（通信与信息系统专业论文）基于arm7和μclinux的燃料电池车车载信息平台的研究与实现.pdf

摘要 燃料电池车，是缓解能源与汽车工业发展矛盾的产物，已经被诸多汽车生 产厂商和科研机构所研究，并取得了一定的进展。为了方便燃料电池车的调试， 需要开发一套信息平台来直观的监测并记录燃料电池车在调试过程中的各种数 据。 目前燃料电池车项目中使用的信息平台为上、下位机方式：上位机使用的 是微型工控机，信息平台界面用d e l p h i 开发；下位机使用的是d s p 2 4 0 7 开发的 控制系统板，主要完成从c a n 数据到串口数据的转换。这种方式简单易行，但 在实际使用过程中存在数据丢失、系统工作不稳定等问题。 本文以燃料电池车为研究背景，分析了原燃料电池车车载信息平台的不足， 并制定出基于a r m 7 和z c l i n u x 的燃料电池车车载信息平台的设计方案。方案 以s 3 c 4 4 b o x 作为系统硬件核心，以z c l i n u x 为系统软件平台，在此基础上设计 的信息平台程序数据传输安全及时，系统工作稳定。 系统硬件完成了车载信息平台各模块的硬件电路图的设计，分析了燃料电 池车车载信息平台的组成；实现了显示模块、实时时钟模块、数据存储模块、 串行通信模块、键盘接口模块、c a n 接口模块、u s b 接口模块和c p l d 扩展模 块的开发，并对各个模块的原理及连接方法进行了详细的说明。 系统软件开发了能够引导z c l i n u x 的b o o t l o a d e r 程序，编写并加载了键盘驱 动和c a n 驱动，完成了t c l i n u x 内核的定制和编译工作。实现了应用程序的加 载和系统的集成。 至此形成了集硬件、操作系统、应用程序为一体的燃料电池车车载信息平 厶 口。 最后对本文所做的工作进行了总结，提出了系统应用过程中存在的问题，并 对以后的工作进行了展望。 关键词：燃料电池车，车载信息平台，a r m ，嵌入式操作系统，m c l i n u x i v a b s t r a c t f u e lc e l lv e h i c l e ( f c v ) i st h ea l t e r n a t i v et h a ts o l v e st h ee n e r g ya n dt h e a u t o m o b i l ei n d u s t r i a ld e v e l o p m e n tc o n t r a d i c t i o n ，i sa l r e a d yr e s e a r c h e db ym a n y a u t o m o b i l ep r o d u c e sf a c t o r y sa n dr e s e a r c ho r g a n i z a t i o n s f c vt e c h n o l o g ym a d e c e r t a i np r o g r e s s f o rd e b u gt h ef c vc o n v e n i e n t l y ，n e e dt od e v e l o pai n f o r m a t i o n p l a t f o r mf o rm o n i t o r i n ga n dr e c o r d i n gt h ev a r i o u sd a t ad u r i n gt h ed e b u g g i n gf c v t h ei n f o r m a t i o np l a t f o r mt h a tu s ef i r s ti nt h ef c vp r o j e c ti su s e df o ru p p e rl e v e l & d o w nl e v e lm a c h i n em e t h o d ：u p p e rl e v e lu s e dt h em i n - i n d u s t r i a lc o m p u t e r ， i n f o r m a t i o np l a t f o r mi n t e r f a c ed e v e l o p m e n tb yd e l p h i ；d o w nl e v e lu s e dc o n t r o l s y s t e mb yd s p 2 4 0 7 t h a tt h em a i nf u n c t i o ni sc o n v e r td a t af r o mc a n t os c i t h i s m e t h o di se a s yt or e z i l i z e ，b u tt h e r ea r es o m et r o u b l e sj u s tl i k el o s ed a t aa n ds y s t e m o p e r a t i o ni n s t a b i l i t y a i mt of c vt h i sp a p e ra n a l y z i n gt h es h o r t a g eo ft h eo r i g i n a li n f o r m a t i o n p l a t f o r