基于ARM7的LPC21XX系列微控制器在BAS中的應用

摘 要：本文闡述了樓宇自動化系統及應用前景，概要介紹了ARM7內核和基于ARM7的LPC21XX系列高性能微控制器的特點，比較了它與8位MCU的性能差異，討論了基于16/32位ARM7內核的LPC21XX系列微控制器的相關技術和實現方案。

關鍵詞：ARM7 MCU BAS



近年來，在我國建筑業強勁發展的形勢下，建筑智能化市場迅速地成長起來，而給人們帶來舒適工作及生活環境的樓宇自控系統的市場也隨之越來越大。目前，在這一領域中的國內廠商大都是系統集成商，核心技術和知識產權多為國外少數的樓宇自控廠商所有，因此，有必要鼓勵國內廠商開發出具有自身特點的樓宇自動化系統產品，來滿足市場對產品性能和價格等多方面的需求。

1、樓宇自動化系統概述

樓宇自動化系統（Building Automation System,簡稱BAS），實際上是一套中央監控系統。它通過對建筑物（或建筑群）內的各種電力設備、空調設備、冷熱源設備、防火、防盜設備等進行集中監控，達到在確保建筑內環境舒適、充分考慮能源節約和環境保護的條件下，使建筑內各種設備狀態及利用率均達到最佳的目的。



圖1 BAS的組成

圖1是BAS的組成示意圖，其中的中央控制室（數據中心）主要包括中央處理機（一臺微型計算機、存儲器、磁帶機和接口裝置）、外圍設備（顯示終端、鍵盤、打印機）和不間斷電源三部分。

傳感器是指裝設在現場的各種敏感元件、觸點和限位開關以及變送器等，用來檢測現場設備的各種參數（溫度、濕度、壓力、液位等），并發出信號送到控制器（分站、數據中心等）。

執行機構是指裝設在現場接受分站控制器的輸出指令信號、控制現場運行設備的機構，如電動閥、執行機構和調節機構等。

分站控制器是以微處理器為基礎的直接數字控制器（DDC），它接收來自傳感器的信號，進行數字運算和邏輯判斷，處理后自動輸出控制信號至執行機構。分站控制器是整個控制系統的核心，它具有AI、AO、DI、DO四種輸入/輸出接口。

2、ARM及LPC21XX系列微控制器概述

我們在此采用的是基于ARM7內核的PHILIPS公司的LPC21XX微控制器。ARM的文字含義是Advanced RISC Microprocessor(高級RISC微處理器)。ARM系列是32位微處理器RISC微控制器方案，在便攜式通訊、數字化多媒體和工業控制中，使用ARM正成為一種標準的趨勢。根據有關報告，2001年在眾多RISC微處理器的銷售量中，74.6%是ARM微處理器。ARM將其技術授權給世界上許多著名的半導體、計算機和OEM廠商，提供ARM相關技術及服務。利用這種合伙關系，ARM很快成多全球性RISC標準產品的締造者。目前，共有70多家公司與ARM簽訂了硬件技術使用許可協議，其中包括INTEL、IBM、LG、NEC、SONY、PHILIPS等大公司。

ARM7處理器是ARM通用32位微處理器家族的成員之一。ARM處理器具有優異的性能，但功耗卻很低。ARM結構是基于精簡指令集計算機Reduce Instruction-Set Computer（RISC）原理而設計的，指令集和相關的譯碼機制比復雜指令集計算機Complex Instruction Set Computer（CISC）要簡單得多；ARM7處理器使用3級流水線來增加處理器指令流的速度，可使幾個操作同時進行，并使處理和存儲器系統連續操作；ARM7處理器使用了馮·諾依曼結構，指令和數據共用一條32位總線，只有裝載、存儲和交換指令可以對存儲器中的數據進行訪問。

PHILIPS公司的LPC21XX系列微控制器是一個基于含ARM7TDMI-S內核的CPU，并帶有嵌入式Flash存儲器的MCU，同時它還帶有兩個CAN通道。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在高達60MHZ的工作頻率下運行。由于LPC21XX系列采用非常小的LQFP或HVQFN封裝、極低的功耗、多個32位定時器、4路10位ADC、PWM輸出以及多達9個外部中斷，該系列部分工業級微控制器的工作溫度范圍可以從－40到85℃，這使它特別適用于樓宇自控系統這樣的應用領域。

下表中列出了已經應用在樓宇自動化系統作為控制器的兩種產品比較，包括8位MCU和運用ARM7內核的16/32位微控制器LPL21XX，由于現在設計生產8位MCU的廠商眾多，根據應用的范圍不同，片內資源也有很大的區別，而筆者只選擇了一種有代表性的芯片來作比較。

表一：應用在BAS中的控制器的資源性能比較



從表中我們可以更直觀地了解運用ARM7內核的16/32位微控制器將給我們的樓宇自控系統的性能帶來的提升，它實現了更高的指令吞吐量，更出色的實時中斷響應，而且功耗更小。

3、LPC21XX應用在BAS的技術方案

圖2表示的就是采用了包括兩個CAN控制器的LPC21XX系列的BAS的分站控制器CPU模塊的簡化結構框圖。



圖2 采用LPC21XX的BAS微控制器方框圖

CAN控制器是用邏輯電路的組合來實現網絡物理層和數據鏈路層的通訊，對外它提供了與微處理器的物理線路的接口。通過對它的編程，CPU可以設置它的工作方式，控制它的工作狀態，進行數據的發送和接收，把應用層建立在它的基礎之上。CAN收發器又稱CAN總線驅動器，用來提供CAN控制器與物理總線之間的接口，以及實現對CAN總線的差動發送和接收功能。

圖2中，上一個CAN控制器通過一路CAN收發器負責和AI、AO、DI、DO四種MCU輸入/輸出接口進行通訊，另外一個CAN控制器則是通過另一路CAN收發器負責和上位機通訊，此外，也可用以太網接口來實現上位機和MCU的遠程通訊。串行口主要用來直接下載組態程序和控制LCD面板的顯示。

另外，我們外擴了16位的SRAM，它的優勢在于讀寫速度快，且無次數限制；為了保證有存放較大RTOS（實時操作系統）的空間，也因為需要一個負責內存映像保存和程序執行的外部存儲器子系統，我們還外擴了16位的FLASH，并利用了一個電源監測芯片，當SRAM發生掉電，它會觸發，使SRAM的數據轉存到FLASH存儲器中。

4、結束語

直至現在，國內樓宇控制產品還沒有統一詳盡的國家標準，我們在產品的設計和開發過程中，是根據相應的實際需求和借鑒了智能樓宇系統中已經普遍認可的一些行業規范。目前，以ARM芯片及嵌入式操作系統為基礎的嵌入式技術和產品方興未艾，在樓宇自控領域的應用前景也非常廣泛。在以后的研發中，我們將進一步充分利用32位ARM微控制器的強大的處理控制能力，并通過對嵌入式RTOS的開發使之更加具有智能化和靈活性，來滿足日益變化和不斷提升的市場需求。



參考文獻：

[1] 2003年樓宇自控系統市場研究報告. http://www.ibrchina.com/.

[2] PHILIPS公司32位FLASH MCU的優勢. ARM(中國)公司.

[3] ARM7TDMI-S(Rev 4)技術參考手冊. 廣州周立功單片機發展有限公司.

[4] SUPCON A90, T202-2004項目開發輸入書（CPU422-64）.中控信息公司.2004,4.




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