基于ARM的嵌入式机电仪器仪表平台化硬件系统设计研究
摘要：针对机电仪器仪表存在通用性差、功能单一、性能低等缺点，文章提出了对嵌入式机电仪器仪表平台化硬件系统设计的需求，围绕 ARM 架构下的三星嵌入式处理器 S3C6410 设计了主板硬件平台。最后对该嵌入式平台进行了调试测试，并给出测试结果。结果表明该嵌入式平台性能稳定，能够适应复杂多变的工作环境。
关键词：机电；硬件；ARM；处理器；性能；调试中图分类号：TH70 文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2015）10-0076-02.
0 引言
仪器仪表是用来检测、计算各种物理参数、物质成份的设备。从广义上来说，仪器仪表也具有自动报警、数据处理等功能，仪器仪表等科学仪器是信息的源头，作为信息和制造业的关键技术，已经成为改造生产力的必要手段。仪器仪表覆盖了农业、工业、科技、国防等人民生活的方方面面，其作用之大，地位之特殊，对于国民经济的发展有巨大的拉动作用。而融合了嵌入式技术的仪器仪表的功能更加强大，精度也更高，能够满足仪器仪表的可视化、机电化、网络化的要求[1]。
1 嵌入式机电仪器仪表硬件平台设计原理
一般而言，机电仪器仪表硬件由四处部分组成： 信号输入处理模块； 中央控制器模块； 信号输出模块； 电源模块。信号输入处理模块负责输入开关量和模拟量，中央控制器模块负责控制算法和信号的运算，信号输出模块负责输出信号和外围通信，而电源模块负责供电。
平台化设计为了适应不同的场合，要求将 CPU 的资源引出，扩展硬件平台的功能。目前主流的嵌入式处理器虽然具有强大的功能，但是出于对体积和功耗的考虑，处理器多次复用了很多的功能模块，往往一个 I/O 接口设置成了不同的功能，比如三星的 ARM 处理器 S3C6410 的管脚 R10 集成了普通的 I/O 功能、SPI 等，因此需要将中央处理器当中存在复用功能的 I/O 接口全部引出[2]。图 1 是基于平台化设计思想的硬件结构图。
图 1 嵌入式机电仪器仪表平台化设计结构图
硬件的总体的工作流程如下：开关量和模拟量输入处理 电路将输入信号进行变换、整形、A/D转换，然后资源管理模块将处理好的信号送往中央处理模块。中央处理模块加工处理输入的数据，进行一系列的工作。最终信号输出模块将数据送到显示设备当中去，或者保存下来。
2 机电仪器仪表硬件平台的详细设计
本方案的嵌入式机电仪器仪表的平台化硬件设计是进行功能扩展板和主板的设计，系统包括了中央处理器模块、信号输入和输出模块、电源模块和资源管理模块[3]。按照平台化的设计思想的要求，信号输入处理模块应该能够根据不同的功能需求设计扩展。考虑到 PCB 元器件之间的电磁串扰问题，根据电路的功能单元，对于电路的元器件进行了合理的布局。元器件在PCB上的位置在结构允许的条件下充分考虑了电磁兼容问题。
2.1 嵌入式机电仪器仪表的主板硬件平台设计
嵌入式机电仪器仪表主板包括了中央处理器、内存、CPLD、基本的通信显示接口等功能模块[4]。
2.1.1 中央处理器模块
中央处理器是嵌入式系统的核心，主要功能是完成处理指令、传输数据、实现算法以及控制外围部件。嵌入式平台的功能强大和性能的高低在很大程度上由中央处理器的运算性能来决定，因此性能优异的嵌入式处理器应该有较低的功耗、丰富的接口以及良好的运算速度。三星的S2C6410 基于 65nmCMOS 制造工艺，采用了 ARM1176JZF-S内核，同时在内部集成了 32/64 系统总线，能够达到 800MHz 的主频。
三星的 S2C6410 处理器具有以下的主要的特点：
（1）具有强大的视频编码和解码器，能够完备地对H.264、H. 263 等视频格式提供支持，内部装置的 2D 和 3D 视频加速处理，提供较好的图形输出。
（2）支持 SD、NorFlash 等设备多种启动方式。
（3）在片内集成了矩阵键盘，具有去抖动功能，实现了良好的人机交互。
