如何使用ARM9芯片进行嵌入式工控机的设计

嵌入式系统如今已广泛地渗透到了科学研究、工程设计、局势技术、各类产业和商业等许多领域，并且还在不断发展与延伸。嵌入式系统中又以ARM架构的运用最有前景。在嵌入式操作系统领域中则是种类繁多，各有特色，而嵌入式Linux的应用领域非常广泛 ，Linux是开放源代码的，不存在黑箱技术，遍布全球的众多Linux爱好者又是Linux开发者的强大技术支持；其次，Linux的内核小、效率高，内核的更新速度很快,Linux是可以定制的，其系统内核最小只有约134KB。Linux适应于多种CPU和多种硬件平台，是一个跨平台的系统。

本课题以ARM9的嵌入式工控设计为主要内容和开发对象，目标是采用基于ARM9内核的ATMEL工业级嵌入式微处理AT91SAM9X25，主频为400MHz，设计一款高性能、低功耗、低成本、小体积的嵌入式工业控制计算机。

一

设计目的和意义

AT91SAM9X25是一个高性能的基于ARM926嵌入式微处理器单元，运行在400 MHz，并设有多个网络/连接外围设备，优化的工业应用，如楼宇自动化，网关和医疗。工控机（IndustrialPersonal Computer，IPC）即工业控制计算机，是一种采用总线结构，对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称。工控机具有重要的计算机属性和特征，如具有计算机CPU、硬盘、内存、外设及接口，并有操作系统、控制网络和协议、计算能力、友好的人机界面。工控行业的产品和技术非常特殊，属于中间产品，是为其他各行业提供可靠、嵌入式、智能化的工业计算机。

嵌入式工控机（EmbeddedIndustrial Computer）是一种加固的增强型工业计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。早在90年代初期，美国AD公司就推出了类似的工控机。由于嵌入式工控机的性能可靠、无风扇结构、体积小巧、价格低廉，而在工控机中应用广泛。

工控机系统无论从硬件到软件，几乎继承了通用 PC 的全部特征。使用基于 X86 架构的处理器（目前仅 Intel、AMD 及 VIA 可生产）作为系统核心，并通过标准底板接插各种功能板卡的方式，完成系统的构成及功能扩展，因此，用户可以在较短时间内，组建出功能强大的工业控制计算机系统，同时通过运行 Windows 系列操作系统， 保持与通用PC的软件兼容。

目前，基于Windows系列操作系统的各种应用软件已达到数以亿计，且应用非常广泛，这对工业控制系统的软件开发与维护具有良好的支持与推动作用。

但由于IPC的固有缺点，使之在工业控制的某些应用领域，无法达到令人满意的效果。 IPC 功耗较高、脆弱的存储器系统以及体积和成本因素，在很多情况下已经完全抵消了其高性能和可维护性优势，不能满足应用需求。高功耗对系统散热及稳定性带来严峻考验，广泛使用的散热风扇一直是故障率较高的部件之一，其它诸如液体散热等方式，均由于工艺复杂，成本较高，目前仅少量使用在军事、航空航天等高端领域；存储器系统中的硬盘在系统不间断运行且处于较严苛的工业环境情况下，平均使用寿命仅为 2～3 年，这通常远低于工业控制系统的整体设计寿命，而采用双列直插（DIMM）方式连接的内存部件，则不能承受哪怕是比较轻微的振动，加之体积与成本因素，限制了IPC在诸多工业控制场合的应用。

嵌入式工控机在设计上摒弃了兼容 PC 标准的想法， 着眼于千变万化的应用需求；同时，由于应用需求的差异性，形成了嵌入式工控机百花齐放的现状。嵌入式工控机是面向应用，对性能、成本、功耗、体积有严格要求的专用计算机系统，因此，仅从硬件构成上看，就包含多种位宽（从 4 位、8 位、16 位到 32 位等）、多种架构（如 ARM、PowerPC、MIPS 等）、生产商众多的各种嵌入式微处理器，外围接口则几乎完全是按需设计，少有IPC所具有的标准接口；而软件系统则根据不同的应用场合，使用无操作系统的监控模式、轻量级嵌入式操作系统（如eCos、．NET MF 等）或复杂嵌入式操作系统（如 Linux／Android、Vx-Works、WinCE 等），但不同平台上的应用软件通常不具有通用性。

