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(交通信息工程及控制专业论文)嵌入式驼峰监控系统的设计开发及可靠性研究.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 铁路驼峰站场监控系统概述 铁路编组站是铁路货运的基础之一,各个地方的货物都在大小不 同的编组站进行编组后发往全国各地,推动着我国国民经济的快速发 展。而铁路驼峰站场又是众多不同的编组站中的重要组成部分,货车 通过驼峰进行解体、溜放、重组,因此驼峰作业的安全性和可靠性是 非常重要的【1 l 。一般的,驼峰站场包括有信号机、道岔、雷达等上百 个开关量和几十个模拟量,采用纯人工的方式来保证这些设备运行的 完好性是一件非常困难的事情,而且控制和维护的精确度也相当的 差,所以大多数的驼峰站场都采用了微机监控系统来实现高速、快捷 和安全的货物编组。 目前,驼峰站场的微机监控系统基本上都采用传统的上一下位机 架构,即下位机运行相关的数据采集程序并将数据和状态通过串口或 其他外接端口发送给上位机,而上位机则运行应用软件来对接受到的 数据和状态进行分析、存储、显示,同时提供诸如报表、绘图以及联 网等功能,如图l l 所示。这种方式有很多优点:可以同时监控很多 的量,能够较为全面的反映驼峰站场的情况;能够提供较多高级的功 能,便于驼峰站场的管理走向现代化;系统的开发相对成熟,可靠性 较好,软、硬件开发相对容易。但是,这种方式并非是最好的选择: 需要工控用计算机,监控系统的成本比较商; 不能够有选择性的监控,反映信息很多,容易被众多的数据 干扰: 采用集中式控制,布线的密度很高,比较烦琐;而且一部分 有问题就会对整体都产生影响; 不能够实现便携方式的监控。 北京交通大学硕士学位论文 图1 1 传统的上下位机采集结构 1 2 嵌入式技术的发展 众所周知,以8 位单片机为核心的嵌入式系统已经广泛的应用于 各个领域。但是,随着应用多样性和复杂性的不断提高,原有的以8 位单片机为核心的嵌入式系统由于性能的局限已经无法满足高性能 嵌入式技术的要求【2 l ;而原有的通过使用简单的循环控制来对外来请 求进行处理的编程方式也无法胜任新的应用功能。所有的这些问题是 无法在这个十分低效的处理器体系架构上解决的,必须而且应该转入 以3 2 位微处理器为核心的嵌入式系统架构上来 3 2 位嵌入式微处理器具有高达几十删z 甚至上百m h z 的 高速时钟速度: 可以处理更多的数据,支持更大的数据吞吐量: 能够直接支持很多新的技术和外部设备,可以很轻松的实 现许多复杂的应用; 3 2 位嵌入式微处理器芯片是在新的设计理念“s o c ”的指 北京交通大学硕士学位论文 导下开发的,集成了更多的控制器,有效的减小了芯片体 积: 3 2 位嵌入式微处理器的芯片功能有了质的飞跃,价格却直 逼传统的处理器; 普遍支持较高级的操作系统,能够轻松的实现网络功能, 嵌入式设备与h l t e 玎l e t 的结合正成为热点; 出现了诸如v x w j r k s 、p a l m 、“c “n u x 、w i n d o w sc e 等众 多性能优秀、运行可靠的嵌入式专用操作系统,使得嵌入 式系统发生了革命性的变化: 嵌入式设备的功能日渐强大,应用丰富,已经成为后p c 时 代的核心。 当前,整个3 2 位嵌入式系统的发展才刚刚开始。越来越多的r r 巨头如m m 、s u n 、微软、h p 、删、三星、n e c 等等都加入了对 3 2 位嵌入式系统的开发中。在2 1 世纪的后p c 时代,嵌入式将覆盖人 们生活中的各个方面:信息家电、工业控制、智能设备以及智能武器, “每个人的口袋里都装着嵌入式系统”将不再是笑谈。 1 3 课题的研发意义 我国社会发展和经济进步正在迈向现代化,铁路的发展必须紧跟 时代旋律。嵌入式系统所具有的低成本高效益、方便简单、功能强大 等特点对于我国铁路的现代化发展无疑具有极大的影响。纵观科学技 术的发展趋势,铁路设备的小型化、便携化、智能化无疑是科研的重 要方向和领域。 通过本课题,一方面在铁路现代化的发展上作了一次有益的尝 试,力图使铁路发展与科技潮流有效的结合起来:另一方面也体现了 学校教学需要紧跟科技发展步伐的新思想,为我国产业在后p c 时 代的腾飞积蓄力量。可以说,嵌入式发展的浪潮已经扑面而来,嵌入 北京交通大学硕士学位论文 式系统在铁路上的发展对社会发展、科技进步以及经济繁荣都有重要 的意义。 1 4 研究工作及论文安排 本论文的内容安排如下: 第一章首先分析了目前我国铁路驼峰监控系统的现状和优缺点, 概述了3 2 位嵌入式系统的发展和特点,初步提出了基于3 2 位微处理 器的嵌入式系统作为驼峰监控系统的思想,以及本文的内容安排。 第二章首先介绍了嵌入式系统的定义、发展现状以及发展的趋 势;然后介绍了嵌入式微处理器的分类,叙述了当前最为流行的嵌入 式微处理器内核删并对比较有代表性的s 舢订s u l q g 公司的 s 3 c 4 4 b o x 芯片进行了详细的介绍;本章的第三部分主要是对嵌入式 操作系统的介绍,这部分介绍了常见的几种嵌入式操作系统,简单的 分析了它们的优缺点,着重论述了本系统所采用的“c l i n u x 操作系统 的特点及其弱点。 