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0 引言 靜力測量可用于許多不同的測量系統中。目前大多數工業(yè)控制系統、地質(zhì)勘測系統以及建筑測量中所使用的計量設備(衡器)的測量模型大多建立于杠桿原理或彈性原理，其平衡方程均建立在靜力平衡的基礎之上。隨著(zhù)微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展、嵌入式芯片的大量引入、控制功能的完善、速度及組態(tài)軟件以及圖像處理技術(shù)的發(fā)展，目前已出現了很多新型靜力測量系統。當今的靜力測量系統正沿著(zhù)微型化、智能化和網(wǎng)絡(luò )化的主流方向發(fā)展。 在以前主從式單片機實(shí)現的靜力測量系統中，主單片機負責管理整個(gè)系統，從單片機負責實(shí)現具體的功能，然后通過(guò)增加外設來(lái)實(shí)現顯示和打印功能。整個(gè)系統只有一個(gè)主程序，其中包括系統控制模塊、驅動(dòng)和用戶(hù)界面程序。這樣，系統的硬件軟件功能的可擴展性以及通信方式、數據存儲能力就受到了很大的限制。針對這些問(wèn)題并結合實(shí)際的項目需要，本文提出并研制了一種基于ARM920T內核的嵌入式靜力測量系統。 1 靜力測量原理及系統要求 靜力測量一般是采用半導體應變電阻的特性來(lái)實(shí)現的。這可在宏觀(guān)上用金屬絲應變電阻方程來(lái)描述： 對于半導體材料，其電阻的變化率△R／R主要由△ρ／ρ引起，這種變化取決于它的電阻應變，所以，可得到下列公式： 式中，π為壓阻系數，σ為應力，E為彈性模量，ε為應變，μ為泊松比。 半導體應變片的靈敏度為： 靜力測量一般通過(guò)單橋或雙橋橋式電路來(lái)實(shí)現，在圖1所示的電橋中，在初始狀態(tài)，橋是平衡的，也就是B、D兩點(diǎn)的電壓為0。而在力的作用之下，由于壓力電阻的特殊屬性，應力變化導致R1電阻阻值發(fā)生變化，從而使得橋臂不平衡，這個(gè)不平衡會(huì )反映在電阻R1的電壓上。該電壓再經(jīng)過(guò)放大電路放大，最終作為AD轉換器的輸入電壓信號。這里需要注意的重要一點(diǎn)是，電阻RL兩端的電位均是以電源E的一半為參考的，因此，在電路設計時(shí)，這一點(diǎn)需要充分考慮。 靜力測量系統往往工作于較為惡劣的環(huán)境，通常是在野外進(jìn)行，很多的數據和信息都不能在現場(chǎng)得到及時(shí)的處理，因此，要求系統具有較強的抗干擾能力、強大的系統處理功能及較多的外圍支持設備，同時(shí)要具有良好而美觀(guān)的用戶(hù)界面、較大的數據存儲空間和很好的程序模塊化，此外，它還應具有良好的數據和圖像處理功能，以便任務(wù)完成后能在脫離現場(chǎng)的空間對所獲數據和信息進(jìn)行處理并得出想要的結果。 2 系統硬件設計 基于目標系統功能的要求，本設計中整個(gè)系統的核心處理器和操作系統分別選定三星公司基于A(yíng)RM9內核的S3CFS2410處理器和目前比較流行的Linux操作系統。同時(shí)，其硬件系統還需具備處理能力和外設比較豐富的ARM處理器、適當大小的內存、存儲容量匹配的閃存、顯示設備和交互設備接口、串口和USB口、網(wǎng)絡(luò )控制器和網(wǎng)口、模數轉換模塊、外部中斷接口、紅外線(xiàn)收發(fā)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和在線(xiàn)調試ICE接口等。其功能方框圖如圖2所示。 采用圖2所示的結構進(jìn)行設計可以最大程度地實(shí)現核心板的擴展功能。