基于嵌入式Linux的多磁控管電源控制系統設計

1、電路硬件整體設計

設計主要包括3個(gè)模塊：1，人機交換模塊（S3C2410芯片擴展電路）、2，功率輸出模塊（ATmega16L芯片擴展電路）、3，磁控管工作電路。人機交換模塊主要用來(lái)接收使用者的命令數據，再傳遞給功率輸出模塊輸出給定功率。同時(shí)接收功率輸出模塊電路中功率反饋回來(lái)的信息，使得使用者能對相應信息做出處理。整體框架如圖1―1所示：

1.1基于S3C2410X處理器的控制電路設計

控制系統中采用韓國三星半道體公司的S3C2410X處理器作為主控制芯片。SBC2410X是一款基于ARM920T內核的16/32位RISC嵌入式微處理器，高性?xún)r(jià)格比，低功耗。應用該芯片作為主控制芯片，并擴展64M SDRAM、64M Nand Flash、1M的Nor Flash、標準串口、用戶(hù)按建、液晶屏接口、JTAG模塊、以太網(wǎng)接口（如圖1―2所示）。

圖1―2、S3C2410外圍擴展

1.2 基于ATmega16L單片機功率輸出電路設計

從芯片采用AVR系列單片機ATmega16L。ATmega16具有豐富的片內資源，其中包括：16k字節的在線(xiàn)編程，應用編程Flash程序處理器，512字節EPROM,1K字節SRAM，32個(gè)通用工作寄存器，32個(gè)通用I/O口，3個(gè)定時(shí)/數據器，20個(gè)中斷源，2個(gè)可編程串口USART，15種通過(guò)軟件選擇的節電模式。www.51kaifa.com

主從芯片模塊之間通過(guò)各自串口進(jìn)行數據的交互。具體上說(shuō)，主電路模塊發(fā)送數據給從芯片模塊，從芯片根據輸入數據產(chǎn)生相應波形，以得到對應的輸出功率。同時(shí)從芯片應用采集電路模塊，采集實(shí)際功率反饋到主芯片，由主芯片將數據交給用戶(hù)管理，必要時(shí)候會(huì )發(fā)出警告信息，達到保護電路的作用。

2、驅動(dòng)程序的編寫(xiě)和Linux內核的裁剪

設計采用Linux操作系統作為操作平臺。從Linux系統發(fā)展的過(guò)程來(lái)看，Linux從最開(kāi)始就是一個(gè)開(kāi)放的系統，并且遵循著(zhù)源代碼開(kāi)放的原則，它是一個(gè)穩定的網(wǎng)絡(luò )操作系統，作為嵌入式系統有如下優(yōu)勢。

（1） Linux的源碼開(kāi)放性允許任何人可以修改它的源代碼。這樣可以降低開(kāi)發(fā)的成本，另一方面可以提高開(kāi)發(fā)成本。（2） Linux支持X86、ARM、MIPS、SH等多種體系結構，并且已經(jīng)移植到多種硬件平臺。（3）Linux有獨特的內核模塊機制，它可以根據用戶(hù)需要，實(shí)時(shí)的將某模塊插入到內核或者從內核中移走。（4）linux系統內核精簡(jiǎn)、高效和穩定，能夠充分發(fā)揮硬件功能，因此比其他操作系統運行更高效率。（5）Linux是首先支持TCP/IP協(xié)議棧的操作系統，它的內核在網(wǎng)絡(luò )方面非常的完。www.51kaifa.com

因為嵌入式開(kāi)發(fā)的目標環(huán)境針對特定的操作系統，因此采用宿主機/目標機的方式，在PC機上裝Linux操作系統，建立交叉編譯環(huán)境arm-gcc。然后為設計系統硬件編寫(xiě)特定驅動(dòng)程序，主要包括顯示模塊和串口通訊模塊的驅動(dòng)功能。

2.1液晶顯示模塊完成人機友好界面的數據驅動(dòng)，對圖形具有顯示能力，設計中采用模塊化的方法設計驅動(dòng)程序。液晶顯示驅動(dòng)程序設計的內容如下：

(1)首先對驅動(dòng)程序管理的硬件進(jìn)行必要的初試化。(2)初始化設備相關(guān)的參數。(3)在內核中注冊設備。其中涉及到重要的結構體為：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串口通訊完成主控芯片發(fā)送數據和命令給從芯片，使從芯片完成端口的波形輸出，通過(guò)輸出的波形控制大功率設備的功率。同時(shí)大功率設備通過(guò)測量電路反饋實(shí)際功率給從芯片，從芯片通過(guò)串口發(fā)送數據給主控芯片顯示正確的功率數據，方便用戶(hù)查看。串口驅動(dòng)的設計內容：www.51kaifa.com

