（机械电子工程专业论文）基于嵌入式技术的光栅数显系统的研究.pdf

摘要 摘要 嵌入式系统是一种以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可 裁剪，适应于对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算 机系统。随着计算机软硬件技术的迅速发展。嵌入式系统技术日趋成熟 和完善，其可靠性高、性能强、功耗低等优点促使它在工业控制、交通 管理、环境检测等众多领域中获得了广泛的应用。 本文结合开发项目“基于嵌入式技术的光栅数显系统s d s 5 v 的研 制”，在深入研究嵌入式系统技术的基础上，选择了具体的硬件平台和软 件平台进行数显系统的研发，其硬件结构以高性能低功耗的3 2 位嵌入式 处理器s 3 c 4 4 b o x 为核心，配以系统所需的外围模块；软件系统以源码 公开的u c o s i i 实时嵌入式操作系统为核心，开发系统所需的应用软件。 该系统不仅具有可靠性高、稳定性好、功能强的优点，而且具有良好的 可移植性和可裁剪性，便于根据实际需求进行功能的扩展和裁剪。 本论文的主要研究内容如下 ( 1 ) 研究光栅数显系统硬件的总体方案，划分硬件模块。选择硬件平 台，内部串口通讯方式，扩展需要的外围模块，在e d a ( 电子 设计自动化，e l e c t r o n i cd e s 培na u t o m a t i o n ) 平台上设计基于 f p g a ( 现场可编程门阵列，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 器 广东工业大学工学硕士学位论文 件的数据采集电路 ( 2 ) 研究u c o s i i 实时嵌入式操作系统的任务调度原理，合理分割 数显系统的管理任务，根据任务的要求赋予不同的优先级和调度 时间，保证任务的执行效率和实时性 ( 3 ) 研究光栅数显系统的软件架构，开发设备驱动程序、应用程序接 口( a p i ，a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 函数及系统应用软 件，根据数显系统的特点设计功能界面，实现a r m 主控板和数 据采集板之间的串口通讯协议和软件 ( 4 ) 把该数显系统平台应用于数字测量投影仪，根据数字测量投影仪 的应用特点选用曲线的拟合算法，实现各种几何特征量的测量功 能，开发基于a t u o c a d0 b j e c t a r x 的上位机绘图软件 ( 5 ) 把该数显系统平台应用于普通机床，根据不同类型的机床实现其 所需要的加工功能，对光栅数显机床定位误差进行研究，提出一 种实用高效的误差分段线性补偿方法，以进一步提高机床的定位 精度。 最后，本文总结了系统的开发工作，提出了系统需要继续完善的地 方，以作为后续研究工作的参考。 关键词：数显投影仪机床嵌入式系统、a r m 、u c o s i i i i a b s t r a c t e m b e d d e ds y s t e mi s ak i n do fs p e c i a l a p p l i c a t i o n o r i e n t e dc o m p u t e r s y s e m i ti sb a s e do n c o m p n t e rt e c h n o l o g y a n dc a nm e e tt h es t r i c t r e q u i r e m e n to ff u n c t i o n ，r e l i a b i l i t y ，c o s t ，v o l u m e ，a n dp o w e rc o n s u m p t i o n b ya d j u s t i n g i t sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，w i t ht h ef 8 p i dd e v e l o p m e n to f h a r d w a r e t e c h n 0 1 0 9 y a n ds o f t w a r e t e c h n 0 1 0 9 y o f c o m p u t e r ， e m b e d d e d s y s t e mt e c h n o i o g y i s g e t t i n gm o r er e i i a b i e a n dp e r f e c td a yb y d a y a tp r e s e n t ，e m b e d d e ds y s t e mi sw i d e l yu s e di nm a n y 矗e l d ss u c ha s i n d u s t r i a lc o n t r o l ，t r a f 6 cc o n t r o i ，a n de n v i r o n m e n tt e s t ，e t c ，b e c a u s eo fi t s h j g hr e l i a b i l i t y ，h i g hp e r f b r m a n c e ，a n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o na n d s oo n c o m b i n e dw i t ht h er e s e a r c hp r o j