（控制理论与控制工程专业论文）嵌入式服务器在plc设备监控中的应用研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着嵌入式系统的发展和i n t e r n e t 的普及，越来越多的嵌入式系统将网络 引入其中。这样嵌入式系统能接入i n t e r n e t 从而具有网络服务器功能，用户可 以在任何时间、任何地点，对系统进行监控、管理。本论文所依托的项目一基 于i n t e r n e t 的嵌入式服务器远程监控系统就是在这样的背景下提出的。 本课题所研究的嵌入式服务器用于监控远程工业现场的p l c 类设备，客户 端使用本实验室自行研制的上位机组态软件生成监控界面，通过嵌入式服务器， 远程监控工业现场的p l c 类设备。该嵌入式服务器能与工业现场的p l c 通信， 能读、写与它连接的所有p l c 的内部资源。它实现基于l i n u xs o c k e t 的多客户 服务器的功能，能响应多客户浏览工业现场p l c 的浏览请求和执行单个超级权 限客户的控制命令，实现p l c 通信与网络通信之间的信息交互，让来自客户端 的浏览命令能浏览到工业现场的信息，并发送控制命令让p l c 执行。 本文介绍了嵌入式服务器的硬件和软件平台，这是本课题研究的基础。由 于嵌入式服务器监控的对象是工业现场的p l c 及其网络，因此在本文介绍了p l c 网络的结构及其常用的通信方式，另外详细讨论了嵌入式服务器与p l c 网络的 连接和通信方式。通过对三菱和西门子p l c 通信协议的分析和抽象，本文定制 了嵌入式服务器与p l c 通信的协议，该协议具有通用性，使嵌入式服务器可以 方便地与多种类型的p l c 通信。本文还介绍了配置文件的使用和功能，按照配 置文件的内容，使嵌入式服务器按预定步骤实现用户的要求。为了研究嵌入式 服务器与p l c 通信的实时性，本文分析了嵌入式服务器与三菱f x 2 n 系列p l c 的 通信时序，这对程序的编制实现有很好的指导意义。本文还对通信程序进行了 简要的说明，列出了编程中应注意的问题及程序的流程图。最后对本文的研究 工作做出了总结。 本文所依托的课题已经用户验收，实践表明，使用本文所介绍的内容和方 法能够实现嵌入式服务器对工业现场的p l c 类设备的状态监控，具有一定的参 考价值。 关键词：嵌入式服务器，p l c 网络，串口通信 武汉理工大学硕士学位论文 w i t ht h ed e v e l u p m e n to fe m b e d d e ds y s t e m sa n dt h es p r e a do fi n t e r a c t m o r ea n d m o r ee m b e d d e ds y s t e m sw i l li n c l u d en e t w o r k s ot h ee m b e d d e ds y s t e m sc a na c c e s s t h ei n t e r n e ta n do w nt h ef u n e t i o no fn e t w o r ks e w e r , w h i c hc a nm a k eu s e r st om o n i t o r a n dm a n a g e m e n tt h es y s t e m sa ta n yt i m ea n da ta n yp l a c e a tt h es a m et i m e ，t h e n e t w o r ks e w e rp r o v i d eu s e i sm u c hr i c ha n d 妯t u i t i o n i s td a t af o r m st oi m p r o v et h e h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ( h m i ) t h et h e s i sb a s eo nt h ep r o j e c t t h er e m o t es u p e w i s o r y c o n t r o ls y s t e mo fe m b e d d e ds e v e rb a s e do ni n t e r n e t ，i s p r o p o s e du n d e rs u c h b a c k g r o u n d t h ec m b e d d e ds e w e rt h a tt h et h e s i sr e s e a r c hi su s e dt os u p e w i s o r yc o n t r o lt h e p l cd e v i c eo nr e m o t ei n d u s t r i a lf i e l d t h ee l i e n tu s eh m id e v e l o p e db yo u r l a b o r a t o r yt om o n i t o rt h ep l cd e v i c eo nt h er e m o t ei n d u s t r i