（电路与系统专业论文）基于嵌入式linux下的can总线智能节点的设计.pdf

_ 一 杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 f f l l r lrlri ri r l f lf i l lirlflii f l l l l l l liir 1 0 19 0 9 10 4 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： 玛数 日期：驯年f 月，7 日 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： 7 马南日期：沙年f 月7 日 雌锄砸心吼叫降c 月 一 杭州电子科技大学硕十学位论文 摘要 工业控制系统从传统相对独立的控制单元发展到现在的网络集成化，而且随着对控制系 统要求的不断提高，这种网络化的要求也越来越高。c a n 总线作为现场总线的一种，是在工 业控制系统发展的推动下逐步建立起来的，它的高稳定性、高抗干扰性和简单结构等特点使 得它被广泛的应用到工业控制系统领域，并在其它分布式控制系统中得到应用。 现在嵌入式技术被广泛的应用到各个领域中，在工业控制领域也被普遍的采用，随着嵌 入式系统向网络化、智能化、可视化和高速度的方向发展，嵌入式系统中需要用到嵌入式操 作系统。嵌入式l i n u x 操作系统是一个多任务并发的、源代码开放的、可裁剪的高性能嵌入式 操作系统，在很多嵌入式开发项目中，嵌入式l i n u x 操作系统被用作系统的软件开发平台。 本文提出了一种基于嵌入式l i n u x 操作系统的c a n 总线智能节点的设计方案，该智能节点 可以检测c a n 总线上的节点数和通信波特率等功能，同时可以发送和接收指定节点的信息， 从而检测该节点的工作状态。该智能节点特点是携带方便，接入总线方便和交互界面友好。 本设计主要完成了硬件平台的搭建、嵌入式l i n u x 操作系统开发环境平台的构建和c a n 总 线智能节点的用户图形界面的开发。在硬件平台上，硬件电路由主控制器的硬件电路和c a n 总线节点硬件电路两个基本要素组成，具体介绍了主控制器开发板在本设计中被用到的硬件 资源，其次就是设计了c a n 总线智能节点的硬件电路，并说明其中采取的抗干扰措施；接着 在嵌入式l i n u x 操作系统开发环境搭建过程中，介绍了主控器$ 3 c 2 4 1 0 弓i 导程序的移植过程， 嵌入式l i n u x 操作系统内核的裁剪、优化以及根文件系统和用户文件系统的建立，完成本设计 中涉及到的硬件设备的驱动程序开发；最后在完成硬件平台和操作系统平台基础上，开发了 基于m i n i g u i 的c a n 总线智能节点的用户交互界面。 c a n 控制器在l i n u x 操作系统下的驱动开发和基于m i n i g u i 的图形界面开发是本设计的 两个重点，也是本设计的两个难点。在c a n 控制器驱动程序的开发中，首先研究了c a n 总线 协议的基本知识，包括c a n 总线的特点和报文格式；接着介绍了驱动程序中c a n 控制器的读 写函数；最后实现基于嵌入式l i n u x 操作系统的s p i 子系统上的c a n 控制器驱动开发。在图形 界面开发章节中，首先介绍m i n i g u i 编程环境的搭建，其中重点介绍了m i n i g u i 输入引擎的开 发；接着讲解m i n i g u i 应用程序的基本框架，并基于这个框架完成了m i n i g u i 图形界面的应用 程序的编写，该应用程序不仅要实现用户信息的交互，而且还要实现应用层对c a n 总线智能 节点的控制。 完成整个设计的基本内容后，对整个设计的功能和性能进行了测试，其中主要完成触摸 屏的校准，c a n 物理总线稳定性检测，测试c a n 总线智能节点设备的加载，调试c a n 总线其 它控制功能，最后完善c a n 总线智能节点接收数据文件的管理。 关键字：嵌入式操作系统，引导程序，内核，文件系统，设备驱动，图形界面 杭州i 毡子科技人学硕上学位论文 a b s t r a c t i n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e mh a sd e v e l o p e df r o mt r a d i t i o n a lr e l a t i v e l yi n d e p e n d e n tc o n t r o lu n i tt o b et h ec u r r e n ti n t e g r a t e dn e t w o r ks y s t e m w i t hc o n s t a n ti n c r e a s eo ft h er e q u i r e m e n t so nc o n t r o l s y s t e m ，t h ed e m a n df o rt h en e t w o r kc o n t r o ls y s t e mi sb e c o m i n gh i g h e ra n dh i g h e ra sw