机械电子工程硕士论文-基于ARM与FPGA的机械手自动控制系统的研究.pdf

中国农业大学 硕士学位论文 基于arm与fpga的机械手自动控制系统的研究 姓名：丁庆振 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：王书茂 20070501 摘要 机械手是自动装配生产线上必不可少的设备，它可以模拟人手臂的部分动作，按预定的程序、 轨迹和要求，实现抓取、搬运和装配等工作。在减轻人的劳动强度、提高装配质量和提高装配效 率等方面，起到了积极的作用。本文基于a r m 和f p g a 嵌入式系统，开展了机械手控制系统的 研发工作，实现了机械手的自动控制。 嵌入式a r m 处理器，具有运行速度快、功耗低、程序设计灵活、外围硬件资源丰富等优点， 但其普通输入输出1 3 的高低电平变化周期最快只能到1 微妙左右，不适合高速输入输出；f p g a 芯片高速输入输出数据，时间可缩短至几十纳秒。通过a r m 处理器和f p g a 技术的有机结合， 发挥各自的优势，使系统具有程序设计灵活、以太网通信、大容量存储、高速数据输出、低成本 等特点，满足高速机械手自动控制的要求。 本文分析了a r m 和f p g a 系统，以及机械手控制系统的功能要求；设计硬件模块、接口电 路；阐述了系统软件的设计过程，包括启动代码u - b o o t 、操作系统u c l i n u x 的移植；并介绍了 如何利用硬件描述语言v h d l 来实现机械手逻辑控制。 关键词：a r m ，f p g a ，u c l i n u x ，机械手，嵌入式系统 a b s t r a c t t h em a n i p u l a t o ri sak i n do fn e c e s s a r ye q u i p m e n t si na u t o m a t i ca s s e m b l yp r o d u c t i o nl i n e nc a l l i m i t a t es o m ea c t i o n so f h u m a na r mt os n a t c h , c o n v e ya n da s s e m b l e ，e t c ，a c c o r d i n gt ot h ep r e c o n c e r t e d p r o g r a m ，t r a c ka n dr e q u e s t i tp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei na s p e c t so fm i t i g a t i n gl a b o ri n t e n s i t y , e n h a n c i n ga s s e m b l yq u a l i t ya n de f f i c i e n c y a tp r e s e n t , m a n i p u l a t o ri sc o n t r o l l e dw i t hp l c i nt h i s p a p er ak i n do f e m b e d d e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do na r ma n df p g ai sd e s i g n e d ，w h i c hr e p l a c e sp l c w i t hf i e l dp r o g r a mg a t ea r r a y ( f p g a ) e m b e d d e da r m p r o c e s s o ra n df p g ab o t hh a v ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s a r mp r o c e s s o r h a st h ea d v a n t a g e so fh i g ho p e r a t i o ns p e e d ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n , f l e x i b l ep r o g r a m m i n ga n dr i c h p e r i p h e r yh a r d w a r er e s o u r c c b u tt h ec y c l eo fs i g n a lc h a n g eo fa r m si 0p o r tc a l lo n l yr e a c hl u s , w h i c hi s n ts u i t a b l ef o rt h es y s t e mr e q u i r i n gh i g hi od a t ai n t e r f a c e s ；f p g ac a no u t p u td a t aw i t ha c y c l e o f s e o r c so f n a n o m e t e r s ，w h i c hc o m p e n s a t e st h ed i s a d v a n t a g eo f a r m w i t ht h ec o m b i n a t i o no f a r m p r o c e s s o ra n dt h et e c h n o l o g yo ff p g a ，t