基于ARM的嵌入式工业控制系统设计

基于ARM处理器的嵌入式系统设计

嵌入式系统指的是任何一种通过程序嵌入到硬件系统中，以实现特定功能的设备。这些系统包括嵌入式计算机、嵌入式传感器、嵌入式测量设备等等。嵌入式系统的设计必须遵循严格的硬件和软件要求，以实现高可靠性、高效性和低耗能等特性。

ARM处理器是一种高性能低功耗处理器。由于其独特的架构和性能，ARM处理器已逐渐成为嵌入式系统中的首选处理器。在工业控制、汽车电子、消费电子等领域中，ARM处理器已经得到广泛的应用。

基于ARM处理器的嵌入式系统设计需要注意以下几个方面：

一、硬件设计

嵌入式系统中，硬件设计是至关重要的。硬件设计需要考虑到系统的高可靠性和稳定性。在基于ARM处理器的嵌入式系统中，硬件设计需要考虑以下几点：

1.选取适当的处理器。根据系统的应用场景和性能要求，选择适当的ARM处理器。比如，某些应用需要实现高计算性能，而某些应用则需要实现低功耗，需要选择不同的处理器。

2.电源设计。对于嵌入式系统来说，电源设计尤为重要。在选择电源时，需要考虑电压范围、电流要求、效率、可靠性等因素。 3.布线设计。布线设计需要考虑到模拟信号与数字信号的分离、信号传输的完整性以及电磁干扰等问题。

4.外设设计。根据系统的需求，需要选取合适的外设，包括存储器、通信接口、传感器接口等。

二、软件设计

基于ARM处理器的嵌入式系统中，软件设计是至关重要的。以下是一些需要注意的问题：

1.Bootloader设计。Bootloader是在系统上电时运行的第一个程序，用于初始化硬件、加载操作系统内核等。Bootloader的设计需要考虑到硬件的初始化和操作系统内核的加载。

2.操作系统设计。嵌入式系统中，通常会使用一些轻量级的操作系统，例如FreeRTOS、uC/OS等。操作系统的设计需要考虑到性能、资源占用、任务优先级等因素。

3.应用程序设计。应用程序设计需要考虑到系统的功能要求、通信协议等因素。在应用程序设计中，需要注意代码复杂度，确保代码的可维护性和可扩展性。

ｌ蘧　匐　化　

基于ＡＲＭ９的嵌入式数控切割控制系统研究　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＲＭ９　贾文　ＪＩＡＷｅｎ　（柳州职业技术学院，柳州５４５００６）　摘要：本文对数控切割系统的硬件组成结构进行了深入研究，给出了典型数控切割系统的硬件组成框　图，并对该硬件电路中各主要功能模块进行了分析。详细阐述了以ＡＲＭ９Ｓ３０２４１　Ｏ微处理器为　核心的整个数控电路实现方案，主要包括有基－Ｔ－ＣＡＮ总线的网络通信方案，基于外部ＦＬＡＳＨ　的程序扩展技术、基于伺服控制器的电机控制技术、数控切割过程中精确定位和运动控制技　术等等。给出了主要模块的硬件设计原理图和主要的处理流程。　关键词：数控系统；ＡＲＭ９；切割；硬件电路；嵌入式　中图分类号：ＴＰ３１　５　文献标识码：Ｂ　文章编号：１　００９—０１　３４（２０１　１）２（上）一００５３—０４　Ｄｏｉ：１　０．３９６９／ｉ．ｉｓｓｎ．１　００９－０１　３４．２０１１．２（上）．１　９　０引言　机械切割系统在工业加工中有着重要的作　用，尤其是在以制造业为主的我国生产加工中作　用尤为突出，提高机械切割的效率和精度的意义　非常明显。从２０世纪中叶开始，众多的研究者就　一直围绕机床加工的自动化和高精度两个方向开　展研究，产生了以数控技术为代表的机床自动化　控制技术，从此也成为机械加工中不可缺少的产　物。数控加工以其高度的灵活性、控制过程的自　动性和加工的精确性给工业制造带来革命性的发　展。如今，嵌入式技术的迅猛发展，给数控加工　领域又一次带来全新的发展时期。采用功能强　大、内置模块丰富的微处理器不仅能够实现绝大　多数的控制任务，而且在微处理器上还能够运行　嵌入式系统，使得基于嵌入式的数控系统具备完　善的系统管理与控制功能，也可以开发具有高度　灵活的交互控制终端，而整个系统的开发成本和　占用空间都比基于ＰＣ模式的数控系统具有优势。　为此，本文重点研究针对基于ＡＲＭ９系列微处理器　的数控切割系统的开发和实现方案。　１基－Ｔ－ＡＲＭ９的数控切割系统硬件结构　本文设计的基于ＡＲＭ９的数控切割系统总体　结构上是通过ＣＡＮ总线网络互连的结构，在数控　切割系统终端的硬件结构如图１所示。该数控系统　最核心的是ＡＲＭ９嵌入式处理器￥３Ｃ２４１０芯片，该　芯片上运行的嵌入式控制系统对整个数控切割终　端的各种信号进行处理，包括外部输入的控制信　号和通过ＣＡＮ总线传送过来的远程控制命令，然　后通过运行在处理器上的相关处理算法和程序，　对切割系统的各种电机、伺服控制器发送控制信　号。由于在数控切割系统中运行的程序除了直接　对电机等各种控制对象进行控制，还需要实现数　控系统自身的任务管理和信息管理以及支撑嵌入　式系统正常运行的嵌入式操作系统，因此，仅仅　依靠￥３Ｃ２４１０芯片自带的存储空间难以存储下所有　的数据，因此部分运行程序和算法库存储在外部　的ＦＬＡＳＨ芯片中，运行时将需要运行的算法模块　逐块调入￣Ｉ｜ＡＲＭ芯片中。￥３Ｃ２４１０处理器的Ｉ／Ｏ接　口和ＣＡＮ总线接口与外部的控制信号相连，使得　处理器能够对外部的各种操作和控制命令进行响　应。通过ＣＡＮ总线控制，使得数控切割系统中各　个处理终端都连接在一个网络中，在￥３Ｃ２４１０芯片　可以通过ＳＰＩ接口实现处理器与ＣＡＮ总线控制器的　连接。￥３Ｃ２４１０处理器对伺服电机的控制是数控系　统中的关键电路，由于伺服电机的工作电压、电　流都较大，且工作过程中干扰较大，因此，在对　切割电机进行控制时需要通过电平转换电路和伺　服驱动电路两个模块的处理，才能够实现对切割　电机的有效控制。数控切割系统中除了对电机的　控制，还需要对切割过程中实现精确的定位与运　动控制。因此在整个实现电路中有位置定位模块　收稿日期：２０１０－１０－２０　基金项目：２０１０年广西教育厅基金课题“嵌入式数控系统设计与实现”。　作者简介：贾文（１９６８一），女，河北沧州人，讲师，研究方向为机械加工技术。　第３３卷第２期２０１１—２（上）　【５３】

