西門子EM AR04模塊
 

SIEMENS潯之漫智控技術(上海)有限公司
 

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　　1 控制器的組成結構 水下航行器控制器由MCU較小系統(JTAG電路、復位電路)、外擴Flash存儲模塊、I/O接口、隔離電路模塊、通訊電路等組成。其系統結構圖如圖1所示。整個控制器包含4大部分，**是MCU較小控制系統，包括復位電路和JTAG調試電路。**是數據采集部分，I/O接口和RS2 32串行接口用于與水下各種傳感器相連接，收集傳感器發送的實時數據，并傳輸至MCU進行分析融合。有的傳感器送出的是模擬形式的信號，還要使用AD/DA轉換模塊加以轉換后再進入處理*。數據采集部分還包括一個溫度數據收集電路，用作系統運行狀態的監控。三是數據存儲模塊，主要用于存儲和輸出實驗數據。在水下航行器運行過程中記錄航行數據，也可用于調試目的。四是通訊部分，主要包括CAN總線接口電路，用于與其他節點之間互相傳輸被控過程的數據和其他控制命令。2 MCU較小控制系統 文中采用基于ARM7-TDMI架構的NXP2478嵌入式微控制器作為主控計算機。NXP2478以ARM7為內核，它包括一個10/100以太網媒體訪問控制器(MAC)、1個帶4 kB終端RAM的USB全速設備/主機/OTG控制器、4個UART、兩路CAN通道、1個SPI接口、兩個同步串行端口、3個I2C接口和1個I2S接口。同時還帶有一個4 MHz的片內振蕩器、98 kB RAM，以及一個外部存儲器控制器來支持上述的各種串行通信接口。以NXP2478為**的較小系統主要包括電源模塊、復位電路和JTAG模塊，電源模塊實現2個功能：1)電壓轉換功能，將輸入為5 V電平的電壓降至NXP2478的3.3 V工作電壓。2)穩壓穩流功能，微控制器需要紋波比較小的穩定電壓供電，電壓如果突然下降往往會引起程序的跑飛，因此，必須要有專門的電路來穩定工作電壓。一般通過并聯大電阻來穩定工作電壓。復位電路則可以采用自帶看門狗功能的復位芯片來完成。主要實現上電復位、掉電復位、人工復位等功能。看門狗電路可以在程序跑飛時提供自動復位的保護措施。JTAG電路主要實現程序的在線仿真和燒寫功能。3 數據采集電路 數據采集是指從傳感器中**現場信息的過程。水下航行器控制器所用到的主要是GPS、MTI姿態傳感器、深度等傳感器。傳感器輸出信號的標準大多是RS232/485標準.有些傳感器的信號需要經過數模轉換。因此數據采集電路主要包括RS232/485、I/O接口電路、AD/DA轉換電路和隔離電路。NXP2478自身帶有4個串行端口，其中有一個為9線制端口，有完整的握手信號。但這些端口的工作電平為0～3.3 V。而RS232的電壓約為±12 V左右，所以需要一個電平轉換芯片，這里采用常用的MAX232芯片。I/O接口電路也需要進行兼容電平的轉換，外部開關信號可能電壓幅度比較大，采用隔離芯片既可以保護外部信號串擾對控制器的影響4 數據存儲模塊 數據存儲模塊使用Nand Flash與微控制器接口來實現。Nand Flash內存是flash內存的一種，在嵌入式系統中的地位和PC機上的硬盤是類似的。具有容量大、改寫速度快、系統掉電后數據不會丟失等優點，適用于大量數據的存儲。Nand Flash的接口本質上是一個I/O接口，數據總線寬度8bit，沒有地址總線。CLE和ALE這兩條信號線用于區分總線上的數據類別。當系統對Nand Flash設備數據訪問的時候，需要先向Nand Flash設備發出相關的命令和參數，然后再讀出需要的數據。在連接中，注意用NXP2478的地址線A19與A20連接ALE和CLE引腳，這種連接方式必須在配置總線速度的時候使NXP2478總線速度和Nand Flash時序相匹配。電路中R/-(-相)引腳和寫保護引腳直接接上拉電阻。此外還有一種方案是把R/-(-還)引腳與GPIO口相連，主要目的是當讀寫Nand Flash操作完成時，這可以通過中斷來判斷一次的讀或者寫完成的時刻。
 