a lf i e l db ye m b e d d e d s e w e r t h i se m b e d d e ds e w e rc a l lc o m m u n i c a t ew i t hp l cd e v i c eo nt h ei n d u s t r i a l f i e l d ，r e a da n dw r i t et h ei n t e r n a lr e s o u r c eo fp l ct h a tc o n n e c t e dw i t hi t i tr e a l i z e sa s e w e rb a s e do nl i n n xs o c k e t m a n yc l i e n t sc a nb r o w s et h es e w e rb u to n l ys u p e r v i s o r c a nc o n t r o lt h es e w e r , i ta l s or e a l i z e st h ec o r f m l u n i c a t i o nb e t w e e np l ca n di n t e m e t c l i e n tw h i c hm a k e se l i e n tc a nb r o w s ep i j ca n dc o n t r o lp l c t h et h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ee m b e d d e ds e w e r , w h i c hi st h eb a s eo ft h ep r o j e c t a st h eo b i e c to ft h ee m b e d d e ds e w e rs u p e r v i s o r y c o n t r o li st h ep l ca n di t sn e t w o r ko nt h ei n d u s t r i a lf i e l d t h et h e s i sa l s oi n t r o d u c e d t h es t r u c t u r eo fp l cn e t w o r k d i s c u s s e dt h ew a yo fc o m m u n i c a t i o na n dt h es t r u c t u r e l i n k si nd e t a i lb e t w e e nt h ee m b e d d e ds e r v e ra n dp l cn e t w o r k t h e n , w ea n a l y z ea n d a b s t r a c tt h em i t s u b i s h ip l ca n ds i e m e n sp l cc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li nt h et h e s i s e s t a b l i s h e dt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e ne m b e d d e ds e w e ra n dp l cn e t w o r k t h ep r o t o c o li sc o m p r e h e n s i v ea n de a s i l yt ob eu s e db e t w e e ne m b e d d e ds e w e ra n d m o s tt y p e so fp l cc o m m u n i c a t i o n s w bi l l u m i n a t e dt h ef u n c t i o n so fc o n f i g u r a t i o n f i l e s ，a c c o r d i n gt oi t s ，t h ee m b e d d e ds e w e rc o u l da c h i e v et h eu s e r sr e q u i r e m e n t s s t e pb ys t e p t os t u d yt h ec a p a b i l i t yo fr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e n e m b e d d e ds e w e ra n dp l c ，w ea n a l y z e dc o m m u n i c a t i o nt i m es e r i e sb e t w e e n e m b e d d e ds e w e ra n dm i t s u b i s h if x 2 ns e r i e sp l c , 1 r h i si sag o o dp r e p a r a t i o nf o r p r o 鼬a m w ea l s om a d eb r i e fd e s c r i