（机械电子工程专业论文）基于arm和can总线的染色机温度控制系统研究.pdf

浙江理工大学学位论文版权使用授权书 1 i i i i i l l l1 1 1 1 1i i1 1 1 1i ii iiii y 17 4 7 3 5 0 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密1 3，在 不保密。 学位论文作者签名：哆l1 乏段 日期：3 , 6 矽年多月p 日 年解密后使用本版权书。 指导教师签名：帆氓 日期：p 【年；月l 堋 基于a r m 和c a n 总线的染色机温度控制系统研究 r e s e a r c ho ne m b e d d e dt e m p e r a t u r ec o n t r o lo fd y e i n gm a c h i n eb a s e do n a r ma n dc a nb u s 硕士学位论文 摘要 染整是国家经济建设的一项重要的产业，织物染色的过程主要是对温度的工艺曲线的 执行过程。温度控制的可靠与否及其控制精度的高低已成为决定织物质量的关键，温度控 制也成为生产工艺的重要组成部分。在工艺控制当中，应尽量减小其超调量、波动、响应 时间和偏差，这对产品的质量，产量和原料的节省都是及其重要的。 本文主要针对染色机的温度这个参数进行控制。全文主要包括以下几个部分：首先分 析了传统p i d 、模糊控制的优缺点以及传统p i d 和模糊p i d 自整定算法的m a t l a b 仿真 结果。在此基础上，系统选用了模糊自整定p i d 控制算法。在硬件方面，在分析了系统控 制对象的基础上，以l p c 2 2 9 0 为控制核心，运用p t l 0 0 采集温度、l c d 和触摸屏作为人 机交换平台、以p w l v l 波形输出调理电路来控制气动比例调节阀阀门的开度。软件方面， 在a r m 的集成开发环境a d s i 2 下，利用c 语言，进行了软件的设计与调试，实现了硬 件的配置和整体控制系统的功能。同时也实现了用自定义c a n 协议与染色机主控机通讯 的下位机部分程序，并将u s b c a n l l 分析仪并入c a n 网络，通过上位机监听c a n 网络数 据帧测试了其功能性。另外论文详细的给出了温度控制系统的部分功能程序模块和软件流 程。 通过在实验室对系统进行了模拟实验，该控制平台运行稳定，可靠，实现了预期的功 能，证明了将模糊p i d 算法引入间歇式染色机温度控制系统当中，改善了系统的控制效果， 具有更好的鲁棒性和自适应能力。 关键词：染色机；模糊自整定p i d 控制：a r m ；c a n b u s ：t t c o s 一 硕士学位论文 r e s e a r c ho ne m b e d d e dt e m p e r a t u r ec o n t r o lo fd y e i n gm a c h i n e b a s e do na r ma n dc a nb u s a b s t r a c t d y e i n gi n d u s t r yi sa ni m p o r t a n ti n d u s t r yo fo u rc o u n t r y t h eb a c t hd y e i n gp r o c e s si sm a i n l y t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h et e m p e r a t u r ec u r v e ，s ot h er e l i a b i l i t ya n da c c u r a c yo ft e m p e r a t u r e c o n t r o lh a v eb e c o m et h ek e yd e c i s i o nt od y e i n gp r o d u c t sq u a l i t y i nt h et e m p e r a t u r ec o n t r o l p r o c e s s ，t h eo v e r s h o o t , v o l a t i l i t y , r e s p o n s et i m ea n dd e v i a t i o ns h o u l db em i n i m i t 燃i , w h i c hi s e x t r e m e l yi m p o r t a n tt oi m p r o v et h ed y e i n gp r o d u c t sq u a l i t y , e n h a n c 宅t h ep r o d u c t i v i t ya n ds a v e t h em a t e r i a l s i nt h i sp a p e r , t h et e m p e r a t u r ef o rd y e i n gm a c h i n ei st ob ec o n t r o l l e da st h em a i nd y e i n g p a r a m e t e r t h ef o l l o w i n gs e c t i o n s a r ei n c l u d e