第一篇：基于ARM的嵌入式Linux平台研究
基于ARM的嵌入式Linux平台研究
摘要: 介绍基于ARM的嵌入式Linux系统平台的系统硬件系统构架,软件系统的组成和主要功能模块的实现。由于本系统采用的S3C2440 ARM9芯片具有较高性能和丰富的外围接口资源,因此具有控制能力强,硬件结构简单,方便功能扩展等优点,在控制系统中有较高的实用价值。
关键词: 嵌入式系统;Linux;S3C2440
中图分类号:TP3文献标识码:A文章编号:1671-7597(2010)0610166-01
0 引言
随着计算机技术的发展,嵌入式系统已成为计算机领域的一个重要组成部分。由于嵌入式系统应用的场合日趋复杂,只使用嵌入式控制器控制将难以满足要求,所以嵌入式操作系统得到了飞速的发展。
本文拟采用RISC体系结构的ARM处理器扩展外设及存储器等作为硬件平台;采用功能强大,易于移植的嵌入式Linux作为系统软件平台便于有效管理内存、实现多任务编程,是对市面上较多以8位、16位机为主控CPU的控制器的发展进步。嵌入式Linux系统的特点
Linux是一套类Unix的操作系统,具有Unix系统的程序接口和操作方式,也继承了Unix稳定和高效率的特点。目前内核已发展到2.6版本。
Linux内核遵循开放系统互连(OSI:OpenSystem Interconnect)国际标准,凡遵循该标准开发的硬件和软件,都能彼此兼容,方便程序移植到其它系统平台。其次,Linux具有良好的用户界面。传统用户界面是基于文本的命令行界面,有很强的程序设计能力,系统调用是给用户提供编程时使用的界面,用户可以在编程时直接使用系统提供的系统调用命令。完善的内置网络是Linux的一大特点,Linux在通信和网络功能方面优于其他操作系统,为用户提供了完善的、强大的网络功能,这一点也是继承了UNIX的优良传统。嵌入式Linux系统硬件架构及开发平台
本文采用的硬件平台是基于ARM9构架的嵌入式芯片S3C2440A,主频533MHz,支持Linux,Wince等操作系统。此外,外接了64M RAM,64M Flash，以太网控制芯片CS8900A。外围接口配有以太网口、RS232,USB等以便为建立交叉开发环境做好通讯、调试等方面的准备;配置LCD,触摸屏等以便实现人机交互系统。
硬件设计分为系统电路和功能电路两部分,系统电路为S3C2440A运行操作系统提供最小系统;功能电路提供各种接口实现控制器功能需求。
系统电路主要包括:电源电路、复位电路、时钟电路、存储器扩展和JTAG接口。为了流畅运行操作系统,本文在存储器扩展部分选用2M NOR Flash存储启动代码和操作系统,64M NAND Flash存储文件系统和应用程序代码。前者选用AMD公司的AM29LV160DB(1Mb×16),后者用三星的K9F1208U0A(64Mb×8)。
功能电路主要包括:液晶、触摸屏电路、以太网接口电路、USB Host
接口电路等。主要提供人机交互系统,网络链接,usb设备链接的功能。嵌入式Linux系统软件的设计
在开发系统前,必须安装Linux操作系统。然后在宿主机即PC机上建立交叉开发环境,安装交叉编译器cross_2.95.3.tar.bz2。然后编译ARM Linux 内核,在Linux的终端下,先进入ARM Linux内核源代码的目录下,执行make menuconfig命令就会出来内核配置主界面。在配置内核的时候可以静态的把CS8900A芯片、LCD、触摸屏以及U盘支持的驱动加入内核。保存对内核的设置后退出,然后在命令行下输入:
#make dep 建立整个内核程序间的依赖关系
#make zImage编译内核为zImage模式
编译完成后,在arch/arm/boot 目录下将生成ARM Linux 内核映像文件zImage。这就是要下载到硬件系统的内核映像文件。此内核包含了上述的以太网、LCD等模块,为下面设计提供了必需的系统软件功能。上位机软件的具体实现功能:通过以太网口可以实现远程控制,LCD、触摸屏提供人机交互界面,通过USB接口实现U盘读取数据等。
在应用程序开发上,系统的软件模块主要实现U盘读写、键盘和触摸屏控制、液晶屏图形驱动显示、断电数据保护、内存管理和串口通讯,以太网通讯等。操作系统的移植以及扩展,辅助开发平台上已有完备的软件平台,无须做过多修改就可移植到我们的平台上。可以将各功能模块编制成独立的任务,通过操作系统提供的API,有效的调度任务,实现任务之间的同步与通信,更好的完成工作。以下便是各功能的简单介绍和具体实现过程。网络系统的设计
TCP和UDP是TCP/IP协议中的两个传输层协议,它们使用IP路由功能把数据送到目的地。TCP提供的是面向连接的、可靠的数据流传输,而UDP提供的是非面向连接的、不可靠的数据流传输,对数据不进行重传和确认。当要求传输的数据完整、可控、可靠时,应该选择TCP协议。当强调传输的实时性而不是完整性时,例如传输音视频信号时,应选择UDP协议。
CS8900A是CIRRUS LOGIC公司生产的16位以太网控制器,芯片内嵌片内RAM,10BASE-T收发滤波器,直接ISA总线接口。该芯片的突出特点是使用灵活,其物理层接口、数据传输模式和工作模式等都能根据需要而动态调整,通过内部寄存器的设置来适应不同的应用环境。发送过程中,首先添加以太网帧头(包括先导字段和帧开始标志),然后生成CRC校验码,最后将此数据帧发送到以太网上。接受时,他将从以太网收到的数据帧在经过解码、去掉帧头和地址检验等步骤后缓存在片内。通过CRC校验后,它会根据初始化配置情况,通知主机CS8900A收到了数据帧,最后用上面介绍的某种传输模式传到主机的存储区中。液晶显示系统设计
本设计采用Linux为显示设备提供的帧缓冲(framebuffer)接口,把显存抽象后的一种设备,他允许上层应用程序在图形模式下直接对显示缓冲区进行读写操作。这种操作是抽象的,统一的。用户不必关心物理显存的位置、换页机制等等具体细节。这些都是由Framebuffer设备驱动来完成的。结束语
解决方案采用先进的基于ARM的32位先进处理器,并移植扩展好的嵌入式实时操作系统构成我们的开发平台,提出了一种新的思路,做出了大胆的尝试,相信随着工作的进一步深化、进展,定能取得另人满意的控制效果。
参考文献:
[1]孙天泽、袁文菊,嵌入式设计及Linux驱动开发指南-基于ARM9处理器(第2版)[M].北京:电子工业出版社,2006.[2]杨宗源、黄海涛(译),Unix/Linux编程实践教程[M].北京:清华大学出版社,2008年5月.
