嵌入式超低功耗過程控制主板的研制與應(yīng)用

【摘要】本文針對(duì)目前的嵌入式系統(tǒng)在性能與價(jià)格上的一些不足，推出Freescale公司i.MX233低功耗處理器為核心，采用全新的設(shè)計(jì)方法研制系統(tǒng)最底層的支撐件，嵌入Windows CE系統(tǒng)，不僅應(yīng)用在統(tǒng)計(jì)過程控制系統(tǒng)中，還可以應(yīng)用到各行各業(yè)，進(jìn)行各類應(yīng)用的開發(fā)和使用，經(jīng)案例在線運(yùn)行分析證實(shí)了可靠性和穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】嵌入式；工控主板；Windows CE系統(tǒng)；過程控制

1.引言

隨著信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)出現(xiàn)了很多新模式、新方法。目前硬件使用較多的有ARM芯片和PC/104主板。ARM芯片具有功耗低、體積小、價(jià)格低的優(yōu)勢(shì)，但ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中涉及到ARM仿真器與ARM編譯器的使用，編譯后的最終程序需要導(dǎo)入芯片中，對(duì)于沒有相關(guān)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的工程師，熟悉ARM芯片開發(fā)需要一定時(shí)間，設(shè)計(jì)周期也自然會(huì)延長(zhǎng)很多。此外，ARM芯片規(guī)格較為固定，其各種配置不能靈活改動(dòng)；PC/104主板能很好地與Windows系統(tǒng)兼容，但功耗高、體積大、價(jià)格高。

本文是在研究以上嵌入式控制系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)之上，克服目前嵌入式系統(tǒng)各自的不足[1]，推出的一款基于Freescale公司i.MX233低功耗處理器為核心的多功能控制主板，并通過案例進(jìn)行了可行性研究分析。

2.系統(tǒng)配置與設(shè)計(jì)

2.1 處理器采用Freescale公司i.MX233低功耗處理器

它是一個(gè)低功耗、高性能的片上系統(tǒng)集成方案，基于454MHZ的ARM926EJ-S內(nèi)核，采用DDR內(nèi)存，集成了USB2.0高速（480Mbit）接口和SDIO、UART等常用接口，i.MX233處理器接口豐富，功能強(qiáng)大，支持最大1024x768分辨率，i.MX233是業(yè)界第一款集成了包括DC-DC轉(zhuǎn)換器、PMU電池充電管理單元、立體聲模擬音頻輸出和1.5W功放、電阻式觸摸屏控制器、A/D轉(zhuǎn)換器等混和模擬部件的SOC，設(shè)計(jì)精簡(jiǎn)實(shí)用，極大地降低了成本。

2.2 主板上集成以下硬件或接口

電源、電池接口、CPU、RTC、DDR SDRAM、以太網(wǎng)口、WIFI、USB 2.0、RS232串口、microSD/SD卡座、聲卡、功放、觸摸屏控制器、鍵盤、VGA、LCD接口、背光控制、子板擴(kuò)展槽等，是一個(gè)功能完善、立刻能應(yīng)用到最終產(chǎn)品的低功耗高性能主板，如圖1所示。它能夠幫助開發(fā)人員縮短產(chǎn)品開發(fā)周期并降低風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)常用的有VxWorks、Linux、Windows。VxWorks因出現(xiàn)較早、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、內(nèi)核很小、可靠性較高等[2]，但VxWorks因價(jià)格很高；Linux是一種免費(fèi)、開源的操作系統(tǒng)，支持軟件多，可用資源豐富，但是一般開發(fā)人員不太熟悉Linux，開發(fā)難度較大；WinCE開發(fā)都是大家熟悉的VC++環(huán)境[3]，方便快速，微軟的強(qiáng)大技術(shù)支持，它的開發(fā)難度遠(yuǎn)低于嵌入式Linux，與WindowXP、Win2000的同族性，保證了原來在PC機(jī)上開發(fā)的程序可容易移植到嵌入式系統(tǒng)中。該系統(tǒng)是一種緊湊、高效、可伸縮的32位的操作系統(tǒng)，可根據(jù)實(shí)際需要作功能裁剪，主要面向各種嵌入式系統(tǒng)和產(chǎn)品。它所具有的多線程、多任務(wù)、完全搶占式的特點(diǎn)是專為各種有很嚴(yán)格資源限制的硬件系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的。它的模塊化設(shè)計(jì)使嵌入式系統(tǒng)和應(yīng)用程序開發(fā)者能夠方便地加以定制以適應(yīng)一系列產(chǎn)品，例如：消費(fèi)類電子設(shè)備、專用工業(yè)控制器和嵌入式通信設(shè)備等的需要[4]。Windows CE最大的好處在于界面的通用性，用戶容易接收；同時(shí)，可以將Windows通用操作系統(tǒng)下的應(yīng)用程序移植到嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中。

