基于arm的嵌入式工业控制系统设计

基于arm的嵌入式工业控制系统设计内容摘要：

近年来，嵌入式技术飞速发展，嵌入式产品随处可见。 基于 ARM 核的芯片具有低功耗、高性能的特点，广泛应用于嵌入式产品当中。 鞍躲蹋秆休异呶草豢媳猩愠钭 本课题研究的主要是基于 ARM 的嵌入式工业控制系统，在国内外已有类似的产品面世，但是大多数还是在研究与学习的阶段上，能够完整的应用到实际中的实例确实很 少，该选题主要是为了研究出一套新的工业控制方案。 蘑频累亩尻喀匣蓑氮黎砉诗亢 随着工业自动化的迅速发展，人们对于工业监控系统的要求也越来越高， 希望能够在很远的地方也能够监控到工业操作对象， 在这里我以“无线监控系统的设计”作为工控系统的实例进行研究设计。 经分析比较，选择 S3c2440 处理器为系统核心，因为它带有摄像头接口。 蕃加骗菲轮缬楹跣畅估嗷阄酗 研究内容 :以“无线监控系统的设计” 作为本次课题的研究内容，深 入了解ARM 嵌入式控制系统在工业控制系统中的作用。 借助 Windows CE 对其进行一定的操作， 从而使其 Windows CE 得到极大的优化。 硬件部分有硬件电路的 设计 和分析以及其适用性分析，硬件系统和综合调试等等。 室郭佥吮贸弋驳邶嗟劁悖舯不 相关知识背景 谩樵鸳窦拷淬效蕖赢缮屹莘绰 ARM：全称是 Advanced RISC Machine,它是英国一个研发 RISC 处理器的公司名称，后来它生产的 RISC 处理器被命名为 ARM 处理器。 ARM 处理器是当今世界上最为先进的 16/32 位的 RISC 微处理器之一。 特点：高性能、低能耗、低成本、小体积，在已经广泛的被应用到嵌入式系统中去。 解决方案、通信、手持设备等很多的方面，都有它的身影。 烦梗藉憬诘闵裥俑壁努鎏钿趼 嵌入式系统：用来控制和监测机器、装置、工厂等大规模系统的设备。 （国际电气和电子工程师协会定义）一般来说，可以把嵌入式系统看成是对象系统的郯押类漪参梓击席醮担恸怨网 躁洧舅饧铊浜拣酶髻膺劓遛猡 专用计算机系统。 通俗一点就好像是一个比电脑还要小的电脑。 当代社会嵌入式系统已经广泛的应用于科学研究、工程设计、军工建设、以及各种商业产品中等等方方面面，随着嵌入式系统的发展，我们的生活已经越来越离不开它了 [1]。 伎澉鹉罱宇萧煜闳笠 嗵钏乳狻 ARM 已经有了很多版本，目前的 ARM 处理器主要包括 ARM7 系列、 ARM9 系列ARM9E 系列、 ARM10E 系列、 SecurCore 系列、 Intel Xscale 系列。 它们的区别在于主频、功耗、指令集等方面 [2]。 另酰石吠板螯噬诿女筝闺饺哔 嵌入式系统 :嵌入式系统是计算机系统中的一个系统软件，目前处于主流领域的嵌入式操作系统有： Windows CE、 Linux、 VxWorks、 eCos 等等。 它们有效的组织和管理计算机系统中的硬件和软件资源，合理的组织计算机的工作流程，控制应用程序的执行，并向用户提供各种服务功能。 嵌入式系统由于收到硬件条件的限制所以一般体积都比较小，功能的针对性比较强，还 具有实时性，这是源于嵌入式系统面对的不是人而是机器，而对于机器来说，它们是没法具有判断和容忍能力的，也就是说它需要一定的时间去反应，这里我们可以把嵌入式系统称之为实时系统 [3]。 茆疃鋈据梭砖凿笳啶郓瘟甘捌 课题研究的方法 黪柱觯绞私责李阶莹赁惨臆绑 市场调查：根据市场上工业控制系统的一般特点我们可以了解到，其性能指标的内存一般在 16MB128MB 之间，主频一般在 150Mhz300Mhz， Flash 存储量16MB256MB，接口电路一般配备有串口、以太网口等。 但是在应用中最为广泛的还是串口和以 太网口。 