0引言
由于32位ARM 微处理器具有高精度、高可靠性、低成本和低功耗等优点，在各类控制领域的应用日益广泛
[1-4]
。超宽
带微波探测成像是一种利用频段在10GHz 以下、带宽达数GHz 的微波脉冲信号对目标进行探测的成像技术[5]。为了对其中的脉冲触发及数据采集进行控制，本文以基于ARM9内核的嵌入式片上系统S3C2410为核心开发了可用于微波近场成像系统的控制模块。该模块通过接口电路产生ECL 电平触发信号，控制AVM-2脉冲源产生用于目标成像的超宽带窄脉冲；同时，通过串口与Agilent 54855A 存储示波器进行通信，利用示波器上运行的基于IEEE 488.2接口协议的控制程序对存储示波器数据采集等进行控制。 滚压刀具1控制模块总体设计
图1所示为我们设计的一套利用无载波窄脉冲进行近场
探测成像的试验系统，该系统包括脉冲产生器、存储示波器、超宽带天线、控制模块和数据处理模块(成像处理程序)等5部
分。其中控制模块是系统实现的关键之一。根据设计要求，控制模块主要完成超宽带微波近场成像试验系统中脉冲发送和接收控制等工作，由ARM9开发板、接口电路、LCD 液晶屏等部分组成：
(1)ARM9开发板作为整个控制模块的核心控制单元，用于对脉冲产生器产生的脉冲信号进行发送控制，并对存储示波器接收信号进行接收控制。发送控制是指开发板通过接口电路产生用于控制A VM-2脉冲源的外部触发信号；接收控制是指开发板与存储示波器通过串口通信，利用示波器中运行的控制程序控制存储示波器的数据存储与转移。同时，控制程序中通过加入时延控制，使得脉冲发送与接收达到同步。
(2)接口电路用于连接AVM-2脉冲源和ARM9开发板，将开发板上产生的TTL 电平信号转换成脉冲产生器外部触发口可以识别的ECL 双模电平信号，控制其生成所需的UWB 基带信号。
(3)LCD 液晶屏用于实现与ARM 开发板的人机交互，通过开发板上的触摸屏控制脉冲源的信号发送和示波器的接收存储等。
收稿日期：2009-02-17；修订日期：2009-10-15。
嵌入式系统工程
102010,31(1)
计算机工程与设计Computer Engineering and Design
考虑到以上的设计需求，在硬件选型上，拟采用三星公司生产的S3C2410处理器，该处理器是基于ARM920T 内核的16/32位RISC 嵌入式微处理器，采用哈佛体系结构，具有取指、译码、执行、数据访问、回写5级流水线。微处理器标称工作频率为203MHz ，运算能力最高可达到220MIPS ；具有独立的16KB 指令寄存器、16KB 数据缓存以及MMU 虚拟内存管理单元等功能。同时，S3C2410还提供一组完整的系统外围设备，集成了丰富的片上功能。其中，117个多功能输入/输出端口(GPA~GPH )可根据端口配置寄存器(GPACON~GPHCON )控制这些端口作为输入或输出口，并可配置数据寄存器(GPADAT~GPHDAT )设置需要读写的数据[6]
。此芯片主
要面向手持设备，以及高性价比、低功耗的应用，可满足本控制模块电平控制的需要。
而接口电路需要完成TTL 电平信号与ECL 电平信号之间的转换，无现成电路可供使用，故需要自行设计。
同时，选用NEC3.5TFT 真彩液晶屏，具有320*240的分辨率，显示清晰，度柔和，并带有触摸笔，可方便的进行点击等操作，可满足控制模块显示界面友好的需要。
2脉冲触发控制功能
在控制模块中，发送控制功能可以描述如下：当需要发射
用于目标探测/成像的超宽带窄脉冲时，ARM9开发板由软件控制在GPIO 口上输出高低电平(TTL 电平)，产生矩形脉冲触发信号后，将该信号通过接口电路转换为ECL 电平脉冲信号，并输出到脉冲源的外部触发端口。脉冲源采用的是AvTech 公司的AVM-2型脉冲产生器。其输出脉冲可由ECL 电平外部触发，脉宽在0.2~2ns ，幅度在0~15V 范围内可调。当脉冲源检测到触发端口上的ECL 脉冲上升沿时，触发产生一个超宽带窄脉冲。
2.1控制软件
软件部分的功能主要是通过编程控制S3C2410中选定的
GPIO 口发出高低电平的脉冲触发信号，以便通过接口电路对脉冲发生器进行控制。发送脉冲控制程序软件采用VB.NET 编写，支持.NET Compact Framework1.1，运行操作系统为WinCE4.2。
控制程序实现的关键在于对S3C2410中GPIO 口的访问及控制。GPIO 口是ARM 的一类重要接口，应用广泛。通过GPIO 口用户可以和外部设备/硬件进行数据交互，读取设备的
