基于ModBus协议及嵌入式的MultiBus—CPU模块_技术

MulTIBus—CPU模块是基于AT91RM9200微控制器的智能化多总线测控模块。该CPU模块主要实现对下位机的控制，并建立基于Modbus—RTU总线协议的总线通信体系结构，让系统设备可以无缝接入基于Modbus—RTU模式的总线系统，可靠、实时、准确地实现工业现场数据采集、信号输出等功能；同时，提供标准视频接口用于显示16位色图像，提供标准音频输入输出接口用于实现录放音功能。该模块作为嵌入式开发环境的核心，可实现人机界面的交互 *** 作和显示、海量数据的存储、多串口、多USB口、音频信号输入输出、以太网口等接口；运行Linux *** 作系统，可以快速搭建面向应用的嵌入式应用系统。

1 MulTIBus—CPU模块软件设计方案
为了满足实际应用对实时性的要求，MulTIBus—CPU模块软件采用了Linux2．6．21 *** 作系统。其中，Linux2．6的内核任务可以被抢占，这一特性使得Linux2．6内核适用于实时系统和嵌入式系统中。驱动程序在Linux环境下进行开发，应用层采用标准的通信协议——Modbus协议，控制设备可以连成工业网络进行集中监控。通过一致的Modbus接口，MulTIBus—CPU模块与扩展下位机均可作为对等设备在工业网络中进行对话，使得各个设备无缝接入到工业控制网络中。MultiBus—CPU模块支持现阶段工业测控系统中最常用的以太网(UDP)通信及RS485通信协议。因此，本模块在与其他功能模块进行通信时，采用Modbus—RTU数据通信方式，利用以太网(UDP)／RS485总线进行数据的发送与接收，实现对各功能模块的集中监控。软件总体结构如图l所示。

2 MulitiBus—CPU模块硬件设计方案
硬件设计原理图如图2所示。MultiBus—CPU模块选用Atmel公司的AT91RM9200为主处理器，融合了ARM920T ARM Thumb处理器。其工作于180 MHz时性能高达200 MIPS；具备存储器管理单元，可以运行Linux等实时 *** 作系统；具备10／100 Base—T型以太网卡接口，只需外扩一个PHY即可实现以太网通信；具备USB 2．O全速(12 Mb／s)主机双端口，可以扩展键盘、鼠标、U盘等标准外设。

    主处理器AT91RM9200具备5个串口：1个DEBUG串口，设计为RS232接口，可以直接连接PC的串口进行调试；1个RS485接口，可以与其他功能模块的RS485接口组成网络；其余3个串口均设计为RS232接口。
    通过CPU模块的外部总线和Epson公司的S1D13506显示芯片扩展了一个VGA接口，分辨率为640×480，256色。IS41LVl6100为其提供独立显存，容量为1M×16位，支持EDO PAGE模式。
    GL850A芯片是一个低功耗的USB 2．0 HUB控制器，AT91RM9200本身的USB HOST接口通过GL850A芯片扩展为4个USB HOST接口。
DS3231是精度非常高的I2C集成实时时钟。其精度在0～40℃内高达±2 ppm，在-40～85℃内精度可达±3．5ppm；板载电池，掉电后可以保持时间；可为系统提供秒、分、小时、日、日期、月、年等信息，具有自动闰年调整功能。
    WM8731是一个低功耗网络音频编解码器(CO-DEC)，具有输出功率放大器和可编程采样速率设定功能。WM8731芯片通过I2S接口与CPU连接，为CPU模块扩展了音频信号的输入输出接口，使系统具备音频采样功能，音频信号数字化后可以通过以太网传送。
    DM9161为10／100M快速以太网物理层单芯片收发器，H1102为网络隔离变压器，用于实现10／100M自适应的可靠网络传输功能。
    MultiBus—CPU模块通过增加显示控制芯片及其驱动实现了显示接口，系统运行信息可以直接通过VGA显示器显示出来，大大提高了人机交互的可 *** 作性。

