（电机与电器专业论文）多机伺服系统的通讯接口研究与实现.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt e c h n o l o g y ，t h ed e m a n do f t r a n s m i s s i o ns y s t e mb e c o m e sm o r e s ot h es y n c h r o n i z a t i o no fs e v e r a l t r a n s m i s s i o ns h a f t si n s i d es e r v os y s t e mi sn e e d e di nm o r ec o n d i t i o n s ，a n d i t sp r e c i s i o na n dc a p a b i l i t ya l s om u s tb en o t e d t h es y n c h r o n i z a t i o no f t r a n s m i s s i o ns h a f t sc o u l db er e a l i z e db yt h ec o n n e c t i o no fm e c h a n i s m b e f o r e ， b u tt h e t e c h n i q u eo f n o - s h a f tt r a n s m i s s i o ni nw h i c ht h e c o n t r o l l e r so f t r a n s m i s s i o n s h a f t sa r ec o n n e c t e db ys e v e r a lk i n d so f c o n 咂n u n i c a t i o n s ，a n dt h e na c h i e v et h es v n c h r o n i z a t i o nb ye l e c t r i c a l f a s h i o n ，i sb e c o m i n gm o r ea n dm o r eu n i v e r s a l t h en e wm e t h o dh a sg r e a t i m p r o v e m e n ti nc a p a b i l i t ya n dc o s tt h a nb e f o r e ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w h i c hw a su s e di ns e r v os y s t e ma n da c h i e v e s s y n c h r o n i z a t i o nb yr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n ，w a si n v e s t i g a t e di nt h i s p a p e r t h ep r o b a b i l i t yo f e t h e r n e ta p p l i c a t i o ni nt h i ss y s t e mw a sa n a l y z e d f i r s t l y ，a n dt h e nt h ed e s i g no fc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw a sd e s c r i b e d ： 1 t h ej o i n to fs e r v os y s t e me t h e r n e tw i t hu p p e rm a c h i n ew a sp r o j e c t e d b ys a m s u n g $ 3 c 4 5 1 0 b 2 t h ei n n e re l e c t r o e i r c u i to fd r i v es y s t e mw h i c hw a su s e dt oc o m m u n i c a t e a r mi nm a i nd r i v es h a f ta n d d s pd o u b l ej o i n t sr a m ，a n dc a ns i d eb u sj o i n t e l e c t r oc i r c u i ta m o n gs i d et r a n s m i s s i o ns h a f t sd s pw e r ef r a m e d 3 t h es i m p l ec o m m u n i c a t i o na g r e e m e n to fe t h e r n e ta n dc a ns i d eb u sa n d t h es o f t w a r ew e r ec o m p l e t e d k e vw o r d s ： m u l t i s h a f ts e r v os y s t e m , n o - s h a f tt r a n s m i s s i o n ，e t h e r n e t , a r m d s p n 浙江大学硕士学位论文 第一节伺服系统概述1 3 8 1 第一章绪论 伺服系统的发展经历了从液压到电气，从直流系统到交流系统的过程。