（机械电子工程专业论文）基于intel+xscale和嵌入式linux的梳棉机监控系统的研究与开发.pdf

北京服装学院硕士学位论文 基于i n t e ix s o a i e 和嵌入式l i f l u x 的梳棉机 监控系统的研究与开发 摘要 免费开源的l i n u x 在新兴的嵌入式操作系统领域内获得了飞速发展，嵌 入式l i n u x 的开发和研究是操作系统领域中的一个热点，越来越多的企业和研 发机构都转向嵌入式l i n u x 的开发和研究上。 本文主要介绍基于h l t e lx s c a l ep x a 2 5 5 处理器和嵌入式l i n u x 开发梳棉 机监控系统的研究和实践。首先介绍了本课题的研究背景和意义，以及本论 文要完成的主要工作。其次简要介绍了梳棉机的工作原理和工艺流程。随后 介绍了开发平台的硬件和软件资源，并在此基础上介绍了本项目嵌入式开发 环境的建立。然后，分三个方面详细讨论了梳棉机监控系统的设计和开发过 程，包括应用g t k + 和g l a d e 进行监控程序人机界面的设计，l i n u x 下串行通 信的开发，监控系统的调试方法和出现的问题及解决途径。最后，对全文进 行了总结，并对进一步开发出完整的监控系统提出开发展望。 关键词：嵌入式l i n u x ；i n t e lx s c a l ep x 舵5 5 ；人机界面； g t k + ；g l a d e ；串行通信 北京服装学院硕士学位论文 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fc a r d m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do n i n t e lx s c a l ea n de m b e d d e dl i n u x a b s t r a c t a saf r e ea n do p e ns o u r c eo p e r a t i n gs y s t e m ，l i n u xh a sa c q u i r e d r a p i d d e v e l o p m e n ti nt h eb u r g e o n i n gf i e l do fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m m o r ea n d m o r ee n t e r p r i s e sa n di n s t i t u t i o n sp a yal o to fa t t e n t i o no nt h ed e v e l o p m e n ta n d r e s e a r c ho f e m b e d d e dl i n u x ，w h i c hi sah o t s p o ti nt h ef i e l do f o p e r a t i n gs y s t e m t h i st h e s i sp r e s e n t st h ea u t h o r sw o r ki nr e s e a r c ho ft h ec a r dm o n i t o r i n g s y s t e mb a s e do nt h ep l a t f o r mc o n s i s t e do f i n t e lx s c a l ep x a 2 5 5p r o c e s s o ra n d e m b e d d e dl i n u x f i r s t l y , i ti n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h e p r o j e c t a sw e l la st h em a i nt a s k st h a ti tw i l la c c o m p l i s h s e c o n d l y , i tp r e s e n t s t h ep r i n c i p i u ma n dt e 圮h n i c sf l o wo fc a r d t h e nt h ep a p e ri n t r o d u c e st h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r er e s o u r c e so ft h ep l a t f o r m w h i c hi st h eb a s e m e n to n b u i l d i n gt h ee m b e d d e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t i ns u c c e s s i o ni t d e s c r i b e s t h r e ea s p e c t so ft h ep r o c e s s e so fd e v e l o p i n gc a r dm o n i t o r i n gs y s t e m , i n