e c t “d e v e l o p m e n to fe m b e d d e dg r a t i n g d i g i t a if e a d o u ts y s t e ms d s 5 v ”，t h i sd i s s e r t a t j o nc h o o s e ss p e c 啦cp j a t f b m s o fh a r d w a r ea n ds o f t w a r et or e s e a r c ha n dd e v e l o pt h ee m b e d d e dd i g i t a l r e a d o u t s y s t e m o nt h eb a s i so f t h o r o u g hs t u d y o fe m b e d d e d s y s t e m t e c h n o l o g y ， t h ek e r n e lo fh a r d w a r ei st h e3 2 一b i te m b e d d e dc p u s 3 c 4 4 b o xw i t hc h a r a c t e r i s t i c so f h i g hp e r f o r m a n c e a n dl o w p o w e r c o n s u m p t i o n a n di t i sa l s oe q u i p p e dw i t ht h er e q u i r e dp e r i p h e r a lm o d u l e s t oe x t e n di t s e l ft oo n ew h o l eh a r d w a r es y s t e m t h es o f t w a r es y s t e mi sb a s e d o n h ec o r eo fu c o s i ir e a 】一t i m ee m b e d d e do p e r a “n gs y s t e m ，t od e v e l o p a p p l i c a t i o ns o f t w a r ew h i c h t h es y s t e mn e e d s t h i ss y s t e mi sn o to n l yh a v i n g a d v a n t a g eo fg o o ds t a b i i i t y ，h i g hr e l i a b i i i t ya n dp e f f b r m a n c e ，b u ta l s o i s t r a n s p l a n t a b l e a n dt r i m m e ds ow e l la st o m o d i f yf u n c t i o nc o n v e n i e n t l y a c c o r d i n gt os y s t e mr e q u i r e m e n t t h em a i nr e s e a r c h e so ft h ed i s s e r t a t i o n a r ea sf b l l o w ： ( 1 ) r e s e a r c ho no v e r a l l s c h e m eo ft h eh a r d w a r eo fg r a t i n g d i g i t a l r e a d o u t s y s t e m ：d i v i d i n g t h eh a r d w a r e m o d u l e ，c h o o s i n g t h e h a r d w a r e p l a t f o r m a n di n t e r n a ls e r i a lc o m m u n i c a t i o n m e t h o d ， e x p a n d i n g t h eo u t e r r e q u n e dm o d u l e s ， a n d d e s i g n i n g t h ed a t a h i 广东工业大学工学硕士学位论文 a c q u i s i t i o n c i r c u i tw h i c hi sb a s e du p o nf p g ac h i po nt h ee d a p l a t f o r m ； ( 2 ) r e s e a r c ho nt h ep r i n c i p l eo f t a s ks c h e d u l e ro fu c o s - i ir e a l t i m e e m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m ：a s s i g n i n g t h e m a n a g e m e n tt a s k s o f d i g i t a lr e a d o u ts y s t e mr a t i o n a l l y ，a n dg i v i n gt h e md i f f e r e n tp “o r i t y a n ds c h e d u l i n gt i m ea c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h es y s t e m ，i n o r d e rt og u a r a n t e ei t se f n c i e n c ya n dr e a l - t i m ef h n c t i o no ft h et a s k s ； ( 3 ) r e s e a r c h o nt h es o f t w a r es t r u c t u r eo f d i g i t a lr e a d o u ts y s t e m ： d e v e l o p i n gd e v i c ed r i v e r s ，b a s i ca p if h n c t i o n sa n ds y s t e m a p p l i c a t i o ns o f t w a r ea c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i co f s y s t e m d e s i g n i n gi n t e r f a c e ，t oa c h i e v es e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l b e t w e e na r mm a i nc o n t r o lb o a r da n dd a t aa c q u i s i t i o nb o a r d ； ( 4 ) a p p l i c a t i o no ft h ed i g i t a l r e a d o u ts y s t e mt ot h ed i g i t a lp r o j e c t o r ： r e s e a r c h i n g t h ec u r v e n t t i n g a r “h m e t i c a c c o r d i n g t ot h e c h a r a c t e r i s t i co f d i g i t a lp r o je c t o r ，t or e a l i z et h ed i f f e r e n tm e a s u r i n g f u n c t i o n ，d e v e l o p i n gp l o ts o f t w a r eb a s eo na t u o c a do b j e c t a r x ； ( 5 ) a p p l i c a t i o n o ft h ed i g i t a lr e a d o u ts y s t e mt ou n i v e r s a lm a c h i n et 0 0 1 s ： a c h i e v i n g v a r i o u s m a c h i n i n g f h n c t i o n a c c o r d i n g t od i f f 色r e n t m a c h i n et o o l ，r e s e a r c h i n gt h en x e dp o s i t i o ne r r o ro fd r 0 一m a c h i n e ， a n db r i n g i n gu pak i n do fl i n e a rc o m p e n s a t i o nm e t h o di no r d e rt o i m p r o v ep r e c i s i o n f i n a l l y ，t h ed i s s e r t a t i o nm a k e sas u m m a r yo f t h es y s t e md e v e l o p m e n t ， s u g g e s t i n gt h ei m p r o v e m e n t a st h er e f e r e n c ef o rt h er e s e a r c h i n gw o r ki nt h e f h t u r e k e y w o r d s ： d i g i t a lr e a d o u t ，d i g i t a lp r o j e c t o r ，m a c h i n et o o l s ， e m b e d d e ds y s t e m ，a r m ，u c o s - i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光栅数显技术概述 1 1 1 数显技术 数显( d r o ，d i g i t a lr e a d o u t ) 技术是我国国民经济发展中用以改造 现有机床、机械设备和开发机电一体化新产品的主攻方向之，也是实 现数控化、自动化的基础。数显化的含义已不局限于仅指数字读出，广 义的数显化还包括数字定位、智能计算和在线测量。 数显技术的迅速发展与精密机械工程和电子技术的发展分不开。在 5 0 年代和6 0 年代，由于电子装置可靠性低，数显技术发展较慢。7 0 年 代中，大规模集成电路和微机的产生、普及和应用，尤其是现今嵌入式 技术的飞速发展，使得数显技术进入了一个全新的时代”3 。表现为： 高端嵌入式c p u 的普及为提升数显系统整体性能提供条件。长期以 来，数显系统普遍采用性能一般的低端8 1 6 位单片机作为硬件平台， 仅能实现简单的数据读出和回显功能。而嵌入式技术的不断发展、成 熟和普及，使高端c p u 的价格问题不再成为瓶颈。