基于ARM44B0x的信號發(fā)射機(jī)控制器設(shè)計(jì)

文章選用了S3C44B0x處理器作為控制器內(nèi)核，開發(fā)完成了約定鍵盤、菜單操作及LCD顯示程序數(shù)據(jù)采集及處理實(shí)現(xiàn)軟件PC通訊協(xié)議及實(shí)現(xiàn)軟件，在其控制下完成數(shù)據(jù)地采集和處理并實(shí)現(xiàn)對廣播發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，同時具有人機(jī)交互的功能。

1.前言

船舶上使用的信號發(fā)射機(jī)是連續(xù)工作的，所以需要一個控制器對發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，常見的是用單片機(jī)作控制器的內(nèi)核，但由于32位微處理器具有更好的精度和可靠性且低成本低功耗，所以在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。采用嵌入式的32位微處理ARMS3C44B0x作為控制器的內(nèi)核，設(shè)計(jì)的控制器將比用單片機(jī)作內(nèi)核的處理器具有更全面的功能和更好的使用性能。

發(fā)射機(jī)控制器的主要功能是對多路模擬量和開關(guān)量的數(shù)據(jù)采集和處理監(jiān)控發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài);控制器控制發(fā)射機(jī)同時控制器又受上位機(jī)的控制，它要能在任意時刻準(zhǔn)備好接收從上位機(jī)串口、網(wǎng)口發(fā)來的數(shù)據(jù)，它們之間的相對關(guān)系如圖：

圖1 控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

上位機(jī)向控制器發(fā)送數(shù)據(jù)從而實(shí)現(xiàn)對控制器的控制，首先上位機(jī)送出機(jī)號，再送命令字;控制器也要向上位機(jī)上傳數(shù)據(jù)完成通訊應(yīng)答，它首先解析機(jī)號是否與自己的機(jī)號一致，若一致則再解析命令字，根據(jù)命令字來送出上傳的數(shù)據(jù)完成應(yīng)答;若不一致則不再作進(jìn)一步的數(shù)據(jù)解析。它們的通訊方式有串口通訊和以太網(wǎng)通訊兩種;控制器和發(fā)射機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸主要有模擬量的采集和開關(guān)量的輸入輸出;另外，人機(jī)接口模塊實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)工作過程中的參數(shù)的實(shí)時顯示和參數(shù)修改和查詢。實(shí)時采集的數(shù)據(jù)是由AD采樣得到的，需要注意的是S3c44B0沒有采樣保持電路所以通道的切換頻率不能超過100Hz，在ADC開啟路時都需要一個延時，利用這段時間來對上一路進(jìn)行濾波而提高程序的效率。整個采樣的過程可以描述為開啟當(dāng)前通道，然后濾波上次采樣的通道(中位值平均濾波法)。

2.開關(guān)機(jī)描述及軟件設(shè)計(jì)

圖2 傳口通訊流程圖

項(xiàng)目的開發(fā)首先要完成開關(guān)機(jī)功能、人機(jī)接口功能模塊、通訊模塊的程序設(shè)計(jì)和調(diào)試，先討論開關(guān)機(jī)的程序設(shè)計(jì);用戶要求控制器上鍵的功能是能編輯的即每一個鍵的功能不固定，可以通過PC機(jī)修改;開機(jī)時要按優(yōu)先級順序由高到低輸出一系列的動作，每個動作都有可編輯的優(yōu)先級(通過PC機(jī)編輯)，一個動作輸出后可能會引起其它同一優(yōu)先級水平動作的發(fā)生，這就是動作的關(guān)聯(lián)。在開當(dāng)前優(yōu)先級動作時必須要檢測更高優(yōu)先級動作的狀態(tài)，遇到故障需要進(jìn)行故障處理。針對上述的較復(fù)雜的需求設(shè)計(jì)如下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

圖3 開機(jī)流程

typedef struct{

char *pName; //動作名稱

char FunctionID; //動作(功能)編號

char Priority; //動作優(yōu)先級

short KeepTime1; //等待前一個輸出動 作穩(wěn)定需要的時間

short DelayTime1;//下一動作執(zhí)行前的延時

short DelayTime2; //當(dāng)檢測模擬量或開關(guān)量不正常時需要重復(fù)檢測的延時

short RepeatNum;//有故障重新檢測的次數(shù)

}OutputAction;

