（通信与信息系统专业论文）嵌入式测控系统平台的设计与实现.pdf

l 笥号! 嵌入式计算机的迅速发展，为传统测控系统的设计沣入了新的活力，很多测 控系统采用嵌入式计算机代替台式：i 二控计算机。嵌入式测控系统不仪具有成本低、 体积小、稳定性好等优点。而且可与工业以太网相连，实现网络化远程监控。 本文分析了嵌入式系统的结构特点和发展趋势，说明了嵌入式测控系统的优 势所在；在深入研究嵌入式系统的基础上，根据客户需求，设计并实现了嵌入式测 控系统平台。文中论证了嵌入式测控系统平台的整体方案：微处理器采用i n t e l 公 司3 2 位s t r o n g a r m l l l o ，实时操作系统( r t o s ) 采用w i n d o w sc e 通信接口有 e t h e m e t 网络接口、r s 2 3 2 串行通信接口以及通用输入输出( g p l 0 ) ：深入剖析了 系统平台硬件、软件的体系结构及开发流程；重点说明了系统平台的通信模块 以太脚通信端口和串 亍通信端口以及w d t l v s ( 看门狗低压检测) 模块的设计与 实现方法。在整体方案论证和各模块设计的同时，深入地研究了嵌入式系统的几个 关键技术：板级支持包( b s p ) 、1 2 c 串行通信技术等；最后给出了系统平台的调 试方法与测试结果。该测控系统已交付用户使用，其技术指标满足要求，性能稳定 sr 靠，得至用厂t ；f 勺高度评价。 关键词： 测控系统嵌入式系统实时操作系统i 总线 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e m ，t h ed e s i g no fm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e mi su n d e r g o i n gav a r i e t yo f e x c i t i n gc h a n g e sn o w d u e t oe m b e d d e ds y s t e m h a v i n gt h ef e a t u r e so fl o wc o s t 、g o o ds t a b i l i t ya n ds m a l lv o l u m s ，t h ea p p l i c a t i o nf i e l do f m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mb a s e de m b e d d e ds y s t e mi sm o r ew i d e l y ia n a l y z et h es t r u c t u r ea n de v o l u t i o no fe m b e d d e ds y s t e mi nt h i st h e s i s ，a n dp o i n tt o t h ea d v a n t a g eo fe m b e d d e ds y s t e m b a s i n gc o s t u m e r s r e q u i r e m e n t ，w ed e s i g na n dd e v e l o p m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mp l a f f o r mb a s e de m b e d d e ds y s t e m i nt h i st h e s i s ，i a r g u m e n t a t et h ew h o l es c h e m eo fe m b e d d e d m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mp l a t f o r m ： m i c r o s o r w i n d o w sc e r t o sa n di n t e l 蛐 s t r o n g a r m l l l 0m i c r o p r o c e s s e r ；t h e c o m m u n i c a t i o np o r t s i n c l u d i n g 1 0 me t h e m e t p o r t 、9p i n r s 2 3 2 p o r t a n dg p i o l a s t l y , s p e c i a l l ya n a l y z i n gs o t t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no f e t h e m e tp o r t 、r s 2 3 2p o r ta n d w a t c h d o g m o d u l e t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mb a s e de m b e d d e ds y s t e mh a sb e e nd e l i v e r e dt o c o n s u m e r st ou s e ，a n dd u e t oi t sh i g hs t a b i l i t ym a dr e l i a b i l i t y ，c o n s u m e r sh i g h l ya p p r o b a t e i t k e y w o r d s ： m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ，e m b e d d e ds y s t e m ，r t o s ，1 2 c b u s 两北工业_ 人学硕1 ：论文：嵌入式测控系统平台的设计与实现 第一章绪论 1 1 课题研究背景 测控系统在工业、油田、航空等领域的应用越来越广泛，测控系统直接关系到 “t 锅的质量、飞行的安全等各方面，这也逐渐显示出测控系统在这些领域中的重要 地位。