基于ARM和Linux通用工控平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[圖]

隨著工控技術(shù)的進(jìn)步和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(cè)控系統(tǒng)。本文針對(duì)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(tái)，在此平臺(tái)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(tái)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(dòng)測(cè)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(jìng)爭(zhēng)力，這預(yù)示著本平臺(tái)具有較好的應(yīng)用前景。

本工控平臺(tái)在硬件上，選擇ATMEL公司的AT91RM9200微處理器，并對(duì)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(chǎng)更加豐富的技術(shù)要求，并結(jié)合工業(yè)測(cè)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(cè)控軟件的開發(fā)提供了性能優(yōu)良軟件平臺(tái)。

通用工控硬件平臺(tái)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?；贏T91RM9200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(chǔ)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(tái)的硬件基礎(chǔ)。

2 硬件平臺(tái)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(tái)用戶接口

系統(tǒng)對(duì)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(dòng)控制器用于工業(yè)測(cè)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(tái)結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述對(duì)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(tái)，如圖1所示。

圖1 通用工控平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)

通用工控軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

1 基于ARM硬件平臺(tái)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(tái)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(tái)下。這種開發(fā)環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)是只需要一臺(tái)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(tái)上生成另一個(gè)平臺(tái)上的可執(zhí)行代碼。所謂平臺(tái)，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(tái)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(tái)上運(yùn)行程序，則須在PC開發(fā)環(huán)境下對(duì)代碼進(jìn)行交叉編譯以適應(yīng)目標(biāo)平臺(tái)。

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(tái)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(dòng)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)