(1)初始化串口相關(guān)的硬件設備。涉及到重要的結構體為：

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)注冊中斷服務(wù)程序。接受中斷服務(wù)程序：

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

發(fā)送中斷服務(wù)程序：

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

(3)在內核中注冊設備。uart_register_driver(s3c2410_reg)。

(4)設備的加載和卸載。module_init(s3c2410uart_init);module_init(s3c2410uart_init)。

設計好硬件驅動(dòng)程序后，為控制主芯片裁剪Linux內核以適合控制設備的需要。進(jìn)入PC機Linux操作系統，進(jìn)入ViVi原代碼目錄，執行“make menuconfig”命令開(kāi)始配置內核。配置完畢以后再執行“make”命令便宜ViVi。將ViVi的映像文件通過(guò)JTAG燒寫(xiě)到設計好的硬件電路板中。

進(jìn)入Linux內核文件中執行“make menuconfig”命令開(kāi)始配置Linux內核文件,選上要使用的驅動(dòng)選項并根據電路板實(shí)際芯片模塊配置內核，最后使用“make”命令編譯內核文件。如果編譯出問(wèn)題需要修改內核文件。編譯成功以后通過(guò)串口將生成的映像文件下載到電路板中。之后ViVi 就可以啟動(dòng)下載好的內核文件。內核的設計及其調試流程圖2―1。

圖2―1、內核調試流程

3、基于QT的主芯片控制系統程序設計和從芯片程序設計

圖形用戶(hù)界面GUI是迄今為止計算機系統中最為成熟的人機交互技術(shù)。不同于桌面系統，嵌入式GUI所具備的特點(diǎn)：

*體積??；*運行時(shí)耗用的系統資源??；*上層接口與硬件無(wú)關(guān)，高度移植；*高度可靠性；

在開(kāi)發(fā)中，考慮到問(wèn)題主要集中在圖形用戶(hù)界面對硬件的要求，設計中提供給用戶(hù)的最終界面是簡(jiǎn)單的實(shí)用性。

設計中采用挪威TrollTech公司提供的嵌入式開(kāi)發(fā)平臺QT/Embedded,做為本設計的軟件開(kāi)發(fā)平臺。該平臺以C++語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，其核心被稱(chēng)作信號與槽的機制。設計中，主芯片主要完成把數據顯示在液晶模塊上，讓用戶(hù)直觀(guān)的控制設備的運行狀況。同時(shí)還要把用戶(hù)設定的功率發(fā)送給從芯片，使從芯片輸出功率的波形。利用QT自帶類(lèi)QLCDNumber可以完成此工作，其中繼承了顯示相關(guān)的許多功能。圖形控件布局采用類(lèi)QWidget，時(shí)間的計算顯示采用類(lèi)QTimer。通訊模塊中采用Linux內核函數cfsetispeed()進(jìn)行波特率的設定，利用串口重要數據結構體struct termios Opt對串口的校驗位，停止位進(jìn)行相應的設定，達到發(fā)送和接收數據的目的。圖3―1顯示主芯片程序設計流程。www.51kaifa.com

從芯片采用中斷方式接收主芯片發(fā)送過(guò)來(lái)的數據，并對接收過(guò)來(lái)的數據進(jìn)行處理后，在端口引腳輸出波形，波形經(jīng)過(guò)輸出電路產(chǎn)生適合大小的功率。同時(shí)從芯片不斷的接收采集模塊采集的電流數據，并對數據進(jìn)行處理，再通過(guò)串口發(fā)送給主芯片，顯示在主芯片的液晶模塊上，提供給用戶(hù)監控，并可以對危險信號進(jìn)行處理。

圖3―1、主芯片程序流程圖

4、控制系統的軟硬聯(lián)調

將編寫(xiě)好的主芯片程序應用交叉編譯器進(jìn)行編譯，產(chǎn)生二進(jìn)制代碼，應用網(wǎng)絡(luò )下載到主電路板中。同時(shí)把程序所關(guān)聯(lián)的庫文件和聯(lián)結文件通過(guò)網(wǎng)絡(luò )下載到主電路板Linux內核的對應位置并進(jìn)行相應鏈接。

編寫(xiě)好的從芯片程序用編譯器編譯生成二進(jìn)制代碼，并燒入芯片的Flash中，以使得代碼固化在芯片中。

為了檢查設計電路測量和輸出的準確性，需要驗證給定功率、實(shí)際功率、顯示的反饋功率之間的大小關(guān)系。最后實(shí)驗顯示：給定功率=計算實(shí)際功率=顯示的反饋功率，證明設計的基于Linux控制系統能準確的運行，設計達到了性能要求。

5、結語(yǔ)

設計后的控制系統具有友好的圖形操作界面，操作簡(jiǎn)便、直觀(guān)。設計采用主、從二芯片的方案達到遠程控制的優(yōu)點(diǎn)，又保障了操作人員操作的安全性。

基于嵌入式Linux操作系統的控制系統設計運行穩定，實(shí)時(shí)性高。軟件設計中加入對危險信號的處理達到保護設備的目的，運行安全、可靠性增強、實(shí)時(shí)性高，將有利于用戶(hù)及科研機構的使用。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：

1， 采用嵌入式系統的方法設計電源控制系統，具有實(shí)時(shí)性和穩定性的特性。

2， 國內對于多磁控管的設計方案較少，本論文提供了一種多磁控管電源控制的設計方案。

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