（机械制造及其自动化专业论文）基于arm的自动灭菌控制系统的开发与研究.pdf

摘要 摘要 随着i n t e r n e t 自_ 发展和后p c 时代的到来，嵌入式系统的应用愈来愈广泛， 目前嵌入式系统技术己经成为了最热门的技术之一。嵌入式产品己经在i t 产业 中占有很大的比重。基于a r m 的嵌入式技术己经成为当前嵌入式领域研究的一个 亮点。在工业控制领域罩基于a r m 核的单片机大有取代基于5 1 系列的单片机的 趋势，特别是a r m 嵌入式技术结合工业太网技术在自动化领域的应用前景被普遍 看好。 灭菌器作为人类健康的守护者，无论是医疗灭菌器，还是家用小型消毒器都 正在广泛地被采用。本文根据国内外灭菌器控制系统的现状，将基于a r m 的嵌入 式技术应用到灭菌控制系统中，研究开发一种低功耗低成本高性能的灭菌控制系 统，使其达到良好的灭菌控制效果，这样既顺应了嵌入式新技术的发展趋势，又 有重要的现实意义。 根据以上设计思路，主要进行了灭菌控制系统通用平台的开发，重点阐述了 以a r m 微处理器和嵌入式操作系统为核心的开发平台的软硬件设计。此硬件 平台是以s a m s u n g 公司的微处理器s 3 c 4 4 b o x ( 采用a r m t t d m 核) 为核心，兼有 网络传输、u s b 、串口和并口通讯等功能。软件上主要进行源代码开放的嵌入 式操作系统u c l i l 2 u x 移植并以其作为软件开发平台。另外对图形界面系统 m i n i g u i 安装配置做了相应介绍。 本文在通用硬件平台的基础上，针对一种脉动真空灭菌器，扩展开发了 灭菌数据采集控制模块和人机界面系统。灭菌数据采集和控制模块包括硬件 的数据采集电路和动作控制输出电路，软件部分则重点设计核心灭菌程序。 人机界面系统包括带触摸屏的l c d 、键盘和打印机等。最后开发出了基于 m i n j g u i 下的人机对话界面，通过仿真模拟，验证了灭菌控制系统的可用性。 本文从实际应用出发，对基于a r m 的嵌入式新技术的开发应用作了详细探讨 和深入的研究，对嵌入式系统的开发研究有一定的实用参考价值。 关键词a r m 微处理器；嵌入式操作系统；u c l i n u x ；灭菌控制：m i n i g u a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e ta n dt h ea r r i v a lo fp o s t - p ct i m e s ，t h e a p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e mb e c o m e sp o p u l a r n o we m b e d d e dt e c h n o l o g yh a s b e e nt h ef o c a lp o i n to fr e s e a r c h e m b e d d e dp r o d u c t sh a v ep o s s e s s e dg r e a tp r o p o r t i o n i ni tf i e l d t h ee m b e d d e dt e c h n o l o g yb a s e do na r mh a sb e c o m eas p o tl i g h to f c u r r e n te m b e d d e df i e l d t h e r ei sab i gt e n d e n c yt h a tt h em i e r o c o n t r o l l e rb a s e do n a r mc o r ei s r e p l a c i n gt h es e r i e so fm i c r o c o n t r o l l e rb a s e do n51 i nt h ef i e l do f i n d u s t r yc o n t r o l l i n g e s p e c i a l l yag o o df u t u r ef o ra p p l i c a t i o nw h i c ha r me m b e d d e d t e c h n o l o g yc o m b i n e dj n d u s t r i a l e t h e m e ti ni n d u s t r i a la u t o m a t i o nf i e l dc a nb e p r e d i c t e d s t e r i l i z e f , a c t i n ga st h es a f e g u a r do fh u m a n sh e a l t h ，n om a t t e rw h a ti st h e m e d i c a lt r e a t m e n ts t e r i l i z e ro rt h el i t t l es t e r i l i z e r i nf a m i l y i sw i d e l ya d o p t e d n o w a d a y s a c c o r d i n gt o t h es t a t u so fs t e r i l i z e r sc o n t r o l l i n gs y s t e mi nd o m e s t i ca n d a b r o a d p u r i n gt h