基于ARM的嵌入式系统设计

渠 奕

(国营785厂第一研究所，山西太原030024)

现在社会是一个高度信息化、网络化的社会，计算机和网络已经全面渗透到日常生活的每个角落，信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展契机。嵌入式系统应用非常广泛［1］，军事国防是嵌入式系统的一个重要应用领域。现在各种武器控制如火炮控制、导弹控制和智能炸弹制导引爆控制，以及坦克、舰艇、轰炸机、陆海空各种军用电子装备，雷达、电子对抗军事通信装备和野战指挥作战等各种专用设备上，都可见嵌入式系统的影子。

1 系统总体概述

1.1 系统结构

本系统由ARM板、ADU3600板、显示器、母板等组成。

图1 系统框图

1.2ARM处理器特点

ARM(Advanced RISC Machine)微处理器体系结构目前被公认为是嵌入式应用领域领先的32位嵌入式RISC微处理器结构，采用32位地址和数据总线，其地址空间达到了232=4GB［2］，具有功耗低、性价比高和代码密度高等特点;大量使用寄存器，多数数据操作都在寄存器中完成，指令执行速度更快;寻址方式灵活简单，执行效率高。

1.3 ADU3600 板特性

克服了惯性定向产品精度随时间和温度漂移的缺陷，用载波测量技术和快速求解整周模糊度技术，解算出两个GPS接收机天线处位置和两天线相位中心连线与真北之间的夹角。

2 系统硬件设计

2.1 数据接收电路

选用的GPS天线为零相位测量型天线，馈线与天线在阻抗、增益、放大倍数等方面与标配的天线有很好地匹配。

前天线:用天线馈线一端连接接口，另一端连接GPS前天线(前进方向)。

后天线:用天线馈线一端连接接口，另一端连接GPS后天线(后退方向)。

GPS后天线相位中心到GPS前天线相位中心的连线我们称为基线。基线与真北间的夹角我们称为方位角。基线越长定向精度就越高，通常基线长度增加一倍，定向精度也会提高一倍。应尽可能将两个天线安装间距拉长，这样可提高定向精度。

图2 数据接收示意图

2.2 数据处理电路

接收板通过两条GPS天线接收到数据后，进行第一次数据处理、分类、打包等，然后通过串口把处理后的数据经由母板传送给主板，主板接收到数据后，进行第二次数据处理、分类、打包等一系列工作，最后通过显示屏把相应的数据进行显示，并同时通过串口经由母板把数据发送给外设。

图3 数据处理示意图

2.3 接口电路

(1)显示接口

液晶显示器(LCD)具有耗电省、体积小等特点，被广泛应用于嵌入式系统中。LCD显示器就是通过给不同的液晶单元供电，控制其光线的通过与否，从而达到显示的目的。

(2)串行接口

本系统采用的RS－232C是由美国电子工业协会EIA制定并采用的一种串行通信接口标准，已经发展成为一种国际通用的串行通信接口标准。

3 系统软件设计

嵌入式软件可以分为三大类:系统软件、应用软件和支撑软件。系统软件控制和管理嵌入式系统资源，为嵌入式应用提供支持的各种软件，如设备驱动程序、嵌入式操作系统等;应用软件是嵌入式系统中的上层软件，它定义了嵌入式设备的主要功能和用途，并负责与用户进行交互;支撑软件是辅助软件开发的工具软件，如交叉编译器、在线仿真工具等。本系统中的系统软件和应用软件是运行在嵌入式设备上，支撑软件运行在普通PC机上。

3.1 板级支持包

设备驱动层也叫板级支持包(Board Support Package，BSP)，它包含了嵌入式系统中所有与硬件相关的代码，并向上提供一个虚拟的硬件平台使操作系统运行其上。它包括引导加载程序Bootloader和设备驱动程序。Bootloader是在操作系统内核运行之前运行的一小段程序，通过这段程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图、从而将系统的软硬件环境设置到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核做好准备;设备驱动程序就是一组库函数，用来对硬件进行初始化和管理。并向上层软件提供良好的访问接口。

3.2 嵌入式操作系统(Embedded Operating System，EOS)

本系统采用的VxWorks是美国WindRiver System公司开发的一款嵌入式实时操作系统，具有良好的可靠性和卓越的实时性，是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的商业系统。它基于微内核的体系结构，采用GNU类型的编译和调试器，多数API函数都是专有的。

3.3 集成开发环境

Tornado是 WindRiver公司推出的一个集成开发环境［2］。

3.4 应用软件

本系统程序采用标准C语言编写，在Tornado集成开发环境中调试，通过串口或网络通信线路传输并装载到ARM板中，最终脱离宿主机在ARM板中单独运行。

图4 Tornado环境中宿主机与目标机之间的关系

图5 嵌入式程序的生成过程

4 系统性能指标

(1)定位误差不大于30 m，定向误差不大于0.06°;

(2)定位定向不超过2 min;

(3)阳光下可读的EL显示器;

(4)总功率不超过10 W;

(5)包装箱体积不大于410 mm×322 mm×216 mm，质量不大于20 kg;

(6)适合于－40℃ ～50℃工作，适合于－55℃ ～60℃储存。

5 结束语

本系统在综合考虑硬件平台、嵌入式处理器、外围设备、接口电路的基础上进行硬件设计，经测试达到硬件的稳定性和可靠性要求;软件设计中嵌入式平台、操作系统、编程语言、集成开发环境的选择上充分考虑了系统的实时性和可扩展性。

［1］李忠民，杨刚，顾亦然，等.ARM嵌入式VxWorks实践教程［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2006.

［2］魏洪兴.嵌入式系统设计师教程［M］.北京:清华大学出版社，2006.