（机械电子工程专业论文）晶体管测试机的嵌入式主板及其web功能的研究和实现.pdf

中文摘要 晶体管测试机的嵌入式主板及其w e b 功能的研究和实现 研究生姓名：朱彬 导师姓名：毛玉良副教授 学校名称：东南大学 以晶体管为主的半导体分立器件的需求不断增大，开发新型的半导体分立器件测试系统 具有很好的科研和经济意义。本实验室与长电科技合作开发了新一代的半导体分立器件测试 系统，取得了较好的测试效果。本文围绕测试机中核心主板的软硬件再设计过程，就所涉及 到的技术问题进行了分析和研究，以便为测试机的进一步开发和完善提供参考。 论文分析了嵌入式系统的应用和研究趋势，结合本研究室所开发的晶体管测试机的技术 现状，提出了新型晶体管测试机的组成方案，即采用先进的a r m 处理器，嵌入式操作系统 u c l i n u x ，实现测试机系统的本地显示和嵌入式w e b 服务器功能，以实现基于局域网的分布 式测试机系统。 分析了实现这一目标所需的关键技术后。在硬件方面，基于a 删$ 3 c 4 5 1 0 b 嵌入式处理 器对核心测控主板进行重新设计，包括扩展l c d 接口；结合新的微处理器的特征，利用c p l d 技术，对原测试机系统总线信号的产生也进行了改进设计，提高了系统性能。 软件方面，从兼容性出发，沿用u c l i n u x 嵌入式操作系统，通过适当的修改，完成了移 植工作；进行了l c d 模块的软件设计，使系统具有简单而实用的本地显示功能；而作为本 文的主要目标之一，对嵌入式系统的w e b 服务器功能进行了研究开发，并取得了初步的成 功。 论文还对实现以上目标所涉及到的具体技术问题，如开发环境的建立、基于j t a g 的调 试、目标板程序加载和基于宿主p c 机的交叉编译等，进行了必要的论述。同时对u c l i n u x 环境下应用程序的开发、运行以及嵌入式w e b 服务器的实现进行了具体的阐述。 最后，对全文进行了总结并对项目提出了展望。 关键词：晶体管测试机，嵌入式主板，u c l i n u x ，a r m $ 3 c 4 5 1 0 b ，l c d 显示，嵌入式w e b 服 务器 a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no ft h ee m b e d d e dm a i n b o a r d a n dw e bf u n c t i o no ft h et r a n s i s t o rt e s t i n ge q u i p l m e n t b y z h u b i n s u p e r v i s e db yp r o fm a oy u - l i a n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y w i t ht h ei n c r e a s i n gd e m a n do fd i s c r e t es e m i c o n d u c t o r s ，e s p e c i a l l yt h et r a n s i s t o r s ，i ti sv e r y s i g n i f i c a n tt od e v e l o pn e wt y p e so fd i s c r e t es e m i c o n d u c t o rt e s t i n gs y s t e m s c o o p e r a t i n gw i t ht h e c h a n g j i a n ge l e c t b c l lo u rl a b o r a t o r yf i n i s h e dt h ep r o j e c to fd e v e l o p i n gan e wg e n e r a t i o no f d i s c r e t es e m i c o n d u c t o rt e s t i n gs y s t e ma n dm a d eag o o da c h i e v e m e n t t h et e c h n i c a lp r o b l e m s r e f e r r i n gt o t h er e d e s i g n i n go fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ek e m e lm a i n b o a r do ft e s t i n g e q u i p m e n ta r es t u d i e di nt h i sp a p e ri no r d e rt op r o v i d er e f e r e n c ef o rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n ta n d p e r f e c t i o no f t h et e s t i n ge q u i p m e n t a c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a