h es y s t e mh a sa d v a n t a g e si nf l e x i b l ep r o g r a m m i n g , e t h e m e t c o m m u n i c a t i o n , m a s ss t o r a g ea n dh i g hs p e e do u t p u t , w h i c hc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so f a p p l i c a t i o ni n c u r r e n ty e a r s i nt h i sp a p e r , i ta n a l y z e dt h ea d v a n t a g e so ft h ec o m b i n a t i o no fa r ma n df p g ai nt h ec o n t r o l s y s t e mo fm a n i p u l a t o ra n dt h ei m p l e m e n to fh a r d w a r em o d u l ea n di n t e r f a c ec i r e u i ge x p a t i a t e dt h e d e s i g np r o c e s so fs o f t w a r es y s t e m , i n c l u d i n gt h et r a n s p l a n t a t i o no fs t a a u pc o d ef u - b o o a 3a n d o p e r a t i o ns y s t e m ( u c l i n u x ) ；p r e s e n t e dh o wt or e a l i z et h el o g i c a lc o n t r o lo ft h em a n i p u l a t o rw i t ht h e v h s i ch a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ( v h d l ) k e yw o r d s ：a r m ，f p g a ，u c l i n u x ，m a n i p u l a t o r ，e m b e d d e ds y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：了多0 漩时间：力卵7 年石月，2 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：丁众 导师签名： 时间：力舶7 年厂月2 日 时间：力9 年6 月弘日 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 机械手及其发展现状 机械手技术是新技术革命中迅速发展起来的一项技术，其发展很快，在技术性能上趋于成熟 和完善，它不断吸取现代技术精华，改进和提高产品水平，现在多为p l c 和微型计算机控制，直 流伺服电动机和步进电动机驱动的小型机械手。 机械手现在广泛应用于各个行业，除工业外，还涉及军事，运输、农业、医院及教学等领域。 机械手在交通管理中代人指挥，在医院代医护人员监护，帮助盲人引路，帮助残疾人料理生活， 在海下，地下等条件恶劣、危险的环境中代人工作。它将使我们生活更舒适，帮助我们从非脑力 的劳动中解放出来，使人类的独特能力得以充分发挥。 随着机械手应用范围的不断扩大，其技术性能也在不断提高。未来机械手的一个最大特点是 它的智能化。现在所进行的一项重要工作就是在机械手的相关部位安装各种传感器，进行有感觉 的信息反馈，使机械手具有以下功能： 1 、能准确的抓取方位在变化的物体( 如工件) ； 2 、能自动避开障碍物； 3 、能根据不同物体( 工件) 自动决定夹紧力的大小； 4 、能判断被抓取物体( 工件) 的重量等等。 目前所用的工业机械手还有不少技术问题需要解决，要进一步提高机械手的运动速度、可靠 性和稳定性。机械手技术的研究发展可归纳以下几方面： 1 、研究新型的、适用的视觉，触觉等传感器及识别系统： 2 、研究人与机器人相互联系的功能装置，即人机对话； 3 、研究更灵活的手臂及抓手； 4 ，提高机械手的控制性能； 5 、实现部件的小型化； 6 、使机械手结构组合化，标准化； 7 、提高可靠性和安全性； 8 、发展以机械手为中心的自动化生产线。 除了工业机械手外，目前各国还在研究各种专用机械手。如深海开发机械手要耐高压、耐海 水腐蚀、抗海浪能力；宇宙空间机械手应能在失重、真空、酷寒及强烈射线等条件下工作；用于 人们日常生活的机械手，要具有小型化，智能化等特点。 1 2 嵌入式系统及其发展现状【1 】 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对 功能、可靠性、成本、体积，功耗有严格要求的专用计算机系统 2 1 。它一般由嵌入式微处理器、 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，如图l l 所示；用于实 现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 图1 1 嵌入式系统组成 嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器微处理器、存 储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件( o s ) ( 要求实时和多 任务操作的情况下) 和应用程序编程p 】。