嵌入式系統(tǒng)已成為it行業(yè)研發(fā)熱點(diǎn)，但基于嵌入式系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)應(yīng)用卻存在很多難點(diǎn)，難以真正地將嵌入式系統(tǒng)投入到實(shí)際應(yīng)用中。武漢中科院巖土力學(xué)所智能儀器室對(duì)基于arm9的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，采用arm9微處理器取代原有的51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)sy5聲波檢測(cè)儀的控制。其中高速微處理器與現(xiàn)有低速設(shè)備接口及在配套的操作系統(tǒng)中就sy5聲波檢測(cè)儀原有功能設(shè)計(jì)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)是本文研究的重點(diǎn)。同時(shí)提出了可行的硬件調(diào)試方法，為今后基于arm9微處理器的硬件開(kāi)發(fā)提供了思路。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1．1 高性能的arm9嵌入式微處理器

本設(shè)計(jì)選擇cirrus logle公司2004年7月推出的ep93xx系列中的產(chǎn)品ep9315。該微處理器是高度集成的片上系統(tǒng)處理器，擁有*的200mhz arm92ot處理器并支持linux、windows ce和其他許多嵌入式操作系統(tǒng)的存儲(chǔ)器管理單元（mmu）。它具有arm920t內(nèi)核所有的優(yōu)異性能。與其他arm9微處理器相比，ep9315具有以下特性：maverickcrunchtm數(shù)學(xué)運(yùn)算引擎，支持浮點(diǎn)、整數(shù)和信號(hào)處理指令；豐富的集成外設(shè)接口，包括pcmcia、接口圖形加速器、可接兩組設(shè)備的eide、1/10/100mbps以太網(wǎng)mac、3個(gè)2.o全速host usb、sdram通道的lcd接口、觸摸屏接口、spi串行外設(shè)接口、ac97接口、6通道ts接口、8×8鍵盤(pán)掃描接口；支持4組32位sdram的無(wú)縫連接等。

配合windows 嵌入式操作系統(tǒng)，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率高、運(yùn)行穩(wěn)定，為工業(yè)控制提供了可靠的系統(tǒng)平臺(tái)。基于定制的wince操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制中應(yīng)用模塊的驅(qū)動(dòng)，提高了嵌入式系統(tǒng)的通用性。

1．2 系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)

ep9315嵌入式系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖l所示。整個(gè)系統(tǒng)分為嵌入式系統(tǒng)、應(yīng)用模塊（聲波檢測(cè)儀）和轉(zhuǎn)換模塊三部分。cirrus logic公司為用戶(hù)提供了基于該處理器的全功能開(kāi)發(fā)板。該開(kāi)發(fā)板擴(kuò)展了ep9315的所有功能，并可根據(jù)實(shí)際需求將全功能開(kāi)發(fā)板的硬件進(jìn)行裁減，從而降低成本。該開(kāi)發(fā)板預(yù)留了標(biāo)準(zhǔn)pc104接口，可方便用戶(hù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用。應(yīng)用模塊也預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)pc104接口，其中的i/o控制信號(hào)、數(shù)據(jù)線(xiàn)、地址線(xiàn)與ep9315嵌入式系統(tǒng)的pcl04接口一一對(duì)應(yīng)。而系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換模塊可保證嵌入式系統(tǒng)和應(yīng)用模塊連接的穩(wěn)定性。

ep935嵌入式系統(tǒng)主要由電源、32mb/64mb內(nèi)存、lcd接口、警示led、主usb、面板按鍵、cf卡接口、以太網(wǎng)接口和標(biāo)準(zhǔn)pci04接口組成。其中電源提供5v、3.3v、1.8v三種電壓輸出，分別給應(yīng)用模塊、外設(shè)、cpu內(nèi)核供電。內(nèi)存為操作系統(tǒng)提供運(yùn)行空間。其中嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用模塊的i/o控制信號(hào)、數(shù)據(jù)線(xiàn)和地址線(xiàn)都引到標(biāo)準(zhǔn)pc104插座上，經(jīng)轉(zhuǎn)換模塊處理后相接。采用pc104總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的各種應(yīng)用目標(biāo)。液晶顯示屏用于人機(jī)交互，警示led直觀地顯示電源狀況。主usb支持u盤(pán)和usb鼠標(biāo)鍵盤(pán)，cf卡作為大容量存儲(chǔ)器存放應(yīng)用模塊的數(shù)據(jù)，用戶(hù)通過(guò)面板按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。