第二篇：嵌入式linu学习心得
嵌入式Linux学习心得
1、Linux命令
ls:查看目录-l以列表方式查看;ls –l 与ll的功能一样 pwd: 查看当前的目录
cd:改变当前操作目录cd /直接跳到根目录 cd..回到上一级目录 cat: 打印显示当前文件的内容信息
mkdir:创建目录
fdisk: 查看硬盘分区信息，-l以列表方式查看
->代表是链接文件，类似window下的快捷方式。
cp: 复制命令,例子cp 文件名 /home/dir/
mv: 移动或改名，如mv sonf.confsonf.txt(改名)移动：mv sonf.conf / rm:删除命令，如rm –f test.c;如删除目录rm –fr d
man:查看某个命令的帮助，man 命令
2、各系统目录的功能
drw—r—w--:d代表是目录，drw代表当前用户的权限，r代表组用户的权限，w代表其它用户的权限。x代表有执行权限。
/boot/gruff.conf: 启动引导程序
/dev:brw—rw--:b代表是块设备。Linux设备有三种，块设备（b开头）、字符设备(c开头)、网络设备。had代表第一个硬盘，hdb代表第二个硬盘。Hdb2代表第二块硬盘的第二个分区。3，67代表主设备为3，从设备为67./etc:存放的是系统的配置文件。Inittab文件存放不同启动方式下必须启动的进程。Inittab文件中有6个启动level，wait中对应着6个level的目录，respawn代表当一个进程被意外终止了，但会自动启动的进程，如守护进程。rc.d目录中存放了一个rc.sysinit文件，里面存放系统初始化配置信息。/etc还有一个vsftpd里面存放tcp、ftp的配置。
/home : 用户目录，存放用户的文件，/lib：存放库文件，后缀为so的文件代表动态链接库。
/lost+found：系统意外终止，存放一些可以找回的文件。
/mnt：挂载外部设备，如挂载光驱：mount –t /dev/cdrom/mnt/cdrom，如
果在双系统中，要查看windows中D盘的文件，首先应该将D盘的文件映射过来，mount –t /dev/hda2/mnt/windows/d
/opt:用户安装的应用程序
/proc:是系统运行的映射，比较重要。里面的文件数字代表进程号。每个进程号目录下包含进程的基本信息。还有其他信息，如cpuinfo等，内核支持的文件系统filesystem等。系统支持的中断interrupts，iomen代表内存分配情况。ioport存放IO端口号。还有分区信息，modole信息，状态信息，版本信息
对于Linux的设备驱动程序，有两种加载模式，一种是直接加载进linux内核，一种是以模块的方式加载到内核。
/sbin： 系统管理的一些工具。如poweroff关机工具。
/usr: 安装系统时很多文件放在此目录下面，包含一些更新等，include包含的头文件，lib 是Linux的库文件，src包含Linux2.4的内核源码
/var：存放是临时变量
3、
第三篇：嵌入式系统ARM实验报告
南京邮电大学通信与信息工程学院
实验报告
实验名称：实验一基于ADS开发环境的设计
实验二嵌入式Linux交叉开发环境的建立 实验三嵌入式Linux环境下的程序设计
课程名称嵌入式系统B
班级学号B13010711 姓名马俊民
开课时间 2015/2016学年第1学期
实验一基于ADS开发环境的程序设计
一、实验目的
1、学习ADS开发环境的使用；
2、学习和掌握ADS环境下的汇编语言及C语言程序设计；
3、学习和掌握汇编语言及C语言的混合编程方法。
二、实验内容
1、编写和调试汇编语言程序；
2、编写和调试C语言程序；
3、编写和调试汇编语言及C语言的混合程序；
4、编写程序测试多寄存器传送指令的用法。
三、实验原理
ADS全称为ARM Developer Suite，是ARM公司推出的新一代ARM集成开发工具。现在常用的ADS版本是ADS1.2，它取代了早期的ADS1.1和ADS1.0。
ADS用于无操作系统的ARM系统开发，是对裸机（可理解成一个高级单片机）的开发。ADS具有极佳的测试环境和良好的侦错功能，它可使硬件开发工作者更深入地从底层去理解ARM处理器的工作原理和操作方法，为日后自行设计打基础，为BootLoader的编写和调试打基础。
1.ADS软件的组成
ADS由命令行开发工具、ARM运行时库、GUI开发环境（CodeWarrior和AXD）、实用程序、支持软件等组成。
2.GUI开发环境
ADS GUI开发环境包含CodeWarrior和AXD两种，其中Code Warrior是集成开发工具，而AXD是调试工具。
使用汇编语言进行编程简单、方便，适用于初始化硬件代码、启动代码等。汇编语言具有一些相同的基本特征：
1.一条指令一行。
2.使用标号（label）给内存单元提供名称，从第一列开始书写。3.指令必须从第二列或能区分标号的地方开始书写。4.注释必须跟在指定的注释字符后面，一直书写到行尾。
在ARM汇编程序中，每个段必须以AREA作为段的开始，以碰到下一个AREA作为该段的结束，段名必须唯一。程序的开始和结束需以ENTRY和END来标识。嵌入式C语言设计是利用基本的C语言知识，面向嵌入式工程实际应用进行程序设计。为了使单独编译的C语言程序和汇编程序之间能够相互调用，必须为子程序之间的调用规定一定的规则。ATPCS就是ARM程序和Thumb程序中子程序调用的基本规则。
四、实验过程与关键代码分析
1.创建项目工程
在File菜单中选择New命令，打开一个新建工程对话框。在Project选项卡下，选择ARM Executable Image, 然后在Project name文本框里输入项目名称，点击确定。弹出工程窗口。
选择File菜单中的New命令，选择File标签页，在File name文本框中输入要创建的文件名。汇编程序以.s结尾，c程序以.c结尾。在Location文本框中指定文件的存放位置，选中Add to Project，在Targets中选中DebugRel，单击确定关闭窗口。
2.用汇编语言设计程序实现10的阶乘
AREA EXAMPLE, CODE, READONLY ENTRY start MOV R0, #10 MOV R1, #1 LOOP MUL R0, R0, R1 SUB R0, R0, 1 CMP R0, #1 BHI LOOP END 在这个程序中，我们首先对R0和R1赋值，将R0作为一个变量，而R1作为一个存贮阶乘值的寄存器。在每进行一次乘法之后，将R0减1。同时在做完减法后进行判断，如果此时R0大于1，则返回继续乘法，否则结束程序，输出结果。
3.用调用子程序的方法实现1!+2!+3!+„+10!，代码如下： asmp.s
AREA JC, CODE, READONLY
EXPORT JCP
ENTRY JCP
ADD R3, R0, #1
MOV R2, #1
MOV R1, #1 LOOP MUL R0, R1, R2
MOV R1, R0
ADD R2, R2, #1
CMP R2, R3
BNE LOOP
NOP
NOP
MOV PC, LR
END
PROGC.c #include
int main(){ int res=0;int m=10;int i;for(i=1;i<=m;i++)
res=res+JCP(i);printf(“The result =%dn”,res);return 0;} 在这个程序中，主程序由c语言完成作求和，子程序由汇编语言写成作阶乘。
5.实现字符串的逆序复制TEXT1=“HELLO”=>TEXT2=“OLLEH”
AREA invstring, CODE, READONLY start
ADR R1，TEXT1
ADR R2，TEXT2
MOV R3, #0 LOOP
LDRB R0，[R1], #1
ADD R3，R3，#1
CMP R0，#0
BNE LOOP
SUB R1，R1，#2
LOOP1
LDRB R0，[R1], #-1
STRB R0，[R2], #1
SUB R3，R3, #1
CMP R3，#1
BNE LOOP1
MOV R5，#&55
TEXT1
