（电力电子与电力传动专业论文）基于windows+ce的机车智能显示单元研究.pdf

韭窳窑疆盘堂邋燮焦缝塞蠡壁蕊至嚣蠡雯至 a b s 量r a c t 矗b s l 。r a c b 1 1 h e m u ( i n t e l l i g e n td i s p l a yu n i oi s 绷i m p o r t a n te q u i p m e n tt oo f f e r t h e h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n ds h o ws i g n i f i c a n ti n f o r m a t i o no ft h el o c o m o t i v e 稍 d i s p l a yg u i d e st h et r a i n m a n so p e r a t i o na n da g s t l t el o c o m o t i v eo f i t ss a f e t y i ti sc l e a r t h a tt h e r eh a sal o tt h e o r e t i ca n dr e a l i s t i cm e a n i n go nt h er e s e a r c ho ft h e o r e t i cm e t h o d a n dt e c h n o l o g i c a lr e a l i z a t i o no f t h ei d u r e s e a r c hw a sd o n ei nt h ed o m a i no f a r m 9 2 0 t , a n do f t e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m w i n d o w sc e ，o ft h ee m b e d d e do sd r i v e ra n dc a nb u sd u r i n gt h ea u t h o rf i n i s h i n gt h e m a s t e rt h e s i s n l cp l a t f o r mo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fi d ub a s e do nw i n d o w sc e w a sa c c o m p l i s h e d t h e $ 3 c 2 4 1 0 d e v e l o p i n gb o 擞畦w a sc h o s e na st h eh a r d w a r ep l a t f o r mo f i d u b a s e o nt h eh a r d w a r eaw i n d o w sc eo sw a sc o n s t r u c t e d , w h i c hi sf i t t i n gt ot h em 町a n d t h ew o r ki n c l u d e sd e s i g n i n gb o o tl o a d e r , c a t t i n go u tk e r n e l ；d e v e l o p i n ga p p l i c a t i o n s o f t w a r ea n dm a k i n gp c bh a db e e nd o n e b e c a u s et h es t a n d a r dw i n c ek e r n e lc a l ln o t 辩箍f o rt h en e e do f t h ei d u 。t h ea u t h o rc h a n g e dal o t 遮b s pf o rt h er e q u i r e m e n to f i t ， a l t h o u g h $ 3 c 2 4 1 0w i t ha r m 9k e r n e lo w np l e n t yo fp e r i p h e r a l s , t h e r ei sal a c ko f c a nc o n t r o l l e r , w h i c hi sp o p u l a ri ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n m c p 2 5 1 0w a su s e dt o r g a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nv i ac a nb u s p l a t f o r mb u i l d e ra n de m b e d d e dv c + + w a s u s e dt od e s i g nt h ec a nd r i v e ra n dd e v e l o pg u io f t h em u a tl a s t , ac o m p a r i s o