基于 ARM 和 Linux 通用工控平臺設計與實現

隨著工控技術的進步和市場競爭的加劇，開發人員通常需要在盡可能短的時間內設計出滿足用戶要求的測控系統。本文針對嵌入式系統的特點，以高性價比的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，在此平臺上移植嵌入式Linux操作系統和圖形界面開發環境MiniGUI。以此通用工控平臺為基礎，可以方便地構建工程應用所需的絕大部分自動測控系統。其應用無論是在性能還是在成本方面都極具競爭力，這預示著本平臺具有較好的應用前景。

本工控平臺在硬件上，選擇ATMEL公司的AT91RM9200微處理器，并對其最小系統及外圍部件進行設計，以適應當前工控現場更加豐富的技術要求，并結合工業測控Modbus協議，擴展多種通信接口，滿足用戶的通信需求。與此同時，選擇嵌入式Linux操作系統為測控軟件的開發提供了性能優良軟件平臺。

通用工控硬件平臺設計
1 AT91RM9200微處理器最小系統構成
最小系統是保證微處理器可靠工作所必需的基本電路。基于AT91RM9200微處理器的最小嵌入式系統由微處理器AT91RM9200、電源電路、晶體振蕩器電路、復位電路、JTAG接口、存儲器模塊、串行調試接口等電路組成。至此就具備了設計開發一款基于ARM微處理器的通用工控平臺的硬件基礎。

2 硬件平臺外圍接口電路
利用AT91RM9200豐富的內置外設，可以方便的擴展外圍接口，如表2所示。

3 硬件平臺用戶接口
系統對外提供一個2*32針的標準3U插槽，共64針。3U插槽專門設計用于便攜式應用，特別適合作為一體化的移動控制器用于工業測控、產品線、運輸系統和交通控制系統的應用。

4 硬件平臺結構
根據上述對AT91RM9200最小系統及各外圍部件的設計，最終構成以AT91RM9200微處理器為硬件核心的通用工控硬件平臺，如圖1所示。

圖1 通用工控平臺硬件結構

通用工控軟件平臺設計
1 基于ARM硬件平臺搭建Linux操作系統
ARM-Linux開發環境搭建
建立以嵌入式Linux為操作系統的工控平臺的開發環境和在Windows下安裝虛擬機Linux環境的軟件的開發環境，嵌入式Linux內核編譯、應用程序編譯都在該虛擬機完成。為了提高開發效率，以虛擬機中安裝的Linux為服務器，通過Windows客戶端使用Telnet或SSH登錄服務器，服務器可自由在客戶端中下載必需的開發工具及軟件，調試應用程序時，可以先在PC的Linux環境下進行模擬，然后通過DEBUG調試串口下載在目標平臺下。這種開發環境的優點是只需要一臺計算機就可以真實的模擬Linux，具體過程如圖2所示。

圖2 開發環境

交叉編譯
交叉編譯就是在一個平臺上生成另一個平臺上的可執行代碼。所謂平臺，實際上包含兩個概念：體系結構及操作系統。根據上述建立的開發環境，目標平臺是基于ARM體系結構的運行嵌入式Linux操作系統，而開發編譯環境是基于PC中虛擬機上的Linux操作系統。若在目標平臺上運行程序，則須在PC開發環境下對代碼進行交叉編譯以適應目標平臺。

依據環境變量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，同時編寫hello.c程序進行驗證
$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平臺上運行，也證明交叉編譯工具鏈是有效并且可用的。

Linux內核編譯下載
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) 進入Linux-2.6.21目錄，內核編譯：make uImage；

(3) 編譯完成后，通過SSH把uImage文件拷貝到Windows環境下；

(4) 配置U-Boot環境變量；

(5) 配置tftp服務器：運行Linux系統下的tftp服務器，復制Linux內核的uImage文件到tftp下載工作目錄下，啟動tftp服務，確保PC和AT91RM9200接入同一網段；

(6) 下載內核映像文件，并在U-Boot提示符下擦除Flash；

(7) 下載內核映像文件到Flash中；

Linux文件系統
軟件平臺使用cramfs文件系統，其特點是：系統訪問某個位置的數據時，立即計算出該數據在cramfs中的位置，解壓到RAM中，然后通過內存訪問來獲取數據，cramfs中的解壓縮之后的內存中的數據存放位置都是由cramfs文件系統本身來管理，用戶并不需要實現過程，因此增加了透明度，給開發人員節約了時間。

2 Linux操作系統下設備驅動開發
Linux上的設備驅動非常豐富，支持各種主流硬件設備和最新的硬件技術。設備驅動程序在Linux內核中，是一個個獨立的“黑盒子”，使某個特定的硬件響應一個定義良好的內部編程接口，同時完全隱藏設備的工作細節。通過一組標準化的調用，把這些調用映射到設備特定的操作上，則是設備驅動程序的任務。而在Linux系統里，每一個設備都被看作一個文件，打開的設備在內核中由一個File結構標志，內核使用File_operations結構訪問驅動程序的函數。每個設備與一組標準函數集關聯。

3 Linux操作系統下應用程序開發
采取在PC上編譯應用程序，運行測試通過后，再通過網絡或串口等方法下載到目標平臺/usr目錄下，對于較小的程序，使用串口下載比較方便，具體的步驟為

(1) PC模擬環境下開發程序，交叉編譯；

(2) 待ARM平臺下Linux正常運行后，進入usr目錄，然后選擇下載的程序；

(3) 下載完成后，chmod +x filenam修改文件屬性為可執行命令；

(4) 執行剛下載的文件命令為./filename。

通用工控平臺人機交互通信機制實現
嵌入式GUI為嵌入式系統提供了一種應用于特殊場合的人機交互接口。新一代嵌入式GUI的主要特征有：以用戶為中心、多通道、智能化、高帶寬。嵌入式Linux 系統中，幾乎所有的GUI 都建立在FrameBuffer設備上。

MiniGUI 是一個根據嵌入式系統應用特點量身定做的完整的圖形支持系統。將現代窗口和圖形技術帶入到嵌入式設備，是一個非常適合于嵌入式設備的高效、可靠、可定制、小巧靈活的圖形用戶界面支持系統，主要優點可總結為支持多種嵌入式操作系統，具備優秀的可移植性；可伸縮的系統架構，易于擴展；功能豐富，可靈活剪裁；得到小體積高性能間的最佳平衡且具有廣泛的應用領域。