基于ARM9的中央空調網絡集中控制器研究

出處：jackfrost 發(fā)布于：2011-03-04 16:04:49

以往我國的中央空調控制系統(tǒng)主要采用以單片機為控制的單機組控制器，即一個控制器只能控制一臺中央空調機組，這種控制方法控制簡單，但是在多層或者較大型的建筑中控制能力就顯得力不從心了。近年來也出現(xiàn)了采用ARM7 處理器作為控制芯片的集中控制器，但是在此所采用的ARM9 處理器比ARM7 處理器又有了許多優(yōu)點，如ARM9 處理器采用5 級流水線，在每一個時鐘周期內可以同時執(zhí)行5 條指令，這樣就大大提高了處理性能，在同樣的加工工藝下，ARM9處理器的時鐘頻率是ARM7 的1. 8 ~ 2. 2 倍; 又如ARM9 采用哈佛結構，具有分離的數(shù)據和程序空間及分離的訪問總線，所以在指令執(zhí)行時哈佛結構的取址和取數(shù)可以并行，因此具有更高的執(zhí)行效率; 再如擁有內存管理單元( MMU ) ，只有擁有了MMU 才能真正實現(xiàn)內存保護，通過內存保護，一個進程的失敗并不會影響其他進程的運行，從而增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外,ARM9 可以內嵌Linux 操作系統(tǒng)，Linux 具有良好的網絡支持功能; Linux 是首先實現(xiàn)TCP/ IP 協(xié)議棧的操作系統(tǒng)，它的內核結構在網絡方面是非常完整的，并提供了對包括十兆位、百兆位及千兆位的以太網，還有無線網絡等的支持; 其次，Linux 源碼開放、可定制內核、性能優(yōu)異等也是選擇它相對于其他嵌入式操作系統(tǒng)的優(yōu)勢。

　　在此設計的網絡集中控制器可與監(jiān)控軟件一起完成基于TCP/ IP 協(xié)議的網絡通信功能，并能通過RS 485總線與自行設計的現(xiàn)場控制器進行通信。

　　1 控制器設計方案

　　網絡管理器的主要功能一方面是通過以太網與監(jiān)控軟件進行數(shù)據交換; 另一方面是通過RS 485 總線網絡與分布在大廈各處的現(xiàn)場控制器通信。網絡管理器對現(xiàn)場控制器進行控制和管理，在現(xiàn)場控制器與中央操作站之間起數(shù)據緩存作用。

　　1. 1 控制器硬件設計

　　處理器采用A TMEL 公司的AT91RM9200，該處理器是AT MEL 專門針對工業(yè)及以太網應用領域推出的基于ARM920T 內核的新型微處理器，如圖1 所示。

　　( 1) 電源電路。主要作用是為控制器提供3. 3 V和1. 8 V 的穩(wěn)定電壓。設計時利用LM1117 低壓差線性調壓器來提供3. 3 V 和1. 8 V 的電壓。LM1117 能夠提供1. 8 V，2. 5 V，2. 85 V，3. 3 V，5 V 的固定電壓和可調電壓型號，并能提供電流限制和熱保護。

網絡集中控制器硬件模塊示意圖

圖1 網絡集中控制器硬件模塊示意圖

　　( 2) 復位電路。主要完成系統(tǒng)的上電復位和系統(tǒng)在運行時用戶的按鍵復位功能，它由簡單的RC 電路構成，這種電路比較通用，其復位邏輯是可靠的。

　　( 3) 存儲器系統(tǒng)設計。包括Nor Flash 接口、NandFLASH 接口和SDRAM 接口電路的設計。

　　①Nor FLASH 存儲器內部存放系統(tǒng)啟動代碼、Linux 內核和用戶程序等，存儲器芯片采用AT49BV322A，單片存儲容量為32 Mb，工作電壓為2. 65~ 3. 6 V，數(shù)據寬度為16 b，并以16 b( 字模式) 數(shù)據寬度的方式工作。

　　②SDRAM 存儲器作為程序的運行空間，如前所述，SDRAM 的存儲單元可以理解為一個電容，總是傾向于放電，為避免數(shù)據丟失，必須定時刷新( 充電) 。由此可見，要在系統(tǒng)中使用SDRAM，就要求微處理器具有刷新控制邏輯，或在系統(tǒng)中另外加入刷新控制邏輯電路。本控制器采用的控制芯片具有用SDRAM 刷新控的制邏輯，可以直接與SDRAM 接口連接。SDRAM 存儲器芯片采用HY57V281620HG，單片存儲容量為4 組! 32 Mb，工作電壓為3. 3 V，數(shù)據寬度為16 b。本控制器采用2 片16 b 數(shù)據寬度的HY57V281620HG 并聯(lián)為32 b數(shù)據寬度的SDRAM 存儲系統(tǒng)。

　　③Nand FLASH 作為系統(tǒng)的數(shù)據存儲器，芯片采用K9F1208U OM YIB0，存儲容量為64 MB，數(shù)據總線寬度為8 位，工作電壓為2. 7~ 3. 6 V。為了提高控制芯片的驅動能力，在這部分設計中加入了74HC245 總線驅動器，74HC245 提供雙向總線驅動，主要使用在數(shù)據的雙向緩沖。

