（机械电子工程专业论文）基于arm的热浸镀锌实时网络监控系统的设计.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 热浸镀锌是一种应用得非常广泛的钢铁防腐技术。随着社会的不断进步和发展，工 业领域对镀锌钢材性能的要求越来越高。欲生产高性能的合金化镀锌材料必须对热浸镀 锌工艺过程进行有效的监控。传统的监控方式，监控实时性差、操作精度低、人力资源 消耗大而且成本高。 随着信息技术的飞速发展，嵌入式技术已逐渐运用到各个领域。嵌入式设备具有体 积小、重量轻、成本低和实时性强等优点。为提高监控的实时性和可靠性，同时尽量节 省人力资源和经济成本，设计了一套基于嵌入式微处理器a r m 的热浸镀锌实时网络监 控系统。 本论文的主要内容有： ( 1 ) 根据热浸镀锌的工作原理，比较当前各种工业测控仪表的性价比，选定安东 电子仪表和西华大学工业测控研究所自制仪表作为系统监测仪表。 ( 2 ) 根据热浸镀锌生产车间的布局和环境，分析各仪表连接方式，结合当前总线 网络的优缺点，选定r s 4 8 5 总线组建下位机总线通信网络。 ( 3 ) 分析热浸镀锌实时网络监控系统的功能要求，选择a r m 9 内核的s a m s u n g $ 3 c 2 4 4 0 a 微控制器作为主控芯片，设计电源、u s b 接口、盯a g 接口、l c d 接口、r s 2 3 2 接口以及r s 4 8 5 接口等上位机基本电路。 ( 4 ) 分析热浸镀锌实时网络监控系统的功能特点，选择w i n d o w sc e 嵌入式操作 系统作为上位机的运行系统，采用p l a t f o r i l lb u i l d e r 等软件定制和移植w i n d o w sc e5 0 到上位机。 ( 5 ) 根据w i n d o w sc e 内核结构，利用e m b e d d e dv i s u a lc + + 、s q l c e3 0 和 s q ls e r v e r2 0 0 8 等开发软件，采用特定的4 8 5 通讯协议，设计热浸镀锌实时网络监控界 面。 关键词：a r m ；热浸镀锌；r s 4 8 5 总线；监控系统；w i n d o w sc e 基于a r m 的热浸镀锌实时网络监控系统的设计 a b s t r a c t h o t - d i pg a l v a n i z i n gi saw i d e l y - u s e dt e c h n o l o g yo fs t e e la n t i - c o r r o s i o n w i t ht h e c o n t i n u o u sp r o g r e s sa n dd e v e l o p m e n to fs o c i e t y ，t h ed e m a n df o rt h ep e r f o r m a n c eo fg a l v a n i z e d s t e e li si n c r e a s i n g l yh i g l li ni n d u s t r i a la r e a s f o rt h ep r o d u c t i o no fh i g h p e r f o r m a n c ea l l o y g a l v a n i z e dm a t e r i a l s ，t h ep r o c e s so fh o t - d i pg a l v a n i z i n gm u s tb ee f f e c t i v e l ym o n i t o r e d t h e t r a d i t i o n a lm o n i t o r i n gm e t h o dh a sl o wr e a lt i m e ，l o wp r e c i s i o n , h i g hc o s ta n dh i g hc o n s u m p t i o n o fh u m a nr e s o u r c e w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，t h ee m b e d d e d t e c h n o l o g yh a sb e e ng r a d u a l l ya p p l i e dt ov a r i o u sf i e l d s t h ee m b e d d e dd e v i c e sh a v et h e a d v a n t a g e so f s m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h t ，l o wc o s ta n ds t r o n gr e a lt i m e i no r d e rt oi m p r o v et h er e a l t i m ea n dr e l i a b i l i t yo f m o n i t o r i n g ，a n dt r yt os a v eh u