TEXT2 NOP =“HELLO”，0 ALIGN =“OELLH” END
五、实验小结
在这次实验中，学会了如何使用汇编程序进行编程。对汇编程序编程一些基本的要求有了一定的了解，学习了C语言的语法和在其中调用汇编程序的方法。学会了利用CodeWarrior IDE开发C和ARM汇编代码。学会了在AXD中进行代码调试的方法和过程，对AXD的调试有初步的了解。，实验二嵌入式Linux交叉开发环境的建立
一、实验目的
1、掌握嵌入式Linux交叉开发环境的建立方法
2、学习和掌握Linux常用命令
3、学习和掌握vi编辑器的使用
二、实验内容
1、搭建嵌入式Linux交叉开发环境
2、熟悉Linux的常用命令
3、熟悉vi编辑器的常用命令
三、实验原理
Linux系统是UNIX系统的分支，是UNIX的微机版。Linux具有异常丰富的驱动程序资源，支持各种主流的硬件设备与技术。Linux包含了现代的UNIX操作系统的所有功能特性，这些功能包括多任务、虚拟内存、虚拟文件系统、进程间通信、对称所处理器、多用户支持等。
Vi编辑器是所有UNIX和Linux下的标准编辑器。它包含3种工作模式。嵌入式系统是专用的计算机系统，它对系统的功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格的要求。大部分嵌入式系统没有大容量存储设备，一般不能安装大型开发软件，系统的开发需要采用交叉开发模式。
四、实验过程与关键代码分析
实验用的是UP-NetARM2410-S试验箱，里面配有三星的芯片S3c2410X。打开电脑上VMWare软件，在Windows系统下启动虚拟机里的Linux系统。接着需要
1.宿主机的环境搭建
下载并运行VMWare，根据向导创建一台新虚拟机并选择Linux作为客户操作系统，再根据向导安装RedHat Linux 9.0。
2.虚拟机中启动Linux操作系统
使用root登陆，用户名为root，密码为123456。之后对共享文件设置进行调整：打开settings界面，打开shared folders功能，同时将路径设置到有课前下载的软件的目录下。
3.开发工具软件的安装（1）安装gcc 打开Linux后，打开终端窗口，在共享的目录下找到install.sh并运行，命令如下： ls./ install.sh 安装程序将自动建立/arm2410s目录，并将所有的开发软件包安装到/arm2410s 目录下，同时自动配置编译环境，建立合适的符号链接。安装完成后在目录/opt/host/armv4l/bin/下应该能看到主编译器。（2）配置PATH路径
vi.bash.profile 将里面PATH变量改为PATH=$PATH:$HOME/bin:/opt/host/armv41/bin/;存盘后执行
source.bash_profile 以后armv4l-unknown-linux-gcc将被自动搜索到
4.宿主机上的开发环境配置（1）配置IP地址
ifconfig eth0 192.168.0.121 命令配置了宿主机的IP地址。然后打开网络配置窗口，重新探测MAC地址。重新激活。（2）关闭防火墙
单击“Red”菜单→“系统设置”→“安全级别”→打开“安全级别配置”窗口，选择“无防火墙选项。”（3）配置NFS。
单击“Red”菜单→“系统设置”→“服务器设置”→“服务”，在“服务配置”窗口中勾选nfs，单击“开始”（4）NFS设置
单击“Red”菜单→“系统设置”→“服务器设置”→“NFS服务器”，打开“NFS服务器配置”窗口，设置NFS共享。
然后在NFS服务器中增加主机IP地址的链接许可和目录。完成配置。
5.目标机的信息输出
Windows系统下，“开始”→“所有程序”→“附件”→“通讯”→“超级终端”，新建一个通信终端。区号、电话号码随意输入。设置每秒位数为“115200”，数据位为“8”，无奇偶校验，停止位为“1”，无数据流控制。单击“确定”。
6.程序的运行
打开超级终端，启动Linux，屏幕显示：
[/mnt/yaffs] 在超级终端上执行挂载命令：
[/mnt] mount –t nfs 192.168.0.121:/arm2410s /mnt/nfs 挂载成功后可执行程序。
五、实验小结
在这次实验中，学会建立Linux交叉开发环境，学会了ls和vi，cd等常用的Linux命令，并掌握了Vi编辑器的使用方法。同时知道了如何在搭建失败时寻找错误进行排错。
实验三嵌入式Linux环境下的程序设计
一、实验目的
1、掌握嵌入式Linux环境下的程序设计方法
2、学会编写Makefile文件
二、实验内容
1、熟悉嵌入式教学实验箱的使用
2、编写C程序和Makefile文件
3、编译程序产生可执行程序
4、完成主机的挂载和程序的执行
三、实验原理
在嵌入式Linux环境下的程序设计方法有一下几个步骤：
1.编写源程序
2.编写Makefile文件 3.编译程序
4.运行和调试程序
5.将生产的可执行文件加入文件系统。
前三个步骤在宿主机上完成，后面的步骤在目标机上完成。
四、实验过程与关键代码分析
1.建立工作目录
mkdir hello cd hello
2.编写源程序
用vi编辑器编辑Hello.c文件
vi Hello.c 在Vi中输入源程序如下：
#include
printf(“hello world n”);}
3．编写Makefile文件
vi Makefile 在vi中编辑Makefile文件如下：
CC= armv4l-unknown-linux-gcc EXEC = hello OBJS = hello.o CFLAGS += LDFLAGS+=-static all: $(EXEC)$(EXEC):(OBJS)$(CC)$(LDFLAGS)–o $@ $(OBJS)clean：
-rm –f $(EXEC)*.elf *.gdb *.o
4.编译程序
在hello目录下运行“make”来编译程序。
make clean
make 编译成功后，生成可执行文件Hello.o。
5.下载调试
在宿主机上启动nfs服务，并将/arms2410s设置为共享目录。接下来启动超级终端，建立通讯，挂载。
[/mnt] mount –t nfs 192.168.0.121:/arm2410s /mnt/nfs 挂载成功后，进入/mnt/nfs，再进入/mnt/nfs/hello，直接运行刚刚编译生成的可执行文件Hello.o，查看运行结果
cd hello./hello 可以看见“Hello world”
只需要挂载一次便可，只要实验箱没有重启，就可以一直保持连接。反复修改、编译、调试，直至程序调试通过。
6.可执行文件加入文件系统
程序调试通过后，可以把可执行文件拖放到usr/bin目录下，然后使用mkcramfs制作工具生成新的文件系统。当系统启动后，就可以在相应目录下执行可执行程序hello.五、实验小结 在这次实验中，学会了在嵌入式Linux环境下设计程序。同时知道了如何对目标机进行挂载。以及如何在发现挂载不成功寻找错误进行修改。另外在编译文件时需要注意的也都有所了解。
实验四多线程程序设计
一、实验目的1、2、二、实验内容1、2、3、4、三、实验原理
四、实验过程与关键代码分析
五、实验小结
3+
第四篇：实习总结-嵌入式ARM
实训总结
班级 卓越1301姓名***
通过这段时间的学习使我学到了很多知识，并且了解到ARM的应用以及对开发板的应用，为以后的学习奠定了一定的基础。
嵌入式系统一般定义为以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪,应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用环境有特殊要求的专用计算机系统。是将应用程序、操作系统和计算机硬件集成在一起的系统这是从技术角度。从系统角度上是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。