1．3 嵌入式系統(tǒng)板與應(yīng)用模塊的連接方案

系統(tǒng)外接的應(yīng)用模塊（sy5聲波檢測(cè)儀）采用5l系列單片機(jī)控制數(shù)字模擬電路實(shí)現(xiàn)特殊功能。整個(gè)數(shù)字電路部分均為5v供電，模擬部分由5v及正負(fù)12v供電，采樣數(shù)據(jù)通過(guò)rs232串口傳給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。而ep9315、i／o口及外圍電路均為3.3v供電，管腳承受的zui大電壓不超過(guò)3.6v。

考慮到每個(gè)管腳的驅(qū)動(dòng)能力有限，用電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)芯片74inxc4245實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。其作用如下：

（1）改善信號(hào)的質(zhì)量。某些對(duì)時(shí)延比較敏感、且在系統(tǒng)內(nèi)又相距較遠(yuǎn)或者較分散的信號(hào)，信號(hào)線(xiàn)的寄生電容會(huì)損害信號(hào)的特性。采用74lvxc4245驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行隔離，會(huì)改善系統(tǒng)的性能。
（2）抗干擾。增加74vxc4245這樣的有源緩沖器可以有效地減少干擾。
（3）電平轉(zhuǎn)換。3.3v到5v和5v到3.3v雙向電平轉(zhuǎn)換。

74lvxc4245是8通道電壓轉(zhuǎn)換器，zui大可提供200ma的驅(qū)動(dòng)電流。與模塊接口時(shí)，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)線(xiàn)、地址線(xiàn)、i/o信號(hào)、中斷信號(hào)等的單/雙向電平轉(zhuǎn)換。

地址線(xiàn)的電平轉(zhuǎn)換方向設(shè)置為3.3v到5v。i/o、中斷信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換方向可設(shè)置為單向轉(zhuǎn)換，3.3v到5v或5v到3.3v片選可接地。

數(shù)據(jù)線(xiàn)是雙向信號(hào)，電平轉(zhuǎn)換時(shí)要特別注意其方向信號(hào)和片選信號(hào)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)不合理會(huì)造成總線(xiàn)沖突，系統(tǒng)無(wú)法啟動(dòng)。數(shù)據(jù)線(xiàn)電平轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)，方向信號(hào)使用讀信號(hào)的反向信號(hào)#rd，保證讀操作時(shí)數(shù)據(jù)線(xiàn)由5v到3.3v，寫(xiě)操作時(shí)數(shù)據(jù)線(xiàn)由3.3v到5v，防止了總線(xiàn)沖突。使能信號(hào)oe可接地或接片選信號(hào)。

ep9315在wince操作系統(tǒng)下主頻達(dá)到200mhz，總線(xiàn)頻率為1oomhz，外設(shè)時(shí)鐘為50mhz，硬件調(diào)試環(huán)境必須與操作系統(tǒng)*吻合。而應(yīng)用模塊多采用74系列芯片，工作頻率一般為幾兆赫茲。頻率不匹配造成了ep9315發(fā)出的讀寫(xiě)及使能信號(hào)脈寬不足50ns，對(duì)由74系列芯片組成的模塊不能實(shí)現(xiàn)正確的讀寫(xiě)操作。因此，系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間采用了如圖3所示的分配，應(yīng)用模塊地址空間為cs7：0x7000_0000_ox7fff_ffef。
 

為給低速設(shè)備提供足夠脈寬的總線(xiàn)信號(hào)，設(shè)置應(yīng)用模塊地址空間存儲(chǔ)空間讀寫(xiě)特性寄存器smcbcr7中等待時(shí)間位wst1和wst2：
總線(xiàn)讀取等待時(shí)間=（wst+1）×總線(xiàn)時(shí)鐘
連續(xù)讀取等待時(shí)問(wèn)=（wst+1）×總線(xiàn)時(shí)鐘
調(diào)試代碼如下：
 