m a nr e s o u r c ea n de c o n o m i cc o s t ，t h i sp a p e r d e s i g n sa s e to fh o t - d i pg a l v a n i z i n gr e a l - t i m en e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ne m b e d d o d m i c r o p r o c e s s o ro fa r m t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r e ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ow o r k i n gp r i n c i p l e so f t h eh o td i pg a l v a n i z i n g ，c o m p a r i n gt h ep e r f o r m a n c e p r i c er a t i oo f c u r r e n ta l lk i n d so fi n d u s t r i a lm e a s u r c m c t l ta n dc o n t r o li n s t r u m e n t s ，i ts e l e c t sa n d o n ge l e c t r o n i ci n s t r u m e n t a t i o n sa n di n s t n a n e n t sm a d eb y i n s t i t u t eo fi n d u s t r i a lm e a s u r e m e n t a n dc o n t r o lo fx i h u au n i v e r s i t ya st h es y s t e m sm o n i t o r i n gi n s t r u m e n t a t i o n s ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h el a y o u ta n de n v i r o n m e n to ft h eh o t - d i pg a l v a n i z i n gw o r k s h o p ， a n a l y s i n gc o n n e c t i o nm o d e o f t h ei n s t r u m e n t s ，a n da d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f c u r r e n tb u s n e t w o r k s ，i ts e l e c t sr s 4 8 5b u st oe s t a b l i s ht h es l a v ec o m p u t e r sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ( 3 ) a n a l y s i n gf u n c t i o nr e q u i r e m e n t so fh o t - d i pg a l v a n i z i n gr e a l - t i m en e t w o r km o n i t o r i n g s y s t e m , i tc h o o s e ss a m s u n g $ 3 c 2 4 4 0 am i c r o c o n t r o l l e r , a r m 9c o r e ，a st h em a i nc h i p ，d e s i g n s t h eh o s tc o m p u t e rb a s i cc i r c u i t s ，s u c ha sp o w e rs u p p l yc i r c u i t ，u s bc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e c i i u i t ，盯a gc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i t , l c di n t e r f a c ec i r c u i t ，r s 2 3 2c o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c ec i r c u i ta n dr s 4 8 5i n t e r f a c ec o n v e r t i n gc i r c u i t ，a n ds oo n ( 4 ) a n a l y s i n gf ea 1 眦e so fh o t d i pg a l v a n i z i n gr e a l - t i m en e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e