p t i o no fc o m m u n i c a t i o np r o c e d u r e s ，p r o v i d e s p r o g r a m m i n gp r o b l e m sw h i c hs h o u l db ep a i da t t e n t i n nt o ，a n dl i s tt h ep r o c e d u r e s f l o w c h a r t f i n a l l y , w em a d eas u m m a r i z a t i o no ft h i st h e s i s n o w , t h ee m b e d d e ds e r v e rw a sc h e c k e da n da c c e p t e db yc l i e n t p r a c t i c eh a s s h o w nt h a tt h ec o n t e n t sa n dm e t h o d sw e r ei n t r o d u c e di nt h et h e s i sh a v ec e r t a i n r e f e r e n c ev a l u e k e yw o r d s ：e m b e d d e ds e r v e r , p l cn e t w o r k s s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 1 1 1p l c 及其网络的发展历史和地位 1 9 6 8 年，美国通用汽车公司( g m ) 根据市场形势与生产发展的需要，提出 了“多品种、小批量、不断翻新汽车品牌型号”的战略。要实现这个战略决策， 依靠原有的工业控制装置显然不行，而必须有一种新的工业控制装置，它可以 随着生产品种的改变，灵活方便地改变控制方案以满足对控制的不同要求。1 9 6 9 年，著名的美国数字设备公司( d e c ) 根据g m 的功能要求，研制出了这种新的工 业控制装置，并在g m 公司的一条汽车自动化生产线上首次运行取得成功。根据 这种新型工业控制装置可以通过编程改变控制方案这一特点，以及专门用于逻 辑控制的情况，称这种新的工业控制装置为可编程序控制器( p r o g r a m m a b l e l o g i cc o n t r o l l e r ) ，简称为p l c 。 自1 9 6 8 年至今，p l c 经历了四次换代：第一代p l c 大多用一位机开发，用磁 芯存储器存储，只具有单一的逻辑控制功能。在第二代p l c 产品中换成了8 位 微处理器及半导体存储器，p l c 产品开始系列化了。第三代p l c 产品随着高性能 微处理器及位片式c p u 在p l c 中大量的使用，p l c 的处理速度大大提高，从而促 使它向多功能及联网通信方向发展。第四代p l c 产品不仅全面使用1 6 位、3 2 位 高性能微处理器，高性能位片式微处理器，r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ) 精简指令系统c p u 等高级c p u ，而且在一台p l c 中配置多个微处理器， 进行多通道处理。同时生产了大量内含微处理器的智能模板，使得第四代p l c 产品成为具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、 联网通信功能的真正名符其实的多功能控制器。同一时期，由p l c 组成的p l c 网络也得到飞速发展。p l c 与p l c 网络成为工厂企业中首选的工业控制装置，由 p l c 组成的多级分布式p l c 网络成为c i m s ( c o m p u t e r i n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 系统不可或缺的基本组成部分。 p l c 及其网络被公认为现代工业自动化三大支柱( p i ，c 、机器人、c a d c a m ) 武汉理工大学硕士学位论文 之一。从近年的统计数据看，在世界范围内，p l c 产品的产量、销售、用量高居 各种工业控制装置榜首，而且市场需求量一直在按每年1 5 的比率上升【l 】。 1 1 2 嵌入式系统中i n t e r n e t 的发展与现状 嵌入式设备在很多领域得到了广泛应用，不同的嵌入式设备之间通常是通 过r s - 2 3 2 ，r s - 4 8 5 等进行组网。这种网络的距离非常有限，速度往往也不高， 而且独立于i n t e r n e t 之外。i n t e r n e t 已经成为信息交流的重要渠道，如果将各 类嵌入式系统接入到i n t e r n e t ，则可以方便地把信息传送到网络上的任何一个 地方1 2 l 。 将嵌入式系统与i n t e r n e t 相结合的想法由来己久，主要的困难在于当时的 i n t e r n e t 的速度慢和确定性低，不能满足通信网络要求；另外，各种网络通信 协议对于嵌入式系统的存储器容量、运算速度等方面的要求比较高，当时的嵌 入式系统很难达到这一要求。 