（机械电子工程专业论文）基于linux的混凝土搅拌站监控系统设计.pdf

西华大学硕士学位论文 基于l i n u x 的混凝土搅拌站监控系统设计 机械工程及其自动化 研究生郑亮指导老师费凌 随着我国经济建设的高速发展，以及国家对基础设施建设的投资力度加 大，商品混凝土得到了快速的发展，因此自动化的混凝土搅拌站由于其可以保 证混凝土质量，提高混凝土生产效率的特点，而越来越受到人们的重视。当前 国内外成熟的混凝土搅拌站自动控制系统一般是由工控机、p l c 、操作台及配 电柜几部分组成，虽然该系统能满足搅拌站控制系统的工艺要求，但具有体积 大、成本高、通信不稳定的缺点。基于这些缺点，以及嵌入式控制系统飞速发 展的背景，本文提出了a r m + l i n u x + p l c 这样一种经济型嵌入式搅拌站自动控 制系统方案，并详细分析了这种嵌入式控制系统的系统需求，根据需求，对其 中监控系统的软、硬件结构进行系统而全面的分析与设计。 首先，论文给出了选题的背景及意义，讨论了混凝土搅拌站控制系统目前 的发展状况，需要解决的问题，并给出了本论文需要完成的主要工作。接着分 析了搅拌站的控制流程和工艺要求、混凝土搅拌站当前各种控制方案，通过分 析给出了嵌入式搅拌站的总体设计方案。 其次，论文对嵌入式系统产品的特征进行分析，结合搅拌站的控制要求， 设计出监控系统的硬件原理图，并对其中的串口电路、u s b 接口电路、以太网 口电路等主要电路进行了较为详细的介绍，并对设计原则及扩展性做了简要阐 述。 最后，论文对嵌入式l i n u x 系统进行分析，介绍了l i n u x 系统的开发模式， 并给出了监控系统软件开发平台的建立过程；结合按键驱动程序实例分析了 l i n u x 下驱动程序的开发流程；对b o o tl o a d e r 启动程序原理与实现进行了全面 的讲解；对当前国内外流行的几种嵌入式g u i 系统体系结构、实现方法以及性 能等进行分析和比较，并对目前技术上领先的q t e m b e d d e d 系统进行深入的剖 西华大学硕士学位论文 析。 关键词：搅拌站，嵌入式，l i n u x ，q t l i 西华大学硕士学位论文 d e s i g no ft h ee m b e d d e d c o n c r e t em i x i n gs t a t i o n m o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m m a j o r ：m a e h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n m e c a n d i a t e ：z h e n gl i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f e il i n g w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo u re c o n o m yc o n s t r u c t i o na n dt h ei n c r e a s i n g i n v e s t m e n t0 1 3t h eb a s i cf a c i l i t i e si no u rc o t m t r y , t h ed e v e l o p m e n to fc o m m e r c i a l c o n c r e t ei si n c r e a s i n gf a s t s ot h ea u t oc o n t r o lc o n c r e t em i x i n gs t a t i o nh a sg o t t e n a t t e n t i o n sb e c a u s eo fb u i l d u pw i t hi n d u s 田c o m p u t e r , p l c ，c o n t r o lp a n e la n d c o n t r o lc a b i n e t a l t h o u g ht h ec o m m o n l yc o n c r e t em i x i n gs t a t i o nc a nm e e tt h e c o n c r e t em i x i n gs t a t i o n st e c h n o l o g y , b u ti th a ss o n l ed i s a d v a n t a g es u c h 船b i g e u b a g e h i g h c o s t , u n s t a b l ee o m m t m i e a t i o n b a s eo i lt h i sd i s a d v a n t a g e ，w e p u t f o r w a r da ne c o n o m i c a le m b e d d e dc o n c r c t em i x i n gs t a t i o na n di tm a i n l yc o m p o s e d o fa r mp l o c e s s o l ，l i n u xs y s