把所有的功能依次編號，把這個編號賦給某個鍵則該鍵就具備了該功能，功能的編輯通過修改OutputAction.FunctionID的值實(shí)現(xiàn);每個鍵最多有16個功能，最少沒有功能;在每一個鍵的所有功能都是輪循有效的，用一個循環(huán)鏈表來存放功能編號，始終是處于表頭位置編號對應(yīng)的功能有效，每個功能(動作)只能歸屬于一個鍵，在每次開機(jī)時首先由串口把已定義好的鍵功能送到控制器并燒寫到固定位置的ROM中;動作優(yōu)先級的編輯是通過修改結(jié)構(gòu)體中 OutputAction.Priority的值實(shí)現(xiàn);開機(jī)時再從ROM中把這些數(shù)據(jù)讀出來，若上位機(jī)沒有進(jìn)行鍵功能編輯就按默認(rèn)形式進(jìn)行，需要指出的是關(guān)機(jī)時，按和開機(jī)向反的順序依次關(guān)閉所有的輸出動作.

開機(jī)時根據(jù)固定位置ROM中的內(nèi)容或按默認(rèn)的定義獲取動作的屬性，①首先搜索優(yōu)先級最高的動作編號，然后根據(jù)不同的延時把這些動作依次送出;②把優(yōu)先級降一級，檢測比當(dāng)前優(yōu)先級更高的所有的輸入、輸出的狀態(tài)是否正常如果正常則送出當(dāng)前優(yōu)先級的動作，再重復(fù)②的過程，否則進(jìn)入故障處理程序，如果處理故障成功則繼續(xù)重復(fù)②的過程，否則關(guān)機(jī)并返回開機(jī)失敗信息。開機(jī)流程圖如圖3所示。

在軟件設(shè)計(jì)中的一個特色就是利用I/O端口來模擬IIC總線來讀取鍵值，其總體思路是用兩個端口一個模擬IIC的時鐘信號，另一個模擬IIC的數(shù)據(jù)線。需要注意的是在配制I/O端口時，時鐘線始對應(yīng)的端口終是輸出口而數(shù)據(jù)線端口是不確定的。通過給端口置位和清零結(jié)合延時來模擬IIC的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。在調(diào)試的過程中發(fā)現(xiàn)，這種方法能很好的完成鍵值的獲取和對CPLD器件的訪問。

3.人機(jī)接口模塊設(shè)計(jì)

要監(jiān)控發(fā)射機(jī)工作狀態(tài)就必須具備良好的人機(jī)接口，需要給控制器選配合適的顯示設(shè)備，在本項(xiàng)目中選用7.8寸640×480象素STN型彩色液晶顯示屏(LCD)，采用8位數(shù)據(jù)單掃描方式，在實(shí)際應(yīng)用中顯示效果很好不僅成本低且美觀大方，STN型LCD屏與44B0x的接口比較簡單但需要注意的是第18 引腳(Vcom)通過一個變阻器與電源相連，調(diào)整該引腳上的電壓就可以調(diào)整LCD屏的對比度。軟件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵是菜單的設(shè)計(jì)和按鍵響應(yīng)及處理，由于本項(xiàng)目中的界面較多且存在翻屏所以宜設(shè)計(jì)一個統(tǒng)一處理的算法，為此，把每個界面統(tǒng)一編號WndID，把按鍵作為一個消息處理MessageFun();每次按一個鍵就調(diào)用MessageFun()，找到需要顯示的界面并在LCD上顯示。LCD翻屏的方法是每次記錄顯示的內(nèi)容在整個菜單數(shù)組中的偏移，若當(dāng)前行超過偏移就需要翻屏否則不翻屏。對于菜單的設(shè)計(jì)作如下處理：用一個結(jié)構(gòu)體把一個菜單的屬性完整地封裝好，其屬性包括菜單名稱、坐標(biāo)、參數(shù)標(biāo)志、參數(shù)。

typedef struct{

UINT8T Menu_ID;//菜單編號[!--empirenews.page--]

UINT8T *Text; //菜單名稱

UINT16T xPos; //菜單x坐標(biāo)

UINT16T yPos; //菜單y坐標(biāo)

UINT8T ParaFlag; //參數(shù)標(biāo)志

UINT8T pData[7]; //參數(shù)

}Menu;

圖4 菜單顯示

利用結(jié)構(gòu)體將每一個菜單的屬性都封裝好再放到一個數(shù)組里面，這樣對菜單的個數(shù)沒有限制且容易管理，每一個菜單的信息都很清晰，編程不易出錯。

