ARM架构在工业系统中的应用

一、ＡＲＭ架构简介

ARM是一家公司的名称，也是一类通用处理器的通称。

作为一家商业公司，该公司主要以设计研发IP（Intelligence Property，知识产权）著称，并向各大半导体制造商出售研发的成果获取利润。合作方在购买IP内核授权之后，便可在此内核基础上进行细节特色设计，然后以硬件成品的形式将其推向市场。目前ARM公司已经成为了全球半导体知识产权{dy}大公司，占整个市场的1/4。合作伙伴已经达到370多家，其中包括Intel、Atmel、Sumsang、Cirrus Logic等。2007年半导体行业前10名厂商有8家向其购买了IP核授权。

作为一类通用处理器，ARM架构处理器具有体积小、功耗低、成本低、高性能比等特点，已经占领32位RISC芯片市场的75%以上，在消费电子、工业控制、网络通信等领域均有不俗的表现。目前该架构已经定义了14个家族版本，在其版本上又衍生出来近25个架构版本。ARMv4、ARMv5已经大量投入市场使用，ARMv6、ARMv7也已经开始在便携式设备上崭露头角。

二、工业系统要求

工业控制系统是由传感器、执行机构、显示和记录等几部分组成的，用于监控工业设备的系统。该系统特别强调可靠性和实时性。这是由系统所处环境和控制结果决定的。工业应用是一个传统的控制领域，有别于商业的场合。其环境从炼钢到机床，从地底到高原都有涉及，对所处的温湿度环境，电气性能要求都极其苛刻。另外其所控制的对象也五花八门，要求不一。控制的结果轻则影响小批产品质量，重则关乎重大财产损失，甚至人身安全。

集散式控制（DCS）占据了当今大部分流水线式、大型系统网络的市场。集散式网络的理念为发挥信息在工业自动化中的指导作用铺平了道路。从成本及体积等方面考虑，许多高性能节点开始从传统的工控机转向高性能ARM嵌入式系统。

另外由于集散式控制对于成本、空间及人力投入的要求，许多中小型控制设备并不都适用。因此,传统的集中式控制系统（DDC）的市场需求依然大量存在。这对于随市场需求而高速发展、基于ARM架构芯片的系统无疑是个消息。

从ARM7系列起，许多研究开发人员就致力于将其应用于工业场合。但由于技术性能所限，虽然也有大规模应用成功的案例，也只是局限于控制网络末端中的低性能节点应用。集中控制系统及高性能控制网络节点核心，大部分仍然是以X86架构芯片为主控器的工控机为主体。随着ARM架构的发展，该类芯片性能大增，而成本却相对下降。另外由于国际节能减排形势要求，及我国相关政策出台，以高效能比为主要求的ARM应用，真正进入了高潮。

三、应用简介

集研发、生产、销售为一体的高新技术公司——研制的基于ARM920T核的PVT-9315系列和基于ARM926核的PVT-9261系列，尝试设计了一款基于ARM920T内核的工控平台，鉴于工业环境的诸多要求，增加了宽压输入、防EMC、过流保护等特性，下面介绍一下ARM系列应用时可能涉及的几个问题。

供电：

工业现场电源输入较好的情况，出现在9~24V直流供电，电源可能经常出现较大波动。如果直接采用常规通用LDO供电，将对控制系统稳定性造成很大影响，另外较高电压输入对功耗和板卡温度也是个很大的考验。因此，采用分级供电的方式将更适合可靠。使用一颗DC/DC芯片，前级稳压降压后，直接给安全级别不高的器件供电。对电源要求高的后级，再加多处LDO降压。选料的时候，全部按照低压1.8~5V之间的器件标准。这样不仅满足了供电的要求，而且兼顾了成本、功耗、稳定多方面影响。同时，舍去了X86板卡常见的AT电源，或者只用一个常用稳压器代替，使空间利用率和系统稳定性都得到了很大的提升。