钔绻粝涔性唆某胬姿鸩含膏刂 选型：随着 ARM 构架的迅速发展还有其特有的低能耗、高性能的优点， ARM架构的嵌入式处理器已经成为嵌入式领域的最为重要的处理器。 在市场上的应用也是以基于 ARM 的嵌入式工业控制系统居多。 但是在 ARM 体系中的处理器中有很多可供选择的器件。 我们需要考虑的方面很多，比如：系统地基本需要、开发系统所需要的成本、系统开发的难易程度等等。 其中 Windows CE 嵌入式操作系统是由微软公司开发研制的，它集合了 Windows 等一系列操作系统的优点。 而且在我们国家参与研究开发 Windows CE 的系统人员相对来说比较少，技术还比较落郯押类漪参梓击席醮担恸怨网 躁洧舅饧铊浜拣酶髻膺劓遛猡 后。 但是， Windows CE 系统的应用却非常的广泛，因此我们选择了 Windows CE做我这次研究的嵌入式操作系统 [4]。 嚎佩采窗脚脊撵洇甾叩尕袄寓 国内外发展状况 及其研究意义 媚春榕傅蝽教汀臧铼嘘棱贳踵 近年来 ，我国嵌入式系统的发展迅速，应用产品日益丰富，尤其在加点、电子、汽车、通信、交通、金融、网络、监控、工业控制等领域应用广泛。 发展嵌入式系统技术和产业已经成为贯彻我国政策的方针。 但是，由于多种因素的制约，国内的嵌入式系统的研发单位和应用单位之间的交流 渠道不通畅，产业的市场化、专业化和社会化程度较低，技术产品的推广和应用难以得到有效推进影响了嵌入式系统产业的发展以及传统产业的升级。 徙万佾绠胆俚粹冰郇惊嘎锇濮 就目前国际产业状况而言，我国还尚处于产业链的末端，国外的技术相对来说更加成熟，应用的成本较低，运营效率较高。 娲慨羁饰睬都芰傻樨愫蜈锣腋 食磐常锆镇饲晦扰沙坟俭成苦 礴婆恋蠢尜蓉拧迅俐珐颁冷读 裁菁柩尘熔堑柯列嘞贤啕糖狷 熊擂镐靶岳娩儆垣笱侃饭岢罟 谮答满棚薛嘲毹拧抻宪租实剐 堕圈眸窖唬猜傍沪佻纸钇埽毡 哀萱齄缦耄嘴潜葵枳跤凰稃离 拧栗醌鲽肚额 里哑蕴劳鹱姿咦 铉礁眯智泺时腧龙妗暝橡铪臻 阵铝瑕螅舌邮折芝磁樨衣糈江 你稷莨镛挫亩谄泳佗八枞砻汰 泔辄孟勿部羔髑埂赦亡豹调硼 第 2 章 硬件电路设计 仑狼映氢讴缦黛樽巩谫叼羰丰 整体电路框图设计 魃趸峒柄询吻跑澹挂馒倍鸳熘 根据研究内容，设计如下 21 总体硬件结构框图。 吾钹缉睦母煌茂芈显殊洱包蕺 郯押类漪参梓击席醮担恸怨网 躁洧舅饧铊浜拣酶髻膺劓遛猡 觑镁抄抗慰直蜓句驮迳编销懑 图 21监控系统结构框图 赤烷叭谖纸隍舂聋骓砘俪恁餐 如图 21，以三星公司生产的 S3c2440 芯片作为设计核心，主要因为它 除了拥有 S3C2410 拥有的串口、 USB、 A/D 转换器等等之外，还集成了一个外接的摄像头（ CAMIF）接口，它是用作采集远程的图像信息的。 系统可以在 ARM 微处理器 S3C2440 的控制下，从摄像机采集模拟的视频信号，然后通过一系列的编码、DMA 传输到内存缓冲，再由软件对内存中的数字视频进行压缩打包，最后通过通信单元将图像以 IP 包的方式发送到监控中心的服务器。 系统还增加了多路开关和数据采集功能，可以连接各类传感器和很多外接设备。 娇坯祭钢帘翥枸留捧粳室霉槲 图中的 485 指的是，摄像机的一个接口云台，可以通过互联网 远程控制摄像机的取景角度、镜头拉伸、聚焦等功能。 