m , i t s e l e c t sw i n d o w sc ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma st h eh o s tc o m p u t e r so p e r a t i n gs y s t e m ，u s e s p l a t f o r mb u i l d e rt oc u s t o m i z ea n dt r a n s p l a n tw i n d o w sc e5 0t ot h eh o s tc o m p u t e r ( 5 ) a c c o r d i n gt ot h ek e r n e ls t m c t u r eo fw i n d o w sc e ，u s i n ge m b e d d e d v i s u a lc + + ， s q l c e3 0a n ds q l s e r v e r2 0 0 8 ，i td e s i g n sa h o t - d i pg a l v a n i z i n gr e a l - t i m en e t w o r k m o n i t o r i n gi n t e r f a c eb yu s i n gas p e c i f i cc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 k e yw o r d s ：a r m , h o t - d i pg a l v a n i z i n g ；r s 4 8 5b u s ；m o n i t o r i n gs y s t e m ；w i n d o w sc e i i 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1研究目的及意义 腐蚀对钢铁造成的损失是极其严重的，据不完全统计，全世界每年约有1 3 的钢产 量因腐蚀而损失，仅中国每年因钢铁腐蚀而造成的直接经济损失就达上千亿。腐蚀不仅 会带来巨大的经济损失，而且还会造成重大的人员伤亡。因此，有必要研究钢铁的防腐 蚀措施，而热浸镀锌被公认为保护钢铁最直接、最有效的方法之一【l 】。 如图1 1 所示，热浸镀锌钢材色泽光艳，耐腐蚀，使用寿命长，其广泛运用于电力、 能源、通讯、城市建筑和交通运输等领域。 图1 1 热浸镀锌钢材 f i g 1 1h o t - d i pa n dg a l v a n i z e ds t e e l 欲生产高性能的合金化镀锌材料必须有完善的装备和能达到要求的监控系统。在热 镀锌过程中，镀锌温度和浸镀时间是影响镀锌层性能的重要因素。在正常的镀锌温度范 围( 4 4 5 - 4 6 5 ) 期间，提高锌液的温度，可以增强锌液的流动性，从而提高锌层表面 的质量以及改善锌液的回流，降低镀层重量。然而，锌液温度过高，又易引起钢管变形。 此外，缩短镀锌时间，可以提高锌锅的生产效率【3 】。因此，对热浸镀锌作业的温度、电 压、电流等参数实施严格的实时监控对改善热浸镀锌产品的性能至关重要。 基于a r m 的热浸镀锌实时网络监控系统的设计 嵌入式实时网络监控系统是以实践应用为中心、软件和硬件可裁减的、适应网络监 控系统对功能、成本以及可靠性等各方面要求严格的专用微处理器系统，也就是为网络 监控量身特制的系统【6 】。本论文采用嵌入式系统技术进行新一代监控系统的设计，具有 实时性强、操作精度高、可靠性强、可维护性强、开发难度低、体积小、成本低等显著 特点。 1 2 监控方式研究现状 对热浸镀锌工艺的监控，最原始的监控方法就是人工按时逐一查看炉膛及其相应的 各监测仪表。在人工监测过程中，监测所得参数可靠性差，而且耗时较大，不能做到对 热浸镀锌工艺快速实时地控制。 随着总线技术和计算机技术的不断发展，计算机技术已大规模运用到工业生产各个 领域。此时的监控系统大多通过组建总线网络采用基于p c 机的组态软件，与监测点仪 表进行通信，实现对热浸镀锌工艺过程的监控。组态软件如力控、组态王等，是一些数 据采集与过程控制的专用软件。虽然这种方式可以实现系统的集散监控，但其通讯协议 过于固定，不能灵活地与各类智能仪表进行通信。 随着信息化技术水平的不断提高，为了满足工业生产越来越高的要求，已逐渐采用 w i n d o w s 开发工具，如v c + + 、v b 等，开发基于工控机的监控系统。此方式不仅实现 了系统的集散监控，而且通信方式更为灵活，抗干扰性更强。但其监控位置过于固定， 经济成本较高。 随着嵌入式技术的不断发展，嵌入式设备在工业领域发挥着越来越重要的作用。嵌 入式设备不仅成本低、体积小，而且抗干扰性强，适用于各种环境恶劣的场合。 本课题针对以往各种监控系统监控方式的缺点，着重研究设计基于高性能、高可靠 性的嵌入式设备的热浸镀锌监控系统，既增强了监控的灵活性又降低了经济成本，实现 了对热浸镀锌工艺的实时监控。 1 3 总线网络研究现状 现场总线技术是一种先进的工业控制技术，具有现场通信和现场设备互连，以及互 操作性强、功能模块分散和互联网络开放等特点，为真正的“分散式控制和集中式管理” 提供了技术保证【7 1 。 