nb e t w 黝t lt h ei d ua n dt h ep r e v i o u sv e r s i o nd i s p l a yw a sg i v e , w h i c ht e s t i f i e dt h ea d d - i na n dc h a n g e df u n c t i o n so ft h ep l a t f o r mi si n n o v a t i v ea n d u s e a b l e k e y w o r d s ：d i s p l a y ；w i n d o w sc e ；a r m 9 2 0 t ；c a n ；e m b e d d e dv c 抖：d r i v e r c l a s s n o ：t p 3 1 6 。7 ：u 2 6 0 3 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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： 钐步翻 导师签名： 签字日期：沁7 年1 2 月f 9 日 签字日期：k 7 年n 月，7 日 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，也不包含为获得北京交通大学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：咆匆武签字日期：加。7 年，2 ，月，罗日 致谢 本论文的工作是在我的导师王立德教授的悉心指导下究成的，王立德教授严 谨静浚学态发帮科学戆工作方洼给了我摄大豹帮魏籁影萌。在魏褒心感谢三年来 王立德老师对我的关心和指导。 申萍教授悉心指导我们完成了实验室静科研工佟，在学习上和生活t 都给予 了我缀大的关心和帮助，在此自申薄老师表示衷心的谢意。 王保华老师对予我的科研工作和论文都提出了许多的窳贵意见，在此表示衷 心鲍感 囊 。 在实验室工作及撰写论文期间，束娟、穆云丽和林锥等同学对我论文中的软 疆舞调试磅究工作给予了热情帮劲，在藏蠢憩稍表达我豹感激之待。 努外也感谢我的家人，他们的理解翔支持使我熊够在学校专心完成我的学业。 婺 塞 塞 攥太堂燧童堂建盈塞 l壹 1s l 言 1 1 研究背景葛意义 铁路运输楚我国豹主要交通方式之一。在我函路阏运行速度越来越快的前提 下，僳诞机车的安全可靠运程已成为路网提速的关键。 保证机车可靠运彳予主要从两个方面考虑； 蓄先，是运每教薅豹提静报警。当毒赦瘁发爱对，憨旱发瑗裁越戆壤少撰失。 此外由于轨道运输的特殊性，出现故障的机车如果尽早离开运行线路就可以避免 对螽面运行弼擎豹阻塞。 其次，要为定期检修提供尽量多的火率运行期间的数据。因为火车运行期间 各部件蘑损严重，在现有的情况下必须定期检修受换才能提高机车运行的可靠性。 检修一般在枧务段进簿，极攀处于黪止状态，一些关键郏馋鲍捡掺只戆依鼗摸投 机牢运行来判断，无法真正得到机车处于运行状态时的数据，这就给机车的检修 带来了不便，嗣时无法撂垂远行麓瀚各帮 串损坏待况交纯赫趋势。 车载显示屏是机车乘务员与机率设备之间进行人机信息交互的主要设备。在 实际运用中，军载显承屏将机车的行车安全信息、敖障信息和设备状态等反映给 司枫，以便有效地指导司机操作，确保行率安全，减小枧车故障的影响。网时， 车载显示屏能将故障记录存储，到站入库瞄方便导出进行地面数据分析。 1 2 国内外研究现状 早期机车由于电子设备较少，信息显豕装置比较简单，农我国第一代内燃、 电力机车上采用仪表和信息指示灯等显示褶关信怠。随着机车电子桅等设备的出 现，传统的显零方式毫不能满足极攀售息驻示既要求，攀载镕息数弼显示嚣应运 而艇，如，l k j 9 3 ，j k 2 h 监控器和s s 3 型电力机车的故障显示屏等。数码显示 装嚣隽乘务曼褥供了燹多豹安辩信惑，毽傣怠内容有蔽，无法提供壹鼹戆文字窝 图形信息。 随着机车控制技术的迸一步发袋，采糯数字控制和微机控制的机车控制系统 在国内外已经得到广泛的应用，特别是微极系统的应用为乘务员和检修人员获取 更多的机车信息提供了条件。在国外采用微机控制的机车上，大量采用了智能化 熬显示鬓| 寒 交期替代常援黪纹表鬟示。键戆化瓣荣息霰示羼跫残为壤车上不可 缺少的一个重要组成部分。我国车载显示屏的研制工作从9 0 年代初歼始起步，首 蕉塞塞獯盔堂亟纛 堂焦 途 塞l主 毙在d f 6 和s s 4 等税率上陆续开始安装了车载激示霹。髓着擎载显承屏技术的进 一步完善，薪造机车采用车载显示赓的数爨和显零内容都将不断增加。 车载显示屏分为硬件和软件两部分，软件部分由车载显示屏操作系统和基于 操搏系绫躯上层应用软转组成。操像系绞在整令攀载显涿羼软传孛占毒重要缝位， 它制约者应用软件的功能以及整个系统的性能。 嚣嚣我国懿撬车率载显示霹大多采蠲d o s 撩作系统( s s 系列电力橇霉、d f 系列内燃机车等) ，其应用软件的实时性较差，功能较少，特别是软件的扩展性非 常弱，难以满足越来越多的功能要求p ，。d o s 操作系统有以下难以解决的闻题： 实现网络接口困难，靼使采用专用的软传包，网络实时憾也难以达到要求， 如果自已开发，难度较大 必7 傻惩图形秀嚣，必须鑫己钛底层嚣鲶舞发。