基于ARM芯片的嵌入式工控主板

摘要：在工控行业里，前些年一直是Intel的天下，但是ARM嵌入式微控制器技术的出现给现代工业控制领域带来了一次新的技术革命。嵌入式微控制器组成的系统，其最明显的优势就是可嵌入到任何微型或小型仪器设备中。嵌入式系统在工控领域的应用已越来越受到重视，随着嵌入式系统的发展，出现了很多新模式、新方法，中嵌凌云科技突破传统观念，基于ARM嵌入式优秀平台，推出工业架构嵌入式核心板。

图（1）是arm芯片
一 嵌入式系统定义与应用现状
对嵌入式系统的一种定义是"嵌入到对象体系中的专用计算机系统"，"嵌入性"、"专用性"与"计算机系统"是嵌入式系统的3个基本要素。嵌入式系统按形态可分为设备级（工控机）、板级（单板、模块）、芯片级（MCU、SoC）。从定义中不难看出，当前较多使用的单片机设计与工控机设计也是一种典型的嵌入式系统应用。但是这种早期嵌入式系统在性能与价格上均存在一些缺陷。
1. 硬件采用单片机设计，软件采用汇编语言编写
采用这种设计方式，硬件成本低，设备体积小。但由于程序采用汇编语言编写，软件灵活性、可扩充性、可移植性较差。同时，作为处理器核心的单片机芯片，无法提供高速率运算。随着工业控制要求的不断提高，采用这一设计方式，无论在硬件或软件上都无法满足要求。
2. 硬件采用工控机、X86机构主板，软件采用VC++编写
采用工控机、X86机构主板作为硬件设备，既能提供处理速度，又适于恶劣的工作环境，物理稳定性好。软件采用VC++编写，可实现复杂的软件功能，模块化、面向对象化的设计保证了软件系统的灵活性、可扩充性与可移植性。这种设计能很好地满足控制系统的要求，但成本过高，体积过大，功耗过大。一般采用工控机、X86机构主板的硬件成本是采用单片机成本的10倍以上，而且机箱设计要考虑散热、防潮等因素，较为笨重、不稳定因素繁多。