由 于直流电机与电磁转矩相关的是两个相互独立的变量：主磁通与电枢电流。只要 分别控制励磁电流与电枢电流，就可以方便地进行转矩与转速的控制，在宽广的 范围内实现无级调速，调速方便。而且在磁场一定的条件下其转矩和电枢的电流 成正比，具有良好的动态性能。从控制角度看，直流伺服的控制是一个单输入单 输出的单变量控制系统，经典控制理论完全适用于这种系统，因此，直流伺服系 统控制简单，调速性能优异，在电气伺服系统最初的发展的相当长的一段时间内， 其曾一度占据着主导地位。但是，由于直流伺服电动机存在着机械接触式的换向 器，结构复杂，成本过高，在运行过程中容易发热。而且由于换向器的存在，在 运行中容易产生火花，容易对现场设备造成干扰，不能用于环境恶劣的场合。其 电刷容易损坏，在运行过程中需要经常维护。而且由于换向问题，直流电机一般 无法做成大容量的机组。而交流电机，特别是鼠笼式异步电机，由于其克服了普 通直流电机换向器结构的弱点，结构简单，制造方便，价格低，运行稳定可靠， 可用于恶劣的环境。在早期，交流伺服系统没有得到广泛应用的一个主要的原因 是因为交流电机的调速比较困难。但随着电机调速理论的发展，特别是矢量控制 理论的提出，以及电力电子器件的发展，计算机控制技术的应用，交流伺服系统 完全可以达到与直流系统相媲美的程度。交流伺服系统正在逐渐地取代直流伺服 系统。 随着应用领域的不断的扩展，应用要求的不断提高，简单的单机调速已不能 满足全部应用需求。在很多领域，人们需要多轴的高精度同步运行，多轴的高精 度位置、速度的同步控制，即多机伺服系统的同步运行。由于以往依靠刚性轴实 现的多机伺服系统的同步运行性能差，设备庞大，成本高，d r k l a u sp e t e r s 提出 了无轴传动的概念。无轴传动，又称为无齿轮传动，即取消原来连接在运行中需 要同步的各传动轴间连接的用来实现同步的刚性的连接轴、齿轮、凸轮等机械机 构，而代之以电子通信的方式实现各传动轴的同步。从无轴传动的概念一经提出， 浙江大学硕士学位论文 d r i g a u sp e t e r s 经过深入的分析就得出了“有轴传动会逐渐失去市场，无轴传动 将逐浙占领市场”的结论。尽管当初没有一家公司愿意容纳无轴传动的理念，但 今日无轴传动在伺服系统中的广泛应用已经验证了d r i g a u s p e t e r s 的预言。无轴 传动必将逐渐取代有轴传动。 交流伺服取代直流伺服、全数字化取代模拟、无轴传动取代有轴传动这是 伺服系统发展的几个趋势。 第二节以太网的发展情况及其在工控领域的应用情况p 】1 4 1 1 5 1 1 6 1 1 7 1 1 5 1 以太网是一类满足一套规范的计算机局域网技术。其最早是在七十年代由 x e r o x 公司发明的。最初其传输速率只有2 9 4 b t b i t s 。接着，在1 9 8 0 年，由数 字设备公司、英特尔公司和x e r o x 公司在原来的以太网的基础上联合开发了与 i e e e s 0 2 3 标准兼容的以太网2 o 方案，此时以太网的传输速率已达到了 1 0 m b i t s 了。后来，电气与电子工程师学会相关组起草了i e e e 8 0 2 3 ul o o b a s e t 标准规范，并于1 9 9 5 年7 月获得批准，从而以太网的速率提升到1 0 0 m b i t s 。 1 9 9 9 年通过的i e e e 8 0 2 3 a b i e e e 8 0 2 3 z 标准又规定了1 0 0 0 b a s e x 吉比特以太 网标准的以太网其速度已经达到了1 0 0 0 m b i t s 。而2 0 0 0 年一月拟定的i e e e 8 0 2 3 a e 标准草案则制定了1 0 0 0 0 b a s e x 以太网协议草案，其速度为 1 0 0 0 0 n b i t s 。以太网目前使用得已经非常广泛了，发展比较成熟，人们已对其 具有了丰富的安装基础和运行经验。各种以太网器件价格均比较便宜，且性能稳 定，供货量也较充足。其可靠性也较高。在负载不太重时，延时几乎为零。可以 说其为一性能非常优良的网络。但以太网在工业控制领域一直应用的不是很多。 这主要是因为以下几个方面的原因： ( 1 )以太网的数据链路层采用的是具有冲突检测载波侦听的多点接入c s m a c d 技术，其基本工作原理是：某一节点在发送数据时，先要监听网络，如果网络忙 则一直等到网络空闲才开始发送，否则立即发送。如果两个节点或更多的节点监 听到网络空闲并同时开始发送数据，这将引起发送冲突，于是节点将会停止发送 并延迟一个随机时间后再次发送，于是造成了通讯的不确定性。这种通讯的不确 定性在工业控制中是无法忍受的。 