（模式识别与智能系统专业论文）智能化摊铺机超声波自动找平控制系统的研制.pdf

摘要 摘要 本文主要论述了智能化摊铺机超声波自动找平控制系统的设计及实现。此系 统分为两大模块：超声测距网络模块和中央控制盒模块。在摊铺机两侧牵引大臂 上分别安装4 组超声测距装置。摊铺作业时，每组超声测距装置连续测量探头和 地面之间的距离并将测量数据通过c a n 总线实时上传中央控制盒模块。中央控 制盒模块负责对超声测距模块上传的测量值进行分析运算，并结合其他车载输入 信号计算出输出给执行机构的控制信号从两控制执行机构的找平动作。中央控制 盒模块还负责提供人机接口和故障检测等功能。 本文首先介绍了在系统设计过程中所用到的超声测距、嵌入式系统、m i n i g u i 图形用户界面和现场总线等相关理论，然后提出了系统的需求分析，并根据需求 分析做出了系统总体方案设计。 接着本文分超声测距模块和中央控制盒模块两大部分论述了系统的硬件设 计及实现。超声测距模块主要包括超声发送模块、回波接收放大模块、包络检出 模块、温度采集模块、c a n 驱动模块等模块。超声测距模块以片内集成了刖d 转换控制器和c a n 控制嚣的l p c 2 1 1 9 为系统核心微控制器，大大简化了系统的 外围电路设计中央控制盒模块由于要移植p c l i n u x ，所以外扩了n a n d f l a s h 、 n o r f l a s h 、p s r a m 、以太网接口、键盘电路及液晶显示电路等模块。 在硬件设计的基础上，本文接下来论述了超声测距模块和中央控制盒模块的 软件设计及实现。首先根据功能需求设计软件的总体结构，接着详细介绍各个功 能模块的实现，包括超声发送接收回波识别模块、a d 转换模块、温度采集模 块、数字滤波模块、键盘驱动程序模块、定时器驱动程序模块、p w m 驱动程序、 c a n 驱动程序和调平控制模块等。 最后，本文对系统开发环境的建立以及在调试中遇到问题及其解决方法进行 了描述。 关键词：自动找平系统嵌入式系统微控制器超声测距包络检出 c a n i t c l i n u x a b s t r a c t t h cd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fu l t r a s o n i cl e v e la d j u s t n l e n ts y s t e mi nt h ei n t e l l i g e n c e s p r e a d i n gm a c h i n eh a v eb e e nd i s c u s s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h e r ea l et w ob i gm o d u l e si nt l l j s s y s t e m o n ei st h e1 1 1 t r a s o n i cd i s t a n c em e a s m 目m e n tn e t w o r km o d u l e a n dt h eo t h e ri st h e c e n t r a l b o xm o d u l e t h e r emt w ol o n gb a l a n c e - a r mb e s i d e st h ei n t e l l i g e n c es p r e a d i n gm a c h i n e , a n dt h e 化a 地f o o ru l t r a s o n i cs e n s o r so ne a c ho ft h eh a l a n c e a r m i nw o r k i n gt i m e e v e r yo ft h e u l t r a s o n i c 船l l s o r s 址a s t i 瞄t h ed i s t a n c eb e t w t 圮nt h eg r o u n da n dt h es e n s o r a t i e rt h i s m e u r e m e n tt h e yt r a n s f e rt h er e s u l tt ot h ec e n t r a l b o xm o d u l eq u i c k l yb yc a n - b m t h ev a l u e s a r ca n a l y z e da n dc a l c u l a t e db yt h ec e n t r a l - b o xm o d u l e t h er e s u l ta n do t h e ri n p u ti n f o r m a t i o nm p u s h e d t ot h ee x e c u t i n gm a c h i n e s ot h ee x e c u t h l gm a c h i n ei sc o n t r o l l e db yt h ec e n t r a l - b o x m o d u l e 1 1 艟f a u l tc f b r m i n ga n dt h ei n t