嵌入式系統如今已廣泛地滲透到了科學研究、工程設計、局勢技術、各類產業和商業等許多領域，并且還在不斷發展與延伸。嵌入式系統中又以ARM架構的運用最有前景。在嵌入式操作系統領域中則是種類繁多，各有特色，而嵌入式Linux的應用領域非常廣泛 ，Linux是開放源代碼的，不存在黑箱技術，遍布全球的眾多Linux愛好者又是Linux開發者的強大技術支持；其次，Linux的內核小、效率高，內核的更新速度很快,Linux是可以定制的，其系統內核最小只有約134KB。Linux適應于多種CPU和多種硬件平臺，是一個跨平臺的系統。

本課題以ARM9的嵌入式工控設計為主要內容和開發對象，目標是采用基于ARM9內核的ATMEL工業級嵌入式微處理AT91SAM9X25，主頻為400MHz，設計一款高性能、低功耗、低成本、小體積的嵌入式工業控制計算機。

一

設計目的和意義

AT91SAM9X25是一個高性能的基于ARM926嵌入式微處理器單元，運行在400 MHz，并設有多個網絡/連接外圍設備，優化的工業應用，如樓宇自動化，網關和醫療。工控機（IndustrialPersonal Computer，IPC）即工業控制計算機，是一種采用總線結構，對生產過程及機電設備、工藝裝備進行檢測與控制的工具總稱。工控機具有重要的計算機屬性和特征，如具有計算機CPU、硬盤、內存、外設及接口，并有操作系統、控制網絡和協議、計算能力、友好的人機界面。工控行業的產品和技術非常特殊，屬于中間產品，是為其他各行業提供可靠、嵌入式、智能化的工業計算機。

嵌入式工控機（EmbeddedIndustrial Computer）是一種加固的增強型工業計算機，它可以作為一個工業控制器在工業環境中可靠運行。早在90年代初期，美國AD公司就推出了類似的工控機。由于嵌入式工控機的性能可靠、無風扇結構、體積小巧、價格低廉，而在工控機中應用廣泛。

工控機系統無論從硬件到軟件，幾乎繼承了通用 PC 的全部特征。使用基于 X86 架構的處理器（目前僅 Intel、AMD 及 VIA 可生產）作為系統核心，并通過標準底板接插各種功能板卡的方式，完成系統的構成及功能擴展，因此，用戶可以在較短時間內，組建出功能強大的工業控制計算機系統，同時通過運行 Windows 系列操作系統， 保持與通用PC的軟件兼容。

目前，基于Windows系列操作系統的各種應用軟件已達到數以億計，且應用非常廣泛，這對工業控制系統的軟件開發與維護具有良好的支持與推動作用。

但由于IPC的固有缺點，使之在工業控制的某些應用領域，無法達到令人滿意的效果。 IPC 功耗較高、脆弱的存儲器系統以及體積和成本因素，在很多情況下已經完全抵消了其高性能和可維護性優勢，不能滿足應用需求。高功耗對系統散熱及穩定性帶來嚴峻考驗，廣泛使用的散熱風扇一直是故障率較高的部件之一，其它諸如液體散熱等方式，均由于工藝復雜，成本較高，目前僅少量使用在軍事、航空航天等高端領域；存儲器系統中的硬盤在系統不間斷運行且處于較嚴苛的工業環境情況下，平均使用壽命僅為 2～3 年，這通常遠低于工業控制系統的整體設計壽命，而采用雙列直插（DIMM）方式連接的內存部件，則不能承受哪怕是比較輕微的振動，加之體積與成本因素，限制了IPC在諸多工業控制場合的應用。

嵌入式工控機在設計上摒棄了兼容 PC 標準的想法， 著眼于千變萬化的應用需求；同時，由于應用需求的差異性，形成了嵌入式工控機百花齊放的現狀。嵌入式工控機是面向應用，對性能、成本、功耗、體積有嚴格要求的專用計算機系統，因此，僅從硬件構成上看，就包含多種位寬（從 4 位、8 位、16 位到 32 位等）、多種架構（如 ARM、PowerPC、MIPS 等）、生產商眾多的各種嵌入式微處理器，外圍接口則幾乎完全是按需設計，少有IPC所具有的標準接口；而軟件系統則根據不同的應用場合，使用無操作系統的監控模式、輕量級嵌入式操作系統（如eCos、．NET MF 等）或復雜嵌入式操作系統（如 Linux／Android、Vx-Works、WinCE 等），但不同平臺上的應用軟件通常不具有通用性。