第三章根据本系统的设计要求,总结了系统在设计时所采用的方 法和设计原则,详细论述了本系统中所采用的软、硬件平台的依据和 理由,并对部分软硬件功能模块的设计实现进行了说明。 第四章从软件工程及系统可靠性理论入手,设计了嵌入式系统软 硬件综合m 可靠性模块以及分析方法,并通过该模型探讨了本系统 的可靠性问题,针对其中的重点提出提高可靠性的可行性方案,最后 结合实验室测试的结果对系统的可靠性做出了评估。 第五章主要是分析了本次课题开发中的一些不足以及从中获得 的经验,并对本系统的迸一步研究方向进行了大胆的预测。 4 北京交通大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统概述 2 1 嵌入式系统的发展 2 1 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统的定义有许多种,较为常用且比较准确的定义是:以 应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统 对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统”。 由以上定义可以看出,嵌入式系统的最大特点是其所具有的巨大 的灵活性:系统的设计者可以根据不同的目的有针对性定制系统的软 硬件和功能,这也是嵌入式系统与通用的计算机系统最主要的区别。 嵌入式系统的结构如图2 1 所示。 图2 1 嵌入式系统的结构图 根据嵌入式系统的发展背景以及应用方向,它一般具备了下列五 项特性: 北京交通大学硕士学位论文 1 通常执行特定的功能 2 软硬件根据实际情况进行定制 3 以微电脑内核与外围控制部件构成核心 4 + 严格的时序与稳定性要求 5 要求有较强的可靠性与实时性 由于嵌入式系统具有如此众多的优点,因此日益受到广泛的关注 和重视。当前,基于嵌入式系统的产品不仅数量众多,而且涉及计算 机、通信、家电、过程控制、航空航天、军事、仪器、仪表等各个行 生臣【5 1 。 2 1 2 嵌入式系统的发展 嵌入式系统已经发展了近几十年,无论是在体系结构、应用领域, 还是在软硬件方面都经历了很大的飞跃。纵观嵌入式系统的发展过 程,笔者认为可以将其分为以下三个阶段【6 l : 第一阶段:硬件部分为以单芯片为核心的可编程控制器,没有操 作系统概念的引入,编程语言单一且难度较大,系统具有与监测、伺 服、指示等设备相配合的功能,结构简单,功能单一。 嵌入式系统的概念出现在上世纪七十年代,当时的嵌入式系统主 要应用于一些专业性极强的工业控制系统中,基本上不采用操作系 统。一般而言,系统使用由汇编语言所编写的程序对系统进行直接控 制。这一阶段系统的主要特点是:系统结构比较简单,功能相对单一 而且针对性较强,主要采用简单的循环控制对外界的请求进行响应; 系统的处理效率较低;由于硬件的限制,系统可访问和控制的存储容 量较小,几乎没有用户接口。这种嵌入式系统使用简便、价格很低, 因而在工业控制中层得到广泛的应用,但是当应用系统越来越复杂, 需要添加新的功能时,这种系统的固有特性使得整个过程及其繁琐。 同时,高效的、需要大容量存储介质的现代化工业控制和新兴的信息 北京交通大学硕士学位论文 家电等领域的需求也使得其难以胜任。 第二阶段:出现了专用的嵌入式微处理器,并且引入了简单的操 作系统,优秀的编译工具使得嵌入式系统可以用高级编程语言,功能 多样,性能有了大幅度的提升。 c 等一些高级语言的日益成熟以及软件设计中模块化、自顶而下 等革命性理念的提出不仅促使通用计算机编程有了长足进步,而且使 嵌入式系统的编写更为简练和高效。嵌入式操作系统概念的出现和应 用也为嵌入式系统锦上添花。这一阶段系统的主要特点是:嵌入式微 处理器种类繁多,但是专业性较强、通用性比较弱、行业差别比较大; 嵌入式系统的开销小,效率高;嵌入式操作系统虽然具有定的兼容 性和扩展性,但是还不够成熟;应用软件较为专业,大多主要用来控 制系统负载以及监控应用程序运行,且用户界面不够友好。 第三阶段:嵌入式微处理器性能突飞猛进,嵌入式操作系统日趋 成熟,嵌入式系统开始与h n e m e t 接轨,片上系统( s o c ) 成为嵌入式系 统设计开发的新热点。 3 2 位字长、精简指令集( r j s c ) 以及协处理器等技术的应用使嵌入 式微处理器能够满足通信、家电、军事、航空航天等各个领域的要求。 v x w b r k s 、p s o s 、w i n d o w sc e 以及弘c l i n u x 等操作系统为嵌入式系 统的管理提供更为方便、快捷的手段,同时操作系统对网络功能的支 持使得嵌入式系统的互联和i n t 锄e l 接入成为现实。这一阶段系统的 主要特点是:嵌入式微处理器性能强劲,通用性好,提供了丰富的外 部接口;不同的嵌入式操作系统能运行于各种类型的微处理器上,兼 容性好,内核精小、效率高,具有高度的模块化和扩展性,能够提供 文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户 界面等功能;嵌入式应用软件丰富,具有大量的应用程序接口( a _ p i ) , 开发应用程序简单。嵌入式系统与h n e m e t 的结合已经日渐端倪。 