基于ModBus協(xié)議及嵌入式的MultiBus—CPU模塊

??? MultiBus—CPU模塊是基于AT91RM9200微控制器的智能化多總線測控模塊。該CPU模塊主要實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)的控制，并建立基于Modbus—RTU總線協(xié)議的總線通信體系結(jié)構(gòu)，讓系統(tǒng)設(shè)備可以無縫接入基于Modbus—RTU模式的總線系統(tǒng)，可靠、實(shí)時、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、信號輸出等功能；同時，提供標(biāo)準(zhǔn)視頻接口用于顯示16位色圖像，提供標(biāo)準(zhǔn)音頻輸入輸出接口用于實(shí)現(xiàn)錄放音功能。該模塊作為嵌入式開發(fā)環(huán)境的核心，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的交互操作和顯示、海量數(shù)據(jù)的存儲、多串口、多USB口、音頻信號輸入輸出、以太網(wǎng)口等接口；運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，可以快速搭建面向應(yīng)用的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。

1 MultiBus—CPU模塊軟件設(shè)計(jì)方案
??? 為了滿足實(shí)際應(yīng)用對實(shí)時性的要求，MultiBus—CPU模塊軟件采用了Linux2．6．21操作系統(tǒng)。其中，Linux2．6的內(nèi)核任務(wù)可以被搶占，這一特性使得Linux2．6內(nèi)核適用于實(shí)時系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)中。驅(qū)動程序在Linux環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)，應(yīng)用層采用標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議——Modbus協(xié)議，控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中監(jiān)控。通過一致的Modbus接口，MultiBus—CPU模塊與擴(kuò)展下位機(jī)均可作為對等設(shè)備在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行對話，使得各個設(shè)備無縫接入到工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中。MultiBus—CPU模塊支持現(xiàn)階段工業(yè)測控系統(tǒng)中最常用的以太網(wǎng)(UDP)通信及RS485通信協(xié)議。因此，本模塊在與其他功能模塊進(jìn)行通信時，采用Modbus—RTU數(shù)據(jù)通信方式，利用以太網(wǎng)(UDP)／RS485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，實(shí)現(xiàn)對各功能模塊的集中監(jiān)控。軟件總體結(jié)構(gòu)如圖l所示。

2 MulitiBus—CPU模塊硬件設(shè)計(jì)方案
??? 硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。MultiBus—CPU模塊選用Atmel公司的AT91RM9200為主處理器，融合了ARM920T ARM Thumb處理器。其工作于180 MHz時性能高達(dá)200 MIPS；具備存儲器管理單元，可以運(yùn)行Linux等實(shí)時操作系統(tǒng)；具備10／100 Base—T型以太網(wǎng)卡接口，只需外擴(kuò)一個PHY即可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信；具備USB 2．O全速(12 Mb／s)主機(jī)雙端口，可以擴(kuò)展鍵盤、鼠標(biāo)、U盤等標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)。

??? 主處理器AT91RM9200具備5個串口：1個DEBUG串口，設(shè)計(jì)為RS232接口，可以直接連接PC的串口進(jìn)行調(diào)試；1個RS485接口，可以與其他功能模塊的RS485接口組成網(wǎng)絡(luò)；其余3個串口均設(shè)計(jì)為RS232接口。
??? 通過CPU模塊的外部總線和Epson公司的S1D13506顯示芯片擴(kuò)展了一個VGA接口，分辨率為640×480，256色。IS41LVl6100為其提供獨(dú)立顯存，容量為1M×16位，支持EDO PAGE模式。
??? GL850A芯片是一個低功耗的USB 2．0 HUB控制器，AT91RM9200本身的USB HOST接口通過GL850A芯片擴(kuò)展為4個USB HOST接口。
DS3231是精度非常高的I2C集成實(shí)時時鐘。其精度在0～40℃內(nèi)高達(dá)±2 ppm，在-40～85℃內(nèi)精度可達(dá)±3．5ppm；板載電池，掉電后可以保持時間；可為系統(tǒng)提供秒、分、小時、日、日期、月、年等信息，具有自動閏年調(diào)整功能。
??? WM8731是一個低功耗網(wǎng)絡(luò)音頻編解碼器(CO-DEC)，具有輸出功率放大器和可編程采樣速率設(shè)定功能。WM8731芯片通過I2S接口與CPU連接，為CPU模塊擴(kuò)展了音頻信號的輸入輸出接口，使系統(tǒng)具備音頻采樣功能，音頻信號數(shù)字化后可以通過以太網(wǎng)傳送。
??? DM9161為10／100M快速以太網(wǎng)物理層單芯片收發(fā)器，H1102為網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器，用于實(shí)現(xiàn)10／100M自適應(yīng)的可靠網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。
??? MultiBus—CPU模塊通過增加顯示控制芯片及其驅(qū)動實(shí)現(xiàn)了顯示接口，系統(tǒng)運(yùn)行信息可以直接通過VGA顯示器顯示出來，大大提高了人機(jī)交互的可操作性。