键色叛、壹接写鬓、蓑稼 驱动和消息循环等都需要自己建立，难度和工作量很大。 系统拜级困难，扩展住差，蓿蹭翔功能，珂能要辩全部软件遘行重新设计。 幽予d o s 操作系统平台的根本眼制，不能提供进程像护，党全依靠中断 进行处理，系统稳定性较麓，难阻满足多任务的要求。 重内蠢毂摹覆采用了w i n d o w s3 1 操终系统( 熟“煲星”、“天援”、“孛华之星” 等) 的车栽显示屏。但随着新技术的不断出现，用户对牟载显示屏的功能提出了 越来越离豹要求，毙魏遥臻豹舞速数禧转赫接口( 镄黧u s b 、浚太丽臻a 等) 、g p s 定位、与地面实时无线卫星数据通信，g p r s 通讯等、数据库以及更为丰富友好的 入视界面等。孺d o s 和w i n d o w s3 1 操律系统程满足这些需求方面已经显得无能 为力1 2 1 口 国外的机车监测装置大多是由机车生产厂家研制开发的，并作为机车的组成 帮释提供绘趸产使霜，磐目零瓣囊干线、法嚣静t g v 、德藿静i c e 等。凳黧i c e 高速列车舀检系统，在列车运行过稷中可以不断擞测列车的运行状态及机车车辆、 电器帮飘壤方瑟酌故簿。餮外的税率篮测系统己广泛采溺分鸯式结构，并稚出了 针对机车的m v b 、l o n w o r k s 等总线，但是这些产品价格普遍较高，不适含我国 的国情。由于机车的靛铡是与机车的机械、电器结构密切相关的，所以开发机车 监测系统不能照搬国强的方式，必缀结合我国摊车特点势诺鉴国外褒系统缝梅、 实现方式等方面的优点进行开发。 摄嚣绫上分橱，笔者提毒了一囊莲子戮殇慧线熬戳a r m 9 2 0 t 芯跨s 3 c 2 4 l o 为核心的硬件平台、嵌入式操作系统w i n d o w sc e 作为管理核心的机车信息显示 系统，该系统麓够方便实现数据处理、用户查询、实对簸测等功能。 2 錾塞塞爨盍堂嚣生耋壁建塞 l壹 1 3 论文主要工作与结构安排 本课题所研制的械车智能显示单元( m i 卜一i i l t e l l i g 钮t d i s p l a y u n i t ) ，在具备 实验室上一代司机室显示屏功能的麓础上，添摭了故障遮录和数据转镶、嵌入式 操作系统、更加良好的人机交互接闪和g p s 功能。并且使得系统维护和升级变得 麓捷裹效。羞鬟解凌黢寿系绕孛存在豹系缝髂苏过于纛大，撩雩# 褶霹复杂，摹线 程执行，实时性及数据处理能力较低等方面的问题。力图在轻便性和操作简单性 方两有新突破。 本系统的研制工作开始予2 0 0 6 年1 0 月，大致经历了研究设计要求，芯片选 型，开发板的选择和学习，板级支持包修改、移植和驱动程序开发，电路设计， 系绕主程痔设谤等足令除段。疆究秘设计王作于2 0 0 7 譬8 男宠成。9 月鄂避入瑷 场总线联网调试阶段。在调试过程中对网络的通信质量有了具体的了解并根据其 瑰场工獯对显零终端翡实对镶要求本系统豹逶绩协议徽了避一多静移改，达至g 预 期效果。 本文豹主要工作如下： l 、系统整体方案的设计耨试验论证。 2 、系统的硬件选擞及平台搭建。 3 、系统煞操终系缓平台搔建。 4 、底层控制软件的编写、移植、驱动程序开发。 5 、黧示圭纛序静设计及实现。 文章的内容安排如下： 第二章介缁系统的总体设计方案。 第三擘余缨系统购硬俘平台设计方寨。包攒蕊冀麓会，棼篾乡 设接口魄路， 扩展c a n 总线芯片电路部分。 第霸牵奔绣系绕耱较终平台设计方案。雹戆搡终系统鹃定裁开发窝叛缀支持 包( b s p ) 的修改设计，给出了修改的关键点。 第五牵详细介绍系统的设计难点部分a n 总线驱动程序的汗发，w i n c e 下驱动程序的主要设计思路势给出设计关键步骤朝代码。 第六章详细介绍系统主程序的汗发。用e m b e d d e dv i s u a lc - h 开发主程序，系 统豹数据处理及入糗爨嚣戆竣诗。 热塞褒蓬太堂驱圭鬃建缝塞l 疑堑基筮箍整邀盐 2i d u 系统总体设计 2 1i d u 系统的功能需求 为了提高机车运行的可靠性使予定期检修，晟示系统不仅要实时显示机车状 态，还要存储检修期内机车的全部运行数据，并道过海量存储s d 卡导出到计算机， 最终由计算机慰机车的运褥记录实锤统一管理。憩外夜槛车运嚣期闽还要掇供语 音、灯光报警功能，用户可以通过入机界颟方便的查询当前机车各部分的运行状 态，系统软 孛遥要毙够综合分撬采集懿数据鬏爨瑷场诊鞭专家系统簸终绘壅辊车 运行质量的评估，以达到提麓机车运行和检修质蹩的目的。 2 。1 。1 硬件需求搓述 ( 1 硬俘馕戆要求 3 、环境条件要求：鉴于车载显示屏运行环境的特殊性，必须满足铁道 橇擎车辆奄子装甏【3 l ( t b t3 0 2 1 - 2 0 0 1 ) 要袋，儇涯在下罗| j 条伴下歪常王俸： 海拔高度不超过2 5 0 0 米。 环境温度：机车内部空气漱度为2 5 到4 5 c ，但是，直接临近电予元件 处鲍空气温度可在2 5 到7 0 之间变化。显拳羼应恣o 劐5 5 c 魏里襄 动工作，允许在不低于- 4 0 环境温度下存放。 秘对漫度：最漫兵戆届平均矮大耨砖潼! 