有时设计人员把这两种软件组合在一起，应用程序控制 着系统的运作和行为，而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备以下4 个特点【4 l ： l 、对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内 部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。 2 、具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，为了避免 在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。 3 、可扩展的处理器结构，以能最迅速地扩展满足应用的、最高性能的嵌入式微处理器。 4 、嵌入式微处理器功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中，靠电 池供电的嵌入式系统更是如此，比如有的场合需要功耗只有m w 甚至pw 级的微处理器。 在工业设备随机现场测控方面，嵌入式计算机系统与通用型计算机系统相比，具有以下特点 1 5 】 1 、嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式c p u ，与通用型计算机的最大不同就是嵌入式 c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点， 能够把通_ i jc p u 中许多由板# 完成的任务集成在芯片内部，从而使嵌入式系统设计趋于小型化， 移动能力大大增强，与网络的耦合也更加紧密。 2 ，嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结 合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集 成系统。 3 ，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅 片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。 4 ，嵌入式系统和具体应用有机地结合在起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因 此嵌入式系统产品一旦进入市场，便具有较长的生命周期。 5 、为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片 2 中罔农业大学硕t 学位论史=第一章绪论 机本身内，而不是存储于磁盘等载体中。 6 ，嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程 序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 目前，嵌入式系统正处在一个飞速发展和激烈竞争的时代。从嵌入式系统的技术和市场上来 说，国外发展速度非常快，技术日趋成熟，市场格局基本形成。而国内起步较晚，但是发展也很 快，尤其是市场潜力很大。在国外，嵌入式系统硬件特别是嵌入式c p u 处理能力更新较快，由8 位、1 6 位升级到3 2 位乃至6 4 位，掌上电脑、手机、智能家电产品、电脑汽车等新产品层出不穷， 产业规模日益壮大。在国内，嵌入式系统的关键硬件主要靠从国外引进，技术基础比较薄弱。 操作系统方面，国外已经从简单走向成熟，主要有s y m b i a n o s 、p a l m o s 、w i n d o w sc e 、t r o n 等，占据了机顶盒、p d a 等绝大部分市场。国内的嵌入式操作系统研究开发有2 种类型，一类是 基丁，国外操作系统二次开发完成的，如海信的基于w i n d o w sc e 的机顶盒系统；另一类是中国自 主开发的嵌入式操作系统，如成都电子科技大学开发的d e l t a o s ( 道系统) 、凯思集团公司自主研 制开发的嵌入式操作系统h o p e no s 、中国科学院北京软件工程研制中心开发的c a s s p d a 以及 浙江大学自行研制开发的嵌入式操作系统h b o s ( 天堂之鸟) 等，它们已经在一些领域取得了广 泛应用。同时，由于专用实时操作系统如v x w o r k s 、w i n d o w s c e 价格昂贵且源代码不公开，使 l i n u x 在嵌入式应用中占有一席这地。由于l i n u x 自身有诸多优势，吸引了许多开发商的目光， 成为嵌入式操作系统的一个亮点。 信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，为嵌入式市场展现了美好前景， 同时也对嵌入式系统技术特别是软件技术提出新了挑战，从中可以看出未来嵌入式系统的几大发 展趋势： 1 、嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持。随着因特网技术的成熟、 带宽的提高，i c p 和a s p 在网上提供的信息内容日趋丰富，应用项目多种多样，像手机、电冰 箱、微波炉笛嵌入式设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。