c l u d i n g t h ed e s i g no ft h eh u m a nm a c h i n ei n t e r f a c ew i t hg t k 十a n dg l a d e t h e d e v e l o p m e n to fs e r i a lc o m m u n i c a t i o nu n d e rl i n u x0 s ，t h ed e b u g g i n gm e t h o d s o ft h em o n i t o r i n gs y s t e m a sw e l la sq u e s t i o n sa n ds o l u t i o n s i nt h el a s tp a r to f t h i st h e s i s ，i ti st h es u n u n a r yo ft h ew h o l ep a p e ra n dt h ep r o s p e c to ft h e d e v e l o p m e n to fam a t u r em o n i t o r i n gs y s t e m k e yw o r d s ：e m b e d d e dl i n u x ；i n t e lx s c a l ep x a 2 5 5 ；h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ； g t k + ；g l a d e ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 北京服装学院硕士学位论文 a p i g i m p g t k g u i h m i i d e j t a g m a c n f s p o s i x r i s c r p c r p m r t c 田盯p x m l x p m 缩略语 a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e g n ui m a g em a n i p u l a t i o np r o g r a m g i m 口t b o lk i t h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p m e d i aa c c e s sc o n t r o l n e t w o r kf i l es y s t e m p o r t a b l eo p e r a t i n gs y s t e mi n t e r f a c ef o ru n i x r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r r e dh a tp a c k a g em a n a g e r r e a lt i m ec l o c k t r i v i a lf i l et r a n s f e rp r o t o c o l e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e x w i n d o w sp i x e lm a p s v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名黄建文签字日期：2 口驴7 年弓月2 日 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解北京服装学院有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京服装学院。学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅 和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印 或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 黄连文 导师签名： 签字日期：? 卿年乡月2f i 签字日期 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 7 了珀 ： f j伯， 1去聋1上 彦 北京服装学院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景与意义 在纺织行业中，梳棉处于棉纺工艺的第二道工序，其主要任务是把棉层梳理除杂后制 成均匀的棉条。梳棉机的监控系统在整个梳棉工艺中，具有重要的作用。其主要功能有： 上下位机问通信、传递控制参数、监控状态和故障诊断与报警，以及数据处理等等。 早先的梳棉机监控系统并不使用操作系统，只包含一些控制流程。但是随着硬件的发 展，梳棉机监控系统变得越来越复杂，简单的流程控制已不能满足系统要求。同时工控行 业的智能化和网络化发展要求有专门负责管理存储器分配、中断处理及任务调度等功能的 软件模块，无操作系统的监控系统，已经很难适应纺织工控行业的应用需求。