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关键字： 声波检测仪 嵌入式系统 二次开发
嵌入式系统已成为IT行业研发热点，但基于嵌入式系统的二次开发应用却存在很多难点，难以真正地将嵌入式系统投入到实际应用中。武汉中科院岩土力学所智能仪器室对基于ARM9的嵌入式系统进行二次开发，采用ARM9微处理器取代原有的51单片机实现对SY5声波检测仪[2]的控制。其中高速微处理器与现有低速设备接口及在配套的操作系统中就SY5声波检测仪原有功能设计相应驱动是本文研究的重点。同时提出了可行的硬件调试方法，为今后基于ARM9微处理器的硬件开发提供了思路。
1 系统构成
1.1 高性能的ARM9嵌入式微处理器
本设计选择Cirrus Logic公司2004年7月推出的EP93XX系列中的高端产品EP9315。该微处理器是高度集成的片上系统处理器，拥有先进的200MHz ARM920T处理器并支持Linux、WindowsCE和其他许多嵌入式操作系统的存储器管理单元(MMU)。它具有ARM920T内核所有的优异性能。与其他ARM9微处理器相比，EP9315具有以下特性：MaverickCrunchTM数学运算引擎,支持浮点、整数和信号处理指令;丰富的集成外设接口，包括PCMCIA、接口图形加速器、可接两组设备的EIDE、1/10/100Mbps以太网MAC、3个2.0全速HOST USB、专用SDRAM通道的LCD接口、触摸屏接口、SPI串行外设接口、AC97接口、6通道I2S接口、8×8键盘扫描接口;支持4组32位SDRAM的无缝连接等。
配合Windows CE.net嵌入式操作系统，系统开发效率高、运行稳定，为工业控制提供了可靠的系统平台。基于定制的WinCE操作系统实现工业控制中应用模块的专用驱动，提高了嵌入式系统的通用性。
1.2 系统主体结构
EP9315嵌入式系统总体结构如图1所示。整个系统分为嵌入式系统、应用模块(声波检测仪)和转换模块三部分。Cirrus logic公司为用户提供了基于该处理器的全功能开发板。该开发板扩展了EP9315的所有功能，并可根据实际需求将全功能开发板的硬件进行裁减，从而降低成本。该开发板预留了标准PC104接口，可方便用户开发应用。应用模块也预留标准PC104接口，其中的I/O控制信号、数据线、地址线与EP9315嵌入式系统的PC104接口一一对应。而系统中的转换模块可保证嵌入式系统和应用模块连接的稳定性。
EP935嵌入式系统主要由电源、32MB/64MB内存、LCD接口、警示LED、主USB、面板按键、CF卡接口、以太网接口和标准PC104接口组成。其中电源提供5V、3.3V、1.8V三种电压输出，分别给应用模块、外设、CPU内核供电。内存为操作系统提供运行空间。其中嵌入式系统与应用模块的I/O控制信号、数据线和地址线都引到标准PC104插座上，经转换模块处理后相接。采用PC104总线标准实现了嵌入式系统的各种应用目标。液晶显示屏用于人机交互，警示LED直观地显示电源状况。主USB支持U盘和USB鼠标键盘，CF卡作为大容量存储器存放应用模块的数据，用户通过面板按键实现对整个系统的控制。
1.3 嵌入式系统板与应用模块的连接方案
系统外接的应用模块(SY5声波检测仪)采用51系列单片机控制数字模拟电路实现特殊功能。整个数字电路部分均为5V供电，模拟部分由5V及正负12V供电，采样数据通过RS232串口传给上位机进行数据处理。而EP9315、I/O口及外围电路均为3.3V供电，管脚承受的最大电压不超过3.6V。
考虑到每个管脚的驱动能力有限，用电平转换驱动芯片74LVXC4245实现电平转换。其作用如下：
(1)改善信号的质量。某些对时延比较敏感、且在系统内又相距较远或者较分散的信号，信号线的寄生电容会损害信号的特性。采用74LVXC4245驱动芯片进行隔离，会改善系统的性能。
(2)抗干扰。增加74LVXC4245这样的有源缓冲器可以有效地减少干扰。
(3)电平转换。3.3V到5V和5V到3.3V双向电平转换。
74LVXC4245是8通道电压转换器，最大可提供200mA的驱动电流。与专用模块接口时，主要实现数据线、地址线、I/O信号、中断信号等的单/双向电平转换。
地址线的电平转换方向设置为3.3V到5V。I/O、中断信号的电平转换方向可设置为单向转换，3.3V到5V或5V到3.3V片选可接地。
数据线是双向信号，电平转换时要特别注意其方向信号和片选信号的设计。设计不合理会造成总线冲突，系统无法启动。数据线电平转换电路如图2所示。
由图2可见，方向信号使用读信号的反向信号#RD，保证读操作时数据线由5V到3.3V，写操作时数据线由3.3V到5V，防止了总线冲突。使能信号OE可接地或接片选信号。
EP9315在WinCE操作系统下主频达到200MHz，总线频率为100MHz，外设时钟为50MHz，硬件调试环境必须与操作系统完全吻合。而应用模块多采用74系列芯片，工作频率一般为几兆赫兹。频率不匹配造成了EP9315发出的读写及使能信号脉宽不足50ns，对由74系列芯片组成的专用模块不能实现正确的读写操作。因此，系统的存储空间采用了如图3所示的分配，应用模块地址空间为CS7：0X7000_0000-0X7FFF_FFFF。
为给低速设备提供足够脉宽的总线信号，设置应用模块地址空间存储空间读写特性寄存器SMCBCR7中等待时间位WST1和WST2：
总线读取等待时间=(WST+1)×总线时钟
连续读取等待时间=(WST+1)×总线时钟
调试代码如下：
//总线时钟为200MHz
ClkSet1=0x02A4A3D7;