e r f a c eb e t w e e l lh u m a na n dm a c h i n ei si m p l e m e n t e db y t h ec e n t r a l - b o xm o d u l e f i r s t l y , s o r t i ec o r r e l a t i v et h e o r i e si si n t r o d u c e d , s u c ha st h eu l w a s o n i ed i s t a n c em e a s t t m m e n t , t h ee m b e d d e ds y s t e m , m i n i g u la n dt h ef i e l d b u s t h e nt h er e q u i r e m e n ta n a l y s i si sb r o u g h tu p b a s e do nt h e s ei n f o r m a t i o n , t h ed e s i g no f t h ew h o l es y s t e mi ng e n e r a li sp r e s e n t e d n e x t , t h eh , 捌w a l ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n 黜p r e s e n t e di nw h i c hj n c l o d et h eu l w a s o u l c d i s t a n c em e a s m e m e n tn e t w o r km o d u l ea n dt h ec e n t r a l - b o xm o d u l e t h eu l t r a s o n i cd i s t g l l c e m e a s u r e m e n tn e t w o r km o d u l ei sc o n s t r u c t e do fu l t r a s o n i ce m i r i n gm o d u l e u l t r a s o n i cf 嘲i v h a g m o d u l e ，w a v e - p e a kc h e c k i n gm o d u l e ，t e m p e r a t u r em m e mm o d u l ea n dc a n - d r i v i n gm o d u l e e t c b e c a u s eo f t h ep o r t i n go f i l c l i n u x , t h ec e n t r a l - b o xm o d u l em u s tb ec o n s u u c t e do f n a n d f l e s h m o d u l e ，n o r f l a s hm o d u l e , p s r a mm o d u l e ，e t h e m e tm o d u l e ，k e ym o d u l e ，d i s p l a ym o d u l e 咖 b a s e do nt h eh a r d w a r ed e s i g n , t h es o f t w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o na mp r e s e n t e di n w h i c hi n c l u d et h et h eu l t r a s o n i cd i s t a n c em e a s u r e m e n tn e t w o r km o d u l ea n dt h ec e n u u l - b o x m o d u l e t h es t r u c t u r eo fs o r w a r ei ng e n e r a li sd e s i g n o da c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t t h e n , t h ei m p l e m e m a t i o no fa l lt h em o d u l e si si n 仃o d u c e di nd e t a i lw h i c hi n c l u d en l 血r a s o l l i c r e c o g n i t i o nm o d u l e , a f t ) c o n v e r t i n gm o d u l e ，t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tm o d u l e ，w a v e - f i l t e r m o d u l e , k e y - d r i v i n gm o d u l e , t i m e r - d r i v i n gm o d u l e ，p w m - d r i v i n gm o d u l e ，c a n b u s - d f i v i n g m o d u l ea n dl e v e la d j u s t m e n tm o d u l e a tl a s t , t h ec o n s t r u c to fd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ti sp r e s e n t e d s e v e r a lm a j o rp r o b l e m s m e ti nd e b n g g r a e n ta n dh o wt os o l v et h e ml i f es t u d i e di nd e t a i lt o n a u t o - l e v e la d j u s t m e n ts y s t e me m b e d d e ds y s t e m m i c r o - c o n t r o l l e r u l t r a s o n i cd b h n r em e a s u r e m e n t w a v e p e a kc h e c k i n g c a n p c l i n u x 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名： 第一章绪论 1 1 课题研究背景【1 1 1 2 1 第一章绪论 修建高等级公路沥青路面，都必须用沥青混合料摊铺机( 下简称摊铺机) 进行沥青混合料 的摊铺作业，这不仅是因为它的摊铺速度快，更重要的是要保证路面的关键技术指标平整 度，非它莫属。目前作业在我国高等级公路工地上的摊铺机，多为进口摊铺机，其中使用最 多的是德国v o g e l e 和a b g 两家公司的产品。自称摊铺机整机技术世界领先的美国 b l a w - k n o x 公司产品，也己打入我国筑路市场。这些摊铺机性能优越、自动化程度很高， 可谓之近代摊铺机。近代摊铺机是集机，电、液技术为一体的非常复杂的机械，掌握它要涉 及到多方面的专业知识，这对非筑路机械专业人员而言并非易事。然而对它要有着一般的了 解，却又是路面施工技术人员及监理人员应必备的知识之一，否则，很难把握路面施工管理 和保证路面质量今天，随着我国经济的发展，公路等级的提高，交通量、载重量都有大幅 度提高，对摊铺机的技术水平提出了更高的要求，特别是急需开发我国自己的、性能优良的 摊铺设备，以适应快速发展的国民经济的需要。 1 2 相关技术研究现状【懈 在自动找平控制系统的发展过程中，前期的多数摊铺机采用开关控制方式，其传感器多 为液压随动器，以开、关和死区三种工作方式响应基层不平整度信号；随着电子传感技术的 发展和广泛应用，逐渐出现了电位器式角度传感器、超声波传感器和激光传感器等类型的传 感器，同时配合相应的脉冲调节方式实现了比例一脉冲控制方式。这几类传感器各有各的优 缺点，目前在国内外的摊铺机中均有应用。 电位式角度传感器线性度好，工作温度范围宽，工作寿命长。但在施工中由于传感器为 接触式测量高度，必须要用以钢丝绳搭接起来的基准线，传感器在基准线上滑动时容易引起 其在基准线上震动；超声波传感器和激光传感器均属于非接触式传感器，不需要人工为其搭 建基准。找平系统悬在路面的上方与路面非接触，免清洗，尤其适用于粘性比较大的沥青路 面。同时，它的非接触性还克服了机械移动式均衡浮动梁在接缝、摊铺机转移以及桥台铺装 等所存在的不足非接触平衡梁较短，使摊铺机具有较小的转弯半径，即使在曲率半径较小 的匝道路段也可用于对铺层纵坡的控制。激光传感器的找平控制器就其精度来说要高于超声 波找平控制器，但是其昂贵的价格也就使得它只能在高档的摊铺机中才能出现。 目前，国外自动找平控制器的生产厂家主要有德国的m o b a 、美国的 s a u e rs u n d s t r u n d 和赛摩拉姆齐、日本的t o p c o n 以及丹麦的 i f t r a d i n g 等，国内 的自动找平控制系统的研发和生产只有孙祖望路桥技术研究有限公司研制的多点超声波自 动找平控制器等为数不多的几个厂商。因此我国摊铺机自动找平控制系统的技术水平远远落 后于国外同级产品，十分不利于市场竞争。 1 3 课题研究意义 现代科学技术向传统产业部门( 农业、工业、运输业、建筑业等) 的渗透和应用是当代 新技术革命的重要特征和组成部分。机电液一体化技术的发展正是反映当代新技术革命这种 东南大学硕士学位论文 大趋势的典型代表，它集中体现了现代科学技术对传统机械产品的渗透和改造。先进的筑养 路机械集机、电、液等当代高新技术于一体，液压传动元件和技术是工程机械的主要特点， 电子控制是工程机械技术创新的主流，它在很大程度上体现和决定了车辆的整机性能( 舒适 性、经济性、作业质量、行驶性能等) 。 沥青混凝土摊铺机是进行沥青摊铺作业的主要机械设备，用来将拌制好的混合料，按照 路面的形状和厚度均匀地摊铺在已经整好的路基或路面基层上，并给以初步的捣实和整平， 形成满足一定宽度、厚度、平整度和密实度要求的路面基层或面层。机械化施工中，沥青混 凝土摊铺机是不可缺少的机种之一，广泛应用于公路、城市道路、码头、大型停车场的沥青 摊铺作业中。 