ARM编程范文（精选3篇）
ARM编程 第1篇
1ARM和嵌入式系基本概念
嵌入式系统也就是说嵌入式计算机系统, 可以使用在大型厂房或者机器装置进行监控中, 相比较普通计算机系统来说, 存在以下几方面优势: 第一, 计算机系统主要面对的就是大部分行业和大众, 但是嵌入式计算机系统主要面向的是一些特定应用; 第二, 一般来说计算机软件大部分都是储存在硬盘或者磁盘中, 但是嵌入式计算机软件大部分存储在单片机或者存储器芯片上[1]; 第三 , 一般情况下 , 嵌入式计算机系统需要一定比较专业的编程环境和开发工具, 与计算机系统相类似, 嵌入式计算机系统包括应用软件和操作软件, 由此可发现, 其中基本结构主要包括了嵌入式外围设备、 嵌入式处理器、 嵌入式应用软件、 嵌入式操作系统, 嵌入式处理器实际上与计算机CPU类似, 属于系统核心部分。 侵入式处理器中最重要的就是ARM系类处理器, 具备功耗 低 、 速度快、 价格低等特点, 使其拥有广阔的应用前景, 现阶段已经在通信系统、 电子产品和军事系统中得到广泛运用。
2main函数和系统引导
一般来说, C语言都是从main函数开始进行的, main函数的基本原型就是: Int main (int argc, char***argv), argv表示参数个数, argv表示各项参数指针数组。 利用操作系统的内核来启动main函数, 系统内核主要就是能否为初始化变量提供函数, 并且能够在完成调用以后, 检查函数的返回值, 如果返回值是0, 说明程序可以正常运行, 否则说明程序存在错误[2]。 在嵌入式系统中 , 如果没有一定的操作系统内核 , 智能通过系统引导来完成初始化main函数的工作。 在系统引导部分合理完成初始化以后, 通过汇编语言来达到目的。 主要工作包括初始化硬件、 设置寄存器、 初始化全局变量、 加载mai运行模块、 初始化堆参数。 完成上述工作以后, 需要在C语言的main函数中运用控制权, 对于main函数来说, argv和arge参数和返回值没有实际意义。 此外, 为了避免出现混淆问题, 需要给main函数重新取名, 否则, 会使得编译器形成很多初始化代码, 导致接错系统引导模块和C程序入口。
3函数局数变量个数
为了能够提高执行程序的速度, 在编译函数的时候, 在寄存器中合理分配局部变量。 如果局部变量多余寄存器的时候, 编译器会适当把多出来的变量存入到存储器中, 所以, 需要合理控制局部变量的个数[3]。 AMR处理器主 要使用的 就是RISC结构 , 并且具有 很多的内 部寄存器 。 编译器需 要合理运 用APCS开关选项 , 也就是能够符合ATPCS标准 , 从理论上来说, 具备14个寄存器可以适当存储局部变量。 在实际使用的过程中, 由于自身具备一定的特殊性, R9在读取与位置相关语言的时候, 可以当做静态基址寄存器, R12可以被当做子程序来调用内部临时寄存器, 以此, 需要合理限制局部变量数目。
4LCD终端和存储器管
4.1LCD终端
系统I/O重要内容 实际上就 是LCD终端如阿 健 , 包括LCD绘图 、 LCD字符显示 、 320*240像素LCD显示器 , 可以显示5行 *20列的汉字字符或者15行 *40列的英文字符, 具有比较良好的分辨率图像现实功能[4]。
4.2存储管理
从广义上来说, 存储管理包括内存、 磁盘文件系统、 片内高速Cacge等, 在嵌入式系统中, 最有意义的实际上就是适当和分配内存动态和管理Flash存储器。 C语言系统中, 释放和分配动态内存的时候, 主要利用free和malloc标准库函数实现 。 Malloc可以从系 统内存空 闲空间中 合理分配 内存块 , free可以完成回回收内存块的作用 , 上述两种函数需要相应的系统内核, 在ARM系统平台上, 不可以直接进 行调用 , 因此, 需要适当编写m-free和m-alloc函数, 以便于达到动态存储管理的目的。
