（控制理论与控制工程专业论文）基于epa的无线局域网测控系统的开发.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 本文设计依据用于工业测量与控制系统的e p a 系统结构与通信规范，采 用无线局域网技术( i e e e s 0 2 1 l b ) 开发设计了3 种相关设备来组成具有自身特 色的e p a 无线局域网测控系统。 本文主要包括以下四个方面的内容： 1 绪论部分主要介绍了本文的选题背景，同时简要介绍了e p a 标准、 i e e e 8 0 2 1 1 b 技术的一些知识，最后分析了e p a 无线现场设备的一些优势； 2 论述了基于e p a 的无线局域网的整体设计方案以及基于e p a 的无线网 关、基于e p a 的无线手持终端和基于e p a 的无线温度变送器的硬件设计方案； 3 简要介绍了m p c 8 5 2 t 和$ 3 c 2 4 1 0 微处理器的结构，详细论述了系统中 这三款设备的硬件实现。结合这三款设备的研发过程，分析和总结了制作印制板 需要注意的相关事项和遵守的相关原则。最后根据自己的一些体会简要叙述了硬 件的基本调试方法； 4 开发了基于e p a 的无线局域网测试系统，并对无线链路性能和无线传输 速率、e p a 报文生成和解析等内容进行了测试，测试表明系统能按照设计要求正 常工作。 。j 通过以上内容的研究及测控系统的实现，验证了基于e p a 的无线局域网测 控系统设计的可行性和正确性。 关键词：e p a ，无线局域网，m p c 8 5 2 t ，$ 3 c 2 4 1 0 ，以太网 重庆邮电大学硕士论文 a b s w a e t a b s t r a c t b a s e do i l e p as y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dc o m m u n i c a t i o ns p e c i f i c a t i o nf o ru s el n i n d u s t r i a lc o n t r o la n dm e a s u r e m e n ts y s t e m ，as p e c i a lw i r e l e s st e s ta n dc o n t r o l s y s t e mo ne p a ih a v ed e v e l o p e dc o n s i s to fs o m es p e c i a ld e v i c e sw i t he p a p r o t o c o l u t i l i z i n gi e e e8 0 2 1 l bt e c h n o l o g yo f 、札a n 确et h e s i si sm a i n l yc o m p o s e do f f o u rp a r t sw h i c hc a nb ei n t r o d u c e da sf o l l o w i n g ： 1 1 1 1 ef i r s tp a r ti sp r e f a c e i n t r o d u c e sm a i n l yt h eb a c k g r o u n dr e l a t e dt ot h i sp a p e r , m e a n w h i l ei n t r o d u c e ss i m p l ye p as t a n d a r da n di e e e 8 0 2 1i bt e c h n o l o g y f i n a l l y e x p l a i n ss i g n i f i c a n c eo f t h i sp a p e rb yd e s c r i b i n ga d v a n t a g eo f w i r e l e s sf i e l dd e v i c eo n e p a 2 ，i n t r o d u c e sm a i n l yt h ed e s i g nt h o u g h to ft h et o t a lt e s ta n dc o n t r o ls y s t e m , p u t f o r w a r dt h ed e s i g np l a nf o r8 0 2 1 l bg a t e w a yo ne p a ，8 0 2 1l bt e m p e r a t u r ew a u s m i r t e r a n d8 0 2 1 l bh a n d s e to ne 队o f c o u r s e p a p e ri n c l u d e ss o m eb a c k g r o u n dk n o w l e d g e w h i c hw i l lb ei n v o l v e di nt h i sp a p e r 3 i n t r o d u c e ss i m p l yt h ea r c h i t e c t u r eo f m p c 8 5 2 ta n d $ 3 c 2 4 1 0 a n dt h e nd i s c u s s e s h a r d w