該設計在核心板上集成有ARM處理器S3CFS2410；內存63 M字節的SDRAM由兩片K4S561632組成；10 MB的以太網(wǎng)控制器選用CS8900Q3；64 M字節的Nand Flash閃存選用K9F1208，而2MB的Nor Flash閃存則選用SST39VF1601。S3CFS2410是三星公司的一款基于A(yíng)RM920T內核的16、32位RISC嵌入式微處理器，主要面向手持設備以及高性?xún)r(jià)比、低功耗的應用。它的運行頻率可以達到203 MHz。此外，S3CFS2410集成的資源還包含有LCD控制器、SDRAM控制器、3個(gè)通道的UART、4個(gè)通道的DMA、4個(gè)具有PWM功能的計時(shí)器和一個(gè)內部時(shí)鐘、8通道的10位ADC、觸摸屏接口、IIS總線(xiàn)接口、2個(gè)USB主機接口、1個(gè)USB設備接口、2個(gè)SPI接口、看門(mén)狗計數器、117個(gè)通用I／O口和24個(gè)外部中斷源、8通道的10位AD控制器、一個(gè)具有日歷功能的RTC和具有PLL的芯片時(shí)鐘發(fā)生器。由于該芯片用MPLL產(chǎn)生主時(shí)鐘，因此能夠使主處理器的工作頻率高達203 MHz。 本設計在硬件實(shí)現方案上充分考慮到系統的可擴展性和核心板布局的靈活性，因而采用了拔插式的核心板布局。其他各外部功能處理模塊(如鍵盤(pán)、模數轉換電路、通用I／O口、液晶屏、觸摸屏、網(wǎng)絡(luò )接口、USB接口、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、串口UART、VGA轉化電路和電源模塊)均采用擴展接口的形式來(lái)實(shí)現其模塊功能，主要用來(lái)完成數據的收發(fā)、網(wǎng)絡(luò )通訊、鍵盤(pán)操作以及圖像處理和顯示。通過(guò)這些特殊功能模塊可對現場(chǎng)得到的數據進(jìn)行特定的處理，以便很好地完成人機交互界面和通過(guò)外設對系統核心模塊的控制，具體接口方式如圖3所示。 3 系統軟件設計 本系統的編譯和調試可采用ADS1.2工具。該工具的功能非常強大，能支持多種ARM內核以及ARM匯編語(yǔ)言、C語(yǔ)言、C++等。而且在進(jìn)行各種參數設置時(shí)，不必記憶大量的參數格式，而是可直接在窗口中設置。它能夠支持映象仿真，并可配合調試硬件邏輯SUPERJTAG實(shí)現在線(xiàn)調試。 由于本系統是一個(gè)基于A(yíng)RM的嵌入式Linux系統平臺，系統最為關(guān)鍵的是實(shí)現引導程序，植入Linux操作系統，而不很關(guān)心具體的應用。所以，軟件系統的主要任務(wù)是實(shí)現一個(gè)性能優(yōu)良的引導程序，以使Linux操作系統能夠良好地運行起來(lái)。事實(shí)上，在嵌入式系統中，通常并沒(méi)有像PC機中BIOS那樣的同件程序，因此，整個(gè)系統的加載啟動(dòng)任務(wù)就完全由Boot Loader來(lái)完成。完成硬件檢測和資源分配后，只要將閃存中的BootLoader讀到系統的RAM中，然后將控制權交給Boot Loader即可。Boot Loader的主要運行任務(wù)是將內核映象從閃存讀到RAM，然后跳轉到內核的入口點(diǎn)去運行，也就是開(kāi)始啟動(dòng)操作系統。 由于Boot Loader的實(shí)現依賴(lài)于CPU的體系結構，因此大多數Boot Loader都分為階段一和階段二兩大部分。依賴(lài)于CPU體系結構的代碼(比如設備初始化代碼等)通常都放在階段一中，且通常都用匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現，以達到短小精悍的目的。