据悉，现代化宝钢的技术化装备投资，1 3 经费用于购置测控仪器和组建测 控系统上。 1 测控系统的发展 在八十年代以前，测控系统丰要是由“测控电路”组成，电路简单，所具备的 功能较少，且容易出错。 伴随着计算机技术的迅速发展，使得传统的测控系统发生了根本性的改变，即 采用微机作为测控系统的主体和核心，代替了传统测控系统中的常规电子电路，从 j m 解决了传统测控系统中不能解决的问题，增强了功能，提高了测控精度和可靠 性。 但是以微机为平台的测控系统也逐渐暴露出许多缺陷：工业测控环境一般条件 恶劣，而微机测控系统的防尘、防震等功能较差；体积较大，不易携带使用：扩展 性差、成本高等。 以嵌入式系统为平台的洲控系统应运而生，嵌入式测控系统具有以下特点： 1 ) 可靠性高嵌入式系统大都是芯片等部件，与计算机系统的硬盘、扩展卡 棚比，具有防震、防尘优点；程序崮化在f l a s h r o m 中，不易破坏；硬件机程度 高，使系统整体可靠性大大提高。 2 ) 体积小由于高端微处理器甚至s o c 的应用，嵌入式系统的体积不断减 小，直接影响测控系统的体积，从而形成便携式系统，携带和使用非常方便。 3 ) 易扩展、功能强嵌入式测控系统很容易扩展出输入输出( i 0 ) 接口， 实现各种功能。 4 ) 开发周期短、成本低嵌入式系统开发的溯控系统，周期短、成本低，具 有微机洲控系统无法比拟的优势。 随着后p c 时代的到来，现代测控系统已从传统电路、微机模式走进了嵌入式 系统模式，嵌入式系统在测控系统中扮演着不可替代的重要作用。 2 嵌入式系统概述 根据i e 髓( 困际点七和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、监视或 者辅助设备、机器和车间运行的装置”( 原文为d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r , o f 曲北i ：业大学硕l 论文：嵌入式测控系统平台的设训与实现 a s s i s tt h eo p e r a t i o no f e q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) ，从中可以看出嵌入式系统是软 件和硬件的综合体，还可以覆盖机械等附属装置。 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m s ) 是指以应用为中心、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、功耗严格要求的专 刚计算机系统，主要用于实时控制、监视、管理或辅助其他设备运行的设备，可以 是争 u 或多用途( 但般具有可编程的特性) 的设备，可以是硬件或软件。嵌入式 系统的“嵌入”特性意味着这些系统本身与其所控制和管理的通融为+ 体的，足其 。| = 1 的一个有机组成部分，是各种控制系统的基本构造单元。 嵌入式系统与通用计算机技术的最大差异是必须支持硬件裁减和软件裁减， 以适应应用系统对体积、功能、功耗、可靠性和成本等的特殊要求。 嵌入式系统。般由可以分成五部分：嵌入式处理器、存储器、输入输出 ( r 0 ) 、软件( 包括系统软件和应用软件) 及开发调试平台，如图1 1 1 图1 1 1嵌入式系统组成 嵌入式系统与通用计算机系统相比具有以下几个特点： 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的，专用性强。 嵌入式系统通常是为满足特定用户的特定需求，所以不同应用领域的嵌入式系 统的软硬件组成大相径庭，如在工控现场或机项盒、交换机方面，不需要显示设 备，l 阿在p d a 、车载导航应用方面，显示设备是必不可少的。 2 ) 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。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高 度分散、不断创新的知识集成系统。 3 ) 嵌入式系统的软件和硬件都必须高效率的设计，量体裁衣、去处冗余。 两北工业大学硕i 论文：嵌入式删控系统平台的进计与实现3 嵌入式系统的一个很大的特点就是小，包括硬件体积、存储器容量等。尽管半 导体技术的发展使处理器速度不断提高、ii 存储器容量不断增加，1 _ f = i 在大多数应 用r h 存储空间仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。为此要求群序编写和编译 1 具的质量要高，以减少程序二进制代码长度、提高执行速度。 4 ) 为了提高执行速度和系统的可靠性，嵌入式系统中的软件。一般都固化在存 储器芯片或单片集资深重的存储单元中，丽不是存储在硬盘、光盘等载体中。 5 ) 系统软件( o s ) 的高实时性是基本要求。 