（机械电子工程专业论文）便携式设备巡检仪中关键器件的驱动开发.pdf

郑州大学硕士学位论文 摘要 随着信息技术的发展和数字化产品的普及，嵌入式技术得到广泛深入的应 用。在工业自动化控制领域，随着工业生产技术的进步，使其对仪器仪表提出了 更高的要求：功能丰富、高可靠性、响应速度快、体积小、功耗低、便于使用、 能够与p c 机通讯等。而嵌入式技术在硬件和软件上都可以很好的满足这些要求。 旋转机械状态监测对于旋转机械运行安全，降低设备维修费用，提高设备利 用率有重大意义。基于嵌入式技术的便携式设备巡检仪是旋转机械状态监测中的 重要工具。它主要实现多通道振动信号的采集、保存和进行简单的信号分析处理 功能。目前国外的设备巡检产品大都价格昂贵，而国内的产品普遍存在数据存储 容量小、功能简单、体积比较笨重等缺点。 针对便携式设备巡检仪中存在的数据存储容量小、人机交互差、体积比较笨 重这些缺点，本文采用即插即用的u s b ( 通用串行总线) 通信技术来替代原有的 以太网技术，及时地把仪表中采集到的历史数据上载到p c 机( 个人计算机) 中， 以缓解仪表自身数据存储容量小的问题；运用触摸屏技术来替代原有的键盘和显 示器，大大减小了仪表的体积和重量。 本文设计利用p x a 2 5 5 微处理机( 巡检仪的核心微处理机) 中已集成的u d c ( u s b 器件控制器) 硬件模块，对u d c 进行驱动软件的开发，来实现仪表的u s b 通信功能；在p x a 2 5 5 微处理机的外部扩展触摸屏控制器a d s 7 8 4 3 芯片，并对该 j i ：；片进行驱动软件的丌发，来实现对触摸屏的控制功能。 为了不增加驻留在内存中的操作系统内核的体积，本文把驱动软件设计。为内 核动态加载模块，并且在满足实际功能的前提下，最大限度的减小了软件的体积， 做到“量体裁衣”，以适应嵌入式系统有限的存储空间。 本文分析了u s b 设备控制器( u d c ) 硬件功能结构，对巾断处理、端点操作、 挂起恢复、复位等控制功能单元进行驱动程序的编写，实现了巡检仪作为u s b 从机的控制传输和数据传送接收功能：在完成了对核心微处理器外围触摸屏控 制器a d s 7 8 4 3 芯片的扩展后，通过分析引脚信号功能、中断请求与中断处理、控 制字的读写、数据转换的时序、按键坐标定位等，对相应的控制功能模块进行 了驱动程序的编写，实现了对触摸屏的控制功能和屏上按键坐标的确定。 关键词：嵌入式系统，通用串行总线，触摸屏控制器 塑型查堂堡主堂垡堡苎 a b s t r a c t m o n gw i t h 也ed e v d o p m e n to f t h ei n f 0 1 m a t i o nte c _ h n i q u ea n dm ep o p u l 越z 撕0 n o f 也ed i 舀t a lp r o d u c t ，也e l b o d d e dt e d m i q u ei se x t e n s i v e 印p l i e d i nt h ed o m a i no f t h ec o m r o lo f l ei n d u s t 呵a u t o m a t i o n ，w i mt h ep r o g r e s so ft h ei n d u s m a lp r o d u c t i o n t e c h n i q u e ，t h em o d e r i la p p a r a t u sp u tf 0 州a r ds o m eh i 曲e rr e q u e s t s ：m u l t i f h n c t i o n ， h i 出r e l i 曲i l i t y ， q u i c kr e s p o n s e ， s m a l lv 0 1 u m e ，l o w p o w e r ， e a s yo p e r a t i o n ， c o n i c a t i o n 砸t hp e r s o n a ic o m p u t e re d n “e n h d e s s ， m er 。q u e s t so ft h e h a r d w a r e 锄ds o f 时a r e s “lc a nb e 觚f i l l e db ym ee i r l b e d d e dt e c h n i q u e t h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n go fr o t a t i n gm a c h i n e r yc a nr e d u c et h ec o s to f e q u i p m e n t sm a i n t e n a n c e ， k e c pm es e c u r i t yo fm 卸u f a c t l l r ea n di n c r e a s et h eu s eo f e q u i p m e n t s t h ep o r t a b l ee q u i p m e n t sp a t r o lm o n i t o r 印p a r a t u sb a s e do n 也e e m b e d d e ds y s t e n li sa ni m p o r t a