ee m b e d d e dt e c h n o l o g yb a s e do na r mi n t ot h ea p p l i c a t i o no f s t e r i l i z e r sc o n t r o l l i n gs y s t e mi n t h i st h e s i s ，as e to fs t e r i l i z e rc o n t r o l l i n gs y s t e mw i t h l o wl o s i n g - e n e r g ya n dl o wc o s ta n d h i 【g hp e r f o r m a n c eh a sb e e ns t u d i e da n dd e v e l o p e d i th a sag o o do fe 行e c ti ns t e r i l i z e rc o n t r o l l i n g s oi tn o to n l yc o n f o r mt ot h e d e v e l o p i n gt e n d e n c yo f t h en e wt e c h n o l o g y - t h ee m b e d d e dt e c h n o l o g y b u ta l s oh a sa n i m p o r t a n ta n dr e a l i t ym e a n i n g f o l l o w i n gt h ed e s i g np r e s e n t e da b o v e , ag e n e r a ld e v e l o p m e n tp l a t f o r mf o r s t e r i l i z e rc o n t r o l l i n gs y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e d ，w i t he m p h a s i so ns o f t w a r ea n d h a r d w a r ed e s i g no nt h eb a s i so fa r mm i c r o p r o c e s s o ra n de m b e d d e do s t h ec e n t e r o ft h eh a r d w a r ep l a t f o n ni st h em i c r o p r o c e s s o rs 3 c 4 4 b o xm a d ei ns a m s u n g c o m p a n y ，w i t ht h ef u n c t i o n so ft h en e tt r a n s f e r , u s b ，s e r i a la n dp a r a l l e lp o r te t c i ns o f t w a r e ，t h em a i nw o r ki st h et r a n s p o r t a t i o no fa no p e nr e s o u r c ec o d ea n d e m b e d d e do s 。u c l i n u x ，w h i c hi sa c t e da st h es o f l w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m t h e i n s t a l l a t i o na n dc u s t o m i z a t i o ni sa l s oi n t r o d u c e di nd e t a i la b o u tt h eg r a p h i c i n t e r f a c es y s t e mm i n i g u l b a s e do nt h eg e n e r a lp l a t f o r m ，a c c o r d i n gt oat y p eo fp u l s a n tv a c u u ms t e r i l i z e r , s o m em o d u l e so fs t e r i l i z e rh a v e b e e nd e v e l o p e d s u c ha st h em o d u l eo fs t e r i l i z e rd a t a c o l l e c t i n ga n dc o n t r o l l i n g ，t h es y s t e mo f m a n m a c h i n ei n t e r f a c ea n de t c t h em o d u l e o fs t e r i l i z e rd a t ac o l l e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gi n c l u d e st h ed a t ac o l l e c t i n ge l e c t r o c i r e u i t a n da c t i o nc o n t r o l l i n go u t p u te l e c t r o c i r c u i t t h ee m p h a s i so fs o f t w a r ei sd e s i g n i n g