摘 要： 基于ARM的實(shí)時測控系統(tǒng)開發(fā)平臺，是將高性能、低功耗32bit RISC結(jié)構(gòu)的ARM內(nèi)核處理器與開放源碼的實(shí)時嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ相結(jié)合，并通過Interniche公司的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧為平臺添加網(wǎng)絡(luò)傳輸功能,構(gòu)建一個新型的實(shí)時測控系統(tǒng)開發(fā)平臺。為開發(fā)各種智能化、小型化現(xiàn)代測控系統(tǒng)提供可重用、高性能、圖形化、網(wǎng)絡(luò)化軟硬件基礎(chǔ)平臺和高效的開發(fā)模式。充分利用高級語言的優(yōu)勢在多任務(wù)操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為平臺添加友好的人機(jī)交互方式、圖形化界面、網(wǎng)絡(luò)、各種通信接口驅(qū)動，使其平臺具備現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)的特征。
關(guān)鍵詞： 實(shí)時測控系統(tǒng) ARM μC/OS-II 嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng) 嵌入式TCP/IP協(xié)議棧 JTAG在線調(diào)試 集成開發(fā)環(huán)境
國內(nèi)測控系統(tǒng)開發(fā)大多是幾個人以小組的形式根據(jù)不同的項(xiàng)目組織在一起，由于缺乏一個穩(wěn)定工作的硬件基礎(chǔ)，整個開發(fā)工作的重點(diǎn)大都放在調(diào)試硬件故障上。首先，所有項(xiàng)目的開發(fā)幾乎全部使用匯編語言，嚴(yán)重影響了程序的可讀性和可移植性，更換不同的處理器就意味著一切從頭開始，就連使用相同處理器的不同項(xiàng)目組之間的程序重用也很困難；而對于嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)著重解決的實(shí)際問題往往無暇顧及，非常不利于我國嵌入式應(yīng)用水平的提高。其次，測控系統(tǒng)通信接口種類比較少, 多為傳統(tǒng)的RS232、RS485接口，數(shù)據(jù)交換速度慢，已經(jīng)不能滿足日益增長的數(shù)據(jù)傳輸需求。另外，傳統(tǒng)的8位單片機(jī)已經(jīng)越來越不能適應(yīng)日漸復(fù)雜的應(yīng)用需求；友好的交互界面、網(wǎng)絡(luò)互連功能、智能化的軟件、實(shí)時的數(shù)據(jù)處理幾乎成了現(xiàn)代實(shí)時測控系統(tǒng)的共同需求。
我們開發(fā)了基于ARM內(nèi)核處理器的NetCARM7開發(fā)板，通過在嵌入式實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ上加入Interniche公司的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)了一個網(wǎng)絡(luò)化、智能化、高性能的現(xiàn)代實(shí)時測控系統(tǒng)開發(fā)平臺。此外，通過JTAG在線調(diào)試工具BDI2000 RDI for ARM和集成開發(fā)環(huán)境IAR EW的結(jié)合，大大提高了程序調(diào)試的效率。
1 平臺設(shè)計
ARM內(nèi)核處理器具有高性能、低功耗、低成本、低開發(fā)難度等一系列優(yōu)點(diǎn)，是測控系統(tǒng)由8位機(jī)升級到32位機(jī)的理想選擇。此外，ARM7、ARM9、ARM10、XScale的指令兼容，已有的軟件資源和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)不會由于升級到更高性能的處理器而受到巨大的損失。
（1）平臺的硬件基礎(chǔ)
