（通信与信息系统专业论文）基于arm920t嵌入式工业控制器硬件平台设计.pdf

摘要 由于r f i d 具有一定的存储能力和计算能力，因此，r f i d 技术已经逐步开始 应用于供应链、仓库管理和银行等领域。随着r f i d 技术的成熟，该项技术将会应 用于更多领域，必将成为应用开发的热点。另一方面，随着工业生产过程日趋复 杂化，在管理复杂的工序流程方面，r f i d 技术和嵌入式技术具有得天独厚的优势。 因此，本文采用基于a r m 的嵌入式技术和r f i d 技术，设计并实现了应用于工业生 产过程控制的嵌入式控制器，主要工作有： 1 基于a r m 9 2 0 t 的嵌入式工业控制器硬件平台的总体设计，重点讨论了硬件平 台的设计要求、芯片选型、控制器的设计方法、原理图设计以及操作系统选 择。 2 完成了嵌入式工业控制器的详细设计，即硬件平台的p c b 设计过程，包括元 件布局，p c b 封装以及布线。 3 嵌入式工业控制器的硬件调试，主要包括纯硬件调试和使用a d s l 2 调试的方 法以及b o o t l o a d e r 移植时注意的问题。 4 操作系统的移植和驱动程序的编写，着重讲述了l i n u x 移植时注意的问题以 及网络驱动程序的编写方法。 5 r f i d 的反碰撞问题，对目前流行的两种反碰撞算法进行了比较，并选择二进 制搜索算法作为控制器中的反碰撞算法。 试验结果表明，控制器性能稳定，处理速度快，能有效的控制生产过程，提高 工业生产效率。 关键词：嵌入式系统r f i d 工业控制器a r n i a b s t r a c t b e c a u s er f i dh a ss t o r a g ec a p a c i t ya n dc a l c u l a t ea b i l i t y , r f i dt e c h n o l o g yi s g o i n gt ob eu s e di nm a n yf i e l d s ，s u c ha ss u p p l yc h a i nm a n a g e m e n t ，i n v e n t o r yc o n t r o l ， b a n k ，e t c w i t ht h eg r o w i n gu po fr f i dt e c h n o l o g y , i tw i l lb eu s e di nm o r ef i e l d s ，a n d r f i dw i l lb e c o m et h eh o t s p o tf o ra p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n t o nt h eo t h e rh a n d ， r f i dt e c h n o l o g ya n de m b e d d e dt e c h n o l o g yh a v et h e i ro w na d v a n t a g e si n c o m p l e x p r o c e s sc o n t r o l l i n gw i t ht h ei n d u s t r yp r o d u c t sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ec o m p l e xn o w t h u s ，i nt h i sp a p e r , r f i dt e c h n o l o g ya n de m b e d d e dt e c h n o l o g yw h i c hi sb a s e do n a r ma r ec o m b i n e dt od e s i g ne m b e d d e di n d u s t r yc o n t r o l l e rw h i c hi su s e dt oc o n t r o l t h ep r o c e s so fp r o d u c t i o n t h em a j o rw o r ko ft h i sa r t i c l ei s ： 1 t h eh a r d w a r ed e s k t o po ft h ee m b e d d e di n d u s t r yc o n t r o l l e rw h i c hi sb a s e do n a r m 9 2 0 ti sp r e l i m i n a r yd e s i g n e d , h a r d w a r er e q u i r e m e n ti sa n a l y z e da n dc h i p s a r ec h o o s e d 2 t h ep c bd e s i g no fe m b e d d e di n d u s t r y c o n t r o l l e r , c h i p s e t sa r ep l a c e da n d p a c k a g e d ，a n dp c bw i r e sa r ep l a c e d 3 