1、西南科技大学自动化专业方向设计报告设计名称：基于 ARM9 的嵌入式工控机设计 姓 名： * 学 号: 2 班 级： 自动 1 指导教师： 李 驹 光 起止日期： 2010-10-15 至 2010-11-9 西南科技大学信息工程学院制2方 向 设 计 任 务 书学生班级：自动 1004 学生姓名：周靖力 学号：20105797设计名称：基于 ARM9 的嵌入式工控机设计起止日期：2010-10-15 至 2010-11-9 指导教师：李驹光设计要求： 1、采用基于 ARM9 内核的 ATMEL 工业级嵌入式微处理 AT91SAM9X25，主频为 400MHz，设计一款高性能、低功耗、低成本、
2、小体积的嵌入式工业控制计算机。所要求设计的嵌入式工控机以 AT91SAM9X25 为主处理器，支持 128MB DDR2 SDRAM 存储器，1GB NAND Flash存储器，2 路 10/100Mbps 自适应工业以太网接口，2 路 CAN 总线接口，4 路高速串口，1 路调试串口，2 路 USB2.0 接口，大容量 SD 存储卡以及多路 GPIO，并支持宽电压范围供电（DC9VDC30V） 。2、所设计的嵌入式工业控制计算机必须满足工业现场环境要求，包含温度条件（4080） 、湿度条件（595% RH）及“三防” （防水、防霉、防尘）要求。3、所设计的嵌入式工业控制计算机必须实现端口保护
3、，包含以太网接口、CAN 总线接口、串行接口、USB 接口等。4、完成所要求功能嵌入式工控机的原理图设计，Protel99SE/DXP 格式或 Cadence 格式。5、完成所要求功能嵌入式工控机的 PCB 设计，PCB 为 6 层，Protel99SE/DXP 格式或Cadence 格式。方 向 设 计 学 生 日 志时间 设计内容2010.10.20 关于 ARM 设计的各种器件功能的查阅了解2010.10.22 对于各器件 pcb 库的下载选用2010.10.24 基于 AD 的原理图设计2010.10.30 基于各元器件原理图的 PCB 封装34基于 ARM9 的嵌入式工控机设计摘要：
4、嵌入式系统如今已广泛地渗透到了科学研究、工程设计、局势技术、各类产业和商业等许多领域，并且还在不断发展与延伸。嵌入式系统中又以 ARM 架构的运用最有前景，啤机最为广泛。在嵌入式操作系统领域中则是种类繁多，各有特色，Windows CE 操作系统由微软开发，继承了 Windows 系列操作系统的优点，极大方便了应用程序的开发。ARM+Windows CE 是嵌入式系统研究的一个重要方向。本课题以 ARM9 的嵌入式工控设计为主要内容和开发对象，目标是采用基于 ARM9 内核的 ATMEL 工业级嵌入式微处理 AT91SAM9X25，主频为 400MHz，设计一款高性能、低功耗、低成本、小体积的
5、嵌入式工业控制计算机。关键词：嵌入式系统 Windows CE 工业级 AT91SAM9X25 The Design of Embedded System based on ARM9Abstract：The application of embedded system are widespread in science,industry,military technology and other various fields,and it will be more and more popular.ARM architecture is the most popular and the mos
6、t perspective in embedded system.Windows CE,product of Microsoft,is one of popular embedded OS,which contains lots of merit produced by Microsoft.ARM+Windows CE is a strong stream of embedded system development.Reasearch and Development embedded system for industry design is the main target of this