2 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 工业可靠性问题。由于以太网起初是以办公自动化为目标设计的，其没有 考虑工业控制现场的恶劣工作环境。其中应用的很多部件，如r j 4 5 接口，h u b 等都不能保证在恶劣的工业现场环境下可以正常地工作。 ( 3 )以太网不提供电源，必须额外地提供供电电缆。 但随着以太网技术的发展，目前上述问题基本已得到解决。设计中的以太网 速度现在最高已可以达到l o g b i t s ，对于同样的通信量，网络速度的提高则意味 着网络负荷的降低。而实际上，有人做过统计，在工业控制领域应用的i o m 以太 网，其网络负荷大约只有不到百分之十。1 9 8 4 年和1 9 8 6 年h o f f m a n n 和k e r s t i n g 以及b u r d 所做的实验则表明：以太网的负载达到4 0 仍能保持实时性，且当负 载低于6 5 时，以太网较令牌总线有更好的延时特性，从而表明虽然以太网具有 不确定性但仍适合于实时应用。而近些年来发展的快速交换式以太网技术，将网 络用交换器分割成互不相连的几个网段从而使得每个设备可以独占一个网段，从 而每个设备可以同时发送信息而不会有冲突，可以采用全双工通信，可以完全避 免c s m a c d 的碰撞，并且可以方便地实现优先级机制，保证网络带宽的最大利 用率和最好的实时性能。而现今的工业以太网技术也解决了以太网在工业现场恶 劣环境下可靠工作的问题。p o e 技术也可以解决以太网的供电问题。现在，以太 网已完全可以应用在工业控制系统中。 说到以太网就不得不提及在以太网中应用非常广泛的的t c p i p 协议和 u d p i p 协议这两个协议。t c p 和u d p 是传输层的协议，i p 协议则是网络层的协 议。在t c p i p 协议族中，网络层ip 提供的是一种并不可靠的服务。也就是 说，它只是尽可能快地把分组数据从源结点送到目的结点，但是并不提供任何可 靠性保证。但t c p 却在不可靠的i p 层上提供了一个可靠的运输层。为了提供这 种可靠的服务，t c p 采用了超时重传、发送和接收端到端的确认分组等机制。由 此可见，运输层和网络层分别负责不同的功能。u d p 为应用程序发送和接收数据 报。一个数据报是指从发送方传输到接收方的一个信息单元( 例如，发送方指定 的一定字节数的信息) 。但是与t c p 不同的是，u d p 是不可靠的，它不能保证数 据报能安全无误地到达最终目的。换句话说，t c p 提供的是一种可靠的服务而u d p 提供的则是一种不可靠的服务。但可以想象，t c p 协议的传输的效率肯定不如u d p 高。鉴于t c p 协议和u d p 协议的各自的特点，在电机控制系统中我们就可以将一 些事件触发的信息，比如控制计算机传向电机的开机，关机等指令利用t c p 协议 浙江丈学硕士学位论文 发送。而其它一些周期性的信息，如发送给控制计算机的电机的转速，力矩等信 息以及控制计算机发送的周期性控制信号等可以定时地利用u d p 协议发送给控 制计算机。由于u d p 协议是不可靠的协议，所以在应用层我们必须采取一些措施 来保证其可靠性。一个最简单的措施就是可以在u d p 报文的数据段内专门为消息 设一个或几个字节的标识符，在发送过程中依此来判断是否有数据报的丢失。 第三节现场总线技术的现状及发展1 1 2 1 1 ”i i l 作为一种优良的总线技术，现场总线具备很多以太网所无法具备的优良特 性。其不可以被以太网完全取代。二者必将各自在各自具有优势地场合协同地工 作着。现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的，应用在生产现场，在数字化测 量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也称为开放式、数字化、 多点通信的底层控制网络。现场总线具有丌放性、互操作性和互换性、数字化通 信、智能化与功能自治性、高度分散性、对现场环境适应等优良的特性，适应了 工业控制系统向分散化、网络化、智能化的发展方向，因而一经产生便受到全世 界的普遍关注，成为自动化技术的热点。现场总线的出现，给控制技术带来了深 刻的变革。但令人遗憾的是，现场总线标准并不是唯一的。目前应用范围较广的 现场总线有：a n y b u s ，c a n ，p r o f i b u s ，f i e l d b u s ，w o r l d f i p ，p - n e t ，l o n w o r k s ， i n t e r b u s ，d n e t ，c n e t ，l i g h t b u s ，m o d b u s ，c c l i n k 等。尽管现场 总线多标准的出现令很多人感到失望，但是由于这一技术所涉及的应用领域十分 广泛，几乎覆盖了所有连续、离散工业领域，所以很难以一种技术一统天下。每 种现场总线的制定者都是针对自己最善长，最熟悉的领域来制定现场总线标准， 在此基础上力图扩大其应用范围，都有自己的特色和定位。