2022年基于ARM9的嵌入式工控机设计报告.docx

精品学习资源西南科技高校自动化专业方向设计报告设计名称：基于 ARM9 地嵌入式工控机设计姓名：*学号:2班级：自动 1指导老师：李 驹 光起止日期： 2021-10-15 至 2021-11-9西南科技高校信息工程学院制欢迎下载精品学习资源方 向 设 计 任 务 书同学班级：自动 1004同学姓名：周靖力学号： 20215797设计名称：基于 ARM9 地嵌入式工控机设计起止日期： 2021-10-15 至 2021-11-9指导老师：李驹光设计要求：1、采纳基于 ARM9 内核地 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 地 嵌 入 式 工 业 控 制 计 算 机 . 所 要 求 设 计 地 嵌 入 式 工 控 机 以AT91SAM9X25 为主处理器，支持 128MB DDR2 SDRAM 储备器， 1GB NAND Flash 储备器， 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 储备卡以及多路 GPIO ，并支持宽电压范畴供电（ DC9V DC30V ）.2 、所设计地嵌入式工业掌握运算机必需满意工业现场环境要求，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、所设计地嵌入式工业掌握运算机必需实现端口爱护，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地原理图设计，Protel99SE/DXP 格式或 Cadence格式 .5、完成所要求功能嵌入式工控机地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2021.10.20关于 ARM 设计地各种器件功能地查阅明白2021.10.22对于各器件 pcb 库地下载选用2021.10.24基于 AD 地原理图设计2021.10.30基于各元器件原理图地PCB 封装欢迎下载精品学习资源基于 ARM9 地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讨论、工程设计、局势技术、各类产业和商业等很多领域，并且仍在不断进展与延长 .嵌入式系统中又以 ARM 架构地运用最有前景，啤机最为广泛 .在嵌入式操作系统领域中就是种类繁多，各有特色， Windows CE 操作系统由微软开发，继承了 Windows 系列操作系统地优点，极大便利了应用程序地开发 .ARM+Windows CE 是嵌入式系统讨论地一个重要方向 .本课题以 ARM9 地嵌入式工控设计为主要内容和开发对象，目标是采纳基于 ARM9 内核地 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、小体积地嵌入式工业掌握运算机 .关键词：嵌入式系统Windows CE工业级AT91SAM9X25The 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 most perspectivein embedded system.Windows CE,product of Microsoft,isone 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一、设计目地和意义AT91SAM9X25是一个高性能地基于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，优化地工业应用，如楼宇自动化，网关和医疗.工控机（ Industrial Personal Computer ，IPC ）即工业掌握运算机，是一种采纳总线结构，对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与掌握地工具总称 .工控机具有重要地运算机属性和特点，如具有运算机CPU 、硬盘、内存、外设及接口，并有操作系统、掌握网络和协议、运算才能、友好地人机界面.工控行业地产品和技术特别特殊，属于中间产品，是为其他各行业供应牢靠、嵌入式、智能化地工业运算机.嵌入式工控机（ Embedded IndustrialComputer）是一种加固地增强型工业运算机，它可以作为一个工业掌握器在工业环境中牢靠运行.早在 90 岁月初期，美国AD 公司就推出了类似地工控机.由于嵌入式工控机地性能牢靠、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 地全部特点 .使用基于 X86 架构地处理器（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地方式，完成系统地构成及功能扩展，因此，用户可以在较短时间内，组建出功能强大地工业掌握运算机系统，同时通过运行Windows 系列操作系统，保持与通用 PC 地软件兼容 .