北京交通大学硕士学位论文 2 1 3 嵌入式系统的发展趋势 嵌入式系统的用途非常广泛,新的理念与技术的不断结合,加之 市场需求的巨大推动作用,使得嵌入式系统在未来有着强劲的发展势 头,其发展趋势可以从以下几个方面概括: 1 嵌入式操作系统( r t o s ) 嵌入式系统操作系统要求能够有效地发挥硬件的运算能力,使得 产品达到最大程度的优化。除了原有的v x w d r k s 、q n x 等操作系统外, w i n d o w s 、l i n u x 等在桌面计算机应用中取得巨大成功的操作系统也开 始介入嵌入式系统,这将为嵌入式系统提供良好的文件管理、设备支 持、图形窗口、多任务等功能。这不仅可以为嵌入式系统的开发提供 更多更优秀的编程工具和开发环境,而且使得系统的使用能够更为轻 松和人性化。 2 片上系统( s o c ) q 嵌入式产品要求做到体积小、散热性好以及节能,高整合度的片 上系统将是未来嵌入式微处理器的发展方向。s 口( s i l i c o nh t e l l e 魄l a l p r o p e n y ) 理念的普遍接受将大幅缩小技术进步与设计生产力间的差 距,从而加速片上系统的更新换代。 3 嵌入式系统的应用软件 随着嵌入式系统应用的不断升温和功能相对稳定,将会涌现更对 的通用嵌入式应用软件。强大操作系统的使用使得嵌入式软件可以区 分为用户端的应用软件及服务器端的整合软件,可以搭配各种数据库 系统,同时可开发的软件也会增加。除原有的各开发平台专属的应用 软件外,跨平台程序开发语言j a v a 也将给予嵌入式系统的应用软件以 强有力的支持。 北京交通大学硕士学位论文 2 2 嵌入式微处理器及a 脚处理器概述 2 2 1 嵌入式微处理器概述 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c 彤p r o c e s s o ru i l i t ,e m p u ) 的基础 是通用计算机中的c p u 。在应用中,将微处理器装配在专门设计的 电路板上,只保留和嵌入式应用有关的母板功能,这样可以大幅度减 小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求,嵌入式微处 理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的,但在工作温度和 工业控制计算机相比,嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、 可靠性高的优点,但是在电路板上必须包括r o m 、r a m 、总线接口、 各种外设等器件,从而降低了系统的可靠性,技术保密性也较差【8 l 。 本节主要介绍以下几种嵌入式微处理器: 1 m p s 【9 】 m p s ( m i c r o p m c e s s o rw i t l l o u ti n t e r l o c k e dp i p e l i n es t a g e s ) 是由 m 口s 公司开发的一种处理器内核标准。m 口s 技术公司是一家设计制 造高性能、高档次及嵌入式3 2 位和6 4 位处理器的厂商,在r j s c 处 理器方面占有重要地位。m p s 公司设计r j s c 处理器始于二十世纪八 十年代初,自1 9 8 6 年陆续推出i u o o o 、r 3 0 0 0 处理器以及第一款6 4 位商用微处器r 4 0 0 0 等等优秀的处理器内核后,m 口s 公司与上世纪 末把重点放在了嵌入式系统。1 9 9 9 年,m 口s 公司发布m d s 3 2 和 m 口s “架构标准,为未来m p s 处理器的开发奠定了基础。新的架构 集成了所有原来m m s 指令集,并且增加了许多更强大的功能。m m s 公司陆续开发了高性能、低功耗的3 2 位处理器内核( c o r c ) m p s 3 2 4 x c 与高性能6 4 位处理器内核m p s 6 45 k c 。2 0 0 0 年,m p s 公司发布了 针对m m s 3 24 k _ c 的版本以及6 4 位m 毋s6 42 0 k 0 处理器内核。 基于m 口s 内核的微处理器很多,被广泛应用于信息家电、数控 领域等各方面。 2 p o w e rp c 【1 0 1 9 北京交通大学硕士学位论文 p o w e r p c 架构的微处理器是由著名的m m 公司推出的性能强大 的微处理器内核,其特点是可伸缩性好,方便灵活。p a w e f p c 处理器 的品种很多,既有通用处理器,又有嵌入式控制器和内核,应用范围 非常广泛,从高端的服务器、桌面计算机到消费类电子产品、通讯设 备等各个方面。目前p o w e rp c 独立微处理器与嵌入式处理器的主频 从2 5 m h 啦o o o m h z 不等,它们的能量消耗、大小、整合程度、价格 和应用方向差异悬殊。 3 x 8 6 x 8 6 起源于h t e l 架构的8 0 8 0 。目前,p 心讧d 公司所发展的嵌入 式系统微处理器主要采用这种架构,从a m 3 8 6 d x 、a m 4 8 6 d e 2 到 a m d k 6 e ,主要应用在即时操作系统上,如工业用电脑、终端机处 理系统、自动化系统等等,可以使用即时操作系统如w i n d o w sc e 、 p s o s 、q n x 等等来进行控制。 