目前的工业总线网络可分为三类【8 】：4 8 5 网络、h a r t 网络、f i d d b u s 现场总线网 络。 2 墼塑丝坠 。a。48i曼髦：；曼s竺：譬掌前流行的一种工业组网方式，其显著特点是实旌简单方便。8 r s 4 ，5 ，竺转鍪警口不仅价格便宜而且种类繁多，现在支持r s 4 8 5 晶襄；。川区。 尽l 兰：三翌竺：。蔓，! 墨二个过渡性的总线标准，其主要特征是在4 三o 。萎磊电流信 主圭面苎蛩篓竺曼銎孽亨部分智能仪表支持眦瑚讯赢i 磊磊荔菖莴嚣磊 翼霉篓要苎兰要萋来紫设备捌至多只是利用手。磊孬妊i 兰j ：i n j 干：品姜美 兰詈二竺至要窘苎来看，由于哪存在通信速率低、组网困难等缺诺，4 扎娘t 蒿蠡荔 应用将呈下滑趋势。 。“u 、q 瑁叫 出转2 竺三冀跫苎苎线网络：f i e l d b u s 现场总线是现阶段自动化领域的一大热点技术， 冀鬻篓翌号l a n o 其最大特点是能支持双向、多节点葙磊晶荔巍i 萎! 粱型曼望垄兰，f ：记l d b u s 还没有真正形成统一的标准，c a n b 啪、i ：盖：z ：盖 薹棠种霎曩量雾慧茎且都有各自的应用场合。虢3 铺 f i e l d b u s 蕊姜蒜巍 较少，可供选择的余地较小，且价格偏高，用量也较小。 一”“一 对抽：翌冀军竺竺竺兰兰翼 ： ，本课题采用r s 4 8 5 总线组建监测仪表总线网络，实现了 对热浸镀锌工艺过程的实时监控。 一刁饥。 图1 2 镀锌炉电控柜 f i g l 2e l e c t r i cc o n n o lc a b i n e t so f g a l v a n i z i n gm m a c e s 基于a 刚的热浸镀锌实时网络监控系统的设计 1 4 研究内容 本论文的主要内容有： ( 1 ) 根据热浸镀锌的工作原理，选定安东电子仪表和西华大学工业测控研究所自 制仪表作为系统监测仪表。 ( 2 ) 根据热浸镀锌生产车间的布局和环境，选定r s 4 8 5 总线组建下位机总线通信 网络。 ( 3 ) 分析热浸镀锌实时网络监控系统的功能要求，选择a r m 9 内核的s a m s u n g $ 3 c 2 4 4 0 a 微控制器作为主控芯片，设计电源、u s b 接口、j t a g 接口、l c d 接口、r s 2 3 2 接口以及r s 4 8 5 接口等上位机基本电路。 ( 4 ) 分析热浸镀锌实时网络监控系统的功能特点，对比当前主流嵌入式操作系统 的特点，选择w i n d o w sc e 嵌入式操作系统作为上位机的运行系统，采用p l a t f o r mb u i l d e r 等软件定制和移植w i n d o w sc e5 0 到上位机。 ( 5 ) 根据w i n d o w sc e 内核结构，利用e m b e d d e dv i s u a lc + + 、s q l c e3 0 和 s q l s e r v e r2 0 0 8 等开发软件，采用特定的4 8 5 通讯协议，设计热浸镀锌实时网络监控界 面。 最后完成了系统总体功能的调试，对全文工作进行总结的基础上对下一步工作作出 展望。 西华大学硕士学位论文 2 总体方案设计 2 1系统总体设计 在总体设计上，把系统分为网络信号采集部分、信号转换传输部分和网络信号显示 监控部分。各监测仪表作为下位机采集电参数等信号，信号传输通过r s 4 8 5 总线网络来 完成，而信号显示监控部分则由基于w i n d o w sc e5 0 嵌入式系统的上位机来完成。 对于信号的传输，工业上有很多种网络通信技术。结合现实情况和客观需要，通过 分析当前工业通信网络的优缺点，本设计采用r s 4 8 5 总线组建现场总线网络。r s 4 8 5 通信技术是一种性价比很高的数据传输方式，数据最高传输速率可达1 0 m b p s 。它是一 种物理层总线，通信介质是双绞线，通信距离可达1 0 0 0 米。r s 4 8 5 接口采用平衡驱动 器和差分接收器的组合，抗噪声干扰性良好。r s 4 8 5 总线通信规范为主从轮叫轮询，由 主设备对从设备( 如智能仪表，p l c 等) 发出传送命令，在某一时刻只有主设备和一台 从设备进行通信，这样就保证了数据传输的准确性和可靠性。当多台从设备的通信数据 格式和帧数据格式完全相同，便可以共用通信线路，将它们逐一衔接在同一对双绞线上 0 0 。r s 4 8 5 总线一般最大只支持3 2 个节点，但如果使用特制的4 8 5 芯片，最大可支持 1 2 8 个或者2 5 6 个节点，甚至4 0 0 个节点。 在硬件设计方面，为了提高数据的可靠性和准确性，网络信号采集部分的下位机选 用安东电子公司生产的智能电流、电压和温控表以及西华大学工业测控研究所自制的网 络电度表和网络状态检测器，下位机网络通过r s 4 8 5 接口与上位机通信。上位机硬件设 计采用a r m 9 内核的s a m s u n g $ 3 c 2 4 4 0 a 微控制器作为主控芯片，并使用专业稳定的 c p u 内核电源芯片和复位芯片来保证系统运行时的稳定性。