广义上讲，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为嵌入式系统。如各类单片机和DSP系统。这些系统在完成较为单一的专业功能时具有简洁高效的特点。但由于他们没有操作系统，管理系统硬件核软件的能力有限，在实现复杂多任务功能时，往往困难重重，甚至无法实现。从狭义上讲，我们更加强调那些使用嵌入式微处理器构成独立系统，具有自己操作系统，具有特定功能，用于特定场合的嵌入式系统。
嵌入式的应用也比较广泛涉及军事国防、工业控制、消费电子和网络。在家用方面更是数字电视、信息家电、智能玩具、手持通讯、存储设备的核心。
在ARM指令集中了解到ARM的寻址方式以及它的的特性，具有高效、快速的特点，还有Thumb指令集具有灵活、小巧的特点。
在这次实训中做了两个项目，一个是LED灯，实现LED灯的点亮是比较简单的，通过查找手册可以很快的了解到要使用的寄存器和方法，另一个项目是DS18B20这个比较复杂，除了要掌握对寄存器的使用，还要对了解对串口的初始化，读写字节等等。
感谢这次实训，通过这次的实训项目，使我大体了解制作项目的步骤，了解了嵌入式技术的掌握是需要一个过程的。实事求是的说，嵌入式技术的全面掌握是有相当难度的，通过积累和动手总会有收获的，从实验中也明白了一个大的项目并不是一个人可以完成的，团队协作很重要。
姓名：***
年级：卓越1301
2014-7-5
第五篇：基于嵌入式ARM平台的远程IO数据采集系统的研究和开发.
Research and Development of the Remote I/O Data Acquisition System Based on Embedded ARM Platform
INTRODUCTION
With the wide use of the networked, intelligent and digital distributed control system, the data acquisition system based on the single-chip is not only limited in processing capacity, but also the problem of poor real-time and reliability.In recent years, with the rapid development of the field of industrial process control and the fast popularization of embedded ARM processor, it has been a trend that ARM processor can substitute the single-chip to realize data acquisition and control.Embedded ARM system can adapt to the strict requirements of the data acquisition system, such as the function, reliability, cost, size, power consumption, and so on.In this paper, a new kind of remote I/O data acquisition system based on ARM embedded platform has been researched and developed, which can measure all kinds of electrical and thermal parameters such as voltage, current, thermocouple, RTD, and so on.The measured data can be displayed on LCD of the system, and at the same time can be transmitted through RS485 or Ethernet network to remote DAS or DCS monitoring system by using Modbus/RTU or Modbus/TCP protocol.The system has the dual redundant network and long-distance communication function, which can ensure the disturb rejection capability and reliability of the communication network.The new
generation remote data acquisition and moni-toring system based on the high-performance embedded ARM microprocessor has important application significance.STRUCTRUE DESIGN OF THE WHOLE SYSTEM
The whole structure chart of the remote data acquisition and monitoring system based on embedded ARM platform is shown in Figure 1.In the scheme of the system, the remote I/O data acquisition modules are developed by embedded ARM processor, which can be widely used to diversified industries such as electric power, petroleum, chemical, metallurgy, steel, transportation and so on.This system is mainly used for the concentrative acquisition and digital conversion of a variety of electrical and thermal signals such as voltage, current, thermal resistance, thermo-couple in the production process.Then the converted data can be displayed on the LCD directly, and also can be sent to the embedded controller through RS485 or Ethernet network communication interface by using Modbus/RTU or Modbus/TCP protocol.The data in the embedded controller platform is transmitted to the work-stations of remote monitoring center by Ethernet after further analyzed and pro-cessed.At the same time, these data can be stored in the real time database of the database server in remote monitoring center.The system has the dual redun-dant network and long-distance communication