（4）支持 USB、CF 等多种存储方式以及 NORMAL、IDLE等多种电源管理模式[5]。
（5）内部集成了数模转换电路，采样速率能够达到 1MHz， 具有低功耗和片上采样保持功能。
因此，采用三星的 S2C6410 处理器能够提高嵌入式平台的处理速度，并且无需扩展期间，能够节省成本。视频加速处理功能也能够提供强大的视频输出能力，使平台具有更自由更大的应用空间。
2.1.2 信号输出模块设计
主板当中的信号输出模块主要包括了以下的接口以及设备：串口网络通信接口，触摸和液晶屏，USB存储接口，矩阵人机交互接口等。三星的 S3C6410 处理器在内部集成了上述的各个模块，因此能够很好的支持本系统的设计。
（1）人机交互接口单元。人机交互接口单元包含了三个部分： 触摸屏； 显示屏； 矩阵式按键。显示屏和触摸屏是人机接口当中最重要的交互方式，显示屏能够实时地显示测量得到的数据，为用户提供直观的监控。触摸屏能够代替键盘或者鼠标，方便用户的输入。本系统采用了 5.6 英寸的LCD显示屏，分辨率达到了 640*480，将显示屏的位信号接地，高位数据线和中央处理器 S3C6410 连接。按键可以为用户提供开关机、自定义等功能，矩阵式键盘的行线和列线两两交，从而形成了矩阵式结构，按键开关的两端分别连接到行线和列线，当按下按键的时候，首先确定处于行线，然后再确定列线，最终就能够判断按下的按键了。
（2）存储设备接口。存储设备接口单元 SD 存储卡接口单元、USB 设备接口单元。S3C6410 中央处理器片内集成了 3个 SD 存储卡接口单元，一个 SD 存储单元和 CF 卡控制器复用，需要符合 SD V2.0 标准，SD 卡通过 4 位数据线、写保护WP、卡探测 CD 接口和中央处理器相连。如果 SD 卡处于写保护的状态，写保护就处于高电平状态，如果 SD 卡处于正常的读写状态，那么写保护就处于低电平状态。USB 作为目前电脑中标准的扩展总线接口，已经发展到了 USB3.0 标准，传输速到达到了 5Gbps。中央处理器内部集成了 USB 3.0HOST和 OTG 2.0。USB OTG 能够支持在多达 7 种制式的存储卡之间交换数据，提高了不同设备之间互联的便捷性。
（3）通信接口单元。通信接口单元有 RS232 串行接口和网络接口设计。本系统集成了 2 个 RS232 串行接口和 1 个以太网接口，网络接口选择了 DAVICOM 公司的 DM9000A 的以太网控制器，该以太网接口单元成本低并且具有较低的功耗。这些接口使得主板上各个功能模块能够进行通信互联。
2.1.3 电源模块设计
电源模块是电子产品的心脏，给整个系统提供了源源不断的输出动力，从而能够保证系统工作的正常。机电仪器仪表在很多的情况之下运行在恶劣的环境当中，为了提高系统运行的可靠性，对于电源模块就提出了更高的要求，因此低功耗、高效率的电源模块已经成为了电源设计的关键。
嵌入式系统当中的每个集成电路的供电电压不一定是相同的，设置每个电路当中的功能模块的供电电压也是不一致的，比如中央处理器S3C6410 当中的运算器内核的供电电压时1.2V，而内存控制器则需要 2.5V 的供电电压。因此供电模块的设计需要具有电压转换的功能。常用的直流电压变换器有低电压差线性稳压器以及直流开关电源，低电压差线性稳压器的成本低，具有比较下的静态电流，但是效率比较低下，并且容易产生较大的损耗。而直流开关电源虽然成本相对高点，但是具有比较高的转换效率，工作也较为稳定。本系统设计的时候综合考虑了两者的优缺点，最终选择了直流开关电源来供电。
2.1.4 嵌入式机电仪器仪表硬件平台性能测试，硬件平台的设计分为原理图设计、PCB 板设计以及硬件调试三个阶段。其中硬件调试作为测试系统的设计原理以及是否实现功能的最后阶段，对于设计图变为实物具有决定性的作用。本嵌入式机电仪器仪表硬件平台的调试需要的硬件设备有 PC 电脑、示波器、万用表、电源适配器、调试板等。调试软件有串口调试工具 DNW、SJF6410 编程工具等。系统的调试主要围绕着S3C6410 中央处理器以及XC2C128 CPLD模块来进行。