t h ee m b e d d e di n d u s t r yc o n t r o l l e ri sh a r d w a r et e s t e da n dt h eb o o t l o a d e ri s e x p l a n t e d 4 l i n u xo p e r a t i o ns y s t e mi se x p l a n t e dt ot h ee m b e d d e di n d u s t r yc o n t r o l l e ra n dt h e d r i v e rf o rn e ti n t e r f a c ei sw r i t t e n 5 t h ep r o b l e mo fa n t i - c o l l i s i o n si nr f i ds y s t e mi sp r e s e n t e d , t w op o p u l a rm e t h o d s t os o l v et h ep r o b l e ma r ea n a l y z e da n dt h ea l g o r i t h mw h i c hi sb a s e do nb i n a r y s e a r c h i n gi sc h o o s e n t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n t a t i o ns h o w st h ec o n t r o l l e ri ss t a b l ea n df a s t ，i tc a n e f f e c t i v e l yc o n t r o lt h ep r o c e s so ft h ep r o d u c t i o na n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yi ni n d u s t r y p r o d u c t i o n k e y w o r d ：e m b e d d e ds y s t e m r f i d i n d u s t r yc o n t r o l l e r a r m 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：垒羞缉 日期垄鳗：墨丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本学位论 本人签名 导师签名彩编茹乙 7 年解密后适用本授权书。 日期垒生：兰：丝 日期妇么：k ，切 第一章绪论 第一章绪论 1 1课题背景 随着电子技术的发展，越来越多的高科技产品投入到市场应用中，这些产品 中的大多数结构非常复杂，需要几百甚至是成千上万个工序才能完成，这些工序 流程缺一不可，更加不可以颠倒顺序，如果单靠个人是无法完成这些复杂的过程 的，目前在工业生产自动化方面比较习惯于采用按照一批一批的产品一个步骤一 个步骤进行加工的流水线操作的方法来实现产品生产，这种办法不适用于工序极 其复杂的生产领域，对工序复杂的领域，产品一旦出现问题很难准确的找到到底 是哪个步骤的错误，它对于产品生产过程的信息采集管理提出了极高的要求。而目 前新兴的r f i d 技术具有很强的智能识别能力，将给复杂工序自动化管理提供很好 的解决方案。 目前国内r f i d 在工业控制方殛的应用非常少，并且，国内的工业控制器中许 多都是用单片机开发的，已经满足不了现代工业控制器的需要。针对这种现状， 本文提出一种新型的工业控制器采用r f i d 技术的嵌入式工业控制器，它结合 了r f i d 和嵌入式开发技术的优点，并采用3 2 位嵌入式控制器结合操作系统完成 了一款能够灵活配置的工业控制器，对于任何复杂的工艺流程可以做到每一个部 件，每一道工序的完整控制和管理，并且提高了工业控制器的运行速度和稳定性， 其流程可以灵活配置，也就是能够满足不同公司的生产需求。 1 2 嵌入式系统开发简介 嵌入式系统【1 1 1 4 0 是指以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 “嵌入性”、“专用性与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。 以应用为中心对计算机进行分类，可以将其分为嵌入式计算机和通用计算机， 通用计算机具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件，以同一面目出现 并应用在社会的各个方面，其典型产品为个人计算机；而嵌入式系统则是嵌入于 宿主设备，智能的完成宿主设备功能的计算机，它以嵌入式系统的形式隐藏在各 种装置，产品和系统中。 