为了满足应用功能的升级，设 计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如3 2 位、6 4 位r i s c 或d s p 增强处理能力；另一方面 还采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来实现控制功能复杂性，简化应用程序设计、保 障软件质量和缩短开发周期。 2 、互联网成为必然趋势。为适应嵌入式分布处理结构和联网需求，对嵌入式系统要求配备 标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入式设备必须配有通信接口，相应地需 要t c p i p 协议簇软件的支持；由于家用电器相互关联( 如防盗报警，灯光能源控制、影视设备 和信息终端交换信息) 及实验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入式设备还需具备i e e e l 3 9 4 、 u s b 、c a n 或i r d a 通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为 了支持应用软件的特定编程模式，如w e b 或无线w e b 编程模式，还需要相应的浏览器，如h t m l 。 w m l 等。 3 ，支持小型电子设备，实现小尺寸、微功耗和低成本的要求。为满足这种特性，要求嵌入 式产品设计者相麻降低处理器的性能，限制内存容量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式 软件设计技术的要求，如选用最佳的编程模型和不断改进算法，优化编译器性能。因此，既要求 软件人员具有丰富经验，更需要发展先进的嵌入式软件技术。 4 、提供精巧的多媒体人机界面。嵌入式设备之所以为广大用户所接受，重要因素之一就是 3 中同农业大学硕士学位论文第一章绪论 它们与使用者之间的亲和力、自然和谐的人机交互界面，不仅可以使人们的操作变得更为简单， 而且还能体现出产品的人性化设计风格。 1 3 嵌入式系统在机械手中的应用现状 本课题所研究的对象是工业控制机械手。机械手通常是自动装配生产线上必不可少的设备。 它模拟人手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹和要求，实现抓取、搬运和装配工作。在减轻人 的劳动强度、提高装配质量和提高装配效率方面，特别是在有毒、易燃等恶劣条件下所起的作用 是显而易见的m 。 现在的机械手控制系统一般主要采用以下三种方式：一是继电器控制系统；二是plc 控 制系统；三是微机控制系统。继电器控制系统由于故障率高、控制方式不灵活及功率消耗大等缺 点，目前已逐渐被人们所淘汰；微机控制系统虽然在智能控制方面有较强大的功能，但也存在一 定的不足之处，即抗干扰性差，系统设计较复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术；而plc 控制系统由于运行可靠、使用维修方便、抗干扰性强等优点，成为目前在机械手控制系统中使用 最多的控制方式。 嵌入式系统的出现，为机械手控制功能的实现提供了另一条解决方案，尤其在类似元器件焊 接等要求速度、精确较高的领域。与p i , c 控制方式相比，嵌入式系统开发较为灵活、成本较低， 反应速度快、精确度高、功能可扩展性强、友好的界面开发起来较为容易，尤其是图形显示、实 时打印、网络功能等。 1 4 课题研究的主要内容 本课题以机械手为研究背景，根据机械手的功能需求，设计出以a r m + f p g a 为核心的硬件 控制系统。利用a r m 控制器资源丰富、运算速度快、计算精度高、编程灵活。和f p g a 的高集 成度、高速处理能力、设计方便灵活、低成本、可反复编程、i o 资源丰富的特点，将两者恰当 的结合起来，完成控制功能。为实现这一目的，进行的研究如下： ( 1 ) 设计以a r m 和f p g a 为核心的硬件控制电路。其中a r m 主要实现机械手状态、故障 的监控，将相应的参数上传上位机，并在l c d 显示状态和故障量。 ( 2 ) 设计机械手与a r m + f p g a 核心板之间的驱动、隔离电路。防止外部继电器、气缸动 作等产生电路干扰，影响控制器件的正常工作；另外对内外电路电平进行匹配。 ( 3 ) 编写软件应用程序、移植u c l i n u x 操作系统，移植u b o o t 启动代码。 ( 4 ) 用v h d l 语言实现f p g a 的逻辑控制功能。主要实现功能：采集机械手上的传感器信 号，判断机械手的状态、位置，由此控制机械手进行相应的动作；采集工作台上的信号，控制电 机配合机械手做出相应的运动。 4 中国农业大学硕+ 学位论文 第二章系统总体设计 第二章系统总体设计 2 1 系统的选型与分析 以机械手为控制对象，在实现功能的基础上，尽量预留扩展功能。对处理器、外围电路，启 动代码、操作系统进行总体分析和设计。 2 1 1 机械手的总体结构 机械手的总体框图如图2 1 所示，控制器对机械手和工件台的状态、位置信号进行采集， 做出判断并发出相应的指令，协调机械手动作及控制工作台运动，命令机械手进行下一个相应动 作：伸缩臂、升降臂，摆臂，夹紧、放松、机械手的旋转。 