嵌入式超低功耗過程控制主板的研制與應用

【摘要】本文針對目前的嵌入式系統在性能與價格上的一些不足，推出Freescale公司i.MX233低功耗處理器為核心，采用全新的設計方法研制系統最底層的支撐件，嵌入Windows CE系統，不僅應用在統計過程控制系統中，還可以應用到各行各業，進行各類應用的開發和使用，經案例在線運行分析證實了可靠性和穩定性。

【關鍵詞】嵌入式；工控主板；Windows CE系統；過程控制

1.引言

隨著信息化、智能化、網絡化的發展，嵌入式系統出現了很多新模式、新方法。目前硬件使用較多的有ARM芯片和PC/104主板。ARM芯片具有功耗低、體積小、價格低的優勢，但ARM嵌入式系統開發中涉及到ARM仿真器與ARM編譯器的使用，編譯后的最終程序需要導入芯片中，對于沒有相關開發經驗的工程師，熟悉ARM芯片開發需要一定時間，設計周期也自然會延長很多。此外，ARM芯片規格較為固定，其各種配置不能靈活改動；PC/104主板能很好地與Windows系統兼容，但功耗高、體積大、價格高。

本文是在研究以上嵌入式控制系統技術基礎之上，克服目前嵌入式系統各自的不足[1]，推出的一款基于Freescale公司i.MX233低功耗處理器為核心的多功能控制主板，并通過案例進行了可行性研究分析。

2.系統配置與設計

2.1 處理器采用Freescale公司i.MX233低功耗處理器

它是一個低功耗、高性能的片上系統集成方案，基于454MHZ的ARM926EJ-S內核，采用DDR內存，集成了USB2.0高速（480Mbit）接口和SDIO、UART等常用接口，i.MX233處理器接口豐富，功能強大，支持最大1024x768分辨率，i.MX233是業界第一款集成了包括DC-DC轉換器、PMU電池充電管理單元、立體聲模擬音頻輸出和1.5W功放、電阻式觸摸屏控制器、A/D轉換器等混和模擬部件的SOC，設計精簡實用，極大地降低了成本。

2.2 主板上集成以下硬件或接口

電源、電池接口、CPU、RTC、DDR SDRAM、以太網口、WIFI、USB 2.0、RS232串口、microSD/SD卡座、聲卡、功放、觸摸屏控制器、鍵盤、VGA、LCD接口、背光控制、子板擴展槽等，是一個功能完善、立刻能應用到最終產品的低功耗高性能主板，如圖1所示。它能夠幫助開發人員縮短產品開發周期并降低風險。

2.3 操作系統

操作系統常用的有VxWorks、Linux、Windows。VxWorks因出現較早、實時性強、內核很小、可靠性較高等[2]，但VxWorks因價格很高；Linux是一種免費、開源的操作系統，支持軟件多，可用資源豐富，但是一般開發人員不太熟悉Linux，開發難度較大；WinCE開發都是大家熟悉的VC++環境[3]，方便快速，微軟的強大技術支持，它的開發難度遠低于嵌入式Linux，與WindowXP、Win2000的同族性，保證了原來在PC機上開發的程序可容易移植到嵌入式系統中。該系統是一種緊湊、高效、可伸縮的32位的操作系統，可根據實際需要作功能裁剪，主要面向各種嵌入式系統和產品。它所具有的多線程、多任務、完全搶占式的特點是專為各種有很嚴格資源限制的硬件系統所設計的。它的模塊化設計使嵌入式系統和應用程序開發者能夠方便地加以定制以適應一系列產品，例如：消費類電子設備、專用工業控制器和嵌入式通信設備等的需要[4]。Windows CE最大的好處在于界面的通用性，用戶容易接收；同時，可以將Windows通用操作系統下的應用程序移植到嵌入式應用系統中。

3.系統原理

硬件包括微處理器和各種周邊設備。OEM層是一個硬件抽象層，它提供了硬件和操作系統之間的接口，操作系統要訪問具體的硬件就可以通過OEM層提供的API進行訪問，而不必直接與硬件打交道。操作系統層中有Windows CE的組件，用戶可以根據自己的系統的需要進行定制，選擇需要的組件，去掉不必要的組件，這樣可以減小內存需求，使系統性能達到最佳。應用程序層是用戶為特定的嵌入式系統開發的應用程序。在操作系統層中，設備管理器提供對可安裝設備的支持，允許在系統中安裝諸如PC卡存儲器和調制解調器之類的設備已擴充功能，內核提供最基本的操作系統功能，例如進程調度、內存管理、進程通信等。圖形、窗口事件處理模塊將用戶的擊鍵、鼠標移動和控件選擇轉換為消息，傳送給應用程序和操作系統來處理用戶的輸入。對象存儲、文件系統、數據庫和注冊表提供存儲數據的能力。用戶界面模塊為系統提供一個與PC電腦上的視窗操作系統類似的圖形化操作界面。對系統設計者而言，需要自行開發的是應用程序和直接與硬件有關的部分，包括硬件系統本身、OAL、設備驅動程序，OAL是指建立在硬件設備與系統內核之間的一層代碼，主要任務是為內核管理具體的硬件設備時鐘、中斷和實施電源管理提供支持。設備驅動程序負責支持操作系統對目標硬件的訪問。

4.數據檢查電子化系統應用舉例

圖2所示為數據檢查電子化系統示意圖，管理端以模板的方式定義各部品的檢查內容。包括：檢查項目、規格、公差、尺寸檢查樣本數等，模板以不同的編號進行保存；數據采集儀根據各產品的模板信息進行數據采集及測量，根據AQL表及批次數量自動判斷拔取數及檢查方法，與服務器采用無線方式進行通信傳輸；服務器端實時接收來自于各數據采集儀的數據，存儲各批次檢查的數據，項目超過規格或是批次檢查被拒收時，服務器通過郵件進行報警處理；PC端自動生成檢查臺帳，檢查數據表，并可打印，進行各項SPC分析功能，檢查其它相關的來料匯總報表等。

5.結束語

如今，嵌入式系統技術出現了很多新模式、新方法。該主板具有完善的電池供電設計，超小型的尺寸，創新的Micro-Drive技術，顯示輸出支持3.5英寸到7英寸的多種常用LCD屏，支持640x480到1024x768 VGA輸出，支持電視PAL/NTSC制式視頻輸出，支持Hive based registry，完善的802.11bg WiFi解決方案，接口豐富、擴展性強等特點。這里作一介紹，希望在工業控制，交通管理，信息家電，POS網絡及電子商務，環境工程與自然等方面得到更為廣泛的應用，同時為其它控制器的設計與開發提供可資借鑒的技術依據。

參考文獻

[1]劉棟良，崔立麗.基于MC146818的實時時鐘[J].計算機測量與控制，2002，10（3）：192-193.

[2]李海泉.計算機的電磁干擾研究[J].計算機自動測量與控制，2001，9（6）：1-4.

[3]鞠儒生，王輝，陳燕.VC++中實現基于多線程的串行通訊[J].計算機測量與控制，2002，10（1）：68-70.

[4]陶小平，王貴誠，高云峰，等.速調管走廊抗干擾技術研究[J].核技術，2002，25（2）：99-102.

作者簡介：

周秀君（1974—），男，碩士，副教授，現供職于順德職業技術學院，研究方向：機電控制系統的研究。

范林紅（1973—），男，學士，高級工程師，廣州市太友計算機科技有限公司總經理，主要從事品質質量控制系統研發工作。