（计算机应用技术专业论文）基于arm和uclinux的嵌入式监控系统的研究.pdf

摘要 摘要 数据采集与监控系统是工业过程生产安全、平稳运行的关键环节。计算机 技术、网络技术和通信技术的快速发展和i n t e m e t 的广泛应用，促使监控系统 向开放性、网络化、智能化发展，网络化监控系统是实现工业信息化的重要组 成部分。嵌入式监控系统正在成为监控系统领域研究的热点。 本论文提出了一种基于a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ( a r m ) 微处理器和嵌入式 操作系统u c l i m t x 的监控系统的新方案。此方案以i n t e r n e t 桥梁，向下兼容现 场层，向上以局域网接入i n t e m e t ，实现网络监控。该方案有很强的实用性、扩 展性、开放性。 本文研究了基于a r m 7 内核的嵌入式处理器s 3 c 4 4 b o x 的硬件系统的设计 及实现。围绕着该处理器的硬件系统包括两部分，主体电路设计和外围支持电 路设计。其中，主体电路包括了系统存储单元，调试接口、网络接口等。外围 支持电路包括系统电源、输入输出接口等。 阐述了嵌入式可配置操作系统u c l i n u x 的独特的可配置性的功能特点，及 在特定应用系统设计中的操作系统移植、驱动程序设计、上层应用程序设计的 基本概念和设计。针对平台研究了u c l i n u x 的移植，并成功稳定运行。 分析了基于b s 的监控系统的构架，并研究了在u c l i n u x 下的设计及实现。 嵌入式监控系统将t c p i p 和嵌入式系统两方面新技术有机地结合起来。既 满足了运行网络协议的功能要求，又顺应了嵌入式系统采用3 2 位微处理器及内 置操作系统的发展趋势。研究成果对于高端嵌入式系统在工控领域的应用和技 术推广具有一定的参考价值。 关键词监控系统；嵌入式；a r m ；u c l i n u x 北京工业大学工学硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c e ，n e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s ，m o r ea n dm o r e _ d i s t r i b u t e df e a t u r e sh a v eb e e np r o v i d e dt ot h e s u p e r v i s o r ya n dc o n t r o ls y s t e m t h ec o m b i n a t i o nb e t w e e ne m b e d d e ds y s t e ma n d s u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mi so fag r o w i n gc o n c e r n t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t san e ws c h e m eo f s u p e r v i s o r ya n dc o n t r o ls y s t e mb a s e d o nt h ea r m m i c r o p r o c e s s o ra n du c l i n u xw h i c hi sa 1 1e m b e d d e do p e r a t es y s t e m t h ea p p r o a c hi ss c a l a b l ea n dr e l i a b l ew h i c hi sc o m p a t i b l ew i t l lt h ef i e l d b u sa n d i n t e r n e t a g e n e r a ld e v e l o p m e n tp l a t f o r mf o rd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e d t h e m e t h o d so f h a r d w a r ec h o i c ea n dt h ec i r c u i t sd e s i g na r ed e s c r i b e d t h ec e n t e ro f t h e h a r d w a r ep l a t f o r mi st h em i c r o p r o c e s s o rs 3 c 4 4 b o xm a d e di ns a m s t m gc o m p a n y , w i t ht h ef u n c t i o n so ft h en e tt r a n s f e r , j t a c as e r i a lp o r te t c b a s e d0 1 2t h eg e n e r a ls y s t e m a t i ch a r d w a r e s ，t h ep a p e re x p o u n d st h eu n i q u ea n d c o n f i g u r a b l ef u n c t i o n so ft h eu c l i n u x - a no p e r n o no p e r a t i