我們開發(fā)了NetCARM7開發(fā)板(處理器為Atmel公司的ARM7TDMI內(nèi)核的AT91M40800，主頻可達(dá)40 MHz)作為中低端實(shí)時測控系統(tǒng)開發(fā)平臺的硬件基礎(chǔ)。AT91M40800性能已經(jīng)可以滿足一般測控系統(tǒng)的各種需求，功能簡單易用，雙面板就可以形成穩(wěn)定硬件設(shè)計，大大降低了開發(fā)成本。板上將處理器的所有引腳引出,可以根據(jù)實(shí)際的項(xiàng)目需求靈活地擴(kuò)展出新的應(yīng)用；集成了多達(dá)2 MB的 SRAM，保證用戶代碼可以獲得最高的性能。1 MB Flash ROM用來滿足絕大多數(shù)項(xiàng)目的需求。板上預(yù)留了JTAG端口，通過Abatron公司的BDI在線仿真器和IAR公司的集成開發(fā)環(huán)境Embeded Workbench for ARM 可以實(shí)現(xiàn)各種程序的在線調(diào)試。板上提供了2個串口，還可以將處理器的UART配置成SPI，除了完成通信功能以外，還可以很容易地連接A/D變換器，滿足測控系統(tǒng)的需求。板上還擴(kuò)展了10 M以太網(wǎng)接口。在網(wǎng)絡(luò)控制器方面，選用了低成本符合NE2000標(biāo)準(zhǔn)的RTL8019，為平臺提供了網(wǎng)絡(luò)化的硬件基礎(chǔ)。此外，板上還集成了液晶及行列式鍵盤接口，可以很方便地為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)提供友好的用戶交互方式。硬件平臺如圖1所示。
（2）開放源碼的嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)
測控系統(tǒng)所要完成的工作越來越復(fù)雜，程序越來越龐大，需要管理的外設(shè)越來越多，只有擁有嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)，擁有穩(wěn)定工作的硬件基礎(chǔ)，開發(fā)工作重點(diǎn)才能由原來硬件的調(diào)試、軟件的 DEBUG轉(zhuǎn)變?yōu)閷τ趯?shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的性能的提高、智能化軟件的編寫。此外，只有在一個完整的、具有統(tǒng)一編程規(guī)范的操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上，使用高級語言開發(fā)出的應(yīng)用程序，才可能具有良好的可移植性,才可能被重復(fù)利用。嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代實(shí)時測控系統(tǒng)開發(fā)平臺的唯一途徑。操作系統(tǒng)與模塊化硬件設(shè)計結(jié)合起來，共同構(gòu)成一個可以重復(fù)利用的軟硬件數(shù)字系統(tǒng)平臺，除了可以最大限度地提高開發(fā)的效率、減少資源的浪費(fèi)外，還可以通過長期對于該平臺的研究，逐步優(yōu)化平臺軟硬件資源，提高其性能，并滿足日益復(fù)雜的應(yīng)用需求。
目前大多商用嵌入式操作系統(tǒng)出于商業(yè)利益的考慮，除了使用該操作系統(tǒng)的每件產(chǎn)品要收取版稅以外，要么只提供操作系統(tǒng)核心部分二進(jìn)制文件，要么對源代碼的收費(fèi)十分昂貴，對于此類操作系統(tǒng)的使用者來講，幾乎無法拿到操作系統(tǒng)的源代碼。這樣，一方面產(chǎn)品的進(jìn)一步發(fā)展受制于人；另一方面對于嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)容易出現(xiàn)隱患，無法從根本上避?quot;后門"。只有對開放源代碼的操作系統(tǒng)進(jìn)行不斷的理解、改造、優(yōu)化，才有利于我國嵌入式開發(fā)水平的穩(wěn)步提高。