di nt h i s p a p e r ：f i r s t l yt h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a lp i da l g o r i t h ma n dt h ef u z z y c o n t r o la l g o r i t h ma r ca n a l y z e d , a s w e l la st h em a t l a bs i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ew a d i t i o n a lp i da n dt h ef u z z yp i ds e l f - t u n i n g a l g o r i t h ma r eo b t a i n e d o nt h eb a s i so ft h ea b o v ea n a l y s i s , t h ef u z z yp i ds e l f - t u n j n ga l g o r i t h m i sc h o s e na st h et e m p e r a t u r ea l g o r i t h mo ft h i s 群i p e r n e x tt h eh a r d w a r eo ft h et e m p e r a t u r e c o n t r o l l e ri sd e s i g n e du s i n gl p c 2 2 9 0a sc p u ，t h ep t i0 0a st e m p e r a t u r es e n s o r , t h el c da n d t o u c hs a 陀龃a st h eh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n dt h ep w mw a v e f o r mo u t p u tc o n d i t i o n i n g c i r c u i tt oc o n t r o lt h eo p e n i n go fp n e u m a t i cp r o p o r t i o n a lv a l v e a sf o rt h es o r w a r e , t h ec o n t r o l s o i h a r ei sd e s i g n e dw i t hcl a n g u a g ea n dd e b u g g e du n d e rt h ea r mi n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n ta d s1 2 t h es o f t w v a r ca c h i e v e st h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o na n dt h eo v e r a l lc o n t r o l f u n c t i o n sa sw e l la st h ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o nb e t w e e nt h em a i no y e i - gc o n t r o l l e ra n dt h i s c o n t r o l l e ru s i n gac u s t o mc a n p r o t o c 0 1 a nu s bc a n ua n a l y z e ri sc o n n e c t e di n t ot h ec a n n e t w o r kf o rt e s t i n gt h ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o nt h r o u g hah o s tc o m p u t e rs o r w a r eb ym o n i t o r i n g t h ec a nn e t w o r kd a t af l a m e s a d d i t i o n a l l y , s o m em o d u l e sa n ds o , w a g ef l o wc h a r t so ft h e t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e ma r eg i v e n i nd e t a i l s o m es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t si nt h el a b o r a t o r ys h o wt h a tt h i sc o n t r o lp l a t f o r mm 璐s t a b l y a n dr e l i a b l ya n di ta c h i e v e st h ed e s i r e df u n c t i o n a l i t y i ti sp r o v e dt h a tb yi n