（电路与系统专业论文）基于linux的工业控制终端的设计与开发.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 i 摘 要 近几年来，嵌入式技术和工业控制技术不断蓬勃发展，已经广泛应用到人们生活的各个 领域中，并成为我国经济的新增长点。同时，采用 arm 系列的 cpu 来取代部分单片机、pc104 等传统平台，并成为工业控制自动化、消费类电子、汽车电子等应用领域的主流芯片。目前， 虽然有许多嵌入式操作系统已经被广泛使用，如 windows ce、vxworks、uc/os-ii、linux、 qnx、palmos 等等，但很多嵌入式操作系统的代码并不开源，如 windows ce，这样不利于 操作系统的裁剪和移植，而 linux 操作系统具有代码开源、系统稳定、内存管理优秀等特性， 使其能够很好的满足工业控制系统的要求。 本文结合实际工程应用，提出了一种基于 linux 的工业控制终端。该控制终端将 plc 控 制器和 lcd 触摸屏合二为一，构成一种价格低廉的工业控制终端，并已经应用到实际的小城 镇自来水厂水压控制系统的项目中。本文研究和设计了上位机部分lcd 触摸屏，硬件部 分采用 at91sam9261 嵌入式处理器为核心， 软件部分采用嵌入式 linux 系统及基于 qt 的控制 界面。本文着重就以下几个方面的内容进行深入的研究。 1、分析了目前工业控制系统、嵌入式 linux 系统以及小城镇、乡村给水系统的现状和趋 势，并比较了目前应用比较普遍的各种工业控制系统。结合当前小城镇给水系统的特点，论 述了选用嵌入式 linux 系统的原因。 2、根据实际项目的要求和 at91sam9261 的特点及性能，分析了系统的主要外围硬件模块 包括：存储器接口、电源模块、显示模块以及通信模块。 3、分析了 bootloader 和 linux 内核的原理和结构。根据嵌入式系统的特点，修改并裁 减内核，并将 u-boot 和 linux2.6 移植到 at91sam9261 的开发平台上，通过 busybox 制作根 文件系统，建立工业控制的软件平台。 4、根据实际系统硬件电路，修改并编写触摸屏驱动程序、uart 驱动程序、lcd 驱动程序 以及 usb 驱动程序。 5、论述了嵌入式 linux 下图形界面开发环境 qt/embedded，并将 qt/embedded 移植到 linux2.6 平台上。 6、在本文最后部分,作者结合实际科研项目“中小型自来水厂水压控制系统”,编写 了针对小城镇、乡村水厂控制水压的图形控制界面。 关键词：at91sam9261，工业控制系统，嵌入式 linux，qt/embedded 杭州电子科技大学硕士学位论文 ii abstract recently, embedded technology and industrial control technology continue to flourish, and have been widely applied to various areas of peoples life, being a new growth point in our countrys economy. meanwhile, arm series cpu have replaced some parts of traditional platforms, such as mcu, pc104 and so on, and have become mainstream chip in the field of industrial control automation, consumer electronics, automotive electronics. currently, although there are many embedded systems being used widely, including windows ce, vxworks, uc/os-ii, linux, qnx, palmos. many of them are not open source, which are not conducive to cutting and transplantation. and linux system has so many advantages, such as source code, system stability, excellent memory management, which can meet the requirements of industrial control systems well. this paper proposes an industrial control terminal which is based on the linux system. this industrial control terminal combines lcd touch screen and plc controller, and has been applied to the hydraulic control system of small towns. the paper studies and designs host computer part, in which at91sam9261 is taken as the core processor and the system software is made up of embedded linux system and based on qt control interface. the whole system includes the following aspects. 