基于嵌入式Linux的多磁控管電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、電路硬件整體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)模塊：1，人機(jī)交換模塊（S3C2410芯片擴(kuò)展電路）、2，功率輸出模塊（ATmega16L芯片擴(kuò)展電路）、3，磁控管工作電路。人機(jī)交換模塊主要用來接收使用者的命令數(shù)據(jù)，再傳遞給功率輸出模塊輸出給定功率。同時(shí)接收功率輸出模塊電路中功率反饋回來的信息，使得使用者能對(duì)相應(yīng)信息做出處理。整體框架如圖1—1所示：

1.1基于S3C2410X處理器的控制電路設(shè)計(jì)

    控制系統(tǒng)中采用韓國三星半道體公司的S3C2410X處理器作為主控制芯片。SBC2410X是一款基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微處理器，高性價(jià)格比，低功耗。應(yīng)用該芯片作為主控制芯片，并擴(kuò)展64M SDRAM、64M Nand Flash、1M的Nor Flash、標(biāo)準(zhǔn)串口、用戶按建、液晶屏接口、JTAG模塊、以太網(wǎng)接口（如圖1—2所示）。

圖1—2、S3C2410外圍擴(kuò)展

1.2 基于ATmega16L單片機(jī)功率輸出電路設(shè)計(jì)

從芯片采用AVR系列單片機(jī)ATmega16L。ATmega16具有豐富的片內(nèi)資源，其中包括：16k字節(jié)的在線編程，應(yīng)用編程Flash程序處理器，512字節(jié)EPROM,1K字節(jié)SRAM，32個(gè)通用工作寄存器，32個(gè)通用I/O口，3個(gè)定時(shí)/數(shù)據(jù)器，20個(gè)中斷源，2個(gè)可編程串口USART，15種通過軟件選擇的節(jié)電模式。www.51kaifa.com

主從芯片模塊之間通過各自串口進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。具體上說，主電路模塊發(fā)送數(shù)據(jù)給從芯片模塊，從芯片根據(jù)輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生相應(yīng)波形，以得到對(duì)應(yīng)的輸出功率。同時(shí)從芯片應(yīng)用采集電路模塊，采集實(shí)際功率反饋到主芯片，由主芯片將數(shù)據(jù)交給用戶管理，必要時(shí)候會(huì)發(fā)出警告信息，達(dá)到保護(hù)電路的作用。

2、驅(qū)動(dòng)程序的編寫和Linux內(nèi)核的裁剪

設(shè)計(jì)采用Linux操作系統(tǒng)作為操作平臺(tái)。從Linux系統(tǒng)發(fā)展的過程來看，Linux從最開始就是一個(gè)開放的系統(tǒng)，并且遵循著源代碼開放的原則，它是一個(gè)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，作為嵌入式系統(tǒng)有如下優(yōu)勢(shì)。

（1） Linux的源碼開放性允許任何人可以修改它的源代碼。這樣可以降低開發(fā)的成本，另一方面可以提高開發(fā)成本。（2） Linux支持X86、ARM、MIPS、SH等多種體系結(jié)構(gòu)，并且已經(jīng)移植到多種硬件平臺(tái)。（3）Linux有獨(dú)特的內(nèi)核模塊機(jī)制，它可以根據(jù)用戶需要，實(shí)時(shí)的將某模塊插入到內(nèi)核或者從內(nèi)核中移走。（4）linux系統(tǒng)內(nèi)核精簡、高效和穩(wěn)定，能夠充分發(fā)揮硬件功能，因此比其他操作系統(tǒng)運(yùn)行更高效率。（5）Linux是首先支持TCP/IP協(xié)議棧的操作系統(tǒng)，它的內(nèi)核在網(wǎng)絡(luò)方面非常的完。www.51kaifa.com