浅谈 ARM 嵌入式系统

一、 嵌入式系统定义嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，

软硬件可裁剪，是对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计

算机系统。嵌入式系统的应用日益广泛，可以说无所不在、无处不在，嵌入式

系统的快速发展也极大地丰富、延伸了嵌入式系统的概念。下面让我们一起认

识一下嵌入式系统。

二、 嵌入式系统组成

嵌入式系统一般指非 PC 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理

器／微处理器、存储器及外设器件和 I／O 端口、图形控制器等。软件部分包

括操作系统软件（OS）（要求实时和多任务操作）和应用程序编程。有时设计

人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系

统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。

三、嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。

四、任何嵌入式系统都包括硬件和软件两个方面。

1、硬件包括微处理器、存储器、I/O 端口和图形控制器等。在一片嵌入式处

理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心

控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在 ROM 中。

2、软件包括操作系统软件和应用软件：应用软件控制着嵌入式系统的运作

和行为；而操作系统软件则为应用程序提供必要的底层支持，它一般是通过提

供应用编程接口（API）来实现的。

三、嵌入式的软硬件都有一下的特点：

1、硬件特点：

a、体积小，集成效率高。嵌入式系统总是去除冗余，力争最小的系统完成

嵌入式系统　

Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　《电气自动化）２ｏｌ１年第３３卷第３期　

基于ＡＲＭ与ＦＰＧＡ的嵌入式　

开放性运动控制器的设计与开发　

万林唐厚君贺超黄维芳　

（上海交通大学，上海２００２４０）　

摘要：讨论了一种基于ＡＲＭ和ＦＰＧＡ的嵌入式开放性运动控制器的方案设计，介绍了该运动控制器的硬件平台和软件平台，在ＡＲＭ　

上移植了Ｌｉｎｕｘ操作系统和Ｑｔ（ｃ斗＿卜部件工具箱），利用Ｑｔ设计了人机交互界面，重点讨论了ＡＲＭ和ＦＰＧＡ之间通信的实现　

以及运动控制中Ｓ型加减速插补算法的实现。　

关键词：ＡＲＭ　ＦＰＧＡ运动控制器Ｓ／Ｔ型加减速Ｌｉｎｕｘ　Ｑｔ　

［中图分类号］ＴＰ３１１　［文献标志码］Ａ［文章编号］１０００—３８８６（２０１１）０３—００５９—０３　

Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ａｎ　Ｏｐｅｎ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　

Ｍｏｔｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＲＭ　ａｎｄ　ＦＰＧＡ　

Ｗａｎ　Ｌｉｎ　Ｔａｎｇ　Ｈｏｕｊｕｎ　Ｈｅ　Ｃｈａｏ　Ｈｕａｎｇ　Ｗｅｉｆａｎｇ　

（Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００２４０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｏｐｅｎ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｍｏｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＲＭ　ａｎｄ　ＦＰＧＡ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｌｉｎｕｘ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　Ｑｔ　ａｒｅ　ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｅｄ　ｏｎ　ＡＲＭ，ａｎｄ　ｔｈｅ　Ｈｕｍａｎ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　

ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｕｓｉｎｇ　Ｑｔ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｆｏｃｕｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ＡＲＭ　ａｎｄ　ＦＰＧＡ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