m b a s eo na r m 7 # c l i n u xt h en e w f c vi n f o r m a t i o np l a t f o r md e s i g ni sp u t f o r w a r d t h ep r o j e c tu s e st h es 3 c 4 4 b o xa st h es y s t e mh a r d w a r ec o r e ，t a k i n gt h e b t c l i n u xa st h es y s t e ms o f t w a r ep l a t f o r m t h ee x p e r i m e n ts h o w st h ei n f o r m a t i o n p l a t f o r mn o tl o s ed a t aa n do p e r a t i o ns t a b i l i t y f o rh a r d w a r ea n a l y z ec o n s i s to ff c vi n f o r m a t i o np l a t f o r m ，e a c hm o d u l eo ft h e i n f o r m a t i np l a t f o r ms y s t e ma l eg i v e n ，i n c l u d i n gd i s p l a ym o d u l e ，r t cm o d u l e ，d a t a s a v em o d u l e ，s c im o d u l e ，k e y b o a r dm o d u l e ，c a nm o d u l e ，u s bm o d u l ea n dc p l d e x t e n dm o d u l e d e s c r i b e di n d e t a i lt h ep r i n c i p l eo fe a c hm o d u l ea n dh o wt o c o n j u n c t i o n f o rs o f t w a r ed e v e l o pt h eb o o t l o a d e rp r o g r a mw h i c hc a nb o o tt h e z c l i n u xs y s t e m ， a n dk e y b o a r dd r i v e ra n dc a nd r i v e ra r el o a d e d s e t u pa n dc o m p i l et h ek e r n e l r e a l i z et h ea p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n ta n ds y s t e mi n t e g r a t i o n t h u s ，b e c o m et og a t h e rt h eh a r d w a r e ，o p e r a t es y s t e m ，t h ea p p l i c a t i o np r o c e d u r e a si n t e g r a lw h o l eo ft h ef c vi n f o r m a t i o np l a t f o r ms y s t e m a tl a s tg i v es u m m a r i z et h ew o r ko fw h o l ef c vi n f o r m a t i o np l a t f o r mp r o j e c t ， a n ds h o wu st h ep r o b l e mi nt h i si n f o r m a t i o np l a t f o r m ，a l s of o r t h en e x tw o r k v e x p e c t a t 一i o n 。 k e y w o r d s ：f c v , i n f o r m a t i o np l a t f o r mi nv e h i c l e ，a r m ，e m b e d d e do s ，t c l i n u x v i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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) 一畔新躲坪吼刎 i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究意义 随着社会工业化的发展，对汽车的需求也日益增加，传统汽车以石油为能 源，并排出大量的有害气体，严重地污染了人类赖以生存的自然环境，给人类 生存造成了严重的危害。而人类对自身环境的不断关注，再加上世界能源形势 日益紧张，因此迫切需要开发一种使用新能源的汽车，来缓解目前环境与能源 的压力。于是燃料电池车就随之而生【1 1 。本课题是由武汉理工大学参与的湖北省 重大科技攻关项目燃料电池车的开发衍生而来。 