與IPC相比較，嵌入式工控機是對性能、成本、功耗、體積等約束條件進行平衡與折衷的產物，很好地滿足了工業控制系統的要求，具有廣闊的發展前景。目前，在系統硬件平臺上，以ARM 為代表的嵌入式微處理器幾乎覆蓋傳統工業控制從低端到高端的全部領域，甚至延伸到桌面和服務器系統；而嵌入式軟件平臺的多樣性則契合了不同工業控制應用對系統功耗、運行效率、實時性、可靠性及系統安全性要求。

AT91SAM9X25處理器有兩個2.0A/ B兼容控制器區域網絡（CAN）接口，2個IEEE標準802.3兼容10/100Mbps的以太網MAC SAM9X25功能。通信接口包括一個專門的科勝訊的Smart DAA線路驅動器，HS USB設備和主機，FS USB主機，兩個HS SD卡/ SDIO / MMC接口，USART，SPI接口，I2S，TWIS位和10位ADC的軟調制解調器支持。以最小的處理器開銷，以確保不間斷的數據傳輸中，SAM9X25加上2 x 8個中央DMA通道和專用的DMA的高速連接外圍設備提供了一個10層總線矩陣。

因此采用AT91SAM9X25處理器設計嵌入式工業控制計算機可以實現工控機的高性能、低功耗、低成本、小體積的要求。

二

控制要求

1、采用基于ARM9內核的ATMEL工業級嵌入式微處理AT91SAM9X25，主頻為400MHz，設計一款高性能、低功耗、低成本、小體積的嵌入式工業控制計算機。所要求設計的嵌入式工控機以AT91SAM9X25為主處理器，支持128MB DDR2 SDRAM存儲器，1GB NAND Flash存儲器，2路10/100Mbps自適應工業以太網接口，2路CAN總線接口，4路高速串口，1路調試串口，2路USB2.0接口，大容量SD存儲卡以及多路GPIO，并支持寬電壓范圍供電（DC9V～DC30V）。

2、所設計的嵌入式工業控制計算機必須滿足工業現場環境要求，包含溫度條件（－40℃～80℃）、濕度條件（5～95% RH）及“三防”（防水、防霉、防塵）要求。

3、所設計的嵌入式工業控制計算機必須實現端口保護，包含以太網接口、CAN總線接口、串行接口、USB接口等。

4、完成所要求功能嵌入式工控機的原理圖設計，Protel99SE/DXP格式或Cadence格式。

5、選擇完成所要求功能嵌入式工控機的PCB設計，PCB為6層,Protel99SE/DXP格式或Cadence格式。

三

設計方案論證

（一）處理器選擇

1.飛思卡爾ARM9

飛思卡爾生產的ARM 9處理器有兩個系列，i.MX25系列和i.MX28系列。i.MX25以ARM926EJ-S為主處理器，支持128MB DDR2 同步動態隨機存儲器，1GB NAND 閃存儲器，一路10/100Mbps自適應工業以太網接口，2路CAN（控制器局域網絡）總線接口，4路高速串口，1路調試串口，2路USB2.0接口，大容量SD（同步動態）存儲卡以及多路GPIO（通用輸入輸出），滿足工業要求溫度條件（－40℃～85℃），且滿足濕度條件與三防。但是i.MX25只有一路10/100Mbps以太網接口，不滿足設計要求。而另一方面i.MX28在價格上不占優勢，所以對比選擇用sam9x25。

2.TI ARM9

TI生產的ARM9處理器有6個系列：AM1810，AM1808，AM1806，AM1802，AM1707，AM1705。

AM1802主頻為300MHz，支持128MB DDR2 SDRAM存儲器，1GB NAND Flash存儲器，1路10/100Mbps自適應工業以太網接口，無CAN總線接口，4路高速串口，1路調試串口，1路USB2.0接口，大容量SD存儲卡以及多路GPIO，并支持寬電壓范圍供電（DC9V～DC30V）。溫度條件（－40℃～90℃）、濕度條件（5～95% RH）及“三防”（防水、防霉、防塵），但不支持LCD。 AM1806主頻為456MHz，支持128MB DDR2 SDRAM存儲器，1GB NAND Flash存儲器，無10/100Mbps自適應工業以太網接口，無CAN總線接口，4路高速串口，1路調試串口，1路USB2.0接口，大容量SD存儲卡以及多路GPIO，并支持寬電壓范圍供電（DC9V～DC30V）。溫度條件（－40℃～90℃）、濕度條件（5～95% RH）及“三防”（防水、防霉、防塵）。

AM1808和AM1810主頻都為456MHz，支持128MB DDR2 SDRAM存儲器，1GB NAND Flash存儲器，1路10/100Mbps自適應工業以太網接口，無CAN總線接口，4路高速串口，1路調試串口，2路USB2.0接口，大容量SD存儲卡以及多路GPIO，并支持寬電壓范圍供電（DC9V～DC30V）。溫度條件（－40℃～90℃）、濕度條件（5～95% RH）及“三防”（防水、防霉、防塵）。