例如，如果 没有操作系统的支持，车间或工厂级的网络控制等功能实现起来比较困难。这就必须考虑 使用操作系统做系统软件，因此，嵌入式操作系统就开始应用在梳棉机监控系统中。目前 广泛应用的嵌入式操作系统是微软的w i n d o w se m b e d d e dc e ( w i n c e ) 和免费开源的l i n u x ， 前者采用基于构件的设计方法，具有集成化的工具集，支持并行开发工作流程，开发环境 方便快速，有微软的强大技术支持。 但是w i n c e 作为嵌入式操作系统存在一些不足。主要有【l 】： 1 w 协c e 没有开放源代码，无法根据应用情况进行内核剪裁，使应用开发人员很难实 现产品的定制。 2 w m c e 像w m d o w s 一样占用过多的系统内存，应用程序庞大。 3 w i n c e 对嵌入式设备硬件平台的支持度不够。 4 w i n c e 的版权许可费用相对较贵，是企业不得不考虑的成本因素。 同时，免费开源的l i n u x 从1 9 9 1 年问世到现在短短的十几年时间已经发展成为功能强 大、设计完善的操作系统之一，不仅可以与各种传统的商业操作系统分庭抗争，在新兴的 嵌入式操作系统领域内也获得了飞速发展。嵌入式l i n u x 是指对标准l i n u x 经过小型化裁剪 处理之后，能够固化在容量只有几k 或者几m 字节的存储器芯片或者单片机中，适合于特 定嵌入式应用场合的专用l i n u x 操作系统。嵌入式l i n u x 的开发和研究是操作系统领域中的 一个热点，越来越多的企业和研发机构都转向嵌入式l i n u x 的开发和研究上。 l i n u x 作为嵌入式操作系统，具有以下几个优势【2 】： l 北京服装学院硕士学位论文 1 l i n u x 是开放源代码免费操作系统，不存在黑箱技术。 2 性能高效、稳定 3 优秀的网络功能，支持多种文件系统。 4 支持广泛的体系结构，是一个跨平台的系统。 5 内核可裁减，功能可定制。 从实时性指标来衡量，l i n u x 和w i n c e 最初设计时都没有考虑实时应用，但众多的实时 l i n u x 项目已使l i n u x 具备了硬实时和软实时处理能力，硬实时有r t - l i n u x ，另外2 6 内核中 已加入了可抢占核心，使得l i n u x 具备了软实时处理能力，l i n u x i 刍由开发模式的优点得到 了充分体现。w i n d o w s 虽然也有第三方提供类似于r t - l i n u x 的实时功能，但由于微软未提供 这方面的支持，w i n c e 的实时性能差强人意。 基于这样的背景，本文针对纺织行业中的梳棉机，在i n t e lx s c a l ep x a 2 5 5 处理器的 a r i v i 硬件平台基础上，以嵌入式l i n u x 为操作系统，研究和开发一套监控系统。 本论文工作的意义是：目前嵌入式l i n u x 操作系统在纺织行业嵌入式系统中的应用较 少，同时针对x s c a l e 系列的a r m 芯片的系统应用也不多，因此本课题除具有较强的实际 应用价值外，还有一定的前沿性和探索性。在操作系统应用多元化的探索上也具有积极的 意义。 1 2 本文研究的目标与工作 本文主要侧重于利用l i n u x 自带的工具链( t o o l e h a i n ) 进行上层应用程序的开发。基 于嵌入式l i n u x 的应用程序开发方式和流程与基于w i n d o w s 的应用程序开发有很大的不 同。在w i n d o w s 环境中，开发者习惯用各种功能强大的集成开发环境( d e ) ，完成程序编 辑、编译和运行。 但是基于嵌入式l i n u x 的应用程序的开发过程中，目前还缺乏比较简单、高效的开发 工具和手段，同时应用程序的最终运行平台是嵌入式目标系统，而程序开发与调试仍然需 要借助p c + l i n u x 平台完成。因此，在程序的开发和调试过程中，需要频繁地在嵌入式服 务器和嵌入式目标平台交换信息。 根据目前嵌入式软件开发的现状，结合实际条件和可能完成的工作，本文主要对以下 三个方面进行研究和应用工作： 1 嵌入式开发环境的建立 2 北京服装学院硕士学位论文 嵌入式系统通常是一个资源受限的系统，直接在嵌入式系统的硬件平台上编写软件很 困难，因此在进行嵌入式开发前，应该建立相应的开发环境，包括目标机和宿主机的配置， 交叉编译环境的建立以及各种相关服务的搭建。 2 应用g l a d e 和g t k + 进行图形用户界面开发 图形用户界面是监控系统的重要组成部分，在l i n u x 环境下通常选择g t k + 来开发图 形界面程序。当在宿主机上用g t k + 开发应用程序时，可以直接用l i n u x 系统的编辑器( 如 v i ) 来编写代码。但是当应用程序大并且很复杂时，为了提高效率可应用g l a d e 进行基于 g t k + 库的图形用户界面可视化的开发，这种方式使得设计界面与其他部分代码完全分 开，并有可能做到在对界面进行改动后不必对应用程序进行编译。 3 l i n u x 下串行通信的开发 串行通信是监控系统的关键部分。数据采集、事件记录与处理、参数下传和状态显 示等其他功能的实现都离不开通信。