羅一平 于津 屈宏峰

摘要：隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，當(dāng)今具有人機(jī)接口的嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用也愈加廣泛。ARM單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)采集、處理信息，還能夠提升系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本。基于此，本文重點(diǎn)探究基于ARM單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：ARM單片機(jī);嵌入式系統(tǒng);設(shè)計(jì);方案

一、引言

在信息產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展背景下，人們對(duì)人機(jī)接口嵌入式系統(tǒng)的需求量也不斷增加。在過(guò)去，ARM單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)多數(shù)都是由國(guó)外引進(jìn)，并且價(jià)格不菲。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，我國(guó)所開(kāi)發(fā)的ARM單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)性能已經(jīng)有了很大進(jìn)步，可以實(shí)時(shí)采集、檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行要求，并且組態(tài)更加靈活、成本更低，設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架體系經(jīng)過(guò)了多輪優(yōu)化設(shè)計(jì)，已經(jīng)十分完善。嵌入式系統(tǒng)的中心是應(yīng)用系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)為載體，進(jìn)行軟硬件優(yōu)化組合配置，可以同時(shí)對(duì)系統(tǒng)功能、成本、體積、功耗、可靠性進(jìn)行管控，由于嵌入式系統(tǒng)的核心是應(yīng)用系統(tǒng)，所以在硬件和軟件設(shè)計(jì)當(dāng)中必須要以應(yīng)用作為核心，從而保證ARM單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的性能。

二、基于ARM單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）硬件結(jié)構(gòu)組成

在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，首先需要考慮應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行要求，并全面考慮性能、成本、可擴(kuò)展性、開(kāi)發(fā)時(shí)間等各方要求，明確系統(tǒng)的主要控制元器件，從而設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)框架。整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中包括主控芯片、高性能電能計(jì)量芯片、存儲(chǔ)模塊、CAN模塊等，同時(shí)配有擴(kuò)展接口，可以實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。硬件系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)用電能檢測(cè)芯片，可以檢測(cè)各個(gè)元器件運(yùn)行的電流和電壓，做好元器件各項(xiàng)參數(shù)運(yùn)行的計(jì)量工作，具有精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

（二）系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)的功能表現(xiàn)在：①可見(jiàn)檢測(cè)系統(tǒng)電池充電、放電信號(hào)檢測(cè)與計(jì)量;②檢測(cè)連接設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如果超出閾值會(huì)自動(dòng)報(bào)警;③對(duì)元器件的荷電狀態(tài)、健康狀態(tài)進(jìn)行計(jì)量評(píng)估;④檢測(cè)電池組漏電情況;⑤通信系統(tǒng)檢測(cè);⑥人機(jī)交互功能，顯示被檢測(cè)對(duì)象的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，還可以設(shè)置各個(gè)系統(tǒng)功能狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的上傳與下載。

三、基于ARM單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

（一）軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念

軟件核心是以一個(gè)可移植、固化、裁剪、剝奪的多任務(wù)內(nèi)核，在實(shí)際應(yīng)用開(kāi)發(fā)中，要在上述所設(shè)計(jì)的硬件中成功移植。軟件內(nèi)核在編寫當(dāng)中要重點(diǎn)考慮可移植性，采用C語(yǔ)言編寫，將處理器相關(guān)代碼集中到OS–CPU、H.OS–CPU–A、ASM.OS–CPU–C.C三個(gè)文件中，結(jié)合硬件上特性對(duì)這些文件改寫，即可實(shí)現(xiàn)移植。在移植后，即可開(kāi)展編程工作。采用RTOS軟件，將面向功能應(yīng)用開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)變成為面向任務(wù)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，將整個(gè)系統(tǒng)任務(wù)劃分為若干個(gè)子任務(wù)，然后實(shí)現(xiàn)每個(gè)任務(wù)要求，確定各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。如果系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性操作要求非常高，需要編寫中斷服務(wù)程序。

