FTU硬件详细设计项目说明指导书.doc
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1、FTU硬件具体设计说明书产品线: 配电终端产品类别: 产品型号:产品版本:文件状态文档版本作 者完成日期编制部门硬件开发部同意: 审核: 初审: 编写: 1.引言41.1.序言41.2.文档术语41.3.参考文档42.开发环境43.硬件具体设计53.1.系统架构53.2.主板53.2.1.主板硬件框图63.2.2.模块1:CPU关键板63.2.3.模块2:时钟模块183.2.4.模块3:无线通讯193.2.5.模块6 以太网接口253.2.6.RS232/RS485电路263.2.7.SD卡模块电路273.2.8.直流量采集模块283.2.9.USB HOST接口303.3.遥控遥信板323.
2、3.1.硬件框图323.3.2.遥信电路模块323.3.3.遥控电路模块333.4.遥测板343.4.1.遥测板框图343.4.2.遥测电路模块353.4.3.电源模块393.4.4.413.4.5.元器件总成本:413.5.硬件测试方法414.FPGA逻辑设计424.1.子板逻辑424.1.1.架构概述424.2.主板逻辑455.结构工艺设计455.1.外观设计455.1.1.外形结构455.1.2.铭牌465.1.3.终端内部结构465.2.组屏方案465.3.其它465.4.461. 引言1.1. 序言1.2. 文档术语1.3. 参考文档 2. 开发环境硬件设施:一般个人PC软件:pro
3、tel99 se Cadence 16.33. 硬件具体设计3.1. 系统架构 3.2. 主板3.2.1. 主板硬件框图3.2.2. CPU关键板3.2.2.1. 功效: 保留多种数据,参数设置等其它需要保留数据及给各功效模块提供逻辑接口。3.2.2.2. 接口描述:32位RISC嵌入式ARM9+DSP内核CPU:OMAPL138ZWT,经过内置DDR2/mDDR控制器接口外扩1片32M/16位或64M/16 位DDR2 SDRAM:MT47H32M16HR/MT47H64M16HR;经过内置外部存放器接口(EMIFA)外扩1片128MBytes NandFLASH:MT29F1G08ABAE
4、AWP-IT和一片FPGA: ALTERA EP3C25F256; 经过内部集成网络接口控制一片网络芯片:LAN8720A;CPU经过一个PWM口作为看门狗定时喂狗信号来控制CPU复位脚;另外,CPU关键板把CPU内部集成外设接口(比如USB、UART、IIC、SPI、MMC/SD等)和GPIO口及FPGALVDS口引出到关键板接口上供其它功效模块接口使用。3.2.2.3. 设计原理:1)DDR2因OMAPL138ZWT内部集成RAM 较小,需外扩一片RAM,可利用芯片内置DDR2/mDDR控制器接口外扩一片32M或64M容量 DDR2 SDRAM: MT47H32M16HR或MT47H64M
5、16HR接口如Figure 15-19所表示,引脚定义如Table 15-1所表示;为满足信号完整性要求,需要在信号线进行端接处理。因只接了一片DDR芯片所以采取串行端接,原理图以下:2)NANDFLASH因OMAPL138ZWT内部集成ROM较小,需外扩一片NANDFLASH,可利用芯片内置EMIFA接口外扩一片1Gb或2Gb容量 NANDFLASH: MT29F1G08ABAEAWP-IT或MT29F2G08ABAEAWP-IT。外部存放器接口如Figure 20-1所表示,引脚定义如Table 20-1、Table 20-2、Table 20-3所表示; 外扩NANDFLASH如Figu
6、re 20-14所表示为了降低R/B#脚延时时间,R/B#脚上接1K上拉电阻。原理图以下:3)FPGA因FTU需要采集交流信号及遥信信号和控制遥控信号众多,可利用EMIFA接口接一片FPGA进行预处理。关键板上FPGA和功效板上FPGA经过LVDS进行点对点通讯,将得到数据存放在各功效板相对应存放区里供CPU读取。从而提升系统实时性和简化电路设计。将FPGA作为SRAM存放器挂在CPUEMIFA接口上,其接口示意图如Figure 20-18红圈部分所表示; LVDS接口需外加端接电阻,参数见FPGA数据手册,其原理图以下。 注:因所用FPGA芯片真实LVDS口不足,需使用一路仿真LVDS口。其
