基于ARM9的機器人項目驅動嵌入式系統平臺設計

陸建勝

摘 要：隨著嵌入式技術的發展，嵌入式系統將更廣泛地應用于人類生活的方方面面。本文主要詳細介紹了機器人項目驅動的嵌入式系統軟硬件設計方案。項目開發程序是運行在硬件評估板和機器人小車上，既可用于軟硬件協同驗證也可以用于完成特定的項目。使學生和開發人員可以通過實驗程序很快的了解ARM9的各硬件模塊的編程。

關鍵詞：嵌入式系統 ARM9 設計方案 項目驅動

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（c）-0017-03

隨著信息化技術的發展，嵌入式系統已經成為當前IT產業界一個非常熱門的話題。因其高可靠性、低成本、高效、豐富的代碼以及應用程序可擴展性、可移植性等一系列優點，目前已越來越成為工業系統和民用系統的主力軍，尤其在信息化產品中，越來越多地應用到嵌入式系統的概念。

嵌入式系統主要由嵌入式處理器、相關支撐硬件和嵌入式軟件系統組成，它是集軟硬件于一體的可獨立工作的“器件”。嵌入式處理器主要由一個單片機或微控制器（MCU）組成。相關支撐硬件包括顯示卡、存儲介質（ROM和RAM等）、通訊設備、IC卡或信用卡的讀取設備等。嵌入式系統有別于一般的計算機處理系統，它不具備像硬盤那樣大容量的存儲介質，而大多使用閃存作為存儲介質。嵌入式軟件包括與硬件相關的底層軟件、操作系統、圖形界面、通訊協議、數據庫系統、標準化瀏覽器和應用軟件等。

總體看來，嵌入式系統具有便利靈活、性能價格比高、嵌入性強等特點，可以嵌入到現有任何信息家電和工業控制系統中。從軟件角度來看，嵌入式系統具有不可修改性、系統所需配置要求較低、系統專業性和實時性較強等特點。

1 嵌入式系統開發

1.1 嵌入式系統的開發模型

由嵌入式系統的組成可以看出，一個完整的嵌入式系統的開發一般分以下幾個步驟：

（1）硬件平臺的設計。

（2）BSP的開發和調試。

（3）嵌入式操作系統的裁剪。

（4）嵌入式操作系統內核的配置和編譯。

（5）文件系統的建立。

（6）文件系統的建立。

（7）系統下載和脫機運行。

1.2 嵌入式系統的開發流程

嵌入式系統的開發通常采用“宿主機/目標機”方式。首先，利用宿主機上豐富的資源及良好的開發環境開發和仿真調試目標機上的軟件。然后通過串行口或網絡將交叉編譯生成的目標代碼傳輸并裝載到目標機上，并用交叉調試器在監控程序或實時內核/操作系統的支持下進行實時分析和調度。最后，目標機在特定的環境下運行。嵌入式系統開發流程圖如圖1所示。

2 機器人項目驅動的嵌入式平臺

2.1 平臺概述

最近幾年，在我國大學，機器人作為機械電子學、計算機技術、人工智能等的典型載體被廣泛地用來作為工科本科生的講授課程之一；在中學，模型機器人則逐漸成為素質教育，技能實踐的選題之一，各種機器人比賽正蓬勃發展。

機器人技術大踏步向前發展，由于成本、功耗、功能的不斷擴展、運行環境的不可預知性等因素起了極大的負面影響，制約了機器人技術的發展。基于嵌入式系統的機器人控制器以其功耗低、體積小、集成度高、可靠性強等無可比擬的優勢，為機器人技術的發展提供了廣闊的前景。本設計平臺以S3C2440A ARM9應用處理器為核心，開發和設計一款開放式的機器人控制系統，它包括機器人主控系統、機器人傳感器系統、機器人執行系統、上層編程軟件系統，其工作過程如圖2所示。機器人上層編程軟件系統編寫機器人的應用控制程序，通過仿真器、UART 或USB 把應用程序下載到機器人主控系統中，根據機器人傳感器系統采集的數據對機器人執行系統進行控制，從而實現機器人的執行功能。