（二）系統(tǒng)功能

在系統(tǒng)運(yùn)行當(dāng)中，要初始化系統(tǒng)，創(chuàng)建新的任務(wù)。所創(chuàng)建的任務(wù)設(shè)定為就緒形態(tài)，系統(tǒng)操作中會(huì)自動(dòng)調(diào)用優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，并逐漸解決低級(jí)任務(wù)，保證現(xiàn)行運(yùn)行的任務(wù)優(yōu)先于其他沒(méi)有處理的任務(wù)。在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中某個(gè)任務(wù)因?yàn)橐馔馐录谎訒r(shí)、掛起，或者有更高優(yōu)先級(jí)任務(wù)進(jìn)入到了系統(tǒng)當(dāng)中，則系統(tǒng)會(huì)停止當(dāng)前任務(wù)，處理最優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。如果系統(tǒng)中斷，此時(shí)會(huì)中斷服務(wù)程序，在中斷返回過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)展開(kāi)任務(wù)調(diào)度，將最優(yōu)先級(jí)任務(wù)轉(zhuǎn)化為運(yùn)行狀態(tài)。

如控制系統(tǒng)當(dāng)中出現(xiàn)了母線電壓AD采用中斷，程序自動(dòng)進(jìn)入到母線電壓AD中斷程序;中斷程序之后向郵箱發(fā)送母線電壓AD采樣參數(shù)，由于任務(wù)在就緒等待期間在郵箱中被掛起，所以此時(shí)任務(wù)狀態(tài)被轉(zhuǎn)化為就緒狀態(tài)。中斷返回中，內(nèi)核自主進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，由于是系統(tǒng)內(nèi)部是最優(yōu)先級(jí)任務(wù)處于就緒狀態(tài)，所以無(wú)論哪個(gè)系統(tǒng)任務(wù)被中斷，都會(huì)運(yùn)行最優(yōu)先級(jí)任務(wù)，確保任務(wù)系統(tǒng)的響應(yīng)速度滿足標(biāo)準(zhǔn)。在系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)循環(huán)之后，會(huì)因?yàn)榈却]箱緣故轉(zhuǎn)化為掛起狀態(tài)，內(nèi)核繼續(xù)調(diào)度，最先調(diào)度就緒狀態(tài)中的最優(yōu)先任務(wù)。

四、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

為了能夠保證系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)可以采用RTOS系統(tǒng)（實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）。該系統(tǒng)可以分為可剝奪內(nèi)核與不可剝奪內(nèi)核，由于商用多數(shù)都是采用可剝奪內(nèi)核，所以本文重點(diǎn)探究可剝奪實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)會(huì)將任務(wù)劃分為多個(gè)子任務(wù)，并分為不同的優(yōu)先級(jí)，將不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)分配到不同模塊、棧空間。通常每個(gè)任務(wù)在結(jié)構(gòu)上都是無(wú)限循環(huán)模式，可以實(shí)現(xiàn)多種狀態(tài)，包括就緒狀態(tài)、休眠狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、掛起狀態(tài)、中斷狀態(tài)。系統(tǒng)始終讓優(yōu)先級(jí)系統(tǒng)運(yùn)行，中斷服務(wù)可以搶占CPU，待到中斷服務(wù)程序完畢之后，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)處理最優(yōu)先級(jí)任務(wù)。該開(kāi)發(fā)模式可以優(yōu)化系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。最主要的是將面向功能形式轉(zhuǎn)化成為了面向任務(wù)的形式，整個(gè)系統(tǒng)操作邏輯結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。再加上應(yīng)用了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，讓軟件底層硬件不可見(jiàn)，將過(guò)去雙層軟件系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成為了三層架構(gòu)，這樣更有助于未來(lái)系統(tǒng)的軟件功能拓展以及硬件升級(jí)。軟件操作系統(tǒng)采用較強(qiáng)的內(nèi)核，如μC/OS–Ⅱ，該系統(tǒng)性能非常高支持上百個(gè)任務(wù)同時(shí)進(jìn)行，提升了系統(tǒng)服務(wù)性能。

五、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，當(dāng)今ARM單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛。在ARM單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要重點(diǎn)考慮硬件、軟件設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，這樣才能夠保證整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率與可靠性，發(fā)揮ARM單片機(jī)與系統(tǒng)效能。

參考文獻(xiàn)

裴文祥，姚鑫，李超.基于ARM單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].集成電路通訊，2015（1）：112–113.

高夢(mèng)龍.探究基于ARM單片機(jī)的觸摸屏嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].通訊世界，2017（17）：966–968.