（机械电子工程专业论文）嵌入式小型工业监控系统的研究.pdf

西华大学硕士学位论文 嵌入式小型工业监控系统的研究 机械电子工程专业 研究生武博指导教师费唯公 目前，工业现场常采用基于p c 的工控机组成复杂的监控系统监控系统， 它具备了丰富的图形交互界面和网络功能。对于大型系统，这种方案是合理、 实用的。但对于一些小型系统( 或复杂的小型设备) 。采用工控机这样的方案， 其体积过太、成本高、对环境的要求过高的弱点就较为突出。某些系统采用传 统的单片机( 如8 位单片机) 完成以上工作，但一股它的图形处理能力、人机交 互的能力较差，特别是网络通讯能力差，开发工作也变得越来越复杂、庞大， 很难处满足应用对象的需求。 本文提出了一种小型工业监控系统的模式，其杨d 由3 2 位a r m 9 微控制 单元、w i n d o w sa 3 操作系统和必要的通讯接口组成。它拥有友好的用户交互 界面、统一的编程环境和强大的网络功能，功耗低、可靠性高、体积小，同时 也使系统的开发变得更为容易。 本文主要研究了以下内容： 1 ) 研究了以a r m 9 为内核的$ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器的结构特性和应用开 发。设计了一个以$ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器为核心的嵌入式工业控制器， 包括：电源、键盘、标准串口、l e d 、j t a g 接口、l c d 接口、u s b 接口、以太网口、s d r a m ( 6 4 m ) 、n a n d a a s h ( 6 4 m ) 、n o r a a s h ( 6 4 旧 等： 2 ) 研究了嵌入式操作系统w i n d o w s c e 的内核组件、o e m 层和上层应用 程序，通过使用p l a t f o r mb u i l d e r 来构建和定制平台、编译操作系统和 定制目标设备，完成b s p 包在a r m 平台上的移植； 3 ) 研究了w i n d o w sc e 操作系统下的流接口设备驱动程序d l l 的开发， 编写了m d d 层代码和p d d 层代码，开发了嵌入式控制器上的串口驱 西华大学硕士学位论文 动程序和u s b 驱动程序： 4 ) 研究了w m d o w sc e 操作系统下的应用软件开发中常用功能模块的没 计，包括：通讯模块，数据管理模块，数据参数的曲线显示模块和开 关量模块； 5 ) 设计了一个简单的基于a r m & w i n d o w s c e 的嵌入式小型工业监控系 统作为开发实例。 关键词：嵌入式技术，a r m ，w i n d o w sc e ，监控系统 西华大学硕士学位论文 r e s e a r c h0 1 1e m b e d d e dm i n im o n i t o r i n g s y s t e m f o ri n d u s t r y m a j o r ：m e e h a t r o n i c se n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：w ub os u p e r v i s o r ：h u a n gw e i g o n g a tp r e s e n t , i n d u s t r yc o m p u t e r sa r eu s e df o rf i e l de n g i n e e r i n g t h e yh a v er i c h i n t e r a c t i v eg r a p hi n t e r f a c ea n dn e t w o r kf u n c t i o n i ti sr e a s o n a b l ea n dp r a c t i c a lf o r l a r g es y s t e m b u tc o n s i d e r i n gs o m em i n im o n i t o r i n gs y s t e m ( o rc o m p l e xm i n i d e v i c e ) ，t h ed i s a d v a n t a g eo fl a r g es i z e ，h i g hp r i c ea n dr e q u h e m e n to fh i 曲c o n d i t i o n i se m c e e d ，w i t hu s i n gi n d u s t r ym i c r o c o m p u t e r s t h e ns o m es y s t e mu s e dt r a d i t i o n a l m i c r o c o n t r o l l e r ( s u c ha s8 - b i tm i c r o c o n t r o l l e r ) f o rm o n i t o r i n gs y s t e m ，b u ti t sa b i l i t y o fg r a p ho p e r a t i o na n di n t e r a c t i v ea c t i o n ，e s p e c i a l l yn e t w o r kb u i l d i n gi ss op