4 删【1 1 】 删( a d v a l l c e dr j s cm a c h i n e s ) 公司是微处理器行业的一家著 名公司。它主要开发、设计1 6 位3 2 位r i s c 架构的微处理器内核, 并将其所开发的技术授权给其他的半导体制造公司进行删微处理 器的制造。删架构是第一款面向低预算市场设计的r i s c 微处理器, 由于其具有高性能、廉价、低功耗的特点,所以包括h n e l 、m m 、l g 、 s o n y 、p h i l 口s 、s 舢订s u n g 等全球3 0 多家芯片设计和制造公司竞 相购买a i t m 架构的核心并作为自己公司发展的微处理器芯片中的运 算核心。删公司在1 9 9 4 年推出a 鼬d 6 1 0 后,又陆续推出a r m 7 、 a 脚订9 、a i l m l o 等微处理器内核,其3 2 位嵌入式系统微处理器在全 球的占有率高达7 6 8 。 a i t m 架构集成了非常典型的砌s c 结构特性以及优化处理:一个 大的、统一的寄存器文件:加载存储结构,数据处理的操作只针对寄 存器的内容,而不直接对存储器进行操作;简单的寻址模式,所有加 载,存储的地址都只由寄存器的内容和指令域决定;统一和固定长度的 指令域,简化了指令的译码:每一条数据处理指令都对算术逻辑单元 1 0 北京交饕簧车赢千卒龠丽安 篓蓁班;型佐能。莹舞嵌,拍防篆甭嚣萎氢_ 幂罐监前噬灞劣厢憾殛j 址譬恩蟹蚴塑蒋翳m 施辨嚣醛避鞴蹁掣“翼弦胖聪殴m 坠i 舅醢骶錾 鬟嚣等盔耀絮罩荔;壅疆曰秘翻霎出鬟髑押射断铂鞠: 1 ; 扎行实现了 最快二酥竭鞑挑鲤;坦婴冀萋。 篓,薹蔫鏊羹蓁 酣骺鞑都鼬戥矍霪葡捅鹃砰孺秘鞴鞴,楠福蜘耩翻潜魏瓣酗襄 群,性侣公里垂鼎塔墨囊孙帕p 确錾襄叠;襄翼羹蠢鬟璧霎璧琶篓藩 型匿;州蹦霸器剧管额遥讳秘毵断塑j 港磺憾攫。掣堪嚣奠卜州硼卵 鲢= 蓁。荔;萋鬻些翼重鐾鹱 刚刚亚划死朝生剂刚出;秘翮崮幽为馨附拈繇始驸蕊蚓i 北京交通大学硕士学位论文 图2 _ 2a 蹦7 r d m l 内核结构图 北京交通大学硕士学位论文 图2 _ 2a 蹦7 r d m l 内核结构图 北京交通大学硕士学位论文 a r m7 t d m i 微处理器采用了冯,诺依曼( 、b nn e 啪a n n ) 结构, 指令和数据共用一条3 2 位数据总线,数据可以是8 位、1 6 位和3 2 位 字节。该处理器使用流水线来增加处理器指令流的速度,能够提供 o 9 m 口s m h z 的指令执行速度。 a r m7 t d m i 微处理器拥有两个指令集:3 2 位的a r m 指令集和 1 6 位的t h 咖1 b 指令集。1 1 1 u i n b 指令集是通用删指令集的子集, 每条t h u m b 指令都对应一条3 2 位嗵m 指令,对处理器模型有相同 的效果。由于t h 呱l b 指令使用标准的越寄存器配置进行操作,这 样a r m 和t h 啪b 状态之间具有极好的互用性,而且1 1 1 岫b 指令在 执行时可以具有3 2 位内核的所有优点。据分析,t h u 瑚【b 代码仅为a r m 代码规模的6 5 ,但其性能却相当于连接到1 6 位存储系统的a r m 处 理器性能的1 6 0 。1 6 位n 】u m b 和3 2 位脚l m 指令集的结合给予了 系统设计者极大的灵活性,使得他们可以根据各自应用的需求在子程 序一级上对性能或者代码规模进行优化【l ”。 删7 微处理器给嵌入式系统的发展带来了动力,它不仅具有很 高的性能、较强的灵活性、较高的代码密度以及令人满意功耗,而且 使得开发高性能嵌入式系统的成本得以较好的控制。随着技术的发 展,a r m 公司不断的推出了新的性能强劲的产品如a 尉9 、删l o , 这些新品在继承了这些优点的同时,更提升了主频、增强了运算能力。 总之,基于a r m 架构的嵌入式微处理器将继续引导未来的嵌入式发 展。 2 2 3s a m s u n gs 3 c 4 4 8 0 的体系与结构 三星公司购买了a r m 内核后,根据市场的需求专门设计了供 不同用户所需的嵌入式微处理器系列。s 3 c 4 4 b o x 的结构框图如图2 3 所示【1 5 j 。 北京交通大学硕士学位论文 通道模拟输入多通道转换器、自调零比较器、时钟发生器、l o 位连续 逼近寄存器以及输出寄存器构成的。该a d c 的微分线性误差为 l l s b ,积分线性误差为2 l s b ,最大转换率为1 0 蕊p s 。该a d c 可 以通过软件选择为掉电模式。 7 芯片中集成了看门狗定时器,它将根据程序来判断程序运行 是否出错,用于在供电后使芯片从出错中恢复正常工作,是保证嵌入 式软件长期、可靠的运行的有效方式之一;具有实时时钟r t c 单元, 能够准确的记录事件发生的时间和相关信息。 8 该芯片集成了2 通道的通用异步收发器( u a r t ) ,支持d m a 及中断方式,支持红外线传输( 符合h d a l o 规格) ,每个通道都有两 个内部的3 2 字节的f o 缓冲区。另外,该芯片还支持i i c 总线、i i s 总线以及同步串行i ,0 传输的扩展。 