基于ARM芯片的嵌入式工控主板

摘要：在工控行業(yè)里，前些年一直是In的天下，但是ARM嵌入式微控制器技術(shù)的出現(xiàn)給現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域帶來(lái)了一次新的技術(shù)革命。嵌入式微控制器組成的系統(tǒng)，其*的優(yōu)勢(shì)就是可嵌入到任何微型或小型儀器設(shè)備中。嵌入式系統(tǒng)在工控領(lǐng)域的應(yīng)用已越來(lái)越受到重視，隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多新模式、新方法，中嵌凌云科技突破傳統(tǒng)觀念，基于ARM嵌入式優(yōu)秀平臺(tái)，推出工業(yè)架構(gòu)嵌入式核心板。

圖（1）是arm芯片
一 嵌入式系統(tǒng)定義與應(yīng)用現(xiàn)狀
對(duì)嵌入式系統(tǒng)的一種定義是"嵌入到對(duì)象體系中的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)"，"嵌入性"、"性"與"計(jì)算機(jī)系統(tǒng)"是嵌入式系統(tǒng)的3個(gè)基本要素。嵌入式系統(tǒng)按形態(tài)可分為設(shè)備級(jí)（工控機(jī)）、板級(jí)（單板、模塊）、芯片級(jí)（MCU、SoC）。從定義中不難看出，當(dāng)前較多使用的單片機(jī)設(shè)計(jì)與工控機(jī)設(shè)計(jì)也是一種典型的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。但是這種早期嵌入式系統(tǒng)在性能與價(jià)格上均存在一些缺陷。
1. 硬件采用單片機(jī)設(shè)計(jì)，軟件采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)
采用這種設(shè)計(jì)方式，硬件成本低，設(shè)備體積小。但由于程序采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，軟件靈活性、可擴(kuò)充性、可移植性較差。同時(shí)，作為處理器核心的單片機(jī)芯片，無(wú)法提供高速率運(yùn)算。隨著工業(yè)控制要求的不斷提高，采用這一設(shè)計(jì)方式，無(wú)論在硬件或軟件上都無(wú)法滿足要求。
2. 硬件采用工控機(jī)、X86機(jī)構(gòu)主板，軟件采用VC++編寫(xiě)
采用工控機(jī)、X86機(jī)構(gòu)主板作為硬件設(shè)備，既能提供處理速度，又適于惡劣的工作環(huán)境，物理穩(wěn)定性好。軟件采用VC++編寫(xiě)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的軟件功能，模塊化、面向?qū)ο蠡脑O(shè)計(jì)保證了軟件系統(tǒng)的靈活性、可擴(kuò)充性與可移植性。這種設(shè)計(jì)能很好地滿足控制系統(tǒng)的要求，但成本過(guò)高，體積過(guò)大，功耗過(guò)大。一般采用工控機(jī)、X86機(jī)構(gòu)主板的硬件成本是采用單片機(jī)成本的10倍以上，而且機(jī)箱設(shè)計(jì)要考慮散熱、防潮等因素，較為笨重、不穩(wěn)定因素繁多。

圖（2）是EMB8600I工控板基于arm芯片開(kāi)發(fā)
二 ARM嵌入式工業(yè)控制主板http://www.gkban。。ｃｏｍ/html/8756231653.html
1. 硬件
（1）ARM芯片
ARM處理器是一種16/32位的高性能、低成本、低功耗的嵌入式RISC微處理器。ARM-cotex A8系列微處理器具有以下特點(diǎn)：5級(jí)整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高；支持32位ARM指令集和16位THUMB指令集；支持32 位AMBA總線接口；全性能的MMU，支持Windows CE、Linux等主流的嵌入式操作系統(tǒng)；支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache，具有更高的數(shù)據(jù)和指令處理指令。
（2）ARM 工業(yè)主板
