?　 　　引 言

MultiBus-CPU模塊是基于AT91RM9200微控制器的智能化多總線測控模塊。該CPU模塊主要實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)的控制，并建立基于Modbus-RTU總線協(xié)議的總線通信體系結(jié)構(gòu)，讓系統(tǒng)設(shè)備可以無縫接入基于Modbus-RTU模式的總線系統(tǒng)，可靠、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、信號輸出等功能；同時(shí)，提供標(biāo)準(zhǔn)視頻接口用于顯示16位色圖像，提供標(biāo)準(zhǔn)音頻輸入輸出接口用于實(shí)現(xiàn)錄放音功能。該模塊作為嵌入式開發(fā)環(huán)境的核心，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的交互操作和顯示、海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、多串口、多USB口、音頻信號輸入輸出、以太網(wǎng)口等接口；運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，可以快速搭建面向應(yīng)用的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。

1 MultIBus-CPU模塊軟件設(shè)計(jì)方案

為了滿足實(shí)際應(yīng)用對實(shí)時(shí)性的要求，MultiBus-CPU模塊軟件采用了Linux 2.6.21操作系統(tǒng)。其中，Linux 2.6的內(nèi)核任務(wù)可以被搶占，這一特性使得Linux 2.6內(nèi)核適用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)中。驅(qū)動(dòng)程序在Linux環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)，應(yīng)用層采用標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議——Modbus協(xié)議，控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中監(jiān)控。通過一致的Modbus接口，MultiBus-CPU模塊與擴(kuò)展下位機(jī)均可作為對等設(shè)備在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行對話，使得各個(gè)設(shè)備無縫接人到工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中。MNtiBus-CPU模塊支持現(xiàn)階段工業(yè)測控系統(tǒng)中最常用的以太網(wǎng)（UDP）通信及RS485通信協(xié)議。因此，本模塊在與其他功能模塊進(jìn)行通信時(shí)，采用Modbus-RTU數(shù)據(jù)通信方式，利用以太網(wǎng)（UDP）／RS485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，實(shí)現(xiàn)對各功能模塊的集中監(jiān)控。軟件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 MultiBus-CPU模塊硬件設(shè)計(jì)方案

硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。MultiBus-CPU模塊選用Atmel公司的AT91RM9200為主處理器，融合了ARM920T ARM Thumb處理器。其工作于180 MHz時(shí)性能高達(dá)200 MIPS；具備存儲(chǔ)器管理單元，可以運(yùn)行Linux等實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；具備10／100 Base-T型以太網(wǎng)卡接口，只需外擴(kuò)一個(gè)PHY即可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信；具備USB 2.0全速（12 Mb／s）主機(jī)雙端口，可以擴(kuò)展鍵盤、鼠標(biāo)、U盤等標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)。

主處理器AT91RM9200具備5個(gè)串口：1個(gè)DEBUG串口，設(shè)計(jì)為RS232接口，可以直接連接PC的串口進(jìn)行調(diào)試；1個(gè)RS485接口，可以與其他功能模塊的RS485接口組成網(wǎng)絡(luò)；其余3個(gè)串口均設(shè)計(jì)為RS232接口。

通過CPU模塊的外部總線和Epson公司的S1D13506顯示芯片擴(kuò)展了一個(gè)VGA接口，分辨率為640×480，256色。IS41LVl6100為其提供獨(dú)立顯存，容量為1M×16位，支持EDO PAGE模式。

GL850A芯片是一個(gè)低功耗的USB 2.0 HUB控制器，AT91RM9200本身的USB HOST接口通過GL850A芯片擴(kuò)展為4個(gè)USB HOST接口。

DS3231是精度非常高的I2C集成實(shí)時(shí)時(shí)鐘。其精度在0～40℃內(nèi)高達(dá)±2 ppm，在-40～85℃內(nèi)精度可達(dá)±3.5ppm；板載電池，掉電后可以保持時(shí)間；可為系統(tǒng)提供秒、分、小時(shí)、日、日期、月、年等信息，具有自動(dòng)閏年調(diào)整功能。

