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(jí)別實(shí)驗(yàn)室中所使用的工控量熱儀都是這樣的一個(gè)框架：完成儀器試驗(yàn)測(cè)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(duì)試驗(yàn)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(yàn)控制命令來控制儀器試驗(yàn)。這里主要討論的是系統(tǒng)上位機(jī)的構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)，對(duì)下位機(jī)不做進(jìn)一步的討論了。那么對(duì)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(shí)鐘頻率、內(nèi)存資源、以及對(duì)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(shì)。但是，使用 pc作為設(shè)備的上位機(jī)，一個(gè)昀大的缺點(diǎn)就是它體積大、不便攜等，同時(shí)，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(shí)，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(gè)非常好的方案。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)原來量熱儀設(shè)備相應(yīng)的功能，因此，得到下面幾點(diǎn)設(shè)計(jì)方案：
①使用主頻盡可能高的微處理芯片，同時(shí)具有很好的內(nèi)存管理功能；
②對(duì)于片上資源和各種外設(shè)的接口的擴(kuò)展。考慮到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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(shí)，與外圍儀器的連接通信擴(kuò)展出一個(gè) USB Host接口、一個(gè)網(wǎng)口 RJ45、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串口等；
③為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和儀器的便攜，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)出觸摸屏式高級(jí)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(chǔ)器采用 Samsung公司的 K9F1208U0M Nand Flash存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)容量為 64MB,這種非易失性存儲(chǔ)器是高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度的理想解決方案，它能擦寫一百多萬次，具有很長(zhǎng)的使用壽命； SDRAM存儲(chǔ)器采用 HY57V561620CT,在此使用兩塊，每塊大小為 32MB;為了實(shí)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(dòng)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(jì)與移植
在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(guó) mizi公司免費(fèi)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(shí)它又包含了現(xiàn)有使用的大部分外圍設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，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(xiàng)目開發(fā)的基礎(chǔ)，它的搭建主要需要三個(gè)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(tái)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(duì)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(dòng)時(shí)自動(dòng)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(dòng)。本系統(tǒng)中使用了 EZ-usb68013來實(shí)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(dòng)。
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(yùn)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(shí)，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(tái)。
3 Qte平臺(tái)上用戶系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及測(cè)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(jì)出并得以實(shí)現(xiàn)。由于系統(tǒng)基于QTE設(shè)計(jì)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(yàn)測(cè)試，本系統(tǒng)上位機(jī)各模塊能夠很好的達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)，整個(gè)上位機(jī)系統(tǒng)控制下位機(jī)試驗(yàn)，并把結(jié)果正確顯示出。
4 結(jié)論
本文根據(jù)需要對(duì)嵌入式工控量熱儀的上位機(jī)軟、硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)和構(gòu)建進(jìn)行了深入的討論，并得出了方案的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)過程，昀終還給出了系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試框圖，從而驗(yàn)證了嵌入式工控量熱儀的可行性、實(shí)用性。本系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：①系統(tǒng)上位機(jī)利用arm嵌入式平臺(tái)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(tái)相比于pc機(jī)體積更小，這樣設(shè)備就越便攜、實(shí)用；②系統(tǒng)使用QT跨平臺(tái)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(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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。
