1 引言

在现场仪表与工业设备中应用嵌入式系统技术是工业控制网络的一个发展趋势。这种技术完全实现了分布式的系统结构，系统可靠性大大提高。同时，基于TCP/IP协议的以太网以Ethernet为底层，以TCP/IP为高层的形式很容易为大家所接受，可以满足控制系统的要求，从而能够实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝联接。因此，将工业以太网与嵌入式系统相结合的模块化测控系统成为现在研究的热点。本文以Z-World公司的RCM2250处理模块和RCM2230处理模块为主从处理器，采用主从工作方式、模块化结构完成嵌入式通信采集系统硬件电路设计。

2 硬件电路的总体设计

本采集器以Rabbit2000作为中央处理器进行硬件电路设计。设计思想上采用模块化结构，主从工作方式。用一个底板将各个主、从板及电源板连接成为一个整体，方便了维护和扩展。外形设计采用长方体结构。应用并行端口A和固定的某些其它数据线作为从处理器和主处理器之间的通信线使用。以太网通讯部分采用隔离变压器以增加驱动能力。各个串行通讯接口使用同向驱动芯片SN7407实现了3种设备连接方式:RS-232,RS-485及电流环，并应用高速光耦6N137实现了通讯部分的接收和发送信号在电气上的隔离。应用CAN通信控制器MCP2510设计的CAN总线系统智能节点支持CAN2.0B协议;驱动器MCP2551与控制器之间应用高速光耦6N137进行隔离:CAN总线网络的两个端点加入终的端匹配电阻增强了CAN通讯的可靠性。主板和从板都具有8路开关量输入和8路开关量输出。结构原理如图1所示。考虑到在大量工业领域中应用嵌入式设备功能比较单一，最终决定选用RCM2250以太网微控制器核心模件作为主控制器;RCM2300处理模块作为从控制器。

图1 系统工作原理图

3 硬件电路详细设计

3.1 主从处理器互连的硬件设计

从端口允许一个Rabbit处理器的作为另一个处理器的从处理器，主从处理器之间的通讯通过三个寄存器进行。在Rabbit中设计时，考虑到为双向通讯服务，共有六个数据寄存器。此外，还有一个从端口状态寄存器，它可被主处理器或从处理器读取。典型的多个从Rabbit连接到一个主Rabbit的例子如图2示出。

图2 从Rabbit与主Rabbit的典型连接

由主处理器使用两根从寄存器地址线选择被读或写的寄存器。当某个寄存器把数据从主处理器携带到从处理器时，对主处理器对它表现为写寄存器，而对从处理器表现为读寄存器。进行相反方向操作时，对主处理器是读寄存器，对从处理器是写寄存器。这些寄存器在双方来看都是读一写同一寄存器，但并不是真正意义上的读一写一个寄存器，因为写入和读出数据的地方不同。主处理器提供时钟信号或选通脉冲，向它所控制的三个写寄存器里存放数据。主处理器也可以写状态寄存器。主处理器能写的寄存器对从Rabbit处理器表现为读寄存器。主处理器提供一个使能选通脉冲来读取那三个读数据寄存器和状态寄存器。对从Rabbit处理器来说，这些寄存器是写寄存器。这三对寄存器中第一个写寄存器比较特殊，可以通过主从通讯联络信号中断另一个处理器。当从处理器写零号寄存器时，一个输出信号有效，这个信号可中断主处理器。而当主处理器写零号从寄存器时，可通过对从处理器内部电路的设置来中断从处理器。

3.2 以太网通讯

嵌入式以太网的实质是在嵌入式系统的基础上实现网络化，使嵌入式系统能够实现TCP/IP网络通讯协议，接入以太网。TCP/IP协议的复杂性使得在硬件上实现这种协议的通讯模块有一系列的特殊要求，因此通讯模块设计时必须处理好如下问题:CPU速度、RAM的容量、ROM的容量。

嵌入式设备RCM2250集成了以太网接口，以太网控制器RTL8019AS用于将处理器发出的数据转换成以太网帧的形式通过RJ-45以太网接口发送到网络中，以及将从RJ-45接口接收到的以太网帧进行拆帧，得到其中的数据后，发送给处理器。但要完成以太网通讯，还需要增加隔离变压器以增加驱动能力，商用以太网所用隔离变压器一般集成在标准的RJ45插座里。但对于工业以太网来说，插接式的RJ45接头并不能起到很好的固定效果。因此本文在设计时，隔离变压器单独选择，选取工业上常用的DB9插座作为以太网通讯的物理接口。电路设计如图3所示。