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的 外部设备中就包含了5 - 1 0 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、 兰 基于a r m 9 2 0 t 的嵌入式工业控制器硬件平台设计 显示器、m o d e m 、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、u s b 集线器等均是由 嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、 航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具 体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高 度分散、不断创新的知识集成系统。 嵌入式系统一般由【2 j 嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及 用户的应用程序等四个部分组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的系统，由 定义中的三个基本要素衍生出的特点如下： 与“嵌入性的相关特点：由于是嵌入到对象系统中，必须满足对象系统的 环境要求，如物理环境( 小型) ，电气气氛环境( 可靠) ，成本( 价廉) ，功耗( 低) ， 速度( 高) ，处理能力( 强) 以及电磁兼容性( 好) 等要求。 与“专用性 的相关特点：嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设计， 量体裁衣，去除冗余，力争在同样的成本下实现更强的性能，只有这样才能在具 体应用的选择面前更加具有竞争力。在硬件方面，嵌入式系统要针对用户的具体 需求，对系统配置进行裁减和添加才能达到理想的性能，甚至根据用户的特殊需 要，设计不同的系统以面向不同的用户。在软件方面，要求代码高质量，高可靠 性，要求程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码长度，提高程 序执行速度，节省宝贵的存储空间。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系 统中的软件一般都固化在存储器芯片和单片机本身中，而不是存储在磁盘等外部 载体中，因此嵌入式系统中需要有静态r o m 。 与“计算机系统的相关特点：嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求 的计算机系统。与上两个特点相呼应，这样的计算机必须配置有与对象系统相适 应的接口电路。 另外，嵌入式系统和具体应用有机的结合在一起，它的升级换代也是和具体 产品同步进行的，因此，嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 嵌入式系统中的软件，一般都固化在只读存储器中，而不是以磁盘为载体，可以 随意更换，所以嵌入式系统的生命周期也和嵌入式产品一样长。另外，各个行业 的应用系统和产品，和通用计算机软件不同，很少发生突然性的跳跃，嵌入式系 统中的软件因此更强调可继承性和技术衔接性，发展比较稳定。 并且，在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合 理调度是保证每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成和 没有效率的，这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成，因此，系统软件 一般要求较高的实时性。 第一章绪论 3 一 图1 1 通过我国科学家许居衍院士发表的“许氏循环 【3 j 以及日本科学家牧 本次夫的“牧本潮 ( m a k i m o t o sw a v e ) 总结和预测了嵌入式系统核心技术的发 展规律。1 9 8 7 年到1 9 9 7 年的十年是a s i c 风行的十年，而后的十年，也就是1 9 9 7 年到2 0 0 7 年是现场可编程器件的大好时光，制造标准化但应用定制化是这个阶段 的明显特征，而2 0 0 7 年后，用户可重构和可自动配置的s o c 和s i p 将成为下一个 嵌入式系统核心技术发展阶段的主流。 准 一 7 、f p g a 硬可编程矿l 软硬可编f 生一 化 ，u 一、肋n 蛹可一砷 t m p u p编程器件j 1 9 8 7 和1 9 9 7 衫：2 0 0 7 和 2 0 1 7 + 用 册掣黔一弋罗 户 定 制 “许氏循环册和甜牧本浪潮努与嵌入式系统核心技术发展规律一 图1 1 嵌入式核心技术发展规律 展望未来，s o c 已经成为嵌入式设计者的理想，而可自动配置的s o c s i p ( s i p ： s i l i c o ni np a c k a g e ) 也将成为下一个1 0 年( 2 0 0 7 年到2 0 1 7 年) 嵌入式系统的 主流。软硬双编程将逐步取代不能适应技术发展的硬编程，成为嵌入式系统设计 的主要方式。而s o c 时代的到来也就意味着成千上万的嵌入式系统工程师可以实 现他们梦想，将自己设计的板子变成芯片。而这也正是s o c 的含义：s y s t e mo n c h i p 。本文所开发的嵌入式工业控制器正是采用目前最为成熟的硬件开发方法： c p u 辅助以c p l d 相结合。 