（检测技术与自动化装置专业论文）高端嵌入式处理器技术在dcs中的应用.pdf

摘要 f 随着计算机技术、通信技术、微电子技术等高科技的飞速发展， j 业控制领域 也进行着一场巨大的变革。以3 2 位高端处理器为平台的实时嵌入式软硬件技术将应 用在 业控制的各个角落，可以根据处理需求在工业控制中充当不同的角色，甚至 组合在一起实现高性能的分布式控制系统，使我们的控制产品实时眭、安全性、可 维护性等方面带来了大幅度的提高。少4 。一 结合本论文课题所开展的主要工作是利用3 2 位高端嵌入式处理器及其相关技 术的优点，改造国产d c s 控制系统的主控制设备，使其具有更强大的运算能力、更 方便的网络功能、更先进的远程控制功能而核心是对d c s 主控卡进行新产品的设 计，用3 2 位高端嵌入式处理器取代原有的x a 处理器，使其能够同时兼备以上所提 的技术优点。首先，在具体的控制硬件实现中，将采用结构先进的3 2 位高端嵌入式 处理器k s 3 2 c 5 0 1 0 0 ( 三星的a r m 7 内核芯片) 作为主控制器芯片，使用中高速的 处理频率，使控制器的性能上升到一个新的层次。其次，采用业内领先的嵌入式实 时操作系统n u c l e u sp l u s 作为软件平台，并将其移植到a r m 内核芯片中。在嵌入 - _ _ _ _ _ _ _ 一 式以太网接入部分，根据目前的平台特点，提出了两种不同的软硬件方案，并通过 对源代码公开的嵌入式w e b 服务器g o a h e a d 的移植，使其能够在n u c l e u sp l u s 实 时操作系统上执行，并能实现对d c s 控制系统的远程访问和监控。在本篇论文的最 后，就嵌入式技术的本身和嵌入式w e b 服务器在工业控制应用中存在的问题做了 一定的探讨和展望。 摘嵝 a b s t r a c t w i t ht h ef a s t g r o w i n g o f c o m p u t e rt e c h n i q u e ，c o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u e a n d m i c r o e l e c t r o n i c t e c h n i q u e ，ar e v o l u t i o ni sl e di nt h ei n d u s t r i a lc o n t r 0 1 t h et e c h n o l o g yo f r e a lt i m ee m b e d d e ds y s t e m ，b a s e do nt h eh i g h e n dm c u o f3 2 b i t s ，c a np l a yd i f f e r e n tr o l e s i ni n d u s t r i a lc o n t r o ld e p e n d i n go nt h en e e d t h e r e f o r e ，t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mc a nb e m o r er e a l - t i m e ，m o r es e c u r ea n de f f e c t i v em a i n t e n a n c e t h i sp a p e rw a n t st ot a k ea l lt h ea d v a n t a g eo fe m b e d d e ds y s t e mw h i c hi sr e l a t e dt ot h e h i 曲一e n dm c u o f3 2 b i t st or e c o n s t r u c tt h em a i nc o n t r o lb o a r do fd c s t h e p u r p o s ei st o m a k et h em a i nc o n t r o lb o a r dm o r e p o w e r f u li nd a t ap r o c e s s i n g ，e a s yt oa c c e s st h en e t w o r k a n d c a nb ec o n t r o l e di nr e m o t e p l a c ev i a i n t e m e t f i r s t l y ，a r m 7 ，t h em o s tp o p u l a re m b e d d e dm c u ( k s 3 2 c 5 0 1 0 0 f r o ms a m s u n g ) i s i n t r o d u c e d i t sg r e a tc o m p u t ea b i l i t i t yc a nl e a dt h em a i nc o n t r o lb o a r dt oan e wl e v e l a s t h es a m et i m e ，ar e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ( r t o s ) n u c l e u s w h i c hr u n si nt h ea r m 7i s d e s c r i b l e di n d e t a i l s e c o n d l y , t w oa p p r o a c h e si sp r e s e n t e di n t h i s p a p e rt o l e tt h em a i n c o n t r o lb o a r dc o n l l e c tt ot h ee t h e m e t a f t e rt h a t ，f r o mt h ea p p l i c a t i o np e r s p e c tia n a l y s ea n e wm e t h o dt 0c o n t r o lt h eb o a r df r o mr e m o t ep l a c ev i ai n t e m e tw h i c hi sb a s e do nt h e e m b e d d e dw e b s e r v e r ，a n d 1w i l le x h a u s t i v e l yd e s c r i b eh o wt op o r taf r e es o u r ee m b e d d e d w e bs e r v e rw h i c hi sc a l l e d g o a h e a d t ot h en u c l e u sp l u s a tt h ee n d ，t h ek e yi s s u ea n d t h ef o r e g r o u n do f t h ee m b e d d e d t e c h n o l o g ya n dw e b s e r v e ra r ed i s c u s s e d 致谢 攻凄硕士研究尘的两年多即将过去，在我这两年的学习和工作中，有很多师长， 同学和朋友给了我许多帮助和支持，没有他们的关怀，我想我寸步难行。 酋先，我想向我的导师赵鹏程副教授表示深深的敬意。赵老师有着渊博的学 识，深刻的洞察力，忘我的工作精神。在科研和管理的百忙之中，他非常关心他的 每一个学生。非常感谢赵老师对我三年多来学习和生活的关心。从他那儿，我不仅 学到了知识，还领会到了什么是严谨踏实的作风和敬业精神，什么是谦虚谨慎的做 人态度。 同时，我还要衷心的感谢黄文君老师。在赵老师繁忙于教学和科研管理工作时， 黄老师抽出他宝贵的时间，给予我帮助与指导，并尽一切可能提供最好的设备帮助 我完成课题，同时在我的研究方向上也给予我许多指导性的意见。此外，还有冯冬 芹副教授和金建祥教授也曾经抽出他们宝贵的时间，给了我很多有益的指导。我的 师兄一汤健彬、庄建国、陈磊、刘子行在我的学习和工作中给了我很多指导和帮助。 浙大中控自动化公司的许多员工都给予我的工作很大的帮助，他们有陆卫军、施一 明、王霄侠、吴忠等等。 另外，我还要感谢我的同学一蔡有元、冯晋中、许小林、徐强、张晓钢、叶丰 乔等，从他们那里，我学到了很多东西。 最后，深深感谢我的家人以及一切给予我帮助的人，谢谢。 作者 2 0 0 3 年3 月于求是园 1 1 嵌入式系统概述 第一章概论 以往我们按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模、适用领域，将其分为 大型计算机、中型机、小型机和微计算机，这种分类沿袭了约4 0 年。近1 0 年来随 着计算机技术的迅速发展，实际情况产生了根本性的变化，例如7 0 年代术定义的微 计算机演变出来的个人计算机( p c ) ，如今已经占据了全球计算机工业的9 0 市场， 其处理速度也超过了当年大、中型计算机的定义。随着计算机技术和产品对其它行 业的广泛渗透，以应用为中心的分类方法变得更为切合实际，也就是按计算机的嵌 入式应用和非嵌入式应用将其分为嵌入式计算机和通用计算机。 通用计算机具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件，以类同面目出 现并应用在社会的各个方面，其典型产品为p c ：而嵌入式计算机则是以嵌入式系统 的形式隐藏在各种装置、产品和系统中。 1 1 1 嵌入式系统定义 嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适 应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。【l 】 广义地说，一个嵌入式系统是一个有特定功能或用途的计算机硬软件的集合体。 因此，嵌入式系统可分为硬件部分与软件部分，而相应的嵌入式技术也可分为嵌入 式硬件技术与软件技术两部分。嵌入式系统发展的最高形式片上系统( s o c ) 将 是这些技术的集大成者。狭义的嵌入式系统仅指装入另一设备并控制该设备的专用 计算机系统，包括目标机与宿主机两部分，其中的目标机是一种功能单一、处于从 属地位的计算机系统。 嵌入式系统的最大特点是其所具有的目的性或针对性，即每一套嵌入式系统的 丌发设计都有其特殊的应用场合与特定功能，这也是嵌入式系统与通用的计算机系 统最主要的区别。嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和 胁【色 ! l f 小j “【引i ，j 步逍“，此嵌入系统，“t 1 叫进入t j 场，h 仃较k 的7 l i 命川 c f j 。嵌 入式系统c iz 的软什，般都围化稿从l 盘仔储器中，而不是以磁盛为载体，l 叮以随意 更换，所以嵌入式系统的应用软件q 二命周期也和嵌入式产品样长。另外，子个行 、止的应用系统和，。