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摘 要 论述了某智能测控系统的总体结构设计，给出了硬件结构图和软件结构。从电源和复位电路、时钟电路、存储器接口电路、以太网接口电路、调试与USB接口电路、AD/DA及PWM电路等方面，详细说明了硬件电路设计，阐述了有关设计理由，为搭建智能控制器平台的整体架构奠定了坚实基础。
关键词 AT91RM9200 智能控制器 Linux 硬件设计
在电子技术迅猛发展的今天，嵌入式系统已越来越多地应用于消费类电子产品、智能仪表、控制系统、航空航天等领域。本文论述基于ARM920T微控制器的AT91RM9200、采用嵌入式Linux操作系统设计实现一种智能控制器平台，提供一具体被控对象，可供人员在其上验证各类控制算法的实际控制效用。主要是论述其硬件实现。
1 智能控制器总体结构设计
智能控制器的整体方略是实现一闭环控制，提供一温度被控对象，目的是控制对象温度达到期望值，途径是通过改变PWM占空比进而改变加热对象的电加热膜的导通时间来实现。
1.1硬件结构
系统的硬件机构如图1所示。嵌入式微处理器是系统的核心，采用ATMEL公司的AT91RM9200芯片，它负责处理ADC从对象那里采集来的温度数据，根据实际与期望值进行控制算法运算后，最终确定PWM波形的占空比，当PWM输出为高电平时，加热膜导通，反之截止。
SDRAM用于系统运行时程序的存取，选用两片HY57V561620，64MB空间足够操作系统使用；引导程序Boot loader、嵌入式Linux操作系统、应用程序及相关配置参数固化在NOR Flash内；物理层网络芯片LXT971通过MII接口同AT91RM9200连接，用于系统与上位机的网络通讯；为方便系统测试和应用程序调试，还配备了标准JTAG接口、调试DBGU串口和USB HOST。
图1 智能控制器硬件结构
1.2软件结构
嵌入式操作系统是嵌入式应用软件的基础和开发平台，本智能控制器选用Linux操作系统。基于Linux的软件结构需要完成如下几个方面的工作。
1.2.1 引导程序Boot loader的编译，它是连接操作系统与硬件的纽带，主要起初始化硬件设备、建立内存空间的映射图、为最终调用操作系统内核准备好正确环境的作用。它的移植与硬件密切相关，需根据实际硬件平台进行修改；
1.2.2 Linux内核的裁剪和移植，文件系统ram disk的制作；
1.2.3 ADC、PWM驱动程序的编写。成功嵌入Linux后，就可以进行应用程序的开发了。被控量通过ADC采集，电加热膜的导通时间由PWM占空比控制，所以还需编写基于Linux内核的驱动程序。
2 智能控制器硬件电路设计
2.1电源与复位电路
本系统需要三种直流电源，一是给AT91RM9200内核、锁相环PLL和振荡器供电的1.8V，一是器件I/O接口所需的3.3V，还有USB接口使用的5V。其中系统对1.8V核心电压的品质要求较高，再加之系统精密，所以需要有足够的保护冗余设计。电源电路采用两级电压转换的方式。第一级先降输入电压到5V，USB接口直接使用该电源；第二级分别使用低压降稳压器LDO输出噪声较小的3.3V和1.8V。
系统复位电路如图3所示。选用IMP706作系统μP监控芯片，利用该电路可以实现上电、掉电、手动复位、电源电压监控、看门狗等功能。PFI为电源故障电压监控输入，当PFI小于l.25V时，电源故障输出FPO变为低电平；WDI是看门狗输入，
当其保持高电平或低电平达1.6s时可使内部定时器完成计数，并置WDO为低；复位输出RESET低电平有效；看门狗输出WDO如果连接到MR将会触发复位信号；为了触发复位，需将PFO接至MR端[1]。
图2 电源电路
图3 复位电路
2.2 时钟电路
AT91RM9200的电源控制器PMC集成了两个振荡器和两个PLL，可以提供系统所需的所有时钟。图4是本系统的时钟电路，包括两个外部晶振、两个PLL的外部二阶滤波器以及外部时钟信号所必须的电源供给VDDPLL。
2.3存储器接口电路