沥青混凝土摊铺机是边行走边作业的施工机械，自动找平系统性能好坏是决定摊铺机所 摊铺出来的路面平整与否的关键因素。随着公路建设的迅猛发展，对路面平整度的要求也随 之不断提高。因此，对沥青混凝土摊铺机自动找平系统具有重要的现实意义。 发展智能化工程机械的目的是促进我国工程机械向机、电、液一体化方向发展，带领我 国工程机械行业跳出低水平、低价格的恶性循环，提高工程机械国际竞争力，实现可持续发 展。发展智能化工程机械的重要意义在于利用高新技术提高工程机械工业水平和国家重点项 目建设施工水平，提高我国工程机械产业的市场竞争能力和工程施工国产设备的装备水平 这个提升过程也就是以信息化带动工业化战略在工程机械领域的具体表现。它对于提高综合 国力，增强国际地位具有重要而深远的影响。 由于国内高速公路建设的迅猛发展，国内在8 0 年代末、9 0 年代初纷纷引进生产了一批 国外同类型设备，如徐工集团的v g e l e 型摊铺机，陕建集团的a b g 4 2 2 、4 2 3 摊铺机，西 安筑路机械有限公司生产的l t l 2 0 0 摊铺机以及国内其他一些厂家生产的摊铺机，但由于静 液压传动的电控技术掌握在外企手中，国内在这方面的研究才刚刚起步，这些引进生产的机 型以及自生产的机型液压系统和电控系统，目前均选自国外。采取整套完全进口的模式 随着知识经济的到来，高技术已成为各国争夺的焦点，面对国外先进智能化工程机械的 严峻冲击，国家“工程机械“十五”发展规划”中把提高9 m 宽以下沥青混凝土摊铺机技术 水平作为十五期间科技投资开发的重点产品之一。国家正是启动的8 6 3 计划项目中将智能摊 铺机作为第一重点产品进行开发和技术提升，自动找平控制系统是摊铺机控制系统中重要的 组成部分。因此，该项目的研究具有十分显著的社会效益和经济效益 1 4 本文研究内容和章节安捧 本文详细论述了一个智能化摊铺机超声波自动找平控制系统的硬件设计和软件实现。本 系统分为中央控制盒模块和超声测距模块两大部分，中央控制盒模块需要实现的功能有：维 护各个超声测距模块的实时测量数据，根据各个超声测距模块上传的数据和机载信号输入控 制调平油缸动作，为用户提供人机界面，系统故障诊断，与超声测距模块和其他机载系统通 信等。超声测距模块的主要功能就是实时测距并将测距结果实时上传中央控制盒模块。 论文各章节内容如下： 第二章主要介绍了系统设计过程中用到的相关理论，如超声测距原理、嵌入式系统、现 场总线等。 第三章主要论述了系统的工作原理、需求分析和总体方案设计。 第四章对中央控制盒模块和超声测距模块两大部分的硬件电路进行了详细论述。 第五章对中央控制盒模块和超声测距模块两大部分的软件实现进行了详细论述。 第六章主要论述了系统的开发调试过程和在此过程中遇到的问题及其解决方法。 2 第二章相关理论与技术 第二章相关理论与技术 本章主要介绍了与本系统设计相关的一些理论知识，如超声测距、嵌入式系统、m i n i g u i 和现场总线等。 2 1 超声测距 超声波技术和电子技术的发展使得超声波技术在工业领域的应用得到推广，超声波测距 传感器就是利用超声波的方向性、反射性等特性进行工作的。它的非接触性能在工程机械调 平系统的应用中有着明显的优越性，近年来得到了广泛的应用，如沥青混合科摊铺机、平地 机、铣刨机等非接触调平系统。 2 1 。l 超声测距原理 目前，超声测距所采用的基本方法有两种：飞行时间测量法、超声多普勒法。超声多普 勒法是利用多普勒效应工作的。当超声波入射到运动着的目标物体上，超声波被目标物体所 反射。根据多普勒原理，反射波的频率相对于入射波将产生正比于目标物体速度的频率偏移， 测出反射波的频率偏移，得到目标物体的运动速度。若己知目标物体的起始位置，将运动速 度对时间进行积分，就可以求出目标物体与超声换能器间的距离。超声多普勒法存在着一个 严重的缺点，若目标物体静止或其运动非常缓慢，它将无法进行距离测量。 飞行时间测量法通过确定测量发射信号与接收信号的飞行时间间隔来实现距离测量。因 此被测距离可表示为： ：一18w ( 2 1 ) = 一 ，r l 2 1j 2 j 一一待测距离： v 一一信号飞行速度； t - - - - 飞行时间： 距离测量的精度取决于飞行时间t 的测 超声 量精度飞行时问法一般可以分为三类：脉冲 回波法、相移法和线性调频法。在脉冲回波法 中，t 是脉冲由发射器发出时刻与回波返回接 收时刻之间的时问差；在相移法中，f 是由发 射器发出的连续周期信号与接受器接受到的 回波信号间的相位差换算而来的；线性调频法 则是通过发射相对时间线性调频的信号，再测 量接受到的信号与发射信号的频差来换算出 r 摊铺路面 图2 - 1 超声测距原理示意图 信号的飞行时间t 其中脉冲回波法在测量环境适应性、抗干扰能力以及测量速度等方面有 许多独特之处，而后两种方法虽然测量精度略高，但抗干扰能力差，电路复杂，成本较高。 因此，目前超声测距大都采用脉冲回波法。 摊铺机非接触调平系统中的超声波测距传感器用来测量超声探头和摊铺地面之间的垂 直距离。由于作业时摊铺机移动较为缓慢，所以不能采用超声多普勒法进行测量。考虑到技 术成熟度、抗干扰能力和成本原因，本文选用了脉冲回波法来测量超声探头和地面之间的垂 3 东南大学硕士学位论文 直距离( 如图2 - 1 所示) 。 