目前，基于 Windows 系列操作系统地各种应用软件欢迎下载精品学习资源已达到数以亿计，且应用特别广泛，这对工业掌握系统地软件开发与爱护具有良好地支持与推动作用.但由于 IPC 地固有缺点，使之在工业掌握地某些应用领域，无法达到令人中意地成效. IPC 功耗较高、脆弱地储备器系统以及体积和成本因素，在很多情形下已经完全抵消了其高性能和可爱护性优势，不能满足应用需求 .高功耗对系统散热及稳固性带来严肃考查，广泛使用地散热风扇始终是故障率较高地部件之一，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；储备器系统中地硬盘在系统不间断运行且处于较严苛地工业环境情形下，平均使用寿命仅为2 3 年，这通常远低于工业掌握系统地整体设计寿命，而采纳双列直插（DIMM ）方式连接地内存部件，就不能承担哪怕是比较稍微地振动，加之体积与成本因素，限制了IPC 在诸多工业掌握场合地应用.嵌入式工控机在设计上摒弃了兼容PC 标准地想法， 着眼于千变万化地应用需求；同时，由于应用需求地差异性，形成了嵌入式工控机百花齐放地现状.嵌入式工控机是面对应用，对性能、成本、功耗、体积有严格要求地专用运算机系统，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）、生产商众多地各种嵌入式微处理器，外围接口就几乎完全是按需设计，少有IPC 所具有地标准接口；而软件系统就依据不同地应用场合，使用无操作系统地监控模式、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），但不同平台上地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稳与折衷地产物，很好地满意了工业掌握系统地要求，具有宽阔地进展前景.目前，在系统硬件平台上，以ARM为代表地嵌入式微处理器几乎掩盖传统工业掌握从低端到高端地全部领域，甚至延长到桌面和服务器系统；而嵌入式软件平台地多样性就契合了不同工业掌握应用对系统功耗、运行效率、实时性、牢靠性及系统安全性要求.近几年来， ARM所推出地Cortex-M 、Cortex-A系列处理器架构，对传统工业掌握运算机地设计供应了新地思路 .ARMCortex-A8 处理器是第一款基于ARMv7架构地应用处理器，并且是有史以来ARM开发地性能最高、最具功率效率地处理器.Cortex-A8处理器地速率可以在600MHz 到超过 1GHz 地范畴内调剂，能够满意那些需要工作在300mW 以下地功耗优化地移动设备地要求；以及满意那些需要2000 Dhrystone MIPS 地性能优化地消费类应用地要求.因此采纳 ARMCortex-A8 处理器设计嵌入式工业掌握运算机可以实现工控机地高性能、低功耗、低成本、小体积地要求.二、掌握要求（一） 主处理器主频要求 400MHz ，支持 DDR2 储备器，低功耗，满意工业温度条件40 80 .（二） 储备器128MB DDR2 SDRAM，1GB NAND Flash ，符合工业温度条件40 80 .（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，一路从机.（五） 调试支持一路调试串口 .欢迎下载精品学习资源（六） 电源支持支持宽电压范畴供电（DC9V DC30V ） .（七） 工业环境温度条件（ -40 80）、湿度条件（ 5 95% RH ）及 “三防 ”（防水、防霉、防尘）.三、设计方案论证（一） 处理器挑选1. 飞思卡尔 ARM9飞思卡尔生产地ARM9 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同步动态随机储备器， 1GB NAND闪储备器，一路 10/100Mbps 自适应工业以太网接口， 2 路 CAN （掌握器局域网络）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 （同步动态）储备卡以及多路GPIO （通用输入输出），满意工业要求温度条件（4085），且满意湿度条件与三防.但是 i.MX25只有一路 10/100Mbps 以太网接口，不满意设计要求.而另一方面 i.MX28 在价格上不占优势，所以对比挑选用sam9x25.2. TI ARM9TI 生产地 ARM9 处理器有 6 个系列： AM1810 ，AM1808 ， AM1806 ，AM1802 ， AM1707 ， AM1705.AM1802 主频为 300MHz ，支持 128MB DDR2 SDRAM 储备器， 1GB NAND Flash 储备器， 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， 1 路 USB2.0 接口，大容量 SD 储备卡以及多路 GPIO ，并支持宽电压范畴供电（ DC9V DC30V ） .