基于ARM嵌入式的智能數(shù)據(jù)處理終端的設(shè)計(jì)方法

陳相德，譚哲文，陳觀壽

（廣東順暢科技有限公司，廣東 江門 529000）

0 引言

針對傳統(tǒng)無線數(shù)據(jù)終端，多采用單片機(jī)配合無線收發(fā)模塊的結(jié)構(gòu)，不僅數(shù)據(jù)處理能力較為薄弱，同時(shí)通信能力及協(xié)議通用性也相對較差。數(shù)據(jù)處理終端是集數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、顯示、控制為一體的綜合性處理技術(shù)，其由以ARM為代表的嵌入式Linux平臺(tái)支撐，能夠使數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)表現(xiàn)出較強(qiáng)的兼容性、穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性特性，且降低了通信系統(tǒng)的開發(fā)成本，能夠最大化滿足用戶的個(gè)性化數(shù)據(jù)處理需求。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 ARM集成開發(fā)環(huán)境

ARM集成開發(fā)環(huán)境由ARM公司開發(fā)，該公司是32位嵌入式RISC技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，其借助RISC架構(gòu)搭建ARM處理器，能夠使處理器呈現(xiàn)出體積小、成本低等優(yōu)勢，且大量使用寄存器，顯著提高了指令的執(zhí)行速度。同時(shí)，系統(tǒng)支持Thumb或ARM指令集，能夠兼容C、C++、ARM匯編語言等多種編譯程序代碼，可在配合第三方工具及軟件支持的基礎(chǔ)上提高產(chǎn)品的競爭力，從而滿足嵌入式開發(fā)的具體需求。

1.2 嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)

對于硬件角度，嵌入式系統(tǒng)以嵌入式處理器作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，而根據(jù)嵌入式處理器的功能與用途，常見嵌入式處理器包括嵌入式微控制器、嵌入式微處理器、嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器以及片上系統(tǒng)等，目前，多核心處理器是嵌入式處理器的主要發(fā)展趨勢，針對外圍硬件設(shè)備，其主要涉及各類傳感器、電子構(gòu)件和機(jī)械部件，依托GPIO接口、LCD接口或總線接口與嵌入式處理器進(jìn)行連接，從而達(dá)到對于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理與通信，滿足用戶的數(shù)據(jù)控制要求；另外，對于軟件角度，嵌入式系統(tǒng)的核心在于嵌入式操作系統(tǒng)，其涉及多個(gè)硬件接口、應(yīng)用程序及文件系統(tǒng)，能夠運(yùn)行于不同類型的微處理器上，具有較強(qiáng)的兼容性、移植性和通用性，同時(shí)，在嵌入式操作系統(tǒng)支持下，可實(shí)現(xiàn)文件管理、任務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)控制等功能，且包含大量的應(yīng)用程序接口，能夠在支持應(yīng)用程序開發(fā)的基礎(chǔ)上給予用戶足夠的技術(shù)支撐[1]。

1.3 人機(jī)交互方式

觸摸屏具有反應(yīng)速度快、便于交流等優(yōu)勢，能夠根據(jù)用戶的觸點(diǎn)接收觸摸信息，并將其轉(zhuǎn)換為觸點(diǎn)坐標(biāo)，提供給CPU處理，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，對此，以七寸LCD四線電阻式觸摸屏和LCD顯示屏為依托進(jìn)行本系統(tǒng)開發(fā)；對于圖形用戶交互引擎，其相較于傳統(tǒng)CUI系統(tǒng)具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性、可靠性和可移植性，能夠滿足嵌入式系統(tǒng)硬件資源有限的需求。

1.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案

以SD卡作為硬件支撐，其具有價(jià)格便宜、存儲(chǔ)性能高、使用方便、開發(fā)設(shè)計(jì)簡單等優(yōu)勢。而在軟件層面，借助SQLite數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、檢索和管理，其利用C語言編寫，主要服務(wù)于嵌入式設(shè)備，具有ACID操作、API、符合SQL92標(biāo)準(zhǔn)、存儲(chǔ)性能好、存儲(chǔ)速度快、獨(dú)立性、兼容性等特性，是最為優(yōu)秀的嵌入式數(shù)據(jù)庫之一。

1.5 數(shù)據(jù)傳輸方式

構(gòu)建基于GPRS的無線透明傳輸，其通過于GSM數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中引用分組交換功能實(shí)體，能夠?qū)崿F(xiàn)對于傳輸數(shù)據(jù)的分組管理，具有水資源利用有效、覆蓋面廣、接入時(shí)間短、傳輸速率高等優(yōu)勢。同時(shí)，對于本系統(tǒng)開發(fā)過程，借助RS232接口就嵌入式硬件平臺(tái)與GPRS模塊進(jìn)行連接，依托AI命令管理GPRS模塊，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在TCP/TP通道上的傳輸[2]。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 核心板接口