由上可见,s 3 c 4 4 b o x 嵌入式微处理器是一款功能比较丰富,性 能比较优异,开发较为方便的芯片,它能够满足多个行业的嵌入式产 品的需求。 2 3 嵌入式操作系统 2 3 1 嵌入式操作系统概述 嵌入式操作系统就是支持嵌入式系统工作的操作系统,是嵌入 式应用软件的基础和开发平台。它是一段嵌入在目标代码中的软件, 用户的其他应用程序都建立在操作系统之上,它在知识体系和技术本 质上与通 x 北京交通大学硕士学位论文 式应用软件的可移植性。为了满足嵌入式系统的需要,嵌入式操作系 统必须包括操作系统的一些最基本的功能,如中断处理与进程调度, 用户可以通过a p i 来使用操作系统【1 7 】。 嵌入式操作系统嵌入在系统的目标代码中,系统复位并执行完 b o o t l 0 a d e r 后执行,用户的其他应用程序都建立在操作系统之上。嵌 入式操作系统是一个标准的内核,将c p u 时间、中断、功d 、定时器 等资源都包装起来,留给用户一个标准的a p i 接口。 嵌入式操作系统可以根据实际应用环境的要求对内核进行裁剪 和重新配置,组成可以根据实际的不同应用领域而有所不同。其体系 结构如图2 4 所示。 应用程序 童 i应用程序接口( a p l ) j 1 扩展模块 网圆圈 羞 零 淹 藿甏 赫 瓤 匮圈 箨蕊 蘸 藩 图2 - 4嵌入式系统体系结构框图 嵌入式操作系统一般要提供以下的管理功能: 1 多任务管理 所有嵌入式操作系统都是多任务的。与一般的操作系统一样,嵌 入式操作系统的作用也是决定在特定的某一时刻系统应该运行哪一 个进程。现在许多c p u 都已提供多组寄存器来辅助执行模式的切换, 北京交通大学硕士学位论文 禁止所有的中断 设置处理器时钟和运行速度 初始化存储区 设置堆栈指针 设置缺省中断处理函数 将数据段拷贝到r a m 中并将b s s 段清零 跳转到内核映像入口处并开始执行内核程序 因此,本系统在上电后的初始启动顺序可以用如图3 5 所示的流 程图来表示。 图3 5 系统b o o t l o a d e r 的启动顺序流程图 x 北京交通大学硕+ 犟龠番寻 彝鏊目驰,酿弱囊钵j 鬟裂蒡 x ) 北京交通大学硕士学位论文 第三章系统设计 3 1 系统整体设计及要求 嵌入式系统的发展为驼峰监控系统的实现提供了新的设计模式。 通过嵌入式系统所具有的便携性和功能性的出色结合,基于嵌入式技 术的驼峰监控系统具有现实性。与第一章中所示的传统驼峰监控系统 相比,嵌入式驼峰监控系统将具有以下难以比拟的优点:便携性高, 布线难度小:根据被测量来设计结构,针对性强;分散控制,故障分 散化;设备投入小,可以构成分布式控制网络;易进行改造。其系统 整体构图如图3 1 所示。 北京交通大学硕士学位论文 图3 1 嵌入式驼峰监控系统整体构图 根据驼峰站场的实际特点以及应用要求,本系统的总统设计要求 如下:坚持高标准、高质量、高科技含量;可靠性较高,具有一定的 北京交通大学硕士学位论文 实时性;体积小、重量轻,能够方便简捷的进行系统的安装和操作; 能够对驼峰站场的基本和重要开关量以及模拟量进行反映;在注重系 统的实际使用性时,能够兼顾学校教学和科研的要求;系统设计经济 适用,做到低成本、高性价比。 3 2 设计方法 本系统的设计包括软件和硬件的设计,操作系统的移植等等问 题。为了保证系统设计的合理性和有效性,尽可能的早发现设计时的 缺陷,故而在设计时采取了分块设计,分块检验,软硬并举的设计原 则。 3 2 1 硬件的设计方法 硬件平台是整个系统的基础,必须保证设计的可靠性和正确性。 本系统在设计时核心部分以三星公司s 3 c 4 4 b o x 的公版设计为基础, 外围硬件则广泛参考了众多相关设计中相对成熟的方案。为了有良好 的电气特性,在设计p c b 时着重注意了以下几个方面的问题1 2 3 】【2 4 】: 布局:确定特殊元件的位置使其相互问电磁干扰较小;以 每个功能单元的核心元件为中心来进行布局;电路中元器 件尽可能平行排列,不仅美观、易于装焊,而且可以减小 元器件之间的分布参数。 布线:输入输出端的用的导线尽可能避免相邻平行,允许 时加线间地线以减小反馈藕合;集成电路的线间距可小至 5 8 咖;导线的拐弯处取圆 x 北京交通大学硕士学位论文 v s s接地端v c c电源 g n d空闲空间接地端忙信号 r ,b 表3 _ 4k 9 f 2 8 0 8 引脚定义一览表 h y 5 7 v 6 4 1 2 6 0 是h y n i x 公司的一款4 b 缸k s 1 m 1 6 b i t 的 s d r a m ,该芯片工作在3 3 o 3 v 的电压下,性能比较出色,其芯片 的引脚定义如表3 5 所示”: a 1 1 a o地址线 d q l 5 d q 0 数据线 o e l d q m ,u d q m数据输入出掩模 b a o b a lb a n k 地址 w e 写信号 v d d ,y 镕 电源,接地 、协d q ,、,s s q 输出缓冲电源,地 c e 芯片使能 c l k 时钟信号 c k e 时钟使能 r a s c a s行,歹0 地址选择w e 写使能 表3 5h y 5 7 v 6 4 1 2 6 0 引脚定义一览表 系统中采用在s s t 3 9 v f l 6 0 中驻留了操作系统,为了提高系统 工作时数据的写入效率,同时降低系统内核区损害的概率,又增加设 计了专门用于存储数据的f l a s h 芯片k 9 f 2 8 0 8 ,h y 5 7 v 6 4 1 2 6 0 作为整 个系统的内存。