（机械电子工程专业论文）基于internet的嵌入式机电控制单元的开发与研制.pdf

西北丁业大学坝十学位论文摘要 摘要 随着微电子技术和微处理器制造工艺以及网络技术的飞速发展，机电控制系 统可以直接通过t c p i p 网络协议接入i n t e r n e t ，从而真正实现不受时间、地域 限制的远程控制。本文在研究了当前嵌入式系统及其远程控制发展现状的基石 | 上， ) 1 ：发研制了一套以a r m 处理器为核心的嵌入式远程机电控制单元。该控制单元不 仅具有多数机电系统通用的现场控制功能，而且可以便捷地接入i n t e r n e t ，从而 实现远程控制的目的。该控制单元无论在性能上，还是在软硬件开发成本e ，都 具有很强的优势，适用于目前多数嵌入式机电控制系统的远程控制领域。 首先，本文对嵌入式远程机电控制系统的现状及存在的问题进行了分析讨论， 提出了本次远程机电控制单元开发的总体框架，划分了功能模块，并阐明了开发 设计思路。 其次，引入了以目前较先进的a r m 微处理器$ 3 c 4 5 1 0 b 为核心的硬件系统 设计方案，并在此基础上，扩充了以太网接口以及机电控制系统常用的a 0 、n a 、 i 0 、r s 一2 3 2 c r s 一4 8 5 、l c d 、u s b 等接1 ：3 电路，并讨论了各模块电路的实现原理。 第三，阐述了远程机电控制单元软件的开发设计过程，并详细介绍了初始化 引导程序b o o t l o a d e r 、基本输入输出程序b i o s 、板级硬件测试程序的设计原理 以及u c l i n u x 操作系统的开发移植原理。 最后，对远程机电控制单元实现远程控制的机理进行了研究，并设计了基于 i n t e r n e t 的远程控制测试用例。实际验证表明，该远程机电控制单元的软硬件设计 方案是成功可行的。 关键词：i n t e r n e t 远程控制嵌入式系统a r m 机电控制 西北t 业火学坝t 学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t 、聃t ht h e i m p r o v e m e n to fm i c r o - e l e c t r o n i c s a n dm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g yo f m i c r o p r o c e s s o at h em e c h a t m n i cs y s t e mc a l lc o n n e c ti n t ot h ei n t e r n e tt h r o u g ht h e t c p i pn e t w o r ka g r e e m e n t s u c hs y s t e mc a nb ef r e ef r o mt h et i m ea n dr e g i o nr e s t r i c t t or e m o t ec o n t r 0 1 a c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o no fe m b e d d e d s y s t e m a sw e l la s r e m o t e - c o n t r o l lt e c h n o l o g y , t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dak i n do fe m b e d d e dr e m o t e m e c h a t r o n i cc o n t r o l l e rw h i c hi sb a s e do na r mm i c r o p r o c e s s o nt h ec o n t r o l l e rc a nn o t o n l yd e a lw i t ht h el o c a le l e c t r o m e c h a n i c a le v e n tl i k ec o m m o nm e c h a t r o n i cd e v i c e ，b u t a l s oh a v ef u n c t i o n sa sar e m o t ec o n t r o l l e rb ya c c e s s i n gt oi n t e r n e t r e s u l to ft h i s r e s e a r c hp r o v i d e dav a l u a b l er e f e r e n c ef o ra p p l i c a t i o no fh i g hp e r f o r m a n c ee m b e d d e d m e c h a t r o n i cs y s t e mi ni n d u s t r i a lc o n t r o lf i e l d f i r s t l y ，t h et h e s i sa n a l y s e st h er e q u i r e m e n to