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 保址每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效率 的，这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成，因此系统软件的高实时性是 基本要求。 6 1 仟务操作系统是知识集成的平台和走向工业标准化道路的基础。 嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行，但为了合理 的调度多任务，利用系统资源、系统函数及专家库函数接口，用户必须选择 r t o s ( r e a l - r i m eo p e r a t i n go p e r a t i n gs y s t e m ) 开发平台，这样才能保证程序执行的实 时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 7 ) 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 i 司步进行，因此嵌入式系统产品旦进入市场，具有较长的生命周期。 1 嵌穴式系统本身不具备自举开发能力；即使设计完成以盾用广通常也是不 ij b 1 其c p 的程l 1 ! - 功能进行修改的，必须有一套开发1 二具和环境才能进行开发。 3 嵌入式系统的前景 虽然嵌入式系统这一名词在最近几年刁成为流行，但甲在8 0 年代，围际上就有 一螳【i 、组织、公司，开始进行商用嵌入式系统和专用操作系统的研发。 未来的几年内，随着信息化，智能化，网络化的发展，嵌入式系统技术也将获 得广阔的发展空间。美国著名未来学家尼葛洛庞帝9 9 年lh 访华时预言，4 5 年 后嵌入式智能( 电脑) 工具将是p c 和因特网之后最伟大的发明。我国著名嵌入式系 统0 家沈绪榜院士9 8 年i1 月在武汉全国第1 1 次微机学术交流会上发表的计算 机的发展与技术文中，对未来1 0 年以嵌入式芯片为基础的计算机工业进行了 科学的阐述和展望。2 0 0 1 年世界电子产品产值已超过1 4 0 0 0 亿美元，2 0 0 0 年达到 1 5 0 0 0 亿美元，预计2 0 0 5 年，销售额将达到2 0 0 0 0 亿美元。 嵌入式系统= i 要用于各种信号处殚与控制，目前已在国防、国民经济及社会牛 活各领域普及应用，用丁企业、军队、办公室、实验室以及个人家庭等各种场所。 n i t 。业大学硕上论文；嵌入式测控系统甲台的设计与实现 军用各种武器控制( 火炮控制、导弹控制、智能炸弹制导0 l 爆装置) 、坦 克、舰艇、轰炸机等陆海空备剩晖f 【 j 电子装备，雷达、电子对抗军事通信装备，野 战指挥作战用各种专用设备等。 家用各种信息家电产品，如数字电视机、机项盒，数码相机，v c d 、d v d 音 响设备，可视电话，家庭网络设备，洗衣机，电冰箱，智能玩具等。 工业用各种智能测量仪表、数控装置、可编程控制器、控制机、分布式控 制系统、现场总线仪表及控制系统、工业机器人、机电一体化机械没备、汽车电子 设备筹。广泛采用微处理器、控制器芯片级、标准总线的模板级及系统嵌入式计算 机。 商用各类收款机、p o s 系统、电子秤、条形码阅读机、商用终端、银行点 钞机、i c 卡输入设备、取款机、自动柜员机、a 动服务终端、防盗系统、各种银 仃专业外围设备。 办公用复印机、打印机、传真机、扫描仪、激光照排系统、安全监控殴 备、手机、寻呼机、个人数字助理( p d a ) 、变频空调设备、通信终端、程控交换 机、网络没备、录音录象及电视会议设备、数字音频广播系统等。 医用电子设备各种医疗电子仪器，x 光机、超声诊断仪、计算机断层成像 系统、心脏起博器、监护仪、辅助诊断系统、专家系统等。 曲北i 业人学硕1 呛文：嵌入式测控系统i r 台的设讨与实现 1 2 论文主要内容 本课题来源于西安易安信科技股份有限公司的嵌入式测控系统项i e i ，该项目 是受沈阳鹭岛资讯科技有限公司委托，j 三要是实现基 二w jn d o w sc e 的嵌入式测控 系统、l ，台。该系统具有显示、触摸屏、以太网l j 、串口等模块，并提供出两个串l 雨i 鹭岛公司开发的测量模块相连。 论文各章的蕾要内容如下： 第一章绪论分析了嵌入式系统的定义、结构特点以及发展趋势，从而说明 了嵌入式测控系统的优势所在。 第一：章论证嵌入式测控系统、f 台的总体方案，对系统的硬件架构、软件体系 结构及开发流程进行了深入地剖析。 第三章重点探讨了系统平台的通信模块以太网通信和串行通信的设计与 实现。介绍了i 串行通信技术，并详细阐述了采用该技术的看门狗 模块的软硬件设计。 第四章最后，给出了系统平台的调试方法与测试结果。 两j 匕= 业大学硕+ 论文：嵌入式测拧系统平台的设计与实现6 第二章嵌入式测控系统平台总体方案论证 2 1总体方案 本课题的测控系统! f 台采用嵌入式系统，是从缩小体积、降低成本、提高可靠 性等多方面进行考虑的。 陔嵌入式测控系统平台采用m i c r o s o f t 公司的w i n d o w sc e n e t 嵌入式实时操 作系统( r t o s ) ，微处珲器采用j n t e 】公司的s t r o n g a r m1 1 1 0 ，具体的系统框图如 i 习2 1 1 带触摸肼a c j l c d 1r1r 、l 掣一烈l c d l u m l 凡州l r 一1 帛 j l n _ 3 2 ms d r a ml l 弋 串口2l l 、厂1 i n t e l i 几s t r o n g a r m1 1 i 0 3 2 mf l a s h )p s 2 鼠标i j 、v l 毒甓争卜 。 + g p l u | 幽商商 图2 1 1 嵌入式测控系统平台 系统构成： 微处理器 f l a s h 存储模块 s d r a i v l 存储模块 以太网口 串口 触摸屏控制模块 p s 2 鼠标模块 l c d 接口单元 系统逻辑与控制模块 i n t e ls t r o n g a r m1i1 0 1 6 m b 2 1 6 m b 2 一个，l o m b p s 两个r s 2 3 2 ，1 1 5 2 k b p s ( 用于调试) 一块l c d c p l d 西北l 、l k 大学硕一l 论文：嵌入式测挖系统平台的进训与宜现 j a t g 模块 系统测试及下载 看门狗( w d t ) w d l l l v s ( 低压检测) 功能 电源及管理模块 操作系统 w i n d o w sc e n e t 2 2 硬件体系结构 1 嵌入式硬件设计分类 嵌人式系统从硬件方面可划分为分散式和集中式两种结构。 分散式结构之中，处理器、存储器是必须的，嵌入式处理器( e m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o ru n i t ) 是程序运行的场所，一切数据的处理过程都在此进行，通常将 处理器装配在专门设计的电路板卜，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可 以大幅度减少系统的体积和功耗。而存储器，无论是r o m 或是r a m 则是数据存储 的场所，用来存储程序代码、程序执行的中问结果和最终结果。二者之问间通常使 用系统总线连接，进行数据交换，有的采用处理器片内存储器方式，片内存储器访 问述度较快，但容量不能太大。这些存储器也被安排在主板上，与处理器分立。 根据应用要求的不同，分散式嵌入系统中还可以加入其他的外部存储器( 通常 足固态存储器) 、i 0 设备、总线、定时肼数器以及其他一+ 些具有特定功能的d s p 芯 片1 等。这种分散的方式可以有效的去除冗余，降低成本，提高系统效率。但是由于 系统器件分散在丰板上，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也不强。 征集中式结构中，系统采用了嵌入式微处理器( m i c r o p r o c e s s i n gu n i t ，m p u ) ，它 姓将整个计算机系统集成到一块芯片中，嵌入式微控制器+ 般以某种处理器内核 为核心，同时内部集成r o m e p r o m r a m 、总线、定时计数器、i o 、串行口、 f l a s hr a m 、e e p r o m 等必须的功能和外设。嵌入式微处理器功能强大，本身集成 j ，许多外部模块，这样体积减小，提高了可靠性、减少了功耗。 2 测控系统平台硬件框架 本课题的来源是受沈阳鹭岛资讯有限公司的委托，为其定制工业用测控系统平 台，考虑成本体积等诸多因素，最后确定了微处理器为s t r o n g a r m l l l 0 的嵌入式系 统。这是因为嵌入式系统硬件具有下列特点： 1 ) 系统专用化，以应用为中心简化设计，去除了4 i 必要的部分。 两北r l q k 大学 _ ! f 川沦文：嵌入式测挖系统平台的设训与实现 2 ) 微型小型化，嵌入式系统容易嵌入到其他系统或设备中，必须尽可能的小 型化，不仪可以节省空间，还可以降低功耗。 3 ) 高可靠性，嵌入式系统在产品中往往起控制作用，控制整个系统的工作， 必须保证町靠安全。 4 ) 无需太多考虑设备升级问题，与通用计算机不同，嵌入式系统和具体应用 有机的结合在一起，它的升级换代是和具体产品同步进行，因此嵌入式系 统产品一目进入市场，具有较长的生命周期。 嵌入式测控系统平台具体的硬件组成如下： 微处理器 j n t e ls t r o n g a r m l11 02 0 6 m h z r s 2 3 2 两个，波特率1 1 5 2 k b p s l a n 一个，1 0 m b p s ，l a n 9 1 c 9 6 触摸屏一块，4 线电阻式，a d s 7 8 4 3 l c d 屏一块，t f t p s 2 鼠标一个，w 8 3 c 4 3( 用于调试) 系统逻辑与控制模块x i n l i xc p l 。d3 1 2 8 s d r a m 两个1 6 ms u m s u n gs d r a m f l a s h两个1 6 mi n t e lf l a s i t 硬件看门狗x i c o rx 1 2 2 7 电源模块 2 1 嵌入式微处理器 嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器，只有选用合适的处理器并充分利用 它的潜能，该嵌入式系统才能发挥最优的表现。 2 i 1 嵌入式处理器的分类 由于嵌入式处理器在嵌入式系统中的重要地位，几乎每个半导体厂商都生产 自己的嵌入式微处理器，全世界嵌入式处理器的品种总量一经常过1 0 0 0 多种，流 行体系结构有3 0 多个系列。嵌入式处理器的寻址空间一般从6 4 y j = j 到4 g b ，处理速 度从0 1 m i p s 到2 0 0 0 m i p s 。 