s t e r i l i z e rk e r n e lp r o g r a m t h es y s t e mo fm a n m a c h i n ei n t e r f a c ei n c l u d e st h el c d w i t ht o u c h i n gs c r e e n ，k e y b o a r da n dp r i n t e re t c f i n a l l y , t h em a n - m a c h i n ec o n v e r s a t i o n i n t e r f a c eh a sb e e nd e v e l o p e da n dv a l i d a t e dt h eu s a b i l i t yt h r o u g ht h es i m u l a t i o na n d e m u l a t i o n f r o mt h ep r a c t i c ea p p l i c a t i o n ，t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fe m b e d d e dn e w t e c h n o l o g yb a s e do na r m a r ep r o b e di nd e t a i la n ds t u d i e di nd e e p r e s u l to ft h i s r e s e a r c hp r o v i d e dav a l u a b l er e f e r e n c ef o rd e v e l o p m e n ta n ds t u d yo fe m b e d d e d s y s t e m k e yw o r d sa r mm i c r o p r o c e s s o r ；e m b e d d e do s ；u c l i n u x ；s t e r i l i z e rc o n t r o l l i n g ； m i n j g u i 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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的研究成果，也不包含为获得北京工业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：壅左呈日期：2 噬：互 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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：建玉娶导师签名：蔓l 鳖日期：v a 6 第1 章结论 第1 章绪论 1 1 关于a r m a r m 今称为a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ，是一种采用先进的精简指令集计算 机体系结构的微处理器的通称，也可以认为是一个公司的聋= 字f 英国a r m 公司1 ， 有时也可以认为它是一种技术的名称。a r m 公司于1 9 9 1 年成立于英国剑桥，是 专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直 接从事芯片，匕产，靠转让设计许可 i 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i 殳计的a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器， 根据各自不同豹应用领域，加适当的外围电路，从丽形成自己的a r m 微处理 器芯片进入市场。目前，全世界有几十家大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 技术获得更多的第三方一1 = = 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所接受，更具有竞争力 1 】。 与传统的c i s c ( c o m p l e x in s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 微处理器体系结构 相比，基于r j s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： ( 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能。 ( 2 ) 指令长度固定，支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好 的兼容8 位1 6 位器件。 ( 3 ) 大量使用寄存器，寻址方式灵活简单，执行效率高，指令执行速度更快。 ( 4 ) 采用加载存储体系结构( l o a d s t o r ea r c hjt e c t u r e ) ，大多数数据操作 都在寄存器中完成。 