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 储备卡以及多路 GPIO ，并支持宽电压范畴供电（ DC9V DC30V ） .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 储备器， 1GB NAND Flash 储备器， 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 储备卡以及多路 GPIO，并支持宽电压范畴供电（ DC9V DC30V ） .温度条件（ 40 90）、湿度条件（ 595% RH ）及 “三防 ”（防水、防霉、防尘） .综上， AM1802 由于主频不满意 400MHz ， 2 路 USB2.0 接口， 2 路 100 兆以太网接口而剔除， AM1806 就由于没有以太网接口， AM1808 与 AM1810 缺少一路以太网接口而剔除， AM1707 就由于不支持 128MB DDR2 SDRAM 以及 1GB NAND Flash 而弃用 .（二）储备器挑选系统使用地储备器是 DDR2 和 NAND Flash， NAND Flash 用于储存系统映像文件及系统配置信息等掉电不行丢失地信息， DDR2 用于程序运行及运行变量信息掉电可丢失 .但假如其中任何数据显现错误都会给系统带来不行预知地后果，所以需要确保其稳固牢靠 .目前生产 DDR2 和 NAND Flash 地半导体厂家有海力士（ SK hynix ），三星，美光（ Micron ）等.其中海力士生产地 DDR2 主要服务于消费产品其使用温度范畴是 0 85，因此不适合本次设计要求 .考虑到三星生产地工业级 DDR2 使用不多，应当存在某些埋伏地问题 .美光地工业级 DDR2 温度范畴有 -40 95和 -40 105，并且其最大 容量 是 8Gb （ 1GB ） .同时 对比 K4T1G164QE-HCE6 FBGA84 和MT47H64M16HR 地价格，两片 K4T1G164QE-HCE6 FBGA84 和一片 MT47H64M16HR 价格相差不大，同时参考 TI 供应地方案最终挑选美光地MT47H64M16HR作为本次嵌入式工控机设计地储备器.欢迎下载精品学习资源四、系统设计（一） 总体设计电源治理一路调试串口SD卡 接口4 路高速串口128MB DDR22 路 CANSOM9X251GB NANDFLASHUSB HOST两 路 百 兆 以太网接口USB DEVICE数 字 输 入输出接口扩展接口图 1系统总体设计图（二） 电源设计TILMZ14202可接受 6V到 42V 之间地输入电压轨，供应低至0.8V 地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是一款具有以下爱护特性地牢靠且稳固耐用地设计：热关断、输入欠压闭锁、输出过压爱护、短路爱护、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剂至1MHz. 输出电流高达2A ，效率高达 90%.欢迎下载精品学习资源图电源设计图LMZ14202 将输入电源转换成5V ，但整个系统需要多个电压支持，因此仍需一个电源治理芯片对输入5V 进行电压安排及治理 .图设计图（三） DDR2 与 NAND Flash 设计不管对于 PC，仍是对于嵌入式系统来说，内存都是一个必不行少地重要组件 .操作系和应用程序地运行都离不开内存，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，因此内存地速度和容量对于系统性能而言起着至关重要地作用 .AT91SAM9X25 支持一个 64字节地内部 ROM 嵌入引导程序： NANDFlash 地启动， SD 卡地 DataFlash. 或串行数据闪存，可编程次序.一个 32字节地内部 SRAM ，单周期存取系统地运行速度，高带宽，多端口地DDR2 掌握器， 32位外部总线接口支持 8行 DDR2/LPDDR ， SDR / LPSDR 地，静态地储备器， MLC /SLC NAND掌握器， 24位可编程地多比特错误订正代码（PMECC ） .欢迎下载精品学习资源图设计图图设计图（四） USB 设计欢迎下载精品学习资源目前， USB 设备已经得到广泛地引用，USB 鼠标、 USB 键盘、 USB 摄像头、 USB 无线网卡等外设变得越来越一般 .通过 USB 接口可以扩展各种各样地功能，这些设备地使用都需要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） 以太网设计在工业掌握现场，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 数据库地拜访等功能 .我们通过把嵌入式工控机接入到相关地网络，可以猎取同一网络中其它设备地信息和状态，仍可以向这些设备发送相关地命令，以完成相应地设置和操作.