不仅包含电源、u s b 接口、 j t a g 接口、l c d 接口、r s 4 8 5 接口、f o 接口等基本电路，而且还具有1 2 c 接口、以 太网接口和s d 卡存储接口等，这些硬件资源为系统升级打下了良好的基础。 在软件设计上，比照当前各种主流嵌入式操作系统的特点，上位机采用嵌入式操作 系统w i n d o w sc e 作为运行系统，利用e m b e d d e dv i s u a lc + + 、s q l c e3 0 和 s q ls e r v 盱2 0 0 8 等开发工具，开发网络监控界面。 5 基于a r m 的热浸镀锌实时网络监控系统的设计 图2 1 系统结构框图 f i g 2 1s t r u c t u r ed i a g r a mo fs y s t e m 系统的结构框图如图2 1 所示。本系统中，上位机按照特定网络通信协议与下位机 网络进行通信，实时获取各仪表所采集的电参数等信号。通过上位机的l c d 显示屏， 工作人员可以及时了解网络工作情况，实时监控整个热浸镀锌工艺过程。由下位机网络 和上位机组成的d c s 集散控制系统，具有集中管理，分散控制的特点。由于采用分散 控制，即使上位机出现故障也不影响下位机，下位机与下位机之间故障也不扩散，从而 大大减小了因局部故障造成系统崩溃的机率。如图2 2 所示，下位机网络由温控表、电 流表、电压表、网络电度表和网络状态检测器等若干监测仪表组成，其中温控表包括锌 温报警仪表、锌温控制仪表和炉膛温控仪表。 6 西华大学硕士学位论文 图2 2 下位机通信网络 f i g 2 2 c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ko ft h es l a v ec o m p u t e r s 2 2 系统的特点与设计难点分析 该系统需要管理很多个监测仪表，组成的网络结构复杂、控制对象较多。热浸镀锌 工厂的大功率电器较多，电磁干扰较强，系统受到的环境干扰较大。监测仪表之间距离 较短，最长在5 0 m 左右。其中三相电流的获取是通过互感器实现的，这样就避免了因串 联电流表而造成功率大大损耗的后果。 系统的设计难点在于如何合理布置4 8 5 总线网络，使系统受到的干扰最小，同时保 持系统结构简洁和稳定。 2 3 本章小结 本章从总体上对系统进行了阐述。给出了系统设计框图，对系统的特点与设计难点 进行了分析。 基于a r m 的热浸镀锌实时网络监控系统的设计 3 硬件部分设计 3 1下位机网络硬件设计 下位机仪表种类有温控表、电压表、电流表，以及网络电度表和网络状态检测器。 3 1 1 温控表刘 如图3 1 所示，l u 9 0 6 h 智能温差控制表是高精度的智能型数显温度控制器，集多 种输入型号、控制方式和输出方式于一机，采用传统的p i d 控制和模糊理论相结合的控 制方式进行控制，具有响应快、超调小、稳定精度高等优点。l u 9 0 6 h 智能温差控制器 采用双四位l e d 数码管显示，可同时显示两回路测量值。该仪表具有手动自动无扰动 切换和自整功能，以及上电软起动功能；同时具有r s 2 3 2 和r s 4 8 5 两路串行通讯接口。 l u 一9 0 6 h 智能温差控制器常常用于控制两个测量点的温差值，如空调系统中的冷冻 水和冷却水的出水与回水的温差控制，使得不管系统的使用量如何变化，出水与回水的 温差值总是恒定不变的，从而保证系统的供冷始终处于最佳的状态，同时也达到了节能 的效果。 图3 1l u 一9 0 6 1 - i 智能温差控制器 f i g 3 1 l u - 9 0 6 hi n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r 西华大学硕士学位论文 l u 9 0 6 h 智能温差控制器技术参数如下： 分辩力：0 1 、1 基本误差：4 - ( 0 2 f s 士1 ) 个字 显示：双四位l e d 数码管+ 光柱显示 热电偶冷端补偿误差：士l 采样周期：o 5 秒 电源电压：8 5 2 6 4 v a c 功耗：4 w 断偶或超量程：显示符号s b 3 1 2 电流、电压表 如图3 2 所示，l u d p 4 智能电压、电流、欧姆表采用a t m e l 单片机作主机，其输 入量程可任意设定，配合不同互感器可满足各种测量量程的要求；采用w a t c h d o g 电 路、软件陷阱与冗余、掉电保护、数字滤波等技术，注重现场容错能力，使整机具有很 强的抗干扰能力。l u d p 4 智能仪表带上限、下限报警输出，可带1 1 0 m a 或4 2 0 m a 电 流变送输出，具有r s 4 8 5 r s 2 3 2 通讯接口，并且采用模块化结构，用户可根据需要增减报 警输出和变送输出功能；其测量量程、下限及下线报警、变送输出范围和变送输出值等 均可任意设定。 