1 3r f i d 工业控制器概述 1 3 1r f i d 系统 r f i d 的中文名称为无线射频识别【4 】【4 1 1 ，是英文“r a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n 的缩写，为非接触式自动识别技术的一种。最简单的r f i d 系统 由标签( t a g ) 、解读器( r e a d e r ) 和天线( a n t e n n a ) 三部分组成在实际应 一4 基于a r m 9 2 0 t 的嵌入式工业控制器硬件平台设计 用中，还需要其他硬件和软件的支持。其工作原理【5 】并不复杂：标签进入磁场后， 接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的 产品信息( p a s s i v et a g ，无源标签或被动标签) ，或者主动发送某一频率的信号 ( a c t i v et a g ，有源标签或主动标签) ；解读器读取信息并解码后，送至中央信 息系统进行有关数据处理。 1 3 2r f i d 的特点 r f i d 在本质上是物品标识的一种手段，它被认为将会最终取代现今应用非常 广泛的传统条形码，成为物品标识的最有效方式，它具有一些非常明显的优点【4 2 1 ， 表卜1 是r f i d 标签与条码的对比。 表1 1r f i d 与条码的比较 功能条码r f i d 读取数量条码读取时候只能一次一个 可以同时读取多个r f i d 的标签资料 远距离读取读取条码的时候需要光线r f i d 标签不需要光线就可以读取或者更新 资料容量存储资料的容量少存储的资料的容量大 读写能力条码资料不可更新电子资料可以反复读写 读取方便性读取的时候需要看见与清楚智慧型条码可以很薄如隐藏在包装内仍然 可以读取资料 坚固性当条码有污渍或者损坏，将无法r f i d 标签可以在严酷恶劣以及污染放射的 读取，即没有耐久性环境下读取资料 移动读取移动中读取有所限制可以进行高速移动读取 尽管r f i d 技术有着许多的优点，但是，目前r f i d 技术还是存在着一些制约 其广泛应用的瓶颈： 1 r f i d 需要相当长的时间才能够将生产成本降低下来。 目前，美国一个电子标签最低的价格 6 1 是2 0 美分左右，显然这样的价格是无 法应用于超市中某些价值较低的单件商品。只有标签的单价下降到1 0 美分以下， 才可能大规模应用于整箱整包的商品；只有下降到3 美分以下，才有可能应用于 单件包装消费品。 2 产品技术不成熟，存在较高的差错率，也是许多业内人士批评r f i d 技术的一 个理由：r f i d 被误读的比率高达2 0 9 6 。 由于r f i d 技术的不稳定性，给r f i d 的实施和上线带来了很大的麻烦：例如 标签的粘贴位置，标签阅读器的相关参数设定等等都会影响r f i d 的正常使用。 第一章绪论 5 3 缺少行业标准以及相关产品标准不统一，也是影响r f i d 大规模上线生产制造 的原因之一。 目前的电子标签全球还没有形成一个统一的标准，很多国家都正在抓紧时间 制定各自的标准。目前，我国电子标签技术正处在研发阶段。 4 关于隐私【7 】的问题 射频标签和读卡器之间通过射频信号通信，这就使r f i d 系统容易受到各种安 全性攻击，例如，偷听技术，通信流量分析，拒绝服务等等，这些安全性攻击将 会泄漏射频标签中的个人隐私信息，还有一种个人隐私的威胁存在于这样一种情 况下，如果某个人和他所带的射频标签有一定的联系，那么，通过跟踪这个标签 就能跟踪这个人。因此，射频标签必须要认证【7 】读卡器来解决隐私问题。 5 关于反碰撞问题 当多张标签同时存在于读卡器识别范围内时，就会产生冲突，必须有相应的 措施来解决这个问题。 1 3 3r f i d 技术在工业控制器方面应用的特点 。r f i d 在工业控制方面所能应用和发挥效应的主要方面包括以下几个部分：节 省人工成本，提高作业精确性，加快处理速度，有效跟踪生产流程动态几个方面。 1 节省人工成本：以生产的成本组成来看，人工成本占总成本的7 0 ，是 主要的支出成本。因此如果要想降低成本，增加竞争力，最好的方式便是降低人 工成本。 2 提高工作精确性：r f i d 可以免除传统的检查，不需要逐一清点货品的数 量，物品的生产工序，提升生产工序管理的准确性。例如r f i d 可以确保避免在不 同时间多次加工同件产品时工序发生紊乱的错误。 3 加快处理速度：r f i d 可以有效加速相关作业的处理速度，更快满足订单， 使货品在客户要求期限内交付。 4 有效跟踪生产工序流程动态：r f i d 可以精确记录每件产品的生产全部过 程，每一个工序的操作都有严格的记录，是谁操作的，操作时问以及结果情况等 等，这样，当产品某部分出错的时候，能够根据这些精确的记录情况更加迅速有 效的找出错误并解决之。 1 4 论文结构安排 本文的目的是利用r f i d 技术在物流管理方面的优越性与嵌入式系统设计相结 合来生产一种新型工业控制器，这款工业控制器灵活可配，能大大提高工业自动 曼基于a r m 9 2 0 t 的嵌入式工业控制器硬件平台设计 化程度和市场竞争力。