嵌入式系統(tǒng)的監(jiān)控板卡設(shè)計(jì)

賈曉磊

（中國人民解放軍66284部隊(duì)，北京 100160）

1 主控芯片及開發(fā)環(huán)境

控制單元是板卡的核心，用于實(shí)現(xiàn)邏輯控制。因?yàn)樵O(shè)計(jì)中有板載資源較多，所以設(shè)計(jì)選用Cortex-M4（高性能帶FPU）中的GD32。主流的Cortex-M3中的STM32F1不合適運(yùn)算快速處理且中斷數(shù)量有限，這與CPU設(shè)計(jì)有關(guān)。

主控芯片兆易公司生產(chǎn)的GD32是以Cortex-M為核的32位MCU（數(shù)據(jù)總線是32位的），可以看做是外設(shè)的集合體，包括通用和復(fù)用I/O（GPIO）、中斷和事件、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）、備份寄存器（BKP）、獨(dú)立看門狗（IWDG）、窗口看門狗（WWDG）、高級控制定時(shí)器（TIM1）、通用定時(shí)器（TIMx）、控制器局域網(wǎng)（bxCAN）、I2C接口、串行外設(shè)接口（SPI）、USB全速設(shè)備接口（USB）和調(diào)試支持（DBG）等。它能夠集合外設(shè)功能的數(shù)量，是衡量芯片的一個(gè)重要指標(biāo)。這些功能的控制通過對芯片寄存器設(shè)置來實(shí)現(xiàn)。而兆易公司提供了這些能夠?qū)崿F(xiàn)功能的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫，給芯片能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)控制提供了極大方便，適合批量生產(chǎn)板卡。而在程序燒錄方面，只需通過仿真接口向芯片下載編譯好的程序。

2 電源電路設(shè)計(jì)

板卡采用直流24 V電源供電。板卡中，主控芯片采用3.3 V供電，而數(shù)字量輸入輸出單元和模擬量輸入輸出單元中涉及24 V和5 V電壓。因此，供電電源的電壓根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，分別為24 V、5 V和3.3 V。所以，需要將24 V電源轉(zhuǎn)化成5 V，再轉(zhuǎn)化成3.3 V。

24 V直流電源通過接線端子接入板卡在電源的接入端采用P6KE30CA瞬態(tài)抑制二極管，來防止由于電磁感應(yīng)產(chǎn)生的反向峰值電壓帶來的危害。為保證電源質(zhì)量，確保系統(tǒng)穩(wěn)定工作，電源模塊必須濾除如高頻、噪聲等干擾信號。這里采用10 μF的電容實(shí)現(xiàn)去耦和濾波。然后，通過電源變壓器模塊TPS54340DDA將24 V直流電源轉(zhuǎn)化成5 V直流電。該電源變壓器模塊可以輸出120～1 200 mA的電流。對于微處理器的3.3 V供電電路，采用MIC29302BU芯片將5 V電壓轉(zhuǎn)化成3.3 V。這款芯片由于具有極高的電源抑制比，能夠更好地抑制電路中的噪聲和減少紋波。上電后，板子3.3 V電源指示燈（ds3）點(diǎn)亮，5 V電源指示燈（ds4）點(diǎn)亮，表明芯片TPS54340DDA（24 V→5 V）正常供電以及芯片MIC29302BU（5 V→3.3 V）正常供電。同時(shí)，可以用萬用表測試板卡中的5 V、3.3 V以及24 V電源，可以在板卡中找到TP1TP2TP3。

由于板卡中具有模擬量處理模塊，需板卡為AD5755-1ACPZ芯片提供模擬電源AVDD（+12 V）和AVSS（-12 V）。在模擬電源電路中，采用雙輸出直流-直流轉(zhuǎn)換器TPS65130，+5 V電源通過R170電阻與VIN連接。該芯片在VPOS輸出+15 V，在VNEG輸出-15 V。輸出的+15 V通過MC78M12ACDT降壓為+12 V，在輸出的+12 V與ad芯片間加EMI濾波器，降低模擬電路中的噪聲和波動(dòng)。輸出的-15 V通過MC79M12BDT變壓為-12 V，在輸出的-12 V與ad芯片間加EMI濾波器，降低模擬電路中的噪聲和波動(dòng)。同時(shí)，在VIN、VPOS、VNEG與GND之間加貼片電容，用于過濾電路中的高頻噪聲。