随着嵌入式系统和i n t e r n e t 的不断发展，一些i t 组织和公司开始进行相 关硬件的研发。目前，新开发的嵌入式处理器都支持网络协议，如r a b b i t 半导 体公司的r a b b i t 2 0 0 0 3 0 0 0 处理器、a m d 公司的a m l 8 6 系列嵌入式处理器、 m o t o r o l a 公司的m 6 8 h c 系列嵌入式处理器等等。可以说，目前在嵌入式系统中 连入i n t e r n e t 的条件已经成熟【3 】。 随着嵌入式系统中连入i n t e r n e t 的发展，它将在许多领域内得到应用： ( 1 ) 信息家电领域 信息家电从广义上来讲，包括机顶盒、w e b 游戏机、w e b 电视、w e b 电话， 还有一掌上电脑、手持p c 、可穿戴p c 等所有能通过网络系统交互信息的消费类 电子产品。从长远来看，电冰箱、洗衣机、微波炉等植入数字网络技术，也是 未来信息家电十分重要的发展方向。它横跨信息技术领域和家电领域，逐渐模 糊了原本径渭分明的电脑、通信产品、家电的市场界限【4 】。 ( 2 ) 医疗器械领域 大量医疗器械的应用，如分析监护设备、各种化验设备、都需要使用高性 能的专用化的嵌入式系统来提高其精确度和速度。当它们与网络相连，各种信 息就可以迅速报告给医生和护士。甚至病人在家罩进行监护得到的信息( 如心脏 武汉理工大学硕士学位论文 监护仪、胎儿监护仪等) ，都可以通过网络实时传递。 ( 3 ) 鬻能交通领域 智能交通系统是2 l 世纪数字城市交通的“主旋律”。智能交通系统是把人、 车、路熬个综合运输系统智能化，最终建成自动交通系统。它包括：高速公路、 过桥、停车场等的自动收费系统，驾驶情报系统，辅助驾驶系统。 ( 4 ) 教育和咖公领域 由于学校、机关、公司、商业网点具有良好的网络布线，采用嵌入式以太 网设备可大大降低使用p c 的成本。嵌入式系统与d s p 的结合，在语音和图象处 理方面的能力日益强大，因此在网络流媒体的应用上，将嵌入式系统连入 i n t e r n e t 大有用武之地。 ( 5 ) 工业控制领域 i n t e r n e t 概念的出现和网络技术的实施，为工业控制系统提供了新的发展空 间，也提供了新的技术支持。网络控制在i n t e r n e t 技术支持下，己经从高成本 的复杂系统变成了低成本的控制系统。可以断言，控制系统的网络化时代已经 来临。 1 2 课题的来源及研究的目的意义 由于p l c 适合工业现场和市场的要求：高可靠性、强抗各种干扰的能力、编 程安装使用简便、低价格、长寿命，因此p l c 有很强的生命力。但是，由于p l c 没有显示部分，为了向用户提供诸如工艺流程图显示、动态数据画面显示、报 表编制、趋势图生成、窗口技术以及生产管理等多种功能，人们往往把个人计 算机连入p l c 网络。但是，由于工业现场目前广泛应用的p l c 网络和现场总线 自身技术的局限性以及多种总线标准分割共存局面的存在，限制了工控领域网 络化的进一步应用。这种局限性促使了以太网和工业现场总线网络混合控制网 络体系的出现。随着嵌入式系统的发展和i n t e r n e t 的普及，越来越多的嵌入式 系统将网络引入其中。这样嵌入式系统能接入i n t e r n e t 具有网络服务器功能， 可以在任何时间、任何地点，对系统进行监控、管理，也为用户提供更为丰富、 直观的数据表现形式，改善系统人机界面 5 1 6 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 为适应这个发展趋势，本实验室与某自控公司合作开发针对圆网印花机的 远程监控系统，用户可以远程通过网络对异地设备进行监控，监控对象主要是 印花机中使用的p l c 设备。如采用传统的远程监控，需要通过工业p c ( 前置机) 接入网络来实现。但是由于工业p c 作为计算机的一种，亦存在不稳定因素，很 难完全保证通讯的品质，另外这种方式也只适用于关键设备的监控，从远程监 控设备的普及角度来讲前置p c 机从价格、体积、专业化方面都不是首选，为了 实现低成本和高可靠性的要求，采用飞速发展并迅速进入工控领域的嵌入式技 术1 7 l 唧【9 】a 现代嵌入式c p u 技术己经日趋完善，出现了3 2 b i tr i s cc p u ，集成了常用 的外设，使得硬件弹性空间非常大，某些性能相当甚至超过了p c 机，当然也就 更加能够满足设备监控系统的需求，可以针对现场环境要求，加装专用i o 模 块，这样不单单能够实现对现场机电设备的监控，还能够对现场环境做整体的 监控。如现场温度，电源状况，湿度，等等这种方案设计专用设备与工业p c 比， 其体积小巧，适合安装。另外，无风扇，无硬盘的设计，使其更稳定，更适合 工业现场使用。其一般具备数个串口( r s 2 3 2 ，4 2 2 ，4 8 5 ) ，同时还具备一个l o l o o m 的以太网口。支持以太网的众多协议及现场总线接口。这样，在设备监控系统 中，可以直接把设备接口接到设备联网服务器，这样设备的运行状态信息，工 艺参数等故障诊断所需的信息都可以通过这台设备联网服务传送到远程的监控 客户机。工控行业迫切需要基于嵌入式技术的专用设备联网产品能被广泛地应 用在工业远程监控系统中f l q 【“】。 