人機(jī)界面操作的核心工作就是界面的切換、主菜單和子菜單操作。根據(jù)按鍵來確定對應(yīng)的界面ID號，切換界面的方法通常有兩種改變顯存的內(nèi)容和改變顯存的基址，改變顯存的基址就需要定義很大的顯存，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是利用硬件資源使LCD屏顯示的刷新速度很高、界面切換快，缺點(diǎn)是很大地浪費(fèi)了系統(tǒng)資源;若改變顯存中的內(nèi)容就需要用軟件的方法來更新顯存中的內(nèi)容，這種方法的好處就是節(jié)約了系統(tǒng)資源，但是增加的軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度;本項(xiàng)目采用的就是更新顯存內(nèi)容的方法在實(shí)際的調(diào)試中發(fā)現(xiàn)能夠很好地滿足要求。關(guān)于主菜單和子菜單的操作設(shè)計(jì)了一種統(tǒng)一調(diào)度的算法，其思想是根據(jù)獲取的按鍵信息來確定主菜單的ID號和子菜單的 ID號，使用焦點(diǎn)標(biāo)記當(dāng)前菜單的ID號，由這兩個ID號就可以確定相應(yīng)的主、子菜單同時進(jìn)入對應(yīng)的功能處理程序。

4.以太網(wǎng)通信模塊設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)時選擇RTL8019AS網(wǎng)絡(luò)控制芯片,它可以工作在8/16 位總線寬度下傳輸速度為10Mbps，遵循IEEE 802.3 協(xié)議。內(nèi)部具有16KB SRAM集成了MAC收發(fā)緩沖區(qū)和物理層的功能，它用來接收和發(fā)送以太網(wǎng)的物理傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)RTL8019AS收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包后，RTL8019AS內(nèi)部的某些控制寄存器的狀態(tài)就被改變，通過設(shè)置中斷或者查詢的方法來讀取這些寄存器的狀態(tài)判斷數(shù)據(jù)是否收到;發(fā)送數(shù)據(jù)時，將數(shù)據(jù)放入到RTL8019AS內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)后，通過控制內(nèi)部的寄存器,將緩沖區(qū)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上去。該芯片有三種工作模式：跳線模式，即插即用模式，免跳線模式。在項(xiàng)目中網(wǎng)卡芯片 RTL8019AS是在跳線模式下工作。對該芯片的驅(qū)動主要包括以下幾個步驟：復(fù)位、初始化、收發(fā)數(shù)據(jù)。RTL8019的復(fù)位引腳RSTDRV是高電平有效，有效的保持時間宜大于800ns，且在由高到低切換后的100ms后才對芯片操作。在對芯片初始化之前需要預(yù)先分配好片內(nèi)RAM中的空間即接收和發(fā)送緩存的大小，在把所有的設(shè)置參數(shù)在初始化的時候一起寫入RTL8019的寄存器完成初始化。

5.結(jié)語

項(xiàng)目開發(fā)調(diào)試的過程中有許多軟件和硬件方面的困難，但是問題最后都是在不斷地解決，如系統(tǒng)的了串口，LCD，AD采樣，F(xiàn)lash操作的調(diào)試等工作以及控制器所要具備的人機(jī)交互功能的程序設(shè)計(jì)且需調(diào)試通過。把以太網(wǎng)模塊加到工程中后，其物理層芯片的驅(qū)動程序需進(jìn)一步調(diào)試，把TCP/IP協(xié)議加入模塊，參照成功的案例，完成系統(tǒng)的調(diào)試任務(wù)。同時，本文具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

(1)開發(fā)應(yīng)用32位微處理ARMS3C44B0x作為控制器的內(nèi)核，使控制器比用單片機(jī)作內(nèi)核的處理器具有更全面的功能和更好的使用性能。

(2)在菜單的設(shè)計(jì)中，用一個結(jié)構(gòu)體把一個菜單的屬性完整地封裝好，其屬性包括菜單名稱、坐標(biāo)、參數(shù)標(biāo)志、參數(shù)。

(3)解決了該網(wǎng)卡芯片使RTL8019AS正常工作的問題，在對芯片初始化之前需要預(yù)先分配好片內(nèi)RAM中的空間即接收和發(fā)送緩存的大小，在把所有的設(shè)置參數(shù)在初始化的時候一起寫入RTL8019的寄存器完成初始化。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 田澤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[2] 賈志平，張瑞華.嵌入式原理與接口技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[3] 王田苗.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開發(fā)[M].清華大學(xué)出版社，2003.

[4] 崔登志，戴學(xué)豐，劉樹東，等.用ARM控制CAMD無線Modem發(fā)送短信息[J].微計(jì)算機(jī)信息,2006,11-2:136-138.

[5] 徐偉,譚樹人,黃浩亮.基于AT91RM9200的圖象采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息,2006,11-2:120-122.

[6] 楊占華，揚(yáng)燕.數(shù)據(jù)挖掘在智能搜索引擎中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006(4)下：244-245.