3.系統(tǒng)原理

硬件包括微處理器和各種周邊設(shè)備。OEM層是一個(gè)硬件抽象層，它提供了硬件和操作系統(tǒng)之間的接口，操作系統(tǒng)要訪問具體的硬件就可以通過OEM層提供的API進(jìn)行訪問，而不必直接與硬件打交道。操作系統(tǒng)層中有Windows CE的組件，用戶可以根據(jù)自己的系統(tǒng)的需要進(jìn)行定制，選擇需要的組件，去掉不必要的組件，這樣可以減小內(nèi)存需求，使系統(tǒng)性能達(dá)到最佳。應(yīng)用程序?qū)邮怯脩魹樘囟ǖ那度胧较到y(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用程序。在操作系統(tǒng)層中，設(shè)備管理器提供對(duì)可安裝設(shè)備的支持，允許在系統(tǒng)中安裝諸如PC卡存儲(chǔ)器和調(diào)制解調(diào)器之類的設(shè)備已擴(kuò)充功能，內(nèi)核提供最基本的操作系統(tǒng)功能，例如進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、進(jìn)程通信等。圖形、窗口事件處理模塊將用戶的擊鍵、鼠標(biāo)移動(dòng)和控件選擇轉(zhuǎn)換為消息，傳送給應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)來處理用戶的輸入。對(duì)象存儲(chǔ)、文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)和注冊(cè)表提供存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力。用戶界面模塊為系統(tǒng)提供一個(gè)與PC電腦上的視窗操作系統(tǒng)類似的圖形化操作界面。對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者而言，需要自行開發(fā)的是應(yīng)用程序和直接與硬件有關(guān)的部分，包括硬件系統(tǒng)本身、OAL、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，OAL是指建立在硬件設(shè)備與系統(tǒng)內(nèi)核之間的一層代碼，主要任務(wù)是為內(nèi)核管理具體的硬件設(shè)備時(shí)鐘、中斷和實(shí)施電源管理提供支持。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)支持操作系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)硬件的訪問。

4.數(shù)據(jù)檢查電子化系統(tǒng)應(yīng)用舉例

圖2所示為數(shù)據(jù)檢查電子化系統(tǒng)示意圖，管理端以模板的方式定義各部品的檢查內(nèi)容。包括：檢查項(xiàng)目、規(guī)格、公差、尺寸檢查樣本數(shù)等，模板以不同的編號(hào)進(jìn)行保存；數(shù)據(jù)采集儀根據(jù)各產(chǎn)品的模板信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及測(cè)量，根據(jù)AQL表及批次數(shù)量自動(dòng)判斷拔取數(shù)及檢查方法，與服務(wù)器采用無(wú)線方式進(jìn)行通信傳輸；服務(wù)器端實(shí)時(shí)接收來自于各數(shù)據(jù)采集儀的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)各批次檢查的數(shù)據(jù)，項(xiàng)目超過規(guī)格或是批次檢查被拒收時(shí)，服務(wù)器通過郵件進(jìn)行報(bào)警處理；PC端自動(dòng)生成檢查臺(tái)帳，檢查數(shù)據(jù)表，并可打印，進(jìn)行各項(xiàng)SPC分析功能，檢查其它相關(guān)的來料匯總報(bào)表等。

5.結(jié)束語(yǔ)

如今，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)出現(xiàn)了很多新模式、新方法。該主板具有完善的電池供電設(shè)計(jì)，超小型的尺寸，創(chuàng)新的Micro-Drive技術(shù)，顯示輸出支持3.5英寸到7英寸的多種常用LCD屏，支持640x480到1024x768 VGA輸出，支持電視PAL/NTSC制式視頻輸出，支持Hive based registry，完善的802.11bg WiFi解決方案，接口豐富、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。這里作一介紹，希望在工業(yè)控制，交通管理，信息家電，POS網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)，環(huán)境工程與自然等方面得到更為廣泛的應(yīng)用，同時(shí)為其它控制器的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供可資借鑒的技術(shù)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉棟良，崔立麗.基于MC146818的實(shí)時(shí)時(shí)鐘[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2002，10（3）：192-193.

[2]李海泉.計(jì)算機(jī)的電磁干擾研究[J].計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制，2001，9（6）：1-4.

[3]鞠儒生，王輝，陳燕.VC++中實(shí)現(xiàn)基于多線程的串行通訊[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2002，10（1）：68-70.

[4]陶小平，王貴誠(chéng)，高云峰，等.速調(diào)管走廊抗干擾技術(shù)研究[J].核技術(shù)，2002，25（2）：99-102.

作者簡(jiǎn)介：

周秀君（1974—），男，碩士，副教授，現(xiàn)供職于順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：機(jī)電控制系統(tǒng)的研究。

范林紅（1973—），男，學(xué)士，高級(jí)工程師，廣州市太友計(jì)算機(jī)科技有限公司總經(jīng)理，主要從事品質(zhì)質(zhì)量控制系統(tǒng)研發(fā)工作。