【1 4 】如p r o f i b u s 主要用 于制造业自动化，过程控制自动化，电力、发电、输配电，楼宇、空调、风机、照 明，铁路交通、信号系统等领域；i n t e r b u s 贝1 主要是应用在器件级的现场总线； d e v i c e n e t 主要应用在汽车、半导体芯片制造等领域：l o n w o r k s 主要应用于楼宇 自动化方面。而c a n 总线一开始是为汽车监控和控制系统而设计的，但现在其应 用已不仅仅局限在汽车行业了。正所谓具体问题要具体分析。每一种现场总线标 准都有其最适用的领域，在某些领域，某种现场总线可能具有很高的性能价格比， 具有很优良的特性，但超出这些领域可能就不是最优的，甚至是不可以使用的。 4 浙江大学硕士学位论文 因此，从这一角度看，现场总线标准的不唯一也是有必要的。因为使用一种现场 总线技术不可能满足所有行业的技术要求。这样，在不同的工程应用中，我们可 以根据具体的情况选用不同的现场总线标准。 尺有所短，寸有所长。以太网在成本，兼容性，速度等方面具有显著的优良 特性。但由于其设计之初是为了用于办公，用于数据处理，再加上设备层的特殊 性，以太网应用于设备层的通讯具有其先天性的不足。而现场总线，虽然在速度 等方面不及以太网，但其是专门为了设备层之间的通信而设计的，其更适合应用 于设备层的通讯。二者更多的是融合而不是互相取代。本课题中上层的通讯采用 的正是以太网技术，而底层设备层则选用了现场总线中的c a n 总线，正是基于以 上的考虑而做出的。 第四节本文研究的目的和意义 图1 1 机械方式实现的多轴同步 伺服系统在各种机械设备中广泛应用，控制的复杂性也在提高。上位系统需 要用计算机来进行管理、操作和控制，其中，采用以太网通讯管理和控制下属的 浙江大学硕士学位论文 传动子系统已经是广泛采用的选择。 在传动子系统中，包含多个驱动点，在实际的应用中常常存在两轴以上的运 动的协调同步问题，即多轴同步伺服控制。如自动化包装流水线的驱动系统，卷 筒纸报业印刷机的驱动系统等在各个传动轴间往往有同步运行的要求。同步技术 在当今的伺服控制系统中扮演着非常重要的作用，而且随着科技以及经济的发 展，人们对于同步技术的要求将会越来越广泛，越来越精确。最初，为了达到同 步的要求，如图1 1 所示，人们往往采用刚性连接轴的方法，增加齿轮，凸轮等 机构将需要实现同步的各个传动轴间用一刚性轴连接起来，从而用机械的方法实 现传动轴间的同步运行。通过齿轮的耦合可以实现各传动轴间速度按一定的比例 运行，实现速度上的同步。而通过凸轮的耦合，耦合的各传动轴按同样的轮廓运 行，可以实现位置上的同步。但由于增加了额外的机械机构，这样必然会使锝伺 服系统的体积过于庞大，维护不方便，实现的成本高。而且，由于机械机构间存 在间隙以及运行中的磨损，必然会造成调速系统的精度不高，调速效果差，动态 响应性差，而且其对电机的要求高，需要大力矩大功率的电机，而且在两个轴间 距离较远的情况下还无法实现。 图1 2 通信方式实现的多轴同步 随着驱动器通信能力的提高和现场总线技术的飞速发展，尤其是近年来信息 技术的日新月异使得如图1 2 所示的通过网络对伺服系统变频器进行在线同步控 浙江大学硕士学位论文 制成为可能。图1 2 中，每个电机之间在机械上都是独立的。各个电机通过通信 的方式联系实现各自之闻的同步( 即所谓的“电子齿轮”与“电子凸轮”) 。如卷 筒纸报业印刷机的无轴同步驱动技术，每个驱动点印刷一种颜色，经四次( 色) 印 刷后获得彩色报纸。取消了原来的靠机械长轴实现的同步，但套色要求独立的驱 动点相互之间具备高精度的位置同步，这些同步还是在高速运行的环境下实现 的。这种高精度要求的同步现在就可以由通信的方式实现无轴同步传动来实现。 相较于传统的机械方式实现的同步，依靠通信的方式连接的方式不仅简单方便， 成本低，而且系统的动态响应快，精度高。 本课题主要探讨伺服系统的通信接口及其实现。一是，上位系统通过以太网 对传动组的控制和检测；二是，传动组之间的同步运行要求的通讯实现。 第五节本课题的任务 本课题的预期目标是完成应用在伺服系统当中的通信接口设计。系统的总体 框图如图1 3 所示。其中的m s e r v e r 为$ 3 c 4 5 1 0 ba r m 单片机与d s p 2 8 1 2 组成的 一个组内主控单元。而s e r v e r 则为单d s p 2 8 1 2 的控制单元。在此系统中，每个 d s p 控制一个电机，而主控单元除控制一个电机以外，还要负责对上位机的通信 和对下位机的协调与控制。由于对伺服系统内的各个电机有同步的要求，所以， 不仅m s e r v e r 与上位机和组内的d s p 之间要求可以通信，各个组内的d s p 之间也 要求可以方便快速的通信。在此，本课题所要完成的任务是主控单元与上位机的 通信方式的选择以及具体的实现，主控单元与各个d s p 之间以及各个d s p 间的通 讯方式的选择与实现。其具体的工作内容有： 1 研究并实现上位机与伺服系统之间的以太网通信接口。包括伺服系统主控制器 的选择，以及硬件平台的搭建与软件程序的编写。本系统上位机采用安装w i n d o w s 或l i n i j x 的通用p c 机，下位机选定三星公司生产的$ 3 c 4 5 1 0 ba r m 单片机用来与 上位机通讯。