本论文所依托的项目基于i n t e r n e t 的嵌入式服务器远程监控系统就是 在这样的背景下提出的。 1 3p l c 设备的说明 在介绍本论文的研究内容以前，有必要对本文题目中提到的“p l c 设备”予 以说明。虽然p l c 在工业现场被广泛使用，但是由于现在工业现场的环境越来 越复杂以及传统p l c 的一些固有缺点，如成本高、硬件支持扩展性不好、工艺 保密等限制了p l c 在工业现场的进一步使用。随着科学技术的不断进步，一些 公司把先进的技术溶入到传统的p l c 中，使p l c 具有更好的灵活性和扩展性， 很好的满足了特定工业现场的需求。比如，黄石科威自控和本实验室联合开发 武汉理工大学硕上学位论文 的嵌入式p l c 。它以p l c 梯形图语言为内核，强化过程控制的运算能力，提供开 放式扩展结构，增加c a n b u s 网络互连功能。它融合嵌入板的特殊要求，发扬p l c 梯形图语言优势，为特定对象控制问题的解决提供了一个通用开发平台 1 2 1 d 3 1 。 因此在本文中所指的“p l c 设备”就是指三菱，西门子，欧姆龙，l g 等世 界知名品牌p l c 和嵌入式p l c 等新型p l c 。通过分析它们的内部资源，可以将 p l c 中任何一个内部元件即用户可访问的内部资源，以树型方式分类并表达【1 4 i 。 如图1 1 所示的p l c 树型资源结构。 图卜1p l c 树型资源结构 对于非p l c 设备，如果可以按照p l c 设备树型结构写出其资源配置也适用于本 文。 1 4 论文研究的内容 本论文以基于i n t e r n e t 的嵌入式服务器远程监控系统课题为基础，重点对 嵌入式服务器与p l c 网络之间的实时通信技术进行了论述，对其通信模块、通 信规约、通信命令及通信编程进行了探讨，进一步确认该嵌入式服务器远程监控 系统具有较好的实用价值。由于生产p l c 的公司有很多，并且每种p l c 的通信 协议各不相同，如何将专用的p l c 数据通信协议，抽象和提炼成一种比较通用的 数据通信格式，使它能够像搭积木一样，自由地搭成所需要的通信协议格式，以 便与大多数p l c 进行数据通信，是一个比较难的问题，也是关键问题之一【1 ”。在 武汉理工大学硕士学位论文 论文中，重点介绍和分析了三菱和西门子p l c 的通信协议，也参考了其他p l c 的通信协议，最后成功抽象和提炼出一种比较通用的数据通信格式，并在服务 器中成功应用。同时论文对配置文件的功能和使用进行了详细的说明。由于课 题的需要，本嵌入式服务器主要用于监控三菱f x 系列的p l c 。因此，本文重点 研究了嵌入式服务器与三菱p l c 网络的通信过程及通信时序，与其它类型的p l c 网络与服务器通信，亦可以参照此过程1 1 1 1 。 本论文各章节的内容如下： 第1 章：绪论。主要讲述本文的研究背景、研究内容及意义。 第2 章：嵌入式服务器的硬件和软件系统。这一章节的内容是本文研究的基础， 在该章中介绍了以m o t o r o l a c o l d f i r e 内核的芯片m c f 5 3 0 7 为c p u 的嵌入式服务 器的硬件平台建立，其中将讲述平台的设计方案及功能，对5 3 0 7 的特点、内存 接口、网络接口、串口、调试口设计也作了部分的阐述。软件部分主要介绍 u c l i f l u x 环境的建立和移植。以及u c l i n u x 下的一些软件开发工作的方法，最 终形成一个完整的嵌入式平台。 第3 章：p l c 网络与通信机制。介绍了p l c 网络的拓扑结构及常用的通信方法。 对嵌入式服务器与p l c 网络的连网结构和通信方式进行了说明。 第4 章：嵌入式服务器与p l c 数据通信格式。重点介绍了三菱和西门子p l c 的 通信协议，也参考了其他p l c 的通信协议，进行分析和总结，抽象和提炼出一 种比较通用的数据通信格式，作为嵌入式服务器与p l c 数据通信格式的标准。 同时，本章还介绍了通信缓冲区的建立。 第5 章：配置文件说明。对配置文件的概念和功能进行了说明。详细介绍了配 置文件在该课题中的使用。 第6 章：嵌入式服务器与p l c 通信程序的编制。首先分析了嵌入式服务器与p l c 的通信时序，然后介绍了在l i n u x 操作系统下如何编制，调试程序及软件开发 工具的使用。最后通过交叉编译的方式，把程序移植到嵌入式服务器。 第7 章：结束语。对所做工作进行了总结，并对嵌入式服务器在p l c 类设备监 控中应用研究的发展做出展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章嵌入式服务器的硬件和软件系统 本文所研究的内容都是建立在嵌入式服务器的硬件和软件平台上，在本章 将分为两个部分介绍嵌入式服务器的硬件和软件系统。在硬件系统部分将介绍 嵌入式服务器的硬件电路的设计，包括c p u ，s d r a m ，f l a s h 等主要芯片的选折。 设计基于嵌入式服务器的最小系统。软件部分讨论嵌入式服务器在硬件平台基 础上的软件设计，对系统采用的u c l i n u x 操作系统做了介绍，并介绍了操作系 统的移植过程，最后对在u c l i n u x 操作系统上的应用程序添加过程做了分析【4 1 【5 l 。 