李要中，劉 鈞，馬尚昌，3

(1.成都信息工程大學 電子工程學院，四川 成都 610225； 2.華云升達(北京)氣象科技有限責任公司，北京 102299；3.中國氣象局大氣探測重點開放實驗室，四川 成都 610225)

基于AM335X的智能采集器模塊設計*

李要中1，劉 鈞2，馬尚昌1，3

(1.成都信息工程大學 電子工程學院，四川 成都 610225； 2.華云升達(北京)氣象科技有限責任公司，北京 102299；3.中國氣象局大氣探測重點開放實驗室，四川 成都 610225)

為了適應氣象現(xiàn)代化、智能化的發(fā)展趨勢，解決系統(tǒng)結構復雜、布線繁瑣等問題，提出了一種基于AM335X的智能采集器模塊設計方法，實現(xiàn)對傳感器信號的高精度采集與處理。系統(tǒng)依托Ubuntu嵌入式軟件開發(fā)平臺；硬件部分利用模塊化結構設計，將相似的部分劃在一起,盡量避免模塊間的相互銜接,增強了體系的可靠性,同時提升了設計的層次化標準。軟件部分基于SecureCRT測試環(huán)境，搭建函數(shù)動態(tài)鏈接庫，采用多線程通信結構，使得軟件結構簡單，易于實現(xiàn)。測試結果表明：該模塊能有效地實現(xiàn)對數(shù)據的采集處理，符合應用要求。

AM335X；智能采集器；嵌入式軟件；數(shù)據處理

0 引言

智能采集器解決了對傳感器信號接入結構復雜、布線繁瑣的問題，具有智能化程度高、通用化、系統(tǒng)資源豐富、處理能力強、擴展方便等特點。在國內外主流、通用采集器技術特點的基礎上，增加了CAN 總線的新型站結構特點，同時具有單機應用或網絡化應用兩種模式。設計定位主要是對現(xiàn)場處理要求較高的高端應用，如風能、新型自動站、交通氣象站等觀測需求。設計的智能采集器模塊采用AM335X系列芯片，AM335X基于ARM Cortex A8處理器的高性能[1]，以其豐富的片上系統(tǒng)資源、多種操作系統(tǒng)的支持，以及獨有的邏輯可編程實時單元(PRU模塊)，在工業(yè)自動化控制中有著較為廣泛的應用，能夠實現(xiàn)從300 MHz～1 GHz工作頻率的動態(tài)調整功能，使其能夠適應高、中、低端各種應用；PRU模塊(Programmable Realtime Unit)具有本地指令和數(shù)據RAM，可以運行在1/2 CPU的時鐘頻率下，可對整個片上系統(tǒng)資源進行尋址訪問，并且支持EtherCAT 、Powerlink、Profibus等多種工業(yè)通信協(xié)議，是體系真正卓有成效的低成本設計方案。結合ZigBee協(xié)議棧，AM335X提供了一個豐富、完美的ZigBee設計方法。與原有的采集器相比，該智能采集器模塊能穩(wěn)定地實現(xiàn)無線通信，并能達到對采集器低能耗、小體積、高性能、經濟性、可靠性的應用要求，能夠廣泛地應用于智能氣象站業(yè)務中，滿足氣象業(yè)務的數(shù)字化、智能化要求。

1 系統(tǒng)結構設計

智能采集器是智能氣象站對各傳感器信息采集處理的核心部件，從性能和成本兩方面綜合考慮，采用高性能的AM335X嵌入式處理器，外圍電路包括：時鐘電路、看門狗復位電路、電源電路、檢測電路、程序Flash和數(shù)據Flash、RJ45網絡接口、RS-232串口、USB端口、CF卡端口、外接擴充端口等，設計依托嵌入式軟件操作平臺，各結構采用獨立模塊設計，對單一結構的測試、維護、更新不會妨礙其他模塊正常運行，保證了結構體系的穩(wěn)定性。設計架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 電源模塊電路

電源電路采用LT3680單片式降壓型開關穩(wěn)壓器模塊，選擇12 V直流輸入，電路采用PWM調制技術，選擇63.4 kΩ/1%的控制電阻，芯片F(xiàn)B引腳依次選用91 kΩ、536 kΩ、316 kΩ三種阻值，分別產生7.4 V、5 V、3.3 V三種電壓輸出狀態(tài)[2]。LT3680的RUN/SS管腳控制芯片工作狀態(tài)，選取2.5 V以上為高電平，高電平觸發(fā)開始工作，低電平觸發(fā)停止工作。設計給出一種7.4 V電源輸出狀態(tài)的設計結構，電路原理如圖2所示。

圖2 一種7.4 V電壓型號原理圖

2.2 時鐘模塊電路

時鐘電路采用DS1307實時時鐘芯片，5 V直流電壓接入Vcc端，3.3 V 直流電壓接入SCL/SDA端。32.768 kHz晶振，能夠保證晶體正常起振。I2C總線結構，當SCL為高電平時，主從器件完成對數(shù)據的發(fā)射與接收，當SCL為低電平時，允許I2C總線上SDA電平發(fā)生變化，為下一個SCL高電平到來時的數(shù)據讀寫做準備。時鐘電路具備自動掉電保護與上電復位功能，能滿足采集器設計的時鐘要求。電路設計原理如圖3。