n gs y s t e m s t h ec o n c e p t i o n a n dt h em e t h o dt op o r tt h eu c l i n u xs y s t e ma n dp r o g r a mt h ed r i v e r sa n dd e s i g nt h e u p p e ra p p l i c a t i o n s i s e x p a t i a t e d p o r t e d u c l i n u xt ot h eh a r d w a r e p l a t f o r m s u c c e s s f u l l y t h i st h e s i sa l s od i s c u s s e st h ed e s i g na n dt h ei m p l e m e n to fb sb a s e do nt h e p l a t f o r m o nt h eb a s i so ft h es t u d ya b o v e ，ad e m os y s t e mo fb su s e df o rd a t a a c q u i s i 。t i o n1 sd e v e l o p e d c h a r a c t e r i s t i co ft h i s p a p e ra r ea s s o c i a t e d 、i t l la ni n n o v a t i v ec o m b i n a t i o n b e t w e e ne t h e m e ta n de m b e d d e ds y s t e m t h i sd e s i g nn o to n l yf u l f i l l e dt h ef u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t sf o re t h e r n e tp r o t o c o l ，b u ta l s op r o v i d e dac o n s i s t e n c yw i t ht h e e m b e d d e ds y s t e m p r o g r e s s o fa d o p t i n g3 2 一b i t m i c r o p r o c e s s o ra n de m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m t h er e s u l to ft h i sr e s e a r c hp r o v i d sav a l u a b l ei e f e r e n c ef o r a p p l i c a t i o no f h i g hp e r f o r m a n c ee m b e d d e ds y s t e mi ni n d u s t r i a lc o n t r o lf i e l d k e yw o r d s u p e r v i s o r ya n dc o n t r o ls y s t e m ；e m b e d d e d ；a r m ；u c l i n u x 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 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。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：毒拿每导师签名：立挚日期：塑塾幽口日 第1 章绪论 1 1 课题概述 第1 章绪论 数据采集与监控系统是工业过程生产安全、平稳运行的关键环节。计算机技 术、网络技术和通信技术的快速发展和i n t e m e t 的广泛应用，促使监控系统向开 放性、网络化、智能化发展，网络化监控系统是实现工业信息化的重要组成部分。 嵌入式监控系统正在成为监控系统领域研究的热点。 本课题研究的目的为：采用嵌入式技术和网络技术，设计和实现数据采集与 监控系统，研究和规划一个通用的s c a d a 系统，实现网络化监控。 本文的主要内容是基于a r m 和u c l i n u x 的嵌入式监控系统的研究，主要针 对大型回转机械设备一高速线材轧机设备，也可以应用于数控机床及其它行业远 程状态监测系统。 1 1 1 课题背景 在工业生产中，应用效益最直接明显的系统应当是工业监控系统，特别是 d c s ( 分布式控制系统) 及大型机组状态监控系统。 据初步统计，目前我国有1 4 0 多条线材轧机，每年的线材产量达2 5 0 0 万吨 以上，产值超过1 1 0 0 亿，高线轧制工序利润达7 5 亿元以上。高速线材轧机是典 型的大型回转机械设备，一旦突发故障，将给正常生产带来严重威胁，损失巨大， 按每条高线每年发生一次5 7 小时的突发故障计，全年损失可达7 4 0 0 万以上。 为了及时发现设备隐患，避免突发故障造成较大损失，实现预测维修，从而 减少停车大修的次数和时间，实现设备管理信息化、现代化，武汉钢铁有限责任 公司和北京工业大学共同开发研制了“高速线材轧机网络监测诊断系统”。该系 统采用计算机技术、信号处理和设备诊断等技术对该机组进行高效率、高质量的 管理。