摘要：介紹了基于ARM的嵌入式溫度控制系統(tǒng)主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)與基于AVR的嵌入式溫度控制系統(tǒng)從機(jī)硬件結(jié)構(gòu)，選用8M的FLASH和32M的SDRAM作為系統(tǒng)存儲(chǔ)器，擴(kuò)展以太網(wǎng)接口、串行接口等外圍通信設(shè)備以及輸入輸出接口。從機(jī)采用Atmega128系列單片機(jī)，完成溫度的采集及向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)信息。AT91RM9200與Atmega128通過(guò)串行口進(jìn)行通訊。該嵌入式溫度控制系統(tǒng),具有系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性高、響應(yīng)速度快、體積小等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：硬件組成，AT91RM9200，存儲(chǔ)器，接口電路，Atmega128

溫度的測(cè)量和控制在嵌入式工業(yè)生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用。目前控制方案主要是采用傳統(tǒng)的PLC和單片機(jī)進(jìn)行控制,滿足了用戶大多數(shù)場(chǎng)合的需要。PLC主要是針對(duì)單項(xiàng)工程或者重復(fù)數(shù)極少的項(xiàng)目,靈活性相對(duì)不足,并且體積大,成本相對(duì)較高,；而單片機(jī)主要用于小型設(shè)備的控制,尤其是專業(yè)電子設(shè)備的控制,具有成本低,功耗低,效率高的特點(diǎn),但是也存在程序一次性拷入后無(wú)法修改,對(duì)外圍設(shè)備的控制較低,抗干擾能力差等缺點(diǎn)。本文采用嵌入式技術(shù)為用戶提供了一種新型的控制方案。

一、主機(jī)的硬件組成

基于ARM的嵌入式溫度控制系統(tǒng)主機(jī)硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)主要由以下幾部分組成：

1、電源電路：輸入5V，經(jīng)過(guò)DC-DC變換轉(zhuǎn)換為1.8V和3.3V，給系統(tǒng)內(nèi)各器件提供工作電壓。

2、晶振電路：18.432MHz有源晶振經(jīng)過(guò)倍頻分別為ARM940T核/系統(tǒng)提供180MHz的時(shí)鐘頻率。

3、微處理器：即AT91RM9200，是系統(tǒng)的工作和控制中心。

4、存儲(chǔ)器：可存放引導(dǎo)程序，嵌入式操作系統(tǒng)，用戶應(yīng)用程序或其它在系統(tǒng)掉電后需要保存的數(shù)據(jù)。

5、網(wǎng)絡(luò)端口：10J100Mbps速率的RJ45接口，為系統(tǒng)提供以太網(wǎng)接入的物理通道。

6、串行接口：用于AT91RM9200系統(tǒng)短距離雙向串行通訊。

二、主機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

1、電源電路

AT91RM9200需要1.8V和3.3V電源，另外，大部分外圍器件需要3.3V電源，小部分外圍器件還需要5V電源。此處選用了Sipex公司生產(chǎn)的SPX1117M3-3.3型低壓差(LDO)穩(wěn)壓器和SPX1117M3-1.8型低壓差(LDO)穩(wěn)壓器進(jìn)行DC-DC變換后為各個(gè)器件提供工作電壓。

2、晶振電路

晶振電路用于向AT91RM9200微處理器提供時(shí)鐘，如圖1所示。本系統(tǒng)包括兩個(gè)晶振，無(wú)源晶體振蕩器X1(18.432MHz)和X2(32.768kHz)作為系統(tǒng)的主振蕩器和慢時(shí)鐘振蕩器，其中32.768kHz晶振為系統(tǒng)提供慢時(shí)鐘，18MHz晶振通過(guò)倍頻后為系統(tǒng)提供180MHz的主機(jī)時(shí)鐘。

圖1晶振電路

Fig1Circuitofcrystaloscillator

3、AT91RM9200處理器

是Atmel公司基于ARM920T核的高性能、低功耗16／32位RISC微處理器，其最高主頻為180MHz，其雙向、32位外部數(shù)據(jù)總線支持8位、16位、32位數(shù)據(jù)寬度，26位地址總線可以對(duì)最大64MB空間尋址。是系統(tǒng)的工作和控制中心。