ls t a t u sq u oo f t h ef o r m e rt r a n s i s t o rt e s t i n ge q u i p m e n t d e v e l o p e db y o u rl a b o r a t o r y , an e wf o r m a t i o no fi ti sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e ra f t e ra n a l y s i n gt h ea p p l i c a t i o n a n dr e s e a r c hn e n do fe m b e d d e ds y s t e m t h i sf o r m a t i o ni sd e s i n g n e dt or e a l i z et h el o c a ld i s p l a y a n de m b e d d e dw e bs e r v e ro nt h et e s t i n gs y s t e mw i t ha d v a n c e da r mp r o c e s s o ra n du c l i n u x e m b e d d e do s s oa st of u r t h e r r e a l i z et h ed i s t r i b u t e dt e s t i n gs y s t e mb a s e do nl a _ n 弧ek e yt e c h n o l o g i e sn e e d e di nr e a l i z i n gt h et a r g e ta t ea n a l y s e di nt h i sp a p e r i nh a r d w a r e t h ek e r n e lt e s t i n ga n dc o n t r o lm a i n b o a r db a s e do nt h ee m b e d d e dp e o c e s s o r - a r ms 3 c 4 5 1 0 bi s r e d e s i g n e di n c l u d i n gt h ee x p a n d i n go f l c di n t e r f a c e a n dt h eg e n e r a t i n gm o d eo f t h es y s t e mb u s s i g n a lo ft h ef o r m e rt e s t i n ge q u i p m e n ti si m p r o v e dw i t hc p l dt e c h n o l o g ya c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r so f t h en e wm i c r o p r o c e s s o ra n ds t ) d o e st h ep e r f o r m a n c eo f t h et e s t i n gs y s t e mb a s e do n i t i ns o f t w a r e ，t h eu c l i n u xe m b e d d e do si ss t i l la d o p t e da n dt r a n s p l a n t e dt ot h i se m b e d d e d s y s t e m w i t hs o m ep r o p e rm o d i f i c a t i o nf o rt h es o f t w a r ec o m p a t i b i l i t y u n d e ru c l i n u xe n v i r o n m e n t ， t h es o f t w a r eo ft h el c dm o d u l ei sd e s i g n e dt or e a l i z et h es i m p l eb u tp r a c t i c a lf i m c t i o no fl o c a l l c dd i s p l a y a so n eo f t h em a i nt a r g e t so f t h i sp a p e r , t h ef u n c t i o no f w e bs e r v e ro f t h i se m b e d d e d s y s t e mi sd e v e l o p e da n d ap r i m a r ys u c c e s so f i ti sm a d e i nt h i sp a p e r , t h ed e t a i l e dt e c h n i c a lp r o b l e m sr e f e r r i n gt ot h er e a l i z a t i o no ft h em e n t i o n e d t a r g e t ss u c