本系统SDRAM和NOR Flash的接口电路由于篇幅原因，这里不再给出。参考文献[2]，就可以知道EBI引脚同NOR Flash和SDRAM存储控制器间的关系。需要说明的是，AT91RM9200的外部总线接口EBI设计可以确保多个外设与基于ARM器件的内置控制存储器间进行数据传输。EBI集成了静态存储、SDRAM和Burst Flash三个外部存储控制器，并提供额外的SmartMedia和CompactFlash逻辑支持；数据通过16或32位数据总线进行传输，高达26位的地址总线可对64M字节空间寻址；8个芯片选择口NCS[7:0]，优化的引脚复用以减少外部存储器的等待时间[2]。
图4 系统时钟电路
2.4以太网接口电路
本系统选用的PHY层收发芯片是Intel公司的全双工网络通信接口电路LXT971A，它符合IEEE标准，支持100BASE-TX和10BASE-T应用，并提供MII接口可以很好地同10/100MACs连接。图3-9给出了LXT971A的接口电路。AT91RM9200的MAC可提供两种与PHY互连的接口，独立媒体接口MII和精简独立媒体接口RMII。在我们的系统中，考虑MII多占用的IO口并未与其他外设冲突，再加之RMII所需的50MHz有源晶振多少会增加硬件设计中电源去耦和电磁兼容的难度，我们选择使用MII接口。
图4 以太网接口电路
2.5 调试与USB接口
本系统的标准JTAG接口电路如图5所示。JTAG标准的目的是用测试数据输入TDI、测试模式选择TMS、测试时钟输入TCK和测试数据输出TDO四个信号来测试芯片的内部状态并进行故障检测，JTAGRST为测试复位，低电平有效，电路上上述五个信号端都需要上拉电阻。NRST是系统复位，调试完毕后可以通过复位键使其复位。
AT91RM9200的调试串口DBGU实现特性同标准USART串口100％兼容，为方便调试，达到将调试信息通过串口在PC超级终端打印出来的目的，DBGU必然需要保留，考虑可能要与其他开发板进行串口连接，系统也设计了一通用串口。相关电路见图5。
AT91RM9200(208引脚PQFP封装)内置两个USB控制器，一个是USB 2.0全速主机端口USB Host，片上收发器，集成FIFO及专用的DMA通道；另一个是USB2.0全速设备端口USB Device，片上收发器，2K字节可配置的集成FIFO。控制信号分别为HDMA、HDRA、DDM、DDP。本系统设计中，两个端口我们都占用，其中HOST接口主要用于应用程序进行U盘调试时插拔U盘，而系统与上位机进行连接则采用Device接口。USB电路原理图见图5。
图5 调试与USB接口电路
2.6 模拟量输入输出与PWM
本系统设计有两个串行外设，ADC和DAC，它们分别由片选线NPCS0、NPCS1控制。ADC部分的原理图见图6。选用的芯片是Analog Device公司推出的12位16通道逐次逼近式模数转换器AD7490，高速，低功耗。5V电压供电时，数据传输率高达1MBPS，典型功耗9mW、最大仅有12.5 mW。DA转换器AD420也是选择的Analog Device公司的产品，高达16位的分辨率；灵活的串行数字接口，最大速率可达3.3 Mb/s，可通过3线制或异步制同MCU相连，我们采用的是三线制；转换后的模拟输出信号可以是0-5V电压，也可以是4-20mA、0-20mA或0-24mA电流，可通过引脚进行实际配置。
AT91RM9200的I/O引脚最大输出电流仅8mA，这对于加热来说是完全不够的，需要进行电流放大。采用MOSFET场效应管IRF620，6A漏极连续电流满足需求，电子开关可以频繁开关也非常适用于PWM控制方式下控制电热膜的加热。
图6 AD、DA与PWM电路
三、结束语
详细介绍了包括电源复位模块、时钟电路、存储器单元、网络接口、调试通讯接口以及ADC、PWM输出在内的智能控制器平台的硬件电路设计。在移植完Linux系统后，开发完ADC及PWM驱动程序，即可建出智能控制器平台的整体架构。接下来的主要工作还需辨识出被控对象的模型，编写相应控制算法，以在其上验证控制算法的实际控制效果。
参考文献：
[1]毛六平，罗文钦，汪鲁才.多功能uP监控芯片IMP706及其应用[J].国外电子元器件，2000(12):38-39
[2]ATMEL corporation.AT91RM9200 datasheet[Z]，2004.http://www.atmel.com/