5设计应用程序和驱动程序
5.1驱动程序
驱动程序主要包括两大部分, 最底层中断处理器以及处理器上的驱动程序, 实现设计驱动程序与外围设备息息相关, 具有一定复杂性。 在设计C语言驱动程序的时候, 需要注意以下方面: 一般来说, 利用中断来连接外围设备和CPU。 中断属于外部异步事件, 在设计过程中, 处理和中断有关程序的时候, 需要谨慎小心。 设计C语言编程的时候还需要考虑效率, 如, 操作对数组元素的时候, Array [idx/4] =&~1, 可以适当变为Array [idx>>2] =&~1,其中>>属于移位运算, 具有比较复杂的算法, 现在存在的先进编辑器能够合理优化上述语句, 但是并不是所有设备都具有以上功能[5]。
5.2应用程序
在设计嵌入式应用程序的时候, 与计算机应用程序存在很多不同的地方, 需要密切注意。 第一, 不能使用操作系统支持的标准函数, 可以自己进行编写, 例如, m-free。 第二, 具有有限内存资源的时候, 存在有限栈容量, 还不能进行自动扩展, 使用的时候要小心。 第三, 不可以使用递 归函数 。第四, 不能忽略编译器的警告信息, 如果编译人员具有良好的素质, 是不会忽略任何警告的, 一般来说, 出警告信息往往存在比较严重的逻辑错误[6]。
6结语
主要分析了嵌入式系统中比较具有代表性的C语言编程和嵌入式系统, 此外还介绍了嵌入式系统应用程序设计, 上述过程中, 会出现不能直接借用内部资源的问题, 导致限制容量, 使得在设计扩展的时候出现困难, 在系统中应用C语言编程方式可以很好地解决上述问题, 随着不断发展和日渐成熟的C语言编程方式, 为其ARM嵌入式系统发展提供了依据和保障。
参考文献
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ARM编程 第2篇
关键词：微型智能PLC,嵌入式实时操作系统,ARM处理器
0 引言
近年来,电力系统的很多设备或控制系统都使用微型可编程逻辑控制器(PLC)替代传统的控制方式,例如:火力发电中灰网、水网和输煤三大辅机系统的控制[1],水电厂的水机保护、闸门和辅机系统的控制等[2]。微型PLC紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格、强大的指令、较高的可靠性和简便的维护等特性,使其在电力系统中的应用日益广泛。
目前欧洲、日本、美国的微型PLC占据了世界主要微型PLC市场,控制器主要采用8位或16位单片机及专用控制芯片作为主处理器,存在运算速度慢、通信接口少等缺点。计算机技术、信息技术及工业控制技术的飞速发展,对微型PLC的发展提出了更高的要求,需要更多的功能、更快的速度、更大的容量、更高的可靠性以实现更复杂的控制功能及通信能力。
为此,笔者研制了新一代微型智能PLC。它选取高性能的ARM(advanced RISC machines)嵌入式处理器作为主控模块的处理器,扩展输入/输出(I/O)模块均自带处理器。该控制器既继承了国内外传统PLC的优点,又弥补了传统PLC的技术薄弱环节。本文介绍了新一代控制器的体系结构,并详细介绍其硬件设计和软件设计方案。
1 ARM嵌入式处理器
近年来,嵌入式应用领域中以ARM处理器发展最为突出,ARM被公认为业界领先的、优秀的32位嵌入式处理器结构[3]。ARM系列处理器凭借高性能、低成本和低功耗等特点,在嵌入式应用领域中占据了绝对的市场份额。