采用Micro2440核心板作為本系統(tǒng)的系統(tǒng)板，涉及S3C2440 芯片、2MNOR Flash 存儲(chǔ)器單元、32 位64MSDRAM內(nèi)存單元以及12Mhz無源晶振，能夠提高內(nèi)核配置及相關(guān)驅(qū)動(dòng)的開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期。同時(shí)，核心板依托PA、PB、PC三組排針接口實(shí)現(xiàn)與底板的接口通信，而在監(jiān)控終端底板設(shè)計(jì)過程中，需就UART、USB、網(wǎng)卡等部分引腳與電路進(jìn)行對接，從而支撐核心板的正常運(yùn)行。

2.2 電源電路設(shè)計(jì)

采用LM2576作為電源芯片進(jìn)行電源設(shè)計(jì)，其作為一種3A電流輸出降壓開關(guān)型穩(wěn)壓集成芯片，具有完善的保護(hù)電路，能夠確保穩(wěn)壓電源的運(yùn)行穩(wěn)定性和高效性。需注意的是，電源電路中涉及對于電感電容的使用，其能夠有效確保電路穩(wěn)定，并規(guī)避電磁干擾問題[3]。同時(shí)，本系統(tǒng)涉及兩種運(yùn)行電壓，即3.3v和1.8v，其均借助LM1117降壓芯片獲取，能夠滿足電源電路的運(yùn)行需求。本系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)如圖1。

圖1 電源電路設(shè)計(jì)示意圖

2.3 串口電路設(shè)計(jì)

采用UART通用異步接收/發(fā)送裝置實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)傳輸。針對數(shù)據(jù)發(fā)送過程，由CPU就并行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，寫入U(xiǎn)ART，通過格式處理后于TxD線上串行發(fā)出；此外，針對數(shù)據(jù)接收過程，由UART監(jiān)測信號(hào)，收集串行數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)至緩沖區(qū)內(nèi)，通過CPU讀取UART采集并行數(shù)據(jù)。其中，UART使用標(biāo)準(zhǔn)TTL/COMS邏輯電平，且為提高數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性、提升數(shù)據(jù)傳輸效率，一般可將TTL/CMOS邏輯電平轉(zhuǎn)化為RS-232邏輯電平，即將3V至12V表示為0，–3V至–12V表示為1。

2.4 網(wǎng)絡(luò)電路設(shè)計(jì)

主要設(shè)計(jì)網(wǎng)卡芯片與S3C2440核心板、以太網(wǎng)水晶接頭RJ-45的連接問題，采用DM9000 10/100M以太網(wǎng)卡控制芯片作為網(wǎng)卡芯片，其借助數(shù)據(jù)線、地址線、控制線實(shí)現(xiàn)與S3C2440的通信連接。同時(shí)，作為16位芯片，DM9000應(yīng)用16位數(shù)據(jù)總線LDATA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)控制，可在DM9000讀寫過程中，通常需使用AEN引腳、CMD引腳和25MHz的晶振。涉及對于隔離芯片的使用，其能夠連接以太網(wǎng)水晶接頭RJ-45和網(wǎng)卡芯片，具備波形修復(fù)、信號(hào)傳輸?shù)裙δ?，能夠保障系統(tǒng)的運(yùn)行安全性，控制系統(tǒng)的共模干擾問題，提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸性能[4]。

2.5 USB接口

嵌入式設(shè)備的USB接口包含USB Slave和USB host兩種，前者將嵌入式設(shè)備作為USB從設(shè)備，后者將嵌入式設(shè)備作為USB主設(shè)備。其中，考慮到本設(shè)計(jì)的功能需求，需借助USB host接口實(shí)現(xiàn)接口設(shè)計(jì)，其能夠支持U盤、USB鼠標(biāo)、USB攝像頭等USB設(shè)備的連接，有助于確保系統(tǒng)的兼容性。

2.6 SD卡接口電路及驅(qū)動(dòng)

SD卡接口電路包含數(shù)據(jù)線、時(shí)鐘線、命令/數(shù)據(jù)選擇線、片監(jiān)測引腳以及寫保護(hù)引腳，而由于Linux平臺(tái)自帶支持S3C2440芯片的SD卡驅(qū)動(dòng)，使得只需要在初始化代碼中加入SD平臺(tái)設(shè)備結(jié)構(gòu)即可。