f t h es y s t e m ，c o n f i r m st h ef u n c t i o na n d p r e d i c t e dp e r f o r m a n c e ，i n 虹o d u c e st h eo v e r a l ld e s i g n i n gf r a m ea n dd i v i d e df u n c t i o n m o d u l e s t h e nt h ep a p e rp u t sf o r w a r dt h eh a r d w a r ed e s i g n i n ga n ds o f t w a r ep r o g r a m m i n g i n t h ef o r m e rp a r t ，i td i s c u s s e st h es 3 c 4 510 ba n di t sp e r i p h e r a lc i r c u i t s ，a d ，d a ，e x t e n t i oc i r c u i t ，e t h e r n e tp o r t ，u a r tp o r t ，l c dc i r c u i ta sw e l la su s bc i r c u i t i nt h el a t e ro n e ，i ti n t r o d u c e st h es o f t w a r ed e s i g np r o c e d u r e ，s h o w st h eb o o tl o a d e r , t e s tp r o g r a ma n dt h ee m b e d d e do s 一- u c l i n u x a tt h ee n do ft h et h e s i s ，t h e r ea r ee x a m p l e so fr e m o t ec o n t r o ls y s t e mb yu s i n gt h i s c o n t r o l l e r i ti ss h o w e dt h a tt h ec o n t r o lm e t h o da n dp r o g r a mc o d ea r er e a s o n a b l ea n d e f f i c i e n t k e y w o r d s ：i n t e m e t ，r e m o t ec o n t r o l ，e m b e d d e ds y s t e m ，a r m ， m e e h a t r o r i l ec o n t r o l 两北t 、l k 人学碳l 学位论业 1 1 引言 第一章绪论 在工业自动化领域，传统的远程控制一般采用专线方式实现，即用户自己架 设数据通信网络或向电信部门租用某条线路作为远程控制的通信线路，系统通信 设备与仂。议都要专门制定，使得用户的运营成本很高，也造成了系统的通用性很 差，无法有效地与其它网络互联【l ”。 进入新的千年以来，i n t e r n e t 网络技术已经深入人心，而且势不可挡，特别是 下一代互联网i p v 6 近期也进入实质性实施阶段，届时可以提供更加充足的l p 地 址和更加可靠的网络传输，“使得地球一h 每粒沙子都可以拥有自己的t p 地址4 m 1 】： 同时信息技术的发展使得i n t e r n e t 网络的安全性和实时性也得到了显著的提高 m 】。因此，人们自然而然地将i n t e r n e t 网络技术引入到机电控制领域来。 基于i n t e r n e t 的远程机电控制就是将传统的机电控制系统与互联网结合起来 使用公共】n t e r n e t 作为控制信息交互的通道，不需要为整个系统专门架设数据通 信网络】，就可以实现无地域和空间限制的真正意义上的远程控制。该技术最早 见于1 9 9 1 年t r o y a n 将一台照相机联入i n t e r n e t ，随后的时间里，各国的研究人 员都在不遗余力地进行该领域的研究吲【7 】”i 。 在自动化领域，特别是在以工控机和通用p c 机作为主控单元的机电控制系统 中，只要插入一块标准网络适配器( 俗称网卡) ，再配合桌面操作系统( 以w i n d o w s 和l i n u x 为主) 中有关网络协议的设置，就可以使得控制系统接入i n t e r n e t 实现 远程控制l b 】。这种技术目前已被广泛采用，例如，银行以及高速公路收费站的网络 视频监控系统，大多采用的是这种实现方式。 然而，在工业控制领域的嵌入式系统应用场合，例如数控机床、自动售货机、 智能水电表、医疗监护设各、智能工具、工业机器人等设备，由于这些机电设备 都是针对某些特定功能的，一般不具有通用计算机庞大的软件和硬件资源，其硬 件资源和软件功能都是量身定做的，不可能像p c 机一样插入一块网卡再配置相应 的t c p i p 协议就能接入i n t e r n e t 那么简单，因此极大地制约了嵌入式系统的远 程控制功能。若能给出一种高性价比、具有i n t e r n e t 接入功能的嵌入式系统的软 硬件方案，无疑将具有重要的理论意义和实用价值，这也是当前嵌入式系统及远 程控制的一个研究热点。 