（信号与信息处理专业论文）嵌入式电池测试系统.pdf

中文摘要 电池行业，尤其二次电池的飞速发展，对嵌入式电池测试设备提出了更高的 要求。在此背景下，深圳i 路华电子有限公司走在技术前沿，研制开发了新型的嵌 入式电池测试系统。该系统在硬件上以a r m 为核心，软件上采用了实时性最好 的v x w o r k s 为平台，使电池测试设备在可靠性与实时性方面均有大幅提高。 作为该开发项目组的一员，本论文的主要工作就是在充分了解电池测试相关 背景的基础上，进行显示控制子系统的软硬件开发，同时还有中位机主系统中与 子系统通讯的相关底层及应用程序开发。中位机主系统是围绕三星公司的 $ 3 c 4 5 1 0 b 处理器搭建设计，软件的开发则主要在v x w o r k s 的集成开发环境 t o r n a d o 下进行；显示控制子系统以5 l 单片机为核心，在k e i l 下进行了软件开 发，选用内嵌图形控制器t 6 9 6 3 c 的液晶屏t s 2 4 0 1 2 8 作为图形用户接口( g u i ) 显示界面。最终成功进行了主系统与子系统的联调，实现了系统的完全脱机功能。 论文主要论述了两方面的内容：在主系统方面，涉及到了v x w o r k s 下任务 及中断编程、主系统各单元的硬件设计、u a r t 及f l a s h 的底层驱动、n v r a m 及f l a s h 的空间划分，最后介绍了与子系统通讯的软件流程；在子系统方面， 主要有系统硬件设计、测试界面的设计、整体软件设计的思路。另外，为了简化 设计及实现数据的可靠通讯，主系统与子系统通信中采用了s l i p 协议的封装方 式，并进行了校验和处理。 关键词： v x w o r k sa r mg u it 6 9 6 3 c s l i p a b s t r a c t a l o n g w i t ht h eh i g h - s p e e dd e v e l o p m e n to f b a t t e r yi n d u s t r y , e s p e c i a l l ys e c o n d a r y b a k e r yi n d u s t r y , t h er e q u i r e m e n to fb a t t e r yt e s ti n s t r u m e n t si sb e c o m i n gh i g h e ra n d h i g h e r o nt h i sb a c k g r o u n d s h e n z h e nr o o f e re l e c t r o n i c sl t d d e v e l o p san e wb 1 1 do f e m b e d d e ds y s t e mf o rb a t t e r yt e s ti no r d e rt oc a t c hu pw i t ht h ed e v e l o p i n gt e n d e n c yo f a d v a n c e dt e c h n o l o g y t h es y s t e mi sb a s e do na r mo nh a r d w a r ed e s i g n i n ga n d v x w o r k st h a th a st h eb e s tr e a l - t i m ep e r f o r m a n c eo ns o f t w a r ed e s i g n i n g s ot h e b a t t e r yt e s ti n s t r u m e n t sh a v ei m p r o v e dg r e a t l yi nr e l i a b i l i t ya n dr e a l - t i m e a sam e m b e ro ft h ew o r k g r o u p ，t h em a i nw o r k so ft h i sp a p e ri st od e s i g na s u b s y s t e m ，w h i c hw i l ld i s p l a yt h et e s t i n gd a t ao fb a t t e r ya n dc o n t r o lt h et e s t i n g p r o c e s s ，a n ds o m eb a s i sa p p l i c a t i o nf o rc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n t h em a i ns y s t e ma n d t h es u b - s y s t e mw i t ht h ef u l ll e a r n i n go f t h e b a t t e r yt e s t $ 3 c 4 5 1 0 bo f s a m s u n gt a k e s ak e yr o l ei nt h em i d - p o s i t i o nc o m p u t e rd e