2.2 機器人主控器系統

機器人主控器系統是機器人控制系統的核心，它有硬件系統和軟件系統兩部分組成。

（1）硬件系統。

機器人主控系統硬件包括：微處理器、存儲器（FLASH存儲器和SRAM存儲器）、鍵盤電路、LCD液晶顯示電路、I/O驅動電路、電源供電電路等。硬件電路框圖如圖3所示。

（2）軟件系統。

機器人主控系統軟件包括：系統啟動程序、各模塊硬件設備驅動程序、實時操作系統（Real Time Operating System，RTOS）等。

2.3 機器人傳感器系統

機器人傳感器系統起到了環境數據采集及處理的作用，它把處理的數據傳給機器人控器系統。它有模擬量傳感器系統和數字量傳感器系統組成。

（1）模擬量傳感器系統。

模擬量傳感器系統包括：紅外測距、灰度、接近開關、溫度傳感器等。

（2）數字量傳感器系統。

數字量傳感器系統包括：模擬量傳感器擴展模塊、電子羅盤、光電傳感器擴展模塊等。其組成包括：MCU、模擬量傳感器、I2C通訊接口等，實現數據采集、數據處理和數據傳輸的功能。

2.4 機器人執行系統

機器人的所有動作均由起執行系統完成，對于小型機器人來說，它的執行系統一般由直流電機驅動機械傳動機構來完成動作。本平臺主要設計輪式機器人的執行系統，完成前進、后退、左轉彎、右轉彎等基本功能。

機器人本體設計包括傳感器的位置安裝、著地點的位置、重心位置等的設計；電機選擇控制精度較高的步進電機；輪子驅動采用四輪驅動的方式。

3 硬件設計方案

根據上述描述，Microbot2440的硬件設計方案如圖4所示。主要由5個部分組成：主控器、電源子系統、執行子系統、傳感子系統和通信子系統。其中通信子系統用于連接外圍通信模塊，如Zigbee短距離通信模塊等。endprint

其中CPU采用的是Samsung公司的S3C2440A型ARM9處理器。這款處理器為手持設備和一般類型應用提供了低價格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。為了降低整體系統成本，S3C2440A提供了一下豐富的內部設備，采用了ARM920T的內核，0.13um的CMOS標準宏單元和存儲器單元。其低功耗，簡單，優雅，且全靜態設計特別適合于對成本和功率敏感型的應用。它采用了新的總線架構Advanced Micro controller Bus Architecture （AMBA）。

S3C2440A的杰出的特點是其核心處理器（CPU），是一個由Advanced RISC Machines有限公司設計的16/32位ARM920T 的RISC處理器。ARM920T實現了MMU， AMBA BUS和Harvard高速緩沖體系結構構。這一結構具有獨立的16KB指令Cache 和16KB數據Cache。每個都是由具有8字長的行組成。通過提供一套完整的通用系統外設，S3C2440A減少整體系統成本和無需配置額外的組件。

4 軟件設計方案

軟件設計主要由三部分構成：交叉開發工具、板載軟件和項目開發程序。交叉開發工具為PC機軟件，用戶通過ARM Developer Suite（ADS）集成開發平臺在PC機上進行嵌入式軟件的開發，然后通過JTAG編程器寫入到硬件評估板中運行。板載軟件即固化在評估板的Flash存儲器中的程序，包括Bootloader和Linux，有了操作系統，開發人員不需要了解硬件就可以編寫應用程序。項目開發程序是運行在硬件評估板和機器人小車上，即可用于軟硬件協同驗證也可以用于完成特定的項目。學生和開發人員可以通過實驗程序很快的了解ARM9的各硬件模塊的編程。

4.1 交叉開發工具

交叉開發工具是提供給用戶在PC機上開發ARM9嵌入式軟件的工具，Microbot 2440教學實驗平臺為用戶提供了ARM Developer Suite（ADS）集成開發平臺和JTAG編程器，可以幫助開發者進行高效的軟件開發。