开发平台硬件资源中只有r s - 2 3 2 串行通信口，本 文主要研究r s 2 3 2 串行通信在嵌入式l i n u x 下的实现。 北京服装学院硕士学位论文 2 1 梳棉机工艺 第二章梳棉机工艺及电控部分简介 2 1 1 梳棉工序的任务 梳棉工序的任务是把棉层梳理除杂制成均匀的棉条，主要用于加工棉纤维和化学纤 维，它的前道工序是开清棉，后道工序是并条。梳棉机将前道工序送来的棉( 化纤) 卷或由 棉箱供给的棉( 化纤) 层进行开松分梳除杂，使所有呈卷曲，块状的棉团成为基本伸直的单 纤维状态，并在此过程中，清除掉开清棉工序遗留下来的破籽、杂质和短绒，然后集束成 一定规格的棉条，储存于条筒内，供并条工序使用。梳棉机的简图如图l 所示。从图上可 见梳棉机主要由五部分组成，刺辊的作用是对喂入的棉层进行预梳理，排除尘杂和短绒， 锡林和盖板的作用是把棉束开松成单纤维状态，道夫的作用主要是凝集纤维，压辊的作用 是把混合后的纤维压制成规则棉条。 图l 梳棉机简图 概括地说，梳棉工序的任务有五部分： ( 1 ) 开松棉束制成单纤维：由于开清棉机只能开检原棉制成棉束，所以梳棉机就需要 继续把棉束开松成单纤维状态，这是为了清除细小杂质和进行下道牵伸工序所必需的。 ( 2 ) 清除杂质和短绒：清除杂质的任务主要由刺辊区承担，它能除去喂入棉层含杂的 5 0 6 0 。梳棉机也能去除凝集在纤维上的尘埃( 在针尖梳理时被清除) ，还能去除部分 4 北京服装学院硕士学位论文 短绒和短纤维。 ( 3 ) 纤维混和：在道夫凝集纤维的过程中剩留在锡林表面的纤维多次返回到锡林一盏板 区重复接受针齿的梳理，完成纤维沿棉流纵向的混和；接着在成网过程中又完成了纤维沿 棉流横向的混和。 ( 4 ) 纤维纵向定位：一般梳理作用能产生纤维平行化的效果，但在道夫凝集纤维和输 出过程中纤维是相互重叠和交错的( 不完全平行) ，最后达到沿顺向排列和定位的程度。 ( 5 ) 成条：梳棉机输出的条子要规则地放在条筒内，供并条工序加工。 2 1 2 梳棉机工艺流程 棉层在给棉板和给棉罗拉握持下，依靠给棉罗拉的转动向前输送，并受到高速回转刺 辊的梳理、抓取。刺辊上方有刺辊罩盖，以防止由于刺辊的高速回转而引起的尘杂和纤维 飞扬。给棉罗拉与刺辊罩盖接缝处设有绒辊，以防止刺辊上的纤维溢出。刺辊下方有除尘 刀和小漏底，它们的作用是配合刺辊排除杂尘、短绒并保持刺辊上的长纤维。被刺辊带走 的纤维经除尘刀，小漏底的作用后，与表面包覆有针布的高速回转的锡林相遇，锡林将刺 辊表面的纤维剥下，经过后罩板进入锡林盖板工作区。盖板表面包覆着金属针布，盖板缓 慢移动，与锡林隔距很小，纤维在两个针面的作用下被梳理成单纤维状态，并达到充分混 和及清除细小杂质的目的。充塞在盖板针面上的纤维和杂质在盖板走出工作区时即被斩刀 剥下，成为盖板花。被剥清的盖板由圆毛刷刷清后，从机后刺辊上方重新进入工作区。被 锡林锯齿抓取的纤维，经过前上罩板、抄针门、前下罩板与慢速回转的表面包有针布的道 夫相遇，在两个针面的作用下，锡林上一部分纤维被道夫针齿抓取并以棉网的形式输出。 大部分纤维由锡林针齿抓取，经过大漏底，同从刺辊上新剥取的纤维一起重新进入锡林 盖板区相互混和并接受再梳理。道夫输出的棉网，由剥棉罗拉剥下，残留在道夫表面的少 量短纤维和杂质，由除尘罩排出机外。剥棉罗拉上的棉网经转移罗拉，被上下轧辊输出， 通过喇p ) l d 将棉网集合成棉条，再经一对大压辊压紧后送入圈条器，圈条器有规律地将棉 条圈放在棉条简中。梳棉机输出的棉条称为生条，以区别于并条机输出的熟条。 梳棉工艺流程的简单表示见图2 。 北京服装学院硕士学位论文 2 2 梳棉机电控部分简介 图2 梳棉工艺流程图 梳棉机电气控制系统主要由三部分组成，分别是主机板、匀整与伺服单元及监控系统。 主机板采用d s p 技术，完成整机控制。匀整单元嵌入给棉伺服放大器内部，提高稳定性和 可靠性，主要的驱动单元( 道夫、圈条器、大压辊和给棉) 采用伺服控制和变频控制。监 控系统除显示开车信息、给定工艺参数外还显示故障报警等信息，实现人机交互。 电气系统的控制框图如图3 所示。 6 北京服装学院硕士学位论文 道夫 电机 旋变 监控系统 道夫ji 大压辊li 暖条器ll 给棉 伺 服 放 大 器 大压 辊 电机 旋变 伺 服 放 大 器 厝条 嚣 电机 旋变 伺 服 放 大 器 给棉 电机 旋变 伺 厦 放 大 器 棉层 传痘 嚣 工 传痘 器激 励板 盖扳 驱动 变 频 嚣 启动 r s 4 8 5 厂 棉箱 给棉 变 频 晷 主机板d s p 洲雕忙 图3 电气系统控制框图 监控系统与主机板通过c a n 总线交换数据，通过r s - 4 8 5 总线和四台伺服驱动器通讯， 完成速度给定和驱动器数据上传。伺服单元需要的参数直接由监控系统通过r s - 4 8 5 给定， 包括道夫的速度设定、大压辊同道夫的电子齿轮比和圈条器的电子齿轮比，给棉过程及匀 整过程所需的所有工艺参数等都由监控系统直接传到相应的伺服放大器，伺服放大器反馈 的信息包括电机速度、运行状态和报警信息等也由伺服放大器输入监控系统；由监控系统 完成满筒计长和计产量等工艺要求的信息输出，主机板需要的各伺服单元运行状态信息通 过c a n 总线从监控系统得到。 本文工作的侧重点在于监控系统的软件开发。