因?yàn)榍度胧介_發(fā)的目標(biāo)環(huán)境針對(duì)特定的操作系統(tǒng)，因此采用宿主機(jī)/目標(biāo)機(jī)的方式，在PC機(jī)上裝Linux操作系統(tǒng)，建立交叉編譯環(huán)境arm-gcc。然后為設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件編寫特定驅(qū)動(dòng)程序，主要包括顯示模塊和串口通訊模塊的驅(qū)動(dòng)功能。

2.1液晶顯示模塊完成人機(jī)友好界面的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，對(duì)圖形具有顯示能力，設(shè)計(jì)中采用模塊化的方法設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序。液晶顯示驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的內(nèi)容如下：

(1)首先對(duì)驅(qū)動(dòng)程序管理的硬件進(jìn)行必要的初試化。(2)初始化設(shè)備相關(guān)的參數(shù)。(3)在內(nèi)核中注冊(cè)設(shè)備。其中涉及到重要的結(jié)構(gòu)體為：static struct fb_ops s3c2410fb_ops；(4)其他的初始化工作。int __init s3c2410fb_init(void)；int __init s3c2410fb_setup(char *options)。

2.2串口通訊完成主控芯片發(fā)送數(shù)據(jù)和命令給從芯片，使從芯片完成端口的波形輸出，通過輸出的波形控制大功率設(shè)備的功率。同時(shí)大功率設(shè)備通過測(cè)量電路反饋實(shí)際功率給從芯片，從芯片通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)給主控芯片顯示正確的功率數(shù)據(jù)，方便用戶查看。串口驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容：www.51kaifa.com

(1)初始化串口相關(guān)的硬件設(shè)備。涉及到重要的結(jié)構(gòu)體為：

static struct tty_driver normal, callout；

static struct tty_struct *s3c2410_table[UART_NR]；

static struct termios *s3c2410_termios[UART_NR]；

static struct *s3c2410_termios_locked[UART_NR]。

(2)注冊(cè)中斷服務(wù)程序。接受中斷服務(wù)程序：

static void s3c2410uart_rx_interrupt(int irq, void *dev_id,，struct pt_regs *regs)；

發(fā)送中斷服務(wù)程序：

static void s3c2410uart_tx_interrupt(int irq, void *dev_id, ，struct pt_regs *reg)；

(3)在內(nèi)核中注冊(cè)設(shè)備。uart_register_driver(&s3c2410_reg)。

(4)設(shè)備的加載和卸載。module_init(s3c2410uart_init);module_init(s3c2410uart_init)。

設(shè)計(jì)好硬件驅(qū)動(dòng)程序后，為控制主芯片裁剪Linux內(nèi)核以適合控制設(shè)備的需要。進(jìn)入PC機(jī)Linux操作系統(tǒng)，進(jìn)入ViVi原代碼目錄，執(zhí)行“make menuconfig”命令開始配置內(nèi)核。配置完畢以后再執(zhí)行“make”命令便宜ViVi。將ViVi的映像文件通過JTAG燒寫到設(shè)計(jì)好的硬件電路板中。

進(jìn)入Linux內(nèi)核文件中執(zhí)行“make menuconfig”命令開始配置Linux內(nèi)核文件,選上要使用的驅(qū)動(dòng)選項(xiàng)并根據(jù)電路板實(shí)際芯片模塊配置內(nèi)核，最后使用“make”命令編譯內(nèi)核文件。如果編譯出問題需要修改內(nèi)核文件。編譯成功以后通過串口將生成的映像文件下載到電路板中。之后ViVi 就可以啟動(dòng)下載好的內(nèi)核文件。內(nèi)核的設(shè)計(jì)及其調(diào)試流程圖2—1。

圖2—1、內(nèi)核調(diào)試流程

3、基于QT的主芯片控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)和從芯片程序設(shè)計(jì)

    圖形用戶界面GUI是迄今為止計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最為成熟的人機(jī)交互技術(shù)。不同于桌面系統(tǒng)，嵌入式GUI所具備的特點(diǎn)：

