鶴壁恒科完成：新型嵌入式工控量熱儀
1 引言
現(xiàn)在大多數(shù)的發(fā)電廠、煤炭礦廠以及各大小級別實驗室中所使用的工控量熱儀都是這樣的一個框架：完成儀器試驗測試控制的下位機(jī)控制模塊；提供人機(jī)交互，傳輸和接收命令、數(shù)據(jù)的上位機(jī)模塊；以及兩模塊間的連接通信設(shè)備。在此系統(tǒng)中下位機(jī)通常使用的是單片機(jī)來完成對試驗儀器的控制，并負(fù)責(zé)從通信設(shè)備 usb68013接收到數(shù)據(jù)，提取相應(yīng)的試驗控制命令來控制儀器試驗。這里主要討論的是系統(tǒng)上位機(jī)的構(gòu)建和實現(xiàn)，對下位機(jī)不做進(jìn)一步的討論了。那么對于系統(tǒng)的上位機(jī)通常的做法就是使用pc機(jī)，當(dāng)然，通用pc機(jī)有著豐富的資源，不管是它的 cup時鐘頻率、內(nèi)存資源、以及對系統(tǒng)各種軟硬件管理的能力等，都有著其它替代品不可比擬的優(yōu)勢。但是，使用 pc作為設(shè)備的上位機(jī)，一個昀大的缺點就是它體積大、不便攜等，同時，隨著儀器生產(chǎn)商為了能降低生產(chǎn)成本，因此，在能完成儀器整體功能的同時，極力的去尋找使儀器體積小、便攜、近似 pc機(jī)功能的上位機(jī)系統(tǒng)。因此，基于 arm嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于這樣的儀器上就是個非常好的方案。
2 系統(tǒng)設(shè)計方案
嵌入式工控量熱儀必須要在追求儀器設(shè)備體積小、便攜的基礎(chǔ)上，力求實現(xiàn)原來量熱儀設(shè)備相應(yīng)的功能，因此，得到下面幾點設(shè)計方案：
①使用主頻盡可能高的微處理芯片，同時具有很好的內(nèi)存管理功能；
②對于片上資源和各種外設(shè)的接口的擴(kuò)展?？紤]到數(shù)據(jù)存儲、內(nèi)核、文件系統(tǒng)、圖形庫及應(yīng)用程序在系統(tǒng)中所占資源，選用合適的 Flash閃存和 SDRAM;同時，與外圍儀器的連接通信擴(kuò)展出一個 USB Host接口、一個網(wǎng)口 RJ45、一個標(biāo)準(zhǔn)串口等；
③為了實現(xiàn)人機(jī)交互和儀器的便攜，系統(tǒng)中設(shè)計出觸摸屏式高級用戶交互圖形操作界面；
2.1系統(tǒng)硬件框架圖
如上圖，系統(tǒng)上位機(jī)中使用的微處理芯片是三星公司的 arm920T S3C2410A;Flash存儲器采用 Samsung公司的 K9F1208U0M Nand Flash存儲器，存儲容量為 64MB,這種非易失性存儲器是高數(shù)據(jù)存儲密度的理想解決方案，它能擦寫一百多萬次，具有很長的使用壽命； SDRAM存儲器采用 HY57V561620CT,在此使用兩塊，每塊大小為 32MB;為了實現(xiàn)人機(jī)交互，以及從系統(tǒng)便攜等方面考慮，系統(tǒng)使用了觸摸屏，當(dāng)然還擴(kuò)展出串口、網(wǎng)口等，以上就是整個系統(tǒng)上位機(jī)的硬件框架。上位機(jī)和下位機(jī)間的通信設(shè)備使用的是 EZ-USB68013,它負(fù)責(zé)從上位機(jī)接受數(shù)據(jù)和命令，并把下位機(jī)實驗數(shù)據(jù)以及各種狀態(tài)返回到上位機(jī)，而它在 linux下驅(qū)動編寫和移植留到下面再討論。
2.2系統(tǒng)上位機(jī)軟件組成
2.2.1嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計與移植