图3 以太网物理接口

图中TPOUT+, TPOUT-, TPIN+和TPIN-分别是RCM2250处理模块的以太网口输出正、输出负、接收正和接收负。经过隔离变压器后与DB9插座相连接。图中独石电容C5, C6, C7和C8为滤波电容，R6将初级和次级连在一起。因此，隔离变压器实际上并未隔离，但是R6使得C7和C8起到了较好的滤波作用，同时由于R6电阻瓦数较小，当以太网传输线串入高压时，R6可起到一个保护作用。

3.3 异步串行通讯接口

为了方便地建立局域网络，串行通讯接口使用6路同向驱动芯片SN7407实现了3种设备连接方式:RS-232, RS-485及电流环，并应用高速光耦6N 137实现了通讯部分的接收和发送信号在电气上的隔离。具体通讯的格式、波特率和协议等均由工业组态软件进行设置。这使得该设备能够同工业现场中几乎所有支持RS-485, RS-232及电流环通讯的控制器、PLC等设备连接。20 mA电流环路串行接口是目前串行通讯广泛适用的一种接口电路。简易20mA电流环如图4所示。

图4 20mA电流环通讯电路

只有保证通讯环路中电流为20mA左右，才能保证接收端电流信号转变为良好的电平信号。不同质量和长度的通讯导线引入不同的直流电阻值，实际中一定要根据这点来调整R6和R12，保证20mA电流值。具体做法是:在另一端将两对导线短路，用万用表测出导线电阻RL，调整R6和R12使得R6+R12+RL=195Ω左右。

在设计中，我们实现了RS-485, RS-232及简易电流环通讯规范，在实际应用中推荐如下标准做的参数: (1) 在小于15m的距离内，采用RS-232方式联网。(2) 在15m和3km以内的距离内，可采用RS-485方式或20mA电流环方式，其中20mA电流环适用于点对点通讯或1对2或1对3通讯，且抗干扰性能高。(3) 在15m至3km的常用距离内，用于连接多机通讯时，以RS-485方式为最佳，可挂接32个分站(采用特殊芯片，可挂接128个分站)，而且电路简单、适用、抗干扰能力强。(4) 在大于3km的距离外采用Modem方式。

但Modem的价格较贵，加入后使系统需维护的设备增多。在实用中，由于一般传输距离多为1~3km，我们采用了上面的通讯电路，经调试及现场实际应用后，效果较为理想。

3.4 开关量输入输出

本设备具有40路开关量输入和40路开关量输出，开关量输入高电平可以对应数字量1，也可以对应数字量0，由开关量输入公共端COM端决定。若COM端接高电平，则输入高电平表示1，输入低电平表示0;若COM端接低电平，则输入高电平表示0,输入低电平表示1。开关量输入的电压范围是0~30V，内部有7.5K限流电阻。开关量输入经光电隔离后送到缓冲器74HC244的输入，CPU通过选通信号控制74HC244的输出允许，选通引脚所映射的I/O端口地址范围是随具体口线而变化的。当CPU读取外部开关量输入状态时，在总线读周期，会在选通引脚上产生一个负脉冲，脉冲宽度可由程序设置为15个时钟周期，以打开74HC244的输出允许，从而将外部状态读入。

开关量输出由74HC374锁存，经光电隔离后输出。为了增加输出驱动能力，电路增设了ULN2804芯片再进行灌电流输出驱动，输出可以直接驱动24V继电器。8路开关量输出可以编程设置为控制输出，也可编程设置为异步并行口输出。输出锁存器SN74HC273的CLK端由CPU的选通引脚控制，所映射的I/O端口地址范围是随具体口线而变化的。当CPU准备输出数据时，在总线写周期，同样会在选通引脚上产生一个负脉冲，在脉冲的上升沿SN74HC273会将CPU输出到数据总线上的数据进行锁存，从而改变开关量输出状态。

4 本文小结:

本文作者创新点:

本文设计的嵌入式通信采集系统可以方便地嵌入到使用RS-485通讯接口、RS-232通讯接口和电流环通讯接口的网络节点中;支持各种通讯协议。使该设备具有很好的兼容性。

参  考  文  献

[1] 徐志春,汪道辉,孟晓颖,陈晓燕. 基于PCI总线的多串口通信适配卡设计. 微计算机信息, 2007, 2-2: P=294-296

[2] 张毅刚.新编MCS-51单片机应用设计.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003.257-262

[3] 李朝青.PC机及单片机数据通信技术.北京：北京航空航天大学出版社，2000.94-112

[4] 郑学坚，周斌.微型计算机原理及应用（第三版）.北京：清华大学出版社，2003.216-224