品，和通用计算机软件不同，很少发生突然性的跳跃，嵌入式系 统c n 软件也因此更强调可继承性和技术衔接性，发展比较稳定。另外，嵌入式技 术与实时性有着人然的联系，由于嵌入式系统是为特定的目的而设计的，且常常受 到空帕j 、成本、存储、带宽等条件的限制，因此，它必须最大限度地在硬件上和软 件上“量身定做”，以提高效率，这样的结果最终增强了实时性。 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的外 部设备中就包含了s + l o 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显 示器、m o d e m 、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、u s b 集线器等均是由嵌 入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航 空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。 i i 2 高端嵌入式硬件技术 单片机( 微控制器) 曾是构成嵌入式硬件平台的主要器件之一，但嵌入式硬件技 术的发展已使其不仅限于以往的单片机、单板机或p l c ( 可编程逻辑控制) 的范畴， 而且还广泛地使用了各种新型器件。 1 ) 嵌入式处理器 据不完全统计、目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 种，流行的 体系结构有3 0 多个系列。其中8 0 5 1 体系占多半，生产这种单片机的半导体厂家有 2 0 多个，共3 5 0 多种衍生产品、仅p h i l i p s 就有近1 0 0 种。现在几乎每个半导体制 造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理 器的寻址空问一般从6 4 k b 到1 6 m b 、处理速度为i - - 2 0 0 0 m i p s 。 通常，嵌入式处理器可以根掘功能和应用领域的不同分成下面几类： a ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s i n gu n i t ：e m p u l 嵌入式微处理器是“增强型”的通用微处理器。由于嵌入式系统通常应用于比 较恶劣的环境中，因而嵌入式微处理器在工作温度、电磁兼容f l ：以及可靠性方面的 要求较通用的标准微处理器高。但是，嵌入式微处理器在功能方砷f 与标准的微处理 黔丛本j ：足十f 的。根据实际嵌入式心 j 要求，将嵌入式微处娌器装配盔争门设计 的主扳l 。j i 保留和嵌入式应用有关的 ：板功能。这样可以人幅度减小系统的体积 和功耗。和：i 业控制计算机相比嵌入式微处理器组成的系统具汀体积小、重量轻、 成本低、可靠性高的优点，但在其电路板上必须包括r o m 、r a m 、总线接口、各 种外设等器件、从而降低了系统的可靠性、技术保密性也较差。由嵌入式微处理器 及其存储器、总线、外设等安装在一块电路主板上构成一个通常所说的单板机系统。 b ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o i l e ru n i t ：m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，它将整个计算机系统集成到一块芯片中，微控制 器的片上外设资源一睃比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。嵌入式微控制 器一般以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应用，在芯片内部集成了r o m e p r o m 、e e p r o m 、r a m 、f l a s hr a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、看 门狗、i 0 串行口、脉宽调制输出、a d 、d a 等各种必要功能部件和外设。为 适应不同的应用需求，一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理 器内核都相同，不同的是存储器、外设及功能的设置。这样可以使单片机最大限度 地和应用需求相匹配，从而减少整个系统的功耗和成本。和嵌入式微处理器相比， 微控制器的单片化使应用系统的体积大大减小，从而使功耗和成本大幅度下降，可 靠性提高。由于嵌入式微控制器目前在产品的品种和数量上是所有种类嵌入式处理 器中最多的，而且上述诸多优点决定了微控制器是嵌入式系统应用的主流。通常， 嵌入式微控制器可分为通用和半通用两类，比较有代表性的通用系列包括8 0 5 1 、 p 5 i x a 。m c s 一2 5 1 、m c s - - 9 6 1 9 6 2 9 6 、c 1 6 6 1 6 7 、6 8 3 0 0 等。而比较有代表 性的半通用系列如支持u s b 接口的m c u 8 x c 9 3 0 9 3 1 ，支持1 2 c 、c a n 总线、l c d 等众多专用m c u 和兼容系列。目前m c u 约占嵌入式系统市场份额的7 0 。 