4、存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器模塊包括Flash存儲(chǔ)器和SDRAM存儲(chǔ)器兩個(gè)部分。

FLASH存儲(chǔ)器用于存放引導(dǎo)程序、嵌入式操作系統(tǒng)、用戶應(yīng)用程序及重要的數(shù)據(jù)等，即使掉電程序和數(shù)據(jù)都不會(huì)丟失。設(shè)計(jì)中采用Intel公司生產(chǎn)的28F640J3A，其存儲(chǔ)容量為64Mbit(8MB)，工作電壓為2.7V～3.6V，采用48引腳TSOP封裝，16位數(shù)據(jù)寬度。

SDRAM存儲(chǔ)器是是系統(tǒng)代碼的運(yùn)行場(chǎng)所，存放系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的程序和數(shù)據(jù)，但掉電后該部分程序和數(shù)據(jù)會(huì)丟失[3]。設(shè)計(jì)中使用2片數(shù)據(jù)寬度為16位的SDRAM并行運(yùn)行作為一個(gè)32位數(shù)據(jù)寬度的SDRAM模塊,如圖2所示。使用的SDRAM電路為Hynix公司的HY57V651620BTC，其工作電壓為3.3V，單片存儲(chǔ)容量為4組×16Mbit，54引腳TSOP封裝，兼容LVTTL電平接口，支持自動(dòng)刷新和自刷新。

圖2SDRAM存儲(chǔ)器系統(tǒng)框圖

Fig2FramechartofSDRAMsystem

5、接口電路

（1）網(wǎng)絡(luò)端口：采用DAVICOM公司的DM9161作為以太網(wǎng)的物理層接口。通過(guò)這個(gè)接口可以控制和配置很多物理層設(shè)備，得到狀態(tài)和錯(cuò)誤信息，并且確定PHY設(shè)備的工作方式和功能。

（2）串行接口：用于AT91RM9200系統(tǒng)短距離雙向串行通訊。使用的電平轉(zhuǎn)換電路為Sipex公司雙產(chǎn)的SP3232E。本系統(tǒng)包含1個(gè)UART接口，它是兩線調(diào)試串口，用來(lái)連接到超級(jí)終端觀察AT91RM9200的啟動(dòng)，完成與PC的通訊調(diào)試。其原理圖如圖3所示

圖3串行接口電路

Fig3Serialinterfacecircuit

（3）以太網(wǎng)接口電路

在本設(shè)計(jì)中，使用DAVICOM公司的DM9161作為以太網(wǎng)的物理層接口，它起編碼、譯碼輸入和輸出數(shù)據(jù)的作用。同時(shí)DM9161提供了IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)定義的Mil，來(lái)控制物理層和MAC的數(shù)據(jù)傳輸。DM9161使用一個(gè)簡(jiǎn)單的兩線制串行接口來(lái)通過(guò)MII控制物理層并接收來(lái)自物理層的信息，其串行控制接口包括MDC(數(shù)據(jù)時(shí)鐘)和MDIO(數(shù)據(jù)輸入輸出)。Mil串行管理包括一個(gè)數(shù)據(jù)接口，基本寄存器設(shè)置和一個(gè)針對(duì)寄存器設(shè)置的串行接口。通過(guò)這個(gè)接口可以控制和配置很多物理層設(shè)備，得到狀態(tài)和錯(cuò)誤信息，并且確定PHY設(shè)備的工作方式和功能。

將DM9161的REF_CLK端接至50MHz晶振的輸出端；DM9161的TXDI，TXD2，TXEN，RXD1，RXD2端接至AT91RM9200的ETXO，ETXI，ETXEN，ERXO，ERXI；DM9161的EXesEN，COL，PWRDWN端分別通過(guò)10K電阻接高電平，BGRESG，BGRES之間接6.8K電阻；將DM9161的RXesDV，RXER，RESET，MDC，MDIO端接至AT91RM9200的ECRS，ERXER，NRST，EMDIO，均連接發(fā)光二極管，DM9161的TX+，TX-，RX+，EMDC，F(xiàn)DX，SPEED，LINKRX連接網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器。

三、從機(jī)硬件組成及設(shè)計(jì)

1、ATmega128單片機(jī)

