基于LM3S8970的信号转换器的设计

高永刚 ，高 勇 ，李 莉

（1.沈阳航空航天大学 自动化学院，辽宁 沈阳 110136；2.煤炭科学研究总院 沈阳研究院 大连分院，辽宁 大连116013；3.大连航运职业技术学院 辽宁 大连116052）

随着信息技术的发展，工业控制系统的发展呈现智能化、数字化、联网化的趋势。工控信息传递方式的多样化使得各种有线、无线通讯连接方式的应用更加广泛和深入[1-3]。将工业控制系统和信息系统引入到地铁运行安全监控中，可以提高地铁运行的安全性、稳定性和快速性。然而，各种信息通讯接口的不同势必影响系统不同模块间的兼容性和信息通讯的准确性、灵活性。

综上，文章从信号传输兼容性出发，设计了更强功能基于LM3S8970的信号转换器，该转换器对数据传输进行优化处理，把经过交换处理的数据更快的传输到更远的交换器或中心站。使信号的传输距离由传统的5 km提高到10 km。

1 系统总体设计

在转换器中，用于连接地下以太网终端设备，各终端设备可以通过转换器相互传输数据。转换器可接一路光纤、2路RJ45的网络终端设备、两路CAN总线设备、1路485总线设备；转换器对数据进行优化处理，把经过交换处理的数据传输到更远的转换器或者中心站。如图1为转换器外围设备框图。

图1 转换器外围设备框图Fig.1 Diagram of the converter peripheral devices

1.1 系统组成

转换器主要由电源模块、信号转换板、电源充电板、电池组、等各功能模块组成。转换器具有双向通信及工作状态指示功能，电源指示功能，自诊断和故障指示功能，具有备用电源功能。

1.2 ARM Cortex-M 3内核与微控制器LM3S8970

Cortex-M3内核处理器[4-5]是ARM公司面向低成本应用领域研发出的32位处理器。该处理器高度集成了外设，与内核组成一个片上系统（SoC）。Cortex－M3内核结合了Thumb－2指令32位哈佛微体系结构，提高了代码密度，比32位编码减少了约26%内存使用率，较16位编码提高了约25%性能，通过降低系统工作时钟频率，降低了功耗和研发成本。并且内核应用了Tail－Chaining中断技术，该技术把中断之间的延迟缩短到6个机器周期，在实际应用中可减少约70%中断。

系统核心控制器选用TI公司基于ARM Cortex－M3内核的LM3S8970工业级微控制器，工作温度范围是－40～85℃，控制器具有较好电磁兼容特性，可应用于地铁安全监控系统中。

2 系统硬件设计

2.1 核心处理单元

设计核心处理单元包括ARM处理器及外围电路。硬件组成结构图如图2所示。LM3S8970的优势在于能够方便的运用多种ARM开发工具和片上系统底层IP应用方案。

图2 硬件电路结构图Fig.2 Diagram of hardware circuit

2.2 通信处理单元及存储单元

通信处理单元包括CAN通信处理单元和485通信处理单元。CAN通信处理单元包括光耦隔离器6N137和CAN收发器SN65HVD1050。单片机发出的信号通过光耦隔离，高电平信号经过上拉，低电平信号下拉处理后连接到CAN收发器的TXD引脚，经过滤波后接到外部CAN接收器上。外部CAN信号经过滤波、限压处理后连接到CAN收发器的CANH，CANL引脚，通过光耦隔离后输入到LM3S8970中。

如图3所示。处理单元中采用二极管保护器件D403，D404保证CAN传输信号不低于－0.7 V,瞬态抑制二极管D407、D408保证CAN信号不高于6 V。提高了信号传输的稳定与正确性。485通信处理单元采用RS－485收发器ADM2483，该收发器电气数据隔离电压2 500 V，最高数据速率500 Kbps，最多挂接节点256个，提高了数据通信的安全性、快速性和后续性。如图4所示。存储单元采用串行SPI大容量16Mbit Flash存储器SST25VF016B，主要存储网络地址，接口电路如图5所示。

2.3 电源及备用电源单元

设计内部采用AC/DC电源模块，在外部设备供电时给主板提供24 V直流电源通过LM2596变换为5 V，再通过SPX1117－3.3变换为3.3 V供电，如图6所示；在电池组电量不足时，24 V直流电源通过充放电路板给电池组充电。在外部电源停电时直接切换到备用电源供电，如图7所示。备用电源电路采用以CN3718为核心的电源管理电路给10节镍氢电池充电，保证在外部电源掉电的情况下还能维持系统工作2小时，大大提高了监控系统工作的安全性。

图3 CAN通信处理单元电路图Fig.3 The CAN communication processing schematic

图4 485通信处理单元电路图Fig.4 The 485 communication processing schematic

图5 存储单元接口电路图Fig.5 The Storage unit interface schematic

图6 外部电源供电电路Fig.6 The external power supply circuit

图7 备用电源管理电路Fig.7 Standby power management circuits

3 系统软件设计

3.1 RealView MDK简介

系统软件设计采用RealView MDK集成开发环境。RealView MDK集成了业内最领先的技术，包括μVision3集成开发环境与RealView编译器，支持最新的Cortex-M3核处理器，能够自动配置启动代码，集成Flash烧写模块。与ARM之前的工具包ADS等相比，RealView编译器可将性能改善超过20%。

3.2 LwIP协议栈应用

LwIP是Light Weight(轻型)IP协议，有无操作系统的支持都可以运行[6]。LwIP协议栈主要关注的是怎样减少内存的使用和代码的大小，以便让LwIP适用于例如嵌入式系统等资源有限的小型平台。LwIP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用，它只需十几Kb的RAM和40Kb左右的ROM就可以运行。并且LwIP提供的一组应用程序编程接口函数很容易用于应用程序调用。在本设计中使用LwIP协议栈十分合适。

3.3 系统工作软件流程图

系统软件流程图如图8所示，包括引脚配置、MAC地址初始化、工作模式选择等。

图8 系统软件流程图Fig.8 The flow chart of system software

4 系统性能分析

由于地下环境的复杂性，系统经过一系列冲击、高温、低温、振动试验。经测试，在试验中系统工作稳定，信号传输性能如下：

1)转换器通过光缆通信

a)传输方式：主从、半双工；

b)传输速率：1 000 Mbps；

c）发射光功率：≥-10 dBm；

d）接收灵敏度：≤-20 dBm；

e）最大传输距离:10 km；

2)转换器通过CAN总线通信

a)传输方式：主从式、异步、半双工、CAN总线；

b)传输速率：5 kbps；

c)通信信号峰-峰值电压：(0～5)V；

d)通信信号峰值电流：≤40 mA；

e)最大传输距离10 km(串入一台中继器)；

3)转换器通过485总线通信

a)传输方式：主从式、异步、半双工、485总线；

b)传输速率：9 600 bps；

c)通信信号峰-峰值电压：(0～5)V；

d)通信信号峰值电流：≤40 mA；

e)传输距离2 km；

5 结论

本文设计的信号转换器采用了先进的ARM Cortex–M3内核的LM3S8970处理器，并创新性的将使用充电电池作为信号转换器的备用电源供电。经测试，系统信号传输快速，运行稳定可靠，可以适用于地下的复杂工作环境，具有良好的应用前景。

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