基于ARM9的嵌入式工控機設(shè)計報告

1、西南科技大學(xué)自動化專業(yè)方向設(shè)計報告設(shè)計名稱：基于ARM9的嵌入式工控機設(shè)計 姓 名： * 學(xué) 號: 2 班 級： 自動1 指導(dǎo)教師： 李 駒 光 起止日期： 2010-10-15至2010-11-9 西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院制19方 向 設(shè) 計 任 務(wù) 書學(xué)生班級：自動1004 學(xué)生姓名：周靖力 學(xué)號：20105797設(shè)計名稱：基于ARM9的嵌入式工控機設(shè)計 起止日期：2010-10-15至2010-11-9 指導(dǎo)教師：李駒光設(shè)計要求： 1、采用基于ARM9內(nèi)核的ATMEL工業(yè)級嵌入式微處理AT91SAM9X25，主頻為400MHz，設(shè)計一款高性能、低功耗、低成本、小體積的嵌入式工業(yè)控制計算機

2、。所要求設(shè)計的嵌入式工控機以AT91SAM9X25為主處理器，支持128MB DDR2 SDRAM存儲器，1GB NAND Flash存儲器，2路10/100Mbps自適應(yīng)工業(yè)以太網(wǎng)接口，2路CAN總線接口，4路高速串口，1路調(diào)試串口，2路USB2.0接口，大容量SD存儲卡以及多路GPIO，并支持寬電壓范圍供電（DC9VDC30V）。2、所設(shè)計的嵌入式工業(yè)控制計算機必須滿足工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境要求，包含溫度條件（4080）、濕度條件（595% RH）及“三防”（防水、防霉、防塵）要求。3、所設(shè)計的嵌入式工業(yè)控制計算機必須實現(xiàn)端口保護，包含以太網(wǎng)接口、CAN總線接口、串行接口、USB接口等。4、完成所要

3、求功能嵌入式工控機的原理圖設(shè)計，Protel99SE/DXP格式或Cadence格式。5、完成所要求功能嵌入式工控機的PCB設(shè)計，PCB為6層，Protel99SE/DXP格式或Cadence格式。方 向 設(shè) 計 學(xué) 生 日 志時間設(shè)計內(nèi)容2010.10.20關(guān)于ARM設(shè)計的各種器件功能的查閱了解2010.10.22對于各器件pcb庫的下載選用2010.10.24基于AD的原理圖設(shè)計2010.10.30基于各元器件原理圖的PCB封裝基于ARM9的嵌入式工控機設(shè)計摘要：嵌入式系統(tǒng)如今已廣泛地滲透到了科學(xué)研究、工程設(shè)計、局勢技術(shù)、各類產(chǎn)業(yè)和商業(yè)等許多領(lǐng)域，并且還在不斷發(fā)展與延伸。嵌入式系統(tǒng)中又以A

4、RM架構(gòu)的運用最有前景，啤機最為廣泛。在嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域中則是種類繁多，各有特色，Windows CE操作系統(tǒng)由微軟開發(fā)，繼承了Windows系列操作系統(tǒng)的優(yōu)點，極大方便了應(yīng)用程序的開發(fā)。ARM+Windows CE是嵌入式系統(tǒng)研究的一個重要方向。 本課題以ARM9的嵌入式工控設(shè)計為主要內(nèi)容和開發(fā)對象，目標(biāo)是采用基于ARM9內(nèi)核的ATMEL工業(yè)級嵌入式微處理AT91SAM9X25，主頻為400MHz，設(shè)計一款高性能、低功耗、低成本、小體積的嵌入式工業(yè)控制計算機。關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) Windows CE 工業(yè)級 AT91SAM9X25 The Design of Embedded System

5、 based on ARM9Abstract：The application of embedded system are widespread in science,industry,military technology and other various fields,and it will be more and more popular.ARM architecture is the most popular and the most perspective in embedded system.Windows CE,product of Microsoft,is one of po

6、pular embedded OS,which contains lots of merit produced by Microsoft.ARM+Windows CE is a strong stream of embedded system development. Reasearch and Development embedded system for industry design is the main target of this project,and our goal is to manipulate industrial MPU AT91SAM9X25 of ATMEL ba

7、sed on core of ARM9 of which MPC frequency is 400MHZ,thereby designing a industrial embedded control computer which embrace the type of great capacity、low power waste、few cost and cute bulk.KEY WORDS:Embedded system, Windows CE, AT91SAM9X25, industrial design一、設(shè)計目的和意義AT91SAM9X25是一個高性能的基于ARM926嵌入式微處理