7、project,and our goal is to manipulate industrial MPU AT91SAM9X25 of ATMEL based on core of ARM9 of which MPC frequency is 400MHZ,thereby designing a industrial embedded control computer which embrace the type of great capacity、low power waste、few cost and cute bulk.KEY WORDS:Embedded system, Windows
8、 CE, AT91SAM9X25, industrial design5一、设计目的和意义AT91SAM9X25 是一个高性能的基于 ARM926 嵌入式微处理器单元，运行在 400 MHz，并设有多个网络/连接外围设备，优化的工业应用，如楼宇自动化，网关和医疗。工控机（Industrial Personal Computer，IPC ）即工业控制计算机，是一种采用总线结构，对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称。工控机具有重要的计算机属性和特征，如具有计算机 CPU、硬盘、内存、外设及接口，并有操作系统、控制网络和协议、计算能力、友好的人机界面。工控行业的产品和技术非常特殊，
9、属于中间产品，是为其他各行业提供可靠、嵌入式、智能化的工业计算机。嵌入式工控机（Embedded Industrial Computer）是一种加固的增强型工业计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。早在 90 年代初期，美国 AD 公司就推出了类似的工控机。由于嵌入式工控机的性能可靠、无风扇结构、体积小巧、价格低廉，而在工控机中应用广泛 。工控机系统无论从硬件到软件，几乎继承了通用 PC 的全部特征。使用基于 X86 架构的处理器（目前仅 Intel、AMD 及 VIA 可生产）作为系统核心，并通过标准底板接插各种功能板卡的方式，完成系统的构成及功能扩展，因此，用户可以在较短时
10、间内，组建出功能强大的工业控制计算机系统，同时通过运行 Windows 系列操作系统， 保持与通用 PC 的软件兼容。目前，基于 Windows 系列操作系统的各种应用软件已达到数以亿计，且应用非常广泛，这对工业控制系统的软件开发与维护具有良好的支持与推动作用。但由于 IPC 的固有缺点，使之在工业控制的某些应用领域，无法达到令人满意的效果。 IPC 功耗较高、脆弱的存储器系统以及体积和成本因素，在很多情况下已经完全抵消了其高性能和可维护性优势，不能满足应用需求。高功耗对系统散热及稳定性带来严峻考验，广泛使用的散热风扇一直是故障率较高的部件之一，其它诸如液体散热等方式，均由于工艺复杂，成本较高
11、，目前仅少量使用在军事、航空航天等高端领域；存储器系统中的硬盘在系统不间断运行且处于较严苛的工业环境情况下，平均使用寿命仅为 23 年，这通常远低于工业控制系统的整体设计寿命，而采用双列直插（DIMM ）方式连接的内存部件，则不能承受哪怕是比较轻微的振动，加之体积与成本因素，限制了 IPC 在诸多工业控制场合的应用。嵌入式工控机在设计上摒弃了兼容 PC 标准的想法， 着眼于千变万化的应用需求；同时，由于应用需求的差异性，形成了嵌入式工控机百花齐放的现状。嵌入式工控机是面向应用，对性能、成本、功耗、体积有严格要求的专用计算机系统，因此，仅从硬件构成上看，就包含多种位宽（从 4 位、8 位、16
12、位到 32 位等） 、多种架构（如 ARM、PowerPC、MIPS 等） 、生产商众多的各种嵌入式微处理器，外围接口则几乎完全是按需设计，少有 IPC 所具有的标准接口；而软件系统则根据不同的应用场合，使用无操作系统的监控模式、轻量级嵌入式操作系统（如 eCos、 NET MF 等）或复杂嵌入式操作系统（如 Linux Android、Vx-Works 、WinCE 等） ，但不同平台上的应用软件通常不具有通用性。与 IPC 相比较，嵌入式工控机是对性能、成本、功耗、体积等约束条件进行平衡与折衷6的产物，很好地满足了工业控制系统的要求，具有广阔的发展前景。目前，在系统硬件平台上，以 ARM