function, which can ensure the disturb rejection capability and reliability of the communication network.The hardware platform of the Remote I/O data acquisition system based on emb-edded ARM uses 32-bit ARM embedded microprocessor, and the software plat-form uses the real-time multi-task operating system uC/OS-II, which is open-source and can be grafted, cut out and solidified.The real time operating system(RTOS makes the design and expansion of the application becomes very easy, and without more changes when add new functions.Through the division of the appli-cation into several independent tasks, RTOS makes the design process of the application greatly simple.Figure 1 Structure of the whole system THE HARDWARE DESIGN OF THE SYSTEM
The remote I/O data acquisition system based on embedded ARM platform has high universality, each acquisition device equipped with 24-way acquisition I/O channels and isolated from each other.Each I/O channel can select a variety of voltage and current signals, as well as temperature signals such as thermal resis-tance, thermocouple and so on.The voltage signals in the range of 0-75 mV ,1-5V ,0-5V, and so on, the current signals in the range of 0-10mA and 4-20 mA, the thermal resistance measurement components including Cu50, Cu100, Pt50, Pt100, and the thermocouple measurement components including K, E, S, T, and so on.Figure2.Structure of the remote I/O data acquisition system based on ARM processor The structural design of the embedded remote I/O data acquisition system is shown in Figure 2.The system equipped with some peripherals such as power, keyboard, reset, LCD display, ADC, RS485, Ethernet, JTAG, I2C, E2PROM, and so on.The A/D interface circuit is independent with the embedded system, which is independent with the embedded system, which is system has setting buttons and 128*64 LCD, which makes the debugging and modification of the parameters easy.The collected data can be sent to the remote embedded controller or DAS, DCS system by using
Modbus/RTU or Modbus/TCP protocol through RS485 or Eth-ernet communication interface also, and then be used
for monitoring and control after farther disposal.The system of RS485 has a dual redundant network and long-distance communication function.As the embedded Ethernet interface makes the remote data exchange of the applications become very easy, the system can choose RS485 or Ethernet interface through jumper to communicate with host computer.Ethernet interface use independent ZNE-100TL intelligent embedded Ethernet to serial port conversion module in order to facilitate the system maintenance and upgrade.The ZNE-100TL module has an adaptive 10/100M Ethernet interface, which has a lot of working modes such as TCP Server, TCP Client, UDP, Real COM, and so on, and it can support four connections at most.Figure3.Diagram of the signal pretreatment circuit
Figure 3 shows the signal pretreatment circuit diagram.The signals of thermo-couple such as K,E,S,T etc and 0-500mV voltage signal can connect to the positive end INPx and the negative end INNx of the simulate multiplexers(MUX directly.The 4-20mA current signal and 1-5V voltage signal must be transformed by resis-tance before connecting to the positive end INPx and the negative end INNx of the MUX of certain channel.The RTD thermal resistance signals such as Cu50, Cu100, Pt50 and Pt100 should connect one 1mA constant current before connecting to the positive end INPx and the negative end INNx of the MUX of certain channel.Figure4.Diagram of ADC signal circuit Figure 4 shows the ADC signal circuit, which using the 16-bit ADC chip AD7715.The connection of the chip and the system is simple and only need