西北1 “业大学硕士学位论文 第1 章绪论 本文开发研制的基于i n t e r n e t 的嵌入式远程机电控制单元，正是提供了一套 完备的嵌入式系统拔人 n t e r n e t 从蕊实现远程控制的方案。它具煮以下三方面特 点： ( 1 ) 该控毒8 弟元雩# 为一个通鲻瓣嵌入式系统机电控毒l 平台，具餐通常机电系 统的各类控制接口，可以很方便地升级或替代目前的多数拄制系统； ( 2 ) 该控制单元还具霄赢效鄹低成本的i n t e r n e t 接入功能，使得嵌入式拶l 电系统如虎添翼，实现真正意义上的远程控制； ( 3 ) 出于操体系统的攘入，泼控制单元对于厝续的开发者来说，如同使用一 台精简功能的计算祝一样，对于调试以及二次开发将变褥烫糯便捷有效。 1 ，2 国内外研究现状 在过去静数卡筝霹间墨，相对予工业控制中其它阏络，出于i n t e r n e t 嬲缀技 术起步较晚且具有安全性、时延性以及资源紧张等诸多局限性，基于i n t e r n e t 的 远程控铡技术一纛来褥到广泛静疲滔。在嵌入式税电控制镶域，以现场总线佟为 组网形式的小型局域网还一直是远程控制的主导形式，虽然这种总线形式县有安 全、可靠、及时等方面豹优点，但嗣对又鸯戏本嵩、互联性差等缺点强，这大大铡 约了嵌入式设备在远程控制场合的应用。 随藿予憝双太阏的出现以及相关的网络协议( 例魏t c p i p 、u d p ) 等网络技术 的不断完善，基于t n t e r n e t 的远程控锖应用于机电控制领域已经成为可能。首先， 足够的带宽可以承受深大的负荷，加之司用交换机，使接入网络的节点备自独占 一条线路，从而可以解决信息传输时间的随机性：另外，采用屏蔽双绞线或光纤 通髅，提赢了抗干扰能力，提高了稳定性。解决了实日寸性、稳定性和抗予扰能力， i n t e r n e t 远程控镪的优越性将臼髓突出，闲此如今人们把翻光的焦点越来越多的 投入到该领域m i 。 目前，在国内外相关的研究领域，嵌入式辊电控制系统接入i n t e r n e t 鹃方式 主要有以下几种方索： ( 1 ) 帛瞄转影i p 瓣络接弱 r s 一2 3 2 、r s - 4 8 5 4 2 2 等串行数据接口是目前绝大多数嵌入式设备( 例如p l c ) 的标准配鬣，因弛鲡果能褥宰日赢接转换为潋太网翻，将楚一羊孛较为实用约方案。 该方案是猩现有的串口上安装一个r s 一2 3 2 转t c p 1 p 以太网模块，将设铸串口的 数据直接转换成移金t c p i p 楱议接入i n t e r n e t 弼络，围时籍网络发泉钓数据转 换为符合串e l 数据格式送给设备。此类转换模块中，较成幼的是台湾m o x a 公司的 西北工业人学颂l 学位论文 招一一章绪论 n e 一4 1 1 0 系列产品。这种解决方案，优点是实现方法比较简单，只需要在设备的串 口上附加个体积很小的转换模块，对设备来说，只需对串口进行操作即o j “u t 。 但这种方案，提供的功能完全局限于串口和转换模块，网络功能比较有限，由于 串口速度通常都比较低，在传输的数据量较大时，效率非常低，因此很难充分发 挥i n t e r n e t 网络远程控制作用。 ( 2 ) 单片机或d s p 扩展网络芯片 除通用的p l c 外，以单片机和d s p 为主控制器的设备曾经占据着嵌入式系统 半数以上的市场份额。开发人员可以对原系统进行改造，在原来的基础上，通过 单片机或d s p 的数据总线和地址总线与以太网络协议芯片相连，再开发出复杂的 t c p i p 网络协议等软件，也可以使得该设备接入i n t e r n e t i ”】 1 9 1 【3 3 j 。 在这种方案中，单片机或d s p 既充当设备的主控制器，同时还要处理大量的 网络数据处理，需要开发者编写有关t c p i p 协议等大量的程序【2 3 】 2 4 1 。由于以太网 对运行速度要求较高，单片机受到运行速度以及存储器容量等方面的限制，很难 做到既兼顾网络，又要控制设备正常运行。d s p 虽然速度较快，但对于机电系统接 口的控制功能相对较弱，主要适于作为数字信号处理，例如图像和视频处理等方 面【3 0 1 。更重要的是，单片机和d s p 的软件一般都是用汇编或c 语言程序作为开发 工具，对于编写网络协议等较复杂的程序来说，是一项非常复杂繁重的开发工作。 目前，针对单片机和d s p 系统的特点，也有一些控制系统为了兼顾控制功能 和网络速度，使用双处理器的来实现的，一块处理器作为现场的主控制器直接控 制被控设备，另一块处理器专门用于以太网控制，两块处理器通过双口r a m 或者 其它并行总线交换数据，显然，这种方案的开发成本以及开发难度都是很大的。 ( 3 ) 嵌入式3 2 位微处理器扩充网络接口 由于微电子技术的迅猛发展，许多高性能、低功耗以及低成本的3 2 位微处理 器应运而生，而且针对不同的应用场合，这类微处理器有的还内黉了诸如音频接 口、l c d 接口以及网络接口等丰富的功能，为系统的开发提供了更为有利的条件m 】。 s a m s u n g 公司的a r m 芯片$ 3 c 4 5 1 0 b 和i b m 公司的p o w e r p c4 0 5 g p 就是典型的内置 以太网接口的微处理器【4 2 】。