摘要：為擴展工業(yè)控制領域的核心功能并豐富其接口操作，本文提出一種基于AT91RlM9200微控制器的智能化多總線測控模塊的設計方法以及系統(tǒng)的構建架構，并給出顯示接口的軟、硬件解決方案。該模塊利用嵌入式系統(tǒng)解決了顯示接口實現(xiàn)困難的問題，具有較好的實際應用前景。
關鍵詞：嵌入式技術；MultiBus—CPU模塊；顯示接口

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模塊主要實現(xiàn)對下位機的控制，并建立基于Modbus—RTU總線協(xié)議的總線通信體系結構，讓系統(tǒng)設備可以無縫接入基于Modbus—RTU模式的總線系統(tǒng)，可靠、實時、準確地實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、信號輸出等功能；同時，提供標準視頻接口用于顯示16位色圖像，提供標準音頻輸入輸出接口用于實現(xiàn)錄放音功能。該模塊作為嵌入式開發(fā)環(huán)境的核心，可實現(xiàn)人機界面的交互操作和顯示、海量數(shù)據(jù)的存儲、多串口、多USB口、音頻信號輸入輸出、以太網口等接口；運行Linux操作系統(tǒng)，可以快速搭建面向應用的嵌入式應用系統(tǒng)。

1 MultiBus—CPU模塊軟件設計方案
    為了滿足實際應用對實時性的要求，MultiBus—CPU模塊軟件采用了Linux2．6．21操作系統(tǒng)。其中，Linux2．6的內核任務可以被搶占，這一特性使得Linux2．6內核適用于實時系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)中。驅動程序在Linux環(huán)境下進行開發(fā)，應用層采用標準的通信協(xié)議——Modbus協(xié)議，控制設備可以連成工業(yè)網絡進行集中監(jiān)控。通過一致的Modbus接口，MultiBus—CPU模塊與擴展下位機均可作為對等設備在工業(yè)網絡中進行對話，使得各個設備無縫接入到工業(yè)控制網絡中。MultiBus—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(UDP)通信及RS485通信協(xié)議。因此，本模塊在與其他功能模塊進行通信時，采用Modbus—RTU數(shù)據(jù)通信方式，利用以太網(UDP)／RS485總線進行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，實現(xiàn)對各功能模塊的集中監(jiān)控。軟件總體結構如圖l所示。

2 MulitiBus—CPU模塊硬件設計方案
    硬件設計原理圖如圖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時性能高達200 MIPS；具備存儲器管理單元，可以運行Linux等實時操作系統(tǒng)；具備10／100 Base—T型以太網卡接口，只需外擴一個PHY即可實現(xiàn)以太網通信；具備USB 2．O全速(12 Mb／s)主機雙端口，可以擴展鍵盤、鼠標、U盤等標準外設。

    主處理器AT91RM9200具備5個串口：1個DEBUG串口，設計為RS232接口，可以直接連接PC的串口進行調試；1個RS485接口，可以與其他功能模塊的RS485接口組成網絡；其余3個串口均設計為RS232接口。
    通過CPU模塊的外部總線和Epson公司的S1D13506顯示芯片擴展了一個VGA接口，分辨率為640×480，256色。IS41LVl6100為其提供獨立顯存，容量為1M×16位，支持EDO PAGE模式。
    GL850A芯片是一個低功耗的USB 2．0 HUB控制器，AT91RM9200本身的USB HOST接口通過GL850A芯片擴展為4個USB HOST接口。
DS3231是精度非常高的I2C集成實時時鐘。其精度在0～40℃內高達±2 ppm，在-40～85℃內精度可達±3．5ppm；板載電池，掉電后可以保持時間；可為系統(tǒng)提供秒、分、小時、日、日期、月、年等信息，具有自動閏年調整功能。
    WM8731是一個低功耗網絡音頻編解碼器(CO-DEC)，具有輸出功率放大器和可編程采樣速率設定功能。WM8731芯片通過I2S接口與CPU連接，為CPU模塊擴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傳送。
    DM9161為10／100M快速以太網物理層單芯片收發(fā)器，H1102為網絡隔離變壓器，用于實現(xiàn)10／100M自適應的可靠網絡傳輸功能。
    MultiBus—CPU模塊通過增加顯示控制芯片及其驅動實現(xiàn)了顯示接口，系統(tǒng)運行信息可以直接通過VGA顯示器顯示出來，大大提高了人機交互的可操作性。

3 顯示模塊硬件設計方案
3．1 接口芯片選擇
    接口芯片選用Epson公司生產的大規(guī)模顯示控制器S1D13506。它是以SEDl354控制器為基礎發(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內置RAMDAC(Random Access Memory Digital-to-Analog Converter，隨機數(shù)模轉換記憶體)硬件X-Y軸轉置二維加速器，共有114個寄存器，可以靈活地設置各種不同的顯示方式。
3．2 接口硬件設計
    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。芯片所用像素時鐘CLKl、CLK2是由同步信號發(fā)生器ICSl523來提供的，外接1M×16位的EDO-DRAM IS41LVl6100。

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    圖3是顯示電路總體連接圖。S1D13506連接到AT9IRM9200的信號有：
、ABl～AB20、DBl～DBl5、。連接到ICSl523的信號有：CLCKI、CLCKl2(用于內部顯示及外部媒體接口時鐘)。連接到IS41LVl6100的信號有：DRAM-WE、DRAM-RAS、LCAS、UCAS、MA0～MA9、MD0～MDl5。其中，MDl、MD2、MD4、MD6、MDl5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芯片有個測試使能引腳TESTEN在芯片正常工作時接地。如果不使用RAMDAC的數(shù)模轉換功能，那么IREF引腳必須接地。ICSl523通過I2C串行總線(TWD、TWCK)接受AT91RM9200對它的寄存器配置。本設計中，ICSl523的輸入時鐘是50 MHz，輸出CLKl為25 MHz，CLK2為12．5 MHz．

