摘要：為擴展工業(yè)控制領(lǐng)域的核心功能并豐富其接口操作,，本文提出一種基于AT91RlM9200微控制器的智能化多總線測控模塊的設(shè)計方法以及系統(tǒng)的構(gòu)建架構(gòu)，并給出顯示接口的軟,、硬件解決方案,。該模塊利用嵌入式系統(tǒng)解決了顯示接口實現(xiàn)困難的問題，具有較好的實際應(yīng)用前景,。
關(guān)鍵詞：嵌入式技術(shù),；MultiBus—CPU模塊；顯示接口

引言
    MultiBus—CPU模塊是基于AT91RM9200微控制器的智能化多總線測控模塊,。該CPU模塊主要實現(xiàn)對下位機的控制,，并建立基于Modbus—RTU總線協(xié)議的總線通信體系結(jié)構(gòu)，讓系統(tǒng)設(shè)備可以無縫接入基于Modbus—RTU模式的總線系統(tǒng),，可靠,、實時、準確地實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集,、信號輸出等功能,；同時，提供標(biāo)準視頻接口用于顯示16位色圖像,，提供標(biāo)準音頻輸入輸出接口用于實現(xiàn)錄放音功能。該模塊作為嵌入式開發(fā)環(huán)境的核心,，可實現(xiàn)人機界面的交互操作和顯示,、海量數(shù)據(jù)的存儲、多串口,、多USB口,、音頻信號輸入輸出,、以太網(wǎng)口等接口；運行Linux操作系統(tǒng),，可以快速搭建面向應(yīng)用的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng),。

1 MultiBus—CPU模塊軟件設(shè)計方案
    為了滿足實際應(yīng)用對實時性的要求，MultiBus—CPU模塊軟件采用了Linux2．6．21操作系統(tǒng),。其中,，Linux2．6的內(nèi)核任務(wù)可以被搶占，這一特性使得Linux2．6內(nèi)核適用于實時系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)中,。驅(qū)動程序在Linux環(huán)境下進行開發(fā),，應(yīng)用層采用標(biāo)準的通信協(xié)議——Modbus協(xié)議，控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進行集中監(jiān)控,。通過一致的Modbus接口,，MultiBus—CPU模塊與擴展下位機均可作為對等設(shè)備在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中進行對話，使得各個設(shè)備無縫接入到工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中,。MultiBus—CPU模塊支持現(xiàn)階段工業(yè)測控系統(tǒng)中最常用的以太網(wǎng)(UDP)通信及RS485通信協(xié)議,。因此，本模塊在與其他功能模塊進行通信時,，采用Modbus—RTU數(shù)據(jù)通信方式,，利用以太網(wǎng)(UDP)／RS485總線進行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，實現(xiàn)對各功能模塊的集中監(jiān)控,。軟件總體結(jié)構(gòu)如圖l所示,。

2 MulitiBus—CPU模塊硬件設(shè)計方案
    硬件設(shè)計原理圖如圖2所示。MultiBus—CPU模塊選用Atmel公司的AT91RM9200為主處理器,，融合了ARM920T ARM Thumb處理器,。其工作于180 MHz時性能高達200 MIPS；具備存儲器管理單元,，可以運行Linux等實時操作系統(tǒng),；具備10／100 Base—T型以太網(wǎng)卡接口，只需外擴一個PHY即可實現(xiàn)以太網(wǎng)通信,；具備USB 2．O全速(12 Mb／s)主機雙端口,，可以擴展鍵盤、鼠標(biāo),、U盤等標(biāo)準外設(shè),。