//设置cs7数据宽度为8，读写脉宽为150ns
temp=SMCBCR7;
temp=temp& 0xcfffffff;
temp=temp | 0xffef;
SMCBCR7=temp;
这种设置使得SDRAM等高速外设和低速外设拥有不同的总线频率，具有很大的灵活性。
2 系统软件
2.1 嵌入式操作系统下的驱动程序类型
由于Windows CE.net开发工具好学易用，没有目标设备时可以在PC上仿真测试，因此基于Windows CE.net的嵌入式开发日益普及。但要在操作系统下控制应用模块就要为应用模块编写驱动。本质上，Windows CE的设备驱动程序都是一些动态链接库(.dll文件)，这些dll向内核提供了入口函数,使设备管理模块可以通过这些函数与具体的硬件设备进行通信。由于应用模块功能的不同，微软没有提供相应的驱动，所以只能自行开发测试。开发过程中采用单层驱动结构。2.2 驱动程序开发
2.2.1 应用模块初始化
应用模块的初始化在标准流接口函数DEV_Init( )中完成，在内核加载驱动时调用该函数，其中DEV为设备文件名的前缀，Windows CE使用其识别与特殊流接口驱动程序相对应的特殊设备。初始化的基本步骤为：
(1)检查应用模块硬件信息的正确性。
(2)用Windows CE中的API函数为应用模块驱动中用到的数据结构分配缓冲区。
hDev=LocalAlloc(LPTR，sizeof(Dev_INFO));
其中：pDev为包含设备必要信息的结构体指针，Dev_INFO为该结构体类型。
(3)设置应用模块的默认参数，如应用模块在系统中分配的物理地址空间的基地址。
PHYSICAL_ADDRESS phyAddr;//64_bit地址
phyAddr.LowPart=hDev->dwIOBaseAddr;//32_bit物理基地址
phyAddr.HighPart=0;//高32_bit地址
(4)通过HalTranslateBusAddress( )和MmIoSpace( )映射I/O地址，提供直接访问设备的虚拟地址。
if(!HalTranslateBusAddress(Isa，0，phyAddr，0，&phyAddr)) return FALSE;
hDev->lpMappedBaseAddr=(LPBYTE)MmMapIoSpace(phyAddr，size，FALSE);
if(!hDev->lpMappedBaseAddr) return FALSE;
如果分配内存或映射虚拟地址失败，则返回FALSE，退出初始化程序。
(5)初始化应用模块的读写属性和共享模式。
2.2.2 应用模块数据接收与发送
应用模块数据的传递在流接口函数Dev_Write( )和Dev_Read( )中完成。
DEV_Write(<由应用程序传入的设备句柄>，<写入数据指针>，<写入数据位数>)
{//每写1字节调用一次WRITE_PORT_UCHAR( );}
DEV_Read(<由应用程序传入的设备句柄>，<存放数据指针>，<读入数据位数>)
{//每读1字节调用一次READ_PORT_UCHAR( );}
其中：WRITE_PORT_UCHAR( )和READ_PORT_UCH-
AR( )中传递的地址为经过MmMapIoSpace( )映射过的虚拟地址。
2.2.3 建立应用程序和设备驱动的联系
操作系统中的应用程序与驱动中的流接口函数一一对应。其关系如图4。
当应用程序准备对某个设备进行读写时，系统必须先执行CreateFile( )函数打开这个设备，得到的设备句柄即为底层设备驱动中Dev_Open( )的返回值。应用程序通过CloseHandle( )调用设备驱动中的Dev_Close( )。执行完该函数后驱动程序引用的设备将不再有效。当一个流接口驱动程序被打开后，应用程序使用ReadFile( )对这个设备进行读操作，驱动程序中Dev_Read( )响应该操作;同样应用程序使用WriteFile( )对该设备进行写操作，驱动程序中Dev_Write( )响应此操作。另外，应用程序还可以使用DeviceIOControl()通知操作系统调用流接口驱动中的DEV_IOControl( )去通知驱动程序要执行的操作。这些操作用户可用Windows CE提供的API函数CTL_CODE自定义。
笔者在Windows CE.net操作系统下，已实现了基于EP9315嵌入式系统对武汉中科院岩土力学所设计的SY5声波仪的控制，设备运行稳定。与原来由51单片机搭建的SY5声波仪相比，该系统功耗降低、体积变小、稳定性增强、成本降低，更适合工业控制中的运用。
参考文献
1 ARM Architecture Refrence Manual[R/OL].Advanced RISC Machine Ltd.(ARM)，2000
2 刘明贵，佘诗刚，汪大国.桩基检测技术指南.北京：科学出版社，1995
3 张晨曦.计算机体系结构.北京：高等教育出版社，2000
4 马忠梅，徐英慧，叶勇建等.AT91系列ARM核微控制器结构与开发.北京：北京航空航天大学出版社，2003
5 马忠梅.ARM嵌入式处理器结构与应用基础.北京：北京航空航天大学出版社，2002
6 刘明贵.基桩与场地检测技术.武汉：湖北省科学技术出版社，1995
7 候俊杰.深入浅出MFC.武汉：华中科技大学出版社，1998
8 Cirrus Logic.EP9315 User′s Guide.2004 |
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