five lines which are CS(chip select, SCLK(system clock, DIN(data input, DOUT(data output and DRDY(data ready.As the ARM microprocessor has the characteristics of high speed, low power, low voltage and so on, which make its capacity of low-noise, the ripple of power, the transient response performance, the stability of clock source, the reliability of power control and many other aspects should be have higher request.The system reset circuit use special microprocessor power monitoring chip of MAX708S, in order to improve the reliability of the system.The system reset circuit is shown in Figure 5.Figure5.Diagram of system reset circuit
SOFTWARE DESIGN AND REALIZATION OF THE SYSTEM
The system software of the remote I/O data acquisition system based on embedded ARM platform use the real-time operating system(RTOS uC/OS-II, which is open-source and can be grafted，cut out and solidified.The key part of RTOS is the real-time multi-task core, whose basic functions including task management, resource management, system management, timer management, memory management, information management, queue management and so on.These functions are used though API service functions of the core.The system software platform use uC/OS-II real-time operating system core simplified the design of application system and made the whole structure of the system simple and the complex application hierarchical.The design of the whole system includes the tasks of the operating system and a series of user applications.The main function of the system is mainly to realize the initialization of the system hardware and the operating system.The initialization of hardware includes interr-upt、keyboard、LCD and so on.The initialization of operating system includes the control blocks and events control blocks, and before the start of multi-task schedu-ling, one task must be started at least.A start task has been created in this system, which is mainly responsible for the initialization and startup of clock, the start-up of interruption, the initialization of communication task module, as
well as the division of tasks and so on.The tasks must be divided in order to complete various functions of the real-time multi-task system.Figure6.Functional tasks of the system software Figure6 shows the functional tasks of the system software.According to importance of the tasks and the demands of real-time, the system applications are divided into six tasks with different priority, which including the tasks of A/D data acquisition, system monitoring, receive queue, data send, keyboard input, LCD display.The A/D data acquisition task demands the highest real-time requirements and the LCD display task is the lowest.Because each task has a different priority, the higher-priority task can access the ready one by calling the system hang up function or delay function.Figure7.Chart of AD7715 data transfer flow Figure 7 shows the data conversion flow of AD7715.The application A/D conversion is an important part of the data acquisition system.In the uC/OS-II real-time operating system core, the realization process of A/D driver depends mainly on the conversion time of A/D converter, the analog frequency of the conversion value, the number of input channels, the conversion frequency and so on.The typical A/D