图（2）是EMB8600I工控板基于arm芯片开发
二 ARM嵌入式工业控制主板http://www.gkban.com/html/8756231653.html
1. 硬件
（1）ARM芯片
ARM处理器是一种16/32位的高性能、低成本、低功耗的嵌入式RISC微处理器。ARM-cotex A8系列微处理器具有以下特点：5级整数流水线，指令执行效率更高；支持32位ARM指令集和16位THUMB指令集；支持32 位AMBA总线接口；全性能的MMU，支持Windows CE、Linux等主流的嵌入式操作系统；支持数据Cache和指令Cache，具有更高的数据和指令处理指令。
（2）ARM 工业主板
基于freescale的Cortex-A8的工业级处理器，可为工业控制、人机界面、仪表仪器等行业提供强大的智能控制平台。AM-i.MX53工业主板规格，采用8层PCB板高精度工艺，使其具有最佳的电气性能和抗干扰性能，AM-i.MX53集成了常见的嵌入式系统外围接口，如：10/100Mbps网络、串口、TFT-LCD、LVDS、VGA、USB Host/Device、音频、8x8键盘、AD、PMW、PATA/SATA、计数器、IDE、SD卡、CAN总线、RTC、看门狗等，ARM嵌入式主板无论从功能、稳定性、功耗、体积、成本上来衡量，都具有很大的优势，在嵌入式系统应用中具有出色的表现。
客户只需专注应用程序的开发而无须关注底层驱动程序。
2. 操作系统及开发环境
目前，嵌入式系统常用的操作系统有Linux2.6、Windows CE 6.0；开发环境有UC/GUI、Q/T。
（1）Linux
Linux是一种免费、开源的操作系统，因此其支持软件多，可用资源丰富。目前将Linux的内核移植在其上，可使用更多的Linux功能。无论是对于企业服务器还是对于嵌入式系统，Linux 2.6 都是一个巨大的进步。对高端的机器来说，新特性针对的是性能改进、可扩展性、吞吐率，以及对 SMP 机器 NUMA 的支持。对于嵌入式领域，添加了新的体系结构和处理器类型——包括对那些没有硬件控制的内存管理方案的 MMU-less 系统的支持。并且，和往常一样，为了满足桌面用户群的需要，添加了一整套新的音频和多媒体驱动程序，Linux 内核使用了由 Ingo Molnar 开发的新的调度器算法，称为O（1）算法，它在高负载的情况下执行得极其出色，并且当有很多处理器时也可以很好地扩展；内核抢占补丁在2.5系列中就已经被打上，接下来在2.6中也会打。这将显著地降低用户交互式应用程序、多媒体应用程序等类似应用程序的延迟。这一特性对实时系统和嵌入式系统来说特别有用；从虚拟内存的角度来看，新内核融合了 Rik van Riel 的 r-map （反向映射，reverse mapping）技术，将显著改善虚拟内存在一定程度负载下的性能；更多功能还需您在后续的工作中切身体会。
（2）Windows CE
WinCE推出只有几年时间，但目前已占据了很大市场份额。由于WinCE开发都是大家熟悉的VC++环境，所以对于一般的开发人员都不会有多大难度，这也是WinCE容易被人们接受的原因。开发环境方便快速，微软的强大技术支持，使得WinCE开发难度远低于嵌入式Linux。此外，WinCE与WindowXP及Win2000的同族性，保证了原来在PC机上开发的程序可容易移植到嵌入式系统中。
（3）GUI
常见GUI有QT、UCGUI、MINI/GUI等，
Qt是 Trolltech的最早也是最有名的产品，它最初是作为一个跨平台（Win32、Mac、Unix）的C++GUI库开发的，但随着它的发展，其中增加 了一系列与GUI无关的库，如Xml、Socket、Thread等等，现在Qt已经成为了一个通用的C++跨平台类库，到了4.0版，更是将GUI部分 从核心库分离出来，以利于开发无GUI的服务程序；
UCGUI设计架构是模块化的，由不同的模块中的不同层组成，由一个LCD驱动层来包含所有对LCD的具体图形操作，UCGUI可以在任何的CPU上运行，因为它是100%的标准C代码编写的。
UCGUI能够适应大多数的使用黑白或彩色LCD的应用，它提供非常好的允许处理灰度的颜色管理。还提供一个可扩展的2D图形库及占用极少RAM的窗口管理体系;
MiniGUI做为“嵌入式图形中间件”软件产品，是针对嵌入式设备，跨操作系统的图形界面支持系统。通过十年的努力，MiniGUI已经成功应用在手持终端、机顶盒、工控、医疗及军工等行业。被各 大厂商认可并广泛采用，逐渐成为嵌入式图形中间件领域的工业事实标准，从技术架构上包括几个模块：输入抽象层（IAL）、输出抽象层（GAL）、消息模块、窗口模块、图形设备接口模块（GDI） 及MiniGUI组件等；
三 新型嵌入式系统开发的两种模式
1. 采用嵌入式ARM工控板+linux操作系统设计
这种开发模式在当前非常盛行。ARM工控板功耗低、体积小、极高性价比。linux操作系统是一种开放性、免费操作系统。ARM工控板+linux操作系统是将性能与价格极优配置的一种开发模式。
但这种开发模式也有其缺点。首先，对于没有相关开发经验的技术人员，熟悉ARM芯片与linux操作系统需要时间花费，研发周期与研发费用值得考虑。第二，如果原来已采用工控机方式开发VC++的 应用程序，将它移植到linux操作系统工作量大。因此，这种开发模式适于做全新开发时采用。
2. 采用ARM工控板+WinCE操作系统设计
这是极便捷的开发模式，软件设计更简单。由于采用WinCE操作系统，软件的开发与一般PC机上的开发完全相同。如果原系统采用工控机设计已有成熟可用的软件程序，只需将该程序安装在WinCE操 作系统下即可。这种模式对于旧系统的升级更新非常适用，避免了重复劳动，也节约了研发成本缩短了开发周期。而且，WinCE操作系统的价格非常低。与Windows2000/WindowsXP操作系统的购买成本比较，几乎可忽略不计。
从研发角度，ARM工控板+WinCE操作系统模式无疑是极佳的选择。从生产角度，X86架构主板在价格上不及ARM芯片有竞争力，非常适于旧系统的升级换代。

图（3）是采用嵌入式工控板开发的工控机
四 结束语
我公司生产的工控板EMB8600I采用ARM芯片+linux操作系统模式，无疑在工控各个领域都有着广阔的应用前景，平望科技将展现自己的全部技术实力，提供最优质的工控板、最完善的技术服务来满足客户的需要，您的需要就是我们的动力，我们将与您携手，共同发展！

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