t e m , p l c ，a n da n a l y z e dt h er e q u i r e m e n to ft h i s e m b e d d e dc o n t r o ls y s t e m , t h e nd e s i g n e dm o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m f i r s t l y , t h i st h e s i sn l a k e $ o u tt h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f t h es u b j e c t p r e s e n t e dao v e r v i e wo f t l a es t a t eo f a r ti nc o n c r e t em i x i n gs t a t i o ne o n t r o n i n gs y s t e m a n dt h ep r o b l e mr e q u i r e dt ob er e s o l v e 正a n dt h em a j o rw o r kt h a ts h o u l db ed o n eb y t h i st h e s i s ，t h e na n a l y z e dt l a ec o n t r o lf l o wa n dt e c h n o l o g yd e m a n db yt h ec o n c r e t e m i x i n gs t a t i o n , a n dd i f f e r e n te o n t r o ls c h e m e si nc u r r e n tc o n c r e t em i x i n gs t a t i o n c o n t r o l l i n gs y s t e m , w i t ht h e s ea n a l y s i s ，t h e s i sp r o p o s e do v e r a l ls o l u t i o nt h a tt ob e u s e di ne m b e d d e dc o n c r e t em i x i n gs t a t i o t lc o n t r 0 1 s e c o n d l y , d e s i g nt h em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m sh a r d w a r ee i r c - u i td i a g r a m b a s eo i lt h er e p r e s e n t a t i o n sf o re m b e d d e ds y s t e mp r o d u c t s e r i e sc i r c u i t , u s bc i r c u i t , e t h e m e tc i r c u i tw e l ei l l u s w a t e di nd e t a i l s t h ep r i n c i p l ea n de x t e n s i b i l i t yo ft h i s d e s i g na l s ob ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r i l l 西华大学硕士学位论文 f i n a l l y , 即曲c d d e dl i n u xs y s t e mi sa n a l y z e d , i l l u s t r a t e x le m b e d d e dl i n u x d e v e l o p m e n tm o d u l e s ，t h es e tu pp r o c e s so ft h em o n i t o ra n dt h ec o n t r o ls y s t e m s d e v e l o p 堍p l a t f o r m , e m p h a s i z e dt h er e a l i z a t i o no f t h ek e yd e v i c ed r i v e ra p p l i c a t i o n s o t ! 1 w a r e ，t h ep r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o no ft h eb o o tl o a d e rw e r ei l l u s t r a t e di nd e t a i l t h el e a d i n gq t e m b e d d e ds y s t e mo nt e c h n o l o g yi sa n a l y z e dd e 印l y k e y w o r l d ：c o n c r e t em i x i n gs t a t i o n , e m b e d d e d , l i n u x ，q t 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。