（电路与系统专业论文）基于arm的嵌入式工业网络控制器的平台设计.pdf

摘要 工厂底层的信息绝大部分都是通过现场总线进行传递的，但基于 现场总线的工业设备网络无法实现与企业的i n t e m e t i n t r a n e t 无缝连 接从而实现远程监控。所以本文就此问题展开研究，提出了一种基于 $ 3 c 2 4 1 0 的嵌入式工业网络控制器的平台的设计方案，设计了一个具 有网络通信功能的控制器平台。 1 针对网络控制器的特点与要求，通过对比分析，选取了具体 的硬件和软件，以确保网络控制器平台的稳定可靠。 2 具体设计了控制器相关硬件电路。包括存储电路、以太网电 路、串口电路、i o 口电路等。 3 建立了嵌入式l i n u x 软件开发平台；对网络通信的理论进行了 研究，编写了c g i 外部扩展程序，实现了动态w e b 技术，使用户可 以通过浏览器对控制器进行远程监控。同时，开发了嵌入式数据库 s q l i t e 应用程序，使历史数据、实时数据和技术参数的管理更加方便 有序；开发了对应的驱动程序确保了网络控制器的的正常运行。 4 在完成嵌入式网络控制器硬件与软件设计的基础上，将控制 器平台应用于智能加药控制系统中，通过测试表明本网络控制器平台 稳定可靠。 总之，本文在深入研究嵌入式网络控制器的基础上搭建了一个嵌 入式的硬件和软件平台，确保了网络控制器稳定可靠并高效地运行， 为第二次开发嵌入式网络控制器准备了一个比较理想的嵌入式平台。 关键词网络控制器，l i n u x ，w e b 服务器，移植 a bs t r a c t i n f o r m a t i o no nt h eb o t t o mo ft h ev a s tm a j o r i t yo ff a c t o r i e sa r e p a s s i n gt h r o u g hf i e l d b u s ，b u tb a s e do nt h ef i e l d b u sn e t w o r ko fi n d u s t r i a l e q u i p m e n tc a nn o tb e a c h i e v e dw i t he n t e r p r i s ei n t e m e t | i n t r a n e t s e a m l e s s l y i ti si m p o s s i b l et or e a l i z er e m o t em o n i t o r i n g s ot h i sp a p e r s t u d yo nt h i si s s u ea n da d v a n c eae m b e d d e dc o n t r o l l e rf o ri n d u s t r i a l n e t w o r k sd e s i g no fp l a t f o r mw h i c hi sb a s e do n $ 3 c 2 410 ，d e s i g n e dt h e n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o no fac o n t r o l l e rp l a t f o 咖 1 f o rt h en e t w o r kc o n t r o l l e ro ft h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dr e q u i r e m e n t s t h r o u g hc o m p a r a t i v ea n a l y s i s ，s e l e c tt h es p e c i f i ch a r d w a r ea n ds o f t w a r e t oe n s u r et h a tt h en e t w o r kc o n t r o l l e ro fas t a b l ea n dr e l i a b l ep l a t f o r i l l 2 t h ec o n t r o l l e r - r e l a t e dh a r d w a r ew a sd e s i g n e d i n c l u d i n gt h e s t o r a g ec i r c u i t ，e t h e m e tc i r c u i t ，t h es e r i a lc i r c u i t ，i op o r tc i r c u i t 3 e m b e d d e dl i n u xs o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mw a se s t a b l i s h e d ； t h et h e o r yo fn e t w o r ki n t e r c o n n e c t i o nh a v eb e e ns t u d i e d ，t h ep r e p a r a t i o n o ft h ee x p a n s i o no ft h ee x t e r n a lc g i p r o c e s s t oa c h i e v ead y n a m i cw e b t e c h n o l o g y , e n a b l e su s e r st ob r o w s e rt h r o u g ht h er e m o t em o n i t o r i n ga n d c o n t r o lo ft h ec o n t r o l l e r a tt h es a m et i m e ，t h ed e v e l o p m e n to ft h es q l i t e e m b e d d e dd a t a b a s ea p p l i c a t i o n s ，s ot h a th i s t o r i c a ld a t a ，r e a l t i m ed a t aa n d t e c h n i c a lp a r a m e t e r so fm o r ec o n v e n i e n ta n do r d e r l ym a n a g e m e n