對于小型實(shí)時測控系統(tǒng)來說，源代碼公開的、具有很好可移植性的、可固化可裁剪的、高穩(wěn)定性與可靠性、搶占式多任務(wù)的μC/OS-Ⅱ非常適合！代碼簡潔的μC/OS-Ⅱ已經(jīng)應(yīng)用于照像機(jī)業(yè)、醫(yī)療儀器、音響設(shè)備、發(fā)動機(jī)控制、網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備、高速公路電話系統(tǒng)、ATM機(jī)、工業(yè)機(jī)器人等嵌入式實(shí)時系統(tǒng)。
（3）網(wǎng)絡(luò)化
TCP/IP協(xié)議棧使得嵌入式系統(tǒng)可以通過Internet將通信距離無限擴(kuò)展。10M以太網(wǎng)使得大量數(shù)據(jù)的快速傳輸成為可能。這樣，除了可以充分利用PC機(jī)上各種資源，完成數(shù)據(jù)的存儲、分析、統(tǒng)計工作外，還可以實(shí)現(xiàn)測控系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換，對于智能化、模塊化的嵌入式設(shè)備集群的實(shí)現(xiàn)提供了另一種途徑。PPP協(xié)議，可以通過調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)交換、狀態(tài)控制等功能，為嵌入式系統(tǒng)提供了更靈活的控制、監(jiān)測方式。
我們選用了Interniche公司（http://www.iniche.com）開放源碼的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧。Interniche使我們很容易在μC/OS-Ⅱ的調(diào)度下為開發(fā)平臺增加網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)管理等功能。由于它是專門為嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計的，占用的系統(tǒng)資源很小。Interniche協(xié)議全部用標(biāo)準(zhǔn)C語言。它除了可以運(yùn)行在各種RTOS下，如μC/OS、VRTX、CMX、Threadx等，還可以在沒有RTOS的環(huán)境下獨(dú)立運(yùn)行。此外，Interniche還在μC/OS-Ⅱ的基礎(chǔ)上專門為其嵌入式TCP/IP協(xié)議棧編寫了自己的嵌入式實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)：ChronOS。ChronOS除了保持對已經(jīng)廣泛使用的μC/OS-Ⅱ的兼容性以外，還使嵌入式TCP/IP協(xié)議棧與RTOS更加緊密地結(jié)合在一起，來滿足各種現(xiàn)代應(yīng)用對RTOS和嵌入式TCP/IP協(xié)議相結(jié)合的迫切需求。
常用的Interniche包括：
① 核心協(xié)議。
◇ NicheStackTM--InternicheTCP協(xié)議包含TCP、UDP、IP、TFTP、DHCP Client、ICMP、ARP、SLIP、BootTP、DNS Client。
◇ Niche ToolTM--菜單驅(qū)動的協(xié)議調(diào)試和測試工具（包含在NicheStack和Nichelite中）。
◇ NicheLiteTM--Interniche微型化的TCP/IP協(xié)議，全部代碼在12KB以內(nèi)；它包含全部的 NichestackTM所有的協(xié)議和1個最少化的Socket API，易于移植到從8位到32位CPU上。
可選擇應(yīng)用模塊: PPP、Multilink PPP、PPPoE、Telnet(Server&Client)、FTP(Server&Client)、IP Multicast、NichePOP3。它使TCP/IP上的附加模塊增加了POP3 Email服務(wù)器收郵件功能。
② 基于WEB管理和配置協(xié)議。
◇ WebportTM--嵌入式Web服務(wù)器，讓最終用戶通過WWW瀏覽器配置和監(jiān)控嵌入式設(shè)備而避免去編寫專用的GUI界面。這些界面多數(shù)是與主機(jī)OS相關(guān)的（如Win98），而且需要目標(biāo)環(huán)境大量的資源，如文件系統(tǒng)。