监控系统处于整个电气控制系统中的最 上层，是实现人机交互的平台载体，是对梳棉机进行相关操作的一个主要窗口，在梳棉机 控制系统中占有重要的地位。通过对工艺流程和电控系统的分析，主机板和匀整部分对监 控系统主要有以下要求： 1 开车时显示或可查询：当前棉箱压力、出条速度、锡林速度、刺辊速度、盖板速度、 开松辊速度、道夫速度、班次、班产、筒内剩余长度、总产、c v 、运行状态和停车状态 指示、故障指示、匀整器的三个传感器数值等。 2 通过触摸屏可以设置的工艺参数，包括：满筒长度、棉箱参数、自调匀整参数、班 次管理等。 7 北京服装学院硕士学位论文 3 触摸屏上设手动开车按钮多个，包括各电机的手动和强制功能。 4 主机板上开关量i o 点的状态通过上位机画面显示出来，以便查询。 2 3 本章小结 本章对梳棉机的大体情况作了简单的介绍，包括梳棉机的任务和工艺以及梳棉机的电 气控制部分。根据电气控制部分的需求对监控系统的主要功能提出了要求。 北京服装学院硕士学位论文 第三章开发平台简介和开发环境的建立 3 1p x a 2 5 5 开发平台 开发平台采用i n t e lx s c a l ep x a 2 5 5 处理器，该处理器采用r i s c 结构，内部集成了r a i v l 、 l c d 、u s b 和a c 9 7 等大量的功能模块，具有较强的扩展能力，工作频率可以高达4 0 0 m h z ， 采用1 3 v 的工作电压，具有电源管理功能，耗电量低，支持j t a g 调试。 开发平台提供嵌入式l i n u x 2 4 1 8 操作系统，并且提供完整的开发工具、b o o t l o a d e r 、 内核、文件系统、外设驱动等源代码。 下面分别从平台的硬件资源和软件资源对开发平台作一简要介绍。 3 1 1 硬件资源 开发平台主要集成了表l 所列的部件。 表1 平台硬件资源 黪? + 缓缪妻+ | ”= 攘述一：；：碧 处理器 i n t e l x s c a l ep x a 2 5 54 0 0 m h z s d r a m s a m s u n g6 4 m b y t e f l a s hi n t e l s t r a t af l a s h3 2 m b y t e 以太网 c s 8 9 0 0 a1 0 b a g e t 声卡 a c 9 7s t e r e oa u d i o 显示 l g t f t l c d 6 4 ”( 6 4 0 + 4 8 0 ) 触摸屏 a d $ 7 8 4 3t o u c hs c r e e n u s bu s bs l a v e ，u s bh o s t p c m c i als l o t 实时时钟 r e a lt i m ec l o c kr t c 4 5 1 3 红外h d s l 3 6 0 0 c fls l o t m m c1s l o t 下面简要介绍平台的硬件接口 1 存储器接口 存储器接口主要可以分成3 类：s d r a m 存储器、静态f l a s h 存储器、存储卡。s d r a m 存储器不具有掉电保持数据的特性，但具有存取速度快，可读写的特点，在系统中主要用 作程序的运行空间、数据区及堆栈区。当系统完成初始化以后，程序代码被调入s d r a m 9 北京服装学院硕士学位论文 中运行，以提高系统的运行速度。f l a s h 存储器具有在系统电擦写、掉电后信息不消失的特 性，以及低功耗、大容量、擦写速度快、可以整片或分扇区在系统编程和擦除等特点，在 系统中通常用于存放操作系统映像、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。 2 l c d 接口 p x a 2 5 5 处理器内置的l c d 控制器支持被动( d s t n ) 或主动口f t ) 模式的显示器，还支持 单色或多种彩色像点格式，支持单屏或双屏显示；被动彩色方式有6 5 5 3 6 种颜色( 使用1 6 位 t m e d 抖动算法) ，主动彩色方式有6 5 5 3 6 种颜色( 1 6 位) ，显示可以达至u 1 0 2 4 x 1 0 2 4 ，推荐使 用最大值8 0 0 x 6 0 0 ；内置2 个专用d m a 通道。 系统使用的l c d 是6 4 ，的t f t 的彩色显示屏，分辨率是6 4 0 x 4 8 0 。 3 以太网接口 在嵌入式系统中，以太网接口的应用非常广泛，它是以太网络中各节点的通信基础， 用来实现网络节点之间报文发送和接收工作，处于t c p i p 协议栈的数据链路层，是信息传 送、控制和管理的重要环节。开发平台采用c i r r u sl o g i c 公司c s 8 9 0 0 a 以太网芯片，它是符 合1 e e e 8 0 2 3 协议的工业标准架构总线的一款低成本的以太网芯片。该芯片高度集成了一些 常用的部件，比如片内r a m 、1 0 b a s e t 传输和接收过滤器和i s a 总线接口等。 4 音频接口 p x a 2 5 5 处理器包含a c 9 7 控制单元，支持音频控制器( a c 1 i n k ) ，能通过串口传输数字 音频、调制调解器、音频输入、控制寄存器和状态信息等。