基于ARM的嵌入式工业控制系统设计.doc

1、i 摘 要 嵌入式系统如今已经广泛的应用到了科学研究，工程设计，军事技术，各类产业和商业等领域。并且还在不断的发展和延续，嵌入式系统中又以 ARM 架构的运用最为有发展前景，普及最为广泛。在嵌入式操作系统领域中则是种类繁多，各有特色， Windows CE 操作系统由微软开发，还继承了 Windows 等系列操作系统的有点，极大的方便了应用程序的开发， ARM 是嵌入式系统研究的一个重要方向。 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，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

2、。选择 Windows CE系统作为嵌入式操作系统。 本文详述了作者参与并主持的具体开发过程，从硬件选型，系统设计，硬件电路详细设计， Windows CE 操作系统分析， Windows CE 系统定制，每一个步骤都做了有特点的说明。本文在最后对整个项目开发进行了总结。 【 关键词 】 嵌入式系统 Windows CE ARM S3c2440 ii Abstract The embedded system now widely used in scientific research, engineering design, military technology, all kinds of

3、industrial and commercial, etc. And also in constant development and continue, embedded systems and to the frame of the most have use ARM development prospects, popularize the most widely used. In embedded operating system in the field is wide variety, have distinguishing feature each, Windows CE op

4、erating system developed by Microsoft, also inherited the Windows operating system as a bit of a series, great convenience application development, ARM embedded system is an important direction. With the rapid development of industrial automation, people for the industrial control system in the more

5、 and more is also high requirements, here I with “wireless monitoring system design“ as the example of industrial control system design. By analysis and comparison, the choice S3c2440 processor core for the system, for it with a camera interface. Choose Windows CE system as embedded operating system

6、. The paper reviews the author and participate in specific development process hosted, from hardware selection, system design, hardware circuit the detailed design, Windows CE operating system analysis, Windows CE system customizing, each step all did have a characteristic of it. This paper in the l

7、ast for the whole project development are summarized. 【 Keywords】 Embedded system Windows CE ARM S3c2440 I 目录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题背景和研究内容 . 1 1.2 相关知识背景 . 1 1.3 课题研究的方法 . 2 1.4 国内外发展状况 . 3 第 2 章 硬件电路设计 . 4 2.1 总体电路设计 . 4 2.2 硬件电路的开发工具 . 5 2.3 内存、闪存、微处理器的部分电路设计 . 7 第 3 章 定制 WINDOWS CE 嵌入式操作系统 . 9 3.1

8、分析方法 . 9 3.2 简述 WINDOWS CE 操作系统 . 9 3.3 WINDOWS CE 系统的任务调试 . 9 3.4 WINDOWS CE 系统的内存管理 . 10 3.5 WINDOWS CE 中的设备管理器 . 12 3.6 WINDOWS CE 中的注册表 . 12 第 5 章 调试总结 . 15 5.1 调试 . 15 5.1.1 硬件调试 . 15 5.1.2 软件调试 . 15 总 结 . 17 II 参考文献 . 18 致 谢 . 20 基于 ARM 的嵌入式工业控制系统设计 作者： 刘晓明 第 1 页 共 24 页 第 1 章 绪论 1.1 课题背景和研究内容

9、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。 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。 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。 研究内容 :以“无

10、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。 1.2 相关知识背景 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

11、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。 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。 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 Xsc

12、ale 系列。它们的区别在于主频、功耗、指令集等方面 2。 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

13、。 1.3 课题研究的方法 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 16MB-128MB 之间，主频一般在 150Mhz-300Mhz， Flash 存储量16MB-256MB，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。 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

14、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。 1.4 国内外发展状况 及其研究意义 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

15、，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。 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。 第 2 章 硬件电路设计 2.1 整体电路框图设计 根据研究内容，设计如下 2-1 总体硬件结构框图。 图 2-1 监控系统结构框图 如图 2-1，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

16、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。 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。 S3C2440 微处理器 通信单元 LAN 通信单元 外接设备 电源 RS232 转 485 电路转换单元

17、SAA7113 CCD 摄像机 2.2 各类接口的连接 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 ITU656、 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

18、好可以实现这个过程。 下面是 S3C2440 的摄像机接口与 视频解码器 SAA7113 的连接原理 图 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

19、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

20、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如图 2-2 S3C2440 与 SAA7113 的 连接原理 图 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。