目前，在工控现场，为了把多个设备连接起来可以通过各种现场总线（比如LonWorks ， Profibus ， CAN总线等等）或者以太网技术.以太网技术具有价格低廉、稳固牢靠、通信速率高、软硬件产品丰富、应用广泛以及支持技术成熟等优点，已成为最受欢迎地通信网络之一.因此本次嵌入式工控体机中集成了对以太网地支持，而如要支持其它现场总线，就可以使用相应地总线模块.由于 SAM9X25处理器集成两路10/100 兆地以太网掌握器，我们只需要外接千兆以太网收发器，就能供应对千兆以太网地支持.本次设计挑选地千兆以太网收发器是 DM9161A ，另外在以太网收发器和以太网接口之间仍要添加相应地变压器，实现电压地隔离和转换，本次设计采纳地百兆以太网接口是6605814-6 其内置了变压器 .SAM9X25DM91611ARJ-45 Gigabit图以太网流程图（六） 串口设计由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低地特点，特殊是在远程传输时，防止了多条线路特性地 不一样而被广泛采纳 .在进行串行通讯时，要求通讯双方都采纳一个标准接口，使不同地设备可以便利地连接起来并进行通讯.RS232 接口是目前最常用地一种串行通讯接口，它是在1970 年由美国电子工业协会（ EIA ）联合贝尔系统、调制解调器厂家及运算机终端厂家共同制定地用于串行通讯地标准.在 RS232 协议中，信号线地电压为负规律关系，规律“1”为-5-15V ，规律 “0”为 +5+15V ，噪声容限为2V ，也就是说要求接收器能识别低至 +3V 地信号作为规律 “0，”高到 -3V 地信号为规律 “1”经.常使用地串行口有9 针和 25 针两种类型，这里只对9 针类型地串行口地引脚定义作简洁介绍：欢迎下载精品学习资源图串口功能图实际上两个设备之间通过三根信号线（RXD ，TXD ，GND ）就能实现串行通讯，其它信号线就用于实现一些附加功能和专用功能.AM335X处理器内部集成了UART 模块，可以支持6 个 UART 口，由于其信号电平仍只是TTL 电平， 因此在把这两个接口用作RS232 接口时，仍需要经过RS232 电平转换芯片把信号电平转化为RS232 电平 . 本次选用了TI 公司地MAX3232E来实现电平地转换，这部分电路图如下列图，图中地UART0_RXD 、UART0_TXD 两根信号线由 AM335X 地 UART0 模块引出，标号为 CON1 地 DB9 接口就可以用于 RS232 通讯 .另外 5 个 RS232 接口地设计和此类似，分别由 AM335X 地 UART1 、UART2 、UART4 、UART5 模块引出 .图串口设计图（七） SD 储备卡设计欢迎下载精品学习资源AM335X 可以支持 MMC 卡， SD 卡以及 Memory Stick等多种储备设备，而SD 卡地性价比更高，可以支持最大 64G 地容量，使用也比较便利.SD 卡是在 MMC卡地基础上进展而来地，它比MMC卡多了两根信号线用作数据传输，其传输速率比MMC 快很多，能支持 1 Bit和 4 Bit两种模式 .MMC 和 SD 卡地信号描述如下列图：图信号描述图除了上面这些标准引脚外，SD 卡插座一般仍会供应CD 信号和 WP 信号，分别用来检测卡地插入和写爱护信号 .SD 部分地原理图设计如下列图：图卡设计图（八） 数字输入输出设计为应对复杂地工业环境，外部地数字信号要进入工控机里需要对其进行隔离，本次采纳简洁牢靠地光电耦合器进行输入隔离，继电器进行输出隔离.如下列图：欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源五、设计结果及分析图数字输入输出设计图欢迎下载精品学习资源依据设计要求，选定了器件型号，设计了符合各项要求地基于Cortex-A8地嵌入式工控机硬件电路，各模块原理图放于附录，最终布局结果如下图所示：图总体设计图最终设计电路包含SAM9X25核心系统、电源输入接口、两路百兆以太网接口、一路调试串口、四路高速串口、 USB 2.0 高速主机接口、大容量SD 储备卡以及多路GPIO、8 路数字输入接口、并支持宽电压范畴供电（ DC9V DC30V ） .配以合适地外装箱，可实现防尘、防水要求.六、终止语嵌入式系统如今在工业掌握、通信、消费电子等很多方面地应用是更加地广泛了，特殊近几年随着国 内在这个领域地广泛讨论与应用.嵌入式系统已经融入了人们生产、生活地方方面面，进展前景也是一片光明.欢迎下载精品学习资源参考文献：1 牛荣建，基于工控设备地嵌入式系统挑选，2006 年第 8 期:9394,1152 黄慧群、吴景东，DM9000AE及其在嵌入式以太网中地应用，工业掌握运算机，2006 年第 11 期：9091,93附录 各模块原理图及 PCB 布局欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源欢迎下载