o o rt h a t c a nn o tm e e tt h ed e m a n do f a p p l i c a t i o n i ti sm o r ed i f f i c u l tt od e s i g ns y s t e m t h i sp a p e rp r e s e n t sap a t t e mo fe m b e d d e dm i n ii n d u s t r ym o n i t o r i n gs y s t e m ， w i t h3 2 - b i ta r m 9m c u ，w i n d o w sc ea n dn e c e s s a r yc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea s i n n e rc o f e t h em o n i t o r i n gs y s t e mh a sf r i e n d l yi n t e r a c t i v ei n t e r f a c e ，u n i f i e d p r o g r a m m i n gp l a t f o r ma n dp o w e r f u ln e t w o r kf u n c t i o n , a n dh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f l o wp o w e r , h i 曲r e l i a b i l i t ya n ds m a l ls i z e ，a tt h em e a n t i m e ，i tm a k et h es y s t e m d e v e l o p m e n t m o r ee a s y t h em a i nc o n t e n ti nt h ep a p e ri sa sf o l l o w s ： 1 ) s t u d i e dt h es l r u c t u ma n da p p l i c a t i o no ft h em c u $ 3 c 2 4 1 0 xw i t h a r m 9 2 0 ta si n n e rc o r e d e s i g n e da ne m b e d d e dc o n t r o l l e rw i t hm c u $ 3 c 2 4 1 0 xa sk e r n e l t h ee m b e d d e dc o n t r o l l e ri n c l u d e s ：p o w e rs u p p l y ， k e y b o a r d ，s t a n d a r ds e r i a l ，t e d ，j t a gi n t e r f a c e ，t e d i n t e r f a c e ，u s b i n t e r f a c e ，e t h e m e ti n t e r f a c e ，s d r a m ( 6 4 m ) ，n a n df l a s h ( 6 4 m ) ，n o r 西华大学硕士学位论文 凡a s hr 6 4 m ) e t c 2 ) s t u d i e d t h e k e r n e ls t r u c t u r e ，o e m l a y e r a n d t o pa p p l i c a t i o n o f w m d o w s c e u s e dp l a t f o r mb u i l d e rt ob u i l da n dc u s t o m i z ep l a t f o r m , c o m p i l e do p e r a t i o n s y s t e ma n dc u s t o m i z eo b j e c td e v i c e ，t r a n s p l a n t e db s pp a c ko nt h ea r m p l a t f o r m 3 ) s t u d i e dt h ed e v e l o p m e n to fd e v i c ed r i v e rd l lo nw i n d o w sc e p l a t f o r m c o m p i l e dt h ec o d eo fm d da n dp d dl a y e r , d e v d o p e dt h ed e v i c ed r i v e r a b o u ts e r i a la n du s bo ne m b e d d e dc o n t r o l l e r 4 ) s t u d i e dt h ed e v e l o p m e n to fc o m m o nf u n c t i o nm o d u l eo fs o f t w a r eo n w i n d o w sc ep l a t f o r m ，i ti n c l u d e d ：c o m m u n i c a t i o n , d a t am a n a g e m e n t ， c u r v e o f p a r a m e t e r s ，s a t e o f s