h t h ee s t a b l i s h i n go f t h ed e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t ，t h ed e b u g g i n gb a s e do nj 1 、a gt h e d o w n l o a d i n go f t a r g e tb o a r ds o f t w a r ea n dt h ec m s s e n m p i l i n ge n v i r o m e n tb a s e do nt h eh o s tp c e t c a r ea l s od e c r i b e da n dt h er e a l i z a t i o no ft h ed e v e l o p m e n ta n dr u n n i n go fu s e ra p p l i c a t i o na n dt h e e m b e d d e dw e bs e r v e ru n d e rt h eu c l i n u xe n v i r o n m e n ti ss t a t e d i nt h ee n d ，ac o n c l u s i o no f t h i sp a p e ra n da ne x p e c t a t i o no f t h ep r o j e c ta r em a d e k e y w o r d s ：t a n s i s t o r t e s t i n g e q u i p m e n t , e m b e d d e d m a l n b o a r d ，u c l i n u x , a r m $ 3 c 4 5 1 0 b ，l c d d i s p l a y , e m b e d d e dw e bs e r v e r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生虢挚n 日期：生3 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 二十世纪9 0 年代以来，随着计算机、通讯产业的快速发展以及人民生活水平的不断提 高，社会生产及消费领域对电子产品的需求有了极大的增长，我国集成电路和半导体分立 元器件制造业取得了令人瞩目的发展，技术水平和产销量都取得了很大的提高。进入二十 一世纪，集成电路和半导体分立元器件制造业的投资势头更加强劲，迈入了又一个新的发 展阶段。 作为半导体产业的分支之一，以晶体管为主的半导体分立器件产业有着悠久的发展历 史，现在仍保持着持续、快速、稳定的发展，产业规模不断壮大。随着新技术、新工艺、新 产品的不断涌现，c a d 设计、离子注入、溅射、多层金属化、亚微米光刻等先进工艺技术 已应用到分立器件生产中，这些都将推动分立器件市场的蓬勃发展。在高压、大电流、大 功率、高频、高灵敏度、低噪声等领域中，半导体分立器件仍起着集成电路无法替代的作用， 仍是半导体器件中的重要组成部分。 近几年，越来越多的半导体分立器件产品被应用到电子产品生产的各个领域。汽车电子、 无线通讯、计算机及周边产品、工业控制、家庭消费类电子、互联网应用等产品的迅速启动 和飞速发展，为我国半导体分立器件市场的不断突破发展创造了新的机遇。据c c i d ( 中国 电子信息产业发展研究院) 分析，2 0 0 3 年我国分立器件市场规模已占全球的1 3 ，2 0 0 4 年分 立器件仍将以2 5 3 0 的速率增长，且今后还将以接近2 0 的速度增长，预计n 2 0 0 8 年中 国分立器件市场规模将超过9 0 0 亿元”1 。 我国是分立器件生产大国，年生产量极其巨大，生产的分立器件6 0 以上用于出口。 随着企业生产能力的日渐增大和客户对产品质量要求的不断提高，能否对大批量产品按照 市场要求进行快速而准确的分档、满足市场的各类需求，对于企业快速推出新产品并占领 市场是至关重要的，所以分立器件测试设备的水平直接影响并制约着分立器件生产企业的 未来发展。并且随着我国信息化步伐的加快以及使用信息技术改造和提升传统产业的推动 分立器件封装测试行业也有了飞快的发展，对中小型分立器件测试系统提出了很大的需求。 所以就长远的发展来看，在价格与性能之间找到合适的切入点，开发新型的分立器件测试 系统具有很大的科研意义和极佳的市场前景。 江苏长电科技股份有限公司是国内从事半导体分立器件封装测试的著名企业之一，在 封装产量、封装品种、产晶销售收入、实现利润上都位居同行业前茅。近几年来，公司在 半导体分立器件测试设备研发上投入了大量的人力和物力，希望通过研发拥有自主知识产 权的测试产品，增强核心竞争力，以适应未来更加严酷的竞争。经过长时间地努力，长电 科技已经取得了一定的效果，目前其与东南大学机械工程系机械电子实验室合作开发的新 一代半导体分立器件测试系统己进入产品化研究阶段，本论文即是为测试控制系统的进一 步完善所作的探索和研究”1 。 