3 顯示模塊硬件設(shè)計(jì)方案
3．1 接口芯片選擇
??? 接口芯片選用Epson公司生產(chǎn)的大規(guī)模顯示控制器S1D13506。它是以SEDl354控制器為基礎(chǔ)發(fā)展起來的具有更多功能的LCD顯示控制器，支持全類型、大規(guī)模的LCD及CRT／TV顯示器。S1D13506內(nèi)置RAMDAC(Random Access Memory Digital-to-Analog Converter，隨機(jī)數(shù)模轉(zhuǎn)換記憶體)硬件X-Y軸轉(zhuǎn)置二維加速器，共有114個寄存器，可以靈活地設(shè)置各種不同的顯示方式。
3．2 接口硬件設(shè)計(jì)
??? S1D13506與處理器的接口采用通用類型總線(包括數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線)。接口定義如表1所列。芯片所用像素時鐘CLKl、CLK2是由同步信號發(fā)生器ICSl523來提供的，外接1M×16位的EDO-DRAM IS41LVl6100。

??? 圖3是顯示電路總體連接圖。S1D13506連接到AT9IRM9200的信號有：
、ABl～AB20、DBl～DBl5、。連接到ICSl523的信號有：CLCKI、CLCKl2(用于內(nèi)部顯示及外部媒體接口時鐘)。連接到IS41LVl6100的信號有：DRAM-WE、DRAM-RAS、LCAS、UCAS、MA0～MA9、MD0～MDl5。其中，MDl、MD2、MD4、MD6、MDl5需要外接上拉電阻用于S1D13506初始配置。其他控制信號連接到LCD／CRT顯示器。S1D13506芯片有個測試使能引腳TESTEN在芯片正常工作時接地。如果不使用RAMDAC的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，那么IREF引腳必須接地。ICSl523通過I2C串行總線(TWD、TWCK)接受AT91RM9200對它的寄存器配置。本設(shè)計(jì)中，ICSl523的輸入時鐘是50 MHz，輸出CLKl為25 MHz，CLK2為12．5 MHz．

4 顯示模塊軟件設(shè)計(jì)方案
4．1 Linux下LOD驅(qū)動程序開發(fā)
??? 在Linux內(nèi)核中，設(shè)備驅(qū)動程序是一個個獨(dú)立的“黑盒子”，可以使某個特定的硬件響應(yīng)一個定義良好的內(nèi)部編程接口，同時完全隱藏了設(shè)備的工作細(xì)節(jié)，用戶操作只需要通過一組標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)用即可完成。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)。而每一個設(shè)備都可以看作是一個文件，所以打開的設(shè)備在內(nèi)核中都可以由一個File結(jié)構(gòu)標(biāo)識，內(nèi)核使用File_operations結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動程序的函數(shù)。每個文件(設(shè)備)都與它自己的函數(shù)集相關(guān)聯(lián)。這些操作函數(shù)主要負(fù)責(zé)上面所提到的系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)，并因此被命名為open、read、for-k，ioctl等。
??? LCD控制器的功能是顯示驅(qū)動信號，進(jìn)而驅(qū)動LCD。用戶只需要通過讀寫一系列的寄存器，就可以配置和顯示驅(qū)動。配置LCD控制器時，最重要的一步是幀緩沖區(qū)(FrameBuffer)的指定。幀緩沖區(qū)為圖像硬件設(shè)備提供了一種抽象化處理，它代表了一些視頻硬件設(shè)備，允許應(yīng)用軟件通過定義明確的界面來訪問圖像硬件設(shè)備。用戶程序只需與幀緩沖驅(qū)動程序抽象出來的接口打交道，就可以把要顯示的內(nèi)容從緩沖區(qū)中讀出，從而顯示到屏幕上。
??? 在FrameBuffer驅(qū)動程序中，最核心的結(jié)構(gòu)體是幀緩沖區(qū)驅(qū)動程序接口，即struct fb_info。它記錄了當(dāng)前FrameBtlffer硬件設(shè)備的狀態(tài)，通常在Linux的inctLtde／Linux／fb．h中定義。最主要的結(jié)構(gòu)體有：Struct fb_fiX_screeninfo，定義顯示輸出設(shè)備自身的屬性，如屏幕緩沖區(qū)的物理地址和長度；Struct fb_var_screeninfo，記錄幀緩沖設(shè)備和指定顯示模式的可修改信息，包括顯示屏幕的分辨率、每個像素的比特?cái)?shù)和一些時序變量。
??? 若要先設(shè)定幀緩沖區(qū)的物理地址和長度，就要在SlDl3506．h里指定，然后在驅(qū)動程序里通過對fb_fiX_screeninf0賦值來實(shí)現(xiàn)：
????
????
??? 首先對LCD的背光燈進(jìn)行點(diǎn)亮。LCD顯示是一種被動的顯示模式，不能發(fā)光，只能依靠控制透射或反射周圍環(huán)境的光來達(dá)到顯示的目的。因此，必須通過寫寄存器用高電平指示對LCD加3．2 V電壓來實(shí)現(xiàn)背光燈的點(diǎn)亮。其函數(shù)的部分代碼如下：
????
????數(shù)組里每個元素的第1個值代表寄存器的名稱，第2個值代表要設(shè)定的數(shù)值(1個十六進(jìn)制的數(shù))。32h寄存器用于設(shè)定LCD顯示的水平像素?cái)?shù)目，計(jì)算方法是把第2個值轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制，加1再乘以8就得出水平像素。例如，0x63換算成十進(jìn)制為99，加1乘以8就是800。38h和39h寄存器分別設(shè)置成0x57和0x02，就可以顯示600的垂直分辨率。計(jì)算方法是以39h寄存器的bitO和bitl位為高位，38h寄存器的bitO～bit7為低位，組成的一個十六進(jìn)制的數(shù)，再轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制。除了要修改這3個寄存器外，34h和3Ah這兩個寄存器也會對顯示的分辨率有影響。
??? 幀緩沖設(shè)備也屬于字符設(shè)備，要通過“文件層-驅(qū)動層”的接口方式來對LCD進(jìn)行驅(qū)動，就必須對File operationes數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)fb_ops進(jìn)行填充，并實(shí)現(xiàn)其對應(yīng)的成員函數(shù)。本系統(tǒng)在include／Linux／fb．h中定義了幀緩沖區(qū)的文件操作，部分代碼如下：
???
??? 這個結(jié)構(gòu)中的每一個字段都必須指向驅(qū)動程序中實(shí)現(xiàn)特定操作的函數(shù)。對于不支持的操作，對應(yīng)的字段可以被置為NULL，或留到后續(xù)開發(fā)時再添加。本模塊中實(shí)現(xiàn)特定操作的成員函數(shù)的代碼如下：

