基于ARM920T的嵌入式靜力測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

   　 靜力測(cè)量可用于許多不同的測(cè)量系統(tǒng)中。目前大多數(shù)工業(yè)控制系統(tǒng)、地質(zhì)勘測(cè)系統(tǒng)以及建筑測(cè)量中所使用的計(jì)量設(shè)備(衡器)的測(cè)量模型大多建立于杠桿原理或彈性原理，其平衡方程均建立在靜力平衡的基礎(chǔ)之上。隨著微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展、嵌入式芯片的大量引入、控制功能的完善、速度及組態(tài)軟件以及圖像處理技術(shù)的發(fā)展，目前已出現(xiàn)了很多新型靜力測(cè)量系統(tǒng)。當(dāng)今的靜力測(cè)量系統(tǒng)正沿著微型化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的主流方向發(fā)展。

   　 在以前主從式單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的靜力測(cè)量系統(tǒng)中，主單片機(jī)負(fù)責(zé)管理整個(gè)系統(tǒng)，從單片機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)具體的功能，然后通過(guò)增加外設(shè)來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示和打印功能。整個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)主程序，其中包括系統(tǒng)控制模塊、驅(qū)動(dòng)和用戶(hù)界面程序。這樣，系統(tǒng)的硬件軟件功能的可擴(kuò)展性以及通信方式、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力就受到了很大的限制。針對(duì)這些問(wèn)題并結(jié)合實(shí)際的項(xiàng)目需要，本文提出并研制了一種基于ARM920T內(nèi)核的嵌入式靜力測(cè)量系統(tǒng)。

1 靜力測(cè)量原理及系統(tǒng)要求

　　靜力測(cè)量一般是采用半導(dǎo)體應(yīng)變電阻的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這可在宏觀上用金屬絲應(yīng)變電阻方程來(lái)描述：

　　對(duì)于半導(dǎo)體材料，其電阻的變化率△R／R主要由△ρ／ρ引起，這種變化取決于它的電阻應(yīng)變，所以，可得到下列公式：

　　式中，π為壓阻系數(shù)，σ為應(yīng)力，E為彈性模量，ε為應(yīng)變，μ為泊松比。

　　半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度為：

　　靜力測(cè)量一般通過(guò)單橋或雙橋橋式電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，在圖1所示的電橋中，在初始狀態(tài)，橋是平衡的，也就是B、D兩點(diǎn)的電壓為0。而在力的作用之下，由于壓力電阻的特殊屬性，應(yīng)力變化導(dǎo)致R1電阻阻值發(fā)生變化，從而使得橋臂不平衡，這個(gè)不平衡會(huì)反映在電阻R1的電壓上。該電壓再經(jīng)過(guò)放大電路放大，最終作為AD轉(zhuǎn)換器的輸入電壓信號(hào)。這里需要注意的重要一點(diǎn)是，電阻RL兩端的電位均是以電源E的一半為參考的，因此，在電路設(shè)計(jì)時(shí)，這一點(diǎn)需要充分考慮。

　　靜力測(cè)量系統(tǒng)往往工作于較為惡劣的環(huán)境，通常是在野外進(jìn)行，很多的數(shù)據(jù)和信息都不能在現(xiàn)場(chǎng)得到及時(shí)的處理，因此，要求系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力、強(qiáng)大的系統(tǒng)處理功能及較多的外圍支持設(shè)備，同時(shí)要具有良好而美觀的用戶(hù)界面、較大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和很好的程序模塊化，此外，它還應(yīng)　　具有良好的數(shù)據(jù)和圖像處理功能，以便任務(wù)完成后能在脫離現(xiàn)場(chǎng)的空間對(duì)所獲數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行處理并得出想要的結(jié)果。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　基于目標(biāo)系統(tǒng)功能的要求，本設(shè)計(jì)中整個(gè)系統(tǒng)的核心處理器和操作系統(tǒng)分別選定三星公司基于ARM9內(nèi)核的S3CFS2410處理器和目前比較流行的Linux操作系統(tǒng)。同時(shí)，其硬件系統(tǒng)還需具備處理能力和外設(shè)比較豐富的ARM處理器、適當(dāng)大小的內(nèi)存、存儲(chǔ)容量匹配的閃存、顯示設(shè)備和交互設(shè)備接口、串口和USB口、網(wǎng)絡(luò)控制器和網(wǎng)口、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、外部中斷接口、紅外線收發(fā)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和在線調(diào)試ICE接口等。其功能方框圖如圖2所示。