    主處理器AT91RM9200具備5個串口：1個DEBUG串口，設(shè)計為RS232接口,，可以直接連接PC的串口進行調(diào)試,；1個RS485接口，可以與其他功能模塊的RS485接口組成網(wǎng)絡(luò),；其余3個串口均設(shè)計為RS232接口,。
    通過CPU模塊的外部總線和Epson公司的S1D13506顯示芯片擴展了一個VGA接口,，分辨率為640×480，256色,。IS41LVl6100為其提供獨立顯存,，容量為1M×16位，支持EDO PAGE模式,。
    GL850A芯片是一個低功耗的USB 2．0 HUB控制器,，AT91RM9200本身的USB HOST接口通過GL850A芯片擴展為4個USB HOST接口。
DS3231是精度非常高的I2C集成實時時鐘,。其精度在0～40℃內(nèi)高達±2 ppm,，在-40～85℃內(nèi)精度可達±3．5ppm；板載電池,，掉電后可以保持時間,；可為系統(tǒng)提供秒、分,、小時,、日、日期,、月,、年等信息，具有自動閏年調(diào)整功能,。
    WM8731是一個低功耗網(wǎng)絡(luò)音頻編解碼器(CO-DEC),，具有輸出功率放大器和可編程采樣速率設(shè)定功能。WM8731芯片通過I2S接口與CPU連接,，為CPU模塊擴展了音頻信號的輸入輸出接口,，使系統(tǒng)具備音頻采樣功能，音頻信號數(shù)字化后可以通過以太網(wǎng)傳送,。
    DM9161為10／100M快速以太網(wǎng)物理層單芯片收發(fā)器,，H1102為網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器，用于實現(xiàn)10／100M自適應(yīng)的可靠網(wǎng)絡(luò)傳輸功能,。
    MultiBus—CPU模塊通過增加顯示控制芯片及其驅(qū)動實現(xiàn)了顯示接口,，系統(tǒng)運行信息可以直接通過VGA顯示器顯示出來，大大提高了人機交互的可操作性,。

3 顯示模塊硬件設(shè)計方案
3．1 接口芯片選擇
    接口芯片選用Epson公司生產(chǎn)的大規(guī)模顯示控制器S1D13506,。它是以SEDl354控制器為基礎(chǔ)發(fā)展起來的具有更多功能的LCD顯示控制器，支持全類型,、大規(guī)模的LCD及CRT／TV顯示器,。S1D13506內(nèi)置RAMDAC(Random Access Memory Digital-to-Analog Converter，隨機數(shù)模轉(zhuǎn)換記憶體)硬件X-Y軸轉(zhuǎn)置二維加速器,，共有114個寄存器,，可以靈活地設(shè)置各種不同的顯示方式。
3．2 接口硬件設(shè)計
    S1D13506與處理器的接口采用通用類型總線(包括數(shù)據(jù)總線,、地址總線,、控制總線)。接口定義如表1所列,。芯片所用像素時鐘CLKl,、CLK2是由同步信號發(fā)生器ICSl523來提供的，外接1M×16位的EDO-DRAM IS41LVl6100,。

    圖3是顯示電路總體連接圖,。S1D13506連接到AT9IRM9200的信號有：
、ABl～AB20,、DBl～DBl5,、。連接到ICSl523的信號有：CLCKI,、CLCKl2(用于內(nèi)部顯示及外部媒體接口時鐘),。連接到IS41LVl6100的信號有：DRAM-WE、DRAM-RAS,、LCAS,、UCAS、MA0～MA9,、MD0～MDl5,。其中，MDl,、MD2,、MD4、MD6,、MDl5需要外接上拉電阻用于S1D13506初始配置,。其他控制信號連接到LCD／CRT顯示器。S1D13506芯片有個測試使能引腳TESTEN在芯片正常工作時接地,。如果不使用RAMDAC的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能,，那么IREF引腳必須接地。ICSl523通過I2C串行總線(TWD,、TWCK)接受AT91RM9200對它的寄存器配置,。本設(shè)計中，ICSl523的輸入時鐘是50 MHz,，輸出CLKl為25 MHz,，CLK2為12．5 MHz．