　　( 4) 串行接口電路。本控制器對控制芯片提供的4 個串口中3 個設計接口電路。一個串口用于軟件調試與系統(tǒng)開發(fā)，另一個作為預留串口，可以在需要時與PC 機進行通信。另外，還需要設計RS 485 串行通信接口電路，用于與現(xiàn)場控制器的通信。

　　電平轉換芯片采用常用的MAX 232; RS 485 電平轉換芯片采用MAX 485。

　　( 5) 網絡接口電路。AT91RM9200 內嵌入了10 Mb/ s/ 100 Mb/ s 自適應的以太網MAC 控制器，但是這還不能直接用來進行以太網通信，片外還需要擴展以太網的物理層接口( PHY) ，這樣才能夠實現(xiàn)高速的以太網通訊。物理層接口芯片選用DM9161。

　　另外，設計中還用到了網絡隔離變壓器，它的主要作用是傳輸數(shù)據，還有一個作用是隔離網線連接中不同網絡設備間的不同電平，以防止不同電壓通過網線傳輸損壞設備。

　　1. 2 控制器應用程序開發(fā)

　　控制器軟件部分的開發(fā)主要是在裁剪好的Linux內核和驅動程序的基礎上開發(fā)適應本系統(tǒng)的串口應用程序和服務器應用程序。

　　Linux 操作系統(tǒng)下串口應用程序的開發(fā)步驟為: 打開串口; 設置串口屬性; 讀寫串口; 關閉串口。要分別編寫發(fā)送程序和接收程序，以便于發(fā)送和接收數(shù)據時可以分別調用兩個函數(shù)。程序中需要注意接收和發(fā)送程序中的buf fer 一定不要小于要接收數(shù)據的長度，否則接收或者發(fā)送的數(shù)據就會出錯。

　　服務器應用程序是將網絡集中控制器作為服務器端來編寫程序，使其能與作為客戶端的監(jiān)控軟件通過以太網通信。服務器程序的開發(fā)步驟為: 生成套接口; 綁定套接口地址; *連接請求; 接收連接請求; 與客戶程序進行通信; 關閉套接口。

　　由于網絡集中控制器在與監(jiān)控軟件通信時是作為服務器來運行的，因此需要使網絡控制器開機自運行,并等待監(jiān)控軟件( 即客戶端) 發(fā)送請求。那么設計時就需要讓該服務器程序一開機就自動運行，等待與客戶端的連接與通信。為此，設計中將服務器程序放在Linux的開機自啟動程序中，這樣就可以保證服務器程序的開機運行了。服務器程序和其中的通信過程流程圖分別如圖2、圖3 所示。

服務器程序流程圖

圖2 服務器程序流程圖

通信過程流程圖

圖3 通信過程流程圖

　　1. 3 控制器LCD 開發(fā)

　　網絡集中控制器作為用戶操作的主要對象，人機界面需要有很好的友好性。當不使用監(jiān)控軟件，或者無法使用監(jiān)控軟件來觀察數(shù)據時，網絡控制器可以使用液晶屏作為數(shù)據顯示界面。

　　LCD 液晶顯示模塊的主要元件是LCD 控制器和LCD 顯示器。LCD 液晶顯示器選用了640× 480的液晶屏，在LCD 控制器方面選用了EPSON 公司的S1D13506。

　　開發(fā)內容包括LCD 的接口設計、LCD 的驅動設計、MiniGU I 的移植、實時數(shù)據顯示開發(fā)。

　　終的顯示界面如圖4 所示。

實時數(shù)據顯示界面

圖4 實時數(shù)據顯示界面

　　2 實驗結果

　　本網絡集中控制器配以自行開發(fā)的監(jiān)控軟件和現(xiàn)場控制器，進行了網絡通信實驗和RS 485 通信實驗來測試系統(tǒng)的功能。網絡通信實驗是使網絡集中控制器和PC 機都在同一局域網內，分別為其設置合法的IP地址后，將監(jiān)控軟件發(fā)送給網絡集中控制器的指令在secureCRT 上打印出來。RS 485 通信實驗是將網絡集中控制器和現(xiàn)場控制器通過RS 485 網絡相連，將現(xiàn)場控制器收到指令后發(fā)送給網絡集中控制器的信息在secur eCRT 上打印出來。圖5 和圖6 為打印出來的測試結果。通過實驗證明，本控制器的軟硬件設計是合理的。

網絡通信實驗截圖

圖5 網絡通信實驗截圖

RS485 通信實驗截圖

圖6 RS485 通信實驗截圖

　　3 結語

　　在此提出了基于ARM9 處理器和Linux 操作系統(tǒng)的中央空調網絡集中控制器設計方案。給出了控制器的硬件設計和控制器應用程序開發(fā)和LCD 開發(fā)，系統(tǒng)硬件結構的設計采用了模塊化設計方式，在硬件的選型和結構設計的穩(wěn)定性、可靠性方面做了一定深入的研究。通過實驗證明，該控制器處理能力強，便于外擴存儲器，由于內嵌了Linux 操作系統(tǒng)，使網絡功能強大。

　　基于ARM7 的中央空調網絡集中控制器能夠大大提高中央空調的使用效率，節(jié)約了能源，并且能夠顯著提高中央空調控制人員的工作效率。