与IPC相比较，嵌入式工控机是对性能、成本、功耗、体积等约束条件进行平衡与折衷的产物，很好地满足了工业控制系统的要求，具有广阔的发展前景。目前，在系统硬件平台上，以ARM 为代表的嵌入式微处理器几乎覆盖传统工业控制从低端到高端的全部领域，甚至延伸到桌面和服务器系统；而嵌入式软件平台的多样性则契合了不同工业控制应用对系统功耗、运行效率、实时性、可靠性及系统安全性要求。

AT91SAM9X25处理器有两个2.0A/ B兼容控制器区域网络（CAN）接口，2个IEEE标准802.3兼容10/100Mbps的以太网MAC SAM9X25功能。通信接口包括一个专门的科胜讯的Smart DAA线路驱动器，HS USB设备和主机，FS USB主机，两个HS SD卡/ SDIO / MMC接口，USART，SPI接口，I2S，TWIS位和10位ADC的软调制解调器支持。以最小的处理器开销，以确保不间断的数据传输中，SAM9X25加上2 x 8个中央DMA通道和专用的DMA的高速连接外围设备提供了一个10层总线矩阵。

因此采用AT91SAM9X25处理器设计嵌入式工业控制计算机可以实现工控机的高性能、低功耗、低成本、小体积的要求。

二

控制要求

1、采用基于ARM9内核的ATMEL工业级嵌入式微处理AT91SAM9X25，主频为400MHz，设计一款高性能、低功耗、低成本、小体积的嵌入式工业控制计算机。所要求设计的嵌入式工控机以AT91SAM9X25为主处理器，支持128MB DDR2 SDRAM存储器，1GB NAND Flash存储器，2路10/100Mbps自适应工业以太网接口，2路CAN总线接口，4路高速串口，1路调试串口，2路USB2.0接口，大容量SD存储卡以及多路GPIO，并支持宽电压范围供电（DC9V～DC30V）。

2、所设计的嵌入式工业控制计算机必须满足工业现场环境要求，包含温度条件（－40℃～80℃）、湿度条件（5～95% RH）及“三防”（防水、防霉、防尘）要求。

3、所设计的嵌入式工业控制计算机必须实现端口保护，包含以太网接口、CAN总线接口、串行接口、USB接口等。

4、完成所要求功能嵌入式工控机的原理图设计，Protel99SE/DXP格式或Cadence格式。

5、选择完成所要求功能嵌入式工控机的PCB设计，PCB为6层,Protel99SE/DXP格式或Cadence格式。

三

设计方案论证

（一）处理器选择

1.飞思卡尔ARM9

飞思卡尔生产的ARM 9处理器有两个系列，i.MX25系列和i.MX28系列。i.MX25以ARM926EJ-S为主处理器，支持128MB DDR2 同步动态随机存储器，1GB NAND 闪存储器，一路10/100Mbps自适应工业以太网接口，2路CAN（控制器局域网络）总线接口，4路高速串口，1路调试串口，2路USB2.0接口，大容量SD（同步动态）存储卡以及多路GPIO（通用输入输出），满足工业要求温度条件（－40℃～85℃），且满足湿度条件与三防。但是i.MX25只有一路10/100Mbps以太网接口，不满足设计要求。而另一方面i.MX28在价格上不占优势，所以对比选择用sam9x25。

2.TI ARM9

TI生产的ARM9处理器有6个系列：AM1810，AM1808，AM1806，AM1802，AM1707，AM1705。

AM1802主频为300MHz，支持128MB DDR2 SDRAM存储器，1GB NAND Flash存储器，1路10/100Mbps自适应工业以太网接口，无CAN总线接口，4路高速串口，1路调试串口，1路USB2.0接口，大容量SD存储卡以及多路GPIO，并支持宽电压范围供电（DC9V～DC30V）。温度条件（－40℃～90℃）、湿度条件（5～95% RH）及“三防”（防水、防霉、防尘），但不支持LCD。 AM1806主频为456MHz，支持128MB DDR2 SDRAM存储器，1GB NAND Flash存储器，无10/100Mbps自适应工业以太网接口，无CAN总线接口，4路高速串口，1路调试串口，1路USB2.0接口，大容量SD存储卡以及多路GPIO，并支持宽电压范围供电（DC9V～DC30V）。温度条件（－40℃～90℃）、湿度条件（5～95% RH）及“三防”（防水、防霉、防尘）。