瘦不大予9 0 * 4 ( 该莛霹平缘鬏糕湿 度为2 5 ) 。 b 、车载显示群梳械必寸： 籀体：2 2 0 m m ( 宽) x 1 6 5 m m ( 禽) x 1 0 5 m m ( 深) ； 翁面板：3 0 8 m m ( 宽) x 2 8 0 m m ( 高) ； c 、电气参数： 输入电压：7 5 v 1 3 5 v ：功耗：霸5 w ； 辩麦部供毫：士5 v ( 1 4 - 2 ) 3 a ： 十1 2 v c p u ：c p u 经能登须麓够满足车载显示瓣的显示刷新等实时性要求； 褰储嚣：鉴于率载曼示屏蛇运行臻境，存储器必须挠震动、不易损坏，适 合嵌入式应用； 嫒 孛接疆：渡黯显示嚣接搿、事移逶售接疆及易于扩聪其德疆转接黼懿。 4 韭塞銮邋盘璺亟土堂建i 垒塞l 坠靶丕缝盛焦遘盐 2 。1 2 较馋需求攒述 ( 1 ) 翔形瑁产赛瑟需求 图形用户界面是车载显示屏重要功能之一，也是评价车载晟示屏软l 牛平螽优 劣的一个重要因素。本论文所设计的车载显示屏软件平台应具有完整的图形用户 雾嚣系统。具体功能如- f ： 支持点、线、矩形、脚、椭圆等绘图： 字德：支持基本戆字镣翔荚文字籍帮数字等； 颜色：支持黑自和8 位、1 6 像、2 4 位彩色屏显； 中文和字体：支持中文并支持多种字体戳满足不弼用户豹需要； 支持图片装载技术，可以使显示画麟更加美观； 支持区域、位囤等操作； 支特塞口触揍受冢图形瘸户雾嚣人镁纯设谤，采翅类骰窦日贼楱，实瑷多 窗口显示以满足晟示屏信息量大的特点。多窗口的显示模式也使屏幕擞示 内容更秀率富。 提供界面控件支持如静态框、编辑樵、菜单、按镪、列袭框、组合框簿。 这样将提高开发者在率载显示屏较件平台t 开发图形用户界面的效率。 ( 2 ) 实时性篱求 车载显示屏必须提供与其宦机车设备进行实时通信的功能。通信方式主要有 r s 2 3 2 4 8 5 4 2 2 、c a n 、m v b 、以太鹅簿。其中显示羼与瓣车其德检测缓块之瓣逶 过c a n 通信交换信息，采用多生通信方式。传输波特率为1 0 0 k b p s 或1 2 5 k b p s 。 键盘是率载嚣示羼静主要输入方式，必须实封寸响应键盘输入，并遴行相疲处 理，要求键盘响应在2 0 m s 以内。 鉴于显示屏的实时彀要求，必须掇供可靠的实时性保证，以完成率载显示屏 数遂壤、键蠡等事l 睾戆实时处理。 ( 3 ) 多任务需求 车载虽忝屏努绥蕤够露霹遴露逶僚、显零等任务，掰豁要求擎载鬣示鬓软俘 平台的操作系统必须支持多任务。 ( 4 ) 可移植性需求 嵌入式系统硬传技术发展非常迅猿，所设计的攀载显示羼软 孛平台应该具毒 对多硬件平台支持的特性，可方便以眉将其移植到其他硬件平台。 题瓣秀了适建车载要示羼黪霹穆德蛙，努须垮爨示爨软律乎蠢竣谤必哥裁势、 可伸缩的体系结构。系统具有高度的可裁剪饿，各个基本模块之问独立，如文件 系统、多任务窗强系统等碍以投据实际斑嗣遥行完龛静剃减和替捩。 韭塞褒适太堂礁墅焦缝塞! 驳望基统整焦途盐 应爝程序猿立秀缀。应耀程序攀猹编译链接，实凌系统每痤震瓣分囊，方霞 用户开发应用程序。 2 2 系统的结构 2 2 1 撬车露终系统的结构 f i g u r e 2 1t r a i nn e t w o r k 如图2 1 ，机车潮络系统：共分为显示群，数獭采集模块，逻辑控制模块，检测 记录仪模块等。各个模块可独立工作，分散检粳i 运行中的机车器部位钓状态信息， 鬃中管理数据存储与故障判断，它们之问通过c a n 总线进行通信。 整今系统懿工搀怒；在织车运纷豹过程孛，连续黢溅捱攀熬实鼯运露状态， 采集机车的各种运行数据，并与预先存储的正常状态的数据进行比较，如果发现 两者之鬻有差瓣莸认为税车发生了菜静敌漳，同对籍敲障发生翦后一段辩阍韵运 行数据和机车环境数据记录下来。实时在线诊断专家系统根攒故障数据进行故障 诊断与定位，并向司机提供脊关的状态信息，指出所需采取的措施和可能的补救 方法；当机车返回检修段进纷维修时，调出系绕中存锉豹故障数据侮蔑鼓舞诊錾 与故障定位的依据，然后利用地面软件中的专家系统的分析方法，找出故障所在， 帮魏进霉撬车缀修王撂。 数据采集模块是一套独立的模块盒，安装在司机室后颟的铁椴中，分为主 麸两部分，基本功黥是采集枫车遮行袄态数据，并蕊叛分析，进行逻辑翔 断，将有效数据发送到网络上，供显示群使用。 逻辑控制模块把机擎上问题比较严重的中间继电器和时间继电器取代掉， 将极车逻辑控劁系绞匏舂皴杰控裁改遴残先毫撼悲鲍鸯子纯恶齄点按裁， 增强可熊性。 检测记漾莰模块负责整溺亳篷、耄流、滚度、蓬力等橇车状态参量羚实辩 传送给恩示屏，同时进行数据处理，分柝判断故障是否发生，要使那些瞬 蠲的稳性故障成为显性。负责故障的在线检测，故障数据的配录，以及故 6 丝塞交遂态堂熬圭堂霆羧塞l 骚鳖豢筮蕊蓬蕴鎏 簿数据盼透诫等功麓，以及在线诊断系统簦铡视车和翔车的运行 本设计的显示屏模块则负责接收备模块采集的状态数据和故障数据，显示 并存储数据，还有依据不阍故障而提示司机应该采取的措施。 默上结掏成功的掩功毙鞠露定豹模块绫会，每令模块只鬟专注予完成爨身戆 功能，便于系统的调试，降低了系统综合调试工作量，同时增加了系统的扩展性。 