13、为代表的嵌入式微处理器几乎覆盖传统工业控制从低端到高端的全部领域，甚至延伸到桌面和服务器系统；而嵌入式软件平台的多样性则契合了不同工业控制应用对系统功耗、 运行效率、实时性、可靠性及系统安全性要求。近几年来，ARM 所推出的 Cortex-M、Cortex-A 系列处理器架构，对传统工业控制计算机的设计提供了新的思路。ARM Cortex-A8 处理器是第一款基于 ARMv7 架构的应用处理器，并且是有史以来 ARM开发的性能最高、最具功率效率的处理器。Cortex-A8 处理器的速率可以在 600MHz 到超过1GHz 的范围内调节，能够满足那些需要工作在 300mW 以下的功耗优化的移动设
14、备的要求；以及满足那些需要 2000 Dhrystone MIPS 的性能优化的消费类应用的要求。因此采用 ARM Cortex-A8 处理器设计嵌入式工业控制计算机可以实现工控机的高性能、低功耗、低成本、小体积的要求。二、控制要求（一） 主处理器主频要求 400MHz，支持 DDR2 存储器，低功耗，满足工业温度条件4080。（二） 存储器128MB DDR2 SDRAM，1GB NAND Flash，符合工业温度条件4080。（三） 扩展支持大容量 SD 储存卡以及多路 GPIO，数字输入输出。（四） 通信接口两路百兆工业以太网接口；4 路高速串口；两路 USB2.0 接口，一路主机，一路
15、从机。（五） 调试支持一路调试串口。（六） 电源支持支持宽电压范围供电（DC9VDC30V） 。（七） 工业环境温度条件（-4080） 、湿度条件（595% RH）及“三防” （防水、防霉、防尘） 。三、设计方案论证（1）处理器选择1.飞思卡尔 ARM9飞思卡尔生产的 ARM 9 处理器有两个系列，i.MX25 系列和 i.MX28 系列。i.MX25 以ARM926EJ-S 为主处理器，支持 128MB DDR2 同步动态随机存储器， 1GB NAND 闪存储器，一路 10/100Mbps 自适应工业以太网接口， 2 路 CAN（控制器局域网络）总线接口，4 路高速串口，1 路调试串口，2
16、路 USB2.0 接口，大容量 SD（同步动态）存储卡以及多路 GPIO（通用输入输出） ，满足工业要求温度条件（4085） ，且满足湿度条件与三防。但是i.MX25 只有一路 10/100Mbps 以太网接口，不满足设计要求。而另一方面 i.MX28 在价格上不占优势，所以对比选择用 sam9x25。2.TI ARM9TI 生产的 ARM9 处理器有 6 个系列：7AM1810，AM1808，AM1806，AM1802，AM1707，AM1705。AM1802 主频为 300MHz，支持 128MB DDR2 SDRAM 存储器，1GB NAND Flash 存储器，1路 10/100Mbp
17、s 自适应工业以太网接口，无 CAN 总线接口，4 路高速串口，1 路调试串口，1路 USB2.0 接口，大容量 SD 存储卡以及多路 GPIO，并支持宽电压范围供电（DC9VDC30V） 。温度条件（4090） 、湿度条件（595% RH）及“三防” （防水、防霉、防尘） ，但不支持 LCD。AM1806 主频为 456MHz，支持 128MB DDR2 SDRAM 存储器，1GB NAND Flash 存储器，无10/100Mbps 自适应工业以太网接口，无 CAN 总线接口，4 路高速串口，1 路调试串口，1 路USB2.0 接口，大容量 SD 存储卡以及多路 GPIO，并支持宽电压范围
18、供电（DC9VDC30V） 。温度条件（4090） 、湿度条件（595% RH）及“三防” （防水、防霉、防尘） 。AM1808 和 AM1810 主频都为 456MHz，支持 128MB DDR2 SDRAM 存储器，1GB NAND Flash 存储器，1 路 10/100Mbps 自适应工业以太网接口，无 CAN 总线接口，4 路高速串口，1路调试串口，2 路 USB2.0 接口，大容量 SD 存储卡以及多路 GPIO，并支持宽电压范围供电（DC9VDC30V） 。温度条件（4090） 、湿度条件（595% RH）及“三防” （防水、防霉、防尘） 。综上，AM1802 由于主频不满足 4