2.7 LCD與觸摸屏接口

在LCD驅(qū)動(dòng)方面，其設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于時(shí)鐘頻率的設(shè)置，而當(dāng)設(shè)置出現(xiàn)問題時(shí)，一般會(huì)導(dǎo)致頻閃、色調(diào)失真或無顯示現(xiàn)象，因此，本設(shè)計(jì)采用33.3Mhz作為LCD頻率。考慮到電磁噪聲對于觸摸屏性能的影響，在觸摸屏設(shè)計(jì)完成后，對觸摸屏存在的不準(zhǔn)確、有抖動(dòng)問題進(jìn)行校準(zhǔn)。其中，通常采用Tslib程序?qū)崿F(xiàn)濾波、去抖、校準(zhǔn)等功能。

2.8 PCB設(shè)計(jì)

應(yīng)以電路原理圖為依據(jù)，在充分考慮外部連接布局及內(nèi)部電子元件構(gòu)造的基礎(chǔ)上進(jìn)行印制電路板的版圖設(shè)計(jì)。同時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)重點(diǎn)考量電磁保護(hù)、熱耗散、通孔布局等因素。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 開發(fā)環(huán)境

首先，對于基本開發(fā)環(huán)境，采用Ubuntu10.04LTS桌面版進(jìn)行嵌入式開發(fā)，并配置Wubi安裝方式，能夠在不破壞Windows分區(qū)的前提下將Ubuntu操作系統(tǒng)安裝至Windows操作系統(tǒng)中，而由于Ubuntu操作系統(tǒng)缺乏專業(yè)的軟件開發(fā)工具，需在嵌入式軟件開發(fā)之前安裝語法、詞法分析器及函數(shù)庫等工具；其次，對于嵌入式軟件的開發(fā)模式，由于嵌入式硬件平臺(tái)資源相對有限，故不能直接在嵌入式平臺(tái)上開發(fā)嵌入式軟件，因此采用交叉開發(fā)模式對嵌入式軟件進(jìn)行開發(fā)，即先在通用計(jì)算機(jī)上編寫程序再利用交叉編譯工具進(jìn)行交叉編譯，從而形成二進(jìn)制代碼格式，滿足嵌入式平臺(tái)的軟件運(yùn)行需求；最后， 在ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中，采用ARM調(diào)試器作為代碼調(diào)試工具，涉及集成開發(fā)環(huán)境、交叉編譯工具鏈、守護(hù)進(jìn)程和JTAG接口板。

3.2 Linux內(nèi)核移植

Linux內(nèi)核移植具有較強(qiáng)的綜合性和復(fù)雜性，一般包括進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備控制、網(wǎng)絡(luò)接口等內(nèi)容。而在內(nèi)核修改中，考慮到本設(shè)計(jì)所用核心板Micro 2440的硬件電路與S3C2440芯片的硬件電路完全一致，因此只需要根據(jù)具體應(yīng)用調(diào)整平臺(tái)與SMDK 2440間的差距即可。

3.3 根文件系統(tǒng)建立

在ARM嵌入式Linux系統(tǒng)及相關(guān)應(yīng)用程序運(yùn)行過程中，根文件系統(tǒng)是最基礎(chǔ)的運(yùn)行環(huán)境，而在以往系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需采用不同版本的根文件系統(tǒng)以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)流程相對繁雜。對此，可借助Shell腳本簡化根文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程。首先，對于根文件系統(tǒng)目錄結(jié)構(gòu)的搭建，為提高用戶文件搜索效率，按照FHS標(biāo)準(zhǔn)搭建根文件系統(tǒng)目錄結(jié)構(gòu)，其不僅規(guī)定了文件系統(tǒng)中目錄、文件的分類儲(chǔ)存標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也定義了最小文件和目錄集合；其次，系統(tǒng)搭配不同的Busybox版本，能夠滿足不同根文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，而在具體根文件系統(tǒng)搭建時(shí)，Busybox的命令集合并非全部使用，而是可通過配置命令選擇功能以滿足具體的系統(tǒng)需求[5]。

4 通信設(shè)計(jì)

通信系統(tǒng)由IEC61850協(xié)議支持，即所述IEC61850協(xié)議設(shè)備與所述通信電源監(jiān)控終端的以太網(wǎng)接口電性連接，從而構(gòu)成集通信電源、通信電源監(jiān)控終端為一體的通信體系，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信功能。

5 結(jié)語

綜上，提出一種基于ARM的嵌入式Linux數(shù)據(jù)處理監(jiān)控終端，通過總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和通信設(shè)計(jì)，達(dá)成預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，能夠?yàn)橛脩籼峁┙换ナ降臄?shù)據(jù)支持，滿足用戶的個(gè)性化數(shù)據(jù)需求。