1. analyzing the current actuality and direction of industrial control systems, embedded linux systems and water supply systems in small towns and villages. in view of the water supply systems characteristics, this paper discusses the reasons for using embedded linux system. 2. according to actual project requirements and cpus performance, designing the main peripheral hardware modules, such as memory interface, power module, display module and communication interface. 3. analyzing the principles and structures of bootloader and linux system. according to the features of the embedded systems, this paper modifies and reduces the kernel, and transplants the u-boot and linux2.6 to the platform of at91sam9261, and makes root file system by busybox, builds software platform for industrial control. 4. according to practical hardware circuit, this paper revises and writes touch screen driver, uart driver, lcd driver and usb driver. 5. dissertating the gui development environment of qt/embedded under embedded linux system, and transplanting the qt/embedded to the platform of linux2.6. 6. in the last of this paper, the author combines the requirements of the lab project hydraulic control system and compiles the graph control interface of hydraulic control system. 杭州电子科技大学硕士学位论文 iii keywords: at91sam9261, industrial control system, embedded linux system, qt/embedded 杭州电子科技大学杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权说明学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或 使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件， 允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存论文。 （保密论文在解密后遵守此规定） 论文作者签名： 日期： 年 月 日 指导教师签名： 日期： 年 月 日 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪 论 1.1 课题研究背景及意义 2009 年的全球经济发展进入了一个非常时期，全球经济不景气带来的影响正从纵、深和 更宽广的层面上逐步体现。金融海啸也加剧了珠三角和长三角经济转型升级的阵痛，但也加 速了全国深化改革、转型升级的日程。随着一系列积极措施的陆续出台以及制造产业转型升 级步伐的加快，装备制造企业用自动化技术武装“自己”的科技先行之路刻不容缓，节能环 保相关产品的市场需求也将大幅拉动。 