l u d p 4 智能电流、电压、欧姆表主要技术指标： 基本误差：士0 2 e s + 1 个字 采样周期：o 5 秒 电源：8 5 - 2 6 4 v a c 功耗：4 w 显示范围：4 - 1 9 9 9 9 或4 - 9 9 9 9 显示：双5 位l e d 数码管显示 9 基于a r m 的热浸镀锌实时网络监控系统的设计 图3 2l u - d p 4 智能电流、电压、欧姆表 f i g 3 2 l u d p 4i n t e l l i g e n ta m m e t e r ，v o l t m e t e ra n do h m m e t e r 3 1 3 网络状态检测器 网络状态检测器的主要功能包括锌炉正常工作、漏锌报警和保险报警等监测。网络 状态检测器的硬件电路以p 8 9 v 5 2 x 2 为主控芯片，由光电耦合、r s 4 8 5 接口和输入输出等 电路组成。其工作原理是：正常情况下，网络状态检测器各功能输入端有2 2 0 v 交流电 输入，经整流、滤波、降压和光电耦合等过程，主控芯片对应引脚有高电平输入；若网 络状态检测器某一功能输入端无2 2 0 v 交流电输入，则可判定出现锌炉掉电、锌炉漏锌 或保险丝断裂等故障，此时网络状态检测器做出报警等处理。 网络状态检测器如图3 3 所示： 1 0 西华大学硕士学位论文 l 1 3 1 2 l l l o 9 8 图3 3 网络状态检测器 f i g 3 3 n e t w o r ks t a t ed e t e c t o r 嚣l l 磷 譬2 瓮x x l l l l 爨黝盆茁岔筮翟譬穹譬譬 l 1 i ： 乃 盟 3 g 粕 u 2 1 2 ， 4 5 聊 - j o _ i 册 1jd ；，踞 一d 5 5 v t s 2p 1 8 ；删 - jd 6 + v i i p 2 6 ”。节而 r 5 32 0 0p 1 9 c 孤乒i =p 272 l j l 广k 1 2 3 6 r v m8 i lo i 玲 n 1 40 4 1 5 0 5 1 6饵 1 70 7 c o a t u l n 棚 露 鞋g 图3 4 网络状态检测器主干电路 f i g 3 4 t r u n kc i r c u i to fn e t w o r ks t a t ed e t e c t o r 1 1 卜篮叶口艺广臣q h d b寸hd-日n h p bn h p 品= d - b o 一山一 0 d r 0 d i n 0 d 离 哼0 d ro 山时： n 0 d 翰_ o d 豫o o 高 _ _| 而n o l 、一n 刍，1山簟，q a “ 舄z 最口p 口口蒿0dn口毳口!u吒寻足n 口蔓r o h q 蔓一o _口，io山殳，|，_置2 q 芍_ 毒n “n t 卑i du 盆再c i _ ki d卟i d气i d卟_ “吨一卜_ i k 圳 蕊n盛id n 口苍 脚仁狮呦仁瑚聪仁如仁抛 豫“一拍心一心“一“ 基于a 麟的热浸镀锌实时网络监控系统的设计 图3 4 是网络状态检测器的主干电路图，p 8 9 v 5 2 x 2 是一款带有8 k bf l a s h 、2 5 6 b 数据r a m 和1 2 9 b 数据e e p r o m 的8 0 c 5 1 微控制器f 1 7 】。其功能框图如图3 5 所示： 图3 5p 8 9 v 5 2 x 2 功能框图 f i g 3 5 f u n c t i o nd i a g r a mo fp 8 9 v 5 2 x 2 3 1 4 网络电度表 网络电度表的主要功能是计算网络电度值、网络功率因数和瞬时功率。其硬件电路 采用p 8 9 v 5 2 x 2 和p 8 7 l p c 7 6 2 的双c p u 结构，具有双r s 4 8 5 通讯接口，且显示部分采 用8 位l e d 数码管显示。p 8 9 v 5 2 x 2 与p 8 7 l p c 7 6 2 通过并联方式传递数据。 p 8 7 l p c 7 6 2 采用加速8 0 c 51 处理器结构，指令执行速度是标准8 0 c 51c p u 的两倍， 具有2 k 字节o t p 程序存储器和1 2 8 字节r a m ，3 2 字节用户代码区可用来存放序列码 及设置参数，有内部w a t c h d o g 定时器，适用于各种要求集成度高和成本低的场合。 作为p h i l i p s 小型封装系列中的一员，p 8 7 l p c 7 6 2 提供高速和低速两种晶振和r c 振荡 方式，可编程加以选择0 9 1 。 网络电度表如图3 6 所示： 1 2 ( d d 吣 m n 记础 唧 唧 西华大学硕士学位论文 图3 6 网络电度表 f i g 3 6 n e t w o r kw a t t - h o u rm e t e r 如图3 7 所示，p 8 9 v 5 2 x 2 通过4 8 5 接口采集网络中的电度值等电参数，同时计算 出功率因数和瞬时功率，并通过并联方式传送给p 8 7 l p c 7 6 2 ；p 8 7 l p c 7 6 2 负责显示电度 值、功率因数和瞬时功率，并通过另一4 8 5 接口将数据传送到网络中，以便上位机查询。 1 3 基于a 跚的热浸镀锌实时网络监控系统的设计 r 2 2 3 3 1 = = 卜 p 1 7 l u 3 匕= 1 0 k 4 p 1 5 6 n 1 3 6 p 1 6 1 1 p 5 2 l p 1 7 6 n 1 3 6 1 0 kr 2 r 2 5 1 0 k j 雀 1 3 3 1 拶2 2 0 a x 7 2 1 9 u i 兀月b v o 厂、 4 p c 8 d ea l 墟b r 0 ：c 丛i、 = 兰c 2 2 了 z j l l 0 1 p 。 