自2 0 0 0 年1 0 月第一套系统投入运行以来，已取得了1 3 3 2 万元的经济效 益，推进了企业现代化设备管理的发展，取得了良好的效果。 研究设备远程监测与故障诊断具有重要的现实意义，本文的研究工作就是在 以上背景下展开的。 1 北京工业大学工学硕士论文 1 。1 2 课题意义 基于i n t e r n e t 的监控系统是继分散控制系统之后出现的新一代控制系统。它 所代表的是一种数字化到现场、网络化到现场、智能化到现场的发展方向。基于 i n t e r n e t 的监控系统，这一先进性、开放性、具有可互操作性、彻底分散性的控 制系统，正在成为未来自动化和计算机控制发展的主流。 对于设备的远程监控技术使人们可以在远离那些设备的地方就能及时了解 设备的运行状态并对其生产状态进行控制应运而生的一种新型监控方式。 远程监控技术中所使用的具体通信设备与介质是不受限制的。在i n t e m e t 遍 布全球的，各种先进网络技术日新月异的今天，使用网络技术实现远程监控自然 成为趋势。 远程监控技术可以对各监控对象进行全天候，全方位监控，及时发现甚至提 前预测设备问题，保证企业生产安全；使用远程监控技术还可以实时获得监控现 场数据，促进企业信息化；远程监控技术的实现也意味着各种异地资源通过网络 连接的方式，实现了资源共享；可以提高企业劳动生产率，加强企业竞争力。 1 。1 3 课题来源 本论文得到如下两个课题的资助： 武汉钢铁有限责任公司大型轧钢厂项目高速线材轧机网络监测系统。 国家8 6 3 计划项目高效加工中心和数控铣床关键支撑技术研究子课题远 程诊断系统及凸轮技术开发f 编号：2 0 0 2 a a 4 2 4 0 3 3 ) 。 1 2 课题的国内外研究进展及趋势 1 2 。1 监控系统发展及趋势 纵观控制系统的发展史，不难发现，每一代新的监控系统推出都是针对老一 代控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，最终在用户需求和市场竞争两大外因 的推动下占领市场的主导地位，监控系统的发展也不例外f 2 _ 5 1 。 ( 1 ) 模拟仪表控制系统 第1 苹绪论 模拟仪表控制系统于六、七十年代占主导地位。其显著缺点是：模拟信号精 度低，易受干扰。鉴于我国的特殊的国情，此类系统仍在部分企业中使用。 ( 2 ) 集中式数字控制系统 集中式数字控制系统于七、八十年代占主导地位。采用单片机、p l c ，微机 作为控制器，控制器内部传输的是数字信号，因此克服了模拟仪表控制系统中模 拟信号精度低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。集中式数字控制系统的优点是 易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制机时的选择上可以统 一调度和安排：不足的是，对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和 极高的可靠性，当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。 ( 3 ) 集散控制系统 集散控制系统( d c s ) 于八、九十年代占主导地位。其核心思想是集中管理、 分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干台下位机 下放分散到现场实现分布式控制，各上下位机之间用控制网络互连以实现相互之 间的信息传递。因此，这种分布式的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字 控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。在集散控制系统中，分布 式控制思想的实现正是得益于网络技术的发展和应用，遗憾的是，不同的d c s 厂家为达到垄断经营的目的而对其控制通讯网络采用各自专用的封闭形式，不同 厂家的d c s 系统之间以及d c s 与上层i n t r a n e t ，i n t e r n e t 信息网络之间难以实现网 络互连和信息共享，因此集散控制系统从该角度而言实质是一种封闭专用的、不 具可互操作性的分布式控制系统且d c s 造价昂贵。在这种情况b ，用户对网络 控制系统提出了开放化和降低成本的迫切要求。 ( 4 ) 现场总线控制系统 f c s 正是顺应以上潮流而诞生，它用现场总线这一开放的，具有可互操作的 网络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻 底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。因此，f c s 实质是一种开放的、具 可互操作性的、彻底分散的分布式控制系统，正在成为2 l 世纪控制系统、数据 采集系统等相关领域的主流产品。而其中基于i n t e m e t 的控制系统随着网络通讯 技术的发展，已经成为未来发展的趋势。 北京工业大学工学硕士论文 图1 - 1 现场总线系统结构 f i g u r el - 1t h es y s t e ms t r u c t u r eo f f c s 综上所述，随着网络通信技术、计算机硬件技术、控制技术、嵌入式系统技 术、现场总线技术、数据库技术等迅速发展，监控系统正向数字化、网络化、智 能化发展。