e l l t h ec a n b u s ，a sak i n do ff i e l db u s ，w a sg r a d u a l l yd e v e l o p e du n d e rt h ep r o m o t i o no ft h ei n d u s t r i a lc o n t r o l s y s t e md e v e l o p m e n t i th a sb e e nw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e mf i e l da n ds o m eo t h e r d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m sd u et oi t sh i g hs t a b i l i t y , i n t e r f e r e n c ei m m u n i t ya n ds i m p l es t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c s ，e t c e m b e d d e dt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d s ，i n c l u d i n gi n d u s t r i a lc o n t r o l f i e l d a st h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fe m b e d d e ds y s t e mt a m st ob e n e t w o r k 、i n t e l l i g e n t 、 v i s u a l i z e da n dh i g h s p e e d ，t h ee m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e mi sh i g h l yd e m a n d e d l i n u xc a t lb ec u t a n di sae m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e mw i t l lm u l t i - t a s kc o n c u r r e n c y , o p e ns o u r c ec o d ea n dh i g h p e r f o r m a n c e t h ee m b e d d e dl i n u xo p e r a t i o ns y s t e mc a nb eu s e da sas y s t e ms o f t w a r ed e v e l o p m e n t p l a t f o r mi nm a n ye m b e d d e dd e v e l o p m e n tp r o j e c t s t h i sp a p e r p r e s e n t sad e s i g no fc a n b u si n t e l l i g e n tn o d eb a s e do ne m b e d d e dl i n u xs y s t e m ， t h ei n t e l l i g e n tn o d ec a nc h e c kt h en u m b e ro fn o d e sa n dc o m m u n i c a t i o nb a u dr a t eo nt h ec a n b u s ， a n dm e a n w h i l e ，s e n da n dr e c e i v et h ei n f o r m a t i o nf r o mt h es p e c i f i e dn o d et oc h e c kt h ew o r k i n gs t a t e o ft h i sn o d e t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec a nb u si n t e l l i g e n tn o d ei se a s yt oc a r r y , c o n v e n i e n tt o a c c e s sa n df r i e n d l yt ou s e t h i s d e s i g nm a i n l ya c h i e v e s t h e b u i l d i n go fh a r d w a r ep l a t f o r m ，c o n s t r u c t i o no ft h e d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tf o re m b e d d e dl i n u xo p e r a t i o ns y s t e ma n dt h ed e v e l