应用型嵌入式SCADA系统硬件设计

技术交流　应用型嵌入式ＳＣＡＤＡ系统硬件设计　蔺元张敏　西安工程大学机电工程学院陕西西安７１００４８　摘要：本文所设计的嵌入式ＳＣＡＤＡ系统是一台装置，主要完成在一个特定现场对被监控对象就近进行可视化的监视与控制，　可以用作发电厂／变电站的测控装置或远动终端，在其它工业过程控制领域也是十分理想的选择。　关键词：应用型；嵌入式：ＳＣＡＤＡ　中图分类号：ＴＭ７３４　文献标识码：Ａ　１引言　文章编号：１００２－１３８８（２０１５）０２—００６６－０１　装置设计采用了多ＣＰＵ分布式体系结构，主要由通信管　理模板（Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｂｏａｒｄ，简称￣【板）、　采集与数据处理、数据显示输出的核心引擎。该板上集成有　３２Ｍ内存、固态电子盘、两路ＲＳ２３２异步串行口（ｃｏＭ１／２）、　标准ＰＳ２键盘与鼠标接口、ＶＧＡ与平板显示器接口和一路　智能输入／输出模板（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ　Ｂｏａｒｄ，　ｌＯＢａｓｅ－Ｔ网络接口等。　简称Ｉ１０板）、人机接口模板（Ｍａｎ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　Ｂｏａｒｄ，　Ｍ板通过ＰＣ１０４总线和ＯＥＭ定制的接插件承载ＳＣＭ一６４５６　简称ＭＭＩ板）三部分组成。其中Ｍ板采用嵌入式ＰＣ１０４工业　模板，ＳＣＭ－６４５６板的ＣＯＭ１／２串口、ＰＳ２键盘与鼠标接口、　Ｐｃ模板作为ＣＰＵ，主要完成配置参数管理、数据集中、数据　ｌＯＢａｓｅ—Ｔ网络接口等通过定制的接插件引接到Ｍ板上。ＰＳ２　处理、数据显示输出、数据通信等功能；ＩＩＯ模板又包括智　键盘鼠标和网络接口通过标准连接器引至后面板。根据应用　能模拟量输入板（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ａｎａｌｏｇ　Ｉｎｐｕｔ　Ｂｏａｒｄ，简称　需要Ｍ板扩展了１路ｌＯＢａｓｅ—Ｔ网络接口，用于与ＩＩＯ板通　Ａ板）、智能数字量输入板（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｂｉｎａｒｙ　Ｉｎｐｕｔ　Ｂｏａｒｄ，　信，与ＩＩＯ板快速交换实时数据和控制命令信息；还扩展了　简称Ｂ板）和智能控制输出板（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｏｕｔｐｕｔ　４路异步串行口，其中两路为ＲＳ４８５接１：３方式，另外两路为　Ｂｏａｒｄ，简称Ｃ板），ＩＩＯ板都采用ＬＰＣ２１３８　ＡＲＭ微控制器作　ＲＳ２３２接口方式。扩展的４路异步串行口和ＣＰＵ板内置的　为ＣＰＵ，主要实现现场信号采样与控制调节输出功能；ＭＭＩ　ｌＯＢａｓｅ－Ｔ网络接口与外部计算机通信进行数据交换。此外，　模板也采用ＬＰＣ２１３８作为ＣＰＵ，实现人机交互功能。Ｍ板通　板上还设计了一路Ｄ０输出过程通道，以干接点的方式向外　过以太网ＵＤＰ协议与Ｉ１０板通信，收集各Ａ板和Ｂ板采集的　部系统指示装置的工作状态。４路异步串口采用ＴＩ１６Ｃ５５４芯　实时数据，向Ｃ板发送控制调节命令：通过Ｒ８２３２接口与ＭＭＩ　片实现，该芯片集成了４路１６Ｃ５５０，ｌ６Ｃ５５０与Ｉｎｔｅ１８２５０　板通信，获取按键信息，设置液晶显示器的背光电源和状态　向上兼容，编程方法类似。Ｉ￣Ｃ５５４的片选译码与中断复用、　指示灯的状态等。　