基于freescale的Cortex-A8的工業(yè)級(jí)處理器，可為工業(yè)控制、人機(jī)界面、儀表儀器等行業(yè)提供強(qiáng)大的智能控制平臺(tái)。AM-i.MX53工業(yè)主板規(guī)格，采用8層PCB板高精度工藝，使其具有*的電氣性能和抗干擾性能，AM-i.MX53集成了常見(jiàn)的嵌入式系統(tǒng)外圍接口，如：10/100Mbps網(wǎng)絡(luò)、串口、TFT-LCD、LVDS、VGA、USB Host/Device、音頻、8x8鍵盤、AD、PMW、PATA/SATA、計(jì)數(shù)器、IDE、SD卡、CAN總線、RTC、看門狗等，ARM嵌入式主板無(wú)論從功能、穩(wěn)定性、功耗、體積、成本上來(lái)衡量，都具有很大的優(yōu)勢(shì)，在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中具有出色的表現(xiàn)。
客戶只需專注應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)而無(wú)須關(guān)注底層驅(qū)動(dòng)程序。
2. 操作系統(tǒng)及開(kāi)發(fā)環(huán)境
目前，嵌入式系統(tǒng)常用的操作系統(tǒng)有Linux2.6、Windows CE 6.0；開(kāi)發(fā)環(huán)境有UC/GUI、Q/T。
（1）Linux
Linux是一種免費(fèi)、開(kāi)源的操作系統(tǒng)，因此其支持軟件多，可用資源豐富。目前將Linux的內(nèi)核移植在其上，可使用更多的Linux功能。無(wú)論是對(duì)于企業(yè)服務(wù)器還是對(duì)于嵌入式系統(tǒng)，Linux 2.6 都是一個(gè)巨大的進(jìn)步。對(duì)的機(jī)器來(lái)說(shuō)，新特性針對(duì)的是性能改進(jìn)、可擴(kuò)展性、吞吐率，以及對(duì) SMP 機(jī)器 NUMA 的支持。對(duì)于嵌入式領(lǐng)域，添加了新的體系結(jié)構(gòu)和處理器類型——包括對(duì)那些沒(méi)有硬件控制的內(nèi)存管理方案的 MMU-less 系統(tǒng)的支持。并且，和往常一樣，為了滿足桌面用戶群的需要，添加了一整套新的音頻和多媒體驅(qū)動(dòng)程序，Linux 內(nèi)核使用了由 Ingo Molnar 開(kāi)發(fā)的新的調(diào)度器算法，稱為O（1）算法，它在高負(fù)載的情況下執(zhí)行得極其出色，并且當(dāng)有很多處理器時(shí)也可以很好地?cái)U(kuò)展；內(nèi)核搶占補(bǔ)丁在2.5系列中就已經(jīng)被打上，接下來(lái)在2.6中也會(huì)打。這將顯著地降低用戶交互式應(yīng)用程序、多媒體應(yīng)用程序等類似應(yīng)用程序的延遲。這一特性對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)特別有用；從虛擬內(nèi)存的角度來(lái)看，新內(nèi)核融合了 Rik van Riel 的 r-map （反向映射，reverse mapping）技術(shù)，將顯著改善虛擬內(nèi)存在一定程度負(fù)載下的性能；更多功能還需您在后續(xù)的工作中切身體會(huì)。
（2）Windows CE
WinCE推出只有幾年時(shí)間，但目前已占據(jù)了很大*。由于WinCE開(kāi)發(fā)都是大家熟悉的VC++環(huán)境，所以對(duì)于一般的開(kāi)發(fā)人員都不會(huì)有多大難度，這也是WinCE容易被人們接受的原因。開(kāi)發(fā)環(huán)境方便快速，微軟的強(qiáng)大，使得WinCE開(kāi)發(fā)難度遠(yuǎn)低于嵌入式Linux。此外，WinCE與WindoP及Win2000的同族性，保證了原來(lái)在PC機(jī)上開(kāi)發(fā)的程序可容易移植到嵌入式系統(tǒng)中。
（3）GUI
常見(jiàn)GUI有QT、UCGUI、MINI/GUI等，
Qt是 Trolltech的zui早也是zui有名的產(chǎn)品，它zui初是作為一個(gè)跨平臺(tái)（Win32、Mac、Unix）的C++GUI庫(kù)開(kāi)發(fā)的，但隨著它的發(fā)展，其中增加 了一系列與GUI無(wú)關(guān)的庫(kù)，如Xml、Socket、Thread等等，現(xiàn)在Qt已經(jīng)成為了一個(gè)通用的C++跨平臺(tái)類庫(kù)，到了4.0版，更是將GUI部分 從核心庫(kù)分離出來(lái)，以利于開(kāi)發(fā)無(wú)GUI的服務(wù)程序；