c ) 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 i n g ：e d s p l 在数字信号处理应用中，各种数字信号处理算法相当复杂，这些算法的复杂度 可能是o ( n ) 的、甚至是n p 的，一般结构的处理器无法实时的完成这些运算。由于 d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于实时地进行数字信号处 理。在数字滤波、f f t 、谱分析等方面，d s p 处理器f 大量进入嵌入式领域、d s p 应用 f 从在通用单片机中以普通指令实现d s p 功能，过渡到采用嵌入式d s p 处理 器。 茯入式d s p 处理器有鼹类：( 1 ) d s p 处理器经过单片化改造、增加片上外设成 为嵌入式d s p 处理器，t i 的t m s 3 2 d c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 等属于此范畴：( 2 ) 在通用单片 舭沦 h l ! 忆s o c 【 - 增加d s p 功处理器，例n 【ja r m 9 e 系列lj 1n 0 处理器和i n n n e o n ( s i e r n c i ) s ) n ：j ir i c o r e 。另外，粗：有关智能方嘶的应川【= i 也蔫i 要嵌入式d s p 处理器，仰j 如挥 种，i i ；白智能逻辑的消赞类产品、生物信息谚l 别终端、带f j 加解密算法的键箍、a d s l 接入、实时语音解压系统、虚拟现实显示等。这类智能化算法一般都是运算量较人， 特 j i j 是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些f 是d s p 处理器的优势所在。嵌入 式d s p 处理器比较有代表性的产品是t l 的t m s 3 2 0 系列和m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 d 系列。另外，p h i l i p s 公司最近也推出了基于可重置嵌入式d s p 结构，采用低成本、 低功耗技术制造的r e a ld s p 处理器，其特点是具备双h a r v a r d 结构和双乘累加 单元。 d ) 嵌入式片上系统( s y s t e m o n c h i p ：s o c ) 随着v l s i 设计的普及化以及半导体工艺的迅速发展，可以在一块硅片上实现 一个更为复杂的系统，这就产生了s o c 技术。各种通用处理器内核将作为s o c 设 计公司的标准库并和其他许多嵌入式系统外设一样，成为v l s i 设计中一种标准的 器件，通过标准的v h d l 、v e r i l o g 等硬件语言来描述。用户只需定义出其整个应用 系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品，这样除某些无法集成 的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去。应用系统电 路板将变得很简单，对于减小整个应用系统体积和功耗、提高可靠性非常有利。s o c 可分为通用和专用两类，通用s o c 如s i e m e n s 的t r i c o r e 、m o t o r o l a 的m c o r e 以及 某些a r m 系列器件；专用s o c 一般专用于某个或某类系统中，如p h i l i p s 的x a 。 2 ) 存储器与外围设备 传统的r a m 存储器有s r a m 、d r a m ，r o m 存储器有掩膜r o m 、p r o m 、 e p r o m ，而新兴的混合型存储器( 如e e p r o m 、f l a s h 、n v r a m 等) 更符合嵌入 式系统的要求。其中采用代码驻留或就地运行技术，用大块的f l a s h 来代替磁盘 驱动器构成所谓的“电子盘”或“固态盘”，在工业过程实时控制中有着很好的应用 前景。 嵌入式系统的外围设备根掘具体的设计要求而定，一般有微型打印机、不同用 途的串行通信口、微型键盘、微型显示器等等。现在的嵌入式系统在构成、调试、 运行等诸多方面对灵活性要求较高，例如嵌入式软件不汉要求可以在本地加载运行， 也要求能够从网络下载运行，因此在不过多地增力l j 设计负担的同时，适当地采有硬 件冗余是较明智的选择。 3 l 行发测试 嵌入式系统的，r 发与调试总是与艘r 1 ：密切联系的，这点与商业用的软件丌发 不_ 人相同。在j 实际应 h 中，人们常常只j 在线仿真器o n c i r c u i t e m u t a t o r l j j t a g 、示 波器、逻辑分析仪、r o m 仿真器、设备编程器、模拟器( s i m u l a t m 束丌发或调试硬 件。 1 1 3 嵌入式软件技术 1 1 3 1 嵌入式系统软件特征 嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式处理器系统 软件的要求也和通用计算机有所不同。 1 ) 软件要求固态化存储 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件般都固化在存储器芯 片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 2 ) 软件代码高质量、高可靠性 尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加，但 在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，为此要求程序编写和编译工具的质量要 高，以减少程序代码长度，提高执行速度。 