信 | 控制步进电机 固2 1 控制系统总体框图 其中，显示模块采用尺寸为3 2 0 2 4 0 、具有1 6 级灰度显示的l c d ，用于工作状态的显示、 故障监测： 键盘为4 x 4 矩阵方式，用于命令输入控制： 控制器是以微处理器和可编程逻辑器件为核心的控制单元，负责控制功能； 驱动隔离电路采用数字驱动芯片和光耦，驱动继电器，从而带动电磁阀驱动气缸。 2 1 2 机械手功能需求分析 本系统为工业控制生产中经常用到的机械手，示意图如图2 2 所示。 5 凸 砷 中国农业大学硕十学位论文第二章系统总体设计 图2 2 机械手示意图 本课题设计时需要解决的问题有： ( 1 ) 机械手完成的动作：伸缩臂、升，降臂、摆臂、夹紧、放松、机械手的旋转。 ( 2 ) 采集信号： l o 个位置开关：判断机械手的位置； 1 0 个指示灯：指示机械手的位置； 2 个反射光电开关：对工件定位；判断工位上是否有工件。 ( 3 ) 控制信号： 1 个步进电机：带动工件托盘，定位工件位置； 5 个电磁阀：控制机械手的位置。 ( 4 ) 键盘用来输入信号，控制机械手的起停；l c d 实时的显示机械手状态。 ( 5 ) 数据的存储和转存功能。将机械手的运行状态数据传给p c 机，便于分析和监控机械 手工作。 ( 6 ) 实现嵌入式操作系统的支持，便于后续功能的开发。 2 1 3 处理器的选择与分析 随着嵌入式的发展，8 位、1 6 位单片机，3 2 位、“位微处理器相继出现，给机械手控制提 供了另一套解决的方案。以8 位、1 6 位单片机为处理核心的嵌入式系统是早期工业控制中的主要 应用方式，这种单片机处理方式，控制简单、运行可靠、价格较低。但是由于本身资源有限，开 发友好界面、联网功能及速度受到限制，而且升级、维护也较为困难，不适合现代大型的、复杂 的工业机械手控制系统的需求。 6 中国农业大学硕+ 学位论文第二章系统总体设计 随着嵌入式系统应用场合越来越广泛，实现功能的控制算法更加复杂，嵌入式i n t e r a c t 的广 泛应用、嵌入式操作系统的引入以及触摸屏等复杂人机接口的使用，使3 2 位处理器核的应用也 日趋广泛。以3 2 位核心的微处理器无疑将成为解决机械手这些问题的一种合适的选择。 目前的嵌入式处理器主要包括a r m 、m i p s 、p o w e rp c 、x 8 6 、m o t o l o l a6 8 0 0 0 等系列。其 中a r m 处理器核的使用量已稳居3 2 位、“位嵌入式处理器首位。另外，基于a r m 处理器成本 低而高性能、功耗低、体积小的特点，本设计采用a r m 处理器为控制核心。 2 1 4f p g a 的选择与分析 v l s i 工艺技术、微电子技术、计算机技术、软件工具技术的高速发展，大大促进了f p g a 、 c p l d 可编程逻辑器件技术的进步。随着片上系统( s o t ) 时代的到来，包括c p l d 和f p g a 在 内的可编程a s i c 器件，不仅能满足片上系统设计的要求，而且具有系统内可重复编程、速度快、 性能好、i o 口丰富等特点，正逐渐成为嵌入式系统中的关键。f p g a 器件已从单片规模仅有数万 门发展为数百万门，时钟频率由最初的不到1 0 m 发展到目前的3 0 0 m h z l 7 1 。以c p l d f p g a 为代 表的可编程逻辑器件，受到世界上广大电子工程师的普遍欢迎，应用日益广泛，而应用的第一步 就涉及到芯片的选型j 。 芯片选型在可编程逻辑器件中的应用有很重要的意义，它不仅决定了该芯片是否满足设计的 需要，还涉及到系统是否可以向后兼容。选型中首先要考虑用户管脚数量是否能够满足设计需要。 还要考虑控制逻辑中需要的逻辑门数量，两者都要留有一定的冗余。 在本设计中考虑如下： ( 1 ) 由于机械手的控制属于逻辑控制，以往多采用p l c 控制，而f p g a 恰是一种逻辑器件， 对于逻辑控制更能方便实现，并减轻处理器的运算负担，容易实现实时性。 ( 2 ) 利用f p g a 丰富的i o 端口资源。本设计控制的机械手采集量、控制量都比较多：包 括工作台状态、工件定位信号，1 0 路机械手状态量和采集量，步进电机和5 路气缸的控制。而且 利用f p g a 能实现处理器i o 口的扩展。 ( 3 ) f p g a 处理速度快。可以大大提高机械手动作的反应速度，减少延时 目前的f p g a 种类非常多，主要的生产厂家有x i l i n x 、a l t e m 和a c t e l 等。综合考虑上述方 面因素，同时兼顾开发环境、技术支持和性能价格比，本设计确定目标器件为a l t e r a 公司的c y c l o n e 系列。 2 2 系统硬件平台的设计与分析 2 2 1a r m 的选型 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，可以认为是一个公司的名字，也可以认为是一类微处理 器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设 计技术的授权。目前，采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即通常所说的a r m 微处 7 中国农业大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 理器，已经遍及到工业控制、通信系统、网络系统、消费类电子产品等各类产品市场，基于a r m 技术的微处理器应用约占3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术正逐步扩展到生 活的各个角落 9 1 。 采用r i s c 构架的a r m 微处理器一般具有如下特点： 1 体积小、低功耗、低成本，高性能。 