（通信与信息系统专业论文）基于arm9和linux的can总线远程监控系统的研究与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着计算机技术的发展，嵌入式系统已成为计算机领域的一个重要组成部 分。在构建基于w e b 的远程监控系统时，传统的8 1 6 位单片机系统其处理速度 不能满足要求，而近年来随着半导体工业的发展，3 2 位嵌入式微处埋器的价格 己大幅下滑，特别是开源、免费的嵌入式l i n u x 操作系统的出现，使得长期制约 嵌入式技术大规模应用的高成本因素已不复存在，将嵌入式l i n u x 应用于基于 w 曲的远程监控系统就成为一种非常理想的解决方案。 以a r m 体系结构设计的微处理具有高性能、低功耗和低成本的特点，它广 泛应用于嵌入式系统设计领域，是目前最广泛的3 2 位微处理器。嵌入式系统广 泛应用于各种电器产品、智能仪表和控制设备中，它与i n t e r n e t 的结合是一种必 然的趋势。基于i n t e m e t 的远程监控系统是数据采集与控制网络和信息网络结合 的产物，它借助网络完成监视与控制任务，将监控范围扩展到更广的空间。 本课题主要研究了基于a r m 9 和l i n u x 的嵌入式远程监控技术及其硬、软 件的设计及其实现，以c a n 总线作为监控对象，提出了基于嵌入式w e b 的c a n 总线远程监控系统的设计方案。其中硬件部分的核心是三星的$ 3 c 2 4 1 0 x 处理 器，是基于a r m 9 2 0 t 内核的r i s c 型c p u ，软件部分则采用了源代码开放的 l i n u x 操作系统。硬件部分主要对a r m 微处理器、硬件系统的整体结构、器件 选型、各接口电路的设计及硬件平台的调试进行了相应的介绍；软件部分则主要 介绍了开发环境的构建、启动程序v i v i 的移植、l i n u x 内核的移植、l i n u x 设备 驱动程序的实现、嵌入式b o aw e b 服务器移植及实现等。 关键词：a r m 9 处理器，l i n u x ，c a n 总线，远程监控系统，嵌入式w e b 技术。 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p i n go fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , e m b e d d e ds y s t e mh a sb e c o m ea l l i m p o r t a n tc o n s t i t u e n to ft h ec o m p u t e rd o m a i n t h ec o n v e n t i o n a l8 16b i t sm o n o l i t h i c p r o c e s s o r c a n n o tm e e tt h er e q u i r e m e n to fs u p e r v i s o r ys y s t e mb a s e do nw e b ，a n dw i t h t h e d e v e l o p m e n t o fs e m i c o n d u c t o r i n d u s t r y ，t h ep r i c e o f 3 2b i t se m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o rd r o p p e dq u i c k l y ，a n de m b e d d e df l e es o u r c eo p e r a t i n gs y s t e ml i n u x b e c o m em o r e a n dm o r ep o p u l a r t h ec o n v e n t i o n a lf a c t o rw h i c hr e s t r i c t st h ef u l ls c a l e a p p l i c a t i o no fe m b e d d e dt e c h n o l o g yd i s a p p e a r e d i n t r o d u c i n ge m b e d d e dl i n u xi n t ot h e s u p e r v i s o r ys y s t e mb a s e do nw e b b e c a m eap e r f e c ts o l u t i o n a st h ec h a r a c t e ro ft h eh i g hc a p a b i l i t y , t h el o wp o w e rl o s sa n dt h el o wc o s tb y a r m s y s t e ms t r u c t u r a ld e s i g nm i c r o p r o c e s s o r , i tw i d e l ya p p l i e st ot h ed e s i g nd o m a i n o ft h ee m b e d d e ds y s t e m ，a n di st h ew i d e s t3 2m i c r o p r o c e s s o r sp r e s e n t e m b e d d e d s y s t e mi sw i d e l yu s