基于ARM單片機的嵌入式系統設計

羅一平 于津 屈宏峰

摘要：隨著我國科學技術不斷發展，當今具有人機接口的嵌入式系統的應用也愈加廣泛。ARM單片機嵌入式系統能夠實現實時采集、處理信息，還能夠提升系統運行的安全性、穩定性，降低系統設計成本。基于此，本文重點探究基于ARM單片機的嵌入式系統設計方案。

關鍵詞：ARM單片機;嵌入式系統;設計;方案

一、引言

在信息產業不斷發展背景下，人們對人機接口嵌入式系統的需求量也不斷增加。在過去，ARM單片機嵌入式系統多數都是由國外引進，并且價格不菲。隨著我國科學技術不斷發展，我國所開發的ARM單片機嵌入式系統性能已經有了很大進步，可以實時采集、檢測系統設備運行要求，并且組態更加靈活、成本更低，設計系統框架體系經過了多輪優化設計，已經十分完善。嵌入式系統的中心是應用系統，以計算機為載體，進行軟硬件優化組合配置，可以同時對系統功能、成本、體積、功耗、可靠性進行管控，由于嵌入式系統的核心是應用系統，所以在硬件和軟件設計當中必須要以應用作為核心，從而保證ARM單片機嵌入式系統的性能。

二、基于ARM單片機的嵌入式系統硬件設計

（一）硬件結構組成

在嵌入式系統設計當中，首先需要考慮應用系統的運行要求，并全面考慮性能、成本、可擴展性、開發時間等各方要求，明確系統的主要控制元器件，從而設計硬件平臺框架。整個系統當中包括主控芯片、高性能電能計量芯片、存儲模塊、CAN模塊等，同時配有擴展接口，可以實現功能擴展。硬件系統內部應用電能檢測芯片，可以檢測各個元器件運行的電流和電壓，做好元器件各項參數運行的計量工作，具有精度高、實時性強等優勢，硬件系統結構如圖1。

（二）系統功能

該系統的功能表現在：①可見檢測系統電池充電、放電信號檢測與計量;②檢測連接設備的運行狀態，如果超出閾值會自動報警;③對元器件的荷電狀態、健康狀態進行計量評估;④檢測電池組漏電情況;⑤通信系統檢測;⑥人機交互功能，顯示被檢測對象的實時運行參數，還可以設置各個系統功能狀態，實現信息數據的上傳與下載。

三、基于ARM單片機嵌入式系統的軟件設計

（一）軟件系統設計理念

軟件核心是以一個可移植、固化、裁剪、剝奪的多任務內核，在實際應用開發中，要在上述所設計的硬件中成功移植。軟件內核在編寫當中要重點考慮可移植性，采用C語言編寫，將處理器相關代碼集中到OS–CPU、H.OS–CPU–A、ASM.OS–CPU–C.C三個文件中，結合硬件上特性對這些文件改寫，即可實現移植。在移植后，即可開展編程工作。采用RTOS軟件，將面向功能應用開發轉變成為面向任務的應用開發，將整個系統任務劃分為若干個子任務，然后實現每個任務要求，確定各個任務的優先級。如果系統對實時性操作要求非常高，需要編寫中斷服務程序。

（二）系統功能

在系統運行當中，要初始化系統，創建新的任務。所創建的任務設定為就緒形態，系統操作中會自動調用優先級的任務，并逐漸解決低級任務，保證現行運行的任務優先于其他沒有處理的任務。在實際運行當中某個任務因為意外事件被延時、掛起，或者有更高優先級任務進入到了系統當中，則系統會停止當前任務，處理最優先級的任務。如果系統中斷，此時會中斷服務程序，在中斷返回過程中，系統會自動展開任務調度，將最優先級任務轉化為運行狀態。

如控制系統當中出現了母線電壓AD采用中斷，程序自動進入到母線電壓AD中斷程序;中斷程序之后向郵箱發送母線電壓AD采樣參數，由于任務在就緒等待期間在郵箱中被掛起，所以此時任務狀態被轉化為就緒狀態。中斷返回中，內核自主進行任務調度，由于是系統內部是最優先級任務處于就緒狀態，所以無論哪個系統任務被中斷，都會運行最優先級任務，確保任務系統的響應速度滿足標準。在系統運行一個循環之后，會因為等待郵箱緣故轉化為掛起狀態，內核繼續調度，最先調度就緒狀態中的最優先任務。

四、系統開發設計

為了能夠保證系統運行的實時性，系統開發可以采用RTOS系統（實時操作系統）。該系統可以分為可剝奪內核與不可剝奪內核，由于商用多數都是采用可剝奪內核，所以本文重點探究可剝奪實時操作系統。實時操作系統會將任務劃分為多個子任務，并分為不同的優先級，將不同優先級的任務分配到不同模塊、棧空間。通常每個任務在結構上都是無限循環模式，可以實現多種狀態，包括就緒狀態、休眠狀態、運行狀態、掛起狀態、中斷狀態。系統始終讓優先級系統運行，中斷服務可以搶占CPU，待到中斷服務程序完畢之后，此時系統會自動處理最優先級任務。該開發模式可以優化系統的響應時間。最主要的是將面向功能形式轉化成為了面向任務的形式，整個系統操作邏輯結構更加簡單。再加上應用了實時操作系統，讓軟件底層硬件不可見，將過去雙層軟件系統轉化成為了三層架構，這樣更有助于未來系統的軟件功能拓展以及硬件升級。軟件操作系統采用較強的內核，如μC/OS–Ⅱ，該系統性能非常高支持上百個任務同時進行，提升了系統服務性能。

五、結束語

綜上所述，隨著我國科學技術不斷發展，當今ARM單片機嵌入式系統在各個領域中的應用十分廣泛。在ARM單片機嵌入式系統設計中，要重點考慮硬件、軟件設計以及系統開發，這樣才能夠保證整個系統的運行效率與可靠性，發揮ARM單片機與系統效能。

參考文獻

裴文祥，姚鑫，李超.基于ARM單片機的嵌入式系統設計[J].集成電路通訊，2015（1）：112–113.

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