基于ARM CPU 的實時控制系統(tǒng)開發(fā)平臺

1 前言

國內控制系統(tǒng)開發(fā)大多是幾個人以小組的形式根據(jù)不同的項目組織在一起，由于缺乏一個穩(wěn)定工作的硬件基礎，整個開發(fā)工作的重點大都放在調試硬件故障。所有項目的開發(fā)幾乎全部使用匯編語言，嚴重影響了程序的可讀性和可移植性，更換不同的處理器就意味著一切從頭開始，就連使用相同處理器的不同項目組之間的程序重用也很困難。而對于嵌入式應用系統(tǒng)應著重解決的實際問題往往無暇顧及，非常不利于我國嵌入式應用水平的提高；其次，測控系統(tǒng)通訊接口種類比較少, 多為傳統(tǒng)的RS-232、RS-485接口，數(shù)據(jù)交換速度慢，已經(jīng)不能滿足日益增長的數(shù)據(jù)傳輸需求；再次，傳統(tǒng)的8/16位單片機已經(jīng)越來越不能適應日漸復雜的應用需求，友好的交互界面、網(wǎng)絡互連功能、智能化的軟件、實時的數(shù)據(jù)處理幾乎成了現(xiàn)代實時測控系統(tǒng)的共同需求。

我們開發(fā)了基于ARM內核處理器的NetC ARM7開發(fā)板，通過在嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)uC/OS-Ⅱ上加入Interniche公司的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)了一個網(wǎng)絡化、智能化、高性能的現(xiàn)代實時測控系統(tǒng)開發(fā)平臺。此外通過JTAG在線調試工具BDI2000 RDI for ARM和集成化開發(fā)環(huán)境IAR EW（或者ARM SDT/ADS）的結合大大提高了程序調試的效率。

2 平臺設計

ARM內核處理器具有高性能、低功耗、低成本、低開發(fā)難度等一系優(yōu)點，是測控系統(tǒng)由8/16位機升級到32位機的理想選擇。此外ARM7，ARM9，ARM10，Xscale的指令兼容,已有的軟件資源和開發(fā)經(jīng)驗不會由于升級到更高性能的處理器而受到巨大的損失。

2.1 平臺需要建立在穩(wěn)定的可擴展的硬件基礎之上

我們開發(fā)了NETCARM7開發(fā)板(處理器為ATMEL公司的ARM7TDMI內核的AT91M40800,主頻可達40MHz)作為中低端實時測控系統(tǒng)開發(fā)平臺的硬件基礎。AT91M40800性能已經(jīng)可以滿足一般測控系統(tǒng)的各種需求，功能簡單易用，雙面板就可以形成穩(wěn)定硬件設計，大大降低了開發(fā)成本。板上將處理器的所有管腳引出,可以根據(jù)實際的項目需求靈活的擴展出新的應用。還集成了多達2M-byte的SRAM，保證用戶代碼可以獲得最高的性能，1M-byte Flash ROM,用來滿足絕大多數(shù)項目的需求。板上預留了JTAG端口，通過Abatron公司的BDI在線仿真器和IAR公司的集成開發(fā)環(huán)境EmbededWorkbench for ARM可以實現(xiàn)各種程序的在線調試。板上提供了2個串口，還可以將處理器的UART配置成SPI，除了完成通訊功能以外，還可以為很容易的連接AD變換器，滿足測控系統(tǒng)的需求。板上還擴展了10M以太網(wǎng)接口，在網(wǎng)絡控制器方面，我們也選用了低成本符合NE2000標準的RT8019，為平臺提供了網(wǎng)絡化的硬件基礎。此外板上還集成了液晶顯示，及行列式鍵盤接口可以很方便的為嵌入式應用系統(tǒng)提供友好的用戶交互方式。

2.2 開放源碼的嵌入式多任務操作系統(tǒng)是未來嵌入系統(tǒng)必然的選擇

控制系統(tǒng)所要完成得工作越來越復雜，程序越來越龐大，需要管理的外設越來越多，只有擁有嵌入式多任務操作系統(tǒng)，擁有穩(wěn)定工作的硬件基礎，開發(fā)工作重點才能由原來硬件的調試，軟件的調試轉變?yōu)閷τ趯嶋H應用系統(tǒng)的性能的提 高,智能化軟件的編寫。此外只有在一個完整的、具有統(tǒng)一編程規(guī)范的操作系統(tǒng)基礎上使用高級語言開發(fā)出的應用程序，才可能具有良好的可移植性,才可能被重復利用，嵌入式多任務操作系統(tǒng)是實現(xiàn)現(xiàn)代實時控制系統(tǒng)開發(fā)平臺的唯一途徑。操作系統(tǒng)與模塊化硬件設計結合起來，共同構成一個可以重復利用的軟硬件數(shù)字系統(tǒng)平臺，除了可以最大限度的提高開發(fā)的效率、減少資源的浪費外，還可以通過長期對于該平臺的研究，來逐步優(yōu)化平臺軟硬件資源，提高其性能，并滿足日益復雜的應用需求。