a r m 微处理器目前包括下面几个系列，a r m 7 系列、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l o e 、s e c u r c e r e 、i n t e r 的x s c a l e 、i n t e r 的s t r o n g a r m 以及其它厂商基于a r m 体系结 构的处理器，除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每一个系列的a r m 微处理 器都有各自的特点和应用领域。其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m i o 为4 个通用 处理器系列，s e c u r c o r e 系列专门为安全要求较高的应用而设计。a r m 7 系列主要 足针对中初级市场应用所设计的，强调价格与传统的8 位或1 6 位微处理器差不 多，却又拥有3 2 位微处理器的执行效率，它具有很高的工作效率以及低功耗等 特性，最适合应用二r | 对价位和功耗敏感的产品，其中a r m 7 t d i d l 、a r m t t b m i s 非 常适用于实时环境的工业控制中，很受市场的欢迎。，而采纳a r m 7 核生产芯片的 公司最多，世界范围已有1 0 0 多家半导体公司购买了a r m 核，4 0 多个公司生产 出了a r m 芯片”。 综上所述，事实上也已经证明a r m 微处理器系列及其技术应用已经广泛深入 地应用于各个领域： 北京1 业大学工学硕上学位论文 ( 1 ) 工业控制领域：作为3 2 的i t i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片不但 占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领 域扩展，a r m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位t 6 位微控制器提出 了挑战。 ( 2 ) 无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术，a r i ；f 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 ( 3 ) 网络应削：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片证逐步获得 竞争优势。此外，a r m 在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持也对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 和游戏机中得到广泛采用。 ( 5 ) 成像和安全产品：现在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【乜采用了a r m 技术。 由于a r m 得到几乎所有微处理器生产大户的支持，可以预计，基于a r m 的产 品将会越来越多，另外，基于a r m 的开发软件较为丰富，如a d s 、s d t 、h i t o o f o ra r m 、g n u + g i ) b 、g i t sm u l t i 等。由此看出，基于a r m 的嵌式系列，r 发产品， 不仪效率商，而且有较丰富的软硬件支持，因此况a r m 微处理器及技术将会取得 更加广泛的应用”。 1 2 工业嵌入式系统 嵌入式系统是继1 网络技术之后，又一个新的技术发展方向。嵌入式系统 。一般指非p c 系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设各或器材。它是以应 用为中心，集应用软件与硬件于一体，软硬件可裁减的，适应于应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗等综合性j “格要求的专用计算机系统。是具有软件代 码小、高度自动化、响应速度快以及面向行业应用的等突出特点，特别适合于要 求实时和多任务的体系。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑碗件、嵌入 式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件”。月前嵌入式系 统已经广泛地应用于军事国防、消费电子、网络通信、工业控制等各个领域。嵌 入式系统的硬件部分，包括处理器微处理器、存储器及外设器件和i 0 端口、 图形控制器等。嵌入式系统有别于般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样 大容量的存储介质，瓜大多使用e p r o m 、e e p r o m 或闪存( f l a s hm e m o r y ) 作为存储 介质。软件部分包括操作系统软件( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。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稃序编程与硬件的交互 作用“。 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系 2 - 第1 章绪论 统( 包括硬、软件系统) 极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软 件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界而、标准化浏览器等b r o w s e r 。 嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系 统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱 出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。与通用操作系统相 比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及 应用的专用性等方面具有较为突出的特点。嵌入式操作系统可以分为两类，一类 是面向控制、通信等领域的实时操作系统如v i i n d r i v e f 公司的v x w o r k s 、j s i 的p s o s 、q n x 系统软件公司的q n x 、a t i 的n u c l e u s 等；另一类是面向消费电子 产品的非实时操作系统，这类产品包括个人数字助理( p d a ) 、移动电话、机顶盒、 电子书、v e b p h o n e 等。嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展展经历了四个 比较明显的阶段：第一阶段是无操作系统的嵌入算法阶段。第一：阶段是以嵌入式 c p u 为基础、以简歼i 操作系统为核心的嵌入式系统。第三阶段是通用的嵌入式实 时操作系统阶段，是以嵌入式操作系统为核心的嵌入式系统。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，嵌入式实时操作系统在日前的嵌入式应用中用 得越来越广泛，尤其在功能复杂、系统庞大的应用中显得愈来愈重要。首先，嵌 入式实时操作系统提高了系统的可靠性。其次，提高了开发效率，缩短了开发周 期。再次，限入式实时操作系统充分发挥了3 2 位c p u 的多任务潜力。从某种意 义上说，没有操作系统的计算机( 裸机) 是没有用的。在嵌入式应用中，只有把c p u 嵌入到系统中，同时又把操作系统嵌入进去，j 是真正的计算机嵌入式应用” 8 l o 工业嵌入式系统是指那些应用于工业控制领域中的嵌入式系统，由于工控 领域中的应用环境往往比较比一般生活环境恶劣或者是要求环境条件高于一般 生活环境，因此这类的嵌入式系统要求严格，无论从硬件选型及电路板设计( 机 械特性、电磁抗干扰、系统主板的稳定性等等) ，还是软件软件设计的健壮性、 完整性，都要求比较高”1 。较为典型的工业嵌入式系统主要经历有：一是以8 位 单片机为核心的不含操作系统的简单工业嵌入式系统，主要代表是以z 8 0 、i n t e 1 的m c s 5 1 系列以及m o t o r o i a 、p h i l i p 、 t m e 等公司生产的以8 位单片机为核 心设计的嵌入式工j i k 控制系统；二是以1 6 位单片机( 如i j c s 9 6 系列等) 为核心的 嵌入式工业控制系统；三是以a r m 系列3 2 位微处理处器为核心的带有操作系统 的i , i k 嵌入式系统。a r m 技术是近几年市场上刚刚兴起而且发展极为迅速同时有 着广阔应用开发前景，它不仅能完成工业控制功能，还能进行复杂的算法，以 及能很好的连入互联网，从而轻松完成8 位和1 6 位单片机所不能处理的任务， 因此说以a r m 为核心的工业嵌入式系统有很好的技术应用前景。 北京丁= 业人学 ：学硕士学位论文 ! 量毫曼舅! 量曼曼曼日皇皇曼目曼蔓曼曼! ! 曼曼吕! ! 一i 穹兰曼曼曼曼曼罡! ! ! 曼曼量曼| 曼曼璺曼曼舅舅曼曼! 曼 1 3 选题意义及主要内容 随着科技发展，社会不断进步，人们的生活质量不断提高，而人们对环境及 卫生条件要求也越来越高，人们传统意义的健康生活的观念发生了很大变化，不 _ l | 【是以治疗为主的健康模式，嘶应是以预防加治疗的模式呵护生命。我们知道病 菌是传播疾病影响生命健康的主要因素，2 0 0 4 年春季肆虐中国大陆的s a r s 给人 民生命带来严重的威胁，人们是“谈s a r 色变”，可见病毒病菌给人类生命带 来的具大灾难，与此同时灭菌消毒设备空前脱销，所以说“防患于未然”，消 灭病菌，切断传染源，保护生命健康是至关重要的。灭菌设备的应用正是保护人 们生命健康的一项有力措施，作为维护生命健康的医院，消：- 霉灭菌设施的完善更 是极其重要，同时家用灭菌器在保护人类生命健康也起到越来越重要的作用在 欧美一些发达国家，家用灭菌器十分普及。在我国，随着经济的高速发展，人民 生活水平的不断提高，越来越多的人注意到生命的质量，对高效灭菌设备的要求 逐步增加，因此研究灭菌消毒设备，开发商效的灭菌控制系统是有着重大的现实 意义，尤其是在灭菌技术比较落后的我国，这。点更是亟待加强。 我国灭菌设备技术相对比较落后。目前为止国内生产灭菌器较有规模的企业 有两家，一是山东新华医疗器械股份有限公司，二是连云港干樱医疗设备有限公 司，i ； 者引进的是美国技术，后者引进的是日本技术这两家在全国占有的市场 份额较大”“。灭菌技术发达的国家还有德国、意大利、韩国等国家，不论是从 家用小型的灭菌器，还是到医用大型灭菌消毒设备，都具有成熟上i 经先进的技术， 特别是欧美一些国家的大型灭菌库，不仅灭菌控制严格，而且能接入互联网，形 成工业嵌入式网络监控系统，这一点是我国目前无法相比的“。凶此说开发具有 自主知识产权的高效灭菌系统，促进我国灭菌卫生技术的发展，也是当前不容忽 视的课题。