7、端接电阻和真实LVDS接口不一样。4)以太网以太网芯片采取RMII接口LAN8720A,CPU经过内部集成EMAC(RMII)和MDIO和LAN8720A相连,来建立以太网物理层连接,其接口示意图如Figure 19-3所表示,引脚定义如Table 19-2所表示外围电路见数据手册,其原理图以下: 5)看门狗看门狗电路选择是Sipex 企业SP706REN-L,复位周期1.6S,连续时间200mS,采取软硬件控制,软件方法:CPU经过控制PWM口输出来控制看门狗电路;硬件方法:经过按键控制/MR电平来控制看门狗电路,原理图以下: 6)供电电路 为了预防输入电压过高保护后级电源管理芯片,在+5V
8、电源输入端加一保护电路,当输入高于5.8V是输出关断,外加一个LED用以指示。当5V_IN5.8V时,LED亮。 a) CPU供电:CPU供电为一多电源供电系统,其供电电流和上电次序要求以下:电源管理芯片采取TI企业TPS650250RHBR,经过控制DC-DC使能端来控制各电平上电次序。外围电路参数见数据手册。原理图以下: 上电次序逻辑电路以下,上电逻辑,+5V输入时_DCDC3拉高VDCDC3输出VCC_1V3D拉高EN_DCDC2VDCDC2输出VCC_1V8D拉高EN_DCDC1VDCDC1输出VCC_3V3D. b) FPGA供电 FPGA推荐供电电源参数以下表: VCCIO采取两种
9、电平供电,为LVDS口供电Bank1,2,3,5,6采取2.5V供电;其它Bank采取3.3V供电。电源芯片使用AS1301; 内核供电 LVDS总线供电 3.2.2.4. 可靠性设计(性能,EMC):a)静电防护:无b)快速脉冲群防护:无c)浪涌防护:无3.2.2.5. 成本估量:约380元3.2.3. 时钟模块3.2.3.1. 功效:为系统提供实时时钟。断电情况下该时钟能保持3年以上。3.2.3.2. 接口描述:时钟芯片经过SPI总线和CPU相连。3.2.3.3. 设计原理:断电时钟保持时间T=1200mAh*30%/(550nA)=654545小时=74年 注:假设电池容量下降到70%时
10、时钟芯片不能正常工作,1200mAh 为电池容量。 系统上电时,(3.3-0.6)(3.6-0.6-0.6),VCC_3.3V给时钟芯片供电,仅当系统失电时3.6V电池才会给时钟芯片供电,D3为了预防3.6V给3.3V系统供电。3.2.3.4. 可靠性设计本部分在企业以往各产品中使用效果良好,时钟正确度高。3.2.3.5. 成本估量10元3.2.4. 无线通讯3.2.4.1. 功效1、GPRS/CDMA通讯:在终端和主站之间经过公网或专网建立无线通讯,进行数据交换;2、GPS通讯:经过GPS进行终端定位;3、短距离无线通讯:当地调试用。3.2.4.2. 接口描述1、GPRS/CDMA模块:CP
11、U经过UART和GPRS/CDMA模块进行数据通讯,经过4个GPIO控制GPRS/CDMA模块运行及网络灯指示。2、 GPS通讯模块接口: 因主CPU串口有限(只有3路,2路用作232/485通讯、剩下1路用作GPRS/CDMA通讯),故用软串口和GPS模块进行通讯,外加两个GPIO控制GPS模块复位及唤醒。下图为软串口框图。3、 短距离无线通讯: 因主CPU串口有限(只有3路,2路用作232/485通讯、剩下1路用作GPRS/CDMA通讯),故用软串口和短距离无线模块进行通讯,外加两个GPIO控制短距离无线模块复位及睡眠。 3.2.4.3. 原理硬件采取插板结构,和主板分离,保持主板不动更换