8j c 2 3 lr 2 9 1 0 i ( ； 一l = 丢 1 0 0 pr 仁= 一 l8 3 ii o k群5 b 刈p 1 0 k 玉 i 暇 r 7 l o k 1 0 k 1 4 i ：c 1 1 0l u l p 一a - - - 0 i r j i u 31 0 k 掣 2 0r 2 7 1 3 5 m b 5 o 腔! ! o k l a 堕望0a 3 e3 7j 口ll 眦 p i6 2 ； 0= v 0 =3 6 - 3 + 5 v p l5i ； ：= ：? ? = 3 5 p l 44 4 ； ：0 = 3 4 p i34 3 p： 譬：? ? = 3 3 p i 二4 2 ； ：= ：? ? = 3 2 一41 i ，：裟 3 i ：= 一= ：? ? =3 0 ，l一l安*p刚24昔p区雾k1130rxdii 。i 曼2 瓜1 1 0 p 燃2 ；麓1 9 t = l - 蒋p 1 3 玳q 1 。蠹 p 3 p 2 3 ，a l l； l 二“二 j莩p36丽眩6肌，；趟峄三9。p97z焉p2,4p35,ql p l 5 a i 堕；孓哑 7b 叫p 3 7 p , d p 2 7 a 1 5 钙二= r l 1 1 1 f h 一 笾莓邺e 篙箍箝 转 j 一憾 謦二爱e 粕融” n t d l 的v c c l 也 b 既 g m 7 5 l 王i c l 阱 p 静v 5 2 x 图3 7 网络电度表主干电路 f i g 3 7 t r u n kc i r c u i to fn e t w o r kw a t t - h o u rm e t e r 3 2 上位机硬件设计 3 2 1 上位机硬件资源 ( 1 ) c p u 处理器 s a m s u n gs 3 c 2 4 4 0 a ，主频4 0 0 m h z ，最高5 3 3 m h z ( 2 ) s d r a m 内存 1 4 攀加 l 卜髓 d d踊器若雌m雌 西华大学硕士学位论文 两片3 2 m 的s d r a m 芯片( 型号为：h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 f t p ) 3 2 位数据总线 s d r a m 时钟频率高达1 0 0 m h z ( 3 ) f l a s h 存储器 1 2 8 m 的n a n df l a s h ( 型号为：k 9 f 1 g 0 8 ) ，掉电非易失 2 m 的n o rf l a s h ( 型号为：s s t 3 9 v f l 6 0 1 ) ，掉电非易失 ( 4 ) l c d 显示器 7 寸t f t 真彩触摸液晶屏，屏幕分辨率可以达1 0 2 4 x 7 6 8 象素 ( 5 ) 主要接口和资源 3 个串口 1 个u s b 主设备接口 1 个u s b 从设备b 型接口 1 个立体声音频输出接口，1 个话筒接口 1 个1 0 0 m 的以太网r j - 4 5 接口 4 个用户指示灯 1 个s d 卡接口 1 个1 0 针的j t a g 接口 6 个带引出座的用户按键 1 通道p w m 1 个1 2 c 总线e 2 p r o m 芯片 1 个2 0 脚的摄像头接口 1 个用于a d 转换的可调电阻 1 个实时时钟电池 5 v 的电源接口 ( 6 ) 系统时钟 1 2 m 无源晶振 ( 7 ) 实时时钟 带后备锂电池的内部实时时钟 ( 8 ) 扩展接口 1 个3 4 脚的g p i o 接口 1 个4 0 脚的系统总线接口 1 5 基于a r m 的热浸镀锌实时网络监控系统的设计 上位机整体图如图3 8 所示： 图3 8 上位机整体图 f i g 3 8w h o l ed i a g r a mo f t h eh o s tc o m p u t e r 1 6 西华大学硕士学位论文 3 2 2 $ 3 c 2 4 4 0 a 嵌入式微处理器简介 嵌入式微处理器一般具备以下特点【2 2 】： ( 1 ) 集成度高 嵌入式微处理器一般工作在为特定需要而设计的系统中，其具有功耗低、体积小和 集成度高等特点，能够把通用计算机中许多由主板和辅助设备完成的任务集成到处理器 芯片的内部，从而有利于嵌入式系统设计的微型化。 ( 2 ) 实时处理和多任务处理的能力 嵌入式微处理器能在规定的时间内完成多项任务，通常情况下限定的时间较短，即 要求其能在瞬间完成应该处理的任务，从而将内部的代码和内核的执行时间减少到最低 的限度。 ( 3 ) 低功耗 由于有些嵌入式系统需要不断移动位置，导致它无法获得长时间、不间断的电源供 应，这点对于便携式的无线及移动的计算和通信设备尤其突出。因此，对先进的嵌入式 微处理器来说，它需要的功耗应在m w 甚至g w 级。 ( 4 ) 储存区的保护功能很强大 由于嵌入式设备的软件结构已经模块化，为了使各软件模块之间的交叉作用不出 错，嵌入式微处理器的储存区需要具备很强的保护功能，这样也有利于软件的诊断。 