綜上，AM1802由于主頻不滿足400MHz，2路USB2.0接口，2路100兆以太網接口而淘汰，AM1806則由于沒有以太網接口，AM1808與AM1810缺少一路以太網接口而淘汰，AM1707則因為不支持128MB DDR2 SDRAM以及1GB NAND Flash而棄用。

（二）存儲器選擇

系統使用的存儲器是DDR2和NAND Flash，NAND Flash用于保存系統映像文件及系統配置信息等掉電不可丟失的信息，DDR2用于程序運行及運行變量信息掉電可丟失。但如果其中任何數據出現錯誤都會給系統帶來不可預知的后果，所以需要確保其穩定可靠。

目前生產DDR2和NAND Flash的半導體廠家有海力士（SK hynix），三星，美光（Micron）等。其中海力士生產的DDR2主要服務于消費產品其使用溫度范圍是0℃～85℃，因此不適合本次設計要求。考慮到三星生產的工業級DDR2使用不多，應該存在某些潛伏的問題。美光的工業級DDR2溫度范圍有-40℃～95℃和-40℃～105℃，并且其最大容量是8Gb（1GB）。同時對比K4T1G164QE-HCE6 FBGA84和MT47H64M16HR的價格，兩片K4T1G164QE-HCE6 FBGA84和一片MT47H64M16HR價格相差不大，同時參考TI提供的方案最終選擇美光的MT47H64M16HR作為本次嵌入式工控機設計的存儲器。

四

系統設計

（一） 總體設計

圖 1.系統總體設計圖

（二） 電源設計

LM2596是美國國家半導體公司生產的3A電流輸出降壓開關型集成穩壓芯片，它內含固定頻率振蕩器（150KHZ）和基準穩壓器（1.23v），并具有完善的保護電路、電流限制、熱關斷電路等。利用該器件只需極少的外圍器件便可構成高效穩壓電路。提供的有：3.3V、5V、12V及可調（-ADJ）等多個電壓檔次產品。一個單個電阻器將開關頻率調節至1MHz。輸出電流高達2A，效率高達90%。

圖 2.LM2596電源設計圖

LM2596將輸入電源轉換成5V，但整個系統需要多個電壓支持，因此還需一個電源管理芯片對輸入5V進行電壓分配及管理。

圖 3.FP6161設計圖

（三） DDR2與NAND Flash設計

不管對于PC，還是對于嵌入式系統來說，內存都是一個必不可少的重要組件。操作系和應用程序的運行都離不開內存，系統映像和程序代碼一般都是先載入到內存，然后由CPU加以執行，因此內存的速度和容量對于系統性能而言起著至關重要的作用。

AT91SAM9X25支持一個64字節的內部ROM嵌入引導程序：NANDFlash的啟動，SD卡的DataFlash?或串行數據閃存，可編程順序。一個32字節的內部SRAM，單周期存取系統的運行速度，高帶寬，多端口的DDR2控制器，32位外部總線接口支持8行DDR2/LPDDR，SDR / LPSDR的，靜態的存儲器，MLC /SLC NAND控制器，24位可編程的多比特錯誤糾正代碼（PMECC）。

圖 4.DDR2設計圖

圖5. NAND Flash設計圖

（四） USB設計

目前，USB設備已經得到廣泛的引用，USB鼠標、USB鍵盤、USB攝像頭、USB無線網卡等外設變得越來越普通。通過 USB 接口可以擴展各種各樣的功能，這些設備的使用都需要 USB Host 接口。同時為了和PC 或者其它 USB Host設備相連，需要USB Slave。

圖 6.USB2.0設計圖

（五）以太網設計

在工業控制現場，往往需要通過網絡來傳遞數據和其它信息，從而實現多機協同操作與交互，以及遠程數據庫的訪問等功能。我們通過把嵌入式工控機接入到相關的網絡，可以獲取同一網絡中其它設備的信息和狀態，還可以向這些設備發送相關的命令，以完成相應的設置和操作。

目前，在工控現場，為了把多個設備連接起來可以通過各種現場總線（比如LonWorks，Profibus，CAN總線等等）或者以太網技術。以太網技術具有價格低廉、穩定可靠、通信速率高、軟硬件產品豐富、應用廣泛以及支持技術成熟等優點，已成為最受歡迎的通信網絡之一。因此本次嵌入式工控體機中集成了對以太網的支持，而若要支持其它現場總線，則可以使用相應的總線模塊。由于SAM9X25處理器集成兩路10/100兆的以太網控制器，我們只需要外接千兆以太網收發器，就能提供對千兆以太網的支持。本次設計選擇的千兆以太網收發器是DM9161A，另外在以太網收發器和以太網接口之間還要添加相應的變壓器，實現電壓的隔離和轉換，本次設計采用的百兆以太網接口是6605814-6其內置了變壓器。