e di ne l e c t r o n i cp r o d u c t s ，s m a r ti n s t r u m e n t sa n dc o n t r o le q u i p m e n t i t i sa ni n e x o r a b l en e n dt h a tt h ee m b e d d e dt e c h n o l o g ya n dt h ei n t e m e tw i l lc o m b i n e t o g e t h e r i n t e m e t - b a s e dr e m o t es u p e r v i s o r ys y s t e mi st h ec o m b i n a t i o no fi n f o r m a t i o n n e t w o r ka n dc o n t r o ln e t w o r k i tc o m p l e t e st h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lt a s k sb a s e do n n e t w o r k ，b yw h i c ht h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lr a n g ec a l lb eg r e a t l ye x t e n d e d t h i sp a p e rh a sm a i n l yd e v e l o p e dt h eh a r d w a r e ，s o f t w a r ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f t h ee m b e d d e dw e b s e r v e rb a s e do na r m t h ec o r eo fh a r d w a r ep a r ti s $ 3 c 2 4l0 x p r o c e s s o rp r o d u c e db ys a m s u n g ，w h i c hc p u i st h er i s cs t y l eb a s e do na r m 9 2 0 t k e r n e l t h es o f t w a r ep a r th a sa d o p t e d o p e r m i n gs y s t e ml i n u xw h i c ht h es o u r c ec o d ei s o p e n e d t h eh a r d w a r ep a r tm a i n l yi n t r o d u c e da r mm i c r o p r o c e s s o r , t h et o t a l c o n s t r u c t i o no ft h eh a r d w a r e s y s t e m ，t h ea p p a r a t u sc h o i c e ，e a c h c o n n e c t e d e l e c t r o c i r c u i td e s i g n i n ga n dh a r d w a r ep l a t f o r md e b u g g i n g w h i l et h es o f t w a r ep a r t d i s c u s s e dt h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tc o n s t r u c t i n g ，t h es t a r t i n gp r o c e d u r ev i v i ，t h e t r a n s p l a n to fl i n u xk e r n e l ，l i n u xd e v i c ed r i v e rp r o g r a m ，t h et r a n s p l a n to fe m b e d d e d b o aw e b s e r v e ra n dr e a l i z a t i o na n ds oo n k e y w o r d s ：m i c r o p r o c e s s o ra r m 9 ，l i n u x ，c a nb u s ，r e m o t es u p e r v i s o r ys y s t e m ； e m b e d d e dw e b i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。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 酌研究成果，也不包含为获得武汉理工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。 签名：拯盘i q 期：望! 堡：竺：! 旦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：垃盔 导师签名： 日期：塑查：缉 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文的背景和意义 现场总线( f i e l d b u s ) 是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要 解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备问的数字通信 以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。