因此，对成本敏感 的数显系统能够采用3 2 6 4 位c p u 作为其硬件平台的核心，可以实现 更为复杂的算法及更多的功能，从而使传统数显设备提升为高端智能 仪表。 嵌入式操作系统的发展为数显系统的应用开发提供更好的软件平台。 在嵌入式硬件平台上采用嵌入式操作系统不仅可以提高系统的实时 性、可靠性及稳定性，而且也可以更好的实现数显系统应用软件设计 的模块化。 电子设计自动化( e d a ) 和可编程逻辑器件技术的逐渐成熟使得进行 大规模集成化设计成为可能，为光栅数显系统的发展开辟了新的途 径。大规模可编程逻辑器件集成度均在千门以上，这样就可以将多片 集成芯片和一些门电路集成在一片芯片中，印刷电路板的面积大大缩 广东工业大学工学硕士学位论文 小，焊点数和连线数也由于i c 数量的减少而显著减少，有利于提高 系统的抗干扰能力和稳定性。同时，以往的大部分硬件设计可经过编 程用软件束实现，明显降低了硬件设计的复杂度，并且软件编程修改 方便，有利于功能的扩展和系统的升级。 1 1 2 位置测量及光揖计量技术 位置测量系统是获得位置精度的基础，世界各国都在致力于发展位置 检测技术。在国内，位置检测技术也是重点发展和推广的技术，多年来 在精密机械仪器、数显数控机床、长度角度测量、机器人、自动机械、 机电一体化等各个领域均得到广泛的应用。并且，随着近代工业和科学 技术的发展，人们对位置测量提出了新的要求：高精度、大量程和数字 化。 目前，在位置测量技术上为人们所公认并已得到广泛应用的是计量光 栅、同步感应器、磁栅、容栅及球栅测量技术。在这当中，又以计量光 栅的应用最为广泛。所谓的光栅计量技术印利用光栅作为位移传感器， 通过对莫尔条纹计数来实现位置检测。它是传感器技术从模拟化到数字 化的一个重要发展。光栅测量系统具有以下突出的特点 3 】： 高精度：由于光栅刻制技术及电子细分技术的发展及莫尔条纹的误差 平均作用，使光栅测量系统在大量程测长方面成为精度仅次于激光测量 的一种高精度测量系统： 量程大、分辨率高； 可实现动静态测量、自动测量和数字显示功能； 抗干扰能力强：对环境的要求低于激光干涉测量方法，在环境较为恶 劣的工业现场其稳定性优于电感式传感器； 具有较高的测量速度。 因此，光栅计量技术目前己广泛应用于精密测量和精密定位控制等领 域。据有关资料表明，国外在各种位置检测中计量光栅应用最多，约占 全部产品的8 0 以上【“。 第一章绪论 1 。2 嵌入式系统概述 1 2 1 嵌入式系统的定义及构成要素 嵌入式系统作为计算机的一种应用形式，是指嵌入在宿主设备中的 微处理机系统，它所强调的要点是辅助它所在的宿主设备去实现对被控 对象的控制、监视和管理等功能5 5 】。通常，嵌入式系统被定义为一种 以应用为中心，以计算机为基础，软硬件可剪裁，适应对功能、可靠性、成 本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统m 【g 】 9 1 。从广义上讲，凡是带 有微处理器的专用软硬件系统都可称为嵌入式系统。从狭义上讲，嵌入式 系统强调是那些使用嵌入式微处理器构成独立系统，具有自己的操作系 统，具有特定功能，用于特定场合的专用计算机系统。 嵌入式系统的三个基本要素 6 l ：嵌入性、专用性与计算机系统。 ( 1 ) 嵌入性。嵌入式系统需要嵌入到对象系统中，实现对被控对象的 智能化控制，因此其必须满足对象系统的环境要求，如物理环境 ( 小型) 、电气环境( 可靠) 、成本( 价廉) 等要求： f 2 ) 专用性。嵌入式系统专用性很强，软件和硬件紧密结合，通常进 行系统的移植时根据产品的具体情况不断修改系统的应用软件 和硬件配置资源，因此嵌入式系统必须具有软硬件的可裁剪性， 满足被控对象的最小软、硬件配置等要求； ( 3 ) 计算机系统。嵌入式系统作为能够满足对象系统控制要求的计算 机系统，其必须配置有与对象系统相适应的接口电路。 嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，其中硬件包括嵌入式处理 器和外围硬件设备，软件包括嵌入式操作系统及用户应用软件f 1 0 】。 因此，嵌入式系统的核心= 嵌入式处理器+ 嵌入式操作系统+ 应用 程序。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 2 2 嵌入式系统的特点 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，因而它是一个技术密集、资金密集、 适用面广、不断创新的知识集成系统。嵌入式计算机系统同通用型计算 机系统相比，具有以下特点1 1 l ， 1 2 1 ，【1 3 1 1 4 】： ( 1 ) 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的。嵌入式处理器 与通用型处理器最大的不同就是嵌入式c p u 大多工作在为特定用 户群设计的系统中，因而其功耗、体积、成本、可靠性、速度、 处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的严格制约。通常， 嵌入式处理器具有功耗低、体积小、集成度高等特点，把通用计 算机系统中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，使得嵌入式 系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来 越紧密。 ( 2 ) 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；同时针对用户 的具体需求，对芯片配置进行裁剪和添加，这样才能在具体应用 中对处理器的选择更具有竞争力。 ( 3 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，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，具有较 长的生命周期。嵌入式系统的应用软件生命周期也和嵌入式产品 一样长，和通用计算机软件不同，其很少发生突然性跳跃，具有良 好的可继承性和技术衔接性，发展比较稳定。嵌入式处理器的发 展也体现出稳定性，一个体系的有效生命一般可达8 1 0 年以上。 ( 4 ) 软件要求固态化存储。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机本身中，而不是 存贮于磁盘等载体中。 ( 5 ) 系统软件的高实时性。在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相 同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的 关键，难以单纯通过提高处理器速度来实现，因而系统软件的实 4 第一章绪论 时性主要由优化编写的系统软件来完成。 1 2 3 嵌入式系统的发展 从2 0 世纪7 0 年代单片机的出现到当今高性能低功耗的嵌入式处理 器的大规模应用，嵌入式系统经历了软件和硬件逐渐发展和成熟的历程 【1 5 1 。其发展大致经历四个阶段： ( 1 ) 第一阶段是以8 位单片机为核心的嵌入式系统，它具有开发监测、 伺服、指示设备的功能。这类系统大部分应用于一些专业性强的 工业控制系统中，一般通过汇编语言编程对系统进行控制。这一 阶段系统的主要特点是：系统结构和功能相对单一，处理效率较 低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于其使用简单、价格 低，以前在国内工业领域应用较为普遍，但己经远不能适应高效 的、大容量存储的现代工业控制和新兴信息家电等领域的需求。 ( 2 ) 第二阶段是以高性能的1 6 位、3 2 位或更高位的嵌入式c p u 为基 础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。其主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统达到 一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业化。 ( 3 ) 第三阶段是以具有较完善的嵌入式操作系统为特征的嵌入式系 统。其主要特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微 处理器上，兼容性好；操作系统内核小、效率高，并且具有高度 的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、多任务、网络支持、 图形窗口以及用户界面等功能：具有大量的应用程序接口a p i ， 开发应用程序较简单：嵌入式应用软件丰富。 ( 4 ) 第四阶段是在第三阶段的基础上增强并完善i n t e r n e t 功能的嵌 入式系统。这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系 统还孤立于i n t e r n e t 之外，但随着i n t e r n e t 的迅速发展以及 i n t e r n e t 技术与信息家电、工业控制技术结合日益密切，嵌入式 设备与i n t e r n e t 的结合将代表嵌入式系统的未来。 1 2 4 嵌入式系统的应用 嵌入式系统具有可靠性高、实时性强、功耗低等优点，其已在家用 电器、手持通讯设备、信息终端、仪器仪表、汽车、航天航空、军事装 备、制造工业、过程控制等领域得到了广泛的应用【9 ，【1 6 】。 ( 1 ) 工业控制，基于嵌入式处理器的工业控制系统具有广阔的应用范 围，目前其已在工业过程控制、数控机床、电路系统、电网设备 监控、石油化工系统等领域获得广泛应用，逐渐取代传统基于8 位或1 6 位单片机的工业控制装置而成为工业控制设备的主流。 ( 2 ) 交通管理。嵌入式系统在车辆导航、流量控制和信息监控等方面 获得广泛应用，目前内嵌g p s 模块、g s m 模块的移动定位终端 已成功使用在交通运输行业。 ( 3 ) 信息家电。嵌入式系统技术在冰箱、空调、彩电等传统家电产品 的应用，将使到家电产品具有良好的用户界面、智能管理、远程 控制，从而迸一步推动家电产品的网络化、智能化、信息化。 ( 4 ) 环境监控。环境监控包括水文资料实时监控、防洪体系及水土质 量监控、地震监控网、实时气象信息网、水源和空气污染监控等。 嵌入式系统在环境监控上的应用，将实现对环境恶劣、地况复杂 的地区进行无人监控。 ( 5 ) 机器人控制。嵌入式处理器在机器人控制方面的应用，进一步推 动了机器人向微型化、智能化方面的发展，拓宽其在工业领域和 服务领域的应用空间。 除了以上提到的这些领域外，嵌入式系统在其他方面也有着广泛的 应用。目前嵌入式系统带来的工业年产值已超过1 万亿美元。根据美国嵌 入式系统专业杂志r t c 报道，2 1 世纪初的十年中，全球嵌入式系统市场需 求量具有比p c 市场大1 0 至1 0 0 倍的商机 1 4 】。