系统完成基本的调试之后，就可以测试系统的性能和稳定性，从而确保系统能够在复杂多变的恶劣的环境当中运行良好。因此，对于本嵌入式平台进行了通信接口速率、设备容量支持等性能测试，同时还进行了高温老化试验进行稳定性的测试。
表 1 嵌入式硬件平台测试数据
从表的测试数据可以看出，系统的USB、网络等接口能够正常地工作，同时具有较高的通讯传输速率，因此能够满足高性能的应用需求。系统还能够支持 8GB 的存储设备，存储数据满足工作需求。为了更好地适应噪声、粉尘等复杂多变的恶劣环境，对该嵌入式系统进行了稳定性测试，在 60°C 的高温箱当中通电能够正常地运行 24 小时，并且再重新地测试各个装置的性能都完好。表明该嵌入式系统具有良好的稳定性能，能够适应复杂多变的工作环境。
3 结语
本文针对当前的仪器仪表存在的一些不足和问题，结合了嵌入式技术，采用平台化的设计思想设计了一款能够满足仪器仪表的快速设计和开发的硬件平台，为快速开发满足不同应用场合的机电仪器仪表提供了一个解决方案。该嵌入式平台考虑了信号的完整性、电源的可靠性以及电磁兼容性等问题，合理分配了 PCB 板上的元件布局。随着技术的发展，嵌入式机电仪器仪表硬件平台的集成度将更高，性能也更加强大，应该成为加快产品开发周期以及减小成本的优选方案。
参考文献：
[1] 范永凯, 林君.第四代仪器——三层网络化仪器概念的提出[J].计算机工程与应用,2013,39(14):208-209.
[2] 林君.现代科学仪器及其发展趋势[J].吉林大学学报（信息科学版）,2012,20(1):18-20.
[3] 粟大超.机电仪器仪表的 ISP 技术与 Internet 接入[J].自动化与仪器仪表,2013,15(10):51-54.
[4] 金国藩. 我国当代仪器仪表的发展 [J]. 电气时代, 2013,10(5):26-27.
[5] 我国仪器仪表的测量控制现状与国际的差距[EB/OL]．电子设备网,2009(7) http://www.jcsb.org.cn/news/7.
关键词：机电；硬件；ARM；处理器；性能；调试中图分类号：TH70 文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2015）10-0076-02.
0 引言
仪器仪表是用来检测、计算各种物理参数、物质成份的设备。从广义上来说，仪器仪表也具有自动报警、数据处理等功能，仪器仪表等科学仪器是信息的源头，作为信息和制造业的关键技术，已经成为改造生产力的必要手段。仪器仪表覆盖了农业、工业、科技、国防等人民生活的方方面面，其作用之大，地位之特殊，对于国民经济的发展有巨大的拉动作用。而融合了嵌入式技术的仪器仪表的功能更加强大，精度也更高，能够满足仪器仪表的可视化、机电化、网络化的要求[1]。
1 嵌入式机电仪器仪表硬件平台设计原理
一般而言，机电仪器仪表硬件由四处部分组成： 信号输入处理模块； 中央控制器模块； 信号输出模块； 电源模块。信号输入处理模块负责输入开关量和模拟量，中央控制器模块负责控制算法和信号的运算，信号输出模块负责输出信号和外围通信，而电源模块负责供电。
平台化设计为了适应不同的场合，要求将 CPU 的资源引出，扩展硬件平台的功能。目前主流的嵌入式处理器虽然具有强大的功能，但是出于对体积和功耗的考虑，处理器多次复用了很多的功能模块，往往一个 I/O 接口设置成了不同的功能，比如三星的 ARM 处理器 S3C6410 的管脚 R10 集成了普通的 I/O 功能、SPI 等，因此需要将中央处理器当中存在复用功能的 I/O 接口全部引出[2]。图 1 是基于平台化设计思想的硬件结构图。
图 1 嵌入式机电仪器仪表平台化设计结构图