以$ 3 c 4 5 1 0 b 为例，它是一款基于a r m 7 t d m i 的3 2 位嵌 入式处理器，c p u 内核为国际上广泛使用的a r m 7 t d m i 处理器，内部运行频率最高 可达2 0 0 e _ i z ，芯片集成了一个l o m b p s l o o m b p s 以太网控制器，非常适合嵌入式 网络控制和通信领域应用【1 1 1 3 1 。更重要的是，选用a r m 处理器后，还可以方便地移 植u c l i n u x 等嵌入式操作系统，由于该操作系统带有完备的t c p i p 协议栈，对于 用户开发基于网络的应用软件提供了更为便利的条件| 1 9 】 2 0 l 【2 2 】。这是当前嵌入式系 统设计的一个热点，也是本文拟采用的设计方案。 西北工业火学碳士学位论文第一章绪论 1 3 论文研究的主要内容及意义 1 3 1 论文研究的主要内容 通过对目前嵌入式系统实现远程控制的现状进行研究分析之后，决定采用以 a r m 芯片s 3 c 4 5 1 0 b 为主控制器并扩充网络功能和各类机电控制接口功能，作为本 次远程机电控制单元开发研制的方案。通过设计开发，使得最终研制的控制单元 不仅具有多数机电系统通用的现场控制功能，可以作为一个通用的嵌入式控制平 台，而且还可以便捷地接入i n t e r n e t ，从而实现远程控制的目标。 本论文的研究内容也是基于以上的工作组织的。首先对远程控制系统现状进 行分析，确定控制单元的功能目标和性能要求，并提出总体设计框架，划分功能 模块。然后着重阐述系统的硬件设计、软件设计。在硬件设计部分，讨论了远程 机电控制单元的电路设计原理，包括：$ 3 c 4 5 1 0 b 嵌入式a r m 处理器基本外围电路 设计、a d 、d a 以及扩展i o 设计、l o m l o o m b p s 以太网接口设计、r s 一2 3 2 c r s 一4 8 5 串口设计、l c d 接口设计、u s b 接口设计等电路设计。在软件设计部分，阐述了 b o o t l o a d e r 引导程序、b i o s 程序以及测试程序的设计原理以及u c l i n u x 操作系统 的开发移植过程。最后，文中还设计了应用本控制单元实现基于i n t e r n e t 的远程 实例，一方面验证了远程机电控制单元的实际控制效果，另一方面，也为控制单 元的后续二次开发使用提供了设计参考。 1 3 2 论文研究的意义 以太网已经得到广泛应用，目前主流产品的速度己从l o m b p s 达到1 0 0 m b p s ， 千兆以太网也已经投入使用【2 5 1 ，网络产品和软件发展速度很快。i n t e r n e t 的出现 使得成本低廉的远距离通信轻易地变成了现实，因此实现基于i n t e r n e t 的嵌入式 机电控制是控制系统发展的一个重要方向。 在远程控制中，由于嵌入式系统的自身的特点决定了其接入i n t e r n e t 的特殊 性，但嵌入式系统在我们日常生活生产中无所不在的绝对占有位置，使褥我们必 须关注它。基于i n t e r n e t 的远程嵌入式系统有着广阔的应用前景，可广泛用于远 程制造、变电站和楼宇监控、现场设备的维护和故障诊断、网络医疗、信息家电 等领域。在远程制造领域，可以将数控机床连在i n t e r n e t ，从而实现异地制造； 在监控领域，可以将摄像头接入i n t e r n e t 实现远程监控；在网络医疗方面，可以 遥控机器人实现外科手术：甚至将来可以把彩电、空调、冰箱、安全系统、热水 器等家电设备联入i n t e r n e t ，从而能使人们远在千里之外也能对家里的信息家电 两北工业人学硕l 学位论文 笫“一章绪论 设备进行控制。 相信随着网络技术和控制技术的发展，基于i n t e r n e t 的远程控制系统必将得 到更广泛的应用。本文研制的基于i n t e r n e t 的嵌入式远程机电控制单元，也将具 有重要的理论意义和实用价值。 1 3 3 论文的结构 本文的研究内容共分为六章。 第一章是绪论部分，简要分析了基于i n t e r n e t 的嵌入式机电控制系统的研究 现状，并介绍了本次开发研制工作的主要内容和意义。 第二章是远程机电控制单元的总体设计，概述了控制单元的硬件整体结构、主 要功能以及软件总体设计思路。 第三章描述远程机电控制单元的硬件设计方案， 的电路实现原理。 第四章描述远程机电控制单元的软件设计方案， 原理和过程。 较详细地分析了各功能模块 详细地论述了软件开发设计 第五章是远程机电控制系统的应用实例研究，介绍了应用该控制单元束实现 i n t e r n e t 远程控制的设计实例，给出了详细设计和实现程序。 第六章总结了论文完成的工作以及存在的不足之处。 两北工业人学颂i j 学位沦文第二二章远程机电控制单兀的总体殴计 第二章远程机电控制单元的总体设计 2 1 基于ln t e r n e t 的嵌入式远程控制系统的总体结构 基于i n t e r n e t 的嵌入式远程控制系统一般由如下儿部分组成：远程计算机、 i n t e r n e t 网络、远程机电控制单元以及被控对象等，如图2 1 所示1 2 7 】。