硬件电路主要包括a r m 单片机外扩r a m 及f l a s h 存储器，外扩r s 2 3 2 串行接口电路，外扩以太网芯片等。软件则要实现在$ 3 c 4 5 1 0 b 上移植u c l i n u x 操作系统以及在此基础上的网络通信程序和在p c 机上分别针对w i n d o w s 及l i n i j x 操作系统的通信程序的编写。 2 研究伺服系统中，主控制器与各控制用d s p 之间的通信接口的研究与实现。这 浙江大学硕士学位论文 主要包括a r m 与d s p 之间通信接口的选择与设计以及各d s p 之问的通信接口选择 与实现。 3 进行系统的调试，使整个系统能够正确地运行。 图1 3 系统的总体框图 浙江人学钡十学位涂交 第二章伺服系统与上位机以太网接口硬件设计与调试 2 1硬件设计 幽2 1 主传动轴硬件框图 硬件设计分为p c 端的硬件设计与卜位机的硬件设计两部分。其中，p c 端 般都自己带有以太网的网卡，不需要进行额外的设计。而下位机( 即传动缉内的主 传动轴控制器) 的设计也是非常简单的。其基本的框图如图2 1 所示。由j ：星 $ 3 c 4 5 1 0 ba r m 单片机本身已经带有以太网控制器，我们只需在外部扩展一个物理 层的以太删芯，；如r t i 8 2 0 1 b 或d m 9 1 6 1 即可。另外，内= 扩展一块f l a s ! 和d r a m ， 接上晶振与电源即可组成最小系统，实现下位机的以太网接口的功能。本设计 q j ，参考了a r m 板的通用设计思想，扩展牿本的f l a s h s d r a m ，以移植u c l i n u x ： 同 j 、j ，又增扩了双l 】r a m ，用 ：a r m 与丰d s p 2 8 1 2 的通讯。 2 1 1 $ 3 c 4 5 10 ba r m 单片机介绍【9 1 【1 5 1 【1 6 1 $ 3 c 4 5 1 0 b 是s a m s u n g 公司生产的基于以太网应用系统的高性价比1 6 3 2 位 r i s c 微控制器，内含一个由a r m 公司设汁的1 6 3 21 1 c l = a r m y t d m ir i s c 处理器核， a r m y t d m l 为低功耗、高性能的1 6 3 2 核，最适合用r 对价格及功耗敏感的应用 场合。其内部集成了一个以太网控制器，是专门针对基于以太网应用的系统而设 汁的。$ 3 c 4 5 i ( ) b 的c p u 内核是由a r m 公司设训的通用3 2 位a r m y l _ d m i 微处理器 核。整个内核架构基j + r i s c ( r e d u c e dj n s t r u c t i o r ls e tc o m p u le r ) 娥则。与 c i s c ( c o m p l e xi n s l r u c ti o r s e tc o m p u t e r ) 系统相比较，r i s c 架构的指令集 浙江大学硕上学位论文 和相关的译码电路更简洁高效。a r m 7 t d m i 中的t 表示该内核支持1 6 位压缩 指令集t h u m b ，d 表示其支持片上d e b u g ，m 表示内嵌有乘法器，i 表示嵌入式i c e ， 支持片上断点和调试点。a r m 7 t d m i 处理器区别于其他a r m 7 处理器的一个重要 特征是其独有的称之为t h u m b 的架构策略。该策略为基本a r m 架构的扩展，由 a r m 7 - 嗍il c e 3 2 艄捌s e c p ub t e a 糟 善。 c p u n 目在e 马髓m b u s ；， | c a 哺”l 一僦l 一篙i 一， i c a c h e i ic a 刺l 一l 戗舸l网删r ：”l b m ， 一l0 舞 1 l b u s r o l “hl h -i 2 4 2 椭t l a n n e lh d 嗡| s o l 一 ：| 阢 h s d a + 一 誉“岫_叫1 8 g e n e r a li t op o r t sl e m o e r t o 1 ) l 2 - 4 a h a r b o m a i r e 0 ii 廊w 呻t c o n 蝴i + + c k b d r i c 。n s d e l 一 u u q o 1 l + + 。t x b u 附1 2 酯i 7 黜鲫酣2 啪目 c a m 0 2 a 铆 l 3 2 1 1 m e t 0 1 l + + t m a ci g d m a 0 , 1 l t xf i f o ( 8 0 t 埘e s ) i 一 + l 凳 融r f o 1 b 铆慨) i 1删l 1 “o s c 一 t a p c , o n t t o f o r j t a g i 图2 2 $ 3 c 4 5 1 0 b 的结构图 3 6 种基于标准3 2 位a r m 指令集、但重新采用1 6 位宽度优化编码的指令格式构 成。