◇ Email Alerte--為嵌入式系統(tǒng)增加預(yù)告和報警功能。它允許用戶向本地或遠(yuǎn)程的Email地址發(fā)出預(yù)先設(shè)置好的信息，比如某個條件下的報警信息。
2 開發(fā)平臺的具體實(shí)現(xiàn)
（1）開發(fā)測試板的硬件測試
完成NetCARM7設(shè)計、板焊接以后，使用Abatron公司 (http://www.abatron.ch) JTAG仿真器BDI2000，通過編寫B(tài)DI配置文件對NetCARM7板進(jìn)行初始化，初步驗(yàn)證板上CPU工作是否正常，檢查SRAM、Flash ROM是否可以正常讀/寫。
（2）BDI2000結(jié)合IAR EW的軟件測試
在板上存儲器正常工作的基礎(chǔ)上，使用IAR公司 (http://www.iar.com) 的集成開發(fā)環(huán)境Embedded Workbench編寫出簡單的測試程序，其中包括匯編語言、C語言。只要在EW中利用它提供的嵌入式C/C++優(yōu)化編譯器、匯編器、連接定位器，就可以生成目標(biāo)機(jī)的可執(zhí)行程序；利用EW的C-SPY調(diào)試器中支持的RDI接口，就可以和BDI2000建立連接，直接將編寫的代碼下載到板上在線仿真。由于BDI2000仿真器是通過10M以太網(wǎng)連接計算機(jī)，并且通過JTAG接口與目標(biāo)機(jī)相連，BDI2000與目標(biāo)機(jī)的通信速率可達(dá)16Mb/s，程序下載速率可達(dá)320 KB/s，因此可以大大提高平臺軟件開發(fā)的效率。
在初步的測試程序編寫完成以后，逐步對板上的其它外設(shè)和通信端口進(jìn)行測試。
（3）串口監(jiān)控程序
NetCARM7上的串口除了可以提供少量數(shù)據(jù)傳送和控制信息的輸入/輸出以外，為了方便平臺的軟件維護(hù)，我們還開發(fā)了一個基于板上串口的監(jiān)控程序，經(jīng)RS232接口就可將PC與NetCARM7相連，完成以下功能：① 顯示處理器各狀態(tài)下寄存器的值；② 修改指定地址的SRAM、FlashROM中的內(nèi)容；③ 查看指定地址的存儲器中的內(nèi)容；④ 將用戶編寫的代碼下載到NetCARM7的指定地址的SRAM、Flash ROM中；⑤ 從指定地址開始執(zhí)行用戶代碼；⑥ 通過設(shè)置跳線，選擇從用戶放在FlashROM中的代碼直接啟動（上電后直接運(yùn)行用戶的應(yīng)用程序）；⑦ 支持用戶設(shè)置的軟件中斷，在中斷以后可以使用①、②、③項(xiàng)功能，用以方便用戶調(diào)試自己的代碼。這樣，在平臺用于實(shí)際的測控系統(tǒng)產(chǎn)品以后，在儀器工作現(xiàn)場只需改變跳線就可以使板上的監(jiān)控程序工作，通過串口升級整個系統(tǒng)軟件，也包括監(jiān)控程序本身，在沒有JTAG調(diào)試工具的時候，方便地對可能出現(xiàn)的比較簡單的問題進(jìn)行修復(fù)。
（4）μC/OS-Ⅱ的移植
對μC/OS-Ⅱ的移植在BDI2000和IAR EW的幫助下變得非常簡單。在完成CPU的初始化以后，首先對時鐘節(jié)拍進(jìn)行設(shè)置（10~100Hz）。對AT91M40800只需編寫相應(yīng)的定時器中斷處理程序，在程序中調(diào)用操作系統(tǒng)的OSTimeTick（），并在其AIC(Advanced Interrupt Controller )中設(shè)置定時器的優(yōu)先級別，并將定時器中斷處理程序的地址放到相應(yīng)的中斷向量表中即可。使定時器產(chǎn)生中斷，必須在開始多任務(wù)調(diào)度后，即在第一個任務(wù)中使能定時器。其次，對μC/OS-Ⅱ移植主要集中在includes.h、OS_CPU_A.S、OS_CPU_C.C等CPU相關(guān)文件的移植，上層任務(wù)調(diào)度部分不需要任何修改。對于多任務(wù)操作系統(tǒng)，只需將復(fù)雜的應(yīng)用分成簡單的、相互聯(lián)系的任務(wù)，再把各個不同優(yōu)先級的任務(wù)交給操作系統(tǒng)去管理就可以了。
（5）Interniche嵌入式協(xié)議棧的移植