其中远程 计算机是通用的p c 机，用来为操作者提供远程控制的交互界面，它可以是某台特 定的计算机，也可以是任意一台接入到i n t e r n e t 的计算机，它能否具有控制权限 是由控制单元的软件来设置的；i n t e r n e t 网络是目前公用的互联网，它是远程计 算机和控制单元之间指令和信息传输的纽带，它有一套非常复杂的网络传输机制 来保证数据传输的可靠性和正确性。远程机电控制单元就是本文要开发和研制的 内容，它接收来自远程计算机发来的控制指令并执行一定的程序去控制被控对象， 同时还要把执行的结果以及被控对象的状态返回给远程计算机；对于机电系统来 说，被控对象可以是机床、电梯或者摄像机等设备，它们与控制单元一般是通过 标准的工业电信号接口相连接的，例如开关量、模拟量等接口。 图2 1 基于i n t e r n e t 的嵌入式远程控制系统总体结构口7 j 系统的工作过程如下：首先是位于控制现场( 称为现场端) 的机电控制单元 连接被控对象并通电启动某个控制任务，例如对于某个温控系统，就是启动系统 按照预制的温度曲线运行；随后位于远端( 称为远程端) 的远程计算机通过 i n t e r n e t 向现场端的控制单元发送控制指令( 称为请求设备网络服务) ，例如更改 温控随线或查询当前的温度；第三，控制单元收到远程计算机的控制指令后，会 解析并执行该指令，并把被控对象的状态或执行结果回发给远程计算机( 称为提 供服务) ，例如执行新的温控曲线并回发当前的温度值。 需要说明的是，本文所涉及的远程控制数据的传输体系结构均为b s 模式1 2 s ， 请求设备网络服务的一端不需要安装专门的程序，直接使用i n t e r n e t 浏览器，要 求服务的操作全部在浏览器中实现，可以随时随地( 只要有可以上网的浏览器) 两北t 业大学顺l j 学位论文 第一章远程机l b 控制单元的总体设计 要求设备提供服务，突破了传统测控的时间和地域的限制。这就要求远程机电控 制单元要能提供w e bs e r v e r 的服务，同时还要具有动态网页交互的功能来返回当 前的状态。 2 2 远程机电控制单元硬件的总体功能分析 通过对目前多数嵌入式机电控制系统的研究分析，并结合远程控制应用的特 点，确定控制单元的硬件主要实现如下的功能：网络接入功能、开关量采集功能、 模拟量采集功能、开关量输出功能、模拟量输出功能、串行通信功能、数据存储 功能以及人机交互功能等，如图2 2 所示。 硬件功能 骓蓁洲腓 图2 2 远程机电控制单元硬件功能图 ( 1 ) 网络接入功能 要实现基于i n t e r n e t 的远程控制，必须具有网络接入的能力。本控制单 元提供一个1 0 m 1 0 0 m b p s 兼容的以太网接口，接口物理特性满足r j 一4 5 插座 规范要求，通过五类屏蔽双绞线即可连接i n t e r n e t 网络。 ( 2 ) 开关量采集功能 开关量是只有“o 一1 ”两种状态的信号，例如开关的通断、触点的开合等， 它是工业控制中最常用的信号类型之一。本控制单元具有开关量采集功能， 提供8 路标准的开关量输入( 简称d i ) 接口，输入形式为光电隔离输入，具 有较高的抗干扰能力。 ( 3 ) 模拟量采集功能 模拟量是指连续变化的量，例如工业控制中常遇到的温度、位移、容量、 速度等信号，都属于模拟量。本控制单元提供8 路标准的模拟量输入( 简称 a i ) 功能，输入形式为直流0 5 v 。 ( 4 ) 开关量输出功能 工业控制中要控制机床的启停、指示灯的亮灭等各类电信号的通断等， 薅l _ ：l = 垃五学磷，i ? 学健绝文第二：素运程私l 电盼制晕，购骢体戳甜 主要是通过开关量输出( 简称d o ) 求实现的。本控制单元提供8 路标准的 关量输出羧饿功能，辏强形式骛遂龟黪干皴点，簿魏麟点最夫霹氍魂2 5 0 v 5 a 铸负茼。 ( 5 ) 模拟爨翰幽功虢 横拟赞输出( 简称a ：) ) 一般用于驱动机电控制罨统的执行概构，奉控制 攀元掇供1 路标准的模拟量辅濒攘铡功毙，辕蠢形式惠奁凌o - - + s v 。 ( s ) 串行通信功能 工_ 业控剁领域最常 ；j 的摩行总线是电子工业协会( e i a ) 推荐的r s 2 3 2 c 秘r s 4 8 5 轹愆，随豢蘩感援謇黪避蘧发展，近年来逶用率行裁缝( u n i v e r s a l s e r i a l8 u s ，u s b ) 也邂巅壤为诗算瓿援锎系统购撂凇戳簧。本控制单元挺燃 的串行逶傣翰熊包据一个r 争2 3 2 c 接隧、一个r s - 4 8 5 接口、卟u s b - i q t ，s 主机口以及个u s b d e v i c e 殴蟹门，可满足各种场台的串行通培应用。 ( 7 ) 黎懿存储功巍 此处数搦的存储功能主鬟怒指在系统断电后，能够保存一些设髓的参数 鞠系统运行的篥些状惑等。本控霞l 苹元带有事i 亍魄霹按驾只读存储爨e e p r ( n ， 可麒实疆数据的肄电存储功戆。 ( 8 ) 入搬交互功能 人机交互是指在使用控制系统时，操作者可以通过适当的输入设备( 例 如键盘或鬣标) 囱控制系统输送指令，| 运| 对控潮系绫通过适当麓麓遵漫器( 爱 示羼藏指示嚣) 蠢撩终者爱馈系统叠馨工捧状态。