w i t c h i n g v a l u ee t c 5 ) d e s i g n e das i m p l ee m b e d d e dm i n ii n d u s t r ym o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do n a r m & w i n d o w sc ea sd e v e l o p m e n te x a m p l e k e yw o r d s - e m b e d d e dt e c h n o l o g y , a r m ，w i n d o w sc e , m o n i t o r i n gs y s t e m 西华火学硕七学位论文 1 绪论 1 1 前言 人们对自然界的认识在很大程度上取决于检测和仪表。检测技术和仪表是 现代科学技术水平剐氐的一个标志。回顾工控行业的发展进程，可以清晰地看 出：时至今日，仪器仪表的应用范围己经覆盖了人类活动的所有领域，并且f 从传统的化学成分分析、物理量检侧、机械量测量、天文地理观测、工业生产 过程自动控制、产品质量测控等传统应用领域，进一步向生物医学、生物工程、 生态环境等非传统应用领域扩展。 在检测技术和仪表迅速发展的同时，计算机和网络技术也在迅速发展，p c 机已经从高速增长进入到平稳发展时期，单纯由p c 机带领电子产业蒸蒸f 上 的时代已经成为历史，嵌入式系统的出现和广泛应用，使计算机和网络进入了 后p c 时代。把嵌入式系统应用到工控领域，让传统的仪表、传感器和微处理 器相结合，可产生功能强大包含网络接口的智能传感器( s m a n s e n s o r ) 、现场智 能仪器仪表及现场测控单元。芯片、总线、接口技术，成为仪器仪表的内核， 嵌入式系统成为技术的代表，并由此形成了工控行业发展的趋势。 基于嵌入式的监控系统作为检测技术的重要发展方向之一，是工业数据通 讯技术与计算机技术、互联网技术等多种技术共同发展的结果。其应用领域十 分广稠，涉及工业生产、航空航天、智能小区、网络化家电等各行各业，具有 良好的发展前景。该项技术的发展与成熟将会给人们的生活以及企业的生产带 来深远的影响。 8 6 j 1 2 嵌入式工业监控系统的概念及特点 1 - 2 1 基拳 孵各 嵌入式系统并没有一个确切统一的定义，广义的讲，任何内含中央处理器 的专用系统都可以称之为嵌入式系统。 根据t e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义：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”( 原文为d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ， 西华大学硕士学位论文 m o n i t o r , o r a s s i s t t h e o p e r a t i o n o f e q u i p m e n t , m a c h i n e r y o r p l a n t s ) 。这主要是从应 用方面定义的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖 机电等附属装置。 嵌入式系统另种较为通用的定义是：以应用为中心，以计算机技术为基 础，软件硬件可剪裁，适应实际应用中对功能，可靠性、成本、体积、功耗严 格要求的专用计算机系统。 它主要由嵌入式微处理器，外围硬件设备，嵌入式操作系统以及用户应用 软件等部分组成，用于实现对其它设备的控制，监视和管理等功能，通常嵌入 在主要设备中运行。嵌入式系统是将先进的计算机技术，电子技术和各个行业 的具体应用相结合的产物，这一点就决定了它是一个技术密集，资金密集，高 度分散，不断创新的知识集成系统。 工业监控系统是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术， 对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、 提高质量、刚氐消耗、确保安全等目的的综合性系统。主要包括监控系统软件、 硬件和系统三大部分。它将多个分散在生产现场，具有通信能力的工业监控设 备作为网络节点，采用规范的通讯协议，把现场监控设备连接成可以相互沟通 信息，共同完成监测任务的网络系统与控制系统。 嵌入式工业监控系统将嵌入式系统应用于工控领域，使传统测控仪器和高 性能的嵌 式控制器相结合，并通过工业现场总线，把分布于生产现场的测控 仪器相互联接起来，实现各控制设备间的信息交互，完成对工业设备的集中化 监控。 1 t 2 2 主要特点 1 ) 嵌入式操作系统有良好的可移植陛，能够运行于不同的微处理器上；内核 开销小、效率高、具有高度的模块化和扩展性：可以提供多任务、多进程、 多线程处理；有多种设备支持、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能； 向用户提供大量应用程序接口，应用软件开发工作变得规范，可实现模块 化编程。 2 ) 嵌入式工业监控系统能够适应恶劣的工作环境，全面改善传统的人机交互 两华火学硕十学位论文 一 界面，拥有统一的编程界面，并具备强大的通信功能和多媒体功能，能够 对工! 世现场进行实时监控。 