設(shè)計(jì)電源部分加了去耦電容，為的是防止主板下載和加電瞬間的電壓燒壞。但應(yīng)注意，電解電容的正負(fù)極不能接反，若長時(shí)間接反會(huì)導(dǎo)致電容炸裂。無極電容由于沒有極性可以隨意。

3 32路數(shù)字量輸入（DI）

數(shù)字量輸入模塊主要用于開關(guān)量按鍵和繼電器等狀態(tài)的確定。當(dāng)外部開關(guān)閉合時(shí)，24 V電源信號通過處理后傳送到GD32芯片的相應(yīng)引腳（PF3～PF5）?？紤]到需要大量的GPIO引腳，故選用8個(gè)并行輸入/串行輸出芯片SN74HC165D。那么，32路輸入需用4片SN74HC165D芯片級聯(lián)。依據(jù)此，在原理圖設(shè)計(jì)上，32路輸入分為4組，即每8路為一組，節(jié)省了大量的GPIO資源，也為后期,開發(fā)預(yù)留了主控芯片引腳資源。SN74HC165D芯片具有8位串行輸入，并行輸出移位三態(tài)輸出鎖存，寬工作電壓范圍（2.0～6.0 V，設(shè)計(jì)電壓3.3 V），移位寄存器可直接清零。其中，最主要的優(yōu)點(diǎn)在于輸入只需3根信號線，這在何立民教授《移位寄存器的串行擴(kuò)展技術(shù)》中有詳細(xì)說明。下面先闡述控制代碼的核心元件SN74HC165D。

32路隔離輸入控制代碼的核心是SN74HC165D芯片。這個(gè)芯片是8并行輸入/串行輸出移位寄。過程：當(dāng)PL為低電平（低電平采集），8位輸入進(jìn)入到移位寄存器；當(dāng)CP發(fā)生低到高的跳發(fā)時(shí)，原有的D7從Q7移出，而D0由DS移入填補(bǔ)；如此循環(huán)往復(fù)，最終把32路輸入信號傳遞給主控芯片GD32。

當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，DIP1與24 V電源連接，通過2個(gè)1.6 kΩ電阻降壓后接入到BZX84C5V6穩(wěn)壓二極管的3號引腳。此處的電位值為5.6 V左右，穩(wěn)壓二極管（其實(shí)就是反接二極管）的作用是鉗住在5.6 V，經(jīng)過560 Ω的電阻后，由歐姆定律可知，經(jīng)過該電阻的電流是10 mA。在忽略二極管內(nèi)阻的情況下，經(jīng)過發(fā)光二極管的電流也為10 mA。具體地，數(shù)字量輸入模塊通過LED燈的亮滅來體現(xiàn)數(shù)字量輸入單元的通斷狀態(tài)。

當(dāng)外部開關(guān)閉合時(shí)，光耦元器件tlp281-4中的二極管1-2端導(dǎo)通發(fā)光。在基極光照飽和的情況下，二極管導(dǎo)通后，使得電阻9兩端產(chǎn)生較大壓差。此時(shí)，DII1的電平為低電平，處理器檢測到低電平就表示外部開關(guān)閉合；反之，如果外部開關(guān)沒有閉合，光耦元器件的三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，電阻在上拉電壓的作用下使得DII1呈現(xiàn)高電平，處理器檢測到高電平就表示外部開關(guān)斷開。CPU通過對相應(yīng)引腳狀態(tài)的監(jiān)測，判斷外部輸入狀態(tài)信息。

如果外部開關(guān)處于斷開狀態(tài)，則DII1處的電壓值為5 V，但是GD32芯片的GPIO接口處電壓限制為3.3 V。因此，為了確保芯片的長時(shí)間穩(wěn)定工作，最好是把5 V電壓轉(zhuǎn)化成3.3 V。同時(shí)，為了后期二次開發(fā)，節(jié)省主控芯片資源為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)方案采用了SN74HC165D電平轉(zhuǎn)換芯片，同時(shí)具有狀態(tài)鎖存功能[1]。