良簿鹣太辊交互功熬镌燕拴 髭系统开发成功与否瀚令振患。誊控制单元陶a 枫交互功能主要嘲8 拿微 型按键和一个点阵式l c d 短示群以及8 个红也l e d 敞光二极管束实现。 2 3 远程视毫攘制单嚣的软件开发藩路 遥程橇电靛铡单元戳躲勰芯片$ 3 c 4 5 1 0 b 为核心，由于a r m 是一苏功耱嚣辩强 走的3 2 位她理器，因此软 牛开发也相对鞍为复杂。 a 麟系绞的软件开发调试黉有复磐斡嚣发环境，般鬻鬟一台安装霹i n s 窥 l i n u x 双操作系统的p c 作为调试计算机( 称为宿主帆) ，其中w i n d o w s 主笺魁为了 运行a r m 调试软绺a d s 环镶豁，鬟鏊王开发簪 导程序b o o t l o a d e r 戳教硬谗测试謦程 序；l i n u x 妻要必嚣发编译镞天式豢锋系统u c l i n u x 及藏应用程膨的。寤主机耱 a r m 系统是潺遘r s 2 3 2 窜、努露辊并l = ：；默及溺圈期涟羧酶。 开发环境建立之后，就可以蔫手进行软件开发了。缀过研究分析日黼冈筅的 两北_ 厂业人学碳1 1 学位论文 第二章远程机l b 控制单元的总体设计 产品以及远程控制的应用特点，软件开发流程采用以下四个步骤进行，如图2 3 所示。 k 山鬟赫瞄程序 0 i 板级硬黼懈序 0 l开发移植 i嵌入式操作系统 l 0 i 操作系黠用软件 图2 3 远程机电控制单兀软件开发流程 ( 1 ) 设计b o o t l o a d e r 和b i o s 程序 任何系统都有一个上电初始化的过程，单片机等传统的8 位处理器一旦电路设 计完后所有的硬件资源就是固定不变的，因此初始化过程相对较简单。a r m 系统的 初始化较为复杂，它的多数硬件模块都是可配置的( c o n f i g u r a b l e ) ，需要明确 地设置为特定的工作状态，因此在用户的主应用程序运行之前需要一段专门的代 码来完成对系统的初始化，这段代码一般称为b o o t l o a d e r 2 1 15 1 。 b o o t l o a d e r 代码直接对a r m 处理器内核及硬件控制器编程，采用汇编语言编 写，主要完成：定义程序入口点、设置异常向量、初始化存储器系统、初始化堆 栈指针、初始化i o 设备、初始化c 代码的运行环境、使能中断等功能口1 。只有正确 地通过b o o l o a d e r 对a r m p i j 核进行配置，系统的软硬件才能够正常工作。 在系统成功运行b o o t l o a d e r 代码后，按照传统嵌入式系统软件设计的模式， 后面的代码应该就是通过c 或者汇编语言编写用户应用程序了( 例如单片机系统就 是一段单一的循环程序) ，这种方式对于一些简单的控制任务是可行的。但我们 的目标是要实现基于i n t e r n e t 的远程控制，其中必然会涉及许多网络传输和控制 中的协议，诸女i t c p i p 协议、h t t p 的w e bs e r v e r 服务程序等，这些协议是非常庞 大复杂的【2 8 i ，对多数开发者来说甚至可以用望尘莫及来形容。幸运地是，a r m 处理 器引入了嵌入式操作系统移植的概念，如同p c 机中的操作系统一样，t c p i p 等功 能甚至更多的网络协议已经被内簧其中了，开发者只需要正确地配置有关的网络 北t 业_ 人学坝_ 1 学位论文 第二章远程机i b 控制单元的总体设 参数，而不必过多地关注这些协议本身是如何实现的；另外，操作系统还具有许 多振奋人心的优点，例如高级的文件支持系统等，这将对对用户的使用以及应用 程序的开发更加高效便捷。嵌入式操作系统通常是一段功能强大的代码段，为了 节约存储空间有利于在系统中的存储，一般都要经过压缩形成一个包文件( 称为 映像文件) 存储于f l a s h 中，在运行时再释放至i s d r a m 中运行。如何将操作系统映 像文件快速烧结移植至, j a r m 系统的f l a s i 呻，并能够解压蛰j s d r a m 中运行，这便是 b i o s 程序所要实现的功能之一。 之所以称为b i o s ( b a s i cj os y s t e m ，基本输入输出系统) ，是相对于引入了 操作系统的概念提出的，把操作系统前的软件称为b i o s 程序。b i o s 程序代码手要 围绕两类任务组织：一是传输和烧写操作系统映像文件，包括调试时提供人机界 面的串口通信模块，网口文件传输模块，f i a s h 在系统( i s p ) 烧写模块；二是指 引程序从某个指定的区域运行，例如指向f l a s h 中系统映像文件的首地址并解压运 行，或者指向并执行开发者编写的用于硬件测试的板极测试程序。 b i o s 程序由c 语言编写，使用a r m 公司的软件开发环境a d s 进行调试，并加入 b o o t l o a d e r 起编译，最终生成1 6 进制代码通过j t a g 编程器烧结到f l a s h 中即可卜 电自动运行。 ( 2 ) 设计并调试板级测试程序 板级测试程序用于对远程机电控制单元的硬件模块进行测试，以便确认这些 模块是否正常工作。