现代监控系统的最主要标志是两个“i ”开头的单词：i n f o r m a t i o n ( 信息) 和i n t e g r a t i o n ( 集成) 。 监控系统的数字化是指将信息流数字化，以标准的t c p p 协议传输，达到 监控系统与信息管理系统实现无缝连接，并在统一的操作平台上实现管理和控 制。 监控系统的网络化是指在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和 数量界限，使整个网络系统硬件和软件资源得以共享，以及任务和负载的共享。 监控系统的智能化是指监控信息与企业的管理信息系统集成，达到自动对事 件的分析、统计、处理，实现监控的智能管理。 1 。2 2 嵌入式技术发展及趋势 目前比较多人士承认的嵌入式系统的定义如下：嵌入式以应用为中心，以计 算机为基础，其软硬件可配置、可剪裁，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有 严格约束的一种专用系统【4 】。 美国r t c 杂志称2 1 世纪初的十一年中，全球嵌入式系统需求量具有比p c 市 第1 章绪论 场大1 0 至1 0 0 倍的商机。1 9 9 8 年在芝加哥举办的嵌入式系统会议上，与会专家 一致认为，2 1 世纪嵌入式系统将无所不在，它将为人类生产带来革命性的发展， 实现“p c se v e r y w h e r e ”的生活梦想。 嵌入式系统的出现至今已经有3 0 多年的历史，近几年来，计算机、通信、 消费电予的一体化趋势日益明显，嵌入式技术已成为一个研究热点。纵观嵌入式 技术的发展过程，大致经历四个阶段。 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺服、 指示设备相配合的功能。这类系统大部分应用于一些专业性强的工业控制系统 中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制。这一阶 段系统的主要特点是：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小， 几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简单、价格低，以前在国内工业领 域应用较为普遍，但是已经远不能适应高效的、需要大容量存储的现代工业控制 和新兴信息家电等领域的需求。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。 主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统 达到一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业化，用户界面不够友好。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。主要特点是：嵌入式操 作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核小、效率 高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、多任务、网络支持、 图形窗e l 以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接e la p i ，开发应用程序较 简单；嵌入式应用软件丰富。 第四阶段是以i n t e m e t 为标志的嵌入式系统。这是个正在迅速发展的阶 段。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e m e t 之外，但随着i n t e m e t 的发展以及 i n t e m e t 技术与信息家电、工业控制技术结合日益密切，嵌入式设备与i n t e m e t 的 结合将代表嵌入式系统的未来。 综上所述，嵌入式系统技术日益完善，3 2 微处理器在该系统中占主导地位， 嵌入式操作系统已经从简单走向成熟；i n t e m e t 及无线通信的兴起，以太网通信 的普及，将推动具备i n t e m e t 通信功能的嵌入式系统快速发展。因而，嵌入式系 统应用将日益广泛。 北京工业大学工学硕士论文 1 。3 本文主要研究内容 1 3 。1 课题内容 图1 - 2 嵌入式监控系统结构 f i g u r e1 - 2 a r c h i t e c t u r eo f t h ee m b e d d e ds u p e r v i s o r ya n dc o n t r o ls y s t e m 如图1 2 所示，监控系统由三部分组成：被控对象、传输层、应用层。 被控对象是大型回转机械设备。 传感器包括振动、转速、温度、油压、电流、电压等传感器，前置处理单位 完成信号处理及变换。 由a r m 和u c l i n u x 构成的核心系统对前置处理单元输出的信号进行采集， 通过以太网连接到i n t e r n e t ，将数据发送到远程数据服务器上，同时系统自身也 可以通过w e b 或f t p 等提供网络服务。系统自身也独立完成控制策略。 客户端可以通过i n t e r n e t 远程访问嵌入式监控系统。 1 3 2 本文研究内容 ( 1 ) 嵌入式监控系统总体设计 6 第1 章绪论 根据软硬件协同设计的思想，讨论了嵌入式监控系统的总体设计及微处理器 和嵌入式操作系统选型，以及开发环境的构建。 ( 2 ) 硬件系统设计及实现 基于a r m 7 内核的嵌入式处理器s 3 c 4 4 b o x 的硬件系统。围绕着该处理器 的硬件电路设计包括两部分，主体电路设计和外围支持电路设计。其中，主体电 路包括了系统内存单元，调试接口等。外围支持电路包括l c d 接口、输入输出 接口、网络接口以及系统电源等。 ( 3 ) 软件系统设计及实现 包括操作系统的移植，底层驱动程序开发和上层应用程序的开放对此特定硬 件平台移植u c l i n u x ，驱动程序设计、上层应用程序。 ( 4 ) 基于b s 的嵌入式监控系统的构架及实现。并研究在u c l i n u x 下的设计 及实现。 第2 章系统总体分析及设计 第2 章系统总体分析及设计 从本质上说，基于a r m 和嵌入式l i n u x 构成的系统属于计算机系统的范畴， 因此其硬件系统不可避免地要由三大基本部分组成：中央处理器( c p u ) 、存储 设备和i o 设备。一个嵌入式l i n u x 系统从软件的角度看通常分为四个部分：日 导加载程序、l i n u x 内核、文件系统、用户应用程序。 2 1 系统总体分析 根据应用的要求，设计的嵌入式监控系统包含硬件系统和软件系统两个部 分，并且这两部分是互相关联、密不可分的。 嵌入式系统的硬件必须根据具体的应用任务，以功耗、成本、体积、可靠 性、处理能力等为指标来选择。嵌入式系统的核心是系统软件和应用软件，由于 存储空间有限，因而要求软件代码紧凑，可靠，大多对实时性有严格要求。 早期的嵌入式系统设计方法，通常是采用“硬件优先”原则。即在只粗略估 计软件任务需求的情况下，首先进行硬件设计与实现：然后在此硬件平台之上， 再进行软件设计，因而很难达到充分利用硬件软件资源，取得最佳性能的效果。 同时，一旦在测试时发现问题，需要对设计进行修改，则整个设计流程将重新进 行，这对成本和设计周期的影响很大。这种传统的设计方法只能改善硬件、软件 各自的性能，在有限的设计空间不可能对系统做出较好的性能综合优化，在很大 程度上依赖于设计者的经验和反复实验。 2 0 世纪9 0 年代以来，随着微电子技术的日益发展，硬件和软件也不再是截 然分开的两个概念，而是紧密结合、相互影响的个整体。因而出现了软硬件协 同( c o d e s i g n ) 设计方法，即使用统一的方法和工具对软件和硬件进行描述、综 合、和验证。在系统目标要求的指导下，通过综合分析系统软硬件功能及现有资 源，协同设计软硬件体系结构，以最大限度地挖掘系统软硬件能力，避免由于独 立设计软硬件体系结构而带来的种种弊病，得到高性能低代价的优化设计方案。 按照嵌入式系统的基本组织结构，硬件系统设备层上，首先，根据特定的应 用需求，设计和组织硬件构成，包括选用合适的处理器芯片、以及与之匹配的 r a m ，r o m ( e p r o m e e p r o m f l a s h ) 及i o 接口芯片、a d 和d a 、外部设备 北京工业大学工学硕士论文 模块等组成相应的嵌入式硬件系统；其次，还设计以太网络接口，以实现网络功 能。 与硬件系统结构相对应，软件系统上，运行一定的操作系统，完成各设备模 块的驱动与配置，能够合理调配与协调硬件系统资源，满足特定的功能服务以及 相应的输入输出响应，以及数据的采集、传送、存储等功能。遵循基本网络协议 规约，自构建特定的s e r v e r 系统，对外以提供w e b 服务的形式，接收并解释来 自客户端w e b 浏览器的服务请求，传送当前设备的相关服务信息到客户端w e b 浏览器。 2 1 1 监控系统的实现方案 将嵌入式系统与i n t e m e t 结合起来的想法其实很久以前就曾提出，但技术上 主要的难点在于：在嵌入式系统中大量使用8 位和1 6 位的m c u ，他们的特点是 运算能力有限，内存不大；而i n t e r n e t 上面的各种通信协议对于计算机存储器、 运算速度等的要求比较高，支持t c p i p 等i n t e m e t 协议将占用大量的系统资源， 比如t c p i p 报文可能达到6 4 k b 长度，并且网络硬件的m t u 必须不少于5 0 0 字节。这样在系统资源要求与提升系统联网能力之间就存在着很大矛盾。因此利 用m c u 自身有有限的资源对信息进行t c p i p 协议处理，使之变成可以在i n t e m e t 上传输的i p 数据包，就是嵌入式监控系统需要解决的主要问题，针对这一问题， 目前主要的解决方案主要有以下几种： ( 1 ) 高档m c u + r t o s 采用3 2 b i t 高档单片机，在实时多任务操作系统( r t o s ) 平台上进行软件开 发以达到在嵌入式系统中实现t c p i p 协议处理。目前较流行的嵌入式操作系统 有v x w o r k s 、p s o s 、w m d o w sc e 以及开放源代码的嵌入式l i n u x 。l i n u x 内核源 代码可以免费获取，而且给嵌入式设计者提供了一个拥有自己的发行版本的机 会。嵌入式网络的结构化、智能化、浏览信息资源的一体化，与其它方案相比具 有性价比高的优势。 设计者不必总是将注意力集中在底层一些没有堆栈的廉价微控制器上或者 反复调试那些晦涩难懂的汇编级代码。采用这种方案可以实现很多复杂的功能， 其缺点是成本偏高，开发周期长。 