t r o d u c i n gt h ef u z z y p i ds e l f - t u n i n ga l g o r i t h mi n t ot h eb a t c hd y e i n gm a c h i n e st e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m , t h e h 硕士学位论文 c o n t r o le f f e c ti si m p r o v e dw i t hb e t t e rr o b u s t n e s sa n ds t r o n g e rs e l f - a d a p t i v ec a p a b i l i t y k e y w o r d s ：d y e i n gm a c h i n e ；f u z z yp i ds e l f - t u n i n ga l g o r i t h m ；a r m ；c a nb u s ；p c o s i i m 硕士学位论文 目录 摘要：i a b s t r a c t i i 目j 录 第一章绪论l 1 1 课题研究的目的和意义1 1 2 温度控制器和温度控制策略国内外现状。l 1 2 1 温度控制器的国内外现状。l 1 2 2 温度控制策略的研究现状2 1 3 本文的主要研究内容4 1 4 本章小结：一4 第二章a r m 控制器及其开发5 2 1a r m 概述一5 2 2a r m 的体系结构6 2 3a r m 处理器内核6 2 4a r m 7 田d 。6 2 5 关于硬件环境的介绍7 “ 2 5 1 关于核心芯片l p c 2 2 9 0 的介绍7 2 5 2a d s 集成环境8 2 5 3e a s ym g 仿真器。10 2 6 本章小结1 l 第三章c a n 总线技术规范1 2 3 1 现场总线技术概述1 2 3 1 1 现场总线技术简介1 2 3 1 2 流行的几种现场总线1 2 3 2c a n 总线简介1 3 3 3c a n 总线工作原理1 3 3 3 1a 气n 的分层结构及功能1 3 3 3 2c a n 总线通讯协议1 4 l 、， 硕士学位论文 3 3 3 错误检测_ 1 5 3 3 3 1 错误类型1 5 3 3 3 2 错误处理1 5 3 3 4 自定义c a n 应用层。1 6 3 4 本章小结1 7 第四章模糊自整定p i d 算法研究和m a t l a b 仿真1 8 4 1 弓i 言l8 4 2p i d 控制原理。18 4 3 数字p i d 控制算法1 9 4 4 模糊控制2 0 4 5 模糊自整定p i d 控制算法2 2 4 5 1 精确量的模糊化_ 2 2 4 5 2 模糊规则的确定2 3 4 5 3 模糊推理与模糊判决2 6 4 6m a t l a b 仿真2 8 4 7 本章小结2 9 第五章系统的硬件设计。3 0 5 1 控制系统的整体结构j 3 0 5 2 温度采集模块3 0 5 2 1 传感器的选择3 0 ，5 2 2 热电阻测温的原理及特点。3 1 5 2 3 调理电路模块设计3 1 5 3p w m 输出控制电路3 3 5 4l p c 2 2 9 0 系统电路设计。3 4 5 4 1 电源电路设计3 4 5 4 2 系统时钟电路设计3 5 5 4 3 复位电路设计。3 6 5 4 4j 1 = a g 调试接口电路3 7 5 5 人机交互模块设计3 7 5 5 1 l c d 接口电路设计。3 7 v 硕士学位论文 5 5 2 触摸屏接口电路设计3 8 5 6 c a n 接口电路设计3 9 5 7 硬件抗干扰措施4 1 5 8 本章小结。4 1 第六章软件系统设计开发4 2 6 1 选择t t c o s i i 的理由及其内核分析4 2 6 1 1 选择g c o s 1 i 的理由。4 2 6 1 2l 上c o s i i 的内核分析一4 3 6 2t t c o s i i 在l p c 2 2 9 0 微处理器上的移植4 5 6 2 1t t c o s i i 的移植4 5 6 2 1 1l 上c o s 1 i 的移植条件4 5 6 2 1 2t t c o s 1 1 的移植内容及体现4 6 6 2 2 基于p c o s 建立自己的实时操作系统4 8 6 2 3l p c 2 2 9 0 的启动程序4 9 6 3 基于p c o s i i 的应用软件设计5 1 6 3 1c a n 总线的驱动程序设计。5 l 6 3 2 数据采集设计5 4 6 3 3 数据处理算法5 5 6 3 4 模糊p i d 控制算法5 6 6 3 5 人机交互设计5 6 6 3 5 1l c d 软件设计。5 6 6 3 5 2 触摸屏软件设计5 8 6 4 本章小结5 9 第七章系统调试和系统控制效果试验6 0 7 1 系统硬件调试6 0 7 1 1 液晶显示的调试6 0 7 1 2 触摸屏控制器的调试6 0 7 2 系统软件的调试。6 0 7 3 系统控制效果试验6 2 7 4c a n 通讯测试“ 硕士学位论文 7 5 本章小结6 4 第八章总结与展望6 5 参考文献6 6 致谢。6 9 攻读硕士学位期间发表论文。7 0 v 它 研 究，在工农业生产和日常生活中，对温度的测量及控制始终占据着重要地位。