o p m e n to fu s e r g r a p h i c a li n t e r f a c ef o rc a nb u si n t e l l i g e n tn o d e i nh a r d w a r ep l a t f o r m ，t h e r ea r et w ob a s i ch a r d c i r c u i t s ，o n ei so nt h em a i nc o n t r o l l e ra n da n o t h e ri so nc a nb u si n t e l l i g e n tn o d e t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h eh a r d w a r er e s o u r c e sf o rt h em a i nc o n t r o l l e rd e v e l o p m e n tb o a r du s e di nt h i sd e s i g n ， d e s i g n st h eh a r d w a r ec i r c u i tf o rc a nb u sn o d e ，a n de x p l a i n st h ea n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e st a k e ni n t h ec i r c u i t ；a f t e r w a r d s ，i nt h ec o n s t r u c t i o no fe m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n g s y s t e md e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et r a n s p l a n tp r o c e s so fb o o tl o a d e ri nm a i nc o n t r o l l e r $ 3 c 2 410 ，t h ec u t 、c o m p i l ea n dt r a n s p l a n t a t i o no ft h ee m b e d d e dl i n u xo s ，t h ee s t a b l i s h m e n to ft h e r o o ta n du s e rf i l es y s t e m ，f i n i s h e st h ed r i v e rs o f t w a r ed e v e l o p m e n to fh a r d w a r ed e v i c e sr e l a t e di n t h i sd e s i g n ；f i n a l l y , o nt h eg r o u n do ft h eh a r d w a r ep l a t f o r mo p e r a t i o ns y s t e mp l a t f o r m ，t h i sd e s i g n d e v e l o p st h eu s e ri n t e r f a c eo fc a n b u si n t e l l i g e n tn o d eb a s e do nm i n i g u i t h ed r i v e rd e v e l o p m e n to fc a nc o n t r o l l e ri nl i n u xo sa n dd e v e l o p m e n to fg r a p h i c a l i n t e r f a c eb a s e do nm i n i g u ia r et l l et w of o c u s e sa n d 也ed i 伍c u l t i e so ft h i sd e s i g n i nt h e i l 杭州电子科技大学硕十学位论文 d e v e l o p m e n to fd r i v e rs o f t w a r ef o rc a nc o n t r o l l e r , f i r s t l y , w es t u d yt h eb a s i ck n o w l e d g eo fc a n b u sp r o t o c o l ，i n c l u d i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dm e s s a g ef o r m a to fc a n b u s ；s e c o n d l y , w ei n t r o d u c e t h er e a d i n ga n dw r i t i n gf u n c t i o n so ft h ec a nc o n t r o l l e ri nt h ed r i v e rs o f t w a r e ；f i n a l l