基于ARM CPU 的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)-新品速遞

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北京麥克泰軟件技術(shù)有限公司崔龍,何小慶

1前言國(guó)內(nèi)控制系統(tǒng)開發(fā)大多是幾個(gè)人以小組的形式根據(jù)不同的項(xiàng)目組織在一起，由于缺乏一個(gè)穩(wěn)定工作的硬件基礎(chǔ)，整個(gè)開發(fā)工作的重點(diǎn)大都放在調(diào)試硬件故障。所有項(xiàng)目的開發(fā)幾乎全部使用匯編語(yǔ)言，嚴(yán)重影響了程序的可讀性和可移植性，更換不同的處理器就意味著一切從頭開始，就連使用相同處理器的不同項(xiàng)目組之間的程序重用也很困難。而對(duì)于嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)著重解決的實(shí)際問題往往無暇顧及，非常不利于我國(guó)嵌入式應(yīng)用水平的提高；其次，測(cè)控系統(tǒng)通訊接口種類比較少,多為傳統(tǒng)的RS-232、RS-485接口，數(shù)據(jù)交換速度慢，已經(jīng)不能滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸需求；再次，傳統(tǒng)的8/16位單片機(jī)已經(jīng)越來越不能適應(yīng)日漸復(fù)雜的應(yīng)用需求，友好的交互界面、網(wǎng)絡(luò)互連功能、智能化的軟件、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理幾乎成了現(xiàn)代實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)的共同需求。我們開發(fā)了基于ARM內(nèi)核處理器的NetCARM7開發(fā)板，通過在嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)uC/OS-Ⅱ上加入Interniche公司的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化、智能化、高性能的現(xiàn)代實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)。此外通過JTAG在線調(diào)試工具BDI2000RDIforARM和集成化開發(fā)環(huán)境IAREW（或者ARMSDT/ADS）的結(jié)合大大提高了程序調(diào)試的效率。2平臺(tái)設(shè)計(jì)ARM內(nèi)核處理器具有高性能、低功耗、低成本、低開發(fā)難度等一系優(yōu)點(diǎn)，是測(cè)控系統(tǒng)由8/16位機(jī)升級(jí)到32位機(jī)的理想選擇。此外ARM7，ARM9，ARM10，Xscale的指令兼容,已有的軟件資源和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)不會(huì)由于升級(jí)到更高性能的處理器而受到巨大的損失。2.1平臺(tái)需要建立在穩(wěn)定的可擴(kuò)展的硬件基礎(chǔ)之上我們開發(fā)了NETCARM7開發(fā)板(處理器為ATMEL公司的ARM7TDMI內(nèi)核的AT91M40800,主頻可達(dá)40MHz)作為中低端實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)的硬件基礎(chǔ)。AT91M40800性能已經(jīng)可以滿足一般測(cè)控系統(tǒng)的各種需求，功能簡(jiǎn)單易用，雙面板就可以形成穩(wěn)定硬件設(shè)計(jì)，大大降低了開發(fā)成本。板上將處理器的所有管腳引出,可以根據(jù)實(shí)際的項(xiàng)目需求靈活的擴(kuò)展出新的應(yīng)用。還集成了多達(dá)2M-byte的SRAM，保證用戶代碼可以獲得的性能，1M-byteFlashROM,用來滿足絕大多數(shù)項(xiàng)目的需求。板上預(yù)留了JTAG端口，通過Abatron公司的BDI在線仿真器和IAR公司的集成開發(fā)環(huán)境EmbededWorkbenchforARM可以實(shí)現(xiàn)各種程序的在線調(diào)試。板上提供了2個(gè)串口，還可以將處理器的UART配置成SPI，除了完成通訊功能以外，還可以為很容易的連接AD變換器，滿足測(cè)控系統(tǒng)的需求。板上還擴(kuò)展了10M以太網(wǎng)接口，在網(wǎng)絡(luò)控制器方面，我們也選用了低成本符合NE2000標(biāo)準(zhǔn)的RT8019，為平臺(tái)提供了網(wǎng)絡(luò)化的硬件基礎(chǔ)。此外板上還集成了液晶顯示，及行列式鍵盤接口可以很方便的為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)提供友好的用戶交互方式。