　　采用圖2所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)可以最大程度地實(shí)現(xiàn)核心板的擴(kuò)展功能。該設(shè)計(jì)在核心板上集成有ARM處理器S3CFS2410；內(nèi)存63 M字節(jié)的SDRAM由兩片K4S561632組成；10 MB的以太網(wǎng)控制器選用CS8900Q3；64 M字節(jié)的Nand Flash閃存選用K9F1208，而2MB的Nor Flash閃存則選用SST39VF1601。S3CFS2410是三星公司的一款基于ARM920T內(nèi)核的16、32位RISC嵌入式微處理器，主要面向手持設(shè)備以及高性?xún)r(jià)比、低功耗的應(yīng)用。它的運(yùn)行頻率可以達(dá)到203 MHz。此外，S3CFS2410集成的資源還包含有LCD控制器、SDRAM控制器、3個(gè)通道的UART、4個(gè)通道的DMA、4個(gè)具有PWM功能的計(jì)時(shí)器和一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘、8通道的10位ADC、觸摸屏接口、IIS總線接口、2個(gè)USB主機(jī)接口、1個(gè)USB設(shè)備接口、2個(gè)SPI接口、看門(mén)狗計(jì)數(shù)器、117個(gè)通用I／O口和24個(gè)外部中斷源、8通道的10位AD控制器、一個(gè)具有日歷功能的RTC和具有PLL的芯片時(shí)鐘發(fā)生器。由于該芯片用MPLL產(chǎn)生主時(shí)鐘，因此能夠使主處理器的工作頻率高達(dá)203 MHz。

　　本設(shè)計(jì)在硬件實(shí)現(xiàn)方案上充分考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和核心板布局的靈活性，因而采用了拔插式的核心板布局。其他各外部功能處理模塊(如鍵盤(pán)、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、通用I／O口、液晶屏、觸摸屏、網(wǎng)絡(luò)接口、USB接口、無(wú)線收發(fā)模塊、串口UART、VGA轉(zhuǎn)化電路和電源模塊)均采用擴(kuò)展接口的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)其模塊功能，主要用來(lái)完成數(shù)據(jù)的收發(fā)、網(wǎng)絡(luò)通訊、鍵盤(pán)操作以及圖像處理和顯示。通過(guò)這些特殊功能模塊可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行特定的處理，以便很好地完成人機(jī)交互界面和通過(guò)外設(shè)對(duì)系統(tǒng)核心模塊的控制，具體接口方式如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的編譯和調(diào)試可采用ADS1.2工具。該工具的功能非常強(qiáng)大，能支持多種ARM內(nèi)核以及ARM匯編語(yǔ)言、C語(yǔ)言、C++等。而且在進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置時(shí)，不必記憶大量的參數(shù)格式，而是可直接在窗口中設(shè)置。它能夠支持映象仿真，并可配合調(diào)試硬件邏輯SUPERJTAG實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試。

　　由于本系統(tǒng)是一個(gè)基于ARM的嵌入式Linux系統(tǒng)平臺(tái)，系統(tǒng)最為關(guān)鍵的是實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)程序，植入Linux操作系統(tǒng)，而不很關(guān)心具體的應(yīng)用。所以，軟件系統(tǒng)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)性能優(yōu)良的引導(dǎo)程序，以使Linux操作系統(tǒng)能夠良好地運(yùn)行起來(lái)。事實(shí)上，在嵌入式系統(tǒng)中，通常并沒(méi)有像PC機(jī)中BIOS那樣的同件程序，因此，整個(gè)系統(tǒng)的加載啟動(dòng)任務(wù)就完全由Boot Loader來(lái)完成。完成硬件檢測(cè)和資源分配后，只要將閃存中的BootLoader讀到系統(tǒng)的RAM中，然后將控制權(quán)交給Boot Loader即可。Boot Loader的主要運(yùn)行任務(wù)是將內(nèi)核映象從閃存讀到RAM，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的入口點(diǎn)去運(yùn)行，也就是開(kāi)始啟動(dòng)操作系統(tǒng)。

　　由于Boot Loader的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于CPU的體系結(jié)構(gòu)，因此大多數(shù)Boot Loader都分為階段一和階段二兩大部分。依賴(lài)于CPU體系結(jié)構(gòu)的代碼(比如設(shè)備初始化代碼等)通常都放在階段一中，且通常都用匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到短小精悍的目的。而階段二則通常用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能，而且代碼會(huì)具有更好的可讀性和可移植性。