该类程序对于最终使用者来说不是必须的，但在系统开发调 试阶段，对于硬件的调试非常有效，属于本次控制单元开发中一个必不可少的部 分，因此有必要介绍该类软件的设计。需要说明的是，板级测试程序需要b i o s 程 序框架中的支持，作为一些功能测试模块，是随b i o s 程序一起编译并在b i o s 环 境下运行的。 ( 3 ) 开发并定制嵌入式操作系统 初次开发时，通常得到的嵌入式操作系统是官方提供的通用源码包，开发者 必须针对自己硬件系统的实际应用情况对内核进行修改，同时剪裁掉不必要的冗 余代码后再进行编译生成映像文件，这一过程称为操作系统的定制【2 1 。以u c l i n u x 为例，它的内核采用模块化的组织结构，通过增减内核模块的方式就可以增减系 统的功能。为了使得定制的过程相对人性话，u c l i n u x 的定制是在编译内核前首先 运行一条条件编译指令m a k em e n u c o n f i g ，此时会出现几个定制菜单，丌发者只要 在需要实现的模块功能前打勾即可，随后系统在编译过程中会根据用户的选择进 行内核的条件编译，最终生成u c l i n u x 映像文件。 正确合理的定制内核，对于提高系统运行速度、节约用户内存空间、减少系 西北t 业大学倾上学位论文 第二章远程机电控制单元的总体殴汁 p 槲 = 三 擗惮融l 件露脯 2 4 小结 本章主要介绍远程机电控制单元的总体设计。首先对基于i n t e r n e t 的远程控 制系统的总体框架给予了阐述；随后划分了远程机电控制单元的硬件功能模块， 并对各模块的功能予以了介绍；最后描述了远程机电控制单元软件的总体开发思 路，并介绍了软件开发的步骤。 蕊托：监大学城生? 学能论文 第兰拳避褪静“毡控制爷儿瓣理辨幕蛀錾上转 第三耄遴疆橇毫控制革嚣豹硬件系缝设计 3 ， 鞭髂设扑概述 选程机电控制单元的设计包含硬母譬系统设计露羧静蔟绫莰诗掰争部分。莠羹， 遮溺部分的设计鼹嚣相关联、密不辅努的。嵌入斌魔臻系统的设计缀常露要在戮 件和软件的设计之间进行权衡与掭中，途也是嵌入式应用系统设计与其他的纯粹 熬较释设话绒嫒件浚诗最大的霹裂。 本章将按爨遮稷祝电控制荦元魏秘蘸结构模块，详缎分板控制系统的硬件设 计原理和实现缨繁。匿3 。l 是缓箨秘擎冤靛硬件缡掬校幽，各懿分灏功黪爱溅凌 电路将在髓后的小节中描述。系娆详细完熬的原理电路嘲和p c b 嘲，地附录a 以 爱辫蒙b 。 图3 ，1 近程机电控伟6 单元硬付系缆绺构幽 弭北王妲天学弼士学位论文 第三牵远程瓤电拄制警元的硬 牛系统设 圈3 。2 跫研制完成的远程桃电控制单元的硬传魄路板实物图片。从图中可以看 出，本设计采用模块化设计思想，将微处理器及存储器电路( 可以称为主控模块) 与其它外围 赶路分别放在不问的强块p c b 电踺板上，中阍采用2 0 8 针标凇接搔件 连接。这样做的优点楚便予硬件升级，今籍如采要趸换为其他更高的处理器，只 需更改主控模块，外围模块无须变动，从而节约了开发成本和开发周期；婀时模 块化的设计也有助予在硬件维修时赦障翡定位。由于考虑了系统的扩展、电路板 的面积、散热、电磁兼容性以及安装簿问题，因此，该板可以在些实际系统的 歹f 发中直接俘为覆型开发税使矮。 3 2 主电路设计 图3 2 远程概电控制单元实物踺片 主电路是运行和调试a r m 系统所必须的最基本电路，该部分电路设计包括c p u 及辨霸主要控制信号、存储器、电源、时钟、复像、j t a g 调试日等泡路，弱外， 由于片内通用i o 电路以及i i c 电路较简单，也归为该部分电路设计。 3 2 。 e 列敏终囤生要控制傣号电路设计 该远程毫琏邀控制单元选用酶c p u 怒s a m s u n g 公司瓣3 2 位a r m 处理嚣$ 3 c 4 5 1 0 b ， $ 3 c 4 5 1 0 b 采用2 0 8 弓1 脚q f p ( q u a df l a tp a c k a g e ，方型扁平式封装) 封装，蕊中电 源和接地引脚鸯4 8 掇，再除去地址憨线、数据总线和片内邋爆i o 暖，以及其谴 的专用模块如h d l c 、u a r t 、i i c 、m a c 等的接口，真正需要仔细研究的引脚数就不 是很多了”l 4 1 1 5 1 。此处绘出了骺续章节中未涉及到藤叉直接影响处理器工 乍的控铡 两北【业大学铆川：学位论文 第三章远程机电控制瞽“的硬件系统设计 信号接法，见图3 3 ，引脚功能见表3 1 。 图3 3 $ 3 c 4 5 1 0 b 主要控制信号接法 表3 15 3 c 4 5 1 0 b 主要控制信号功能 序号符号引脚功能描述 1l i t t l e4 9 大d , 端模式选择引脚，接地，表示小端模式 2f i l t e r5 5 对地之间接8 2 0 p f 电容，表示使用p l l 倍频 3t m o d e6 3 测试模式选择，接地，表示工作在正常模式 4n e w a i t7 1 外部等待请求信号，该引脚应上拉 5 b o s i z e 1 ：o 】 7 4 ，7 3 b a n k 0 数据宽度选择，“1 0 ”表示1 6 位 6c 1 k o e n7 6 时钟输出允许禁止，接高，表示时钟输出允许 7 e x t m r e q 1 0 8 外部主机总线请求信号，该引脚应下拉 3 2 2 电源、复位及时钟电路设计 ( 1 ) 电源电路设计 在陔系统中，需要使用四路电源：+ 5 v 、+ 3 3 v 和1 2 v 。