n tp a r to fm ec o n d i t i o nr n o n i t o r i n go fr d t a t m g m a c h i n c r y 工tc a nr e a l i z et h em u 城c h a n n e lc o l l e c m l g ，s a “n go f v i b r a t i o ns i g n a la r l d t h ef l l n c “o no fp r o c e s s i n gs i m p l es i g n a l a tp r e s e n t ，t l l ep r j c e so ft h ef o r c i g n p o n a b l ee q u i p m e n t sa r cc x p e n s i v e ，b u tm ed o m e s t i cp o r t a b l ee q u i p m e n t sh a v es o m e w 朗k n e s s e sf o re x 锄p l et l l es m a l lm 锄o r yc 婶a c i t y ，t 1 1 es i m p l ef h c t i o na 1 1 dt h em o r e b u l k yv 0 1 m e c t c t o w a r dm ew e 出m e s s e s ，f o ra l l e “a t i n gt h ep r o b l 啪o ft h es m a l lm e m o r y c a p a c i t yo f t h ea p p 孵曲s ，u s br e p l a c e d l ee t h e m e ti su s e dt oc a r r yt h eh i s t o r yd a t a t op e r s o n a lc o m p u t e r n l et o u c hs c r e c i lt e c i l i l i q u er 印l a c e dt h eo r i 西n a lk e y b o a r d 锄d d i s p l a y t h ev o l u m ea n dw e i g h to f 血ea p p a r a t l l si sc o n s 啪e d l ym i n i s h e d i no r d e rt oa c h i e v ct h eu s b c o i t e s p o n d e n c e 缸1 c t i o no f t h ea p p a r a t u s ，m eu s b d e v i c ec o n t m l l e rd r i v e ri sd e v e l o p p o d t h ed d v e rs o f l w a r ei sb a s e do nt h eh a r d w a r e o f t l l eu s bd e v i c ec o n t r o l l e rm a tj si n t e 乒a t e di n l ep x a 2 5 5 m i c r o p r o c e s s o r t h e t o u c hs c 袱mc o n t r o l l e rc h i p ( a d s 7 8 4 3 ) i se x p a i l d e da st h ep e n p h 啪l so ft h e p x a 2 5 5m i c m p r o c e s s o r i no r d e rt oc o n t m l t h et o u c hs c r e e n ，t h ec o m r 0 1 l e rc h 幻 d r i v e ri sd e v e l o p p e d f o rn o ti n c r e a s i n gt 1 1 eo p e r a t j o ns ”t e n lc o r et h a ts t a yi nt h e m e r n o r y ，t 1 1 ed r i v e r s a st h em o d u l e so f t h ec o r ea r ed e s i g n e d f o r a d a p t i n gt ot h e1 i m i t e dm c m o r ys p a c eo f t h ec m b e d d e ds y s t 鲫，u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h ea c t u a l 如n c t i o nh a v eb e e na c h i e v e d ， t h ev 0 1 u m eo f t h em j v e r si sr 甜u c e dc o n s u m e d i y i i 郑州大学硕士学位论文 a n e ra n a l y z j n gt l l eh a r d w a r e 胁c t i o ns t m c t l l r e so f t h eu s bc o n 仃0 1 1 e r ( u d c ) ， 1 1 忙u s bc o n t r o l