温度过高或 过低都会对产品的质量和产量造成影响，甚至还会使产品报废、设备损坏。因此，在国防、 军事、科学试验及工农业生产过程中，温度的测量和控铝! l 具有十分重要的作用。在材料学 领域里，由于温度是影响材料的组织结构和性能的一个十分重要的工艺参数，精确有效地 检测和控制温度，是十分有意义的。温度的测量和控制在工业生产中获得了广泛的应用， 尤其在石油、化工、电力、冶金等重要工业领域中，担负着很重要的测控任务【1 1 。 染整是纺织品的后加工工序，对开发花色品种、改善产品质量、提高纺织品的附加值 起到关键性的作用。特别是对外销产品，要求档次高、品种多、批量小、质量高、交货期 严格、组织生产工艺要求高，原料消耗高于内销，这样必须具备良好的生产设备，才能保 证很高的出口合格率，取得良好的经济效益【2 】【3 1 。 染色质量的好坏直接影响到织物的外观，因此对织物的染色过程要进行严格的控制。 影响染色效果的因素很多，主要有染液温度、浓度、时间等。其中温度是影响染色效果的 最重要因素之一，一般来说，温度高，染料的动能增加，同时因纤维膨胀，其内部空隙增 大，便于的吸附扩散，从而使上染加快，但是温度过高时，由于纤维空隙过大，染料粒子 动能过大，反而使染上纤维的部分重新溶入染液中，影响染色效果【4 】。因此染槽的温度控 制过程必须严格符合相应的工艺要求。目前采用的传统p i d 已渐渐不能满足温度控制精度 要求，因此随着自动化技术水平的提高，计算机控制的发展，设计出控制精度高，可靠性 好的染色机温度控制系统已是当前亟待解决的问题。 1 2 温度控制器和温度控制策略国内外现状 1 2 1 温度控制器的国内外现状 当今市场中温度控制成型的产品一般以单片机为控制器，由于单片机处理速度慢，功 耗低，功能少，更加重要的是其r o m 和r a m 空间比较小，不能运行较大的程序，而基 于多任务的操作系统需要的任务堆栈很多，需要的r a m 空间很大，故其在发展上受到了 很大的限制。前几年美国公司发布了高性能的c 8 0 5 1 f 系列，该产品具有速度快，强大的 l 硕士学位论文 2 1 a r m 概述 第二章a r m 控制器及其开发 a r m ( a d v a n c e x lr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一 类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥， 主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用a r m 技术知识产权( m ) 核的微处理器，即 我们通常所说的a r m 微处理器，已经遍及工业控制，消费类电子产品，通信系统，网络 系统，无线系统等各类产品市场，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 的市场分额，a r m 正逐步渗入到我们生活的各个方面。a r m 公司是专门从事 芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从 a r m 公司购买其设计的微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路， 从而形成自己的微处理器芯片进入市场，目前，全世界有几大家的半导体公司都使用a r m 公司的授权，因此既使得a r m 技术获得更多得第三方工具，制造，软件的支持，又使整 个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者接受，更具有竞争力。 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域r o 】： 1 工业控制领域：作为3 2 位的r i s c 结构，基于a r m 核的微控制器芯片不但占据 了高端微处理器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端的微控制器领域扩展，a r m 微 处理器的低功耗，搞性价比，向传统的8 位1 6 位微处理器提出了挑战。 2 无线通信领域：目前已经有超过8 5 的无线通信设备采用了a r m 技术，a r m 以 其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 3 网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐渐获得竞争优 势。此外，a r m 在语音及视频技术上得到了优化，并获得了广泛支持，也对d s p 的应用 领域提出了挑战。 4 消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器，数字机顶盒和游戏机 中得到了广泛的应用。 5 成像和安全产品：现代流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技术。手机 中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术。 一 5 硕士学位论文 准确，训练周期长，且不能提供一个明确的用于网络知识表达的框架。 