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，也不包括含为获得西华大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料，特此声明。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期问在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签名 。导师签名 年月日 萨月功日 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 选题背景及意义 混凝土搅拌站是随着水泥的诞生而产生和发展的。最初搅拌站仅以单机的 形式出现，各工地自拌自用，随着基础设施建设大规模的开展，商品混凝土的 销售逐渐走迸了人们的视线，从而产生了现代的混凝土搅拌站，随着计算机技 术、测控技术的发展，高可靠、高自动化的自动控制系统便成为了混凝土搅拌 站的发展方向。 在搅拌站自动控制系统中，系统的稳定性，以及对数据采集处理的精确性 直接影响到混凝土的质量。而在市场竞争日趋激烈的今天，搅拌站自动控制系 统的性价比也与企业的生存紧密的联系在一起。因此，研究一种底成本，高可 靠性的新型搅拌站自动控制系统，具有极为广阔的市场前景。 嵌入式系统是一种以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件根据需 要可裁减，以适应对系统功能、可靠性、成本、体积、功耗等要求的专用计算 机系统。另外，嵌入式技术与实时性有着天然的联系：由于嵌入式系统是为特 定的目的而设计的，且常常受到空间、成本、存储等条件的限制，因此，它必 须最大限度地在硬件上和软件上“量身定做”以提高效率，这样的结果导致了 实时性的争强，开放源代码的l i n u x 具有诸多优点、应用前景广阔，目前以它 为操作系统的嵌入式系统研究更成为目前国内外研究的热点之一。 嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心部件，与通用计算机中的c p u 相对 应。为满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器除在功能上和标准微处理 器基本一样外，还具有体积小、重量轻、成本底、可靠性高等优点。在应用中， 一般是将微处理器装配在专门设计的电路板上，在该板上只保留和嵌入式相关 的功能即可，包括r o m 、r a m 、总线接口、各种外设等，这样可以满足嵌入 式系统体积和功耗大幅度减小的要求。目前的嵌入式微处理器主要包括有a r m 系列、p o w c r p c 、m i p s 等等，其中基于a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额。 综上所述，对a r m + l i n u x + p l c 这样一种嵌入式搅拌站自动控制系统方案 的研究有着重要的意义，适应了当今技术发展的潮流，也为其它工业自动控制 西华大学硕士学位论文 系统提供了借鉴。 1 2 国内外现状 1 2 1 混凝土搅拌机械的现状及国内市场分析 从1 9 0 3 年德国建造世界上第一座预拌混凝土搅拌站以来，商品混凝土作为 独立的产业已有1 0 0 多年的历史。随后，美国于1 9 1 3 年，法国于1 9 3 3 年建立 了自己的搅拌站。二次大战后，尤其是6 0 年代到7 0 年代，由于各国抓紧发展 经济，医治战争创伤，混凝土搅拌站得到了快速发展。目前，德国、美国、意 大利、日本等国家的搅拌站在技术水平和可靠性方面处于领先地位。国外生产 的搅拌站一般生产率在l o o m 3 h - 3 0 0 m 3 h ，对于商品混凝土生产，搅拌站形式 应用比较普遍，尤其在大型工程中被采用。我国混凝土搅拌站( 楼) 的研制是从 5 0 年代开始的，在其发展过程中，型式的选取和主要技术参数基本上是根据用 户要求和参考国外产品的自由状态。 在“一五”乃至2 0 1 0 年期间，我国要建设一大批大型煤矿、油田、电站、 机场、港口、高速铁路、高等级公路等重点工程，同时也要进行大量的城市道 路、城镇住宅的开发与建设，这都需要大量的混凝土。所以现在正是大力发展 混凝土机械的大好时机，作为。一站三车”中的一站，混凝土搅拌楼( 站) 占有 举足轻重的地位。 1 2 2 集散型控制系统与集中式控制系统比较 集中式控制系统是第三代过程控制系统，它是一种单机系统，使用一台计 算机对多个设备和对象进行集中管理和控制。分布式控制系统是一种多机系统， 使用多台计算机分别控制不同的对象和设备，从而形成多个子系统，各子系统 之间通过通讯或网络相互关联，从而对各子系统进行协调。从整个系统来讲， 分布式控制系统的各子系统在功能上、逻辑上、物理上以及地理位置上都是分 散的。它的特点是各系统之间有密切的联系和信息交换，系统可以对其总目标 和任务进行综合协调和分配。在工业控制领域中，无论是集中式控制系统还是 分布式控制系统都得到了广泛应用。表1 1 为集中式控制和集散型控制的比较。 