本文的意义在于利用r f i d 技术的非接触性智能识别的特点 可以控制复杂的工序流程，并且能很好的监视生产的每个过程，对整个流水线进 行优化管理，从而大大提高工厂的生产自动化水平和生产效率。a r m 芯片具有r i s c 结构，管脚复用率高，处理速度快，片上资源丰富( 拥有多种通信接口) ，能实现 设备小体积的要求，并且大大提高设备的性价比，另外，嵌入式系统有利于操作 系统的移植，对于基于嵌入式系统的应用软件的开发提供了良好的环境。论文结 构安排如下： 第一章，主要阐述嵌入式开发的特点和r f i d 技术的特点以及它们在工 业控制器领域的应用优势。 第二章，主要阐述基于a r m 9 2 0 t 嵌入式工业控制器的总体设计，其中 包括设计需求分析，芯片选型，操作系统选择，以及原理图设计等。 第三章，主要阐述嵌入式工业控制器的详细设计流程，其中包括元件 布局，p c b 封装，p c b 布线，尤其是高速信号布线的一些值得注意的地方。 第四章，主要阐述嵌入式工业控制器的调试方法，即纯硬件调试以及 使用仿真器通过j t a g 口在a d s 下调试的方法。在这一章的结尾提到了 b o o t l o a d e r 的移植过程以便于系统正常运行操作系统。 第五章，主要阐述l i n u x 操作系统移植的问题和网络驱动程序编写的 问题。 第六章，主要阐述r f i d 系统中存在的碰撞问题及其解决方法，针对目 前最流行的两种反冲突算法进行比较并结合实际需要选择二进制搜索算法作为 其反碰撞方案。 第二章基于$ 3 c 2 4 1 0 的嵌入式工业控制器硬件平台的总体设计! 第二章基于$ 3 0 2 4 10 的嵌入式工业控制器硬件平台的总体设 计丌 2 1 嵌入式工业控制器的需求分析 2 。1 1 嵌入式工业控制器的功能描述 本嵌入式工业控制器采用3 2 位嵌入式微处理器与操作系统相结合的方式完 成一款新式工业控制器。该工业控制器原则上能够满足不同公司的生产工序的需 求。因此，在工序流程的运行上，要做到流程可以灵活的配置，从而满足不同的 工序要求。 2 1 2 嵌入式工业控制器的功能模块及分析 图2 1 是本工业控制器的功能模块框图。 图2 1 嵌入式工业控制器功能模块框图 整个功能框图分为7 个部分，下面对每个部分具体说明如下： 1 c p u ： c p u 采用3 2 位高速，低功耗微处理器，所选择芯片应该是高性价比，便于 采购的芯片，因此，应该从目前嵌入式开发中采用a r m 9 内核的主流芯片中选 墨基于a r m 9 2 0 t 嵌入式工业控制器硬件平台设计 择。 2 操作系统： 在操作系统的选择上，要考虑的方面是，功能强，性能稳定，价格低，资 源消耗少等。 3 通讯模块： 通讯模块中需要考虑以下几个方面： 2 3 2 4 8 5 通讯，现在许多的实际应用中，经常要用到2 3 2 4 8 5 通讯方 式，本工业控制器要求支持接条码机等外设，因此，在设计的时候需 要加入这两种通讯方式，并且要求能够做到通讯速率可设置，通讯方 式可选配。根据这个需要，本控制器需要有3 个通用异步串口，1 个 用做r s 3 2 口和1 个用做r s 4 8 5 口是实际应用需求，另外一个用做 r s 2 3 2 口是用来做调试时作为超级终端使用的。 t c p i pu d p 通讯，网络技术的发展，使网络通刹3 5 l 也被广泛应用， 因此，本控制器应该具备高性能的网络通讯能力，功能上应该兼容目 前很成熟的i o m i o o m 自适应技术，并且应该具备远程访问功能。 应具备u s b 读写功能，因为目前u s b 鼠标键盘以及u 盘等产品都很流 行，在实际的应用中也会用到它们。根据这个需要，本控制器需要有 3 个u s b 主口( u s b 鼠标，u s b 键盘以及u 盘各需要一个接口) 和一个 u s b 从口。 微根通讯，系统要求能兼容w i g g l e 通讯。 4 显示模块： 显示模块要求有l c d 显示屏，可以根据实际的情况选配不同的l c d 显示屏， 并具备g u i 功能，另外，l c d 显示屏还需要带触摸屏功能，因为在某些应 用中不方便使用鼠标、键盘等输入设备，触摸屏功能将能解决这个问题。 5 存储模块： 控制器内部需要有f l a s h 非易失性存储器，这样嵌入式系统中的操作系统 和文件系统以及应用程序才不会掉电后丢失。由于板上需要存放操作系 统、文件系统、应用程序等文件，因此，板上需要有较大的r o m ( 3 2 船3 2 b i t 的f l a s h ) 以及较大的s d r a m ( 3 2 m * 3 2 b i t ) 。 6 键盘输入模块： 在很多的实际应用肯定要涉及到数据输入的操作，因此应该带键盘输入功 能。 7 输入输出模块： 本工业控制器应该具备一定数量的输入输出端口，因为在很多的应用中会 涉及到对些继电器、开关信号的操作。 第二章基于$ 3 c 2 4 1 0 的嵌入式工业控制器硬件平台的总体设计竺 8 卡模块： 本控制器中应该包含有r f i d 读写卡模块，应该能够对1 5 6 9 3 、1 4 4 4 3 a 、e p c 电子标签完成协议规定的操作，另外，应该具备条码的读操作功能，因为 在实际的应用中，有需要对条码进行操作的要求。 