摘要：簡述了高性能ARM9微處理器EP9315的集成特點及結(jié)構(gòu)框圖，介紹了片上系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)及嵌入式系統(tǒng)與應用模塊的硬件連接方案。在所構(gòu)建的硬件平臺上開發(fā)了Windows CE的驅(qū)動程序，實現(xiàn)了在嵌入式操作系統(tǒng)下對應用模塊的控制。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)EP9315微處理器接口電路驅(qū)動開發(fā)
嵌入式系統(tǒng)已成為IT行業(yè)研發(fā)熱點，但基于嵌入式系統(tǒng)的二次開發(fā)應用卻存在很多難點，難以真正地將嵌入式系統(tǒng)投入到實際應用中。武漢中科院巖土力學所智能儀器室對基于ARM9的嵌入式系統(tǒng)進行二次開發(fā)，采用ARM9微處理器取代原有的51單片機實現(xiàn)對SY5聲波檢測儀的控制。其中高速微處理器與現(xiàn)有低速設備接口及在配套的操作系統(tǒng)中就SY5聲波檢測儀原有功能設計相應驅(qū)動是本文研究的重點。同時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
本設計選擇Cirrus Logle公司2004年7月推出的EP93XX系列中的高端產(chǎn)品EP9315。該微處理器是高度集成的片上系統(tǒng)處理器，擁有先進的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)學運算引擎，支持浮點、整數(shù)和信號處理指令；豐富的集成外設接口，包括PCMCIA、接口圖形加速器、可接兩組設備的EIDE、1/10/100Mbps以太網(wǎng)MAC、3個2.O全速HOST USB、專用SDRAM通道的LCD接口、觸摸屏接口、SPI串行外設接口、AC97接口、6通道TS接口、8×8鍵盤掃描接口；支持4組32位SDRAM的無縫連接等。
配合Windows CE.net嵌入式操作系統(tǒng)，系統(tǒng)開發(fā)效率高、運行穩(wěn)定，為工業(yè)控制提供了可靠的系統(tǒng)平臺?；诙ㄖ频腤inCE操作系統(tǒng)實現(xiàn)工業(yè)控制中應用模塊的專用驅(qū)動，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。整個系統(tǒng)分為嵌入式系統(tǒng)、應用模塊(聲波檢測儀)和轉(zhuǎn)換模塊三部分。Cirrus Logic公司為用戶提供了基于該處理器的全功能開發(fā)板。該開發(fā)板擴展了EP9315的所有功能，并可根據(jù)實際需求將全功能開發(fā)板的硬件進行裁減，從而降低成本。該開發(fā)板預留了標準PC104接口，可方便用戶開發(fā)應用。應用模塊也預留標準PC104接口，其中的I/O控制信號、數(shù)據(jù)線、地址線與EP9315嵌入式系統(tǒng)的PCl04接口一一對應。而系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換模塊可保證嵌入式系統(tǒng)和應用模塊連接的穩(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)接口和標準PCI04接口組成。其中電源提供5V、3.3V、1.8V三種電壓輸出，分別給應用模塊、外設、CPU內(nèi)核供電。內(nèi)存為操作系統(tǒng)提供運行空間。其中嵌入式系統(tǒng)與應用模塊的I/O控制信號、數(shù)據(jù)線和地址線都引到標準PC104插座上，經(jīng)轉(zhuǎn)換模塊處理后相接。采用PC104總線標準實現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的各種應用目標。液晶顯示屏用于人機交互，警示LED直觀地顯示電源狀況。主USB支持U盤和USB鼠標鍵盤，CF卡作為大容量存儲器存放應用模塊的數(shù)據(jù)，用戶通過面板按鍵實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。
1．3 嵌入式系統(tǒng)板與應用模塊的連接方案
系統(tǒng)外接的應用模塊(SY5聲波檢測儀)采用5l系列單片機控制數(shù)字模擬電路實現(xiàn)特殊功能。整個數(shù)字電路部分均為5V供電，模擬部分由5V及正負12V供電，采樣數(shù)據(jù)通過RS232串口傳給上位機進行數(shù)據(jù)處理。而EP9315、I／O口及外圍電路均為3.3V供電，管腳承受的最大電壓不超過3.6V。
考慮到每個管腳的驅(qū)動能力有限，用電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動芯片74INXC4245實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。其作用如下：