随着我国小城镇、农村各个方面的快速发展，给水系统建设也得到了很大的提高，但不 同区域的小城镇基础设施差别很大，而且发展很不平衡。同时，我国农村人口基数大，乡村 人口比重很大，由于人民生活各个方面的改善，乡村人民对水量、水质和水压也有了新的要 求，不再满足一个星期某几天有水的情况。但从整体上看，许多小城镇的给水系统供水量不 足、水质差、水压低，跟不上人民生活、生产的需求，严重制约当地经济的发展和城市化水 平的提高。 目前，许多小城镇、农村的自来水厂给水设备的型号非常单一，调度很不灵活，造成了 资源的浪费，更有些小型水厂由于水泵配置不合理，白天和夜间送水量和水压都一样，造成 了大量的资源和能源的浪费。 同时，嵌入式产业得到了迅速发展，应用领域不断扩大，当它与网络技术、多媒体技术、 工业控制技术结合后又爆发出了强劲的生命力，显示了蓬勃向上的趋势。应用工业自动化技 术，对工业生产过程实现测量、控制、优化和决策，是企业实现“多、快、好、省” ，提升企 业市场竞争力的一种重要手段，因此“国家中长期科技发展规划”已明确指出，工业自动化 技术列入 21 世纪现代装备制造业中最重要的技术之一12。随着各种计算机技术逐渐走入人 们的日常生活和工作中，生活环境中将会出现很多嵌入式系统，系统间通过互联网连接，将 生活的各个方面构成一个有机的整体。 综上所述，本设计结合实验室的纵向课题，提出了一种 lcd 触摸屏终端结合 plc 控制 器的工业现场控制装置，该控制装置具有成本低、体积小、功耗低、安装方便等优点，非常 适合小城镇、乡村的水压控制。 1.2 工业控制的现状与趋势3-5 (1)可编程控制器（programmable logic controller，plc） 作为离散控制的首选产品，plc 在我国的应用已有 30 年的历史，plc 自 20 世纪 70 年 代后期进入中国以来，应用增长十分迅速。目前国产 plc 厂商众多，主要集中于台湾、北京、 浙江、江苏和深圳。但是无论是从规模还是产品系列上都无法与国际大厂商抗衡，而且国产 plc 生产厂商生产的 plc 主要集中于中小型 plc，其中生产中型 plc 的厂商主要有盟立、 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 南大傲拓等，深圳欧辰和亿维都是做西门子 plc 的配套 io 模块，黄石科威生产嵌入式 plc。 因此国产 plc 面向的大多是 oem 行业，也有很多贴牌生产或是仿造生产，真正自主研发生 产的企业只是其中的一部分；国产厂商中，台湾厂商比大陆厂商做的相对好。 我国的工业发展及自动化应用水平与工业发达国家相比有几十年的滞后，而且在“十五” 规划中已明确提出了“用信息化带动工业化”的发展计划，大量传统产业的自动化改造将为 plc 的应用提供巨大的发展空间，按目前的经济形势分析，我国将迎来一个 plc 市场高速增 长的时期。 微型化、网络化、pc 化和开放性是 plc 未来发展的重要方向。在基于 plc 控制系统的 早期，plc 体积大、价格昂贵；但经过近些年的发展，微型 plc 已经出现，随着软 plc 组 态软件的进一步完善和发展，安装有软 plc 组态软件和 pc-based 控制的市场份额也逐步得 到增长。配备有 lcd 触摸屏的 plc 成为基于 plc 工业控制系统的主流，逐渐映入人们的视 野当中，并在实际应用中发挥了重大的作用。 (2)工业计算机（industrial personal computer，ipc） 20 世纪末，pc-based 的工业计算机（简称工业 pc）应运而生。它包含两种类型：ipc 工 控机和 compact pci 工控机以及它们的变形， 如 at96 总线工控机等。 由于基础自动化和过程 自动化对工业 pc 的运行稳定性、热插拔和冗余配置要求很高，现有的传统控制系统，自动 化部分基本被 plc 和 dcs 所垄断，过程自动化和管理自动化部分主要是由各种进口的过程 计算机或小型机组成，但其硬件、系统软件和应用软件的价格很高，使众多企业止步。 20 世纪 90 年代以来，由于 pc 工业的发展，以工业 pc、i/o 装置、监控装置、控制网络 组成的 pc-based 自动化控制系统得到迅速普及。 由于基于 pc 的控制器被证明可以像 plc 一 样可靠，并且易于操作和维护，所以，越来越多的制造商正在陆续采用或至少在部分生产中 采用 pc 控制方案。基于 pc 的控制系统易于安装和使用，有高级的诊断功能，为系统集成商 提供了更灵活的选择。因此，ipc 也成为工业控制终端的主流之一。 在工业自动化领域，ipc 产品主要用于实现对工业生产过程实现检测、控制、优化、调 度、管理和决策等，是传统的整机类产品的主要应用领域。由于各细分行业的应用环境各有 差异，对产品的性能要求各有不同。总体看来，抗震、抗冲击、稳定性和性价比高的产品比 较有优势。2008 年，工业自动化领域 ipc 产品的应用规模达到了 5.67 亿。 随着国际金融危机的蔓延，我国实体经济也受到了影响。作为占 gdp 比重三分之一的九 大重点行业， 在 2008 年下半年开始出现工业增加值增幅下行。 