4 顯示模塊軟件設(shè)計方案
4．1 Linux下LOD驅(qū)動程序開發(fā)
    在Linux內(nèi)核中，設(shè)備驅(qū)動程序是一個個獨立的“黑盒子”,，可以使某個特定的硬件響應(yīng)一個定義良好的內(nèi)部編程接口,，同時完全隱藏了設(shè)備的工作細節(jié),，用戶操作只需要通過一組標(biāo)準化的調(diào)用即可完成。把這些調(diào)用映射到設(shè)備特定的操作上,，則是設(shè)備驅(qū)動程序的任務(wù),。而每一個設(shè)備都可以看作是一個文件，所以打開的設(shè)備在內(nèi)核中都可以由一個File結(jié)構(gòu)標(biāo)識,，內(nèi)核使用File_operations結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動程序的函數(shù),。每個文件(設(shè)備)都與它自己的函數(shù)集相關(guān)聯(lián)。這些操作函數(shù)主要負責(zé)上面所提到的系統(tǒng)調(diào)用的實現(xiàn),，并因此被命名為open,、read、for-k,，ioctl等,。
    LCD控制器的功能是顯示驅(qū)動信號，進而驅(qū)動LCD,。用戶只需要通過讀寫一系列的寄存器,，就可以配置和顯示驅(qū)動。配置LCD控制器時,，最重要的一步是幀緩沖區(qū)(FrameBuffer)的指定,。幀緩沖區(qū)為圖像硬件設(shè)備提供了一種抽象化處理，它代表了一些視頻硬件設(shè)備,，允許應(yīng)用軟件通過定義明確的界面來訪問圖像硬件設(shè)備,。用戶程序只需與幀緩沖驅(qū)動程序抽象出來的接口打交道，就可以把要顯示的內(nèi)容從緩沖區(qū)中讀出,，從而顯示到屏幕上,。
    在FrameBuffer驅(qū)動程序中，最核心的結(jié)構(gòu)體是幀緩沖區(qū)驅(qū)動程序接口,，即struct fb_info,。它記錄了當(dāng)前FrameBtlffer硬件設(shè)備的狀態(tài)，通常在Linux的inctLtde／Linux／fb．h中定義,。最主要的結(jié)構(gòu)體有：Struct fb_fiX_screeninfo,，定義顯示輸出設(shè)備自身的屬性，如屏幕緩沖區(qū)的物理地址和長度,；Struct fb_var_screeninfo,，記錄幀緩沖設(shè)備和指定顯示模式的可修改信息，包括顯示屏幕的分辨率,、每個像素的比特數(shù)和一些時序變量,。
    若要先設(shè)定幀緩沖區(qū)的物理地址和長度，就要在SlDl3506．h里指定，然后在驅(qū)動程序里通過對fb_fiX_screeninf0賦值來實現(xiàn)：
    
    
    首先對LCD的背光燈進行點亮,。LCD顯示是一種被動的顯示模式,，不能發(fā)光，只能依靠控制透射或反射周圍環(huán)境的光來達到顯示的目的,。因此,，必須通過寫寄存器用高電平指示對LCD加3．2 V電壓來實現(xiàn)背光燈的點亮。其函數(shù)的部分代碼如下：
    
    
    數(shù)組里每個元素的第1個值代表寄存器的名稱,，第2個值代表要設(shè)定的數(shù)值(1個十六進制的數(shù))。32h寄存器用于設(shè)定LCD顯示的水平像素數(shù)目,，計算方法是把第2個值轉(zhuǎn)換成十進制,，加1再乘以8就得出水平像素。例如,，0x63換算成十進制為99,，加1乘以8就是800。38h和39h寄存器分別設(shè)置成0x57和0x02,，就可以顯示600的垂直分辨率,。計算方法是以39h寄存器的bitO和bitl位為高位，38h寄存器的bitO～bit7為低位,，組成的一個十六進制的數(shù),，再轉(zhuǎn)換成十進制。除了要修改這3個寄存器外,，34h和3Ah這兩個寄存器也會對顯示的分辨率有影響,。
    幀緩沖設(shè)備也屬于字符設(shè)備，要通過“文件層-驅(qū)動層”的接口方式來對LCD進行驅(qū)動,，就必須對File operationes數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)fb_ops進行填充,，并實現(xiàn)其對應(yīng)的成員函數(shù)。本系統(tǒng)在include／Linux／fb．h中定義了幀緩沖區(qū)的文件操作,，部分代碼如下：
   
