（检测技术与自动化装置专业论文）基于pic微控制器柔性硬件平台的设计与实现.pdf

原创性声明 iylllllllllllllll71111tll9llllllollll2itlllllllttlll6llly 1 7 9 0 2 1 6 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：0 琶虹 日 期：三也二弘 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：逻i 夔丕13 导师签名： li-，lliii p ，d辱，、，；“瑚j ，ij1l0jl曩_弋 碡：=一舀q 山东大学硕十学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景。1 1 2 课题的研究方向一2 1 3 课题的研究内容及安排3 1 - 3 1 主要研究内容3 1 3 2 本文各章节的内容安排4 第二章柔性硬件平台的设计基础5 2 1 节能控制系统的研发背景5 2 2 节能控制系统的硬件组成7 2 2 1 节能控制系统的整体规划7 2 2 2 能量管理服务器的设计7 2 2 2 1 以太网通信模块设计8 2 2 2 2 数据存储模块设计。9 2 2 2 3 实时时钟模块设计1 0 2 2 2 4 液晶显示模块设计1 0 2 2 3 房间末端控制器设计l l 2 2 3 1 串行通信电路设计1 2 2 2 3 2 其它电路设计1 3 2 3 节能控制系统的软件设计1 4 2 3 1 嵌入式操作系统1 4 2 3 1 1 嵌入式操作系统的发展1 4 2 3 1 1 嵌入式操作系统的特点1 5 2 3 2 能量管理服务器软件设计1 7 2 3 2 1 能量管理服务器的任务规划1 7 2 3 2 2 任务的初始化和调度1 9 2 3 3 末端控制器软件设计2 0 山东大学硕士学位论文 2 3 3 1 末端控制器的任务规划2 0 2 3 3 2 任务的初始化和调度二2 1 2 4 本章小结2 2 第三章基于p i c 芯片柔性硬件平台的设计与实现。2 5 3 1m p l a b 软件开发流程。2 6 3 1 1 m p l a b 编译器2 6 3 1 2 m p l a b 汇编器2 7 3 1 3 m p l a b 链接器2 7 3 1 4 m p l a b 归档器2 8 3 2 基于p i c 芯片柔性硬件平台的实现方法2 9 3 2 1 柔性硬件平台的实现2 9 3 2 2 柔性硬件平台的其它形式3 4 3 2 - 3 新项目开发的使用方法3 6 3 3p i c 柔性硬件平台与b o o t l o a d e r 的结合应用3 6 3 3 1b o o t l o a d e r 原理3 7 3 3 2 对传统b o o t l o a d e r 的改进3 9 3 3 2 1h e x 文件4 0 3 3 2 2i n h x 3 2 文件和程序存储器的定位代码关系4 1 3 3 2 3b o o t l o a d e r 改进方法4 5 3 3 3b o o t l o a d e r 与柔性硬件平台的结合使用4 6 3 4 本章小结4 7 第四章基于p i c 芯片柔性硬件平台的应用4 9 4 1 项目背景4 9 4 2 信息中心节能监控系统总体规划。4 9 4 2 1 控制器的硬件组成5 0 4 2 2 数据服务器的硬件组成5 l 4 2 3 控制器软件规划。51 4 2 4 数据服务器软件规划5 2 4 3 柔性硬件平台的应用5 4 4 3 4 3 4 4 使用改进的b o o t l o a d e r 对控制器进行软件升级5 7 4 4 1 控制器软件升级的综合分析5 7 4 4 2 控制器的软件升级5 7 4 5 节能监控系统的现场运行情况5 9 4 5 1 系统的安装运行5 9 4 5 2 机房报警处理。6 0 4 5 3 信息中心节能效果分析6 1 4 6 本章小结6 2 第五章总结与展望6 3 5 1 工作总结6 3 5 2 相关工作展望6 4 参考文献6 5 致谢6 9 攻读硕士期间参与的项目7 1 一 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e a s e a r c hb a c k g r o u n d 1 1 2r e s e a r c ht o p i c s 2 1 3r e s e a r c hc o n t e n ta n da r r a n g e m e n t ：i 1 3 1 t h ec o n t e n t so f t h et h e s i s 3 1 3 2c h a p t e rc o n t e n t s 4 c h a p t e r2f l e x i b l eh a r d w a r ep l a t f o r md e s i g nb a s i s 5 2 1e n e r g y s a v i n gc o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n tb a c k g r o u n d 。5 2 2t h e h a r d w a r eo fe n e r g y - s a v i n gc o n t r o ls y s t e m 7 2 2 1s y s t e ms t r u c t u r e 7 2 2 2e n e r g ym a n a g e m e n ts e r v e rd e s i g n 7 2 2 2 1e t h e m e tc o m m u n i c a t i o nm o d u l e 。