而階段二則通常用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現，這樣可以實(shí)現更復雜的功能，而且代碼會(huì )具有更好的可讀性和可移植性。 Boot Loader的階段一通常包括以下步驟(以執行的先后順序列出)： ◇硬件設備初始化； ◇為加載Boot Loader的階段二準備RAM空間； ◇拷貝Boot Loader的階段二到RAM空間中； ◇設置好堆棧； ◇跳轉到階段二的C入口點(diǎn)。 Boot Loader的階段二通常包括以下步驟(以執行的先后順序列出)： ◇初始化本階段要使用到的硬件設備； ◇檢測系統內存映射(memory map)； ◇將kernel映像和根文件系統映像從Flash上讀到RAM空間中； ◇為內核設置啟動(dòng)參數； ◇調用內核。 接下來(lái)就是內核的編譯、目標文件系統的制作以及調試仿真實(shí)現程序各模塊的固化。這些均可選取一下的交叉編譯工具來(lái)實(shí)現。本系統選擇Redhat9.0(Linux操作系統)，其交叉編譯工具有兩個(gè)：一個(gè)是cross-2.95.3.tar.bz2，安裝此編譯器只需要在／usr／local下建立一個(gè)arm目錄再執行解包命令即可。當編輯／etc／bashrc文件并在最后增加路徑／usr／local／arm／2.95.3／bin之后，再編澤內核或其它應用程序時(shí)，均可用arm-linux-來(lái)指定交叉編譯器。另一個(gè)編譯器是MIZI提供的arm41安裝包，它的安裝必須有binutils、gcc、glibc等幾包存在。當有其它應用時(shí)，還需要安裝另外的工具，它們都會(huì )安裝在／opt／host／arm41下，而不需要再手工設置路徑。 為了將Linux內核固化，需要將該程序和模塊添加到根文件系統中。為此，本設計制作了demo.cramfs這樣一個(gè)根文件系統。其具體操作步驟如下： (1) 將demo.cramfs拷貝到任意目錄下； (2) 在該目錄下建立兩個(gè)目錄dirl和dir2； (3)將目標文件系統demo.cramfs掛接到目錄dir1； (4) 將目錄dir1下的內容壓縮； (5) 與目錄dir1卸載掛接，將此壓縮包解壓到錄dir2下，然后刪除此包； (6) 將驅動(dòng)程序、應用程序分別拷貝到dir2／usr／和應用程序對應的目錄下。 經(jīng)過(guò)上面的步驟便可將驅動(dòng)程序和應用程序添加到了demo.cramfs中。然后將mkcramfs文件拷貝到dir2所在目錄。運行該命令成功后便可生成所期待的根文件系統了。 最后就是系統軟件具體應用代碼的調試和映像文件的燒寫(xiě)。調試的方式可分為三種：ADS裝栽映象調試、通過(guò)串口輸出信息到主機的調試、通 過(guò)外部的ARMJTAG代理軟件和SUPERJTAG電路協(xié)作調試。在調試Boot Loader或者內核過(guò)程中，可通過(guò)主機上的DNM或者超級終端程序來(lái)顯示目標板的各種輸出信息。 4 結束語(yǔ) 從硬件和軟件兩部分的工作情況看，其硬件模塊能正常運行，電路板的工作電壓轉換后工作正常，轉換效率、電壓波動(dòng)和電流大小均能達到設計要求；而系統軟件引導程序也能正常實(shí)現目標板各種資源的初始化設置和管理。Linux操作系統和文件系統在建立相應的工作環(huán)境，并正確進(jìn)行相應配置后，通過(guò)相應命令操作可順利制作出對應的映象文件。此映象文件成功后，內存中的程序也可以按照預期正常運行，并能夠實(shí)現操作系統各種基本功能和文件系統的各種管理。此外，筆者還進(jìn)行了應用程序的二次開(kāi)發(fā)，最終研制成功了一套嵌入式靜力測量系統。實(shí)踐表明，該系統設計合理、性能穩定、功能強大、運行可靠，具有很好的應用前景。 |