据国家统计局的数据显示， 2008 年 11 规模以上工业增加值同比增长 5.4%，远低于上月的 8.2%，比上年同期回落 11.9 个百分 点，再创 2001 年末以来新低。为此，振兴这些行业成为拉动经济增长的关键。在启动 4000 万亿投资后，国家发改委加紧制定钢铁、汽车、船舶、石化、纺织、轻工、有色金属、装备 制造、电子信息、物流等十个重点行业振兴规划。在扶持重点行业的政策措施中，支持企业 兼并重组，启动企业技术改造项目等内容，必然会拉动行业产业链发展，对 ipc 产品在工业 领域的稳定增长提供了保障，预计该领域 ipc 产品规模仍将继续扩大。 杭州电子科技大学硕士学位论文 3 可以预见，目前 ipc 在现场设备层是不可能与低价的 plc 竞争。随着 ipc 的 cpu 运行 速度变快、存储容量增大、成本降低、可靠性提高以及 ipc 的进一步开发，使 ipc 成为实现 工业自动化的主要控制装置。因此，ipc 会向低成本和可靠性方向发展。 (3)分布式控制系统（distributed control system，dcs） 分布式控制系统，又称集散型控制系统，以微处理机为基础，以控制分散、操作和管理 集中为特性，集先进的计算机技术、通讯技术、crt 技术和控制技术，即 4c 技术（计算机 技术、通讯技术、crt 技术和控制技术）于一体的新型控制系统。它是一种应用于过程控制 的工程化的分布式计算机控制系统。 分布式控制系统采用微处理机分别控制各个回路，而用中小型工业控制计算机或高性能 的微处理机实施上一级的控制，各回路之间和上下级之间通过高速数据通道交换信息，具有 数据获取、直接数字控制、人机交互以及监控和管理等功能。在分布式控制系统中，按地区 把微处理机安装在测量装置与控制执行机构附近，将控制功能尽可能分散，管理功能相对集 中 。这种分散化的控制方式能改善控制的可靠性，不会由于计算机的故障而使整个系统失去 控制。当管理级发生故障时，过程控制级仍具有独立控制能力，个别控制回路发生故障时也 不致影响全局。与计算机多级控制系统相比 ，分布式控制系统在结构上更加灵活、布局更为 合理和成本更低。生产厂家主要集中在国外 abb、honeywell、invensys、emerson、siemens 和三菱等公司。 国内在近几年也发展了一批 dcs 制造企业，例如北京和利时、浙大中控、上海新华、上 海自仪、国电智深等。目前主要应用于电力、化工、石油、造纸、市政、建材和冶金等行业。 为了同 plc、ipc 和 fcs 竞争，不少制造商不仅推出各种功能完善的小型 dcs，而且还将 plc 与 dcs 结合，推出了 hcs 的混合系统。针对各制造商各产品进行分析，dcs 未来发展 方向，可以归纳为以下 5 点：(1)硬件积木化；(2)软件模块化；(3)控制组态化；(4)通信网络 化；(5)高可靠性。 (4)现场总线系统（field bus control system，fcs） 现场总线技术是自动化领域中，随着计算机、通讯和网络技术的发展而发展起来的新兴 技术，它是先进的电子技术、仪表技术、计算机技术和网络技术的集成体。现场总线控制系 统 fcs 则是基于现场总线技术的自动控制系统，即以现场总线作为工厂底层网络控制工程网 版权所有，通过网络集成而构成的自动控制系统网络，按照公开、规范的通讯协议在智能设 备之间、智能设备与远程计算机之间实现数据传输和信息交换，从而实现控制与管理一体化 的综合自动控制系统。 fcs 是当今自动控制技术发展的热点，代表了工业控制领域今后的一种发展方向。fcs 使传统的控制系统，无论在结构上还是在性能上出现巨大的飞跃，可以说 fcs 是控制领域的 一场革命。从本质上来说，它是一种数字通信协议，是一种应用于生产现场、在智能化控制 设备之间实行双向串行通信、多节点的数字通信的系统，是一种开放的、数字化的、多点通 信的低层控制网络，使得自控系统和设备有了通信能力。 杭州电子科技大学硕士学位论文 4 现代工业控制思想的核心是“分散控制，集中监控”使得“危险分散，控制分散”，但即使 是现在流行的 dcs 控制，还是采用集中的方式进行工业过程控制，现场信号的检测、传输 和控制还是采用的 420ma 的模拟信号，正是因为模拟信号的存在，是 dcs 控制装备的抗干 扰能力弱， 保密性差。 而 fcs 控制系统完全采用数字方式通信， 大部分控制都是在现场完成。 如现场的智能仪表就能完成数据采集、处理、控制运算和数据输出等现场功能，只有少部分 现场仪表无法完成的高级控制功能才由上位机来完成。而且现场节点之间可以相互通信，相 互操作，现场节点也可以把自己的诊断数据传送给上位机，有利于设备管理和对现场的实时 监控。 综上所述，plc 具有成本低、应用范围广、结构灵活等优点，主要用于工业过程中的顺 序控制；ipc 具有稳定性好、抗震能力强等优点，适合在比较复杂的工业控制领域应用，但 其价格较高，功耗大，还需要风扇散热，从而影响了它的可靠性；dcs 比较适合大规模的连 续过程控制，如石化领域等，缺点是成本高，各公司产品兼容性较差；fcs 的基础是数字智 能现场装置，如果现场装置不遵循统一的总线协议，那么就无法实现双向数字通信。 