随着信息化、智能化、网络 化的发展，嵌入式系统技术必将获得更为广阔的发展空间。 6 第一章绪论 1 3 课题的来源与研究意义 1 3 1 课题的来源 本论文的课题来源于广州信和光栅数显有限公司和广州诺信数字测 控设备有限公司的联合开发项目“基于嵌入式技术的光栅数显系统 s d s 5 v 的研制”。该开发项目定位为一个高档型多功能的光栅数显控制 器。 广州信和光栅数显有限公司是光栅尺的专业生产厂家，其产品的市 场占有率居全国第一，世界第二。近年来自主研制了填补国内空白的高 速高精度光栅尺( 最大移动速度为2 0 0 m m i n ，精度为o 0 0 3 m m m ，加 速度为1 5 9 ) ，满足了中高档的位置检测精度要求。广州诺信数字设备测 控有限公司是一家数显及数控设备的专业生产厂家，在数显数控领域已 有相当基础和市场，为课题的研究提供了很好的基础和条件。 1 3 。2 课最研究的意义 我国目前机床行业的实际情况是数控化的全面普及还有一段漫长的 路程，各种新旧普通机床还在大量使用。因此，数显技术是一项适合我 国国情的实用技术，推广应用数显技术，投入少、产出多，并具有以下 显著的技术经济效果和大的社会效益【1 】： 提高加工精度，保证产品质量，使优质品上升，废品率下降。 提高生产效率，节约工时。由于数显装雹能精确而直观地显示工件和 刀具的相对位置，节约测量定位时间，避免因尺寸换算带来的差错，使 生产率大为提高。 减轻劳动强度，改善劳动条件。采用位置自动测量和数显后，读数直 观、方便，减轻了劳动强度，特别在重、大型机床加工中更为明显。同 时，由于可以远离工件和操纵对象进行读数，故在劳动条件恶劣和对人 体有害的环境条件下优点更为突出。 有利于机电产品出口和对外合作生产。在对外合作生产中，国外客户 和厂家在实地考察厂家的设备条件时，特别注重有无数显、数控机床， 广东工业大学工学硕士学位论文 有的工艺文件中更规定必须在数显数控机床上加工，以提供可靠的产品 质量保证。 综上所述，运用数显技术改造普通枫床，机械设备和开发机电一体化 新产品，是提高产品精度和工作效率的最直接、最经济的方法之一。 目前，国内已经有不少厂家开发自主的光栅数显系统，但这些系统普 遍为基于单片机的低端产品，人机界面采用数码管显示，提供的功能少， 难以与国外高端的数显产品竞争。因此，抓住当今嵌入式技术飞速发展 的机遇，研制一个拥有自主知识产权的新型数显系统，对于提高我国中 高档数显系统的技术水平具有十分重要的意义。本文所研制的数显系统 是基于嵌入式系统技术开发的，同时融合了多种先进计算机软硬件技术， 不仅可使系统具有性能强、可靠性高等优点，同时具有很好的开放性， 软件升级方便，便于裁剪，扩展性和可移植性好，可方便地进行移植、 开发其它数显设备系统，因而具有推广应用的实用价值。 1 4 论文的研究内容 本文以传统数显为基础，采用嵌入式技术进行改造，开发出功能更强 大的新型数显系统，其主要研究内容如下： ( 1 ) 嵌入式系统技术的组成研究； ( 2 ) 光栅数显系统硬件的总体方案； ( 3 ) 光栅数显系统各硬件模块的功能； ( 4 ) 光栅数显系统软件的总体结构； ( 5 ) 光栅数显系统功能软件的开发( 以数字测量投影仪和普通机床作为应 用实例来具体阐述) 。 1 s 论文的框架 第一章 绪论 光栅数显系统概述嵌入式系统概述课题的来源课题的研究意 义论文的研究内容论文的框架 + l第二章 l嵌入式系统的构成分类电子设计自动化 第三章 光栅数显系统的总体结构 引言硬件的总体结构硬件各模块的功能基于f p g a 的开发 软件妁总体结构，软件各模块的功能，】、结 士 第四章 光栅数显系统的应用实例 r 应用实例l ：应用实铡2 ： 数字测量投影仪数显系统机床数显系统 关键测量算法基于( ) b j e c r x主要加工算法 的上位机绘图接口软件设计 定位误差补偿方法 l i 第五章 总结与展望 全文总结工作展望 图1 一l 论文的框架 f i g 1 1t h ef r a m e o ft h ed i s s e r t a t i o n 9 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章嵌入式系统技术 2 1 嵌入式系统的构成 嵌入式系统的总体结构f 9 分为四大部分，包括：嵌入式处理器、存储 器、系统输入输出和软件( 嵌入式操作系统及其应用软件) 。下图为嵌 入式系统的结构框图。 图2 1 嵌入式系统的结构框图 f i g 2 1s t r u c t u r eo f e m b e d d e ds y s t e m 通常，在实际应用中，嵌入式系统被理解为由嵌入式计算机系统和 执行装置两大部分组成。嵌入式计算机系统是嵌入式系统的核心，由硬 件层、中间层、软件层和功能层组成；执行装置负责接收嵌入式计算机 系统发出的控制命令，执行相应的操作或任务。下面简要介绍嵌入式计 算机系统的组成【1 7 】： ( 1 ) 硬件层。硬件层由嵌入式处理器、存储器、1 0 接口( a d 、d a 、 i o 等) 和通用设备接口( r s 2 3 2 、u s b 等) 组成，其核心为嵌入 式处理器； ( 2 ) 中间层。中间层，也被称为硬件抽象层( h a r d w a r e a b s t r a c tl a y e r ， h a l ) 或板级支持包( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ，b s p ) ，由嵌入式 系统初始化和硬件设备驱动两部分构成，负责相关硬件的初始 化、硬件设备的配置、数据的输入输出等任务； o 第二章嵌入式系统技术 ( 3 ) 软件层。