基于ARM7的LPC21XX系列微控制器在BAS中的應(yīng)用

摘 要：本文闡述了樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)及應(yīng)用前景，概要介紹了ARM7內(nèi)核和基于ARM7的LPC21XX系列高性能微控制器的特點(diǎn)，比較了它與8位MCU的性能差異，討論了基于16/32位ARM7內(nèi)核的LPC21XX系列微控制器的相關(guān)技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方案。

關(guān)鍵詞：ARM7 MCU BAS



近年來，在我國建筑業(yè)強(qiáng)勁發(fā)展的形勢下，建筑智能化市場迅速地成長起來，而給人們帶來舒適工作及生活環(huán)境的樓宇自控系統(tǒng)的市場也隨之越來越大。目前，在這一領(lǐng)域中的國內(nèi)廠商大都是系統(tǒng)集成商，核心技術(shù)和知識產(chǎn)權(quán)多為國外少數(shù)的樓宇自控廠商所有，因此，有必要鼓勵(lì)國內(nèi)廠商開發(fā)出具有自身特點(diǎn)的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)產(chǎn)品，來滿足市場對產(chǎn)品性能和價(jià)格等多方面的需求。

1、樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)概述

樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)（Building Automation System,簡稱BAS），實(shí)際上是一套中央監(jiān)控系統(tǒng)。它通過對建筑物（或建筑群）內(nèi)的各種電力設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、冷熱源設(shè)備、防火、防盜設(shè)備等進(jìn)行集中監(jiān)控，達(dá)到在確保建筑內(nèi)環(huán)境舒適、充分考慮能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)的條件下，使建筑內(nèi)各種設(shè)備狀態(tài)及利用率均達(dá)到最佳的目的。



圖1 BAS的組成

圖1是BAS的組成示意圖，其中的中央控制室（數(shù)據(jù)中心）主要包括中央處理機(jī)（一臺微型計(jì)算機(jī)、存儲器、磁帶機(jī)和接口裝置）、外圍設(shè)備（顯示終端、鍵盤、打印機(jī)）和不間斷電源三部分。

傳感器是指裝設(shè)在現(xiàn)場的各種敏感元件、觸點(diǎn)和限位開關(guān)以及變送器等，用來檢測現(xiàn)場設(shè)備的各種參數(shù)（溫度、濕度、壓力、液位等），并發(fā)出信號送到控制器（分站、數(shù)據(jù)中心等）。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是指裝設(shè)在現(xiàn)場接受分站控制器的輸出指令信號、控制現(xiàn)場運(yùn)行設(shè)備的機(jī)構(gòu)，如電動(dòng)閥、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等。

分站控制器是以微處理器為基礎(chǔ)的直接數(shù)字控制器（DDC），它接收來自傳感器的信號，進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算和邏輯判斷，處理后自動(dòng)輸出控制信號至執(zhí)行機(jī)構(gòu)。分站控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它具有AI、AO、DI、DO四種輸入/輸出接口。

2、ARM及LPC21XX系列微控制器概述

我們在此采用的是基于ARM7內(nèi)核的PHILIPS公司的LPC21XX微控制器。ARM的文字含義是Advanced RISC Microprocessor(高級RISC微處理器)。ARM系列是32位微處理器RISC微控制器方案，在便攜式通訊、數(shù)字化多媒體和工業(yè)控制中，使用ARM正成為一種標(biāo)準(zhǔn)的趨勢。根據(jù)有關(guān)報(bào)告，2001年在眾多RISC微處理器的銷售量中，74.6%是ARM微處理器。ARM將其技術(shù)授權(quán)給世界上許多著名的半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)和OEM廠商，提供ARM相關(guān)技術(shù)及服務(wù)。利用這種合伙關(guān)系，ARM很快成多全球性RISC標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的締造者。目前，共有70多家公司與ARM簽訂了硬件技術(shù)使用許可協(xié)議，其中包括INTEL、IBM、LG、NEC、SONY、PHILIPS等大公司。

ARM7處理器是ARM通用32位微處理器家族的成員之一。ARM處理器具有優(yōu)異的性能，但功耗卻很低。ARM結(jié)構(gòu)是基于精簡指令集計(jì)算機(jī)Reduce Instruction-Set Computer（RISC）原理而設(shè)計(jì)的，指令集和相關(guān)的譯碼機(jī)制比復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)Complex Instruction Set Computer（CISC）要簡單得多；ARM7處理器使用3級流水線來增加處理器指令流的速度，可使幾個(gè)操作同時(shí)進(jìn)行，并使處理和存儲器系統(tǒng)連續(xù)操作；ARM7處理器使用了馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)共用一條32位總線，只有裝載、存儲和交換指令可以對存儲器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問。