l e r ( u d c ) d f i v c r p r o 黟a m sa r ec o m p i l e d t h e p r o 孕a m s i n c l u d e t h e h a l l d l i n go ft h ei n t p t ，m ee n d p o i n to p e r a t i o n ，s u s p e n d r e s u m eh a i l d l i n g ，r e s e t h a l l d l i n ge t c a su s bc l i e n t ，t h ep o r t a b l ee q u i p m e n t sp a t r 0 1m o n i t o ra p p a r a n j sc a n a c h i e v em ec o n t r o lt r a n s f 打a n dt h eb u l k a r c rt h et o u c hs c r e e nc o n 仃o l i e rc h i p ( a d s 7 8 4 3 ) h a sb e e ne x p 柚d e da 1 1 ds o m e f h c t i o nu n i t sf o re x a m p l et h es i g n a l 劬c t i o no fm e p i nf c e t ，t h er e a d w r i t ec o n t m l w o r d ，t h es c h e d u l i n go ft h ed a t ac o n v c r s i o n ，m ei r qa f l dm eh a n m i n go ft h e i n t 唧t ，f i x i n gt h ep o s i t i o no ft h ec o o r d i n a t e so fm et o u c hk e ya r ea 1 1 a l y z e d ，t h e p r 0 掣锄so ft h ei n t e r r e l a t e d c o n t r o lf l u l c t i o no ft o u c hs c r e e n c o n b r o e ra r c c o m p i l e d c o n n d l l i n gt h et o u c hs c r e 肌f h n c t i o n sa i l df i x i n g 1 ep o s i t i o no fm e c o o r d i n a t e so f t h et o u c hk e yc a nb ea c t i l a l i z e d k e y w o r d ： e m b c d d e ds ”t e i i l ，u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，t ou l m s c r e c nc o n 缸0 1 l e f i 郑董声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄 袭等违反学，| 乏遂德、学术援藏的爱投行为，否雯l | ，本a 愿意承臻盎藏产生的一韬 法律责任和法律后菜，特此郑重声明。 学位论文器者( 签名) ：多灞 抽d 6 年岁h5r 郑州大学硕士学位论文 引言 在生产和科学试验中，机械振动是普遍存在的现象。过去一般只在机器的运 行出现问题，或者拆开检查才知道机器中某部分发生了故障。随着现代工业技术 的进步，机械设备向大型、自动、复杂、高速等方向发展。这些设备一旦发生故 障将会造成巨大的经济损失。为了确保机器的j 下常运行，不得不规定定期维修检 查制度，既不经济又不合理。 设备状态监测技术是依据设备在运行过程中，伴随故障必然产生的振动、噪 声、温度、压力等物理参数的变化来判断和识别设备的工作状态和故障。它不但 与诊断对象的性能和运行规律密切相关，而且广泛采用了现代数学、力学、物理、 电子、信息、计算机等多方面技术成果，是一门多学科交叉和融合的新型学科， 特别是人工智能的应用及智能化故障诊断技术的发展，更使故障诊断技术面貌一 新。 在旋转机械测量领域，便携式设备巡检仪是用于在现场对机器设备的状态参 数进行采集、分析、存储的仪器，凭借其轻巧方便，适用范围广，灵活性高，测 量对象多的特点成为了这个领域的主力。经过了几十年的发展，国内外都出现了 不少类型的便携式设备运行监测仪器。国外的产品虽然具有较强的前端分析、诊 断、管理、显示功能，但是价格十分昂贵。国内大多数产品还只是停留在前端采 集、显示波形，然后通过将采集数据导入个人计算机来实现复杂的分析功能的模 式。这类产品存在的主要缺陷有以下几点：微处理机功能弱，数据存储量小， 人机交互效果差，体积大，携带不方便，工作模式简单。 为了解决这些问题，便携式仪表己经同嵌入式技术密切联系来。随着信息技 术的发展和数字化产品的普及，嵌入式技术得到广泛深入的应用，它能够满足应 用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标的严格要求。功能强大的嵌入 式微处理机( 例如p x a 2 5 5 ) 已经在便携式仪表中得到了应用，对其功能的增强 起到了巨大的改善作用。 