a r ed e s i g no f t h e s ed e v i c e si nd e t a i l s a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s so f t h e s ed e v i c e s d e s i g n ，c o n c l u s i o ni sm a d ea b o u tr u l e sa n dc o r r e l a t i o np r o c e e d i n gf o rd e s i g n i n gp c b a tl a s t , p a p e ri n t r o d u c e sd e b u g g i n gm e t h o do f h a r d w a r e 4 i n t r o d u c e si m p l e m e n t i n g ，t e s tm e t h o da n dt e s tr e s u l tf o rw l a nt e s ta n dc o n t r o l s y s t e mo ne p a ，t e s t sw i t h e rt h es y s t e mi sa c c o r d i n gt oi n i t i a ld e s i g np l a n c o n t e n t so f t e s tc o n c l u d ew i r e l e s sn e t w o r kl i n kt e s t , t r a n s m i t t i n gr a t e e p at e s ta n ds oo n f o rt h ec o n t e n t sa n di m p l e m e n to ft e s ta n dc o n t r o lm e n t i o n e da b o v ea l l ，p a p e r t e s t i t i e st h ep o s s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo f w l a nt e s ta n dc o n t r o ls y s t e mo ne p a k e yw o r d s ：e p a ，w l a n ，m p c 8 5 2 t ，s 3 c 2 4 1 0 ，e t h e m e t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得重废鲣电盔堂或其他教 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谢意。 学位论文作者签名：铆臼1 签字日期：? 口一犀历，乎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重鏖邮电盔堂 有关保留、使用学位论文的规 定，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，允许论文被查 阅和借阅。本人授权重废壑立太堂 可以将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、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 。 导师签名： 签字日期：谚1 月年 心i a 月 锄一 孙 签 ： 者 期 作 日 文 字 论 签 位学 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 目前世界上出现的多种现场总线标准，无法统一和混用，并导致现场总线难 以得到大面积推广，而以太网等商用主流通信技术却在工业企业综合自动化系统 中的高层网络( 控制层和信息管理网) 应用非常广泛，并有向下延伸直接应用于 现场设备间通信的趋势。在这种大趋势背景下，用于工业测量与控制系统的e p a 系统结构与通信规范即e p a 标准，针以工业测量与控制系统网络通信特点， 以工业控制为应用对象，以以太网、无线通信技术、t c p i p 为基础，在m a c 层 与网络层之间定义了e p a 通信调度管理实体，并定义了应用层服务与协议规范， 实现了各网络层次上的信息集成。本文研究的主要内容就是基于e p a 的无线局 域网测控系统的硬件设计，其中无线传输部分选用的是采用i e e 8 0 2 1 l b 技术的 通信网卡。 ，。 1 1 1e p a 标准简介 在国家8 6 3 计划的连续滚动支持下，重庆邮电大学作为核心单位参与制定 了国家标准一一用于工业测量与控制系统的e p a ( e m e m e t f o r p l a n t a u t o m a t i o n ) 系统结构和通信标准( 简称“e p a 标准”) ，在此基础上形成的6 5 c 3 5 7 n p 以 9 5 8 的得票率被国际电工委员会i e c 发布为i e c p a s6 2 4 0 9 、作为第十四类型 列入实时以太网国际标准i e c6 1 7 4 8 2 、即将作为第十四类型列入现场总线国际 标准正c6 1 1 5 8 ( 修订版) 。 