conversion circuit is made up of analog multiplexer(MUX, amplifier and analog to digital converter(ADC.Figure8.Diagram of the application transfer driver Figure8 shows the application procedure transfer driver.The driver chooses the analog channel to read by MUX, then delay a few microseconds in order to make the signal pass through the MUX, and stabilize it.Then the ADC was triggered to start the conversion and the driver in the circle waiting for the ADC until its completion of the conversion.When waiting is in progress, the driver is detecting the ADC state signal.If the waiting time is longer than the set time, the cycle should be end.During waiting time of the cycle, if the conversion completed signal by ADC has been detected, the driver should read the results of the conversion and then return the result to the application.Figure9.Diagram of serial receive Figure9 shows the serial receive diagram with the buffer and signal quantity.Due to the existence of serial peripheral equipment does not match the speed of CPU, a buffer zone is needed, and when the data is sending to the serial, it need to be written to the buffer, and then be sent out through serial one by one.When the data is received from the serial port, it will not be processed until several bytes have been received, so the advance data can be stored in buffer.In practice, two buffer zones, the receiving buffer and the sending buffer, are needed to be opened from the memory.Here the buffer zone is defined as loop queue data structure.As the signal of uC/OS-II provides the overtime waiting mechanism, the serial also have the overtime reading and writing ability.If the initialization of the received data signal is 0, it expresses the loop buffer is empty.After the interrupt received, ISR read the received bytes from the UART receiving buffer, and put into receiving buffer region, at last wake the user task to execute read operation with the help of received signal.During the entire
process, the variable value of the current bytes in recording buffer can be inquired, which is able to shows whether the receive buffer is full.The size of the buffer zone should be set reasonable to reduce the possibility of data loss, and to avoid the waste of storage space.CONCLUSIONS
With the rapid development of the field of industrial process control and the wide range of applications of network, intelligence, digital distributed control System, it is necessary to make a higher demand of the data accuracy and reliability of the control system.Data acquisition system based on single-chip has been gradually eliminated because the problem of the poor real-time and reliability.With the fast popularization of embedded ARM processor, there has been a trend that ARM processor can alternate to single-chip to realize data acquisition and control.The embedded ARM system can adapt to the strict requirements of the data acquisition system, such as the function, reliability, cost, size, power consum-ption, and so on.In this paper, A kind of ARM-based embedded remote I/O data acquisition system has been researched and developed, whose hardware platform use 32-bit embedded ARM processor, and software platform use open-source RTOS uC/OS-II core.The system can be widely applied to electric power, petroleum, chemical, metallurgy, steel, transportation and so on.And it is mainly used in the collection and monitoring of all
kinds of electrical and thermal signals such as voltage, current, thermal resistance, thermocouple data of the production process.Then these data can be sent to the remote DAS, DCS monitoring system through RS485 or Ethernet interface.The system has the dual redundant network and long-distance communication function, which can ensure the disturb rejection capability and reliability of the communication network.基于嵌入式ARM平台的远程I / O数据采集系统的研究和开发