y , w ea c h i e v e t h ed r i v e rd e v e l o p m e n to ft h ec a nc o n t r o l l e rb a s e do ns p is u b s y s t e mo fl i n u xo s i np a r to ft h e d e v e l o p m e n to fg r a p h i ci n t e r f a c e ，f i r s t l y , w ei n t r o d u c et h ei n s t a l l a t i o no fm i n i g u ip r o g r a m m i n g e n v i r o n m e n t ，m e a n w h i l e ，w ee s p e c i a l l yi n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n to ft h em i n i g u ii n p u te n g i n e ； s e c o n d l y ，w ee x p l a i nt h e f r a m e w o r ko ft h em i n i g u ia p p l i c a t i o ns o f t w a r ea n da c h i e v et h e d e v e l o p m e n to ft h em i n i g u ia p p l i c a t i o ns o f t w a r eb a s e do nt h i sf r a m e w o r k t h i ss o f t w a r es h o u l d n o to n l yr e a l i z et h eu s e ri n f o r m a t i o ni n t e r a c t i o n ，b u ta l s oa c h i e v et h ea p p l i c a t i o nl a y e rc o n t r o lo n c a nb u si n t e l l i g e n tn o d e a f t e rc o m p l e t i n gt h eb a s i cc o n t e n to ft h ew h o l ed e s i g n ，w en e e dt ot e s tt h ef u n c t i o na n d p e r f o r m a n c eo ft h ew h o l ed e s i g n t h em a jo rt a s k si n c l u d e s ：c o m p l e t i n gc a l i b r a t i o no ft h et o u c h s c r e e n , d e t e c t i n gt h es t a b i l i t yo ft h ec a np h y s i c a lb u s ，t e s t i n gl o a d i n go nt h ec a nb u si n t e l l i g e n t n o d e ，d e b u g g i n gt h eo t h e rc o n t r o lf u n c t i o no ft h ec a n b u sa n df i n a l l yi m p r o v i n gm a n a g e m e n to n t h ed a t af i l er e c e i v e df r o mc a nb u si n t e l l i g e n tn o d e k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e mo s ，b o o tl o a d e r , k e r n e l ，f i l es y s t e m ，d e v i c ed r i v e r , g r a p h i c a l i n t e r f a c e i i i 1 3 2 本设计的意义5 1 4论文章节安排6 第2 章c a n 总线智能节点硬件电路的架构7 2 1开发板的硬件资源7 2 2c a n 总线节点的设计8 2 2 1c a n 控制器m c p 2 51 5 的概述8 2 2 2c a n 总线节点电路设计9 2 2 3c a n 总线节点抗干扰电路设计。1 0 2 3本章小结1 0 第3 章嵌入式l i n u x 系统引导程序的移植1 1 3 1u 。