基于S3C2410X处理器和单片机实现多磁控管电源控制的设计方案

作者：向东;汪建华;秦道东;王传新

1、电路硬件整体设计

设计主要包括3个模块：1，人机交换模块（S3C2410芯片扩展电路）、2，功率输出模块（ATmega16L芯片扩展电路）、3，磁控管工作电路。人机交换模块主要用来接收使用者的命令数据，再传递给功率输出模块输出给定功率。同时接收功率输出模块电路中功率反馈回来的信息，使得使用者能对相应信息做出处理。整体框架如图1—1所示：

1.1基于S3C2410X处理器的控制电路设计

控制系统中采用韩国三星半道体公司的S3C2410X处理器作为主控制芯片。SBC2410X是一款基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器，高性价格比，低功耗。应用该芯片作为主控制芯片，并扩展64M SDRAM、64M Nand Flash、1M的Nor Flash、标准串口、用户按建、液晶屏接口、JTAG模块、以太网接口（如图1—2所示）。

1.2 基于ATmega16L单片机功率输出电路设计

从芯片采用AVR系列单片机ATmega16L。ATmega16具有丰富的片内资源，其中包括：16k字节的在线编程，应用编程Flash程序处理器，512字节EPROM，1K字节SRAM，32个通用工作寄存器，32个通用I/O口，3个定时/数据器，20个中断源，2个可编程串口USART，15种通过软件选择的节电模式。

主从芯片模块之间通过各自串口进行数据的交互。具体上说，主电路模块发送数据给从芯片模块，从芯片根据输入数据产生相应波形，以得到对应的输出功率。同时从芯片应用采集电路模块，采集实际功率反馈到主芯片，由主芯片将数据交给用户管理，必要时候会发出警告信息，达到保护电路的作用。

2、驱动程序的编写和Linux内核的裁剪

设计采用Linux操作系统作为操作平台。从Linux系统发展的过程来看，Linux从最开始就是一个开放的系统，并且遵循着源代码开放的原则，它是一个稳定的网络操作系统，作为嵌入式系统有如下优势。

（1） Linux的源码开放性允许任何人可以修改它的源代码。这样可以降低开发的成本，另一方面可以提高开发成本。（2） Linux支持X86、ARM、MIPS、SH等多种体系结构，并且已经移植到多种硬件平台。（3）Linux有独特的内核模块机制，它可以根据用户需要，实时的将某模块插入到内核或者从内核中移走。（4）linux系统内核精简、高效和稳定，能够充分发挥硬件功能，因此比其他操作系统运行更高效率。（5）Linux是首先支持TCP/IP协议栈的操作系统，它的内核在网络方面非常的完。

因为嵌入式开发的目标环境针对特定的操作系统，因此采用宿主机/目标机的方式，在PC机上装Linux操作系统，建立交叉编译环境arm-gcc。然后为设计系统硬件编写特定驱动程序，主要包括显示模块和串口通讯模块的驱动功能。

2.1液晶显示模块完成人机友好界面的数据驱动，对图形具有显示能力，设计中采用模块化的方法设计驱动程序。液晶显示驱动程序设计的内容如下：

（1）首先对驱动程序管理的硬件进行必要的初试化。（2）初始化设备相关的参数。（3）在内核中注册设备。其中涉及到重要的结构体为：static struct fb_ops s3c2410fb_ops；（4）其他的初始化工作。int __init s3c2410fb_init（void）；int __init s3c2410fb_setup（char *options）。

2.2串口通讯完成主控芯片发送数据和命令给从芯片，使从芯片完成端口的波形输出，通过输出的波形控制大功率设备的功率。同时大功率设备通过测量电路反馈实际功率给从芯片，从芯片通过串口发送数据给主控芯片显示正确的功率数据，方便用户查看。串口驱动的设计内容：

（1）初始化串口相关的硬件设备。涉及到重要的结构体为：

static struct tty_driver normal， callout；

static struct tty_struct *s3c2410_table［UART_NR］；

static struct termios *s3c2410_termios［UART_NR］；

static struct *s3c2410_termios_locked［UART_NR］。

（2）注册中断服务程序。接受中断服务程序：

static void s3c2410uart_rx_interrupt（int irq， void *dev_id，，struct pt_regs *regs）；

