杨云
柳州铁道职业技术学院
摘要：随着我国经济的不断发展，科学技术得到了迅速的发展，具有人机接口的嵌入式系统应用也越来越广泛。ARM单片机嵌入式系统可以实现信息的采集、对信息做出处理，还可以提升系统运行的安全性、稳定性、降低系统设计成本。在本文中将重点研究基于ARM单片机的嵌入式系统设计方案。介绍系统在ARM处理器强大功能的基础上，进行运算、处理、先是ADU3600板搜集数据的过程，在详细的阐述了系统综合性能指标的基础上展示了产品未来的应用前景。
关键词：ARM单片机；嵌入式系统；设计；方案
当今时代是一个高度信息化、网络化的时代，计算机和网络被应用在生活中的各个方面，信息时代、数字时代的到来使得嵌入式产品获得了巨大的市场。嵌入式系统的应用非常的广泛，军事国防领域是嵌入式系统应用较多的一个领域。当今各种武器的控制例如火炮、导弹、坦克、舰艇等各种军用电子设备上都应用到了嵌入式系统。但是随着科学技术的不断发展，对嵌入式系统提出的要求也越来越高，以32位微处理器为核心的嵌入式系统具有高性能、低功耗、低成本等众多的优势，在智能仪器中的应用也必然成为主流。
一、嵌入式系统概述
嵌入式系统是指以应用为核心，以计算机技术为基础，可以适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积等严格要求的专用计算机系统。随着科学技术的不断发展，嵌入式系统被用用到了工业控制、仪表控制、汽车电子和消费类的电子产品中。在仪器仪表领域当中，数字技术将模拟仪器的精度、分辨力和测量速度都提高了很好，为未来自动化的实现打下了良好的基础[1]。计算机的发展使得仪器的功能发生了根本上的提升，可以测量整个体统的参数，可以实现控制、分析、处理、计算等功能。嵌入式系统的应用也使得现代仪器仪表得到了很大的提升。
二、嵌入式系统的组成
嵌入式系统是由软件和硬件两部分组成的，其中嵌入式系统硬件部分的核心是嵌入式微处理器，必要情况下可以外接DSP和DSP协同处理器提高系统的信息处理能力。嵌入式系统还包括了存储系统、电源系统和复位电路等硬件系统[2]。嵌入式系统的软件部分是由驱动层、操作系统层和应用程序三部分组成。驱动层是嵌入式系统软件部分和硬件部分的连接口，操作系统是软件系统的基础，可以实现文件系统、应用程序等的运行。嵌入式系统的核心是系统软件和应用软件，因为存储空间的限制，因此要求软件代码紧凑，对实时性有着较高的要求。
三、ARM处理器的特点
（一）ARM简介
ARM是微处理器行业当中知名企业，并且也代表了该企业中的一种艺术，是一类微处理器的统称，在1991年时ARM公司在英国剑桥成立，该企业设计出大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术和软件，该企业主要是对外售卖芯片设计技术。目前已经有很多半导体公司和ARM企业签订合作，包括了Intel、IBM、NEC等大型企业[3]。
（二）ARM处理器系列
ARM微处理器目前主要包括了几个锡类，ARM7、ARM9、ARM9E系列等，每一个系列的ARM微处理器都有不同的特点和应用领域。
（三）ARM微处理器结构
ARM是以RISC体系结构为基础的微处理器，和传统的CISC有着巨大的差别，在传统的CISC各种指令当中，大约有五分之一的指令会重复使用，占据了程序代码的80%，剩下的五分之四的指令不经常使用，在程序设计中仅仅占据了20%，这样的结构非常的不合理。因此在1979年时，美国提出了RISC的概念，RISC并不是去减少指令，而是对计算机的结构进行优化，提高其运算速度，RISC结构优先选取了频率最高的简单指令，避免了复杂指令，将指令的长度固定化，方面指令格式和寻址方式。
具有RISC体系结构的ARM微处理器在保证高性能的前提下，尽可能的缩小了芯片的面积，并且降低了其功耗，提高了指令的执行效率，加快了数据的传输效率，在循环处理过程中使用自动增减增加了运行效率。
ARM微处理器体系结构是当前嵌入式系统中领先的32位嵌入式RISC微处理器结构，使用31位地址和数据总线，其存储空间达到了4GB，还具有能耗低、性价比高和代码密度高等特点，寄存器在其中被广泛使用，大多数的数据操作都是在寄存器当中完成的，指令执行的速度更快，寻址方式更加灵活，执行效率更高。
（四）ARM微处理器的寄存器结构
ARM处理器一种有37个寄存器，按照用户编程的划分，可以分为两类寄存器，一种是通用寄存器，一种是状态寄存器。每一种处理器模式下都有一组与其对应的寄存器，在任意一种处理器模式下，可以访问的寄存器包括了15个通用寄存器，还有1到2个状态寄存器以及程序计数器[4]。