p x a 2 5 5 处理器内置了a c 9 7 控 制器，需要外扩一个音频解码芯片。开发平台采用c i r r u sl o g i cc s 4 2 9 9 用作音频解码器。 5 实时时钟r t c 实时时钟( r e a lt i m ec l o c k ，r t c ) 是用来持久存放系统时间的设备。系统由外扩的 实时时钟芯片r t c 4 5 1 3 和一颗纽扣电池组成r t c 电路。当关闭系统电源，r t c 4 5 1 3 可以通 过这个电池来保持当前时间。 6 串口 开发平台提供1 个全功能串e l ( f u l lf u n c t i o n ，f f ) ，1 个蓝牙串口( b l u et o o t h ，b t ) 和1 个 标准u a r t ( 红外接口) 。它们使用p x a 2 5 5 d p 的第二功能g p l 0 引脚。全功能串口支持m o d e m 控制功能，其最高波特率为2 3 0 4 k b s ；蓝牙串口是一个高速u a r t ，最高波特率为 9 2 1 6 k b s ，可连接蓝牙模块。 系统中，全功能串口用作l i n u x 系统的调试串口。 1 0 北京服装学院硕士学位论文 7 u s b 接口 开发平台有1 个u s b c l i e n t 接口和2 个u s b h o s t 接口( 其中一个是m i n i u s b 接口) 。 u s b c l i e n t 接口作为u s b 的从设备，一般与主设备( 如宿主机) 连接，用于下载数据和程 序，也可以用作u s b 网口来使用。u s b c l i e n t 控制器u d c 集成在p x a 2 5 5 处理器内部。 u s b h o s t 接口作为u s b 的主设备，用于连接u s b 夕f 设，例如u 盘，鼠标、键盘和摄像头等。 8 扩展接口 i 卟- p c m c i a 接口； 1 - 个c f 卡接口； l d 。m m c 卡接口； 1 2 0 d i n 的扩展接口。 开发平台的框图见图4 。 i f l a s h 1 l u s bs l a v ei 1 地址、数据总线 。l2 3 2 串口li 1 l d b 9 i t l s d r a l 一i2 3 2 w r i ：1 2 l 7 l d b 9 l d s 7 8 4 3 触摸屏2 3 2 串1 7 1 3 l ( 与i i i d a 复用) l i _ l c i ) 信号线 i o 1 蓝牙接口i 门 7 l ( 与串口i 复用月 p n s 曰m c s 8 删9 0 0 t 一- 喇i 全功能串口l i t , 一l c 与串口2 复用x i l e d l o 臀 + - 1 c 伽p a c t f l s q 4 - - - 鬈 j螺 l ( 扩展1 2 0 p 细n 1 ) i ： 唧。 珀 碰 一 - i 一l c i a l i 絮 糕 爿 器量_ 叫u s bh o s t i 哑叫翩驱动1 皇呻 琵。毗ii s p k 卜一c s 4 2 9 7 a1 1 7 图4 开发平台框图 ( 图引自文献【7 】) l i 北京服装学院硕士学位论文 3 1 2 软件资源 开发平台所采用的l i n u x 操作系统由稳定性和可靠性都比较出色的标准的l i n u x 2 4 1 8 内核裁减得来。有自带的b o o t l o a d e r 、工具链( t o o l c h i a n ) 、文件系统、图形用户界面 ( g u d 和主要的设备驱动。嵌入式l i n u x 系统软件资源见表2 。 表2 嵌入式l i n u x 系统软件资源 8 壤甚 一。籀述一 二二 操作系统 l i n u x2 4 1 8k e r n e l 网口：c s 8 9 0 0 e t h e m e t 音频：a c 9 7s t r e oa u d i o 显示；l c df r a m eb u f f e r 触摸屏：a d s 7 8 4 3t o u c h $ c 1 e g l l 设备驱动 u s b 主从：u s b p c m c i a ( c fd r i v e ri n c l u d e d ) 实时时钟：r t c a 5 1 3 ( r e a lt i m ec l o c k ) 红外端口：i r d a m m c 卡：m m c 文件系统 j f f s 2 图形用户界面 t i n y - xs e r v e r 内存布局上，主要介绍f l a s h 存储器的内存规划，因为b o o t l o a d e r 、内核映像和文件系 统都常驻与此。f l a s h 存储器内存地址映射见图5 。系统复位上电后，系统从0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 地 址开始运行，在内核运行之前需要运行引导程序b o o t l o a d e r ，然后跳转到内核代码的起始位 置。 