基于LPC824的嵌入式工业控制仪表的开发平台设计
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摘 要：本设计以创新型lpc824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μVision5环境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；LPC824；开发平台
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.06.021
0 引言
创新型微处理器LPC824可覆盖8 位/16 位，同时其内核为32 位ARM? Cortex?-M0+处理器，运行频率最高可达到30MHz，片上拥有丰富的接口，可以支持3路UART、2路SPI 和4路I ?C，为平台开发的理想芯片，可作为很多仪表的更新替代内核芯片。平台选择LPC微处理器，加入工业控制中常用到的外设，使ARM系列处理器拥有非常优良的应用性能。在μVision5环境下开发可剪裁、可移植的程序，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，拥有灵活性高，维护和升级成本低，易于扩展等优点。
1 设计思路
工业现场常用的控制信号有隔离的开关量、继电器输出、4～20mA电流输出、模拟转数字模块和串行通信等。根据这些比较常用的接口或需要的功能设计软硬件。
2 硬件设计
平台硬件主要构成为：LPC824、4～20mA电流产生电路、异种电源隔离、16位可编程计数器、E?ROM数据存储和RS232串口构成。其中高性能的ARM采用NXP公司的LPC824.支持3路ART、2路SPI和4路I ?C；此外芯片内部还集成了12MHz 的RC 振荡器，可以作为系统的时钟源。4～20mA电流产生采用AD421芯片配合芯片；隔离芯片采用高速电偶合成器6N137和双向光耦继电器AWQ210；应用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。
3 软件设计
3.1 采用μVision5环境进行编程
LPC824内核具有单片机编程环境下达到ARM性能的特点，可在线仿真，现采用μVision5环境进行模拟实验，编写出可以并且方便移植的程序模块。
3.2 使用Modbus协议
作为一款应用于多个领域，取得很好口碑的协议，Modbus作用丰富。通过此协议，控制器经由网络与其他的设备通讯。定义一个控制器方便识别使用的消息结构即可，不必关心底层如何运行，它描述的是一个过程，即控制器请求访问，至于如何回应来自其他设备的请求，如何侦测错误并记录，它指定了消息域格式。
在工业仪表使用时，通常安装在测量、控制现场，多使RS-485串口通讯方式与中央控制室中的工控机通讯。为了使仪表达到为客户节省成本的目的，需要选择一个标准同时可使仪表连接到工业网络的通讯协议，这一部分有很多选择，考虑到工业环境恶劣，电磁干扰强烈，最终选择使用Modbus协议。
3.3 Modbus的实现
详细介绍使用Modbus RTU协议完成从站和主站的协议栈。
从站协议栈程序从从站协议的数据打包开始，期间完成通讯，超时检测，完整性检测，CRC校验和仿真器服务任务的代码，主要又Time1中断服务程序，UART0中断服务程序和虚拟仿真器完成。用户实际应用时，首先创建从机协议栈的服务任务，然后在用户的应用任务中，根据实际情况初始化从站协议栈，操作保持寄存器，输出寄存器和线圈即可。
主机协议栈程序完成了与从机协议栈同样的功能，主要由Timer0中断服务程序，UART1中断服务程序和上位机仿真器完成，用户实际应用时，首选创建主机协议栈的服务任务，然后用户的应用任务中，根据实际情况初始化主机协议栈。调用主机工E函数对从机操作，功能函数返回操作结果代码，用户任务可根据操作结果代码决定具体动作。
例1：读保持寄存器的功能请求数据帧和从机返回应答数据帧。定义CAT1025中的E ?ROM为Modbus从机的保持寄存器，发送数据帧为十六进制02 03 00 00 00 23 04 20，02是从机地址，03是读保持寄存器的功能代码，00 00是起始地址的高8位和低8位，00 23是数据个数的高8位和低8位，04 20是CRC校验的高8位和低8位。从机应答返回数据帧包括，从机地址，主机请求功能代码，数据个数，数据，CRC校验。
例2：写单个线圈的功能请求数据帧。定义一个IO口控制发光二极管为从机中地址是2的线圈，打开线圈功能请求数据帧为十六进制02 05 00 02 FF 00 2D C9，02是从机地址，03是写单个线圈的功能代码，00 02是线圈地址的高8位和低8位，FF 00是数据的高8位和低8位，2D C9是CRC校验的高8位和低8位。关闭线圈功能请求数据帧为十六进制02 05 00 02 00 6C 39，02是从机地址，03是写单个线圈的功能代码，00 02是线圈地址的高8位和低8位，00 00 是数据的高8位和低8位，6C 39是CRC校验的高8位和低8位。
经过验证，以上两个例可以可靠的进行。
4 结束语
经过多方验证，设计平台满足现场仪表的改进要求，本文详细介绍了应用LPC824和Modbus协议作为嵌入式工业仪表开发平台的方法，平台硬件设计合理，工作可靠，功耗低；软件方法易于移植；通讯方法目前在工业仪表中为主流方法，可组建工业网络，在开发工业仪表过程中，具有很高的参考价值。
参考文献：
[1]广州周立功单片机科技有限公司.AM824开发套件硬件设计指南V1.0[J].2015，8（30）.
[2]百度文库 Modbus协议.