12、不一样通讯模块,支持cdma,gprs通信模块。各模块对主板接口统一定义。因为该模块I/O口许可输入最大电压是VEXT,即2.93V,所以输入信号需添加分压电路,这么输入信号大约被调整至2.7V周围,确保正常工作,另外,电阻R725根据数据手册看,因为该引脚内部已经上拉,所以该电阻能够省略,而且最好不要焊接,因为该脚许可外接电压最大为VDDEXT,但以往产品设计时候,全部加了该电阻,还未发觉问题。模块原理图电平转换电路 Sim卡接口需要注意是,图中D1D4四个静电防护器必需添加,替换以往该处使用是集成TVS芯片UCLAMP0504,节省成本。2、GPS模块: GPS模块选择SKG16A,经过C
13、PU软串口将GPS信息传输给CPU.外加收发指示灯便于观察和调试。3、短距离无线模块: 短距离无线通讯采取上海桑锐电子科技成品模块SRWF-1022,其提供透明数据接口,能适应任何标准或非标准用户协议,自动过滤掉空中产生假数据,用户无需编制多出程序,实现所收即所发。标准配置提供8个信道,可扩展到16/32信道。满足用户多个通信组合方法。提供2个串口三种接口方法,COM1为TTL电平UART接口。COM2为硬件RS-232/RS-485接口,相对于软口RS-232/RS-485接口,其带载能力更强(是软口6到8倍),工作愈加稳定。接口波特率为1200/2400/4800/9600/19200bp
14、s可选,格式为8N1/8O1/8E1用户自定义,可传输无限长数据帧,用户编程灵活。接口图以下;串口使用软串口。因短距离无线通讯采取是成品模块,故只需在电路上加一对应接口。3.2.4.4. 可靠性设计1、 基于无线公网模块应用已经积累了一定经验,总得来说仍然是驱动层及应用程序层双重保护,驱动层经过查询模块,获取链路状态;应用程序经过和上位机通信超时机制判定链路状态;一旦发觉链路异常,即经过重启链路方法修复通信。3.2.4.5. 成本估量210元3.2.5. 以太网接口3.2.5.1. 功效经过以太网,建立CPU和主站连接。3.2.5.2. 接口描述经过hp auto-mdix(交叉线自动侦测及切
15、换)经过网络变压器连接到标准RJ45接头。3.2.5.3. 设计原理网口电路关键是依据网络芯片LAN8720A数据手册网口推荐电路。网络连接和传输指示灯采取独立LED灯指示。3.2.5.4. 可靠性以往产品在试验中偶发发生以太网通讯时浪涌试验引发终端损坏或重启等现象,随即改用独立网络变压器模式,大大降低出故障概率。3.2.5.5. 成本估量8元3.2.6. RS232/RS485电路3.2.6.1. 功效将UART信号转化成RS232信号或RS485信号,用于RS232或RS485通讯。3.2.6.2. 接口RS232或RS485电路用过UART口和CPU相连。3.2.6.3. 设计原理因RS
16、232和RS485外接端子是共用,故需一个双刀双掷开关进行切换。RS232电路和RS485电路沿用其它产品成熟电路。3.2.6.4. 可靠性该部分电路比较成熟,还未发觉问题3.2.6.5. 成本估量44.6元3.2.7. SD卡模块电路3.2.7.1. 功效存放数据及参数。3.2.7.2. 接口SD卡模块经过CPU内置SD卡控制器接口和CPU相连。3.2.7.3. 设计原理全部数据线上全部加个47K上拉电阻用来预防振荡输入将引发非期望高电流损耗和进行卡侦测。各数据线上外加一静电防护器件预防插拔SD卡时产生静电干扰。3.2.7.4. 可靠性3.2.7.5. 成本估量8元3.2.8. 直流量采集模
17、块3.2.8.1. 功效用以采集外接电压型(048V)/电流型(420mA)传感器信号。3.2.8.2. 接口外部传感器信号经过直流量采集模块信号转换后经AD芯片IIC总线传输给CPU。3.2.8.3. 设计原理直流采样部分比较关键是AD隔离输入电路,现采取是线性光耦电路,在有效隔离条件下确保输入输出线性度。应用线性光耦合器组成模拟信号隔离电路线性度好,电路简单,有效地处理了模拟信号和单片机应用系统电气隔离问题。驱动级、缓冲级采取组合型运算放大器,可使线性度提升。以下图:电路关键由HCNR200型线性光耦和配套外围电路组成。HCNR200型线性光耦由发光二极管D1、反馈光电二极管D2、输出光电
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