如何設(shè)計(jì)基于ARM的智能測(cè)溫系統(tǒng)？

在簡(jiǎn)單系統(tǒng)中 ， 一般采用前 、 后臺(tái)編程方式設(shè)計(jì)軟件，但在復(fù)雜的系統(tǒng)中，前后臺(tái)方式的軟件設(shè)計(jì)方法無法滿 足系統(tǒng)的要求，需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧支持、文件系統(tǒng)支持、多進(jìn) 程支持后，前、后臺(tái)軟件由于其超循環(huán)編程方法的限制很 難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能要求，因此復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)往往加入 了嵌入式操作系統(tǒng)的支持。 目前，常用嵌入式操作系統(tǒng)有 VxWorks、WinCE、Linux等。這里我選用的是Linux，它是開 放源代碼的類UNIX操作系統(tǒng)。目前經(jīng)過長(zhǎng)期的發(fā)展Linux已 成為世界領(lǐng)先的操作系統(tǒng)，可以運(yùn)行在服務(wù)器、大型機(jī)和超 級(jí)計(jì)算機(jī)， 由于Linux的可剪裁性和可移植性，目前也廣泛 應(yīng)用在嵌入式設(shè)備上，如消費(fèi)電子產(chǎn)品、交換設(shè)備、工業(yè)控 制等。

Linux具備良好的多進(jìn)程與多線程支持，并且支持多種 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、具備豐富的文件系統(tǒng)，并且其開源代碼的特性受 到廣大的開發(fā)者支持。

在本系統(tǒng)中采用L inu x操作系統(tǒng)能夠充分利用嵌入式 Linux中成熟的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簇以及模塊化的剪裁方法，降低系 統(tǒng)軟件的開發(fā)難度，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。

1.5 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

平臺(tái)設(shè)計(jì)的軟件采用分層以及模塊化的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為解決方案。因此， 將軟件劃分為應(yīng)用層、系統(tǒng)層、驅(qū)動(dòng)層;系統(tǒng)層軟件需要完 成Linux在操作系統(tǒng)上的移植和各個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng);應(yīng)用層軟 件需要完成溫度采集模塊、顯示模塊以及網(wǎng)絡(luò)通信模塊的軟 件設(shè)計(jì)。軟件層次示意圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)各主要接口硬件電路設(shè)計(jì)

圖7 PWM接口蜂鳴器電路連接圖

2.1 S5PC100存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的目標(biāo)平臺(tái)中需要擴(kuò)展三種類型的存儲(chǔ)介質(zhì)，分 別為DDR2 SDRAM、NAND FLASH以及SD卡電路。下面按 照三種存儲(chǔ)介質(zhì)在系統(tǒng)中的功能分別進(jìn)行闡述。

(1)DDR2 SDRAM電路

S5PC100 SDRAM控制器通過向外部16位或32位SDRAM

提供接口來擴(kuò)展芯片存儲(chǔ)能力。本平臺(tái)采用2片K4T1G164

16位寬度DD2 SDRAM組成32位內(nèi)存，容量256MB，如圖3。

(2)NANDFLASH電路與SD卡存儲(chǔ)電路 由于系統(tǒng)需要運(yùn)行Linux系統(tǒng)，系統(tǒng)代碼較為復(fù)雜，需

要一定容量的存儲(chǔ)器存放Linux操作系統(tǒng)源代碼以及應(yīng)用程 序，由于S5PC100內(nèi)置了NAND FL ASH控制器，因此平臺(tái) 采用K9F2G08 256MB NAND FLASH直接與S5PC100 NAND FLASH控制器接口連接。SD卡可通過S5PC100內(nèi)置SDIO1總 線直接連接。其NAND FLASH電路原理圖如圖4所示、SD卡 的原理圖如圖5所示。

2.2 溫度傳感器接口

平臺(tái)設(shè)計(jì)了采用DS18B20一線制溫度傳感器接口。采用 S5PC100處理器GPIO引腳接口控制溫度傳感器DS18B20的溫 度測(cè)量，LCD屏輸出測(cè)量溫度，原理圖如圖6所示。

2.3 溫度報(bào)警電路

本 設(shè) 計(jì) 采 用 軟 件 處 理 報(bào) 警 ， 利 用 無 源 蜂 鳴 器 進(jìn) 行 報(bào) 警，當(dāng)所測(cè)溫度超限后輸出PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警， 其電路原理圖如圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 Linux操作系統(tǒng)移植

完整的嵌入式linux系統(tǒng)由bootloader、kernel、rootfs等

3個(gè)基本部分組成。其中bootloader用于引導(dǎo)和裝載操作系統(tǒng)、kernel為linux內(nèi)核程序、rootfs為文件系統(tǒng)，如圖8。