(1)改善信號的質(zhì)量。某些對時延比較敏感、且在系統(tǒng)內(nèi)又相距較遠或者較分散的信號，信號線的寄生電容會損害信號的特性。采用74LVXC4245驅(qū)動芯片進行隔離，會改善系統(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，最大可提供200mA的驅(qū)動電流。與專用模塊接口時，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)線、地址線、I/O信號、中斷信號等的單/雙向電平轉(zhuǎn)換。
地址線的電平轉(zhuǎn)換方向設置為3.3V到5V。I/O、中斷信號的電平轉(zhuǎn)換方向可設置為單向轉(zhuǎn)換，3.3V到5V或5V到3.3V片選可接地。
數(shù)據(jù)線是雙向信號，電平轉(zhuǎn)換時要特別注意其方向信號和片選信號的設計。設計不合理會造成總線沖突，系統(tǒng)無法啟動。數(shù)據(jù)線電平轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。
由圖2可見，方向信號使用讀信號的反向信號#RD，保證讀操作時數(shù)據(jù)線由5V到3.3V，寫操作時數(shù)據(jù)線由3.3V到5V，防止了總線沖突。使能信號OE可接地或接片選信號。
EP9315在WinCE操作系統(tǒng)下主頻達到200MHz，總線頻率為1OOMHz，外設時鐘為50MHz，硬件調(diào)試環(huán)境必須與操作系統(tǒng)完全吻合。而應用模塊多采用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)出的讀寫及使能信號脈寬不足50ns，對由74系列芯片組成的專用模塊不能實現(xiàn)正確的讀寫操作。因此，系統(tǒng)的存儲空間采用了如圖3所示的分配，應用模塊地址空間為CS7：0X7000_0000_OX7FFF_FFEF。
為給低速設備提供足夠脈寬的總線信號，設置應用模塊地址空間存儲空間讀寫特性寄存器SMCBCR7中等待時間位WST1和WST2：
總線讀取等待時間=(WST+1)×總線時鐘
連續(xù)讀取等待時問=(WST+1)×總線時鐘
調(diào)試代碼如下：
2 系統(tǒng)軟件
2．1 嵌入式操作系統(tǒng)下的驅(qū)動程序類型
由于Windows CE.net開發(fā)工具好學易用，沒有目標設備時可以在PC上仿真測試，因此基于Windows CE.net的嵌入式開發(fā)日益普及。但要在操作系統(tǒng)下控制應用模塊就要為應用模塊編寫驅(qū)動。本質(zhì)上，Windows CE的設備驅(qū)動程序都是一些動態(tài)鏈接庫(.dll文件)，這些dll向內(nèi)核提供了入口函數(shù)，使設備管理模塊可以通過這些函數(shù)與具體的硬件設備進行通信。由于應用模塊功能的不同，微軟沒有提供相應的驅(qū)動，所以只能自行開發(fā)測試。開發(fā)過程中采用單層驅(qū)動結(jié)構(gòu)。
2．2 驅(qū)動程序開發(fā)
2．2．1 應用模塊初始化
應用模塊的初始化在標準流接口函數(shù)DEV_Init()中完成，在內(nèi)核加載驅(qū)動時調(diào)用該函數(shù)，其中DEV為設備文件名的前綴，Windows CE使用其識別與特殊流接口驅(qū)動程序相對應的特殊設備。初始化的基本步驟為：
當應用程序準備對某個設備進行讀寫時，系統(tǒng)必須先執(zhí)行CreateFile()函數(shù)打開這個設備，得到的設備句柄即為底層設備驅(qū)動中Dev_Open()的返回值。應用程序通過CloseHandle()調(diào)用設備驅(qū)動中的Dev_Close( )。執(zhí)行完該函數(shù)后驅(qū)動程序引用的設備將不再有效。當一個流接口驅(qū)動程序被打開后，應用程序使用ReadFile()對這個設備進行讀操作，驅(qū)動程序中Dev_Read()響應該操作；同樣應用程序使用WriteFile()對該設備進行寫操作，驅(qū)動程序中Dev_Write()響應此操作。另外，應用程序還可以使用DeviceIOControl()通知操作系統(tǒng)調(diào)用流接口驅(qū)動中的DEV_IOControl()去通知驅(qū)動程序要執(zhí)行的操作。這些操作用戶可用Windows CE提供的API函數(shù)CTL_CODE自定義。
筆者在Windows CE.net操作系統(tǒng)下，已實現(xiàn)了基于EP9315嵌入式系統(tǒng)對武漢中科院巖土力學所設計的SY5聲波儀的控制，設備運行穩(wěn)定。與原來由51單片機搭建的SY5聲波儀相比，該系統(tǒng)功耗降低、體積變小、穩(wěn)定性增強、成本降低，更適合工業(yè)控制中的運用。