工作状态信号，输出信号控制设备工作等。S3C2410共有8个GPIO 口，分别是GPA 到GPH ，本文使用的是其中的GPA 。通过对GPA 的配置寄存器(GPACON )进行配置可以将其用作为输入口、输出口或特殊功能口。由于需要输出高低电平的脉冲触发信号，故配置GPA 口为输出口，在相应数据寄存器
(GPADAT )中写此寄存器的相应位(0或1)便可令相应的引脚输出低电平或高电平。
由于在WinCE 平台下，普通的应用程序不能直接访问GPIO ，因此，需要在ARM 的物理地址与虚拟地址之间做一个动态映射，本文采用VirtuaAlloc ()与VirtualCopy ()函数来实现。其中，VirtualAlloc ()用于在当前进程的虚拟地址空间中保留或者提交空间，VirtualCopy ()用来绑定物理地址到静态映射虚拟地址。
首先，在BSP 中的S3C2410.h 文件，到虚拟地址映射以及操作GPIO 的寄存器结构体：
#define IOP_BASE 0xB1600000//0x56000000Typedef struct {
unsigned int rGPACON;//00unsigned int rGPADAT;unsigned int rPAD1;unsigned int rGPBCON;//10unsigned int rGPBDAT;unsigned int rGPBUP;unsigned int rPAD2;…}IOPreg;
接着，通过IOPreg 结构体定义一个指针变量v_pIOPRegs ，通过如下方法给该指针变量分配空间，并且映射到寄存器的空间上：
v_pIOPRegs =(volatile IOPreg *)VirtualAlloc (&H1000000,sizeOf (IO_BASE_NEW ),MEM_RESERVE,PAGE_NOACCESS );
Ret_Code =VirtualCopy (IO_Address,&HB1600000,sizeOf (IO_BASE_NEW ),(PAGE_READWRITE ));
完成以上步骤后，对IO_Address 的操作将直接和GPIO 的寄存器关联。
例如：
设置GPA 的控制寄存器GPA0为Output ：
土压力盒Marshal.WriteInt32(IO_Address,0,Convert.ToInt32(&H7FFFFE ));
设置GPA0的数据寄存器输出高电平：
Marshal.WriteInt32(IO_Address,4,Convert.ToInt32(&H1))；设置GPA0的数据寄存器输出低电平：
Marshal.WriteInt32(IO_Address,4,Convert.ToInt32(&H0));
2.2接口电路
接口电路的设计目的是用于电平转换和数据缓冲。通过
ARM9开发板上的16位数据扩展线将数据传送至接口电路，并使用FIFO 芯片调节速率。由于ARM 板输出的是TTL 电平信号，需要芯片进行电平转换后才能输出A VM-2型脉冲源产
图1超宽带微波近场成像系统及控制模块框架
AVM-2-C 脉冲产生器Agilent54855A 存储示波器(控制程序/成像处理程序)
UWB 天线
成像目标
发送控制
控制模块
接收控制
接口电路
ARM9开发板
LCD
UWB 天线
夏景，孔娃：基于ARM9的脉冲触发与数据采集控制模块设计
2010,31(1)11
生器外部触发口可以识别的ECL 双模信号电平。
接口电路设计由如下模块构成：ARM 接口电路、晶振模块、数据缓冲电路、电平转换电路、电源模块。其中，ARM 接口电路为ARM 板上的扩展口和接口电路板上的数据、控制及中断口提供连接，采用44脚插座。晶振模块为数据转换模块提供读取时钟，它包括皮尔斯振荡电路及其外围器件，CD4024分频器和74151多路选择器，此模块为数据缓冲器提供时钟控制，CD4024的分频量由ARM 通过GPIO 口控制多路选择器端口的电平高低来选取。数据缓冲模块由一个FIFO 组成，它接收ARM 向它发出的信号并做串并转换传出到下一模块，FIFO 采用的是IDT 公司的IDT72125，它是一款高效
低功耗芯片，具备1024*16bit 的数据深度与宽度，实现16bit 的并行数据流入，1位串行数据流出，最高可提供45MHz 的转换频率[7]。数据从ARM 板扩展口LDATA0~LDATA15输入FIFO 的D0~D15口，当数据满时通过ARM 扩展口的EINT6中断使数据停止输入，当数据空时通过ARM 扩展口的EINT0继续数据输入。电平转换模块由TTL-ECL 芯片及其外接电路组成，主体采用Maxim 公司的MAX9361，该芯片是Maxim 公司的一款TTL/CMOS-LVECL/ECL 电平转换器，具有GHz 的转换速率和良好的EMC 特性。该电路将FIFO 数据输出的TTL 电平转换成ECL 电平，用于触发脉冲发生器。电源模块为各个电路提供电源供给，为芯片提供5V 的电源，并为ECL 转换芯片Vee 端提供-5V 的电源。接口电路硬件设计图如图2所示。