s i g n i n ga n dt h es o f t w a r ei sd e v e l o p e d m a i n l yi nt o m a d o 舭i n t e g r a t e dd e v e l o p e de n v i r o n m e n to fe m b e d d e dr e a l - t i m e o p e r a t i n gs y s t e mv x w o r k s t h es u b s y s t e mi sb a s e do n5 1m c ua n dt h es o f t w a r ei s d e v e l o p e di nk c i le n v i r o n m e n t t s 2 4 0 1 2 8 ，w i t hg r a p h i cc o n t r o lc h i pt 6 9 6 3 c e m b e d d e d ，i ss e l e c t e da st h el c df o rg u i f i n a l l yt h et e s tb e t w e e nt h em a i ns y s t e m a n dt h es u b s y s t e mi ss u c c e s s f u la n dt h ef u l lo f f - l i n ef u n c t i o ni sr e a l i z e d i nt h i s p a p e r , t h em a i ns y s t e mm a i n l yi n v o l v e st h em u l t i t a s k i n ga n di n t e r r u p t p r o g r a m m i n gu n d e rv x w o r k s ，t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h em a i ns y s t e m ，t h eb a s i s d r i v e ro fu a r ta n df l a s h , t h es p a c ed i v i s i o no ft h en v r a ma n df l a s h , t h es o f t w a r e f l o wt oc o m m u n i c a t ew i t hs u b s y s t e m a st os u b s y s t e m , i tm a i n l yi n v o l v e st h e h a r d w a r ed e s i g n , t h ed e s i g no ft e s ti n t e r f a c e , t h ew h o l et h i n k i n go ft h es o f t w a r e d e s i g n i na d d i t i o n , i no r d e rt os i m p l i f yd e s i g na n dr e a l i z er e l i a b l ec o m m u n i c a t i o n ， t h ee n c a p s u l a t i o no fs l i pi sa d o p t e di nt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h em a i ns y s t e m a n ds u b s y s t e m , i n c l u d i n gt h ec h e e ks u ma n d p r o c e s s 1 e yw o r d s ：v x w b r k sa r mg u it 6 9 6 3 cs l i p 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨注盘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了谢意。 学位论文作者签名：蒂明兴签字日期：二纱年_ 月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘生盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名莅用兴 签字日期力衫年2 月日 导师签名奈友乙 签字日期：硝年l 月 f 日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电池行业现状 第一章绪论 今天，电池在成为人类文明生活中不可或缺的物品。随着科学技术的发展， 电器产品的日益普及，电池在人们生活中的使用量也在迅速增加。全球每年人均 消费电池约为6 只，日本每年人均消费电池约为2 0 只，美国每年人均消费电池 约为2 5 只。越是发达的国家，电子类产品越丰富、资源所占越广，电池的使用 率越高。 随着我国加入w t o ，经济的迅速发展，电池的需求量也是有增无减。