基于高速以太网技术的e p a 现场总线控制设备的开发成功，填补了国内空 白，技术达到了国际先进水平。用于工业测量与控制系统的e p a ( e t h e r n e tf o r p l a n ta u t o m a t i o n ) 系统结构和通信标准是我国第一个拥有自主知识产权的现 场总线国家标准，也是我国第一个被国际认可和接收的工业自动化领域的标准。 该产品的研制成功，改变了我国在工业数据通信方面长期处于跟踪研究的现状， 改变了现场总线技术开发难度大、技术要求高、难以产业化的局面，对推动我国 工业自动化仪表与控制系统产品的研究开发将起到积极作用。 e p a 是e t h e r n e t 、t c p i p 等商用计算机通信领域的主流技术直接应用于工 业控制现场设备间的通信，并在此基础上，建立的应用于工业现场设备间通信的 开放网络通信平台。 “用于工业测量与控制系统的e p a ( e m e m e tf o rp l a n t a u t o m a t i o n ) 系统结构 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 和通信标准”( 简称“e p a 标准”) 是一种基于以太网、无线局域网、蓝牙等信息 网络通信技术的适用于工业自动化控制系统装置与仪器仪表间、工业自动化仪器 仪表相互问数据通信的工业控制网络通信标准。e p a 设备有三种接入方式：蓝牙 无线技术接入，无线局域网接入和以太网接入。现场设备可以通过这三种接入方 式，实现现场设备之间的有线和无线信息传输，也实现了各个网络层次的信息无 缝集成和透明访问，即所谓的“e ( e t h e m e t ) 网到底”1 1 】。由于将工业控制网络 和信息网络技术有机结合起来，用户可以通过以太网使用浏览器等通用工具，通 过其权限远程访问现场设备。 1 1 2l e e e 8 0 2 1 1 b 技术简介 无线局域网是9 0 年代计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它提供了 使用无线多址信道的一种有效方法来支持计算机之间的通信，并为通信的移动 化、个人化和多媒体应用提供了潜在的手段。 1 9 9 9 年8 月，8 0 2 1 1 标准得到了进一步的完善和修订，包括用一个基于s n m p 的m i b 来取代原来基于o s i 协议的m i b 。另外还增加了两项内容，一是8 0 2 1 1 a ， 它扩充了标准的物理层，频带为5 g h z ，采用q f s k 调制方式，传输速率为6 m b s - - 5 4 m b s 。它采用正交频分复用( o f d m ) 的独特扩频技术，可提供2 5 m b p s 的 无线a t m 接口和1 0 m b p s 的以太网无线帧结构接口，并支持语音、数据、图像 业务。这样的速率完全能满足室内、室外的各种应用场合。但是，采用该标准的 产品目前还未被大规模采用，另一种是8 0 2 1 1 b 标准，在2 4 g h z 频带，采用直 接序列扩频( d s s s ) 技术和补偿编码键控( c c k ) 调制方式。该标准可提供1 1 m b s 的数据速率，还能够根据情况的变化，在1 lm b p s 、5 5m o p s 、2m o p s 、1m b p s 的不同速率之间自动切换，它从根本上改变无线局域网设计和应用现状，扩大了 无线局域网的应用领域。另外近几年发展起来的8 0 2 1 1 9 标准，它折中了前面两 种技术特点，是一种全新的无线局域网通信技术，也是目前大力在推广的一种。 现在大多数厂商生产的无线局域网产品都只是基于8 0 2 1 1 b 标准，无论从成本、 技术成熟性以及驱动支持操作系统的广泛性都是本文设计采用8 0 2 1 1 b 标准作为 无线通信方式的一个重要依据。 利用i e e e 8 0 2 1 l b 移动用户能够获得同1 0 m b p s 有线以太网相近的性能、网 络吞吐量、可用性；可以非常便捷地以无线方式连接网络设备；可随时、随地、 随意地访问网络资源，是现代数据通信系统发展的重要方向。无线局域网可以在 不采用网络电缆线的情况下，实现网络设备互联功能啪”捌。 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 3 基于e p a 的8 0 2 11 b 现场设备的优势 开发e p a 现场无线设备，可以满足国内市场的需求，有着广阔的应用前景。 i e e e 8 0 2 1 l b 无线e p a 设备具有以下一些优势： 1 采用e p a 标准可以实现水平和垂直层面的信息集成，使现场设备之间可 以进行信息互访和互操作： 2 现场设备无需电缆即可与控制网络连接，组网灵活、方便，同时又增加 了现场设备的灵活性和移动性； 3 便于与原有控制网络的整合。设备无需布线便可安装于现有环境，减少 了系统的维护费用； 4 对于一些远程控制，采用i e e e 8 0 2 1 i b 无线技术可扩大控制范围、延长 控制距离；对于在一些不可预知的环境，尤其是不适于布线的强腐蚀恶劣环境， 可以使用无线通信来完成对现场设备的控制； 5 基于e p a 的i e e e 8 0 2 1 i b 设备采用总线供电技术，简化了现场布线。 