8 2 2 2 2d a t as t o r a g em o d u l e 9 2 2 2 3i 沁a lt i m ec l o c km o d u l e 1 0 2 2 2 4l c dm o d u l e 。1 0 2 2 3t e r m i n a ld e v i c ec o n t r o l l e rd e s i g n 11 2 2 3 1s e r i a lc o m m u n i c a t i o nc i r c u i td e s i g n 1 2 2 2 3 2o t h e rc i r c u i td e s i g n 1 3 2 3e n e r g ys a v i n gc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ed e s i g n 1 4 2 3 1e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m 1 4 2 3 1 1e m b e d d e ds y s t e mo v e r v i e w 1 4 2 3 1 1e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mf e a t u r e s 1 5 2 3 2e n e r g ym a n a g e m e n ts e r v e rs o f t w a r ed e s i g n 1 7 2 3 2 1d e s i g no fe n e r g ym a n a g e m e n ts e r v e rt a s k 1 7 2 3 2 2t a s ks c h e d u l i n gp r o c e s s 1 9 2 3 3t e r m i n a ld e v i c ec o n t r o l l e rs o f t w a r ed e s i g n 2 0 v 山东大学硕士学位论文 2 3 3 1d e s i g no f t e r m i n a ld e v i c ec o n t r o l l e rt a s k 2 0 2 3 3 2t a s ks c h e d u l i n gp r o c e s s 。21 2 4s u m m a r y 2 2 c h a p t e r3d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ff l e x i b l eh a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do n 】p i cm i c r o c o n t r o l l e r 2 5 3 1m p l a bs o f t w a r ed e v e l o p m e n tp r o c e s s 2 6 3 1 1m p l a b c o m p i l e r 。2 6 3 1 2 m p l a ba s s e m b l e r 2 7 3 1 3 m p l a bl i n k e r 2 7 ：；1 4 m p l a ba r c h i v e r 2 8 3 2i m p l e m e n t a t i o no ff l e x i b l eh a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do np i c m i c r o c o n t r o l l e r 2 9 3 2 1i m p l e m e n t a t i o no f f l e x i b l eh a r d w a r ep l a t f o r m 2 9 3 2 2o t h e rf o r m so ff e x i b l eh a r d w a r ep l a t f o r m 3 4 3 2 3a p p l i c a t i o no f n e wp r o j e c td e v e l o p m e n t 。3 6 3 3f l e x i b l eh a r d w a r ep l a t f o r ma n db o o t l o a d e ra p p l i c a t i o n 3 6 3 3 1b o o t l o a d e rp r i n c i p l e 3 7 ：；：；2i m p r o v e db o o t l o a d e r 3 9 3 3 2 1h e xf i l e s 4 0 3 3 2 2i n h x 3 2f i l e sa n dp r o g r a mm e m o r yl o c a t i o nc o d e 4 1 3 3 2 3i m p r o v e m e n to fb o o t l o a d e r 4 5 ：；：；3c o m b i n a t i o na p p l i c a t i o n 4 6 ：；4s u m m a r y 4 7 c h a p t e r4 t h ea p p l i c a t i o no ff l e x i b l eh a r d w a r ep l a t f o r m 4 9 4 1p r o j e c tb a c k g r o u n d 4 9 4 2i n f o r m a t i o nc e n t e re n e r g ym o n i t o r i n gs y s t e md e s