嵌入式系统的监控板卡设计

贾晓磊

（中国人民解放军66284部队，北京 100160）

1 主控芯片及开发环境

控制单元是板卡的核心，用于实现逻辑控制。因为设计中有板载资源较多，所以设计选用Cortex-M4（高性能带FPU）中的GD32。主流的Cortex-M3中的STM32F1不合适运算快速处理且中断数量有限，这与CPU设计有关。

主控芯片兆易公司生产的GD32是以Cortex-M为核的32位MCU（数据总线是32位的），可以看做是外设的集合体，包括通用和复用I/O（GPIO）、中断和事件、实时时钟（RTC）、备份寄存器（BKP）、独立看门狗（IWDG）、窗口看门狗（WWDG）、高级控制定时器（TIM1）、通用定时器（TIMx）、控制器局域网（bxCAN）、I2C接口、串行外设接口（SPI）、USB全速设备接口（USB）和调试支持（DBG）等。它能够集合外设功能的数量，是衡量芯片的一个重要指标。这些功能的控制通过对芯片寄存器设置来实现。而兆易公司提供了这些能够实现功能的标准外设库，给芯片能够实现工业控制提供了极大方便，适合批量生产板卡。而在程序烧录方面，只需通过仿真接口向芯片下载编译好的程序。

2 电源电路设计

板卡采用直流24 V电源供电。板卡中，主控芯片采用3.3 V供电，而数字量输入输出单元和模拟量输入输出单元中涉及24 V和5 V电压。因此，供电电源的电压根据设计的需要，分别为24 V、5 V和3.3 V。所以，需要将24 V电源转化成5 V，再转化成3.3 V。

24 V直流电源通过接线端子接入板卡在电源的接入端采用P6KE30CA瞬态抑制二极管，来防止由于电磁感应产生的反向峰值电压带来的危害。为保证电源质量，确保系统稳定工作，电源模块必须滤除如高频、噪声等干扰信号。这里采用10 μF的电容实现去耦和滤波。然后，通过电源变压器模块TPS54340DDA将24 V直流电源转化成5 V直流电。该电源变压器模块可以输出120～1 200 mA的电流。对于微处理器的3.3 V供电电路，采用MIC29302BU芯片将5 V电压转化成3.3 V。这款芯片由于具有极高的电源抑制比，能够更好地抑制电路中的噪声和减少纹波。上电后，板子3.3 V电源指示灯（ds3）点亮，5 V电源指示灯（ds4）点亮，表明芯片TPS54340DDA（24 V→5 V）正常供电以及芯片MIC29302BU（5 V→3.3 V）正常供电。同时，可以用万用表测试板卡中的5 V、3.3 V以及24 V电源，可以在板卡中找到TP1TP2TP3。

由于板卡中具有模拟量处理模块，需板卡为AD5755-1ACPZ芯片提供模拟电源AVDD（+12 V）和AVSS（-12 V）。在模拟电源电路中，采用双输出直流-直流转换器TPS65130，+5 V电源通过R170电阻与VIN连接。该芯片在VPOS输出+15 V，在VNEG输出-15 V。输出的+15 V通过MC78M12ACDT降压为+12 V，在输出的+12 V与ad芯片间加EMI滤波器，降低模拟电路中的噪声和波动。输出的-15 V通过MC79M12BDT变压为-12 V，在输出的-12 V与ad芯片间加EMI滤波器，降低模拟电路中的噪声和波动。同时，在VIN、VPOS、VNEG与GND之间加贴片电容，用于过滤电路中的高频噪声。

设计电源部分加了去耦电容，为的是防止主板下载和加电瞬间的电压烧坏。但应注意，电解电容的正负极不能接反，若长时间接反会导致电容炸裂。无极电容由于没有极性可以随意。

3 32路数字量输入（DI）

数字量输入模块主要用于开关量按键和继电器等状态的确定。当外部开关闭合时，24 V电源信号通过处理后传送到GD32芯片的相应引脚（PF3～PF5）。考虑到需要大量的GPIO引脚，故选用8个并行输入/串行输出芯片SN74HC165D。那么，32路输入需用4片SN74HC165D芯片级联。依据此，在原理图设计上，32路输入分为4组，即每8路为一组，节省了大量的GPIO资源，也为后期,开发预留了主控芯片引脚资源。SN74HC165D芯片具有8位串行输入，并行输出移位三态输出锁存，宽工作电压范围（2.0～6.0 V，设计电压3.3 V），移位寄存器可直接清零。其中，最主要的优点在于输入只需3根信号线，这在何立民教授《移位寄存器的串行扩展技术》中有详细说明。下面先阐述控制代码的核心元件SN74HC165D。