f l a s h ( 3 2 m3 2 b i t ) r o o tf i i e s v s 咖 k e r n e li m a g e r e s e r v e d b o 口0 0 a d e r 3 2 开发环境建立 图5f l a s h 内存地址映射图 嵌入式系统通常是一个资源受限的系统，直接在嵌入式系统上编写软件很困难。目前 1 2 北京服装学院硕士学位论文 一般采用的方法是宿主机目标机模式，即先在通用计算机上编写程序，然后通过交叉编译 生成目标平台上可运行的二迸制文件，最后通过串口或以太网口下载到目标平台上运行， 如图6 所示。在进行嵌入式开发前，应该先建立开发环境，包括目标机和宿主机的配置等 等。 图6 宿主机一目标机开发环境 3 2 1 宿主机环境 宿主机安装桌面版l i n u x 操作系统，选用的版本是r e d h a t 9 0 。 1 设置m i n i c o m m i n i c o m 是l i n u x 下的串口调试工具。运行m i n i c o m 后，接通开发板上的电源( 假设 嵌入式l i n u x 已被正确安装) ，就可以在m i n i c o m 中监视到开发板上嵌入式l i n u x 系统的当 前运行状态。可以将m i n i c o m 看成是开发板上嵌入式l i n u x 系统的一个虚拟终端，也就是 说在m i n i c o m 中输入的所有命令都交由开发板上的嵌入式l i n u x 系统来进行处理。 在使用m i n i c o m 前，需要设置诸如波特率、数据位、停止位、奇偶校验方式等参数， 要求和开发板上的串口的相应参数一致。配置如下： s e r i a ld e v i c e ：d e v t t y s 0 l o c k f i l el o c a t i o n：v a t l o c k c a u i np r o g r a m： c a l l o u tp r o g r a m： b p s p a r b i t s ：1 1 5 2 0 08 n 1 h a r d w a r ef l o wc o n t r o l ：n o s o f t w a r ef l o wc o n t r o l ：n o 在m i n i c o m 中， t t y s 0 对应 c o m i ”，y s l ”对应 c o m 2 ” 2 建立b o o t p 服务 北京服装学院硕士学位论文 b o o t p 服务是b o o t s t r a pp r o t o c o l 的简称，是一种出现较早的远程启动协议，用于在 目标机启动时配置口地址、网关等信息。它是为册服务提供目标机的m 地址。b o o t p 分为客户端和服务器端两种，目标板的文件系统已包含b o o t p 客户端程序，只需要在宿 主机上配置b o o t p 服务。 宿主机上b o o t p 的服务器服务是由x i n e t e d 所设定的，因为像b o o t p 这些不长期使 用的服务并没有被作为单独的守护进程在开机时启用，l i n u x 把这些服务监听端口全部由 一个独立的进程x i n e i u i 集中监听，当收到相应的客户端请求之后，x i n e t d 进程就临时启动 相应服务并把相应端口移交给相应服务，客户端断开之后，相应的服务进程结束，x i n e t d 继续监听。默认情况下x i n e t d 进程处于关闭状态。 宿主机上已安装x i n e t d 和b o o t pr p m 包，安装完后生b i i ) j u s r s b i n b o o t p d 可执行程序需 要被x i n e t d 程序运行，要在e t c x i n e t d d 目录下新建b o o t p 文件如图7 配置。 图7b o o t p 的文件配置 同时在触c 目录下新建b o o t p t a b 文件按图8 配置。b o o t p t a b 文件是b o o t p 的环境设置 数据库文件，在目标板上发送b o o t p 请求时，宿主机安装的b o o t p 服务器( b o o t p d ) 根 据e t c b o o t t a b 中定义的目标机信息来生成b o o t p 回应包以作应答。 图8b o o t p t a b 的文件配置 其中，t e s t 为标记，叩表示为换行，h t ( h a r d w a r et y p e ) 硬件类型，l 表示1 0 m b 以 太网；h a ( h a r d w a r ea d d r e s s ) 硬件地址，是目标机的m a c 地址，在目标机启动b o o t l o a d e r 1 4 北京服装学院硕士学位论文 时执行b o o t p 后可察看目标板的m a c 地址；i p 表示分配给目标机的口地址，如果板子 的m a c 地址和l l a 的地址一致，口将被传输给板子( 需要强调的是：目标机的m 地址和 宿主机i p 地址必须在同一个网段内，比如宿主机i p ：1 9 2 1 6 8 2 1 4 9 ，则目标机i p ： 1 9 2 1 6 8 2 x x x ) ：8 1 1 1 ( s u b n e tm a s k ) 子网掩码，与宿主机相同。 设置完成后，在宿主机上重启x i n e t d ，使改动生效。 