3 ) 系统软件( o s ) 的高实时性是基本要求 在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是 保证每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效率 的这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成，因此系统软件的高实时性是 基本要求。 1 1 3 2 嵌入式系统软件构件 1 ) 嵌入式实时操作系统( r t o s ) 通用计算机具有完善的操作系统和应刷程序接口( p i ) ，是计算机基本组成不可 分离的一部分，应用程序的开发以及完成后的软件都在0 s 平台上面运行，但般不 足实时的。嵌入式系统则不同，应用程序可以设有操作系统直接在芯片上运行：框i 址为了合理地州度多经务，合理的利j t j 系统1 麓源、系统函数以及和号家库函数接引， j h 户必须自行选配r ，1 0 s 儿发i f 台，这样4 隧保证程序执行的实i i l j 性、可靠性，并减 少丌发时间，保障软件质量。 所以嵌入式的r t o s 是整个嵌入式系统的核心。r t o s 从应用形式上可分为集成 式多任务r t o s 、网络型r t o s 与嵌入式rr o s 。而就嵌入式0 s 而毒，它可大致分为嵌 入式o s 与实时嵌入式o s ：前者如微软的w i n d o w sc e 、s u n 公司的j a v ao s 、朗讯公 司的l n f e m o 和嵌入式l i n u x 、中科院的e a s ye m b e d d e do s 等，后者如w i n d r v e r 公 司的v x w o r k s t o n a d o ，a t i 公司的n u c e u sp l u s 等。尽管这些嵌入式r t o s 形式 多样，但一般都具有以下特点： 可裁剪的微内核结构，高效的多任务优先级管理，微秒级的中断处理，更 加有利于工业控制效率的提高； 支持多处理器并行处理及任务间通信； 共享内存，有利于实时数据库的实现； 灵活的引导方式( 支持从r o m f l a s h 本地盘网络引导) ，引导操作系统 事件更短，甚至可以一上电在秒级的时间内就跳转至用户程序处； 支持多种信号灯( 二进制互斥的、计数的、有优先级的) 等等。 2 ) 嵌入式实时数据库 实时数据库( r t d b ) 的主要目标是通过对运行时间的估计及优化的任务调度策 略，尽可能减少事务处理超过时限情况的发生。多用于金融、电信、网管、国防等 领域。在工业领域常用的实时数据库有：p c a p 、g p d m s 等。基于此目的的分布式实 时数据库通常采用c 1 l e n t s e r v e r 方式，具有多线程，支持多个客户端的请求。而 这罩所说的嵌入式实时数据库与前者并不完全相同，它具有以下特点： a ) 嵌入式：要求代码更小，速度更快，可靠性更高且可以与各种嵌入式0 s 无缝连接。 b ) 实时性：要求数据更新速度快，存取数据速度快且安全可靠，数据库的数 据最好位于共享内存中，并可以实时刷新。为更好地满足实时性还要求一 定的智能性，即能根据用户要求灵活设置检索优先级，并采用双缓冲的方 式进步提高效率。 0 分布式：具有分层分布式的网架结构，数据可以快速地双向映射交换，具 有较强的网络、通信能力。 ：j ) 丌发渊试软件 包括编泽器、调试器、集成丌发坏境( i d e ) 、模拟模型工具等。较为成熟的 沃入 式o s 一般都支持广泛的丌发和运行平台，同时对每种微处理器都提供相应的编译 器、连接器、调试器和加载工具以及性能测试工具等一系列工具链，从而形成从，j ： 发、调试到运行的一体化支持。就丌发语言而言，目前大多数嵌入式o s 都要求支持 通用的c 语言编译器、连接器等开发调试工具以方便用户的丌发调试，而对自由软 件以及j a v a 语言的支持也是一大热点。 1 2 嵌入式技术在工业控制系统中的应用 工业市场是一个隐藏的市场，通常它采用自己的技术来开发广阔的市场，但是 工业市场又是十分适合计算机技术在其中发展。许多工业设计工作是在市售板和标 准总线上建立模块的方法制作。这些标准总线的范围从流行的p c 1 0 4 到主流的 v m e 总线。 控制系统对嵌入式系统有特殊要求，控制系统是一个复杂的、互联大系统，不 同的应用场所需求各异。基于嵌入式系统特有的优点，其在控制系统中的应用主要 用于它的底层，来实现数据采集、监视控制与仪表计量等功能 而对控制系统的上 层应用，由于对数据处理与存储能力、人机交互( m m i ) 、网络通信等方面要求甚高， 一段都是由p c 系统或由局域网( l a n ) 的形式实现。总体来说，嵌入式系统在控制系 统中的应用有以下几方面的要求更为迫切： 1 ) 实时性更强【2 1 以电力系统的稳定观测与控制为例，实时性是其首先要解决的问题。这是因为 控制系统的安全稳定性通常在事故后的几十到几百ms 内就有可能受到严重威胁， 并且过迟的稳定控制措施不仅起不到预期的作用，造成经济上的损失，甚至可能引 起其它的安全事故。这里的实时性不仅指获得数据的实时性，而且还包括数据处理、 分析、决策的实时性。