通过分析系统的特点和比较各控制算法的优劣，本系统拟采用模糊自整定p i d 控制算 法，利用技术人员丰富的工作经验和大量的现场数据归纳模糊规则，建立智能的、较完善 模糊控制表，在控制算法上完善对系统的控制。 1 3 本文的主要研究内容 本文致力于基于a r m 和c a n 总线的染色机温度控制系统( 染色机控制系统的c a n 总线节点) 的研究，以a r m 为核心控制芯片，提出系统的整体设计方案，并对系统的软 硬件做了详细说明。简述如下： ( 1 ) 运用p t 0 0 温度采集调理电路实现对温度值的采样，并通过软件进行数字滤波。 ( 2 ) 以模糊控制理论为基础，运用模糊一p d 算法，实现对染色机的温度控制。 ( 3 ) 以l p c 2 2 9 0 为核心控制芯片，进行嵌入式温度控制系统硬件和软件的设计。 ( 4 ) 采用c a n 通讯接口模块，运用自定义的c a n 应用层协议实现染色机温度控制系 统的通讯。 1 4 本章小结 本章主要论述了论文的研究背景及意义，接着简单介绍了温度控制器和温度控制策略 的国内外研究现状及发展趋势，最后介绍了本文的主要研究内容。 4 硕士学位论文 的温度数据，依据智能控制或统计过程控制等策略来控制温度【l 1 1 ，本文研究的控制策略 属于有模控制的一种。 在模型的基础上研究控制策略是经典控制理论的研究重点之一，在很多方面发展比较 成熟，在工程中发挥了巨大的作用，如：专家控制系统、积分分离控制算法、s i m t h 控制 算法等。但针对大滞后，强耦合、多干扰i 参数时变的温度控制系统来说可以研究一些p i d 参数自整定的算法，譬如：模糊自整定、b p 神经网络、遗传算法等【协1 4 1 。 自整定的含义是控制器的参数可根据用户的需要自动整定，不再需要人为干预，只需 用户发送一个命令来启动自整定过程。该技术是为了解决p i d 参数整定困难这个问题而产 生的。将受控对象特性的确定和p i d 控制器参数的计算方法结合起来就可实现p i d 控制器 的自整定。 由于温度控制器要控制各种各样的受控对象，这些受控对象的特性千差万别、各不相 同，甚至同一受控对象的特性由于环境的影响、器件的老化以及处于不同的工作状态，也 会发生变化。这就使得p i d 白整定控制的难度越发加大。如何对不同控制对象实现理想的 控制，是当今控制领域的一个难题和研究的热点。 国内外关于p i d 参数整定方法已有一些综述文犁1 5 1 7 】。a s t r o m 和h a g g l u n d 于1 9 8 8 年 还出版了专著( 口m 控制器自整定【堋。但是同其它控制方法一样，几十年来，p i d 控制 的参数整定方法和技术也处于不断发展中，特别是近年来，国际自动控制领域对p i d 控制 的参数整定方法的研究仍在继续，许多重要国际杂志不断发表新的研究成果。 自z i e g l e r 和n i c h o l s 1 9 】提出p i d 参数整定方法起，有许多技术己经被用于p i d 控制器 的手动和自动整定。根据发展阶段的划分，可分为常规p i d 参数整定方法及智能p i d 参数 整定方法；按照被控对象个数来划分，可分为单变量p i e ) 参数整定方法及多变量p i d 参数 整定方法，前者包括现有大多数整定方法，后者是最近研究的热点及难点：按控制量的组 合形式来划分，可分为线性p i d 参数整定方法及非线性p i d 参数整定方法，前者用于经典 p i d 调节器，后者用于由非线性跟踪一微分器和非线性组合方式生成的非线性p i d 控制器。 本系统研究的对象是大染缸，其缸体的数学模型是不能精确建立的，而模糊控制不需 要知道对象的精确数学模型，它依据一些由人们总结出来的描述各种因素之间相互关系的 模糊性语言经验规则，并将这些经验规则上升为简单的数值运算，便于让机器代替人在相 应问题面前具体地实现这些规则。模糊技术不仅能处理精确信息，也能处理模糊信息或其 它不明确信息，能实现精确性联想及映射；神经网络具有自学习能力和大规模并行处理能 力，在认知处理、模式识别方面有很强的优势，但是其结构难以确定，训练样本要求多且 3 硕士学位论文 模拟信号处理功能，先进的j t a g 调试功能，强大的控制功能丰富的串行接口，r o m 和 r a m 空间大等优点，与标准5 1 系列单片机相比，具有更高的性能1 5 1 o 1 。a r m 提供一种嵌 入式应用的有效的解决方案，以其成熟的结果标准，有效的3 2 位r i s c 结构，优秀的代码 密度，可能的低成本，执行高度稳定等特性，成为市场所认可，现在国内外很多温度控制 系统采用a r m 做为处理器，提供了有价值的参考1 7 1 。在染色机温度控制系统上植入嵌入 式实时操作系统u c o s i l t s l ，搭建了一个任务管理平台，通过实时内核来对任务进行调度、 管理，完成对染色机温度的采集、控制与染色机主控器的通讯等任务，采用u c o s i i 为基 础操作平台的设计工业控制系统可以克服传统的采用前后台控制和中断响应方式所难以 很好解决的实时响应差、控制效率低的缺点。染色机温度控制系统利用自定义的c a n 协 议通c a n 总线与染色机主控制系统进行通信。