t ；t h e d e v e l o p m e n to ft h ec o r r e s p o n d i n gd r i v e rc o n t r o l l e re n s u r et h a tt h e n e t w o r k sn o r m a l o p e r a t i o n 5 u p o nc o m p l e t i o no ft h ee m b e d d e dn e t w o r kc o n t r o l l e rh a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g nb a s e do nt h ep l a t f o r mw i l lb eu s e di ni n t e l l i g e n t c o n t r o l l e r sd o s i n gc o n t r o ls y s t e m ，p a s s e dt h et e s t ss h o wt h a tt h en e t w o r k c o n t r o l l e ri ss t a b l ea n dr e l i a b l ep l a t f o r m i ns h o r t ，t h ee m b e d d e dn e t w o r kc o n t r o l l e rw h i c hi sd e s i g n e db yt h i s p 印e r b a s e do nt h es t r u c t u r eo fa ne m b e d d e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r e p l a t f o r mt oe n s u r eas t a b l ea n dr e l i a b l en e t w o r kc o n t r o l l e ra n de m c i e n t o p e r a t i o n a tt h es a m et i m ei tp r e p a r e sai d e a le m b e d d e dp l a t f o r mf o rt h e s e c o n dt i m et od e v e l o pt h ee m b e d d e dn e t w o r kc o n t r o l l e r i i k e yw o r d s ：n e t w o r kc o n t r o l l e r l i n u x ，w e bs e r v e r , t r a n s p l a n t i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位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，除了论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 括为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：垄4 年工月尘日 硕十学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 1 1 。1 研究背景 第一章绪论 随着工业控制系统的发展，要求现场控制功能更复杂、可靠性更高、网络信 息处理能力更强。早期的控制器都是基于现场控制应用而设计的，网络处理能力 不强。并且工业上为了在不同的m c u 之间进行通信，通常是通过2 3 2 、4 8 5 等 串口协议来进行组网。这种网络传输距离非常有限，速度也不高，需要专门的嵌 入式网关( e m g a t e w a y ) j + 能连接上i n t e m e t ，实现远程监控i l j 。 今天，各种网络环境中的嵌入式应用越来越多，我们完全可以将网络功能与 嵌入式系统结合，将网络功能加入现场控制器中，使其可直接通过i n t e m e t i n t r a n e t ( 企业内部网) 进行网络通信、数据交换，实现远程组态、参数修改等功能【2 】。同 时由于现场设备通信速率和通信信道的利用率大大提高，可实现直接传送图像信 息和多媒体信息，满足了工业控制系统的高要求【3 】。 1 1 2 研究意义 二十一世纪的工业控制领域正进行一场网络化信息化的革命，国际上各大工 业自动化公司也正在推出新一代的工业控制系统，我国在工业控制系统方面落后 于西方发达国家，要想赶上世界先进水平就必须发展自己的工业控制网络并开发 相应的高层协议和应用软件。而嵌入式工业网络控制器正是构成此网络的核心， 因此开发一个既有专用性又有一定通用性，并兼具以太网和现场总线网络的多功 能嵌入式工业网络控制器，在此基础上研究高层协议和应用软件，并搭建新型的 工业网络平台，实现传统的工业设备与企业的i n t e r n e t i n t r a n e t 无缝连接，实现现 场控制网络与企业信息网络的互联，真正做到远程监控，对提高企业的信息化程 度将具有巨大的意义。 嵌入式网络控制器可应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境 监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化等多个领域中【4 l 。对于嵌 入式网络控制器的研究能够为工业企业综合自动化提供全面的解决方案奠定技 术基础和实施平台，并且嵌入式网络控制器的应用不但可以提高用户产品质量和 过程性能，而且提高工业控制的网络化、信息化水平，所以有着广泛的应用前景。 硕士学位论文第一章绪论 1 2 国内外研究现状 目前，有关工业控制器的研究正如火如荼。最常见的控制器包括：可编程逻 辑控制器、以单片机为核心的控制器、p c b a s e d 的控制器和采用d s p ，a r m 等 高性能微处理器的嵌入式控制器。 可是目f i i 常用的可编程逻辑控制器仍以国外产品为主，包括西门子、欧姆龙 等。他们通常使用其专有的现场总线。尽管现场总线的技术己经成型，但现场总 线的功能单一和实现标准的不统一，使得我们在不同的现场环境下需要使用不同 类型的现场总线，多类型现场总线的选择又使得整个控制系统显得相当混乱，而 且现场总线类型的选择本身也是个棘手的问题i s 】。