干扰：

根据当今多层板卡印刷电路应用经验，对于BGA封装为主控芯片的板卡，4层板卡的控制线基本是外走法，这对于工业环境复杂的电磁场干扰来说是非常不利的。因此，对于3.3V以下为主的控制，PCB起码在6层或6层以上才能保证品质。另外在重要环节加防雷及ESD保护也是必要的。

接口：

为了实现工业用的各种接口，以及兼容取代部分IPC场合，工控板卡不仅要保证传统的RS232、485等接口，还要尽可能加入新的标准应用支持,比如CAN、WiFi等。传统工控机上除非重新设计，不然其特殊功能的增减即意味着成本的大幅增加。而对于如此众多的ARM芯片，多年来的嵌入式应用，给ARM平台提供了诸多外设要求。到目前为止，大部分ARM芯片生产厂商在单芯片上都集成了各类丰富的接口，不仅成本极低，而且具有稳定、易于使用等特点。譬如凌云逻辑公司的EP9315, 我们{zd0}限度地应用了片上集成功能，再根据普遍应用要求做了适当扩展，得到如下接口包括：

调试口：JTAG, CPLD JTAG

显示：VGA , LCD

串行总线：10/100M ETHERNET, USB×3, CAN, RS232×5, RS485×2

音频：AUDIO IN/OUT

存储：IDE, CF,

扩展总线：PC104

扩展I/O：GPIO×16

扩展AD：12BIT ADC×8

工业领域很多客户除了普通的接口要求外，经常会附带一两个特殊要求。这系列特殊要求一般难以通过专用接口确定下来。传统的工控机做法是通过PC104或者PCI+口，加上扩展模块卡。这是由X86架构信息处理模式决定的。申请通过几级总线的分配，{zh1}到CPU处理。成本及市场的要求，使该模式得到了极大的发展。各种类型的控制板卡及软硬件支持层出不穷。应此，PC104的配置是相当必要的。通过CPLD扩展还有另外一个优点，只要用户熟悉CPLD应用，它甚至能取代扩展模块的功能。凭借高速并行处理能力的CPLD，再加上ARM高速总线，普通的信息处理效率比传统架构更高。

操作系统：

其实当前许多基于ARM平台的硬件，已经能满足当前大多数控制设备，但是由于架构不一致，导致基于操作系统的跨平台应用受到了限制。在嵌入式工控行业一般有Linux、WinCe、DOS、WinXPE、Vxworks、Ucos、Ecos等几种操作系统。ARMxx应用平台又以Linux、WinCe为主流。

Linux出现了适当精简的适用于ARM嵌入式平台使用的版本，内核保持了统一。可以说嵌入式的Linux跟桌面Linux的差别并不大，软件也可以通过交叉编译后相互用。并且系统开源，不存在大的版权利益关系。这无疑是嵌入式平台的福音。近几年嵌入式行业的发展同时给了Linux以足够的土壤。可以说，我国大部分的Linux开发人员事实上也是嵌入式平台开发人员。

但是由于历史原因，桌面操作系统的市场几乎xx被微软垄断，连年大于95%以上。因此国内大部分的纯软件开发人员工作于Windows平台，熟悉微软开发环境及开发技巧。随着嵌入式硬件的高速发展，软件设计要求也提高到一个相当高的层次。桌面平台与嵌入式平台的接轨已是必然。同时微软也无法忽视这个未来不可估量的市场，继而推出的WinCE及WinXPE，都继承了或相对精简了桌面系统的开发优势，兼容了.NET framework软件框架。庞大的基于微软的开发群体，对于Linux来说，不能不说是一个挑战。

在未来相当长的一段时间内，这两者必然长久共存。开发平台的选择由公司开发人员的背景及系统目标定位决定。而对于一个工控硬件产品，其对于这两者的支持程度，很大程度上表现了开发厂商的实力。对于该产品的推广也是一个重要因素。