3 ) 从1 嵌入式监控系统的实现成本来看，嵌入式监控系统的实现成本应该有着 严格的控制，该系统即可用在一些价格昂贵的工业设备上，也i j 用在一些 低廉的仪器仪表上，其应用的广泛程度直接取决于其实现成本。研究较低 成本的实现是研究嵌入式智监控系统的一个重要的方面。 1 3 嵌入式技术与工业监控系统的发展现状 1 3 i 嵌入式技术的发展现状 虽然嵌入式技术是最近才j ) ( 1 靡起来，但从2 0 世纪7 0 年代单片机的出现到 今天各种嵌入式微处理器、微控制器的应用，嵌入式技术已经有3 0 多年的历 史了。嵌入式技术历经了以下几个发展阶段： 1 ) 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测、 伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的 工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进 行直接控制，运行结束后清除内存。这一阶段系统的主要特点是：系统结 构和功能都相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有图形用户 接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格很低，以前在国内工业领域应 用较为普遍，但是已经远远不能适应高效的、需要大容量存储介质的现代 化工业控制和新兴的信息家电等领域的需求。 2 1 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式技术。 这阶段系统的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱；系统丌销小， 效率高；操作系统具有一定的兼容性和扩展性：应用软件较专! n 。用户界 面不够友好；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。 3 ) 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式技术。这一阶段系统的主要 特点是：嵌入式操作系统能运行予各种不同类型的微处理器上。兼容i 生好； 操作系统内核精小、效率高，芳且具有高度的模块化和扩展性；具备文件 和目录管理、设备支持、多任务、刚络支持、图形窗口以及用户界面等功 能：具有大量的应用程序接口( a p i ) ，丌发应用程序简单：嵌入式应用 西华大学硕士学位论文 软件丰富。 4 ) 第四阶段是以基于i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展 的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e m e t 之外，但随着l n l e m e t 的 发展以及i n t e m e t 技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入 式设备与i n t e m e t 的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。嘲 1 3 2 工业监控系统的发畏现状 1 ) 基于p l c 的工业监控系统 可编程控制器( p l c ) 始终处于工业控制自动化领域的主战场，为各种各 样的监控系统提供非常可靠的控制方案，与d c s 和工业p c 形成了三足鼎立之 势。同时，p l c 也承受着来自其它技术产品的冲击，尤其是工业p c 所带来的 冲击。目前，全世界p l c 生产厂家约2 0 0 家，生产3 0 0 多种产品。国内p l c 市场仍以国外产品为主，如s i e m e n s 、m o d i c o n 、a - b 、o m r o n 、三菱、 g e 的产品。经过多年的发展，国内p l c 生产厂家也越来越多。 微型化、网络化、p c 化和开放性是p l c 未来发展的主要方向。在基于p l c 监控系统的早期，p l c 体积大且价格昂贵；但在最近几年，微型p l c 已经出 现，价格只有几百欧元。随着软p l c 监控组态软件的进一步完善和发展，安 装有软p i c 组态软件和p c - b a s e d 控制的市场份额将逐步得到增长。 当前，监控系统领域最大的发展趋势之一就是e t h e m e t 技术的扩展，p l c 也不例外。现在越来越多的p l c 供应商开始提供e t h e m e t 接口。可以相信， p l c 将继续向开放式监控系统方向转移。 2 ) 以z _ q kp c 为基础的工业监控系统 2 0 世纪末，p c - b a s e d 的工业计算机( 简称工业p c ) 应运而生。其包含两 种类型：i p c 工控机和c o m p a c tp c i 工控机以及它们的变形机，如a t 9 6 总线 工控机等。由于基础自动化和过程自动化对工业p c 的运行稳定性、热插拔和 冗余配置要求很高，现有的传统的监控系统，基础自动化部分基本被p l c 和 d c s 所垄断，过程自动化和管理自动化部分主要是由各种进口的过程计算机或 小型机组成，其硬件、系统软件和应用软件的价格之高，令众多企业望而却步。 