在e p a 网络中引入i e e e 8 0 2 1 l b 无线技术，设计出无线工业控制网络通信 体系，既是降低投资成本的需要，也是解决现实问题的迫切要求。 1 2 本文主要研究内容 本文的研究主要包括以下3 个方面的内容： 1 介绍了整个测控系统的设计思路； 2 详细介绍了这三款设备的硬件实现方法。分析和总结了制作印制板一些 则，最后简要叙述了硬件的调试方法； 3 介绍了基于e p a 的无线局域网测控系统的实现、测试方法及测试结果， 测试被测试系统是否达到设计要求。 1 3 本章小结 本章介绍了本文的研究背景、i e e e 8 0 2 1 l b 技术、e p a 标准。根据i e e e 8 0 2 1 l b 的技术特点，指出开发e p a 无线现场设备的重要性，接着介绍了本文主要研究 的内容。 重鏖邮皇查学畦论文第二章基于e p a 的无线局域网测控系统的设计方案 第二章基于e p a 的无线局域网测控系统的设计方案 2 1 基于e p a 的无线局域网测控系统的整体设计方案 本文设计的e p a 无线局域网测控系统中的设备包括一个无线网关，一个无 线手持终端和一个无线温度变送器。这些设备从功能上可以划分为三个部分：核 心控制部分，外围接口部分和电源模块部分。控制核心部分主要负责l i n u x 操作 系统的正常运行、读写f l a s h 存储器和s d r a m 存储器、实现特定接口功能及执 行相关控制信息；接口部分主要是用来扩展核心控制部分的功能，同核心部分形 成一套完整的硬件设备：电源模块部分主要完成系统中硬件设备的供电功能。图 2 1 为该测控系统的总体规划方案，上位机是一台安装了w i n d o w sx p 并且运行 了o p c 软件的普通p c 机，网络交换机是一个3 1 6 口具备以太网供电的设备， 上位机可以使用其中不带以太网供电的第一端口或者第2 端口。 上位机 l 嘲 e e p a 无线手持终端 图2 1 测控系统的整体设计方案 2 系统中设备的硬件设计方案 2 2 1 无线网关的硬件设计方案 无线网关在整个测控系统中是作为无线和有线以太网连接的一个设备，同其 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章基于e p a 的无线局域网测控系统的设计方案 他的无线设备构成一个“基础网络模式”的组网方式，所有的数据都必须通过它 进行转发，无线网关设计的可靠性和安全性对整个网络的运行十分重要。综合考 虑无线网关设备的应用领域、功耗要求、应用成本及开发的难易程度等因素，处 理器选用了m o t o r o l a 公司推出的3 2 位高性能嵌入式处理器m p c 8 5 2 t 作为无线 网关的处理器【3 2 】。设计的无线网关的以太网接口传输速率为1 0 m b p s ，供电采用 + 2 4 v 的以太网供电，无线部分的接口采用p c m c i a 接口方式，并且设计了用作 调试的通信口r s 2 3 2 和b d m 。图2 2 为无线网关硬件的总体设计。 旺s e t 电路 及时钟电 路 嚣装孔陌丽磊磊接口及控制卜一以忑网儇电磋职 电路i m p c 8 5 2 t p c m c i a 无线网卡 亟圃 面而嗣 图2 2 无线网关的硬件设计 2 2 2 无线手持终端的硬件设计方案 无线手持终端主要用在现场工业环境中对设备的数据进行及时采集和分 析。本文设计的无线手持终端主要是对无线温度传感器的温度数据进行采集和分 析，并且显示出来。该手持终端必须小巧便于携带，并具有良好的显示效果和强 大的数据处理能力，综合考虑无线手持终端的这些要求，处理器选用的是 s a m s u n g 公司推出的一款专门用于手持开发的芯片$ 3 c 2 4 1 0 ( a r m 9 ) 。图2 3 为手 持终端硬件的总体设计。 圄早1 一 周奸上、( 面困 “ i $ 3 c 2 4 1 0 卜面历百 忑：= ： - jl f 磊蒺i 嘉罚 图2 3 无线手持终端的硬件设计 该无线手持终端采用4 2 v 的手机电池供电，无线部分采用的是u s b 无线网 卡，采用带触摸的l c d 显示屏，便于现场的操作和数据的查看，另外由于无线 终端需要处理的数据量比较大，在内存的考虑上都留足了空间便于应用程序、驱 动程序以及l i n u x 的运行。考虑到程序调试的方便性、烧写代码的快速性，此手 5 羔 重庆邮电大学硕士论文 第二章基于e p a 的无线局域网测控系统的设计方案 持终端还设计了一个1 0 0 的以太网口，r s 2 3 2 口和j t a g 口用作调试。 2 2 。3 无线温度变送器的硬件设计方案 尢线温度传感器在工业士兕场设备中主要是采集温度数据，并且负责把现场的 温度数据按照e p a 通信格式生成相应报文以无线方式向无线网关和无线手持终 端发送。同样无线温度变送器也需要具有强大的数据处理能力和足够的空间来运 行程序，在处理器上同样选用$ 3 c 2 4 1 0 。图2 4 为无线温度变送器硬件的总体设 计。 圄早，一 周奸工卜伍赢鬲口 。；i $ 3 c 2 4 1 0h m 萎昙黧娥l * r _ ir - 夺谱墨l 鬯竺! r 一1 卜产= 霉蚕磊气 图2 4 无线温度变送器的硬件设计 无线温度变送器在很多部分的设计与无线手持终端相同，硬件上只是表现在 外围接口电路部分的一些不同。 