西华大学硕士学位论文 表1 i 集中式控制和集散型控制的比较 f o r m1 ic o n c e n t r a t e dc o n t r o ls y s t c ma n dd i s 仃i b m e dc o n 仃o ls y s t e m 集中式控制系统集散型控制系统 管理集中管理和控制集中管理，分散控制 资源 所有资源为主机所有 各子系统资源共享 通信数据通信量小数据通信量大，需联网设备 性价比大中型系统对土机要求高小高性价比 技术要求低高，需解决系统软硬件特殊问题 和系统的调度和优化 灵活性系统布线多，无效开销大，松耦合的多处理机系统，可实现 硬件积木化，软件模块化设计， 扩展性好 可靠性可靠性低。故障集中于主机系统结构、冗余技术、自诊断功 能和高性能元器件保证高可靠性 总之，集散控制系统不同于集中控制系统，它由多个微处理器组成的分布 式控制系统，由分散的控制站来控制分散的生产部分，实现了功能、负荷和危 险的分散，从而克服了集中型计算机控制系统的致命弱点；它也不同于分散的仪 表控制系统，它的集中在于各操作员站可以进行生产监控，从丽克服了二者的 缺陷而集中了二者的优势，利用计算机技术对生产过程进行集中监测、操作、 管理和分散控制。 1 2 3d c s 技术与p l c 技术的结合 d c s 的发展推动了相关技术的应用和发展，如可编程序控制器- ( c p l c ) 技 术、现场总线( f i e l db u s ) 技术、智能控制技术与过程控制软件等。同时这些技术 也为d c s 的发展提供了有力的支持和保障。而与p l c 技术的相融合已成为当 今d c s 技术的重要发展方向。 可编程序控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l c r - p l c ) 是专为在工业环境下 应用而设计，集微处理技术、自动化技术和通讯技术为一体的实时工业控制装 3 西华大学硕士学位论文 置，是从继电器逻辑控制系统发展而来，在开关量控制和顺序控制等方面占优。 随着微电子技术和计算机通信技术的飞速发展，p l c 在硬件配置、软件编程、 通讯联网功能以及模拟量控制等方面均取得了长足的进步，从而为工业自动化 控制注入了前所未有的生机和活力；基于p l c 和网络通讯技术的新型分布式控 制系统的设计与应用，己经成为现代生产过程自动化的一个主要发展趋势。用 p l c 来构建或改造d c s ，一方面可以保证控制的实时性、稳定性以及准确性： 另一方面则可大幅度地降低成本，满足用户对控制系统的经济性要求。 1 3 论文的主要工作 1 混凝土搅拌站控制系统的整体方案设计 对混凝土搅拌站的发展、主要结构、生产工艺、测控系统发展趋势以及国 内外主要产品结构进行了全面论述分析，通过分析对搅拌站控制系统进行了总 体框架设计。 2 混凝土搅拌站监控系统硬件设计 根据自动控制系统不同控制方法的比较，确定采用集散型控制方案并对 该方案的具体硬件实现进行详细的分析，完成了硬件平台的搭建。 3 软件系统移植 根据混凝土搅拌站的工艺要求选择嵌入式操作系统，并结合所设计硬件系 统，完成操作系统的移植、主要驱动程序的分析开发，重点分析了b o o t l o a d c r 的基本实现原理及操作步骤。 4 嵌入式g i j i 的选择及开发 。 根据系统要求，选定g u i ，并较为详细的介绍了q t e m b e d d e d 的实现原理 及基于嵌入式q t 的监控界面的开发。 4 西华大学硕士学位论文 2 混凝土搅拌站概述及总体控制方案的分析与设计 2 1 混凝土搅拌站概述 2 1 1 混凝土搅拌站的组成 一个全套的搅拌装置是由许多台主机和一些辅助设备组成，它最基本的组 成部分有以下五个：运输设备、料斗设备、称量设备、搅拌设备和辅助设备。 1 、运输设备 运输设备包括骨料运输设备、水泥输送设备以及水泵等。骨料运输设备有 皮带机、拉铲、抓斗和装载机等，其中皮带机是搅拌装置中最常用的骨料运输 设备，而且是一阶式搅拌站唯一可以采用的运输设备。水泥输送设备基本上有 两种类型：机械输送系统和气力输送系统。机械输送系统由斗式提升机和螺旋 输送机组成。气力输送系统是使水泥悬浮在空气中，将这种混合气体沿管道输 送，它由喂料机、输送管道和收尘器组成。 2 、料斗设备 料斗设备由贮料斗、卸料设备( 闸门、给料机等) 和一些其它附属装置组成。 料斗设备在生产中起着中间仓库的作用，用来平衡生产。在混凝土搅拌装置中， 用料斗设备配合自动秤进行配料。所以，它是工艺设备的组成部分，并不是大 宗物料的贮存场所。根据制作贮料斗所用的材料不同，贮料斗分为钢贮斗、钢 筋混凝土贮斗、木贮斗等；从外形上分，常用的有方形和圆形。圆形贮斗又叫筒 仓。给料机和闸门都是贮料斗的卸料设备。闸门控制贮料斗卸料口的开启和关 闭的，大多是气动的，其构造简单，卸料能力大，但是只有当物料是完全松散 状态时，才能比较均匀地控制料流。而采用给料机卸料时，就比较容易控制均 匀地卸料，给料机都是电动的。闸门的类型很多，但在混凝土搅拌装置中最常 用的是扇形闸门，它由压缩空气缸来操纵，骨料( 石子和砂) 都是采用闸门给料。 给料机常用的是螺旋给料机，粉料( 水泥等) 采用螺旋给料机给料。 3 、称量设备 称量配料设备是混凝土生产过程中的一项重要工艺设备，它控制着各种混 合料的配比。称量配料的精度对混凝土的强度有着很大的影响。