燃料电池车作为新代产物，与传统汽车不同主要在于驱动能源改为燃料 电池，燃料电池( f u e lc e l l ，简称f c ) 是一种将燃料和氧化剂的化学能直接转化为 电能的“发电装置”，并且能一直产生能量直至燃料耗尽【到。这就需要对原有的控 制系统进行调整，驱动部分也由原来的汽油发动机改为电动机，车内所有部件 运行状况及各类参数均由各部件的控制系统通过c a n 网络进行传输。然而燃料 电池车目前还在研究阶段并没有产品化，因此我们需要对车内各部件的运行状 况及各种数据进行监测，以了解燃料电池车是否工作正常。燃料电池车中所使 用的“燃料”多为可燃性物质如某些醛类、氢气等。本校参与的燃料电池车项目中， 使用氢气作为燃料电池车的能源。众所周知氢气属于易燃易爆气体，加上燃料 电池车的调试本身在复杂的环境下进行，因此在调试的过程中调试人员需要简 单直观的看到车内各信息参数，从而发现调试过程中可能存在的问题、系统部 件的故障以及隐藏的危险，对保护人身安全及燃料电池车的安全有着极其重要 的意义和作用。 传统的汽车发明于1 8 9 6 年，但当时的汽车上并未配备仪表。而汽车仪表的 产生也是为了安全的需要而开发的，它最初只是为驾驶员提供车辆的状态信息。 而实现这些功能是采用基于机械作用力的机械芯仪表。随着微电子技术、车用 仪表新材料以及车用仪表精细加工等技术的发展，传统汽车仪表发生了一定的 变化，大大拓展了人、车界面系统。但是这种仪表的依旧只是建立在传统的功 能之上。而燃料电池车车内所有部件运行状况及各类参数均通过c a n 网络进行 武汉理工大学硕士学位论文 传输，致使传统的仪表无法满足燃料电池车的需求。因此需要开发新的燃料电 池车车载信息平台系统来满足要求。 燃料电池车车载信息平台系统属于整车智能控制系统的一个子系统，是汽 车仪表功能的扩展和升级。系统主要利用了现代m c u 的高可靠性、高控制性和 高执行速度等特点，实现了c a n 网数据的采集，实时显示及数据记录的功能。 燃料电池车车载信息平台具有以下优点：该信息化平台能提供大量复杂的 信息，使车内各部件的运行状况一目了然；满足小型、轻量化的要求，使有限 的驾驶空间更具人性化；高精度和高可靠性实现汽车仪表的电子化和信息化， 减少故障的发生率；提供统一的总线平台接口，只要遵循一定的规则，就可以 将不同设备挂接在总线上；外形设计自由度高，造型美观【3 1 。 同时该燃料电池车车载信息平台采用的嵌入式技术是当今计算机通信领域 最热门的技术之一，作为实现设备小型化，智能化的重要元素，嵌入式系统已 经在国防、航天航空、交通、能源、工业控制、通信以及人们同常生活等各个 领域得到了广泛的应用。 1 2 国内外的发展现状 前面已经提到最初的汽车上并未配备仪表。汽车仪表产生于2 0 世纪初， 它最初只是为驾驶员提供车辆的状态信息。实现这些功能是采用基于机械作用 力的机械芯仪表。例如速度表是通过指针摆动来显示汽车行驶速度的，表内有 一套系统( 带指针轴的转盘，带永久磁铁的转轴、轴承、游丝等零件) 操控指针的 摆动。由于这些零件本身的制造工艺、装配误差，以及在使用过程中的自然磨 损、磁性元件的磁性变化都会造成车速表的指示误差。但是由于车内电子设备 较少，因此信息显示装置比较简单，可以采用l e d 和仪表盘来指示相关信息。 随着信息技术的发展，车内各电子设备的连接和通信都采用国际上流行的 c a n 总线标准，信息传输通过c a n 网络进行。目前除了传统仪表信息外还装备 了汽车的故障诊断、地形图显示、导航及各种信息服务，这标志着车载仪表已 经向信息平台的方向发展。例如福特仪表盘上除了普通仪表外，还有两个车载 电脑显示屏，分别显示剩余油量、行驶里程、剩余里程、油耗、平均时速和车 外温度等多种信息，操作非常方便。 ( 1 ) 国外车用仪表及车载信息平台状况： 国外汽车仪表满足了小型、轻量化的要求，使汽车仪表盘附近的宝贵空间 2 武汉理工大学硕士学位论文 更加宽敞，增加了仪表的数量，从而增加了信息量。采用了数字化技术显示， 已经实现了一表多用，如大众途锐。实现了高精度和高可靠性，减少故障的发 生率，而且仪表盘也非常美观。当今国外发达国家普遍使用全数字式汽车仪表， 而且绝大部分是步进电动机式汽车仪表，并且正积极准备向信息平台的方向发 展。各大汽车电子半导体供应商如瑞萨、德州仪器等公司已经推出了彩色液晶 屏的汽车信息系统的演示套件。2 0 0 5 年9 月，日本三大汽车生产商丰田、本田 和n i s s a n 日产成立了一家非营利性集团，为汽车电子系统的操作软件制定一 个国际标准。而通用汽车推出的o n s t a r 技术，也提供了许多与微软开发的技术 相似的功能，包括驾驶导向、无线电话和远程汽车性能诊断等。2 0 0 7 年1 月6 日，美国福特汽车公司公布了与微软的结盟，双方将共同开发一款称为s y n c ( 同 步) 的车载系纠钔。 燃料电池车车载信息平台方面，已经采用了虚拟仪表的显示方式，并且使 用了嵌入式技术等高新技术，相比国内的车用技术已经提前了1 0 年。 ( 2 ) 国内车用仪表及车载信息平台状况： 目前国内汽车仪表行业在整体上仍滞后于整车的发展，“散、乱、差”的状况 尚未改变，与国外相比有很大的差距，表现在产品技术水平低，造型单调，产 品质量可靠性和耐久性差，制造工艺落后，产品检测不完善，数字化程度低等 方面【3 j 。国内的仪表系统还属于电子式组合仪表和基于c a n 总线的电子式组合 仪表，与国外还存在较大的差距。