　　1 控制器的組成結構 水下航行器控制器由MCU較小系統(JTAG電路、復位電路)、外擴Flash存儲模塊、I/O接口、隔離電路模塊、通訊電路等組成。其系統結構圖如圖1所示。整個控制器包含4大部分，**是MCU較小控制系統，包括復位電路和JTAG調試電路。**是數據采集部分，I/O接口和RS2 32串行接口用于與水下各種傳感器相連接，收集傳感器發送的實時數據，并傳輸至MCU進行分析融合。有的傳感器送出的是模擬形式的信號，還要使用AD/DA轉換模塊加以轉換后再進入處理*。數據采集部分還包括一個溫度數據收集電路，用作系統運行狀態的監控。三是數據存儲模塊，主要用于存儲和輸出實驗數據。在水下航行器運行過程中記錄航行數據，也可用于調試目的。四是通訊部分，主要包括CAN總線接口電路，用于與其他節點之間互相傳輸被控過程的數據和其他控制命令。2 MCU較小控制系統 文中采用基于ARM7-TDMI架構的NXP2478嵌入式微控制器作為主控計算機。NXP2478以ARM7為內核，它包括一個10/100以太網媒體訪問控制器(MAC)、1個帶4 kB終端RAM的USB全速設備/主機/OTG控制器、4個UART、兩路CAN通道、1個SPI接口、兩個同步串行端口、3個I2C接口和1個I2S接口。同時還帶有一個4 MHz的片內振蕩器、98 kB RAM，以及一個外部存儲器控制器來支持上述的各種串行通信接口。以NXP2478為**的較小系統主要包括電源模塊、復位電路和JTAG模塊，電源模塊實現2個功能：1)電壓轉換功能，將輸入為5 V電平的電壓降至NXP2478的3.3 V工作電壓。2)穩壓穩流功能，微控制器需要紋波比較小的穩定電壓供電，電壓如果突然下降往往會引起程序的跑飛，因此，必須要有專門的電路來穩定工作電壓。一般通過并聯大電阻來穩定工作電壓。復位電路則可以采用自帶看門狗功能的復位芯片來完成。主要實現上電復位、掉電復位、人工復位等功能。看門狗電路可以在程序跑飛時提供自動復位的保護措施。JTAG電路主要實現程序的在線仿真和燒寫功能。3 數據采集電路 數據采集是指從傳感器中**現場信息的過程。水下航行器控制器所用到的主要是GPS、MTI姿態傳感器、深度等傳感器。傳感器輸出信號的標準大多是RS232/485標準.有些傳感器的信號需要經過數模轉換。因此數據采集電路主要包括RS232/485、I/O接口電路、AD/DA轉換電路和隔離電路。NXP2478自身帶有4個串行端口，其中有一個為9線制端口，有完整的握手信號。但這些端口的工作電平為0～3.3 V。而RS232的電壓約為±12 V左右，所以需要一個電平轉換芯片，這里采用常用的MAX232芯片。I/O接口電路也需要進行兼容電平的轉換，外部開關信號可能電壓幅度比較大，采用隔離芯片既可以保護外部信號串擾對控制器的影響4 數據存儲模塊 數據存儲模塊使用Nand Flash與微控制器接口來實現。Nand Flash內存是flash內存的一種，在嵌入式系統中的地位和PC機上的硬盤是類似的。具有容量大、改寫速度快、系統掉電后數據不會丟失等優點，適用于大量數據的存儲。Nand Flash的接口本質上是一個I/O接口，數據總線寬度8bit，沒有地址總線。CLE和ALE這兩條信號線用于區分總線上的數據類別。當系統對Nand Flash設備數據訪問的時候，需要先向Nand Flash設備發出相關的命令和參數，然后再讀出需要的數據。在連接中，注意用NXP2478的地址線A19與A20連接ALE和CLE引腳，這種連接方式必須在配置總線速度的時候使NXP2478總線速度和Nand Flash時序相匹配。電路中R/-(-相)引腳和寫保護引腳直接接上拉電阻。此外還有一種方案是把R/-(-還)引腳與GPIO口相連，主要目的是當讀寫Nand Flash操作完成時，這可以通過中斷來判斷一次的讀或者寫完成的時刻。