芯片复位以及装簧的工作状态继电器的控制等逻辑电路采　２工艺设计　用ＥＰＭ７０６４　ＣＰＬＤ实现，ＣＰＬＤ设计采用ＭａｘｐｌｕｓＩＩ开发，通　装置工艺设计的主要内容包括：机箱的结构设计，印刷　过ＪＴＡＧ接口编程。用于装置工作状态输出的干接点采用磁　电路板的尺寸确定、固定安装、信号连接，装置的前后面板　保持双线圈继电器实现，继电器的状态通过软件访问状态锁　设计，以及装置的组装工艺流程等。根据主要客户群现场应　存器设置。采用元太ＰＤＯ６４ＶＴ５ＮＩ　６．４英寸６４０×４８０　ＴＦＴ液　用需求，本文选用ＩＥＣ２９７标准１９英寸４ｕ铝合金型材机箱　晶显示器进行人机交互界面的显示输出。液晶显示器直接由　进行工艺设计，这种机箱的特点是构成机箱的结构部件多为　ＳＣＭ－６４５６模板的平板显示器接口控制，背光电源则由ＭＭＩ板　标准型材，配合精度高，印刷电路板的固定安装方便牢固，　控制。　工艺美观大方；印刷电路板的尺寸、固定安装方法等均由相　参考文献　关标准规定，选择其中满足设计要求的标准即可。本文选择　［１］Ｈｕａ－ｚｈｏｎｇ　Ｗａｎｇ，　Ｓｕｐｅｒｖｉ　ｓｏｒｙ　ＣｏｎｔｒｏＩ　Ａｎｄ　Ｄａｔａ　外形尺寸为４４０ｍｍＸ　１７６ｍｍＸ２７０ｍｍ，接插电路板的尺寸为１４５　ＡｃｑｕｉＳｉｔｉｏｎ（ＳＣＡＤＡ）Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｉｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［ｉ］，　ｍｍ×２００ｍｍ，总线底板的尺寸为１５６　ｍｍ×４００ｍｍ，接插电路板　Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＰｕｂＩ　ｉｓｈｉｎｇ　ｈｏｕｓｅ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ，Ｊａｎ　与总线底板的连接器采用Ｈａｒｔｉｎｇ公司出品的６９２１和６８２５　２０１０．（Ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　连接器。　［２］ＡＩ　ｉ　Ｇｕｌａｂｉ，ＤｅｖｅｌＯｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ａｎ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ＳＣＡＤＡ　Ｓｙｓｔｅｍ　装置硬件模板采用后插方式，开关电源板、ＩＩＯ板和Ｍ　Ｗｉｔｈ　ＰＬＣ　ａｎｄ　Ｊａｖａ　Ａｐｐｌｉｃａｔｊｏｎ　ｆｏｒ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　板从指定的插槽插入。各模板通过总线底板实现信号连接。　ｏｆ　Ｓｔａｎｄａｒｄ　Ｓｅｒｖｏ　Ｄｒｊｙｅｓ［Ｄ］，Ｕｎｉｖｅｒｓｊｔｙ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　电路板与后面板垂直安装，电源开关、接线端子、ＰＳ２键盘　Ｓｃ　ｉ　ｅｎＧｅｓ　Ｈａｍｂｕｒｇ，２００７　鼠标连接器、ＲＪ４５网线连接器等安装在后面板上。　作者简介：蔺元（１９９０－），男（汉），陕西西安人，硕士研究　３　Ｍ板的硬件设计　生在读，主要从事自动化、机电一体化、嵌入式领域的应用　Ｍ板采用了盛博科技出品的ＳＣＭ－６４５６系统核心模板作为　研究。　ＣＰＵ。ＳＣＭ－６４５６模板是一块遵循ＰＣ１０４规范的ＡＬＬ—ＩＮ＿ＯＮＥ　张敏（１９６２－）男（汉），陕西西安人，副教授，主要从事自　Ｉｎｔｅ１４８６工业级嵌入式ＣＰＵ板，本装置采用该模板作为数据　动化、机电一体化领域的应用研。