2 1 2 回波前沿的准确判定 参考文献0 2 详细分析了超声波回波 包络线的数学模型，得出了回波包络曲线 前沿在空气介质起伏条件下可以近似看作 是一簇直线的结论。参考文献【1 3 】也提出了 类似的观点 如图2 - 2 所示，将回波包络线前沿看 成直线，如果我们测得了vn 1 和vn 2 以 及t 2 和t 3 ，根据线性关系可得： 即 图2 - 2 包络检出原理 上l ：上l f 2 一一 = 鼍等 ( 2 2 ) ( 2 3 ) t 1 即为回波的准确到达时刻。由此可见，如果我们准确的将回波前沿拟合成直线，就可以得 到回波的准确到达时刻。 2 1 3 影响超声测距精度的几个因素 从式( 2 1 ) 来看，影响待测距离s 的因素主要有两个：声时t 和声速v 。声时t 的测量 精度主要决定于硬件接收电路的延时、定时器的定时频率以及对回波前沿的准确判定。其中 硬件电路的延时和定时器的定时频率一般比较容易满足，我们可以选择高速的信号处理芯片 和高速的定时器，但是对回波前沿的准确判定是个公认的难点。本文在参照了前人研究成果 的基础上提出了一种回波包络检出和直线拟合的实现方法，达到了较好的效果。 超声波在空气中的传播速度并不是一个恒值，它是一个随温度、湿度、声压、风力等各 种因素影响的变量。其中温度对超声波在空气中的传播速度影响最大。温度和声速的关系如 式( 2 4 ) 所示： v = 3 3 1 0 5 + 0 6 0 6 7 t + 0 0 0 0 s t 2( 2 4 ) y 一一超声波传播速度( m s ) ； t - - 一当前空气温度( ) ； 由( 2 4 ) 式可知，温度每升高1 ，超声波传播速度大概就要提高约0 6 m s ，误差约为0 2 。也就是说温度每升高l ，在l m 的量程内就要产生2 m m 的误差。由于摊铺机作业现场的 温度起伏可能比较大，可见由温度带来的误差是必需考虑的，所以系统必须加温度补偿本 系统采用美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源温度传感器a d 5 9 0 采集当前环 境温度，温度测量简单快速，测温电路简单可靠，较好的满足了系统要求 4 第二章相关理论与技术 2 2 嵌入式系统 2 2 i 嵌入式系统的概念 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础、软件硬件可裁减、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。嵌入式系统泛指嵌入于宿主 设备以辅助宿主设备高质萤完成其功能为目的的小巧而廉价的计算机系统。它是专门面向用 户、面向产品、面向应用的，系统可大可小，位数可多可少，完全由能满足宿主设备的功能 要求来决定。 嵌入式系统主要包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器、存储器及外设器件和u o 端 口、图形控制器等；软件部分包括操作系统( o s ) 和应用程序。嵌入式系统硬件核心是嵌 入式微处理器，它的功能、外设集成度、速度、功耗、体积、成本、可靠性、电磁兼容性等 方面均受到应用要求的制约，是各个半导体厂商之问竞争的热点。嵌入式系统的软件是实现 嵌入式系统功能的关键，软件要求固化存储，软件代码要求高质量、高可靠性，系统软件的 高实时性大多数场合也是基本要求的。多任务嵌入式操作系统是知识集成的平台，是嵌入式 系统走向标准化道路的基础，是嵌入式系统研究的重要方向。纠 2 2 2 工业控制领域的嵌入式嘲 嵌入式系统一开始就被应用于工业领域，同工业自动化紧密结合在一起，并相互推动。 工业控制领域在控制模式、控制仪器仪表的革新上在很大程度上取决于仪器的智能化水平， 尤其是目前以现场总线为代表的仪器仪表数字化、智能化、网络化的发展趋势对嵌入式系统 提出了新的要求。 随着工业控制和仪表技术的发展，现场总线控制系统( f c s ) 得到了很大的发展，正有 逐步取代原来的集散控制系统( d c s ) 的趋势。现场总线主要解决工业现场的智能化仪器仪 表、控制器、执行机构等现场设备问的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间 的信息传递问题。它把微控制器植入现场自控设备，使设备具有数字计算和数字通信能力。 这一方面提高了信号的测量、控制和传输精度，同时为丰富控制信息的内容、实现其远程传 送创造了条件。同时现场总线也改变了原来d c s 的集中控制模式。使得控制向分散方向发 展，即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。 除了在现场总线方面的应用外，嵌入式系统在数据采集和监控系统中也有望得到很大的 发展。在工业现场，实时数据采集系统应用相当广泛，普遍用于大型机械系统的监控，如汽 轮机组、发电机组等。这类系统原先一般采用工控机加采集板卡的模式，具有节点多，布线 复杂，成本高，可靠性差的缺点。随着智能仪器仪表的发展，原先的采集板卡可以直接做成 前段数据采集器，并通过现场总线或以太网进行数据传送和控制。这样一次仪表或传感器到 数据采集器的布线就可以简化，缩短了布线距离。通过在传感器本地把模拟信号转换成数字 信号，大大提高了信号的抗干扰能力。