若通过m i n i e o m 建立宿主机和目标机之间的串行通信( 假设事先通过j t a g 将 b o o t l o a d e r 映像文件写入板子上f l a s h 存储器的起始地址为0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 的存储空间) ，进 入b o o t l o a d e r 的命令模式后，在目标机上运行b o o t p ，可从宿主机上获取目标机的口地 址，利用该口地址通过椰服务下载内核和文件系统映像到目标机的s d r a m 中。 3 建立1 f r p 服务 唧( t r i v i a lf i l et r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 即简单文件传输协议，它是t c p i p 协议族中的 一个用来在客户机与服务器之间进行简单文件传输的协议，提供不复杂、开销不大、速度 快的文件传输服务，可以看成是f t p 协议的简化版本。 b o o t p 一样，聊也分为客户端和服务器端两种。目标板上已提供客户端服务，在 宿主机上建立聊服务与建立b o o t p 服务类似，t f r p 服务器也是由x i n a t e d 执行的。 宿主机上已安装t f 即r p m ，需要配置e t e x i n e t d d t f i p 文件，对该文件按图9 所示配置。 图9 邢服务器配置 从“s o r v e r _ a r g s ”可以看出，1 f r p 服务器端的默认根目录为 t f l p b o o t ，作为下载启动映 像目录，也即当通过b o o t l o a d c r 下载时仅 t t t p b o o t 目录下的文件能被传输。 在应用1 f r p 服务之前，先重启x i n e t d 服务，使刚才的配置生效，使用命令 n e t s t a t - a u 确认t f l 甲服务是否已经开启，图1 0 中显示宿主机上已开启了唧、n f s 等网络服务。 这时，用直连线( 不可用网线) 连接目标板和宿主机，把需要传输的文件( 如内核和文件 系统) 拷贝到 t t t p b o o t ，在目标机上使用b o o t l o a d o r 的册命令下载映像文件。 i s 北京服装学院硕士学位论文 图1 0 查询网络服务 4 建立n f s 服务 n f s ( n e t w o r kf i l es y s t e m ，网络文件系统) 是由s u n 微系统公司作为t c p i p 网上 的文件共享系统开发并发展起来的一项在不同机器、不同操作系统之间通过网络分享文件 的技术。它允许访问任何本地文件一样的方法来访问远程主机上的文件。使用n f s 可以使 应用程序的开发变得方便，不需要进行可执行文件的烧录和下载，只要挂载到服务器端的 特定目录下，然后运行该目录下的程序即可观察到结果。建立n f s 服务也是分成两个步骤， 在宿主机上配置n f s 服务器端和在目标机上配置n f s 客户端。服务器端是提供共享的文 件，客户端则通过挂载 m o u n t 动作来实现对共享文件的访问操作。 使用n f s 之前，不管是服务器端还是客户端，必须确保内核已将n f s 支持编译进去。 在客户端应用n f s 主要是挂载相应的目录，不需要对文件进行配置。下面主要介绍如何在 服务器端配置n f s 服务。 n f s 服务器端是通过读入它的配置文件 e t c e x p o r t s ”来决定所共享的文件目录以及客 户端对目录内文件的操作权限。可设定的参数有： r w ：可读写的权限 r o ：只读权限 s y n c ：资料同步写入到存储器当中 a s y n c ：资料会先暂时存于内存当中，不直接写入硬盘 n o _ r o o t _ s q u a s h ：n f s 客户端分享目录使用者的权限 在宿主机上主要做如下设置，新建一共享目录 m n t n f s ”，用v i 编辑器设置 e t c e x p o r t s ” 1 6 北京服装学院硕士学位论文 配置文件。重新启动n f s 服务，使设置生效。 此时，在与宿主机通过网络连接的目标机上启动p o r t m a p 服务( 主要功能是将t c p i p 通信协议中的端口号转换为r p c ( r e m o t e p r o c e d u r e c a l l ，远端程序调用) 程序端口号) ， 然后通过挂载 m o u n t 指令，把服务器端的共享目录挂接到客户端的某个目录下，实现对共 享文件的访问操作。 5 建立交叉编译环境 嵌入式系统本身没有自举开发功能，必须有一套开发工具并且要在p c 机中建立起相 应的开发环境。一般有三种选犁3 】：一是p c 机的操作系统只用w i n d o w s ，但是要安装c g y w i n 来提供w i n d o w s 下的l i n u x 开发环境，同时要安装适合于c g y w i n 的交叉开发工具链 ( t o o l c h a i n ) ；二是采用l i n u x 服务器、w i n d o w s 工作站的开发方式，在一台l i n u x 服务 器上建立交叉开发