由于现场总线简 单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而受到了许多标准团体和计算机 厂商的高度重视。微处理器的出现，特别是微控制器的发展为现场总线的产生 和发展创造了条件。现有的多数现场设备，为提高其性能价格比，在实现其内 部操作时都采用了微处理器和数字化元件，于是就提出了必须在这些领域的数 字设备之间实现数字通信的要求。采用现场总线的目的就是为了满足这种要求， 为工业领域中的测量和调节控制设备提供实现串行数字通信的手段。 对于现场总线，一方面把传统的模拟仪表变成数字仪表，变单一功能为多 项功能，实现现场仪表的互操作和互换信息；另一方面是把d c s ( 分散型控制 系统) 变成f c s ( 现场控制系统) ，在现场建立开放式的现场通信网络，实现全 系统的数字通信网络化。现场总线有以下优点： 1 一对n 的结构，一对传输线，可以对应多台现场数字仪表，也可采用多 种网络拓扑结构，简化了工程设计，降低了工程费用。 2 现场总线采用数字信号传输。 3 实现远程监控。 4 综合多种功能，以微处理器为基础的数字仪表具有多种功能；另外数字 调节阀直接从现场总线接收数字调节信号，在现场总线上就可以构成回路，把 原来的d c s 站的功能下放到现场仪表，实现彻底的分散，提高系统的可靠性。 其中对远程现场设备的状态监控是现场总线技术的一个重要应用，随着网 络技术的迅速发展，大大推动了信息技术的进步。早期的监控系统采取现场维 护控制方式，现在出现了以网络为基础的监控管理新框架，并向远程监控方式 过渡。位于生产现场的智能测控设备正通过现场总线互连起来构成底层的控制 网络，同时，i n t e m e t i n t r a n e t 等信息网络正在把全世界的计算机系统、通信系统 武汉理工大学硕士学位论文 连接起来，这就为底层信息的远程访问创造了条件。底层控制网络与上层信息 网络的纵向集成，构建远程监控系统，使得生产、管理人员能够通过企业内部 网或i n t e r n e t 远程地监控工业现场的运行情况，实现管理与控制的一体化。控制 网络与上层管理网络的结合己成为业界人士关注的重要课题之一。 1 2 嵌入式系统概述 i e e e 对于嵌入式系统的定义是：a ne m b e d d e ds y s t e mi st h ed e v i c e su s e dt o c o n t r o l ，m o n i t o r , o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s 嵌入式系 统是用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置。在中国嵌入式系统领域， 比较认同的嵌入式系统概念是：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为 基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功 耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、 嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的 控制、监视或管理等功能。 嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器 微处理器、存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。软件部分包括操作 系统软件( o s ) ( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。有时设计人员把这两种 软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用 程序编程与硬件的交互作用。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微 处理器一般就具备以下4 个特点： ( 1 ) 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应 时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。 ( 2 ) 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模 块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储 区保护功能，同时也有利于软件诊断。 ( 3 ) 可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入 式微处理器。 ( 4 ) 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算 和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有m w 甚至g w 级。