2 0 世纪9 0 年代以来，由于工业p c 的发展，以工业p c 、帕装置、监控装置、 西华大学硕士学位论文 控制网络组成的p c - b a s e d 的自动化监控系统得到了迅速普及。由于基于p c 的 控制器被证明可以像p i c 一样可靠，并且被操作和维护人员接受，所以，一 个接一个的制造商至少在部分生产中正在采用p c 控制方案。基于p c 的控制 系统易于安装和使用，有高级的诊断功能，为系统集成商提供了更灵活的选择。 几年前，当软p l c 出现时，业界曾认为工业p c 将会取代p l c 。然而，时 至今日工业p c 并没有代替p l c ，主要有两个原因：一个是系统集成原因；另 一个是软件操作系统w i n d o w sn t 的原因。一个成功的p c - b a s e d 监控系统要 具备两点：一是所有工作要由一个平台上的软件完成；二是向客户提供所需要 的所有东西。可以预见，工业p c 与p l c 的竞争将主要在高端应用上，其数据 复杂且设备集成度高。工业p c 不可能与低价的微型p l c 竞争，这也是p l c 市场增长最快的一部分。从发展趋势看，控制系统的将来很可能存在于工业 p c 和p l c 之间，这些融合的迹象已经出现。 3 ) 面向测控管一体化设计的d e s 监控系统 集散控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 问世于1 9 7 5 年，生产厂 家主要集中在美、日、德等国。我国从7 0 年代中后期起，首先由大型进口设 备成套中引入国外的d c s 。当时，我国主要行业的d c s 基本全部进口。8 0 年 代初期，在引进、消化和吸收的同时，开始了研制国产化d c s 的技术攻关。 近1 5 年，特别是九五”以来，我国d c s 系统研发和生产发展很陕，崛起 了一批优秀企业。这批企业研制生产的d c s 系统，不仅品种数量大幅度增加， 而且产品技术水平已经达到或接近国际先进水平。在2 0 0 1 年全国应用的4 4 2 6 套d c s 系统中，国产d c s 系统为1 4 8 6 套，占3 5 。短短几年，国外d c s 系 统在我国一统天下的局面从此不再出现。这些专业化公司不仅占据了一定的市 场份额，积累了发展的资本和技术，同时使得国外引进的d c s 系统价格也大 幅度下降，为我国自动化推广事业做出了贡献。据统计，2 0 0 5 年，我国石化 行业有1 0 0 0 多套装置需要应用d c s 控制；电力系统每年新装1 0 0 0 多万千瓦 发电机组，需要d c s 实现监控；不少企业己使用d c s 近2 0 年，需要更新和 改造。所以，今后5 年内d c s 作为监控系统仪表行业主要产品的地位不会动 摇。 根据中国仪器仪表行业协会公布的调查数据显示，2 0 0 5 年我国d c s 市场 西华大学硕士学位论文 状况如下：小型化、多样化、p c 化和丌放性是未来d c s 发展的主要方向。目 前小型d c s 所占有的市场，已逐步与p l c 、_ 业p c 、f c s 共享。今后小型 d c s 可能首先与这三种系统融合，而且软d c s ”技术将首先在小型d c s 中得 到发展。p c - b a s e d 控制将更加广泛地应用于中小规模的过程控制，各d c s 厂 商也将纷纷推出基于工业p c 的小型d c s 系统。开放性的d c s 系统将同时向 上和向下双向延伸，使来自生产过程的现场数据在整个企业内部自由流动，实 现信息技术与控制技术的无缝连接，向测控管一体化方向发展。删 1 4 嵌入式技术在小型工业监控系统中应用的意义 嵌入式系统开始于2 0 世纪8 0 年代单片机的使用。它给工业生产的监控带 来极大方便。单片机功能强大，从信号采集、处理到传输都能完成。但是，随 着网络时代的来临，许多设备需要联网以及更智能化、更丰富的图形界面等。 为了实现这些功能，工业现场常采用基于p c 的工控机组成的监控系统。对于 大型复杂的监控系统，这种方案是合理、实用的。但对于一些小型的系统f 或 一些复杂的小型设各) ，采用工控机这样的方案，其体积过大、成本高、对环 境的要求过高的弱点就较为突出。部分厂商采用传统的单片机( 如8 位单片机j 完成以上工作，但单片机越来越不能满足应用对象的需求，开发工作也变得越 来越复杂、庞大。随着微电子技术的进步，芯片的制造成本大大刚氐，而功能 却大大增强，1 6 位和3 2 位的嵌入式微处理器逐渐成为嵌人式系统设计的主流。 再加上一俐垂行于嵌入式微处理器上的操作系统。就使软件开发工作变得更规 范，更容易实现模块化编程，也容易解决已往开发产品存在的诸多不安全隐患。 把嵌入式技术引入工控领域，还为开发者提供了大量的工具和函数库，从 而减少了传统的客户端和二次开发的工作量：并且容易使嵌 式技术和因特网 技术结合起来，使得整个工控网络只有一种底层通信协议。但传统的工业控制 采用8 位或1 6 位单片机很难满足要求，随着3 2 位a r m 内核高性能微控制器 的推广，存储器容量和运算速度能够满足i n t e m e t 通信协议的要求，使设想成 为可能。 将嵌入式操作系统运用到监控系统中，是目目n 监控系统开发的一个方向， 由操作系统管理系统的软硬件资源，利用应用软件开发工具实现采集数据的分 6 西华大学硕士学位论文 析和显示，而且我们可以非常容易的对系统进行升级和对分析软件进行功能扩 展。从目前国内外仪器仪表的市场看，基于嵌入式操作系统的产品多为消费类， 而在工业仪表中的应用相对较少，这是由于工业用监控系统要具有很强的实时 性和抗干扰性，这就为系统的硬件设计提出了更高的要求。