2 0 0 3 年，国内电池总产量己达2 6 2 亿只，约占全球电池总产量的一半以上，因此我国 已是名副其实的电池制造大国，电池产量和出口量都位居世界第一。2 0 0 3 年出 口新型二次电池1 5 6 亿只，金额1 9 5 亿元，占电池出口总额的6 7 8 4 ，出口金 额比2 0 0 2 年增长了5 0 。最新的2 0 0 5 年中国电池行业发展研究报告也指出， 2 0 0 4 年电池产品产量依旧保持高速增长，一次电池产品需求虽然有所下降，但 二次电池的需求急剧增加，这将给二次电池厂家与电池测试设备厂家提供机遇与 挑战。 2 l 世纪前2 0 年，通讯、机电、信息、汽车和民用电器将是世界产业发展的 主要热点，同时也是我国的五大支柱产业。而这五大行业的发展将给电池行业， 尤其二次电池产业提供巨大的发展动力，这就无疑将给电池检测设备和化成分容 设备的生产厂家提供难得的发展机遇及成长空间。 1 2 电池测试设备研究 事实表明，电池行业是一块正在越做越大的奶酪，国内的电池产业也已初具 规模。并且随着电池企业的发展，国内的电池生产专用设备企业也在不断的发展 壮大。然而，电池行业内产品还是主要以手工操作设备、半自动设备、单机自动 化设备产品为主，全自动生产线制造较少，技术水平总体上与国外相比不高，这 就造成了国产设备竞争主要集中在为手机等低端产品提供电源，而高端产品如动 力电池测试设备，燃料电池测试设备，高精度测试设备等市场基本被国外产品占 据。手机只需要一块电池，而笔记本等高端产品却需要多只性能一致的电池串并 天津大学硕十学位论文第一章绪论 联起来使用。 二次电池生产要经过电芯生产、化成充电、容量分选、容量测试、包装成型。 由于国内小型电池的生产主要靠人工操作来完成，使得产品的性能很难达到一 致。因此，要解决这一问题，除了生产电池本身设备技术水平提高外，还需要配 套的电池测试设备技术提高，也就是电池测试设备要能够实现高精度的电流与电 压的测量和控制。实现高精度的电流与电压的测量和控制技术目的在于： 1 ) 辨别不同电池的差异能力更强。特别电池在串并使用中，高精度设备能 将一致性好的电池组合在一起充分发挥单体电池和电池组的功能。 2 ) 由于精度高，可以使电池生产厂家更精确地控制投料，从而降低成本。 因此，电池测试设备技术提高可对电池厂家提出更高的要求，促使其生产工 艺的提高。这就增加了其竞争力，促进了电池行业的发展；而电池行业，尤其二 次电池行业的发展，技术的提高，市场份额的增大，给生产电池测试设备同时提 供了机遇及挑战。 1 3 本课题任务及意义 现在电池测试设备系统主要采用的方案有两种： 1 ) 不采用中位机。整个电池测试系统仅由上位机( 即p c 机) 与下位机构 成，二者之间通过网口连接通讯。上位机负责对下位机的监控及相关控制；下位 机根据上位机的相关命令执行相应的电池控制操作( 即充放电或闲置等操作) ， 并把采集到的数据实时传送给上位机。该方案存在的缺陷是成本高，占用空间大。 2 ) 采用由普通的5 1 单片机为核心的简单中位机。与一方案相比，多了个中 间缓冲，因此可以在无p c 机的情况下，再附加以一定的输入输出显示，就可以 实现一定的脱机功能。然而由于采用的是8 位机系统，注定了其脱机时间不够长 的缺陷。 同时，这两种方案都存在的严重缺陷就是可靠性不高，稳定性与实时性都不 能得到很好的保证。鉴于现在电池测试系统普遍采用的两个方案所存在的缺陷， 弥补其可靠性与实时性方面的不足，本课题采用以a r m 为核心、在实时性方面有 突出表现的v x w o r k s 嵌入式系统为平台，搭建中位机，并开发出与之相配套的显 示控制子系统。该方案与同类方案相比的优势在于： 1 处理速度快：其c p u 处理能力比一般的单片机系统快5 倍以上，相当于 4 8 6 的处理水平； 2 可靠性高：v x w o r k s 与同类实时性操作系统相比在实时性方面具有很强 的优势，能够及时判断和处理各种异常现象，稳定性也比w i n d o w s 操作 天津大学硕士学位论文第一章绪论 系统稳定许多倍； 3 超大的缓冲能力：能够存储每个通道1 0 0 0 次以上完整的采样数据( 如 以3 0 秒为间隔记录一次，可脱机运行8 个多小时，而同类单片机方案 最多只能脱机2 个小时) ；同时最多可带7 0 0 多个通道，而同类单片机 方案由于其自身局限，只能存储2 0 0 多个； 4 网络特性：如果脱机完成后还需要查看电池数据，中位机可通过1 0 0 m 局域网接口和p c 机进行连接，而且一台p c 机能够携带大量的中位机进 行测试，而保证这个化成系统的数据正常的传递。 5 无缝连接：本系统利用一片n v r a m 来存储电池运行中的关键信息，因此 在系统重新上电后能实现无缝连接。 6 同时基于液晶的菜单界面及相关外围控制，控制简单方便，显示直观， 占用空间小，成本相对较低，与台式机相比具有明显优势，从而也就实 现了中位机的完全脱机运行。 采用此方案以后，将使我国的电池测量设备在可靠性与实时性方面有了突破 性的进展。 天津大学硕士学位论文 第二章实时系统v x w o r k s 第二章实时系统v x w o r k s 2 1 嵌入式实时系统简介 嵌入式系统最初的应用是基于单片机的，一般是由电子技术工程师来设计实 现最底层的嵌入式系统简单应用。