针对脉动真空灭菌器的控制系统的弊端，开发设计一个自动灭菌控制 系统平台，在此平台基础上，不仅能进行单台设备的控制，还能进行网络监控， 并完成脉动真空灭菌器自动灭菌控制过程。 本课题的主要研究内容： ( 1 ) 全自动灭菌控制系统总体分析：灭菌包括系统硬件总体设计、系统软件 总体设计以及相关关键知识的分析。 ( 2 ) 通用开发平台的硬件具体设计：包括以$ 3 c 4 4 4 8 0 微处理为核心的最小系 统设计，包括网络通信、u s b 接口、串口等关键外围电路的设计。 ( 3 ) 人机界面及控制接口电路和数据采集电路设计电路的设计：包括l c d 、 打印机输出、控制信号输出和数据采集电路设计等等。 ( 4 ) 通用开发平台的软件设计：包括操作系统的移植，底层驱动程序开发和 图形界面系统移植与) 下发。 ( 5 ) 脉动真空火菌控制驱动及控制算法设计，具体控制程序的完成。 熟1 章绪论 1 4 本章小结 本章结合基于a r m 的工业嵌入式系统技术阐述了课题选择的意义和主要工 作内容。文中初步介绍了a r m 的基本知识，并对工业嵌入式系统应用情况及发展 方向着重论述，最后从实际出发并嵌入式系统重点论述了课题的意义和主要工作 内容。 北京i ：业人学工学硕上学位论文 第2 章系统的总体分析与设计 2 1 系统的选型及分析 目l ； 灭菌器控制系统主要有i 种形式：第一种是基于z 8 0 、c 5 1 等8 位单片 机为核心的控制系统，这种控制系统主要应用在早期医用火菌设备和家用小型灭 菌器中，其能完成基本的控制功能，控制比较可靠，但由于8 位机本身资源限制， 使其友善的人机界面开发受到限制，另外，控制系统的升级及维护比较困难，不 适于现代大型功能复杂的灭菌设备的控制系统。第二种是基j 一各种p l c 的火菌控 制系统，由于大部分p l c 是以8 位或1 6 位单片机为核心技术加上外围电路设计 成专门为工业控制制做的可编程控制器，是一项比较成熟的技术，以p l c 开发的 工业控制系统，稳定性好，控制可靠，维护简单，环境适应性强，是目前灭菌设 备主要采用的控制器件，也是当前国内外采用的主流灭菌控制系统，但是基于p l c 开发的控制系统，友好的人机界面系统开发比较困难，尤其是图形显示及实 时打印功能不容易实现，另外即使实现，其成本造价很高。第三利一是基于工控机 加p i c 的灭菌控制系统，这种工业控制计算机的控制系统应用在灭菌设备中虽然 无论从控制性能、良好的人机界面、打印机实时打印参数功能以及系统升级换代 等都有优势，但是其成本却是几种方案中最高的，目前国际高档灭菌没备中多数 是采用此种控制方案“。 能不能开发研究一种灭菌控制系统，使其性能达到第二种和第三种控制方案 的优势互补? 这是作者选择此课题初步想法，随着微处理技术的飞速发展，尤其 是以3 2 位为核心的a r m 技术的出现和快速发展，使得这个设想有了肯定的答案， 即设计开发一种基于3 2 位微控制器( a r m 等) 下的嵌入式灭菌控制系统，此系 统不仅能完成复杂的灭菌控制任务，还能开发出与工控机媲美的人机界面系统， 使操作设备者操作直观、简单、傻瓜化，同时还能轻松接入局域网。考虑用基于 a r m 阻核的微控制器，并引入嵌入式操作系统来完成此控制系统，综合有以下几 点原因： ( 1 ) 从功能上讲，a r m 7 是基于3 2 位的微处理器内核，其片上资源丰富，功 能强大，远远超过c 5 1 及c 9 6 系列，对于简单的控制系统，几乎不用什么附加电 路就能完成功能，而且其低功耗，非常适用于嵌入式系统的产品，1 ：发。 ( 2 ) 从价格上讲，基于a r m 7 系列的微控制器产品价格不高，仪比传统的c 5 1 及c 9 6 系列稍高。考虑到性价比，此一点绝对让开发者感到欣喜而愿意选择a r m 系统产品。 ( 3 ) 从目前应用及技术支持讲，a r m 占有绝对的优势，大部分的嵌入式领域 第2 章系统的总体分析与设计 已被a r mi 与领，利用a r m 系列，有强有力的软硬件技术支持。 ( 4 ) 从市场前景看，a r m 公司足生命力极强的公司，a r m 系列产品币在被越来 越多的业界公司认同。 因此，用a 附( 3 2 位) 系统产品设计开发出一套自动灭菌控制系统或产品，由 二r3 2 位微控制器的片上资源丰富，且运算速度快，功耗低，体积小，特别适用 于实时任务的处理，其强大的指令集与嵌入式实耐操 乍系统结合，更容易开发h 功能强大、界面友好的控制系统，目前逐步进入上控领域，尽管选用a r m 系统 看似比c 5 1 及c 9 6 系列价格高蝗，用于此控制系统有些奢侈，但绝对是物有所值， 并且系统相对稳定，易开发出人机界面有好的系统。 2 2 系统硬件平台总体设计分析 2 2 1 微处理器选型 2 2 1 1 选型分析 目前市场上主流的3 2 位微处理器有p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、m i p s 和a r m 等。通 常在选择微处理器勺时候，需要考虑性能、功耗、价格、配套的刀i 发工具以及市 场供货等因素，而a r m 在这些方面恰好都具有优势。a r m 具有业界领先的r i s c 体系结构，提供各种性能和版本可供选择，各类产品问互相兼容，方便系统升级。 各大公司的支持使得产品性价比高，保证有稳定和畅通的供货渠道。此外a r m 公 司及其合作伙伴提供完整的技术支持，提供相对应的操作系统，提供软硬件设计 和丌发工具。鉴于a r m 微处理器的众多优点，用它来开发硬件平台必定是理想的 选择。