b o o t 原理分析1 1 3 2u b o o t 源代码修改与移植1 2 3 2 1 实现n a n df l a s h 代码重定向1 2 3 2 2 实现u b o o t 对n a n df l a s h 读写的命令1 3 3 3u b o o t 的编译和测试1 5 3 4本章小结1 5 第4 章嵌入式l i n u x 系统的建立1 6 4 1嵌入式l i n u x 系统内核的移植1 6 i v 杭州电子科技大学硕士学位论文 4 1 1 修改顶层m a k e f i l e 1 6 4 1 2 修改l i n u x 内核中n a n df l a s h 的分区信息1 6 4 1 3 实现开发板网卡的驱动1 7 4 1 3 1 添加网卡驱动的地址信息17 4 1 3 2 修改网卡的驱动程序1 8 4 1 4 设置l i n u x 内核编译选项1 9 4 1 5 嵌入式l i n u x 内核的编译和添加u b o o t 头信息1 9 4 1 6l i n u x 内核的烧写和引导2 0 4 2嵌入式l i n u x 文件系统的构建2 1 4 2 1 创建c 洲f s 根文件系统2 2 4 2 1 1 准备工作2 2 4 2 1 2 创根文件系统基本目录2 2 4 2 1 3 创建根文件系统基本的设备文件2 3 4 2 1 4 建立嵌入式l i n u x 系统配置文件2 3 4 2 1 4 生成系统的执行命令库2 5 4 2 ，1 5 创建c 洲f s 文件系统2 5 4 2 2 挂载y a f f s 2 用户文件系统2 6 4 2 2 1 编译生成支持y a f f s 2 文件系统的内核镜像2 7 4 2 2 2 格式化n a n df l a s h 的叮f s 2 用户文件系统分区2 7 4 2 2 3 挂载y a f f s 2 文件系统2 7 4 3本章小结。2 8 第5 章c a n 总线智能节点设备驱动程序的开发2 9 6 1l c d 的驱动3 1 5 1 1t f t 屏工作时序分析3 1 5 1 2 修改帧缓冲驱动的相关文件3 2 5 1 2 1 设置l c d 相关的硬件信息3 2 5 1 2 2 打开l c d 初始化3 3 5 1 2 3 添加l c d 寄存器参数到平台设置函数3 4 5 1 3 配置与l c d 相关的内核选项3 4 6 2触摸屏的驱动一3 4 5 2 1l i n u x 输入子系统概述3 5 5 2 2 触摸屏接口电路分析3 6 5 2 3 触摸屏驱动实现3 7 5 2 3 1 驱动的加载和卸载3 7 5 2 3 2 中断服务子程序3 8 v 5 2 5 2 6 3 5 3 5 3 5 5 5 3 ) ， 5 3 3 4c a n 控制器驱动程序的中断处理4 9 5 3 3 5c a n 控制器驱动的加载和卸载5 0 5 3 3 6 驱动编译到内核5l 6 4本章小结5 2 第6 章c a n 智能节点图形界面的开发5 3 6 1 嵌入式图形界面开发工具的选择5 3 6 2搭建m i n i g u i 应用界面开发的环境5 3 6 2 1 安装m i n i g u i 相关的库文件5 4 6 2 2m i n i g u i 输入引擎的开发5 4 6 2 3m i n i g u i 的编译与安装5 6 6 3 c a n 智能节点用户界面的实现5 7 6 3 1m i n i g u i 应用程序的基本结构5 7 6 3 2 用户界面的实现5 8 6 4本章小结6 0 第7 章嵌入式l i n u x 系统的c a n 总线智能节点的调试6 1 7 1 触摸屏的校准6 1 7 2c a n 总线稳定性调试6 1 7 3c a n 总线智能节点调试。6 2 7 3 1c a n 总线智能节点设备文件挂载调试6 2 7 3 2 单节点环回模式调试6 3 7 3 3 多节点组网调试6 3 7 4 c a n 总线智能节点数据文件的管理6 5 7 5 本章小结6 6 第8 章总结与展望6 7 v i 8 1工 8 2展 致谢 附录 v n 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 在现代工业迅猛发展的今天，工业控制系统对网络化要求越来越迫切，并且要求控制过 程的高可靠性、高效、高实时性和高速，并向着自动化、智能化和网络化的方向不断的发展。 在这种发展趋势的推动下，总线技术在2 0 世纪8 0 年代诞生了，到目前为止在工业控制领域中 发挥着重要的作用【1 】。与此同时，以嵌入式技术为基础的数字控制系统在工业控制系统中的 应用成为了主导，世界各工业大国在嵌入式技术领域展开了激烈的竞争，在这种竞争的推动 下，嵌入式技术在产业发展中充当着越来越重要的角色。在这种背景下，把嵌入式技术应用 到基于总线网络的工业控制领域中，将大力推进分布式和智能化工业网络控制系统的发展。 在众多总线技术中，c a n 总线以其突出的性能、极高的稳定性和特有的总线结构，在工 业分布式控制系统和过程控制系统领域中得到大规模的应用，差不多在所有的连续和离散工 业控制系统中被应用，所以受到整个工业产业界的高度重视，被称为最有发展前景的现场总 线之一1 2 1 。而在高端的嵌入式软件控制领域中，嵌入式l i n u x 操作系统由于其源代码开发和较 少的成本投入，在嵌入式开发领域得到广大开发者的宠爱，已经成为主流的嵌入式操作系统 之一。 本设计是基于嵌入式l i n u x 操作系统的软件开发平台之上，实现c a n 总线节点的控制智能 化，实现节点控制的图形人机交互界面，节点接入到总线更加简单易行，方便的检测总线上 其它节点的工作状态。