通用嵌入式测控系统开发平台研究.pdf
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第34卷第2期中国测试技术2008年3月CHINAMEASUREMENTTESTINGTECHNOLOGYV0134No2Mar2008通用嵌入式测控系统开发平台研究唐华,毛磊,何仁伦(中国西南电子设备研究所,I匹tJII成都610036)摘要:
针对目前工业控制领域应用的嵌入式测控产品大多存在技术落后、通用性差的问题,提出基于ARM和DSP的通用嵌人式测控系统开发平台。
将DSP的强大运算能力和新型单片机ARM处理器的强大控制能力结合在一起,能满足大多数中低速嵌人式测控系统的应用要求。
由于其良好的通用性,在多个项目应用中均取得了较好的效果。
关键词:
测控系统;ARM;DSP;CAN;USB中图分类号:
TP273+5;TP31152文献标识码:
A文章编号:
1672-49842008)02-0040-04jEmbeddedsystemdevelopmentkitfortestingandcontrollingbasedonARMandDSPTANGH眦,MA0Lei,HERen-lunj一(SouthwestChinaResearchInstituteofElectronicEquipment,Chendu610036,China)Abstract:
Atpresent,mostembeddedproductsfortestingandcontrollingappliedintheindustrya地notadvancedanduniversalenoughTheembeddedsystemdevelopmentkitfortestingandcontrollingbasedonARMandDSPWagpresentedinthispaperThisdevelopmentkitcombinedthehigh-speedcomputationalcapabilityofDSPwiththestrongcontrollingcapabilityofARMwhichcouldfulfillmostapplicationmqmremenm0fmiddleorlowspeedembeddedsystemfortestingandcontrollingWithitsgoodcapability,thisdevelopmentkithasbeenappliedinKeywords:
Testingandcontrollingsystem;ARM;DSP;CAN;USB1引言?
。
近年来,随着微电子技术、计算机技术、通信及网络技术的迅速发展,嵌入式系统已经广泛地渗透到工业控制、仪器仪表、军事装备、网络通信、信息家电和消费电子等各个领域当中。
嵌入式系统在测控装置中的应用比较普遍,目前应用的大多数嵌入式测控系统中,硬件采用816位的单片机,软件采用前后台模式(无限循环主程序执行后台任务,中断响应程序执行前台任务),不同单片机之间或单片机与上位机之间采用RS232或RS485进行通信。
这种基于816位单片机的嵌入式系统难以满足现代测控系统对复杂控制功能、实时数据处理功能、高速数据传输功能的要求。
为满足应用要求,测控系统开发人员往往采用32位ARM(AdvancedRISCMachines)单片机或专用数字信号处理器DSP进行嵌入式应用的开发。
相对于51系列等传统单片机,ARM单片机具有更多的引脚,更丰富的外设及接口,更强的处理能力,因收稿日期:
2007-07-23;收到修改稿日期:
2007-09-27作者简介:
唐华(1974一),男,四川成都市人,工程师,主要从事测试技术工作。
此具有强大得多的控制功能。
相对于通用微处理器,DSP芯片为了适应数字信号处理的需要,在内核结构上进行了优化,具有高速运算能力。
然而,ARM强大的控制功能和DSP强大的运算功能背后是两种微处理器的复杂结构,这给应用开发人员带来了困难,从而限制了使用范围;其次,现有的ARM应用系统或DSP应用系统很少考虑到通用性的要求,软硬件的可复用性极差,造成了开发人员的重复性劳动。
因此,开发一种能覆盖一定范围嵌入式测控系统应用的通用开发平台,将具有比较大的应用价值。