i g n 4 9 4 2 1c o n t r o l l e rh a r d w a r e 5 0 4 2 2d a t as e r v e rh a r d w a r e 51 4 2 3c o n t r o l l e rs o f t w a r ed e s i g n 5 1 4 2 4d a t as e r v e rs o f t w a r ed e s i g n 5 2 v i 山东大学硕士学位论文 一一一 4 3a p p l i c a t i o no ff l e x i b l eh a r d w a r ep l a t f o r m 5 4 4 3 1c o n t r o l l e rs o f t w a r ed e b u g g i n g 5 4 4 3 2d a t as e r v e rs o t i w a r ed e b u g g i n g 5 5 4 4a p p l i c a t i o no fi m p r o v e db o o t l o a d e r ”5 7 4 4 1a n a l y s i so ft h ec o n t r o l l e rs o t t w a r eu p g r a d e s 5 7 4 4 2c o n t r o l l e rs o f t w a r eu p g r a d e s 5 7 4 5o p e r a t i o no fe n e r g y - s a v i n gm o n i t o r i n gs y s t e m 5 9 4 5 1i n s t a l l a t i o na n do p e r a t i o no f t h es y s t e m 5 9 4 5 2r o o ma l a r mp r o c e s s i n g 6 0 4 5 3e n e r g ys a v i n ga n a l y s i s ”6 1 4 6s u m m a r y 6 2 c h a p t e r5s u m m a r ya n d f o r e c a s t ”6 3 5 1s u m m a r y 。6 3 5 2f o r e c a s t 6 4 r e f e r e n c e s 6 5 a c k n o w l e d g m e n t 6 9 p r o j e c t si n v o l v e di ng r a d u a t e dp e r i o d 7 1 山东大学硕士学位论文 摘要 在嵌入式开发中，基于p i c 微控制器设计的某些功能模块会经常重复使用， 比如说通信模块、显示模块等等。嵌入式设备硬件设计好后需要软件调试，如果 是已调试过的模块可以将之前的源码移植到新的硬件上，然后将与硬件相关的代 码重新修改后使用。但是当模块功能较复杂并且代码量较大时，需要从源码找到 和硬件资源对应的部分，如果模块较复杂并且有大量的源码显得过程比较繁琐， 也比较容易出错，会给调试带来一定的难度。 本文针对p i c 微控制器集成开发环境m p l a bi d e 使用的c 3 0 和c 1 8 编译 器，设计了对一些功能模块和算法类源码可在后续开发中简单使用的柔性硬 件平台。根据目前p i c 微控制器使用b o o t l o a d e r 对嵌入式设备进行软件升级时， 会对嵌入式设备的程序存储区的用户应用程序完全擦除再写入新的h e x 文件的 方式提出了改进。 首先，根据项目需求设计了基于p i c 微控制器的硬件电路，在此基础上调 试了电路上的以太网通信、实时时钟、外部存储、液晶显示和r s 4 8 5 功能 模块，使用基于p i c 微控制器的嵌入式实时操作系统进行了软件设计。 其次，对p i c 所使用的编译器做了较为深入的研究，使用已开发项目的 功能模块源码作为基础，运用编译器内部的一些可执行文件把源文件封装成 库文件。这些库文件在使用p i c 微控制器进行软件开发时可以直接应用，该 方式使代码量大大减小，开发能够大大简化；这样不仅做到了通用，由于多个 文件整合为一个文件使得链接更加容易，将相关的模块组合在一起，也有利于代 码的维护；由于提供的功能库函数已经事先处理为可重定位的二进制文件，所以 在软件编译整个工程时效率会大大提高。 再次，使用传统的b o o t l o a d e r 对p i c 嵌入式设备进行软件升级时，发现升级 时嵌入式设备程序存储区的用户应用程序要完全擦除后再写入整个新h e x 文件， 效率是较低下的。为此使用了一种新方法改进了b o o t l o a d e r ，既保证了可靠性又 简化了设备的升级过程。 最后，在一个新项目中使用了基于p i c 微控制器的柔性硬件平台和改进的 b o o t l o a d e r 对设备进行软件升级。