然而，随着微电子技术、网络和通信领域的迅 猛发展，计算机专业领域人士的广泛参与，使嵌入式系统领域发生了翻天覆地的 变化。 今天，大量的嵌入式产品已经在国防、国民经济及社会生活各领域中得到了 广泛的应用，嵌入式系统带来的工业年产值已超过1 万亿美元。这无疑验证了美 国著名的未来学家尼葛洛庞帝的预言，“嵌入式系统将是继p c 和i n t e r n e t 之后最 伟大的发明”。但是，对于什么是嵌入式系统仍没有一个统一的定义。一个比较 广泛的定义是：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 可裁减，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。电气工程师协会的定义是：嵌入式系统是用来控制或者监视机器、 装置、工厂等大规模系统的设备。虽然没有个统一的定义，但是仍然可以得出嵌 入式系统的一些基本特征： 1 、嵌入式系统由智能单元( 即处理器，有时存在多个) 控制，因而是计算 机系统，但因其形态多样，多数情况下为人们所忽略。 2 、嵌入式系统所提供的功能通常带有针对性，大多是专用系统 3 、与桌面系统不同，嵌入式系统一般不对用户提供再开发环境，用户与系 统交互的唯一接口就是系统提供给用户的最终应用。 4 、针对某些特殊应用，如航天飞机、卫星、飞机等，嵌入式系统常常需要 很高的可靠性和长时间无人值守的工作能力。这一点对嵌入式系统的要 求至关重要。 5 、紧凑性要求明显( 因系统而异) 。基于成本、体积、功耗、和性价比等因 素考虑，许多嵌入式系统通常不追求高速且功耗大的处理器，采用尽可 能少( 但够用) 的存储器。合适就是硬道理。它的软件( 或固件f i r e w a r e ) 和数据通常保存在系统的非易失性存储器上( 如f l a s h ) 。这些都对操作系 统的处理性能和可裁减性有特殊要求 6 、实时性需求。在给定硬件环境的条件下，系统实时性主要靠操作系统和 天津大学硕士学位论文 第二章实时系统v x w o r k s 应用软件保证 操作系统分为实时系统与非实时系统。二者之间不同在于，实时系统对外部 事件的响应有时间要求，即要求在给定的时间内完成事件的识别、处理，并给出 正确结果。从这点可以看出，一个实时系统良好的工作状态不仅表现为对外部事 件响应的正确性，同时也表现为对事件处理的时间正确性。d e a d l i n e 是实时系统 的最重要指标。但不同的实时系统对d e a d l i n e 有不同的要求，并据此分为：h a r d r e a l - - t i m e ( 严格实时强实时) 和s o f ir e a l - - t i m e ( 宽松实时弱实时) 。 然而，嵌入式系统并不都是实时系统，实时系统也并都是嵌入式系统，嵌入 式实时系统应该是嵌入式系统与实时系统的交集。因此，嵌入式实时系统必然同 时具有嵌入式系统与实时系统的特征。 2 2v x w o r k s 概述 v x w o r k s 是目前软件工程师采用最多的用于开发实时嵌入式系统的商用实 时操作系统。从美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 7 年推出第一个商用v x w o r k s 的版本 至今，w i n d r i v e r 公司一直领导着嵌入式系统软件开发的技术革命，1 9 9 5 年提出 的t o r n a d o 是第一个支持嵌入式软件开发的交叉集成开发环境。而随着i n t e r n e t 的迅猛发展，嵌入式应用渗透到了人们生活的各个领域，应用系统开发的复杂程 度和产品快速推向市场的压力迅速增大，2 0 0 2 年w i n d r i v e r 顺应这种嵌入式系 统开发的需求，推出了面向不同应用领域的平台产品，在每个平台产品中都集成 了v x w o r k s 操作系统、t o m a d o 集成开发环境以及该应用领域嵌入式产品开发所 常用的软件中间件，使用户在开发嵌入式产品时可以像开发桌面软件一样，拥有 一个高度集成的软件开发平台，将开发的投入完全放在应用程序的开发和设备功 能的开发上，通过避免软件所引起的大量的不必要的开发成本，从而降低嵌入式 系统开发的总成本，实现设备软件最优化。 v x w o r k s 操作系统是一个3 2 位的实时操作系统，支持3 2 位以上的嵌入式微 处理器，如i n t e l 的i a 3 2 、x s c a l e 、s t r o n g a r m 等，m o t o r o l a 的6 8 k 、p o w e r p c 、 c o l d f i r e 、m c o r e 等、i b m 的p o w e r p c 、m i p s 系列、a r m 系列、s p a r c 系列、 s u p e r h i t a c h i 系列等c p u 。