基于 ARM 和 Linux 通用工控平台设计与实现

随着工控技术的进步和市场竞争的加剧，开发人员通常需要在尽可能短的时间内设计出满足用户要求的测控系统。本文针对嵌入式系统的特点，以高性价比的32位ARM嵌入式处理器AT91RM9200为硬件核心，搭建了通用工控硬件平台，在此平台上移植嵌入式Linux操作系统和图形界面开发环境MiniGUI。以此通用工控平台为基础，可以方便地构建工程应用所需的绝大部分自动测控系统。其应用无论是在性能还是在成本方面都极具竞争力，这预示着本平台具有较好的应用前景。

本工控平台在硬件上，选择ATMEL公司的AT91RM9200微处理器，并对其最小系统及外围部件进行设计，以适应当前工控现场更加丰富的技术要求，并结合工业测控Modbus协议，扩展多种通信接口，满足用户的通信需求。与此同时，选择嵌入式Linux操作系统为测控软件的开发提供了性能优良软件平台。

通用工控硬件平台设计
1 AT91RM9200微处理器最小系统构成
最小系统是保证微处理器可靠工作所必需的基本电路。基于AT91RM9200微处理器的最小嵌入式系统由微处理器AT91RM9200、电源电路、晶体振荡器电路、复位电路、JTAG接口、存储器模块、串行调试接口等电路组成。至此就具备了设计开发一款基于ARM微处理器的通用工控平台的硬件基础。

2 硬件平台外围接口电路
利用AT91RM9200丰富的内置外设，可以方便的扩展外围接口，如表2所示。

3 硬件平台用户接口
系统对外提供一个2*32针的标准3U插槽，共64针。3U插槽专门设计用于便携式应用，特别适合作为一体化的移动控制器用于工业测控、产品线、运输系统和交通控制系统的应用。

4 硬件平台结构
根据上述对AT91RM9200最小系统及各外围部件的设计，最终构成以AT91RM9200微处理器为硬件核心的通用工控硬件平台，如图1所示。

图1 通用工控平台硬件结构

通用工控软件平台设计
1 基于ARM硬件平台搭建Linux操作系统
ARM-Linux开发环境搭建
建立以嵌入式Linux为操作系统的工控平台的开发环境和在Windows下安装虚拟机Linux环境的软件的开发环境，嵌入式Linux内核编译、应用程序编译都在该虚拟机完成。为了提高开发效率，以虚拟机中安装的Linux为服务器，通过Windows客户端使用Telnet或SSH登录服务器，服务器可自由在客户端中下载必需的开发工具及软件，调试应用程序时，可以先在PC的Linux环境下进行模拟，然后通过DEBUG调试串口下载在目标平台下。这种开发环境的优点是只需要一台计算机就可以真实的模拟Linux，具体过程如图2所示。

图2 开发环境

交叉编译
交叉编译就是在一个平台上生成另一个平台上的可执行代码。所谓平台，实际上包含两个概念：体系结构及操作系统。根据上述建立的开发环境，目标平台是基于ARM体系结构的运行嵌入式Linux操作系统，而开发编译环境是基于PC中虚拟机上的Linux操作系统。若在目标平台上运行程序，则须在PC开发环境下对代码进行交叉编译以适应目标平台。

依据环境变量PREFIX，将编译好的工具链安装到指定文件夹就可以使用了。

例如，修改arm-Linux-gcc-2.95.3的环境变量为：
PATH=$PATH:$HOME/bin:$PREFIX/bin:/usr/local/arm/2.95.3/bin:/sbin:/usr/sbin:/usr/local/sbin，同时编写hello.c程序进行验证
$arm-Linux-gcc hello.c -o hello-arm
$file hello-arm
hello-arm: ELF 32-bit LSB executable, ARM, version1 (ARM), for GNU/Linux 2.0.0, dynamically linked (uses shared libs),not stripped
这表明生成的hello-arm可以在ARM平台上运行，也证明交叉编译工具链是有效并且可用的。

Linux内核编译下载
具体步骤如下：

(1) 解压Linux-2.6.21-2009-04 -10.bz2：tar xjvf Linux-2.6.21 -2009-04-10.bz2；

(2) 进入Linux-2.6.21目录，内核编译：make uImage；

(3) 编译完成后，通过SSH把uImage文件拷贝到Windows环境下；

(4) 配置U-Boot环境变量；

(5) 配置tftp服务器：运行Linux系统下的tftp服务器，复制Linux内核的uImage文件到tftp下载工作目录下，启动tftp服务，确保PC和AT91RM9200接入同一网段；

(6) 下载内核映像文件，并在U-Boot提示符下擦除Flash；

(7) 下载内核映像文件到Flash中；

Linux文件系统
软件平台使用cramfs文件系统，其特点是：系统访问某个位置的数据时，立即计算出该数据在cramfs中的位置，解压到RAM中，然后通过内存访问来获取数据，cramfs中的解压缩之后的内存中的数据存放位置都是由cramfs文件系统本身来管理，用户并不需要实现过程，因此增加了透明度，给开发人员节约了时间。

2 Linux操作系统下设备驱动开发
Linux上的设备驱动非常丰富，支持各种主流硬件设备和最新的硬件技术。设备驱动程序在Linux内核中，是一个个独立的“黑盒子”，使某个特定的硬件响应一个定义良好的内部编程接口，同时完全隐藏设备的工作细节。通过一组标准化的调用，把这些调用映射到设备特定的操作上，则是设备驱动程序的任务。而在Linux系统里，每一个设备都被看作一个文件，打开的设备在内核中由一个File结构标志，内核使用File_operations结构访问驱动程序的函数。每个设备与一组标准函数集关联。

3 Linux操作系统下应用程序开发
采取在PC上编译应用程序，运行测试通过后，再通过网络或串口等方法下载到目标平台/usr目录下，对于较小的程序，使用串口下载比较方便，具体的步骤为

(1) PC模拟环境下开发程序，交叉编译；

(2) 待ARM平台下Linux正常运行后，进入usr目录，然后选择下载的程序；

(3) 下载完成后，chmod +x filenam修改文件属性为可执行命令；

(4) 执行刚下载的文件命令为./filename。

通用工控平台人机交互通信机制实现
嵌入式GUI为嵌入式系统提供了一种应用于特殊场合的人机交互接口。新一代嵌入式GUI的主要特征有：以用户为中心、多通道、智能化、高带宽。嵌入式Linux 系统中，几乎所有的GUI 都建立在FrameBuffer设备上。

MiniGUI 是一个根据嵌入式系统应用特点量身定做的完整的图形支持系统。将现代窗口和图形技术带入到嵌入式设备，是一个非常适合于嵌入式设备的高效、可靠、可定制、小巧灵活的图形用户界面支持系统，主要优点可总结为支持多种嵌入式操作系统，具备优秀的可移植性；可伸缩的系统架构，易于扩展；功能丰富，可灵活剪裁；得到小体积高性能间的最佳平衡且具有广泛的应用领域。