因此，精确、 高效的称量设备不仅能提高生产率，而且是生产优质高强混凝土的可靠保证。 西华大学硕士学位论文 一套完整的称量设备包括贮料斗、给料设备( 闸门或给料机) 和称量设备等。对 称量设备的要求，首先是准确，其次是快速。为了适应各种不同的物料，秤斗 在构造上略有不同。水泥秤斗是圆形的，骨料秤斗是长方形的，而水等液体的 秤斗是圆形的，斗门设有橡皮垫，以保证密封。传感器的装设，电子秤的秤斗 采用三点悬挂，在每套悬挂装置的中部各装有一个传感器。 4 、搅拌设备 即一般的混凝土搅拌机，没有提升装置和供水装置。其设计技术很成熟， 在搅拌站设计中，一般采用标准搅拌机。例如，目前国内厂家基本都使用双卧 轴强制式搅拌机，此搅拌机搅拌能力强，搅拌均匀、迅速，生产率高，对于于 硬性、塑性及各种配比的混凝土，均能达到良好的搅拌效果。 2 1 2 混凝土搅拌站工艺流程 一辆混凝土搅拌输送车到来后，根据合同编号输入相关的信息：合同编号、 车的容积、车号、搅拌时间、每一次搅拌的方量、投料的顺序和砂石的含水率， 剩余量、工程名称、配方号和搅拌次数由上位主控机自动读取和计算生成。生 成生产任务，主控机再将生产任务具体化成下位p l c 的生产控制数据，发给 p l c 控制生产自动进行。在生产的过程中，p l c 将采集到的秤斗称量值和搅拌 站的状态信息发给上位工控机，形成混凝土搅拌站图形仿真。每完成一次搅拌， 都会形成生产数据以用于管理和控制目的。一车的生产完了以后，打印发料单。 这就是混凝土搅拌站的一个工作循环。在生产的过程中，如果有新车到来，就 将新的生产任务加入生产任务队列中。如果是自动生产模式而且生产任务队列 中还有生产任务，就自动进行下一个生产任务的生产。 搅拌站进行混凝生产时，首先将骨料分别装入各自料仓，然后打开石料 和砂料的给料阀门分别将骨料投入到秤斗进行称量，秤斗中的骨料不断增加直 到电子秤指示到所要求的重量才控制下料阀门停止投料，然后启动平皮带和斜 皮带将骨料卸入集料斗。和上述方法类似，在骨料配料的同时在各自的秤斗中 进行水泥、粉煤灰及防冻剂的称重和所需水及外加剂的计量。在混凝土所需的 各种材料计量完毕后，控制集料斗和各秤斗开门，以把各种材料装入搅拌机进 行搅拌。在搅拌机运行了规定的时间后，打开搅拌机的门进行卸料( 搅拌站的 门先半开，再全开) ，完成混凝土生产的一个循环。 6 西华大学硕士学位论文 2 2 嵌入式混凝土搅拌站总体设计 2 2 1 监控系统功能分析 。 本文所设计的监控系统是搅拌站的核心，主要完成按照预定的混凝土配比 监控搅拌站的全部工作过程。其中p l j c 用于现场数据采集，以及控制信号输出， 是我们的监控系统与现场控制的信息交换中心，由于p l c 技术在现代工业控制 中的应用己相当成熟，相关的控制程序在很多资料中也有详细说明，因此在本 设计中没有讨论到p l c 上程序控制的具体实现，但它在我们的搅拌站控制系统 中却是必不可少的。 2 2 2 总体方案设计 l 一一一一一一一一一一一- 一一一一一： f i g2 - 1t w e m l l , q o h | t i n no f t h e c n n c n 丑em x i n 口$ 1 址 i o l l 图2 - 1 搅拌站总体方案 根据以上分析，我们给出了如图2 - 1 所示的嵌入式控制系统与外围控制单 元的构架框图，图中虚线中的部分便是嵌入式搅拌站监控系统。其中的监控信 西华大学硕士学位论文 息通过串口1 与p l c 进行交换，在串1 2 通信出现故障时可以通过与p i , c 连接的 i o 端进行相应的故障处理。通过这种框架，我们把整个搅拌站搭建成集散型 控制系统也称为分布式控制系统( d c s ) ，该系统可以分为下三大部分： ( 1 ) 通信网络 通信网络，在该系统中为p l c ，它是监控站和现场i o 控制站之间的桥梁， 完成现场i o 控制站、监控系统、操作员站之间数据的传输及数据处理。 ( 2 ) 监控站 监控站是由显示器、主机、键盘、鼠标等组成的人机系统，也是本文的设 计内容：嵌入式监控系统，它为操作人员提供人机界面，实现集中监视、集中 操作和集中管理。操作员可以通过监控站及时了解现场运行状态、各种运行参 数的当前值、是否有异常情况发生等，并对生产过程进行控制和调节，保证生 产过程安全、可靠、高效。 ( 3 ) 现场控制站 现场控制站是完成对过程现场i o 处理并实现直接数字控制的网络节点， 由处理器单元、通讯接口和i o 卡以及现场端子板组成。它完成现场信号的数 据采集和控制信号的输出，实现对生产过程的反馈、顺序和逻辑控制，并能协 调生产过程，完成更高级的控制功能。 2 3 小结 本章介绍了混凝土搅拌站的分类及其基本结构和集散控制系统的应用，通 过分析搅拌站的工艺流程，对基于集散控制系统的搅拌站系统作了总体布局。 亘兰奎堂堡主兰堡笙奎 3 嵌入式搅拌站控制系统硬件设计 3 1 监控系统硬件设计总体方案 l 一队：辩考岱= l l l 漤一陪移 童 夺移f 茹 f 拳 l 一：睁冷 警刮 一 | | 繁忙= 暑 孛等i 张 l i 燃皓力 s 奈= i 艘 |i 囊# r y v l 静瞳，麟 e ：l f t r r 4 。一一。