基于ARM7的LPC21XX系列微控制器在BAS中的应用

1. 楼宇自动化系统概述
　　
　　楼宇自动化系统（Building Automation System,简称BAS），实际上是一套中央监控系统。它通过对建筑物（或建筑群）内的各种电力设备、空调设备、冷热源设备、防火、防盗设备等进行集中监控，达到在确保建筑内环境舒适、充分考虑能源节约和环境保护的条件下，使建筑内的各种设备状态及利用率均达到最佳的目的。
　　
　　
图1 BAS的组成
　　
　　图1是BAS的组成示意图，其中的中央控制室（数据中心）主要包括中央处理机（一台微型计算机、存储器、磁带机和接口装置）、外围设备（显示终端、键盘、打印机）和不间断电源三部分。
　　
　　传感器是指装设在现场的各种敏感元件、触点和限位开关、以及变送器，用来检测现场设备的各种参数（温度、湿度、压力、液位等），并发出信号送到控制器（分站、数据中心等）。
　　
　　执行机构是指装设在现场接受分站控制器的输出指令信号，控制现场运行设备的机构，如电动阀、执行机构和调节机构。
　　
　　分站控制器是以微处理器为基础的直接数字控制器（DDC），它接收来自传感器的信号，进行数字运算，逻辑判断，处理后自动输出控制信号，至执行机构。分站控制器是整个控制系统的核心，它具有AI、AO、DI、DO四种输入/输出接口。
　　
　　2.ARM及LPC21XX系列微控制器概述
　　
　　我们在这里采用的是基于ARM7内核的PHILIPS公司的LPC21XX微控制器。ARM的文字含义是Advanced RISC Microprocessor(高级RISC微处理器)。ARM系列是32位微处理器RISC微控制器方案，在便携式通讯、数字化多媒体和工业控制中，使用ARM正成为一种标准的趋势。根据有关报告，2001年，在众多RISC微处理器的销售量中，74.6%是ARM微处理器。ARM将其技术授权给世界上许多著名的半导体、计算机和OEM厂商，提供 ARM相关技术及服务。利用这种合伙关系，ARM很快成多全球性RISC标准产品的缔造者。目前，总共有超过70家公司与ARM签订了硬件技术使用许可协议，其中包括INTEL、IBM、LG、NEC、SONY、PHILIPS等大公司。
　　
　　ARM7处理器是ARM通用32 位微处理器家族的成员之一。ARM 处理器具有优异的性能，但功耗却很低。ARM 结构是基于精简指令集计算机Reduce Instruction-Set Computer（RISC）原理而设计的，指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机Complex Instruction Set Computer（CISC）要简单得多；ARM7处理器使用3级流水线来增加处理器指令流的速度，可使几个操作同时进行，并使处理和存储器系统连续操作；ARM7处理器使用了冯.诺依曼结构，指令和数据共用一条32 位总线，只有装载、存储和交换指令可以对存储器中的数据进行访问。
　　
　　PHILIPS公司的LPC21XX系列微控制器是一个基于含ARM7TDMI-S内核的CPU，并带有嵌入的Flash存储器的MCU，同时它还带有两个CAN通道。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在高达60MHZ的工作频率下运行。由于LPC21XX系列采用非常小的LQFP或HVQFN封装、极低的功耗、多个32位定时器、4路10位ADC、PWM输出以及多达9个外部中断。该系列部分工业级微控制器的工作温度范围可以从－40到85 ℃，这使它特别适用于楼宇自控系统这样的应用领域。
　　
　　下面表中列出已经应用在楼宇自动化系统作为控制器的两种产品比较，包括8位MCU，和运用ARM7内核的16/32位微控制器LPL21XX，由于现在设计生产8位MCU的厂商众多，根据应用的范围不同，片内资源也有很大的区别，而笔者只选择了一种有代表性的芯片来比较。
　　
　　
表一：应用在BAS中的控制器的资源性能比较[page]
　　
　　从表中我们可以更直观的了解运用ARM7内核的16/32位微控制器将给我们的楼宇自控系统的性能带来的提升，它实现了更高的指令吞吐量，更出色的实时中断响应，以及功耗更小。
　　
　　3. LPC21XX应用在BAS的技术方案
　　
　　图2表示的就是采用包括了两个CAN控制器的LPC21XX系列的BAS的分站控制器CPU模块的简化结构框图。
　　
　　
图2 采用LPC21XX的BAS微控制器方框图

　　
　　CAN控制器用逻辑电路的组合来实现网络物理层和数据链路层的通讯，对外它提供了与微处理器的物理线路的接口；通过对它的编程，CPU可以设置它的工作方式，控制它的工作状态，进行数据的发送和接收，把应用层建立在它的基础之上。CAN收发器又可叫CAN总线驱动器，它用来提供CAN控制器与物理总线之间的接口以及对CAN总线的差动发送和接收功能。
　　
　　图2中，一个CAN控制器通过一路CAN收发器负责和AI、AO、DI、DO四种MCU输入/输出接口进行通讯，另外一个CAN控制器则是通过另一路CAN收发器负责和上位机通讯，此外，也可用以太网接口来实现上位机和MCU的远程通讯。串行口主要用来直接下载组态程序以及控制LCD面板的显示。
　　
　　另外，我们外扩了16位的SRAM，它的优势在于读写速度快，无次数限制；为了保证有存放较大RTOS（实时操作系统）的空间，也因为需要一个负责内存映像保存和程序执行的外部存储器子系统，还外扩了16位的FLASH。，还利用了一个电源监测芯片，当SRAM发生掉电，它会触发使SRAM的数据转存到FLASH存储器中。
　　
　　4.结束语
　　
　　直到现在国内楼宇控制产品还没有统一详尽的国家标准，我们在产品的设计和开发过程中，是根据相应的实际需求和借鉴了智能楼宇系统中已经普遍认可的一些行业规范。目前以ARM芯片及嵌入式操作系统为基础的嵌入式技术和产品方兴未艾，在楼宇自控领域的应用的前景也非常广泛。我们在以后的研发中，将进一步充分利用32位ARM微控制器的强大的处理控制能力，并通过对嵌入式RTOS的开发使之更加具有智能化和灵活性，来满足日益变化和提升的市场需求。

参考文献:

[1]. DDC datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/DDC_1870710.html.
[2]. RISC datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/RISC_1189725.html.
[3]. ARM7TDMI-S datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/ARM7TDMI-S_1231795.html.
[4]. LQFP datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/LQFP_1054170.html.