4 32路數(shù)字量輸出（DO）

輸出可以看做是輸出的反“套路”。數(shù)字量輸出用于狀態(tài)指示燈控制、中壓繼電器以及相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，設(shè)計(jì)方案中共有32路數(shù)字量輸出。這里，將GD32的GPIOF8～GPIOF10的3個(gè)GPIO端口用作32路數(shù)字量輸出的控制，且每一路輸出都采用光耦隔離技術(shù)，確保系統(tǒng)安全可靠工作。當(dāng)需要有數(shù)字量輸出時(shí)，輸出引腳的電壓為3.3 V，所以這里采用SN74HC595D轉(zhuǎn)換芯片?？紤]到需要大量的GPIO引腳，故選用串行輸入/串行輸出或者8個(gè)并行輸出芯片74HC595，那么控制32路輸出需用4片74HC595芯片級聯(lián)。

控制32路隔離輸出，就是控制74HC595芯片。74HC595是串行輸入/串行或并行輸出移位寄存器。因?yàn)橥瑫r(shí)帶有串行輸入和串行輸出，因此多個(gè)74HC595芯片可以級聯(lián)。當(dāng)SHCP引腳發(fā)生由低到高的跳發(fā)時(shí)，來自DS引腳的數(shù)據(jù)進(jìn)入到移位寄存器的最高位即D7位，同時(shí)移位寄存器的最低位從Q7S移出。74HC595除了帶有移位寄存器外，還帶有保存寄存器和三態(tài)輸出。和移位寄存器一樣，保存寄存器也帶有獨(dú)立的時(shí)鐘引腳STCP。當(dāng)STCP發(fā)生由低到高的電平躍發(fā)時(shí)，移位寄存器數(shù)據(jù)傳遞到保存寄存器中。當(dāng)OEn引腳為低電平時(shí)，誤入保存寄存器的數(shù)據(jù)直接輸出。基于以上74HC595原理，每一次SHCP發(fā)生由低到高的跳發(fā)后，來自主控芯片GD32的數(shù)據(jù)從14腳（SER）進(jìn)入74HC595芯片，同時(shí)從9腳（QH）移出到下一片74HC595。如此循環(huán)往復(fù)，經(jīng)過32次SHCP跳發(fā)，數(shù)據(jù)將寫滿4片74HC595芯片，即32位數(shù)據(jù)。此時(shí)，控制STCP引腳由低到高跳發(fā)，74HC595產(chǎn)生輸出。此外，74HC595第10腳應(yīng)該接高電平。

GPIO O1-08進(jìn)光耦隔離芯片tlp281-4，光耦元器件tlp281-4中的二極管1-2端導(dǎo)通發(fā)光，在基極光照飽和的情況下，1→2導(dǎo)通。Tlp281-4的集電極經(jīng)由220R電阻與74HC595三態(tài)輸出引腳相連接，發(fā)射極共地連接。陰極共地連接，陽極經(jīng)由10 kΩ電阻R7與三級管基極連接，用于控制24 V供電的三級管，實(shí)現(xiàn)外部輸出電壓OUT1的控制。三態(tài)輸出引腳輸出低電平時(shí)，相應(yīng)的集電極和發(fā)射間無壓差，不產(chǎn)生光電信號，陰極和陽極間高阻，三極管基極高電平，三極管導(dǎo)通，集電極和相應(yīng)的OUT1高電平，對應(yīng)的LED亮指示通道高電平[2]。

5 結(jié) 論

本方案設(shè)計(jì)的多路隔離信號監(jiān)控板卡，既具有開關(guān)量信號采集、數(shù)字量控制與顯示輸出，也可SD Card卡記錄數(shù)據(jù)參數(shù)，同時(shí)可通過10/100/1 000 M以太網(wǎng)接口作為控制管理口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、告警信息上報(bào)等功能，方便網(wǎng)絡(luò)管理人員進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程管理，節(jié)省人力、物力，提高了工作效率，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理故障，有效保障了設(shè)備的安全運(yùn)行。