这种采集器要进行严格的时间同步和控制，数据传送 量大，对于嵌入式系统的实时性要求严格。 本文将嵌入式的概念和方法引入到了摊铺机超声波自动调平系统中，用嵌入式的观点和 方法实现了调平系统底层的超声测距网络模块和上层的中央控制盒模块。超声测距网络模块 和中央控制盒模块通过现场总线( c a n 总线) 进行数据传递和信息交互。 5 东南大学硕士学位论文 2 2 3 常用嵌入式系统硬件介绍 2 2 3 1f h i l o p sl p c 2 1 系列a r l v l 微控制器简介 l p c 2 l o o 系列微控制器基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m t t d m i sc p u ， 并带有1 2 8 2 5 6 k 字节( k b ) 嵌入式高速f l a s h 存储器1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速 结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位 t h u m b 模式，可以将代码规模降低超过3 0 ，而性能的损失却很小。 由于l p c 2 1 0 0 系列采用非常小的6 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、4 路l o 位a d c 、p w m 输出以及多达4 个外部中断，这使它们特别适用于工业控制、医疗系统、访 问控制和电子收款机( p o s ) 等应用领域。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适 合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的应用。后续的器件 还将提供以太网、8 0 2 1 l 以及u s b 功能。 具体而言l p c 2 1 0 0 系列3 2 位a r m 微控制器具有以下特性： 1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s 核，超小l q f p 和h v q f n 封装； 1 6 3 2 6 4 k b 片内s r a m ； 1 2 8 2 5 6 k b 片内f l a s h 程序存储器； 1 2 8 位宽度接口，力玎速器可实现高达6 0m h z 工作频率： 通过片内b o o t 装载程序实现在系统编程( i s p ) f f w 在应用编程0 a p ) ； e m b e d d e di c e 可实现断点和观察点； 嵌入式跟踪宏单元( e t m ) 支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪； 1 0 位a d 转换器，转换时间低至2 4 4 i t s ； c a n 接口，带有先进的验收滤波器； 多个串行接口，包括2 个符合1 6 ( 3 5 5 0 工业标准u a r t 、高速1 2 c 接口( 4 0 0 k h z ) 和2 个s p i 接口。 2 2 3 2p h i l o l ml p l - 2 2 0 0 系列a r l v l 微控制器简介 l p c 2 2 0 0 系列和l p c 2 1 0 0 系列微控制器的最大区别就是l p c 2 2 0 0 系列具有外扩存储器 总线接口而l p c 2 1 0 0 系列没有，它们类似于8 0 5 l 和2 0 5 1 的关系。 l p c 2 2 0 0 系列芯片外部静态存储器控制器是一个a m b a a h b 总线上的从机模块，它为 a m b a a h b 系统总线和外部片外存储器器件提供了一个接口该模块可同时支持多达4 个 单独配置的存储器组，每个存储器组都支持s r a m 、r o m 、f l a s h 、e p r o m 、b u r s tr o m 存储器或一些外部i ，o 器件，每个存储器组的总线宽度可设为8 、1 6 或3 2 位。 l p c 2 2 0 0 系列芯片外扩存储器接口具有以下特性： 支持静态存储器映射器件包括r a m 、r o m 、f l a s h 、b u r s tr o m 和一些外部f o 器 件。 可对异步( n o n - c l o c k e d ) 存储器子系统进行异步页模式读操作。 可对b u r s tr o m 器件进行异步突发模式读访问 可对高达4 个存储器组( b a n k 0 b a n k 3 ) 进行单独配置，每个存储器组可包含多达 1 6 m 字节空间( 如表2 1 所示) 。 总线切换( 空闲) 周期( 1 1 6 个c c l k 周期) 可编程。 可对静态r a m 器件的读和写w a i t 状态( 高达3 2 个c c l l c 周期) 进行编程。 可编程b u r s tr o m 器件的初始和连续读w a i t 状态。 可编程写保护。 6 第二章相关理论与技术 可编程突发模式的操作 可编程外部数据总线宽度8 、1 6 或3 2 位。 可编程读字节定位使能控制。 