ATMEL公司AT91SAM9260型微控制器是基于ARM926EJ-S的处理器,扩展了数字信号处理指令,具备8 KB数据缓存以及8 KB指令缓存,带有存储器管理单元(MMU),主频180 MHz 时性能高达200 百万条指令每秒(MIPS)。包含了8 KB SRAM以及32 KB ROM,在最高处理器或总线速度下可实现单周期访问。该产品还具备外部总线接口,这些外部总线接口中包含了诸多控制器,用于控制SDRAM以及包括NAND Flash和Compact Flash在内的静态存储器。 其广泛的外围设备集包括通用串行总线(USB)全速主机和设备接口、以太网媒体访问控制(MAC)、图像传感器接口、多媒体卡接口(MCI)、同步串行控制器(SSC)、4路增强通用同步/异步收发器(USART)、2路3线通用异步收发器、2个主/从串行外围设备接口(SPI)、2个各自带有3通道的16位定时计数器(TC)、1个双线接口(TWI)以及4通道10位模数转换器(A/D)。3个32位并行I/O控制器,使引脚可以与这些外围设备实现多路复用,从而减少了设备的引脚数量以及外围设备直接存储器访问(DMA)通道,将接口与片上、片外存储器之间的数据吞吐量提升到了最高水平。AT91SAM9260丰富的外设、稳定的性能以及强大的功能使其作为微型智能PLC的主处理器具有非常高的性价比。
2 基于ARM处理器的硬件系统设计
2.1 体系结构设计
控制器的体系结构如图1所示。现场信号通过相应的隔离与信号调理后,接入主控模件或者扩展模件。主控模件提供标准的以太网接口、串口,完成与上位机系统及其他通信终端的通信,USB设备接口用于控制器与调试机之间的程序下载以及联机调试等在线操作,USB主机接口配合一个Flash存储器即可完成现场程序升级。主控模件与智能I/O模件(每个I/O模件自带处理器)之间采用高速串行总线作为内部扩展总线,结合高效的软件协议,达到较高的灵活性和可靠性。主控模件最多可以扩展7个不同类型的扩展模件,扩展模件类型包括开关量I/O模件、模拟量I/O模件以及一些专用功能扩展模件等。
2.2 系统硬件设计
2.2.1 最小系统
如图2所示,控制器采用AT91SAM9260作为主处理器,结合64 MB SDRAM(2 片16 位的SDRAM 芯片K4S561632C组成32位接口)、64 Mbit NOR Flash存储器(2片SST39VF3201)、看门狗复位芯片(SP706S)、电源以及系统时钟共同组成一个最小系统。SDRAM用于存放控制器运行时的程序代码和各种数据,PLC在复位启动之后,所有的程序都拷入SDRAM中运行,从而提高程序运行速度及流水线效率。一片NOR Flash存储器用于固化操作系统和底层程序代码,另外一片用于存放用户编制的程序及配置。
2.2.2 对外通信
PLC有2个RS-232通信接口和一个RS-485通信接口。一个RS-232 接口为标准9线接口,可接调制解调器进行远程控制,另一个为3线接口,可以与触摸屏等外部设备通信。RS-485接口可以通过组网与其他多个装置同时进行通信。RS-232 接口通过HIN211接口芯片进行电平转换,同时增加了过压、限流等保护措施。AT91SAM9260内部带有MAC控制器,通过外部的物理层芯片DM9161E、网络变压器H1102和RJ45水晶头,PLC可以实现10 Mbit·s-1/100 Mbit·s-1自适应以太网接口,实现网络通信。同时,控制器还带有可用于应用程序下载以及联机调试等操作的USB接口。以往许多国外PLC为了节省成本,扩展模件均不带处理器,这样大大限制了控制器的整体性能。新开发的微型智能PLC扩展模件均自带处理器,不但提高了处理能力,而且主控模件与扩展模件之间比较容易通过扩展总线接口实现智能级联。
2.2.3 I/O通道
PLC主控模件本体带有24通道24 V直流数字量输入以及16通道晶体管输出(或者继电器输出)。部分输入通道具有脉冲捕捉或中断功能,外部脉冲可以选择上升沿、下降沿或者双边沿触发。开入开出通道通过光隔将外部信号与内部回路进行隔离,模入模出通道采用磁隔离技术实现模拟信号与数字回路的隔离。
2.2.4 时钟以及掉电保持