根据其现状，嵌入式处理器可以分成下面几类： 1 ) 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 ) 嵌入式微处理器的耩础是通用汁算机中的c p u 。在应用中，将微处理器装配在 步门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小 系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上 和标准微处理器基本是样的，但在工作温度、抗电磁下扰、可靠性等方面一般都 做了各种增强。 西北 业大学硕 沧文：嵌入式测拧系统平舟的设计与实现 和 业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠 。p ：高的优点，但是在电路板上必须包括r o m 、r a m 、总线接口、各种外设等器件， 从而降低，系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式微处理器及其存储器、总 线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。 嵌入式处理器目前年要有a r m 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、m i p s 系列等。 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r 、o c o n t r o l l e td n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器义称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块：占 片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，j 占片内部集成 r o m e p 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 、i o 、串行口、脉宽 渊制输出、a d 、d a 、f l a s hr a m 、e e 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 都足一样的，不同的是存储器和外设的配置及到装。这样可以使单片机最大限度地 和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。 和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而 使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制 器的， 。上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。 3 ) 嵌入式o 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 ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法，编 洋效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 、谱分析等方面d s p 算法正 在大量进入嵌入式领域，d s p 应用正从在通用单片机中以普通指令实现d s p 功能， 过渡到采用嵌入式d s p 处理器。嵌入式d s p 处理器有两个发展来源，一是d s p 处 理器经过单片化、e m c 改造、增加片上外设成为嵌入式d s p 处理器，t i 的 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 等属于此范畴；：二是在通用单片机或s o c 中增加d s p 协处理 器，例如i n t e l 的m c s 一2 9 6 和i n f i n e o n ( s i e m e n s ) 的t r i c o r e 。 推动嵌入式d s p 处理器发展的另一个因素是嵌入式系统的智能化，例如各种 带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘， a d s l 接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等。这类智能化算法一般都是运算量较 大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是d s p 处理器的长处所 在。 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 随着e d i 的推广和v l s i 设计的普及化，及半导体工艺的迅速发展，在一个硅 片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是s y s t e mo nc h i p ( s o c ) 。各种 通用处理器内核将作为s o c 设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一 样，成为v l s i 设计中一种标准的器件，用标准的v h d l 等语言描述，存储在器件 库r f i o 用广只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体 蹦北r 业大学硕l 踣文：嵌入式测拧系统平台的设计与实现 工厂制作样品。