表2 1 外部存储器组的地址范围 b a n k地址范围配置寄存器 oo x 8 0 0 00 0 0 0 - 4 ) x 8 0 f ff f f fb c f g o l o x 8 1 0 00 ( ) 0 0 o x 8 l f ff f f fb c f g l 20 x 8 2 0 0 8 2 f ff f f f b c f g 2 30 x 8 3 0 00 0 0 0 , 4 ) x 8 3 f ff f f fb c f g 3 表2 2 外部存储器控制器引脚描述 管脚名称类型管脚描述 d 【3 1 ：o 】 输入输出 外部存储器数据线 a 2 3 ：o 】 输出外部存储器地址线 o e 输出 输出使能信号，低电平有效 b l s 3 ：0 1 输出字节定位选择信号，低电平有效 w e 输出写使能信号，低电平有效 c s 3 ：o 】 输出芯片选择信号，低电平有效 l p c 2 2 0 0 系列1 4 4 脚封装的管脚地址输出线是a 2 3 ：0 ( 如表2 - 2 所示) ，其中地址位 a 2 5 ：2 4 用于4 个存储器组的译码，4 个存储器组的有效区域位于外部存储器的起始部分( 如 表2 一l 所示) 在a 0 0 1 1 l 棚的状态控制下b a n k0 可用于初始引导( 如表2 - 3 所示) 表2 - 3b o o t i ：0 g 脚配置 b o o t 1 ：0 】 执行动作 0 0 选择引导c s 0 控制的8 位存储器 0 1选择引导c s 0 控制的1 6 位存储器 1 0 选择引导c s 0 控制的1 6 位存储器 l l 选择引导内部f l a s h 存储器 l p c 2 2 0 0 系列芯片外扩存储器控制器含有4 个存储器配置寄存器，每组存储器一个，其 中有两个位段对存储器的配置尤为重要，它们是： 表2 4 存储器配置寄存器设置 b c f o 3名称功能 1 0r b l e 当存储器组由字节宽度或未按字节区分的器件组成时该位 为0 ，这时在读访问时e m c 将b l s 3 ：0 输出拉高；当存储 器组由含有字节选择输入的1 6 位和3 2 位宽器件组成时该 位为l ，这时在读访问时e m c 将b l s 3 ：0 输出拉低。 2 9 2 8m w该域控制着存储器组数据总线的宽度：0 0 = 8 位，0 l = 1 6 位，1 0 = 3 2 位，1 1 保留 2 2 3 3 嵌入式系统常用f l a s h 存储器简介 f l a s h 存储器又称闪存，是一种可在线多次擦除的非易失性存储器，即掉电后数据不会 7 东南大学硕士学位论文 丢失。f l a s h 存储器体积小、功耗低、抗震性强，是嵌入式系统的酋选存储设备。 f l a s h 存储器主要分为两种，一种为n o r 型f l a s h ，另一种为n a n d 型f l a s h ，两种类 型的f l a s h 特点如表2 - 5 所示。 表2 - 5n o r f l a s h 和n a n d f i a s h 的特点 类型 特点 n o r 型可以直接读取芯片内存储的数据，速度比较快，但价格较高。芯片内 执行( x i p ，e x e c u t ei np l a c e ) ，应用程序可以直接在f l a s h 上运行， 不必再把代码读到系统r a m 中运行。 n a n d 型内部数据以块为单位进行存放，地址线和数据线共用，使用控制信号 选择极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度 也很快。应用n a n d 型的困难在于f l a s h 的管理需要特殊的系统接口。 n o r 型f l a s h 和n a n d 型f l a s h 存储器的主要区别如下： 接口差别 n o r 型f l a s h 采用的是s r a m 接口，提供有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存 取片内的每一个字节； n a n d 型f l a s h 使用复杂地i o 引脚来串行地存取数据，各个产品或厂商的方法可能各 不相同通常是采用8 个引脚来传送控制、地址和数据信息。 读写的基本单位 n o r 型f l a s h 以“字节”为单位进行读写操作。 n a n d 型f l a s h 以“页面”为单位进行读写操作，页的大小一般为5 1 2 字节。 性能比较 n o r 型f l a s h 的地址线和数据线是分开的，传输效率很高，程序可以在芯片内执行； n o r 型f l a s h 的读取速度比n a n d 型f l a s h 要稍快一些。n a n d 型f l a s h 的写入速度比n o r 型f l a s h 快很多( 由于n a n d 型f l a s h 读写的基本单位为“页面”，所以对于小量数据的写 入，总体速度比n o r 型f l a s h 要慢) ；n a n d 型f l a s h 的擦除速度远比n o r 型f l a s h 快。 容量和成本 n a n d 型f l a s h 具有很高的单元密度，容量可以做得很大，加上生产过程更为简单，价 格也就相应的降低了。 