BDI2000結(jié)合IAR EW在線調(diào)試對于驅(qū)動程序的編寫的幫助作用更加明顯。對于同樣具有良好可移植特性的Interniche協(xié)議棧，只需要根據(jù)以太網(wǎng)控制器RTL8019手冊上的詳盡描述，編寫出發(fā)送包、接收包的函數(shù)，以及用于以太網(wǎng)控制器的外部中斷處理程序就可以完成對Interniche的網(wǎng)絡(luò)部分的移植。由于Interniche協(xié)議棧也是可以獲得源碼的，所以對于任何網(wǎng)絡(luò)控制器都可以通過不斷的調(diào)試最終完成自己的驅(qū)動程序。此外，為了方便調(diào)試，使Niche ToolTM工作，還應(yīng)該完成對Interniche中向串口收發(fā)字符putchar(); getch()的移植，就可以在PC端使用超級終端經(jīng)過串口與NetCARM7上的Interniche 基于命令行交互了。Interniche的各種協(xié)議簇可以根據(jù)需要由μC/OS-Ⅱ調(diào)度的狀態(tài)查詢?nèi)蝿?wù)。這樣μC/OS-Ⅱ就和Interniche一起構(gòu)成了現(xiàn)代實(shí)時測控系統(tǒng)開發(fā)平臺的軟件核心。
3 開發(fā)平臺靈活的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用
（1）圖形化操作界面
圖形化操作界面是基于Interniche 的Webserver,通過WWW瀏覽器實(shí)現(xiàn)的。
利用Interniche提供的WebportTM，讓最終用戶通過局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)訪問嵌入式測控系統(tǒng)，在WWW瀏覽器中設(shè)置測控設(shè)備工作參數(shù)，監(jiān)控其運(yùn)行狀態(tài)及察看測量結(jié)果，而避免為嵌入式測控系統(tǒng)專門去編寫專用的GUI交互界面。在不同的儀器設(shè)備中的界面只需編寫不同的HTML頁面，結(jié)合CGI技術(shù)就可以完成各種靈活、友好的交互功能了。這些界面只需要目標(biāo)機(jī)提供存儲空間就可以了。
（2）真正的遠(yuǎn)程控制
利用Interniche提供的PPP撥號上網(wǎng)，使用Email Alerte為嵌入式測控系統(tǒng)增加預(yù)告和報警功能，測控設(shè)備就可以向遠(yuǎn)程的Email地址發(fā)出預(yù)先設(shè)置好的信息，通知測控設(shè)備的工作情況，實(shí)現(xiàn)嵌入式測控設(shè)備真正的"無人值守"遠(yuǎn)程控制。
參考文獻(xiàn)
1 馬忠梅, 等. ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ). 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002
2 Advanced RISC Machines Ltd (ARM).ARM7TDMI Data Sheet. 1995
3 Atmel Corporation. AT91M40800,Rev. 1354B 07/00
4 Labrosse Jean J.μC/OS-Ⅱ源代碼公開的實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng). 邵貝貝譯. 北京：中國電力出版社，2001
5 InterNiche Technologies Inc.PORTABLE TCP/IP STACK TECHNICAL REFERENCE. 2001
6 Abatron AG Switzerland，InterNiche Technologies Inc. PORTABLE TCP/IP STACK TECHNICAL REFERENCE. 2001
7 JTAG interface for RDI Debuggers for ARM7/ARM9 BDI2000 User Manual. 2001
8 IAR Systems. IAR Embedded Workbench User Manual for ARM V3.2. 2002
9 北京麥克泰軟件技術(shù)有限公司. NetCARM7開發(fā)板V1.0 用戶手冊. 2002