2 2 2i d u 的结构 如图2 2 ，硬传平台采爰$ 3 c 2 4 1 0 作先c p u ，m c p 2 5 1 0 作为c a n 憨线控露器， 挂接在c a n 网络上与各节点通讯。 2 3 本任务的实现 图2 2 显示屏模块c a n 卡扩展方式 f i g u r e2 2a d d i n gc a n f u n c t i o nt oi d u 本设计任务的具体实现步骤如下； 第一步，学习e m b e s t 公弼开发板硬件架构，综合市丽上箕谴公司的产黼架构 和b s p ，绘制原理图和p c b ，制作自己的嚣发板； 第二步，修改b s p ，根据系统需要添加和删减o s 特性，定制w i n d o w sc e ，n e t 操终系绕，使其拥有多枣日，鞋淘 | i 存、注冕| 表缫存窝分瓣率壤大等凌戆； 第三步，导出操作系统s d k ( 软件开发包) ，供后续软件开发； 第疆多，掇攥流援霜模壅，实瑗c e 下c a n 躲线驱动程序； 第五步，基于s d k 、c a n 网络、数据处理和故障融渌，在c e 系统上，实现 税率信息漫示主程序。 7 韭赢奎遵态堂殛鬃焦鲶塞缝娃罡盒艘遗进 3 硬件平台的设计 3 。| a r m 麓会 矗勰公镯是家提供r i s c 檠构嵌入成系统处理嚣豹公司，主要是开麓及设计1 6 位或3 2 位的嵌入式系统处理器，并且将它所歼发的技术授权给其他的半导体制选 公司进行a 剃微处理器的制造”。 矗蕊处瑗器的三大特点：小体狭、低功耗、成本低，毫瞧韪；1 6 位3 2 位双攒令 集；企球众多的合作伙伴。 囊蘸，勰饕楚理器毯菇下甏蔻令系确豹齄莲蒜产品懿及其德厂商实瑗豹蘩予 a r m 体系结构的处理器：a r m 7 系列、a i 孙1 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m i o e 系列、s e c u r c o r e 系歹l j 、i n t e l 的x s c a l 和s t r o n g a r m 。这些她理器可以达到2 1 0 m i p s ，功耗测量为 u i f 删z 。对于支持同样a r m 体系舨本的处理器，其软传是蒺容的。 3 2a r m 9 2 0 t 芯片$ 3 c 2 4 1 0 s 3 c 2 4 l o 是三鬟公司的3 2 位 c s c 嵌入式楚理器嘲。它专为手持设备和一般成用 而设计，能满足嵌入式系统中的低成本低功耗高性熊小体积的要求。 $ 3 c 2 4 1 0 是利用a r m 9 2 0 t 内核，采用0 1 8 微米标猴c 醅o s 技术制逑的。它的小巧 低功耗全静态设谤特裁逶会子参接帮功耗敏感的系绕设诗。它采鼹了一耱全薮鹣 总线设计，h p a 姗a ( a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ) a r m 9 2 0 t 内 孩实现了溅u 舔8 矗德线_ 帮分离静指令黧数据e 矗c 珏e 晗铸结稳。 芯片之所以提供了完整的系统钋围是为了使得s 3 c 2 4 1 0 能够尽可能的减少系 统的熬体成本和减少另外的设备组件。如图3 1 给出了$ 3 c 2 4 1 0 内部结构。 集成在姥上鲍功能包括4 1 ： 指令c a c h e 和数据c a c h e 、m m u 多 聱存赣控壤l 器( s d r m 控裁帮片选逻辑) l c d 控制器，提供1 通道l c d 专用d m a 4 逶邋d 鲢a ，并有外部请求管静 3 通道u a r t ( i r d a l 0 ，t x 和r x 各有f i f 0 ) 2 邋遭s p i 1 通道多主i i c b u s 1 通道i i s b u s 控制器 兼容圭接口协议1 。0 舨翻m u l t i - m e d i ac a r d 秘议2 。1 l 舨 8 韭基奎遒太堂缝筮焦盈窟蟾姓垩鱼艘弦盐 2 端锺熬u s b 主橇秘l 端口约u s b 设备( 舨零1 1 ) 4 通道p 州定时器和1 通道内部定时器( t i m e r ) 图3 i $ 3 c 2 4 1 0 内部结构图 f i g u r e3 1a r c h i t e c t u r eo f s 3 c 2 4 1 0 看门獬定时器( 孵a t c h d o g ) 1 1 7 个通用i o 和2 4 通道外部中断源( i n t e r r u p t ) 8 逶遴l o 壤a i ) c 秘魅揆羼搂爨( t s p ) 具有同历功能的r t c $ 3 c 2 4 1 0 平台瓷源丰富，扩展方程，作为嵌入式系统平台用予多种领域，技术 9 拉塞褒重态堂亟堂绽途塞熊戤垩焱酸爨进 鞠对残熬，是好发车载磐戆终糍懿壤怨选辑。 3 3c a n 控制器m c p 2 5 1 0 虽然a r m 芯片s 3 c 2 4 l o 怒一种商集成度，高性价比的嵌入式处理芯片，成功 熙予工控设备土，毽怒其美巾不是憨是没鸯集残c a n 控割器，霞其程工控晶孛 的应用中受到了一定的阻碍。 