目前，数据存储量小和体积大，质量重，携带不方便，已经严重的制约了便 携式仪表得使用。本文采用即插即用的u s b ( 通用串行总线) 通信技术来替代原 有的以太网技术，及时地把仪表中采集到的历史数据上载到p c 机( 个人计算机) 中，以缓解仪表自身数据存储容量小的问题；运用触摸屏技术来替代原有的键盘 和显示器，大大减小了仪表的体积和重量，同时也提高了人机交互。 郑州大学硕上学位论文 第一章绪论 当前，人类进入信息大爆炸的时代，各类信息极度的丰富，数字信息和网络 技术高度发达，只有借助各种计算机才能对各类信息进行处理。同时，这些计算 机不再局限于以前的p c ，而是包括形态各异、性能干差万别的各类嵌入式计算机 系统。在智能仪器仪表与分析监测系统中，近年来也逐渐采用高端微控制器来取 代以往的8 位单片机，实现数字化、智能化、网络化，完成产品的更新换代。 1 1 1 嵌入式系统简介 1 1 嵌入式系统 嵌入式系统最初的应用是8 位单片机。2 0 世纪7 0 年代单片机的出现，使得 汽车、家电、工业机器人、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置 来获得更佳的使用性能，更易使用，速度更快、价格更低。这些装置已经具备了 嵌入式的应用特点，但是当时的应用只是使用8 位的微处理器执行一些单线程的 程序，仅仅作为器件的形态进入到传统电子技术领域，以电子技术应用工程师为 主体，实现传统电子系统的智能化，而计算机专业队伍并没有真正进入单片机应 用领域。从2 0 世纪8 0 年代早期开始，随着后p c 时代的到来，网络、通信技术 得以发展：同时，嵌入式系统软、硬件技术有了很大的提升，为计算机专业人士 介入嵌入式系统应用开辟了广阔天地。嵌入式讨算机系统的程序员开始用商业级 的操作系统编写嵌入式软件，这使得开发人员可以进一步缩短开发周期，降低开 发成本并提高开发效率。2 0 世纪9 0 年代以后，随着实时性要求的提高，软件规 模不断上升，实时内核逐渐发展为实时多任务操作系统( r t o s ) ，并作为一种软件 平台逐步成为目前国际嵌入式系统的主流m 。 嵌入式系统定义为：“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。“嵌入性”、“专 用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素4 1 。对象系统则是指嵌入式系 统所嵌入的宿主系统，即被其控制或监视的机器、装置、工厂等大规模系统。 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、体积和功耗有严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统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、监视或管理等功能脚。 郑州大学硕士学位论文 嵌入式系统是把微型计算机系统直接嵌入到应用系统之中，它融合了计算机 软硬件技术、通信技术和半导体微电予技术，计算机系统一般作为智能控制部件 嵌入到整个应用系统中，是整个系统的控制中心，主要用于对系统的信息处理部 件和用户交互界面加以控制。系统控制软件一般被固化在嵌入式计算机中，通过 特殊的输入、输出设备与系统进行交互。 1 1 2 嵌入式系统的特点 任何嵌入式系统都包括硬件和软件两个方面。硬件包括微处理器、存储器、 i 0 端口和图形控制器等。软件包括操作系统软件和应用软件，应用软件控制着 嵌入式系统的运作和行为，而操作系统内核则为应用程序提供必要的底层支持， 它一般是通过应用编程接口( a p i ) 来实现的。1 。 由于嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系中，实现的是对象的智能化控制， 因此，它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向。 通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算；技术发展方向是总线 速度的无限提升，存储容量的无限扩大。而嵌入式计算机系统的技术要求则是 对象的智能化控制能力；技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制 能力与控制的可靠性。 在嵌入式系统中，具体的应用将决定对硬件和软件的需求。与通用计算机不 同，嵌入式系统的硬件和软件都必须设计为高效率的，“量体裁衣”，去除冗余， 尽量以最小的系统、最低的成本去实现目标功能。它们通常都具有低功耗、体积 小、集成度高，专用性强等特点”1 。能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集 成在芯片内部，从而使嵌入式系统趋于小型化，和网络的接合也越来越紧密。 1 2 1 嵌入式处理器 1 2 嵌入式系统硬件 嵌入式系统的核心是嵌入式处理器。嵌入式处理器与通用的处理器的最大不 同点在于嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中。嵌入式处理器一般 具备4 个特点”1 ： 对实时和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操作系统的执行时问减少到晟低限度。 