第2 苹糸统总体分析及设计 ( 2 ) m c u + 内部专用网+ 专用网卡 采用内部专用网( r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n b u s 等) 把一批单片机连接在一起，然 后再将该专用网连接到一个嵌入式网关上。该网关将负责把内部专用网络上的信 息转换为t c p i p 协议数据包，然后发到网上实现信息传输。这种方案可以连接 多种单片机，非常适合于家用电器的联网或者将一栋大楼、一个工厂的m c u 网 络接入i n t e r n e t 。 f 3 ) 8 比特m c u + t c p i p 协议芯片 s c e n i x 芯片加上s c e n i x t c p i p s t a c k 是一个最典型的应用实例。这种解 决方案真正实现了将8 位单片机直接与i n t e m e t 相连。在实际应用中，远程的p c 机可以通过互联网访问单片机系统( 比如，当应用层实现为h t t p 服务器时，可 以将变好的网页存入芯片中，远程p c 机用它的浏览器就可以访问其中的内容； 也可以利用单片机系统将有片j 的信息通过i n t e r n e t 发送到远端的p c 机或其他终 端上( 比如，采用s m t p 作为应用层协议，将系统收集到的有用信息通过e m a i l 的方式发送出去) 。 这种将各种通讯协议、i n t e m e t 协议以及众多外围设备都集成到一个片上系 统中去的设计思想是很有吸引力的。但是，当考虑到性价比的矛盾时，这种想法 又显得有些不切合实际。 2 。1 2 嵌入式监控系统方案分析 远程监控系统的实质就是将传感设备信号转换为符合t c p i p 协议的网络信 号，使用户可以通过局域网或者i n t e m e t 终端就可以访问嵌入式设备，并对其进 行远程检测和控制。系统结构如图2 - 1 所示 协蚴 设 _ 鬯竺到 m c u 罔，图 图2 - 1 系统结构 f i g u r e2 - 1s y s t e ms t r u c t u r e l l 北京工业大学工学硕士论文 前置单元包括多路传感器及其变换单元。多路传感器将现场采集得物理信号 转变成电信号，变换单元进行信号处理并转换成规定得电信号。 嵌入式系统接受电信号，并把其保存在w e b 服务器，同时结合数据融合等 技术进行数据处理，提高测试精度，降低信息模糊度，形成可识别的有用信息， 然后经i n t e m e t 传给远方的监控中心。 监控中心根据现场情况做出判断、发出控制指令操作现场可执行设备。通过 嵌入式系统，使得底层监控设备与i n t e m e t i n t r a n e t 无缝连接，真正做到远程监控。 这样构建的监控系统可以应用于工业控制的各个领域。其中局域网( l a n ) 实现对嵌入式设备的近距离的访问和控制，可以通过命令应答式访问，也可以通 过i e 浏览器访问、控制。在本系统中也可以省去局域网而使嵌入式监控系统直 接接入i n t e m e t ，直接使用i n t e m e t 进行远程访问。 2 2 系统软硬件选型 2 2 1 微处理器选型 目前市场上主流的3 2 位微处理器有p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、m i p s 和a r m 等。 通常在选择微处理器的时候，需要考虑性能、功耗、价格、配套的开发工具以及 市场供货等因素，而a r m 在这些方面恰好都具有优势。a r m 具有业界领先的 r i s c 体系结构，提供各种性能和版本可供选择，各类产品间互相兼容，方便系 统升级。各大公司的支持使得产品性价比高，保证有稳定和畅通的供货渠道。此 外a r m 公司及其合作伙伴提供完整的技术支持，提供相对应的操作系统，提供 软硬件设计和开发工具。鉴于a r m 微处理器的众多优点，用它来开发硬件平台 必定是理想的选择。 根据系统的特点，重点考虑微处理的运行速度和片内外围电路后，选择了三 星公司的s 3 c 4 4 b o x 芯片。该芯片属于a r m 7 t d m i 系列，工作在6 6 m h z ，速 度已经能够适应绝大多数应用的要求。该芯片具有同步动态存储器s d r a m 控制 逻辑，能够以低廉的价格方便地扩展大容量的存储器空间来运行操作系统。 1 2 第2 章系统总体分析及设计 2 2 1 1a r m 微处理器 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以 认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前， 采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即通常所说的a r m 微处理器， 已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品 市场，基于a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上 的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。 