ATMEL公司的AVR單片機(jī)是增強(qiáng)型RISC內(nèi)載Flash的單片機(jī)，128K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有在寫(xiě)的過(guò)程中還可以讀的能力，即RWW)、4K字節(jié)的EEPROM、4K字節(jié)的SRAM、53個(gè)通用I/O口線、32個(gè)通用工作寄存器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、4個(gè)靈活的具有比較模式和PWM功能的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/C)、兩個(gè)USART、面向字節(jié)的兩線接口TWI、8通道10位ADC(具有可選的可編程增益)、具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器、SPI串行端口、與IEEE1149.1規(guī)范兼容的JTAG測(cè)試接口，以及六種可以通過(guò)軟件選擇的省電模式。

2、系統(tǒng)控制和復(fù)位

復(fù)位時(shí)所有的I/O寄存器都被設(shè)置為初始值，程序從復(fù)位向量處開(kāi)始執(zhí)行。復(fù)位向量處的指令必須是絕對(duì)跳轉(zhuǎn)JMP指令，以使程序跳轉(zhuǎn)到復(fù)位處理例程。如果程序永遠(yuǎn)不會(huì)使能中斷，則中斷向量可以由一般的程序代碼所覆蓋。

圖4為復(fù)位邏輯的電路圖。

圖4復(fù)位邏輯電路圖

Fig4Replacementlogiccircuit

3、I/O端口

作為通用數(shù)字I/O使用時(shí)，所有AVRI/O端口都具有真正的讀-修改-寫(xiě)功能[5]。輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)能力，可以輸出或吸收大電流，直接驅(qū)動(dòng)LED。

4、SPI串行外設(shè)接口

串行外設(shè)接口SPI允許ATmega128和外設(shè)之間進(jìn)行高速的同步數(shù)據(jù)傳輸。主機(jī)和從機(jī)之間的SPI連接如圖5所示。

圖5主機(jī)和從機(jī)之間的SPI連接

Fig5SPIconnectionofmainengineandfrommachine

5、16位定時(shí)器/計(jì)時(shí)器

16位的T/C可以實(shí)現(xiàn)精確的程序定時(shí)、波形產(chǎn)生和信號(hào)測(cè)量。T/C1、T/C3的普通模式、CTC模式、快速PWM模式、相位修正PWM模式與T/C0、T/C2相同。

6、A/D、D/A電路

TLC2543是帶串行控制和11個(gè)輸入端的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用單片機(jī)的PC0口接TLC2543的片選端（CS）引腳，PC1口接TLC2543的數(shù)據(jù)輸出端（DATAOUT）引腳，PC2口接TLC2543的地址輸入端（DATAINPUT）引腳，PC3口接TLC2543的輸入/輸出時(shí)鐘（I/OCLOCK）引腳，采用OP07搭建模擬信號(hào)放大電路，將接收到的傳感器信號(hào)放大，TLC2543的AIN0端接經(jīng)放大電路后的模擬信號(hào)，完成A/D轉(zhuǎn)換。TLC2543與單片機(jī)具體連線如圖6所示：

圖6TLC2543與單片機(jī)連線圖

Fig6connectiondiagramofTLC2543andmicrocontroller

TLC5615是一個(gè)十位串行的三線制數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器（DAC），本控制器用單片機(jī)的PB0口接TLC5615的片選端（）引腳，PB1接TLC5615的串行時(shí)鐘輸入端（SCLK）引腳，PB2接TLC5615的串行數(shù)據(jù)輸入端（DIN）引腳，TLC5615的DAC模擬電壓輸出端（OUT）接變頻器的調(diào)頻比端，完成D/A轉(zhuǎn)換。TLC5615與單片機(jī)具體連線圖如圖7所示：

圖7TLC5615與單片機(jī)連線圖

Fig7connectiondiagramofTLC5615andmicrocontrolle

4、結(jié)語(yǔ)

Atmel公司的32位ARM9嵌入式微控制器AT91RM9200和Linux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫度控制，該系統(tǒng)具有擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性高、測(cè)量和控制精度較高、多任務(wù)實(shí)時(shí)調(diào)度、響應(yīng)速度快、體積小等特點(diǎn)，是性價(jià)比高的溫度控制系統(tǒng)。