由于t h u m b 指令的宽度只为a r m 指令的一半，因此能获得非常高的代码密 度。当t h u m b 指令被执行时，其1 6 位的操作码被处理器解码为等效的3 2 位标准 a r m 指令，然后a r m 处理器核就如同执行3 2 位的标准a r m 指令一样执行1 6 位的 t h u m b 指令。也即是t h u m b 架构为1 6 位的系统提供了条获得3 2 位性能的途径。 a r m 7 t d m i 内核既能执行3 2 位的a r m 指令集，又能执行1 6 位的t h u m b 指令集， 因此允许用户以子程序段为单位，在同一个地址空间使用t h u m b 指令集和a r m 指 1 0 浙江大学硕士学位论文 令集混合编程，采用这种方式，用户可以在代码大小和系统性能上进行权衡，从 而为特定的应用系统找到一个最佳的编程解决方案。a r m 7 t d m i 内核支持两种工 作状态即a 删工作状态和t h u m b 工作状态，其总是处于其中一种工作状态，工作 状态可以通过软件或异常处理进行切换，在a 跚状态时执行的是3 2 位字对齐的 a 跏指令，而在t h 瑚b 状态时，指行的是1 6 位对齐的t h u m b 指令。另外a 删7 t d m i 内核还支持7 种操作模式，这些操作模式可以通过软件控制来进行切换。 $ 3 c 4 5 1 0 b 的结构图如图2 2 所示除了a r m 7 t d m i 核外，$ 3 c 4 5 1 0 b 比较重 要的片内外围功能模块包括： 8 k 字节的一体化的c a c h e s r a m 一个f c 接口 一个以太网控制器( 只包括m a c 层，如需用到以太网功能尚需自己外扩一片 只带物理层功能的网卡) 2 个带缓冲描述符的h d l c 通道 2 个g d m a 通道 2 个u a r t 通道 2 个3 2 位的定时器 1 8 个可编程的i o 口 中断控制器 系统管理器 j t a g 接口 由于在本课题中并没有用到其所有的外围模块。下面仅具体介绍一下在本课题 中用到的一些模块。 浙江大学硕士学位论文 2 1 1 1 系统管理器 ( 1 6 m x3 2b i t s ) s a 2 5 ：o 】 r e s c 玳, - e d s p e c 划r e 9 0 s t 酐日a n k i n t e m ds r a m f _ x t 村n a au o8 a m k3 e x t e r n a lu ob a n l 2 f _ x t e m a li ob a n k1 e x t e r n a l 帕b a n k0 d r a m s o r a mb a n k3 ) r a m t s o r a mb a n k2 d r a m s o ) r a mb a n k1 d r a m s o r a mb a n ko r o i , 4 s r a i a v f l a s hb a n k5 r o 峪r a 十v f l a s h 日o n k4 r o m _ ，s r a m ，f 协s hb 甜k3 r o t 停r a 怍 a s hb a n k2 r o m s r a m , r a s hb a r = k1 r o m s r a m f i a s hb k0 士a 1 6 。k 。w r o 【2 r d l s ：川- , 4 mw 。5 。2 啪 图2 3 $ 3 c 4 5 1 0 b 的存储器的分组 $ 3 c 4 5 1 0 b 的系统管理器在整个系统的工作中起着非常重要的作用。只有理 解了系统管理器的作用与原理，才可能进行程序的设计与开发工作。 通过系统管理寄存器，$ 3 c 4 5 1 0 b 单片机可以配置存储器的类型、外部数据 宽度及访问周期、存储器组的定位以及存储器组的大小等。 $ 3 c 4 5 1 0 b 的存储空间采用统一寻址的方式。系统的各种存储器以及外设， 特殊功能寄存器，外部i o 空间等都映射到统一的地址空间。为了便于管理，又 将地址空间分成了若干个组，每一个组称为一个存储器组。图2 3 为$ 3 c 4 5 1 0 b 的存储器的分组情况。每个寄存器组通过其十位的基地址指针可以映射到存储空 间的任意位置。而且可以通过配置其基地址和尾地址指针的大小，指定存储组的 大小。但要注意的是，每两个相邻的存储器组的地址空间决不能重叠。 在上电或是复位后，所有组的地址指针寄存器都被初始化成其默认值。这时， 除了r 伽s r a m f l a s h 组建和特殊功能寄存器组以外的所有寄存器组地址指针都 被清零。这意味着除了r o m s r a m f l a s h 组0 和特殊功能寄存器组外，所有其它 1 2 浙江大学硕士学位论文 的组在起动时都是未定义的，都是不能访问的。所以，在进行程序设计时，一般 总是要首先通过配置相应的寄存器，定义系统的存储空间，使能其它的组。