因此，这对嵌入式系统的硬件与软件都是一个较为苛刻的要 求。 2 ) 可靠性更高 嵌入式控制系统是嵌入在过程控制、仪器仪表中的智能控制系统。嵌入式控制 系统的应用环境差别很大，这就要求它必须具有较强的抗干扰能力，能够在各种恶 7 圬的环境卜”f 话地进行监测、控：叭i 吓及数掂通化，所以硬件+ j 软件的可带竹也 。啦成为人们极为关注的问题。通常，人们不仅希望嵌入系统能按照预先没计女“向 流程i i 常工作，而且也对嵌入式系统的抗干扰能力与智能性提出了一定的要求，例 如，加入w a t c h d o g 自恢复功能，采用容错设计与数据辨识校验等。但目前大多数 茨 入式系统硬软件都是个人或小型公剥丌发，其应用于工业场合时的可靠性未经严格 的电磁兼容性测试，因此，这些嵌入式软件平台在应用于关键场合时能否经受强电 磁干扰等考验还是个未知数。 3 ) 可扩展性更好 目前大多数嵌入式系统的丌发语言都采用c c + + ( 也包括少量的汇编语言) ，因 此灵活性好，可移植性强，拥有较多的使用者。另外尽量采用模块化设计与工业组 态软件，这不仅可以方便生产调试的厂家，而且可以解放用户。当一个模块出现问 题时，只需要换一块新的即可；当需要增减某项功能时，只需要增减相应的模 块即可。 4 ) 网络通信能力更强 一般来说，嵌入式系统所具备的网络通信能力相对于p c 系统较弱，这是制约 嵌入式系统在控制系统上层应用的主要因素之一。控制系统在地理上具有集中和分 散的不同特征，例如一条长距离的控制总线可能跨越几个地区，因此地区与地区之 间的通信与联络( 横向) 就显得十分重要。加之控制系统各级调度之间( 纵向) 协 调，因此，控制系统的通信能力在很大程度上制约着联网的规模与控制方式。图1 1 所示的就是控制系统的典型通信结构。 图1 1控制系统通信结构 从图中可以看出，处于控制终端的嵌入式系统应该具有与上一级工作站进行实 时通信的能力。随着新技术的涌现，这种通信方式也发生了巨大的变化，硬件上先 后出现了r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 工业局域网以及各种现场总线技术；软件上由专用通信 规约逐渐向t c p f l p 规约靠近。因此，嵌入式技术应提供对各种网络通信标准的支 持，提高与各种网络技术的融合性，特别注意对一些高速可靠的通信硬软件接口的 支持。 5 1 人机界面( m m i ) 更丰富。 这一点是嵌入式系统发展的矛盾之。因为m m i 功能的增强必然要求使用类 似p c 机中的图形加速器、较大的内存、较快的c p u 等，而这些设备的使用会对整 个嵌入式系统结构的紧凑性、效率、实时性等各方面造成不利的影响。这时，就应 该综合比较一下采用嵌入式系统与采用工业p c 系统后的技术、经济性能，如图1 2 所示，当超过图中的p 点后，采用嵌入式系统就不再是一个合理的选择。 黟论 成本 ( 软硬件开销、开发费用) 图i 2嵌入式系统与工业p c 系统的成本一性能曲线 总之，嵌入式系统在控制系统中多用于底层的数据采集与控制，这一部分是实 现控制系统正常安全稳定运行的基础，意义重大。此外，在基于p c 硬件平台上丌 发嵌入式系统，以提高通用性、降低成本和缩短开发周期，这也是些人所追求的 目标。尽管当前嵌入式系统与p c 技术的区别还比较明显，但嵌入式技术与p c 技术 的相互借鉴与融合的趋势不容忽视，其结果也将导致两者差别的缩小与淡化。 嵌入式系统通常可以应用于以下控制系统中来： 用于机器人技术，更为精确的高档工业电动机控制 多电机系统 智能自动化 安静节自装置 可靠不间断电源和模式切换电源 汽车子系统，如混合式电车驱动器 高密度硬盘驱动器及其它的海量存储器形式 自动驾驶等 1 3 本论文课题的任务及论文结构 目前国内的控制系统底层还停留在8 位及1 6 位单片机的水平，处理速度满足t 1 ： 丁返“人量应川程r f j l l 叻、议栈的婴求：刚时，岜1 r j o ：, j t t j 扩仃储字州也满足小了lf x 增氏的陧序和数掘空间的需求；编程方面逊停留在江编以及纯c 语言的水1 卜【，“ 控制程序的实时性、可维护性等方面都给) 1 ：发和实际的生产运行带柬了l 、便。反观 我们这些需求，证是实时嵌入式软硬件能够凸现其优势的领域，而对于嵌入式实时 多任务操作系统，工业控制也是它的传统应用领域。随着家电信息化的趋势兀益明 显，对嵌入式操作系统提出了许多新的要求，熟悉和友好的用户界面、强大的通讯 功能以变得只益重要，这一切使得工业控制计算机受益匪浅。在价格上，由于大量 的民用产品的介入，嵌入式操作系统的价格已经接近普通的商用软件；在性能上， 工业控制的操作系统包括实时多任务处理内核、图形窗口系统、文件管理系统、网 络通信系统、应用程序接口、设备驱动接口等部分，而以r i s c 构架的3 2 位处理器， 以高性能、高可靠性、低功耗的特点出现，可以根据的处理需求在工业控制中充当 不同的角色，甚至组合在一起实现高性能的分布式控制系统。所以，采用嵌入式3 2 位处理器和实时操作系统，能够利用其强大的芯片功能和操作系统实时的控制能力， 必将使我们国内的控制系统的性能上升到一个新的层次，给我们产品的研发、升级 与维护带来大量的方便与空间。本课题将把最先进的嵌入式软硬件技术运用到当今 的先进控制系统设备中来，并通过具体的固件的实例来进行这方面的研究和探讨。 