2 1 嵌入式服务器的硬件平台建立 由于嵌入式服务器是在工业现场这种特殊的环境下工作，所以设计的硬件 系统必须具有高可靠性和高稳定性。这也是选择芯片的一个重要考虑因素。 2 1 1 嵌入式服务器的硬件总体框图 嵌入式远程监控服务器硬件结构如图2 1 所示，其中包含m c f 5 3 0 7 c p u ， f l a s h ，s d r a m 、复位电路、串口电路等。服务器功能的两个主要方面是工业现 场的设备状态数据采集和与远程客户机的网络通信，其中现场设备状态数据的 采集通过串口1 与工业现场的p l c 通信来实现：与远程客户机之间的网络通信通 过以太网接口或利用外接m o d e m 通过串口2 拨号实现p p p 连接。以下各小节将 详细介绍各部分的功能、芯片的选择和在系统中的接线等。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1 嵌入式服务器的硬件总体框图 2 1 2c o l d f i mm c f 5 3 0 7 的特点与内部模块 c o l d f i r e 系列微处理器是m o t o r o l a 公司延续其m 6 8 k 系列微处理器推出 的新一代内核的3 2 位高性能嵌入式微处理器。众所周知，m 6 8 k 系列微处理器， 像m c 6 8 0 4 0 等微处理器在工业控制领域，特别是在高能物理、航空航天、工业 生产等领域有着极其广泛的应用。m 6 8 k 系列微处理器处理能力强大，性能卓越， 对c 语言的支持也非常好。但是由于m 6 8 k 系列微处理器是c i s c ( 复杂指令集， 不易于流水线设计) 架构，随着控制系统对微处理器速度上要求的不断升级， m 6 8 k 系列原有的架构不太容易提高c p u 整体的速度。于是m o t o r o l a 对m 6 8 k 的体系结构做了很好的改进，使得体系结构是c i s c 和r i s c ( 精简指令集，易 于流水线设计) 融合的架构( 称之为变长的r i s c 设计) ，便有了新一代的 c o l d f i r e 微处理器。c o l d f i r e 微处理器继承了m 6 8 k 系列优秀的指令集设计和 c i s c 架构的优点，融入了r i s c 架构的优点，在速度和架构之间得到很好的平 衡1 6 。 c o l d f i r e5 3 0 7 是c o l d f i r e 系列微处理器第三代内核的微处理器。它具有 以下卓越特性： 变长的r i s c 设计，第三代内核 两个独立无关的流水线：4 级取指令流水线( i f p ) 和2 级指令执行( o e p ) 流水线 8 个指令f i f o 程序跳转预先判断机制，可以加速代码执行 武汉理t 大学硕士学位论文 3 2 位内部地址总线，支持4 g 线性地址空间 3 2 位数据总线，1 6 个3 2 位通用寄存器 超级用户模式 向量基地址可以改变 专门为高级语言优化设计 另外c o l d f i r e5 3 0 7 还具有很好的内部模块： 乘法加法单元( 姒c ) ：支持3 级流水线的1 6 x 1 6 位，3 2 位3 2 位乘加d s p 操 作，硬件除法器，8 k b y t e 通用c a c h e ，可以作为指令，数据c a c h e ，4 k 内部 高速r a m ，d m a 控制器，s d r a m 控制器，两个通用4 线异步串口，两个1 6 位定 时器，1 2 c 模块，1 6 位通用i o ( 输入输出) 口。 c o l d f i r e5 3 0 7 微处理器运行在外部总线时钟4 5 m h z ，内部总线时钟9 0 m h z ， 可以达到7 5 磷i p s 。它的这些特性，使得它在的控制系统中非常合适使用，于是 主系统的选用c o l d f i r e5 3 0 7 作为主控微处理器n 。 2 1 3 复位电路和b o o t 模式 复位是5 3 0 7 芯片正常工作的关键。为了保障系统的可靠性，使用专门的复 位芯片来完成可靠的复位动作，选用的芯片是i m p 公司的i m p 8 1 1 s 芯片。i m p 8 1 1 系列是专门的微控制器监控复位电路，它同时带有个手动复位端，可以在调 试和运行中很方便地手动复位，也非常合适在本系统中使用。i m p 8 1 l 的架构以 及与系统控制器的连接如图2 2 所示： ： 图2 - 2i m p8 1 1 s 和系统控制器的接法 i m p 8 1 l 系列有好几款型号，以尾缀不同来区分。而根据c o l d f i r e5 3 0 7 的电 武汉理工大学硕士学位论文 气特性，电源电压在3 v 到3 6 v 之间可以正常工作，于是系统选用s 后缀的 i m p 8 1 1 s 作为电源监控、复位芯片。另外，i m p 8 1 1 s 电源上电复位时间( r e s e t 输 出信号上升沿滞后于供电电源电压超过门限电压那一刻的时间) 是最少1 4 0 毫秒 而c o l d f i r e5 3 0 7 要求的复位时间是最少8 0 个时钟周期，约为1 6 毫秒( c o l d f i r e 5 3 0 7 的时钟周期在复位之前是按照5 m h z ) ，所以这个1 4 0 毫秒是完全可以使用 的。 