（1）ARM Developer Suite（ADS）集成開發平臺。

基于ARM的集成軟件開發平臺ARM Developer Suite（ADS）集成開發平臺）對于工程研發人員來說是一個功能強大的開發工具。在EWARM環境下可以使用C/C++和匯編語言方便地開發嵌入式應用程序。比較其他的ARM開發環境，ADS集成開發平臺具有入門容易、使用方便和代碼緊湊等特點。其主要功能包括：

①可編譯生成ARM平臺的機器碼。

②工程管理功能。

③代碼編輯功能。

④對目標硬件編程功能。

圖5為ARM Developer Suite（ADS）的模塊圖。以工程管理模塊為核心，負責管理一個用戶工程的源文件、工程設置等信息，同時根據IDE圖形界面的菜單、工具欄、熱鍵事件來進行相應的操作，例如編譯工程、下載、信息輸出、文件操作等。

（2）JTAG編程器。

Microbot2440教學實驗平臺使用的S3C2440也遵循了IEEE 1149.1，在其芯片中設計了測試訪問接口和邊界掃描鏈。利用這一特點，設計了JTAG編程器，它可以用于對評估板上Flash存儲器進行編程。編程器由軟硬件兩部分構成：PC機高端軟件和JTAG編程線。JTAG編程線可以使PC機通過并行口來連接S3C2440A的TAP信號線，達到直接控制處理器的邊界掃描鏈，進而控制外部總線來對Flash存儲器編程。

4.2 板載軟件

（1）引導程序。

引導程序是固化在Flash中，在CPU上電啟動時首先執行的程序，它負責進行系統初始化的工作，還可以用來引導其它的程序。Microbot2440教學實驗平臺提供了兩個引導程序：bootFlash和U-Boot。前者負責從Flash上電啟動后初始化系統，后者是一個二級引導程序，由bootFlash引導，它可以進而實現對Flash編程、通過以太網下載程序、引導Linux等功能。

（2）ARM Linux 2.4.27.

ARM Linux 2.4.27是標準Linux內核的ARM平臺版，Microbot2440平臺在提供給用戶之前已經將其固化在評估板的Flash存儲器中。開發者和學習者可以通過它熟悉嵌入式Linux編程，不需要有很高的硬件知識。開發人員只需要在操作系統和驅動程序之上開發應用軟件，不需要了解底層硬件的機制。

5 結語

后PC時代是一個真實的階段，而且是一個可以預測的時代。嵌入式系統就是與這一時代緊密相關的產物，它將拉近人與計算機的距離，形成一個人機和諧的工作與生活環境。從某一個角度來看，嵌入式系統可應用于人類工作與生活的各個領域，具有極其廣闊的應用前景。嵌入式系統在傳統的工業控制和商業管理領域已經具有廣泛的應用空間，如智能工控設備、POS/ATM機、IC卡等；在家庭領域更具有廣泛的應用潛力，如機頂盒、數字電視、WebTV、網絡冰箱、網絡空調等眾多消費類和醫療保健類電子設備等；此外還有在多媒體手機、袖珍電腦、掌上電腦、車載導航器等方面應用，將極大地推動嵌入式技術深入到生活和工作的方方面面。它在娛樂、軍事方面的應用潛力也是巨大的，而且是有目共睹的。面對全球嵌入式系統工業化的潮流，適應我國加速知識創新和建立面向21世紀知識經濟的需要，必須加強高等院校嵌入式系統的教學，培養高層次、實用型、復合型、國際化的嵌入式系統應用人才，使我國嵌入式系統應用水平獲得跨越式發展。

參考文獻

[1] 李善平，劉文峰，王煥龍，等.Linux與嵌入式系統[M].清華大學出版社，2002：133-135，146-153.

[2] 呂京建，肖海橋.ICI向二十一世紀的嵌入式系統綜述[EB/OL].http：//www.bol-system.com/.

[3] 常薇，張明武.硬件與電子技術課程網上虛擬實驗教學模式研究[J].中山大學學報論叢，2005（3）：80-82.

[4] 王仁之，王雷，等.單片機應用系統抗干擾技術[M].北京：北京航空航天大學出版社.

[5] 慕春棣，主編.嵌入式系統的構建[M].清華大學出版社，2004.