32路隔离输入控制代码的核心是SN74HC165D芯片。这个芯片是8并行输入/串行输出移位寄。过程：当PL为低电平（低电平采集），8位输入进入到移位寄存器；当CP发生低到高的跳发时，原有的D7从Q7移出，而D0由DS移入填补；如此循环往复，最终把32路输入信号传递给主控芯片GD32。

当开关闭合时，DIP1与24 V电源连接，通过2个1.6 kΩ电阻降压后接入到BZX84C5V6稳压二极管的3号引脚。此处的电位值为5.6 V左右，稳压二极管（其实就是反接二极管）的作用是钳住在5.6 V，经过560 Ω的电阻后，由欧姆定律可知，经过该电阻的电流是10 mA。在忽略二极管内阻的情况下，经过发光二极管的电流也为10 mA。具体地，数字量输入模块通过LED灯的亮灭来体现数字量输入单元的通断状态。

当外部开关闭合时，光耦元器件tlp281-4中的二极管1-2端导通发光。在基极光照饱和的情况下，二极管导通后，使得电阻9两端产生较大压差。此时，DII1的电平为低电平，处理器检测到低电平就表示外部开关闭合；反之，如果外部开关没有闭合，光耦元器件的三极管处于截止状态，电阻在上拉电压的作用下使得DII1呈现高电平，处理器检测到高电平就表示外部开关断开。CPU通过对相应引脚状态的监测，判断外部输入状态信息。

如果外部开关处于断开状态，则DII1处的电压值为5 V，但是GD32芯片的GPIO接口处电压限制为3.3 V。因此，为了确保芯片的长时间稳定工作，最好是把5 V电压转化成3.3 V。同时，为了后期二次开发，节省主控芯片资源为出发点，设计方案采用了SN74HC165D电平转换芯片，同时具有状态锁存功能[1]。

4 32路数字量输出（DO）

输出可以看做是输出的反“套路”。数字量输出用于状态指示灯控制、中压继电器以及相关执行机构的动作，设计方案中共有32路数字量输出。这里，将GD32的GPIOF8～GPIOF10的3个GPIO端口用作32路数字量输出的控制，且每一路输出都采用光耦隔离技术，确保系统安全可靠工作。当需要有数字量输出时，输出引脚的电压为3.3 V，所以这里采用SN74HC595D转换芯片。考虑到需要大量的GPIO引脚，故选用串行输入/串行输出或者8个并行输出芯片74HC595，那么控制32路输出需用4片74HC595芯片级联。

控制32路隔离输出，就是控制74HC595芯片。74HC595是串行输入/串行或并行输出移位寄存器。因为同时带有串行输入和串行输出，因此多个74HC595芯片可以级联。当SHCP引脚发生由低到高的跳发时，来自DS引脚的数据进入到移位寄存器的最高位即D7位，同时移位寄存器的最低位从Q7S移出。74HC595除了带有移位寄存器外，还带有保存寄存器和三态输出。和移位寄存器一样，保存寄存器也带有独立的时钟引脚STCP。当STCP发生由低到高的电平跃发时，移位寄存器数据传递到保存寄存器中。当OEn引脚为低电平时，误入保存寄存器的数据直接输出。基于以上74HC595原理，每一次SHCP发生由低到高的跳发后，来自主控芯片GD32的数据从14脚（SER）进入74HC595芯片，同时从9脚（QH）移出到下一片74HC595。如此循环往复，经过32次SHCP跳发，数据将写满4片74HC595芯片，即32位数据。此时，控制STCP引脚由低到高跳发，74HC595产生输出。此外，74HC595第10脚应该接高电平。

GPIO O1-08进光耦隔离芯片tlp281-4，光耦元器件tlp281-4中的二极管1-2端导通发光，在基极光照饱和的情况下，1→2导通。Tlp281-4的集电极经由220R电阻与74HC595三态输出引脚相连接，发射极共地连接。阴极共地连接，阳极经由10 kΩ电阻R7与三级管基极连接，用于控制24 V供电的三级管，实现外部输出电压OUT1的控制。三态输出引脚输出低电平时，相应的集电极和发射间无压差，不产生光电信号，阴极和阳极间高阻，三极管基极高电平，三极管导通，集电极和相应的OUT1高电平，对应的LED亮指示通道高电平[2]。

5 结 论

本方案设计的多路隔离信号监控板卡，既具有开关量信号采集、数字量控制与显示输出，也可SD Card卡记录数据参数，同时可通过10/100/1 000 M以太网接口作为控制管理口实现远程控制、告警信息上报等功能，方便网络管理人员进行远程监控和远程管理，节省人力、物力，提高了工作效率，可以及时发现并处理故障，有效保障了设备的安全运行。