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摘要:

對嵌入式計算機通用接口的設計進行研究．設計方法采用了現場編程技術和硬件、軟件相結合的方式，分別設計了相應的通用函數、共享存儲區、硬件接口電路等部分，成功設計出了基于CPCI總線的嵌入式計算機通用接口，同時在實踐當中得到了成功的應用．

關鍵詞:

CPCI總線;嵌入式計算機;通用接口;設計研究

在微電子技術大力發展的背景下，嵌入式計算機得到了越來越廣泛的應用．嵌入式計算機實際上指的是一種專用的計算機，其主要面對的是一些特定的應用，融合了半導體技術和計算機技術等多項先進技術，通過在不同領域當中的應用與結合最終形成的．系統的中心是應用，基礎是計算機，在體積、成本、可靠性、功能性等方面，都有著較高的要求．嵌入式計算機相比于普通的計算機，具有更高的設計要求，需要將最佳的性能實現在最小的面積當中．

1傳統嵌入式計算機設計中存在的問題

在設計嵌入式計算機的過程中，需要分別進行硬件和軟件的設計．其中，硬件設計主要包含了具體功能模塊、系統體系結構等方面的設計，而軟件設計主要包含應用軟件、底層驅動軟件等方面的設計．在傳統的硬件和軟件設計方法中，主要是按照實際需求．首先設計計算機硬件，然后根據具體設計的各個功能模塊硬件，對相應的底層驅動軟件進行編制，使其能夠初始化和驅動相應的硬件芯片，從而實現相應功能［1］．利用這種方法進行設計，底層驅動軟件的設計，都是面向相應的硬件模塊來進行的，二者之間存在著相互關聯性．如果硬件模塊由于一些原因發生改變，在芯片的各種寄存器當中，定義和地址也會發生改變．而此時底層驅動軟件要想繼續發揮作用，就必須做出相應的調整．嵌入式計算機的生命周期很長，而電子元器件的生命周期卻越來越短．因此，時常會遇到更換和升級硬件芯片的情況．在傳統的計算機設計當中，如果硬件芯片進行了更換，相應的底層驅動軟件也要隨之調整．不同的廠家在設計和生產同一種產品的時候，都會采用各自不同的技術．因此，如果用戶在一個系統中，選擇了多個廠家的產品，就會導致計算機擴展版當中的硬件和驅動程序不同，相互之間可能發生不兼容的情況，從而給用戶使用和維護計算機帶來麻煩．

2基于CPCI總線的嵌入式計算機

將緊湊型外圍設備互聯成為CPCI，基于CPCI總線的嵌入式計算機具有安全可靠、結構緊湊、性能強大、體積小等優點．在各類比較惡劣的工作環境當中，也能夠進行較好的應用．在當前的實際應用中，基于CPCI總線的嵌入式計算機以其較強的電測兼容性和環境適應性，再加上其良好的灰塵、高溫、沖擊、振動等方面的防護能力，目前已經廣泛的應用在軍事、汽車、通信、航空航天、儀器儀表等領域當中［2］．在設計嵌入式計算機的過程中，為了能夠充分的滿足環境和功能等方面的需求，設計思想應當堅持模塊化，在堅固的機箱當中進行電源、功能器件、主板的部件的安裝，同時與主板之間利用CPCI總線進行連接，使系統能夠正常的發揮作用．而基于CIPI總線的嵌入式計算機通用接口，主要是用于連接不同功能擴展版與主板之間的軟件和硬件接口．通過對通用接口的利用，能夠使主板有效的控制擴展版，實現傳輸和采集相關數據的功能．

3基于CPCI總線的嵌入式計算機通用接口的設計

3．1硬件設計

3．1．1CPCI總線的接口設計在嵌入式領域和工業領域當中，為了使計算機能夠在惡劣的環境中正常工作，因此采用了CPCI總線．它是在PCI總線的基礎上衍生和發展而來的．相比于面向桌面型的PCI總線來說，CPCI連接器的結構設計為加固型規范模塊，具有更高的可靠性和環境適應性．CPCI總線是一種服務數據或地址的同步總線，擁有32位的總線寬度，能夠進行64位擴展，最高可支持64MHz的工作頻率．能夠實現Cache操作、猝發傳輸、快速背對背傳輸，具有良好的擴展性、數據吞吐率和傳輸速率．CPCI總線能夠自動進行配置，在初始化系統的時候，按照設備的要求POST程序會自動進行I/O空間和存儲器空間等系統資源的分配．因此，基于CPCI總線的各種設備，通常都具有即插即用的功能．只要是接口滿足CPCI總線規范的系統設備，就能夠實現互通和互連．而通用接口的設計，正是以CPCI總線的這些特點為基礎的，其接口設計具體包含了匹配電路、外圍控制、總線橋接芯片等［3］．