这样陈个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均u 】。集 成剑一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功 耗、提高可靠性非常有利。 s o c 可以分为通用和专用两类。通用系列包括i n f i n e o n 的t r i c o r e ，m o t o r o l a 的m - c o r e ，某些a i n 系列器件，e c h e l o n 和m o t o r o l a 联合研制的n e u c o n 芯片等。 专_ e ! | 的s o c 一般专用j 二某个或某类系统中，不为一般用户所知。 2 j 2 s t r o n g a r m l l l 0 微处理器 此测控系统选用i n t e l 公司的s t r o n g a r m l l l 0 ( s a l l l o ) 微处理器。i n t e l 公司的 s a l1l o ：岱片【叮以满足便携式、嵌入式应用的要求，作为3 2 位s t r o n g a 耐架构的r i s c 处删器，其最高运行速度可达2 0 6 埘1 z ；其内部有强大的指令操作能力、高速缓冲 能力、寄存器管理能力、读写缓冲器能力。图2 2 1 是s a l l l 0 的内部原理框图 图2 2 1s t r o n g k r m l l 0 内部框图 硝北t 业大学石! j il 论文：嵌入式测托；系统平台的设计与实现 i 1 s a l l l 0 寄存器总线接口n t - 与d r a m 、s d r a m 、r o m 、s m r o m 、s r a i 以及其它 潜在的i o 器件共享数据信号，其寄存器- p c m c i a 模块支持4 个快速页操作模式 ( ) m ) 、扩展数据输出( e d o ) 、同步d r a m 、6 个静态存储器、6 个r o m s d r a m 等。 s a l l l 0 可提供系统支持逻辑、多个串行通信通道、1 个彩色灰度l c d 控 制器、2 个p c m c i a 捅槽、2 8 个g p i o i a ；内部提供定时器、电源管理、指令控制、复位 控制、州钟产牛、中断控制等功能。 s a l l l o 电源管理提供正常、空闲、睡眠三种工作状态，其内部包含六通 道的d m a 控制器，用于支持串行通信过程中的数据高速运动，如串行通道与外部寄 存器、d r a m 、s r a m 、f l a s h 、r o m 等之问的通信：此外，还有1 个用于支持l c d 挎制器 ：f ：作的独立的d m a 控制器。 s a l l l 0 有5 个独立的串行通道，可分别执行半双工被动协议的通用串行 总线( u s b ) 通信、通用异步收发( u a r t ) 通信、红外数据( i r d a ) 通信、多媒体通信l ：_ j 同步串行口( m c p s s p ) 通信等。 s a l l l 0 通过指令和数据断点提供调试支持，还提供j t a g 口，用于进行 系统连续检查。 2 2 e t h e r n e t 通信模块 现代社会网络化的进程不断加快，资源共享成为获取情报，提高产品质量的重 要。f 段。测控系统作为在工控场地进行测量控制设备，要能及时从后台数据库获得 数据资料，从异地的其它测控系统中实时获得产品参数以及能和控制室里的工作人 员进行实时的交互操作，这就需要网络的支持。把测控系统连入工业以太网，进行 远程监控，这更需要以太网络。 本课题的测控系统采用i o m 的以太网卡作为通信工具，之所以选择l a n 作为通 信工具，而没有选择串口或并口等，是从速度和传输距离等方面考虑的。l a n 可以 达到1 0 m b s p 的传输速率，而串口只有几百k b p s ，虽然并口可以达到2 m b p s ，但传输 距离只有2 米左右，而i o m 双绞线可以无中继传输几百米。 l a n 通信模块的主控制器采用s m s c 公司的l a n 9 1 c 9 6 ，该以太网控制器是专门 n i 于嵌入式产品的，优良的性能，低功耗以及小尺寸使l a n 9 1 c 9 6 成为嵌入式n i c ( 以太网接口卡) 中的主流产品。 l a n 9 1 c 9 6 的丰要特点： 支持i e e e 8 0 2 3 ( a n s l 8 8 0 2 3 ) 以太网标准 可连接同轴电缆和双绞线，支持l o b a s e 5 、l o b a s e 2 、l o b a s e t ，并可自 动检测所连介质 全双工传输模式 高级的电源管理特性 州北t 业大学硕i 论文嵌入式测控系统平台的设计与实现 底功耗的c m o s 设计 2 3 串口模块 沈阳鹭岛公司要求此测控系统平台为其提供两个r s 2 3 2 串口，用来和工、j k 测试 仪器孝h 连。 st r o n g a r m l11 0 微处理器具有两个u a r t ( 串行异步接收发送器) ，但没有握手信 号，我们用m a x 公司的m a x 3 2 4 4 提供r t s 、c t s 等握手信号，并进行t t l 电平转换 为c o m s 电平。 