在初期一些功能模块的调试中比较简洁，花费 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i ne m b e d d e dd e v e l o p m e n t ，s o m eo ft h ef u n c t i o n a lm o d u l e st h a ta r ed e s i g n e d b a s e do np i cm i c r o c o n t r o l l e ra r er e p e a t e d l yu s e df f e q u e n t l y s u c h 觞c o m m u n i c a t i o n m o d u l e ，d i s p l a ym o d u l e t h es o f t w a r en e e d st ob ed e b u g g e da f t e rt h ee m b e d d e d h a r d w a r ed e v i c e sa r ed e s i g n e d i ft h ef u n c t i o n a lm o d u l e sh a v eb e e nd e b u g g e db e f o r e ， t h ec o r r e s p o n d i n gs o u r c e sc o d ec a r lb et r a n s p l a n t e dt ot h en e wh a r d w a r ed e v i c e s t h e n ， b e f o r eu s e d ，t h ec o d ea s s o c i a t e dw i t ht h eh a r d w a r en e e d st ob er e - e d i t e d h o w e v e r ， w h e nt h ef u n c t i o no fm o d u l e si sm u c hm o r ec o m p l e xa n dt h ea m o u n to fc o d ei sm u c h l a r g e r ，t h ec o r r e s p o n d i n gp a r t so ft h eh a r d w a r er e q u i r et ob ef o u n df r o mt h es o u r c e s c o d e i na d d i t i o n ，l a r g ea m o u n to fs o u r c ec o d ew i l lm a k et h ep r o c e s sm o r et e d i o u s ，t h e p r o g r a mm o r ep r o n et oe r r o r , a n dt h ed e b u g g i n gm o r ed i f f i c u l t i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h ec 3 0a n dc18c o m p i l e r su s e di np i cm i c r o c o n t r o l l e r i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tm p l a bi d e ，af l e x i b l eh a r d w a r ep l a t f o r mi s d e s i g n e df o rs o m ef u n c t i o n a lm o d u l e sa n dc l a s so fa l g o r i t h m ss o u r c ec o d ew h i c hc a n b eu s e ds i m p l yi nt h ef o l l o w i n gd e v e l o p m e n t a c c o r d i n gt ou p d a t i n gs o f t w a r eo ft h e e m b e d d e dd e v i c e sw i t ht h eb o o t l o a d e rt h a ti su s e di np i cm i c r o c o n t r o l l e rc u r r e n t l y , a n i m p r o v e dw a y t h a tt h eu s e ra p p l i c a t i o nc o d ei nt h ep r o g r a mm e m o r yb l o c ki sc l e a n e d c o m p l e t e l yb e f o r ew r i t i n gt h en e wh e x f i l e si sp r o p o s e d f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h ep r o j e c tr e q u i r e m e n t ，b a s e do np i cm i c r o c o n t r o l l e rt h e h a r d w a r ec i r c u i ti sd e s i g n e d ，o nt h eb a s i so fw h i c ht h ee t h e m e tc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ， r e a l t i m ec l o c km o d u l e ，e x t e r n a ls t o r a g em o d u l e ，l c dd i s p l a ym o d u l ea n dr s - 4 8 5 m o d u l ea r ed e b u g g e d t h es o f t w a r ei sd e s i g n e dw i t ht h er e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m b a s e do np i cm i c r o c o n t r o l l e r s e c o n d l y , t h eu s eo fp i ec o m p i l e