2 1 4f l a s hr o m 祀s d i l 4 m 接口电路 本系统采用h y 2 9 l v l 6 0 作为f l a s h 芯片， 它单片的容量是1 6 m 位( 2 m 字节) 。工作电压 2 7 v - 3 3 v ，采用4 8 脚的t s o p 或f b g a 封 装，1 6 位数据宽度，可以以8 位或1 6 位模 式数据宽度的方式工作。它仅仅需要单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。具体电路图如 图2 3 所示： 图2 - 3f l a s h 接线图 c o l d f i r e5 3 0 7 芯片内部有4 k b y t e s 的内部s r a m ，可以单个时钟周期顺序 读写，是高速内部s r a m 。在系统上电以后，先将堆栈指针指向该s r a m ，初始化 外设和s d r a m ，然后将堆栈指针指向s d r a m ，就可以得到更大的堆栈空间，以后 整个u c l i n u x 都会从f l a s hr o m 中重新c o p y 到s d r a m 中运行【8 j 。 系统中使用的是两片4 m 1 6 b i t 的s d r a m 拼成4 m 3 2 位的s d r a m ，这样 系统就有了1 6 m b y t e s 的r a m 空间。使用的s d r a m 是现代公司的h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 。 具体在原理图中的接线，如图2 4 所示： 0 武汉理工大学硕士学位论文 图2 4s d r a m 原理图 2 1 5 串口电路和m r t l 8 0 1 9 以太网卡接口部分 c o l d f i r e5 3 0 7 微处理器有两个异步串行通讯接口。在的系统中，使用其 中一个串口( 串口1 ) 作为与p l c 通信的接口，也可以连接到p c 的标准9 针串 口，通过超级终端可以和用户交互通讯。当然也可以将系统的状态通过串口打 印出来。通过串口2 利用外接m o d e m 可以拨号实现p p p 连接。 串口的电平转换( 驱动) 芯片使用m a x i m 公司的m a x 3 2 3 2 芯片。该芯片是 m a x 2 3 2 芯片的3 v 版本，可以在3 v 到5 v 之间供电工作。因为c o l d f i r e 5 3 0 7 系 统采用3 3 v 供电，故采用该芯片做串口电平转换。因为m a x 3 2 3 2 经常使用， 这罩就不再赘述。 本嵌入式远程监控服务器最重要的功能就是要支持通过以太网的远程通 信，由于m c f 5 3 0 7 c p u 内部没有集成以太网控制器，所以硬件设计中要外扩一个 n e 2 0 0 0 系列的以太网控制器r t l 8 0 1 9 a s 。 n e 2 0 0 0 系列以太网网卡是事实上的工业标准，n e 2 0 0 0 是非常好的以太网 m a c 层架构，也是非常成熟的架构。n e 2 0 0 0 架构以太网接口芯片的驱动程序和 应用文文件也非常成熟，在u c l i n u x 操作系统中也较易应用。在i s a 接口的网 络控制器中，r t l 8 0 1 9 a s 是1 0 mn e 2 0 0 0 系列中比较有代表性的一款，其相关资 料在网上也比较多，这里就不详细介绍了f 9 。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 6b d m 调试接口电路部分 在此之前的讨论其实是c o l d f i r e5 3 0 7 比较完整的一个最小系统，当然还 有少数电阻电容和晶体振荡器等没有详细讨论，但是基本上整个c o l d f i r e 微处 理器工作所需要的基本因素已经讨论完毕。本小节要讨论的是c o l d f i r e 系列的 调试端口：b d m ( b a c k g r o u n dd e b u gm o d e 背景调试模式) b o 。 使用m o t o r o l a 公司1 6 位、3 2 位微控制器产品的用户应该不会对b d m 陌 生，因为一直以来，b d m 就是m o t o r o l a 公司微控制器专门的调试接口，但是各 个系列微处理器的b d m 接口也有所不同，本论文的讨论专注在c o l d f i r e 系列 ( c o l d f i r e 系列微处理器的b d m 接口都是兼容的) ，其他微处理器b d m 接口的 手册可以参照他们各自的数据手册和应用文档。 b d m 接口为系统实时调试基于c o l d f j r e 微处理器的系统提供了很大的方 便。配合b d m 接口，用户可以方便的调试基于c o l d f i r e 系列微处理器的应用 系统，包括烧写系统的f l a s hr o m ，单步执行，初始化寄存器，中断跟踪，t r a c e 等等工作。实际上现有的很多为c o l d f i r e 系列微处理器开发的第三方仿真器等 大多都是基于b d m 接口的。 