发送中断服务程序：

static void s3c2410uart_tx_interrupt（int irq， void *dev_id， ，struct pt_regs *reg）；

（3）在内核中注册设备。uart_register_driver（&s3c2410_reg）。

（4）设备的加载和卸载。module_init（s3c2410uart_init）;module_init（s3c2410uart_init）。

设计好硬件驱动程序后，为控制主芯片裁剪Linux内核以适合控制设备的需要。进入PC机Linux操作系统，进入ViVi原代码目录，执行“make menuconfig”命令开始配置内核。配置完毕以后再执行“make”命令便宜ViVi。将ViVi的映像文件通过JTAG烧写到设计好的硬件电路板中。

进入Linux内核文件中执行“make menuconfig”命令开始配置Linux内核文件，选上要使用的驱动选项并根据电路板实际芯片模块配置内核，最后使用“make”命令编译内核文件。如果编译出问题需要修改内核文件。编译成功以后通过串口将生成的映像文件下载到电路板中。之后ViVi 就可以启动下载好的内核文件。内核的设计及其调试流程图2—1。

3、基于QT的主芯片控制系统程序设计和从芯片程序设计

图形用户界面GUI是迄今为止计算机系统中最为成熟的人机交互技术。不同于桌面系统，嵌入式GUI所具备的特点：

*体积小；*运行时耗用的系统资源小；*上层接口与硬件无关，高度移植；*高度可靠性；

在开发中，考虑到问题主要集中在图形用户界面对硬件的要求，设计中提供给用户的最终界面是简单的实用性。

设计中采用挪威TrollTech公司提供的嵌入式开发平台QT/Embedded，做为本设计的软件开发平台。该平台以C++语言作为开发语言，其核心被称作信号与槽的机制。设计中，主芯片主要完成把数据显示在液晶模块上，让用户直观的控制设备的运行状况。同时还要把用户设定的功率发送给从芯片，使从芯片输出功率的波形。利用QT自带类QLCDNumber可以完成此工作，其中继承了显示相关的许多功能。图形控件布局采用类QWidget，时间的计算显示采用类QTimer。通讯模块中采用Linux内核函数cfsetispeed（）进行波特率的设定，利用串口重要数据结构体struct termios Opt对串口的校验位，停止位进行相应的设定，达到发送和接收数据的目的。图3—1显示主芯片程序设计流程。

从芯片采用中断方式接收主芯片发送过来的数据，并对接收过来的数据进行处理后，在端口引脚输出波形，波形经过输出电路产生适合大小的功率。同时从芯片不断的接收采集模块采集的电流数据，并对数据进行处理，再通过串口发送给主芯片，显示在主芯片的液晶模块上，提供给用户监控，并可以对危险信号进行处理。

4、控制系统的软硬联调

将编写好的主芯片程序应用交叉编译器进行编译，产生二进制代码，应用网络下载到主电路板中。同时把程序所关联的库文件和联结文件通过网络下载到主电路板Linux内核的对应位置并进行相应链接。

编写好的从芯片程序用编译器编译生成二进制代码，并烧入芯片的Flash中，以使得代码固化在芯片中。

为了检查设计电路测量和输出的准确性，需要验证给定功率、实际功率、显示的反馈功率之间的大小关系。最后实验显示：给定功率=计算实际功率=显示的反馈功率，证明设计的基于Linux控制系统能准确的运行，设计达到了性能要求。

5、结语

设计后的控制系统具有友好的图形操作界面，操作简便、直观。设计采用主、从二芯片的方案达到远程控制的优点，又保障了操作人员操作的安全性。

基于嵌入式Linux操作系统的控制系统设计运行稳定，实时性高。软件设计中加入对危险信号的处理达到保护设备的目的，运行安全、可靠性增强、实时性高，将有利于用户及科研机构的使用。

本文作者创新点：

1，　采用嵌入式系统的方法设计电源控制系统，具有实时性和稳定性的特性。

2，　国内对于多磁控管的设计方案较少，本论文提供了一种多磁控管电源控制的设计方案。

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