1 2 晶体管等分立器件测试设备的国内外技术现状 随着二十世纪世界半导体业的飞速发展，国外的半导体测试行业已经达到了一个比较 高的水平，在世界范围内形成了数十家开发生产半导体器件测试设备的专门公司，积累了 成熟的技术和完善的售后服务体系，占有世界半导体分立器件测试设备的绝大部分市场， 东南大学硕士学位论文 这其中有像美国的! l 心t 1 1 b c 、s e v i r r e k , 日本的a d v a n i t 研、t e s e c 、j u n o 等著名企业。 可测试的分立器件品种包括了二极管、三极管、晶体管、场效应管、齐纳二极管、光电开 关、光电耦合器、三端稳压器、半导体闸流管、可控硅器件、继电器等。如日本j u n o 公司 生产钧d t s 一1 0 0 0 ”。 同国外相比由于起步较晚、技术力量薄弱，国内的半导体分立器件测试设备的开发 相对还较落后。开发的厂家不多，产品也大多是简单经济型设备，测试的功能不够丰富， 测试工艺流程的可配置性也不强。目前，国内从事分立器件测试设备开发较为领先的有北 京华峰测控技术有限公司，其自主开发的产品已经占据了国内的一部分市场，其中 s t s 2 1 0 3 b 半导体分立器件测试仪，适用于三极管、二极管、各种场效应管、可控硅等功 率半导体分立器件的直流参数测试”。江苏长电科技股份有限公司，在引进设备用于生产 的同时，近几年也开发了几款分立器件测试设备，如其基于p c 机总线模式的c d s 5 8 测试 仪“1 ，该测试设备能够测试该公司生产的多数分立器件，并且已投入该公司的量产实用阶 段。 就目前分立器件测试系统的性能来说，数字系统的通道数、时钟频率、定时精度和模 拟系统的精度、范围、稳定性、适应性等方面，国外的开发系统有较大的优势，系统的可 靠性也明显优于国内开发的系统。所以，目前国内市场上的主流测试系统都产自欧美、日 本等发达工业国家，国内的测试设备制造厂商基本上都依靠代理国外成熟的商业化测试系 统，只有少量企业具有自行开发能力，市场占有率很低。国内的主要半导体生产厂家所使 用的测试设备也多为进口设备，价格昂贵、维护成本高。 从各个设备厂商的产品来看，目前比较先进的半导体分立器件测试设备一般都采用由 上、下位机组成的主从式结构，主机采用p c 机和w i n d o w s 操作界面软件，主要用于测试系 统配置及数据处理，从机使用微控制器执行实时测控作业。 关于分立器件测试设备的测试控制系统，其关键是指执行实时测控作业的卜位机控制 系统。早期的如t e s e c 公司的t e s e c - 8 8 1 ，主要是一块集成了大规模的逻辑和时序电路的功 能板，负责将上位p c 机传来的命令转换成具体的测试操作。后来逐渐开始采用单片机和小 规模的逻辑和时序电路来代替，取得了一定的效果，但是由于系统构成的复杂性影响到了 系统使用和维护上的可靠性，这种方式也逐步显现出其不适应的一面。为了改善这些方面 的限制，并进一步提高设备的测试效能，日本j u n o 公司采用了3 2 位的处理器来开发半导 体分立器件测试系统。较有名的像j u n o 的d t s 一1 0 0 0 ，该系统内嵌了3 2 位嵌入式处理器 m c 6 8 0 2 0 ，使得整个核心控制系统的体积成倍的减小，功耗降低，几乎彻底去除了外围的逻 辑和时序电路，上下位机之间的通讯也仅限于初始测试参数、测试结果和少量控制命令的 传送。上位p c 机不再参与到实际的测试过程中，可以实现一台p c 机带多台测试机，大大 降低了总体的成本。 国内的测试设备厂商为了缩小与国外先进水平的差距，一般都直接采用了目前比较流 行的由上、下位机组成的主从式模式；而且下位机测控系统一般都放弃采用低档单片机， 而是采用中高档单片机或者直接使用普通p c 机的扩展总线( 如e 1 s a 、p c i 总线等) 来实现。 江苏长电的c d s 5 8 就是基于p c 机的e i s a 总线，而目前其与我实验室合作开发的新一代测 试设备的测控系统则是基于3 2 位高性能嵌入式处理器的。 总的来说，目前较先进的分立器件测试设备的测控系统火都采用了基于高性能3 2 位处 理器的嵌入式系统来实现测控的任务，充分发挥了高性能嵌入式系统在高速数据处理、实 时控制方面的优势，然而并没有充分利用嵌入式系统的丰富资源。比如加载有嵌入式操作 系统的嵌入式应用系统，不但可以保持甚至超出其原有的数据处理和实时性方面的优势， 同时在系统丰富资源的可管理性、应用开发上的便利和高效性等多方面都可以远远超出原 先无操作系统的应用系统。 2 第一章绪论 1 3 项目的前期开发及其成果 本课题的前期项目即江苏长电科技与本实验室合作开发的新一代半导体分立器件测试 设备”，本文即是为该测控系统的进一步完善所作的探索和研究。 前期项目是参照长电科技测试仪c d s 5 8 和j u n 0 的d t s 一1 0 0 0 进行设计开发的。 c d s 5 8 是长电科技自行开发的半导体分立器件检测系统，采用的没计方案是直接将p c 机的e i s a 总线引出用于对测试主机的控制：通过采用自行设计的e i s a 插卡，将p c 机中的 e i s a 总线转换为白定义的总线，延伸到测试主机，控制整台测试设备的运行；在d o s 下用 c 语言编写程序，更换或修改源代码以实现不同型号产品的测试，并具有简单的数据显示 及统计功能。