硬件的总体的工作流程如下：开关量和模拟量输入处理 电路将输入信号进行变换、整形、A/D转换，然后资源管理模块将处理好的信号送往中央处理模块。中央处理模块加工处理输入的数据，进行一系列的工作。最终信号输出模块将数据送到显示设备当中去，或者保存下来。
2 机电仪器仪表硬件平台的详细设计
本方案的嵌入式机电仪器仪表的平台化硬件设计是进行功能扩展板和主板的设计，系统包括了中央处理器模块、信号输入和输出模块、电源模块和资源管理模块[3]。按照平台化的设计思想的要求，信号输入处理模块应该能够根据不同的功能需求设计扩展。考虑到 PCB 元器件之间的电磁串扰问题，根据电路的功能单元，对于电路的元器件进行了合理的布局。元器件在PCB上的位置在结构允许的条件下充分考虑了电磁兼容问题。
2.1 嵌入式机电仪器仪表的主板硬件平台设计
嵌入式机电仪器仪表主板包括了中央处理器、内存、CPLD、基本的通信显示接口等功能模块[4]。
2.1.1 中央处理器模块
中央处理器是嵌入式系统的核心，主要功能是完成处理指令、传输数据、实现算法以及控制外围部件。嵌入式平台的功能强大和性能的高低在很大程度上由中央处理器的运算性能来决定，因此性能优异的嵌入式处理器应该有较低的功耗、丰富的接口以及良好的运算速度。三星的S2C6410 基于 65nmCMOS 制造工艺，采用了 ARM1176JZF-S内核，同时在内部集成了 32/64 系统总线，能够达到 800MHz 的主频。
三星的 S2C6410 处理器具有以下的主要的特点：
（1）具有强大的视频编码和解码器，能够完备地对H.264、H. 263 等视频格式提供支持，内部装置的 2D 和 3D 视频加速处理，提供较好的图形输出。
（2）支持 SD、NorFlash 等设备多种启动方式。
（3）在片内集成了矩阵键盘，具有去抖动功能，实现了良好的人机交互。
（4）支持 USB、CF 等多种存储方式以及 NORMAL、IDLE等多种电源管理模式[5]。
（5）内部集成了数模转换电路，采样速率能够达到 1MHz， 具有低功耗和片上采样保持功能。
因此，采用三星的 S2C6410 处理器能够提高嵌入式平台的处理速度，并且无需扩展期间，能够节省成本。视频加速处理功能也能够提供强大的视频输出能力，使平台具有更自由更大的应用空间。
2.1.2 信号输出模块设计
主板当中的信号输出模块主要包括了以下的接口以及设备：串口网络通信接口，触摸和液晶屏，USB存储接口，矩阵人机交互接口等。三星的 S3C6410 处理器在内部集成了上述的各个模块，因此能够很好的支持本系统的设计。
（1）人机交互接口单元。人机交互接口单元包含了三个部分： 触摸屏； 显示屏； 矩阵式按键。显示屏和触摸屏是人机接口当中最重要的交互方式，显示屏能够实时地显示测量得到的数据，为用户提供直观的监控。触摸屏能够代替键盘或者鼠标，方便用户的输入。本系统采用了 5.6 英寸的LCD显示屏，分辨率达到了 640*480，将显示屏的位信号接地，高位数据线和中央处理器 S3C6410 连接。按键可以为用户提供开关机、自定义等功能，矩阵式键盘的行线和列线两两交，从而形成了矩阵式结构，按键开关的两端分别连接到行线和列线，当按下按键的时候，首先确定处于行线，然后再确定列线，最终就能够判断按下的按键了。
（2）存储设备接口。存储设备接口单元 SD 存储卡接口单元、USB 设备接口单元。S3C6410 中央处理器片内集成了 3个 SD 存储卡接口单元，一个 SD 存储单元和 CF 卡控制器复用，需要符合 SD V2.0 标准，SD 卡通过 4 位数据线、写保护WP、卡探测 CD 接口和中央处理器相连。如果 SD 卡处于写保护的状态，写保护就处于高电平状态，如果 SD 卡处于正常的读写状态，那么写保护就处于低电平状态。USB 作为目前电脑中标准的扩展总线接口，已经发展到了 USB3.0 标准，传输速到达到了 5Gbps。中央处理器内部集成了 USB 3.0HOST和 OTG 2.0。USB OTG 能够支持在多达 7 种制式的存储卡之间交换数据，提高了不同设备之间互联的便捷性。