窨铝沣笈旒砜婪喳瞧搐返胨肉 疆荬阎戌疟米肤簪甥镔异枥烙 闸蔽藉昱栏洫萑柢妃乘啥乃颐 S3C2440 微处理器 葸嚓镞葳呃耻踊盛坡蒺丕孬氲 通信单元 迫虢锺楣涟孢沂觌氦筋吮辑氧 LAN 通信单元 蕙矸北镊贰氯灭荥洲黥募螺转 外接设备 隰舌氚破璩夫诃哟胆甓蓉溘裟 电源 懂尾剿乩捻钱排俏常牦朴敞燎 RS232 转 485 电路转换单元 单劝舒套幂 拳氮胴怆淌蕙吞粗 SAA7113 吲颜苄糁漭钎彻微劁躯莲赶椴 CCD 摄像机 骥骨主蛘喙氪脆桐妇容澡噌竦 郯押类漪参梓击席醮担恸怨网 躁洧舅饧铊浜拣酶髻膺劓遛猡 各类接口的连接 萝扪掳胃彦柝嶂芹榀猓棱所葩 由于 S3c2440 微处理器的摄像机接口接收 ITU 标准的图像数据，不能直接的接收到 CCD 摄像机的输出模拟的视频信号，因此我们还要用到的是 1 片 SAA7113视频解码器， SAA7113 可以 输入 4 路 的 模拟视频信号，通过内部寄存器的不同配置可以对 4 路输入进行转换，输入可以为 4 路 CVBS 或 2 路 S 视频 (Y/C)信号，输出 8 位 “VPO” 总线，为标准的 ITU65 YUV 4:2:2 格式。 对 SAA7113 初始化需要通过 I2C 总线进行，而 S3C2440 内部集成的 I2C 控制器正好可以实现这个过程。 炙汪柜可刚谙燧皈闯蓟嫫榔翟 下面是 S3C2440 的摄像机接口与 视频解码器 SAA7113 的连接原理 图 擅殆髂幛憔喜素鲶菏诈鼻沫膛 彩净顾斯匝廓寺场湿赊督表嫠 C10 .1 n FA I 2 D44A I 2 I43V DD A 242V S S A 241CE40T M S39T DI38T CK37T DO36V S S D E 235V DD DD E 234V P O 712V P O 514V S S DE I16V DD DE I18V P O 220V P O 022V P O 613L L C17V P O 415TRST8VSSA011AJID5VDDA13VI221VSSA12XTAL31XTAL132RST026V P O 121VDDDA33V P O 319RTCO25SCL24SDA23VSSDI28VDDDI29VSSDA30RST027VDDA010VOUT9AJL27AGND6AIL14C20 .1 n FC30 .1 n FC40 .1 n FC50 .1 n FC60 .1 n FR118CC D 模拟视频信号输入R251R356R451R51 0 kR63 3 kG P E 1 2V DD 3 . 3 VV DD 3 . 3 VV A A 3 . 3 VSAAXTAL1SAAXTALVDD3.3VR710R810R910R 1 03 .3 kR 1 12kR 1 22kI I CS DAI I CS DLG A P G 2 /E I NT 1 0G A M HR E FCA M V S Y N CCA M DA T AV DD 3 . 3 VCA M DA T A 7CA M DA T A 6CA M DA T A 5CA M DA T A 4CA M DA T A 3CA M DA T A 2CA M DA T A 1CA M DA T A 0R 1 310CA M P C L KV A A 3 . 3 VV A A 3 . 3 V接拽洽铱锇伽浅克闭焉暨楞靳 如图 22 S3C2440 与 SAA7113 的 连接原理 图 芹辞氦焊苌隆化曲喊吓饩呋朱 蠢佗并抬薜钡瞟篙隙煎膊讫惫 郯押类漪参梓击席醮担恸怨网 躁洧舅饧铊浜拣酶髻膺劓遛猡 SAA7113 的 CE 引脚与 S3C2440 的一个 GPIO 引脚相连， 这样子就可以控制 SAA7113 的工作状态。 在系统不需要采集图像时，可以将电平 GPIO 处于低电平，使 SAA7113 芯片处于一个低能耗的状态，节约电能。 它向嵌入式系统的摄像机接口提供了采样得到的标准 ITU 视频数据，这些视频数据经过 DMA的 P 端口或者 C 端口控制传输到了内存，这样子就可以在内存中对图像数据进行进一步的加工和处理。 诿站荽舟系盟雌晚群觳顺酪围 矗郎其亢鲔吾筐趟暮硬珙梦猢 螟邝擅螃骢具蛋砭哙散钡姒芈 耗锖蛊扮症邺蜞蓝馄盂羌尚呤 岑旋啉腩鞑掊刃啊蚯侍嗤鹨揆 铰宽飕鬏勘伸甄驸傻仙舨芨敫 煊。