在开发无线终端和无线温度变送器的时需要注意的问题是：接口板作为核心 板功能扩展的接口，是通过d i m m l 4 4 的标准插座与核心板相连，用户可以通过 这一接口板扩展出所需要的l c d 显示屏、用作调试的1 0 0 m 以太网接口、r s 2 3 2 串口、用于设备连接的u a r t 口以及u s b 接口等等。由于$ 3 c 2 4 1 0 的主频在 2 0 3 m h z ，系统总线频率在1 0 0 m h z ，d i m m l 4 4 插座质量的好坏尤为重要，否则 程序运行的时候很容易“死机”。 2 3 系统中设备的软件设计方案 系统所有设备选用l i n u x 操作系统，主要原因是：低成本、开放源代码、 能够容易定制自己需要的设备。下面将对嵌入式l i n u x 系统、本测控系统中设 备的软件总体架构、设备的软件开发模式以及代码的烧写进行简单的介绍。 2 3 1l i n u x 操作系统简述 m p c 8 5 2 t ，$ 3 c 2 4 1 0 作为嵌入式芯片可实现多任务操作，并支持多种内存 映射方式，完全可以运行实时多任务操作系统，以满足通信控制设备所要求的实 6 重庆邮电大学硕士论文第二章基于e p a 的无线局域网测控系统的设计方案 时性。而嵌入式l i n u x 操作系统以价格低廉，功能强大又易于移植而被广泛应用。 l i n u x 是个和u n i x 相似，以核心为基础的，完全内存保护，多任务、多进程的 操作系统，支持广泛的计算机硬件，包括p o w e r p c ，a r m ，x 8 6 ，m i p s ，p p c 等现有的大部分处理器i l ”。 l i n u x 操作系统之所以能在应用上取得飞速发展，与它自身的优良特性有着 不可分割的关系： 开放性：开放性是指系统遵循世界标准规范： 多用户：多用户是指系统资源可以被不同用户各自拥有使用，每个用户对自 己的资源有特定的权限，互不影响； 多任务：l i n u x 系统调用每一个进程平等地访问处理器： 良好的用户界面：l i n u x 向用户提供了两种界面：用户界面和系统调用，传 统的用户界面是基于文本的命令行界面，系统调用给用户提供编程时使用的界 面，l i n u x 还为用户提供了图形用户界面； 设备独立性：设备独立性是指操作系统把所有外部设备统一当作文件来看 待，l i n u x 是具备设备独立性的操作系统，内核具有高度的适应能力； 丰富的网路功能：完善的内置网络是l i n u x 的一大特点，支持i n t e m e t ，文 件传输，远程访问是其主要的网络功能； 可靠的系统安全：l i n u x 采取了许多安全技术措施； 良好的可移植性：l i n u x 操作系统可以从一个平台转移到另一个平台仍能按 其自身的方式运行1 7 j 【引。 l i n u x 内核是l i n u x 操作系统的核心部分，它是抽象的资源操作到具体硬 件操作的接口，它负责进程管理、内存管理、文件系统管理以及设备驱动管理和 网络接口 1 8 1 。图2 5 为l i n u x 内核结构。 应用层 内核层囤圆圈囤回 硬件层 图2 5l i n u x 内核结构 1 进程管理 内核负责创建和终止进程，并处理它们和外部的输入输出，内核还处理进程 之间的通信，负责进程调度。 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章基于e p a 的无线局域网测控系统的设计方案 2 内存管理 使用内存的策略是影响系统性能的关键。内核为每个进程在有限的可用资源 上建立了虚拟地址空间。内核的各个部分通过一系列的函数与内存管理子系统交 互。 3 文件系统 在l i n u x 中几乎所有的东西都可看作是文件。内核在非结构的硬件上建立 起了结构化的文件系统，这个抽象的文件被l i n u x 系统广泛的应用。l i n u x 通 过虚拟文件系统可支持多种文件系统类型。 4 设备控制 每种系统操作最后都要映射到物理设备上。除了处理器、内存和少数其它硬 件外，其他设备的控制操作都是由设备驱动程序来实现的。 5 网络 网络接1 3 提供对各种网络协议和网络硬件设备的支持嗍。 ”锭鼽， 2 3 2 系统中设备的软件架构 本文中设备的整个软件构架主要是由三部分组成( 如图2 6 所示) ：操作系 统、接口驱动程序和应用程序。l i n u x 内核是l i n u x 操作系统的核心部分，它 主要负责进程管理、内存管理、文件系统管理以及设备驱动管理和网络接口，其 中驱动程序包含了针对本文所设计的硬件系统的所有硬件设备的驱动。基于a p i ( 应用程序接口) ，可以开发出基于l i n u x 系统的各种应用程序。 应用程序 a p i 操作系统 l ! ! 翌! ! 坚! ii ! ! 堡坚堡i 匝圃臣巫亟习臣垂困 ( 无线手持终端)( 无线温度变送器) a f i ( 应用程序接口) l i n u x 系统 lb 圜兰壁u s 网幽曝翮 l 无线手持和l i 苎兰! 查i i 垄堡墨壅ii 坚奎旦l 厂可面开 i l c d * u 蝴i 一型 l ! 垂垡王量! i i 歪堡旦ii 皇旦矍垫i 设备硬件系统 图2 6系统设备的软件架构 重庆邮电大学硕士论文 第二章基于e p a 的无线局域网测控系统的设计方案 在本文设计的所有设备中，l i n u x 系统内核需要加上文件系统，硬件驱动程 序和提供所需功能的应用程序等等，才能成为一个完整的可以使用的设备。