基于国产龙芯 CPU 的气井工业网关研究与设计

Posted 2023-03-04 深圳信迈科技DSP+ARM+FPGA

3.1 系统硬件的总体设计 从硬件架构上，该 RTU 主要包括三大部分的设计： （ 1 ）外围电路设计：电源电路设计、 RTC 电路设计和 EEPROM 电路设计。 （2） RTU 本体 I/O 端口设计： A/I 模拟量输入端口设计和 TTS 语音端口设计。 （3） RTU 通信端口设计： RS232 端口设计、 RS485 端口设计、 4G 通信端口设计和 以太网通信端口设计。 另外，考虑到 RTU 一般都是在偏远且相当恶劣的环境中，为保证在工业环境中 RTU 的正常工作，在底板进行了多电源、各个模块进行了数字信号隔离和电源隔离设计。 硬件总体设计方案如图 3-1 所示。 3.2 硬件开发环境及开发步骤 Altium Designer 是由 Altium 开发的集成电子开发软件，可为硬件工程师提供原理图 设计，模拟 / 数字电路混合信号仿真， PCB 制图与编辑， PCB 自动布线，信号完整性分析 和设计规则检查以及其他解决方案。 该软件继承了 Altium 公司 80 年代开始发展起来的 Protel 系列版本的基本功能和优 点，并充分扩展了板级设计的界面，而且归并了 FPGA 设计与 SOPC 设计的功能，为此 可以使开发者将包括 FPGA 、 PCB 和嵌入式设计的系统设计一体化 [22] 。这些改进和升级 能够极大的提高了电子产品设计师的设计效率。 3.3 外围电路设计 外围电路设计中包括电源电路设计、 RTC 电路设计以及 EEPROM 电路设计。电源 是核心板和各个电路模块的能量站，电源模块的作用就是实现电压的转换，它可以将交 流或直流电变换成各个电路模块所需要的交流或直流电。 RTC 电路模块主要为系统提供 稳定的时钟信号。 EEPROM 电路实现掉电情况下保存数据。 3.3.1 电源电路模块设计

电源是电子设计中的生命之源，不管任何电子设计系统，它们的正常工作都是基于 电源的支持，电子系统的性能也与电源质量的稳定性有着密不可分的联系 [27] 。由于天然 气井场通常处于非常恶劣的工业环境，目前天然气井站自动设备一般采用风光互补的供 电系统，所以本设计中的系统电源采用光伏系统进行宽电源供电。电源控制器选用的是 北京安控的集成光伏控制器，可稳压输出 12V 或 24V 电压。控制器功能包 含：充电状态指示、输入电压电流监测、输入功率监测、充电电压电流监测、充电功率 监测等。该控制器技术参数如表 3-1 所示。

 

根据设计需求，需为系统提供 5V 的供电电压，如图 3-2 所示，本设计选择的广州金 升阳公司的 DC/DC URB2405YMD-20WR3 模块电源（ 1-250W ），该电源是隔离宽电压 输入电源，即可提供 9-36V 的超宽电压输入，设计了 1500VDC 常规电压隔离，电路保 护包括：短路、过流、输入欠压以及输出过压保护等设计。将上述安控集成光伏控制器 提供的 24V 电压，通过金升阳 DC/DC 模块电源，产生系统所需的 5V 电压。

根据设计需求， Loongson 1B 核心板电路以及底板部分电路设计的工作电压为 3.3V 。 本设计选用 TPS73733DCQR 稳压芯片，如图 3-3 所示，使用 NMOS 通晶体管实现超低 压差性能，反向电流阻塞，以及不受输出电容限制。该芯片输入 2.2-5.5V 的电压，输出 可调的 1.2-5.5V 的电压，芯片提供热保护和过流保护，包括折叠电流限制。将上述金升 阳模块电源的提供的 5V 电压，通过 TPS7373 3DCQR 稳压芯片的可调输出作用，输出 3.3V 的部分电路的供电电压 [20]。 3.3.2 RTC 电路模块设计 为保证系统稳定的时钟信号，本文进行了 RTC （ Real Time Clock ）电路模块设计。 RTC 是一种专有的解决方案，它通过查询多个 DNS 服务器来探索可用的镜像服务器 不仅可以轻松部署在 android 和其他 Linux 平台上，而且可以集成到许多设备中，例如 智能手机，平板电脑和可穿戴设备 [28] 。 如图 3-4 所示，将 RX8900CE 高精度时钟芯片作为本设计的实时时钟电路主控芯片， 该芯片内置了 32.768KHz 晶体单元和 DTCXO ，可选择 32.768KHz 、 1024Hz 、 1Hz 的这 三种输出频率。该实时时钟设计有备用电源，当 VDD 值下降，内部源会被切换到 VBAT 。 该电路具备全日历、定时器、警报、温度传感器的功能。与核心板通过 IIC 串行通信总 线进行通信。

3.3.3 EEPROM 电路模块设计 本文为了防止在掉电情况下导致数据丢失，设计了电可擦写可编程只读存储器 EEPROM （ Electrically Erasable Programmable Read Only Memory ）电路，本文选用的 EEPROM 程序存储器芯片型号为 AT24C64 。如图 3-5 所示，芯片的 1-3 引脚用于分配器 件地址，为了与其他 AT24CXX 设备的硬件兼容，它们是硬接线的或未连接的，当引脚 硬连线时，多达 8 个 64K 设备可能在一个单一总线系统上被寻址。 5 引脚 SDA 用于串行 数据传输，该引脚属于双向引脚。 6 引脚 SCL 是时钟状态引脚，当时钟沿向上时，将数 据传送到 EEPROM 中。设计时，在 5 、 6 引脚上均需要连接上拉电阻（上拉电阻设计如 图 3-4 中 RTC 电路所示）。 7 引脚 WP 的作用是写保护，当该引脚为高电平状态时，将 禁止一切对存储器的写操作，仅当该引脚在内部下拉至 GND 时，芯片才会处于正常读 写状态。 3.4 RTU 本体 I/O 端口设计 主机与外围设备之间进行信息交换时主要是通过 I/O 接口进行的。本文对压力计数 据的采集采用的是 AI 接口传输数据， TTS 语音输出端口采用的是 UART 通用异步串口 与核心板进行通信。 3.4.1 AI 模块的设计

行总线实现 A/D 转换器和主控电路之间的通信。 SCK 引脚主要是用于串行数据传输期间 进行时钟同步的移位时钟。 SDO 引脚是数字数据输出引脚，在单极性模式下，从该数字 输出端把 A/D 转换结果移出，数据格式为标准的二进制；而在双极性模式下移出数据格 式为二进制补码。 SDI 引脚是将 A/D 配置字移入的数字数据输入引脚。 𝐶𝑆ത തതത /CONV 引脚 既可以 ADC 上启动转换操作，同时也可制定数据传输的总体结构。 在信号进入 A/D 转换器之前，如图 3-8 所示，设计了四通道数字隔离器对信号进行 隔离，隔离器选用的型号是 ADUM1401ARW ，旨在提高模拟量信号输入系统的稳定性。 由于该隔离器采用了高速 CMOS 工艺和芯片级的变压器技术，在性能、体积、功耗等参 数上都令光电隔离器件望尘莫及。在该芯片内部，设计有相互独立的四个隔离通道，而 且每个通道都可以进行多通道配置和数据传输速率。该芯片的隔离通道两端的工作电压 为： 2.7-5.5V ，还支持跨越隔离屏障的电压转换功能。