其中，$ 3 c 4 5 1 0 b 及部 分外围器件需3 3 v 电源；外部i o 接口芯片使用5 v 电源；与模拟量相关的a d 、d a 转换芯片使用1 2 v 电源。其中除+ 3 3 v 电源外，其余的三路电源由直流稳压电源 直接供电。+ 3 3 v 由5 v 电源经过高精度d c d c 转换器l d t l l l 7 v 3 3 产生，能够将5 v 电 压变换为3 3 v ，输出3 a 的电流。图3 4 是3 3 v 电压产生电路，j l o 是5 v 电压接入插座， s 1 是电源开关，l e d 是电源指示灯。 两北1 ：业大学坝l 学位论文第兰章远程机电控制单元的砸仲系统设计 图3 4 系统的电源电路【l “ ( 2 ) 复位电路设计 在系统中，复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用，。的按键复 位功能。图3 5 给出了系统复位电路图。这里采用专用微处理电源监控芯片m a x 3 1 1 ， 相比通常使用的r c 电路，提高了系统的可靠性。图中的n r e s e t 信号用于a r m 处理器 的复位，n 1 r s t 用于j t a g 调试口的复位，都是低电平有效。s w i 为手动复位按钮。 图3 5 系统复位电路” ( 3 ) 系统时钟电路设计 采用i o m h z 有源晶振作为时钟源，直接接到$ 3 c 4 5 1 0 b 的时钟输入管脚( 第8 0 脚) ，经过$ 3 c 4 5 1 0 b 片内的p l l 电路倍频后，最高可以达到5 0 m h z 。片内的p l l 电路兼有频率放大和信号提纯的功能，因此系统可以以较低的外部时钟信号获 得较高的工作频率，以降低因高速开关时钟所造成的高频噪声t 2 ”。因电路较为简 单，此处未给出原理电路图。 3 2 3j t a g 接口电路 j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ，联合测试行动小组) 是一种国际标准测试协 议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试，j t a g 技术是一种嵌入式调 试技术，它在芯片内部封装了专门的测试电路t a p ( t e s ta c c e s sp o r t ，测试访问 口) ，通过专用的j t a g 测试工具对内部所有部件进行访问测试，因而是开发调试 西北t 业大学坝l ：学位论文第三章远程机i b 控制甲站的硬件系统砹汁 嵌入式系统的一种简洁高效的手段。目前大多数比较复杂的器件都支持j t a g 协议， 虫h a r m 、d s p 、f p g a 器件等【4 1 5 5 1 。 图3 6 是处理器与j t a g 插座的接口电路。j 1 是连接c p u + h 上位调试计算机的 j t a g 插座，n t r s t 是j t a g 复位信号，随同处理器实现同步复位。t d i 是测试数据串 行输入信号，t m s 是测试模式选择信号，t c k 是测试时钟信号，t d o 是测试数据串行 输出信号。无需外接器件，通过并口电缆就可实现j t a g 仿真器与p c dl 的相连i 2 ”。 3 2 4 存储器接口电路 图3 6j t a g 接口电路 本系统涉及两类存储器：即f l a s h 存储器和s d r a m 存储器，图3 7 是系统的 存储器电路图。 f l a s h 存储器是一种可在系统( i n s y s t e m ) 进行电擦写、掉电后信息不丢失的 存储器，通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户 数据等吣1 。本设计中使用的f l a s h 存储器为s s t 3 9 v f l 6 0 1 ，其存储容量为2 m ，数 据宽度1 6 位，可以以8 位( 字节模式) 或1 6 位( 字模式) 数据宽度的方式工作。仅 需单3 v 电压即可完成在系统的编程与擦除操作，通过对其内部的命令寄存器写入 标准的命令序列，可对f l a s h 进行编程( 烧写) 、整片擦除、按扇区擦除以及其他 操作”1 。 与f l a s h 存储器相比较，s d r a m 不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度大 大高于f l a s h 存储器，且具有读写的属性，因此，s d r a m 在系统中主要用作程序 的运行空间、数据及堆栈区。当系统启动时，c p u 首先从复位地址o x o 处读取启动 代码，在完成系统的初始化后，程序代码一般应调入s d r a m 中运行，以提高系统 的运行速度，同时，系统及用户堆栈、运行数据也都放在s d r a m 中l 。 西北工业大学i i j ：学位论文第三章远程机i b 控制单) c 的硬件系统设计 本设计使用的s d r a m 存储器为k 4 s 6 4 1 6 3 2 d ，为】6 位数据宽度，单片容量为 8 m b ，系统选用的两片k 4 s 6 4