WM8731是一個(gè)低功耗網(wǎng)絡(luò)音頻編解碼器（CODEC），具有輸出功率放大器和可編程采樣速率設(shè)定功能。WM8731芯片通過I2S接口與CPU連接，為CPU模塊擴(kuò)展了音頻信號的輸入輸出接口，使系統(tǒng)具備音頻采樣功能，音頻信號數(shù)字化后可以通過以太網(wǎng)傳送。

DM9161為10／100M快速以太網(wǎng)物理層單芯片收發(fā)器，H1102為網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器，用于實(shí)現(xiàn)10／100M自適應(yīng)的可靠網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。

MultiBus-CPU模塊通過增加顯示控制芯片及其驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了顯示接口，系統(tǒng)運(yùn)行信息可以直接通過VGA顯示器顯示出來，大大提高了人機(jī)交互的可操作性。

3 顯示模塊硬件設(shè)計(jì)方案

3.1 接口芯片選擇

接口芯片選用Epson公司生產(chǎn)的大規(guī)模顯示控制器S1D13506。它是以SEDl354控制器為基礎(chǔ)發(fā)展起來的具有更多功能的LCD顯示控制器，支持全類型、大規(guī)模的LCD及CRT／TV顯示器。S1D13506內(nèi)置RAMDAC（Random Access Memory Digital-to-Analog Converter，隨機(jī)數(shù)模轉(zhuǎn)換記憶體）硬件X-Y軸轉(zhuǎn)置二維加速器，共有114個(gè)寄存器，可以靈活地設(shè)置各種不同的顯示方式。

3.2 接口硬件設(shè)計(jì)

S1D13506與處理器的接口采用通用類型總線（包括數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線）。接口定義如表1所列。芯片所用像素時(shí)鐘CLK1、CLK2是由同步信號發(fā)生器ICS1523來提供的，外接1M×16位的EDO-DRAM IS41LV16100。

圖3是顯示電路總體連接圖。S1D13506連接到AT9IRM9200的信號有：M／R、AB1～AB20、DB1～DB15、WE0、WE1、RD、RD／WR、CS、RFSET、BUSCLK、WAIT。連接到ICSl523的信號有：CLCKI、CLCK12（用于內(nèi)部顯示及外部媒體接口時(shí)鐘）。連接到IS41LVl6100的信號有：DRAM-WE、DRAM-RAS、LCAS、UCAS、MA0～MA9、MD0～MD15。其中，MD1、MD2、MD4、MD6、MD15需要外接上拉電阻用于S1D13506初始配置。其他控制信號連接到LCD／CRT顯示器。S1D13506芯片有個(gè)測試使能引腳TFSTEN在芯片正常工作時(shí)接地。如果不使用RAMDAC的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，那么IREF引腳必須接地。ICS1523通過I2C串行總線（TWD、TWCK）接受AT91RM9200對它的寄存器配置。本設(shè)計(jì)中，ICS1523的輸入時(shí)鐘是50 MHz，輸出CLK1為25 MHz，CLK2為12.5 MHz。

4 顯示模塊軟件設(shè)計(jì)方案

4.1 Linux下LCD驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)

在Linux內(nèi)核中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的“黑盒子”，可以使某個(gè)特定的硬件響應(yīng)一個(gè)定義良好的內(nèi)部編程接口，同時(shí)完全隱藏了設(shè)備的工作細(xì)節(jié)，用戶操作只需要通過一組標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)用即可完成。把這些調(diào)用映射到設(shè)備特定的操作上，則是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的任務(wù)。而每一個(gè)設(shè)備都可以看作是一個(gè)文件，所以打開的設(shè)備在內(nèi)核中都可以由一個(gè)File結(jié)構(gòu)標(biāo)識(shí)，內(nèi)核使用File_operations結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動(dòng)程序的函數(shù)。每個(gè)文件（設(shè)備）都與它自己的函數(shù)集相關(guān)聯(lián)。這些操作函數(shù)主要負(fù)責(zé)上面所提到的系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)，并因此被命名為open、read、fork、ioctl等。