[3]崔用明，李积英.基于嵌入式控制器的温度控制系统设计[J].兰州交通大学学报，2008，27(6):127-129
作者简介：
李玉琴，（1983.2～）汉族。河南平顶山市叶县人，广西城市职业学院机电工程分院助教。
关键词 AT91RM9200 智能控制器 Linux 硬件设计
在电子技术迅猛发展的今天，嵌入式系统已越来越多地应用于消费类电子产品、智能仪表、控制系统、航空航天等领域。本文论述基于ARM920T微控制器的AT91RM9200、采用嵌入式Linux操作系统设计实现一种智能控制器平台，提供一具体被控对象，可供人员在其上验证各类控制算法的实际控制效用。主要是论述其硬件实现。
1 智能控制器总体结构设计
智能控制器的整体方略是实现一闭环控制，提供一温度被控对象，目的是控制对象温度达到期望值，途径是通过改变PWM占空比进而改变加热对象的电加热膜的导通时间来实现。
1.1硬件结构
系统的硬件机构如图1所示。嵌入式微处理器是系统的核心，采用ATMEL公司的AT91RM9200芯片，它负责处理ADC从对象那里采集来的温度数据，根据实际与期望值进行控制算法运算后，最终确定PWM波形的占空比，当PWM输出为高电平时，加热膜导通，反之截止。
SDRAM用于系统运行时程序的存取，选用两片HY57V561620，64MB空间足够操作系统使用；引导程序Boot loader、嵌入式Linux操作系统、应用程序及相关配置参数固化在NOR Flash内；物理层网络芯片LXT971通过MII接口同AT91RM9200连接，用于系统与上位机的网络通讯；为方便系统测试和应用程序调试，还配备了标准JTAG接口、调试DBGU串口和USB HOST。
图1 智能控制器硬件结构
1.2软件结构
嵌入式操作系统是嵌入式应用软件的基础和开发平台，本智能控制器选用Linux操作系统。基于Linux的软件结构需要完成如下几个方面的工作。
1.2.1 引导程序Boot loader的编译，它是连接操作系统与硬件的纽带，主要起初始化硬件设备、建立内存空间的映射图、为最终调用操作系统内核准备好正确环境的作用。它的移植与硬件密切相关，需根据实际硬件平台进行修改；
1.2.2 Linux内核的裁剪和移植，文件系统ram disk的制作；
1.2.3 ADC、PWM驱动程序的编写。成功嵌入Linux后，就可以进行应用程序的开发了。被控量通过ADC采集，电加热膜的导通时间由PWM占空比控制，所以还需编写基于Linux内核的驱动程序。
2 智能控制器硬件电路设计
2.1电源与复位电路
本系统需要三种直流电源，一是给AT91RM9200内核、锁相环PLL和振荡器供电的1.8V，一是器件I/O接口所需的3.3V，还有USB接口使用的5V。其中系统对1.8V核心电压的品质要求较高，再加之系统精密，所以需要有足够的保护冗余设计。电源电路采用两级电压转换的方式。第一级先降输入电压到5V，USB接口直接使用该电源；第二级分别使用低压降稳压器LDO输出噪声较小的3.3V和1.8V。
系统复位电路如图3所示。选用IMP706作系统μP监控芯片，利用该电路可以实现上电、掉电、手动复位、电源电压监控、看门狗等功能。PFI为电源故障电压监控输入，当PFI小于l.25V时，电源故障输出FPO变为低电平；WDI是看门狗输入，
当其保持高电平或低电平达1.6s时可使内部定时器完成计数，并置WDO为低；复位输出RESET低电平有效；看门狗输出WDO如果连接到MR将会触发复位信号；为了触发复位，需将PFO接至MR端[1]。
图2 电源电路
图3 复位电路
2.2 时钟电路
AT91RM9200的电源控制器PMC集成了两个振荡器和两个PLL，可以提供系统所需的所有时钟。图4是本系统的时钟电路，包括两个外部晶振、两个PLL的外部二阶滤波器以及外部时钟信号所必须的电源供给VDDPLL。
2.3存储器接口电路
本系统SDRAM和NOR Flash的接口电路由于篇幅原因，这里不再给出。参考文献[2]，就可以知道EBI引脚同NOR Flash和SDRAM存储控制器间的关系。需要说明的是，AT91RM9200的外部总线接口EBI设计可以确保多个外设与基于ARM器件的内置控制存储器间进行数据传输。EBI集成了静态存储、SDRAM和Burst Flash三个外部存储控制器，并提供额外的SmartMedia和CompactFlash逻辑支持；数据通过16或32位数据总线进行传输，高达26位的地址总线可对64M字节空间寻址；8个芯片选择口NCS[7:0]，优化的引脚复用以减少外部存储器的等待时间[2]。