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 本设计主要是基于嵌入式l i n u x 操作系统的c a n 智能节点的开发设计，本节将重点介绍嵌 入式l i n u x 操作系统和c a n 总线的现状和发展趋势。 1 2 1 嵌入式操作系统的现状及其发展 在介绍嵌入式操作系统前，先介绍下嵌入式操作系统运行的硬件平台的发展，最早的嵌 入式硬件平台是2 0 世纪8 0 年代的8 位单片机( 现在一般把基于8 位单片机的系统称为传统嵌入 式系统) 。因为在早期的控制系统中，主要解决的问题相对单一，同时要求的运算量也不大， 运行的频率也不高，因此基于8 位单片机之上的系统程序功能相对也是单一的。而随着互联网 的快速发展，许多的嵌入式系统需要添加网络接入和要求更加智能化，这就要求硬件平台运 杭州电子科技大学硕士学位论文 行速度更快，软件处理的功能更加复杂，例如很多嵌入式系统要求多媒体音视频、图形界面 和触摸屏输入等功能，在这些需求的推动下，产生了新一代的嵌入式系统，这种嵌入式系统 有别于上面提到的传统嵌入式系统。 新一代嵌入式系统的硬件平台不再是8 位的，而是现在主流的3 2 位处理器，例女h p o w e r p c 系列、a r m 系列、m i p s 系y | j $ n x 8 6 系列等【3 l 。与此同时，嵌入式软件程序不再是单一的功能， 可能要求多任务同时运行，这样嵌入式操作系统就应运而生了，嵌入式操作系统在整个嵌入 式系统的发展历程中起着非常重要的作用，它为嵌入式系统的软件程序提供高效和稳定的开 发平台，大大提升了整个系统开发和运行的效率，特别是在多任务的复杂系统中，这点体现 的更加明显。现在比较主流的几种嵌入式操作系统有e m b e d d e dl i n u x 、v x w o r k s 、w i n c e 等，下面简单介绍几种常用嵌入式操作系统的现状和发展。 1 2 1 1 嵌入式l i n u x 操作系统 l i n u x 操作系统是一个类u n i x 的操作系统，它最初的雏形是由芬兰一位名q l i n u st o r v a l d s 的人在读大学期间开发的，但发展到今天，它已经成为了世界上最流行的一款源代码开发的 操作系统，它功能强大，设计完善，并得到强大的开发团队不断的升级和维护，已经成为 m i c r o s o f t 公司强有力的竞争对手。它不仅在服务器和p c 机上有不错的表现，在嵌入式操作系 统领域的发展也是如火如荼【5 j ，在多种嵌入式操作系统激烈竞争中，嵌入式l i n u x 操作系统发 展迅速，到现阶段大概有将近一半的嵌入式开发项目都是采用嵌入式l i n u x 作为操作系统，嵌 入式l i n u x 操作系统被广泛采用，主要是它有如下方面的特点： ( 1 ) 嵌入式l i n u x 操作系统支持多种硬件平台【6 l 。嵌入式l i n u x 操作系统可以在上面提到的 多种主流的3 2 位处理器上运行，同时嵌入式l i n u x 是符合i e e ep o s i x 1 标准，使得基于它开放 的应用程序也具有较好可移植性； ( 2 ) 嵌入式l i n u x 操作系统提供一整套的开发工具。在传统的嵌入式系统开发中需要一套在 线仿真工具，完成对开发程序的监控和调试工作，但硬件仿真工具一般比较昂贵，一般也只 应用在非常底层的程序调试中。但是基于嵌入式l i n u x 操作系统的开发，只需要软硬件可以支 持串口通讯就可以完成开发和调试工作1 7 】，在嵌入式l i n u x 操作系统下开发，可以使用相应硬 件平台的g c c 交叉编译器进行跨平台编译程序，同时可以使用g d b 、k g d b 等工具链进行在 线交叉调试； ( 3 ) 嵌入式l i n u x 操作系统内核是层次式的模块化结构，并且完全免费开放源代码。l i n u x 内核是由多个体积小且高性能的相对独立的模块组成的，不同领域和不同层的用户可以根据 自己开发的项目要求对内核进行裁剪和添加1 8 】，这使得开发项目在操作系统方面的花费大大 降低； ( 4 ) 嵌入式l i n u x 操作系统有强大的网络支持。因为l i n u x 操作系统是类u n i x 操作系统，在 它形成初期，就保证了能很好的支持所有网络协议，并将标准l i n u x 对网络协议支持很好的继 杭, j q l 电子科技大学硕士学位论文 承到嵌入式l i n u x 操作系统中。另外，l i n u x 操作系统支持很多种文件系统，例女n e x t 2 、f a t 3 2 、 c r a m f s 、j f f s 2 、y a f f s 2 等文件系统。 1 2 1 2 嵌入式w i n d o nc e 操作系统 嵌入式w i n d o w sc e 操作系统是m i c r o s o f t 开发的一个开放式的、可以不断升级的3 2 位嵌入 式操作系统，它主要针对掌上型电脑类的嵌入式电子设备【l o 】。