这款设备可以对晶体二极管、三极管、m o s f e t ，结型f e t 等十几种分立器件 的众多电气特性进行中速的测试，并分档。但是c d s 5 8 有其缺点：每台测试主机必须配备 一台p c 机作为控制用，造成资源的极大浪费，且p c 机中的e i s a 总线正被逐渐淘汰；测试 系统的各项性能指标一般，测试工艺参数修改的灵活性较差；其工作在d o s 环境下，不能 提供基于w i n d o w s 的图形化操作界面，不能提供更加复杂的服务功能。 j u n o 的d t s 1 0 0 0 提供了一个很好的参考目标，其采用了高性能的3 2 位嵌入式处理器 来搭建测控平台并采用了总线方式进行控制，获得了良好的测试性能、高速的数据处理及 灵活的参数设置等能力，是目前比较先进的分立器件测试设备。但由于其测控平台只使用 了传统的嵌入式方式，并没有使用相应的嵌入式实时操作系统进行开发，使得其嵌入式系 统的性能没有得到充足的发挥。所以在新的嵌入式技术已经成熟的形式下，可以充分利用 新的嵌入式技术，缩小与国际先进技术水平的差距，并迎头赶上。 这套新一代半导体分立器件测试设备采用了目前比较流行的上下位机组成的主从式控 制模式，p c 机作为上位机，负责工艺文件的编写、测试结果的显示和存储，采用w i n d o w s 操作界面；下位机为测试主机，测试主机由基于3 2 位嵌入式处理器c o l d f i r e m c f 5 2 7 2 的 c p u 板和多块功能电路板构成，测试主机根据测试工艺要求实现各参数测试和测试结果上 传，上下位机采用串口通信。其测试系统组成和测试主机内部结构如图1 1 所示。 图1 1 测试系统组成和测试主机内部结构示意图 这套测试设备的测控系统使用了外购的基于c o l d f i r e m c f 5 2 7 2 处理器的嵌入式开发平 台，利用先进的c p l d 技术将嵌入式系统的高速总线模拟出我们所需的自定义模拟总线， 来实现控制测试机内部各个功能模块从而完成接个测控任务的目的。整个系统的研制包括 3 东南大学硕士学位论文 了以下几个方面： 1 主控c p u 扳 将第三方的m c f 5 2 7 2 核心板嵌入到c p u 板，通过一片c p l d 将m c f 5 2 7 2 的高速总 线转化成用于测控的自定义系统总线；c p u 板上运行uc l i n u x 操作系统，用户程序由操作 系统调用，所有的工艺参数文件存储在m c f 5 2 7 2 核心板的f l a s h 存储器上：c p u 板与上位 机通过串行日进行通信。 2 a d 、d a 板 包括3 路1 6 位的d a ，1 路1 6 位的a d ，d a 的主要功能是输出电压，以作为高压板 和电流板等功能板的输入电压；a d 的功能是将测量到的电压值转换为数字量，通过数字 总线传送给c p u 核心板。 3 电压产生板 电压产生板负责产生高电压( - - 8 0 0 v + 8 0 0 v ) 。通过运算放大电路，将d a 输入的 电压值放大为需要的高压，然后通过选择不同的总线控制继电器可以将高压加载到分立器 件的任意管脚上。 4 电流产生板 电流产生板负责输出恒定电流，同时也具备输出1 0 3 5 v 电压的功能和加载差压的功 能；在整个系统中有3 块功能相同的大电流板，三者结构相同，在实际测试中配合使用。 5 切换板 切换板负责将数字和模拟信号传递给h e a d e r 板，同时负责测试主机面板状态指示灯的 控制，测试主机与分选机相连的信号总线也是通过切换板转接出去的；切换板有两块，每 块切换板连接一台分选机和一块h e a d e r 板；通过对两块切换板的分时轮流控制，可实现一 台测试主机对两台分选机的控制。 6 测试头控制板 测试头控制板连接测试探头，其上主要包括继电器切换矩阵，通过继电器切换矩阵， 测试机产生的模拟信号可以加载i ! i i i i 试元件的引脚上；另外，板上还包含了一个高精密级 运算放大器a d 5 4 9 ，它负责将探头传递过来的极微弱的电流( u a ，n a 级) 转换成电压信号， 并送至a ，d 单元。 7 电流一电压压测试板 负责系统中l m a 以上电流的测试，同时还具有测量正负3 5 v 差压的功能。 这套系统实现了一拖二( 一台p c 机带两台测试机) ，且上下位机之间的通讯也仅限于 初始测试参数、测试结果和少量控制命令的传送。上位p c 机不再参与到实际的i 见 | 试过程中， 大大降低了总体的成本。同时，该测试设各的测控系统采用了总线控制方式，可以在不改 动原有功能模块的情况下，方便地添加新的功能模块便于系统功能扩展：各功能模块相对 独立，便于调试和维护。 由于在完成测控任务的嵌入式系统( c p u 板) 中加载有专门的嵌入式操作系统u c l i n u x ， 使得整个系统的性能获得了极人的提高，同时也大大提高了应用程序开发的效率和便利性。 目前，该测试系统的测试范围已达到：电压：8 0 0 v , - - + 8 0 0 v ，电流：0 - - 2 5 a ，基本满 足常用晶体管系列的测试需要；在测量精度、测试速度( 可以达到8 0 枚9 0 1 4 m i n ) 上也 与进口j u n o 机相当：同时通过长时间不间断测试，其稳定性得到了验证。