    這個結(jié)構(gòu)中的每一個字段都必須指向驅(qū)動程序中實現(xiàn)特定操作的函數(shù),。對于不支持的操作，對應(yīng)的字段可以被置為NULL,，或留到后續(xù)開發(fā)時再添加,。本模塊中實現(xiàn)特定操作的成員函數(shù)的代碼如下：

    
    接下來把一些調(diào)用的函數(shù)寫完整，編寫好程序后用arm-linux-gcc編譯驅(qū)動模塊,；然后對其動態(tài)加載,，或靜態(tài)將其編譯到Linux內(nèi)核；加載完程序后,，就可以編寫應(yīng)用程序進行讀／寫等操作了,。
4．2 MinilGUI的移植
    在嵌入式開發(fā)環(huán)境中，獨立的顯示操作人機界面是非常必要的。它可以使嵌入式系統(tǒng)對PC系統(tǒng)的依賴性降到最低,，可以直接操作嵌入式系統(tǒng)并顯示運行結(jié)果,。MultiBus-CPU模塊采用標(biāo)準的USB鍵盤、USB鼠標(biāo),、VGA顯示器作為人機交互界面,，使用習(xí)慣類同于PC機，簡易了開發(fā)者的開發(fā)過程,，并且用戶的使用過程也變得簡單,、快捷、易于操作,。
    MiniGUI是遵循GPL條款發(fā)布的自由軟件,，其目標(biāo)是為基于Linux的實時嵌入式系統(tǒng)提供一個輕量級的圖形用戶界面支持系統(tǒng)。與QT／Em-bedded,、MicoroWindows等其他GUI相比,，MiniGUI的最顯著特點就是輕型、占用資源少,。據(jù)稱MiniGUI能夠在CPU主頻為30 MHz,、僅有4 MB RAM的系統(tǒng)上正常運行，這是其他多種GUI所無法達到的,。
    MiniGUI在AT91RlM9200上的移植包括4個步驟：
    ①構(gòu)建Linux交叉編譯環(huán)境,。通常使用的交叉編譯工具是arm-Linux-gcc2．95．3版本。下載此交叉編譯工具后在Linux內(nèi)安裝好,，并且在PATH中添加／usr／loeal／arm-Linux／bin路徑,，交叉編譯環(huán)境就構(gòu)建好了。
    ②交叉編譯MiniGUI,，這是最關(guān)鍵的一步,。首先從網(wǎng)上下載MiniGUI源程序包(包括庫文件和資源文件)，以及其他支持圖形界面的源程序包,；然后用上一步安裝好的交叉編譯工具對其進行編譯,，編譯時可指定編譯后庫文件及資源文件的安裝位置。
    ③拷貝MiniGUI資源到開發(fā)板,。將第2步編譯好的庫文件及資源文件拷貝到開發(fā)板上,。拷貝之前先用arm-Linux-strip命令清除文件中的調(diào)試信息,，這樣就使文件體積大大縮小,，可以滿足嵌入式系統(tǒng)的需要。
    ④板載Linux的MiniGUI環(huán)境配置,。將第2步安裝好的MiniGUI配置文件MiniGUI．cfg下載到板子中,，并將其中fbcon的defaultmode設(shè)置為合適的顯示模式,。

結(jié)語
    本文基于嵌入式技術(shù)設(shè)計了一種MultiBus—CPU模塊，能夠滿足各種嵌入式開發(fā)環(huán)境的設(shè)計要求,。該模塊軟硬件均采用模塊化設(shè)計,，采用國外廣泛應(yīng)用的ModBus通信協(xié)議，可滿足工業(yè)現(xiàn)場的測控需要,。