嚣嚣藿内广泛应瑙豹羲救c a n 控裁器s j a l 0 0 0 因存在嫠浚、发送缓冲医瓣个数 太少，导致数据吞吐攀不高，帧屏蔽和过滤器的设置不够灵活，不能满足同时需 要更多屏蔽和过滤条释的要求；而艇s 3 c 2 4 1 0 是3 2 位的数据地蠊总线分离结构， 对a 1 0 0 0 螅地址、数据总线约分时复用更夥致接蹬效率低下等。 m i c r o c h i pt e c h n o l o g yi n c ( 美国微芯科技有限公司) 生产的m c e 2 5 1 0 t ) 怒一款 控割器弱域羁络( c a n ) 貉 瑟羟裁嚣。该嚣箨支褥c a n l 2 、c a n 2 0 a 、主动帮被 动c a n 2 0 b 等版本的协议，能够发送和接收标准和扩展报文。它还同时具备验收 过滤酸及缀文管理功镌。该器件包含三个发送缓冲嚣和阿个接敉缓冲器，独巍c a n 控制器m c p 2 5 1 0 灵活的中断能力、接收帧屏蔽和过滤、现场总线与网络技术优先级 设定等特性使其能够搬好的对信息邂行管理，减轻了处理器的负担和软件设计的 复露渡。对它懿控制谤阚是邋过行效标准攀孬势嫒接日( s 班) 寒实瑷戆，葵数据 传输速率商达5m b s 。 3 3 1 芯片特性和内部结构 完全支持c a n 总线v 2 o a 和v 2 0 1 3 技术拢藏，遂傣速率为lm b s f 6 1 ： 0 8 字节报文长度 。标难耪扩展羧攥犊，支持远程赖 一可编程位传输速率可达1m b s 2 个接较缓狰器，霹优先储存掇文 6 个完全验收滤波器 2 个完全验收屏蔽器 3 个发送缓i 孛器，其有优先级设定戳及发送孛囊功能 用于自检的环回模妓 磺俘特憾： 。高速s p i 接口( 4 5 v 工业级温度范围时可达5m h z ) 支持o , o 和t , 1 韵s p i 梭式 鍪塞銮缝鑫堂毯圭燮霆建塞骥娃瀑垒毂邀盐 一带有可编程预分频器豹时钟输出弓i 脚 一带有可选择使能设定的中叛输出弓 脚 一缓冲器满输出引脚可配嚣为备接收缓冲器的中断引脚或通用数字 簸塞弓l 瓣 一请求发送输入引脚可配鬣为发送缓冲器的控制引脚，用以请求囊即 发送撤文，或配置为逶用数字输斑弓i 辫 一低功耗体眠工作模式 3 4 i d u 硬件电路 图3 , 2m c p 2 5 1 0 内部结构 f i g a r e3 2a t c l l i t e c t u r eo f m c p 2 5 1 0 按照功能的不同，作者以模块化方式布簧外围电路。 如图3 3 所汞。在功能强大，终设接口辜富豹$ 3 c 2 4 1 0 豹外围扩矮电路土， 连接麓大容爨存储f l a s h ，同步动态内存s d r a m ，以太网控铝4 器c s 8 9 0 0 ，邋过 串口连接的g p s 和g p r s 模块，还有通过s p i 扩展的c a n 总线控制器m c p 2 5 1 0 。 其孛，f l a s h 存熊系统弓| 导数攥；s d r a m 传为系统运行动态内蠢：c 器卡存镶整 个操作系统，s d 卡作为故障信息存储；l c d 模块熙示信息，通过简单t s p 电路 _ 穗疆线毫隧式莲力貘来实现簸簇蘑输入；键盘鬣标遴逵u s bi i 输入；分鬻崮两令 串口实现对g p r s 和g p s 的控制和通讯；c a n 控制器m c p 2 5 1 0 通过s p i 口逢到 系统t ；以太网控制器则是通j 熏数据总线与系统连按；通j 童s 接口连到音频编解 码器，实现声音报警和提示。 由于篇幅限制，无法对每一部分电路设计进行分析，下面主要分析c a n 控制 篮塞塞壅表堂疆土堂煞逾塞照鼗垩螽鳇送盐 嚣模块静实现部分电路。 由3 2 节和3 3 节的介绍可知，m c p 2 5 1 0 需要幽m c u 通过s p i 总线来访阕2 5 1 0 的内部寄存器，从而实现修改2 5 1 0 寄存器设置值，间接实现c a n 总线功能；而 s 3 c 2 4 l o 翱寿2 通道s 投接翻，可裳瑰熬逮搴远大手m c 譬2 5 1 9 的震簧。 豳3 3 系统组成硬件方框图 f i g u r e3 3h a r d w a r eb l o c kd i a g r a mo f s y s t e m 现憋硬彳睾模块孛部分关键邀路安瑗方法会绍一下。 3 。4 1c a n 接溺实现 $ 3 c 2 4 1 0 的s p i 接口兼容s p iv 2 1 i 协议，可支持套询、中断和d m a 三种数 据传送模式。m c p 2 5 1 0 连接到$ 3 c 2 4 1 0 豹s p l 0 日，其相曩连接关系掘匿3 。4 艨示。 雕3 4 $ 3 c 2 4 1 0 驰c a n 慧线实境毫路 f i g u r e3 4c i r c u i to f c a nb u so f s 3 c 2 4 1 0 ( 1 本接臼设诗苓搜焉t x n r t s 、r x n b f 等5 今雩l 瓣，傻鼹了总孛凝雩| 辫i n t ， 2 夔塞奎疆太茔嚣堂鬟途塞壤壁墨蠡数篷盐 戮诧在较俘设计的嚣于候不使缆发送请求和接收完毕中断对应功能引脚，且在本设 计中该引脚也不作其它用途，处理器在嗡成总中颧后，逋过s p i 接日访闯m c p 2 5 1 0 内部相应寄存器来确定具体的中断攀件，井对其做出处理。 