，在工業(yè)自動(dòng)化控制中有著較為廣泛的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)從300 MHz～1 GHz工作頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)整功能，使其能夠適應(yīng)高、中、低端各種應(yīng)用；PRU模塊(Programmable Realtime Unit)具有本地指令和數(shù)據(jù)RAM，可以運(yùn)行在1/2 CPU的時(shí)鐘頻率下，可對(duì)整個(gè)片上系統(tǒng)資源進(jìn)行尋址訪問，并且支持EtherCAT 、Powerlink、Profibus等多種工業(yè)通信協(xié)議，是體系真正卓有成效的低成本設(shè)計(jì)方案。結(jié)合ZigBee協(xié)議棧，AM335X提供了一個(gè)豐富、完美的ZigBee設(shè)計(jì)方法。與原有的采集器相比，該智能采集器模塊能穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)無線通信，并能達(dá)到對(duì)采集器低能耗、小體積、高性能、經(jīng)濟(jì)性、可靠性的應(yīng)用要求，能夠廣泛地應(yīng)用于智能氣象站業(yè)務(wù)中，滿足氣象業(yè)務(wù)的數(shù)字化、智能化要求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能采集器是智能氣象站對(duì)各傳感器信息采集處理的核心部件，從性能和成本兩方面綜合考慮，采用高性能的AM335X嵌入式處理器，外圍電路包括：時(shí)鐘電路、看門狗復(fù)位電路、電源電路、檢測(cè)電路、程序Flash和數(shù)據(jù)Flash、RJ45網(wǎng)絡(luò)接口、RS-232串口、USB端口、CF卡端口、外接擴(kuò)充端口等，設(shè)計(jì)依托嵌入式軟件操作平臺(tái)，各結(jié)構(gòu)采用獨(dú)立模塊設(shè)計(jì)，對(duì)單一結(jié)構(gòu)的測(cè)試、維護(hù)、更新不會(huì)妨礙其他模塊正常運(yùn)行，保證了結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊電路

電源電路采用LT3680單片式降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器模塊，選擇12 V直流輸入，電路采用PWM調(diào)制技術(shù)，選擇63.4 kΩ/1%的控制電阻，芯片F(xiàn)B引腳依次選用91 kΩ、536 kΩ、316 kΩ三種阻值，分別產(chǎn)生7.4 V、5 V、3.3 V三種電壓輸出狀態(tài)[2]。LT3680的RUN/SS管腳控制芯片工作狀態(tài)，選取2.5 V以上為高電平，高電平觸發(fā)開始工作，低電平觸發(fā)停止工作。設(shè)計(jì)給出一種7.4 V電源輸出狀態(tài)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，電路原理如圖2所示。

圖2 一種7.4 V電壓型號(hào)原理圖

2.2 時(shí)鐘模塊電路

時(shí)鐘電路采用DS1307實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，5 V直流電壓接入Vcc端，3.3 V 直流電壓接入SCL/SDA端。32.768 kHz晶振，能夠保證晶體正常起振。I2C總線結(jié)構(gòu)，當(dāng)SCL為高電平時(shí)，主從器件完成對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)射與接收，當(dāng)SCL為低電平時(shí)，允許I2C總線上SDA電平發(fā)生變化，為下一個(gè)SCL高電平到來時(shí)的數(shù)據(jù)讀寫做準(zhǔn)備。時(shí)鐘電路具備自動(dòng)掉電保護(hù)與上電復(fù)位功能，能滿足采集器設(shè)計(jì)的時(shí)鐘要求。電路設(shè)計(jì)原理如圖3。

圖3 時(shí)鐘模塊電路

2.3 接口電路設(shè)計(jì)

采集器包含RS-232、RS-485及ZigBee三種通信模式，UART接口設(shè)計(jì)采用MAX3223芯片，該芯片支持兩個(gè)UART通道，并且可以通過軟件編程實(shí)現(xiàn)低功耗模式，當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，該芯片可以被自動(dòng)喚醒，因此能夠大大降低系統(tǒng)的功耗?？紤]到采集器應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)了由P6KE20雙向瞬態(tài)抑制二極管組成的保護(hù)電路。在反向作用條件下，當(dāng)電路出現(xiàn)一個(gè)較大能量的脈沖時(shí)，該二極管的工作阻抗就會(huì)瞬間下降至極低的導(dǎo)通值，從而允許較高電流通過，同時(shí)把電壓控制在預(yù)先標(biāo)定的水平，可有效地保護(hù)電路，并且起到抑制靜電干擾的作用[3]。電路原理如圖4所示。