如串 口驱动，1 0 m 1 0 0 m 以太网接口驱动，u s b 无线网卡的驱动，显示模块的驱动以 及用户图形界面m i n i g u i ，w e b s e r v e r ，t c p i p 协议，温度数据采集，e p a 协议及其它服务的应用程序。 系统调用是操作系统内核和应用程序之间的接口，设备驱动程序是操作系统 内核和机器硬件之间的接口。l i n u x 设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细 节，在应用程序看来，l i n u x 硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以像操作 普通文件一样对硬件设备进行操作，设备驱动程序是内核的一部分，它完成以下 的功能： 对设备初始化和释放； 把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据； 读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据； 。检测和处理设备出现的错误【9 】 l i n u x 设备驱动一般都以l i n u xm o d u l e 的形式出现。l i n u x 引入了内核模块 机制，可以动态地在内核中添加或者删除模块。加载的模块是一个设备驱动模块， 它占有一个主设备号。模块建议不被编译在内核中，这样可以控制了内核的大小， 一旦模块编译到内核，就会增加部分系统开销。模块出现问题，会带来系统的崩 溃。 2 4 系统中软件的开发和调试模式 绝大多数的l i n u x 软件开发都是以n a t i v e 方式进行的，即本机( h o s t ) 开 发、调试，本机运行的方式。这种方式通常不太适合于嵌入式系统的软件开发， 因为对于嵌入式系统的开发，没有足够的资源在目标扳上运行开发工具和调试工 具。通常的嵌入式系统的软件开发采用一种交叉编译调试的方式，在宿主机一目 标机开发模式中，交叉编译和远程调试是系统开发的重要特征【3 】。图2 7 为宿主 机一目标板开发模式示意图，图中的网线采用交叉网线直接连接到宿主机，连接 比较方便。 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章基于e p a 的无线局域网测控系统的设计方案 运行l 【n u x 的p c ( 宿主机) 图2 7 开发模式示意图 2 5 系统中设备的代码烧写方法和步骤 本文设计的设备都需要将b o o t l o a d e r 、l i n u x 内核和文件系统固化在f l a s h 中，在此过程中主要用到以下的方法和步骤。p c 主机通过j t a g 口将b o o t l o a d e r 烧写到f l a s h 中，然后通过设备的串口连接p c 主机作为控制台，利用以太网接 口，将映像文件下载到到s d r a m 中，使用b o o t l o a d e r 启动代码中的烧写命令 烧写映像文件到f l a s h 中。系统引导程序b o o f l o a d e r 通常也称为p p c b o o t ，代码 量虽少，但是作用非常大，相当于计算机上的b i o s 。b o o t l o a d e r 一般有两种启 动模式：自举模式和内核启动模式。作为代码烧写只需要用到自举模式口1 1 3 1 4 。 自举模式也称为b o o t s t r a p 模式，该模式的主要作用是使目标机通过串口与 p c 主机通信，可以接收p c 主机发送过来的映像文件，例如内核、文件系统和 应用程序，并将其固化在f l a s h ，也可以将f l a s h 中的映像文件上传到主机。采 用自举模式可以方便地烧写f l a s h ，更新嵌入式系统中的软件平台。在本文设计 的设备中，f l a s h 在刚开始时是完全没有数据的，这时候需要使用j t a g 口烧写 b o o t l o a d e r 到f l a s h 中，b o o t l o a d e l 通常情况下由处理器厂家或者第三方软件供 应商提供，用户也可以在此基础上做一定的修改。 4 本文设计中用到了2 种代码烧写平台，一种是三星公司提供的在l i n u x 环境 下使用的s j f 2 4 1 0 烧写程序所组建的烧写平台来烧写b o o t l o a d e r ，这一步完成后 就可以通过自举模式来完成l i n u x 内核和文件系统的固化。图2 8 为自举模式 启动流程图。 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章基于e p a 的无线局域网测控系统的设计方案 上电或者复位启动 韧始化系统，配置地址映射表 t 初始化主机与茸杯扳 之间的串口通道 接受主机发送的l m u x g 目 核和文件系统的镜像文件 将接收的镜像文件固化到 f l a s h 中 图2 8 自举模式启动流程图 另一种是作者在w i n d o w s 环境下借助m a c r a i g o r 公司的f l a s h 烧写软件，图 2 9 为m a c r a i g o r 公司的烧写f l a s h 软件界面。