而在信息平台方面，我国的国情决定了不能 进行大规模推广，只有少数高端车型使用。 而在燃料电池车车载信息平台方面，国内使用的车载信息平台是非嵌入式 的车载信息平台系统，而非现在比较流行的嵌入式系统，它一般由上位机和下 位机组成。上位机多采用通用的微型工控计算机。下位机则多采用了带有c a n 控制器的单片机作为主控芯片，并将c a n 网络数据并通过一定的规则转换成标 准串行通信的格式从串口发送至上位机【5 】- 【1 0 】。这样的设计和实现起来比较简单， 但较国外使用的信息平台而言，稳定性较差。 1 3 课题的任务和目标 目前实验室参与的燃料电池车的项目开发中，车载信息平台是通过上、下 位机的方式来实现的。由于上位机装有标准的w i n d o w s 操作系统，因此信息平 台程序开发是通过d e l p h i 实现的，而信息平台上所需要的数据，则由下位机通 3 武汉理工大学硕士学位论文 过串口传输而来。这样的设计有一定的优势，即系统简单易行，但存在以下缺 陷：( 1 ) 上位机w i n d o w s 操作系统本身的限制。众所周知w i n d o w s 操作系统存在 着大量的b u g ，信息平台软件编写的失误或是病毒的引入都会造成不可预知的麻 烦；( 2 ) 串1 3 通信本身特性的限制。串口通信虽然是应用很广泛的通信方式，但 是r s 2 3 2 串口通信的速率限制了不能进行高速大容量数据的传输，一般工控机 r s 2 3 2 接口也只能达到1 1 2 5 0 0 k b p s 。因此在系统接受大量数据时存在一定程度 的“蓝屏”现象。出现“蓝屏”的原因有多种，主要是因为在数据量很大时进行数据 转换所用的控件的限制；( 3 ) 下位机在进行c a n 数据和串口数据转换时会出现数 据丢失的现象；( 4 ) 数据的记录保存在工控机的c f 卡上，要分析时还需要人为的 拷贝至优盘中。虽然总体上没有影响在燃料电池车调试过程中作用的发挥，但 该设计方案无论从易用性，稳定性还是成本方面都不是最好的选择。 因此开发的新的燃料电池车车载信息平台除了完成先前车载信息平台的全 部功能外，还需要解决先前车载信息平台存在的问题，可以选用流行的嵌入式 处理器来作为信息平台系统的硬件核心，使用嵌入式操作系统作为信息平台系 统的软件核心，设计出新的燃料电池车车载信息平台系统。 本课题主要研究内容是通过研究基于a r m 7 的嵌入式技术以及燃料电池车 工作原理，综合运用现场总线技术、人机交互技术、u s b 存储技术，从而对燃 料电池车运行状态以及各个模块数据进行实时采集、存储、传输以及图形化显 示，为调试者提供良好的界面信息，可以直观的了解车内各部分情况。具体工 作包括以下内容： ( 1 ) 对传统的车载信息平台系统进行深入研究，分析系统不足，并制定新 的燃料电池车车载信息平台方案； ( 2 ) 设计基于a r m 7 和z c l i n u x 的嵌入式燃料电池车车载信息平台系统的 系统框图； ( 3 ) 设计系统的硬件原理图及p c bl a y o u t ，并进行硬件各模块的调试，直 至各模块功能实现； ( 4 ) 编写并调试基于t c l i n u x 的各模块的驱动程序； ( 5 ) 配置与编译嵌入式操作系统c l i n u x 内核以适合本系统硬件需要，完 成g c l i n u x 的移植工作； ( 6 ) 系统应用软件的添加及系统集成。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本章小结 本章首先叙述了课题的研究意义；介绍了车载信息平台的发展历程，从最初 的机械式仪表到电气式仪表，再到模拟电子式l e d 指示方式，直至现在较先进 的全数字信息平台，分析了国内外汽车仪表、信息平台发展的现状及发展趋势， 以及目前国内外燃料电池车车载信息平台的情况。最后分析了本实验室参与的 燃料电池车项目中信息平台存在的问题，并给出了本课题所需要完成的研究内 容。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统分析及总体结构 了解系统平台的需求分析，并根据需求进行系统结构设计和方案选择，是系 统开发的首要任务，直接关系到系统设计的成败。本章节将对这些内容进行详 细分析。 2 1 燃料电池车载信息平台系统需求分析 燃料电池车车载信息平台是为燃料电池车调试而开发的，包括：( 1 ) 调车过 程中对车内c a n 网络上传输的数据进行实时监测与显示，以便调试人员观察； ( 2 ) 对调车过程中的数据进行记录，数据保存在优盘中，方便调试人员日后对车 辆运行时各参数进行进一步分析。因此根据车载信息平台的特点并结合燃料电 池车的特点，该车载信息平台系统需要完成以下几个基本功能模块： ( a ) 人机交互功能模块：此模块需要提供按键功能，目的是完成对信息平台的控 制，如信息平台的功能切换及显示屏幕的页面切换； ( b ) 信息显示模块：此模块主要是通过l c d 显示屏将所需的信息进行显示； ( c ) 通信接1 3 模块：此模块是信息平台的核心，所有数据的传输、记录都通过此 模块进行，主要功能包括：c a n 网络通信模块，实现信息平台与c a n 网络 的连接；u s b 接口通信模块，实现数据的记录；r s 2 3 2 接口通信模块，实现 信息平台系统的调试；j t a g 接口通信模块，实现系统的在线调试与升级。 ( d ) 信息单元模块：此模块主要提供系统相关信息，其中包括e e p r o m 数据存 储模块，实现对重要数据及参数的保存；实时时钟模块，主要是提供实时时 钟数据； ( e ) 系统功能扩展模块：此模块提供系统扩展功能，如真彩液晶屏的连接和g p s 扩展。 2 2 系统方案选择和总体结构设计 方案的选择应该结合实际情况，考虑系统主控芯片以及外围设备的需求情 况，包括总线的需求、是否需要a d 或d a 转换器、有没有通用串行接口、是 否需要u s b 总线、有没有以太网接口、内部是否需要s p i 总线、外设接口等。 同时还要考虑处理器的寻址空间，片上是否具有足够大小的存储器，是否需要 6 武汉理工大学硕士学位论文 扩展外部存贮设备等，另外还需要考虑该系统是否容易调试，仿真调试工具的 成本和易用性等有关信息。 系统方案的选择不能仅仅只是看是否应用了先进的技术，流行的芯片。成本 是一个关键性的因素，而当注重成本时，一定要考虑产品的整体成本，而不要 只看到m c u 的成本。总之，作为一个系统的设计者，应该尽量制订一个合理的 预算，进行必要的系统功能分析，以便所选的硬件能够完成所需要的实时处理 任务。 2 2 1 系统总体结构 根据车载信息平台系统需求的分析及方案的选择，该系统的整体设计框图如 图2 1 所示。 图2 1 系统设计框图 如图2 1 所示，c a n 网络拓扑结构为总线型，车内各部件挂接在c a n 网络 上进行数据传输及通信。系统主控芯片选用具有a r m 7 内核的s 3 c a 4 b o x 来进 行控制。系统通过扩展外部的c a n 控制器m c p 2 5 1 0 来完成对c a n 总线的访问： 通过扩展u s b 接口芯片s l 8 1 1 来进行对u s b 总线的操作；通过芯片内部具有 的l c d 控制器对采集到的数据进行实时显示。显示屏可以选用彩色灰度黑白 l c d 屏幕，支持多种扫描方式，最大虚拟屏幕大小( 彩色模式) 为4 0 9 6 象素x 1 0 2 4 行，广阔的选择范围和丰富的色彩效果可以满足各种不同车载系统需求。另外 在该系统中保留了串行通信接口，使得系统的调试、维护和升级更加方便。 7 武汉理t 大学硕士学位论文 2 2 2 系统硬件的选择 ( 1 ) 主控芯片m c u 的选择：硬件平台的选择主要是m c u 的选择。方案设计 中m c u 的选择，直接关系到系统开发的成本、难易程度等因素，也是衡量一个 系统是否能够有较好的市场前景的关键。目前比较流行的m c u 主要分为3 大类。 表2 - 1 对常用的几种m c u 处理器进行了比较： 表2 - 1 常用的几种m c u 处理器对比 处理器类 集成度开发难度成本 主要性能及应用 型 工业上简单控制、速度慢、集成度低， 单片机 低 低低需要扩展外设来实现较多功能；一般 用于较低端产品的开发。 实用于多领域、速度快、多种操作系 a r m 呙尚适中 统的支持；已经广泛应用于各类行业。 主要针对数字信号处理功能、速度快、 d s p 尚高局一般用于数字信号处理产品的开发， 多用于媒体及通信领域的开发。 根据表2 1 的对比，从实际的需要出发，本系统的m c u 选取具有a r m 7 核 的芯片作为信息平台系统的主控m c u ，但是目前基于a r m 7 核的芯片达数十种 之多而此处则选用三星公司的s 3 c 4 4 b o x 作为主控m c u 。该芯片是目前市场上 运用较为广泛的a r m 芯片之一，已经成功的运用于多种终端设备当中，特别是 该芯片已经包含了s d r a m 、f l a s h 、l c d 、1 2 c 、s p i 、s c i 、r t c 接口，而且 该芯片还含有丰富的可配置i o 口，这就极大的降低了系统硬件设计的难度。因 此在后续的硬件设计中我们只需要选择合适的c a n 接口和u s b 主机接口即可。 ( 2 ) c a n 接口的选择：c a n 接口部分在系统方案设计中并没有选用目前工 业上应用最广泛的c a n 控制器芯s j a l 0 0 0 ，虽然它具有低成本，高可靠性，支 持远距离通信等特点，但它在应用中也具有一些缺点，比如地址总线和数据总 线分时复用常导致接口效率低下，不利于系统的硬件扩展设计；接收和发送缓 冲器的个数太少，导致数据吞吐率低下等。而是选用了m i c r o c h i p 公司的 m c p 2 5 1 0 。它是目前市场上体积最小，最易于使用的c a n 控制芯片，s p i 的接 8 武汉理工大学硕士学位论文 口标准使得它与s 3 c 4 4 b o x 的连接更加简单，该芯片工作电压为2 7 v - 5 5 v 完全 适合s 3 c 4 4 b o x 供电3 3 v 的条件，1 m 的传输速度，对c a n 协议2 0 a b 的支 持，使其完全符合本系统的设计需求。因此选用m c p 2 5 1 0 来进行c a n 接口的 设计，不但降低了整体设计的成本，更使得后期软件设计的压力大大降低。 ( 3 ) u s b 接口的选择：u s b 是u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( 通用串行总线) 的缩写，是 一种新的p c 串行通信协议。也是l 种快速、灵活的总线接口。