基于ARM航标终端设计.doc

基于ARM航标终端设计 　　【摘要】航标终端是航标遥测遥控系统的重要组成部分，目前在国内技术尚不成熟，尤其是在内河航道上的应用，有诸多亟待改进的地方。文章主要围绕终端的设计思路、部分模块硬件电路设计、航标遥测、嵌入式软件设计等方面进行编写。为了使终端更加灵活高效的工作，采用了双CPU架构设计。 　　【关键词】航标终端；遥测；双CPU架构；LPC1769；LPC1114 　　航标是航行标志的简称，是指示航道方向、界限与碍航物的标志，为船舶的安全航行提供了基本保障。航标终端通过测量航标灯工作状态（电压、电流、可用灯泡数、闪光周期、位置信息等参数），再将这些状态信息以数据报的形式在CPU的控制下通过公共通讯网发送回航标监控中心。同时，监控中心也可以对航标进行远程遥控。这样，就能使得当代的航道建设趋于数字化、信息化。 　　1.系统总体设计 　　航标终端需要测量和控制??对象参数主要有电压、电流、灯质、日光值等，既有模拟量又有数字量。终端必须是一个电源适应能力强、抗干扰能力强、功耗低、集成模数转换的SOC（System On Chip）系统。本航标终端采用主、从双CPU结构。系统主控制器采用NXP（恩智浦）公司的32位Cortex-M3内核嵌入式微处理器LPC1769，负责与监控中心的GPRS/GSM通信、GPS信号的读取与前差分处理、本地数据的存储、RS-232/485扩展通信、模拟量检测、与从CPU通信及系统远程升级等工作，并预留其他通信接口；从CPU采用NXP公司的32位Cortex-M0内核嵌入式微处理器LPC1114，负责灯质、倾角/撞击和环境温度等参数的检测并预留其他通信接口。基于ARM的航标终端系统框架如图1示。 　　图1中，A/D用于检测电压和电流；从CPU负责灯质、倾角/撞击、温度的测量及预留接口；64K E2PROM保存配置数据、历史数据等；串口0用于在系统升级和调试，串口2用于GPRS/GSM模块通讯，串口3用于GPS数据的通讯，串口1用于提供一个RS-232/485接口，和其他外设通讯。 　　2.主要模块硬件电路设计 　　2.1 A/D测量电路 　　模拟量测量包括航标灯、电池、太阳能板等的电压、电流。电压直接通过滤波电路送入A/D转换器进行处理。电流的测量则通过电流传感器将电流转换成电压量并滤波后送入A/D转换器。电路如图2所示。 　　2.2 电源控制 　　电源设计上采用3片高效率、低压差的线性稳压电源（LDO）分时工作来实现系统电源的高效管理。其中，监控主系统和GPS各采用一片TPS77533供电，把航标灯电池上6.4V的电压降到监控系统所需要的3.3V电压。TPS77533是美国TI公司生产的一款高效率、低压差线性稳压集成电路，具有外围电路简单、电压转换效率高（最高可达92%）、输入电压范围宽、使用稳定可靠等特点，适用于绝大多数工作电压范围的航标灯的使用。由于通信模块在GPRS发射时的瞬间电流可高达2A/3.8V，因此，为了提高系统的稳定性，防止各模块之间的影响和干扰，本系统采用一片大功率的线性稳压电源NCP630对GPRS模块单独供电，配合大电容蓄能滤波电路（多个电容并联实现）方式，给GPRS提供充足的能量。NCP630是安森美公司的一款大电流、高效率、低压差线性稳压集成电路，其最大输出电流可达3A，最高电压转换效率90%，配合多个大电容的并联，可以给GPRS模块提供充足的能量，保证在GPRS的发射瞬间不会因电流过大而拉低模块电压，导致GPRS工作不稳定。电源控制电路的结构图如图3所示。 　　3.航标遥测 　　航标遥测遥控终端上电后，由终端的数据采集电路开始工作，采集航标灯的各个工作状态，包括电源的动态电压、静态电压、充电电压、动态电流、充电电流、运行灯质等等。为降低RTU系统的功耗，采集电路是以一定的时间间隔进行工作（可设置），每次每个参数测量至少10次，然后取平均值作为本时刻的数据，并将这些数据和存储的中心设置参数（阀值）进行比较，判断航标灯是否出现异常情况，如果异常，则由ARM主系统申请进行报警处理。在ARM主系统得到航标运行参数和航标位置参数后，按照规定的数据协议和GSM协议、GPRS协议，进行消息编码，由GSM/GPRS模块实现数据发送。系统采用GPRS实时传输（主）和SMS短消息（辅）两种通信方式，主辅通信方式通过科学组合、自动适应、自动切换，采用抗干扰和过滤设计。传送数据时采用无应答时重发，GPRS不成功转为短消息传送，短消息不成功重启通信模块重新发送，在限时内不成功自动保存，等待网络恢复时补发。 　　对于处理较为复杂和实时性要求高的闪光灯灯质测量、加速度撞击测量时，先由从CPU（LPC1114）先进行预处理后再交由主CPU（LPC1769），这样可以保证当高性能