随着嵌入式技术的 不断发展和高性能处理器的出现，嵌入式技术必将在工业监控系统中得到广泛 应用，对传统工业监控设备必将产生重要影响。 我们进行基于w i n c e 嵌入式操作系统的监控系统的设计和开发正是在这 方面做的大胆而有意义的尝试。 1 - 5 课题来源及研究内容 1 _ 5 1 课题来源 本文研究课题是四川省重点学科建设项目嵌入式远程工业测控系统的开 发( 编号s z d 0 4 0 9 ) 课题的子课题。 1 5 2研冤内容 本课题是对基于a r m & w i n d o w sc e 嵌入式小型工业监控系统的探索和 研究，探讨了嵌入式小型监控系统的实时操作系统、微处理器、通信、界面和 开发平台等一些共性问题，然后介绍了一个具体实际应用。主要内容如下： 1 1 查阅大量文献，学习和了解嵌入式技术和工业监控系统的特点和历史发展； 了解嵌入式监控系统设计的原理和步骤。 2 1 研究了以a r m 9 为内核的$ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器的结构抒| 生和应用开发。设 训。了一- 爪以$ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器为核心的嵌入式工业控制器，包括：电源、 键盘、标准串口、l e d 、j t a g 接口、1 c d 接口、u s b 接口、以太网口、 s d r a m ( 6 4 m ) 、n a n df l a s h ( 6 4 m ) 、n o rf l a s h ( 6 4 m ) 等： 3 ) 研究了嵌入式操作系统w i n d o w s c e 的内核组件、0 e m 层和上层应用程序， 通过使用p l a t f o r mb u i l d e r 来构建和定制平台、编译操作系统和定制目标设 备，完成b s p 包在a r i v l 平台上的移植： 4 1 研究了w i n d o w sc e 操作系统下的流接1 2 1 设备驱动程序d l l 的开发，编写 了m d d 层代码和p d d 层代码，开发了嵌入式控制器上的串口驱动程序和 西华大学硕士学位论文 u s b 驱动程序； 5 ) 研究了w m d o w sc e 操作系统下的应用软件开发中常用功能漠块的设计， 包括：通讯模块，数据管理模块，数据参数的曲线显示模块和开关量模块： 6 ) 设计了一个简单的基于a r m & w i n d o w sc e 的嵌入式小型工业监控系统作 为开发实例。 西华大学硕士学位论文 2 嵌入式小型工业监控系统的总体设计 2 1 嵌入式小型监控系统总体设计框架 在该论文中设计了一个基于a r m w m d o w sc e 的嵌入式小型监控系统， 整个系统由适配器、嵌入式控制器、测控仪器等三部分组成，其总体框图如图 2 1 所示： r s 4 8 5 或 测控仪器2 i c a n 总线 i i 河0 樗玎口璺呈o ：蕊： 揭竺堋期 一面西一一鐾篡卜一 因特网 或u s b 。= 2 2 。 f 电2 if r a m eo f t h es y 啦m 图2 1 系统框图 该系统中的嵌入式控制器以高性能微处理器为核心，其上运行嵌入式 w m d o w sc e 操作系统。适配器( 主要功能是通信协议转换，传送命令、数据 的格式转换等) 通过简单的r s 4 8 5 c a n 总线将传统的嵌人式工业监控设备连 接起来( 这些测控应有r s 4 8 5 或c a n 总线等接口) ，适配器再通过r s 2 3 2 或 u s b 与嵌入式控制器通讯。嵌入式控制器还可以通过网口与i n t e m e t 连接，实 现远程控制。嵌入式控制器负责传统方案中的工控机任务，实现对工业设备的 集中化监控。 2 2 嵌入式小型监控系统的总体功能 1 ) 嵌入式控制器和测控仪表通过m o d b u s 现场总线技术进行通信，实现数 据参数的传输与共享； 2 ) 建立数据库，显示主控制器通过串口所接收到的数据参数，并将数据存储 9 西华大学硕一l 学位论文 并进行管理： 3 1 在i _ c d 上显示实时参数曲线、实时数据值以及数据库中的历史记录曲线； 钔在l c d 上显示开关量的实时状态，并对其进行监控： 5 1 对w i n d o w sc e 操作系统浏览器适当设置口，可直接上网浏览网页。 该嵌入式监控系统的实物图如图2 2 所示： f i g 2 2t h ee x p e r i m e n t a l a p p a r a l u s 图2 2 系统实验装置 1 0 西华大学硕士学位论文 3 嵌入式工业控制器的硬件设计 3 ，1 嵌入式控制器硬件结构图 嵌入式控制器的系统硬件结构图见图3 1 。由7 v - 1 5 v 直流供电，温度范陶 为4 0 一7 0 摄氏度，湿度可达5 9 5 r h ，而且控制器的延时低于2 0 0 m s ，低功耗， 适合工控现场的要求。 p i g 3 1h a r d w a r es c h e m a t i cd i a g r a m 图3 1 硬件结构幽 其中，系统时钟使用1 2 m h z 晶体，并由c p u 内部的p l l 倍频至2 0 0 m h z 。 