武漢中科院巖土力學(xué)所智能儀器室對基于ARM9的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，高速微處理器與現(xiàn)有低速設(shè)備接口及在配套的操作系統(tǒng)中就SY5聲波檢測儀原有功能設(shè)計相應(yīng)驅(qū)動是本文研究的重點(diǎn)。同時提出了可行的硬件調(diào)試方法，為今后基于ARM9微處理器的硬件開發(fā)提供了思路。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 高性能的ARM9嵌入式微處理器

本設(shè)計選擇Cirrus Logic公司2004年7月推出的EP93XX系列中的高端產(chǎn)品EP9315。該微處理器是高度集成的片上系統(tǒng)處理器，擁有先進(jìn)的200MHz ARM920T處理器并支持Linux、WindowsCE和其他許多嵌入式操作系統(tǒng)的存儲器管理單元(MMU)。它具有ARM920T內(nèi)核所有的優(yōu)異性能。與其他ARM9微處理器相比，EP9315具有以下特性：MaverickCrunchTM數(shù)學(xué)運(yùn)算引擎,支持浮點(diǎn)、整數(shù)和信號處理指令;豐富的集成外設(shè)接口，包括PCMCIA、接口圖形加速器、可接兩組設(shè)備的EIDE、1/10/100Mbps以太網(wǎng)MAC、3個2.0全速HOST USB、專用SDRAM通道的LCD接口、觸摸屏接口、SPI串行外設(shè)接口、AC97接口、6通道I2S接口、8×8鍵盤掃描接口;支持4組32位SDRAM的無縫連接等。

配合Windows CE.net嵌入式操作系統(tǒng)，系統(tǒng)開發(fā)效率高、運(yùn)行穩(wěn)定，為工業(yè)控制提供了可靠的系統(tǒng)平臺。基于定制的WinCE操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制中應(yīng)用模塊的專用驅(qū)動，提高了嵌入式系統(tǒng)的通用性。

1.2 系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)

EP9315嵌入式系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個系統(tǒng)分為嵌入式系統(tǒng)、應(yīng)用模塊(聲波檢測儀)和轉(zhuǎn)換模塊三部分。Cirrus logic公司為用戶提供了基于該處理器的全功能開發(fā)板。該開發(fā)板擴(kuò)展了EP9315的所有功能，并可根據(jù)實(shí)際需求將全功能開發(fā)板的硬件進(jìn)行裁減，從而降低成本。該開發(fā)板預(yù)留了標(biāo)準(zhǔn)PC104接口，可方便用戶開發(fā)應(yīng)用。應(yīng)用模塊也預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)PC104接口，其中的I/O控制信號、數(shù)據(jù)線、地址線與EP9315嵌入式系統(tǒng)的PC104接口一一對應(yīng)。而系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換模塊可保證嵌入式系統(tǒng)和應(yīng)用模塊連接的穩(wěn)定性。

EP935嵌入式系統(tǒng)主要由電源、32MB/64MB內(nèi)存、LCD接口、警示LED、主USB、面板按鍵、CF卡接口、以太網(wǎng)接口和標(biāo)準(zhǔn)PC104接口組成。其中電源提供5V、3.3V、1.8V三種電壓輸出，分別給應(yīng)用模塊、外設(shè)、CPU內(nèi)核供電。內(nèi)存為操作系統(tǒng)提供運(yùn)行空間。其中嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用模塊的I/O控制信號、數(shù)據(jù)線和地址線都引到標(biāo)準(zhǔn)PC104插座上，經(jīng)轉(zhuǎn)換模塊處理后相接。采用PC104總線標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的各種應(yīng)用目標(biāo)。液晶顯示屏用于人機(jī)交互，警示LED直觀地顯示電源狀況。主USB支持U盤和USB鼠標(biāo)鍵盤，CF卡作為大容量存儲器存放應(yīng)用模塊的數(shù)據(jù)，用戶通過面板按鍵實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。

1.3 嵌入式系統(tǒng)板與應(yīng)用模塊的連接方案

系統(tǒng)外接的應(yīng)用模塊(SY5聲波檢測儀)采用51系列單片機(jī)控制數(shù)字模擬電路實(shí)現(xiàn)特殊功能。整個數(shù)字電路部分均為5V供電，模擬部分由5V及正負(fù)12V供電，采樣數(shù)據(jù)通過RS232串口傳給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。而EP9315、I/O口及外圍電路均為3.3V供電，管腳承受的最大電壓不超過3.6V。