目前该测试系 统已投入产品化研究阶段，通过修正原型机研制过程中发现的问题，进一步提高系统的测 试性能和稳定性。 该基于嵌入式技术的半导体分立器件测试系统的研制成功，证明了总线控制方式的可 实现性和正确性，实现了嵌入式技术的正确应用，填补了国内在该技术领域的空白，大大 4 第一章绪论 缩小了与国外先进技术的差距，甚至在有些方面超出了。同时其减小了测控系统的硬件体 积，降低了设备的成本，提高了系统维护和进一步开发的效率，获得了很好的效果。 1 4 课题的研究意义 项目的前期开发，完成了预期的目的，实现了嵌入式应用下的分立器件测试，在这一 技术领域中缩小了与国外先进技术的差距。但通过对该系统的进一步分析，我们还是发现 了它的一些不足之处： 该系统的嵌入式测控系统是通过购买第三方开发平台、进行二次开发后实现的，虽然 这样可以节省开发时间，但会对开发商产生技术上的依赖：而且由于国内的知识产权 保护不够，开发商不会提供更多的技术细节，这对于产品的进一步开发是极为不利的； 该系统虽然采用了先进的嵌入式技术，但并没有充分发挥嵌入式系统的丰富资源。其 采用p c 机带测试机的模式，每套测试系统都要配置一台p c 机，而p c 机在整个实时 测试过程中只起到了测试结果显g - v 少量控制命令传送的作用，而这些功能完全可以 由嵌入式系统本身通过扩展l c d 显示和以太网通讯来实现； 该系统的上位p c 机和下位测试机通过串口通信，来实现数据和命令的传输。由于p c 机的串口资源十分有限，使得每台p c 机能够带的测试机数量有限，一般都只能带两 台，而p c 机和嵌入式系统强大的网络功能并没有得到使用。 综上所述，该测试设备的测控系统并没有充分利用嵌入式系统的丰富资源，真正将嵌 入式主机的功能发挥出来，特别是外围l c d 显示扩展、多任务处理和网络等多方面的功能。 所以在项目前期已完成的基础上，进一步开发完善，解决其不足之处，将本地界面显示、 网络功能等直接在测试设备上实现。这样通过局域网就可以远程访问网络中的每一台测试 机并进行参数的设置，同时将测试结果本地显示，实现嵌入式系统的真正嵌入应用。 通过设计开发嵌入式核心测控主板，真正拥有自己的嵌入式应用系统开发平台，不但 可以满足当前开发完善测控系统的需要：实现所需的快速数据处理、实时控制功能，而且 可以降低总体成本、提高测试系统的可管理性，同时也为今后相似嵌入式系统在其他产品 或领域中的应用完成了大部分前期的探索和准备。 1 5 论文的主要任务和内容 本文的主要研究任务是通过开发新的核心控制系统，改变以往使用的主从式结构，充 分发挥嵌入式主机的最大潜能，使系统更加完善。测控系统主板在总线测控方式上保持与 前期开发的兼容性，增加本地显示，并支持网络功能，为实现局域网环境下的组网应用， 打f 必要的基础。具体的研究内容包括： 1 ) 基于先进的a r m 处理器和c p l d 技术，设计测控系统主板的原型，满足测控的 要求，包括系统自定义总线的兼容设计； 2 ) 利用嵌入式处理器，扩展出一个l c d 控制口，以实现嵌入式主机的本地显示； 3 ) 建立调试和应用开发环境，移植嵌入式操作系统u c l i n u x ，并建立适合本测控系统 进一步开发的平台； 4 ) 在所设计的系统中实现嵌入式动态w e b 服务功能，并研究其在实际测控中的应用 功能。 东南大学硕士学位论文 第二章测试系统方案概述及其测试机主板实现方案研究 前期开发的测试系统实现了晶体管的测试，其中部分的设计方案可以在本应用系统的 开发中直接利用，但是这套系统没有真正发挥嵌入式系统的网络功能，也没有实现测试机 的本地自主显示。在分析的基础上，这里提出了一种新的测试系统的总体方案，并为实现 这个目标，对测试机主板的嵌入式系统的实现方案进行了必要的分析与选择。 2 1 新型测试系统总体方案概述 这里提出的新的测试系统是一种基于局域网的分布式测试系统，其总体方案的逻辑结 构如图2 1 所示。 测试机3测试机4 图2 i基于局域网的分布式测试系统逻辑结构图 。测试村l n 一1 p c 机通过局域网实现和每一台测试机的通信，而各个测试机独立完成本地的测试任务 和测试结果的显示，p c 机可访问任一测试机，进行工艺和工作参数的设置，并可对选定的 测试机实现异地同步显示。实现局域网这样的1 带多的分布式测试系统，可以解决以前一 套钡4 试系统需要1 台p c 机且只能带2 台测试机的不足，不仅可以大人降低了系统成本， 也便于收集生产过程的数据，有利丁提高管理水平。 为实现测试机的组网功能，每一台测试机都被设计成自带w e b 服务器，并且拥有在该 测试群中唯一的i p 地址，这样仅需台监控机，即可完成对所有测试机的监控和设置任务。 通过项目的前期探索，已经获得了测试机测控主板上实现嵌入式操作系统u c l i n u x 加 载的经验，而且在目前u c l i n u x 版本下可以实现功能比较完善的w e bs e r v e r ，所以完全可 以实现测试机的组网功能。 6 蜀一蜀 再= 夏!汀hiiiiuu肝hiiiun 第二章测试系统方案概述及其测试机主板实现方案研究 另外，p c 机不作为测试结果的显示终端，这就需要开发测试机的本地显示功能，这就 需要测试机的嵌入式测控主扳扩展一个l c d 接口用于显示。