AT91SAM9260自带的定时器可以作为控制器的时钟基准(1 ms定时中断以及1 s定时中断),同时,片上集成有RTC,可实现定时开关机功能。RTC提供PLC的系统时间,可以通过软件方便地改写时钟,并能完成定时触发。通过FRAM(FM1608)来实现系统重要数据的掉电保持,掉电保持空间为6 KB。铁电存储器具有读写速度快、无写等待、可以无限次(1×1016次)擦写、高抗干扰性能等优点[4],价格比传统的非易失性存储器便宜,比RAM加电池的方案可靠。
2.2.5 注意事项
电力系统电磁环境比较恶劣,PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广,将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电流,特别是电网内部的变化如开关操作产生的浪涌、大型电力设备启停和交直流转动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等,都将通过电源回路或者信号回路进入PLC内部。控制器设计严格按IEC 61131以及GB/T 13729标准的相关要求。在硬件电路设计时,模拟部分与数字部分严格分开,外部信号与内部逻辑之间电气隔离,采用尽量加粗电源线的宽度、减少环路电流、使电源线和地线的走向和数据传递方向一致等一系列抗干扰措施。除此之外,硬件电路中还增加了一些保护措施,以防止静电、快瞬、浪涌等对PLC造成损坏。
3 微型智能PLC的软件系统开发
3.1 嵌入式实时操作系统
微型智能PLC运行过程中处理任务非常复杂,包括梯形扫描、对外通信、程序下载调试、流程图扫描、扩展总线通信、自检等,许多任务有很高的实时性要求。传统微型智能PLC存储器容量小、处理器速度慢或受架构限制,因而无法运行实时操作系统。本设计选用具有强大的处理能力和存储器容量的ARM嵌入式处理器,从而可引进嵌入式实时操作系统为处理上述复杂任务提供解决方案。为保证软件的可靠性和发挥控制器的实时性能,选取目前国际上广泛使用的32位实时操作系统VxWorks。VxWorks是Windriver公司为实时嵌入式系统设计开发的操作系统软件,为程序员提供高效的实时任务调度、中断管理、实时的系统资源以及实时的任务间通信[5]。其核心功能主要有微内核、任务间通信机制、网络支持、文件系统和I/O管理、可移植操作系统接口(POSIX)标准实时扩展以及C++等其他标准支持,使开发者只需做最少的工作即可设计有效的、适合于不同用户要求的实时操作系统[6]。
3.2 微型智能PLC的任务
微型智能PLC对软件的实时性要求非常高,因而嵌入式操作系统中任务的合理划分变得至关重要。本设计中,PLC的主要任务如图3所示。
PLC的各任务之间主要通过信号量、消息队列来实现通信。使用二进制信号量来解决多个任务读写数据的互斥问题,使用计数器信号量来解决定时器计数问题;使用消息队列来实现任务间的数据交换。以太网通信通过套接字(socket)实现,串口通信操作通过串口驱动来实现。任何对于串行口的操作仍然可以视为对一个文件的操作,而不必了解关于设备或驱动程序实现的细节。
4 结语
新型微型智能PLC选取高性能的ARM嵌入式处理器作为主控模件的处理器,极大提高了系统的设计开发效率并降低了成本,增强了产品的性能和可靠性,对传统PLC是一个极大的提升。随着ARM处理器技术的不断发展及其应用的不断推广,其正被应用于大中型PLC中(例如各种智能I/O模件的处理器)。可以预见,基于ARM的嵌入式系统技术在PLC中将得到越来越广泛的应用。
参考文献
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[5]李忠民,杨刚,顾亦然,等.ARM嵌入式Vx Works实践教程.北京:北京航空航天大学出版社,2006.