目前控制系统的发展可以说是到达了一个日新月异的阶段，各个仪器仪表及控 制系统厂家都推出了有特色的控制系统，将综合自动化技术( c i m s ，c i p s ) 、实时控 制技术、现代通信技术、现场总线技术进行定程度的集成，已经能够融合现场总 线、d c s 、p l c 以及以太网等现有的技术，达到了管控一体化。 同时，因为以太网具有传输速度高、低耗、宜于安装和兼容性好等方面的优势， 它支持几乎所有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。近年来对以太网 在工业应用中的研究，使得产生了一种新型以太网一工业以太网。目前工作集中在： 工业太网协议中实时功能研究，以太网的可靠性研究，基于工业以太网的现场设备 丌发。 基于w e b 技术的控制系统，将w e b 网络技术以控制系统的结构形式出现，突 破了传统的控制系统设备的层次模型，实现了多种总线兼容和异构系统的综合集成， 使自动化系统实现了网络化、智能化、数字化，突破传统d c s 、p l c 等控制系统设 备的概念和功能，也实现了企业内部过程控制、设备管理的合理统一。 本课题就是利j 玛以上各个技术的优点，改造传统d c s 主控卡设备，使其具有更 呲论 强人的琏算能j 、哑厅便的网络功能、史先进的远程控制功能。m 核心赴对原有的 d c s 主控 进行实验鬯的改造，使其能够同时兼备以上所提的技术仇点，任i 体的 控制硬件的实现。p ，将采用现今广为流行的3 2 位嵌入式处理器a r m 内核芯片( 三 星的k s 3 2 c 5 0 1 0 0 ) 作为主控制器芯片，使用中高速的处理频率，使控制器的性能 上升到一个新的层次，并采用实时操作系统n u c l e u s 作为软件平台，将其移植到a r m 内核：芯片中。利用这些目前流行的嵌入式软硬件技术，使硬件平台和软件平台都更 加实时、成熟、可靠。课题中需要测试软件的实时性，稳定性，并就嵌入式技术的 本身和嵌入式技术的丌发作一定的研究和探讨。 1 ) 本课题主要任务有： a 1以a r m 7 处理器的应用为核心，将3 2 位嵌入式a r m 内核处理器运用于小系 统之中( 如图1 3 ) 。通过a r m 7 处理器来取代以前的x a 处理器，实现具体的通 讯功能和算法处理功能( 双c p u 的设计) 。使主控卡全面升级到具有3 2 位的运 算处理能力； b ) 把实时嵌入式操作系统n u c l e u s 用在主控卡中，取代以前自己编写的控制流程， 可以实现更快速的中断响应，更准确的实时控制，把精力放在完全的应用程序 上，让操作系统完成下面的任务调度和切换，并且能够适度把握实时嵌入式系 统丌发中的重点和难点： c ) 通过以太网来实现具体的远程控制，硬件上采用标准的以太网接口芯片，软件 上利用实时操作系统n u c l e u s 自带的t c p i p 协议栈来实现操作站与主控卡的通 信功能。在此基础上，将国外公开源代码的实时嵌入式w e b 服务器g o a h e a d 进行移植，使其与n u c l e u s 无缝连接，在n u c l e u s 的t c p i p 之上运行g o a h e a d 软件，并最终在主控卡上实现网页服务器( w e b s e r v e r ) 。通过操作站的网络 浏览器( i n t e m e te x p l o r e ) ，用以太网来实现与主控卡的通信，对储存在主控卡 上的网页进行访问和操作。并通过这些网页的访问来实现对主控卡的操作，如 在线配置、数据下载、维护和报警。特别是通过以太网可以实现远程维护、操 作和远程报警。不要到现场，也不要用特殊的上位机软件( p - i 以直接通过w i n d o w s 自带的网络浏览器i e 5 或者i e 6 ) ，可以做到在办公室和家罩就可以对现场访问 和了解，并进行一定的授权设置和身份验证。 图1 3 硬件小系统结构图 2 1 本课题的论文结构 围绕课题，本论文将从3 方面进行详细的阐述： a ) 3 2 位处理器及其相关的开发技术 本章将传统的基于8 1 1 6 位处理器的开发系统和基于3 2 位高端处理器的 开发系统进行了比较，详细描述了在开发3 2 位高端处理器系统中应该 注意的各种软硬件问题。 b ) 嵌入式实时操作系统 在高端处理器的应用上，嵌入式实时操作系统起了很重要的作用。是 所有应用软件的平台，是充分发挥3 2 位处理器强大功能的基础，所以 用一个章节进行描述。 c ) 嵌入式i n t e m e t 接入和嵌入式w e bj 日务器 在以3 2 位处理器为平台的d c s 硬件体系结构完成之后，从以太网接入 方面做出探索，提出了两种不同模式的网络接入软硬件方式，并在此 基i l t l i ，将一个公丌源代码的w e b j 务器进行改造和移植，使嵌入式 w e b 服务器用于d c s 主控卡中。 第二章高端嵌入式处理器及开发技术 2 1高端嵌入式处理器的开发 在我国现阶段，以5 1 系列为代表的8 1 6 位处理器在信号采集、系统监控等低 端领域得到广泛的应用。随着对高处理能力、实时多任务、网络通信和超低功耗需 求的增长，传统8 位机的各种能力已远远满足不了新产品的要求，商端嵌入式处理 器已经进入了国内开发人员的视野，并在国内得到了普遍的重视和应用。像a r m 、 p o w e r p c 、m i p s 、c o l d f i r e 等3 2 位嵌入式处理器在p d a 、g p s 、消费电子、s t b 和工业仪器仪表等应用领域显示出其强大的潜力。目前、a r m 系列3 2 位处理器在 低功耗移动通信设备方面占有绝对优势，以p o w e rp c 为核心的单片机则用在非便 携的通信设备上。