嵌入式w i n d o w sc e 操作系统是 在w i n d o w s9 5 9 8 的基础上进行精简得到的，它不仅传承了w i n d o w s 9 5 9 8 的图形操作界面，而 且可以使用w i n d o w s9 5 9 8 的编程工具( 例如v b 、v c + + 等) ，但是又与w i n d o w s9 5 9 8 有所不同， 它是基于w i n 3 2a p i 重新设计的新型操作系统平台。 1 2 1 2 嵌入式实时操作系统v x w o r k s v x w o r k s 操作系统是由美国w i n dr i v e rs y s t e m 公司开发的一款实时操作系统，它最大的 优势在于其有很高的可靠性和突出的实时性，被广泛的使用在军事、航天航空、通信等高精 度要求的领域。当项目开发用户要求很高的稳定性和实时性时【l ，v x w o r k s 是不二的选择， 但与此同时，它的版权费要远高于其它嵌入式操作系统。 本设计中选用嵌入式l i n u x 操作系统作为开发平台，主要是基于下面几方面的考虑：第一、 l i n u x 源代码是完全开放的，并有遍布全球的l i n u x 爱好者的支持和维护，很容易解决各种难 题；第二、l i n u x 内核很小并可裁剪，内核镜像的执行效率高，减少了硬件资源的开销，而不 像w i n d o w sc e 最后编译生成很大的内核镜像；第三、l i n u x 源代码可以完全免费的获得，大 大降低了开发的成本，这点很适合中国的基本国情，因此，在实时性要求不是特别高的系统 中，就不用采用像v x w o r k s 这样昂贵的操作系统；第四、l i n u x 内核提供其它操作系统不能媲 美的网络功能，几乎支持现有的所有网络通讯方式。 但是嵌入式l i n u x 操作系统也存在与其它嵌入式操作系统相比的弱点：第一、它针对核心 程序的调试工具稀缺，内核调试难度比较大；第二、它对开发的技术要求较高、需要较高的 技术实力，不像w i n d o w sc e 提供了完善应用开发环境，开发相对简单；第三、它没有自己集 成的图形界面开发库，需要另行安装；第四、它不是硬实时操作系统，不能满足实时性要求 高的场合。 1 2 2 现场总线的现状和发展趋势 现场总线是应用在生产控制现场的，实现以微处理器的测控为单元的多节点之间的双向 串行通信系统，它也被称为基于底层控制的数字化、开放式和多点通信的通讯网络。目前， 现场总线技术应用的主要网络结构是将专用的微控制器置入到控制单元中，然后将多个控制 单元通过简单的物理网络线连接在一起，并按照总线公开、规范的通信协议进行控制信息的 杭州电子科技大学硕士学位论文 交互，最终实现一个各个控制器之间自动协调的控制系统【1 3 1 。对现场总线目前的发展状况总 结了如下几点： ( 1 ) 多种现场总线协议的并存。到现在为止，现场总线的国际标准中已经采纳了8 种协议 以及一些其它现场总线协议。每种总线的诞生都是依托某家企业的生产需求，不同领域的企 业对总线的需求也不同，当协议产生后，都成立自己的协议组织并加以推广，导致现在存在 多种协议标准； ( 2 ) 现场总线的适用领域不断扩展。现在现场总线的应用领域除了传统的工业控制领域， 在非工业控制领域也广泛应用，例如智能家居中的多点通信； ( 3 ) 激烈竞争中相互包容。在多种现场总线并存的状况下，它们也不是绝对的独立的，它 们也有相互渗透，有些总线试图将几种协议标准融合在一起，推进各大主流协议的统一，例 如欧洲的标准协议e n 5 0 1 7 0 在制定的时候，将德国、法国和丹麦的3 个标准总线协议统一于其 中，后来又将c o n t r o l n e t 和f f 协议包括其中，构成了多总线协议兼容的标准体系。 现场总线标准统一的问题重重，但是基于现场总线的控制系统的快速发展已是个不争的 现实，在现在产品开发中，现场总线的应用不断的增加，并且总线的控制结构体系越来越清 晰，现场总线发展的趋势主要表现在以下两个方面： ( 1 ) 总线协议体系结构趋向于简单化。由早期多层的网络结构模型发展到现在的少层模 型，例如早期m a p 的7 层结构模型发展到现在只有3 层。当前业界相对比较认可的是3 层设备 和2 层网络的5 层结构模型，其中3 层设备主要是底层的现场设备，而2 层主要是控制设备间的 通信网和管理网； ( 2 ) 现在很多企业更偏向于采用应用更加通用、技术更加成熟的总线协议，这也使得当下 最流行的t c p i p 协议成为发展的趋势，但新型的现场总线技术不是完全取代传统技术的，而 是一个继承、提高和融合的关系。 1 3 课题的主要内容和意义 1 3 1 本设计的主要内容 本设计实现的是基于嵌入式l i n u x 操作系统的c a n 智能节点的开发，以嵌入式l i n u x 系统 作为开发平台，以计算机技术为开发工具，整个开发过程主要分为三大个基本层，本设计的 系统层次结构图如图1 1 所示： 4 馒件层 - - - - - - - - - - 图1 1 系统层次结构图 从上图的层次结构可以看出，本设计这三个部分内容如下： ( 1 ) 第一部分是搭建整个系统的硬件平台，其中主控器部分的硬件使用f s 2 4 1 0 开发板现有 的硬件资源，另外需要设计c a n 总线智能节点的硬件电路； ( 2 ) 第二部分是建立系统层的开发平台，主要包括b o o tl o a d e r 的移植、嵌入式l i n u x 内核的 移植