v x w o r k s 被广泛地应用在国防、航空航天、通信、消 费电子、工业控制、汽车电子等领域，像曾经轰动一时地“火星探路者”，以及 刚刚发射到火星的“机遇”和“勇气”号探测器上采用的都是v x w o r k s 操作系 统，另外大到思科的o n s 一1 5 4 5 4 光交换机、通用医疗的核磁共振、本田的a s i m o h u m a n o i d 机器人，小到索尼的n w e 7 网络w a l k m a n 、西门子的v d od a y t o nf 一5 0 0 0 汽车信息系统，成千上万的设备中都是v x w o r k si n , d e 。 天津大学硕士学位论文第二章实时系统v x w o r k s v x w o r k s 操作系统有如下一些针对实时嵌入式系统设计的特点： 1 ) 强实时性：v x w o r k s 在8 0 4 8 66 6 m h z 下的t c ( 任务切换时间) ，t s ( 系统 调用时间) 和中断响应时间都在几个微妙，如果c p u 频率更快的话，这些性能 指标会更好，而且更重要的是v x w o r k s 在设计时保证了系统响应时间的确定性。 另外v x w o r k s 支持基于任务优先级的抢占调度和丰富的任务间通信机制，可以 保证同步事件和异步事件并行处理，并且d e a d l i n e 短的任务可以在规定的最终期 限内完成。 2 ) 微内核设计：v x w o r k s 采用微内核设计方法，操作系统的基本功能由 w i n dk e r n e l 提供，其他系统功能以系统组件的形式存在，保证了系统的可配置 性和可裁减性。 3 ) 可裁减性：v x w o r k s 适应嵌入式系统多样性的特点，提供了高度的可裁 减性，系统可以裁减到8 k b ，这种裁减还可以做到基于函数级裁减，即系统的 函数功能如果在运用中不使用的话，就可以将该函数对应的代码裁减掉。 4 ) 可移植性：操作系统可以认为是提供了系统功能函数的函数库，v x w o r k s 在设计的时候，这些函数库只与目标机c p u 的指令集相关，即c p u 体系结构相 关，( 事实上只是w i n dk e r n e l 与c p u 体系结构相关，其他功能组件与c p u 也是 无关的) 与我们的硬件板设计无关，所以操作系统具有很好的系统移植性，与硬 件相关的程序完全由b s p ( 板级支持包) 提供。 5 ) 可靠性：v x w o r k s 经过将近2 0 年的市场应用的验证，操作系统本身是高 度可靠的，另外构造一个高可靠性的系统是由这个系统设计来保证的，v x w o r k s 操作系统为了支持软件可靠性设计，还提供了分布式消息队列和异常处理等机制 支持系统的冗余设计和容错设计。 v x w o r k s 的系统功能包括： 1 ) w i n dk e r n e l ：实现任务调度和管理、任务间通信、内存管理、系统时钟 和定时器管理、系统中断管理。 2 ) i o 系统：提供标准的基于文件的i o 设备管理。 3 ) w d b ( w i n d d e b u g a g e n t ) ：支持交叉调试。 4 ) a n s i c ：支持标准c 库a p i 。 5 ) p o s i x ：支持p o s i x1 0 0 3 1 b 的a p i ； 6 ) 文件系统：支持外存储介质( 磁盘、磁带、光盘、电子盘等) 的访问。 7 ) t c p f l p 网络协议栈：支持h o s t 端t c p i p 网络通信。 8 ) b s p 开发包；提供b s p 模板、驱动程序模板和b s p 测试工具包。 9 ) v x f u s i o n ：支持分布式消息队列，开发分布式应用和冗余设计。 1 0 ) t r u e f f s ：支持电子盘文件系统，管理f l a s h 介质。 天律大学硕士学位论文 第二章实时系统v x w o r k s 1 1 ) v x v m i ：支持基于m m u ( 内存管理单元的内存保护) 。 1 2 ) v x m p ：支持基于v m e 总线共享内存方式的信号量、消息队列和共享 内存。 t o r n a d o 是为开发基于v x w o r k s 操作系统的嵌入式软件提供的集成开发环 境，在t o r n a d o 中集成了： 1 ) 文本编辑器。 2 ) g n u 和d i a bc c + + 编译器。 3 ) w i n ds h e l l 和c r o s s w i n d 调试器，支持断点、单步等静态调试功能。 4 ) b r o w e r 系统浏览器，支持v x w o r k s 程序运行时的实时的系统状态检查。 5 ) w i n dr i v e r 系统追踪器，支持v x w o r k s 程序和任务运行过程的实时记录。 6 ) v x s i m 系统模拟器，支持程序员在v x s i m 上开发v x w o r k s 应用程序， 而无需目标机的支持，v x s i m 支持功能级的程序仿真。 7 ) s n i f f + p r o ，支持软件的团队开发和项目管理。 v x w o r k s 在酝酿着下一代嵌入式操作系统v x w o r k s 6 0 和下一代集成开发环 境w i n dp o w e ri d e2 0 。在v x w o r k s6 0 中，w i n d r i v e r 将在保持v x w o r k s5 5 这 种单用户多任务操作系统所具有的实时性优点的同时，增加实时进程( r i p ) 、运 行错误检测和报告、c p u 内和c p u 间的进程通信等功能。