[6] 陳莉君.深入分析Linux內核源代碼[M].人民郵電出版社，2002.endprint

其中CPU采用的是Samsung公司的S3C2440A型ARM9處理器。這款處理器為手持設備和一般類型應用提供了低價格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。為了降低整體系統成本，S3C2440A提供了一下豐富的內部設備，采用了ARM920T的內核，0.13um的CMOS標準宏單元和存儲器單元。其低功耗，簡單，優雅，且全靜態設計特別適合于對成本和功率敏感型的應用。它采用了新的總線架構Advanced Micro controller Bus Architecture （AMBA）。

S3C2440A的杰出的特點是其核心處理器（CPU），是一個由Advanced RISC Machines有限公司設計的16/32位ARM920T 的RISC處理器。ARM920T實現了MMU， AMBA BUS和Harvard高速緩沖體系結構構。這一結構具有獨立的16KB指令Cache 和16KB數據Cache。每個都是由具有8字長的行組成。通過提供一套完整的通用系統外設，S3C2440A減少整體系統成本和無需配置額外的組件。

4 軟件設計方案

軟件設計主要由三部分構成：交叉開發工具、板載軟件和項目開發程序。交叉開發工具為PC機軟件，用戶通過ARM Developer Suite（ADS）集成開發平臺在PC機上進行嵌入式軟件的開發，然后通過JTAG編程器寫入到硬件評估板中運行。板載軟件即固化在評估板的Flash存儲器中的程序，包括Bootloader和Linux，有了操作系統，開發人員不需要了解硬件就可以編寫應用程序。項目開發程序是運行在硬件評估板和機器人小車上，即可用于軟硬件協同驗證也可以用于完成特定的項目。學生和開發人員可以通過實驗程序很快的了解ARM9的各硬件模塊的編程。

4.1 交叉開發工具

交叉開發工具是提供給用戶在PC機上開發ARM9嵌入式軟件的工具，Microbot 2440教學實驗平臺為用戶提供了ARM Developer Suite（ADS）集成開發平臺和JTAG編程器，可以幫助開發者進行高效的軟件開發。

（1）ARM Developer Suite（ADS）集成開發平臺。

基于ARM的集成軟件開發平臺ARM Developer Suite（ADS）集成開發平臺）對于工程研發人員來說是一個功能強大的開發工具。在EWARM環境下可以使用C/C++和匯編語言方便地開發嵌入式應用程序。比較其他的ARM開發環境，ADS集成開發平臺具有入門容易、使用方便和代碼緊湊等特點。其主要功能包括：

①可編譯生成ARM平臺的機器碼。

②工程管理功能。

③代碼編輯功能。

④對目標硬件編程功能。

圖5為ARM Developer Suite（ADS）的模塊圖。以工程管理模塊為核心，負責管理一個用戶工程的源文件、工程設置等信息，同時根據IDE圖形界面的菜單、工具欄、熱鍵事件來進行相應的操作，例如編譯工程、下載、信息輸出、文件操作等。

（2）JTAG編程器。

Microbot2440教學實驗平臺使用的S3C2440也遵循了IEEE 1149.1，在其芯片中設計了測試訪問接口和邊界掃描鏈。利用這一特點，設計了JTAG編程器，它可以用于對評估板上Flash存儲器進行編程。編程器由軟硬件兩部分構成：PC機高端軟件和JTAG編程線。JTAG編程線可以使PC機通過并行口來連接S3C2440A的TAP信號線，達到直接控制處理器的邊界掃描鏈，進而控制外部總線來對Flash存儲器編程。

4.2 板載軟件

（1）引導程序。

引導程序是固化在Flash中，在CPU上電啟動時首先執行的程序，它負責進行系統初始化的工作，還可以用來引導其它的程序。Microbot2440教學實驗平臺提供了兩個引導程序：bootFlash和U-Boot。前者負責從Flash上電啟動后初始化系統，后者是一個二級引導程序，由bootFlash引導，它可以進而實現對Flash編程、通過以太網下載程序、引導Linux等功能。

（2）ARM Linux 2.4.27.