8、器單元，運行在400 MHz，并設(shè)有多個網(wǎng)絡(luò)/連接外圍設(shè)備，優(yōu)化的工業(yè)應(yīng)用，如樓宇自動化，網(wǎng)關(guān)和醫(yī)療。工控機（Industrial Personal Computer，IPC）即工業(yè)控制計算機，是一種采用總線結(jié)構(gòu)，對生產(chǎn)過程及機電設(shè)備、工藝裝備進行檢測與控制的工具總稱。工控機具有重要的計算機屬性和特征，如具有計算機CPU、硬盤、內(nèi)存、外設(shè)及接口，并有操作系統(tǒng)、控制網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議、計算能力、友好的人機界面。工控行業(yè)的產(chǎn)品和技術(shù)非常特殊，屬于中間產(chǎn)品，是為其他各行業(yè)提供可靠、嵌入式、智能化的工業(yè)計算機。嵌入式工控機（Embedded Industrial Computer）是一種加固的增強型工業(yè)計算機

9、，它可以作為一個工業(yè)控制器在工業(yè)環(huán)境中可靠運行。早在90年代初期，美國AD公司就推出了類似的工控機。由于嵌入式工控機的性能可靠、無風(fēng)扇結(jié)構(gòu)、體積小巧、價格低廉，而在工控機中應(yīng)用廣泛 。工控機系統(tǒng)無論從硬件到軟件，幾乎繼承了通用 PC 的全部特征。使用基于 X86 架構(gòu)的處理器（目前僅 Intel、AMD 及 VIA 可生產(chǎn)）作為系統(tǒng)核心，并通過標(biāo)準(zhǔn)底板接插各種功能板卡的方式，完成系統(tǒng)的構(gòu)成及功能擴展，因此，用戶可以在較短時間內(nèi)，組建出功能強大的工業(yè)控制計算機系統(tǒng)，同時通過運行 Windows 系列操作系統(tǒng)， 保持與通用PC的軟件兼容。目前，基于Windows系列操作系統(tǒng)的各種應(yīng)用軟件已達到數(shù)以

10、億計，且應(yīng)用非常廣泛，這對工業(yè)控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)與維護具有良好的支持與推動作用。但由于IPC的固有缺點，使之在工業(yè)控制的某些應(yīng)用領(lǐng)域，無法達到令人滿意的效果。 IPC 功耗較高、脆弱的存儲器系統(tǒng)以及體積和成本因素，在很多情況下已經(jīng)完全抵消了其高性能和可維護性優(yōu)勢，不能滿足應(yīng)用需求。高功耗對系統(tǒng)散熱及穩(wěn)定性帶來嚴(yán)峻考驗，廣泛使用的散熱風(fēng)扇一直是故障率較高的部件之一，其它諸如液體散熱等方式，均由于工藝復(fù)雜，成本較高，目前僅少量使用在軍事、航空航天等高端領(lǐng)域；存儲器系統(tǒng)中的硬盤在系統(tǒng)不間斷運行且處于較嚴(yán)苛的工業(yè)環(huán)境情況下，平均使用壽命僅為 23 年，這通常遠低于工業(yè)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計壽命，而采用雙列

11、直插（DIMM）方式連接的內(nèi)存部件，則不能承受哪怕是比較輕微的振動，加之體積與成本因素，限制了IPC在諸多工業(yè)控制場合的應(yīng)用。嵌入式工控機在設(shè)計上摒棄了兼容 PC 標(biāo)準(zhǔn)的想法， 著眼于千變?nèi)f化的應(yīng)用需求；同時，由于應(yīng)用需求的差異性，形成了嵌入式工控機百花齊放的現(xiàn)狀。嵌入式工控機是面向應(yīng)用，對性能、成本、功耗、體積有嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)，因此，僅從硬件構(gòu)成上看，就包含多種位寬（從 4 位、8 位、16 位到 32 位等）、多種架構(gòu)（如 ARM、PowerPC、MIPS 等）、生產(chǎn)商眾多的各種嵌入式微處理器，外圍接口則幾乎完全是按需設(shè)計，少有IPC所具有的標(biāo)準(zhǔn)接口；而軟件系統(tǒng)則根據(jù)不同的應(yīng)用場