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 控制器局域网总线c a n 概述 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 即控制器局域网络。c a n 最初是由德国的 b o s c h 公司为汽车监测、控制系统而设计的。众所周知，现代汽车越来越多地 采用电子装置控制，如发动机的定时、注油控制，加速、刹车控制( a s c ) 及复杂 的抗锁定刹车系统( a b s ) 等。由于这些控制需检测及交换大量的数据，采用硬接 信号线的方式不但繁琐、昂贵，而且难以解决问题，采用c a n 总线上述问题便 得到很好地解决。 由于c a n 总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而向 过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及 传感器等领域发展。c a n 已经形成国际标准，并己被公认为几种最有前途的现 场总线之一。 c a n 属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多新技术及独特的设计， 与一般的通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵 活性。其特点可概括如下： c a n 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其 他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。利 用这一特点可方便地构成多机备份系统。 c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优 先级的数据最多可在1 3 4 l s 内得到传输。 c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优 先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传 输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下 也不会出现网络瘫痪情况( 以太网则可能) 。 c a n 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方 式传送接受数据，无需专门的“调度”。 c a n 的直接通信距离最远可达l o k m ( 速度5 k p s 以下) ；通信速率最高可达 1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 。 c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个：报文标识符 可达2 0 3 2 种( c a n 2 o a ) ，而扩展标准( c a n 2 0 b ) 的报文标识符几乎不受限制。 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。 武汉理工大学硕士学位论文 c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以总线上其他节点 操作不受影响。 1 4 本文主要研究内容与工作 本课题基于将c a n 总线与i n t e m e t i n t r a n e t 结合的思想，以嵌入式技术实现 对现场总线的监控的方法为研究对象，并针对c a n 总线，结合嵌入式w e b 技术， 设计并实现了c a n 总线远程监控系统。主要研究内容如下： 第l 章：绪论，主要讲述本文的研究背景、研究内容和意义。 第2 章：叙述了远程监控系统的现状和发展趋势，介绍了本设计的监控系 统的网络结构。 第3 章：主要介绍硬件的设计。包括如何选择处理器，如何构造核心模块， 以及各个接口的硬件实现原理图。最后给出了主要的调试方法和界面。 第4 章：建立交叉编译环境的步骤。嵌入式l i n u x 操作系统的移植、配置和 编译的方法及步骤。 第5 章：介绍了l i n u x 设备驱动程序的体系结构和关键部分，给出了部分代 码，详细代码见附录。 第6 章：介绍了嵌入式设备接入i n t e m e t 以便用户实时访问和监控的桥梁 嵌入式w e b 服务器b o a 。研究了构建嵌入式w e b 服务器的方法，以及实现 远程监控的过程。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章远程监控系统 2 1 远程监控系统的概念 近年来，远程监控系统成为自动化控制领域的一个研究开发热点。远程监 控是指通过计算机网络系统实现对远程生产过程的监视和控制。远程监控系统 是指本地和远端共同构成的能够实现远程监控功能的软、硬件系统。远程监控 系统是信息网络与控制网络结合的产物。远程监控系统可用于常规生产、无人 值守及危险环境等，企业管理人员可以通过网络监视远程生产现场的运行情况， 根据经营的需要，及时发出调度指令，提高了工作效率，增强了企业的市场竞 争力【1 】。此外，企业还可以方便的利用本地丰富的软硬件资源对远程对象进行远 程诊断，并为客户提供技术支持等服务。远程监控系统包括两个基本要素：一是 现场控制系统，现场设备是远程监控系统的操作对象，保证现场控制系统的可 靠稳定运行是远程监控的基本要求：二是数据通信系统，这是连接远程用户与现 场设备的枢纽，远程用户必须能与控制现场进行信息交互才能够实现对现场设 备的远程监控。 