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    基于嵌入式微处理器EP9315的二次开发技术

    2007-04-27 电子技术应用

    摘要:简述了高性能ARM9微处理器EP9315的集成特点及结构框图,介绍了片上系统的主体结构及嵌入式系统与应用模块的硬件连接方案。在所构建的硬件平台上开发了Windows CE的驱动程序,实现了在嵌入式操作系统下对应用模块的控制。
    关键词:嵌入式系统EP9315微处理器接口电路驱动开发

        嵌入式系统已成为IT行业研发热点,但基于嵌入式系统的二次开发应用却存在很多难点,难以真正地将嵌入式系统投入到实际应用中。武汉中科院岩土力学所智能仪器室对基于ARM9的嵌入式系统进行二次开发,采用ARM9微处理器取代原有的51单片机实现对SY5声波检测仪的控制。其中高速微处理器与现有低速设备接口及在配套的操作系统中就SY5声波检测仪原有功能设计相应驱动是本文研究的重点。同时提出了可行的硬件调试方法,为今后基于ARM9微处理器的硬件开发提供了思路。

    1 系统构成
    1.1 高性能的ARM9嵌入式微处理器
       
    本设计选择Cirrus Logle公司2004年7月推出的EP93XX系列中的高端产品EP9315。该微处理器是高度集成的片上系统处理器,拥有先进的200MHz ARM92OT处理器并支持Linux、Windows CE和其他许多嵌入式操作系统的存储器管理单元(MMU)。它具有ARM920T内核所有的优异性能。与其他ARM9微处理器相比,EP9315具有以下特性:MaverickCrunchTM数学运算引擎,支持浮点、整数和信号处理指令;丰富的集成外设接口,包括PCMCIA、接口图形加速器、可接两组设备的EIDE、1/10/100Mbps以太网MAC、3个2.O全速HOST USB、专用SDRAM通道的LCD接口、触摸屏接口、SPI串行外设接口、AC97接口、6通道TS接口、8×8键盘扫描接口;支持4组32位SDRAM的无缝连接等。

        配合Windows CE.net嵌入式操作系统,系统开发效率高、运行稳定,为工业控制提供了可靠的系统平台。基于定制的WinCE操作系统实现工业控制中应用模块的专用驱动,提高了嵌入式系统的通用性。

    1.2 系统主体结构
        EP9315嵌入式系统总体结构如图l所示。整个系统分为嵌入式系统、应用模块(声波检测仪)和转换模块三部分。Cirrus Logic公司为用户提供了基于该处理器的全功能开发板。该开发板扩展了EP9315的所有功能,并可根据实际需求将全功能开发板的硬件进行裁减,从而降低成本。该开发板预留了标准PC104接口,可方便用户开发应用。应用模块也预留标准PC104接口,其中的I/O控制信号、数据线、地址线与EP9315嵌入式系统的PCl04接口一一对应。而系统中的转换模块可保证嵌入式系统和应用模块连接的稳定性。

        EP935嵌入式系统主要由电源、32MB/64MB内存、LCD接口、警示LED、主USB、面板按键、CF卡接口、以太网接口和标准PCI04接口组成。其中电源提供5V、3.3V、1.8V三种电压输出,分别给应用模块、外设、CPU内核供电。内存为操作系统提供运行空间。其中嵌入式系统与应用模块的I/O控制信号、数据线和地址线都引到标准PC104插座上,经转换模块处理后相接。采用PC104总线标准实现了嵌入式系统的各种应用目标。液晶显示屏用于人机交互,警示LED直观地显示电源状况。主USB支持U盘和USB鼠标键盘,CF卡作为大容量存储器存放应用模块的数据,用户通过面板按键实现对整个系统的控制。

    1.3 嵌入式系统板与应用模块的连接方案
       
    系统外接的应用模块(SY5声波检测仪)采用5l系列单片机控制数字模拟电路实现特殊功能。整个数字电路部分均为5V供电,模拟部分由5V及正负12V供电,采样数据通过RS232串口传给上位机进行数据处理。而EP9315、I/O口及外围电路均为3.3V供电,管脚承受的最大电压不超过3.6V。

        考虑到每个管脚的驱动能力有限,用电平转换驱动芯片74INXC4245实现电平转换。其作用如下:
        (1)改善信号的质量。某些对时延比较敏感、且在系统内又相距较远或者较分散的信号,信号线的寄生电容会损害信号的特性。采用74LVXC4245驱动芯片进行隔离,会改善系统的性能。
        (2)抗干扰。增加74VXC4245这样的有源缓冲器可以有效地减少干扰。
        (3)电平转换。3.3V到5V和5V到3.3V双向电平转换。