考慮到每個管腳的驅(qū)動能力有限，用電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動芯片74LVXC4245實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。其作用如下：

(1)改善信號的質(zhì)量。某些對時延比較敏感、且在系統(tǒng)內(nèi)又相距較遠(yuǎn)或者較分散的信號，信號線的寄生電容會損害信號的特性。采用74LVXC4245驅(qū)動芯片進(jìn)行隔離，會改善系統(tǒng)的性能。

(2)抗干擾。增加74LVXC4245這樣的有源緩沖器可以有效地減少干擾。

(3)電平轉(zhuǎn)換。3.3V到5V和5V到3.3V雙向電平轉(zhuǎn)換。

74LVXC4245是8通道電壓轉(zhuǎn)換器，最大可提供200mA的驅(qū)動電流。與專用模塊接口時，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)線、地址線、I/O信號、中斷信號等的單/雙向電平轉(zhuǎn)換。

地址線的電平轉(zhuǎn)換方向設(shè)置為3.3V到5V。I/O、中斷信號的電平轉(zhuǎn)換方向可設(shè)置為單向轉(zhuǎn)換，3.3V到5V或5V到3.3V片選可接地。

數(shù)據(jù)線是雙向信號，電平轉(zhuǎn)換時要特別注意其方向信號和片選信號的設(shè)計。設(shè)計不合理會造成總線沖突，系統(tǒng)無法啟動。數(shù)據(jù)線電平轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

由圖2可見，方向信號使用讀信號的反向信號#RD，保證讀操作時數(shù)據(jù)線由5V到3.3V，寫操作時數(shù)據(jù)線由3.3V到5V，防止了總線沖突。使能信號OE可接地或接片選信號。

EP9315在WinCE操作系統(tǒng)下主頻達(dá)到200MHz，總線頻率為100MHz，外設(shè)時鐘為50MHz，硬件調(diào)試環(huán)境必須與操作系統(tǒng)完全吻合。而應(yīng)用模塊多采用74系列芯片，工作頻率一般為幾兆赫茲。頻率不匹配造成了EP9315發(fā)出的讀寫及使能信號脈寬不足50ns，對由74系列芯片組成的專用模塊不能實(shí)現(xiàn)正確的讀寫操作。因此，系統(tǒng)的存儲空間采用了如圖3所示的分配，應(yīng)用模塊地址空間為CS7：0X7000_0000-0X7FFF_FFFF。

為給低速設(shè)備提供足夠脈寬的總線信號，設(shè)置應(yīng)用模塊地址空間存儲空間讀寫特性寄存器SMCBCR7中等待時間位WST1和WST2：

總線讀取等待時間=(WST+1)×總線時鐘

連續(xù)讀取等待時間=(WST+1)×總線時鐘

調(diào)試代碼如下：

//總線時鐘為200MHz

ClkSet1=0x02A4A3D7;

//設(shè)置cs7數(shù)據(jù)寬度為8，讀寫脈寬為150ns

temp=SMCBCR7;

temp=temp& 0xcfffffff;

temp=temp | 0xffef;

SMCBCR7=temp;

這種設(shè)置使得SDRAM等高速外設(shè)和低速外設(shè)擁有不同的總線頻率，具有很大的靈活性。

2 系統(tǒng)軟件

2.1 嵌入式操作系統(tǒng)下的驅(qū)動程序類型

由于Windows CE.net開發(fā)工具好學(xué)易用，沒有目標(biāo)設(shè)備時可以在PC上仿真測試，因此基于Windows CE.net的嵌入式開發(fā)日益普及。但要在操作系統(tǒng)下控制應(yīng)用模塊就要為應(yīng)用模塊編寫驅(qū)動。本質(zhì)上，Windows CE的設(shè)備驅(qū)動程序都是一些動態(tài)鏈接庫(.dll文件)，這些dll向內(nèi)核提供了入口函數(shù),使設(shè)備管理模塊可以通過這些函數(shù)與具體的硬件設(shè)備進(jìn)行通信。由于應(yīng)用模塊功能的不同，微軟沒有提供相應(yīng)的驅(qū)動，所以只能自行開發(fā)測試。開發(fā)過程中采用單層驅(qū)動結(jié)構(gòu)。

2.2 驅(qū)動程序開發(fā)

2.2.1 應(yīng)用模塊初始化

應(yīng)用模塊的初始化在標(biāo)準(zhǔn)流接口函數(shù)DEV_Init( )中完成，在內(nèi)核加載驅(qū)動時調(diào)用該函數(shù)，其中DEV為設(shè)備文件名的前綴，Windows CE使用其識別與特殊流接口驅(qū)動程序相對應(yīng)的特殊設(shè)備。初始化的基本步驟為：