目前已经有诸多的嵌入式应用 系统实现了l c d 的扩展显示，像在最广泛的手机显示中的应用等。嵌入式系统所扩展的 l c d 界面显示虽然无法与功能强大的通用p c 机媲美，但是对于测试结果的显示来说已经 绰绰有余。 2 2 测试机主板的嵌入式系统方案分析选择 2 2 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统体现了一种计算机技术的应用形态，一般定义为：以应用为中心、以计算 机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严 格要求的专用计算机系统”“。 嵌入式系统由嵌入式硬件与嵌入式软件组成：硬件主要包括嵌入式处理器、外围芯片 及相关支持硬件，其中高性能的嵌入式处理器是整个系统的核心；软件主要包括实时多任务 操作系统和各种专用的应用软件，一般存放在系统的内存中，其中嵌入式操作系统的选择对 于今后的应用开发影响最大。 嵌入式系统因其体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点，其应用已深入到 工业、农业、教育、国防、科研以及日常生活等各个领域。未来的几年内，各行业对信息白 动化需求不断提高，t 业现场和远程设备同样需要进行大规模的智能化的开发和改造，因而 嵌入式系统在工控界的应用前景也非常广阔“。 作为一种专用的计算机系统，嵌入式系统同我们常说的通用型计算机系统相比具有以 下特点3 ： 1 嵌入式c p u 大多工作在特定用户系统中，具有低功耗、体积小、集成度高等特点； 2 嵌入式系统和具体应用是有机结合在一起的，它的升级换代也是和具体产品同步 进行； 3 嵌入式系统中的软件般都固化在存储器芯片或单片机本身中，并且软件代码具 有高质量、高可靠性和实时性的要求； 4 嵌入式系统本身不具各自举开发能力，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 2 2 2 嵌入式处理器介绍与选型 2 2 ，2 1 主流嵌入式处理器系列简介 嵌入式领域应用的绝大多数是r i s c 指令集的处理器内核，按照内核体系结构分有 m i p s 、a r m 、p o w e r p c 、6 8 k c o l d f i r e 等系列”“。 m i p s 内核始终面向高端用户，速度高、性能优并拥有多内核集成技术，目前已跨入 了6 4 位时代。 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 内核的特点是小体积、低功耗、成本低、性价比高， 使用1 6 3 2 位双指令集，并拥有众多的合作伙伴，从而导致了大量的开发工具和丰富的第 三方资源，共同保证了基于a r m 处理器核的设计可以很快投入市场。现在a r m 已经成 为工业控制、移动通信、数字消费等嵌入式解决方案的r i s c 标准。 7 东南人学硕士学位论文 p o w e r p c 内核在高速与低功耗之间作了妥协，并集成了极度丰富的外围电路接口，已 经形成在通信领域最广泛的应用。 6 8 k 内核是最早在嵌入式领域广泛应用的内核，c o l d f i r e 继承了6 8 k 的特点并继续兼 容它。目前m o t o r o l a 公司已经发布了c o l d f i r e v 5 内核，并加上了d s p 模块、c a n 总线模 块，广泛应用于工业控制、机器人研究、家电控制等领域。 2 2 2 2 嵌入式处理器选型 随着微电子和集成电路技术的快速进步，其成本大大降低，而功能却大大扩展了。现 在，3 2 位嵌入式处理器已逐渐成为电子产品设计的主流，而3 2 位r 1 s c 处理器更是受到青 睐，领先的拦a r i v i 嵌入式微处理器系列。a r m 处理器系列为以下几个主要应用领域提供 了很好的解决方案： l 存储、自动化、丁：业控制和网络应用的嵌入式实时系统； 2 无线、消费电子和图像应用方面的开放平台； 3 智能卡和s i m 卡的安全应用。 a r m 还提供了两个前沿特性，用以辅助带深嵌入式处理器核、高集成的s o c 器件的 调试： 1 嵌入式i c e - r t 逻辑：是a r m 处理器重要的集成调试特性，允许在代码的任何部 分( 甚至在r o m 中) 设置断点： 2 嵌入式跟踪宏单元：驻留在a r m 处理器上，用以监控内部总线，并能以核速度 无妨碍地跟踪指令核数据的访问。 a r m 处理器主要有a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 e 、s e e u r c o r e 等系列，其中 a r m 7 t d m i 是一款高性能、低功耗的3 2 位r i s c 处理器内核，它结合了t h u m b1 6 位精简 指令集，使得代码能利用1 6 位宽度的存储器达到3 2 位存储器才能达到的高性能”。 本文即选用带a r m 7 t d m i 内核的s a m s u n g $ 3 c 4 5 1 0 b 处理器。作为一款低端的a r m 处理器，却具有丰富的外围、快速的处理能力、较高的可靠性和性价比，并且随着支持 n o n m m u 处理器的操作系统u c l i n u x 的不断完善，已被广泛应用在各个应用领域，尤其 是基于以太网的应用系统。 