AM1808和AM1810主频都为456MHz，支持128MB DDR2 SDRAM存储器，1GB NAND Flash存储器，1路10/100Mbps自适应工业以太网接口，无CAN总线接口，4路高速串口，1路调试串口，2路USB2.0接口，大容量SD存储卡以及多路GPIO，并支持宽电压范围供电（DC9V～DC30V）。温度条件（－40℃～90℃）、湿度条件（5～95% RH）及“三防”（防水、防霉、防尘）。

综上，AM1802由于主频不满足400MHz，2路USB2.0接口，2路100兆以太网接口而淘汰，AM1806则由于没有以太网接口，AM1808与AM1810缺少一路以太网接口而淘汰，AM1707则因为不支持128MB DDR2 SDRAM以及1GB NAND Flash而弃用。

（二）存储器选择

系统使用的存储器是DDR2和NAND Flash，NAND Flash用于保存系统映像文件及系统配置信息等掉电不可丢失的信息，DDR2用于程序运行及运行变量信息掉电可丢失。但如果其中任何数据出现错误都会给系统带来不可预知的后果，所以需要确保其稳定可靠。

目前生产DDR2和NAND Flash的半导体厂家有海力士（SK hynix），三星，美光（Micron）等。其中海力士生产的DDR2主要服务于消费产品其使用温度范围是0℃～85℃，因此不适合本次设计要求。考虑到三星生产的工业级DDR2使用不多，应该存在某些潜伏的问题。美光的工业级DDR2温度范围有-40℃～95℃和-40℃～105℃，并且其最大容量是8Gb（1GB）。同时对比K4T1G164QE-HCE6 FBGA84和MT47H64M16HR的价格，两片K4T1G164QE-HCE6 FBGA84和一片MT47H64M16HR价格相差不大，同时参考TI提供的方案最终选择美光的MT47H64M16HR作为本次嵌入式工控机设计的存储器。

四

系统设计

（一） 总体设计

图 1.系统总体设计图

（二） 电源设计

LM2596是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内含固定频率振荡器（150KHZ）和基准稳压器（1.23v），并具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等。利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。提供的有：3.3V、5V、12V及可调（-ADJ）等多个电压档次产品。一个单个电阻器将开关频率调节至1MHz。输出电流高达2A，效率高达90%。

图 2.LM2596电源设计图

LM2596将输入电源转换成5V，但整个系统需要多个电压支持，因此还需一个电源管理芯片对输入5V进行电压分配及管理。

图 3.FP6161设计图

（三） DDR2与NAND Flash设计

不管对于PC，还是对于嵌入式系统来说，内存都是一个必不可少的重要组件。操作系和应用程序的运行都离不开内存，系统映像和程序代码一般都是先载入到内存，然后由CPU加以执行，因此内存的速度和容量对于系统性能而言起着至关重要的作用。

AT91SAM9X25支持一个64字节的内部ROM嵌入引导程序：NANDFlash的启动，SD卡的DataFlash®或串行数据闪存，可编程顺序。一个32字节的内部SRAM，单周期存取系统的运行速度，高带宽，多端口的DDR2控制器，32位外部总线接口支持8行DDR2/LPDDR，SDR / LPSDR的，静态的存储器，MLC /SLC NAND控制器，24位可编程的多比特错误纠正代码（PMECC）。

图 4.DDR2设计图

图5. NAND Flash设计图

（四） USB设计

目前，USB设备已经得到广泛的引用，USB鼠标、USB键盘、USB摄像头、USB无线网卡等外设变得越来越普通。通过 USB 接口可以扩展各种各样的功能，这些设备的使用都需要 USB Host 接口。同时为了和PC 或者其它 USB Host设备相连，需要USB Slave。

图 6.USB2.0设计图

（五）以太网设计

在工业控制现场，往往需要通过网络来传递数据和其它信息，从而实现多机协同操作与交互，以及远程数据库的访问等功能。我们通过把嵌入式工控机接入到相关的网络，可以获取同一网络中其它设备的信息和状态，还可以向这些设备发送相关的命令，以完成相应的设置和操作。