3.1.1 交叉編譯環(huán)境

嵌入式開發(fā)系統(tǒng)受到自身硬件以及軟件資源的限制， 無法完成代碼的本地編譯，其開發(fā)需要在宿主機(jī)上建立交叉 開發(fā)環(huán)境。

交叉開發(fā)環(huán)境是包含了編輯器、編譯器、連接器、調(diào) 試器和libc庫等的程序環(huán)境。在開發(fā)嵌入式Linux相關(guān)軟件 時(shí)，常用的交叉開發(fā)工具是GNU工具鏈。系統(tǒng)中宿主機(jī)使 用的開發(fā)環(huán)境為ubuntu12.04操作系統(tǒng)，目標(biāo)板內(nèi)核版本號(hào)為 標(biāo)準(zhǔn)linux-2.6.35，使用到的交叉編譯器是arm-linux-gcc-4.5.1。

3.1.2 Bootloader程序設(shè)計(jì)

Bootloader是在操作系統(tǒng)運(yùn)行前運(yùn)行的一段專用程序， 可以完成平臺(tái)硬件設(shè)備的初始化，并能完成引導(dǎo)和調(diào)試操作 系統(tǒng)。 Bootloader依賴CPU體系結(jié)構(gòu)，一般將Bootloader按功 能劃分為兩個(gè)階段，其中第1階段實(shí)現(xiàn)基本硬件電路的初始 化，為操作系統(tǒng)的運(yùn)行準(zhǔn)備環(huán)境。在平臺(tái)中，由于使用的是 ARM微控制器，因此第一階段需要實(shí)現(xiàn)設(shè)置處理器進(jìn)入管 理模式、關(guān)閉處理器中斷與快中斷、設(shè)置處理器主頻、高速 總線主頻與告訴外設(shè)主頻、CPU關(guān)閉MMU與數(shù)據(jù)Cache，初 始化內(nèi)存控制器，代碼由存儲(chǔ)器自搬運(yùn)至內(nèi)存，設(shè)置運(yùn)行程 序需要的臨時(shí)堆棧、BSS段清零等工作。第2階段主要實(shí)現(xiàn) 進(jìn)入交互模式或者自引導(dǎo)模式，實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的加載，一般 要根據(jù)操作系統(tǒng)與硬件平臺(tái)的需要實(shí)現(xiàn)相關(guān)硬件的初始化工 作， 如初始化GPIO、串口、網(wǎng)口等外部設(shè)備，完成向內(nèi)核 傳遞啟動(dòng)參數(shù)等功能。

3.1.3 Linux內(nèi)核的定制

Linux目前已經(jīng)支持了x86、ARM、MIPS等多種處理器 架構(gòu)，支持的平臺(tái)類型多達(dá)3000多種。各種ARM處理器的 設(shè)計(jì)廠商為了更好地推廣處理器的使用，都會(huì)Linux中添加補(bǔ)丁， 使得該處理器能夠在L i nu x 行正常運(yùn)行。 平臺(tái)選用Linux-2.6.35版本，面對(duì)大規(guī)模的Linux源代碼，我們需要對(duì)Linux進(jìn)行剪裁移植。

Linux源代碼采用模塊化的組織方式，可以通過條件編 譯的方式對(duì)Linux源碼的功能進(jìn)行剪裁，但是條件編譯法裁 剪的是功能模塊，對(duì)于具體的硬件驅(qū)動(dòng)和優(yōu)化就需要對(duì)源代 碼進(jìn)行細(xì)微的修改了。

3.1.4 根文件系統(tǒng)的建立

根文件系統(tǒng)是存放各種工具軟件、庫文件、腳本、配 置文件的地方，任何包括這些Linux系統(tǒng)啟動(dòng)所必須的文件 都可以成為根文件系統(tǒng)。Linux支持jffs2，nfs，cramfs，yaffs2 等多種文件系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中使用的Ramdisk文件系統(tǒng)，實(shí) 際上是把內(nèi)存劃出一部分當(dāng)作硬盤使用，使得程序運(yùn)行效率 更高。系統(tǒng)中的工具集合采用BusyBox完成，BusyBox 將許多 具有共性的小版本的UNIX工具結(jié)合到一個(gè)單一的可執(zhí)行文 件。這樣的集合可以替代大部分常用工具比如GNU fileuTIls， shelluTIls等工具，BusyBox提供了一個(gè)比較完善的環(huán)境，可 以適用于任何嵌入式設(shè)備。