通用开发平台是一组硬件资源和软件资源的集合,对外提供一系列软硬件接口,应用开发人员利用这些接口进行二次开发以实现具体的应用。
这种开发模式可以使应用开发人员从嵌入式系统本身的开发中解放出来,从而可以集中精力解决应用问题。
以通用化、模块化、可定制化为目标,设计了基于ARM和DSP的通用嵌入式测控系统开发平台,此平台整合了ARM的强大控制功能和DSP的强大运算功能,并采用CAN总线实现系统内部不同微处理器问的耦合,对外则提供以太网接口、USB设备口、USB主机口、RS232口等通信接口,能满足大部万方数据万方数据第34卷第2期唐华等:
通用嵌入式测控系统开发平台研究41分中低速嵌入式测控系统的应用要求。
2系统原理,。
如图1所示,开发平台主要由一个ARM板和若干个相同的DSP板构成,ARM板与DSP板之间通过CAN总线连接在一起。
ARM板主要完成控制功能和通信功能。
DSP板可完成实时数据采集、实时数据处理、PWM控制等功能。
在实际应用当中,开发人员可根据应用需求确定DSP板的数目O;+图1系统原理图ARM板通过CAN总线实现对其余DSP板的控制,协调分配各DSP板的工作任务,获取DSP输出数据,并对其做综合处理。
ARM板可通过其USB设备口、网口或RS232口与PC机或其它设备交换数据,用户还可通过其USB主机口将数据拷贝到U盘等移动存储设备中。
开发平台具有两种应用模式:
单机模式和从机模式。
:
21单机模式在此模式下;开发平台独立构成应用系统,ARM板作为控制中心,负责对整个系统进行监控和协调,用户通过ARM板上的人机接口或通信接口与系统进行信息交互。
22从机模式在此模式下,开发平台通过USB设备口、网口或RS232口与PC机相连,PC机作为应用系统的控制中心,运行相应控制算法,发送指令以实现对ARM板的控制,ARM板则依据上位机的控制信息进一步完成对DSP板及其它外设的控制。
用户主要通过上位机软件与系统进行信息交互。
由开发平台的系统原理可知,ARM板和DSP板是系统的基本组成单元,也是系统设计的关键和难点所在。
下面将详细介绍ARM板和DSP板的硬件实现方法和软件实现思路。
3硬件实现31ARM板的实现在ARM板的设计中,。
选择了PItlLIPS公司的LPC2292作为微处理器,其主要特性如下:
(a)32位ARM7TDMIS微控制器(b)16kB片内静态RAM和256kB片内Flash程序存储器,一。
:
+(c)高达60MHz的工作频率一(d)2个互连的CAN接口,带有先进的验收滤波器?
(e)2个UART(f)多达112个通用IO口(可承受5V电压)LPC2292本身已集成有丰富的外设和接口,因此只需扩展少量的芯片就可实现预期功能。
如图2所示,本文在设计中扩展了256kB的SRAM和1MB的FLASH存储器,可以满足大多数的测控系统应用需求。
LPC2292内置UART和CAN接口,只需扩展电平转换芯片就能实现RS232和CAN总线通信功能。
此外,在LPC2292外围扩展了一片RTL8019AS以实现网络接口功能,一片ISPll61A1同时实现USB主机接口功能和USB设备接口功能。
IO控制口以太网接口。
图2ARM板原理图32DSP板的实现DSP板的核心器件选用了MOTOROLA公司的DSP56F807芯片,其主要特性如下:
(a)最高80MHz频率运行,运算能力40MIPS(b)硬件DO和LOOP循环(c)片上60K字程序Flash,2K字程序RAM,8K字数据Flash,4K字数据RAM,另外还包括2K万方数据万方数据42中国浏试技术2008年3月字BootFlash1(d)具有64K字的片外程序空间和64K字的片外数据空间的寻址能力“、(e)两个6通道PWM调制模块,(f)4个4通道,12位精度AD转换器(g)符合20B标准的CAN总线模块:
DSP板的主要功能是数据采集和数据处理,在需要电机控制的场合也可提供PWM控制信号,而DSP56F807内置了高性能的AD转换器、PWM调制模块和CAN总线模块,因而只需要在其外围扩展存储器和CAN总线电平转换芯片即可实现DSP板的主要功能。
DSP板的基本结构如图3所示。
;tWM输出AD采集FO控制口图3DSP板原理图接口?
