基于嵌入式微处理器EP9315的二次开发技术

1 系统构成

1．1 高性能的ARM9嵌入式微处理器

本设计选择Cirrus Logle公司2004年7月推出的EP93XX系列中的高端产品EP9315。该微处理器是高度集成的片上系统处理器，拥有先进的200MHz ARM92OT处理器并支持Linux、Windows CE和其他许多嵌入式操作系统的存储器管理单元(MMU)。它具有ARM920T内核所有的优异性能。与其他ARM9微处理器相比，EP9315具有以下特性：MaverickCrunchTM数学运算引擎，支持浮点、整数和信号处理指令；丰富的集成外设接口，包括PCMCIA、接口图形加速器、可接两组设备的EIDE、1/10/100Mbps以太网MAC、3个2.O全速HOST USB、专用SDRAM通道的LCD接口、触摸屏接口、SPI串行外设接口、AC97接口、6通道TS接口、8×8键盘扫描接口；支持4组32位SDRAM的无缝连接等。

配合Windows CE.net嵌入式操作系统，系统开发效率高、运行稳定，为工业控制提供了可靠的系统平台。基于定制的WinCE操作系统实现工业控制中应用模块的专用驱动，提高了嵌入式系统的通用性。

1．2 系统主体结构

EP9315嵌入式系统总体结构如图l所示。整个系统分为嵌入式系统、应用模块(声波检测仪)和转换模块三部分。Cirrus Logic公司为用户提供了基于该处理器的全功能开发板。该开发板扩展了EP9315的所有功能，并可根据实际需求将全功能开发板的硬件进行裁减，从而降低成本。该开发板预留了标准PC104接口，可方便用户开发应用。应用模块也预留标准PC104接口，其中的I/O控制信号、数据线、地址线与EP9315嵌入式系统的PCl04接口一一对应。而系统中的转换模块可保证嵌入式系统和应用模块连接的稳定性。

EP935嵌入式系统主要由电源、32MB/64MB内存、LCD接口、警示LED、主USB、面板按键、CF卡接口、以太网接口和标准PCI04接口组成。其中电源提供5V、3.3V、1.8V三种电压输出，分别给应用模块、外设、CPU内核供电。内存为操作系统提供运行空间。其中嵌入式系统与应用模块的I/O控制信号、数据线和地址线都引到标准PC104插座上，经转换模块处理后相接。采用PC104总线标准实现了嵌入式系统的各种应用目标。液晶显示屏用于人机交互，警示LED直观地显示电源状况。主USB支持U盘和USB鼠标键盘，CF卡作为大容量存储器存放应用模块的数据，用户通过面板按键实现对整个系统的控制。

1．3 嵌入式系统板与应用模块的连接方案

系统外接的应用模块(SY5声波检测仪)采用5l系列单片机控制数字模拟电路实现特殊功能。整个数字电路部分均为5V供电，模拟部分由5V及正负12V供电，采样数据通过RS232串口传给上位机进行数据处理。而EP9315、I／O口及外围电路均为3.3V供电，管脚承受的最大电压不超过3.6V。

考虑到每个管脚的驱动能力有限，用电平转换驱动芯片74INXC4245实现电平转换。其作用如下：

(1)改善信号的质量。某些对时延比较敏感、且在系统内又相距较远或者较分散的信号，信号线的寄生电容会损害信号的特性。采用74LVXC4245驱动芯片进行隔离，会改善系统的性能。
(2)抗干扰。增加74VXC4245这样的有源缓冲器可以有效地减少干扰。
(3)电平转换。3.3V到5V和5V到3.3V双向电平转换。

74LVXC4245是8通道电压转换器，最大可提供200mA的驱动电流。与专用模块接口时，主要实现数据线、地址线、I/O信号、中断信号等的单/双向电平转换。

地址线的电平转换方向设置为3.3V到5V。I/O、中断信号的电平转换方向可设置为单向转换，3.3V到5V或5V到3.3V片选可接地。

数据线是双向信号，电平转换时要特别注意其方向信号和片选信号的设计。设计不合理会造成总线冲突，系统无法启动。数据线电平转换电路如图2所示。

由图2可见，方向信号使用读信号的反向信号#RD，保证读操作时数据线由5V到3.3V，写操作时数据线由3.3V到5V，防止了总线冲突。使能信号OE可接地或接片选信号。