u s b 是典型的主 从结构的总线标准，即只有u s bh o s t 才能与u s bd e v i c e 连接，两个u s b 的主 机端口或设备端口是不能通信的。因此u s b 接1 ：3 部分选用的是c y p r e s s 公司的 s 璐1 1 ，该芯片支持u s b 2 0 协议规范，既可以做主机也可以作设备，使用灵活， 成本较低。另外基于s l 8 1 1 和5 1 系列单片机的u s b 主机已经成功推广，使得 后期的软件开发的支持力度更加强大。 ( 4 ) 存储设备的选择：在系统数据存储方面则扩展了n o r f l a s h 和s d r a m ， 由于目前n o r f l a s h 和s d r a m 的芯片各厂家的无太大差别基本可以互换使用， 因此在此并没有特殊要求，只是使其容量达到能够满足运行嵌入式操作系统的 要求即可。o 2 2 3 系统软件的选择 系统软件的设计有两种方案可以选择。一是直接应用基本的c 语言进行系统 的软件开发。系统软件设计的结构采用前后台的方式进行，即使用大循环加中 断的方式进行编写，增加了系统的负担且不稳定，容易出现程序“跑飞”的情况。 且程序可移植性较差，二是选用嵌入式操作系统来进行软件开发。使用这种方 式开发系统软件，虽然开发的难度较直接应用c 语言编写大些，但是在可读性 和可移植性方面都得到了较大的提高，整体程序设计的结构也变得模块化，更 加利于日后的升级和维护。更重要的是目前嵌入式操作系统已经广泛的应用于 各行业，得到了各界的好评。因此本系统软件的方案将选用嵌入式操作系统来 完成。 由于己经确定系统采用具有a r m 7 核的s 3 c 4 4 b o x 作为主控芯片，因此在 嵌入式操作系统的选择上就只能选用那些支持不带有m m u 功能的操作系统。 而目前最为常用的用于s 3 c 4 4 b o x 上面的操作系统为u c o s 和z c l i n u x ，世界上 已有众多的爱好者把它们移植到不同的硬件平台上，因此往往可以很容易找到 一个移植的范例。某种程度上来说降低了系统的开发难度。但是如果将u c o s 9 武汉理工大学硕士学位论文 应用于产品上面，那么就需要支付一定的费用来获得使用u c o s 的权限，无疑增 加了开发产品的成本。因此综上所诉，本系统软件选择为z c l i n u x 。 2 3 系统开发环境的建立 对于嵌入式系统的开发，因为没有足够的资源在开发板系统中运行开发工 具和调试工具。因此通常的嵌入式系统的软件开发采用交叉编译调试的方式来 进行。交叉编译调试环境建立在宿主机上，对应的开发板叫做目标板。在宿主 机上安装有针对特定处理器系统的编译器、链接器可以将z c l i n u x 内核编译链接 生成目标代码，然后通过j t a g 接口、串口或以太网接口等方式下载到目标板的 f l a s h 里面，重新启动后内核就能在该目标处理器上运行了。这种在宿主机上 编译系统软件，然后将编译好的目标代码下载到系统硬件平台上去运行的方式 就叫做交叉编译，如图2 2 所示。 图2 2 系统调试示意图 由上可知，在宿主机上必须安装相关的编译器才能进行正确的软件开发。 具体可以分为以下几个个部分：( 1 ) 安装r e d h a t 9 0 或具有相同内核版本的其它 l i n u x 平台；2 ) 安装交叉编译器，将a l t o e l f - t o o l s 2 0 0 1 1 2 1 9 t a r g z 文件拷贝至根 目录下并通过终端运行t a rx v z fa n n e l f - t o o l s 2 0 0 1 1 2 1 9 t a r g z 来完成交叉编译器 的安装；3 ) 安装# c l i n u x 源码，同样将z c l i n u x s 3 c 4 4 b o x t a r g z 拷贝至根目录 下，并通过终端运行t a rx v z f t c l i n u x s 3 c 4 4 b o x t a r g z 来完成z c l i n u x 源码的安 装；4 ) 测试开发环境是否已经正确安装，进入源码所在目录，在终端中运行 m a k em e n u c o n f i g 就可以看到如图2 3 所示的界面。 1 0 2 4 本章小结 斟2 - 3 系统调试环境的建 本章主要介绍了硬件平台的选择原则、嵌入式操作系统的选型原则，通过进 行横向比较，综台考虑应用的领域、需求、成术、开发的难易程度、”发工具 的支持程度等西素，针对燃料电池车的特点及信息平台的特点，最终硬件部分 确定选用s 3 c 4 4 b o x 作为本项目的主控芯片；针对该芯片需要扩展c a n 接口和 u s b 接口的特点，确定选用m c p 2 5 1 0 和s l 8 1 1 作为两种接口的扩展芯片。软件 部分选择g c l i n u x 作为本系统的嵌入式实时操作系统。最后介绍了系统开发环境 的建立。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章a r m 与嵌入式系统概述 系统方案的选择和设计中，已经确定选用嵌入式系统来完成此项目的开发。 本章节将对嵌入式系统、a r m 以及设计流程等相关内容进行介绍。 3 1 嵌入式系统概况 根据i e e e ( 国际电气与电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、监视 或者辅助设备、机器和车间运行的装置”。