【标题】：基于ARM的无纸记录仪系统设计
【关键字】：ARM
【来源】：http://blog.chinaunix.net/article.php?articleId=49295&blogId=10172

基于ARM的无纸记录仪系统设计

基于ARM的无纸记录仪系统设计
The System Design for an ARM-based Paperless Recorder

作者：Sunny Yang

[摘要]

本文讨论的是基于AT91RM9200的SR2000/3000型无纸记录仪的研究开发。这种无纸记录仪最多可以使用12路数据采集通道，通道间采用PHOTOMOS隔离。并充分地利用AT91RM9200的硬件资源，扩展了SD卡、USB2.0、以太网等多种接口，还配备了具有触摸屏的人机交互界面。这些设计使记录仪有着良好的稳定性、高的可靠性和优越的性价比。

关键词：无纸记录仪，AT91RM9200，嵌入式系统

[ABSTRACT]

The topic discussed in this paper is the R&D for AT91RM9200 based SR2000/3000 Paperless Recorder. This kind of Paperless Recorder makes full use of the hardware resource of AT91RM9200, with well stability, high reliability and ascendant quality-to-price. It has SD card, USB2.0, Ethernet interface, and equipped with touch screen and LCD. It can take as 12 channels data collector at most, using PHOTOMOSE relays between channels.

Keywords：Paperless Recorder，AT91RM9200，Embedded Systems

0 引言

记录仪作为一种重要的数据记录仪表，长期以来被广泛应用于各种工业现场。90年代以前,人们主要使用机械式记录仪。机械式记录仪内部结构复杂，机械活动部件较多，故可靠性很差，易出现机械故障，使用进程中还需定期更换记录纸和记录笔，长期运行费用较高。进入九十年代以来,微处理器技术在显示记录仪的采用,使仪表工作原理得到极大突破,产品全面由模拟式向数字式转变,由于采用了微处理器、大容量存储介质和大屏幕图形液晶显示屏等先进技术,彻底解决了机械式记录仪存在的诸多问题,具有可靠性高,长期运行费用低,便于记录数据进行进一步分析处理等优点,因而迅速被广大用户接受。

纵观国内外无纸记录仪表市场，目前无纸记录仪主要具有以下的特点或发展趋势：1智能化。以微处理器为核心，从而实现了高性能、多回路的检测系统。有些记录仪还具备联网和通讯功能，历史数据查询功能，可以即时或按时打印各种曲线、数据等；2信号输入万能化。用户可以任意的选用电压、电流、热电阻、热电偶等作为输入信号类型，这也使得仪表的应用场合变得更为广阔；3存储容量大。无纸记录仪大多采用大容量的RAM、SRAM、FLASH、软盘甚至硬盘等来保存数据；4LCD显示方案多样化，备友好的人机界面、灵活的设置组态、历史数据查询、打印、虚拟通道、流量累积等诸多功能。

根据市场需要，通过与市场同类产品相比，设计中、高端产品SR2000/3000系列无纸记录仪更具有实际的开发前景。本次开发仪表实现15.6英寸单/彩色TFT液晶显示；216MB NAND Flash存贮历史数据；312路万能隔离输入技术；4标准通讯接口技术：RS-485和RS-232；5USB2.0接口技术等。

1 系统设计

1.1 总体框图

图1.1系统总体结构框图

无纸记录仪硬件结构框图如图1.1所示。从图1.1可以看出无纸记录仪主要包括上位机模块、下位机模块和一些外设模块。从功能结构来看，下位机主要负责信号的调理、采样并实时向上位机发送数据；上位机则是整个记录仪的控制核心，它负责系统的任务操作控制，实时进行数据处理、记录及其他设备的监控功能；上位机和下位机之间采用了RS-232串口通信方式。下位机的数据采集通道为6通道DC/DC隔离，负责12路信号的切换采样。外设是为了增强记录仪的功能而增添的外围设备，主要有液晶显示、触摸屏、外部数据存储器等。

