基于ARM9的中央空调网络集中控制器研究

以往我国的中央空调控制系统主要采用以单片机为控制核心的单机组控制器，即一个控制器只能控制一台中央空调机组，这种控制方法控制简单，但是在多层或者较大型的建筑中控制能力就显得力不从心了。近年来也出现了采用ARM7处理器作为控制芯片的集中控制器，但是在此所采用的ARM9处理器比ARM7处理器又有了许多优点，如ARM9处理器采用5级流水线，在每一个时钟周期内可以同时执行5条指令，这样就大大提高了处理性能，在同样的加工工艺下，ARM9处理器的时钟频率是ARM7的1.8~2.2倍;又如ARM9采用哈佛结构，具有分离的数据和程序空间及分离的访问总线，所以在指令执行时哈佛结构的取址和取数可以并行，因此具有更高的执行效率;再如拥有内存管理单元(MMU)，只有拥有了MMU才能真正实现内存保护，通过内存保护，一个进程的失败并不会影响其他进程的运行，从而增强了系统的稳定性。另外,ARM9可以内嵌Linux操作系统，Linux具有良好的网络支持功能;Linux是首先实现TCP/IP协议栈的操作系统，它的内核结构在网络方面是非常完整的，并提供了对包括十兆位、百兆位及千兆位的以太网，还有无线网络等的支持;其次，Linux源码开放、可定制内核、性能优异等也是选择它相对于其他嵌入式操作系统的优势。在此设计的网络集中控制器可与监控软件一起完成基于TCP/IP协议的网络通信功能，并能通过RS485总线与自行设计的现场控制器进行通信。1控制器设计方案网络管理器的主要功能一方面是通过以太网与监控软件进行数据交换;另一方面是通过RS485总线网络与分布在大厦各处的现场控制器通信。网络管理器对现场控制器进行控制和管理，在现场控制器与中央操作站之间起数据缓存作用。1.1控制器硬件设计处理器采用ATMEL公司的AT91RM9200，该处理器是ATMEL专门针对工业及以太网应用领域推出的基于ARM920T内核的新型微处理器，如图1所示。(1)电源电路。主要作用是为控制器提供3.3V和1.8V的稳定电压。设计时利用LM1117低压差线性调压器来提供3.3V和1.8V的电压。LM1117能够提供1.8V，2.5V，2.85V，3.3V，5V的固定电压和可调电压型号，并能提供电流限制和热保护。图1网络集中控制器硬件模块示意图(2)复位电路。主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功能，它由简单的RC电路构成，这种电路比较通用，其复位逻辑是可靠的。(3)存储器系统设计。包括NorFlash接口、NandFLASH接口和SDRAM接口电路的设计。①NorFLASH存储器内部存放系统启动代码、Linux内核和用户程序等，存储器芯片采用AT49BV322A，单片存储容量为32Mb，工作电压为2.65~3.6V，数据宽度为16b，并以16b(字模式)数据宽度的方式工作。②SDRAM存储器作为程序的运行空间，如前所述，SDRAM的存储单元可以理解为一个电容，总是倾向于放电，为避免数据丢失，必须定时刷新(充电)。由此可见，要在系统中使用SDRAM，就要求微处理器具有刷新控制逻辑，或在系统中另外加入刷新控制逻辑电路。本控制器采用的控制芯片具有用SDRAM刷新控的制逻辑，可以直接与SDRAM接口连接。SDRAM存储器芯片采用HY57V281620HG，单片存储容量为4组!32Mb，工作电压为3.3V，数据宽度为16b。本控制器采用2片16b数据宽度的HY57V281620HG并联为32b数据宽度的SDRAM存储系统。③NandFLASH作为系统的数据存储器，芯片采用K9F1208UOMYIB0，存储容量为64MB，数据总线宽度为8位，工作电压为2.7~3.6V。为了提高控制芯片的驱动能力，在这部分设计中加入了74HC245总线驱动器，74HC245提供双向总线驱动，主要使用在数据的双向缓冲。