2 4 触摸屏模块 由于测控系统需要在工控环境卜进行人机交自：操作，触摸屏作为输入方式是 | | j 常方便的。此方案采用四线电阻式触摸屏，触摸屏控制器采用b u r r b r o w n 公司 的a d s 7 8 4 3 。由于a d s 7 8 4 3 内置了1 2 位a d ，理论上触摸屏的输入坐标识别精度为 柯效k 度的1 4 0 9 6 。 触摸屏的基本原理： 典型触摸屏的工作部分一般由三部分组成，如图1 所示：两层透明的阻性导 体层、两层导体之间的隔离层、电极。阻性导体层选用阻性材料，如铟锡氧化物 ( i t 0 ) 涂在衬底上构成，上层衬底用塑料，下层衬底用玻璃。隔离层为粘性绝缘 液体材料，如聚脂薄膜。电极选用导电性能极好的材料( 如银粉墨) 构成，其导电 i ，1 - 大约为l r o 的i 0 0 0 倍。 图2 2 2 触摸j 并结构 触摸屏工作时，上下导体层相当于电阻网络，如图2 所示。当某一层电极加上 乜压时，会在该网络上形成电压梯度。如有外力使得上下两层在某一+ 点接触，则在 电极未加e 乜压的另一层可以测得接触点处的电压，从而知道接触点处的举标。比 如，在项层的电极( x + ，x 一) 上加上电压，则在顶层导体层上形成电压梯度，当有外 力使得上下两层在某一点接触，在底层就可以测得接触点处的电压，再根据该电压 州北 扎大学碳 论文嵌入式测摔系统平弁的设汁与实现1 3 ，电极( x + ) 之间的距离关系，知道该处的x 坐标。然后，将电压切换到底层电极 ( y ，y 一) 上，并在顶层测量接触点处的电压，从而知道y 坐标。 触摸屏控制器的功能包括：对触摸屏的两层极板间施加偏置电压，当有点击 动作时，产生中断信号；同时列点击处的x 和y 方f - 的模拟电压信号进行数字量 化，得到点击位置数据，保存在内部寄存器中；再通过m c p 接口读到微处理器中。 即触摸屏的控制器芯片要完成两什事情：其一，是完成电极电压的切换；其一：，是 采集接触点处的电压值( 即a d ) 。 2 5 l c d 模块 l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 即液晶显示器，具有超薄体形、低辐射、无闪 烁、低反光及清晰的字符显示等特点，现在广泛用在各个领域，由于它具有低功 耗、体积小、抗灰尘等优点，更是在嵌入式领域中处处可见。 此测控系统的人机交互的一个重要设备一一显示设备，采用台湾元太 ( p r i m e ) 公司的6 4 ”t f t l c d 屏，该屏的解析度可达9 6 0 * 2 3 4 ，只有2 3 5 克重。 s a l l1 0 处理器内部集成了l c d 控制器，该控制器有三种显示类型： 无源彩色模式：支持3 3 7 5 种彩色，每帧允许显示2 5 6 种颜色： 有源彩色模式：支持高达6 5 5 3 6 种彩色( 1 6 位) 兀源黑白模式：支持1 5 级灰度 l c d 控制器支持高达1 0 2 4 1 0 2 4 象素的l c d 屏。然而在帧存储器中，由于存储 器总线宽度、象素编码数据的大小限制了l c d 能驱动的显示屏幕的大小。s a l l l 0 支持尺寸在2 矿以下的l c d 屏是没有问题，但支持6 4 ”l c d 的时候，显得有些 力不从心，特别是在播放视频的时候，会偶尔有一些不流畅。在消费产品中，若用 0 d ”i c d 可以采用图形加速控制器，以提高显示效果：但在测控系统中，这些要 求刁i 是很明显，并且从成本的角度考虑，就没有采用图形加速控制器。 由于此元太i ，c d 需要5 v 的控制电源和1 2 v 的背光电源，这就需要电源模块进 行电压转换。 2 6w d t 模块 在嵌入式系统中，由于软件异常或外界硬件异常，系统会瘫痪甚至崩溃，特 别在测控现场，如果没有人及时发现，会影响整批产品的质量，甚至酿出事故。 看门狗定时器( w a t c h d o g t i m i n g ，w d t ) 可以自动在系统出现异常的时候强制 系统复位，使系统重新运行。看门狗分为硬件看门狗和软件看门狗，此测控系统采 j + j 碗件看门狗技术来监控系统，采用的是x i c o r 公司的x 1 2 2 7 芯片，该芯片具有看 门狗、实时时钟、系统电源监控和上电复位等功能，本身还拥有少许的e e p r o m ， 呵以存储一些关键数据，譬如b i o s 信息等。此模块还具有上电复位及低电压检测 等功能。 两北r 址太学硕 ”论文：嵌入式测控系统平台的瓒训与实现 2 7 电源管理模块 测控系统的系统电压是3 3 v ，而l c d 背光电路还需要5 v 和1 2 v 电压，并且系 统供电电压是1 2 v ，这中间都需要进行电压转换、稳压滤波等，这就需要电源模块 进行管理。 2 3 软件体系结构 所渭嵌入式软件( e m b e d d e d s o f t w a r e ) ，从广义上讲是计算机软件的一种，它 也是由程序及其文档组成，也可分成系统软件、支撑软件、应用软件三类。 综观嵌入式软件的发展历程，大概可分为以下几个阶段： 1 一在2 0 世纪6 0 年代后期，通信领域里就出现了“存储程序控制”系统， 这是甲期的嵌入式系统。这时的计算机是被定做的( 或面向应用的) ，它们是一些 譬用指令的引擎以及与之集成在一起的i 0 设备。软件是由存储在内存的程序和路 山信息组成。 2 随着微处辉器的出现，硬件体系结构引入了总线概念，不同外设可挂接在 。起。土j 此同时，软件也得到了发展。这时软件几乎是用汇编语言或宏语言来写， 直到7 0 年代中期才开始采用软件模块和标准库的编程思想。 