3．1．2板上微處理器在局部總線當中，板上微處理器也就是下位機，是其中的主設備，在硬件差異的屏蔽當中，發揮著重要的作用．其程序驅動利用邏輯設備實現，控制具體的硬件功能芯片，從而使擴展版實現通信、采集數據等功能，與主板之間利用雙口RAM來交換數據．在設計當中，板上微處理器采用了能夠對工業標準MCS－51系列指令集進行兼容，帶有4K字節的Flash存儲器能夠實現片內重復編程，內部RAM選擇128×8位，輸入和輸出引腳可編程32個，串行通道1個可編程，計數器16位2個［4］．

3．1．3可編程邏輯芯片可編程邏輯芯片需要訪問和控制雙口RAM、訪問雙口RAM競爭狀態機、地址譯碼、內部寄存器等動能．在設計過程中，實現現場可編程邏輯陣列M4A5192/96．可編程邏輯芯片中能夠兼容CPCI，兼容303V和5V的信號，供電采用5V．其中含有可編程的內部上拉信號、單相輸入引腳16個、雙向輸入和輸出引腳96個、宏單元192個．其符合IEEE1149．1標準，能夠進行在線編程和邊界掃描測試．控制信號和地址通過局部總線由內部寄存器進行輸入，同時所存輸入和輸出的數據．對于雙口RAM的主板和擴展板上微處理器訪問請求，由雙口訪問競爭狀態機進行處理．這樣，就能夠避免在一方進行雙口RAM讀取的時候，另一方在雙口RAM中寫入操作同一單元的問題．對于雙口RAM的主板訪問，由雙口RAM訪問控制來實現［5］．

3．1．4雙口RAM及其數據定義在雙口RAM當中，兩個口分別能夠獨立進行BUSY信號、地址、數據的輸出，同時具有片選和讀寫的能力，具有16位寬度的數據線，11位寬度的地址線，兩個口能夠分別進行異步操作．數據在主板和擴展板之間進行交換，是以雙口RAM為基礎的，按照不同的功能實現，對數據結構進行相應的定義，可將雙口RAM進行存儲區相互獨立的劃分［6］．擴展板上的處理器對于擴展板初始化參數的讀取，是在其初始化參數區完成的，進而實現初始化本板的硬件．控制參數從擴展板控制參數去進行讀取，從而實時控制本板．數據從發送數據去進行讀取和處理，從而傳輸物理上的數據．在雙口RAM接收數據去寫入接收到的數據，讀取由上位機進行．

3．2軟件設計

3．2．1主板通用設備驅動程序的主要函數功能在系統內存中，駐留了設備驅動程序，優先級較高．運行主板的過程中，通用硬件接口的控制和初始化通過CPCI總線進行，通用硬件接口中交換數據，是通過雙口RAM來進行的．在軟件程序中，對數據接收、數據發送、擴展板控制、擴展板初始化、上位機初始化等進行了定義。

3．2．2擴展版邏輯設備驅動程序的主要函數功能在下位機中邏輯設備驅動程序運行，操作硬件面向擴展板．在軟件程序中，對本板數據發送、本板發送判斷、本板數據接收、本板接收判斷、本板控制、下位機初始化等功能進行了定義［8］．

4結語

嵌入式計算機通用接口在計算機的實際應用中，發揮著十分重要的作用．而基于CPCI總線的嵌入式計算機通用接口的設計，更是極大的提升了其工作效率和安全可靠性．硬件芯片差異的屏蔽、軟件驅動程序和硬件接口電路的標準化，都是由CPCI總線為基礎進行解決的，使嵌入式計算機通用接口應用中存在的問題得到了很好的解決．

5結語

通常作為實際的農田風速風向檢測用裝置需要具有較好的抗雷擊能力，且需觀測方便、性能穩定可靠，安裝攜帶方便等．本文設計的風速風向檢測系統基本具有了所需功能．且該系統具有斷電保護、實時將風速、風向變化情況顯示出來．實驗證明本系統電路結構簡單、體積小、成本低、實現容易，且測量數據有著較高的準確性和可靠性．

［參考文獻］

［1］馮瀾，萬軍紅．風速與風力智能測定裝置的設計［J］．上海電機學院學報，2005，8(3):22－23．

［2］郭天祥．新概念51單片機C語言教程－入門、提高、開發、拓展全攻略［M］．北京:電子工業出版社，2009．

［3］張偉，劉引龍．基于51單片機自動斷電插座的設計［J］．西安文理學院學報(自然科學版)，2014，17(4):53－57．

［4］萬蓉鳳，修春波，盧少磊．基于ZigBee技術的風速測量系統的設計［C］．2013年中國智能自動化學術會議論文集(第四分冊)，2013－08－24．

作者：任群 單位：亳州師范高等專科學校 電子與信息工程系