r si sm o r ed e e p l ys t u d i e d b a s e do nt h e s o u r c ec o d eo ff u n c t i o n a lm o d u l e s w h i c hh a v eb e e nd e v e l o p e db e f o r e ，t h es o u r c ef i l e s a r ep a c k a g e di n t ol i b r a r yf i l e sw i t hs o m ee x e c u t a b l ef i l e si n c l u d e di nt h ec o m p i l e r s t h e s el i b r a r yf i l e sc a nb eu s e dd i r e c t l yi ns o f t w a r ed e v e l o p m e n tb a s e do np i c m i c r o c o n t r o l l e r t h i sw i l lm a k et h ea m o u n to f c o d em u c hs m a l l e ra n dt h ed e v e l o p m e n t m u c hs i m p l e r b e s i d e s ，t h i sw i l ln o to n l ya c h i e v eg e n e r a l ，b e c a u s ei n t e g r a t i n gm a n y i i i 山东大学硕士学位论文 f i l e si n t oo n ew i l lm a k et h el i n ke a s i e r , b u ta l s ob eh e l p f u lt om a i n t a i nt h ec o d ew i t h a s s e m b l i n gt h er e l a t e dm o d u l e s b e c a u s et h ep r o v i d e df u n c t i o n a ll i b r a r yf u n c t i o n sh a v e a l r e a d yb e e np r o c e s s e db e f o r et ob eb i n a r yf i l e st h a tc a i lb er e l o c a t e d ，t h ee f f i c i e n c y w i l lb ei m p r o v e dg r e a t l yi ns o f t w a r ec o m p i l a t i o n t h i r d l y , w h e nu p d a t i n gs o f t w a r e o fe m b e d d e dd e v i c e sb a s e do np i c m i c r o c o n t r o l l e rb yt h et r a d i t i o n a lb o o t l o a d e rw a y , t h eu s e ra p p l i c a t i o nc o d ei nt h e p r o g r a mm e m o r yb l o c ks h o u l db ec l e a n e dc o m p l e t e l yb e f o r ew r i t i n gt h ew h o l en e w h e xf i l e ，w h i c hw i l lm a k et h ee f f i c i e n c yl o w e r s o ，u s i n gan e wm e t h o dt oi m p r o v e t h eb o o t l o a d e rw i l lb o t hg u a r a n t e et h er e l i a b i l i t ya n ds i m p l i f yt h ep r o c e s so fs o f t w a r e u p d a t i n g f i n a l l y , i nan e wp r o j e c t ，t h ef l e x i b l eh a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do np i c m i c r o c o n t r o l l e ra n dt h ei m p r o v e db o o t l o a d e ra r eb o t hu s e dt ou p d a t es o f t w a r e t h i s m a k e ss o m ef u n c t i o n a lm o d u l e ss i m p l yt o d e b u g ，a n dt a k e s l e s st i m e t h i sa l s o i m p r o v e st h ee f f i c i e n c yi nu p d a t i n gs o r w a r e ，a n dm a k e st h es y s t e mm o r es t e a d ya f t e r u p d a t i n g t h i sp r o v e st h a tu s i n gt h ef l e x i b l eh a r d w a r ep l a t f o r mi n t h en e wd e v e l