由于a r m 微处理器有多达十几种的内核结构，上百个芯片生产厂家，以及 千变力| 化的内部功能配置组合，所以，对a r m 芯片做些对比研究并进一步选择 适合本系统的芯片是十分必要的。 从前面所介绍的内容可知，a r m 微处理器包含一系列的内核结构，以适应不 同的应用领域，用户如果希望使用w i n c e 或标准l i n u x 等操作系统以减少软件开 发时间，就需要选择a r m 7 2 0 t 以上带有删u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n it ) 功能的 a r m 芯片，a r m 7 2 0 t 、a r m 9 2 0 t 、a r m 0 2 2 t 、a r m 9 4 6 t 、s t r o n b - a r m 都带有m m u 功能。 而a r m 7 t d m i 则没有f l m u ，不支持w i n d o w sc e 和标准l i n u x ，但目前有u c li n u x 等不需要m m u 支持的操作系统可运行于a r m 7 t d m i 硬件平台之上。事实上，u c l i f l u x 已经成功移植到多种不带m m u 的微处理器平台上，并在稳定性和其他方面都有上 佳表现。 a 跚7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于工业控制、 i n t e r n e t 设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用， a k m 7 微处理器系列具有如下特点“： 北柬业人学工学硕十学位论立 ( 1 ) 具有嵌入式i c e - - r 1 逻辑，凋试开发方便。 ( 2 ) 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。 ( 3 ) 能够提供0 9 m i i ，s m h z 的三级流水线结构。 ( 4 ) 代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集。 ( 5 ) 对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等。 ( 6 ) 指令系统与a r m 9 系列、a r m 9 e 系列和a r m i o e 系列兼容，便0 ：用户的产 品升级换代。 ( 7 ) 主频最高町达1 3 0 m i p s ，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应 用。 a r m 7 系列微处理器包括如下几种类型的核：a r m 7 t d m i 、a r m t t d m i s 、a r m 7 2 0 t 、 a r m 7 e j 。其中，a r m 7 t m d 是目前使用摄广泛的3 2 位嵌入式r 1 s c 处理器，属低 端a r m 处理器核，比较适合本系统，这里初步选定s a m s u n g 公司的微处理芯片 s 3 c 4 4 b o x 。 2 2 1 2s a m s u n g 公司的s 3 0 4 4 b o x ”5 。旧 s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x 足一款位手持设备和通用设备而设计的一款1 6 3 2 位r i s c 结构的低成本高性能的微处理器，这款芯片最显著的特色是采用了a r m 公司设计的a r m 7 t d m i 内核，它包含t h u m b 处理模式，支持嵌入式片内断点仿真 调试并且内最3 2 位硬件乘法器。 其中t d m i 的基本含义为：t 为支持1 6 为压缩指令集t h u m b ；d 为支持片上 d e b u g ；m 为内嵌硬件乘法器( m u l t i p l i e r ) ；i 为嵌入式i c e ，支持片上二断点和 调试点。 除此之外，s 3 c 4 4 b o x 采用o 2 5 微米c m o s i 艺制造，而且采用的三星的种高 性能的总线结构s a m b a ( 三星a r mc p u 嵌入式总线结构s a m s u n ga r mc p ue m b e d d e dm i c r o c o n t r o 1 e fb u sa r c h it e c t u r e ) ，其主频最高可达6 6 m h z ，是一款低 价位，低功耗，高性能的微处理器。 s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x 通过在a r m 7 t d m i 内容基础上扩展一系列完整的通 用外围器件，使系统费用降至最低，消除了增加附加配置的常要。集成的片上功 能如下： ( 1 ) 带8 k b 缓存的2 5 v 静态a r m 7 t d m ic p u 核。 ( 2 ) 扩展内控制器( f p f i ) o s e r a m 控制，片选逻辑) 。 ( 3 ) 带有1 个专用的d m a 通道的l c d 控制器。 ( 4 ) 2 个通用的d m a 通道，1 个带外部请求管脚的d m a 通道。 ( 5 ) 1 个多主机f c 总路线控制器。 ( 6 ) 6 个p w m 定时器及1 个内部定时器。 ( 7 ) 看门狗定时器。 第2 币系统的总体分析，设、十 ( 8 ) 7 j 个通用i o 口，8 个外部中断资源。 ( 9 ) 能量控制模式：正常、低、休眠和停止。 ( 1 0 ) 8 个1 0 位a d c 。 ( 1 1 ) 带p l l 。的片上时钟发q ：器。 可见s 3 c 4 4 b o x ) ：。r 功能比较齐全，不仅i ( ) 口丰富而【i 有l c d 控制器和a d 转换 器，很适于本系统的，f = 发，具体内部体系结构图如罔2 一l 。 圈2 - is 3 c 4 4 8 0 x 体系结构图 f i 9 2 1t h ea i c h j t e c t i l r ed i a g r a mo f s 3 c 4 4 b o x 2 2 2 外围电路主要器件的选用 考虑到由于本系统除进行灭菌主控程序的开发设计外，还要使其在操作系统 u c li n u x 下运行，另外还需要图形界面系统( 采用m i n i o u i ) ，可是由于s a m s u n g 的s 3 c 4 4 b o x 芯片本身不带存储器，因此外围电路需设计有存储器件，考虑到本 系统不是很复杂，裁减后的u c l i n u x 本身最多占用1 2 m ，而m i n i g u i 和控制程 序有0 8 m 足够了，所以选用2 m 字节的f l a s h 存储器，这罩选用常见的s s t 3 9 v f l 6 0 芯片。由于有操作系统运行，因此还得加一片r a m 内存，选用三星公司生产的 北京工业大学工学硕士学位论文 - i i i i _ l - l - _ _ - _ i - _ - - i _ i _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ l _ _ _ _ _ _ s a m s u n gk 4 s 6 4 1 6 3 2 h ，其内存是8 m 字节，足以够用；除了存储系统外还应该有 网卡和u s b 接口，分别选用常见的控制芯片r t l 8 0 1 9 a s 和p d i u s b d l 2 。 这里选择了关键器件，具体电路设计及关键技术见下一章节。 2 2 3 系统硬件电路总体构架设计 根据灭菌器控制需求功能，既构建一个不仅完成灭菌控制功能、有良好的人 机交互操作界面、还应该有打印参数功能、另外还要有网络传输功能等等，根据 这些功能需求，进行总体方案的构思和设计，其硬件方案构架如图2 - 2 ： 2 粕线性 f l a s h ( b 0 s ) 8 出s d 硒f ( 系统内存) 数据采集 输入端口 动作控制 输出端口 基于a r m 7 d m i 架构 的3 2 位微控制器 s a m a u n g s 3 c 4 4 b o x 键盘输入ii l c d 显示 打印输出端口 网络传输端口 j t a g 调试端口 图2 - 2 基于a r m 的全自动灭菌控制系统硬作平台方案构絮图 f i 鲒_ 2t h eh a r d w a r ep l a t f o r mf r a m eo f a u t os t e r i l i z e rc o n t r o l l i n g , h y s t c mb a s e do na r m 2 2 4 硬件设计关键技术 ( 1 ) 嵌入式微处理处理器a r m 技术：处理器是本系统的核心，它的功能多少、 性能好坏直接影响整个系统的性能，本系统根据需要选择嵌入式微处理器a r m 7 系列中的s 3 c 4 4 b o x 为控制核心，掌握微处理器a 跚7 ( 这里主要指s 3 c 4 4 b o x ) 的关 键技术，对整个系统的设计把握有着重要的作用，主要有以下几方面：a r m 7 微 处理器体系结构；a r m 7 微处理器的指令集r i s c 的掌握；a r m 7 微处理器的存储系 统安排及处理方式；其它片上功能模块的学习掌握。 ( 2 ) 系统主控硬件电路板设计：系统主板是系统最重要最关键的部分，系统 主板的稳定与否直接影响其它部分，其关键技术主要有以下：原理图的正确设计； 电磁兼容性技术应用；p c b 板子优化布局与合理布线。 ( 3 ) 数据采集硬件设计与选型：数据采集与处理硬件部分是在系统主板上的 一个具体应用，是系统与控制对象直接相连的部分，根据被控对象的特点，选择 帮2 章系统的总体分析与殴计 曼皇曼蔓皇量曩皇曼皇曼舅邕葛! 皇皇苜尊笆皇算一fqi, 个具体应用，是系统与控制对象直接相连的部分，根据被控对象的特点，选择 适当的传感器及放大器件，设计出能处理前期信号并输h 符合c p u 输入信号的数 据采集电路是本课题的关键技术点之一。 2 3 系统软件总体设计 2 3 1 嵌入式操作系统选型 2 3 1 1 选型分析 嵌入式操作系统通常分为商用型和免费型两类。商用的嵌入式操作系统有 w i n d r i v e t ( 风河) 的v x w o r k s 和p s o s 、美国a t i 的n u c 】e u sp i u s 以及m i c r o s o f t ( 微软) 的w ir i d o w sc e 等。免费的嵌入式操作系统有嵌入式i 。j f l u x 、u c 0 s 等。 商用型操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂 贵。免费型操作系统具有源代码公开和无需版税的优势，但也存在着开发困难的 巧i 足1 。 嵌入式操作系统的选择需要根据用户的硬件平台和实际应用来确定，本系统 选用嵌入式u c l j n u x 作为软件开发平台。u c li f l u x 属于免费型操作系统，是嵌入 式l i i l u x 的一个分支，已经成功移植到多种像s 3 c 4 4 4 b o x 这样