摘要：為擴(kuò)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(jì)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(shí)現(xiàn)困難的問題,，具有較好的實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)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(shí)時(shí),、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、信號(hào)輸出等功能,；同時(shí),，提供標(biāo)準(zhǔn)視頻接口用于顯示16位色圖像，提供標(biāo)準(zhǔn)音頻輸入輸出接口用于實(shí)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(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的交互操作和顯示、海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),、多串口,、多USB口,、音頻信號(hào)輸入輸出、以太網(wǎng)口等接口,；運(yùn)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(jì)方案
    為了滿足實(shí)際應(yīng)用對(duì)實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)中,。驅(qū)動(dòng)程序在Linux環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)，應(yīng)用層采用標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行集中監(jiān)控,。通過一致的Modbus接口，MultiBus—CPU模塊與擴(kuò)展下位機(jī)均可作為對(duì)等設(shè)備在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行對(duì)話,，使得各個(gè)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(jìn)行通信時(shí),，采用Modbus—RTU數(shù)據(jù)通信方式，利用以太網(wǎng)(UDP)／RS485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收,，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)方案
    硬件設(shè)計(jì)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(shí)性能高達(dá)200 MIPS,；具備存儲(chǔ)器管理單元,，可以運(yùn)行Linux等實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；具備10／100 Base—T型以太網(wǎng)卡接口,，只需外擴(kuò)一個(gè)PHY即可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信,；具備USB 2．O全速(12 Mb／s)主機(jī)雙端口，可以擴(kuò)展鍵盤,、鼠標(biāo),、U盤等標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)。

    主處理器AT91RM9200具備5個(gè)串口：1個(gè)DEBUG串口,，設(shè)計(jì)為RS232接口,，可以直接連接PC的串口進(jìn)行調(diào)試；1個(gè)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(gè)串口均設(shè)計(jì)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(kuò)展了一個(gè)VGA接口，分辨率為640×480,，256色,。IS41LVl6100為其提供獨(dú)立顯存，容量為1M×16位,，支持EDO PAGE模式,。
    GL850A芯片是一個(gè)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(kuò)展為4個(gè)USB HOST接口,。
DS3231是精度非常高的I2C集成實(shí)時(shí)時(shí)鐘,。其精度在0～40℃內(nèi)高達(dá)±2 ppm，在-40～85℃內(nèi)精度可達(dá)±3．5ppm,；板載電池,，掉電后可以保持時(shí)間；可為系統(tǒng)提供秒,、分,、小時(shí)、日,、日期,、月、年等信息,，具有自動(dòng)閏年調(diào)整功能,。
    WM8731是一個(gè)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(kuò)展了音頻信號(hào)的輸入輸出接口，使系統(tǒng)具備音頻采樣功能,，音頻信號(hào)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(shí)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(dòng)實(shí)現(xiàn)了顯示接口,，系統(tǒng)運(yùn)行信息可以直接通過VGA顯示器顯示出來,，大大提高了人機(jī)交互的可操作性。

3 顯示模塊硬件設(shè)計(jì)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(jī)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(gè)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(jì)
    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(shí)鐘CLKl、CLK2是由同步信號(hào)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(hào)有：
,、ABl～AB20,、DBl～DBl5、,。連接到ICSl523的信號(hào)有：CLCKI,、CLCKl2(用于內(nèi)部顯示及外部媒體接口時(shí)鐘)。連接到IS41LVl6100的信號(hào)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(hào)連接到LCD／CRT顯示器,。S1D13506芯片有個(gè)測試使能引腳TESTEN在芯片正常工作時(shí)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(duì)它的寄存器配置。本設(shè)計(jì)中,，ICSl523的輸入時(shí)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(jì)方案
4．1 Linux下LOD驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)
    在Linux內(nèi)核中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的“黑盒子”,，可以使某個(gè)特定的硬件響應(yīng)一個(gè)定義良好的內(nèi)部編程接口,，同時(shí)完全隱藏了設(shè)備的工作細(xì)節(jié)，用戶操作只需要通過一組標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)程序的任務(wù)。而每一個(gè)設(shè)備都可以看作是一個(gè)文件,，所以打開的設(shè)備在內(nèi)核中都可以由一個(gè)File結(jié)構(gòu)標(biāo)識(shí),，內(nèi)核使用File_operations結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動(dòng)程序的函數(shù)。每個(gè)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(fù)責(zé)上面所提到的系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)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(dòng)信號(hào),，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)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(dòng),。配置LCD控制器時(shí),，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(dòng)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(dòng)程序中,，最核心的結(jié)構(gòu)體是幀緩沖區(qū)驅(qū)動(dòng)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(gè)像素的比特?cái)?shù)和一些時(shí)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(dòng)程序里通過對(duì)fb_fiX_screeninf0賦值來實(shí)現(xiàn)：
    
    
    首先對(duì)LCD的背光燈進(jìn)行點(diǎn)亮。LCD顯示是一種被動(dòng)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(dá)到顯示的目的。因此,，必須通過寫寄存器用高電平指示對(duì)LCD加3．2 V電壓來實(shí)現(xiàn)背光燈的點(diǎn)亮,。其函數(shù)的部分代碼如下：
    
    
    數(shù)組里每個(gè)元素的第1個(gè)值代表寄存器的名稱，第2個(gè)值代表要設(shè)定的數(shù)值(1個(gè)十六進(jìn)制的數(shù)),。32h寄存器用于設(shè)定LCD顯示的水平像素?cái)?shù)目,，計(jì)算方法是把第2個(gè)值轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制，加1再乘以8就得出水平像素,。例如,，0x63換算成十進(jìn)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(jì)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(gè)十六進(jìn)制的數(shù)，再轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制,。除了要修改這3個(gè)寄存器外,，34h和3Ah這兩個(gè)寄存器也會(huì)對(duì)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(dòng)層”的接口方式來對(duì)LCD進(jìn)行驅(qū)動(dòng),，就必須對(duì)File operationes數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)fb_ops進(jìn)行填充，并實(shí)現(xiàn)其對(duì)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(gè)結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)字段都必須指向驅(qū)動(dòng)程序中實(shí)現(xiàn)特定操作的函數(shù)。對(duì)于不支持的操作,，對(duì)應(yīng)的字段可以被置為NULL,，或留到后續(xù)開發(fā)時(shí)再添加。本模塊中實(shí)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(dòng)模塊,；然后對(duì)其動(dòng)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(jìn)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(dú)立的顯示操作人機(jī)界面是非常必要的,。它可以使嵌入式系統(tǒng)對(duì)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(yùn)行結(jié)果。MultiBus-CPU模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的USB鍵盤,、USB鼠標(biāo),、VGA顯示器作為人機(jī)交互界面，使用習(xí)慣類同于PC機(jī),，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(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)提供一個(gè)輕量級(jí)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(diǎn)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(yùn)行,，這是其他多種GUI所無法達(dá)到的,。
    MiniGUI在AT91RlM9200上的移植包括4個(gè)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(duì)其進(jìn)行編譯，編譯時(shí)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?？截愔跋扔胊rm-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(jì)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(jì)要求,。該模塊軟硬件均采用模塊化設(shè)計(jì)，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。