3 显示模块硬件设计方案
3．1 接口芯片选择
接口芯片选用Epson公司生产的大规模显示控制器S1D13506。它是以SEDl354控制器为基础发展起来的具有更多功能的LCD显示控制器，支持全类型、大规模的LCD及CRT／TV显示器。S1D13506内置RAMDAC(Random Access Memory Digital-to-Analog Converter，随机数模转换记忆体)硬件X-Y轴转置二维加速，共有114个寄存器，可以灵活地设置各种不同的显示方式。
3．2 接口硬件设计
S1D13506与处理器的接口采用通用类型总线(包括数据总线、地址总线、控制总线)。接口定义如表1所列。芯片所用像素时钟CLKl、CLK2是由同步信号发生器ICSl523来提供的，外接1M×16位的EDO-DRAM IS41LVl6100。

图3是显示电路总体连接图。S1D13506连接到AT9IRM9200的信号有：
、ABl～AB20、DBl～DBl5、。连接到ICSl523的信号有：CLCKI、CLCKl2(用于内部显示及外部媒体接口时钟)。连接到IS41LVl6100的信号有：DRAM-WE、DRAM-RAS、LCAS、UCAS、MA0～MA9、MD0～MDl5。其中，MDl、MD2、MD4、MD6、MDl5需要外接上拉电阻用于S1D13506初始配置。其他控制信号连接到LCD／CRT显示器。S1D13506芯片有个测试使能引脚TESTEN在芯片正常工作时接地。如果不使用RAMDAC的数模转换功能，那么IREF引脚必须接地。ICSl523通过I2C串行总线(TWD、TWCK)接受AT91RM9200对它的寄存器配置。本设计中，ICSl523的输入时钟是50 MHz，输出CLKl为25 MHz，CLK2为12．5 MHz．

4 显示模块软件设计方案
4．1 Linux下LOD驱动程序开发
    在Linux内核中，设备驱动程序是一个个独立的“黑盒子”，可以使某个特定的硬件响应一个定义良好的内部编程接口，同时完全隐藏了设备的工作细节，用户 *** 作只需要通过一组标准化的调用即可完成。把这些调用映射到设备特定的 *** 作上，则是设备驱动程序的任务。而每一个设备都可以看作是一个文件，所以打开的设备在内核中都可以由一个File结构标识，内核使用File_operations结构访问驱动程序的函数。每个文件(设备)都与它自己的函数集相关联。这些 *** 作函数主要负责上面所提到的系统调用的实现，并因此被命名为open、read、for-k，ioctl等。
    LCD控制器的功能是显示驱动信号，进而驱动LCD。用户只需要通过读写一系列的寄存器，就可以配置和显示驱动。配置LCD控制器时，最重要的一步是帧缓冲区(FrameBuffer)的指定。帧缓冲区为图像硬件设备提供了一种抽象化处理，它代表了一些视频硬件设备，允许应用软件通过定义明确的界面来访问图像硬件设备。用户程序只需与帧缓冲驱动程序抽象出来的接口打交道，就可以把要显示的内容从缓冲区中读出，从而显示到屏幕上。
    在FrameBuffer驱动程序中，最核心的结构体是帧缓冲区驱动程序接口，即struct fb_info。它记录了当前FrameBtlffer硬件设备的状态，通常在Linux的inctLtde／Linux／fb．h中定义。最主要的结构体有：Struct fb_fiX_screeninfo，定义显示输出设备自身的属性，如屏幕缓冲区的物理地址和长度；Struct fb_var_screeninfo，记录帧缓冲设备和指定显示模式的可修改信息，包括显示屏幕的分辨率、每个像素的比特数和一些时序变量。
    若要先设定帧缓冲区的物理地址和长度，就要在SlDl3506．h里指定，然后在驱动程序里通过对fb_fiX_screeninf0赋值来实现：