对存储模块的设计需要注意:由于存储芯片的抗噪性 能相对较弱,数据交换量却较大,而且接通和关断电源是电压变化较 大,所以在其周围应设计一些去藕电容,布线时这些电容不能距离芯 片太远。在本系统中,存储模块的设计图如图3 3 所示【2 9 】。 北京妻翠丕暑掣玉盖萋埯隹 落存储谨签登塾蓓鋈萄鞫,奏鞭指“骺型! 蠢鞭蚤鞠雌, 甄岛级 爨幽髅耳盐3 荔尝磊器蹦璇磊裂壁;鬟囊鬟弘囊蘑囊妻萎篱晴瓣种 | 喾亘差j 嚣墅氛黼倍嘎霹篓藩攀篓宣;w 丛娶贬蛩零;- 诸俪嚣f = 霆囊荦璺影 匿划刚矧瓯刨面鼻称件的移; | ,瑚漾蜀缮沼尊海墨湛灞濠爨;引淌警塞建嗣妻蠹藏篓舔耀珲 掣器堡窆,妻霈霞鬟蠹骗虢粥客嘎碌诵磋坐必倒曝甄支j 特娃堡鋈瓣 酗h 耄慰塑j 而襄唾蝰奘霪翼蠢蕃爨冀一i 瓒萋蓁曼薹蓦番翥誊搿b 。 墨呐噔崮鋈臌萎鎏鋈酮煮翻巨崮藩 刚割二 ;? 君掣参毵翟摧圄戳翼蓦龆驯秘船韭蝼骥j 褂警塞鬟l x 北京交通大学硕士学位论文 3 3 2 2 操作系统的移植 在本论文的第二章介绍了多种嵌入式操作系统,根据本项目的实 际并综合考虑各种嵌入式操作系统的特点后,我们选用 x 北京交通大学硕士学位论文 量或模拟量) 时,对应模块从文件存取模块赋值的变量中提取实际值。 然后与对应的名称等字符串进行拼接,组成字符串后输出到液晶屏 上;而数据回放则是通过用户设定要显示数据的各种条件诸如时间、 名称等,然后对应模块调用文件存取模块进行数据读取,并将满足条 件的数据显示在液晶屏上;系统设置主要是对应用软件平台的设置, 在这里可以设定各种量的上、下限,进行系统时间的设定,以及设定 系统的密码等等。由于这部分子功能模块较多,程序的流程较为繁简 混杂,就不在给出每一部分的程序软件流程框图了。 北京交通大学硕士学位论文 第四章嵌入式系统可靠性分析系统的可靠性是指系统在一定条件和一定时间内能够完成预定 功能的性质,或者是在规定的条件和规定的时间下能够无故障完成规 定功能的能力【3”。如今系统功能日益强大,复杂程度日益提高,承载 的信息也非常重要,因此怎样强调系统可靠性的重要性都不过分。为了保证系统的高可靠性和实用性。对于系统的可靠性建模、分析、估 计和测试不再是可有可无的了,面是系统开发设计过程中的一个必需 且重要的步骤。因此,本章将着重介绍系统可靠性的概念、指标、可 靠性模型的建立以及采用的可靠性技术和方法。4 1 可靠性概述 系统是由单元构成的,分析系统的可靠性就是分析单元可靠性与系统可靠性之间的关系。对于常见的单调结构而言( 即系统是由完成 功能需要的最少单元构成的) ,如栗各单元的可靠性分别由状态向量 x。,x:,k,x。(x。,x:,k,x。取1或者o)表示,系统可靠性的状态向 量可以表示为x=x。,x:,k,x。),则系统的可结构函数(x)为:矿( 1 卜1 ,这里1 爿1 ,l ,1 ) 假设所有的单元工作正常则 系统必然工作正常 (o产0j这里o_(o,o,o),假设所有的单元失效则系统必然失效( 4 1 )( 42 ) 由于在系统设计的各个阶段和环节上出现错误是不可避免的事情,所以为了提高系统的可靠性,必须依据可靠性工程对系统进行系 情,所咀为了提高系统的可靠性,必须依据可靠性工程对系统进行系 厂一 l 北京交通大学硕士学位论文 p i只 m t b f 2t j 卫r = 可j 尘f ( 4 5 ) ( p ;口。) ( 只以 l ;0 。扣t + 1 f = t “ ,= o 其中,p ;为系统处于状态i 的概率,a # 为给定的常数 软件的m t b f 可以表述为“当测试时间为t 时,共检测了n 个故 障,则 m t b f = 纯一f ) ,l ”a ( 4 6 ) f = l 4 m t l r ( 平均修复时间) :是指系统从系统失效状态转为系统 正常工作状态所用的平均时间。这也是表征系统可靠性的重要指标之 一。根据马尔可夫齐次过程的理论,系统的m t l r 有如下的公式: m t t r = ( p 。口。) i = k + lj = o 婴即 ( 只口,) f = 0,= k + l 其中,p 为系统处于状态i 的概率,a i 为给定的常数 5 m t b d ( 平均不工作时阀) :是软件系统可靠性的专用指标, 是指软件系统平均不工作时的间隔时间。它反映了系统的稳定性。 6 m t b h e ( 平均操作错误时间) :是软件系统可靠性的专用指 标,指软件操作错误的平均间隔时间。它一般与软件的易操作性和操 作人员的训练水平、因软件缺陷造成的不工作时间、因软件缺陷而损 失的时间等有关。 7 m d t ( 软件系统不工作时间均值) :是软件系统可靠性的专用 指标,是指由于软件出现故障所造成的系统不工作时间的平均值。 8 可用性:是软件系统可靠性的专用指标,指软件在开始时刻 运行正常的条件下,能够在规定的将来的某个时刻正常运行的概率。 除了以上之外,还有初始错误个数、剩余错误个数以及使用方误 北京型通大学硕士学位论文 驱动、中断控制以及临界段保护,所以实际的系统功能流程图不一定 像图4 1 所示。