软件支持 在n o r 型f l a s h 上运行代码不需要任何的软件支持，而在n a n d 型f l a s h 上进行同样 的操作时，通常需要驱动程序的支持，也就是内存技术驱动程序m t d ( m e m o r yt e c h n o l o g y d r l v e t s ) n a n d 型和n o r 型f l a s h 在进行写入和擦除操作时都需要m t d 2 2 4 几种常用的嵌入式操作系统 ( 一) v x w o r k s v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种嵌入式实时操作系 统( r ：m s ) ，是t o r n a d o 嵌入式开发环境的关键组成部分。良好的持续发展能力、高性能的 内核以及友好的用户开发环境，使其在嵌人式实时操作系统领域逐渐占据一席之地。 v x w o r k s 具有可裁剪微内核结构；高效的任务管理；灵活的任务间通讯：微秒级的中 断处理；支持p o s i x1 0 0 3 1 b 实时扩展标准；支持多种物理介质及标准的、完整的t c p f l p 网络协议等。 然而其价格昂贵。由于操作系统本身以及开发环境都是专有的，价格一般都比较高， 通常需花费l o 万元人民币以上才能建起一个可用的开发环境，对每一个应用一般还要另外 8 第二章相关理论与技术 收取版税。一般不提供源代码，只提供二进制代码。由于它们都是专用操作系统，需要专门 的技术人员掌握开发技术和维护，所以软件的开发和维护成本都非常高。支持的硬件数量有 限。 ( 二) w i n d o w sc e w i n d o w sc e 与w i n d o w s 系列有较好的兼容性，无疑是w i n d o w sc e 推广的一大优势 w m c e 是一种针对小容量、移动式、智能化、3 2 位的模块化实时嵌人式操作系统，为建立 针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台。它能 在多种处理器体系结构上运行，并且通常适用于那些对内存占用空间具有一定限制的设备。 它是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。它的模块 化设计允许它对从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。操作系统的基本 内核需要至少2 0 0 k b 的r o m 。由于嵌入式产品在体积、成本等方面有较严格的要求，所以 处理器部分占用空间应尽可能的小，系统的可用内存和外存数量也要受限制。而嵌入式操作 系统就运行在有限的内存( - - 般在r o m 或快闪存储器) 中，因此就对操作系统的规模、效 率等提出了较高的要求。从技术角度上讲，w i n d o w sc e 作为嵌入式操作系统有很多的缺陷： 没有开放源代码，使应用开发人员很难实现产品的定制；在效率、功耗方面的表现并不出色； 而且和w m d o w s 一样占用过多的系统内存，应用程序庞大；版权许可费也是厂商不得不考 虑的因素 ( 三) 嵌入式l i n u x 这是嵌入式操作系统的一个新成员，其最大的特点是源代码公开并且遵循g p l 协议， 在近几年以来成为研究热点。据i d g 预测嵌入式l i n u x 将占未来两年的嵌入式操作系统份 额的5 0 。 由于其源代码公开，人们可以任意修改，以满足自己的应用，并且查错也很容易；遵从 g p l ，无须为每例应用交纳许可证费；有大量的应用软件可用；其中大部分都遵从o p l ，是 开放源代码和免费的，可以稍加修改后应用于用户自己的系统；有大量的免费的优秀的开 发工具，且都遵从g p l ，是开放源代码的；有庞大的开发人员群体，无需专门的人才，只 要懂u n i x l i n u x 和c 语言即可。随着l i n u x 在中国的普及。这类人才越来越多。所以软件 的开发和维护成本很低。优秀的网络功能，这在 n l e r n e t 时代尤其重要。稳定这是l i n t m 本身具备的一个很大优点。内核精悍，运行所需资源少。十分适合嵌入式应用。支持的硬件 数量庞大 嵌入式l i n u x 和普通l i n u x 并无本质区别，p c 上用到的硬件嵌入式l i n u x 几乎都支持。 而且各种硬件的驱动程序源代码都可以得到，为用户编写自己专有硬件的驱动程序带来很大 方便。 ( 四) p c o s - i i i i c o s - i i 是著名的源代码公开的实时内核，是专为嵌入式应用设计的，可用于8 位，1 6 位和3 2 位单片机或数字信号处理器( d s p ) 它在原版本p c o s 的基础上做了重大改进与 升级，并有了近十年的使用实践，有许多成功应用该实时内核的实例。它的主要特点如下： 公开源代码，很容易就能把操作系统移植到各个不同的硬件平台上 可移植性，绝大部分源代码是用c 语言写的，便于移植到其他微处理器上。 可固化。 可裁剪性，有选择的使用需要的系统服务，以减少系统所需的存储空间 占先式，完全是占先式的实时内核，即总是运行就绪条件下优先级最高的任务 多任务，可管理“个任务，任务的优先级必须是不同的，不支持时间片轮转调度法 可确定性，函数调用与服务的执行时间具有其可确定性，不依赖于任务的多少。 实用性和可靠性，成功应用该实时内核的实例，是其实用性和可靠性的最