各部分基本功能描述如下： 标准串行接口电路用于$ 3 c 2 4 1 0 x 系统与其它应用系统串行通讯： i o m 以太网接口为系统提供以太网接入的物理通道，通过浚接口，系统i t j 以1 0 m 的速率接入以太网； u s b 接口可用于u s b 通订u 韭行捌芋下载或u s b 设备的连接； f l a s h 存储器可存放己调试好的用户应用程序、嵌入式操作系统或其他 在系统掉电后需要保存的用户数据等； 西华人学硕十学位沧文 s d r a m 存储器作为系统运行时的主要区域，系统及用户数据、堆栈均位 于s d r a m 存储器中： l c d 接口用于连接触模式l c d 模块，显示画面，菜单的选择； l e d 和键盘可用于系统功能指示和输入指令； 音频i 0 可以实现音频的输入输出，实现系统的报警等功能； 系统总线扩展引出了数据总线、地址总线和必须的控制总线，便于扩展外 围电路，系统功能改进； j t a g 接口可对芯片内部的所有部件进行访问，通过该接口可对系统进行 调试、编程等。 嵌入式控制器的实物图如图3 r 2 所示： f i g 3 2 t h e h a r d w a r e a p p a r a t u s o f e m b e d d e d c o n t r o l l e r 图3 2 嵌入式控制器实物图 从嵌入式控制器的系统硬件结构图和实物图可以看出嵌入式控制器是嵌 入式监控系统的关键部分。测控仪表的数据和各种信息从总线进入嵌入式控制 器，它负责传统方案中的工控机任务，进行有效的管理。 3 2 嵌入式控制器核心处理器( $ 3 c 2 4 1 0 x ) 设计 s 3 c 2 4 1 0 x 是s a f l l s u n g 公司生产的一种高性价比3 2 位砌s c 微控制器，内含一 阳华人学硕十学位论文 个由a r m 公司设计的1 6 ，3 2 位删9 2 0 t 础s c 处理器核。其上包括 电源：内核1 8 v ，外围3 3 v ； f i g 3 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f s 3 c 2 4 1 0 x 幽3 3 $ 3 c 2 4 1 0 x 结构框图 3 西华人学硕士学位论文 增强a r m 结构的瑚【吱持w i n d o w sc e ，e p o c3 2 牙 i l i n u x 等操作系统； 外部存储器控制支持s d r a m 控制与逻辑片选；支持r o m s r a m 、 f l a s h ；d r a m 和外部比l 以8 1 6 3 2 位的方式操作： 1 个l c d 控制器( 支持s t n 和t f r 带触摸屏的液晶显示屏) ； 通道n d m a ，可用于存储器与存储器、存储器与i o 、i o 与i o 间的数据传送 3 个通道的u a r t ： 8 通道l o 位a d 控制器： 实时时钟：内g j j r t c 带f i 历功能： 两路u s bh o s t 、u s bd e v i c e ( v e r1 1 ) ； 看门狗电路； 1 1 7 个i o 口，2 4 个外中断； 4 路p w m 和1 路内部定时器； 主频高：达2 0 3 m ； 2 7 2 2 8 9 脚的f b g a ：封装。 $ 3 c 2 4 10 x 结构框图见图3 3 。 s 3 c 2 4 1 0 x 的具体引脚分布和功能可参阅$ 3 c 2 4 1 0 x 用户手册。 3 3 嵌入式控制器的部件设计 3 3 1电源电路的设计 在浚嵌入式控制器中，需要使用3 3 v 和1 8 v 的直漉 惫压电源，其中， s 3 c 2 4 1 0 x 内核供电为1 8 v ，外围器件需3 3 v 电源，首先，整流器将电源整 流，经过c 1 、c 2 滤波，然后通过7 8 m 0 5 将电源稳压至5 v ，再使用l d o 芯 片( 低压差电源芯片) 稳压输出3 3 v 和1 8 v 电压。l d o ：蓉片采用了 s 1 1 3 1 8 3 3 u c 和s 1 1 3 1 8 1 8 u c ，其特点为输出电流大，精度高，稳定性高， 功耗低，电路如图3 4 所示。 陌华大学硕士学位论文 f i g 3 4 c i r c u i t s c h e m a t i c d i a g r a m o f s y s t e m p o w e r 图3 4 系统电源电路图 3 3 2 晶振电路与复位电路 晶振电路用于向c p u 及其他电路提供工作时钟。c p u 部分需要两路时钟 输入，一路是c p u 工作时钟输入，另一蹴黾供给r t c 电路。常用的无源晶振 如图3 5 所示。根据$ 3 c 2 4 1 0 x 的最高工作频率以及p l l 电路的工作方式，选 择1 2 m h z 的无源晶振。晶振频率经过$ 3 c 2 4 1 0 x 片内的p l l 电路倍频后，可 以达到要求的频率。片内的p u 。电路兼有频率放大和信号提纯的功能，因此， 系统可以以较低的外部时钟信号获得较高的工作频率，以降低因高速开关时钟 所造成的高频噪声。 f i g 3 5c r y s t a lc i r c u i t 图3 5 晶振电路 各个单元要进入正常工作状态，需要可靠地复位，一般有上电复位和手动 复位。如果电源电压出现波动，系统会非正常复位，这时候会发生复位时间不 西华大学硕士学位论文 够从而造成一些确吴甚至死机，所以复位监控电路也是有必要的。复位电路原 理如图3 6 所示。 