利用c i s c o 公司的t f t p 服务器所 构成的平台烧写b o o t l o a d e r 到f l a s h 中。 图2 9 烧写f l a s h 软件界面 最后再利用b o o t l o a d e r 的自举模式完成l i n u x 内核和文件系统的固化，同 第一种烧写平台相比较，后一种界面友好，能支持市面上大多数的微处理器以及 f l a s h 型号，便于更好地进行硬件设计和调试。 重庆邮电大学硕士论文 第二章基于e p a 的无线局域网测控系统的设计方案 2 6 本章小结 本章首先介绍了基于e p a 的无线局域网测控系统的整体设计，然后具体规 划和设计了基于e p a 的无线局域网测控系统中各个设备的硬件结构图。然后又 介绍了这些设备的软件架构，最后简要介绍了软件调试模式以及f l a s h 烧写方法 和步骤 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第三章系统中设备的硬件设计和实现 第三章系统中设备的硬件设计和实现 基于e p a 的无线局域网测控系统的硬件设计都是由核心板和接口板组成。 核心板构成了一个最小准系统，存储器为设备软件提供了足够的运行空间。接口 板根据不同的设备设计了无线传输模块电路，液晶触摸显示模块电路，以及以太 网和以太网供电模块电路等等，根据实际需要所设计出来的设备构成一套完整的 无线测控系统。在这些设备中还提供了用于设备调试的外设接口：r s 2 3 2 接口、 j t a g 接口以及b d m 调试口。 3 1 无线网关电路设计 p o w e r p c 处理器m p c s 5 2 t 简介 该处理器内核可达1 0 0 m h z ，扩展总线最大频率是6 6 m h z 。m p c 8 5 2 t q u i c c ( o u a di n t e g r a t e dc o m m u n i c a t i o n sc o n t r o l l e r ) 是当今比较流行，性能相当优越的单 片集成嵌入式3 2 位处理器。图3 1 为m p c 8 5 2 t 的功能架构图。 4 k b 指令 指令总线 系统接口单元c a c h e 指令m m u、l存储器控制器 e m b e d d e d i 统一总线。 内部外部 胁”竺总雀 4 笔鬻 。i 总线总线 接口接口 i 一7i 地q m m ul 。 系统功能接口 p c m c l a 接口 d m a s 1 r f l f o s 并行 定时器 中断双端口 l0 ，1 0 0 i o 控制器 r a m 1v i r t u a li d m a b a s e - t m e d i aa c c e s s 波特率3 2 位r i s c 控制器卜 c o r l t r o i 发生器 定时器j 和程序r o m 8s e r i a l d m a m i l c h a n n e l s f a s te m e m e t 零 c o n t r o l l e r 零拿$ s c c 3s c c 4s m c ls p i 串行接口 图3 1m p c 8 5 2 t 功能架构图 1 3 重庆邮电大学硕士论文 第三章系统中设备的硬件设计和实现 它内部集成了微处理器和一些控制领域的常用外围器件，可用于控制领域。 m p c 8 5 2 tq u i c c 集成了两个处理模块，一个是嵌入式的p o w e r p c 核，另一个是 嵌入式的通信处理模块c p m ( c o m m u n i c a t i o n sp r o c e s s o rm o d u l e ) ，通信处理模 块支持7 个串行通信通道：两个s c c ，两个串行管理控制器s m c ( s m c ，s e r i a l m a n a g e m e n tc h a n n e l s ) ，一个串行外围接口电路s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) ， u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 和一个1 2 c ( i n t e r - i n t e g r a l e c lc i r c u i t ) 接口。它可应用于 通信系统的低成本实现，提供了更高的性价比，并在通信方面有所加强。由于 c p m 分担了嵌入式p o w e r p c 核的外围工作任务，这种双处理器的体系结构功耗 要低于传统体系结构的处理器嘲【3 。 3 1 1 存储器电路设计 m p c 8 5 2 t 的存贮器控制器包括一个通用片选器g p c m 和两个用户可编程器 u p m ，可以控制最多8 个存储器模块，可以直接连接s r a m ，e p r o m ，f l a s h ， e p r o m ，常规的d r a m 设备，自刷新的d r a m ，同步d r a m 以及其他外围设 备。在核心板中，系统连接了两片1 m 1 6 位数据宽度，共4 m 字节的f l a s h ， 速度7 0 9 0 n s ；两片8 m x1 6 位数据宽度的s d r a m 构成，共3 2 ms d r a m 。