l f i g3 - 1i n t e r i o rs n u c t u l o f s 3 c 2 4 1 0 图3 - 1s 3 c 2 4 1 0 内部结构图 9 西华大学硕士学位论文 根据搅拌站自动控制系统的需求，考虑到应用的领域、用户的需求、成本 问题和开发的难易程度等因素，我们采用了s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位 s 3 c 2 4 1 0 ( a r m 9 2 0 t 内核) 作为本监控系统的核心处理器，该处理器适合于工 业控制、手持设备、数字多媒体设备等等，具有低价格、低功耗、高性能等特 点。其内部结构图如图3 一l 。s 3 c 2 4 1 0 a 提供了以下丰富的内部设备：1 6 1 0 3 指 令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e ，m m u 虚拟存储起管理，l c d 控制器( 支持 s t n & t f t ) ，支持n a n df l a s h 系统引导，系统管理器( 片选逻辑和s d r a m 控制器) ，3 通道u a r t ，4 通道d m a ，4 通道p w m 定时器，i o 端口，r t c ， 触摸屏接1 3 ，1 2 c 总线接1 3 ，s u b 主机，设备接1 3 ，2 个s p i 总线接口以及内部 p u 时钟倍频器。该处理器提供了一系列完整的系统外围设备，消除了为系统 配置额外器件的需求，大大减少了整个系统成本。 通过对s 3 c 2 4 1 0 内部资源的分析，我们根据监控系统需要完成的功能来设 计我们的硬件电路总体构架，如图3 - 2 所示的就是本监控系统硬件结构图。 r - 。： f i g3 - 2h a r d w a r e 霄t r u e t u r eo f t h em o n i t o r a n de o n t m ! s v r 舡叮n 图3 2 监控制系统硬件构架图 l o 西华大学硕士学位论文 整个控制系统分为核心板和底板，其中核心板使用d e v i c e m 1 m 2 4 1 0 。需要 扩展6 4 mb y t e 闪存( f l a s h ) ，用于存放所有的指令代码和参变量；扩展两片3 2 m b y t e 的同步动态数据存储器( s d r a m ) 用于存放数据和运行程序空间；扩展以太 网口( e t h e r n e tp o r t ) 模块，进行以太网通信：扩展u s b 模块，与u s b 接1 3 的外设进行通信：扩展r s 2 3 2 口、j a t a g 口下载程序用于调试：扩展r s 4 8 5 通信 模块：扩展键盘和液晶显示，用于现场显示操作；另外还有复位电路( r e s e t ) ，实 时对钟( c l o c k ) 模块等。 3 2 主要接口电路设计 1 r s - 2 3 2 串行接口 系统需要通过串口与p l c 进行数据交换，在开发初期需要通过串口下载调 试程序，与b o o t l o a d e r 程序通信。 s 3 c 2 4 1 0 具有3 个u a r t 口，我们将其u a r t 0 、u a r t l 用作i 峪2 3 2 接口， 电路原理如图3 - 2 所示。由于是3 3 v 系统，所以使用了s p 3 2 3 2 e ( 3 3 v 工作电 源的r s 2 3 2 转换芯片) 进行r s 2 3 2 电平转换。由于r s 4 8 5 接口复用了u a r t l ， 所以设计了j p 2 跳线，当需要使用r s 4 8 5 接口时，将j p 2 短接，然后把r s 4 5 8 总线连接到j 3 上。 f i g3 - 3r s 2 3 2 c i r c u i t 图3 - 31 2 $ 2 3 2 串口电路 西华大学硕士学位论文 2 r s - 4 8 5 接口 为扩展应用范围，e i a 在r s - 4 2 2 的基础上制定了r s - 4 8 5 标准，增强了多 点、双向通信能力，通常要求通信距离为几十米至上千米时，广泛采用r s - 4 8 5 收发器。在工业领域，抄表系统上，4 8 5 总线被广泛应用。因此，在本系统中， 设计了4 8 5 接口，以备功能扩展。由于系统是3 3 v 系统，所以使用了s p 3 4 8 5 进行r s 4 8 5 电平转换。 f i g3 - 4r s 一4 8 5c i r c u i t 图3 - 4r s - 4 8 5 接口电路 在图3 4 中，使用g p e l 3 ( s p i c u ) 连接到r s 3 4 8 5 的d e 引脚和r e 引 脚，当g p e l 3 输出低电平时，r s 3 4 8 5 的接收器使能，r s 4 8 5 总线上的数据将 会从r o 引脚输出至r x d l ，当g p e l 3 输出高电平时，r s 3 4 8 5 的驱动器使能， $ 3 c 2 4 1 0 使用1 7 g ) 1 进行数据发送。 3 u s b $ 3 c 2 4 1 0 a 具有2 路u s b v l 1 接口，1 路固定为h o s t 接口，另l 路 可配置为h o s t 或d e v i c e 接口。这两个下行口对于芯片的引脚为d n 0 、d p 0 ， 其中d n l 、d p i 引脚与u s b 设备端口( 及d e v i c e ) 的引脚复用，因此我们使 用d n 0 、d p i 引脚作为唯一的下行口。 