w i n dp o w e ri d e2 0 将基于e c l i p s e 架构，易于第三方工具集成，同时w i n dp o w e ri d e 可以支持多核 调试，支持更大的目标文件和源文件调试代码，支持v x w o r k s6 0 和嵌入式l i n u x 程序调试。 2 3v x w o r k s 任务及中断 嵌入式实时操作系统v x w o r k s 具有高性能的实时系统内核w i n d 。它是一个 具有高性能的、标准的嵌入式实时操作系统内核，其主要特点有：多任务快速切 换、抢占式任务调度、任务间有多种通信手段、中断延时小、网络流量大。而且， v x w o r k s 操作系统具有较好的兼容性，兼容p o s i x 标准，支持a n s ic 标准， 兼容大部分t c p i p 协议栈。本节主要介绍主系统任务编程中主要涉及到的任务 及中断编程的相关概念。 2 3 1 多任务及任务间通信 现代实时系统是在多任务和任务问通信的基础上建立起来的。多任务的环境 将实时的应用构造成为一组独立的任务，每个任务拥有其各自的线程和一套系统 资源。这也就产生了协调任务间行为的要求，为了允许任务通过同步和通信操作 天津大学硕士学位论文第二章实时系统v x w o r k s 协调各自活动，v x w o r k s 操作系统中提供了信号量、消息队列、管道和网络套接 字等任务间的通信设备。 v x w o r k s 操作系统中，应用程序组织成相互独立的程序，执行时刻每个程序 都是一个任务。w i n d 实时内核提供了多任务环境，构造了多线程并发的形式， 用于模拟现实世界中的多重的、离散的事件，系统内核本身则根据某个调度算法 将这些线程交错执行。多个任务可以直接或以共享方式访问大多数系统资源，并 且保持有足够的上下文环境用以维护自身线程。任务的上下文保存在任务控制块 ( t c b ) 中，其内容包括：任务的程序计数器、c p u 中的寄存器和浮点寄存器 ( 可选) 、动态变量和函数调用所需的堆栈、i 0 操作分配的标准输入输出和标准 错误输出操作、延时计时器、时间片计时器、内核控制结构、信号句柄、用于调 试和性能监视的值。 任务的状态有阻塞、就绪、睡眠、挂起，在v x w o r k s 中创建任务的函数主 要包括以下三个：t a s k s p a w n ( ) 、t a s k l n i t ( ) 和t a s k a e t i v a t e ( ) 。任务创建后进 入挂起状态，若被激活就进入就绪状态，具有最高优先级的就绪状态的任务被执 行。挂起状态主要用于调试，而引起阻塞状态的原因是资源被占用。任务的各个 状态，除了阻塞和睡眠之间，可以调用函数进行切换。 w i n d 内核对多个任务采用不同的调度算法，把c p u 分配给就绪的任务。调 度算法有基于优先级的抢占式任务调度、轮转式调度、抢占上锁等，其中，w i n d 内核默认基于优先级的抢占式任务调度。轮转调度算法可通过调用函数 k e r n e l t i m e s l i e e ( i n tt i c k s ) 来允许时间片轮转。执行了各种任务调度的操作后， 任务进入指定状态，等待条件满足后被c p u 执行。 任务与任务之间的通信功能，就是对各个独立任务间活动的协调。v x w o r k s 操作系统针对不同的需求，提供了不同的任务间通信机制。数据的简单共享，可 以通过共享内存实现；基本的互斥和同步，可以通过信号量机制来实现；同一个 c p u 内任务间消息的传递，可以通过消息队列和管道实现；任务间透明的网络 通信，可以通过s o e k e t s 和远程程序调用实现；用于异常处理的，可以是信号。 本设计中采用了信号量来实现中断与任务、任务与任务间的同步。v x w o r k s 中信号量有三种：即二进制信号量、互斥信号量、计数信号量，与信号量相关的 控制函数主要有：s e m b c r e a t o ( 创建并初始化一个二迸制信号量) 、s e m m c r e a t 0 ( 创建并初始化一个互斥信号量) 、s e m c c r e a t o ( 创建并初始化一个计数信号量) 、 s e m d e l e t e 0 ( 删除并释放一个信号量) 、s e m t a k e o ( 获取一个信号量) 、s e m g i v e 0 ( 释放一个信号量) 、s e m f l u s h 0 ( 将所有等待该信号量的任务唤醒) 。 v x w o r k s 操作系统的多任务和任务间通信机制，对于数据的实时采集和实时 传送有十分积极的意义。 天津大学硕士学位论文 第二章实时系统v x w o r k s 2 3 2 中断处理 硬件中断处理是实时系统的最重要的组成部分，系统经常通过中断与外部事 件进行交互。为了快速响应中断，v x w o r k s 中断处理程序( 中断服务程序i s r ) 在所有任务上下文之外的一个特殊的上下文执行。因此，中断处理不涉及到上下 文的切换。 