由以上可知,通过在LPC2292和DSP56F807外围扩展少量接口芯片即可实现ARM板和DSP板的硬件电路。
对于嵌入式系统,硬件电路的实现仅仅是开发的第一步,系统各种功能的最终实现还必须通过进一步的软件设计。
4软件实现以往在基于8116位单片机的嵌入式系统中,由于系统运算速度和内存资源的限制,人们很少基于操作系统进行嵌入式软件的设计,而是采取前后台模式的软件设计方法:
如图4所示,在前后台模式主程序中断响应程序图4前后台模式:
中,前台任务放置于中断响应程序中进行处理,后台任务放置在主程序的无限循环中进行处理。
因此,任何后台任务地位平等,都是在个循环中执行一次,这就必然导致一种现象:
一方面某些后台任务得不到及时响应;另一方面一些空闲任务却依然在耗费CPU时间。
使用操作系统则可以避免这种现象的发生,因为操作系统可依据优先级对任务进行调度,把有限的CPU时间尽可能地分配给紧迫(优先级高)的任务。
目前较为常用的嵌入式操作系统有十多种之多,这里简要介绍其中两种免费、开源的操作系统uClinux和uCOSII。
uCLinux是目前嵌入式LintLx中最流行的一种,它是针对微控制领域而设计的Linux系统,其最大特征就是没有MMU(内存管理单元模块),适合嵌入式系统小型化应用。
uCLinux支持多任务,支持多种文件系统,提供了对网络的强大支持,具有完整的TC踟P协议栈,以及标准丰富的API。
由于它的很多核心代码都为没有MMU的处理器重新编写过,对标准Linux庞大的应用程序库和驱动程序库作了删改,所以它的内核要比常规的Linux内核小很多;uCLinux包含Linux常用的API和小于512K的内核及相关的工具,总代码只有900K左右,但同时保留了常规Linux操作系统绝大多数的优点。
uCOSII是占先式的实时内核,是基于优先级的,即总是让就绪态中优先级最高的任务先运行,因此实时性比非占先式的内核要好。
它包含了实时内核、任务管理、时间管理、任务问通信同步(信号量、邮箱、消息队列)和内存管理等功能,它的绝大部分代码是用C语言编写的,内核代码只有10K左右,可移植性强,可以在绝大多数8位、16位、32位以至64位微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)上运行。
,构建ARM板和DSP板的软件开发平台,首先要确定操作系统和软件开发环境。
对于ARM板,既可以选择代码量较大、功能齐全的uCLinux,也可以选择代码精简、实时性好的uCOS一1I,完全根据应用需求而定;ARM软件开发环境则可以选择ADSl2集成开发环境。
对于DSP板,由于板上存储资源的限制,可选择uCOSII,而不能选择uCbnux;对于DSP56800系列产品,Motorola提供了两个有力的软件开发工具,一个是Codewarrior集成开发环境,它是一种可靠的用于交叉汇编、交叉C编译、链接和调试的开发工具,另外一个是软件开发工具万方数据万方数据第34卷第2期唐华等:
通用嵌入式测控系统开发平台研究43EmbeddedSDK,它提供了各种外设模块的驱动程序和接口。
确定了操作系统和软件开发环境,下一步要进行的就是操作系统的移植和驱动程序的开发。
操作系统是系统硬件和应用软件的管理者,因此操作系统需要直接和硬件打交道,不同的硬件平台千差万别,因此操作系统的移植工作必不可少。
驱动程序负责提供操作外部设备的软件服务接口。
操作系统移植与驱动程序开发的区别在于,前者面向的是CPU和存储器资源,而后者面向的是外围设备资源。
完成了操作系统的移植和驱动程序的开发,就可以迸一步开发应用程序实现具体的功能了。
5结束语。
本文提出了基于ARM和DSP的通用嵌入式测控系统开发平台的设计方法此平台充分结合了ARM的控制能力和DSP的运算能力,并提供多种速率的通信接口,可满足中低速嵌入式测控系统的应用要求。
在应用当中,开发人员以此平台为基础。
根据实际需求,对硬件和软件进行定制和裁减,仅需在外围扩展少部分电路,即可构成应用系统。
以此模式进行嵌入式应用开发,可以大幅度降低开发难度,提高开发效率,缩短开发周期,减少开发风险,从而显著降低开发成本。
目前。
此平台已在某单位六自由度机器人控制系统、抽油机测控系统中得到应用,并取得了良好的效果。
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唐华,毛磊,何仁伦,TANGHua,MAOLei,HERen-lun作者单位:
中国西南电子设备研究所,四川成都,610036刊名:
中国测试技术英文刊名:
CHINAMEASUREMENT&TESTINGTECHNOLOGY年,卷(期):
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