圖3 時鐘模塊電路

2.3 接口電路設計

采集器包含RS-232、RS-485及ZigBee三種通信模式，UART接口設計采用MAX3223芯片，該芯片支持兩個UART通道，并且可以通過軟件編程實現(xiàn)低功耗模式，當有數(shù)據到達時，該芯片可以被自動喚醒，因此能夠大大降低系統(tǒng)的功耗?？紤]到采集器應用環(huán)境的復雜性，設計了由P6KE20雙向瞬態(tài)抑制二極管組成的保護電路。在反向作用條件下，當電路出現(xiàn)一個較大能量的脈沖時，該二極管的工作阻抗就會瞬間下降至極低的導通值，從而允許較高電流通過，同時把電壓控制在預先標定的水平，可有效地保護電路，并且起到抑制靜電干擾的作用[3]。電路原理如圖4所示。

圖4 接口電路圖

2.4 檢測電路設計

圖5 主板溫度檢測電路

采用DS18B20芯片設計采集器主板溫度檢測電路，DS18B20與傳統(tǒng)熱敏電阻芯片相比，體積小，易處理，結構簡單，易于實現(xiàn)，采用4.7 kΩ上拉電阻，起到檢測采集器主板溫度的作用。電路原理如圖5所示。

3 軟件系統(tǒng)設計

軟件采用模塊化設計思想，主要完成采集器對傳感器信息的采集、處理、狀態(tài)監(jiān)控、存儲與上傳，以及系統(tǒng)的初始化管理、時鐘管理、程序升級等功能。軟件體系主要包括采集器啟動管理控制、信息采集、處理、監(jiān)控模塊，采集器與上位機通信交互模塊兩部分。

軟件啟動控制主要完成對系統(tǒng)的初始化管理[4]、狀態(tài)自檢。數(shù)據采集、處理和監(jiān)控主要完成與傳感器的交互，收集傳感器采集信息，完成小時數(shù)據信息統(tǒng)計量測算、瞬時值質量控制、采集綜合質量控制、數(shù)據補傳、狀態(tài)監(jiān)控、SD卡本地數(shù)據保存以及數(shù)據上傳。軟件結構如圖6所示。

圖6 啟動管理、信息處理結構圖

圖7 通信軟件設計圖

通信軟件設計主要完成采集器與上位機的通信交互。等待接收、分析執(zhí)行上位機指令信息，執(zhí)行對應操作，向上位機發(fā)送上傳數(shù)據信息。軟件結構如圖7所示。

4 測試結果

智能采集器通過軟件狀態(tài)識別方式來配置傳感器輸出信號的采集模式[5]，在Ubuntu嵌入式操作系統(tǒng)上編譯采集器軟件代碼，通過SecureCRT系統(tǒng)測試軟件進行測試，打開COM3串口調試界面，設置時間節(jié)點，串口數(shù)據輸出正常，測試結果如圖8所示。

圖8 串口測試結果

5 結論

本文提出了一種基于AM335X的智能采集器模塊設計方法，描述了AM335X系列芯片的結構特點，介紹了智能采集器模塊的硬件電路設計和軟件結構設計，通過嵌入式軟件平臺與串口軟件的驗證調試，測試結果符合設計要求，驗證了該智能采集器模塊設計的可行性。目前采集器模塊已進入產品測試應用階段，相信未來會有較好的推廣價值。

[1] 金龍,繆峰,路振民,等.基于AM335X的北斗導航應用開發(fā)[J].電子設計工程,2016,24(17):139-141.

[2] 李文新,王廣龍,陳建輝.基于S3C2440和WinCE的嵌入式傳感測控系統(tǒng)[J].計算機測量與控制,2009,17(8):1498-1500.

[3] 凌秀澤,周俊,王俊仁.基于AM335X的液晶顯示控制系統(tǒng)設計[J].電子設計工程,2015,23(1):96-98.

[4] 潘敏,焦生杰,翁寅生.基于DSP和ST7920的液晶顯示模塊的實現(xiàn)[J].電子技術應用,2007,33(6):48-50.

[5] 葉湘濱,李文,楊雪,等.“即插即用”智能變送器模塊的設計與實現(xiàn)[J].儀表技術與傳感器,2009(10):28-30.

Design of intelligent collector module based on AM335X

Li Yaozhong1, Liu Jun2, Ma Shangchang1,3

(1.College of Electrical Engineering，Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225，China; 2.Hua Yun Sheng Da (Beijing) Meteorological Science and Technology Co., Ltd，Beijing 102299, China; 3.Key Laboratory of Atmospheric Sounding, CMA, Chengdu 610225, China)

In order to adapt to the meteorological modernization, intelligent development trend, to solve the complex system structure, wiring cumbersome and other issues, a design method of intelligent acquisition module based on AM335X is proposed, which can realize the high quality acquisition and signal processing of the sensor. The system relies on Ubuntu embedded software development platform. The hardware part uses the modular structure design, it divides the similar parts together, as far as possible to avoid the interaction between modules, enhance the reliability of the system, and enhance the design of the hierarchy standard. The software part is based on SecureCRT test environment to set up the function of dynamic link library. By using the multi thread communication structure, making the software structure is simple and easy to implement.The test results show that the module can effectively achieve the data acquisition and processing, in line with the application requirements.

AM335X; intelligent collector; embedded software; data processing

國家重大科學儀器設備開發(fā)專項(2012YQ110205)

TP31

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.15.009

李要中，劉鈞，馬尚昌.基于AM335X的智能采集器模塊設計[J].微型機與應用，2017,36(15)：32-34.

2017-03-08)

李要中(1991-)，男，碩士，主要研究方向：信號與信息處理、氣象探測技術。

劉鈞(1976-)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向：大氣探測信息處理、圖形圖像處理技術。

馬尚昌(1971-)，男，博士，教授，主要研究方向：地面氣象觀測儀器、信息獲取與處理。