1.2 下位机模块设计

图1.2 输入模块结构框图

1信号的输入为全输入，应按三种信号进行分类：热电偶及毫伏信号、热电阻信号和标准信号。这样分主要从硬件的成本考虑。因为单从信号的输入端来看：热电偶及毫伏信号前置输入端不需加任何额外元器件；热电阻信号前置输入端需加恒流源对热电阻施加激励；标准信号前置输入端需加精密分压电阻(若是标准电流信号，还要外加250欧姆的标准精密电阻)等。在实际生产时，依据用户的订货需求，对元器件进行适当的增减。这样可以是成本降到最低。布局、布线时，也应考虑元器件的具体位置和走线，把干扰降至最低。212个输入通道中，每2个通道一组，每组由PHOTOMOS进行通道选择，代测信号经过信号调理、AD转换、隔离变压器DC-DC和光耦转化成数字信号存储并等待处理。本设计采用PHOTOMOS DELAYS AQW214作为通道隔离控制芯片，允许隔离度为5000V。3由于输入信号范围的不确定性，为了使转换更为精准。一般都需A/D转换的输入信号都应该在芯片要求的最大输入电压的1/3～2/3倍之间，太大或太小的输入信号都会造成转换误差。因此，利用ADS1213有四路模拟双极性输入，在输入端分别接有四路不同的放大电路，这样可以实时对于信号放大电路进行选择。4模块的控制器采用的是ATMEL公司的AT89C52。AT89C52单片机是一种低功耗、高性能的CMOS 8位单片机，它自带8K字节内嵌可编程闪存，双数据指针，3个16位定时/计数器，6个两级中断源结构。

1.3 上位机模块设计

上位机模块主要有主机CPU、外扩程序空间、外扩内存空间、看门狗电路、外设接口等组成，硬件结构框图如图1.3(1)。

图1.3(1) 上位机硬件结构框图

近年来，ARM嵌入式芯片以它的功能强大，处理速度快及可移植操作系统等功能特点收到了广泛关注。目前市场上的无纸记录仪大多为51系列单片机控制，应该说这类无纸记录仪的开发潜力已经完全挖掘，随着记录仪智能化及便携式性能的提出，它已不能胜任。而若以ARM作为记录仪的核心控制器，ARM强大的可扩展功能和低耗性则为无纸记录仪的发展提供了又一个更高的平台。

目前ARM常用的芯片分为两部分：一种是以ARM7为内核的低端ARM芯片，另一种为以ARM9为内核的性能更为优越的ARM芯片。根据设计要求，综合评价两种芯片的功能，发现有以下区别：但是出于记录仪使用环境的可能出现的恶劣性考虑，工作稳定、性能优越的核心控制芯片是我们的首选。仪表性能的提高将比成本降低更具可行性。所以选用了以ARM9为内核的ARM芯片。经过了以下几方面的选择：1选择国际上知名大厂；2产品有广泛的用户群，供应可靠；3片内有丰富的资源，尽可能是减少外围电路；4价格低廉，最好有工业级产品。我们的注意力最后定位在三星公司的S3C2410与ATMEL公司的AT91RM9200。经过对比可以看出，SAMSUNG的S24C10相对于ATMEL的AT91RM9200而言，多了一个液晶驱动电路，因而其电路简单。但是ATMEL公司只生产ARM芯片，而不做与ARM有关的产品；并且ATMEL的AT91RM9200是工业级产品而非商业级。如果选用数字接口的液晶，电路设计复杂程度不会增加。而芯片工业级标准可以大大提高产品性能。出于以上考虑，决定采用ATMEL的AT91RM9200为核心控制器。以AT91RM9200为核心的系统框图如图1.3(2)所示。

图1.3(2) 以AT91RM9200为核心的系统框图

2 系统部分模块电路具体设计

2.1电源设计

AT91RM9200要使用两组电源，I/O口供电电源为3.3V，内核供电电源为1.8V，所以系统设计为3.3V应用系统。首先，电源经过二极管IN4001整流及100uF和0.01uF两个电容组合滤波，然后通过7805稳压芯片将电源稳压至5V，再使用LDO芯片(低压差电源芯片)稳压输出3.3V及1.8V电压。LDO芯片采用了SPX1117-3.3和SPX1117-1.8，其特点为输出电流大，精度高，稳定性高，功耗低。（图略）

2.2 系统引导载入电路（Bootloader）

系统引导载入电路是嵌入式系统在启动时嵌入操作系统时所需的电路。AT91RM9200有三种引导程序的方法：（1）存储器引导：存储器设计有SPI总线方式的数据FLASH存储器、二线EEPROM存储器和8位并行存储器三种方式。（2）DBGU串口通信（XModem 协议）。（3）USB 设备端口（DFU协议）。