????
??? 接下來把一些調(diào)用的函數(shù)寫完整，編寫好程序后用arm-linux-gcc編譯驅(qū)動模塊；然后對其動態(tài)加載，或靜態(tài)將其編譯到Linux內(nèi)核；加載完程序后，就可以編寫應(yīng)用程序進(jìn)行讀／寫等操作了。
4．2 MinilGUI的移植
??? 在嵌入式開發(fā)環(huán)境中，獨(dú)立的顯示操作人機(jī)界面是非常必要的。它可以使嵌入式系統(tǒng)對PC系統(tǒng)的依賴性降到最低，可以直接操作嵌入式系統(tǒng)并顯示運(yùn)行結(jié)果。MultiBus-CPU模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的USB鍵盤、USB鼠標(biāo)、VGA顯示器作為人機(jī)交互界面，使用習(xí)慣類同于PC機(jī)，簡易了開發(fā)者的開發(fā)過程，并且用戶的使用過程也變得簡單、快捷、易于操作。
??? MiniGUI是遵循GPL條款發(fā)布的自由軟件，其目標(biāo)是為基于Linux的實(shí)時嵌入式系統(tǒng)提供一個輕量級的圖形用戶界面支持系統(tǒng)。與QT／Em-bedded、MicoroWindows等其他GUI相比，MiniGUI的最顯著特點(diǎn)就是輕型、占用資源少。據(jù)稱MiniGUI能夠在CPU主頻為30 MHz、僅有4 MB RAM的系統(tǒng)上正常運(yùn)行，這是其他多種GUI所無法達(dá)到的。
??? MiniGUI在AT91RlM9200上的移植包括4個步驟：
??? ①構(gòu)建Linux交叉編譯環(huán)境。通常使用的交叉編譯工具是arm-Linux-gcc2．95．3版本。下載此交叉編譯工具后在Linux內(nèi)安裝好，并且在PATH中添加／usr／loeal／arm-Linux／bin路徑，交叉編譯環(huán)境就構(gòu)建好了。
??? ②交叉編譯MiniGUI，這是最關(guān)鍵的一步。首先從網(wǎng)上下載MiniGUI源程序包(包括庫文件和資源文件)，以及其他支持圖形界面的源程序包；然后用上一步安裝好的交叉編譯工具對其進(jìn)行編譯，編譯時可指定編譯后庫文件及資源文件的安裝位置。
??? ③拷貝MiniGUI資源到開發(fā)板。將第2步編譯好的庫文件及資源文件拷貝到開發(fā)板上?？截愔跋扔胊rm-Linux-strip命令清除文件中的調(diào)試信息，這樣就使文件體積大大縮小，可以滿足嵌入式系統(tǒng)的需要。
??? ④板載Linux的MiniGUI環(huán)境配置。將第2步安裝好的MiniGUI配置文件MiniGUI．cfg下載到板子中，并將其中fbcon的defaultmode設(shè)置為合適的顯示模式。

結(jié)語
??? 本文基于嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)了一種MultiBus—CPU模塊，能夠滿足各種嵌入式開發(fā)環(huán)境的設(shè)計(jì)要求。該模塊軟硬件均采用模塊化設(shè)計(jì)，采用國外廣泛應(yīng)用的ModBus通信協(xié)議，可滿足工業(yè)現(xiàn)場的測控需要。