m o t o r o l a 传统的m 6 8 3 xx 系列以及r i s c 级cpuc o l d f i r e 主要 用在工控和汽个电子方面，n e c 、i h t a c h i 、e p s o n 也有各自的3 2 位处理器产品。 值得注意的是，系统芯片( s o c ) 技术使应用系统的开发越来越倾向于以3 2 位c p u 为核心、设计一个专用芯片来实现片上集成系统。 3 2 位高端嵌入式微处理器一般具备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间减少到最低限度； 2 具有功能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模 块化，为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用。需要设计强大的 存储区保护功能，同时也利于软件诊断： 3 可扩展的处理器结构，能迅速地扩展满足应用的高性能的嵌入式微处理 器； 4 嵌入式微处理器的功耗必须很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计 算和通信设备，靠电池供电的嵌入式系统更是如此，功耗只能为m w 甚至p w 级。 3 2 位机由于其设计相对复杂、系统成本较高，因而主要应用于网络路由交换、 。字。上p d a 等c f ， 档的设备中。眦随嚣信i 息技术和f u f 技术的小惭发腱，3 2f t 机系统将逐渐成为嵌入式系统设计的卜流。l q 时，这种片上系统( s y s t e m0 1 1 c h i p ) 、 深度嵌入、软件复杂的发展趋势也给传统的调试工具带来了撇火的挑战，给嵌入式 处理器丌发一【：程师的 作带来了不便。在此，就我们在丌发中遇到的堆t i 进行总结， 列出了传统的低端处理器和高端处理器的丌发和调试的不同。图2 1 为两种不同系 统的配置比较。 比较项目8 1 6 位系统3 2 位系统 r o m ，b一般为几k 几十k一般为几m 几十m 硬件特性 r a m b一般为几k 一几十k一般为几m 几十m 软件代码量b一般为几k 几十k一般为几m 几十m 操作系统无需操作系统一般需要操作系统 软件运行一般在r o m 中一般在r a m 中 系统m i p s几一几十几十几百 开发流程及系统复杂性简单复杂 开发工作量人月几个几十个 多用予大系统前台用于更加复杂的设 的监控、小型的测备，比如图像语音的 系统应用范围 试仪表以及小数据信号分析处理设备、 量的处理设备等信息网络交换设备等 图2 18 1 1 6 位系统与3 2 位系统配置比较口 2 1 1 低端8 1 6 位嵌入式处理器开发系统 1 ) 硬件结构 传统低端处理器类型系统主频最高可达2 0 m h z ，可扩展6 4 k b 的外部r o m 和 r a m 。u a r t 通信口波特率最高可达1 1 5 2 0 0 b p s 。a d 采样一般为8 或1 6 位，采 样速度要求不高。键盘一般为从i 0 口扩展的4 x 4 8 x 8 按键，支持的按键数目 有限。扩展的l c d 显示接口一般为静态的液晶显示模块，并且显示的点阵有限，常 见的不超过1 6 x1 2 8 点阵。硬件p c b 板一般为双层板。 ( 2 ) 软件结构及流程 低端处理器系统的软件代码般为几k b 一十几k b ，常用汇编语言或c 语言来 实现。软件主体是个大的循环，用来处理所有信息，譬如浇一个采集系统的流程 图如图2 2 。浚系统软件首先初始化基本的系统接口，然后进入一个循环处理程序。 循环处理程停中应包含下列模块：从a d 口采集数掘、检测并处理键盘按键、处 堕1 ：壁型型! 堕一生 理通信f j 数据、业新5 示内容。再模块依照排列的顺睁循玮运行。这f ￥就会f i 伟 个问题：如果其中任一模块在运行过程中被阻塞，就会影响其它模块的运行。比如 通信口数据传输时，若系统被阻塞在等待接收远程的数槲过程中，则l c d 的显示| j 容将不会被更新，不会得到新的a d 采样数据，键盘操作也不能被及时处理。洲 而，该类型系统如果在处理的模块比较多时，系统软件设计就需要较高的技巧，并 且可靠性很难得到保障。 几磊葫 甲 谴取采基刊的敦掘 二= e 显幂采囊的稚拱 二二亡 进行辊应摊t 娃魂 二= e 过伪赣姑收鬣 图2 28 位机采样系统软件流程图 ( 3 ) 软件运行时序图 图2 3 说明了系统运行时各处理模块的调度情况。各模块均被按特定顺序依次被 循环地运行。 缸据采集 童据采集 囊墨墨_ i l 系警i显i 示处理 蔓示处理 皇 幽 i按键处理按键处理 ! 曹鼍置奠 ! i !通信处理疆信处理 ：i_ 4 1 系统丌发流程 循环周期1 镛环罔期2 时间 图2 38 位机系统软件时序图 8 他采样系统厅发流榭如图2 4 所示。卜i 亥类型系统r 作量比较小，丌发j - q 驯 l ：i ，并甘可参考的资料 富，。般设汁人员为1 2 人。系统的丌发过程是从艘p ：剑 软件顺序的设计。软件的设汁与硬件的调试一般同时进行即可。 图2 48 位机系统开发流程图 2 1 23 2 位高端嵌入式处理器开发系统 1 )硬件结构 典型3 2 位高端处理器系统主频一般为几十至几百m h z ，通常需扩展几至十 几兆字节外部r o m 和r a m 。外部r o m 和r a m 的扩展一般都需要数据及地址总线的 驱动。网络接