3 2 0 世纪7 0 年代后期，专用嵌入式系统的操作系统方开始出现。当时许多 是用汇编语言写的，仪能_ = | j 于特定的微处理器。当新的处理器出现，它们必须为之 霞新写遍。直到c 语言出现后，嵌入式操作系统才可以用一种高效、稳定和可移 植的方式来写。 4 2 0 世纪8 0 年代，嵌入式商业操作系统开始得到蓬勃发展。如今已有几十 种| ：；i 业操作系统可供选择，出现了许多相互竞争的产品，如v x w o r k s 、n e c u l e u s w i n d o w sc e 、p s o s 、女娲h o p e n 和各种嵌入式l if l u x 等。 5 近年来，互联网得到了飞速发展，形态各异的3 c 合一产品将成为网络接八 设备的大主流，也将成为工作和家庭生活的必备品。这大大扩展了嵌入式系统的 应月j 服务领域。相应地，嵌入式软件涉及的面也愈发扩大。它不仪包括嵌入式操作 系统等系统软件，还包括一系列支撑软件，如数据库、调试软件、网络通讯防议、 用户界面系统等，当然也包括各种应用软件。 现代信息社会的高效性、协同性客观上要求软件的编写便于多人分工合作、编 写的软件具有可重用性，软件则日趋复杂。所有这些迫切需要有一个屏蔽低层硬件 的、功能强大的操作系统来支持。 操作系统是软硬件资源的控制中心。它以尽量合理有效的方法组织多个用户共 - # 计算机的各种资源，其目的是提供一台功能强大的虚拟机，给用户一个方便、有 效、安全的工作环境。 曲北工业人学碳1 沦文：嵌入式测控系统平台的设训与实现 嵌入式软件的核心是嵌入式操作系统。 1 嵌入式操作系统概述 1 1 嵌入式操作系统的组l 成 嵌入式操作系统种类繁多，有资源开销很少的i c 卡操作系统，也有功能较强 的网络计算机操作系统。这些嵌入式操作系统从功能到性能各具特色，为各种硬件 环境及应用提供了相应的支持和服务。 据嵌入式系统杂志( e m b e d d e ds y s t e m sp r o g r a m m i n g ) 的最新报告，世界各围有 p 一多家公司，己成功的推出r 百余种可供嵌入式应用的实时操作系统。有深嵌入 系统，也有浅嵌入式系统；有多任务系统，也有单任务系统；有实时系统系统，也 有分时系统。总之，不同厂商推出的操作系统或多或少都有差异，但许多嵌入式操 作系统极具有如下一些内容和功能：系统核心、窗口图形系统、文件系统、设备 驱动程序和网络协议等。 当前许多嵌入式操作系统都有一个多任务核心，以满足多种嵌入式系统的需 要。对于系统核心的功能，各种嵌入式系统差别较大，但即使是微内核系统，系统 核心也负责完成如下一些基本任务：进程间通讯、线程调度、中断和内存管理等。 在一一些嵌入式系统中，窗口系统没有被采用，随着嵌入式操作系统的广泛应 j 1 丁，嵌入式系统性能的提高，窗口系统越来越成为许多嵌入式操作系统的重要内 容。窗口系统一般具有如下一些基本功能：窗口管理功能、接口，提供菜单、按 纽、编辑框、列表框、组合框、控件框、滚动条、对话框和默认窗口等多种窗口界 面刑象。 许多嵌入式操作系统都有文件系统，一般支持r o m 、r a m 、f l a s h 和外接卡文件 系统，提供文件的刨建、打开、读写年【】检索等功能。 设备驱动是大多嵌入式系统的重要内容，驱动内容包括r s 2 3 2 接口、网络设 备、l c d 、笔、鼠标、触摸屏等。 嵌入式设备正逐渐成为主要的互联网接入设备，与之对应，嵌入式操作系统 电必须支持相关的网络协议，目前许多嵌入式操作系统都支持t c p i p 。 近十年来嵌入式实时操作系统得到了飞速的发展，从支持8 位微处理器到1 6 位、3 2 位甚至6 4 位，从支持单一品种的微处理器芯片到支持多品种微处理器芯片 从只有实时内核到除了内核外还提供其他功能模块如：文件系统，t c p i p 网络系 统，g u i 图型系统等。 1 2 嵌入式操作系统的分类 从嵌入式系统的应用来分类，可以分为面向低端设备的嵌入式操作系统和面向 高端设备的嵌入式操作系统。 两北1 业大学坝七论文：嵌入式测控系统平台的设计与实现 低端设备：各种工业控制系统、计算机外设、民用消费品等。此类采用的嵌 入式操作系统有u c o s 等。 高端设备：信息化家电，个人数字助理( p d a ) ，机顶盒，手机，交换机等。 此类的嵌入式操作系统有w i n d o w sc e 、l i n u x 等。 2 0 世纪8 0 年代，商业化的嵌入式操作系统开始锝到蓬勃发展。目前嗣内外已 订儿十种商业操作系统可供选择，如v x w o r k s 、p s o s 、p a h no s 、n e c u l e u s 、 w i n d o w sc e 和”女娲h o p e n ”等。 夺w i n d o w sc e ： m i c r o s o f tw i n d o w sc e 是一个抢先式多任务并具有强大通讯能力的w i n 3 2 嵌入 式操作系统，是微软专门为信息设备、移动应用、消费类电子产品、嵌入式应用设 计的操作系统产品，是一个简洁的、高效率的多平台操作系统。w i n d o w sc e 并不 赴w i n d o w s n t 或w i n d o w s 9 x 的一部份或缩减版本，而是从整体一k 为有瞅资源的平 台发计的多线程，完整优先权，多任务的操作系统。 它的模块化设计允许它对于从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进 行定制。操作系统的基本内核需要