具有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经模块 郑州大学硕士学位论文 化，为了避免在软件模块之闻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。 处理器结构可扩展，能迅速地扩展出满足应用的高性能的嵌入式微处理 器。 嵌入式微处理器的功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的仪器仪 表或通信设备中，功耗可达到m w 甚至pw 级。 嵌入式处理器可分为低端的嵌入式微控制器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r u n i t ，e m p u ) 、中高端的嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o c o n t r o l le r u n i t ，e m p u ) 、 嵌入式d 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 ) 和高度集成 的嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 。 a r m 构架的处理器是一种高性能、低功耗的3 2 位r i s c 芯片。世界上几乎所 有的主要半导体厂商都生产基于a r m 体系结构的通用芯片，或在其专用芯片中嵌 入a r m 的相关技术。目前a r m 技术广泛应用于无线产品、信息分析与处理、消费 教育类多媒体和移动式应用等“1 。 x s c a l e 核是采用a r mv 5 t e 架构的处理器，是i n t e l 公司为新一代无线手持 式应用产品来发的嵌入式处理器，它具有高性能、低功耗等特点。在结构上它与 a i i m 处理器结构基本相同，并在流水线设计、d s p 处理和指令设计中有很大改进。 采用x s c a l e 架构的处理器有p ) ( a 2 5 0 、p x a 2 5 5 和p x a 2 7 0 等”3 。本文采用了p x a 2 5 5 作为研究对象，但对于p x a 2 5 0 该研究结果也同样适用。 1 2 2 嵌入式外围设备“1 嵌入式外围设备是指在嵌入系统硬件系统中，除了中心控制部件以外，用于 完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件，事实上都可以算作嵌入式 外围设备。目前常用的嵌入式外围设备按功能可以分为存储设备、通信设备和显 示设备三类。 1 存储设备 存储设备主要用于备类数据的存储，常用的有静态易失型存储器( r a m 、 s r a m ) 、动态存储器( d r a m ) 和非易失型存储器( r o m 、e p r o m 、e e p r o m 、f l a s h ) 三种。嵌入式系统有别于一般的计算机系统，它不具备像硬盘那样的大容量存储 介质，大多使用r o m 或f l a s h 作为存储介质。在嵌入式系统开发过程中，选择合 适的存储器类型必须考虑存储器的易失性、只读性、随机性、可靠性以及存储器 的容量、速度、功耗、价格等。嵌入式系统的存储器根据其特性可分为易失性存 储器和非易失性存储器两种。非易失性存储器主要用来存放程序和有关程序的参 郑州大学硕士学位论文 数，在嵌入式系统工作时，可以读出其中的程序和数据，却不以任意更改其中的 内容，这些内容在系统掉电时不会被破坏。常见的非易失性存储器有掩膜r o l 、 e p r o m 、e e p r o m 、f l a s h 等。易失性存储器主要依靠电路中的电荷的存在进行数 据的存储，若是电路中失去电荷，所记忆的数据也随之消失，因此适合经常改变 的数据存取及指令编码之用，其中包括静态随机存储器( s r a m ) 和动态随机存储 器( d r a m ) 。 其中f l a s h 凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜等优 点，在嵌入式领域内得到了广泛应用。 2 通信设备 在嵌入式系统中，通信设备也可称作输入输出接口单元。输入输出接口单元 是很重要的电路装置，无论是在嵌入式系统中额外加上扩展内存以执行更多的指 令或处理更多的数据，还是外接信号输入输出的外围装置，都需要用来连接嵌入 式微处理器与外围装置的输入输出接口硬件架构，来实现所需信号的输入输出传 递。目前存在的绝大多数通信设备都可以直接在嵌入式系统中应用，包括串行通 信接口、串行外围设备接口、红外线接口、现场总线、u s b 通用串行总线接口、 以太网接口等。 其中u s b 通用串行总线接口的应用更为突出。u s b 以其易于使用、速度快、 真正的热插拔、易于扩展、能采用总线供电、高性能和系统造价低廉等优点被广 泛的应用。 3 显示设备 嵌入式系统的显示装置主要为触摸屏和l c d 显示器。为了使用方便减小占据 的空间，在嵌入式系统中常使用触摸屏取替传统的鼠标和键盘，根据触摸笔所接 触的图标或菜单的坐标位置来确定输入的信息。触摸屏是由触摸检测部件和触摸 控制部件组成，触摸检测部件安装在显示屏前面，用于检测触摸笔接触的位置， 触摸控制部件将位置坐标发送给中心处理器。