    首先对LCD的背光灯进行点亮。LCD显示是一种被动的显示模式，不能发光，只能依靠控制透射或反射周围环境的光来达到显示的目的。因此，必须通过写寄存器用高电平指示对LCD加3．2 V电压来实现背光灯的点亮。其函数的部分代码如下：

    数组里每个元素的第1个值代表寄存器的名称，第2个值代表要设定的数值(1个十六进制的数)。32h寄存器用于设定LCD显示的水平像素数目，计算方法是把第2个值转换成十进制，加1再乘以8就得出水平像素。例如，0x63换算成十进制为99，加1乘以8就是800。38h和39h寄存器分别设置成0x57和0x02，就可以显示600的垂直分辨率。计算方法是以39h寄存器的bitO和bitl位为高位，38h寄存器的bitO～bit7为低位，组成的一个十六进制的数，再转换成十进制。除了要修改这3个寄存器外，34h和3Ah这两个寄存器也会对显示的分辨率有影响。
    帧缓冲设备也属于字符设备，要通过“文件层-驱动层”的接口方式来对LCD进行驱动，就必须对File operationes数据结构的参数fb_ops进行填充，并实现其对应的成员函数。本系统在include／Linux／fb．h中定义了帧缓冲区的文件 *** 作，部分代码如下：

    这个结构中的每一个字段都必须指向驱动程序中实现特定 *** 作的函数。对于不支持的 *** 作，对应的字段可以被置为NULL，或留到后续开发时再添加。本模块中实现特定 *** 作的成员函数的代码如下：

    接下来把一些调用的函数写完整，编写好程序后用arm-linux-gcc编译驱动模块；然后对其动态加载，或静态将其编译到Linux内核；加载完程序后，就可以编写应用程序进行读／写等 *** 作了。
4．2 MinilGUI的移植
    在嵌入式开发环境中，独立的显示 *** 作人机界面是非常必要的。它可以使嵌入式系统对PC系统的依赖性降到最低，可以直接 *** 作嵌入式系统并显示运行结果。MultiBus-CPU模块采用标准的USB键盘、USB鼠标、VGA显示器作为人机交互界面，使用习惯类同于PC机，简易了开发者的开发过程，并且用户的使用过程也变得简单、快捷、易于 *** 作。
    MiniGUI是遵循GPL条款发布的自由软件，其目标是为基于Linux的实时嵌入式系统提供一个轻量级的图形用户界面支持系统。与QT／Em-bedded、MicoroWindows等其他GUI相比，MiniGUI的最显著特点就是轻型、占用资源少。据称MiniGUI能够在CPU主频为30 MHz、仅有4 MB RAM的系统上正常运行，这是其他多种GUI所无法达到的。
    MiniGUI在AT91RlM9200上的移植包括4个步骤：
    ①构建Linux交叉编译环境。通常使用的交叉编译工具是arm-Linux-gcc2．95．3版本。下载此交叉编译工具后在Linux内安装好，并且在PATH中添加／usr／loeal／arm-Linux／bin路径，交叉编译环境就构建好了。
    ②交叉编译MiniGUI，这是最关键的一步。首先从网上下载MiniGUI源程序包(包括库文件和资源文件)，以及其他支持图形界面的源程序包；然后用上一步安装好的交叉编译工具对其进行编译，编译时可指定编译后库文件及资源文件的安装位置。
    ③拷贝MiniGUI资源到开发板。将第2步编译好的库文件及资源文件拷贝到开发板上。拷贝之前先用arm-Linux-strip命令清除文件中的调试信息，这样就使文件体积大大缩小，可以满足嵌入式系统的需要。
    ④板载Linux的MiniGUI环境配置。将第2步安装好的MiniGUI配置文件MiniGUI．cfg下载到板子中，并将其中fbcon的defaultmode设置为合适的显示模式。