12、合，使用無操作系統(tǒng)的監(jiān)控模式、輕量級嵌入式操作系統(tǒng)（如eCos、NET MF 等）或復(fù)雜嵌入式操作系統(tǒng)（如 LinuxAndroid、Vx-Works、WinCE 等），但不同平臺上的應(yīng)用軟件通常不具有通用性。與IPC相比較，嵌入式工控機是對性能、成本、功耗、體積等約束條件進行平衡與折衷的產(chǎn)物，很好地滿足了工業(yè)控制系統(tǒng)的要求，具有廣闊的發(fā)展前景。目前，在系統(tǒng)硬件平臺上，以ARM 為代表的嵌入式微處理器幾乎覆蓋傳統(tǒng)工業(yè)控制從低端到高端的全部領(lǐng)域，甚至延伸到桌面和服務(wù)器系統(tǒng)；而嵌入式軟件平臺的多樣性則契合了不同工業(yè)控制應(yīng)用對系統(tǒng)功耗、 運行效率、實時性、可靠性及系統(tǒng)安全性要求。近幾年來，ARM所推

13、出的Cortex-M、Cortex-A系列處理器架構(gòu)，對傳統(tǒng)工業(yè)控制計算機的設(shè)計提供了新的思路。ARM Cortex-A8處理器是第一款基于ARMv7架構(gòu)的應(yīng)用處理器，并且是有史以來ARM開發(fā)的性能最高、最具功率效率的處理器。Cortex-A8處理器的速率可以在600MHz到超過1GHz的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，能夠滿足那些需要工作在300mW以下的功耗優(yōu)化的移動設(shè)備的要求；以及滿足那些需要2000 Dhrystone MIPS的性能優(yōu)化的消費類應(yīng)用的要求。因此采用ARM Cortex-A8處理器設(shè)計嵌入式工業(yè)控制計算機可以實現(xiàn)工控機的高性能、低功耗、低成本、小體積的要求。二、控制要求（一） 主處理器 主

14、頻要求400MHz，支持DDR2存儲器，低功耗，滿足工業(yè)溫度條件4080。（二） 存儲器 128MB DDR2 SDRAM，1GB NAND Flash，符合工業(yè)溫度條件4080。（三） 擴展支持大容量SD儲存卡以及多路GPIO，數(shù)字輸入輸出。（四） 通信接口 兩路百兆工業(yè)以太網(wǎng)接口； 4路高速串口； 兩路USB2.0接口，一路主機，一路從機。（五） 調(diào)試支持 一路調(diào)試串口。（六） 電源支持 支持寬電壓范圍供電（DC9VDC30V）。（七） 工業(yè)環(huán)境 溫度條件（-4080）、濕度條件（595% RH）及“三防”（防水、防霉、防塵）。三、設(shè)計方案論證（1） 處理器選擇1.飛思卡爾ARM9飛思卡爾

15、生產(chǎn)的ARM 9處理器有兩個系列，i.MX25系列和i.MX28系列。i.MX25以ARM926EJ-S為主處理器，支持128MB DDR2 同步動態(tài)隨機存儲器，1GB NAND 閃存儲器，一路10/100Mbps自適應(yīng)工業(yè)以太網(wǎng)接口，2路CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）總線接口，4路高速串口，1路調(diào)試串口，2路USB2.0接口，大容量SD（同步動態(tài)）存儲卡以及多路GPIO（通用輸入輸出），滿足工業(yè)要求溫度條件（4085），且滿足濕度條件與三防。但是i.MX25只有一路10/100Mbps以太網(wǎng)接口，不滿足設(shè)計要求。而另一方面i.MX28在價格上不占優(yōu)勢，所以對比選擇用sam9x25。2. TI AR

16、M9TI生產(chǎn)的ARM9處理器有6個系列：AM1810，AM1808，AM1806，AM1802，AM1707，AM1705。AM1802主頻為300MHz，支持128MB DDR2 SDRAM存儲器，1GB NAND Flash存儲器，1路10/100Mbps自適應(yīng)工業(yè)以太網(wǎng)接口，無CAN總線接口，4路高速串口，1路調(diào)試串口，1路USB2.0接口，大容量SD存儲卡以及多路GPIO，并支持寬電壓范圍供電（DC9VDC30V）。溫度條件（4090）、濕度條件（595% RH）及“三防”（防水、防霉、防塵），但不支持LCD。 AM1806主頻為456MHz，支持128MB DDR2 SDRAM存儲器