所谓上下文切换( c o n t e x ts w i t c h i n g ) 就是指多任务系统中，c p u 的控制权 由运行任务转移到另外一个就绪任务时所发生的事件，当前运行任务转为就绪 ( 或者挂起、删除) 状态，另一个被选定的就绪任务成为当前任务。上下文切换 保存当前任务的运行环境，恢复将要运行任务的运行环境。而v x w o r k s 操作系 统中断处理不涉及任务上下文切换，就减少了诸多操作，保证系统有更好的实时 性。但是也由于中断处理不在一个固定的上下文中运行，没有t c b ，所有中断 服务程序必须共享一个单独堆栈，因此有所限制。其中，最基本的限制就是禁止 调用导致调用者阻塞的函数。 系统硬件中断程序可以替代v x w o r k s 中断程序，c 函数可以使用函数 i n t c o n n e c t ( ) 来连接任何中断处理程序。需要提供的参数有：与之相连的中断 矢量的字节偏移量、连接到c 函数的地址并传递给该函数的一个参数。实际上， i n t c o n n e e t ( ) 函数建立少量的储存在寄存器中的代码，而且用被传输的参数建 立一个堆栈入口( 或一个特殊的中断堆栈，或当前的任务堆栈) ，另外还能调用 连接函数。从调用函数返回时，i n t c o n n e e t ( ) 函数恢复寄存器和堆栈，并退出 中断。 天津大学硕士学位论文第三章中位机主系统硬件设计 3 1 整体硬件框架 第三章中位机主系统硬件设计 图3 一l 是中位机系统的整体硬件框架图，各部件的基本功能描述如下： 图3 1 一串口模块用于初始系统调试时控制台的调试接口，同时也用作s 3 c a 5 1 0 b 与 开发的显示控制子系统的通讯接口； 一复位电路可完成系统上电复位和在系统工作时用户按键复位； 一电源电路为5 v 到3 3 v 的d c - - d c 转换器，给s 3 c a 5 1 0 及其它需要3 3 v 电源的外围电路供电； 一1 0 m h z 有源晶振为系统提供工作时钟，通过片内p l l 电路倍频为5 0 h z 作 为微处理器的工作时钟； 一f l a s h 模块由两部分的f l a s h 构成，由a m 2 9 l v 3 2 0 d 构成的f l a s h 用 于存储v x w o r k sb o o t r o o m ，而由2 8 f 1 2 8 j 3 a 构成的f l a s h 则用于存储系统运 行中采集到的电池测试数据； 一r a m 模块含s d r a m 及n v r a m 模块，s d r a m 内存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 内存中；n v r a m 贝u 主要用于存储系 统断电时的关键信息，使得重新上电后系统能实现无缝连接，同时还有一部分空 间用于存储最新的电池测试数据； 天津大学硕士学位论文第三章中位机主系统硬件设计 一1 0 m 1 0 0 m 以太网接口为系统提供以太网接入的物理信道，通过该接口，系 统可以1 0 m 或1 0 0 m b p s 的速率接入以太网，在本系统主要用于下载v x w o r k s 或 修调信息及在必要的时候上传电池测试数据； 一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； 一c a n 模块则是下位机采集到的数据提交给中位机的通讯接口，其主要通过一 片c p l d 与$ 3 c 4 5 1 0 b 进行连接。由于这部分在本论文工作中涉及到的不是太多，在 后面的章节中不再介绍说明。 经过上述的硬件整体各个模块的阐述，对整个系统就有了大致的了解。 3 2 主处理器单元 3 2 1 $ 3 c 4 5 1 0 b 简介 本中位机主处理器采用的是s a m s u n g 公司的$ 3 c 4 5 1 0 b ，它是一款基于 a r m 7 t d m i 核的1 6 3 2 位微控制器。a r m 7 t d m i 为低功耗、高性能的1 6 3 2 核， 同时支持3 2 位的a r m 指令集和1 6 位的t h u m b 指令集。 图3 2 为s 3 c 4 5 1 0 的结构框图，$ 3 c 4 5 1 0 内部集成了以下几个主要功能模块： 一可重新配置的8 k b 的c a c h e s r a m 一一个支持1 0 1 0 0 m b p s 、m i i 接i z l 的以太网控制器 一可配置的内存控制器，通过其s 3 c a 5 1 0 可以很方便的与包括f l a s h ， s r a m ，d r a m ，s d r a m 在内的各种片外内存直接连接，这样就可以形 成以a r m 4 5 1 0 为核心的最小系统 一2 个d m a 控制器 一2 个3 2 位定时器 一1 8 个可编程i o 口 一1 个中断控制器，支持2 1 个中断源，包括4 个外部中断 一2 个h d l c 接口，支持1 0 m b p s 一2 个串行接口 此外，a r m 7 t d m i 最高工作频率可达到5 0 m h z ，内核i o 电压3 3 v ，同时带 有j t a g 接口用于软件调试。具体各个功能部件的详细数据请参考$ 3 c a 5 1 0 手册。 