f i g 3 6 r e s e t c i r c u i t s c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e s y s t e m 图3 6 系统复位电路图 3 3 3h a s h 存储器接口电路 h a s h 存储器是一种可在系统( h l s y s t e m ) 进行电擦写，掉电后信息不丢 失的存储器。它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编 程( 烧写) 、擦除等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而 在各种嵌入式系统中得到了广泛的应用。 踌 黠 糕 h i 踺 艇 h 0 c md a t al n d u u 0 b c o m m a 碡l a 【c h e 舱b * r 售 r 郴u ”“# n h g 3 7p i ns a u c t u r ea n di n s t r u c t i o no f k g f l 2 0 8 u o m 图3 7k g f l 2 0 8 u o m 的引脚结构与引脚说明图 西华人学硕士学位论文 f i 9 3 8c i r c u i td i a g r a mo f k g f l 2 0 8 u o m - y c b 0 图3 8k 9 f 1 2 0 8 u o m - y c b 0 电路图 现在市场上两种主要的非易失闪存技术是n o r 和n a n d 。n o rf l a s h 技 术i n t e l 于1 9 8 8 年首先开发；1 9 8 9 年东芝公司发表了n a n df l a s h 结构。n o r 的特点是芯片内执行，这样应用程序可以直接在f l a s h 内运行，不必要再把代 码读到系统r a m 中，但擦除前先要将块内所有的位都写为0 。n a n d 结构能 提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快， 但需要特殊的系统接口。n o r 的读速度比n a n d 稍快一些，但n a n d 写入 速度比n o r 快很多。基于以上特点我们用n o rf l a s h 存储启动代码，n a n d f l a s h 存储操作系统和应用程序代码。n o r f l a s h 选用a m 2 9 l v 8 0 0 b ( 1 m b x s b ) ， n a n df i a s h 选用硒f 1 2 0 8 u o m ( 6 4 m b x 8 b ) 。 k 9 f 1 2 0 8 u o m 的引脚结构与引脚说明如图3 7 ，它的实际应用原理图如图 3 8 所示。 a m 2 9 l v 8 0 0 b 它的逻辑框图如图3 9 所示。其中a 0 - a 1 8 为地址总线， d q 0 - d q l 4 为数据总线，d q l 5 a - 1 为字模式下数据输入输出、字节模式下为 l s b 地址输入，b y t e # 为8 位、1 6 位模式选择，c e # 为片选信号，o e # 为 输出使能，w e # 为写使能，r e s e f # 为硬件复位，r y b y # 为就绪 亡状态指 示，v c c 为电源，v s s 为地。它的实际应用原理图如图3 1 0 所示。 西华大学硕士学位论文 a o 一 l e d o o - - o o s 一1 c f - 茸 o e # w e # r e s e t 茸 5 丫 1 7 e 脊r y , t b v # f i g 3 9l o g i c a l s c h e m a t i c d i a g r a m o f a m 2 9 l v s 0 0 b 图3 9 a m 2 9 l v s 0 0 b 逻辑框图 f i g 3 1 0 c i r c u i t d i a g r a m o f 拢9 1 2 v 8 0 0 b 图3 1 0 a m 2 9 l v 8 0 0 b 电路图 3 3 4s d r a m 接口电路 s d r a m 在系统中主要用作程序的运行空间，数据及堆栈区。当系统启动 时，c p u 首先从复位地址0 x 0 处读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序 代码一股应调入s d r a m 中运行，以提高系统的运行速度，同时，系统及用户 堆栈、运行数据也都放在s d r a m 中。 目前常用的s d r a m 为8 b 1 6 b 的数据宽度，为充分发挥3 2 位c p u 的数 据处理能力，该系统用两片1 6 b 的s d r a m 构建3 2 位的s d r a m 存储器系统。 西华大学硕士学位论文 该系统中使用的s d r a m 为k 4 s 5 6 1 6 3 2 c - q l - 7 5 芯片，电路设计如图3 i i 。 f 碴3 i is y s t e m c i r c u i t d i a g r a i l l o f s d a m 图3 1 1s d a m 系统电路图 1 9 西华大学硕士学位论文 3 3 5串行接口电路 要完成最基本的串行通信功能，实际上只需要r x d 、t x d 和g n d 即可， 但由于r s 2 3 2 - c 标准所定义的高、低电平信号与$ 3 c