s 3 c 2 4 4 0 a 是三星公司研制的1 6 3 2 位r i s c 微处理器，其低价格、+ 高性能、低功耗 的特点为手持设备和一般类型应用提供了解决方案。s 3 c 2 4 4 0 a 采用了a r m 9 2 0 t 的内 核，0 1 3 1 a n 的c m o s 标准宏单元和存储器单元。它采用了全新的总线架构，其低功耗、 简单、优雅，且全静态设计的特点，特别适合于要求成本低、功率低的应用。a r m 9 2 0 t 实现了内存管理单元( m m u ) ，a m b a 总线和哈佛高速缓冲体系结构。这一结构具有 独立的1 6 k 字节的指令高速缓冲存储器和1 6 k 字节的数据高速缓冲存储器。每个存储 器都是由8 字长的行组成 2 3 1 。$ 3 c 2 4 4 0 a 内部结构框图如图3 9 所示。 图3 9 $ 3 c 2 4 4 0 a 内部结构框图 f i g 3 9 i n t e r n a ls t r u c t u r ed i a g r a mo fs 3 c 2 4 4 0 a 西华大学硕士学位论文 s 3 c 2 4 4 0 a 集成如下片上功能： 外部储存控制器( s d r a m 控制盒片选逻辑) 集成l c d 专用d m a 的l c d 控制器( 最大支持2 5 6 k 色t f t 和4 k 色s t n ) 4 路拥有外部请求引脚的d m a 控制器 3 路串行接口( i r d a l 0 ，6 4 字节发送缓存寄存器，6 4 字节接收缓存寄存器) 2 4 个外部中断源 2 通道s p i 1 2 c 总线接口( 多主支持) s d 卡主接口( 1 0 版本) ，兼容m m c 卡接口( 2 1 1 版本) a c 9 7 编码和解码接口 2 通道u s bh o s t 1 通道u s bs l a v e ( 1 1 版) 1 2 s 音频编码和解码接口 4 通道p w m 定时器1 通道内部定时器w a t c h d o g 定时器 8 路1 0 位a d 转换 实时时钟芯片( r t c ) 摄像头接口( 最大支持4 0 9 6 x 4 0 9 6 的输入，2 0 4 8 2 0 4 8 缩放输入) 通用i o 口1 3 0 个 片内时钟发生器( 带p l l ) 电源模式：正常，慢速，空闲和睡眠模式 触摸屏接口 3 2 3电源电路 上位机的电源来自外置的5 v 直流电源。l m l1 1 7 是一个低压差电压调节器，具 有电流限制和热保护的功能。其压差在1 2 v 输出，负载电流为8 0 0 m a 时为1 2 v 。 l m l1 17 有可调电压的版本，通过2 个外部电阻可实现输出电压在1 2 5 - - 1 3 8 v 范 围内变化。此外l m ll1 7 还有5 个固定电压输出的型号，输出电压分别为1 8 v 、2 5 v 、 2 8 5 v 、3 3 v 和5 v 。本设计中，包含l m l117 的电源电路分别将5 v 电源转换为1 8 v 和3 3 v 电源。m a x 8 8 6 0 e u a l 8 是一个低压差的线性稳压器，主要适用于电池供电它 提供了一个+ 1 8 v 固定电压输出，负荷电流可高达3 0 0 m a 。图3 1 0 、3 1 1 和3 1 2 分别是 1 8 v 、3 3 v 和1 2 5 v 的电源电路图。 1 9 基于a r m 的热浸镀锌实时网络监控系统的设计 u 1 41 8 v v d d 5 v 图3 1 01 8 v 电源电路 f i g 3 10 p o w e rc i r c u i to f1 8 v u 43 3 v 图3 1 13 3 v 电源电路 f i g 3 11 p o w e rc i r c u i to f 3 3 v c 3 8 1 0 4 c 7 l o ( ) i l f c l l l 饥l f ，l 图3 1 21 2 5 v 电源电路 f i g 3 1 2 p o w e r c i r c u i to f1 2 5 v c 躬 1 0 4 3 2 4 复位电路 本设计采用复位芯片m a x 8 11 实现c p u 的低电平复位。m a x s l1 是微处理器电压 监视器，具有精密电源监控和低功耗的特点。m a x s l1 为低电平有效复位，能监视3 v 、 3 3 v 和5 v 的电源电压。复位电路如图3 1 3 所示： 3 3 v 图3 1 3 复位电路 f i g 3 13r e s e tc i r c u i t 2 l 基于a r m 的热浸镀锌实时网络监控系统的设计 3 2 5u s bsia v e 下载电路 上位机设有两种u s b 接口，一种是u s bh o s t ，它和普通p c 机的u s b 接口是一样 的，可以接u s b 摄像头、u s b 键盘、u s b 鼠标和u 盘等常见的u s b 外设；另外一种 是u s bs l a v e ，主要用于下载程序到上位机的存储器，当上位机装载了w i n d o w sc e 系 统时，它可以通过a c t i v e s y n c 软件和p