UCGUI設(shè)計(jì)架構(gòu)是模塊化的，由不同的模塊中的不同層組成，由一個(gè)LCD驅(qū)動(dòng)層來(lái)包含所有對(duì)LCD的具體圖形操作，UCGUI可以在任何的CPU上運(yùn)行，因?yàn)樗?的標(biāo)準(zhǔn)C代碼編寫(xiě)的。
UCGUI能夠適應(yīng)大多數(shù)的使用黑白或彩色LCD的應(yīng)用，它提供非常好的允許處理灰度的顏色管理。還提供一個(gè)可擴(kuò)展的2D圖形庫(kù)及占用極少RAM的窗口管理體系;
MiniGUI做為“嵌入式圖形中間件"軟件產(chǎn)品，是針對(duì)嵌入式設(shè)備，跨操作系統(tǒng)的圖形界面支持系統(tǒng)。通過(guò)十年的努力，MiniGUI已經(jīng)成功應(yīng)用在手持終端、機(jī)頂盒、工控、醫(yī)療及*等行業(yè)。被各 大廠商認(rèn)可并廣泛采用，逐漸成為嵌入式圖形中間件領(lǐng)域的工業(yè)事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，從技術(shù)架構(gòu)上包括幾個(gè)模塊：輸入抽象層（IAL）、輸出抽象層（GAL）、消息模塊、窗口模塊、圖形設(shè)備接口模塊（GDI） 及MiniGUI組件等；
三 新型嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的兩種模式
1. 采用嵌入式ARM工控板+linux操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)
這種開(kāi)發(fā)模式在當(dāng)前非常盛行。ARM工控板功耗低、體積小、*性價(jià)比。linux操作系統(tǒng)是一種開(kāi)放性、免費(fèi)操作系統(tǒng)。ARM工控板+linux操作系統(tǒng)是將性能與價(jià)格極優(yōu)配置的一種開(kāi)發(fā)模式。
但這種開(kāi)發(fā)模式也有其缺點(diǎn)。首先，對(duì)于沒(méi)有相關(guān)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員，熟悉ARM芯片與linux操作系統(tǒng)需要時(shí)間花費(fèi)，研發(fā)周期與研發(fā)費(fèi)用值得考慮。第二，如果原來(lái)已采用工控機(jī)方式開(kāi)發(fā)VC++的 應(yīng)用程序，將它移植到linux操作系統(tǒng)工作量大。因此，這種開(kāi)發(fā)模式適于做全新開(kāi)發(fā)時(shí)采用。
2. 采用ARM工控板+WinCE操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)
這是極便捷的開(kāi)發(fā)模式，軟件設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單。由于采用WinCE操作系統(tǒng)，軟件的開(kāi)發(fā)與一般PC機(jī)上的開(kāi)發(fā)*相同。如果原系統(tǒng)采用工控機(jī)設(shè)計(jì)已有成熟可用的軟件程序，只需將該程序安裝在WinCE操 作系統(tǒng)下即可。這種模式對(duì)于舊系統(tǒng)的升級(jí)更新非常適用，避免了重復(fù)勞動(dòng)，也節(jié)約了研發(fā)成本縮短了開(kāi)發(fā)周期。而且，WinCE操作系統(tǒng)的價(jià)格非常低。與Windows2000/WindowsXP操作系統(tǒng)的購(gòu)買成本比較，幾乎可忽略不計(jì)。
從研發(fā)角度，ARM工控板+WinCE操作系統(tǒng)模式無(wú)疑是的選擇。從生產(chǎn)角度，X86架構(gòu)主板在價(jià)格上不及ARM芯片有競(jìng)爭(zhēng)力，非常適于舊系統(tǒng)的升級(jí)換代。

圖（3）是采用嵌入式工控板開(kāi)發(fā)的工控機(jī)
四 結(jié)束語(yǔ)
我公司生產(chǎn)的工控板EMB8600I采用ARM芯片+linux操作系統(tǒng)模式，無(wú)疑在工控各個(gè)領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景，平望科技將展現(xiàn)自己的全部技術(shù)實(shí)力，提供的工控板、zui完善的技術(shù)服務(wù)來(lái)滿足客戶的需要，您的需要就是我們的動(dòng)力，我們將與您攜手，共同發(fā)展！