软件层由实时多任务操作系统( r t o s ) 、文件管理系统、 图形用户接口( g u l ) 和通用组件模块等组成。i 订o s 是嵌入式应 用软件的基础和开发平台，它把c p u 时钟、中断、i o 、定时器 等资源封装起来，向使用者提供标准的a p i 函数接口，从而保证 基于r t o s 开发的应用软件具有良好的可移植性。 ( 4 ) 功能层。功能层由基于i u o s 开发的应用软件组成，实现对被控 对象的控制功能。 下图为嵌入式系统的组成框图。 图2 2 嵌入式系统的组成框图 f i g 2 2t h ec o n s t i t u t i o no f e m b e d d e ds y s t e m 2 2 嵌入式系统的分类 嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，其中硬件的核心是嵌入式 处理器，软件的核心是嵌入式操作系统和应用软件。 广东工业大学工学硕士学位论文 2 。2 。1 嵌入式系统硬件的分类 通常，嵌入式处理器分为四大类1 8 9 】：嵌入式微控制器，嵌入式 微处理器，嵌入式数字信号处理器和嵌入式片上系统。下面简要介绍这 四类嵌入式处理器： ( 1 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 。嵌入式微控制器 又称单片机，一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成 r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、w a t c h d o g 、串行口、 脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s hr a m 、e 2 p r o m 等各种必要功能 和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多 种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是 存储器和外设的配置及封装，从而使单片机最大限度地和应用需 求相匹配，减少功耗和降低成本。其最大特点是单片化，体积大大 减小，降低功耗和成本，提高可靠性。嵌入式微控制器的典型代 表是单片机，如8 0 5 1 、m c s 9 6 等。 ( 2 ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 。嵌入 式微处理器内部集成更为丰富的资源，包括l c d 接口、s p i 、i i s 、 i2 c 等，性能强，接口丰富，可方便根据实际需求进行扩展。在实 际应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，通常只保留 与嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除冗余功能部分，大幅度 减小系统体积和功耗，同时针对嵌入式应用的特殊要求，在工作 温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。目前嵌 入式微处理器在数码产品、移动通讯设备、工业控制等领域中获 得广泛应用。其典型产品有p o w e rp c 、m i p s 、r m s t r o n g a r m 系 列等。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) 。 数字信号处理器是专门用于信号处理方面的处理器。其在系统结 构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很好的编译效率和指令 执行速度，适合用在数字滤波、f f t 、频谱分析、语音和图像处 理等方面。目前d s p 处理器已在实际上获得大规模的应用，其典 第二章嵌入式系统技术 型产品包括t i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 、5 0 0 0 系列等。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( e m b e d d e ds y s t e mo nc h i p ) 。片上系统是追求 产品系统最大包容的基础器件，实现软硬件无缝结合，在处理器 片内直接嵌入操作系统的代码模块，减少系统的体积，降低系统 的功耗，提高系统的可靠性。目前片上系统在声音、图像、网络 等领域获得广泛应用，其典型产品有：p h i l i p s 的s m a r tx a 、 m o t o r o l a 的m c o r e 等。 当前，嵌入式处理器的主流趋势为3 2 位，包括a r m ( 包括i n t e l 公司的s t r o n ga r m 和x s c a l e ) 、m i p s 等。其特点如下【9 l ，f 2 0 j ： ( 1 ) 支持实时多任务操作系统能力强，中断任务相应时间短，大大减 少实时内核和内部代码的执行时间； ( 2 ) 存储区保护功能强，不仅可避免软件模块之间出现错误的交叉作 用，还便于进行软件故障诊断； ( 3 ) 处理器结构扩展性好，便于开发人员快速开发出可满足各种应用 和高性能的嵌入式处理器； ( 4 ) 处理器功耗低，满足无线、移动计算和通信等便携式设备的使用 要求。 