嵌入式系统中通常使用液晶显示器 ( l c d ) 作为系统数据处理结果的输出部件。l c d 显示器具有体积小、重量轻、 低辐射等优点，被广泛使用于便携式仪器仪表中。 1 3 嵌入式系统软件 嵌入式系统软件也是嵌入式系统的核心之一，它由嵌入式操作系统及相应的 各种应用软件构成。 1 3 1 嵌入式操作系统嘲 郑州人学硕十学位论文 嵌入式操作系统e 0 s ( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 负责嵌入式系统的全 部软硬件资源的分配、调度，控制和协调并发活动。嵌入式操作系统能体现所在 系统的特征，能通过装卸载某些模块来实现系统所要求的功能。面向嵌入式系统 的操作系统具有以下特点： 编码体积小。适合在嵌入式系统的有限存储空间中运行。 面向应用，可裁减和移植。可迸一步缩小编码的体积，有效地运行。此 类操作系统也可称为特定应用操作系统a s o s ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c o p e r a t i n gs y s t e m ) 。 实时性强。实时性是嵌入式系统的特征之一，因此，嵌入式操作系统也 称为实时多任务操作系统r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 。 可靠性高。嵌入式系统可无需人工干预独立运行，并处理各类事件和故 障。 随着集成电路规模的不断提高，涌现出大量价格低廉、结构小巧、功能强大 的c p u ，给嵌入式系统提供了丰富的硬件平台。目前限制嵌入式系统发展的瓶颈 突出地表现在软件方面。从2 0 世纪8 0 年代开始，各种各样的商用嵌入式系统广 泛出现，这些操作系统大部分都是为专有的嵌入式系统开发的，从而逐步演化成 了现在多种形式的商用嵌入式操作系统百家争鸣的局面。这些操作系统有 v x w o r k 、p s o s 、n e c u l e u s 、l i n u x 和w i n d o w sc e 等。在所有的操作系统中。i 。i n u x 是发展最快、应用最广泛的。l i n u x 本身的种种特性使其成为嵌入式开发的首选。 随着l i n u x 技术的成熟，定制需要的尺寸尤为方便，同时支持多种平台，它逐步 成为嵌入式市场的主流。 i 。i n u x 支持几乎所有主流的3 2 位c p u 。l i n u x 内核提供对多种处理器的支持， 目前的内核支持i n t e lx 8 6 、a r m 、m i p s 、p o w e r p c 、a l p h a 和s u p e r h 等处理器体 系结构，很多处理器都可以应用到嵌入式系统领域。 对于嵌入式操作系统，限于存储空问等条件，需要对系统进行裁减。裁减主 要通过减小内核、减小动态连接库、减小应用程序等减少各种代码占用空间的方 法，以及压缩文件系统来实现。l i n u x 操作系统开放源代码，这使得学习、修改、 剪裁l i n u x 成为可能，嵌入式系统的没计者可以对嵌入式i ，i n u x 进行二次开发， 去掉操作系统的附加功能，只保留必须的操作系统功能，并且可以根据应用的需 要优化操作系统的代码，从而降低整个系统的开销与能耗。另外，嵌入式系统还 需要增强实时性，可通过修改进程调度算法和使用双内核系统等方法来实现。目 前，已经有多个版本的实时l i n u x 系统。l i n u x 还具有网络功能，满足嵌入式系 统对网络越来越多的需要。同时，嵌入式l i n u x 也可以使用在桌面系统广泛应用 的图形界面，具有良好的交互性。一个可用的嵌入式l i n u x 系统包括内核和应用 郑州大学硕士学位论文 程序两部分。应用程序包括系统的部分初始化、基本的人机界面和必要的命令内 容。内核为应用程序提供一个虚拟的硬件平台，以统一的方式对资源进行访问， 并且透明地支持多任务。嵌入式l i n u x 内核分为6 部分：进程调度、内存管理、 文件系统、进程间通信、网络和驱动程序。这6 部分的关系如图1 1 所示。 表示依赖关系 图l 一1l i n u x 内核结构与依赖关系 l i n u x 操作系统中除了c p u 和内存以外的资源都用驱动程序的形式管理。内 核源代码的绝大部分都是各种驱动程序，并且随着系统支持的硬件的增加，代码 增加量最大的也是驱动程序。 1 3 2 嵌入式设备驱动 进行嵌入式系统的开发，很大的工作量是为各种设备编写驱动程序，除非系 统不使用操作系统，程序直接操作硬件。在l i n u x 系统中，内核提供保护机制， 用户空间的进程一般是不能直接访问硬件的。 在l i n u x 操作系统中的设备被抽象出来，所有设备都被看成为文件。设备的 读写与普通文件一样。用户进程通过文件系统的接口访问设备驱动程序。设备 驱动程序主要完成以下功能“1 ： 探测设备和仞始化设备。 从设备接收数据并提交给内核。 从内核接收数据送到设备。 检测和处理设备错误。 l i n u x 操作系统把设备分成3 种类型：字符设备、块设备和网络设备。字符 设备的读写以字节为单位，存取时没有缓存。块设备读写以块为单位，存取时 有缓存支持，以提高效率。网络设备用于通信，在l i n u x 操作系统里做专门的处 理。 所有设备的驱动程序都有一些共性，是编写所有类型的驱动程序都通用的， 郑州大学硕十学位论文 操作系统提供给驱动程序的支持也大致相同。