圖4 接口電路圖

2.4 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

圖5 主板溫度檢測(cè)電路

采用DS18B20芯片設(shè)計(jì)采集器主板溫度檢測(cè)電路，DS18B20與傳統(tǒng)熱敏電阻芯片相比，體積小，易處理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，采用4.7 kΩ上拉電阻，起到檢測(cè)采集器主板溫度的作用。電路原理如圖5所示。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，主要完成采集器對(duì)傳感器信息的采集、處理、狀態(tài)監(jiān)控、存儲(chǔ)與上傳，以及系統(tǒng)的初始化管理、時(shí)鐘管理、程序升級(jí)等功能。軟件體系主要包括采集器啟動(dòng)管理控制、信息采集、處理、監(jiān)控模塊，采集器與上位機(jī)通信交互模塊兩部分。

軟件啟動(dòng)控制主要完成對(duì)系統(tǒng)的初始化管理[4]、狀態(tài)自檢。數(shù)據(jù)采集、處理和監(jiān)控主要完成與傳感器的交互，收集傳感器采集信息，完成小時(shí)數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計(jì)量測(cè)算、瞬時(shí)值質(zhì)量控制、采集綜合質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)補(bǔ)傳、狀態(tài)監(jiān)控、SD卡本地?cái)?shù)據(jù)保存以及數(shù)據(jù)上傳。軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 啟動(dòng)管理、信息處理結(jié)構(gòu)圖

圖7 通信軟件設(shè)計(jì)圖

通信軟件設(shè)計(jì)主要完成采集器與上位機(jī)的通信交互。等待接收、分析執(zhí)行上位機(jī)指令信息，執(zhí)行對(duì)應(yīng)操作，向上位機(jī)發(fā)送上傳數(shù)據(jù)信息。軟件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

4 測(cè)試結(jié)果

智能采集器通過軟件狀態(tài)識(shí)別方式來配置傳感器輸出信號(hào)的采集模式[5]，在Ubuntu嵌入式操作系統(tǒng)上編譯采集器軟件代碼，通過SecureCRT系統(tǒng)測(cè)試軟件進(jìn)行測(cè)試，打開COM3串口調(diào)試界面，設(shè)置時(shí)間節(jié)點(diǎn)，串口數(shù)據(jù)輸出正常，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 串口測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

本文提出了一種基于AM335X的智能采集器模塊設(shè)計(jì)方法，描述了AM335X系列芯片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，介紹了智能采集器模塊的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過嵌入式軟件平臺(tái)與串口軟件的驗(yàn)證調(diào)試，測(cè)試結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了該智能采集器模塊設(shè)計(jì)的可行性。目前采集器模塊已進(jìn)入產(chǎn)品測(cè)試應(yīng)用階段，相信未來會(huì)有較好的推廣價(jià)值。

[1] 金龍,繆峰,路振民,等.基于AM335X的北斗導(dǎo)航應(yīng)用開發(fā)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2016,24(17):139-141.

[2] 李文新,王廣龍,陳建輝.基于S3C2440和WinCE的嵌入式傳感測(cè)控系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2009,17(8):1498-1500.

[3] 凌秀澤,周俊,王俊仁.基于AM335X的液晶顯示控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2015,23(1):96-98.

[4] 潘敏,焦生杰,翁寅生.基于DSP和ST7920的液晶顯示模塊的實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2007,33(6):48-50.

[5] 葉湘濱,李文,楊雪,等.“即插即用”智能變送器模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2009(10):28-30.

Design of intelligent collector module based on AM335X

Li Yaozhong1, Liu Jun2, Ma Shangchang1,3

(1.College of Electrical Engineering，Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225，China; 2.Hua Yun Sheng Da (Beijing) Meteorological Science and Technology Co., Ltd，Beijing 102299, China; 3.Key Laboratory of Atmospheric Sounding, CMA, Chengdu 610225, China)

In order to adapt to the meteorological modernization, intelligent development trend, to solve the complex system structure, wiring cumbersome and other issues, a design method of intelligent acquisition module based on AM335X is proposed, which can realize the high quality acquisition and signal processing of the sensor. The system relies on Ubuntu embedded software development platform. The hardware part uses the modular structure design, it divides the similar parts together, as far as possible to avoid the interaction between modules, enhance the reliability of the system, and enhance the design of the hierarchy standard. The software part is based on SecureCRT test environment to set up the function of dynamic link library. By using the multi thread communication structure, making the software structure is simple and easy to implement.The test results show that the module can effectively achieve the data acquisition and processing, in line with the application requirements.

AM335X; intelligent collector; embedded software; data processing

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2012YQ110205)

TP31

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.15.009

李要中，劉鈞，馬尚昌.基于AM335X的智能采集器模塊設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(15)：32-34.

2017-03-08)

李要中(1991-)，男，碩士，主要研究方向：信號(hào)與信息處理、氣象探測(cè)技術(shù)。

劉鈞(1976-)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：大氣探測(cè)信息處理、圖形圖像處理技術(shù)。

馬尚昌(1971-)，男，博士，教授，主要研究方向：地面氣象觀測(cè)儀器、信息獲取與處理。