c a n 具有十分优越的特点，其这些特性包 括： 1 低成本； 2 极高的总线利用率； 3 很远的数据传输距离( 长达1 0 k i n ) , 4 高速的数据传输速率( 高达1 m b i t s ) ； 5 可根据报文的决定接收或屏蔽该报文： 6 可靠的错误处理和检错机制； 7 发送的信息遭到破坏后，可自动重发； 8 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能； 9 报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。 c a n 协议是在s l o o s i 模型基础上建立的，它可由c a n 控制器芯片及其接口芯片来 实现，从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期，这些是只仅仅有电气协议的r s - 4 8 5 所 无法比拟的。另外，与其它现场总线比较而言，c a n 总线是具有通信速率高、容易实现、 且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线唧。这也是目前c a n 总线应用于 众多领域，具有强劲的市场竞争力的重要原因。 1 2 2 温度控制策略的研究现状 温度控制策略方面的研究主要分为有模控制和无模控制两种，有模控制的控制模型是 前人或自己推导的模型，或假设为一个一阶惯性加延时环节模型，或者建立出较为精确的 数学模型，在此模型的基础上研究经典控制策略来控制温度：另外一种是根据现场采集到 2 硕士学位论文 2 2a r m 的体系结构 a r m 是精简指令集计算机( r i s e ) ，其设计实现了外观非常小但是性能高的结构。a r m 处理器结构的简单使a r m 的内核非常小，这样使器件的功能也非常低。它集成了非常典 型的r i s c 结构特点： 1 体积小，功耗低，低成本，高性能 2 装载保存结构，数据处理的操作只针对寄存器的内容，而不直接对存储器进行操作。 3 简单的寻址模式，所有装载保存的地址都只由寄存器内容和指令域决定。 4 统一和固定长度的指令域，简化了指令的译码。 5 每一条数据处理器指令都对算术逻辑单元( 址u ) 和移位器控制，以实现对址u 和 移位器的最大利用。 6 地址自动增加和自动减少的寻址模式实现了程序循环的优化。 7 多寄存器装载和存储指令实现最大数据吞吐量。 8 所有指令的条件执行实现最快速的代码执行。 这些在基本r i s c 结构上增强的特性使a r m 处理器在高性能，低代码规模，低功耗 和小的硅片尺寸方面取得良好的平衡。 2 3a r m 处理器内核 a r m 公司开发了很多系列的a r m 处理器核，目前最新的系列已经是a r m l l 了，而 且a r m 6 核及更早的系列几经很罕见了，a r m 7 以后的核也不是都获得广泛应用。目前， 应用比较多的是a r m 7 系列，a r m 9 系列，a r m 9 e 系列，a r m l 0 系列，s e c u r c o r e 系列 和i n t e l 的s t r o n g a r m ，x s c a l e 系列。 2 4a r m 7 t d t 咀 a r m 7 t d m i 基于a r m 体系结构v 4 版本，是目前低端a r m 核，具有广泛的应用， 其最显著的应用为数字移动电话。 a r m 7 t d m i 是从a r m 6 核发展而来的。a r m 6 核最早实现了3 2 位地址空间编程模式， 但现在已经被取代。a r m 6 所使用的电路技术使它很难在低于5 v 的电源电压下稳定工作。 a r m 7 弥补了这一不足，且短时间增加了“位乘法指令( 带m 后缀) 、支持片上调试( 带 d 后缀) 、高密度1 6 位的t h u m b 指令机扩展( 带t 后缀) 和e m b e d e a i c e 观察点硬件( 带 i 后缀) ，形成了a r m 7 聊。 6 硕士学位论文 a r m 7 i d m i 处理器是a r m 通用3 2 位微处理器家族的成员之一。a r m 7 处理器具有 优异的性能，但功耗却很低，使用门的数量也很少。a r m 结构是基于精简指令集计算机 原理而设计的。指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单的多。这样的简化实 现了： 高的指令吞吐量 出色的实时中断相应 小的、高性价比的处理器宏单元 a r m 7 t d m i 处理器使用流水线来增加处理器指令流的速度。这样可使几个操作同时 进行，并使处理和存储器系统连续操作，能提供0 9 m i p s m h z 的指令执行速度。流水线使 用3 个阶段，因此指令分为3 个阶段执行：取址，译码，执行。3 阶段流水线如图 2 1 所示。在正常操作过程中，在执行一条指令的同时，对下一条指令进行译码，并将第 三条指令从存储器中取出【2 1 1 。 a r mt h u m b p c p c p c 一4p c 2 p c 8p c _ 4 取指 占 译码 上 执行 图2 1 指令流水线 2 5 关于硬件环境的介绍 2 5 1 关于核心芯片l p c 2 2 9 0 的介绍 l p c 2 2 9 0 是一款基于1 6 3 2 位a r m 7 t d m i - s ，并支持实时仿真和跟踪的c p u 。对代 码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ，而性能的损 失却很小圈。