这些特性包括：读写、中断和时 钟。 嵌入式l i n u x 系统驱动程序开发与普通l i n u x 没有区别。嵌入设备由于硬件 种类非常丰富，在缺省的内核发布版中不一定有所有的驱动程序。可以根据一个 相近的硬件的驱动程序来改写，这样开发速度就会很快。 1 3 3 嵌入式系统编程语言”1 由于嵌入式系统的紧凑的系统资源和系统结构，故在一般简易的嵌入式系统 ( 如由单片机构成的应用系统) 中常采用汇编语言来编程。随着嵌入式系统复杂 性的增加，用汇编语言编程已很难胜任。高级语言与汇编语言相比，具有通用性 强、编程方便、易于移植及可维护等优点。嵌入式系统常用的高级语言为c 语言。 嵌入式系统的高级语言具有以下特点： 与汇编语言的接口。在c 语言中，把汇编语言的程序可定义为一个a s m 模块；也可以编写成一个独立的外部进程，用功能调用来调用。 对系统资源的直接访问。在c 语言中，可以通过指针来对系统资源直接 寻址。 位操作。嵌入式系统需要较强的位操作功能。c 语占有较强的位操作功 能。 中断和异常事件处理。中断和异常事件处理是嵌入式系统中的一个很重 要的特点。c 语言可以通过中断服务例程来实现。 嵌入式系统的软件开发过程如图l 一2 所示。 图1 2 嵌入式系统的软件开发过程 郑州大学硕士学位论文 首先，每一个源文件都必须被编译或汇编成一个目标文件；然后，所产生的 目标文件被链接成一个目标文件，即为可重定位程序；最后，进行重定址，把物 理存储器地址指定给可重定位程序，产生一个可以在嵌入式系统上执行的二进制 映像文件。 1 4 研究的目的、意义及创新 1 4 1 课题的来源、目的及意义 本课题来源于国家“8 6 3 ”项目子项目“嵌入式软件开发技术与支撑平台研 究”( 2 0 0 4 a a l z 2 4 2 0 ) 和河南省重大科技攻关项目“设备远程诊断技术及系列产 品开发”( 0 1 2 2 0 2 2 0 0 0 ) 。 随着科学技术的日益发展，人们对设备状态检测和设备运行信息分析技术的 研究和具体应用提出了越来越高的要求。目前的一些测试分析仪表由于各种原因 还不能满足实际应用的要求，具体有以下几个方面： 1 国外进口的设备状态检测产品价格十分昂贵，不便于广泛的应用。 2 国内大多数设各状态检测产品的数据存储量比较小，多采用以太网将数据 传输到p c 机中进行分析处理和保存。但以太网的搭建不是一件简单的事情，这 就大大降低了态检测产品使用的通用性。 3 大多数设备状态检测产品体积大、质量重、便携性差，不便于携带到工业 在现场使用。 以上几点问题限制了设备状态检测系统在各个生产领域中的广泛应用。 随着新技术新思想的不断涌现，其中u s b 通用串行总线接口的应用最为突 出。u s b 以其易于使用、速度快、真正的即插即用、易于扩展、能采用总线供电、 高性能和系统造价低廉等优点被广泛的应用，现在任何台p c 机都具有u s b 接 口，并且u s b 2 0 的数据传输速度已达到了4 8 0m b p s 。将u s b 技术应用到设备状 态检测产品中来实现数据的传输，比起以太网来说就显得更为方便，更具有通用 性了。 在智能仪表中使用触摸屏技术不仅能显示字符、数字，还可以显示各种图形、 曲线及汉字，并目可以实现屏幕上下左右滚动、动画、闪烁、文本特征显示。更 重要的是触摸屏能够取代传统的键盘、鼠标技术来实现人机交互的功能，而且体 积小、重量轻。把触摸屏技术应用到设备状态检测产品中来取代原有的键盘和鼠 标，大大地减小产品的体积和重量，使携带更为方便。 郑州大学硕士学位论文 1 4 2 课题的创新点 嵌入式系统与p c 机之间的通信最好的方式就是u s b 传输。在p c 机上，u s b 技术已经相当成熟了。在嵌入式系统中实现u s b 技术，是现在比较热门的研究课 题。 目前，国外多数公司生产的的嵌入式微处理器中都已经集成了u s b 器件控制 器( u d c ) 。而在国内开发的嵌入式产品中火多数是采用嵌入式微处理器之外扩展 一个u s b 主机芯片( 带有从机接口) 来实现系统的u s b 传输功能( 既可作为u s b 主机也可作为从机) ，很少有直接使用已经集成到微处理器中的u s b 控制器 ( u d c ) 。 仪器仪表与p c 机通过u s b 通信时，在多数情况下p c 机是u s b 主机，而仪器 仪表只是从机。这样，在处理器之外扩展一个u s b 主机芯片就显得没有必要性了， 嵌入式微处理器中集成的u s b 控制器( u d c ) 完全可以胜任。 传统仪器仪表，人机交互效果差，没有强劲的多媒体硬件支持，图像显示颜 色单调( 黑白为主) ，分辨率低，单位面积的信息表达量低。随着生活中类似于 p d a ( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t s ) 的手持设备的越来越多，彩色液晶显示器 ( l c d ) 触摸屏凭借其功耗低、体积小、质量轻、显示美观等诸多其他显示器无 法比拟的优点，广泛应用于各种智能仪器和低功耗电子产品中，并逐渐成为当今 的主流配置。它不仅能显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线及汉字，并 且可以实现屏幕上下左右滚动、动画、闪烁、文本特征显示、更重要的是能够取 代传统的键盘、鼠标技术束实现人机交互的功能。 