2.2開放源碼的嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)是未來嵌入系統(tǒng)必然的選擇控制系統(tǒng)所要完成得工作越來越復(fù)雜，程序越來越龐大，需要管理的外設(shè)越來越多，只有擁有嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)，擁有穩(wěn)定工作的硬件基礎(chǔ)，開發(fā)工作重點(diǎn)才能由原來硬件的調(diào)試，軟件的調(diào)試轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)于實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的性能的提高,智能化軟件的編寫。此外只有在一個(gè)完整的、具有統(tǒng)一編程規(guī)范的操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上使用語(yǔ)言開發(fā)出的應(yīng)用程序，才可能具有良好的可移植性,才可能被重復(fù)利用，嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)的途徑。操作系統(tǒng)與模塊化硬件設(shè)計(jì)結(jié)合起來，共同構(gòu)成一個(gè)可以重復(fù)利用的軟硬件數(shù)字系統(tǒng)平臺(tái)，除了可以限度的提高開發(fā)的效率、減少資源的浪費(fèi)外，還可以通過長(zhǎng)期對(duì)于該平臺(tái)的研究，來逐步優(yōu)化平臺(tái)軟硬件資源，提高其性能，并滿足日益復(fù)雜的應(yīng)用需求。目前大多商用嵌入式操作系統(tǒng)出于商業(yè)利益的考慮，除了使用該操作系統(tǒng)的每件產(chǎn)品要收取版稅以外，要么只提供操作系統(tǒng)部分二進(jìn)制文件，要么對(duì)源代碼的收費(fèi)十分昂貴，對(duì)于此類操作系統(tǒng)的使用者來講，幾乎無法拿到操作系統(tǒng)的源代碼。這樣，一方面產(chǎn)品的進(jìn)一步發(fā)展受制于人，另一方面對(duì)于嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)容易出現(xiàn)隱患，無法從根本上避免后門-既安全性。對(duì)于小型實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)來說，源代碼公開的、具有很好可移植性的、可固化可裁剪的、高穩(wěn)定性與可靠性、搶占式多任務(wù)的uC/OS-Ⅱ非常適合！代碼簡(jiǎn)潔的uC/OS-Ⅱ已經(jīng)應(yīng)用于照像機(jī)業(yè)、醫(yī)療儀器、音響設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)控制、網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備、高速公路電話系統(tǒng)、ATM機(jī)、工業(yè)機(jī)器人等嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)。2.3網(wǎng)絡(luò)化是現(xiàn)代實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)必備的特征TCP/IP協(xié)議棧使得嵌入式系統(tǒng)可以通過Internet將通訊距離無限擴(kuò)展。10M以太網(wǎng)，使得大量數(shù)據(jù)的快速傳輸成為可能，這樣除了可以充分利用PC機(jī)上各種資源，完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、統(tǒng)計(jì)工作，還可以實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換，對(duì)于智能化、模塊化的嵌入式設(shè)備集群的實(shí)現(xiàn)提供另一種途徑。PPP協(xié)議可以通過調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)交換、狀態(tài)控制等功能，為嵌入式系統(tǒng)提供更靈活的控制、監(jiān)測(cè)方式。我們選用了Interniche公司(/)開放源碼的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧。Interniche使我們很容易的在uC/OS-Ⅱ的調(diào)度下為開發(fā)平臺(tái)增加了網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)管理等功能。由于它是專門為嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，占用的系統(tǒng)資源很小。