9 电源要求： 开发板上应该有5 v 、3 3 v 、1 8 v 等电源结构，功率满足各部分的功能需 要。 1 0 p c b 板结构： p c b 板的设计应该以稳定性为主，同时兼顾面积越小越好的原则。 2 2 嵌入式工业控制器硬件平台的选择 2 2 1 嵌入式微处理器的选择 嵌入式处理器是面向应用、面向用户的嵌入式系统的核心，由于面向应用、 面向行业的特点，针对不同应用和不同半导体工艺，目前各类嵌入式处理器的 种类共计有1 0 0 0 余种，大致可分为： 嵌入式微处理器： a r m ，p o w e r p c ， 6 8 0 0 0 ，m i p s ，3 8 6 e x ； 嵌入式微控制器：8 0 5 1 ，m c 6 8 h c 0 5 ，m c 6 8 h c l l ，6 8 3 0 0 ，a m l 8 6 ， t m s 3 2 0 c 2 x ； 嵌入式d s p 处理器：t m s 3 2 0 系列，d s p 5 6 0 0 0 系列； 嵌入式s o c ( 片上系统) ：o m a p ，m - c o r e ； 就目前工业控制器硬件设计中用到的主流芯片而言，市场上有三类c p u t 2 1 芯 片： 1 以8 0 5 1 单片机系列为代表的微处理器芯片； 2 以t i 公司的t m s 3 2 02 0 0 0 系列为代表的d s p 芯片； 3 采用a r m 作为内核为代表的a r m 芯片； 8 0 5 1 单片机为代表的微处理器芯片目前已经过时，其性能，处理速度等方面 都不如后面两种芯片，因此我们不做考虑，t i 公司的t m s 3 2 02 0 0 0 系列d s p 芯片 是t i 公司专门为工业控制应用方面研制的一系列新型d s p 微处理器，其特点是芯 片设计是专门用在控制领域，因此，针对性强，芯片采用哈佛结构，处理速度快， 有着很好的性能，其缺点是价格有点高，片上资源没有a r m 芯片丰富，管脚复用 程度没有a r m 高。 嵌入式开发的硬件平台的选择【3 2 】i 矧的核心是嵌入式处理器的选择，a r m 芯片 竺基于a r m 9 2 0 t 嵌入式工业控制器硬件平台设计 在嵌入式微处理器方面有着价格低，芯片体积小，片上资源丰富等特点，特别适 用于便携式设备的开发，因此，我们选择采用a r m 内核【3 5 】【3 6 】的c p u 。 目前市场上的主流a r m 处理器基本上都是使用a r m 7 或a r m 9 的。两者在性能 上有不小的差异，a r m 9 t d m i 8 】核将a r m 7 t d m i 9 l 的功能显著提高到更高、更强的水 平。a r m 9 t d m i 也支持t h u m b 指令集，并支持片上调试。最显著的区别是流水线从 3 级增加到5 级。a r m 7 的流水线操作1 1 4 j 如图2 2 所示。 a r m 早周别措令的3 级流水线璨作o 亟匠工 堕二 困 一 指令： 时间 图2 2a r m 7 的流水线操作 到a r m 7 为止，上述的3 级流水线性价比很高，但是随着人们对性能要求不断 提高，使用原有的3 级流水线是无法满足要求的，因此a r m 9 处理器使用了5 级流 水线。同时具有分开的指令和数据存储器，减少了在每个时钟周期内必须完成的 最大工作，进而允许使用更高的时钟频率。5 级流水线具体如下。 取指：从存储器中取出指令，并将其放入指令流水线。 译码：对指令进行译码。 执行：把一个操作数移位，产生a l u 的结果。 缓冲数据：如果需要，则访问数据存储器；否则a l u 的结果只是简单的 缓冲1 个时钟周期，以便所有的指令具有同样的流水线流程。 回写：将指令产生的结果回写到寄存器堆，包括任何从存储器中读取的数 据。 图2 3 比较了a r m 7 9 】的3 级流水线和a r m 9 8 】的5 级流水线( 1 4 1 。该图显示了处 理器的主要功能如何在增加的流水线之间重新分配，以使时钟频率在相同的 工艺下得到提高。 取指令译码执行 舢r m 7 1 d m i | 取指令il 伽m b 解压缩| a r m i 晕码 il 髓g 读ia 位，a l 0r e g 写j l _ _ j o - _ - - - - - - - - - - - - - - 一l - - - l - _ - - - - - - - - - - ，。一 丫丫t，v 删哪枷f 吲阿：哥审需翟闭 图2 3a r m 7 和a r m 9 的流水线操作比较 第二章基于$ 3 c 2 4 1 0 的嵌入式工业控制器硬件平台的总体设计坠 图2 4 是a r m 9 2 0 t p j 的功能结构框图，a r m 9 2 0 t 核有a r m 9 2 0 t d m i 、存储管理单 元( m m u ) 和高速缓存三部分组成。其中，m m u 可以管理内存，高速缓存由独立的 1 6 k b 地址和1 6 k b 数据缓存组成。a r m 9 2 0 t 有两个内部协处理器【1 5 】：c p l 4 和c p l 5 。 c p l 4 用于调试控制，c p l 5 用于存储系统控制以及测试控制。