4 顯示模塊軟件設計方案
4．1 Linux下LOD驅動程序開發(fā)
    在Linux內核中，設備驅動程序是一個個獨立的“黑盒子”，可以使某個特定的硬件響應一個定義良好的內部編程接口，同時完全隱藏了設備的工作細節(jié)，用戶操作只需要通過一組標準化的調用即可完成。把這些調用映射到設備特定的操作上，則是設備驅動程序的任務。而每一個設備都可以看作是一個文件，所以打開的設備在內核中都可以由一個File結構標識，內核使用File_operations結構訪問驅動程序的函數(shù)。每個文件(設備)都與它自己的函數(shù)集相關聯(lián)。這些操作函數(shù)主要負責上面所提到的系統(tǒng)調用的實現(xiàn)，并因此被命名為open、read、for-k，ioctl等。
    LCD控制器的功能是顯示驅動信號，進而驅動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動。配置LCD控制器時，最重要的一步是幀緩沖區(qū)(FrameBuffer)的指定。幀緩沖區(qū)為圖像硬件設備提供了一種抽象化處理，它代表了一些視頻硬件設備，允許應用軟件通過定義明確的界面來訪問圖像硬件設備。用戶程序只需與幀緩沖驅動程序抽象出來的接口打交道，就可以把要顯示的內容從緩沖區(qū)中讀出，從而顯示到屏幕上。
    在FrameBuffer驅動程序中，最核心的結構體是幀緩沖區(qū)驅動程序接口，即struct fb_info。它記錄了當前FrameBtlffer硬件設備的狀態(tài)，通常在Linux的inctLtde／Linux／fb．h中定義。最主要的結構體有：Struct fb_fiX_screeninfo，定義顯示輸出設備自身的屬性，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、每個像素的比特數(shù)和一些時序變量。
    若要先設定幀緩沖區(qū)的物理地址和長度，就要在SlDl3506．h里指定，然后在驅動程序里通過對fb_fiX_screeninf0賦值來實現(xiàn)：
    
    
    首先對LCD的背光燈進行點亮。LCD顯示是一種被動的顯示模式，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電壓來實現(xiàn)背光燈的點亮。其函數(shù)的部分代碼如下：
    
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    數(shù)組里每個元素的第1個值代表寄存器的名稱，第2個值代表要設定的數(shù)值(1個十六進制的數(shù))。32h寄存器用于設定LCD顯示的水平像素數(shù)目，計算方法是把第2個值轉換成十進制，加1再乘以8就得出水平像素。例如，0x63換算成十進制為99，加1乘以8就是800。38h和39h寄存器分別設置成0x57和0x02，就可以顯示600的垂直分辨率。計算方法是以39h寄存器的bitO和bitl位為高位，38h寄存器的bitO～bit7為低位，組成的一個十六進制的數(shù)，再轉換成十進制。除了要修改這3個寄存器外，34h和3Ah這兩個寄存器也會對顯示的分辨率有影響。
    幀緩沖設備也屬于字符設備，要通過“文件層-驅動層”的接口方式來對LCD進行驅動，就必須對File operationes數(shù)據(jù)結構的參數(shù)fb_ops進行填充，并實現(xiàn)其對應的成員函數(shù)。本系統(tǒng)在include／Linux／fb．h中定義了幀緩沖區(qū)的文件操作，部分代碼如下：
   
    這個結構中的每一個字段都必須指向驅動程序中實現(xiàn)特定操作的函數(shù)。對于不支持的操作，對應的字段可以被置為NULL，或留到后續(xù)開發(fā)時再添加。本模塊中實現(xiàn)特定操作的成員函數(shù)的代碼如下：

    
    接下來把一些調用的函數(shù)寫完整，編寫好程序后用arm-linux-gcc編譯驅動模塊；然后對其動態(tài)加載，或靜態(tài)將其編譯到Linux內核；加載完程序后，就可以編寫應用程序進行讀／寫等操作了。
4．2 MinilGUI的移植
    在嵌入式開發(fā)環(huán)境中，獨立的顯示操作人機界面是非常必要的。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)并顯示運行結果。MultiBus-CPU模塊采用標準的USB鍵盤、USB鼠標、VGA顯示器作為人機交互界面，使用習慣類同于PC機，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，其目標是為基于Linux的實時嵌入式系統(tǒng)提供一個輕量級的圖形用戶界面支持系統(tǒng)。與QT／Em-bedded、MicoroWindows等其他GUI相比，MiniGUI的最顯著特點就是輕型、占用資源少。據(jù)稱MiniGUI能夠在CPU主頻為30 MHz、僅有4 MB RAM的系統(tǒng)上正常運行，這是其他多種GUI所無法達到的。
    MiniGUI在AT91RlM9200上的移植包括4個步驟：
    ①構建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內安裝好，并且在PATH中添加／usr／loeal／arm-Linux／bin路徑，交叉編譯環(huán)境就構建好了。
    ②交叉編譯MiniGUI，這是最關鍵的一步。首先從網上下載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行編譯，編譯時可指定編譯后庫文件及資源文件的安裝位置。
    ③拷貝MiniGUI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設置為合適的顯示模式。

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