Interniche協(xié)議全部用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言，除了可以運(yùn)行在各種RTOS下，亦可在沒有RTOS的環(huán)境下獨(dú)立運(yùn)行。此外，Interniche還在uC/OS-Ⅱ的基礎(chǔ)上專門為其嵌入式TCP/IP協(xié)議棧編寫了自己的嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)：ChronOS（既uC/OS-Ⅱ2.52）。ChronOS除了保持對(duì)已經(jīng)廣泛使用的uC/OS-Ⅱ的兼容性以外，使嵌入式TCP/IP協(xié)議棧與RTOS更加緊密的結(jié)合在一起，來滿足各種現(xiàn)代應(yīng)用對(duì)RTOS和嵌入式TCP/IP協(xié)議相結(jié)合的迫切需求。常用的Interniche包括：(1)協(xié)議NicheStackTM-InternicheTCP協(xié)議包含TCP，UDP，IP，TFTP，DHCPClient，ICMP，ARP，SLIP，BootTP，DNSClient。NicheLiteTM-Internicheda單連接的微型化的TCP/IP協(xié)議，全部代碼在12K以內(nèi)，它包含全部的NichestackTM所有的協(xié)議，和一個(gè)少化的SocketAPI,易于移植到從8位到32位CPU上。NicheTooLTM-菜單驅(qū)動(dòng)的協(xié)議調(diào)試和測(cè)試工具（包含在NicheStack和Nichelite中）可選擇應(yīng)用模塊:PPP，MultilinkPPP，PPPoE，Telnet(ServerClient)，F(xiàn)TP(ServerClient)，IPMulticast，NichePOP3-它是TCP/IP上的附加模塊增加了與POP3Email服務(wù)器收郵件功能。(2)基于WEB管理和配置協(xié)議WebportTM-嵌入式Web服務(wù)器，讓終用戶通過WWW瀏覽器配置和監(jiān)控嵌入式設(shè)備而避免去編寫專用的GUI界面，這些界面多數(shù)是與你的主機(jī)OS相關(guān)的(如Win98)而且需要目標(biāo)環(huán)境大量的資源如文件系統(tǒng)。EmailAlerte--為嵌入式系統(tǒng)增加預(yù)告和報(bào)警功能，它允許用戶向本地或遠(yuǎn)程的Email地址發(fā)出預(yù)先設(shè)置好的信息比如某個(gè)條件下的報(bào)警信息。

3基于ARM的現(xiàn)代實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)具體實(shí)現(xiàn)3.1硬件設(shè)計(jì)和測(cè)試完成NetCARM7設(shè)計(jì)、板焊接以后，我們使用Abatron公司(https://www.abatron.ch)JTAG仿真器BDI2000，通過編寫B(tài)DI配置文件對(duì)NetCARM7板進(jìn)行初始化，初步驗(yàn)證板上CPU工作是否正常，檢查SRAM,FlashROM是否可以正常讀寫。

3.2通過BDI2000/1000結(jié)合IAREW集成開發(fā)環(huán)境調(diào)試各種測(cè)試軟件在板上存儲(chǔ)器正常工作的基礎(chǔ)上，使用IAR公司()的集成開發(fā)環(huán)境EmbeddedWorkbench編寫出簡(jiǎn)單的測(cè)試程序，其中包括匯編語(yǔ)言、C語(yǔ)言,只要在EW中，利用它提供的嵌入式C/C++優(yōu)化編譯器，匯編器，連接定位器就可以生成目標(biāo)機(jī)的可執(zhí)行程序，利用EW的C-SPY調(diào)試器中支持的RDI接口就可以和BDI2000/1000建立連接，直接將編寫的代碼到板上在線仿真。由于BDI2000仿真器是通過10兆以太網(wǎng)連接計(jì)算機(jī)，并且通過JTAG接口與目標(biāo)機(jī)相連，BDI2000與目標(biāo)機(jī)的通信速率可達(dá)16兆/秒，程序速率可達(dá)320K字節(jié)/秒，因此可以大大提高平臺(tái)軟件開發(fā)的效率。在初步的測(cè)試程序編寫完成以后，逐步對(duì)板上的其他外設(shè)和通訊端口進(jìn)行測(cè)試。3.3帶有簡(jiǎn)單調(diào)試功能的串口監(jiān)控程序NetCARM7上的串口除了可以提供少量數(shù)據(jù)傳送、控制信息的輸入輸出以外，為了方便平臺(tái)的軟件維護(hù)我們還開發(fā)了一個(gè)基于板上串口的監(jiān)控程序，經(jīng)RS-232接口就可將PC與NetCARM7相連，完成以下功能：1).顯示處理器各狀態(tài)下寄存器的值。2).修改指定地址的SRAM、FlashROM中的內(nèi)容。3).查看指定地址的存儲(chǔ)器中的內(nèi)容。4).將用戶編寫的代碼到NetCARM7的指定地址的SRAM、FlashROM中。5).從指定地址開始執(zhí)行用戶代碼。6).通過設(shè)置跳線，選擇從用戶放在FlashROM中的代碼直接啟動(dòng)(上電后直接運(yùn)行用戶的應(yīng)用程序)。