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基于ARM的實時測控系統(tǒng)開發(fā)平臺
摘要：基于ARM的實時測控系統(tǒng)開發(fā)平臺，是將高性能、低功耗32bit RISC結構的ARM內核處理器與開放源碼的實時嵌入式多任務操作系統(tǒng)ìC/OS-Ⅱ相結合，并通過Interniche公司的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧為平臺添加網絡傳輸功能,構建一個新型的實時測控系統(tǒng)開發(fā)平臺。為開發(fā)各種智能化、小型化現(xiàn)代測控系統(tǒng)提供可重用、高性能、圖形化、網絡化軟硬件基礎平臺和高效的開發(fā)模式。充分利用高級語言的優(yōu)勢在多任務操作系統(tǒng)的基礎上，為平臺添加友好的人機交互方式、圖形化界面、網絡、各種通信接口驅動，使其平臺具備現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)的特征。關鍵詞：實時測控系統(tǒng) ARM ìC/OS-II 嵌入式實時操作系統(tǒng) 嵌入式TCP/IP協(xié)議棧 JTAG在線調試 集成開發(fā)環(huán)境
國內測控系統(tǒng)開發(fā)大多是幾個人以小組的形式根據(jù)不同的項目組織在一起，由于缺乏一個穩(wěn)定工作的硬件基礎，整個開發(fā)工作的重點大都放在調試硬件故障上。首先，所有項目的開發(fā)幾乎全部使用匯編語言，嚴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目組之間的程序重用也很困難；而對于嵌入式應用系統(tǒng)應著重解決的實際問題往往無暇顧及，非常不利于我國嵌入式應用水平的提高。其次，測控系統(tǒng)通信接口種類比較少, 多為傳統(tǒng)的RS232、RS485接口，數(shù)據(jù)交換速度慢，已經不能滿足日益增長的數(shù)據(jù)傳輸需求。另外，傳統(tǒng)的8位單片機已經越來越不能適應日漸復雜的應用需求；友好的交互界面、網絡互連功能、智能化的軟件、實時的數(shù)據(jù)處理幾乎成了現(xiàn)代實時測控系統(tǒng)的共同需求。
我們開發(fā)了基于ARM內核處理器的NetCARM7開發(fā)板，通過在嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)ìC/OS-Ⅱ上加入Interniche公司的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)了一個網絡化、智能化、高性能的現(xiàn)代實時測控系統(tǒng)開發(fā)平臺。此外，通過JTAG在線調試工具BDI2000 RDI for ARM和集成開發(fā)環(huán)境IAR EW的結合，大大提高了程序調試的效率。
1 平臺設計
ARM內核處理器具有高性能、低功耗、低成本、低開發(fā)難度等一系列優(yōu)點，是測控系統(tǒng)由8位機升級到32位機的理想選擇。此外，ARM7、ARM9、ARM10、XScale的指令兼容，已有的軟件資源和開發(fā)經驗不會由于升級到更高性能的處理器而受到巨大的損失。
（1）平臺的硬件基礎
我們開發(fā)了NetCARM7開發(fā)板(處理器為Atmel公司的ARM7TDMI內核的AT91M40800，主頻可達40 MHz)作為中低端實時測控系統(tǒng)開發(fā)平臺的硬件基礎。AT91M40800性能已經可以滿足一般測控系統(tǒng)的各種需求，功能簡單易用，雙面板就可以形成穩(wěn)定硬件設計，大大降低了開發(fā)成本。板上將處理器的所有引腳引出,可以根據(jù)實際的項目需求靈活地擴展出新的應用；集成了多達2 MB的 SRAM，保證用戶代碼可以獲得最高的性能。1 MB Flash ROM用來滿足絕大多數(shù)項目的需求。板上預留了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Embeded Workbench for ARM 可以實現(xiàn)各種程序的在線調試。板上提供了2個串口，還可以將處理器的UART配置成SPI，除了完成通信功能以外，還可以很容易地連接A/D變換器，滿足測控系統(tǒng)的需求。板上還擴展了10 M以太網接口。在網絡控制器方面，選用了低成本符合NE2000標準的RTL8019，為平臺提供了網絡化的硬件基礎。此外，板上還集成了液晶及行列式鍵盤接口，可以很方便地為嵌入式應用系統(tǒng)提供友好的用戶交互方式。硬件平臺如圖1所示。
（2）開放源碼的嵌入式多任務操作系統(tǒng)
測控系統(tǒng)所要完成的工作越來越復雜，程序越來越龐大，需要管理的外設越來越多，只有擁有嵌入式多任務操作系統(tǒng)，擁有穩(wěn)定工作的硬件基礎，開發(fā)工作重點才能由原來硬件的調試、軟件的 DEBUG轉變?yōu)閷τ趯嶋H應用系統(tǒng)的性能的提高、智能化軟件的編寫。此外，只有在一個完整的、具有統(tǒng)一編程規(guī)范的操作系統(tǒng)基礎上，使用高級語言開發(fā)出的應用程序，才可能具有良好的可移植性,才可能被重復利用。嵌入式多任務操作系統(tǒng)是實現(xiàn)現(xiàn)代實時測控系統(tǒng)開發(fā)平臺的唯一途徑。操作系統(tǒng)與模塊化硬件設計結合起來，共同構成一個可以重復利用的軟硬件數(shù)字系統(tǒng)平臺，除了可以最大限度地提高開發(fā)的效率、減少資源的浪費外，還可以通過長期對于該平臺的研究，逐步優(yōu)化平臺軟硬件資源，提高其性能，并滿足日益復雜的應用需求。