在整個系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)中內(nèi)核的配置和移植是非常重要的，本系統(tǒng)使用的是韓國 mizi公司免費提供的嵌入式 linux操作系統(tǒng)，本操作系統(tǒng)體積小、方便剪裁，同時它又包含了現(xiàn)有使用的大部分外圍設(shè)備的驅(qū)動，因此，使用此操作系統(tǒng)可以降低開發(fā)成本、加快系統(tǒng)的開發(fā)。Arm-linux嵌入式操作系統(tǒng)的移植主要包括如下幾步：①建立交叉編譯環(huán)境。交叉編譯環(huán)境的建立是進(jìn)行 arm嵌入式項目開發(fā)的基礎(chǔ)，它的搭建主要需要三個軟件包：binutils、 gcc、glibc.其中 binutils主要用于生成一些輔助工具，如 objdump、as、ld等；gcc是用來生成交叉編譯器 arm-linux-gcc;glibc主要提供用戶程序所使用的一些基本的函數(shù)庫。當(dāng)然，交叉環(huán)境的搭建是比較復(fù)雜的，很多步驟都涉及到硬件平臺的選擇，因此，本系統(tǒng)使用的是成都博睿公司所提供的交叉編譯器，而對交叉環(huán)境的具體搭建這里就不作進(jìn)一步的討論了。
②修改配置文件，配置內(nèi)核。修改配置文件使系統(tǒng)啟動時自動掛載 devfs文件系統(tǒng)，配置內(nèi)核使內(nèi)核支持 yaffs文件系統(tǒng)。
③根據(jù)系統(tǒng)需求添加相應(yīng)的外圍設(shè)備的驅(qū)動。本系統(tǒng)中使用了 EZ-usb68013來實現(xiàn)上、下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信，那么就必須要在上位機(jī)中添加該通信設(shè)備的驅(qū)動。
2.2.2圖形庫 qte的配置和移植
Qte是荷蘭 Trolletch公司的圖形化界面開發(fā)工具Qt的嵌入式版本，它通過QtAPI與Linux I/O直接交互，擁有較高的運行效率，而且整體采用面向?qū)ο缶幊?，擁有良好地體系架構(gòu)和編程模式，它采用 framebuffer作為底層的圖形接口，并使用 c++進(jìn)行封裝，具有良好的移植性，同時，我們可以把用 Qt的Designer開發(fā)出來的GUI應(yīng)用程序，通過交叉編譯后可直接移植到Qte嵌入式平臺。
3 Qte平臺上用戶系統(tǒng)實現(xiàn)及測試
通過上面的討論，本系統(tǒng)的各模塊都已經(jīng)成功的設(shè)計出并得以實現(xiàn)。由于系統(tǒng)基于QTE設(shè)計出圖形用戶界面，則提供良好的人機(jī)交互，使系統(tǒng)更易于操作和管理。經(jīng)過試驗測試，本系統(tǒng)上位機(jī)各模塊能夠很好的達(dá)到設(shè)計的目標(biāo)，整個上位機(jī)系統(tǒng)控制下位機(jī)試驗，并把結(jié)果正確顯示出。
4 結(jié)論
本文根據(jù)需要對嵌入式工控量熱儀的上位機(jī)軟、硬件平臺設(shè)計和構(gòu)建進(jìn)行了深入的討論，并得出了方案的詳細(xì)實現(xiàn)過程，昀終還給出了系統(tǒng)試驗測試框圖，從而驗證了嵌入式工控量熱儀的可行性、實用性。本系統(tǒng)的創(chuàng)新點有以下幾點：①系統(tǒng)上位機(jī)利用arm嵌入式平臺來代替原來的pc機(jī)，這樣使成本降低了，昀重要就是嵌入式平臺相比于pc機(jī)體積更小，這樣設(shè)備就越便攜、實用；②系統(tǒng)使用QT跨平臺語言來編寫系統(tǒng)的應(yīng)用程序，這樣程序具有良好的移植性，同時，系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)出用戶界面，并用觸摸屏代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鼠標(biāo)和鍵盤，具有友好的人機(jī)交互。