目前大多商用嵌入式操作系統(tǒng)出于商業(yè)利益的考慮，除了使用該操作系統(tǒng)的每件產(chǎn)品要收取版稅以外，要么只提供操作系統(tǒng)核心部分二進制文件，要么對源代碼的收費十分昂貴，對于此類操作系統(tǒng)的使用者來講，幾乎無法拿到操作系統(tǒng)的源代碼。這樣，一方面產(chǎn)品的進一步發(fā)展受制于人，另一方面對于嵌入式應用系統(tǒng)容易出現(xiàn)隱患，無法從根本上避免"后門"-既安全性。

對于小型實時控制系統(tǒng)來說，源代碼公開的、具有很好可移植性的、可固化可裁剪的、高穩(wěn)定性與可靠性、搶占式多任務的uC/OS-Ⅱ非常適合！代碼簡潔的uC/OS-Ⅱ已經(jīng)應用于照像機業(yè)、醫(yī)療儀器、音響設備、發(fā)動機控制、網(wǎng)絡接入設備、高速公路電話系統(tǒng)、ATM機、工業(yè)機器人等嵌入式實時系統(tǒng)。

2.3 網(wǎng)絡化是現(xiàn)代實時控制系統(tǒng)必備的特征

TCP/IP協(xié)議棧使得嵌入式系統(tǒng)可以通過Internet將通訊距離無限擴展。10M以太網(wǎng)，使得大量數(shù)據(jù)的快速傳輸成為可能，這樣除了可以充分利用PC機上各種資源，完成數(shù)據(jù)的存儲、分析、統(tǒng)計工作，還可以實現(xiàn)測控系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換，對于智能化、模塊化的嵌入式設備集群的實現(xiàn)提供另一種途徑。PPP協(xié)議可以通過調制解調器實現(xiàn)遠程的數(shù)據(jù)交換、狀態(tài)控制等功能，為嵌入式系統(tǒng)提供更靈活的控制、監(jiān)測方式。

我們選用了Interniche公司(http://www.iniche.com/)開放源碼的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧。Interniche使我們很容易的在uC/OS-Ⅱ的調度下為開發(fā)平臺增加了網(wǎng)絡通信和網(wǎng)絡管理等功能。由于它是專門為嵌入式系統(tǒng)而設計的，占用的系統(tǒng)資源很小。Interniche協(xié)議全部用標準C語言，除了可以運行在各種RTOS下，亦可在沒有RTOS的環(huán)境下獨立運行。此外，Interniche還在uC/OS-Ⅱ的基礎上專門為其嵌入式TCP/IP協(xié)議棧編寫了自己的嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)：ChronOS （既uC/OS-Ⅱ2.52）。ChronOS除了保持對已經(jīng)廣泛使用的uC/OS-Ⅱ的兼容性以外，使嵌入式TCP/IP協(xié)議棧與RTOS更加緊密的結合在一起，來滿足各種現(xiàn)代應用對RTOS和嵌入式TCP/IP協(xié)議相結合的迫切需求。

常用的Interniche包括：

(1) 核心協(xié)議

NicheStackTM-InternicheTCP協(xié)議包含TCP，UDP，IP，TFTP，DHCP Client，ICMP，ARP，SLIP，BootTP，DNS Client。

NicheLiteTM-Internicheda單連接的微型化的TCP/IP協(xié)議，全部代碼在12K以內，它包含全部的NichestackTM所有的協(xié)議，和一個最少化的Socket API,易于移植到從8位到32位CPU上。

Niche TooLTM-菜單驅動的協(xié)議調試和測試工具（包含在NicheStack和Nichelite中）
可選擇應用模塊:PPP，Multilink PPP，PPPoE，Telnet(ServerClient)，F(xiàn)TP(ServerClient)，IP Multicast，NichePOP3-它是TCP/IP上的附加模塊增加了與POP3Email服務器收郵件功能。