f 2 ) 为了隔裹总线上豹手扰信号，提窝系统熬霹靠鼓，c a n 控制嚣与c a n 收 发器之问采用了光隔。光耦隔离的两边采用独立的供电电源1 ) ( 2 0 5 0 5 ，不与系统的 茭缝部分直接共缝。 ( m c p 2 5 1 0 在| 扔始上电、复像以及从体眠模式唤醒后最切的1 2 8o s c 时镑 嗣期内，o s t ( 振荡启动定时器) 保持复位状态。应注意在o s t 超时前不应对s p i 进行操作。 ( 4 ) m c p 2 5 5 1 ( c a n 收发器) 的黜管脚上的电阻是为减少e m i ( e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f c r e n c e ) i i i i 设诗豹。c a n h 、c a n l 豹转换率冬r s 童漉经懿毫滚藏正毙。 ( 5 1m c p 2 5 1 0 的片选信号c s 用$ 3 c 2 4 1 0 的标准i o 口g p g 2 控制，g p g 2 置 羝髓选邋m c p 2 5 1 0 ，爱之荧g 不选逶。 ( 6 ) s p i 主枫( 2 4 1 0 ) 启动s p i 通讯，i 霞过提供绘s p 扶枫( 2 5 1 0 ) 片选信号， 还要提供同步时钟s p i c l k ，总线上的数据便同步收发。 3 4 2j t a g 接口实现 s 3 c 2 4 1 0 采用j t a g 2 0 - p i l l 标准的接口，如图3 5 所示。 v 轴3 科 翻3 5j t a g 调试接口实现电路 f i g u r e3 5c i r c u i to f j t a gi n t e r f a c e 注意t d i 、t m s 、t c k 和t d o 等管腿需要加上拉电阻。 韭立裘堡鑫堂亟主堂筑途震缝热垩霰竣爨盐 3 。4 3 域太瘸接鏊实现 瑷太两接翻模块爨戳 羲1 6 住数据总线扩震豹c s 8 9 0 0 芯片丽实现豹，巢体鲡 下图3 6 所示。 圈3 6 以太掰接口实现电路 f i g u r e3 6c i r c u i to f e t l k o n 蝴i n t e r f a c e 3 4 4s d 卡接鞠实毯 s d 卡滋其蕤好懿揉俸特性，在本系统巾扮演蓬要角色，佟为一拿大容鬃存锗 媒介，支持热描拔，轻巧便携。低功耗读碍利用这些特点，作者将软件和数据 记渌等文件存储予其中，还可作为软件升级的一种手段。 如图3 7 为s d f m c 卡的接口电路圉。 1 4 热廛楚煎鑫嬖亟纛堂健途塞壁姓垩垒丝邀鼓 图3 7s d m m c 接鼎实现电路 f i g u r e3 7c i r c u i to f s d m m ci n t e r f a c e 3 4 5 电源接口实现 本系统采用电源模块将d c i i o v 转为d c l 2 v 之后，根据系统板的芯片供电需 簧，采用四种电压等缀( d c l 2 v 、5 v 、3 3 v 和1 s v ) ，现仅将1 2 v 转5 v 电路介 绍如下圈3 。s 联示。 圈3 81 2 v - 5 v 电源蜜现电路 f i g u r e3 8c i r c u i to f1 2 v - 5 v 电源转换电路采用l m 2 5 7 6 s 5 0 开关电源芯片，5 管腿使能芯片工作，4 管腿 骆为竣爨瞧压豹反镄输入，o 援管i n 5 8 2 2 为电滚续流撰貘逶遴，毫懑疆绦簿耄 流稳定，电容c 驴3 和c p 4 分别作为高频滤波电容和支撑电容。 錾毫塞鎏态堂亟塞堂篷途銮夔蓬受叁邀盐 4 软件平台设计 4 1w i n d o w sc e 简介 w i n d o w se m b e d d e d 产龋家族是美国微软公司设计的主要用于建立支持具有 丰寰应用程序j 和服务黪3 2 位嵌入式系统，从嚣针对广泛的尾声需求提供灵激解决 方案。 目前w i n d o w s e m b e d d e d 产品家族主要有以下几种产品f ： l w m d o w sc ：一耪铮瓣奎容量、移动式、耱能纯、连续设备戆模块纯实辩嵌 入式系统。w i n d o w sc e 为建囊针对掌上设备、无线设备的动态应用稷序和服务提 供了一静功能丰富豹操作系统平台，它能在多种处理器体系结构上运行，并且通 常适用予那些对内存占用空阅具有一定限制的设器。它是从憨体上为有限资源的 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 予扶掌土瞧脑到专溺弱工业按毒l 嚣熬瘸户魄子设备送移定裁。搽箨系统懿篓本疮 核需要至少2 0 0 收的l t o m 。 2 ) w i n d o w sx pe m b e d d e d ：- - 种针对基于p c 体系结构的解决方案的全功能嵌 入妓操撵系统。采震p c 俸系缝搀，继承w i n d o w sx p 的缀务与功憩，霹弱予抉遥 建斑功能强大且丰富的嵌入式系统。 基于成本因索考虑，我们选择使用w i n d o w sc e 作为目标系统来定制。 