ARM编程 第3篇
随着现代制造工业朝着高效、高精度和经济性的方向发展,锯切作为金切加工的起点,已成为零件加工过程中重要的组成环节。锯切可以节约材料、减少二次加工量和提高生产效率。实现金属带锯床［1-3］的自动化是必然发展趋势,而目前自动化技术在向集成化、智能化和网络化方向发展。目前嵌入式技术ARM已经得到了广泛应用,CPLD器件也经常用在各行各业,但在金属带锯床目前主要使用的还是传统分散、断续的控制方法,这种控制操作复杂、线路繁琐、精度不高、维修困难,可靠度低,很难适应现在产业的发展。另有一种基于PLC的控制方法,但其造价昂贵,而且PLC的程序已经集成,编程的灵活性受到限制。
本研究设计的基于ARM-CPLD的金属带锯床控制系统采用先进的变频电动机驱动、精密光栅定位方式、输入输出光耦隔离,配以基于ARM和CPLD芯片控制电路,由计算机自动在线监控锯切全过程,锯条速度、进给速度、卡紧力均可做到任意设置、最优化组合,由此来提高锯床的加工精度。
与传统技术相比,本研究设计实现精确化控制,且拥有极高的编程的灵活性,对金属带锯床控制系统的研究有重大意义,同时也具有较大的经济价值［4］。
1控制系统硬件设计
本研究根据数控切条机控制系统的要求,采用32位ARM + CPLD为核心架构的新一代锯床控制系统。该控制器管理能力强大,有较强的通信能力,ARM可方便扩展CAN工业总线,485 通讯接口,ISP网络接口,RS232 通信接口,USB等。CPLD点数扩展方便,输入/输出点数依需求最高可扩展至100 个。
系统结构图如图1 所示。
图1 中,控制器CPLD芯片通过2 路光栅［5］、3 个限位开关( 上限位、下限位、原点限位) 、温度传感器、变频器获取锯床工作状态; 上位机ARM［6］通过RS232、RS485 接口将锯床工作状态传输到LCD显示并处理,发出应答指令给CPLD; 最后由CPLD输出信号通过光耦传输给电磁驱动器和继电器来控制电机动作,进而控制整个金属带锯床的运作。上位机ARM与控制器CPLD通过串口USART和SPI进行数据传输［7-8］。
1. 1 主要元器件的选型
该系统以ARM芯片LPC2368 作为核心控制器,包含了Ethernet MAC、USB 2. 0 全速接口、4 个UART、2 路CAN通道、1 个SPI接口、2 个同步串行端口( SSP) 、3 个I2C接口、1 个I2S接口外围扩展了RS232、485、CAN、JTAG接口、ISP、E2PROM、LCD等功能模块。以CPLD芯片EPM1270GT144C5 作为协控制器,解决了I/O口、4 × 8 键盘的扩展,并实现了键盘、光电编码器、输入的中断请求［9］。本研究控制器采用的LCD液晶显示屏信号为KNY240128B［10-13］,KNY240128B是一种图形点阵液晶显示器。它主要采用动态驱动原理由行驱动器、控制器和列驱动器3 部分组成了240( 列) × 128( 行) 的全点阵液晶显示。
1. 2 电路模块的设计
该系统电源供电模块: 外围电路供电PWB2405( C) 是隔离稳压模块电源。输入额定电压为24 V,输出电压为 ± 5 V,最大输出电流为 ± 1 000 m A,。核心板供电SPX29150 是1. 5 A低压差稳压器,输出电压为3. 3 V,输入电压范围为2. 5 V ~ 16 V,静态电路为900 μA,具体电路如图2 所示。
1. 2. 1 输入接口电路
该系统通过2 路光栅,准确获取锯架和送料车床的位置及速度,通过光电耦合器HCPL2630 连接CPLD,将数据传给上位机ARM处理。系统通过3 个限位开关,准确判断是否到达锯架的上、限位和车床的原点限位3 个极限位置,通过光耦连接CPLD,再将数据传给ARM。
限位信号输入电路如图3 所示。
1. 2. 2 输出接口电路
ARM发出指令,CPLD通过3 个光耦与12 个继电器连接［14-15］,驱动电磁驱动板来使电机做出相应动作。其中,2 个接口如图4 所示。
实物接线如图5 所示。
2控制系统软件设计
2. 1 上位机软件系统
本研究采用ARM芯片LPC2368 作为上位机,通过USART串口和SPI串口与下位机CPLD相连传输数据。一方面作为锯床运行状态监控的人机交互界面,另一方面对监测的数据进行分析处理,控制机器的运行。
