基于 ARM 和 Linux 通用工控平臺設計與實現(xiàn)

隨著工控技術的進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間內設計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，以高性價比的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，可以方便地構建工程應用所需的絕大部分自動測控系統(tǒng)。其應用無論是在性能還是在成本方面都極具競爭力，這預示著本平臺具有較好的應用前景。

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)及外圍部件進行設計，以適應當前工控現(xiàn)場更加豐富的技術要求，并結合工業(yè)測控Modbus協(xié)議，擴展多種通信接口，滿足用戶的通信需求。與此同時，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計
1 AT91RM9200微處理器最小系統(tǒng)構成
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、復位電路、JTAG接口、存儲器模塊、串行調試接口等電路組成。至此就具備了設計開發(fā)一款基于ARM微處理器的通用工控平臺的硬件基礎。

2 硬件平臺外圍接口電路
利用AT91RM9200豐富的內置外設，可以方便的擴展外圍接口，如表2所示。

3 硬件平臺用戶接口
系統(tǒng)對外提供一個2*32針的標準3U插槽，共64針。3U插槽專門設計用于便攜式應用，特別適合作為一體化的移動控制器用于工業(yè)測控、產品線、運輸系統(tǒng)和交通控制系統(tǒng)的應用。

4 硬件平臺結構
根據(jù)上述對AT91RM9200最小系統(tǒng)及各外圍部件的設計，最終構成以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構

通用工控軟件平臺設計
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Linux環(huán)境的軟件的開發(fā)環(huán)境，嵌入式Linux內核編譯、應用程序編譯都在該虛擬機完成。為了提高開發(fā)效率，以虛擬機中安裝的Linux為服務器，通過Windows客戶端使用Telnet或SSH登錄服務器，服務器可自由在客戶端中下載必需的開發(fā)工具及軟件，調試應用程序時，可以先在PC的Linux環(huán)境下進行模擬，然后通過DEBUG調試串口下載在目標平臺下。這種開發(fā)環(huán)境的優(yōu)點是只需要一臺計算機就可以真實的模擬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平臺上生成另一個平臺上的可執(zhí)行代碼。所謂平臺，實際上包含兩個概念：體系結構及操作系統(tǒng)。根據(jù)上述建立的開發(fā)環(huán)境，目標平臺是基于ARM體系結構的運行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，而開發(fā)編譯環(huán)境是基于PC中虛擬機上的Linux操作系統(tǒng)。若在目標平臺上運行程序，則須在PC開發(fā)環(huán)境下對代碼進行交叉編譯以適應目標平臺。

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，同時編寫hello.c程序進行驗證
$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平臺上運行，也證明交叉編譯工具鏈是有效并且可用的。

Linux內核編譯下載
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) 進入Linux-2.6.21目錄，內核編譯：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服務器：運行Linux系統(tǒng)下的tftp服務器，復制Linux內核的uImage文件到tftp下載工作目錄下，啟動tftp服務，確保PC和AT91RM9200接入同一網(wǎng)段；

(6) 下載內核映像文件，并在U-Boot提示符下擦除Flash；

(7) 下載內核映像文件到Flash中；

Linux文件系統(tǒng)
軟件平臺使用cramfs文件系統(tǒng)，其特點是：系統(tǒng)訪問某個位置的數(shù)據(jù)時，立即計算出該數(shù)據(jù)在cramfs中的位置，解壓到RAM中，然后通過內存訪問來獲取數(shù)據(jù)，cramfs中的解壓縮之后的內存中的數(shù)據(jù)存放位置都是由cramfs文件系統(tǒng)本身來管理，用戶并不需要實現(xiàn)過程，因此增加了透明度，給開發(fā)人員節(jié)約了時間。

2 Linux操作系統(tǒng)下設備驅動開發(fā)
Linux上的設備驅動非常豐富，支持各種主流硬件設備和最新的硬件技術。設備驅動程序在Linux內核中，是一個個獨立的“黑盒子”，使某個特定的硬件響應一個定義良好的內部編程接口，同時完全隱藏設備的工作細節(jié)。通過一組標準化的調用，把這些調用映射到設備特定的操作上，則是設備驅動程序的任務。而在Linux系統(tǒng)里，每一個設備都被看作一個文件，打開的設備在內核中由一個File結構標志，內核使用File_operations結構訪問驅動程序的函數(shù)。每個設備與一組標準函數(shù)集關聯(lián)。

3 Linux操作系統(tǒng)下應用程序開發(fā)
采取在PC上編譯應用程序，運行測試通過后，再通過網(wǎng)絡或串口等方法下載到目標平臺/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正常運行后，進入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。

通用工控平臺人機交互通信機制實現(xiàn)
嵌入式GUI為嵌入式系統(tǒng)提供了一種應用于特殊場合的人機交互接口。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設備上。

MiniGUI 是一個根據(jù)嵌入式系統(tǒng)應用特點量身定做的完整的圖形支持系統(tǒng)。將現(xiàn)代窗口和圖形技術帶入到嵌入式設備，是一個非常適合于嵌入式設備的高效、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)點可總結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，易于擴展；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用領域。