建立远程监控系统应该要达到以下的目标： 夺保证现场控制系统的稳定运行： 夺客户端可以通过i n t e m e t 远程浏览现场系统的运行信息( 如设备参数、状 态信息，历史曲线等) ； 夺客户端可以通过i n t e m e t 远程调整现场控制系统的运行情况( 如修改运行 参数等) ： 令必须保证现场控制系统的稳定性与安全性。 2 2 远程监控系统的实现方式 i n t e m e t 可以看作由许多局域网通过传输介质和网络设备连接起来的一个网 络集合，就像一个覆盖全球的大型计算机网络，己成为当今社会的信息高速公 路和重要的基础设施。利用i n t e m e t 可实现大范围的信息高速传输和资源共享。 i n t e m e t 能为企业的生产、管理、经营提供供应链中从原料到市场各方而的信息 武汉理工大学硕士学位论文 资源，是企业通向外部世界的信息通道。 i n t r a n e t 基于i n t e m e t 通信标准和w w w 信息流通模式，采用i n t e m e t 的技术 和产品( 如t c p n p ，h t t p ，s m t p , h t m l ，e m a i l ，f i r e w a l l 等) 建立的一种自成 体系的企业内部专用网络，服务于企业内部的信息管理与交换。在i n t r a n e t 内， w w w 服务器是信息系统的基础，实现企业内部的信息交流。通过路由器，i n t r a n e t 可以与i n t e m e t 相连，成为i n t e m e t 的一部分，企业内部用户可以与外界交换信 息。 近年来，随着信息技术和计算机网络技术的迅速发展，以i n t e r n e t i n t r a n e t 为应用背景的分布式计算机技术也随之受到重视，已被各行各业广泛地应用并 被日益完善。作为这些技术的一个具体应用，远程监测与故障诊断正开展得如 火如茶。随着新型的企业联盟和虚拟企业的不断涌现，加上工业生产的现代化， 机械设备的大型化、连续化、高速化和自动化，基于远程的监测与控制技术正 在世界范围内迅速兴起，工业生产模式正经历着一场深刻的革命。i m e m e t 的触 须无孔不入，通过它，人们几乎可以“触及”世界上的所有事物。现代化企业离不 开与国际市场的信息、技术、资源和产品的交换，形成“无国界的经济实体”。厂 商可以通过网络得到世界范围内的买卖信息，还可以通过网络对异地的生产现 场进行组织、规划、控制与管理，地域不再是影响企业竞争的重要因素，个 企业不仅是一个地区的企业、一个国家的企业，更是全球的企业【2 1 。 2 3 远程监控系统的发展趋势 基于w e b 方式是实现远程监控的一个趋势。随着信息技术和网络技术发展， i n t e m e t 在过去的二三十年飞速地发展，并围绕着i n t e m e t 出现了许多新的技术和 新的应用。w w w 系统就是在这种形势下，作为网络化信息服务的基础迅速地 发展起来的。w w w 是一个基于i n t e m e t i n t r a i l e t 的全球连接的、分布的、动态 的、多平台的交互式超媒体信息系统。它利用多种协议传输，能检索分布在世 界各地w w w 服务器的信息资源1 3 】。自从2 0 世纪9 0 年代中期w 曲的产生到现 在十年左右的时间，w e b 技术的发展已经历了三个阶段，从最初简单的静态页 而到动态交互页面，再发展到现在的实时可伸缩的事务处理。w 曲服务是当前 i n t e m e t 上最热门的一种服务，得到了广泛的应用【4 l 。 在基于w 曲的远程监控系统中，客户端使用通用的w e b 浏览器，通过 i n t e m e t i n t r a n e t 对生产现场进行监控。这种方案具有显著的优点： 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) i n t e m e t i n t r a n e t 技术发展至今，在开放性、通用性、易用性和安全性方而 都具备了成熟、可靠的技术。 ( 2 ) 不需要开发专门的客户端软件，将应用程序集中在服务器上，大大减少 了客户端开发的土作量，而且易于扩充和修改。 ( 3 ) 系统具有统一的用户界而，用户不再需要为不同的控制系统安装不同的 客户软件，也不再需要针对不同的客户软件进行不同的培训，任何得到授权的 用户都可以使用w e b 浏览器来对生产现场进行实时监控。 ( 4 ) 企业的控制网络和数据网络的信息得以集成，有利于企业的信息管理。 2 4w e b 服务器嵌入式远程监控系统 在各种现场总线相互竞争的同时，互联网技术的发展，使得以太网和t c p i p 协议成为i t 领域事实上的标准，与现场总线相比，以太网因其协议简单、完全 开放、稳定性和可靠性好而获得了全球的技术支持，并具有应用广泛、成本低、 通信速率高、软硬件资源丰富、可持续发展潜力人等优点：以太网具有成熟的技 术、低廉的价格等特点。事实证明，工业以太网可以满足过程控制等领域作为 现场级网络的实时要求，替代一部分领域的现场总线，实现现场总线低层协议 的统一，可以在部分领域实现直达现场仪表的“一网到底”的信息传输。另一方面， 工业以太网通过t c p 肿协议簇可以和i n t e m e t 网无缝连接，从而可以在世界范 围内的任一地点直接实现对现场仪表的监控。