基于LPC2136的嵌入式工业控制器开发平台设计

白宇

摘 要：本设计以LPC2136微处理器芯片为硬件核心，外扩工业常用的控制接口、通讯接口以及常用的功能模块，在实时操作系统uC/OSⅡ下开发片内外设和外部扩展器件的驱动。平台软件中实现了Modbus协议栈，可以实现主机和从机的组网通讯。

关键词：ARM；Modbus；LPC2136；开发平台

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

0 引言

随着硬件开发水平以及工业现场工艺水平的提高，工业现场对工业仪表提出更高的要求，传统的51系列单片机因其片内资源相对较少，需要扩展的器件较多，大数据量的计算完成周期较长，实时性难以控制等不利因素正在被不断的淘汰，工业产品为了尽快占领市场，常常把产品的研发时间压缩的很短；为了不必每次都从底层做起，设计了一个基于ARM和Modbus协议的嵌入式工业控制开发平台。平台选择ARM微处理器，加入以IC公司生产的大量片内外设，使ARM系列处理器拥有非常优良的应用性能。在ARM中安装uC/OSⅡ操作系统，并在uC/OSⅡ环境下开发可剪裁、可移植的平台软件，实现Modbus协议的主从机通讯。使用此平台开发的主机具有较高且可靠的实时性，可组建工业总线网络，实现集中控制，灵活性高，维护和升级成本低，易于扩展等优点。

1 硬件设计

（1）器件选择。平台硬件主要由高性能ARM、4～20mA电流产生电路、接口隔离、计数器、数据存储和RS232串口构成。其中高性能的ARM采用NXP公司的LPC2xxx系列ARM7中的LPC2136.拥有一个SPI、一个SSP、两个UART、一个DAC、两个ADC、256KB的FLASH和32KB的RAM等片内外设。4～20mA电流产生采用AD421芯片配合外围芯片。接口隔离采用高速电偶合成器6N137和双向光耦继电器AWQ210.计数器采用16位可编程计数器8254.数据存储采用I?C接口的电源监控芯片CAT1025中的E?ROM。RS-232串口采用美信的MAX232。

（2）平台硬件连接。1）、LPC2136与8254的连接。由于LPC2136没有总线结构，搭建时需要用GPIO来模拟8254的数据线和控制信号线。虽然8254是5V供电，但是LPC2136的GPIO口可以承受5V电压的数字信号，两者之间不需要电平转换可以直接连接；2）LPC2136与AD421的连接。AD421是SPI控制方式，为外部接口电路，不可以直接与LPC2136直接连接，因此设计电源隔离模块隔离电源，用高速光电耦合器件6N137隔离SPI总线。

2 平台软件设计

为了方便平台软件的移植和剪裁，每个模块都有相应的配置文件（头文件）。配置文件中都定义了宏USE_XXXX，其中，XXXX是模块的名称。当USE_XXXX标志位enable时，是相应的功能模块可以使用，否则模块disable。

（1）LPC2136片内外设的驱动。平台用到的片内外设有UART控制器、I?C控制器、看门狗控制器、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控制器接口采用中断方式发送和接收数据。在驱动模块的配置文件中定义配置参数，通过修改配置参数的值，来改变驱动接口函数的配置。如：在UART0驱动的配置文件中定义宏RS_485_R0（）和RS_485_S0（），就可以使UART0驱动用于RS-485进行通讯。

（2）可编程计数器8254的驱动和应用函数。平台使用了4片8254芯片。由于LPC2136没有总线结构，采用模拟总线和控制信号的方式。在驱动的配置文件中，定义了数据线D0～D7、CS1～CS2、A0～A1、WR和RD，使用时根据实际硬件连接修改。配置文件中定义了宏CS1_EN、CS2_EN、CS3_EN和CS4_EN，若其值为1，则对应芯片的驱动可用，否则被屏蔽。如：定义宏CS1_EN为0，片选为CS1的8254芯片驱动不可用。

用户应用函数包括：计数器初始化、储存计数器值和读计数器值。平台采用锁存回读的方式读取计数器8254中的16位计数值。为保证各个计数器工作时的一致性，在锁存计数器值前，调用OS_ENTER_CRITICAL（）宏定义关闭中断和任务调度，锁存结束调用OS_EXIT_CRITICAL（）宏定义恢复中断和任务调度。在读计数器值时，保存计数值的缓冲区可能被其他任务操作，为了保证临界代码段的完整性，同时使用OS_ENTER_CRITICAL（）和OS_EXIT_CRITICAL（）宏定义。

（3）CAT1025中E?ROM的读写函数。CAT1025中E?ROM的读写函数是在I?C驱动函数的基础上编写的，通过修改配置文件中的宏定义I?CWrite和I?CRead的值来确定使用I?C0或I?C1控制器。根据CAT1025的特性，读操作时只有确定起始地址和数据个数即可，而写操作采用页写模式，本设计的写CAT1025中E?ROM的操作函数实现一次写任意页面、任意地址和不限数量的功能，用户不必考虑换页问题。

（4）Modbus协议的实现。采用ModbusRTU协议，实现从机协议栈和主机协议栈部分。通过修改协议栈的配置文件，可把控制器设置为主机、从机或即为主机又为从机。主机物理层使用LPC2136的UART1，从机物理层使用LPC2136的UART0，根据协议栈的主从机设备描述信息初始化UART的波特率、停止位、奇偶校验，实现RS-232或RS-485通讯。主从机协议栈主要实现了读线圈、读离散量输入、读保持寄存器、读输入寄存器、写单个线圈、写多个线圈和写多个寄存器的功能。通过修改配置文件，可以确定使用哪些功能。

3 结束语

ARM的迅速发展，使其逐渐取代了传统51单片机在工业仪表中的应用。本文介绍了基于ARM和Modbus协议的嵌入式工业仪表控制器开发平台，硬件设计合理，工作可靠，软件采用先进技术，移植和裁剪方便，通用Modbus协议，使仪表通讯可靠，并可组建工业网络，具有实用价值，是工业仪表控制器的可靠平台。

参考文献：

[1]周立功.深入浅出ARM7-LPC213x/LPC214x（上册）[K].北京：北京航天航空大学出版社，2005.

[2][美]Jean J.Labrose著，邵贝贝等译.嵌入式实时操作系统uC/OS-Ⅱ（第二版）.北京：北京航天航空出版社，2003.

[3]Modbus协议，http：//www.chinakong.net.