基于 ARM 和 Linux 通用工控平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
隨著工控技術(shù)的進(jìn)步和市場競爭的加劇,開發(fā)人員通常需要在盡可能短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出滿足用戶要求的測控系統(tǒng)。本文針對嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn),以高性價(jià)比的32位ARM嵌入式處理器AT91RM9200為硬件核心,搭建了通用工控硬件平臺,在此平臺上移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)和圖形界面開發(fā)環(huán)境MiniGUI。以此通用工控平臺為基礎(chǔ),可以方便地構(gòu)建工程應(yīng)用所需的絕大部分自動測控系統(tǒng)。其應(yīng)用無論是在性能還是在成本方面都極具競爭力,這預(yù)示著本平臺具有較好的應(yīng)用前景。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/161879.htm
本工控平臺在硬件上,選擇ATMEL公司的AT91RM9200微處理器,并對其最小系統(tǒng)及外圍部件進(jìn)行設(shè)計(jì),以適應(yīng)當(dāng)前工控現(xiàn)場更加豐富的技術(shù)要求,并結(jié)合工業(yè)測控Modbus協(xié)議,擴(kuò)展多種通信接口,滿足用戶的通信需求。與此同時(shí),選擇嵌入式Linux操作系統(tǒng)為測控軟件的開發(fā)提供了性能優(yōu)良軟件平臺。
通用工控硬件平臺設(shè)計(jì)
1 AT91RM9200微處理器最小系統(tǒng)構(gòu)成
最小系統(tǒng)是保證微處理器可靠工作所必需的基本電路。基于AT91RM9200微處理器的最小嵌入式系統(tǒng)由微處理器AT91RM9200、電源電路、晶體振蕩器電路、復(fù)位電路、JTAG接口、存儲器模塊、串行調(diào)試接口等電路組成。至此就具備了設(shè)計(jì)開發(fā)一款基于ARM微處理器的通用工控平臺的硬件基礎(chǔ)。
2 硬件平臺外圍接口電路
利用AT91RM9200豐富的內(nèi)置外設(shè),可以方便的擴(kuò)展外圍接口,如表2所示。
3 硬件平臺用戶接口
系統(tǒng)對外提供一個(gè)2*32針的標(biāo)準(zhǔn)3U插槽,共64針。3U插槽專門設(shè)計(jì)用于便攜式應(yīng)用,特別適合作為一體化的移動控制器用于工業(yè)測控、產(chǎn)品線、運(yùn)輸系統(tǒng)和交通控制系統(tǒng)的應(yīng)用。
4 硬件平臺結(jié)構(gòu)
根據(jù)上述對AT91RM9200最小系統(tǒng)及各外圍部件的設(shè)計(jì),最終構(gòu)成以AT91RM9200微處理器為硬件核心的通用工控硬件平臺,如圖1所示。
圖1 通用工控平臺硬件結(jié)構(gòu)
通用工控軟件平臺設(shè)計(jì)
1 基于ARM硬件平臺搭建Linux操作系統(tǒng)
ARM-Linux開發(fā)環(huán)境搭建
建立以嵌入式Linux為操作系統(tǒng)的工控平臺的開發(fā)環(huán)境和在Windows下安裝虛擬機(jī)Linux環(huán)境的軟件的開發(fā)環(huán)境,嵌入式Linux內(nèi)核編譯、應(yīng)用程序編譯都在該虛擬機(jī)完成。為了提高開發(fā)效率,以虛擬機(jī)中安裝的Linux為服務(wù)器,通過Windows客戶端使用Telnet或SSH登錄服務(wù)器,服務(wù)器可自由在客戶端中下載必需的開發(fā)工具及軟件,調(diào)試應(yīng)用程序時(shí),可以先在PC的Linux環(huán)境下進(jìn)行模擬,然后通過DEBUG調(diào)試串口下載在目標(biāo)平臺下。這種開發(fā)環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)是只需要一臺計(jì)算機(jī)就可以真實(shí)的模擬Linux,具體過程如圖2所示。
圖2 開發(fā)環(huán)境
交叉編譯
交叉編譯就是在一個(gè)平臺上生成另一個(gè)平臺上的可執(zhí)行代碼。所謂平臺,實(shí)際上包含兩個(gè)概念:體系結(jié)構(gòu)及操作系統(tǒng)。根據(jù)上述建立的開發(fā)環(huán)境,目標(biāo)平臺是基于ARM體系結(jié)構(gòu)的運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng),而開發(fā)編譯環(huán)境是基于PC中虛擬機(jī)上的Linux操作系統(tǒng)。若在目標(biāo)平臺上運(yùn)行程序,則須在PC開發(fā)環(huán)境下對代碼進(jìn)行交叉編譯以適應(yīng)目標(biāo)平臺。
依據(jù)環(huán)境變量PREFIX,將編譯好的工具鏈安裝到指定文件夾就可以使用了。
例如,修改arm-Linux-gcc-2.95.3的環(huán)境變量為:
PATH=$PATH:$HOME/bin:$PREFIX/bin:/usr/local/arm/2.95.3/bin:/sbin:/usr/sbin:/usr/local/sbin,同時(shí)編寫hello.c程序進(jìn)行驗(yàn)證