1.3 嵌入式 linux 系统的现状与趋势6-8 嵌入式系统是一种以应用为中心，以计算机技术为基础，其软硬件可配置、可裁减，对 功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格约束的专用计算机系统。它结合了计算机技术、半 导体技术、电子技术并应用于各个行业，被看作技术密集、不断创新的知识集成系统。随着 计算机软件技术的发展和嵌入式处理器性能的不断提高，在上世纪八十年代开始出现各种各 样的商用嵌入式操作系统，这些操作系统大部分是为专用微处理器而开发的。其中许多嵌入 式操作系统已经被广泛应用，如 windows ce、vxworks、uc/os-ii、linux、qnx、palmos 等等。 1.3.1 嵌入式 linux 系统的现状 linux是一种在网络上产生的操作系统， 所有的linux开发都在gpl （gnu public license） 的版本控制之下，因此任何人都可以通过网络得到 linux 的内核源代码，这使得无数的计算 机高手加入到 linux 的开发中来，在短短的十几年中 linux 已经迅速发展成一个稳定、成熟 的操作系统。 linux 加入 gnu 并遵循公共版权许可证（gpl） ，由于不排斥商家对自由软件的进一步 开发， 不排斥在 linux 上开发商业软件， 故而使 linux 又开始了一次飞越， 出现了很多的 linux 发行版，如 slackware、redhat、turbolinux、openlinux 等 10 多种，而且还在增加；还有一 些公司在 linux 上开发商业软件或把其他 unix 平台的软件移植到 linux 上来。如今很多 it 界的大腕，如 ibm、intel、oracle、infomix、sysbase、netscape、novell 等都宣布支持 linux。 商家的加盟弥补了纯自由软件的不足和发展障碍，linux 得以迅速普及。在嵌入式领域中， linux 的优势主要体现在以下几点： (1)源代码公开，系统升级、软件移植方便。只要遵循 gpl 的相关规定就可以免费得到 linux 内核的完整源代码，不用任何费用。同时，用户可以根据实际的应用场合和外围硬件电 杭州电子科技大学硕士学位论文 5 路对具体的系统进行裁减和优化，这更加有利于构建嵌入式系统。 (2)性能稳定、可靠。linux 本身具备的一个最大优点就是稳定。曾有人做过实验，在三 年内，24 小时不间断运行的情况下，windows 死机现象远远超过 linux 死机现象的 30 倍之 多。许多嵌入式设备都是在环境恶劣的情况下使用，例如本文将要设计的这款工业控制终端， 比较多的是应用在小城镇、乡村的给水系统中，因此就要求嵌入式系统在相当恶劣的环境下 依然能够稳定正常的工作，正是由于 linux 的稳定性，本设计选用了 linux 作为该工业控制 终端的嵌入式操作系统。 (3)内核可裁剪，功能可定制。由于嵌入式设备资源有限的特点，就决定了采用的嵌入式 系统必须是可裁剪，并且功能是可定制的，而且在许多情况下很多驱动模块可以根据当前嵌 入式设备的需要而加载和卸除。正是因为 linux 的内核采用模块化设计，驱动模块可以根据 需要加载和卸除，同时，开发人员可以针对实际项目的需求来编译内核，使内核尽量精简。 而且，linux 的引导程序，内核，根文件系统及用户操作界面完全独立，每部分都有很强的可 定制性，不但节约系统资源，而且降低了嵌入式系统开发的成本。 (4)网络功能强大、支持多种文件系统。linux 上有一套成熟的网络协议堆栈，串口/并口 /无线连接均可通过 slip/plip/ax25 实现，而且支持 tcp/ip 协议。linux 内核支持多种文件 系统，如 cramfs，jffs/jffs2，yaffs，ext2/ext3 等等。 (5)linux 支持多种体系结构的硬件平台。 最新的 linux 内核支持 intel x86、 motorola/ibm、 powerpc、arm、compaq alpha ia 64 等微处理器体系结构。linux 还可以在没有内存管理单 元(mmu)的处理器上运行，这就使得没有 mmu 的处理器得到相当广泛的应用。 1.3.2 嵌入式 linux 系统的趋势 据信息产业部统计，2007 年 1 月10 月，中国嵌入式软件产业收入已达 942 亿元，同比 增长 28%。 据预测， 2010 年， 中国嵌入式产业仍将保持快速增长， 年均复合增长率将达 25.8%。 鉴于 linux 的各种优秀特征以及在嵌入式领域中强大的生命力，嵌入式 linux 的商用发 行版得到了众多公司和商家的支持， 他们都积极开发和研究各种的商用嵌入式 linux 发行版， 大大推动了嵌入式 linux 系统的进一步发展。目前几款著名的嵌入式 linux 系统都是由国外 公司和科研机构开发和维护的。 嵌入式 linux 已经应用的人们生活、生产的各个领域，如工业过程控制、军事电子设备、 航空航天、消费类电子产品、汽车系统以及网络通信设备等。国内外许多公司和科研机构都 成功移植了嵌入式 linux 系统，并在实际应用中发挥着举足轻重的作用，例如 cae electronic 公司、欧洲太空总署等。 目前，世界上比较关注的嵌入式 linux 研究主要有以下几方面： 第一，未来的数字化家用电器的研究和开发。