2 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好地兼容8 位1 6 位器件。t h u m b 指令集为a r m 指令集的功能子集，但与等价的a r m 代码相比较可节省3 0 一4 0 以 上的存储空间，同时具备3 2 位代码的所有优点。 3 大量使用寄存器，指令执行更快。a r m 处理器共有3 7 个3 2 位寄存器，被分为若干个组 ( b a n k ) 。3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c 指针) ；6 个状态寄存器，用以标识 c p u 的工作状态及程序运行状态。 4 大多数数据操作都在寄存器中完成。 5 寻址灵活简单，执行效率高。 6 指令长度固定。 7 所有指令可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效率。 8 可用加载存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率。 9 可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。 l o 在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。 目前流行的a r m 内核主要有a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 e ，s e e u r c o r e 、s t r o n g a r m 、 x s e a l e 等系列。这些处理器除了具有a r m 体系结构的共同特点外，每一系列a r m 处理器都有 各自的特点和应用领域。 a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，适用对价位、功耗要求高的消费类领域。 主要应用领域：工业控制、i n t e m e t 设备、网络和调制解调器、移动电话等多媒体和嵌入式应用。 a r m 7 系列微处理器包括的核有a r m 7 t m d i 、a r m t t m d i - s 、a r m 7 2 0 t 、a r m 7 e j 四种类型。 其中的a r m 7 t m d i 是现在较为广泛使用的3 2 位嵌入式r i s c 处理器，属于低端a r m 处理器核。 a r m 9 系列微处理器在高性能、低功耗特性方面提供最佳的性能。主要应用于无线设备、仪 器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。a r m 9 系列微处理器内 核有：a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 、a r m 9 4 0 t 三种。 a r m 9 e 系列微处理器是一种可综合处理器，使用单一的处理器内核提供了微控制、d s p 、 j a v a 应用系统的解决方案，极大减少了芯片的面积和系统的复杂程度。另外，它还提供了增强的 d s p 处理能力，很合适于那些需要同时使用d s p 和微控制器的应用场合。a r m 9 e 系列微处理器 有a r m 9 2 6 e j - s 、a r m 9 4 6 e s 、a r m 9 6 6 e - s 三种类型。 a r m i o e 系列微处理器具有高性能、低功耗的特点，它采用新的体系结构，与同等的a r m 9 器件相比，在同样的时钟频率下，性能提高了近5 0 ，同时采用了两种节能方式，使其功耗极低。 主要应用领域：下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等。a r m l 0 e 包括内核有：a r m l 0 2 0 e 、a r m l 0 2 2 e 和a r m l 0 2 6 e j s 三种。 s e c u r c o r e 系列微处理器是专门为安全需要而设计的，提供了完善的3 2 位r i s c 技术的安全 解决方案，因此，s e c u r c o r e 系列微处理器除了具有a r m 体系结构的低功耗、高性能特点外，还 8 中国农业大学硕士学位论文第二章系统总体设计 提供了对安全解决方案的支持。主要应用于一些安全性要求较高的应用产品及应用系统，如电子 商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统的领域。包含的内核有：s e c u r c o m s c l 0 0 、 s e c u r c o r es c l l 0 、s e c u r c o r cs c 2 0 0 和s e c u r c o r es c 2 1 0 四种。 s t r o n g a r m 系列微处理器是融合了i n t e l 公司的设计和处理技术，以及a r m 体系结构的电源 效率，采用在软件上兼容a r m v 4 体系结构，同时采用具有i n t e l 技术优点的体系结构。主要应用 领域：便携式通信产品和消费类电子产品、掌上电脑系列产品。 x s c a l e 处理器是基于a r m v 5 t e 体系结构的解决方案，是一款性能全、性价比高、功耗低的 处理器，支持1 6 位t h u m b 指令和d s p 指令集。主要应用数字移动电话、个人数字助理和网络产 品等场合。 