海绵真空吸盘
图2中，S3C2410的LnWE 与nCS1信号相与后接FIFO 的nW 输入时钟周期，2410扩展口上的LDATA0~LDATA15与FIFO 数据输入口D0~D15相连，数据缓冲后经MAX9361进行电平转换，MAX9361的电源供给Vcc 与Vee 两端各采用+5V 、-5V 电源供电，同时输出两个电平通道接50
的同轴电缆与AVM-2脉冲产生器的外部触发口相连。
3数据采集控制功能
接收控制功能描述如下：成像数据采集过程中，在Agilent
54855A 存储示波器自带的WIN XP 操作系统上运行VB.NET 编写的采集控制程序，当窄脉冲由发射天线发出后，由ARM9
开发板通过串口向存储示波器发出控制指令，控制程序接收到控制指令，
延迟时间
的目的是保持发
送与接收同步，以使示波器能采集到接收脉冲波形，其大小由脉冲发出到接收的延迟以及示波器响应存储指令的时间决定。
存储示波器上运行的采集控制程序流程如图4所示。
4控制模块实现及应用
根据以上设计方案，开发了该控制模块，如图5所示。将
游梁式抽油机
该模块应用于超宽带微波近场成像试验系统，如图6所示。图7所示为控制模块发射控制下A VM-2脉冲源产生的窄脉冲信号，图8所示为控制模块接收控制下存储示波器所接收的信号波形。利用所接收的信号波形结合成像处理程序即可完成对近场目标的探测/成像。
(下转第15页)
图2接口电路设计
FIFO
So
Vee
Vcc
Data0-Data15-EE -EF
S3C2410
SOCP 22pF
Cap+
Cap-I C L 7660
22pF
-2V Vcc M A X 9361
Vcc
74151
Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7
C D 4024B
74LS04
龙芯3b22pF
22pF 10MHz 1M 74LS04S0
S1
S2
E
图3接口电路实物照片
图4
存储示波器采集控制程序流程
等待ARM9
开
发板采集控制
信号
接收到采集控制信号
利用IEEE 488.2协议控制示波器进行采集
延迟时间
何毅，张科，陈刚：基于A VR的平面自平衡系统设计2010,31(1)15
器的输入量为触摸屏检测出的小球坐标信号，输出量为控制步进电机转角的脉冲个数增量。由于在实际定坐标调整过程中，可调整的面积是有限的，为了不在调整过程中使小球滚出平面，应当尽量减小超调。因此，在设计时重考虑了改善系统的动态性能，而对稳态性能的要求并不是很高。
经过实验测试，小球在平面上的运动具有较快的速度，不宜将积分值调得过大，否则将加长小球的调节时间甚至出现长时振荡，其值应从小到大调整。最终，经过试验将系统的P、I、D参数分别取为：0.8、2、0.0028，经过试验验证得到良好的效果。4结束语
本文所研究设计的自动平衡控制系统，仅利用AVR单片机片上ADC资源实现预计功能，通过ADC读取坐标信息，计算平面倾角，从而调整平面达到设定值，完成了一个数字舵机的功能，代替了市面价格较贵的绝对式编码盘；同时本方案还避开了使用专用的触摸屏处理集成电路，利用ADC实现坐标数据快速和准确的读取，且通过软件滤波处理后的值平滑、稳定，完全可以满足系统精度要求。该自动平衡系统为研究和实践控制理论算法、机器人轨迹规划等提供了一个良好操作平台，也为需要平衡稳定系统的各行业提高了一个较好的可行的控制方法。
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5结束语
基于ARM9微处理器的软件及硬件控制方案，能较大地提高近场微波成像系统的工作效率，减小成像后处理的工作量。本设计以S3C2410作为控制核心，主要通过对接口电路、脉冲触发程序、采集控制程序等的设计，利用接口电路产生ECL电平信号控制脉冲源，利用IEEE488.2接口协议控制存储示波器完成数据采集。此控制模块已经在工程中得到了应用，实验结果验证了设计的有效性。对于诸如基于窄脉冲的超宽带通信系统等其它超宽带应用的开发，有一定的参考价值。
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