（3）通信接口单元。通信接口单元有 RS232 串行接口和网络接口设计。本系统集成了 2 个 RS232 串行接口和 1 个以太网接口，网络接口选择了 DAVICOM 公司的 DM9000A 的以太网控制器，该以太网接口单元成本低并且具有较低的功耗。这些接口使得主板上各个功能模块能够进行通信互联。
2.1.3 电源模块设计
电源模块是电子产品的心脏，给整个系统提供了源源不断的输出动力，从而能够保证系统工作的正常。机电仪器仪表在很多的情况之下运行在恶劣的环境当中，为了提高系统运行的可靠性，对于电源模块就提出了更高的要求，因此低功耗、高效率的电源模块已经成为了电源设计的关键。
嵌入式系统当中的每个集成电路的供电电压不一定是相同的，设置每个电路当中的功能模块的供电电压也是不一致的，比如中央处理器S3C6410 当中的运算器内核的供电电压时1.2V，而内存控制器则需要 2.5V 的供电电压。因此供电模块的设计需要具有电压转换的功能。常用的直流电压变换器有低电压差线性稳压器以及直流开关电源，低电压差线性稳压器的成本低，具有比较下的静态电流，但是效率比较低下，并且容易产生较大的损耗。而直流开关电源虽然成本相对高点，但是具有比较高的转换效率，工作也较为稳定。本系统设计的时候综合考虑了两者的优缺点，最终选择了直流开关电源来供电。
2.1.4 嵌入式机电仪器仪表硬件平台性能测试，硬件平台的设计分为原理图设计、PCB 板设计以及硬件调试三个阶段。其中硬件调试作为测试系统的设计原理以及是否实现功能的最后阶段，对于设计图变为实物具有决定性的作用。本嵌入式机电仪器仪表硬件平台的调试需要的硬件设备有 PC 电脑、示波器、万用表、电源适配器、调试板等。调试软件有串口调试工具 DNW、SJF6410 编程工具等。系统的调试主要围绕着S3C6410 中央处理器以及XC2C128 CPLD模块来进行。
系统完成基本的调试之后，就可以测试系统的性能和稳定性，从而确保系统能够在复杂多变的恶劣的环境当中运行良好。因此，对于本嵌入式平台进行了通信接口速率、设备容量支持等性能测试，同时还进行了高温老化试验进行稳定性的测试。
表 1 嵌入式硬件平台测试数据
从表的测试数据可以看出，系统的USB、网络等接口能够正常地工作，同时具有较高的通讯传输速率，因此能够满足高性能的应用需求。系统还能够支持 8GB 的存储设备，存储数据满足工作需求。为了更好地适应噪声、粉尘等复杂多变的恶劣环境，对该嵌入式系统进行了稳定性测试，在 60°C 的高温箱当中通电能够正常地运行 24 小时，并且再重新地测试各个装置的性能都完好。表明该嵌入式系统具有良好的稳定性能，能够适应复杂多变的工作环境。
3 结语
本文针对当前的仪器仪表存在的一些不足和问题，结合了嵌入式技术，采用平台化的设计思想设计了一款能够满足仪器仪表的快速设计和开发的硬件平台，为快速开发满足不同应用场合的机电仪器仪表提供了一个解决方案。该嵌入式平台考虑了信号的完整性、电源的可靠性以及电磁兼容性等问题，合理分配了 PCB 板上的元件布局。随着技术的发展，嵌入式机电仪器仪表硬件平台的集成度将更高，性能也更加强大，应该成为加快产品开发周期以及减小成本的优选方案。
参考文献：
[1] 范永凯, 林君.第四代仪器——三层网络化仪器概念的提出[J].计算机工程与应用,2013,39(14):208-209.
[2] 林君.现代科学仪器及其发展趋势[J].吉林大学学报（信息科学版）,2012,20(1):18-20.
[3] 粟大超.机电仪器仪表的 ISP 技术与 Internet 接入[J].自动化与仪器仪表,2013,15(10):51-54.
[4] 金国藩. 我国当代仪器仪表的发展 [J]. 电气时代, 2013,10(5):26-27.
[5] 我国仪器仪表的测量控制现状与国际的差距[EB/OL]．电子设备网,2009(7) http://www.jcsb.org.cn/news/7.