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)的每件產品要收取版稅以外，要么只提供操作系統(tǒng)核心部分二進制文件，要么對源代碼的收費十分昂貴，對于此類操作系統(tǒng)的使用者來講，幾乎無法拿到操作系統(tǒng)的源代碼。這樣，一方面產品的進一步發(fā)展受制于人；另一方面對于嵌入式應用系統(tǒng)容易出現(xiàn)隱患，無法從根本上避?quot;后門"。只有對開放源代碼的操作系統(tǒng)進行不斷的理解、改造、優(yōu)化，才有利于我國嵌入式開發(fā)水平的穩(wěn)步提高。
對于小型實時測控系統(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、搶占式多任務的ìC/OS-Ⅱ非常適合！代碼簡潔的ìC/OS-Ⅱ已經應用于照像機業(yè)、醫(yī)療儀器、音響設備、發(fā)動機控制、網絡接入設備、高速公路電話系統(tǒng)、ATM機、工業(yè)機器人等嵌入式實時系統(tǒng)。
（3）網絡化
TCP/IP協(xié)議棧使得嵌入式系統(tǒng)可以通過Internet將通信距離無限擴展。10M以太網使得大量數(shù)據(jù)的快速傳輸成為可能。這樣，除了可以充分利用PC機上各種資源，完成數(shù)據(jù)的存儲、分析、統(tǒng)計工作外，還可以實現(xiàn)測控系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換，對于智能化、模塊化的嵌入式設備集群的實現(xiàn)提供了另一種途徑。PPP協(xié)議，可以通過調制解調器實現(xiàn)遠程的數(shù)據(jù)交換、狀態(tài)控制等功能，為嵌入式系統(tǒng)提供了更靈活的控制、監(jiān)測方式。
我們選用了Interniche公司（http://www.iniche.com）開放源碼的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧。Internic
he使我們很容易在ìC/OS-Ⅱ的調度下為開發(fā)平臺增加網絡通信和網絡管理等功能。由于它是專門為嵌入式系統(tǒng)而設計的，占用的系統(tǒng)資源很小。Interniche協(xié)議全部用標準C語言。它除了可以運行在各種RTOS下，如ìC/OS、VRTX、CMX、Threadx等，還可以在沒有RTOS的環(huán)境下獨立運行。此外，Interniche還在ìC/OS-Ⅱ的基礎上專門為其嵌入式TCP/IP協(xié)議棧編寫了自己的嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)：ChronOS。ChronOS除了保持對已經廣泛使用的ìC/OS-Ⅱ的兼容性以外，還使嵌入式TCP/IP協(xié)議棧與RTOS更加緊密地結合在一起，來滿足各種現(xiàn)代應用對RTOS和嵌入式TCP/IP協(xié)議相結合的迫切需求。
常用的Interniche包括：
① 核心協(xié)議。
◇ NicheStackTM--InternicheTCP協(xié)議包含TCP、UDP、IP、TFTP、DHCP Client、ICMP、ARP、SLIP、BootTP、DNS Client。
◇ Niche ToolTM--菜單驅動的協(xié)議調試和測試工具（包含在NicheStack和Nichelite中）。
◇ NicheLiteTM--Interniche微型化的TCP/IP協(xié)議，全部代碼在12KB以內；它包含全部的 NichestackTM所有的協(xié)議和1個最少化的Socket API，易于移植到從8位到32位CPU上。
可選擇應用模塊: PPP、Multilink PPP、PPPoE、Telnet(Server&Client)、FTP(Server&Client)、IP Multicast、NichePOP3。它使TCP/IP上的附加模塊增加了POP3 Email服務器收郵件功能。
② 基于WEB管理和配置協(xié)議。
◇ WebportTM--嵌入式Web服務器，讓最終用戶通過WWW瀏覽器配置和監(jiān)控嵌入式設備而避免去編寫專用的GUI界面。這些界面多數(shù)是與主機OS相關的（如Win98），而且需要目標環(huán)炒罅康淖試矗?縹募?低場?br> ◇ Email Alerte--為嵌入式系統(tǒng)增加預告和報警功能。它允許用戶向本地或遠程的Email地址發(fā)出預先設置好的信息，比如某個條件下的報警信息。
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2 開發(fā)平臺的具體實現(xiàn)
（1）開發(fā)測試板的硬件測試
完成NetCARM7設計、板焊接以后，使用Abatron公司 (http://www.abatron.ch) JTAG仿真器BDI2000，通過編寫B(tài)DI配置文件對NetCARM7板進行初始化，初步驗證板上CPU工作是否正常，檢查SRAM、Flash ROM是否可以正常讀/寫。