另外,操作系统由专门的机构进行更为严格的可靠性 分析的,所以这里对操作系统的性能未做太多可靠性预估的考虑。 h 数据转换h 显被据 采 存 蠡 - 储 数 据据 叫打雠据h 发送数据 图4 1 驼峰监控系统功能流程图 4 3 2 嵌入式驼峰监控系统故障树构建 经过分析、比较,将嵌入式驼峰监控系统故障树的顶事件取为系 统失效,由此可以构建出如图4 2 所示的系统故障树。 北京交通大学硕士学位论文 图4 - 2 驼峰监控系统的故障树 常 常 北京交通大学硕士学位论文 乇 在图4 2 中,矩形框表示的是顶事件和中间事件;吣表示逻辑 “或”门,即只要有一个事件发生,则其指向的事件就发生; 表 示发生概率很小或者是在定性、定量分析中可以忽略的事件;o 表示 基本事件( 其后是所列的事件) ,提高系统的可靠性就在于提高基本 事件的可靠性,在这里所列的基本事件基本是根据经验以及常见问题 来确定的,并进行了简化。 4 3 3 嵌入式驼峰监控系统故障事件分析 结合故障树图4 - 2 ,对引起故障的基本事件进行分析可以得出: 基本事件的故障主要集中在硬件电路工作不可靠、内存溢出、软硬件 死循环、程序跑飞、数据操作故障等失效故障。这些故障有软件造成 的、有硬件造成的,所以在开发系统时,必须对基本事件进行全面考 虑,并在系统做出相应的避错机制。 由于已经知道了基本事件,除了对系统进行定性分析,还可以进 行定量分析。定量分析一般采用对故障树的最小剖集来解,其解法较 为烦琐,具体的公式请参见有关的可靠性工程书籍。 4 4 嵌入式驼峰监控系统可靠性设计 4 4 1 系统整体的可靠性控制 根据故障树的分析,系统的可靠性需要在设计阶段就得以体现, 要制定出整体的可靠性规划,可靠性指标以及可靠性控制方案。在方 案中通过对原型的控制,来达到提高可靠性的目的。为此,在嵌入式 驼峰监控系统中对此采用如下的解决方案: l 在编制了本系统的需求规格说明时,明确了对变量和函 数的定义方法,接口函数以及函数参数的类型、个数,制定了总体的 功能框图。 5 8 北京交通大学硕士学位论文 2 对各个功能模块进行了较为详细的设计,形成了各个模块的 硬件框图和软件流程框图( 见第三章第三节中的相关表述) 。 3 根据每个模块的特点、关键程度以及难易程度,确定了对应 的开发流程表,软硬件的测试方式和测试强度。 4 4 2 硬件可靠性解决方案 根据对故障树的分析,硬件主要出现的失效就是电路设计的不合 理性和对电路的保护措施不够。所以为了使硬件有较高的可靠性,嵌 入式驼峰监控系统的硬件设计中采用了如下提高可靠性的措施: 1 对于常规电路多采用经过验证且使用较广的经典设计; 2 在电路中采用了可靠性较高的元器件: 3 在存储电路中设计较多的藕合电容: 4 在数据采集电路中进行过压保护,防止瞬间高压: 5 硬件在设计完成后,进行了长时间的老化试验; 6 硬件在设计完成后,对存储介质进行了逐块的写入读出测试。 4 4 3 软件可靠性解决方案 由于当前的系统中软件中所占的比重越来越大,加之从统计数据 分析中得知一个系统发生故障更多是由于软件的缺陷。所以软件的可 靠性是一个重点内容,其解决方案也非常重要【3 4 】。 由故障树的分析可见,软件的失效涉及到很多的因素,是一个比 较复杂的过程,要充分考虑到各种情况。其最常见的错误就是陷入死 锁、p c 值出错、内存溢出以及对存储数据操作失效。所以要在软件设 计时进行软件的容错保护设计,同时还要注重在软件开发的各个阶段 采用不同的测试方法对软件的缺陷进行排除。在嵌入式驼峰监控系统 中可以采用如下的方案: 北京交通大学硕士学位论文 1 使用软狗进行系统监护: 在软件系统中编写一段程序作为软件看门狗,整个系统在一定时 间内必须对软件看门狗进行“喂狗”操作,否则就重新启动整个系统。 需要“喂狗”的时间长度是依据多次对系统正常运行时的观测得出的。 2 指令冗余设计:指令冗余技术就是在程序的代码中加入空操 作代码,具体的做法是:在程序流程中重要的地方,如功能转换、数 据提取以及调用函数之前插入几条空操作指令;在中断、采集数据等 重要的指令前插入几条空操作指令,以达到延时一段时间的目的,使 重要的指令有足够的时间响应。 3 软件陷阱设计:在存储区中较为固定的空余地址区域中设置 引导指令,强行将程序引导到出错处理程序中以便系统能回到正常的 程序中。 4 应用测试程序排错:根据被测试代码的功能,由自己或他人 编写相对较为简单的测试程序来验证可靠性。当然,这要求必须保证 测试程序的正确性。 5 , 第三方测试:选用非本系统的开发人员来对本系统进行使用 或者功能测试,由于第三方人员不清楚软件详细情况,所以其在使用 和测试时容易检查出随机错误。 6 超强度测试:对应用软件系统进行频繁的功能选择和疲劳测 试,以检查系统中所潜伏的对内存的释放不足、内存溢出以及切换时 数据保护问题。 7 软件可靠性增长测试:通过软件改进前和改进后的同类型测 试来说明系统的可靠性增长。本系统在改进后,软件可靠性部分指标 如m t b f 等有了较大的提高,表明该系统的可靠性有了较大的提高。 4 4 4 系统的可靠性数据 本系统在设计完成后,经过了对单元模块的单独测试以及整个 系统的综合测试,现将各个基本事件的可靠性数据统计如表4 。