主要研究方向包括面向嵌入式系统的中间 件的开发，以及能使这些中间件通过互联网连接的接口系统。提供给使用者的用户接口的规 则正在制订中。另外，通过无线网络，使数字化移动终端和家用电器系统连接在一起的研究 杭州电子科技大学硕士学位论文 6 也在进行。 第二，在互联网上整合数字化家用电器和各种互联网服务的研究。目前在互联网上，已 经有各种各样的服务，其中很多服务已经很成熟，对于人类的生活有极大的帮助。怎样将这 些服务，与未来的数字化家电整合起来，就成为研究的方向。将目前的服务系统和数字化家 电中嵌入式系统的各种设备整合在一起，使嵌入式 linux 系统大有用武之地。 第三，新型嵌入式 linux 系统开发方式的研究。目前，大部分嵌入式系统的研发都是以 java 和 linux 系统为基础。未来的嵌入式系统必须能够对于更加复杂和多样的嵌入式设备， 并且能够让这些设备发挥最大的效能。所以，未来的 linux 环境下的嵌入式软件开发，就必 须有能够动态优化的功能，以及不改变软件构成，就可以追加安全措施和调整实时响应的功 能。 未来的几年中，外国嵌入式计算机将创造千亿元的效益，国内外的市场为外国嵌入式系 统也提供大有作为的广阔天地，嵌入式计算机必将是信息产业新的经济增长点。同时加上嵌 入式 linux 的开放和灵活，迎合广大嵌入式系统使用和开发者的热情，嵌入式 linux 将更加 稳定和完善，在各种嵌入式系统，尤其是高端嵌入式系统中，将得到更广泛的应用和普及。 1.4 小城镇、乡村给水系统的现状及问题9-16 截至 2003 年底，我国自来水普及率达到 50%，与发达国家 90%以上的供水普及率还有 较大的差距。随着经济建设的大规模开展，我国小城镇给水系统建设也得到了飞速发展，但 不同区域的小城镇基础设施差别很大，而且发展很不平衡。整体上看，我国小城镇给水系统 建设现状水平和给水工程设施都比较落后，无法跟上小城镇经济快速发展的脚步和人民生活 水平提高的需求。某些小城镇的给水系统供水量不足、水质差、水压低，跟不上人民生活、 生产的需求，严重制约当地经济的发展和城市化水平的提高。然而，由于缺乏城镇总体规划 和相应规范，另外一些小城镇的给水工程规模过大，供大于求，造成极大浪费。 我国小城镇给水系统的现状及问题可以总结为以下 6 点： (1)发展很不平衡，规模以中小型为主 各地经济发展的不平衡导致了小城镇给水系统发展出现了差异。大致分以下四种情况： 1)经济发达的小城镇，已建有现代化的自来水厂，如东部经济发达地区，上海有 2/3 县的日综 合生产能力在 10 万吨以上；2) 经济发展一般地区，其日综合生产能力以几万吨居多；3)经 济欠发达的小城镇，只能建设简易的供水设施，如西部及其他欠发达地区，其日综合生产能 力比较低，基本都在几千吨1 万吨之间；4)贫困的小城镇，至今还没有供水设施。 (2)水资源短缺，水污染严重加剧了水源危机 我国水资源南多北少、东多西少，空间分布不均匀。多数的小城镇离江、河较远，因此 近河网的地表水和地下水成为当地供水系统的主要给水水源。 由于内河的可取水量是有限的， 不少地方因盲目超采地下水导致了地面沉降，无法继续开采地下水。另外，在我国西南岩溶 山区，虽然在其地下深处存有丰富的水资源，但由于取水费用的昂贵，致使供水量始终不能 杭州电子科技大学硕士学位论文 7 够很好的满足当地人民的需求。因此小城镇现有水源无法满足人民日益增长的水量要求。 (3)规模不当、布局无序 在小城镇给水系统建设的初期，由于小城镇的规划和设计人员无法正确预测城镇人口和 企业的发展速度，因而定制的各种城市总体规划和相应规范都不是很健全，导致整个给水系 统布局不合理、城镇用水量预测不准，工程失误难免发生。 多数城镇的给水系统的取水口建在附近的河流上，由于城镇发展步伐的加速和发展规模 的扩大，一些污染严重的企业和新建生活小区分布在给水水源的上游，大量的生活污水、工 业废水的排放，使水源遭到不同程度的污染。 (4)水质复杂， 净水难度大 部分小城镇处于地表水贫乏的地区，在建设资金有限的情况下，普遍以地下水作为优选 水源。由于有些地区地下水的水质会随着时间的变化而变化，而且铁、锰含量高，性质不稳 定。另外，许多小城镇还采用了水库水、雨水、岩溶水等作为给水水源，水源种类众多，水 质情况极其复杂，这些都给净水处理带来很大的负担。 (5)给水系统可靠性差，自建设施多 小城镇给水系统简单，供水设施落后，在水量、水质、水压方面均难以满足生产和生活 要求；不少居民和单位自建水井和水塔，水塔之间却互不连通，造成给水设备使用效率低下， 由于水井和水塔都是自发建造，基本没有任何净水措施，因此居民的饮用水存在着很大的安 全隐患。 夏季用水高峰期时自来水厂虽竭尽全力，也很难满足用户要求。供水安全可靠性差，主 要表现在三个方面，一是水源水质污染严重；二是很多水厂水源单一；三是供电问题导致供 水时间不确定和水量不均匀。这些都给小城镇居民和企业的生活和生产带来了很大的影响。 (6)工艺设计不合理，给水设备选用不规范 部分小城镇水厂存在工艺设计不合理的现象，例如，有些自来水厂在设计时没有考虑到 水源的富营养化情况，低估了水源水质的复杂度，仍采用标准的常规处理工艺，处理后的水 质无法达到国家标准，从而不得不再次投资对原有工艺进行技术改造，给小城镇居民和企业 的生活和生产带来了极大的不便。 