o p m e n t c a ns h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l ew i t h o u ti n f l u e n c i n gt h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m ，a n d t h ei m p r o v e db o o t l o a d e ri sf e a s i b l e ，e f f i c i e n ta n dr e l i a b l e k e yw o r d s ：f l e x i b l e h a r d w a r e p l a t f o r m ；p i cm i c r o c o n t r o l l e r ；c o m p i l e r ； b o o t l o a d e r i v 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 单片机也被称为微控制器( m i e r o e o n t r o l l e r ) ，是因为它最早被用在工业控 制领域。它具有一个完整计算机所需要的大部分部件【1 】：c p u 、内存、程序存 储器。同时集成诸如通讯接口、定时器等等一些功能模块。 单片机的应用随处可见【2 】，上到航空航天装置，下到家用电器的控制 面板。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医疗器械、航空航天、 专用设备的智能化管理及工业控制等领域。由于单片机具有体积小、功 耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于 仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、 湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物 理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化， 且功能比起采用电子或数字电路控制的仪器仪表更加强大。例如精密的 测量设备( 功率计，示波器，各种分析仪) 。现在的通信设备基本上都使 用了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通 信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集 群移动通信，无线电对讲机等。此外，单片机在工商，金融，科研、教 育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途【3 】。 正是由于单片机在太多领域应用，使得嵌入式开发成为一个热门行 业，很多学生在学校就开始了单片机开发的工作。单片机开发时大体上 会有如下几个阶段一j ： 1 根据需求确定要开发嵌入式设备的功能，进行成本和可行性分析。 2 总体设计。根据体积大小和功耗要求，考虑到现场环境因素选用合适 的微控制器。 3 硬件设计。根据要实现的功能选择合适的外围硬件，比如显示设备是 用数码管还是l c d 显示，程序存储器和数据存储器是否需要外扩，使 用什么样的通信方式( r s 4 8 5 、r s 2 3 2 c 、以太网) ，使用a d 采样等 等。当硬件器件选型结束后绘制出p c b 板。 4 软件设计。在焊接好电子元器件后需要对外围模块调试，软件整体规 山东大学硕士学位论文 划，进行资源分配和结构设计，使用操作系统要合理的划分任务。仿 真调试外围功能模块，设计算法。 5 系统调试。在调试好外围模块和设计好的算法后，把它们整合在一起 调试，修改软硬件的错误，直到稳定。 m i c r o c h i pt e c h n o l o g yi n c ( 美国微芯科技公司) 是全球领先的单片机和模 拟半导体供应商，为全球数以千计的多样化应用提供低风险的产品开发、更低 的系统总成本以及更快的产品上市时间。公司提供出色的技术支持、可靠的产 品和卓越的质量。m i c r o e h i p 的8 位和1 6 位p i c 单片机系列采用功能强大的 r s c t 5 】内核，具有高性能、低成本和封装体积小等特点，是业界性价比最佳的 产品之一【6 】。正是这些优点使得p i c 单片机在嵌入式开发中应用相当广泛。 在使用p i c 微控制器进行硬设计时，有些模块一旦在一次开发中能够比较 稳定实现其功能后，在其以后的开发中如果用到类似的模块，可以使用已调试 成功的电路。在以上介绍的单片机开发流程软件设计中，如果类似的模块之前 已经调试过，软件模块调试时基本思路是把以前调试过的稳定源码移植过来， 如果模块功能较复杂并且代码量较大，这样会比重新编写代码再调试节约时 间，但是还是需要从源码找到和硬件资源对应的部分，这个过程比较繁琐，容 易出错，效率也比较低下，会给调试带来一定的难度。 一些运行稳定算法、嵌入式实时操作系统等在使用时只需了解它们函数的 使用方法，当源码量较大时嵌入式实时操作系统就会有很多的源文件。当较多 的源文件添加到开发环境中时不利于系统的维护，在开发上也显得较为繁琐， 为此本文会基于p i c 微控制器设计一种可简单利用前期开发的软件和方便系 统维护的柔性硬件平台。 1 2 课题的研究方向 课题的研究目的是前期使用p i c 微控制器开发的一些功能模块( 外围硬 件驱动、算法等) 能够方便的应用到新开发的嵌入式设备中，以节省新项目的 开发周期。本课题要在设计的p i c 硬件平台上把一些常用的模块软件封装成 库文件，制作成柔性硬件平台