基于前面的分析，本课题提出了以下创新点： 1 利用p x a 2 5 5 微处理机( 巡检仪的核心微处理机) 中已集成的u d c ( u s b 器件控制器) 硬件模块，对u d c 进行驱动软件的开发，用即插即用的u s b ( 通用 串行总线) 通信技术来替代原有的以太网技术，及时地把仪表中采集到的历史数 据上载到p c 机( 个人计算机) 中，以缓解仪表自身数据存储容量小的问题。 2 在嵌入式微处理器之外扩展一个触摸屏控制芯片( 如a d s 7 8 4 3 ) ，对该芯 片进行驱动软件的丌发，来实现对触摸屏的控制功能。从而把触摸屏技术引入到 设备状态检测产品中来，替代了原有的键盘和显示器，大大减小了仪表的体积和 重量，使携带更为方便。 1 4 3 本文结构安排 本论文共分为六章，具体安排如f ： 郑州大学硕+ 学位论文 第一章绪论，主要从硬件和软件两个方面介绍了嵌入式系统，在此基础上 阐明了本课题的研究的目的、意义及创新。 第二章p x a 2 5 5 的结构与特性分析，详细的介绍了微处理器p x a 2 5 5 的结构与 特性，其中，对外围设备驱动开发所要用到的一些系统集成单元进行了进一步的 分析。 第三章i i n u x 字符设备驱动开发，在分析了i ，i n u x 设备驱动程序开发的基 础上，建立了l i n u x 字符设备驱动中的关键数据结构和基本函数。 第四章u s b 器件控制器驱动程序设计，根据u s b 控制器( u d c ) 的硬件功能 结构，通过分析数据存储管理、中断请求与中断处理等，给出了对u s b 控制器 ( u d c ) 驱动程序的中断处理、端点操作等过程。 第五章触摸屏控制器驱动程序设计，根据触摸屏控制器a d s 7 8 4 3 的硬件功 能结构，通过分析引脚信号功能、控制字的读写、数据转换的时序、数据存储 管理、中断请求与中断处理等，给出了对触摸屏控制器( a d s 7 8 4 3 芯片) 驱动程 序的中断服务、按键坐标定位等过程。 第六章总结与展望，对论文进行总结，讨论了有待进一步研究的问题。 郑州大学硕士学位论文 第二章p x a 2 5 5 平台的结构与特性分析 2 1 总体结构与特性m 7 一 p x a 2 5 5 应用处理器是i n t e l 公司生产的基于x s c a l e 微架构的集成系统芯片 ( t s o c ) 的处理器。它除了x s c a 】e 微内核外，还集成了许多适用于手持设备市 场需要的外围设备。图2 1 为p ) ( a 2 5 5 应用处理器的框图。 图2 1p ) ( a 2 5 5 应用处理器框图 p x a 2 5 5 除了采用x s c a l e 内核外，还具有以下特点： 内核工作频率：1 0 0 4 0 0 m h z 。 系统存储接口： 1 0 0 m h zs d r a f 。 一4 2 5 6m bs d r a m 技术。 一支持1 6 、6 4 、1 2 8 和2 5 6m bd r a m 技术。 一4 个s d r a n m 区，每个区支持6 4m b 存储器。 一时钟允许( 1 个c k e 脚用于把整个s d r a m 接口置为自我刷新) 。 一支持多至6 个静态存储器器件( s r a m 、f l a s h 、r o m 或v l i o ) 。 一支持2 个p c m c t c f 卡插槽。 时钟和电源控制器： 郊州大学硕士学位论文 一3 6 8 6 4m h z 振荡器，具有核p i 。l 和外围p l l ，可产生各种工作频率。 一3 2 7 6 8k h z 振荡器可以驱动实时时钟、电源管理器和中断控制器。 一电源控制器可以控制快速运行、空闲和睡眠工作方式。 d m a 控制器： 一具有1 6 个有优先级的通道，可为内部外设和外部芯片提供服务。 一聚用描述器，允许命令链和循环结构。 支持字、半字和字节数据传送。 l c d 控制器： 一支持被动( d s t n ) 和主动( t f t ) l c d 显示。 一最大分辨率8 0 0 6 0 0 1 6 。 一2 个专用d m a 通道，允许l c d 控制器支持单层或双层显示。 系统集成模块： 一g p l 0 ，每个可分别程控为输出或输入，作输入时可在上升或下降沿时 产生中断。有些g p l 0 具有第2 功能，可用于各种外围功能。 中断控制器，所有中断可黄为内核的i r q 或f i q 中断，并有屏蔽寄存 器。 一实时时钟( r t c ) ，可产生周期性中断，可把应用处理机从睡眠状态唤 醒。 一o s 定时器，有一个3 6 8 m z 的参考计数器和4 个符合寄存器。它们可 产生定时中断，其中一个符合寄存器可产生w a t c h d o g 复位。 一p w m ，有2 路独立的输出，可驱动2 根g p i o ，其频率和持续周期可分 别编程。 串行通信口： 一u s b 从机模块，支持u s bv 1 1 ，共有1 6 个端点，具有内部产生的4 8 m h z 时钟。 一具有3 个u a r t ，每个均可有慢速红外接口功能 一高速红外( f i r ) 通信口，基于4 m b si r d a 标准，可直接与外部i r d a l e d 相连。 一同步串行规程控制器( s s p c ) ，提供全双1 同步串行接口，位速率为 7 2 k h z l 8 4 m i z ，支持n s