因此，如果工业控制网络采用以 太网，就可以避免其发展游离于计算机网络技术的发展主流之外，从而使工业 控制网络与信息网络技术互相促进，共同发展，并保证技术上的可持续发展， 在技术升级方面无需单独的研究投入【5 】【6 1 。 目前，i n t e m e t i n t r a n e t 几乎都采用以太网技术，如果在控制网络中引入以太 网技术，将能够方便地将现场信息集成到企业信息系统中，无需进行额外的协 议转换工作。以太网进军控制网络，除了技术上的优势，还具有成本低、系统 安装容易、无须专门技术人员等优点。在传统的以太网中加入一些新的技术， 提高其实时性、抗干扰能力等，使之适用于工业控制领域，从而产生了工业以 太网技术。 嵌入式i n t e m e t 就是在这种背景下产生的，已依托于工业以太网技术而构建， 是i n t e m e t 技术、w e b 技术和嵌入式技术发展的产物，是这三种技术的有机融合。 嵌入式i n t e m e t 是指电子设备通过嵌入式模块直接接入i n t e m e t ，以i n t e m e t 为介 7 武汉理工大学硕士学位论文 质实现信息交互【8 】。嵌入式i n t e m e t 不仅是一种设备接入技术，而且是一种异构 网络互连技术。通过w e b 技术和嵌入式技术可对接入到i n t e m e t 的设备甚至个 底层控制网络实现远程的监控、诊断、测试、管理及维护等功能。 嵌入式i n t e m e t 模块通常包含有实时操作系统，实现t c p i p 协议和w e b 服 务器的基本功能1 9 1 。t c p i p 协议栈用来控制数据的传输，并提供在i n t e m e t 上路 由的功能，它对存储器、运算速度等的要求比较高，通常使用的t c p i p 协议栈 需要10 0 k b 2 0 0 k b 的内存空间，这还不包括操作系统和其它的应用。目前各类 嵌入式系统中微控制器的硬件资源( 如存储容量、运行速度等) 很有限，除部分3 2 位处理器外，大量存在着8 位、1 6 位的微控制器，很难支持t c p i p 等占用大量 系统资源的i n t e m e t 协议。根据各种微控制器自身的特性，实现t c w i p 协议通 常使用高档的m c u 芯片，采用a r m 内核的系列处理器或者3 8 6 e x 等高档 m c u ，其运算速度快、性能高，在芯片上可以运行实时操作系统，可以嵌入完 整的t c p i p 协议。 根据t c p p i p 协议在m c u 中的实现方法和嵌入式系统的要求，嵌入式 i n t e m e t 主要有以下三种实现方案： ( 1 ) 将标准网络协议( t c p i p ) 一直扩展到嵌入式设备当中，由嵌入式系统自身 实现联网功能，每个设备都可与i n t e m e t 相连。这是一种比较理想化的方案，对 m c u 性能的要求比较高，成本也较高。 ( 2 ) 通过专用w e b 服务器实现。在现有的嵌入式系统中大量使用8 位和1 6 位的m c u ，通常这些m c u 连接起来组成底层的控制网络。这种方案并不要求 每个设备都直接连接到i m e m e t 上，而是在其中一个特殊的设备上实现嵌入式 w e b 服务器，控制网络上的所有节点都通过这个w e b 服务器与i n t e m e t 进行信息 交互。通常，这种嵌入式w | e b 服务器是专门为嵌入式设备而设计的一种小巧精 悍的w e b 服务器，能够运行在嵌入式t c p i p 协议栈上，并能够提供几乎所有的 传统w e b 服务器所能提供的功能。 ( 3 ) 通过嵌入式网关实现。与2 所描述的网络结构类似，在特殊的设备上实 现嵌入式网关，运行t c p i p 协议，提供控制网络与i n t e m e t 的协议转换及路由 功能。 2 5c a n 总线远程监控系统的网络结构 采用嵌入式w e b 服务器的现场总线远程监控系统如图所示。嵌入w e b 服务 8 武汉理工大学硕士学位论文 器设备是整个远程监控系统的基础，它向下连接其它的控制设备，组成控制网 络，向上直接连接i n t e r n e t i n t r a n e t ，提供w e b 服务，因此对该设备在硬件和软 件方而的要求相对较高。该设备嵌入了以太网接口、t c p i p 通信协议栈以及w e b 服务器，具有自己的i p 地址，成为i n t e m e t 上的合法成员，远程的用户可以借 助i e 等通用浏览器，跨越i n t e r n e t 对控制网络中各节点的参数和状态进行远程 监控。这种远程监控系统的结构比较简单，对远程客户端的请求具有较高的响 应性能【7 l 。由于受到硬件资源的限制，嵌入式w 曲服务器在系统的完整性和功 能性方而都比不上独立式w 曲服务器。 整个监控网络如图2 1 所示，可以分为如下三层： ( 1 ) 现场采集节点。 现场采集节点位于生产现场，位于c a n 网络的最底层，负责对现场需要监 测的数据进行采集。不同的工业现场和不同的采集需求决定现场采集节点的多 样化，但只需要具备通用c a n 接口和协议，就可以应用于这个远程监控网络。 ( 2 ) 嵌入式监控平台。 嵌入式监控平台在整个网络中起着承上启下的作用，它同时具备c a n 接口 和以太网接口，连接着底层的c a n 网络和上层的以太网，通过c a n 网络收集 各个分站的采集节点的数据，然后通过w e b 服务器向监控中心发布信息。本课 题主要研究这一部分的设计与实现方法。 ( 3 ) 监控中心。 监控中心可以由通用p c 充当。