        74LVXC4245是8通道电压转换器,最大可提供200mA的驱动电流。与专用模块接口时,主要实现数据线、地址线、I/O信号、中断信号等的单/双向电平转换。

        地址线的电平转换方向设置为3.3V到5V。I/O、中断信号的电平转换方向可设置为单向转换,3.3V到5V或5V到3.3V片选可接地。

        数据线是双向信号,电平转换时要特别注意其方向信号和片选信号的设计。设计不合理会造成总线冲突,系统无法启动。数据线电平转换电路如图2所示。

        由图2可见,方向信号使用读信号的反向信号#RD,保证读操作时数据线由5V到3.3V,写操作时数据线由3.3V到5V,防止了总线冲突。使能信号OE可接地或接片选信号。

        EP9315在WinCE操作系统下主频达到200MHz,总线频率为1OOMHz,外设时钟为50MHz,硬件调试环境必须与操作系统完全吻合。而应用模块多采用74系列芯片,工作频率一般为几兆赫兹。频率不匹配造成了EP9315发出的读写及使能信号脉宽不足50ns,对由74系列芯片组成的专用模块不能实现正确的读写操作。因此,系统的存储空间采用了如图3所示的分配,应用模块地址空间为CS7:0X7000_0000_OX7FFF_FFEF。

        为给低速设备提供足够脉宽的总线信号,设置应用模块地址空间存储空间读写特性寄存器SMCBCR7中等待时间位WST1和WST2:
        总线读取等待时间=(WST+1)×总线时钟
        连续读取等待时问=(WST+1)×总线时钟
        调试代码如下:


        这种设置使得SDRAM等高速外设和低速外设拥有不同的总线频率,具有很大的灵活性。

    2 系统软件
    2.1 嵌入式操作系统下的驱动程序类型
       
    由于Windows CE.net开发工具好学易用,没有目标设备时可以在PC上仿真测试,因此基于Windows CE.net的嵌入式开发日益普及。但要在操作系统下控制应用模块就要为应用模块编写驱动。本质上,Windows CE的设备驱动程序都是一些动态链接库(.dll文件),这些dll向内核提供了入口函数,使设备管理模块可以通过这些函数与具体的硬件设备进行通信。由于应用模块功能的不同,微软没有提供相应的驱动,所以只能自行开发测试。开发过程中采用单层驱动结构。

    2.2 驱动程序开发
    2.2.1 应用模块初始化

        应用模块的初始化在标准流接口函数DEV_Init()中完成,在内核加载驱动时调用该函数,其中DEV为设备文件名的前缀,Windows CE使用其识别与特殊流接口驱动程序相对应的特殊设备。初始化的基本步骤为:


    2.2.2 应用模块数据接收与发送
       
    应用模块数据的传递在流接口函数Dev_Write( )和Dev_Read()由完成。
        DEV_Wnte(<由应用程序传入的设备句柄>,<写入 数据指针>,<写入数据位数>)
        {//每写l字节调用一次WRITE_PORT_UCHAR();}
        DEV_Read(<由应用程序传入的设备句柄>,<存放数据指针>,<读入数据位数>)
        {//每读1字节调用一次READ_PORT_UCHAR();}
        其中:WRITE_PORT_UCHAR()和READ_PORT_UCH-AR()中传递的地址为经过MmMapIoSpace()映射过的虚拟地址。

    2.2.3 建立应用程序和设备驱动的联系
       
    操作系统中的应用程序与驱动中的流接口函数一一对应。其关系如图4。

        当应用程序准备对某个设备进行读写时,系统必须先执行CreateFile()函数打开这个设备,得到的设备句柄即为底层设备驱动中Dev_Open()的返回值。应用程序通过CloseHandle()调用设备驱动中的Dev_Close( )。执行完该函数后驱动程序引用的设备将不再有效。当一个流接口驱动程序被打开后,应用程序使用ReadFile()对这个设备进行读操作,驱动程序中Dev_Read()响应该操作;同样应用程序使用WriteFile()对该设备进行写操作,驱动程序中Dev_Write()响应此操作。另外,应用程序还可以使用DeviceIOControl()通知操作系统调用流接口驱动中的DEV_IOControl()去通知驱动程序要执行的操作。这些操作用户可用Windows CE提供的API函数CTL_CODE自定义。

        笔者在Windows CE.net操作系统下,已实现了基于EP9315嵌入式系统对武汉中科院岩土力学所设计的SY5声波仪的控制,设备运行稳定。与原来由51单片机搭建的SY5声波仪相比,该系统功耗降低、体积变小、稳定性增强、成本降低,更适合工业控制中的运用。




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