这主要是从应用上加以定义的，还不 能充分体现出嵌入式系统的精髓。国内比较认可的定义是：嵌入式系统 ( e m b e d d e ds y s t e m s ) 是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁的 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格综合性要求的专用计 算机系统【9 j 。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各行业的应 用技术相结合的产物，是一个技术密集，资金密集，高度分散，不断创新的基 于硅片的知识集成系统。今天嵌入式系统己普遍应用于国防电子、数字家庭、 工业自动化、汽车电子、医学科技、消费电子、无线通讯、电力系统等国民经 济的主要行业。随着嵌入式技术的发展，嵌入式系统将更广泛地应用于人类生 活的方方面面。 “嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素，不同的 嵌入式系统其特点会有所差异，一般来说，嵌入式系统有以下特点：( 1 ) 嵌入式 系统通常是面向特定应用的。( 2 ) 嵌入式系统是将计算机技术、半导体技术和电 子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物，是一门综合技术学科。( 3 ) 嵌入 式系统软件的固化性。( 4 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，本身不具 备自举开发能力。嵌入式系统的升级换代是和具体产品同步进行的，因此嵌入 式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 而嵌入式处理器则是嵌入式系统的核心，据不完全统计，现在全世界嵌入 式处理器的品种总量己经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 几个系列，其中 8 0 5 1 体系的占有多半。生产8 0 5 1 单片机的半导体厂家有2 0 多个，共3 5 0 多种 衍生产品，仅p h i l i p s 就有近1 0 0 种。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 处理器，嵌入式处理器的寻址空间一般从6 4 k b 到3 2 m b ，处理速度从0 1 m i p s 到2 0 0 0 m i p s ，常用封装从8 个引脚到1 6 0 个引脚。嵌入式处理器可以分成以下 几类：嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 、嵌入式微控制 器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 、嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r , e d s p ) 、嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 。 总之，嵌入式系统领域的产品和技术，是高度分散的，充满了竞争、机遇 与创新，留给各个行业的中小规模高技术公司的创新余地很大。由于社会上的 各个应用领域是在不断向前发展的，要求其中的嵌入式处理器核心也同步发展， 这也构成了推动嵌入式系统发展的强大动力f l o 】。 3 2a i m 技术基础 a r m 是一类处理器，同时也是一个公司的名字。a r m 公司自1 9 9 0 年1 1 月在英国剑桥正式成立以来，在3 2 位r 1 s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o n s e t c o m p u t e r ) c p u 开发领域不断取得突破，其结构己经从v 3 发展到v 6 。由于a r m 公司自成立以来，一直以i p ( i n t e l l i g e n c ep r o p e r t y ) 提供者的身份向各大半导体制 造商出售知识产权，而自己从不介入芯片的生产销售，加上其设计的芯核具有 功耗低、成本低、高性能高效率等显著优点，因此获得众多的半导体厂家和整 机厂商的大力支持，在3 2 位嵌入式应用领域获得了巨大的成功，目前己经占有 7 5 以上的3 2 位r 1 s c 嵌入式产品市场。在低功耗、低成本的嵌入式应用领域 确立了市场领导地位。现在设计、生产a r m 芯片的国际大公司己经超过5 0 多 家，其中包括摩托罗拉、三星、i b m 、i n t e l 、a t m e l 、s o n y 、n e c 等【1 1 】。 3 2 1删微处理器核 目前非常流行的a r m 核有a r m 7 、a r m 9 、a r m i o 、s e c u r c o r e 以及 s t r o n g a r m 。具体说明如下： ( 1 ) a r m 7 a r m 7 采用a r m v 4 t 结构，三级流水线处理，空间统一的指令与数据c a c h e ， 平均功耗为0 6 m w m h z ，时钟速度为6 6 m h z ，每条指令平均执行1 9 个时钟周 期。