PHILIPS公司的LPC21XX系列微控制器是一個(gè)基于含ARM7TDMI-S內(nèi)核的CPU，并帶有嵌入式Flash存儲器的MCU，同時(shí)它還帶有兩個(gè)CAN通道。128位寬度的存儲器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在高達(dá)60MHZ的工作頻率下運(yùn)行。由于LPC21XX系列采用非常小的LQFP或HVQFN封裝、極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、4路10位ADC、PWM輸出以及多達(dá)9個(gè)外部中斷，該系列部分工業(yè)級微控制器的工作溫度范圍可以從－40到85℃，這使它特別適用于樓宇自控系統(tǒng)這樣的應(yīng)用領(lǐng)域。

下表中列出了已經(jīng)應(yīng)用在樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)作為控制器的兩種產(chǎn)品比較，包括8位MCU和運(yùn)用ARM7內(nèi)核的16/32位微控制器LPL21XX，由于現(xiàn)在設(shè)計(jì)生產(chǎn)8位MCU的廠商眾多，根據(jù)應(yīng)用的范圍不同，片內(nèi)資源也有很大的區(qū)別，而筆者只選擇了一種有代表性的芯片來作比較。

表一：應(yīng)用在BAS中的控制器的資源性能比較



從表中我們可以更直觀地了解運(yùn)用ARM7內(nèi)核的16/32位微控制器將給我們的樓宇自控系統(tǒng)的性能帶來的提升，它實(shí)現(xiàn)了更高的指令吞吐量，更出色的實(shí)時(shí)中斷響應(yīng)，而且功耗更小。

3、LPC21XX應(yīng)用在BAS的技術(shù)方案

圖2表示的就是采用了包括兩個(gè)CAN控制器的LPC21XX系列的BAS的分站控制器CPU模塊的簡化結(jié)構(gòu)框圖。



圖2 采用LPC21XX的BAS微控制器方框圖

CAN控制器是用邏輯電路的組合來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的通訊，對外它提供了與微處理器的物理線路的接口。通過對它的編程，CPU可以設(shè)置它的工作方式，控制它的工作狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，把應(yīng)用層建立在它的基礎(chǔ)之上。CAN收發(fā)器又稱CAN總線驅(qū)動(dòng)器，用來提供CAN控制器與物理總線之間的接口，以及實(shí)現(xiàn)對CAN總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。

圖2中，上一個(gè)CAN控制器通過一路CAN收發(fā)器負(fù)責(zé)和AI、AO、DI、DO四種MCU輸入/輸出接口進(jìn)行通訊，另外一個(gè)CAN控制器則是通過另一路CAN收發(fā)器負(fù)責(zé)和上位機(jī)通訊，此外，也可用以太網(wǎng)接口來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和MCU的遠(yuǎn)程通訊。串行口主要用來直接下載組態(tài)程序和控制LCD面板的顯示。

另外，我們外擴(kuò)了16位的SRAM，它的優(yōu)勢在于讀寫速度快，且無次數(shù)限制；為了保證有存放較大RTOS（實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）的空間，也因?yàn)樾枰粋€(gè)負(fù)責(zé)內(nèi)存映像保存和程序執(zhí)行的外部存儲器子系統(tǒng)，我們還外擴(kuò)了16位的FLASH，并利用了一個(gè)電源監(jiān)測芯片，當(dāng)SRAM發(fā)生掉電，它會(huì)觸發(fā)，使SRAM的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到FLASH存儲器中。

4、結(jié)束語

直至現(xiàn)在，國內(nèi)樓宇控制產(chǎn)品還沒有統(tǒng)一詳盡的國家標(biāo)準(zhǔn)，我們在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中，是根據(jù)相應(yīng)的實(shí)際需求和借鑒了智能樓宇系統(tǒng)中已經(jīng)普遍認(rèn)可的一些行業(yè)規(guī)范。目前，以ARM芯片及嵌入式操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)的嵌入式技術(shù)和產(chǎn)品方興未艾，在樓宇自控領(lǐng)域的應(yīng)用前景也非常廣泛。在以后的研發(fā)中，我們將進(jìn)一步充分利用32位ARM微控制器的強(qiáng)大的處理控制能力，并通過對嵌入式RTOS的開發(fā)使之更加具有智能化和靈活性，來滿足日益變化和不斷提升的市場需求。



參考文獻(xiàn)：

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