仅有一个u s b 下行口无法满足系统要求，为此我们设计了一个u s b 集线 器电路，通过集线器可以扩展出4 个u s b 下行口 由于u s bh o s t 接口需要给u s b 从设备供电，所以在接口旁设计有两 个储能电容c 1 6 和c 1 7 。具体电路图如图3 - 5 。 西华大学硕士学位论文 f i g3 5u s bh o s tc i r c u i t 图3 - 5u s bh o s t 接口电路 u s bd e v i c e 接口电路如图3 6 所示，为了使s 3 c 2 4 1 0 a 的软件可以更灵 活地控制u s b 设备与主机之间的连接，使用g p g 9 引脚( 网络标号为e n n t l 7 ) 来实现软连接。当g p g o 输出低电平时，q 2 导通，d + 线通过r i ( 1 5 k ) 上 拉到) d 3 3 ，通知u s b 主机- i ，s b 设备要与其建立连接；当g p g 9 输 出高电平时，q 2 关断，d + 线断开与v d d 3 3 的连接，通知u s b 主机u s b 设备已经断开与u s b 主机的连接。u s b 总线的d + 和d 线都要串接一个匹 配电阻，阻值为2 2 欧。q 2 选用的是p 沟道m o s 管2 s j 3 5 5 ，而不能选用普通 的p n p 三极管，其原因是隔离d _ 卜线与g p ( 汐之间的电流联系。当u s b 总线正 常通信时，d + 线上的信号频率1 2 m h z ，如果用g p g 9 来直接控制软连接，那 么等于在$ 3 c 2 4 1 0 a 的i o 口上引入了一个时钟信号，这种设计是不合理的。 而m o s 管是用电压来控制开通与关断的，当m o s 管导通时，g p g 9 与d + 线 没有电流联系，d + 线上的时钟信号也不会影响到s 3 c 2 4 1 0 a 了。 1 3 西华大学硕士学位论文 u s bd e v i c e f i g3 6u s bd i i c ec i r c u i t 图3 - 6u s bd e v i c e 接口电路 4 以太网接口 在h t e m e t 飞速发展的今天，网络己经渗透到了方方面面。在嵌入式系统 方面，和网络的结合已经成为了嵌入式系统最新的研究方向。因此，在本系统 中，以太网接口是必不可少的。 我们系统的主板上有1 路的1 0 1 0 0 m 以太网接口电路，电路原理如图3 7 。 该电路的核心芯片时d m 9 0 0 0 e1 0 1 0 0 m 以太网控制器。电路使用1 6 位总线方 式进行控制，数据总线d a l 隗o d a = 】a 1 5 与芯片的s d 0 - s d l 5 连接，地址线也 进行相应的连接，片选n g c s 3 与芯片的a e n 相连。d m 9 0 0 0 ei o 1 0 0 m 以太网 控制器的工作基地址为0 x 3 0 0 ，而s 3 c 2 4 1 0 a 的地址线a d d r 2 与芯片的命令 数据使能端c m d 相连，所以对其进行操作时的地址时0 x 3 0 0 ( 地址端口) 或 0 x 3 0 4 ( 数据端口) ，而结合2 4 1 0 的片选得到的3 2 为地址为0 x 1 8 0 0 0 3 0 0 ( 地址 端口) 或0 x 1 8 0 0 0 3 0 4 ( 数据端口) 。 茜华大学硕士学位论文 f i g3 - 7e t h e r n e tc i r c u i t 图3 - 7 以太网接口电路 5 键盘和液晶屏 键盘和液晶屏是常用的输入输出设备，结合各具特色的嵌入式应用软件， 一可以把嵌入式控制器的功能发挥史大，并且可以用于现场调试。 $ 3 c 2 4 1 0 a 内置有液晶控制器，可以支持最大2 5 6 k 色t f t 彩色液晶屏、 最大4 k 色s t n 彩色液晶屏。选用8 英寸6 4 0 x 4 8 0t f t 的液晶屏( 型号为 l q o s o v 3 d g 0 1 ) ，它与s 3 c 2 4 1 0 a 的电路连接如图3 8 所示( 左半部分) 。 l q 0 8 0 v 3 d g 0 1 液晶屏采用5 v 电源供电，根据其数据手册可知，它的v i i i 最 小值为2 3 v ，所以直接使用$ 3 c 2 4 1 0 a 的控制口线与它相连，不需要加电平 转换电路。l q 0 8 0 v 3 d g 0 1 液晶屏有1 8 根数据线限、g 、b 各6 根) ， $ 3 c 2 4 1 0 a 的控制器应选用1 6 b p p 模式，将s 3 c 2 4 1 0 a 的v d 2 v d 7 与液 晶屏的b 0 b 5 相连，v d l 0 v d l 5 与g o g 5 相连，v d l 8 v d 2 3 与 r 0 r 5 相连。l q 0 8 0 v 3 d g 0 1 液晶屏是使用冷阴极背光灯管( c c f l ) ，需要高 压交流电源供电，所以设计了液晶屏背光灯管驱动电路，如图3 8 中的 c x a _ l 1 0 a 模块部分电路。液晶屏背光灯管驱动电路的供电电源是通过j p 7 跳 西华大学硕士学位论文 线来连接的，当需要使用液晶屏进行图形显示时，需要将j p 7 跳线短接。 f i g3 - 8d i s p h yc i r c u i t 。 