(4)串行接口电路。本控制器对控制芯片提供的4个串口中3个设计接口电路。一个串口用于软件调试与系统开发，另一个作为预留串口，可以在需要时与PC机进行通信。另外，还需要设计RS485串行通信接口电路，用于与现场控制器的通信。电平转换芯片采用常用的MAX232;RS485电平转换芯片采用MAX485。(5)网络接口电路。AT91RM9200内嵌入了10Mb/s/100Mb/s自适应的以太网MAC控制器，但是这还不能直接用来进行以太网通信，片外还需要扩展以太网的物理层接口(PHY)，这样才能够实现高速的以太网通讯。物理层接口芯片选用DM9161。另外，设计中还用到了网络隔离变压器，它的主要作用是传输数据，还有一个作用是隔离网线连接中不同网络设备间的不同电平，以防止不同电压通过网线传输损坏设备。1.2控制器应用程序开发控制器软件部分的开发主要是在裁剪好的Linux内核和驱动程序的基础上开发适应本系统的串口应用程序和服务器应用程序。Linux操作系统下串口应用程序的开发步骤为:打开串口;设置串口属性;读写串口;关闭串口。要分别编写发送程序和接收程序，以便于发送和接收数据时可以分别调用两个函数。程序中需要注意接收和发送程序中的buffer一定不要小于要接收数据的长度，否则接收或者发送的数据就会出错。服务器应用程序是将网络集中控制器作为服务器端来编写程序，使其能与作为客户端的监控软件通过以太网通信。服务器程序的开发步骤为:生成套接口;绑定套接口地址;*连接请求;接收连接请求;与客户程序进行通信;关闭套接口。由于网络集中控制器在与监控软件通信时是作为服务器来运行的，因此需要使网络控制器开机自运行,并等待监控软件(即客户端)发送请求。那么设计时就需要让该服务器程序一开机就自动运行，等待与客户端的连接与通信。为此，设计中将服务器程序放在Linux的开机自启动程序中，这样就可以保证服务器程序的开机运行了。服务器程序和其中的通信过程流程图分别如图2、图3所示。图2服务器程序流程图图3通信过程流程图1.3控制器LCD开发网络集中控制器作为用户操作的主要对象，人机界面需要有很好的友好性。当不使用监控软件，或者无法使用监控软件来观察数据时，网络控制器可以使用液晶屏作为数据显示界面。LCD液晶显示模块的主要核心元件是LCD控制器和LCD显示器。LCD液晶显示器选用了640×480的液晶屏，在LCD控制器方面选用了EPSON公司的S1D13506。开发内容包括LCD的接口设计、LCD的驱动设计、MiniGUI的移植、实时数据显示开发。最终的显示界面如图4所示。图4实时数据显示界面2实验结果本网络集中控制器配以自行开发的监控软件和现场控制器，进行了网络通信实验和RS485通信实验来测试系统的功能。网络通信实验是使网络集中控制器和PC机都在同一局域网内，分别为其设置合法的IP地址后，将监控软件发送给网络集中控制器的指令在secureCRT上打印出来。RS485通信实验是将网络集中控制器和现场控制器通过RS485网络相连，将现场控制器收到指令后发送给网络集中控制器的信息在secureCRT上打印出来。图5和图6为打印出来的测试结果。通过实验证明，本控制器的软硬件设计是合理的。图5网络通信实验截图图6RS485通信实验截图3结语在此提出了基于ARM9处理器和Linux操作系统的中央空调网络集中控制器设计方案。给出了控制器的硬件设计和控制器应用程序开发和LCD开发，系统硬件结构的设计采用了模块化设计方式，在硬件的选型和结构设计的稳定性、可靠性方面做了一定深入的研究。通过实验证明，该控制器处理能力强，便于外扩存储器，由于内嵌了Linux操作系统，使网络功能强大。基于ARM7的中央空调网络集中控制器能够大大提高中央空调的使用效率，节约了能源，并且能够显着提高中央空调控制人员的工作效率。