需要指出的是，前期项目使用的是处理器c o l d f i r e m c f 5 2 7 2 ，而在本课题中却并没有 继续使用，主要考虑到以下3 个方面： 1 关于m c f 5 2 7 2 的资料比较少，并且原供货方的技术支持也不足，而自行开发线路板 需要考虑工艺性，a r m3 s c 4 5 1 0 b 则不同，由于a r m 处理器的很多优点，所以其在 很多嵌入式系统中都得到了应用，可以用来参考，提高自己应用系统设计的成功率； 2 考虑到本课题中网络的应用，使用自带以太网控制器的$ 3 c 4 5 1 0 b 比需要另外扩展以 太网接口的m c f 5 2 7 2 显然方便、经济许多； 3 虽然m c f 5 2 7 2 处理器在工控、家电控制等方面发挥出色，但是其性价比较低、功耗 较高；而a r m $ 3 c 4 5 1 0 b 处理器是一款低功耗、成本低、性价比高的芯片。 所以考虑到降低测试系统的整体成本、目前实验室研发条件及a r i v l 处理器诸多的优 点，选择a r m $ 3 c 4 5 1 0 b 处理器比继续使用m c f 5 2 7 2 开发来得合适。 第二章测试系统方案概述及其测试机主板实现方案研究 2 2 3 嵌入式操作系统介绍选择 2 2 3 1 嵌入式操作系统的重要性 随着嵌入式系统软硬件技术的高速发展以及用户要求的日益提高，嵌入式系统的资源 变得愈来愈丰富一个嵌入式控制系统可能要同时控制监视很多外设，要求有实时响应、 多任务处理能力，各个任务之间有多种信息传递。如何管理和使用这些资源、完成任务的 切换成为问题。 嵌入式操作系统的出现，解决了这一问题。如同p c 机一样，系统资源大部分由操作 系统来管理，操作系统同时提供各个资源的应用接口，供应用程序开发使用。 嵌入式操作系统一方面很好地屏蔽了底层硬件资源的复杂性和差异，使开发人员更能 集中精力开发应用程序。另一方面，应用程序可以摆脱原有简单的后台循环控制方式，通 过把进程( 任务) 、信号量、任务调度等积极的概念引入到嵌入式系统中，使应用程序的编 写不再需要考虑繁琐的任务，这使得开发更加便利，程序的模块化、设备独立性等得到了 大大地提高。 嵌入式操作系统具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点。特别适合于要求 实时和多任务的体系。与通用型计算机系统相比，嵌入式系统功耗低、可靠性高、性价比 高、实时性强、占用空间小、效率高，并且支持多任务，面向特定应用，可根据具体需要 灵活定制“”。 2 2 3 2 商业嵌入式操作系统的产品介绍 在消费电子、网络应用、工业控制等方面出现了一些著名的嵌入式系统，且对主流的 3 2 位微处理器的支持都较为完备“。 1 m i c m s o t tw m c e 是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完接优先权、多任务的 操作系统，从掌上电脑到专用的工业控制器均可进行定制，但作为桌面操作系统，并 不具各和需要很强的实时性； 2 p a l mo s ，它有开放的操作系统应用程序接口( a p i ) ，开发商可以根据需要白行开发 所需要的应用程序，在p d a 市场上占有很大的市场份额； 3 q n x 是一个实时的、可扩充的操作系统，其提供了一个很小的微内核以及一些可选的 配合进程，且运行速度极快： 4 m i c r o w a v e 的o s 9 是为微处理器的关键实时任务而设计的操作系统，它提供了很好的 安全性和容错性，其灵活性和可升级性也非常突出，广泛应用于高科技产品中； 5 l y n x o s ( l y n xr e a l - t i m es y s t e m s ) 是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系 统其支持线程概念，提供2 5 6 个全局用户线程优先级； 6 是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统。它支持多种处理器， 如x 8 6 、i 9 6 0 、s u n s p a r e 、m o t o r o l a m c 6 8 x x x 、m i p s r x 0 0 0 、p o w e r p c 等，它在网 络应用，工业控制等方面表现十分出色，尤其是它的实时性与集成开发环境。 2 2 3 3 选择嵌入式l i n u x 操作系统 上述专用操作系统均属于商业化产品，价格昂贵；而且，由丁它们各自的源代码不公 9 东南大学硕士学位论文 开，使得每个系统上的应用软件与其它系统都无法兼容。并且，由于这种封闭性还导致了 商业嵌入式系统在对各种漫各的支持方面存在很大的问题，使得对它们的软件移植变得很 困难。况且对于低成本应用系统开发和实验室条件来说，动辄上千美元的软件投入，几乎 是不可能的事情。 商业化的嵌入式操作系统产品并不适合在中小型嵌入式开发项目中使用。与传统商业 操作系统相反，l i n u x 操作系统在近几年迅猛发展和不断成熟，除了在网络服务器、集群 技