ARM Linux 2.4.27是標準Linux內核的ARM平臺版，Microbot2440平臺在提供給用戶之前已經將其固化在評估板的Flash存儲器中。開發者和學習者可以通過它熟悉嵌入式Linux編程，不需要有很高的硬件知識。開發人員只需要在操作系統和驅動程序之上開發應用軟件，不需要了解底層硬件的機制。

5 結語

后PC時代是一個真實的階段，而且是一個可以預測的時代。嵌入式系統就是與這一時代緊密相關的產物，它將拉近人與計算機的距離，形成一個人機和諧的工作與生活環境。從某一個角度來看，嵌入式系統可應用于人類工作與生活的各個領域，具有極其廣闊的應用前景。嵌入式系統在傳統的工業控制和商業管理領域已經具有廣泛的應用空間，如智能工控設備、POS/ATM機、IC卡等；在家庭領域更具有廣泛的應用潛力，如機頂盒、數字電視、WebTV、網絡冰箱、網絡空調等眾多消費類和醫療保健類電子設備等；此外還有在多媒體手機、袖珍電腦、掌上電腦、車載導航器等方面應用，將極大地推動嵌入式技術深入到生活和工作的方方面面。它在娛樂、軍事方面的應用潛力也是巨大的，而且是有目共睹的。面對全球嵌入式系統工業化的潮流，適應我國加速知識創新和建立面向21世紀知識經濟的需要，必須加強高等院校嵌入式系統的教學，培養高層次、實用型、復合型、國際化的嵌入式系統應用人才，使我國嵌入式系統應用水平獲得跨越式發展。

參考文獻

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[5] 慕春棣，主編.嵌入式系統的構建[M].清華大學出版社，2004.

[6] 陳莉君.深入分析Linux內核源代碼[M].人民郵電出版社，2002.endprint

其中CPU采用的是Samsung公司的S3C2440A型ARM9處理器。這款處理器為手持設備和一般類型應用提供了低價格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。為了降低整體系統成本，S3C2440A提供了一下豐富的內部設備，采用了ARM920T的內核，0.13um的CMOS標準宏單元和存儲器單元。其低功耗，簡單，優雅，且全靜態設計特別適合于對成本和功率敏感型的應用。它采用了新的總線架構Advanced Micro controller Bus Architecture （AMBA）。

S3C2440A的杰出的特點是其核心處理器（CPU），是一個由Advanced RISC Machines有限公司設計的16/32位ARM920T 的RISC處理器。ARM920T實現了MMU， AMBA BUS和Harvard高速緩沖體系結構構。這一結構具有獨立的16KB指令Cache 和16KB數據Cache。每個都是由具有8字長的行組成。通過提供一套完整的通用系統外設，S3C2440A減少整體系統成本和無需配置額外的組件。

4 軟件設計方案

軟件設計主要由三部分構成：交叉開發工具、板載軟件和項目開發程序。交叉開發工具為PC機軟件，用戶通過ARM Developer Suite（ADS）集成開發平臺在PC機上進行嵌入式軟件的開發，然后通過JTAG編程器寫入到硬件評估板中運行。板載軟件即固化在評估板的Flash存儲器中的程序，包括Bootloader和Linux，有了操作系統，開發人員不需要了解硬件就可以編寫應用程序。項目開發程序是運行在硬件評估板和機器人小車上，即可用于軟硬件協同驗證也可以用于完成特定的項目。學生和開發人員可以通過實驗程序很快的了解ARM9的各硬件模塊的編程。

4.1 交叉開發工具

交叉開發工具是提供給用戶在PC機上開發ARM9嵌入式軟件的工具，Microbot 2440教學實驗平臺為用戶提供了ARM Developer Suite（ADS）集成開發平臺和JTAG編程器，可以幫助開發者進行高效的軟件開發。

（1）ARM Developer Suite（ADS）集成開發平臺。

基于ARM的集成軟件開發平臺ARM Developer Suite（ADS）集成開發平臺）對于工程研發人員來說是一個功能強大的開發工具。在EWARM環境下可以使用C/C++和匯編語言方便地開發嵌入式應用程序。比較其他的ARM開發環境，ADS集成開發平臺具有入門容易、使用方便和代碼緊湊等特點。其主要功能包括：