2 2 2 嵌入式系统软件的分类 嵌入式系统的软件由嵌入式操作系统和应用软件组成。嵌入式操作 系统把计算机硬件与应用软件连接起来，便于开发人员控制计算机硬件， 高效组织和正确使用计算机的资源。通常嵌入式系统操作系统分为实时 操作系统和分时操作系统。下面简要这两种类型嵌入式操作系统。 ( 1 ) 实时操作系统。实时操作系统对事件进行实时处理时，必须在严 格的时限内作出响应，响应的超时将导致致命的失败。其特点是 通过任务调度实现在规定时间内对重要事件作出正确的响应，具 有系统的可确定性，即系统能够对运行的最好和最坏情况作出精 确的估计。比较典型的实时嵌入式操作系统有u c 0 s i i 、r t - l i n u x 等。 广东工业，学工学硕r l 学位论文 ( 2 ) 分时操作系统。分时操作系统在对事件进行处理时，不要求软件 的执行必须在严格时限内完成，时间上的延误或时序上的错误， 不会导致系统出现致命的失败。比较典型的分时嵌入式操作系统 有w i n d o w sc e 3 o 等。 2 3 电子设计自动化( e d ) 概述 2 3 1 什么是电子设计自动化 电子设计自动化( e d a ，e l e c t r o n i cd e s 培na u t o m a t i o n ) 技术就是以 计算机为工作平台，以e d a 软件工具为开发环境，以硬件描述语言为设 计语言，以可编程器件为实验载体，以a s i c 、s o c 芯片为目标器件， 以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程 2 “。 传统的数字电路设计模式，如利用卡诺图的逻辑化简手段，难懂的布 尔方程和采用相应的t t l 或4 0 0 0 系列小规模集成芯片进行堆砌的技术 已经越来越难以适应更大规模数字逻辑电路设计的要求。可编程逻辑器 件的普及为数字系统的设计带来极大的灵活性。由于这类器件可以通过 软件编程而对其硬件的结构和工作方式进行重构，使得硬件的设计可以 如同软件设计那样方便快捷。设计人员只需要在e d a 软件平台上，根据 硬件描述语言h d l 完成设计文件，并由e d a 软件自动地完成逻辑编译、 化简、分割、综合及优化、布线、仿真，直至对于特定目标芯片的适配 编译、逻辑映射和编程下载等工作。这一切极大地改变了传统韵数字系 统设计方法、设计过程、乃至设计观念：将传统的自下而上的设计方法 改变为自顶向下的设计方法。 e d a 软件方面大体可以分为两类【2 2 】： p l d 器件厂商提供的e d a 工具。较著名的如：a i t e r a 公司的m a x + p l u s i i 和q u a r t u si i 、x i l i n x 公司的f o u n d a t i o ns e r i e s 、l a t i c e v a n t i s 公司的 i s p e x e r ts y s t e m 。 第三方专业软件公司提供的e d a 工具。如s y n p l i c i t y 公司的综合工 具软件s y n p l i f y ，m e n t o r 公司的仿真工具m o d e l s i m 等。第三方工具软件 是对p l d 生产厂家开发软件的补充和优化，如通常认为m a x + p l u s1 1 和 1 4 第二章嵌入式系统技术 q u a r t u si i 对v h d l v e r i l o gh d l 逻辑综合能力不强，如果采用专用的 h d l 工具进行逻辑综合，会有效地提高综合质量。 e d a 设计技术开发流程大体上分为设 计输入( d e s i g ne n t r y ) 、综合( s y n l h e s i s ) 、 功能仿真( s i m u l a t i o n ，前仿真) 、布局布线 ( p l a c e m e n t & r o u t i n g ) 、时序仿真( 后仿 真) 、编程下载( p r o g r a m m i n g ) 版图综合 ( l a y o u ts y n t h e s i s ) 等六个步骤，设计流程 如图2 3 所示2 3 j 【2 4 1 。 2 3 2f p g c p l d 简介 数字专用集成电路 ( a s i c ，a p p l i c a t i o ns p e c i 矗c i n t e g r a t e dc i r c u i s ) 是专门为 某一应用领域或某一专门用 户需要而设计制造的l s i 或 v l s i 电路，具有重量轻、体 积小、高性能、功耗低、高 图2 3e d a 技术开发流程图 f i g 2 3t h ef l o wc h a r to f e d a t c c h n o l o g y 可靠性和保密性等优点。数字 图2 4 逻辑器件的分类 专用集成电路的一个重要分支 f i 2 2 4t h ec l a s s i 矗c a t i o no f p l d 就是可编程逻辑器件p l d ( p r o g r a m m a b i el o g i cd e v i c e ) 。可编程逻辑器件是厂家作为一种通用性 器件生产的半定制电路用户可以通过对器件编程来实现所需要的功能， 它设计成本低、使用灵活、研制周期短、可靠性高，受到了越来越多的 系统设计工程师的青睐1 2 5 1 。 如图2 4 ，可编程逻辑器件按照结构的复杂程度不同