（2）BDI2000結合IAR EW的軟件測試
在板上存儲器正常工作的基礎上，使用IAR公司 (http://www.iar.com) 的集成開發(fā)環(huán)境Embedded Workbench編寫出簡單的測試程序，其中包括匯編語言、C語言。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，就可以生成目標機的可執(zhí)行程序；利用EW的C-SPY調試器中支持的RDI接口，就可以和BDI2000建立連接，直接將編寫的代碼下載到板上在線仿真。由于BDI2000仿真器是通過10M以太網連接計算機，并且通過JTAG接口與目標機相連，BDI2000與目標機的通信速率可達16Mb/s，程序下載速率可達320 KB/s，因此可以大大提高平臺軟件開發(fā)的效率。
在初步的測試程序編寫完成以后，逐步對板上的其它外設和通信端口進行測試。
（3）串口監(jiān)控程序
NetCARM7上的串口除了可以提供少量數(shù)據(jù)傳送和控制信息的輸入/輸出以外，為了方便平臺的軟件維護，我們還開發(fā)了一個基于板上串口的監(jiān)控程序，經RS232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中的內容；③ 查看指定地址的存儲器中的內容；④ 將用戶編寫的代碼下載到NetCARM7的指定地址的SRAM、Flash ROM中；⑤ 從指定地址開始執(zhí)行用戶代碼；⑥ 通過設置跳線，選擇從用戶放在FlashROM中的代碼直接啟動（上電后直接運行用戶的應用程序）；⑦ 支持用戶設置的軟件中斷，在中斷以后可以使用①、②、③項功能，用以方便用戶調試自己的代碼。這樣，在平臺用于實際的測控系統(tǒng)產品以后，在儀器工作現(xiàn)場只需改變跳線就可以使板上的監(jiān)控程序工作，通過串口升級整個系統(tǒng)軟件，也包括監(jiān)控程序本身，在沒有JTAG調試工具的時候，方便地對可能出現(xiàn)的比較簡單的問題進行修復。
（4）ìC/OS-Ⅱ的移植
對ìC/OS-Ⅱ的移植在BDI2000和IAR EW的幫助下變得非常簡單。在完成CPU的初始化以后，首先對時鐘節(jié)拍進行設置（10~100Hz）。對AT91M40800只需編寫相應的定時器中斷處理程序，在程序中調用操作系統(tǒng)的OSTimeTick（），并在其AIC(Advanced Interrupt Controller )中設置定時器的優(yōu)先級別，并將定時器中斷處理程序的地址放到相應的中斷向量表中即可。使定時器產生中斷，必須在開始多任務調度后，即在第一個任務中使能定時器。其次，對ìC/OS-Ⅱ移植主要集中在includes.h、OS_CPU_A.S、OS_CPU_C.C等CPU相關文件的移植，上層任務調度部分不需要
任何修改。對于多任務操作系統(tǒng)，只需將復雜的應用分成簡單的、相互聯(lián)系的任務，再把各個不同優(yōu)先級的任務交給操作系統(tǒng)去管理就可以了。
（5）Interniche嵌入式協(xié)議棧的移植
BDI2000結合IAR EW在線調試對于驅動程序的編寫的幫助作用更加明顯。對于同樣具有良好可移植特性的Interniche協(xié)議棧，只需要根據(jù)以太網控制器RTL8019手冊上的詳盡描述，編寫出發(fā)送包、接收包的函數(shù)，以及用于以太網控制器的外部中斷處理程序就可以完成對Interniche的網絡部分的移植。由于Interniche協(xié)議棧也是可以獲得源碼的，所以對于任何網絡控制器都可以通過不斷的調試最終完成自己的驅動程序。此外，為了方便調試，使Niche ToolTM工作，還應該完成對Interniche中向串口收發(fā)字符putchar(); getch()的移植，就可以在PC端使用超級終端經過串口與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ìC/OS-Ⅱ調度的狀態(tài)查詢任務。這樣ìC/OS-Ⅱ就和Interniche一起構成了現(xiàn)代實時測控系統(tǒng)開發(fā)平臺的軟件核心。
3 開發(fā)平臺靈活的網絡應用
（1）圖形化操作界面
圖形化操作界面是基于Interniche 的Webserver,通過WWW瀏覽器實現(xiàn)的。
利用Interniche提供的WebportTM，讓最終用戶通過局域網或廣域網訪問嵌入式測控系統(tǒng)，在WWW瀏覽器中設置測控設備工作參數(shù)，監(jiān)控其運行狀態(tài)及察看測量結果，而避免為嵌入式測控系統(tǒng)專門去編寫專用的GUI交互界面。在不同的儀器設備中的界面只需編寫不同的HTML頁面，結合CGI技術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機提供存儲空間就可以了。
（2）真正的遠程控制
利用Interniche提供的PPP撥號上網，使用Email Alerte為嵌入式測控系統(tǒng)增加預告和報警功能，測控設備就可以向遠程的Email地址發(fā)出預先設置好的信息，通知測控設備的工作情況，實現(xiàn)嵌入式測控設備真正的"無人值守"遠程控制。
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