a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权 供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的 芯片，世界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根 据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器 芯片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用a r m 公司的授权， 因此既使得a r m 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系 统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。 在工业控制领域，作为3 2 位的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片不 但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用 领域扩展。a r m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控制器提 出了挑战。随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步获得竞争 优势。此外，a r m 在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对d s p 的应用领域提出了挑战。 2 2 1 2a r m 微处理器的特点 件 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 体积小、低功耗、低成本、高性能； 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 大多数数据操作都在寄存器中完成； 1 3 北京工业大学工学硕士论文 寻址方式灵活简单，执行效率高： 指令长度固定； a r m 微处理器目前主要包括a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 e 、s e c u r c o r e 以及i n t e l 的x s c a l e 和s t r o n g a r m 等系列。每个系列除具有a r m 体系结构的共 同特点以外，都有各自的特点和应用领域。 a r m 7 系列微处理器是低功耗的3 2 位r i s c 处理器，具有如下特点： 具有嵌入式i c e - - r t 逻辑，调试开发方便； 功耗极低，适合对功耗要求较高的应用： 采用三级流水线和冯诺依曼结构； 提供o 9 m i p s 的性能，主频最高可达1 3 0 m i p s ，高速的运算处理能力可胜 任绝大多数的复杂应用； 代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集，指令系统与其它系列兼容，便于 产品升级换代： 对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w sc e 、l i n u x 等。 2 2 2 操作系统选型 虽然嵌入式系统的应用程序完全可以在“裸机”上运行，但是随着监控设备 功能的增强，嵌入式系统所需完成的任务越来越复杂，程序代码越来越庞大，需 要管理的外设越来越多，传统的软件开发模式已经显得力不从心。而采用嵌入式 操作系统作为软件开发平台，就可以由操作系统来完成任务的管理和系统资源的 分配，开发工作的重点才能集中于实际应用系统性能的提高。此外，在操作系统 基础上可实现统一规范的编程，使程序具有良好的可读性和可移植性，并可提高 开发的效率。 嵌入式操作系统通常分为商用型和免费型两类。商用的嵌入式操作系统有 w i n d r i v e r ( 风河) 的v x w b r k s 和p s o s 、美国a t i 的n u c l e u sp l u s 以及m i c r o s o f t ( 微软) 的w i n d o w sc e 等。免费的嵌入式操作系统有嵌入式l i n u x 、u c o s 等。 商用型操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价 格昂贵。免费型操作系统具有源代码公开和无需版税的优势，但也存在着开发困 难的不足。 第2 章系统总体分析及设计 本系统拟选用源码公开的嵌入式l i n u x 操作系统u c l i n u x ，u c l i n u x 属于免费 型操作系统，是嵌入式l i n u x 的一个分支。u c l i n u x 经过对标准l i n u x 内核的改 动，形成了一个高度优化的、代码紧凑的嵌入式l i n u x ，虽然它的体积很小，但 u c l i n u x 仍然保留了l i n u x 的大多数的优点：稳定、良好的移植性、优秀的网络 功能、对各种文件系统完备的支持，以及标准丰富的a p i 。 2 2 2 1 嵌入式l i n u x 的优势 嵌入式l i n u x ( e m b e d d e dl i n u x ) 是指对l i n u x 经过小型化裁剪后，能够固化在 容量只有几十万字节或几十亿字节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式 场合的专用l i n u x 操作系统。嵌入式l i n u x 的开发和研究是目前操作系统领域的 一个热点。与其他的嵌入式操作系统相比，嵌入式l i n u x 系统具有一些独特的优 势。