①可編譯生成ARM平臺的機器碼。

②工程管理功能。

③代碼編輯功能。

④對目標硬件編程功能。

圖5為ARM Developer Suite（ADS）的模塊圖。以工程管理模塊為核心，負責管理一個用戶工程的源文件、工程設置等信息，同時根據IDE圖形界面的菜單、工具欄、熱鍵事件來進行相應的操作，例如編譯工程、下載、信息輸出、文件操作等。

（2）JTAG編程器。

Microbot2440教學實驗平臺使用的S3C2440也遵循了IEEE 1149.1，在其芯片中設計了測試訪問接口和邊界掃描鏈。利用這一特點，設計了JTAG編程器，它可以用于對評估板上Flash存儲器進行編程。編程器由軟硬件兩部分構成：PC機高端軟件和JTAG編程線。JTAG編程線可以使PC機通過并行口來連接S3C2440A的TAP信號線，達到直接控制處理器的邊界掃描鏈，進而控制外部總線來對Flash存儲器編程。

4.2 板載軟件

（1）引導程序。

引導程序是固化在Flash中，在CPU上電啟動時首先執行的程序，它負責進行系統初始化的工作，還可以用來引導其它的程序。Microbot2440教學實驗平臺提供了兩個引導程序：bootFlash和U-Boot。前者負責從Flash上電啟動后初始化系統，后者是一個二級引導程序，由bootFlash引導，它可以進而實現對Flash編程、通過以太網下載程序、引導Linux等功能。

（2）ARM Linux 2.4.27.

ARM Linux 2.4.27是標準Linux內核的ARM平臺版，Microbot2440平臺在提供給用戶之前已經將其固化在評估板的Flash存儲器中。開發者和學習者可以通過它熟悉嵌入式Linux編程，不需要有很高的硬件知識。開發人員只需要在操作系統和驅動程序之上開發應用軟件，不需要了解底層硬件的機制。

5 結語

后PC時代是一個真實的階段，而且是一個可以預測的時代。嵌入式系統就是與這一時代緊密相關的產物，它將拉近人與計算機的距離，形成一個人機和諧的工作與生活環境。從某一個角度來看，嵌入式系統可應用于人類工作與生活的各個領域，具有極其廣闊的應用前景。嵌入式系統在傳統的工業控制和商業管理領域已經具有廣泛的應用空間，如智能工控設備、POS/ATM機、IC卡等；在家庭領域更具有廣泛的應用潛力，如機頂盒、數字電視、WebTV、網絡冰箱、網絡空調等眾多消費類和醫療保健類電子設備等；此外還有在多媒體手機、袖珍電腦、掌上電腦、車載導航器等方面應用，將極大地推動嵌入式技術深入到生活和工作的方方面面。它在娛樂、軍事方面的應用潛力也是巨大的，而且是有目共睹的。面對全球嵌入式系統工業化的潮流，適應我國加速知識創新和建立面向21世紀知識經濟的需要，必須加強高等院校嵌入式系統的教學，培養高層次、實用型、復合型、國際化的嵌入式系統應用人才，使我國嵌入式系統應用水平獲得跨越式發展。

參考文獻

[1] 李善平，劉文峰，王煥龍，等.Linux與嵌入式系統[M].清華大學出版社，2002：133-135，146-153.

[2] 呂京建，肖海橋.ICI向二十一世紀的嵌入式系統綜述[EB/OL].http：//www.bol-system.com/.

[3] 常薇，張明武.硬件與電子技術課程網上虛擬實驗教學模式研究[J].中山大學學報論叢，2005（3）：80-82.

[4] 王仁之，王雷，等.單片機應用系統抗干擾技術[M].北京：北京航空航天大學出版社.

[5] 慕春棣，主編.嵌入式系統的構建[M].清華大學出版社，2004.

[6] 陳莉君.深入分析Linux內核源代碼[M].人民郵電出版社，2002.endprint