该控制器界面采用16. 7 M色7 寸真彩触摸液晶屏,集成了触摸屏操作与按钮操作。主控界面主要完成一些主要参数的设定以及主要实时参数的显示,并且一些系统重要检测的开关也设定在该界面。如锯刀的上限位和下限位指示灯、送料原点和无料检测指示灯、断带检测和原点开关指示灯、当前锯轮速度、锯切位置、当前料架位置、刀具补偿、完成数量、任务数量等参数,以及油泵开关、回原点、总停等按钮。主控界面如图6 所示。在选择自动模式且配置好加工尺寸、加工数量等参数后,锯床可自动运行切割直至完成所设定数量。
2. 2 控制系统工作流程
本研究通过一定的扫描时间对CPLD的状态进行扫描,当送料车和刀架完成相应动作后,CPLD会有相应的一个状态位,ARM通过SPI扫描CPLD的状态位,对状态位进行置位处理,并发命令使CPLD中的相应控制位改变,控制锯床下一步的动作及状态。
( 1) 通过光栅1 来扫描送料车床位置,将位置信号由CPLD传给上位机ARM,判断送料车是否在机械原点,如果在,由CPLD控制电磁驱动板使送料车床后退;
( 2) 如果送料车退回设定位置,就通过ARM发送命令给CPLD控制电磁驱动板使后钳口夹紧;
( 3) 通过ARM的定时器TIMER1 设定后钳夹紧时间,如果夹紧时间到达,则产生中断位,由ARM和CPLD发送指令使送料车床前进;
( 4) 如果送料车前进到原点处,原点开关LED0 闪烁,驱动前钳夹紧,后钳松开;
( 5) 由ARM的定时器TIMER1 设定后钳松开时间,如果松开时间到达,则产生中断,控制送料车后退;
( 6) 当送料车后退至设定距离,通过ARM发送命令至CPLD控制继电器驱动电磁驱动板使后钳夹紧;
( 7) 如果后钳夹紧时间到,通过ARM发送命令给CPLD控制电磁驱动板使锯架下降,同时用光栅2 扫描锯架位置,并将位置信息传送到ARM中;
( 8) 如果锯架到达下限位置,下限位LED1 发光,ARM发送命令给CPLD控制锯架上升;
( 9) 如果锯架到达上限位置,上限位LED2 发光,ARM发送命令给CPLD控制前钳松开;
( 10) 由ARM中的定时器TIMER2 设定前钳松开时间,如果到达,则产生中断,送料车床后退至设定位置,形成循环控制。控制系统工作流程图如图7 所示。
3实验及结果分析
本研究测试进行直径100 mm,总长5 m金属棒料的连续切割,选择自动模式,配置锯条偏移距离1. 5 mm,额定报警电流10 A,切割速度0. 5 mm / s,加工尺寸5 组、分别为1 mm,3 mm,5 mm,10 mm,150 mm,对应的加工数量为10,5,2,1,1。结果表明,整个过程系统运行稳定,各接触开关按时开启关闭,各定时功能定时准确。ARM与CPLD通讯精确无误。上位机显示正确,界面响应快速无滞后。测试锯床用于粗加工,整个测试过程切割距离误差不超过0. 01 mm,且重复精度高,若精确测量锯条偏移距离可用于要求较低的精加工。对金属带锯床系统界面经过反复调试,其运行稳定,数据无丢失,无溢出。而且,该控制器预留有CAN总线接口,可用于扩展拓扑结构多机联合加工,能全自动进行切割工作,操作简单。
4结束语
本研究提出了一种基于ARM-CPLD的可编程金属带锯床控制系统,该控制系统以ARM + CPLD为核心,完成了对微机主控制板的软硬件设计,通过ARM实时显示锯床的运行状态,通过CPLD驱动电磁驱动板控制送料距离及切频率从而来控制系统送料速度。
切条试验结果表明,该控制系统人机交互界面简洁,操作简单,界面响应快速无滞后,运行可靠稳定,金属带锯床的切条距离控制在要求范围内,具有一定的工程使用价值。
摘要：针对传统金属带锯床操作复杂、切割精度低、控制接口扩展性差等问题,对金属带锯床的切割要求作出了归纳,对控制系统中主要元件的选型、控制系统配电电路、软件控制界面、工作流程控制等方面进行了设计,提出了一种基于ARM-CPLD技术的可编程金属带锯床控制系统的方法。利用数控切割试验台对金属带切割尺寸和系统响应时间进行了测试。实验结果表明,该控制系统能实时显示并控制锯床运行状态,能够全自动进行加工,切割精度高,运行稳定,可扩展多路接口,不失为一套具有先进型、新颖性、实用性的控制系统。