圈3 喝彩色液晶屏接口电路接口电路 6 j t a g 接口 ，r a g o 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，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 t a c c e s s p o r t ，测试 访问口) ，通过专用的j t a g 测试工具对内部节点进行测试。目前大多数比较复 杂的器件都支持j t a g 协议，如a r m ，d s p , f p g a 器件等。标准的j t a g 接口 是4 线：t m s 。t c k , t d i ，t d o ，分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入 和测试数据输出。 1 6 西华大学硕士学位论文 j t a g f i gj t a gc i r c u i t 图3 - 9f f t a g 接口电路 j t a g 测试允许多个器件通过j t a g 接口串联在一起，形成一个j t a g 链， 能实现对各个器件分别测试。j t a g 接口还常用于实现i s p ( n s y s t e m p r o g r a m m a b l e 在系统编程) 功能，如对f l a s h 器件进行编程等。 通过j t a g 接口，可对芯片内部的所有部件进行访问，因而是开发调试嵌 入式系统的一种简洁高效的手段。 3 3 设计原则及扩展性 具体在硬件功能模块的设计中，为了使设计合理，确保测量的精度，以获 得最佳的设计效果，应该注意以下几个设计原则： 一、用最新或是功能更完善的芯片 功能强的芯片能够达到控制的精度和可靠性，可大大简化设计电路，使系 统的精度和可靠性得到了保证。通过正确选用高性能的接口控制芯片，提高了 系统的可靠性，并使设计留有余地，为以后的升级提供了方便。 二、电路设计上应该留有余地，以考虑将来扩展和修改的需要： 因为软件的升级比硬件要方便得多，而且往往只要修改或添加软件中数据 处理的模式或算法，就可以大幅度地提高系统的功能。因此，应该在硬件设计 时尽可能地留有余地，以便将来的修改和扩充。例如在f l a s h , s d r a m 等芯 片的选取上，即考虑了现在的实际要求，又在价格允许的范围内，选取了较大 容量的型号，留有较大的存储空间，考虑到了以后添加数据的方便。 西华大学硕士学位论文 三、以软件代硬件； 原则上，在实时性允许的条件下，能够用软件完成的功能，就不用硬件， 这样不仅仅节省了成本，而且也提高了系统的可靠性。在实时性能够保证的情 况下，用软件代替硬件是很合算的。 四、选用h c m o s 工艺的芯片，目的是降低功耗： 考虑到嵌入式系统应用的工业现场环境非常苛刻，所以尽量采用h c m o s 工艺的低功耗的芯片，有利于减低自身发热，同时减轻电源负担，增加系统的 无故障使用时间，这也是提高系统可靠性的措施之一。； 五、仔细讲究布局布线 为了得到更高的精度和提高系统的可靠性和抗干扰能力，首先在电路布局 时应该尽量考虑电源和地的划分。在六层板中，其中有单独的电源层和地层。 但是由于存在着多种电源，例如3 3 v 、2 5 v 、5 v 。所以布局时应该尽量把相 同电源的器件放在一起，以便于电源层不同电源之间的划分。同时，在地层也 要进行块划分。例如r s - 4 8 5 模块与其他器件不共地。其次注意终端匹配，保 证信号的完整性。最后，各个芯片都要加去耦电容，最大限度地降低干扰。 西华大学硕士学位论文 4 监控系统软件设计 4 1 综述 根据我们设计的硬件平台，以及混凝土搅拌站工艺要求，我们选用嵌入式 l i n u x 作为监控软件的运行平台，q t e m b e d d e d 作为l i n u x 之上的g u i 系统。由 于基于o r e m b e d d e d 的图形界面开发所涉及的内容较多，同时也是我们设计的 重要部分，因此关于搅拌站监控界面开发的介绍我们放在第五章单独说明。本 章主要涉及内容：监控系统软件功能分析；嵌入式l i n u x 的分析、移植；搅拌 站监控系统软件开发平台的搭建；监控系统中所涉及的部分驱动程序开发； b o o t l o a d e r 分析及实现原理。 4 2 监控系统软件功能分析 上位机监控程序采用面向工作流程的设计方法，以图形方式表达整个搅拌 站的供料系统和搅拌过程。作为上位机软件系统的控制台，监控程序可以根据 系统的不同结构组成、更改系统可视化控制台显示图形。在系统控制台中显示 当前系统的运行状态，便于工作过程的监控。整个系统应具有良好的人机交流 方式、直观方便的用户界面，以实现整个生产过程控制管理的高度智能化。同 时，上位机监控软件各程序应具有以下特点：易进行二次开发，提供开放的基础 数据接口：系统稳定，控制准确可靠，生产数据通过备份，增强数据的安全性。 上位机监控界面根据控制管理范围和应用对象不同，划分为以生产管理子 程序为中心四个模块：原料管理子程序、客户管理子程序、生产管理子程序和配 方管理子程序( 图4 1 所示) 。 1 9 西华大学硕士学位论文 f i 9 4 - ic o n t r o l a n d m o n i t o r p r o g r a ms l n i c 眦 f i g4 - i 上位机