$arm-Linux-gcc hello.c -o hello-arm
$file hello-arm
hello-arm: ELF 32-bit LSB executable, ARM, version1 (ARM), for GNU/Linux 2.0.0, dynamically linked (uses shared libs),not stripped
這表明生成的hello-arm可以在ARM平臺上運(yùn)行,也證明交叉編譯工具鏈?zhǔn)怯行Р⑶铱捎玫摹?/p>
Linux內(nèi)核編譯下載
具體步驟如下:
(1) 解壓Linux-2.6.21-2009-04 -10.bz2:tar xjvf Linux-2.6.21 -2009-04-10.bz2;
(2) 進(jìn)入Linux-2.6.21目錄,內(nèi)核編譯:make uImage;
(3) 編譯完成后,通過SSH把uImage文件拷貝到Windows環(huán)境下;
(4) 配置U-Boot環(huán)境變量;
(5) 配置tftp服務(wù)器:運(yùn)行Linux系統(tǒng)下的tftp服務(wù)器,復(fù)制Linux內(nèi)核的uImage文件到tftp下載工作目錄下,啟動tftp服務(wù),確保PC和AT91RM9200接入同一網(wǎng)段;
(6) 下載內(nèi)核映像文件,并在U-Boot提示符下擦除Flash;
(7) 下載內(nèi)核映像文件到Flash中;
Linux文件系統(tǒng)
軟件平臺使用cramfs文件系統(tǒng),其特點(diǎn)是:系統(tǒng)訪問某個(gè)位置的數(shù)據(jù)時(shí),立即計(jì)算出該數(shù)據(jù)在cramfs中的位置,解壓到RAM中,然后通過內(nèi)存訪問來獲取數(shù)據(jù),cramfs中的解壓縮之后的內(nèi)存中的數(shù)據(jù)存放位置都是由cramfs文件系統(tǒng)本身來管理,用戶并不需要實(shí)現(xiàn)過程,因此增加了透明度,給開發(fā)人員節(jié)約了時(shí)間。
2 Linux操作系統(tǒng)下設(shè)備驅(qū)動開發(fā)
Linux上的設(shè)備驅(qū)動非常豐富,支持各種主流硬件設(shè)備和最新的硬件技術(shù)。設(shè)備驅(qū)動程序在Linux內(nèi)核中,是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的“黑盒子”,使某個(gè)特定的硬件響應(yīng)一個(gè)定義良好的內(nèi)部編程接口,同時(shí)完全隱藏設(shè)備的工作細(xì)節(jié)。通過一組標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)用,把這些調(diào)用映射到設(shè)備特定的操作上,則是設(shè)備驅(qū)動程序的任務(wù)。而在Linux系統(tǒng)里,每一個(gè)設(shè)備都被看作一個(gè)文件,打開的設(shè)備在內(nèi)核中由一個(gè)File結(jié)構(gòu)標(biāo)志,內(nèi)核使用File_operations結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動程序的函數(shù)。每個(gè)設(shè)備與一組標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)集關(guān)聯(lián)。
3 Linux操作系統(tǒng)下應(yīng)用程序開發(fā)
采取在PC上編譯應(yīng)用程序,運(yùn)行測試通過后,再通過網(wǎng)絡(luò)或串口等方法下載到目標(biāo)平臺/usr目錄下,對于較小的程序,使用串口下載比較方便,具體的步驟為
(1) PC模擬環(huán)境下開發(fā)程序,交叉編譯;
(2) 待ARM平臺下Linux正常運(yùn)行后,進(jìn)入usr目錄,然后選擇下載的程序;
(3) 下載完成后,chmod +x filenam修改文件屬性為可執(zhí)行命令;
(4) 執(zhí)行剛下載的文件命令為./filename。
通用工控平臺人機(jī)交互通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)
嵌入式GUI為嵌入式系統(tǒng)提供了一種應(yīng)用于特殊場合的人機(jī)交互接口。新一代嵌入式GUI的主要特征有:以用戶為中心、多通道、智能化、高帶寬。嵌入式Linux 系統(tǒng)中,幾乎所有的GUI 都建立在FrameBuffer設(shè)備上。
MiniGUI 是一個(gè)根據(jù)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)量身定做的完整的圖形支持系統(tǒng)。將現(xiàn)代窗口和圖形技術(shù)帶入到嵌入式設(shè)備,是一個(gè)非常適合于嵌入式設(shè)備的高效、可靠、可定制、小巧靈活的圖形用戶界面支持系統(tǒng),主要優(yōu)點(diǎn)可總結(jié)為支持多種嵌入式操作系統(tǒng),具備優(yōu)秀的可移植性;可伸縮的系統(tǒng)架構(gòu),易于擴(kuò)展;功能豐富,可靈活剪裁;得到小體積高性能間的最佳平衡且具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
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