导言
随着网络化，智能化，数字化分布式控制系统的广泛使用，基于单芯片的数据采集系统不仅在处理能力上受限制，并且在实时性和可靠性方面也出现了问题。近几年来，随着工业过程控制领域的迅速发展和嵌入式ARM处理器的迅速普及，ARM处理器代替单芯片实现数据的采集和控制成为了趋势。嵌入式ARM系统能适应数据采集系统的严格要求，如功能性，可靠性，成本，体积，功耗等等。
在本文中提出一种新型的基于ARM嵌入式平台的远程I / O数据采集系统已被研制开发，它可以衡量各种电气和热参数，如电压，电流，热电偶，热电阻等等。那个测量数据可以显示在液晶显示器的系统中，同时可通过使用Modbus / RTU或的Modbus / TCP协议从RS485或以太网网络传送到DAS或DCS远程监控
系统。该系统具有双冗余网络和长途电通信功能，它可以确保通信网络的干扰抑制能力和可靠性。基于高性能嵌入式ARM微处理器的新一代远程数据采集和监控系统具有重要的应用意义。
整个系统的结构设计
基于嵌入式ARM的平台的远程数据采集和监控系统的整个结构图在以下的图1中展示。在这系统的计划中，通过使用广泛用于多种行业如电气电力，石油，化工，冶金，钢铁，运输等的嵌入式ARM处理器来开发远程I / O数据采集模块。该系统主要用于的集中采购和将各种电和热信号如电压，热电阻，热电偶在生产过程中进行数字转换。转换的数据可直接在液晶显示器上显示，也可以通过使用的Modbus / RTU或的Modbus / TCP协议的RS485总线或以太网网络通信接口被发送到嵌入式控制器。嵌入控制器平台的数据通过进一步以太网的分析和处理被传送至远程监控中心的工作站。与此同时，这些数据可以存储在远程监控中心数据库服务器的实时数据库中。该系统具有双冗余网络和远程通讯功能，它可以确保通信网络的干扰抑制能力和可靠性。
基于嵌入式ARM远程I / O数据采集系统的硬件平台使用32位ARM嵌入式微处理器和软件平台使用的是开源的并且可移植，削减和巩固的实时多任务操作系统的第二代UC / OS核心。实时操作系统（RTOS）使设计和应用的扩大变得非常容
易，增加新的功能时也没多大变化。通过几个独立的任务的应用，实时操作系统使得应用的设计过程极为简单。
系统的硬件设计
基于嵌入式ARM平台的远程I / O数据采集系统具有很高的普遍性，每个购置设备配备24收购方式的I / O渠道且彼此孤立。每个I / O通道可以选择不同的电压和电流信号，以及温度信号如热电阻，热电偶等。在05V的,010毫安和4100TL智能嵌入式以太网串口转换模块。该ZNE500mV的电压信号可以直接接到模拟多路复用器（复用器）的INPx正极和INNx负极。45V的电压信号必须用阻抗转换。热电阻的电阻信号如Cu50，Cu100，Pt50和Pt100应在接到某些频道的复用器INPx正极和INNx负极前连接一1毫安的恒流源。
图4显示了使用16位ADC芯片AD7715的ADC信号电路。芯片与系统的连接非常简单，只需要CS（芯片选择），SLCK（系统时钟），DIN（数据输入），DOUT（数据输出）和DRDY（数据准备）5根线。
由于ARM微处理器具有高速，低功耗，低电压等优点，这使它在低噪音，纹波权力，瞬态响应性能，时钟来源的稳定，功率控制和许多其他方面需要有更高的要求。为了改善系统的可靠性该系统复位电路中使用特殊的微处理器电源监测芯片MAX708S。图5展示了该系统复位电路。
系统软件的设计与实现
基于嵌入式ARM平台的远程I / O数据采集系统的软件使用的是开源的并且可移植，削减和巩固的实时多任务操作系统的第二代UC / OS核心。RTOS的关键部分是实时多任务的核心，其基本功能包括任务管理，资源管理，系统管理，计时器管理，内存管理，信息管理，队列管理等。通过API服务职能核心使用这些功能。
该系统软件平台使用的是单一化的uC/ OS第二代实时简化操作系统核心，使整个结构系统简单和应用层次复杂。整个系统的设计包括操作系统的任务和一系列的用户应用程序。系统的主要职能是实现系统硬件和操作系统的初始化。硬件初始化包括中断，键盘，液晶显示器等。操作系统初始化包括控制模块和事件控制，在多任务调度前，至少有一个任务开始。一个开端任务已建立在这一系统，这系统主要负责初始化和启动的时钟，开办中断，通信任务模块的初始化，以及任务分工等。为了完成实时多任务系统的多种职能那个任务必须被划分。
图6显示系统软件的功能任务。根据任务的重要性和实时要求，系统的应用曾划分为六个不同优先级的任务，其中包括A / D数据采集任务，系统监控，接受队列，数据传送，键盘输入，液晶显示屏显示。A / D数据采集任务要求最高的实时要求和液晶显示器显示任务是最低的。因为每个任务都有不同的优先事项，通过使用系统挂断功能或延迟功能更高的优先任务可以开始已经准备好的任务。
图7显示的是AD7715的数据转换流。A / D转换器的应用是数据采集系统的一个重要组成部分。在uS/ OS的第二代实时操作系统的核心中，A / D驱动程序的实现过程主要取决于A / D转换器的转换时间，有转换价值的模拟频率，输入通
道的数量，转换频率等等。典型的A / D转换电路由模拟复用器（复用器），放大器和模拟到数字转换器（ADC）组成。
图8显示了申请程序转移的驱动程序。驱动程序可以在模拟通道读取由复用器，那么几微秒的延迟，以便使信号通过多路开关，并使其稳定。然后，当转换开始时，ADC被触发，并且驱动程序在一个周期内等待ADC的触发，直到完成转换。当等待的进展，该驱动程序检测ADC的状态信号。如果等待时间比规定的时间越长，周期应该结束。在等待的周期时间，如果转换完成ADC的信号被检测到，驱动程序应改为转换的结果，然后将结果返回给应用程序。
图9显示了缓冲区和信号量的序列接收图。由于外围串行设备的存在CPU的运行速度匹配，一个缓冲区是必要的，当数据发送到序列，它必须被写入缓冲区，然后通过串行逐一地被发送出去。当从串行端口收到数据，这些数据将不会被处理直到收到一些字节，因此先前的数据可以存储在缓冲区中。在实践中，两个缓冲区，一个接收缓冲区和一个发送缓冲区，它们是需要从内存开放出来。在这里缓冲区像循环队列数据结构一样被定义。
由于uC/OS-II提供额外时间等待机制的信号，串口也具有额外的阅读和写作能力。如果收到的数据信号初值为0，它表示循环缓冲区是空的。在中断收到后，ISR从UART接受缓冲区中读到收到的数据，并投入接收缓冲区域，最后通过收到的数据开始用户执行读操作的的任务。在整个过程中，变量价值目前字节在存储缓冲区中的字节的变量值是可以被询问的，这能够表明接收缓冲区是否已满。为了降低数据丢失的可能性和避免浪费存储空间应合理地设置缓冲区的大小。
结论
随着工业过程控制领域的快速发展和网络，智能，数字化分布式控制系统广泛应用，有必要发展对数据准确性和控制可靠性要求更高的系统。由于较差的实时性和可靠性基于单片机数据采集系统已逐步被淘汰。随着嵌入式ARM处理器的迅速普及，ARM处理器替代单芯片实现数据采集与控制成为了一种新的趋势。嵌入式ARM系统能够适应数据采集系统的严格要求，如功能，可靠性，成本，大小，耗电量等等。
在本文中一种基于ARM的嵌入式远程I / O数据采集系统已被研究和开发，其硬件平台采用32位嵌入式ARM处理器和软件平台的使用开源的RTOS uS/ OS-Ⅱ核心。该系统可广泛应用于电力，石油，化工，冶金，钢铁，交通运输等方面。这是主要用于收集和监测各种电气和热信号，如电压，电流，热电阻，生产过程中的热电偶数据。然后通过RS485或以太网接口将这些数据发送到远程的DAS，DCS控制系统的监测系统。该系统具有双冗余网络和长途通信功能，它可以确保干扰抑制和通信网络的可靠性。
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