其中的a r m 7 1 0 、a r m 7 2 0 和a r m 7 4 0 为内带c a c h e 的a r m 核。a r m 7 t d m i 是公司授权用户最多的一项产品，a r m 7 指令集同t h u m b 扩展组合在一起，以 减少内存容量和系统成本。同时，它还利用嵌入式i c e 调试技术来简化系统设 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 计，并用一个d s p 增强扩展来改进性能。a r m 7 小型、快速、低能耗、集成式 r i s c 内核，易用于移动通信。该产品的典型用途是数字蜂窝电话和硬盘驱动器。 ( 2 ) a r m 9 a r m s 采用a r m v 4 t 结构，五级流水线处理以及分离的c a c h e 结构，平均 功耗为0 7 m w m h z ，时钟速度为1 2 0 m h z 2 0 0 m h z ，每条指令平均执行1 5 个 时钟周期。与a r m 7 系列相似，其中的a k r m 9 2 0 ，a r m 9 4 0 和a r m 9 e 均为含 c a c h e 的c p u 核，性能为1 3 2 m i p s ( 1 2 0 m h z 时钟，3 3 v 供电) 或2 2 0 m i p s ( 2 0 0 m h z 时钟1 ) 。a r m 9 同时配备t h u m b 扩展、调试和h a r v a r d 总线。在生产工艺相同的 情况下，性能为a r m 7 t d m i 的两倍之多。常用于服务器和机顶盒。 ( 3 ) a r m l 0 a r m l 0 采用a r m v 5 t 结构，六级流水线处理，指令与数据分离的c a c h e 结构。时钟速度可达为3 0 0 m h z ，每条指令平均执行1 2 个周期，其中a r m l 0 2 0 为带c a c h e 的版本。a r m l 0 t d m i 与所有a r m 核在二进制级代码兼容，内带高 速3 2 x 1 6 m a c ，预留d s p 协处理器接口。其中的v f p l 0 ( 矢量浮点单元) 为七级 流水结构。代表产品a r m l 0 2 0 t 为a r m l 0 t d m l + 3 2 kc a c h e s + m m u 结构， 3 0 0 m h z 时钟，功耗为l w ( 2 0 v 供电) 或1 0 0 m w ( 1 5 v 供电) 。指令c a c h e 和数 据c a c h e 分别为3 2 k ，宽度为6 4 b i t s 。能够兼容多种商用操作系统。适用于下一 代高性能手持式因特网设备及数字式消费类应用。 ( 4 ) s e c u r c o r e 系列微处理器 s e c u r c o r e 系列微处理器专为安全需要而设计，提供了完善的3 2 位r i s c 技 术的安全解决方案。因此s e c u r c o r e 系列微处理器除了具有a r m 体系结构的低 功耗、高性能的特点外，还具有独特的优势，即提供了对安全方案的支持。 s e c u r c o r e 系列微处理器在安全方面的特点有： ( a ) 采用软内核技术，防止外部对其进行扫描测试； ( b ) 可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。 s e c u r c o r e 系列微处理器包含s e c u r c o r es c l 0 0 、s e c u r c o r es c l l 0 、s e c u r c o r e s c 2 0 0 和s e c u r c o r es c 2 1 0 四种类型，以适用于不同的场合。 ( 5 ) s t r o n g a r m i n t e ls t r o n g a r m 处理器采用a r m v 4 t 的五级流水线处理结构。他兼容了 i n t e l 公司的设计和技术，以及a r m 体系结构的电源效率，目前有s a l l 0 、s a l l 0 0 以及s a l l l 0 等三个版本。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 另外a r m 公司还提供p i c c o l od s p 的核给芯片设计者，用于设计 a r m + d s p 的s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 结构的芯片。此外，a r m 芯片还获得了许 多实时操作系统( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 供应商的支持，比较知名的有： w i n d o w sc e 、l i n u x 、p s o s 、v x w o r k s 、n u c l e u s 、e p o c 、u c o s 等。 3 2 2a r m 体系结构 在对处理器操作之前需要对a r m 处理器进行配置，而这些配置则需要应用 到a r m 处理器的某些特殊寄存器和不同的工作模式，只有正确配置好工作模式 后才能进行下一步工作。