处理能力：

一直以来以主频定性能的论调使我们深信，主流芯片刚迈入500M主频的ARM芯片是无法与动辄几G加多核的X86芯片相提并论的。确实如此，性能{jz}并不是ARM架构所追求的最终目标。它将能耗、易用性与性能提升了相同的级别——单纯从任一方面讲，都不是该领域的{zj0}，但是三者的协调让其获得了大批拥趸，特别是嵌入式领域。

事实上从性能方面讲，ARM架构的特性让其在实时处理方面占了优势。传统工控机用法是通过并串口扩展或总线扩展。无论通过哪种，事实上都通过南桥控制芯片，再到CPU进行处理。尽管CPU具有很高的主频，但是到PCI、ISA总线时则大打折扣。PCI支持32位或64位的总线宽度，频率通常是33MHz。16位ISA总线频率为8MHz左右。而ARM架构芯片外部总线扩展却同内部相同，通常在100MHz左右。对于主要为外设要求的工控场合，许多监控对象要求高速响应和xx时延控制。高速大量逻辑及模拟量监控比大量科学计算或信息处理的场合更合适。即使CPU主频再高，但其到外部端口的频率却无法满足。

另外，随着各种高速计算需求的增加，很多ARM厂商在芯片上集成了协处理器或加速方案。比如EP9315上就集成了Maverick Crunch数学协处理器，并带了2D图形加速器，使其更易用于专业领域，对ARM性能是一个不小的补充。

安全性能：

随着网络信息化覆盖，很多信息孤岛的状况发生了根本的改变。但这一网络化的进程，也给智能终端带来了威胁。近几年，桌面系统层出不穷的病毒肆意猖獗。由于系统的一致性，许多病毒一样适用于接入网络的以X86为主体的工控机。这不能不说是个考验。然而基于ARM的系统则不一样。首先，该领域并未、也难以引起恶意分子的关注。目前，该领域尚未形成有规模、有针对性的强伤害性病毒。另外由于机制不同，高安全级别的控制系统里，一般嵌入式系统启动后，是在系统内存里面运行的。通常的操作无法破坏操作系统本身或植入系统随机启动。即使系统崩溃，重启后系统依然能正常工作。

结构：

由于工业设备通常都比较庞大，电子主控部分也只占去一部分结构。因此，各部分的升级应当{zd0}限度地不影响其他部分，才能符合要求。按照当今标准，通常工控板根据主板的结构和尺寸可以分成：全长卡、半长卡、5.25英寸、3.5英寸、PC104架构等。

经过以上分析可以看出：ARM在工控领域的应用是xx可行的，并且在功耗成本上都具有相当的优势。根据以上要求，并按照工业标准，我们挑选了全部物料，开发了一款标准工业控制板卡PVT-9315S。它符合以下性能：

电气：

电压：可支持+5V~+25V 宽范围电压供电

功耗：单板功率3W

工作环境：

温度 ：-40℃～ +85℃（工业级）

          0℃～ +70℃（商业级）

相对湿度：5%～95%，非凝结

尺寸：

嵌入式PC/104 工业计算机主板结构，按照3.5英寸工控板标准设计结构及定位，便于通用升级,而不用考虑更换机柜或成型结构。

主存：

板载64MB SDRAM/32MB NorFlash

操作系统：

支持Linux2.4 Linux2.6内核

支持WinCE4.2/5.0/6.0

支持eCos2.0

据悉，PVT系列同时具有开放、集成度高、尺寸小、可扩展性强、低功耗等特点，适用于信息通信、医疗设备、生物安全、汽车电脑、仪器仪表、数据采集设备、消费电子、工业控制与工业自动化设备等应用系统的嵌入式智能平台，并具有相当高的价格优势，有很好的xxx。

浙江某客户使用本产品搭载Linux2.4平台，通过104总线扩展及网口串口扩张，做一个工业控制设备。该设备通过了中国邮政的认可，受到了嘉奖，为提高邮局的工作效率做了较大贡献。

重庆某客户使用本产品搭载WinCE5.0平台，通过板载的5个串口及外围丰富接口，做一个车载设备控制。该设备已经通过国内一家新型大型车辆公司验证并认可，开始量产。