现场总线控制卡硬件组成

2023-11-22 理论教育版权反馈

【摘要】：控制卡以ST公司生产的ARM Cortex-M4微控制器STM32F407ZG为核心，搭载相应外围电路构成。图11-8 控制卡的硬件组成STM32F407ZG内核的最高时钟频率可以达到168 MHz，而且还集成了单周期DSP指令和浮点运算单元，提升了计算能力，可以进行复杂的计算和控制。状态监测电路用于两个控制卡间的工作状态监测，通过D触发器的置位与复位实现此功能。表11-2 各个LED指示灯运行状态控制卡的组成如图11-9所示。图11-9 控制卡的组成

控制卡以ST公司生产的ARM Cortex-M4微控制器STM32F407ZG为核心，搭载相应外围电路构成。控制卡的构成大致可以划分为6个模块，分别为供电模块、双机余模块、CAN通信模块、以太网通信模块、控制算法模块和人机接口模块。控制卡的硬件组成如图11-8所示。

图11-8 控制卡的硬件组成

STM32F407ZG内核的最高时钟频率可以达到168 MHz，而且还集成了单周期DSP指令和浮点运算单元（FPU），提升了计算能力，可以进行复杂的计算和控制。

STM32F407ZG除了具有优异的性能外，还具有如下丰富的内嵌和外设资源：

1）存储器：拥有1MB的FLASH存储器和192KB的SRAM；并提供了存储器的扩展接口，可外接多种类型的存储设备。

2）时钟、复位和供电管理：支持1.8～3.6V的系统供电；具有上电/断电复位、可编程电压检测器等多个电源管理模块，可有效避免供电电源不稳定而导致的系统误动作情况的发生；内嵌RC振荡器可以提供高速的8MHz的内部时钟。

3）直接存储器存取（DMA）：16通道的DMA控制器，支持突发传输模式，且各通道可独立配置。

4）丰富的I/O端口：具有A～G共7个端口，每个端口有16个I/O，所有的I/O都可以映射到16个外部中断；多个端口具有兼容5V电平的特性。

5）多类型通信接口：具有3个I²C接口、4个USART接口、3个SPI接口、2个CAN接口和1个ETH接口等。

控制卡的外部供电电源为＋5V，而且为双电源供电。由AMS1117电源转换芯片实现＋5V到＋3.3V的电压变换。

在CAN通信接口的设计中，控制卡使用的CAN收发器均为TJA1051T/3，STM32F407ZG上有两个CAN模块，CAN1和CAN2，支持组建双CAN环形通信网络。(www.chuimin.cn)

在以太网通信接口的设计中，STM32F407ZG上有一个MAC（媒体访问控制）接口，通过此MAC接口可以外接一个PHY（物理层接口）芯片，这样便可以构建一路以太网通信接口。另一路以太网通信接口通过扩展实现，选择支持总线接口的三合一（MAC、PHY和TCP/IP协议栈）网络接口芯片W5100，通过STM32F407ZG的存储器控制接口实现与其连接。

控制算法要实现对255个基于功能框图的控制回路的支持，根据功能框图中各模块结构体的大小，可以计算出255个控制回路运行所需的RAM空间，大约是500KB。而STM32F407ZG中供用户程序使用的RAM空间为192KB，所以需要外扩RAM空间。在此扩展两片RAM，一片是CY62177EV30，为4MB的SRAM，属于常规的静态随机存储器，断电后数据会丢失；还有一片是MR4A16B，为2MB的MRAM，属于磁存储器，具有SRAM的读写接口与读写速度，同时还具有掉电数据不丢失的特性，但在使用中需要考虑电磁干扰的问题。系统要求对控制算法进行存储，所以，外扩的RAM必须划出一定空间用于控制算法的存储，即要求外扩RAM具有掉电数据不丢失的特性，MRAM已经具有此特性，SRAM选择使用后备电池进行供电。

时间信息的获取通过日历时钟芯片PCF2129A完成，此时钟芯片可以提供年-月-星期-日-时-分-秒形式的日期和时间信息。PCF2129A支持SPI和I²C两种通信方式，可以选择使用后备电池供电，内部具有电源切换电路，并可对外提供电源。

上电竞争电路实现上电时控制卡的主从身份竞争与判定，通过一个由与非门组建的基本RS触发器实现。状态监测电路用于两个控制卡间的工作状态监测，通过D触发器的置位与复位实现此功能。

在人机接口方面，由于控制站一般放置于无人值守的工业现场，所以人机接口模块设计相对简单。通过多个LED指示灯实现系统运行状态与通信情况的指示，通过拨码开关实现IP地址设定及系统特定功能的选择设置。

控制卡上共有7个LED指示灯。各个LED指示灯的运行状态见表11-2。

表11-2 各个LED指示灯运行状态

控制卡的组成如图11-9所示。

图11-9 控制卡的组成

现场总线控制卡硬件组成

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