a r m 9 2 0 t 处理器采用 哈佛结构并采用5 级流水线操作，它能独立作为内核或者嵌入到更复杂的系统中， a r m 9 2 0 t 支持a r m 的t h u m b 两个指令集，a r m 对1 6 位的t h u m b 指令集的支持，使 其实现了比1 6 位体系结构更高的性能和比3 2 位体系结构更高的代码密度。 图2 。4a p 珊9 2 0 t 功能结构图 先进微控制器总线架构a m b a 是a r m 公司为高性能片上微控制器定义的一套总 线标准，是一种中央多路选择器互连方案，它读数据和写数据的总线分开，完成 片上数据传送。a m b a 包括先进高性能总线( a h b ) 、先进系统总线( a s b ) 和先进外 设总线( a p b ) 。a h b 和a s b 都是高性能总线，采用高性能、高带宽系统设计，它支 持多个主( m a s t e r ) 设备和多个从( s l a v e ) 设备，a r m 公司推荐使用h h b 。h p b 实际 上是二级总线，为a h b a s b 提供一个低功耗和接口简单的扩展。它从整体上说是 一个从设备。a p b 通过桥与a h b a s b 连接。 另外，a r m 9 2 0 t 还支持片上调试逻辑以及e t m ( e m b e d e dt r a c em a c r o c e l l ) 以便于对正在处理的指令和数据进行实时跟踪。 前面已经提到，a r m 芯片目前的主流芯片是a r m 7 和a r m 9 的芯片，他们一个 是冯诺曼结构，一个是哈佛结构，另外一个明显的区别就是a r m 7 没有砌i u ( m e m o r y m a n a g e m e n tu n i t ) 而a r m 9 具有m m u 功能，因此在支持实时操作系统方面，a r m7 旦基于a r m 9 2 0 t 嵌入式工业控制器硬件平台设计 可跑u c l i n u x ( 是一个不支持高级内存管理功能的嵌入式l i n u x 系统) 、v x w o r k s 、 l i c o si i 等实时操作系统，但因处理器不带内存管理单元m m u ( 无内存分页和地 址映射机制，所以不能使用虚拟内存) ，所以不能跑w i n d o w sc e ，另外通用l i n u x 中的某些内存管理功能也不能用在a r m7 上。a r m9 是一个带m m u 功能的高端处 理器，可跑w i n c e 或通用l i n u x 的大多数功能。由上面这些分析可以看出，选择 a r m 9 内核的嵌入式产品在性能上会有很大的提高，而且对实时操作系统的支持很 好，便于我们在其之上迅速有效的开发应用软件。 确定了使用a r m 9 作为c p u 内核后，我们就要按照实际需求中对外围设备的需 求情况来选择具体的芯片，s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器$ 3 c 2 4 1 0 x ， 为手持设备和一般类型应用提供了高性能，低价格，低功耗小型微处理器的解决 方案，它采用a r m 9 2 0 t 内核，0 1 8 u m 工艺的c i d o s 标准宏单元和存储器单元。它 的低功耗，精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用。因此， 我们选用s 3 c 2 4 1 0 作为嵌入式工业控制器的主c p u 。 $ 3 c 2 4 1 0 1 1 0 】的内部资源包括： 1 个l c d 控制器( 支持s t n 和tf i i 带有触摸屏的液晶显示屏) 。 s d r a m 控制器。 3 个通道的u a r t 。 4 个通道的d m a 。 4 个具有p w m 功能的计时器和1 个内部时钟。 8 通道的1 0 位a d c 。 触摸屏接口。 1 2 s 总线接口。 2 个u s b 主机接口，1 个u s b 设备接口。 2 个s p i 接口。 s d 接口和m m c 卡接口。 看门狗计数器。 1 1 7 个通用i o 口和2 4 个外部中断源。 8 通道1 0 位a d 控制器。 片上锁相环时钟产生源。 从这些资源可以看出，除了需要再添加2 个u s b 主口和网络接口以及必要的 r f i d 读卡器模块外，s 3 c 2 4 1 0 芯片基本上已经拥有了开发嵌入式工业控制器所必 须的所有资源。 由于s 3 c 2 4 1 0 是嵌入式工业控制器的主芯片，所以先将它的一些重要的地方 做一个简单的介绍是必要的，还有一些与$ 3 c 2 4 1 0 有关的部分将在各个功能模块 的具体应用中稍做介绍。 第二章基于$ 3 c 2 4 1 0 的嵌入式工业控制器硬件平台的总体设计 旦 1 $ 3 c 2 4 1 0 的工作模式1 1 4 1 $ 3 c 2 4 1 0 采用a r m 9 内核，其核心工作模式有7 种，如表2 1 所示。 