基于功能要求、成本条件、应用成熟程度，本设计采用了内核为a r m 7 t m d i 、s a m s u n g 公 司生产的s 3 c 4 4 b o x 微处理器。 2 1 2 外围接口电路及主要器件的选用 嵌入式外围电路设备是指在一个嵌入式系统硬件构成中，除了核心控制部件一一嵌入式微处 理器或d s p 以外的各种存储器、输入输出接口、人机接口( 如显示器、键盘) 、串口通信接口等。 1 、存储器 存储器是嵌入式系统中存储数据和程序的功能部件。常见的类型有：静态易失性存储器 ( r a m 、s r a m ) 、动态存储器( d r a m ) 、非易失性存储器r o m ( m a s kr o m 、r p r o m 、e e p r o m 、 f l a s h ) 。 ( 1 ) s 3 c 4 4 b o x 本身不带r o m ，因此必须外接r o m 器件来存储掉电后仍需保存的代码和 数据。考虑本设计除了实现控制、显示等功能外，还要另加操作系统u c l i n t l x ，其裁减后约占1 m 多的空间，启动代码u b o o t 约占l o o k 左右，故采用具有非易失性、并且可容易擦写、成本低、 具有可再编程优势的f l a s hr o m - - - - s s t 3 9 v f l 6 0 。它是s s t 公司推出的容量为1 m x1 6 b 的 c m o s 多用途f l a s hr o m 。 ( 2 ) 由于要运行操作系统，要外加一片r a m 。常用的r a m 分为s r a m ( 静态r a m ) 和 d r a m ( 动态r a m ) 两种类型，s 3 c 4 4 b o x 芯片本身提供了与d r a m 和s d r a m 进行直接接口的 解决方案，因此，不需要通过编程来实现它们所需的时序，而只需对存储器控制器相关的寄存器 进行适当的配置即可。本设计采用的h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 ，它是一种容量为6 4 m b 的同步动态 r a m ( s d r a m ) ，存储器空间组织方式是：l m b 1 6 4 b a n k 。 ( 3 ) 为了扩展存储器的容量，本设计增加了一片n a n d f l a s h - - k 9 f 5 6 0 8 。n a n d - f l a s h 存储器能 提供极高的单元密度，可以达到很大的存储容量，并且写入和擦除的速度也很快，是一种廉价的、 大容量存储器的有效解决方案。k 9 f 5 6 0 8 的存储空间为3 2 m b 。 2 、通信接口 目前存在的所有计算机通信接口在嵌入式领域中都有着广泛的应用。本设计的通信接1 2 1 设备 是r s 2 3 2 接口( 串1 2 1u a r t ) 和u s b 接口( 通用串行总线接口) 。u a r t 主要用来远程通讯和嵌 入式软件调试使用，而u s b 主要来传输大容量的文件。 3 、输入，输出设备 9 中国农业大学硕十学位论文第二章系统总体设计 输入设备是采用4 x 4 的简易键盘，输出显示设备是l c d 。s 3 c 4 4 b o x 内部带有l c d 控制器， 可自动产生l c d 所需的控制信号，因此s 3 c 4 4 b o x 可与黑白灰度或s t n 型彩色l c d 直接接口， 而不需要另加l c d 控制器。在这种接口方式下，l c d 显示缓冲区映射到系统的存储器空间上， 程序只需将像素点内容写入存储器对应地址就可以实现l c d 屏上像素点颜色的显示，十分方便。 本设计使用优龙科技公司的g 3 5 l c d 屏，它是e p s o n 公司的3 5 英寸s t n 型l c d ，单色显示， 具有1 6 级灰度。 2 3 系统软件设计与分析 2 3 1 软件的设计方案 整个软件系统以多任务操作系统为基础，按层次化结构设计。其体系结构如图2 - - 3 ，从纵向 划分为三层：驱动程序层、操作系统层和应用程序层。 应用程序层( 数据采集控制、显示、通信等) 嵌入式操作系统层( u c l i n u x ) 驱动程序层( 与硬件相关) 图2 3 软件系统体系结构 驱动程序层完成对本系统的硬件资源进行配置、启动和读写等相关操作，直接与硬件打交道， 是最底层的软件系统。 应用程序层是最上层的软件系统，由多个相对独立的应用任务组成，每个应用任务完成特定 的工作。例如数据采集，控制、显示和通信任务等，由操作系统根据一定的策略调度各个任务的 运行。 操作系统层在其它两层之间进行沟通，它包括多任务内核、t c p i p 网络系统、文件系统、g u i 系统和内存管理等部分。其中内核是基础和必备的部分，其它部分则根据需要来确定。操作系统 可认为弥补硬件差异的界面，隐藏了硬件，让应用程序可以在上面运行。通过操作系统统一提供 的系统界面来写应用程序，无须考虑不同硬件所造成的差异，让程序员能够专注于自己擅长的领 域开发从用户的观点看，操作系统是用户与硬件系统之间的接口，用户在操作系统的帮助下， 可以方便、快捷、安全，可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序；从资源管理的观点看，可以 把操作系统看作硬件资源的管理者。 2 3 2 启动代码的选择 在专用的嵌入式板子上运行l i n u x 系统已变得越来越流行，而运行像l i n u x 这样的操作系 统，就必须有启动代码b o o t l o a d e r 来启动系统。 