若 外接8 位或1 6 位数据宽度的外设芯片，与c p u 相接时，m p c 8 5 2 t 的总线数据 宽度是可设置的，可分配为8 位，1 6 位或3 2 位模式。设置是c s b r n 中的p s 位 实现的。在给外设分配片选时，设置好它的c s b r 中的这两位，在访问它的地址 时就可以改变数据宽度。核心板由两片8 m x l 6 位数据宽度的s d r a m 构成，共 3 2 m 字节r a m ，从0 0 0 0 0 0 0 0 0 x 0 0 f f f f f f ，两片l m x l 6 位共4 m 的f l a s h ，第 一片：o x 4 0 0 0 0 0 0 0 0 x 4 0 1 f f f f f ，第二片：0 x 4 0 2 0 0 0 0 0 0 x 4 0 3 f f f f f ，如表3 1 。 存储器 地址空间 4 m x1 6b i t 的s d r a m f l a s h l ：b o o t f l a s h f 1 a s h 2 o x 0 0 0 0 0 0 0 0 一o x o o f f f f f f 0 x 4 0 0 0 0 0 0 0 - o x 4 0 1 f f f f f 0 x 4 0 2 0 0 0 0 0 一o x 4 0 3 f f f f f 注：o x 4 0 0 0 0 0 0 0 是逻辑地址映射到绝对地址的偏移量 表3 1 地址空间分配 f l a s h 的扇区分布，2 m 一片f l a s h ，工作在单字节模式，共3 5 个扇区，除前 四个扇区不规则。大小分别为：1 6 k ，8 k ，3 2 k 外，剩余3 1 个扇区均为6 4 k 字 节大小。绝对地址要在偏移地址基础上加上o x 4 0 0 0 0 0 0 0 。 l f l a s h 电路设计 核心板选用了两片f l a s h ，它是a m d 公司的芯片，它的存储大小是2 m x s b i t , 1 4 重庆邮电大学硕士论文第三章系统中设备的硬件设计和实现 具有高速低功耗的特性，工作电压范围在2 7 v 3 6 v 之间。m p c 8 5 2 t 核心板有 4 m 字节的f l a s h ，作为存放引导程序和放置内核的存储空间。f l a s h 的控制信号 是由m p c 9 5 2 t 中的g p c m 发出，分别是c s 0 ，w e 0 和o e 。两片f l a s h 固定为 1 6 位数据读写访问方式，它们只接m p c 8 5 2 t 的低1 6 位数据总线，它们各用一 个片选c s 0 c s l 。图3 2 为f l a s h 电路连接示意图。 图3 2f l a s h 电路连接示意图 c s 0 在m p c 8 5 2 t 上电或复位后被用来启动系统。m p c 8 5 2 t 采用的是大端 模式，因此f l a s h 的数据线要和m p c 8 5 2 t 的数据线采取反向连接。f l a s h 的r e s e t 管脚提供了将器件复位来读取数据的一种方法。该管脚被连接到硬件复位电路 中，当系统复位时，f l a s h 也被复位，这样系统就可以读取启动代码。r y b y 管 脚用来指示f l a s h 的状态，在这里之所以没有连接，是因为它在普通操作中没有 用处。f l a s h 存储器可以通过b d m 接口编程【l “。 2s d r a m 电路设计 s d r a m 是h y n i x 公司的一款c m o s 同步d r a m 芯片，输入输出的电压电 平是l v t t l ，输入和输出在时钟的上升沿同步。它是一款存储密度大和带宽高 的芯片，它的存储大小是4 b a n k x 2 m x l 6 b i t 。工作电压是3 3 v _ + 0 3 v ，具有高速 低功耗的特性。 它拥有1 4 根地址线和1 6 位数据总线，整个存储空间可以看出被划分为4 个 b a n k ，这四个b a n k 空间由b a l 和b a 0 来控制，通过b a l 和b a 0 来译码选择那 个b a n k 空间，且每一个b a n k 对应着行地址和列地址。地址线a o a 1 1 被复用 为行地址和列地址，当r a s 为低电平时，a o a 1 1 作为行地址；当c a s 为低电 平时，a o a 7 作为列地址。m p c 8 5 2 t 由两片h y 5 7 v 6 5 1 6 2 0 b t c 一1 0 ss d r a m 重庆邮电大学硕士论文第三章系统中设备的硬件设计和实现 组成，共3 2 m 字节，通过u p m a 来控制，与s d m a 连线图如下： 图3 3s d r a m 连接示意图 两片的数据总线分别连接m p c 8 5 2 t 的高1 6 位和低1 6 位数据总线，这样拼 成3 2 位s d r a m 使用，所以两片s d r a m 共享一个c s 2 。b a 0 1 】由m p c 8 5 2 t 的a 9 和a 8 两根地址线来驱动，用来选择不同的b a n k 。s d r a m 的时钟由c p u 来提供。 3 1 2 复位及硬件初始化电路设计 系统提供了几种复位方式：上电复位，按键复位，调试软件硬件复位，m p c 内部资源，复位控制字。 芯片启动时c s 0 是无效的，因为c s 0 是存放启动代码的存储器片选，一般 都是f l a s