其表现如下： ( 1 ) 内核完全开放，可以灵活配置 l i n u x 是由很多体积小且性能高的微内核和系统组成。在内核代码完全开放 的前提下，不同领域和不同层次的用户可以根据自己的应用需要很容易地对内核 进行改造，在低成本的前提下，设计和开发出真正满足自己需要的嵌入式系统。 ( 2 ) 强大的网络功能、很高的适应性和可靠性 因为l i n u x 继承了u n i x 的优点，其适应性和稳定性是非常突出的。嵌入式 l i n u x 是一个跨平台的系统，到目前为止可以支持几十种c p u 。 高可靠性是嵌入式l i n u x 领先于其他嵌入式操作系统最明显的地方。l i n u x 原先用于服务器领域，有较高的可靠性。嵌入式l i n u x 中虽然对内核进行了一些 裁减，但是仍然保持了原l i n u x 高可靠性的特点。在应用l i n u x 开发的产品中一 般很少有系统崩溃的现象。 l i n u x 诞生于因特网并具有u n i x 的特性，这就保证了它支持所有标准因特 网协议，并且可以利用l i n u x 的网络协议栈将其开发成为嵌入式的t c p i p 网络 协议栈。 ( 3 ) 良好的开发编译工具 l i n u x 具备一整套工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行 环境，并且可以跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍。一般开发嵌入式操作系 北京工业大学工学硕士论文 统的程序调试和跟踪都是使用仿真器来实现的，而使用l i n u x 系统做原型的时 候，可以绕过这个障碍，直接使用内核调试器来做操作系统的内核调试和查错。 ( 4 ) l i n u x 具有广泛的硬件支持特性 无论是r i s c 还是c i s c ，3 2 位还是6 4 位等各种处理器，l i n u x 都能运行。 l i n u x 最通常使用的微处理器是i n t e lx 8 6 芯片家族，但它同样能运行于m o t o r o l a 公司的6 8 k 系列c p u 和i b m ，a p p l e ，m o t o r o l a 公司的p o w e r p cc p u 以及i n t e l 公 司的s t r o n ga r mc p u 等处理器系统，这意味着嵌入式l i n u x 将具有更广泛的应 用前景。 2 2 2 2u c l i n u x 嵌入式操作系统 u c t i n u x 是嵌入式l i n u x 的一个分支，是专门针对没有内存管理单元( m m u ) 的微处理器设计的嵌入式操作系统。在u c l i n u x 英文单词中u 表示“m i c r o ”，c 表示“c o n t r o l ”，所以u c l i n u x 就是m i c r o - c o n t r o l - l i n u x ，即针对微控制领域的l i n u x 系统。u c l i n u x 由l i n u x 2 0 2 4 内核派生而来，是通过对标准l i n u x 进行小型化裁 剪、优化和代码改写后形成的一个高度优化、代码紧凑的嵌入式l i n u x 操作系统。 虽然u c l i n u x 内核非常小，但它仍沿袭了l i n u x 系统的绝大部分特性，为在硬件 平台上更好的运行各种程序提供了保证。 u c l i n u x 嵌入式操作系统具有如下特点： 遵循g p l 版权协议，源代码完全开放，可免费获取和使用丰富的软件资源， 使软件开发周期大为缩短。 是一个功能强大，性能高效稳定的多任务嵌入式操作系统。 内核小巧( 5 1 2 k 左右) 且采用模块化设计，可根据应用需要灵活地裁剪内 核和定制功能。 具有成熟、完善的网络协议栈，支持所有标准因特网协议，可快速开发嵌入 式系统在网络方面的应用。 支持多种体系结构，已经在多种硬件平台上成功移植。 同标准l i n u x 系统的a p i 函数保持一致，几乎不受没有m m u 的影响。 具有一整套开发工具，容易建立嵌入式系统的开发环境，并可直接使用内核 调试器来进行调试和查错。 第2 苹系统总体分析及设计 支持主要的文件系统，如：f a t 、e x t 2 、r o m f s 、j f f s 等。 本身不具有实时性，但已有方案可对内核修改以应用到对实时性要求较高的 场合。 u c l i n u x 的基本架构如图2 2 所示： l 苎竺塑! 竺兰里兰一 闰 j 虚拟文件系统管理模块j l 广 i 文件系统| 三竺苎竺竺竺i 网络模块1 i。一 字符陋匣磊习 设备 驱动 i h a s s 存储f j 设备驱动 驱动 r 厂一一 i b o o tl o a d e r i 捕获h a n d l e r l ，_ j t 。，。，。，一。，。，一 图2 - 2u c l i n u x 结构 f i g u r e2 。2 u c l i n u xs t r u c t u r e b o o tl o a d e r ：负责l i n u x 内核启动的代码，用于初始化系统资源以建立l i n u x 内核运行环境，并从f l a s h 存储器中装载初始化r a m d i s k 。 内核初始化：内核的入口点是s t a r tk e r n e l ( ) 函数。它初始化内核的其他部 分，包括捕获，i r q 通道，调度，设备驱动