为c o l d f i r e 系列微处理器专门开发了b d m 接口的调试工具( 称为b d m 电 缆) 。b d m 电缆可以连接到p c 的标准打印机并口来调试c o l d f i r e 系列微处理 器，当然也可以用来烧写板上的f l a s hr o m 。制作b d m 电缆是比较复杂的工作， 该节只着重于b d m 电缆的使用。 要使用c o l d f i r e 系列微处理器的b d m 接口，必须在系统的电路板上留出 b d m 电缆的标准2 6 针i d c 插座。也就是必须将c o l d f i r e 特定的b d m 引脚按顺 序连接到2 6 针插座。如图2 5 所示： o e 忱1 0 ， e r 懈d l2 一g k p t a 柑dl do - o g c l h 廿摊dl b - 一o 雌i o c r 唧* # f 恻 r e s e t 卜呻4 ie - 一一- 0 釉 p 鲥撕酗。9 f ，嶙+ - - t un s o b h d一1 ， ? 一 p s 3 f s 膳一叫5 3 埘n 一一一娜f i p s t o 叫。b1 6 一o 垃 l as o 弘t a 2 - 州?8 o d a i a l i ) d & t a o 一一一一h4 ”2 0 一菇n o m m 目1 e s e f v 嘏 0 t：、 l 班“d 泔g e # d j 吣让 | ，3 ，d h c l k 。o p o g o ev o 渊o 0 j6 ：- ，n 图2 5b d m 电缆引脚示意图 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 5 中，b d m 电缆引脚连接规范其中第i 、6 引脚留给开发人员；2 1 、2 2 引脚m o t o r o l a 保留使用。而在本系统中这4 个弓l 脚都悬空即可。另外第9 和 2 5 引脚应该都连接到板上的3 3 v 电源。 2 。2 嵌入式服务器的软件平台建立 c o l d f i r e5 3 0 7 是3 2 位的微处理器，在5 3 0 7 上运行流行的u c l i n u x 操作 系统。u c l i n u x 的历史和特点这里就不做介绍了。由于本文的研究重点是服务 器与p l c 的通信，因此这一部分主要介绍u c l i n u x 环境的建立和移植。以及 u c l i n u x 下的一些软件开发工作的思路【“1 。 2 2 1u c l i n u x 源代码的获得 u c l i n u x 以其开源、免费的特点而成为嵌入式系统的优选操作系统，并且它 有一个巨大的优势就是其浩瀚无限的资源，在网络上可以很轻易的得到关于 u c l i n u x 的资源，u c l i n u x 的内核目前使用的有很多版本，知道l i n u x 只是一个 内核，l i n u x 发行版是l i n u x 内核以及各种应用软件的集合，那么l i n u x 出现了 两种版本号。一种是内核版本，一种是发行版本号。l i n u x 内核版本号的格式是 x y z z w w w ，不同的数字代表不同的开发版本，有稳定的，也有测试中的，目 前比较常见的有2 ，0 3 8 内核和2 4 2 4 内核，以及最新的2 6 2 内核，对于使 用到c o l d f i r em c f 5 3 0 7 系统上的u c li n u x 代码的获得一般有两种渠道一是从 h t t p ：w , u c l i n u x o r g 这个国际性的u c l i n u x 发行包下载网站，这个网站对 u c lir l u x 做了详细的介绍，提供f a q ，并提供耳前支持的各种处理器对应的软件 开发包，其中针对 c o l d f i r em c f 5 3 0 7 的下载网页 是：h t t p ：w , m u c l i n u x o r g p o r t s c 0 1 d f i r e ”1 。 2 2 2 u c l i n u x 模块的裁减配置和编译 u c l i n u x 内核采用模块化的设计，即：很多功能模块可以独立地加载或卸载， 开发人员在设计内核时把这些内核模块作为可选的选项，可以在编译系统内核 时指定。因此一种较通用的做法是对u c l i i q u x 内核重新编译，在编译时仔细的 选择嵌入式系统所需要的功能支持模块，同时删除不需要的功能模块。通过对 武汉理工大学硕士学位论文 内核的重新配置，可以使系统运行所需要的内核显著减小，从而缩减需要的控 制器r a m 和r o m 或f l a s h 的资源。若要对内核进行配鼍更改或者应用软件的添 加删除，需要进入u c l i n u x 目录后，使用命令：m a k e m e n u c o n f i g 就会进入配置 主菜单。在主菜单中根据提示选择需要的模块，结合嵌入式服务器项目的需求 将操作系统做了必要的裁减，下面是其中的部分模块： b u s y b o xb u s yb o x 常用功能 c a t ( 文件查看功能) m o u n t ( 连接文件系统功能) m o u n t ：s u p p o r tn f sm o u n t ( 支持网络文件系统的m o u n t ) c