i n t e r n e t 上任一合法授权的用户，都可以通 过w e b 浏览器向w e b 服务器提交监视、控制等请求，w e b 服务器端相应的应用 程序处理客户请求并将结果以h t m l 页而的形式送回w e b 浏览器f 2 1 。 图2 1w e b 服务器嵌入式远程监控系统的结构特点 9 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章硬件系统的设计与实现 整个系统由监控终端、现场设备端和嵌入式监控平台构成构成，参考图2 1 。 其中监控终端由运行通用浏览器的p c 充当，现场设备端是生产现场的数据采集 节点。嵌入式监控平台则是在嵌入式最小硬件配置基础上扩展调试模块、输入 输出模块、以太网模块及可选外设而成，其中嵌入式监控平台是整个网络中的 核心，它具有标准的c a n 接口和以太网接口，因而具有通用性，本章将对这个 硬件平台进行介绍。图3 1 是此嵌入式监控平台的硬件总体结构图。 图3 1 嵌入式监控平台的硬件总体结构图 3 1 处理器的选型 i c 设计技术不断进步，现在面向嵌入式应用的处理器种类很多，他们基本 都是r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r s ，精简指令集计算机) 体系结构。r i s c 体系相对于c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r s ，复杂指令集计算机) ，其指令 少，处理器内核结构简单，c 编译器更容易优化代码。目前，常见的嵌入式处理 器基本都是r i s c 体系，比如a r m ，m i p s ，6 8 k c o l d f i r e 、s h 、s p a r c 等。s o c 技术的发展，可以让越来越多的外设都集成到芯片内部，从而简化系统外围硬 件的设计，提高系统的可靠性，降低系统的成本【l0 1 。 现在，对于r i s c 结构的处理器来说，他们的指令特点都很类似。通常根据 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 用户需求选择嵌入式处理器和开发平台的原则是： ( 1 ) 可靠性高，集成度高。芯片内集成尽量多的满足用户需求的接口或控制 器，尽量少地扩展片外资源。 ( 2 ) 产品的总成本低，选用更便宜、使用量大、生命周期长的处理器和外设。 ( 3 ) 开发成本低、周期短，选用操作系统和驱动程序等软件支持完善的处理 器，可以有效地减少开发中存在的风险和不确定因素。 本设计所采用的a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ，高级精简指令集计算机) 为 核心的处理器平台，是因为其使用广泛，软件支持好，包括l i n u x 在内的很多嵌 入式操作系统都有成熟的针对a r m 的移植版本。可以说，a r m 已经成为手机、 p d a 等便携式设备上的标准处理器，是嵌入式处理器中最有代表性的体系结构。 在2 0 0 1 年初，a r m 公司的3 2 位砌s c 处理器市场占有率就超过了7 5 ，近年 来这个比例还在不断增长中。 s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器$ 3 c 2 4 1 0 ，为手持设备和一般类型 应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案【1 0 1 。为了降低整 个系统的成本，$ 3 c 2 4 1 0 提供了丰富的内部设备：分开的1 6 k b 的指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e ，m m u 虚拟存储器管理，l c d 控制器( 支持s t n & t f t ) ，支持 n a n df l a s h 系统引导，系统管理器( 片选逻辑和s d r a m 控制器) ，3 通道u a r t , 4 通道d m a ，4 通道d m a ，4 通道p w m 定时器，i o 设备，s d 主卡& m m c 卡接口， 2 通道的s p i 以及内部p l l 时钟倍频器。 $ 3 c 2 4 1 0 采用了a l 洲9 2 0 t 内核，0 1 8 u m 工艺c m o s 标准宏单元和存储器 单元。它的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的 应用。同样它还采用了一种叫做a d v a n c e dm i c r o c o n t r o u e rb u s a r c h i t e c t u r e ( a m b a ) 新型总线结构。通过提供一系列完整的系统外围设备， $ 3 c 2 4 1 0 大大减少了整个系统的成本，消除了为配置额外器件的需要。$ 3 c 2 4 1 0 中集成的一些片上功能有【1 0 j ： 1 8 v 2 0 v 内核供电，3 3 v 存储供电，3 3 v 外部i o 供电； 冷具备1 6 k b 的i - c a c h e 和1 6 k b 的d c a c h e m m u ； 外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) 。 令l c d 控制器( 最大支持4 k 色s t n 和2 5 6 k 色t f t ) 提供l 通道l c d 专 用d m a 。 4 通道d m a 并有外部请求引脚。 武汉理工大学硕士学位论文 令3 通道d m a 并有外部请求引脚。 