EP9315在WinCE操作系统下主频达到200MHz，总线频率为1OOMHz，外设时钟为50MHz，硬件调试环境必须与操作系统完全吻合。而应用模块多采用74系列芯片，工作频率一般为几兆赫兹。频率不匹配造成了EP9315发出的读写及使能信号脉宽不足50ns，对由74系列芯片组成的专用模块不能实现正确的读写操作。因此，系统的存储空间采用了如图3所示的分配，应用模块地址空间为CS7：0X7000_0000_OX7FFF_FFEF。

为给低速设备提供足够脉宽的总线信号，设置应用模块地址空间存储空间读写特性寄存器SMCBCR7中等待时间位WST1和WST2：
总线读取等待时间=(WST+1)×总线时钟
连续读取等待时问=(WST+1)×总线时钟
调试代码如下：
 
这种设置使得SDRAM等高速外设和低速外设拥有不同的总线频率，具有很大的灵活性。

2 系统软件

2．1 嵌入式操作系统下的驱动程序类型

由于Windows CE.net开发工具好学易用，没有目标设备时可以在PC上仿真测试，因此基于Windows CE.net的嵌入式开发日益普及。但要在操作系统下控制应用模块就要为应用模块编写驱动。本质上，Windows CE的设备驱动程序都是一些动态链接库(.dll文件)，这些dll向内核提供了入口函数，使设备管理模块可以通过这些函数与具体的硬件设备进行通信。由于应用模块功能的不同，微软没有提供相应的驱动，所以只能自行开发测试。开发过程中采用单层驱动结构。

2．2 驱动程序开发

2．2．1 应用模块初始化

应用模块的初始化在标准流接口函数DEV_Init()中完成，在内核加载驱动时调用该函数，其中DEV为设备文件名的前缀，Windows CE使用其识别与特殊流接口驱动程序相对应的特殊设备。初始化的基本步骤为：
??

2．2．2 应用模块数据接收与发送

应用模块数据的传递在流接口函数Dev_Write( )和Dev_Read()由完成。

DEV_Wnte(<由应用程序传入的设备句柄>，<写入?数据指针>，<写入数据位数>)
{//每写l字节调用一次WRITE_PORT_UCHAR()；}
DEV_Read(<由应用程序传入的设备句柄>，<存放数据指针>，<读入数据位数>)
{//每读1字节调用一次READ_PORT_UCHAR()；}
其中：WRITE_PORT_UCHAR()和READ_PORT_UCH-AR()中传递的地址为经过MmMapIoSpace()映射过的虚拟地址。

2．2．3 建立应用程序和设备驱动的联系
操作系统中的应用程序与驱动中的流接口函数一一对应。其关系如图4。

当应用程序准备对某个设备进行读写时，系统必须先执行CreateFile()函数打开这个设备，得到的设备句柄即为底层设备驱动中Dev_Open()的返回值。应用程序通过CloseHandle()调用设备驱动中的Dev_Close( )。执行完该函数后驱动程序引用的设备将不再有效。当一个流接口驱动程序被打开后，应用程序使用ReadFile()对这个设备进行读操作，驱动程序中Dev_Read()响应该操作；同样应用程序使用WriteFile()对该设备进行写操作，驱动程序中Dev_Write()响应此操作。另外，应用程序还可以使用DeviceIOControl()通知操作系统调用流接口驱动中的DEV_IOControl()去通知驱动程序要执行的操作。这些操作用户可用Windows CE提供的API函数CTL_CODE自定义。

笔者在Windows CE.net操作系统下，已实现了基于EP9315嵌入式系统对武汉中科院岩土力学所设计的SY5声波仪的控制，设备运行稳定。与原来由51单片机搭建的SY5声波仪相比，该系统功耗降低、体积变小、稳定性增强、成本降低，更适合工业控制中的运用。