這種設(shè)置使得sdram等高速外設(shè)和低速外設(shè)擁有不同的總線(xiàn)頻率，具有很大的靈活性。

2 系統(tǒng)軟件

2．1 嵌入式操作系統(tǒng)下的驅(qū)動(dòng)程序類(lèi)型

由于windows 開(kāi)發(fā)工具好學(xué)易用，沒(méi)有目標(biāo)設(shè)備時(shí)可以在pc上仿真測(cè)試，因此基于windows 的嵌入式開(kāi)發(fā)日益普及。但要在操作系統(tǒng)下控制應(yīng)用模塊就要為應(yīng)用模塊編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)。本質(zhì)上，windows ce的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都是一些動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（.dll文件），這些dll向內(nèi)核提供了入口函數(shù)，使設(shè)備管理模塊可以通過(guò)這些函數(shù)與具體的硬件設(shè)備進(jìn)行通信。由于應(yīng)用模塊功能的不同，微軟沒(méi)有提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，所以只能自行開(kāi)發(fā)測(cè)試。開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用單層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。

2．2 驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)

2．2．1 應(yīng)用模塊初始化

應(yīng)用模塊的初始化在標(biāo)準(zhǔn)流接口函數(shù)dev_init（）中完成，在內(nèi)核加載驅(qū)動(dòng)時(shí)調(diào)用該函數(shù)，其中dev為設(shè)備文件名的前綴，windows ce使用其識(shí)別與特殊流接口驅(qū)動(dòng)程序相對(duì)應(yīng)的特殊設(shè)備。初始化的基本步驟為：
??

2．2．2 應(yīng)用模塊數(shù)據(jù)接收與發(fā)送

應(yīng)用模塊數(shù)據(jù)的傳遞在流接口函數(shù)dev_write（ ）和dev_read（）由完成。

dev_wnte（<由應(yīng)用程序傳入的設(shè)備句柄>，<寫(xiě)入?數(shù)據(jù)指針>，<寫(xiě)入數(shù)據(jù)位數(shù)>）
{//每寫(xiě)l字節(jié)調(diào)用一次write_port_uchar（）；}
dev_read（<由應(yīng)用程序傳入的設(shè)備句柄>，<存放數(shù)據(jù)指針>，<讀入數(shù)據(jù)位數(shù)>）
{//每讀1字節(jié)調(diào)用一次read_port_uchar（）；}
其中：write_port_uchar（）和read_port_uch-ar（）中傳遞的地址為經(jīng)過(guò)mmmapiospace（）映射過(guò)的虛擬地址。

2．2．3 建立應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動(dòng)的
操作系統(tǒng)中的應(yīng)用程序與驅(qū)動(dòng)中的流接口函數(shù)一一對(duì)應(yīng)。其關(guān)系如圖4。

當(dāng)應(yīng)用程序準(zhǔn)備對(duì)某個(gè)設(shè)備進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，系統(tǒng)必須先執(zhí)行cr-eatefile（）函數(shù)打開(kāi)這個(gè)設(shè)備，得到的設(shè)備句柄即為底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)中dev_open（）的返回值。應(yīng)用程序通過(guò)closehandle（）調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)中的dev_close（ ）。執(zhí)行完該函數(shù)后驅(qū)動(dòng)程序引用的設(shè)備將不再有效。當(dāng)一個(gè)流接口驅(qū)動(dòng)程序被打開(kāi)后，應(yīng)用程序使用readfile（）對(duì)這個(gè)設(shè)備進(jìn)行讀操作，驅(qū)動(dòng)程序中dev_read（）響應(yīng)該操作；同樣應(yīng)用程序使用writefile（）對(duì)該設(shè)備進(jìn)行寫(xiě)操作，驅(qū)動(dòng)程序中dev_write（）響應(yīng)此操作。另外，應(yīng)用程序還可以使用deviceiocontrol（）通知操作系統(tǒng)調(diào)用流接口驅(qū)動(dòng)中的dev_iocontrol（）去通知驅(qū)動(dòng)程序要執(zhí)行的操作。這些操作用戶(hù)可用windows ce提供的api函數(shù)ctl_code自定義。

筆者在windows 操作系統(tǒng)下，已實(shí)現(xiàn)了基于ep9315嵌入式系統(tǒng)對(duì)武漢中科院巖土力學(xué)所設(shè)計(jì)的sy5聲波儀的控制，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。與原來(lái)由51單片機(jī)搭建的sy5聲波儀相比，該系統(tǒng)功耗降低、體積變小、穩(wěn)定性增強(qiáng)、成本降低，更適合工業(yè)控制中的運(yùn)用。