　　Boot Loader的階段一通常包括以下步驟(以執(zhí)行的先后順序列出)：

　　◇硬件設(shè)備初始化；

　　◇為加載Boot Loader的階段二準(zhǔn)備RAM空間；

　　◇拷貝Boot Loader的階段二到RAM空間中；

　　◇設(shè)置好堆棧；

　　◇跳轉(zhuǎn)到階段二的C入口點(diǎn)。

　　Boot Loader的階段二通常包括以下步驟(以執(zhí)行的先后順序列出)：

　　◇初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備；

　　◇檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)存映射(memory map)；

　　◇將kernel映像和根文件系統(tǒng)映像從Flash上讀到RAM空間中；

　　◇為內(nèi)核設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)；

　　◇調(diào)用內(nèi)核。

　　接下來(lái)就是內(nèi)核的編譯、目標(biāo)文件系統(tǒng)的制作以及調(diào)試仿真實(shí)現(xiàn)程序各模塊的固化。這些均可選取一下的交叉編譯工具來(lái)實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)選擇Redhat9.0(Linux操作系統(tǒng))，其交叉編譯工具有兩個(gè)：一個(gè)是cross-2.95.3.tar.bz2，安裝此編譯器只需要在／usr／local下建立一個(gè)arm目錄再執(zhí)行解包命令即可。當(dāng)編輯／etc／bashrc文件并在最后增加路徑／usr／local／arm／2.95.3／bin之后，再編澤內(nèi)核或其它應(yīng)用程序時(shí)，均可用arm-linux-來(lái)指定交叉編譯器。另一個(gè)編譯器是MIZI提供的arm41安裝包，它的安裝必須有binutils、gcc、glibc等幾包存在。當(dāng)有其它應(yīng)用時(shí)，還需要安裝另外的工具，它們都會(huì)安裝在／opt／host／arm41下，而不需要再手工設(shè)置路徑。

　　為了將Linux內(nèi)核固化，需要將該程序和模塊添加到根文件系統(tǒng)中。為此，本設(shè)計(jì)制作了demo.cramfs這樣一個(gè)根文件系統(tǒng)。其具體操作步驟如下：

　　(1) 將demo.cramfs拷貝到任意目錄下；

　　(2) 在該目錄下建立兩個(gè)目錄dirl和dir2；

　　(3)將目標(biāo)文件系統(tǒng)demo.cramfs掛接到目錄dir1；

　　(4) 將目錄dir1下的內(nèi)容壓縮；

　　(5) 與目錄dir1卸載掛接，將此壓縮包解壓到錄dir2下，然后刪除此包；

　　(6) 將驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序分別拷貝到dir2／usr／和應(yīng)用程序?qū)?yīng)的目錄下。

　　經(jīng)過(guò)上面的步驟便可將驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序添加到了demo.cramfs中。然后將mkcramfs文件拷貝到dir2所在目錄。運(yùn)行該命令成功后便可生成所期待的根文件系統(tǒng)了。

　　最后就是系統(tǒng)軟件具體應(yīng)用代碼的調(diào)試和映像文件的燒寫(xiě)。調(diào)試的方式可分為三種：ADS裝栽映象調(diào)試、通過(guò)串口輸出信息到主機(jī)的調(diào)試、通過(guò)外部的ARMJTAG代理軟件和SUPERJTAG電路協(xié)作調(diào)試。在調(diào)試Boot Loader或者內(nèi)核過(guò)程中，可通過(guò)主機(jī)上的DNM或者超級(jí)終端程序來(lái)顯示目標(biāo)板的各種輸出信息。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　從硬件和軟件兩部分的工作情況看，其硬件模塊能正常運(yùn)行，電路板的工作電壓轉(zhuǎn)換后工作正常，轉(zhuǎn)換效率、電壓波動(dòng)和電流大小均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求；而系統(tǒng)軟件引導(dǎo)程序也能正常實(shí)現(xiàn)目標(biāo)板各種資源的初始化設(shè)置和管理。Linux操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)在建立相應(yīng)的工作環(huán)境，并正確進(jìn)行相應(yīng)配置后，通過(guò)相應(yīng)命令操作可順利制作出對(duì)應(yīng)的映象文件。此映象文件成功后，內(nèi)存中的程序也可以按照預(yù)期正常運(yùn)行，并能夠?qū)崿F(xiàn)操作系統(tǒng)各種基本功能和文件系統(tǒng)的各種管理。此外，筆者還進(jìn)行了應(yīng)用程序的二次開(kāi)發(fā)，最終研制成功了一套嵌入式靜力測(cè)量系統(tǒng)。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、性能穩(wěn)定、功能強(qiáng)大、運(yùn)行可靠，具有很好的應(yīng)用前景.