LCD控制器的功能是顯示驅(qū)動(dòng)信號，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)LCD。用戶只需要通過讀寫一系列的寄存器，就可以配置和顯示驅(qū)動(dòng)。配置LCD控制器時(shí)，最重要的一步是幀緩沖區(qū)（FrameBuffer）的指定。幀緩沖區(qū)為圖像硬件設(shè)備提供了一種抽象化處理，它代表了一些視頻硬件設(shè)備，允許應(yīng)用軟件通過定義明確的界面來訪問圖像硬件設(shè)備。用戶程序只需與幀緩沖驅(qū)動(dòng)程序抽象出來的接口打交道，就可以把要顯示的內(nèi)容從緩沖區(qū)中讀出，從而顯示到屏幕上。

在FrameBuffer驅(qū)動(dòng)程序中，最核心的結(jié)構(gòu)體是幀緩沖區(qū)驅(qū)動(dòng)程序接口，即struct fb_info。它記錄了當(dāng)前FrameBuffer硬件設(shè)備的狀態(tài)，通常在Linux的include／Linux／fb．h中定義。最主要的結(jié)構(gòu)體有：Struct fb_fiX_sereeninfo，定義顯示輸出設(shè)備自身的屬性，如屏幕緩沖區(qū)的物理地址和長度；Struct fb_var_screeninfo，記錄幀緩沖設(shè)備和指定顯示模式的可修改信息，包括顯示屏幕的分辨率、每個(gè)像素的比特?cái)?shù)和一些時(shí)序變量。

若要先設(shè)定幀緩沖區(qū)的物理地址和長度，就要在S1D13506．h里指定，然后在驅(qū)動(dòng)程序里通過對fb_fix_screeninfo賦值來實(shí)現(xiàn)：

定義當(dāng)前顯示輸出狀態(tài)，通過對fb_var_screeninfo結(jié)構(gòu)賦值來實(shí)現(xiàn)：

Linux下驅(qū)動(dòng)程序總是先調(diào)用module_init（），因此LCD初始化通過調(diào)用module_init（sldl3xxxfb_init）來實(shí)現(xiàn)。sldl3xxxfb_init初始化函數(shù)部分代碼如下：

首先對LCD的背光燈進(jìn)行點(diǎn)亮。LCD顯示是一種被動(dòng)的顯示模式，不能發(fā)光，只能依靠控制透射或反射周圍環(huán)境的光來達(dá)到顯示的目的。因此，必須通過寫寄存器用高電平指示對LCD加3.2 V電壓來實(shí)現(xiàn)背光燈的點(diǎn)亮。其函數(shù)的部分代碼如下：

系統(tǒng)采用的彩色LCD最佳分辨率是800×600，但通過前面對結(jié)構(gòu)Struct fb_var_screeninfo的賦值并不能真正設(shè)定其分辨率。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)Struct fb_var_screeninfo的值只是作為一個(gè)顯示記錄來用，必須通過設(shè)定寄存器的值才能達(dá)到需要的分辨率。本系統(tǒng)在S1D13506.h頭文件里用一個(gè)數(shù)組對寄存器的設(shè)置作了一個(gè)預(yù)定義，然后在初始化函數(shù)里利用sldReg和sldValue兩個(gè)實(shí)參寫入，從而設(shè)定了寄存器的值。

數(shù)組里每個(gè)元素的第1個(gè)值代表寄存器的名稱，第2個(gè)值代表要設(shè)定的數(shù)值（1個(gè)十六進(jìn)制的數(shù)）。32h寄存器用于設(shè)定LCD顯示的水平像素?cái)?shù)目，計(jì)算方法是把第2個(gè)值轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制，加1再乘以8就得出水平像素。例如，0x63換算成十進(jìn)制為99，加1乘以8就是800。38h和39h寄存器分別設(shè)置成0x57和Ox02，就可以顯示600的垂直分辨率。計(jì)算方法是以39h寄存器的bitO和bitl位為高位，38h寄存器的bit0～bit7為低位，組成的一個(gè)十六進(jìn)制的數(shù)，再轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制。除了要修改這3個(gè)寄存器外，34h和3Ah這兩個(gè)寄存器也會(huì)對顯示的分辨率有影響。