17、，1GB NAND Flash存儲器，無10/100Mbps自適應(yīng)工業(yè)以太網(wǎng)接口，無CAN總線接口，4路高速串口，1路調(diào)試串口，1路USB2.0接口，大容量SD存儲卡以及多路GPIO，并支持寬電壓范圍供電（DC9VDC30V）。溫度條件（4090）、濕度條件（595% RH）及“三防”（防水、防霉、防塵）。AM1808和AM1810主頻都為456MHz，支持128MB DDR2 SDRAM存儲器，1GB NAND Flash存儲器，1路10/100Mbps自適應(yīng)工業(yè)以太網(wǎng)接口，無CAN總線接口，4路高速串口，1路調(diào)試串口，2路USB2.0接口，大容量SD存儲卡以及多路GPIO，并支持寬電壓范圍

18、供電（DC9VDC30V）。溫度條件（4090）、濕度條件（595% RH）及“三防”（防水、防霉、防塵）。綜上，AM1802由于主頻不滿足400MHz，2路USB2.0接口，2路100兆以太網(wǎng)接口而淘汰，AM1806則由于沒有以太網(wǎng)接口，AM1808與AM1810缺少一路以太網(wǎng)接口而淘汰，AM1707則因為不支持128MB DDR2 SDRAM以及1GB NAND Flash而棄用。（二）存儲器選擇系統(tǒng)使用的存儲器是DDR2和NAND Flash，NAND Flash用于保存系統(tǒng)映像文件及系統(tǒng)配置信息等掉電不可丟失的信息，DDR2用于程序運行及運行變量信息掉電可丟失。但如果其中任何數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯

19、誤都會給系統(tǒng)帶來不可預(yù)知的后果，所以需要確保其穩(wěn)定可靠。目前生產(chǎn)DDR2和NAND Flash的半導(dǎo)體廠家有海力士（SK hynix），三星，美光（Micron）等。其中海力士生產(chǎn)的DDR2主要服務(wù)于消費產(chǎn)品其使用溫度范圍是085，因此不適合本次設(shè)計要求?？紤]到三星生產(chǎn)的工業(yè)級DDR2使用不多，應(yīng)該存在某些潛伏的問題。美光的工業(yè)級DDR2溫度范圍有-4095和-40105，并且其最大容量是8Gb（ 1GB）。同時對比K4T1G164QE-HCE6 FBGA84和MT47H64M16HR的價格，兩片K4T1G164QE-HCE6 FBGA84和一片MT47H64M16HR價格相差不大，同時參考T

20、I提供的方案最終選擇美光的MT47H64M16HR作為本次嵌入式工控機設(shè)計的存儲器。四、系統(tǒng)設(shè)計（一） 總體設(shè)計電源管理SD卡接口一路調(diào)試串口 4路高速 串口128MB DDR22路CAN接口1GB NAND FLASH SOM9X25USB HOST兩路百兆以太網(wǎng)接口USB DEVICE數(shù)字輸入輸出接口擴展接口 圖1系統(tǒng)總體設(shè)計圖（二） 電源設(shè)計TI LMZ14202可接受6V到42V之間的輸入電壓軌，提供低至0.8V的可調(diào)且高精確度輸出電壓。LMZ14202只需3個外部電阻器和4個外部電容器即可完成電源解決方案。 LMZ14202 是一款具有以下保護特性的可靠且穩(wěn)定耐用的設(shè)計：熱關(guān)斷、輸入

21、欠壓閉鎖、輸出過壓保護、短路保護、輸出電流限制并允許啟動至一個預(yù)偏置輸出。一個單個電阻器將開關(guān)頻率調(diào)節(jié)至1MHz。輸出電流高達2A，效率高達90%。圖電源設(shè)計圖LMZ14202將輸入電源轉(zhuǎn)換成5V，但整個系統(tǒng)需要多個電壓支持，因此還需一個電源管理芯片對輸入5V進行電壓分配及管理。圖設(shè)計圖（三） DDR2與NAND Flash設(shè)計不管對于PC，還是對于嵌入式系統(tǒng)來說，內(nèi)存都是一個必不可少的重要組件。操作系和應(yīng)用程序的運行都離不開內(nèi)存，系統(tǒng)映像和程序代碼一般都是先載入到內(nèi)存，然后由CPU加以執(zhí)行，因此內(nèi)存的速度和容量對于系統(tǒng)性能而言起著至關(guān)重要的作用。AT91SAM9X25支持一個64字節(jié)的內(nèi)部R