系 统管理器对应的寄存器有s y s c f g 系统配置寄存器，c l k c o n 时钟控制寄存器，外 部i o 时序寄存器oe x t a c 0 n o ，外部i o 时序寄存器1e x t a c o n l，分组数据总 线的宽度设置寄存器e x t d b w t h ，r o m c o n o - 一r o m c o n 5r o m s r a m f l a s h 组0 一一 组5 控制寄存器，9 p 洲c o n o 一- - d r a m c o n 3d r a m 组o _ 组3 控制寄存器，r e f e x t c o n 刷新与外部i o 控制寄存器。s y s c f g 寄存器决定特殊功能寄存器组以及内部s r a m 组的基地址，以及s r a m 如何分配，s d r a m 的模式等。r o m c o n o - r o m c 0 n 5 分别决定 r o m s r a m f l a s h 组0 至组5 的基地址指针，尾地址指针，以及一些访问的参数。 d r a i c 0 n o _ 加r a m c 0 n 3 则决定d r a m 组o 到组3 的参数。r e f e x t c o n 决定了外部i o 组的基地址指针，d r a m 刷新参数等。值得注意的是r e f e x t c o n 寄存器的第十六 位v s f 特殊功能寄存器组有效性位，当v s f 位为0 时，存储器组不可访问，只有 当v s f 为1 时，存储器组可以访问。按照4 5 1 0 使用手册上的说法，每当配置寄 存器r o m c o n o r o m c o n 5 以及d r a m c o n o d r a m c 0 n 3 这十个寄存器时，v s f 位会自 动清零。所以，在配置这些寄存器时一定要配置完后将v s f 位置位。这可以通过 s t m i a 指令来实现。 2 1 1 2 以太网控制器 s 3 c 4 5 1 0 b 内嵌一个1 0 m 1 0 0 m ，可以工作在半双工或全双工模式下的以太网 控制器。图2 4 为$ 3 c 4 5 1 0 b 的以太网模块的流控制框图。在半双工模式下，控 制器支持i e e e 8 0 2 3 的c s m a c d ( 载波侦听检测协议) 。在全双工模式下，控制 器支持用于流控操作的i e e e 8 0 2 3 m a c 控制层协议。以太网控制模块的m a c 层支 持媒质独立接口m i i 和带缓冲的d m a 接口b d i 。$ 3 c 4 5 1 0 b 内嵌的以太网控制器本 身并不带有物理层的功能。所以，要想实现以太网的功能，必须外扩一块只带物 理层的以太网卡。 浙江大学硕士学位论文 图2 4 $ 3 c 4 5 1 0 b 的以太网模块的流控制框图 2 1 1 3 $ 3 c 4 5 1 0 b 管脚介绍 图2 5 为$ 3 c 4 5 1 0 b 的引脚分布图。$ 3 c 4 5 1 0 b 采用q f p 2 0 8 封装，一共有 2 0 8 个管脚。下面简单地介绍一下在本系统中将会使用到的一些管脚。 x c l k ( 引脚号8 0 ) ，这是系统的时钟源。如果c l k s e l 为低电平的话，那么 s 3 c 4 5 1 0 b 将会使用经过p l l 倍频后的时钟做为自己的内部时钟，如果c l k s e l 为高电平的话，则直接使用x c l k 作为内部时钟。 c l k s e l ( 引脚号8 3 ) ，时钟选择引脚。作用如上已述。 n r e s e t ( 引脚号8 2 ) ，这是整个系统的复位信号，要使系统可靠地复位n r e s e t 信号必须至少保持6 4 个主时钟周期的低电平。 1 4 浙江人学坝l 学位论文 一一 赢融二； 疆憩黧鬈鞭淫蒸鬻爨氯 陶2 5s 3 6 4 5 1 0 b 的引脚分布图 以下是i t a ( ；相关引脚： t c k ( 引脚弓5 8 ) ，j t a g 的测试时钟。 。t m s ( 引脚号5 9 ) ，j t a g 的测试模式选择。这一位控制着$ 3 c 4 5 1 0 b 的j l 、a g 测 试操作。 f d i ( 引脚弓6 0 ) ，j t a g 的测试数据输入位。 1 、d o ( 引脚号6 1 ) ，j 1 a g 的测试数据输出位。 。 n t r s t ( 引脚号6 2 ) ，j t a g 的复位信号。 以下是存储器相关引脚： 。 a d d r 2 1 ：( ) ( 引脚号：1 1 71 l o ，1 2 9 1 2 0 ，1 3 51 3 2 ) ，系统的地址总线。 x d k t a 3 】：o ( 引脚号：1 4 l j3 6 ，1 5 4 1 4 4 ，1 6 6 1 5 9 ，17 51 6 9 ) ，系统的3 2 位数据线。 。 n r a s f 3 ：0 n s d c se 3 ：o ( 引脚号：9 4 ，9 1 ，9 0 ，8 9 ) ，d r a m 行地址锁存信号，和 s d r a m 的片选信号。 。 n s d r a s ，n s d c a s ，c k e ( 引脚号：9 5 ，9 6 ，9 7 ) ，分别为s d r ar v i 的行地址锁存信 号，列地址锁存信号。和时钟使能信号。 