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:
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。
參考文獻:
[1]于明,范書(shū)瑞編.ARM9嵌入式系統設計與開(kāi)發(fā)教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.
[2][美]Bonnie Baker著(zhù),李喻奎譯.嵌入式系統中的模擬設計[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006
[3] 劉晶晶.基于A(yíng)RM-Linux嵌入式系統引導程序的設計 [L].微計算機信息.2006年第2-2期.P123-125.
[4]李善平編.Linux內核2.4版源代碼分析大全[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.
[5]倪繼利編.QT及Linux操作系統窗口設計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.
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