22、OM嵌入引導(dǎo)程序：NANDFlash的啟動，SD卡的DataFlash®或串行數(shù)據(jù)閃存，可編程順序。一個32字節(jié)的內(nèi)部SRAM，單周期存取系統(tǒng)的運行速度，高帶寬，多端口的DDR2控制器，32位外部總線接口支持8行DDR2/LPDDR，SDR / LPSDR的，靜態(tài)的存儲器，MLC /SLC NAND控制器，24位可編程的多比特錯誤糾正代碼（PMECC）。圖設(shè)計圖 圖設(shè)計圖（四） USB設(shè)計 目前，USB設(shè)備已經(jīng)得到廣泛的引用，USB鼠標(biāo)、USB鍵盤、USB攝像頭、USB無線網(wǎng)卡等外設(shè)變得越來越普通。通過 USB 接口可以擴展各種各樣的功能，這些設(shè)備的使用都需要 USB Host 接口

23、。同時為了和PC 或者其它 USB Host設(shè)備相連，需要USB Slave。圖.設(shè)計圖（五） 以太網(wǎng)設(shè)計 在工業(yè)控制現(xiàn)場，往往需要通過網(wǎng)絡(luò)來傳遞數(shù)據(jù)和其它信息，從而實現(xiàn)多機協(xié)同操作與交互，以及遠程數(shù)據(jù)庫的訪問等功能。我們通過把嵌入式工控機接入到相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)，可以獲取同一網(wǎng)絡(luò)中其它設(shè)備的信息和狀態(tài)，還可以向這些設(shè)備發(fā)送相關(guān)的命令，以完成相應(yīng)的設(shè)置和操作。目前，在工控現(xiàn)場，為了把多個設(shè)備連接起來可以通過各種現(xiàn)場總線（比如LonWorks，Profibus，CAN總線等等）或者以太網(wǎng)技術(shù)。以太網(wǎng)技術(shù)具有價格低廉、穩(wěn)定可靠、通信速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富、應(yīng)用廣泛以及支持技術(shù)成熟等優(yōu)點，已成為最受歡迎的通

24、信網(wǎng)絡(luò)之一。因此本次嵌入式工控體機中集成了對以太網(wǎng)的支持，而若要支持其它現(xiàn)場總線，則可以使用相應(yīng)的總線模塊。由于SAM9X25處理器集成兩路10/100兆的以太網(wǎng)控制器，我們只需要外接千兆以太網(wǎng)收發(fā)器，就能提供對千兆以太網(wǎng)的支持。本次設(shè)計選擇的千兆以太網(wǎng)收發(fā)器 是DM9161A，另外在以太網(wǎng)收發(fā)器和以太網(wǎng)接口之間還要添加相應(yīng)的變壓器，實現(xiàn)電壓的隔離和轉(zhuǎn)換，本次設(shè)計采用的百兆以太網(wǎng)接口是6605814-6其內(nèi)置了變壓器。DM91611ASAM9X25 RJ-45 Gigabit圖以太網(wǎng)流程圖（六） 串口設(shè)計由于串行通訊方式具有使用線路少、成本低的特點，特別是在遠程傳輸時，避免了多條線路特性的不一

25、致而被廣泛采用。在進行串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同的設(shè)備可以方便地連接起來并進行通訊。RS232 接口是目前最常用的一種串行通訊接口，它是在 1970 年由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計算機終端廠家共同制定的用于串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)。在 RS232 協(xié)議中，信號線的電壓為負邏輯關(guān)系，邏輯“1”為-5-15V，邏輯“0”為+5+15V，噪聲容限為 2V，也就是說要求接收器能識別低至+3V 的信號作為邏輯“0”，高到-3V 的信號為邏輯“1”。經(jīng)常使用的串行口有 9 針和25 針兩種類型，這里只對 9 針類型的串行口的引腳定義作簡單介紹：圖串口功能圖 實際上兩個設(shè)備之間通過三根信號線（RXD，TXD，GND）就能實現(xiàn)串行通訊，其它信號線則用于實現(xiàn)一些附加功能和專用功能。 AM335X 處理器內(nèi)部集成了UART 模塊，可以支持6個UART口，由于其信號電平還只是 TTL 電平，因此在把這兩個接口用作 RS232 接口時，還需要經(jīng)過RS232電平轉(zhuǎn)換芯片把信號電平轉(zhuǎn)化為 RS232 電平。本次選用了TI公司的MAX3232E來實現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換，這部分電路圖如圖所示，圖中的UART0_RXD、UART0_TXD兩根信號線由AM335X的UART0模塊引出，標(biāo)號為CON1的 DB9 接口就可以用于 RS2