基于LPC2136的嵌入式工業控制器開發平臺設計

白宇

摘 要：本設計以LPC2136微處理器芯片為硬件核心，外擴工業常用的控制接口、通訊接口以及常用的功能模塊，在實時操作系統uC/OSⅡ下開發片內外設和外部擴展器件的驅動。平臺軟件中實現了Modbus協議棧，可以實現主機和從機的組網通訊。

關鍵詞：ARM；Modbus；LPC2136；開發平臺

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.010

0 引言

隨著硬件開發水平以及工業現場工藝水平的提高，工業現場對工業儀表提出更高的要求，傳統的51系列單片機因其片內資源相對較少，需要擴展的器件較多，大數據量的計算完成周期較長，實時性難以控制等不利因素正在被不斷的淘汰，工業產品為了盡快占領市場，常常把產品的研發時間壓縮的很短；為了不必每次都從底層做起，設計了一個基于ARM和Modbus協議的嵌入式工業控制開發平臺。平臺選擇ARM微處理器，加入以IC公司生產的大量片內外設，使ARM系列處理器擁有非常優良的應用性能。在ARM中安裝uC/OSⅡ操作系統，并在uC/OSⅡ環境下開發可剪裁、可移植的平臺軟件，實現Modbus協議的主從機通訊。使用此平臺開發的主機具有較高且可靠的實時性，可組建工業總線網絡，實現集中控制，靈活性高，維護和升級成本低，易于擴展等優點。

1 硬件設計

（1）器件選擇。平臺硬件主要由高性能ARM、4～20mA電流產生電路、接口隔離、計數器、數據存儲和RS232串口構成。其中高性能的ARM采用NXP公司的LPC2xxx系列ARM7中的LPC2136.擁有一個SPI、一個SSP、兩個UART、一個DAC、兩個ADC、256KB的FLASH和32KB的RAM等片內外設。4～20mA電流產生采用AD421芯片配合外圍芯片。接口隔離采用高速電偶合成器6N137和雙向光耦繼電器AWQ210.計數器采用16位可編程計數器8254.數據存儲采用I?C接口的電源監控芯片CAT1025中的E?ROM。RS-232串口采用美信的MAX232。

（2）平臺硬件連接。1）、LPC2136與8254的連接。由于LPC2136沒有總線結構，搭建時需要用GPIO來模擬8254的數據線和控制信號線。雖然8254是5V供電，但是LPC2136的GPIO口可以承受5V電壓的數字信號，兩者之間不需要電平轉換可以直接連接；2）LPC2136與AD421的連接。AD421是SPI控制方式，為外部接口電路，不可以直接與LPC2136直接連接，因此設計電源隔離模塊隔離電源，用高速光電耦合器件6N137隔離SPI總線。

2 平臺軟件設計

為了方便平臺軟件的移植和剪裁，每個模塊都有相應的配置文件（頭文件）。配置文件中都定義了宏USE_XXXX，其中，XXXX是模塊的名稱。當USE_XXXX標志位enable時，是相應的功能模塊可以使用，否則模塊disable。

（1）LPC2136片內外設的驅動。平臺用到的片內外設有UART控制器、I?C控制器、看門狗控制器、SPI控制器、SSP控制器和RTC控制器。其中UART控制器、I?C控制器、SPI控制器和SSP控制器接口采用中斷方式發送和接收數據。在驅動模塊的配置文件中定義配置參數，通過修改配置參數的值，來改變驅動接口函數的配置。如：在UART0驅動的配置文件中定義宏RS_485_R0（）和RS_485_S0（），就可以使UART0驅動用于RS-485進行通訊。

（2）可編程計數器8254的驅動和應用函數。平臺使用了4片8254芯片。由于LPC2136沒有總線結構，采用模擬總線和控制信號的方式。在驅動的配置文件中，定義了數據線D0～D7、CS1～CS2、A0～A1、WR和RD，使用時根據實際硬件連接修改。配置文件中定義了宏CS1_EN、CS2_EN、CS3_EN和CS4_EN，若其值為1，則對應芯片的驅動可用，否則被屏蔽。如：定義宏CS1_EN為0，片選為CS1的8254芯片驅動不可用。

用戶應用函數包括：計數器初始化、儲存計數器值和讀計數器值。平臺采用鎖存回讀的方式讀取計數器8254中的16位計數值。為保證各個計數器工作時的一致性，在鎖存計數器值前，調用OS_ENTER_CRITICAL（）宏定義關閉中斷和任務調度，鎖存結束調用OS_EXIT_CRITICAL（）宏定義恢復中斷和任務調度。在讀計數器值時，保存計數值的緩沖區可能被其他任務操作，為了保證臨界代碼段的完整性，同時使用OS_ENTER_CRITICAL（）和OS_EXIT_CRITICAL（）宏定義。

（3）CAT1025中E?ROM的讀寫函數。CAT1025中E?ROM的讀寫函數是在I?C驅動函數的基礎上編寫的，通過修改配置文件中的宏定義I?CWrite和I?CRead的值來確定使用I?C0或I?C1控制器。根據CAT1025的特性，讀操作時只有確定起始地址和數據個數即可，而寫操作采用頁寫模式，本設計的寫CAT1025中E?ROM的操作函數實現一次寫任意頁面、任意地址和不限數量的功能，用戶不必考慮換頁問題。

（4）Modbus協議的實現。采用ModbusRTU協議，實現從機協議棧和主機協議棧部分。通過修改協議棧的配置文件，可把控制器設置為主機、從機或即為主機又為從機。主機物理層使用LPC2136的UART1，從機物理層使用LPC2136的UART0，根據協議棧的主從機設備描述信息初始化UART的波特率、停止位、奇偶校驗，實現RS-232或RS-485通訊。主從機協議棧主要實現了讀線圈、讀離散量輸入、讀保持寄存器、讀輸入寄存器、寫單個線圈、寫多個線圈和寫多個寄存器的功能。通過修改配置文件，可以確定使用哪些功能。

3 結束語

ARM的迅速發展，使其逐漸取代了傳統51單片機在工業儀表中的應用。本文介紹了基于ARM和Modbus協議的嵌入式工業儀表控制器開發平臺，硬件設計合理，工作可靠，軟件采用先進技術，移植和裁剪方便，通用Modbus協議，使儀表通訊可靠，并可組建工業網絡，具有實用價值，是工業儀表控制器的可靠平臺。

參考文獻：

[1]周立功.深入淺出ARM7-LPC213x/LPC214x（上冊）[K].北京：北京航天航空大學出版社，2005.

[2][美]Jean J.Labrose著，邵貝貝等譯.嵌入式實時操作系統uC/OS-Ⅱ（第二版）.北京：北京航天航空出版社，2003.

[3]Modbus協議，http：//www.chinakong.net.