7).支持用戶設(shè)置的軟件中斷，在中斷以后可以使用1、2、3項(xiàng)功能，用以方便用戶調(diào)試自己的代碼。這樣，在平臺(tái)用于實(shí)際的測(cè)控系統(tǒng)產(chǎn)品以后，在儀器工作現(xiàn)場(chǎng)只需改變跳線就可以使板上的監(jiān)控程序工作，通過串口升級(jí)整個(gè)系統(tǒng)軟件，也包括監(jiān)控程序本身，在沒有JTAG調(diào)試工具的時(shí)候，方便的對(duì)可能出現(xiàn)的比較簡(jiǎn)單的問題進(jìn)行修復(fù)。3.4uC/OS-Ⅱ的移植對(duì)uC/OS-Ⅱ的移植在BDI2000和IAREW的幫助下變得非常簡(jiǎn)單。在完成CPU的初始化以后，首先對(duì)時(shí)鐘節(jié)拍進(jìn)行設(shè)置（10～100hz）。對(duì)AT91M40800只需編寫相應(yīng)的定時(shí)器中斷處理程序，在程序中調(diào)用操作系統(tǒng)的OSTimeTick()，并在其AIC(AdvancedInterruptController)中設(shè)置定時(shí)器的優(yōu)先級(jí)別，并將定時(shí)器中斷處理程序的地址放到相應(yīng)的中斷向量表中，就可以了。使定時(shí)器產(chǎn)生中斷，必須在開始多任務(wù)調(diào)度后，即在個(gè)任務(wù)中使能定時(shí)器；其次，對(duì)uC/OS-Ⅱ移植主要集中在includes.h，OS_CPU_A.S，OS_CPU_C.C等CPU相關(guān)文件的移植，上層任務(wù)調(diào)度部分不需要任何修改。對(duì)于多任務(wù)操作系統(tǒng)，只需將復(fù)雜的應(yīng)用分成簡(jiǎn)單的、相互聯(lián)系的任務(wù)，再把各個(gè)不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)交給操作系統(tǒng)去管理就可以了。3.5Interniche協(xié)議棧的移植BDI2000結(jié)合IAREW在線調(diào)試對(duì)于驅(qū)動(dòng)程序的編寫的幫助作用更加明顯。對(duì)于同樣具有良好可移植特性的Interniche協(xié)議棧，只需要根據(jù)以太網(wǎng)絡(luò)控制器RT8019手冊(cè)上的詳盡描述，編寫出發(fā)送包，接收包的函數(shù)，以及用于以太網(wǎng)控制器的外部中斷處理程序就可以完成對(duì)Interniche的網(wǎng)絡(luò)部分的移植。由于Interniche協(xié)議棧也是可以獲得源碼的，所以對(duì)于任何網(wǎng)絡(luò)控制器都可以通過不斷的調(diào)試終完成自己的驅(qū)動(dòng)程序。此外，為了方便調(diào)試，使NicheToolTM-菜單驅(qū)動(dòng)的協(xié)議調(diào)試和測(cè)試工具工作還應(yīng)該完成對(duì)Interniche中向串口收發(fā)字符putchar();getch()的移植，就可以在PC端使用超級(jí)終端經(jīng)過串口與NetCARM7上的Interniche基于命令行交互了。Interniche的各種協(xié)議簇可以根據(jù)需要由uC/OS-Ⅱ調(diào)度的狀態(tài)查詢?nèi)蝿?wù)。這樣uC/OS-Ⅱ就和Interniche一起構(gòu)成了現(xiàn)代實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)的軟件。3.6開發(fā)平臺(tái)可以為實(shí)際控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種靈活的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和遠(yuǎn)程控制⑴圖形化操作界面（基于Interniche的webserver,通過WWW瀏覽器實(shí)現(xiàn)）利用Interniche提供的WebportTM讓終用戶通過局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)訪問嵌入式控制系統(tǒng)，在WWW瀏覽器中設(shè)置測(cè)控設(shè)備工作參數(shù)、監(jiān)控其運(yùn)行狀態(tài)及察看測(cè)量結(jié)果。而避免為嵌入式測(cè)控系統(tǒng)專門去編寫專用的GUI交互界面，在不同的儀器設(shè)備中的界面只需編寫不同的html頁(yè)面，結(jié)合CGI技術(shù)就可以完成各種靈活、友好的交互功能了，這些界面只需要目標(biāo)機(jī)提供存儲(chǔ)空間就可以了。⑵真正的遠(yuǎn)程控制利用Interniche提供的PPP撥號(hào)上網(wǎng)，使用EmailAlerte為嵌入式測(cè)控系統(tǒng)增加預(yù)告和報(bào)警功能，測(cè)控設(shè)備就可以向遠(yuǎn)程的Email地址發(fā)出預(yù)先設(shè)置好的信息，通知測(cè)控