总之，a r m 7 t d m i 具有很高的性价比，十分适合应用于对性价比要求高、功耗 低的低端网络产品中。下面小节将对主处理器s 3 c a 5 1 0 在本设计中的配置连接 进行介绍。 天津大学硕士学位论文第三章中位机主系统硬件设计 1 8 4 ： 2 ： 2 ： ， a r m 7 t d m i l i c e - l 6 - b a n k r o m 3 2 _ b i tr i s cc p u l b r e a k e r s r a m f ，a s h 4 _ b a n k c p ui n t e r f a c e 疆coitrollerlwithrefreshcontrol- d i 乙m j 一黼 叫l o li i 4 - b a n k li + 叫i o e x d c v i t e r n a c c l i s y s t e ml e x t b u s - le x t e r n a l 一嚣斗 b u s1 r e q a c k 1r 。i b 1 l s a 1 _ b i 衙r m a s t e r 1 b u sr o u n t e r 2 - c h a n n e lh d l c s1 r e m o t e w i m d m a s1 1 p o r t a ，b 溉车： r ch dp o r ti n c l u d i n g 1 8g e n e r a li op o r t s k l 2 - c h a n n e lb d m a ln i n tr e q m e t o u t ( o 、1 ) u d m a g e q i n t e r r u p tc o n t r o l l e ri - l b d m a r a m s l n d m a r k i t xb u f f e r ( 2 5 6b y t e ) i ic o n s o l e 卜叫u a r t 0 、1 | 一 r i r 强a u ，l k 、 3 2 - b i t t i m e r0 ，1 千士 i m a c l 一8 韶l g d m a 0 、1k it x f i f o ( 8 0 b 归) i ilii hf i f or 1 6 b y t e s ) l x t a l o s c 一一 p l l l 1 1 j pc o n 仃o l l e tf o rj t a g 图3 2 $ 3 c 4 5 1 0 b 结构框图 3 2 2s 3 c 4 5 1 0 b 的配置连接 $ 3 c 4 5 1 0 采用q f p 封装，共有2 0 8 个引脚。其中，电源和接地引脚近5 0 根，地 址总线、数据总线和通用i o 口，专用模块h d l c 、u a r t 、i i c 、m a c 等接口， 剩下的引脚就是系统的主要控制信号线，因此s 3 c 4 5 1 0 b 的配置连接首先也就是 对这些引脚的连接设置，为了叙述方便，其它引脚将在其余各单元设计时一并予 以说明。这样就可以在叙述过程中结合具体的实际应用来配合说明。 l i t t l e ( p i n 4 9 ) ：大小端模式选择引脚。当该引脚为高电平时，系统工作 在小端模式；当该引脚为低电平时，工作在大端模式。由于在s 3 c a 5 1 0 内部己下 拉，因此系统默认情况下工作在大端状态。出于人们的使用习惯，该引脚在本设 计中通过一个4 7 k 电阻上拉接3 3 v ，即使系统工作在小端模式。 f i l t e r ( p i n 5 5 ) ：在本设计中，外围晶振时钟采用的频率为l o m h z ，为了 天津大学硕士学位论文 第三章中位机主系统硬件设计 使系统时钟达到5 0 m h z ，使用了内部p l l 倍频电路。因此根据$ 3 c 4 5 1 0 手册说明， 在该引脚与地之间接了个8 2 0 p f 的陶瓷电容。 t c k 、t m s 、t d i 、t d o 、n t r s t ( p i n 5 8 - - p i n 6 2 ) ：j t a g 界面引脚。从s 3 c 珥5 1 0 使用手册得知，$ 3 c 4 5 1 0 已经按照i e e e 标准，将t c k 下拉，t m s 、t d i 、t d o 、 n t r s t 上拉，因此可以将这些引脚与j t a g 插座对应管脚直接相连即可。 t m o d e ( p i n 6 3 ) ：测试模式选择管脚。低电平为正常工作模式。高电平为 芯片测试模式。一般我们不作芯片测试，因此将该引脚直接接地。 n e w a i t ( p i n 7 1 ) ：外部等待信号。主要用于访问外部输入输出设备( 本设 计中指c p l d 模块) 时，由外设插入等待周期。 b o s i z e 1 ：0 1 ( p i n 7 4 、p i n 7 3 ) ：r o m s r a m f l a s h 内存组0 的数据总线宽 度选择。0 1 = 字节，1 0 = 半字，1 l = 字，0 0 = 保留。b a n k 0 通常做为启动 r o m 区，是$ 3 c 4 5 1 0 所支持的6 个b a n k 里唯一一个由外部引脚来决定数据宽度 的组，因此必须根