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基于ARM9的嵌入式工控机设计(西科大专业方向设计).doc
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基于ARM9的嵌入式工控机设计(西科大专业方向设计).doc
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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
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、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(DC9V~DC30V)。
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(-
40℃~80℃)、湿度条件( 5~95% 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,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
2
3
基于 ARM9 的嵌入式工控机设计
摘要: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 ARM9
Abstract : 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 most 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
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 CE, AT91SAM9X25, industrial design
4
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,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,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 2~3 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 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
5
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