r l r c s 5 ：0 ( 引脚号：8 88 4 ，7 5 ) ，r o m s r a m f i 。a s h 片选信号。 浙江大学硕士学位论文 b o s i z e 1 ：o ( 引脚号：7 4 ，7 3 ) ，r 伽s r a m f l a s h 组0 的数据总线宽度设 定。 n o e ( 弓l 脚号：7 2 ) ，输出使能。 n w b e 3 ：0 d q i i 3 ：o ( 引脚号：1 0 7 ，1 0 2 ，1 0 1 ，1 0 0 ) ，存储器的写定节使能和 s d r a m 的数据输入输出屏蔽。 以下是以太网相关引脚： c o l c o l1 0 m ( 引脚号3 8 ) ，以太网冲突检测引脚。 m d c ，m d i o ( 弓 脚号：5 0 ，4 8 ) ，分别为以太网管理数据时钟和管理数据输入输 出。 t x _ c l k t x c l k _ i o m ( 引脚号4 6 ) ，以太网发送时钟。 t x d 3 ：o ( 引脚号：4 4 ，4 3 ，4 0 ，3 9 ) ，以太网发送数据输出引脚。 t x e n ( 引脚号：4 7 ) ，发送使能引脚。 t x _ e r r ( 4 5 ) ，发送错误。 c r s ( 2 8 ) ，载波侦听。 r x _ c l k ( 3 7 ) ，接收时钟。 r x d 3 ：0 ( 3 5 ，3 4 ，3 3 ，3 0 ) ，接收数据引脚 r xd v ( 2 9 ) ，接收数据有效 r x _ e r r ( 3 6 ) ，接收错误 以下是u a r t 串行口相关引脚： u c l k ( 6 4 ) ，外部u a r t 时钟输入引脚。 u a r x d o 1 ，u a t x d o 1 ( 2 0 2 2 0 6 ，2 0 4 4 ) ，u a r t o 和u a r t l 的数据接收和发 送引脚。 以上只介绍了部分引脚。相它引脚的具体描述请参照参考文献1 6 。 2 1 2 电源电路设计【1 7 】 在该系统中，需要同时用到5 v 和3 3 v 电源。系统的外部输入电源为5 v 直 流电源。所以，尚需一个d c - d c 的变换器完成5 v 到3 3 v 的转换。这种变换器是 很多的。在此我们选用的是：美国国家半导体公司( n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ) 的l m l l l 7 。其电路连接非常简单，参照参考文献1 7 介绍的连接方法，电路连接 1 6 浙江大学硕士学位论文 如下图2 6 所示。 lt ： + ：! l ；i ； t ；4； 1 g n d 3 1；v 一一一”。 2 ； o u t p u t 1 甜一 一v 3 猖p o t 一；t 3 一，；一 ，：。； ： 一；吣? ，j￥? 。二- l i ； m l u ? - 3 3 毒毒一：。一卜i 。 “ ： ： ? 一 t ：l j l 。，矗毒。：三。 一，| 一；+ * 一 。，。一| 。，；，。 一是立。，勺墨! ! ? 2 j ，： ?j 、+ ； ；i ，一il 一 + 。”r 誓 ，i ，二i 融i2 l 二l ：。一ii 引； i 二“i ；隧i ! ； 5 ； 1 鼍j | v 、一。”“? ：r 飞 r j 蔓；、2 ；一；：毫， i ，： ； # ；4 。 ；l 辅；甬慝藩 稿一薅刳十 墨；鞣l 瑟瑟纂 2 1 3 晶振电路设计 图2 6 电源电路 $ 3 c 4 5 1 0 b 要采用有源晶振。相对于无源晶振来说，有源晶振要接电源，但 其不用外加电容，输出信号也比较稳定。在此我们选择1 0 m 的晶振，在$ 3 c 4 5 1 0 b 内部可以通过p l l 电路最高倍频到5 0 m h z 。其具体的电路如图2 7 所示： 图2 7 晶振电路 x c l k 直接输入$ 3 c 4 5 1 0 b 的x c l k ( 8 0 ) 管脚。 2 1 4 复位电路设计1 川 复位电路主要完成内核以及需要的外设的上电复位。本系统中采用的是i m p 公司生产的i m p 8 1 1 芯片。当系统上电后其会为系统提供复位信号。而且其可在 浙江大学硕士学位论文 系统的工作过程中监控系统的供电电源。当芯片的电源低于一个固定的阀值时， n r e s e t 引脚就会输出一个低电平。并且当复位条件不满足后( 电源高于固定的 阀值后) ，n r e s e t 引脚上的低电平还至少会持续1 4 0 m s 。m r 引脚则为手动复位 引脚，只要m r 引脚为低电平则n r e s e t 将会一直输出低电平，当m r 恢复为 高电平后，n r e s e t 引脚也会保持低电平至少1 8 0 m s 。在本系统中由于没有设计 手动复位功能，该引脚直接上拉。为了保证在v c c 低于1 1 v 时，n r e s e t 引脚 输出信号的确定性，按照手册的推荐，在n r e s e t 引脚通过一个1 0 0 k 的电阻下 拉。具体的电路如图2 8 所示。n r e s e t 接至$ 3 c 4 5 l o b 的n r e s e t ( 8 2 ) 管脚。 图2 8 复位电路 2