圖7.以太網流程圖

（六）串口設計

由于串行通訊方式具有使用線路少、成本低的特點，特別是在遠程傳輸時，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。在進行串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標準接口，使不同的設備可以方便地連接起來并進行通訊。RS232 接口是目前最常用的一種串行通訊接口，它是在 1970 年由美國電子工業協會（EIA）聯合貝爾系統、調制解調器廠家及計算機終端廠家共同制定的用于串行通訊的標準。在RS232 協議中，信號線的電壓為負邏輯關系，邏輯“1”為-5~-15V，邏輯“0”為+5~+15V，噪聲容限為 2V，也就是說要求接收器能識別低至+3V 的信 號作為邏輯“0”，高到-3V的信號為邏輯“1”。經常使用的串行口有 9 針和25 針兩種類型，這里對的串行口的引腳定義作簡單介紹：

圖 8.串口功能圖

實際上兩個設備之間通過三根信號線（RXD，TXD，GND）就能實現串行通訊，其它信號線則用于實現一些附加功能和專用功能。

SAM9X25處理器內部集成了UART 模塊，可以支持2個UART口，由于其信號電平還只是 TTL 電平，因此在把這兩個接口用作 RS232 接口時，還需要經過RS232電平轉換芯片把信號電平轉化為 RS232 電平。本次選用了TI公司的MAX232E來實現電平的轉換，這部分電路圖如圖所示，圖中的UART0_RXD、UART0_TXD兩根信號線由SAM9X25的UART0模塊引出，標號為CON1的 DB9 接口就可以用于RS232 通訊。另外1個RS232 接口的設計和此類似，由SAM9X25的UART1模塊引出。

圖 9.串口功能圖

（七）3G&WIFI設計

3G指無線移動網絡，可以隨時隨地的使用； Wi-Fi是一種可以將個人電腦、手持設備（如PDA、手機）等終端以無線方式互相連接的技術。通過這種方式，我們可以遠程控制我們的設備。3G模塊，WIFI模塊如下：

圖 10.3G&WIFI模塊設計圖

（八） SD存儲卡設計

SAM9X25可以支持MMC卡，SD卡以及 Memory Stick等多種存儲設備，而SD卡的性價比更高，可以支持最大64G 的容量，使用也比較方便。SD 卡是在 MMC 卡的基礎上發展而來的，它比 MMC 卡多了兩根信號線用作數據傳輸，其傳輸速率比MMC快很多，能支持1 Bit 和 4 Bit 兩種模式。MMC和SD卡的信號描述如圖所示：

圖 11.SD信號描述圖

除了上面這些標準引腳外，SD 卡插座一般還會提供 CD 信號和 WP 信號,分別用來檢測卡的插入和寫保護信號。SD 部分的原理圖設計如圖所示：

圖 12.SD卡設計圖

（九）數字輸入輸出設計

為應對復雜的工業環境，外部的數字信號要進入工控機里需要對其進行隔離，本次采用簡單可靠的光電耦合器進行輸入隔離，繼電器進行輸出隔離。如圖所示：

圖 13.數字輸入輸出設計圖

五

設計結果及分析

按照設計要求，選定了器件型號，設計了符合各項要求的基于ARM9的嵌入式工控機硬件電路，最終布局結果如下圖所示：

圖 14.總體PCB設計圖

最終設計電路包含SAM9X25核心系統、電源輸入接口、兩路百兆以太網接口、一路調試串口、四路高速串口、USB2.0高速主機接口、大容量SD存儲卡以及多路GPIO、8路數字輸入接口、并支持寬電壓范圍供電（DC9V～DC30V）。配以合適的外裝箱，可實現防塵、防水要求。

六

結束語

從上個世紀末以來，微電子、計算機、信息技術的飛速發展，不僅帶來了經濟的發展、社會的進步和人類的生活狀態改善，同時也為工業生產帶來了一次深刻的變革。工控系統引入了計算機控制，徹底改變了以往的繼電器接觸器控制，使得工控系統進入了自動化的階段。以計算機為核心的工業控制系統，可以通過對工作過程中的各種參數進行實時的采集、分析處理和控制，實現對生產過程的監控和管理，使得生產過程按照預期的要求有條不紊快速精確的運行，這不僅提高了生產效率，同時提高了質量，降低了成本，還將人力從惡劣的工作環境及復雜的控制工作中解脫出來。基于高性能嵌入式處理器的嵌入式系統，由于其優異的性能和多方面的優點，在工業控制中應用特別廣泛。