四、ADU3600板特点
利用载波测量技术和快速求解整周模糊度技术，解决了惯性定向产品精度随着时间和温度漂移的问题，可以计算出两个GPS接收机天线处位置和两个天线相位中心连线和真北之间的角度。
五、系统硬件设计
（一）数据接收电路
选取的GPS天线为零相位测量型天线，馈线和天线在阻抗、增益、放大倍数等方面和天线可以很好的搭配工作。
前天线，利用天线馈线的一端和接口相接，另外的一段连接GPS前天线。猴天仙用天线馈线的一端和接口连接，另外一端和GPS后天线连接。GPS后天线相位中心到GPS前天线相位中心的连接被我们成为基线。基线和真北之间的夹角角度被我们叫做方位角[5]。基线越长意味着定向精度越高，一般情况下基线长度增加一倍，那么定向精度也会提高一倍。因此我们应当尽可能的将两个天线安装距离加长，这样可以提高定向精度。
（二）数据处理电路
接收板通过两条GPS天线得到了数据之后，首先对数据进行处理、分类、打包，其次通过连接口将处理之后的数据通过母板传输给主板，主板接收到数据之后，对数据进行第二次的处理、分类等工作，最后通过显示屏将得到的数据进行显示，并且通过串口将数据发送给外部的连接设备[6]。
（三）接口电路
1.显示接口
液晶显示器具有耗电低、体积小等特点，在嵌入式系统中应用十分的广泛。LCD显示器是通过给不同的液晶单元供电，控制其显示的图像。
2.串行接口
在本文的系统当中采取的是RS-232C是美国电子工业协会制定和采用的一种串行通信接口标准，也是国际通用的串行通信接口标准。
六、系统软件设计
嵌入式软件大致可以分为三大类，分别是系统软件、应用软件和支撑软件，系统软件负责控制和管理嵌入式系统资源，为嵌入式应用提供各种软件，例如设备驱动程序、嵌入式操作系统等[7]。应用程序是嵌入式系统中的上层软件，负责定义嵌入式设备的主要功能和用途，并且负责和用户之间进行交互。支撑软件是辅助软件开发的工具软件，例如交叉编辑器、在线仿真工具等。系统软件和应用软件是在嵌入式设备上运行，支撑软件是在普通PC机上面进行运行。
（一）板级支持包
设备驱动层也被成为板级支持包，包含了嵌入式系统中和硬件相关的所有代码，并且向其提供一个虚拟的硬件平台，使得操作系统在上面运行。包括了引导加载程序的Bootloadre和设备驱动程序，Bootloadre是在操作系统内和运行之前的一小段程度，这段程序可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，将系统的软硬件环境设置到合适的状态，以便于最终调用操作系统内核做好准备。设备驱动设备是一组库函数，对硬件进行初始化和管理，并且向上层软件提供访问接口。
（二）嵌入式操作系统
在本系统当中选取的是VxWorks是一款美国WindRiver System公司开发的嵌入式实时操作系统，具有良好的可靠性和实时性，在当前嵌入式系统领域中使用十分的广泛，市场占有率十分的高，它基于微内核的体系结构，采取GNU类型的编译和调试器，大多数的API函数是专有的。
（三）集成开发环境
本系统当中选取的是Tornado集成开发环境。Tomado是WindRiver公司设计的集成开发环境。
（四）应用软件
本系统程序采取标准的C语言编写，在Tomado集成开发环境中进行调试，通过串口或者是网络通信线路传输并且装载在ARM板中，最终实现脱离宿主机，可以在ARM板中单独运行[8]。
七、系统性能指标
（一）定位误差不能超过30米，定向误差不能大于0.06度。
（二）定位定向不超出2min。
（三）阳光下可以看到EL显示器。
（四）总功率不会超出10W。
（五）包装箱体积不超过410mm*322m*216mm.总的重量不超过20kg。
（六）可以在-40℃~50℃工作，可以在-55℃~60℃中实现对数据的存储。
总结：在本系统当中考虑到了硬件平台、嵌入式处理器、外围设备、接口电路的基础上对硬件进行设计，经过测试之后达到了硬件的稳定性和可靠性。软件设计中包括了嵌入式平台、操作系统、编程语言、集成开发环境的选择上考虑到了系统的实时性和可拓展性。
参考文献：
[1]高梦龙.探究基于ARM单片机的触摸屏嵌入式系统设计[J].通讯世界,2017(17):272-273.
[2]李业德,郭杰,曹纯子.基于嵌入式系统的智能交通灯管理系统的设计[J].信息技术与信息化,2018(11):53-54.
[3]孙延岭,赵雪飞,张红芳, 等.基于ARM嵌入式系统的微型智能可编程控制器[J].电力系统自动化,2010,34(10):101-104.