*體積?。?運(yùn)行時(shí)耗用的系統(tǒng)資源??；*上層接口與硬件無關(guān)，高度移植；*高度可靠性；

在開發(fā)中，考慮到問題主要集中在圖形用戶界面對(duì)硬件的要求，設(shè)計(jì)中提供給用戶的最終界面是簡單的實(shí)用性。

設(shè)計(jì)中采用挪威TrollTech公司提供的嵌入式開發(fā)平臺(tái)QT/Embedded,做為本設(shè)計(jì)的軟件開發(fā)平臺(tái)。該平臺(tái)以C++語言作為開發(fā)語言，其核心被稱作信號(hào)與槽的機(jī)制。設(shè)計(jì)中，主芯片主要完成把數(shù)據(jù)顯示在液晶模塊上，讓用戶直觀的控制設(shè)備的運(yùn)行狀況。同時(shí)還要把用戶設(shè)定的功率發(fā)送給從芯片，使從芯片輸出功率的波形。利用QT自帶類QLCDNumber可以完成此工作，其中繼承了顯示相關(guān)的許多功能。圖形控件布局采用類QWidget，時(shí)間的計(jì)算顯示采用類QTimer。通訊模塊中采用Linux內(nèi)核函數(shù)cfsetispeed()進(jìn)行波特率的設(shè)定，利用串口重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體struct termios Opt對(duì)串口的校驗(yàn)位，停止位進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定，達(dá)到發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的目的。圖3—1顯示主芯片程序設(shè)計(jì)流程。www.51kaifa.com

從芯片采用中斷方式接收主芯片發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并對(duì)接收過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，在端口引腳輸出波形，波形經(jīng)過輸出電路產(chǎn)生適合大小的功率。同時(shí)從芯片不斷的接收采集模塊采集的電流數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再通過串口發(fā)送給主芯片，顯示在主芯片的液晶模塊上，提供給用戶監(jiān)控，并可以對(duì)危險(xiǎn)信號(hào)進(jìn)行處理。

圖3—1、主芯片程序流程圖

4、控制系統(tǒng)的軟硬聯(lián)調(diào)

將編寫好的主芯片程序應(yīng)用交叉編譯器進(jìn)行編譯，產(chǎn)生二進(jìn)制代碼，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)下載到主電路板中。同時(shí)把程序所關(guān)聯(lián)的庫文件和聯(lián)結(jié)文件通過網(wǎng)絡(luò)下載到主電路板Linux內(nèi)核的對(duì)應(yīng)位置并進(jìn)行相應(yīng)鏈接。

    編寫好的從芯片程序用編譯器編譯生成二進(jìn)制代碼，并燒入芯片的Flash中，以使得代碼固化在芯片中。

    為了檢查設(shè)計(jì)電路測(cè)量和輸出的準(zhǔn)確性，需要驗(yàn)證給定功率、實(shí)際功率、顯示的反饋功率之間的大小關(guān)系。最后實(shí)驗(yàn)顯示：給定功率=計(jì)算實(shí)際功率=顯示的反饋功率，證明設(shè)計(jì)的基于Linux控制系統(tǒng)能準(zhǔn)確的運(yùn)行，設(shè)計(jì)達(dá)到了性能要求。

5、結(jié)語

    設(shè)計(jì)后的控制系統(tǒng)具有友好的圖形操作界面，操作簡便、直觀。設(shè)計(jì)采用主、從二芯片的方案達(dá)到遠(yuǎn)程控制的優(yōu)點(diǎn)，又保障了操作人員操作的安全性。

    基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性高。軟件設(shè)計(jì)中加入對(duì)危險(xiǎn)信號(hào)的處理達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的，運(yùn)行安全、可靠性增強(qiáng)、實(shí)時(shí)性高，將有利于用戶及科研機(jī)構(gòu)的使用。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：

1，  采用嵌入式系統(tǒng)的方法設(shè)計(jì)電源控制系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性的特性。

2，  國內(nèi)對(duì)于多磁控管的設(shè)計(jì)方案較少，本論文提供了一種多磁控管電源控制的設(shè)計(jì)方案。

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