表2 1 $ 3 c 2 4 1 0 的工作模式 u s e r ( u s r ) 正常的用户程序执行模式 f i q ( f i q ) 用于支持数据传输和通道处理 i r q ( i r q ) 用于一般的中断处理 s u p e r v i s o r ( s v c ) 操作系统运行的保护模式 a b o r t ( a b t ) 当指令或数据预取发生中断时进入该模 式 s y s t e m ( s y s )有特权的用户模式，为操作系统服务 u n d e f i n e d ( u n d )支持软件仿真和硬件的协处理器的模式 a r m 微处理器的运行模式可以通过软件改变，也可以通过外部中断或异常处 理改变，大多数的应用程序运行在用户模式下，当处理器运行在用户模式下时， 某些被保护的系统资源是不能被访问的，除用户模式外，其余的6 种模式称为非 用户模式或特殊模式，其中除去用户模式和系统模式以外的5 种模式又称为异常 模式，常用于处理中断和异常，以及需要访问受保护的系统资源等情况。 2 时钟和电源管理 在时钟方面$ 3 c 2 4 1 0 有突出的特点，该芯片集成了一个具有日历功能的r t c 和具有p l l ( m p l l 和u p l l ) 的芯片时钟发生器。m p l l 产生主时钟，能够使处理器 工作频率最高达到2 0 3 m h z 。这个工作频率能够使处理器轻松运行于w i n d o w sc e 、 l i n u x 等操作系统以及进行较为复杂的信息处理。u p l l 产生实现主从u s b 功能的 时钟。 $ 3 c 2 4 1 0 可以生成三种时钟信号，分别是c p u 使用的f c l k 、a h b 总线使用的h c l k 和a p b 总线使用的p c l k 。同时，s 3 c 2 4 1 0 有两个锁相环，一个用于f c l k 、p c l k 和h c l k ，称为m p l l ；另一个用于u s b 设备，称为u p l l 。 1 ) 时钟源选择1 1 0 1 通过o m 的2 、3 管脚来选择主时钟源和u s b 时钟源，如表2 2 所示。 表2 2 $ 3 c 2 4 1 0 的时钟源选择 m o d e 删 3 ：2 m p l ls t a t eu p l ls t a t em a inc l o c ks o u c eu s bc l o c ks o u c e 0 0o no n c r y s t a lc r y s t a l 0 lo no n c r y s t a l e x t c l k 1 0o no ne x t c l k c r y s t a l 1 0 o no ne x t c l ke x t c l k 2 ) h c l k 、p c l k 和f c l k $ 3 c 2 4 1 0 支持h c l k 、p c l k 和f c l k 的分频选择，其比率通过h d i v n 、p d i v n 寄存器控制，如表2 3 所示。 竺基于a r m 9 2 0 t 嵌入式工业控制器硬件平台设计 表2 3f c l k 、p c l k 和f c l k 频率选择 h d i v np d i v n f c l kh c l kp c l kd i v i d er a t i o 0 0f c l kf c l kf c l k1 ：1 ：1 ( d e f a u lt ) 01f c l k f c l kf c l k 21 ：1 ：2 1of c l k f c l k 2f c l k 21 ：2 ：2 l1f c l k f c l k 2f c l k 41 ：2 ：4 ( r e c o m m e n d e d ) 3 ) 电源管理1 1 0 】 $ 3 c 2 4 1 0 通过4 种电源管理模式有效地控制了功耗。这4 种模式分别为正 常模式、慢速模式、空闲模式和掉电模式。这4 种模式的转换关系如图2 5 所示。嵌入式产品对功耗极为敏感，特别是对于手持设备来说。系统的功耗可 以通过电源模式的变化获得最好的控制。 厂 7 (i d l e 厂i n ，嘲磁嘲s n t 0 ：2 3 , r t ca l a r m 、啊酾喇 条。夕j 、 俨 、 e t n t f ! r t c 叠自 磊l o 八ws 竺札必 p o w e r o f fb i t = i 。，、。7 秽 y w = 三 疆r 图2 5 $ 3 c 4 1 0 的电源管理模式转换关系图 2 2 2f l a s h 芯片选择 2 2 2 1 闪速存储器的特点 闪速存储器【1 1 】( f l a s hm e m o r y ) 是一类非易失性存储器，即使在供电电源关 闭后仍能保持片内信息，而诸如d r a m 、s r a m 这类易失性存储器，当供电电源关闭 的时候，片内信息随即丢失。f l a s hm e m o r y 除了拥有与其他非易失性存储器一样 第二章基于$ 3 c 2 4 1 0 的嵌入式工业控制器硬件平台的总体设计望 的优点以外，还有自身的特点：与e p r o m 相比，闪速存储器具有明显的优势一 在系统电可擦除和可重复编程，而不需要特殊的高电压，与e e p r o m 相比，闪速存 储器具有成本低、密度大的特点，其独特的性能使其广泛的应用于包括嵌入式系 统在内的各个领域。 2 2 2 2 闪速存储器的分类f 1 2 】 目前，生产闪速存储器的厂家很多，如a m d ，a t m e l ，f u j i s t u ，h i t a c h i ， t o s h i b a ，i n t e l ，m i c r o n ，s a m s u n g ，s s t