图4 系统时钟电路
2.4以太网接口电路
本系统选用的PHY层收发芯片是Intel公司的全双工网络通信接口电路LXT971A，它符合IEEE标准，支持100BASE-TX和10BASE-T应用，并提供MII接口可以很好地同10/100MACs连接。图3-9给出了LXT971A的接口电路。AT91RM9200的MAC可提供两种与PHY互连的接口，独立媒体接口MII和精简独立媒体接口RMII。在我们的系统中，考虑MII多占用的IO口并未与其他外设冲突，再加之RMII所需的50MHz有源晶振多少会增加硬件设计中电源去耦和电磁兼容的难度，我们选择使用MII接口。
图4 以太网接口电路
2.5 调试与USB接口
本系统的标准JTAG接口电路如图5所示。JTAG标准的目的是用测试数据输入TDI、测试模式选择TMS、测试时钟输入TCK和测试数据输出TDO四个信号来测试芯片的内部状态并进行故障检测，JTAGRST为测试复位，低电平有效，电路上上述五个信号端都需要上拉电阻。NRST是系统复位，调试完毕后可以通过复位键使其复位。
AT91RM9200的调试串口DBGU实现特性同标准USART串口100％兼容，为方便调试，达到将调试信息通过串口在PC超级终端打印出来的目的，DBGU必然需要保留，考虑可能要与其他开发板进行串口连接，系统也设计了一通用串口。相关电路见图5。
AT91RM9200(208引脚PQFP封装)内置两个USB控制器，一个是USB 2.0全速主机端口USB Host，片上收发器，集成FIFO及专用的DMA通道；另一个是USB2.0全速设备端口USB Device，片上收发器，2K字节可配置的集成FIFO。控制信号分别为HDMA、HDRA、DDM、DDP。本系统设计中，两个端口我们都占用，其中HOST接口主要用于应用程序进行U盘调试时插拔U盘，而系统与上位机进行连接则采用Device接口。USB电路原理图见图5。
图5 调试与USB接口电路
2.6 模拟量输入输出与PWM
本系统设计有两个串行外设，ADC和DAC，它们分别由片选线NPCS0、NPCS1控制。ADC部分的原理图见图6。选用的芯片是Analog Device公司推出的12位16通道逐次逼近式模数转换器AD7490，高速，低功耗。5V电压供电时，数据传输率高达1MBPS，典型功耗9mW、最大仅有12.5 mW。DA转换器AD420也是选择的Analog Device公司的产品，高达16位的分辨率；灵活的串行数字接口，最大速率可达3.3 Mb/s，可通过3线制或异步制同MCU相连，我们采用的是三线制；转换后的模拟输出信号可以是0-5V电压，也可以是4-20mA、0-20mA或0-24mA电流，可通过引脚进行实际配置。
AT91RM9200的I/O引脚最大输出电流仅8mA，这对于加热来说是完全不够的，需要进行电流放大。采用MOSFET场效应管IRF620，6A漏极连续电流满足需求，电子开关可以频繁开关也非常适用于PWM控制方式下控制电热膜的加热。
图6 AD、DA与PWM电路
三、结束语
详细介绍了包括电源复位模块、时钟电路、存储器单元、网络接口、调试通讯接口以及ADC、PWM输出在内的智能控制器平台的硬件电路设计。在移植完Linux系统后，开发完ADC及PWM驱动程序，即可建出智能控制器平台的整体架构。接下来的主要工作还需辨识出被控对象的模型，编写相应控制算法，以在其上验证控制算法的实际控制效果。
参考文献：
[1]毛六平，罗文钦，汪鲁才.多功能uP监控芯片IMP706及其应用[J].国外电子元器件，2000(12):38-39
[2]ATMEL corporation.AT91RM9200 datasheet[Z]，2004.http://www.atmel.com/
[3]崔用明，李积英.基于嵌入式控制器的温度控制系统设计[J].兰州交通大学学报，2008，27(6):127-129
作者简介：
李玉琴，（1983.2～）汉族。河南平顶山市叶县人，广西城市职业学院机电工程分院助教。