(1)檢查應(yīng)用模塊硬件信息的正確性。

(2)用Windows CE中的API函數(shù)為應(yīng)用模塊驅(qū)動中用到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分配緩沖區(qū)。

hDev=LocalAlloc(LPTR，sizeof(Dev_INFO));

其中：pDev為包含設(shè)備必要信息的結(jié)構(gòu)體指針，Dev_INFO為該結(jié)構(gòu)體類型。

(3)設(shè)置應(yīng)用模塊的默認(rèn)參數(shù)，如應(yīng)用模塊在系統(tǒng)中分配的物理地址空間的基地址。

PHYSICAL_ADDRESS phyAddr;//64_bit地址

phyAddr.LowPart=hDev->dwIOBaseAddr;//32_bit物理基地址

phyAddr.HighPart=0;//高32_bit地址

(4)通過HalTranslateBusAddress( )和MmIoSpace( )映射I/O地址，提供直接訪問設(shè)備的虛擬地址。

if(!HalTranslateBusAddress(Isa，0，phyAddr，0，&phyAddr)) return FALSE;

hDev->lpMappedBaseAddr=(LPBYTE)MmMapIoSpace(phyAddr，size，F(xiàn)ALSE);

if(!hDev->lpMappedBaseAddr) return FALSE;

如果分配內(nèi)存或映射虛擬地址失敗，則返回FALSE，退出初始化程序。

(5)初始化應(yīng)用模塊的讀寫屬性和共享模式。

2.2.2 應(yīng)用模塊數(shù)據(jù)接收與發(fā)送

應(yīng)用模塊數(shù)據(jù)的傳遞在流接口函數(shù)Dev_Write( )和Dev_Read( )中完成。

DEV_Write(<由應(yīng)用程序傳入的設(shè)備句柄>，<寫入數(shù)據(jù)指針>，<寫入數(shù)據(jù)位數(shù)>)

{//每寫1字節(jié)調(diào)用一次WRITE_PORT_UCHAR( );}

DEV_Read(<由應(yīng)用程序傳入的設(shè)備句柄>，<存放數(shù)據(jù)指針>，<讀入數(shù)據(jù)位數(shù)>)

{//每讀1字節(jié)調(diào)用一次READ_PORT_UCHAR( );}

其中：WRITE_PORT_UCHAR( )和READ_PORT_UCH-

AR( )中傳遞的地址為經(jīng)過MmMapIoSpace( )映射過的虛擬地址。

2.2.3 建立應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動的聯(lián)系

操作系統(tǒng)中的應(yīng)用程序與驅(qū)動中的流接口函數(shù)一一對應(yīng)。其關(guān)系如圖4。

當(dāng)應(yīng)用程序準(zhǔn)備對某個設(shè)備進(jìn)行讀寫時，系統(tǒng)必須先執(zhí)行CreateFile( )函數(shù)打開這個設(shè)備，得到的設(shè)備句柄即為底層設(shè)備驅(qū)動中Dev_Open( )的返回值。應(yīng)用程序通過CloseHandle( )調(diào)用設(shè)備驅(qū)動中的Dev_Close( )。執(zhí)行完該函數(shù)后驅(qū)動程序引用的設(shè)備將不再有效。當(dāng)一個流接口驅(qū)動程序被打開后，應(yīng)用程序使用ReadFile( )對這個設(shè)備進(jìn)行讀操作，驅(qū)動程序中Dev_Read( )響應(yīng)該操作;同樣應(yīng)用程序使用WriteFile( )對該設(shè)備進(jìn)行寫操作，驅(qū)動程序中Dev_Write( )響應(yīng)此操作。另外，應(yīng)用程序還可以使用DeviceIOControl()通知操作系統(tǒng)調(diào)用流接口驅(qū)動中的DEV_IOControl( )去通知驅(qū)動程序要執(zhí)行的操作。這些操作用戶可用Windows CE提供的API函數(shù)CTL_CODE自定義。

結(jié)論

基于EP9315嵌入式系統(tǒng)對武漢中科院巖土力學(xué)所設(shè)計的SY5聲波儀的控制，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。與原來由51單片機(jī)搭建的SY5聲波儀相比，該系統(tǒng)功耗降低、體積變小、穩(wěn)定性增強(qiáng)、成本降低，更適合工業(yè)控制中的運(yùn)用。