19、00MHz，2 路 USB2.0 接口，2 路 100 兆以太网接口而淘汰，AM1806 则由于没有以太网接口，AM1808 与 AM1810 缺少一路以太网接口而淘汰，AM1707 则因为不支持 128MB DDR2 SDRAM 以及 1GB NAND Flash 而弃用。（二）存储器选择系统使用的存储器是 DDR2 和 NAND Flash，NAND Flash 用于保存系统映像文件及系统配置信息等掉电不可丢失的信息，DDR2 用于程序运行及运行变量信息掉电可丢失。但如果其中任何数据出现错误都会给系统带来不可预知的后果，所以需要确保其稳定可靠。目前生产 DDR2 和 NAND Flash
20、的半导体厂家有海力士（SK hynix） ，三星，美光（Micron）等。其中海力士生产的 DDR2 主要服务于消费产品其使用温度范围是 085，因此不适合本次设计要求。考虑到三星生产的工业级 DDR2 使用不多，应该存在某些潜伏的问题。美光的工业级 DDR2 温度范围有-4095和-40105，并且其最大容量是 8Gb（ 1GB） 。同时对比 K4T1G164QE-HCE6 FBGA84 和 MT47H64M16HR 的价格，两片 K4T1G164QE-HCE6 FBGA84 和一片 MT47H64M16HR 价格相差不大，同时参考 TI 提供的方案最终选择美光的 MT47H64M16HR
21、作为本次嵌入式工控机设计的存储器。8四、系统设计（一） 总体设计图 1 系统总体设计图（二） 电源设计TI LMZ14202 可接受 6V 到 42V 之间的输入电压轨，提供低至 0.8V 的可调且高精确度输出电压。LMZ14202 只需 3 个外部电阻器和 4 个外部电容器即可完成电源解决方案。 LMZ14202 是一款具有以下保护特性的可靠且稳定耐用的设计：热关断、输入欠压闭锁、输出过压保护、短路保护、输出电流限制并允许启动至一个预偏置输出。一个单个电阻器将开关频率调节至1MHz。输出电流高达 2A，效率高达 90%。2PJ-0AVINRonEGDS5FB6OUT7LMZC9.uK_图 电
22、源设计图LMZ14202 将输入电源转换成 5V，但整个系统需要多个电压支持，因此还需一个电源管理芯片对输入 5V 进行电压分配及管理。SOM9X25一路调试串口SD 卡接口电源管理128MB DDR21GB NAND FLASH 两路百兆以太网接口扩展接口数字输入输出接口USB DEVICEUSB HOST2 路 CAN接口4 路高速串口9图 设计图（三） DDR2 与 NAND Flash 设计不管对于 PC，还是对于嵌入式系统来说，内存都是一个必不可少的重要组件。操作系和应用程序的运行都离不开内存，系统映像和程序代码一般都是先载入到内存，然后由 CPU 加以执行，因此内存的速度和容量对于
23、系统性能而言起着至关重要的作用。AT91SAM9X25支持一个64字节的内部 ROM 嵌入引导程序：NANDFlash 的启动，SD 卡的 DataFlash或串行数据闪存，可编程顺序。一个32字节的内部 SRAM，单周期存取系统的运行速度，高带宽，多端口的 DDR2控制器，32位外部总线接口支持8行DDR2/LPDDR，SDR / LPSDR 的，静态的存储器， MLC /SLC NAND 控制器，24位可编程的多比特错误纠正代码（PMECC） 。10图 设计图图 设计图（四） USB 设计目前，USB 设备已经得到广泛的引用，USB 鼠标、USB 键盘、USB 摄像头、USB 无线网卡等外设变得越来越普通。通过 USB 接口可以扩展各种各样的功能，这些设备的使用都需要 USB Host 接口。同时为了和 PC 或者其它 USB Host 设备相连，需要 USB Slave。图 .设计图（五） 以太网设计在工业控制现场，往往需要通过网络来传递数据和其它信息，从而实现多机协同操作与交互，以及远程数据库的访问等功能。我们通过把嵌入式工控机接入到相关的网络，可以获