b o o t l o a d e r 或称引导装载程序通常是系统硬件所执行的第一段代码。像台式机这样的常规系 统中，通常将引导装载程序( o s b o o t l o a d e 0 装入主引导纪录( m a s t e r b o o t r e c o r d ，( m b r ) ) 中。或 1 0 中同农业大学硕+ 学位论文第二章系统总体设计 者装入l i n u x 驻留的磁盘的第一个扇区中。通常，在台式机或其他系统上，基本输入输出系统 ( b i o s ) 将控制移交给b o o t l o a d e r ，而在没有b i o s 的嵌入式系统中，整个系统的加载启动任务 就完全由b o o t l o a d e r 来完成i l q 。 简单地说，b o o t l o a d e r 是在操作系统内核运行前运行的一段小程序。通过这段小程序，我们 可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态， 以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。 b o o tl o a d e r 的主要运行任务是：将内核映像从硬盘上读到r a m 中；跳转到内核的入口点 去运行，也即启动操作系统。 b o o t l o a d e r 的设计与实现是一个非常复杂的过程。一般情况可以在网上寻找到适合自己已经 选用的c p u 体系结构的b o o t l o a d e r 。在基于a r m 体系结构下的b o o tl o a d e r 目前可以找到以下几 种： ( 1 ) b l o b ：它主要应用在s a ll1 0c p u 的嵌入式系统板。 ( 2 ) r e d b o o t ：该软件由r e d h a t 公司开发，支持多种c p u ，同时支持c o o s 和l i n u x 两种操 作系统的引导。 ( 3 ) a r m b o o t ：该软件基于p p c b o o t 发展起来，支持多种a r m 芯片，目前已经停止更新。 ( 4 ) u - - b o o t ( u n i v e r s a lb o o tl o a d e r ) ：该软件可以运行到多种c p u 体系结构，如p o w e r p c ， a r m 、m i p s 的多功能的b o o t l o a d e r ，而且目前仍在不断的更新发展中。 经过比较，本设计采用功能强大的u - - b o o t 。选择原因是： ( 1 ) u - - b o o t 是一个功能齐全、支持平台丰富的b o o t l o a d e r ，如同它的名字一样支持全部或者 大部分的嵌入式系统平台。 ( 2 ) 另外，由于u - - b o o t 的程序框架，采用了多阶段启动方式，使整个程序框架清晰，易于 移植，而且目前在互联网上越来越多的人开始关注u - - b o o t ，许多人将自己移植的代码贡献到它 的网站上( h t t p ：s o u r c e f o r g e n e v p r o j e c l s o - b o o t ) ，所以它的更新速度特别快。由于b o o t l o a d e r 和硬件联系非常紧密，所以一般来说，都要对b o o tl o a d e r 的源代码进行一定的修改，才能在自 己的硬件上运行起来。 ( 3 ) u - - b o o t 提供了相当丰富的说明文档，修改起来较容易些。 2 3 3 操作系统的选择 1 、选型原则 嵌入式操作系统大体上可以分为两大类：商用型和免费型。其中商用型的实时操作系统功能 稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵，典型的有v x w o r k s 、w i n d o w s c e 、 p s o s ，p a l m o s 、l y n x o $ 和q n x 等。免费型的实时操作系统在价格方面有优势，目前主要产品有 l i n u x 和u c o s 。 由于嵌入式系统的应用环境十分特殊，故在嵌入式操作系统的选型时要考虑的问题较多，大 致从以下几个方面加以考虑： ( i ) 硬件支持程度，即操作系统是否能够直接应用于选定的c p u ；若需移植，则要考虑工作量 的大小等。 l l 中国农业大学硕十学位论文第二章系统总体设计 ( 2 ) 实时性能。实时性是r t o s 的一个重要指标，选择时应充分考虑目前应用和未来功能扩展 对系统实时性的要求。 ( 3 ) 开发调试工具是否完善，是否能提供各种库函数。 ( 4 ) 内核大小。由于嵌入式系统的硬件资源相当苛刻，所以选择o s 的一个很重要的指标就是 占用系统内存和资源要少。 ( 5 ) 是否可根据应用需要进行裁剪。 ( 6 ) 能否得到广泛的技术支持。 2 、选择嵌入式l i n u x 操作系统的原因 ( 1 ) l i n u x 是免费的，且源代码开放，不存在黑箱技术，遍布全球的众多l i n u x 爱好者又是 l i n u x 开发的强大技术后盾； ( 2 ) l i n u x 的内核小、功能强大、运行稳定、系统健壮，效率高； ( 3 ) l i n u x 易于定制裁减，在价格上极具有竞争力； ( 4 ) l i n u x 不仅支持x 8 6c p u ，还可以支持其他数十种c p u 芯片； ( 5 ) l i n u x 有大量的且不断增加的开发工具，这些工具为嵌入式系统的开发提供了良好的开 发环境； ( 6 ) l i n u x 沿用了u