w i n d o w sc 嚣采嗣繇状翡体系结秘，有联次往强、胃移植往好，组律纯哥势裁、 强调编程接口和支持上层应用等特点。其从下而上可分为四层：硬件层，o e m 硬件 适配层，搡作系统服务层，应用层。其结构如图4 1 所示： w i n d o w sc e 豹不溺层次懿建位翔捧鲻懿下嘲； 璇傅层：是整个系统戆硬l 孛基础； o e m 层：是逻辑上位于硬件和w i n d o w sc e 操作系统之阃的一层硬件相关 熬代码，鼹其体熬硬转进行箍象，季壹象毽统一接翻； 操作系统层：承接应用程序和硬件，实现硬件资源管理调度和文件系统管 瓒： 应用程序层：纂于操作系统实现所嚣要的功能。 6 韭塞塞邋塞堂麟囊堂燕盈塞熬照受盆毽荭 匿电1l i n d o * sc e 撵作系缎模型 f i g u r e 龟in o d e lo f 幂i n d o w s 锺o p e r a t i o ns y s t e m w i n d o w sc e 是一个霹定制的搡搏系绕，其特煮翔下： 占用资源少：w i n d o w sc e 是专门面向嵌入技系统的。个典型的w i n d o w s c e 设备廷嚣4 m b 弼8 m b 熬r o m 。最夺魏w i n d o w se e 丈约5 0 0 k ，稼终 m i n i k e r n 一。这样静一个掇作系统可以簸理所有内核经务，包括进程， 线程，辩象同步，读麓注麓袭。 易予移攮：w i n d o w sc e 的内梭几乎完全是用c 语言写的，因北报容易移捷 戮多静举嚣懿3 2 位狻缝理嚣牵w i n d o w sc 譬支持多家厂舞翁楚褒器，彀疆 i n t e l 、m o t o r o l a 潮h i t a c h i ，w i n d o w sc e 逶避o e m 逶配瑟萄戳调整臻予睡嚣 硬件平台。 臻块纯结擒：鬻隽在移费秘嵌入式设冬孛，内露是毒袋熬，w i n d o w sc e 被漩计成模块纯的操作系统。一个模块是姆一通用目的襁连的一系列特 缀。w i n d o w sc e 使系统设计滑可以只选撵目标平台所需的模块，从而减 少内存蛉使熙。 w i n3 2 蒸容：w i n d o w sc e 耋袋静撬煮蓬宅篌爝毒w i n 9 8 彝铺n 2 黼耩闲静 w i n 3 2 编程模式，只慕趸7 逡会自纛需要鹣w i n 3 2 戆子熊。 多种开发工具支持；开发工具包括：e m b e d d e dv i s u a ls t u d i o ：p l a t f o r m b u i l d e r ；谤囊孚螽；多静连接方式。 l 警 錾塞黧重鑫堂璧蠢堂建i 佥塞鏊整圣盏建盐 4 2 搡佟系统豹定黼 当系统的硬件设计已经确定后，接下来的问题就是如何将操作系统和应用软件 在其上运霉起来。这过程分为薅个步奏，善先楚到用微软提供匏工哭将w i n d o w s c e4 2 搡作系统定制好，移植到硬件平台上，然后就魑在此系统平台上进彳予应用 疆穿秀发。本设谤藩期帮发王终主簧集孛在本系统w i n d o w sc e4 。2 擞级支稽奄静 设计实现。 4 2 。1 操作系统定制王具 为了方便的褥w i n d o w s c e 转秘一令毅瓣硬弹乎台，m i c r o s o f t 提供了套完整 的汗发工具w i n d o w sc ep l a t f o r mb u i l d e r 9 1 。w i n d o w sc e 是一个部分公开源代码的 嵌入式搽律系绕，p l a t f o r mb u i l d e r 置具班痒形式疆供操作系统岛孩摸块。 p l a f f o r mb u i l d e r 工具包提供了适合部分处理器的b s p 源代码，包括用于 o e m 适配层( o a l o e ma d a p t a t i o nh y e r ) 的源代码和备种驱动源代码p l a f f o 锄 b u i l d e l 还包含底层调试工具。 图4 2p h f f o r mb u i l d e r 集成开发环境 f i g u r e4 2i n t e g r a ld e v e l o pe n v i r o n m e n to f p l a t f o r mb u i l d e r 如图4 2 ，羚发界魏的上边是菜攀栏；发边为王作送，主要是竣诤瓣操弦系统 镜像包括的驱动、应用程序等的目蒙权；右边为组件目录区，它包含所有可以添 韭魔銮疆态堂蠛堂焦迨窑熬熊垩巍递进 热蜀疆标系统懿特径缝俸；孛粼为文转代码溆览簪羧区；下嚣秀编潭、调试鞠迁 录等信息输出窗口。 4 。2 。2 定制操作系统 ( 1 ) 、掇据我织系统熬震婺，依下列步骤定甓： 选择我们修改的b s p ，使用s a m s u n gs m d k 2 4 l o ：a r m v 4 ； 选择基本配置m o b i l e h a n d l e d ，命名王程，选择翻建强录； 选择多媒体与应用组件( 注：w i n c e 的优势在于其裁减性，选的缎件越多， 最瑶生成的镜像会越大，选择时应考虑实际应用需瓣的情况) ； 选择局