令3 通道u a r t ( i r d a l 0 ，16 字节t x f i f o ，和1 6 字节r x f i f o ) 2 通道s p i 夺l 通道多主i i c b u s i 通道i i s b u s 控制器。 夺兼容s d 主接口协议1 0 版和m m c 卡协议3 1 1 兼容版。 夺2 端口u s b 主机1 端口u s b 设备( 1 1 板) 4 通道p w m 定时器和1 通道内部定时器 夺看门狗定时器 令1 1 7 个通用i o 口和2 4 通道外部中断源 令功耗控制模式：具有普通，慢速，空闲和调电模式 令8 通道1 0 比特a d c 和触摸屏接口 令具有日历功能的r t c 令具有p l l 片上时钟发生器 3 2 电源模块电路 $ 3 c 2 4 1 0 需要1 8 v 2 0 v 的内核供电，3 3 v 存储器供电，3 3 v 外部i o 供电。 本设计先使用电压调节芯片l m 2 6 7 6 将电源稳压至5 v ，然后再使用l m 2 6 7 6 将 电源由5 v 降压至3 3 v 再使用l m 8 8 6 芯片将3 。3 v 调整至1 8 v ，从而满足了 $ 3 c 2 4 1 0 的电源要求。原理图如图3 2 所示。 图3 2 电源模块原理图 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 3 3j t a g 接口电路 利用a r m 处理器中内嵌的调试模块的功能，通过其j t a g 边界扫描接口与 j t a g 仿真器连接，利用相应的调试工具，可进行系统的软、硬件调试，从而达 到对芯片内部工作状态进行监控的目地。j t a g 接口电路是否正确是整个系统调 试是否成功的关键j 。 j t a g 接口的连接有两种标准：1 4 针接口和2 0 针接口，本系统中采用2 0 针 接口。j t a g 信号的定义与$ 3 c 2 4 1 0 的连接如图3 3 所示： 3 3 0 图3 3 $ 3 c 2 4 1 0 的j t a g 接口原理图 3 4 存储模块设计 3 4 1s d r a m 存储器模块 g n d s d r a m ( s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ) 同步动态随机存取 存储器，同步是指m e m o r y 工作需要步时钟，内部的命令的发送与数据的传输都 以它为基准；动态是指存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失；随机是指 数据不是线性依次存储，而是由指定地址进行数据读写。它最大的特色就是可 以与c p u 的外部工作时钟同步，和系统中的c p u 、主板使用相同的工作时钟， 如果c p u 的外部工作时钟是1 0 0 m h z ，则送至内存上的频率也是1 0 0 m h z 。这 样将去掉时间上的延迟，可提高内存存取的效率【1 2 】。 s d r a m 的工作原理如下：s d r a m 是以阵列单元来存储数据的，因此在存取 时必须提供一个行地址和一个列地址来确定所要访问的数据的位置。第一步， 武汉理工大学硕士学位论文 地址总线上出现所要访问数据的列地址，同时作为列地址信号标志的r a s ( r o w a d d r e s ss t r o b e ) 信号有效，将列地址打入s d r a m ，s d r a m 将整列的数据都准 备好，等待着被访问；接着地址总线上出现所要访问数据的行地址，并通过行地 址信号的c a s ( c o l u m na d d r e s ss t r o b e ) 打入s d r a m ，s d r a m 从在这之前已选中 的列中挑选出该行地址所对应的数据，并将该数据输出或输入到数据总线。具 体是输出还是输入操作是由w e 信号决定的。 本系统的硬件平台采用的是两片h y n i x 公司的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 ，单片容量为 4 b a n k s * 4 m * 1 6 b i t ，采用2 片构成1 6 m 幸3 2 b i t 的s d r a m 模块，具体电路如图3 4 所示。 l a d d r 2 2 l a o d r 32 4 a 0 d q o 4 l a d d r 42 5 a 1 d 0 1 5 l a d d r 5 巧 a 2 d q 2 7 l a d d r 62 9 3 d 8 u o d r 73 0 d04 1 0 l 矗d d 衣83 1 , 1 5d q s l l l a d c , r 93 2 瞄d061 3 l a d d r l q 3 3 7d 0 7 4 2 l a d d r l 埘 8 d q 8 4 4 l a d d r l 2 2 2 t 9d 0 9 4 5 l a c _ d r1 脚 a 1 0 d q l o 4 ， a 1 1d o l l l a d d r l 4 3 6 4 8 a 1 2 d q l 2 5 0 l a x 齐, 2 4 2 9 d o l 3 5 l b , l 0 d q l l a d ) r 2 5 2 1 5 3 b a id q l 5 l n w b e 0 1 51 9 l n w 8 e i3 9 u ) q m椰 1 8 u d o ma s r t $ 1 7 l s o 正” i i s c s 1 6 轼：n - 舰 l s c l k 0 箱 9 ：i j c l 麓