更多的水厂没有结合本城镇的特点选用相应的给水设备，而是给水设备选用型号单一， 设备调用极不灵活，水泵的流量、扬程选择也十分单一，缺乏供水水压和水量的变动性。如 陕西省某水厂，由于水泵配置不合理，白天和夜间使用相同的泵组供水，造成白天供水水压 和水量不足，晚上供水的出厂压力、管网压力很高，送水电耗增加，造成了极大的浪费。 1.5 课题研究目标及内容 综合以上 4 种工业控制的优缺点，以及嵌入式 linux 系统和小城镇、农村给水系统的特 点和存在的问题。本文提出了一种基于 linux 的 lcd 触摸屏结合 plc 控制器的工业现场控 制终端，该装置具有组合灵活、成本低、体积小、功耗低、安装方便等优点，可广泛应用于 杭州电子科技大学硕士学位论文 8 各种工业现场控制，并将该控制终端应用到小城镇的水压控制系统中。 由于很多小城镇、农村的水压控制都是恒压控制系统，在用水高峰期不能够满足用户的 用水需求；在用水低谷期，一直恒压供水也造成了大量的浪费。本课题设计的控制装置不但 能够根据当前居民用户对用水量的实际需求，控制各个水泵启、停；调节变频器的转速，而 且使整个给水系统的水压最优化，达到供求平衡的的供水状态。该装置具有组合灵活、成本 低、体积小、功耗低、安装方便等优点，可广泛应用于各种工业现场控制。 本文主要研究和分析嵌入式 linux 操作系统的理论和应用，开发与嵌入式 linux 系统相 关的驱动和应用软件，并将该 lcd 触摸屏上位机控制系统应用到小城镇水压控制系统中。 本系统以 at91sam9261 为核心，外围通过 rs-232，按照 modbus 协议与下位机 plc 控 制器进行通信，实现对变频器控制，进而实现对水泵各项参数的控制，传递的参数包括水压、 流量、变频器转速等。系统总体框图如图 1.1 所示。 嵌入式控制终端 电源管理 以太网接口 存储器 管理 水泵 水泵 变频器 变频器 rs-232 水 流 水压流量 用户 人机界面接口 水压 流量 图 1.1 系统总体框图 课题主要研究的内容包括： (1)uboot 配置、编译和移植。 (2)linux 内核配置、编译、移植和加载。 (3)根文件系统的制作和移植。 (4)触摸屏驱动开发。 (5)lcd 驱动开发。 (6)uart 串口驱动开发。 (7)usb 驱动开发。 (8)qt/embedded 编译和移植 杭州电子科技大学硕士学位论文 9 (9)基于 qt 的水压控制应用软件的编写。 1.6 论文内容的安排 第一章 绪论 本章主要介绍工业控制、嵌入式 linux 系统以及小城镇、乡村给水系统的 发展状况及趋势和本课题研究的内容。 第二章 at91sam9261 硬件开发平台的构建 本章主要是从硬件系统方面进行阐述。 首先 说明了 at91sam9261 的特点及系统硬件架构，然后介绍了主控制电路的设计，最后阐述了 主要外围电路设计。 第三章 嵌入式 linux 系统构建 本章主要从三个方面对嵌入式 linux 系统进行阐述。首 先介绍了 linux 系统的组成，接着对 u-boot 进行了分析和移植，然后对 linux2.6 内核进行分 析、裁减和移植，最后阐述了基于 busybox 根文件系统的制作和移植，并且在 at91sam9261 板子上成功搭建嵌入式 linux 系统。 第四章 linux 2.6 驱动程序的设计与实现 本章首先介绍了 linux 2.6 设备驱动的特点， 然后重点阐述了 4 种重要驱动的开发，其中包括触摸屏驱动，串口驱动，lcd 驱动以及 usb 驱动。 第五章 基于 qt 图形界面的应用程序设计与实现 本章主要是从应用软件方面进行阐述。 首先介绍了 qt 图形界面，然后详细阐述了将 qt 移植到 at91sam9261 板子上，最后基于 qt 设计了应用于小城镇、农村水压控制的上位机控制软件。 第六章 总结与展望 总结本文所做的工作，提出不足之处并对将嵌入式系统引入到工业 控制终端的应用前景进行了展望。 杭州电子科技大学硕士学位论文 10 第 2 章 at91sam9261 硬件开发平台的构建 2.1 系统硬件架构概述 一个基于 linux 的工业控制系统包括硬件平台和软件系统这两个方面的内容。 在将 linux 移植之前需要构建适合工业控制的目标硬件平台，熟悉各个硬件之间的结构和原理，并保证 其正常的工作。 本文设计的工业控制嵌入式系统的硬件架构如图 2.1 所示： at91sam9261处理器 64m nand flash lcd uart 2片32m sdram usb 4m data flash ads7843 power 图 2.1 工业控制嵌入式系统的硬件架构 对于该硬件架构，大致可以分成 6 部分： (1)cpu，主要是通过 at91sam9261 嵌入式处理器，对外围电路进行控制。 (2)电源部分，主要是供给主处理器和各个外围电路的电源。 (3)存储部分，由 at91sam9261 控制 2 片 32m 的 sdram、1 片 4m 的 data flash 和 1 片 128m 的 nand flash，这样大容量的存储器，大大满足了用户的需要，可以将庞大的根 文件系统放入 nand flash 中，顶层的应用程序设计也无需考虑内存不够的问题。 (4)显示部分，利用 at91sam9261 内部集成的可编程 lcd 控制器，可大大减少外围电 路，同时外接 ads7843 的触摸屏转换芯片，通过 spi 通信实现触摸屏的控制，配合可视化操 作界面，使用户操作更为简单。 (5)通信部分，通过三个通用同步/异步收发器（uart） ，一个用于开发者调试（dbug） 的调试串口，两个用于与下位机进行通信，实现与下位机的通信。 (6)控制部分，用户除了可以通过触摸屏对整个系统进行操作，还可以通过外接 usb 鼠 标进行操作。 杭州电子科技大学硕士学位论文 11 2.2 主控制电路设计 2.2.1 at91sam9261 简介17 at91sam9261 是 atmel 新近主推的一款通用 arm9 处理器，是一款以 arm926ej-s 处理器为核心的超低功耗“确定过程式”(deterministic)微控制器。该型号专为功耗低、数据 吞吐量大的无线手持式应用市场而开发的，例如无线销售终端（pointer-of-sale，pos）设备。 其待机电流仅为 2.5ua；工作频率 500hz 时，电流消耗则为 400ua。在工业级温度范围内， 处理性能达到 200mips 时，即使所有外设开启，其工作电流也仅仅是 65ma。 由于 at91sam9261 能提供庞大的数据吞吐量，并采用含数字信号处理器（dsp）扩展 功能的指令集，因此能够在成组模式下快速地执行复杂的 dsp 功能，例如：生物认证、语音 识别、软件调制解调器或像 rsa 等加密/解密算法，从而令系统大多数时间都处于关闭状态。 就一般的销售终端应用， 例如： 租车服务， 电池使用寿命为 4 小时， 如果使用 atmel 的 mcu 便可以把电池寿命延长 4 倍，达到 16 小时。其主要特点描述如下： (1)大容量片上 sram 和灵活的确定过程式 tcm 支持机制 at91sam9261 设有 16k 字节的数据高速缓存、 16k 字节的指令/写操作缓存、 160k 字节 的 200mhz 单循环存取 sram，以及 usb 器件专用的 2k 字节内置式 dpram。atmel 公 司充分发挥了 arm926ej-s 紧密式耦合内存（tightly coupled memory，tcm）构架之优势， 让传统 （非高速缓存） sram 直接链接到 arm 处理器上， 且不会出现滞后情况。 at91sam9261 的独立指令和数据缓存能支持 wince 和 linux 操作系统；而其基于 tcm 构架的 sram 区块 则是“确定过程式”实时操作系统的理想安排。另一方面，160k 字节的片上 sram 可划分 成多个 16k 字节的区块，作为“指令 tcm” 、 “数据 tcm”或片上外设的缓冲，从而让编程 人员灵活地优化系统的性能和功耗。 (2)内置式 lcd 控制器 大部分 pos 或其它数据输入设备都配备了 lcd 图形接口，以小型 lcd 屏幕显示选项菜 单。at91sam9261 的片上 lcd 控制器，能支持黑白显示和高达 16m 的彩色显示，令显示器 可以达到 2048*2048 的高分辨率。此外，160k 字节的片上 sram 可配置为帧缓冲，而不必 采用外置的帧缓冲，大大节省了材料，延长了电池寿命。 (3)全速 usb 主控制器 at91sam9261 内置的 usb 主控制器能够无缝地与各种 usb 设备（包括鼠标、键盘、条 码读取设备、无线 lan、dect 或蓝牙调试解调器）连接。其专用的 dma 控制器和多层式 ahb 内部总线架构，能有效地避免处理器参与数据传输。另外，usb 端口也可以连接一台 pc，以升级和维护系统。 (4)8 个级别的优先中断控制器 arm9 的中断控制设计（interrupt control scheme）不足以满足由中断主导的实时系统的 需求。有见及此，atmel 公司在此设计基础上进行了改良，加入具有 8 个优先级别、并可单 杭州电子科技大学硕士学位论文 12 独屏蔽的向量中断控制器。该中断控制器能处理多达 32 个内部或外部的中断源，将中断的反 应时间缩到最短。 (5)系统控制器支持实时应用 at91sam9261 配备了一个完整的监管功能的系统控制器，包括一些时钟源（振荡器、 pll） 、实时周期间隔及监视定时器、复位和关闭控制器、后备寄存器和实时定时器、一个功 率管理控制器、一个调试单元、以及多个用于 i/o 多任务操作的 pio 控制器。这个系统控制 器能为处理器的内核和各外设提供可配置时钟速率。此外，还提供了四个可编程的输出时钟， 并将内核和特定的外设设定与闲置模式，这样便可把功耗降至最低。 (6)片上外设 at91sam9261 的外设包括了 sd 及多媒体兼容的多媒体接口（mmc） 、三个同步串行控 制器、三个通用同步/异步收发器（usart） 、一个除错用的通用异步收发器（uart） 、两个 主/从串行外设接口（spi） 、一个 3 通道的 16 位定时器/计数器、双线接口（twi） ，而且所有 数字信号接脚上都有 ieee1149.1jta