幀緩沖設(shè)備也屬于字符設(shè)備，要通過“文件層一驅(qū)動(dòng)層”的接口方式來對LCD進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，就必須對File_operationes數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)fh_ops進(jìn)行填充，并實(shí)現(xiàn)其對應(yīng)的成員函數(shù)。本系統(tǒng)在include／Limix／fb．h中定義了幀緩沖區(qū)的文件操作，部分代碼如下：

這個(gè)結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)字段都必須指向驅(qū)動(dòng)程序中實(shí)現(xiàn)特定操作的函數(shù)。對于不支持的操作，對應(yīng)的字段可以被置為NULL，或留到后續(xù)開發(fā)時(shí)再添加。本模塊中實(shí)現(xiàn)特定操作的成員函數(shù)的代碼如下：

接下來把一些調(diào)用的函數(shù)寫完整，編寫好程序后用arm-linux-gcc編譯驅(qū)動(dòng)模塊；然后對其動(dòng)態(tài)加載，或靜態(tài)將其編譯到Linux內(nèi)核；加載完程序后，就可以編寫應(yīng)用程序進(jìn)行讀／寫等操作了。

4.2 MiniGUI的移植

在嵌入式開發(fā)環(huán)境中，獨(dú)立的顯示操作人機(jī)界面是非常必要的。它可以使嵌入式系統(tǒng)對PC系統(tǒng)的依賴性降到最低，可以直接操作嵌入式系統(tǒng)并顯示運(yùn)行結(jié)果。MultiBus-CPU模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的USB鍵盤、USB鼠標(biāo)、VGA顯示器作為人機(jī)交互界面，使用習(xí)慣類同于PC機(jī)，簡易了開發(fā)者的開發(fā)過程，并且用戶的使用過程也變得簡單、快捷、易于操作。

MiniGUI是遵循GPL條款發(fā)布的自由軟件，其目標(biāo)是為基于Linux的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)提供一個(gè)輕量級的圖形用戶界面支持系統(tǒng)。與QT／Embedded、MicoroWindows等其他GUI相比，MiniGUI的最顯著特點(diǎn)就是輕型、占用資源少。據(jù)稱MiniGUI能夠在CPU主頻為30MHz、僅有4 MB RAM的系統(tǒng)上正常運(yùn)行，這是其他多種GUI所無法達(dá)到的。

MiniGUI在AT91RM9200上的移植包括4個(gè)步驟：

①構(gòu)建Linux交叉編譯環(huán)境。通常使用的交叉編譯工具是arm-Linux-gcc2.95.3版本。下載此交叉編譯工具后在Linux內(nèi)安裝好，并且在PATH中添加／usr／local／arm-Linux／bin路徑，交叉編譯環(huán)境就構(gòu)建好了。

②交叉編譯MiniGUI，這是最關(guān)鍵的一步。首先從網(wǎng)上下載MiniGUI源程序包（包括庫文件和資源文件），以及其他支持圖形界面的源程序包；然后用上一步安裝好的交叉編譯工具對其進(jìn)行編譯，編譯時(shí)可指定編譯后庫文件及資源文件的安裝位置。

③拷貝MiniCUI資源到開發(fā)板。將第2步編譯好的庫文件及資源文件拷貝到開發(fā)板上。拷貝之前先用arm-Linux-strip命令清除文件中的調(diào)試信息，這樣就使文件體積大大縮小，可以滿足嵌入式系統(tǒng)的需要。

④板載Linux的MiniGUI環(huán)境配置。將第2步安裝好的MiniGUI配置文件MiniGUI.cfg下載到板子中，并將其中fbcon的defaultmode設(shè)置為合適的顯示模式。

結(jié) 語

本文基于嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)了一種MultiBus-CPU模塊，能夠滿足各種嵌入式開發(fā)環(huán)境的設(shè)計(jì)要求。該模塊軟硬件均采用模塊化設(shè)計(jì)，采用國外廣泛應(yīng)用的ModBus通信協(xié)議，可滿足工業(yè)現(xiàn)場的測控需要。