目前，在工控现场，为了把多个设备连接起来可以通过各种现场总线（比如LonWorks，Profibus，CAN总线等等）或者以太网技术。以太网技术具有价格低廉、稳定可靠、通信速率高、软硬件产品丰富、应用广泛以及支持技术成熟等优点，已成为最受欢迎的通信网络之一。因此本次嵌入式工控体机中集成了对以太网的支持，而若要支持其它现场总线，则可以使用相应的总线模块。由于SAM9X25处理器集成两路10/100兆的以太网控制器，我们只需要外接千兆以太网收发器，就能提供对千兆以太网的支持。本次设计选择的千兆以太网收发器是DM9161A，另外在以太网收发器和以太网接口之间还要添加相应的变压器，实现电压的隔离和转换，本次设计采用的百兆以太网接口是6605814-6其内置了变压器。

图7.以太网流程图

（六）串口设计

由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低的特点，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。在进行串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来并进行通讯。RS232 接口是目前最常用的一种串行通讯接口，它是在 1970 年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端厂家共同制定的用于串行通讯的标准。在RS232 协议中，信号线的电压为负逻辑关系，逻辑“1”为-5~-15V，逻辑“0”为+5~+15V，噪声容限为 2V，也就是说要求接收器能识别低至+3V 的信 号作为逻辑“0”，高到-3V的信号为逻辑“1”。经常使用的串行口有 9 针和25 针两种类型，这里对的串行口的引脚定义作简单介绍： 

图 8.串口功能图

实际上两个设备之间通过三根信号线（RXD，TXD，GND）就能实现串行通讯，其它信号线则用于实现一些附加功能和专用功能。

SAM9X25处理器内部集成了UART 模块，可以支持2个UART口，由于其信号电平还只是 TTL 电平，因此在把这两个接口用作 RS232 接口时，还需要经过RS232电平转换芯片把信号电平转化为 RS232 电平。本次选用了TI公司的MAX232E来实现电平的转换，这部分电路图如图所示，图中的UART0_RXD、UART0_TXD两根信号线由SAM9X25的UART0模块引出，标号为CON1的 DB9 接口就可以用于RS232 通讯。另外1个RS232 接口的设计和此类似，由SAM9X25的UART1模块引出。

图 9.串口功能图

（七）3G&WIFI设计

3G指无线移动网络，可以随时随地的使用； Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。通过这种方式，我们可以远程控制我们的设备。3G模块，WIFI模块如下：

图 10.3G&WIFI模块设计图

（八） SD存储卡设计

SAM9X25可以支持MMC卡，SD卡以及 Memory Stick等多种存储设备，而SD卡的性价比更高，可以支持最大64G 的容量，使用也比较方便。SD 卡是在 MMC 卡的基础上发展而来的，它比 MMC 卡多了两根信号线用作数据传输，其传输速率比MMC快很多，能支持1 Bit 和 4 Bit 两种模式。MMC和SD卡的信号描述如图所示：

图 11.SD信号描述图

除了上面这些标准引脚外，SD 卡插座一般还会提供 CD 信号和 WP 信号,分别用来检测卡的插入和写保护信号。SD 部分的原理图设计如图所示：

图 12.SD卡设计图

（九）数字输入输出设计

为应对复杂的工业环境，外部的数字信号要进入工控机里需要对其进行隔离，本次采用简单可靠的光电耦合器进行输入隔离，继电器进行输出隔离。如图所示：

图 13.数字输入输出设计图

五

设计结果及分析

按照设计要求，选定了器件型号，设计了符合各项要求的基于ARM9的嵌入式工控机硬件电路，最终布局结果如下图所示：

图 14.总体PCB设计图

最终设计电路包含SAM9X25核心系统、电源输入接口、两路百兆以太网接口、一路调试串口、四路高速串口、USB2.0高速主机接口、大容量SD存储卡以及多路GPIO、8路数字输入接口、并支持宽电压范围供电（DC9V～DC30V）。配以合适的外装箱，可实现防尘、防水要求。

六

结束语

从上个世纪末以来，微电子、计算机、信息技术的飞速发展，不仅带来了经济的发展、社会的进步和人类的生活状态改善，同时也为工业生产带来了一次深刻的变革。工控系统引入了计算机控制，彻底改变了以往的继电器接触器控制，使得工控系统进入了自动化的阶段。以计算机为核心的工业控制系统，可以通过对工作过程中的各种参数进行实时的采集、分析处理和控制，实现对生产过程的监控和管理，使得生产过程按照预期的要求有条不紊快速精确的运行，这不仅提高了生产效率，同时提高了质量，降低了成本，还将人力从恶劣的工作环境及复杂的控制工作中解脱出来。基于高性能嵌入式处理器的嵌入式系统，由于其优异的性能和多方面的优点，在工业控制中应用特别广泛。