l p c 2 2 9 0 采用1 4 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、8 路1 0 位a d c 、 2 路高级c a n 通道、p w m 通道以及多达9 个的外部中断，这款微控制器特别适合自动化 应用，它们还适用于工业控制、医疗系统、访问控制和故障容限维护总线等应用领域。通 过总线的设置，l p c 2 2 9 0 拥有7 6 个g p i o 。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非 7 硕士学位论文 常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的应用。其特 性如下： 进行调试时，中断服务程序可继续运行： 1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s 核，l q f p l 4 4 封装； e m b e d d e di c e - r t 可实现断点和观察点。当使用片内r e a l m o n i t o r 软件对前台任务 1 6k b 片内s r a m ； 片内b o o t 装载程序可通过u a r t 0 提供在系统下载及编程特性； 2 路互连的c a n 接口，带有先进的验收滤波器，另有2 路u a r t ( 1 6 c 5 5 0 ) ，高速 n c ( 4 0 0 k b i t s ) 及2 路s p i 总线； 8 路1 0 位a d 转换器，转换时间低至2 4 4 螂； 2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路输出) 、实时时钟 和看门狗：向量中断控制器。可配置优先级和向量地址；可设置的外部存储区( 寻 址最大范围为1 6 m b ，支持8 1 6 3 2 位数据宽度) ； 多达7 6 个通用i o 口( 可承受5 v 电压) ，9 个边沿或电平触发的外部中断引脚； c p u 工作晶振最大为6 0 m h z ，并内嵌可编程锁相环p l l ： 片内晶振频率范围：l 3 0m n z ； 两种低功耗模式，空闲掉电； 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒； 双电源一c p u 操作电压范围：1 6 5 1 9 5v ( 1 8v o 1 5 ；一i o 操作电压范围： 3 6v ( 3 ov 1 0 哟，可承受5 v 电压。 外设功能可单独使能禁止，实现功耗最优化； 2 5 2a d s 集成环境 a d s 集成开发环境是a r m 公司推出的a r m 核微处理器集成开发工具，英文全称为 a r m d e v e l o p e rs u i t e ，用来取代删公司以前推出的开发工具删s d t 。现在比较成熟 的版本是a d s l 2 。它是一种快速而节省成本的完整软件开放解决方案。支持a r m l 0 之前 的所有a r m 系列微控制器，支持软件调试及j t a g 硬件仿真，支持汇编、c 、c 卜 源程序； 具有编译效率高、系统库功能强等特点；可以在w m d o w s9 8 、w m d o w s x p 、w m d o w s 2 0 0 0 、 以及r e d h a tl i n u x 上运行田】。 a r m 的a d s1 2 集成开发环境由以下6 个部分组成：代码生成工具、集成开发环境、 3 硕士学位论文 调试器、指令模拟器、a r m 开发包和a r m 应用库。 o ) 代码生成工具： 代码生成工具由源程序编译、汇编、链接工具组成，包括a r m 汇编器、a r m 的c c + + 编译器、t h u m b 的c c + + 编译器和a r m 连接器；使用时，它们由集成开发环境c o d e w a r r i o r i d e 调用。 ( 2 ) 集成开发环境： c o d ew a r r i o ri d e 是m e t r o w e r k s 公司一套比较有名的集成开发环境，完成工程管理、 编译链接等功能，它是一个直观、易用的环境，并集成所有a r m 开发工具。c o d ew a r r i o r i d e 包括工程管理器、代码生成接口、语法敏感编辑器、源文件和类浏览器、源代码版本控制 系统接口以及文本搜索引擎等。工程管理器有直观的g u i ，可通过底层目录结构来简单地 管理复杂的工程。强大的内置编辑器是编写软件的理想工具。可配置的接口让用户可根据 喜好裁减外形，以提高效率。c o d ew a r r i o ri d e 的功能与v i s u a l s t u d i o 相似，但界面风格比 较独特。 ( 3 ) 调试器： a d s 中包括3 个调试器，完成仿真调试功能：a r m 扩展调试器a x d ( a r me x t e n d e d d e b u g g e r ) 、与以前兼容的w m d o w s t 的a r m 调试器用u n i x 下的删调试器( a d w a d u ) 和a r m 符号化调试器a r m s d ( a r ms y m b o l i cd e b u g g e r ) 。 a x d 基于w