1 所示: 北京交通大学硕士学位论文 事件 提高前f i ( t )提高后f i ( t ) x 1 :电源故障 0 0 0 5o 0 0 5 x 2 :调度失灵 o 0 0 1o 0 0 1 x 3 :内存溢出 o 0 6o 0 1 x 4 :驱动失效 o 0 0 1o o o l x 5 :死循环 0 0 3o 0 1 x 6 :p c 值出错0 0 6o 0 2 x 7 :硬件电路故障 o 0 5o 0 0 5 x 8 :数据读写故障 0 0 6o o l x 9 :文件链表故障 o 0 20 0 0 5 x 1 0 :用户设置非法o 0 2o o l 表4 1基本事件的失效率表 测试数据说明:在上表中,硬件故障的统计采用定时,即一定 时间( 1 0 0 小时) 内出现故障次数:软件故障的统计采用定次,即一定测 试次数( 1 0 0 次) 内出现故障的次数。提高前数据为对基本事件未做特殊 处理时的测试统计值;提高后数据为对基本事件采取可靠性方案后的 测试统计值。f i ( t ) 为失效概率。由于网络模块的开发还欠缺,所以网 络模块的数据没有进行测试统计。 在本系统中采用最小割集对可靠性作定量分析。依故障树可得, 最小割集为:( x 1 ) ,( x 2 ) ,( x 3 ) ,d “) ,( x 5 ) ,( x 6 ) ,( x 7 ) ,( x 8 ) , x 9 ) ,( x 1 0 ) 。假定同时有两个或两个以上的最小割集发生的概率很 小,可以忽略,所以上述的最小割集满足不相交的情况,则有: p ( t ) 2 f s ( t ) 2 ( 兀f i ( t ) ) j = li e x j 式中n k 为最小割集; ( 4 8 ) f i ( t ) 为在t 时刻第j 个最小割集中第i 个部件故障的概率。 所以,通过表4 1 中数据可以得出系统的失效率为: 6 北京交通大学硕士学位论文 二:! :三三i :? 系统的主要可靠性指标如表4 2 所示: 测试项目时间 m t b f ( 平均故障间隔时间) 3 0 天 m t t r ( 平均修复时间) 2 小时 m t b d ( 平均不工作时间) 1 天 表4 2系统的主要可靠性指标一览表 在上表中,系统的可靠性指标是统计了修改、完善前期以及后 期的数据后,综合而得出的数据。经简单的计算,可知系统的近似可 靠度为: r ( t ) = l f ( t ) = 1 一( m t b d 舢1 1 b f ) 一9 6 7 由计算以及上述表中数据可见,在系统调试的后期,其主要的 几项可靠性指标数据是比较乐观、而且相对的比较稳定。 北京交通大学硕士学位论文 第五章结论及展望 随着计算机技术、网络技术、软件技术以及嵌入式技术等r r 技 术的不断发展,世界已经在2 1 世纪进入了后p c 时代。在后p c 时代 中,i t 技术的发展将朝着一个新的方向发展。在这个时代里,嵌入式 系统将全面发展并引领时代潮流,成为主流技术,其应用广泛,将渗 透到科学研究、工程设计、军事技术、信息家电、各类产业和人们的 日常生活中,因此有着巨大的、不容忽视的发展空间。 5 1 设计总结 本课题的任务是设计一个基于3 2 位微处理器的嵌入式应用系统, 希望能够通过该设计对传统的铁路驼峰监控系统进行小型化、便携化 和嵌入化。在深入研究了国内外嵌入式系统的发展现状,比较了各种 嵌入式微处理器的性能以及嵌入式操作系统的特点,并结合本次课题 的设计要求和目的,我们探讨了系统实现的方式、硬件以及操作系统 平台,制定了系统的开发方案。在本课题中,我们选择了s m s u n g 公司的3 2 位高性能嵌入式微处理器s 3 c 4 4 b o x ,其功能强大,集成化 程度较高,成本较低,适于开发手持设备:同时,系统的操作系统平 台采用了“c l i n l l ) ( 操作系统,它具有丰富的软件资源,优秀的进程及 文件管理机制,支持常见的周边硬件设备,非常适合嵌入式系统使用。 本次课题在研究实现基于3 2 位嵌入式系统的铁路货场驼峰监控 系统的基础上,对驼峰监控系统的实施模型进行了探索,对嵌入式系 统的硬件系统和软件系统进行了实现,对如何提高嵌入式系统的可靠 性问题进行了研究。为了使本次课题能够顺利进行,笔者在整个课题 的开发过程中,先后仔细研究了a r m 体系结构和驼峰微机监控系统 的实现方式,以及一些典型的嵌入式系统设计。 归纳起来,本课题主要完成了如下工作: 北京交通大学硕士学位论文 1 研究并设计了基于嵌入式系统的铁路驼峰监控系统的结构, 对监控系统中的一些关键问题进行了研究; 2 对于基于3 2 位微处理器的驼峰监控嵌入式应用系统,设计了 系统的硬件平台和应用软件平台的结构,并实现了系统的硬件和软件 设计; 3 对嵌入式系统中应用的操作系统进行了全面的比较,系统的 学习,对“删x 系统控制下的嵌入式系统的采集和存储等关键技术进 行了探讨和研究; 4 为了提高系统的可靠性,仔细研究了软硬件系统的可靠性问 题,并在系统设计和实现过程中引入了避挫、排错以及容错技术。 但是,由于时间紧张、能力有限以及经验水平不足,我的工作中 也有很多不足的地方,有待进一步的改进和深入研究,现将这些不足 总结如下: 1 在本课题中出于对系统简化、降低开发难度的考虑,在数据 存储的形式上采用了f l 蠲h 的方式,而没有采用移
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