而上市的众多国产的p l c 产 品中，还没有形成规模化的生产和名牌产品，甚至还有一部分是以仿制、来件组 装或“贴牌”方式生产1 6 j 。 采用单片机的工业控制器通常使用a v r 的r a b b i t 2 0 0 0 ，a t m e g a l 2 8 l 这些 功能强大的高性价比芯片作为处理器。 z w o r l d 公司的b l 2 0 0 0 嵌入式控制器集成了r a b b i t 2 0 0 0 处理器、f l a s h r a m ，s r a m ，a d c ，d a c 、实时时钟等芯片，具有较高的集成度。同时b l 2 0 0 0 具有集编译、编辑、链接、调试、下载于一体的软件开发平台d y n a m i cc ，无须 编辑器、仿真器，有利于产品的快速开发【7 1 。 但是使用单片机功能相对简单，难以实现t c p i p ，通常只用数码管显示， 较适合小型集中控制设备。 以p c b a s e d 为代表的包括： 美国国民井油公司( n a t i o n a lo i l w e l lv a r c o ) i v l k d to t c o 开发的数据传输系 统采用了嵌入式p c 机及人们较为熟悉的w i n d o w sn t 和w i n d o w s9 5 操作系统， 让钻井现场的仪表与传感器与基地广域网及i n t e m e t 相连，建立远程监控系统， 保证边远地区和海上的钻井成功纠引。 研华的u n o 2 0 4 1 嵌入式控制器，采用4 8 6 c p u ，6 4 m b d 2 8 m bs d r a m ， 6 - p i nv g a 连接器，支持p s 2 鼠标键盘，包括2 个标准r s 2 3 2 ，2 个隔离 r s 2 3 2 4 8 5 ，1 个以太网i i l ( 1 0 1 0 0 b a s e rr j 4 5 标准) ，1 个p c 1 0 4 接口。支持广 泛的应用开发平台，如嵌入式w i n d o w sc e ，l i n u x ，w i n d o w $ 2 0 0 0 x p 等；更拥 有强大驱动软件，提供m o d b u s r t u ，m o d b u s t c p 以及p c 1 0 4i o 通讯等d l l d r i v e r ，并且支持第三方软件如a u t o v i e w - s c a d a ，t r a c em o d e 过程控制等【9 1 0 凌华科技提出的g e c ( 通用型嵌入式控制器) 包括有：g e m e 一1 0 0 0s e r i e s ， g e m e 2 0 0 0 ，g e m e 3 0 0 0 。它们采用低功率，无扇区c p u ，支持输入输出通道 的复用、通信、高速连接等多种用途。可作为一个便携式媒体中心扩展外围设计， 可增加三个p c i 0 4 模块。前端接口设计紧凑，支持w i n d o w sc e ，w i n d o w sx p 2 硕士学位论文 第一章绪论 e m b e d d e d ，和l i n u x 等操作系统【l o 】。 然而，p c b a s e d 控制器虽功能丰富，但多数体积偏大，而且价格不菲。 基于d s p ，a r m 等高性能微处理器的嵌入式控制器是当前的研究热点。上 海海得控制系统股份有限公司开发的h t 2 0 0 0 专用控制器，采用d s p ，f p g a 等 技术，实现了电气传动、联网通讯和i n t e m e t 远程监控一体化，适用于锅炉、空 调、电梯和机械设备等各种工业控制器和数采监控终端的应用【l 。 烟台中正新技术有限公司开发了w e l l s y s ，采用n s g x l 3 0 0 c p u ，内置 6 4 m b 内存、6 4 m b 用户存储器( c f 卡) ，外接i o1 2 1 。4 寸t f t 真彩屏，带触摸 屏，1 个r j 4 51 0 1 0 0 m 以太网口，1 个并口，2 个u s b 口，2 个r s 2 3 2 口，1 个r s 4 8 51 2 1 t 12 1 。 济南正平自动设备有限公司生产的x p c 系列的控制器，功耗低、采用高级 语言一c 语言编程，最大程序容量5 1 2 k ，数据容量5 1 2 k ( 带电池备份) 支持工业 以太网，功能强大，支持实时多任务，可通过i n t e m e t 远程操作维护，支持t c p i p 等众多通讯协议，支持c d m ai x ，g p r s ，a d s l ，p s t n ，电台等通讯方式，带 有多种通讯接1 3 ，支持m o d b u s 等国际通用现场总线标准i l 引。 2 0 0 5 年n i 发布了提供1 g 以太网功能的n i px i 8 1 9 5 和n i px i 8 1 9 6 0 这是 业内最先的两款使用m o b i l ei n t e l9 1 5 g me x p r e s s 芯片组的控制器。p x i 8 1 9 6 是 第一款使用2 0 g h zi n t e lp e n t i u mm 7 6 0 处理器性能的嵌入式控制器，这使得它成 为业内最高性能的嵌入式控制器，而且与现有的使用2 5 g h zm o b i l ei n t e lp e n t i u m 4 处理器的p x i 控制器相比，它的整体性能提高了5 0 。此外最新的p x i 8 1 9 5 包含了1 5g h zi n t e lc e l e r o nm3 7 0 处理器。这两款控制器都提供了容量高达2 g b 的双通道d d r 2 内存，并且对于需要频繁分析或系统开发的应用，例如a t e 、 军事、航天、通信、工业和消费电子应用等，是十分完美的。此外，p x i 8 1 9 5 和p x i 8 1 9 6 都提供了全速率1 g 以太网。通过提供l g 以太网，现在超过1 2 0 0 个已有的p x i c o m p a c tp c i 模块都可从这个高速接1 2 1 中获益【1 4 】。 分析以上现有嵌入式控制器，它们要么不具备现场总线接口，或只具备协议 简单的m o d b u s 接口，要么采用w i n d o w s 这种非实时操作系统，让人对它的实时 性心生疑虑，而使用w i n d o w sc e 这种高端嵌入式操作系统价格又偏高。面对工 业应用现场环境多种网络并存的局面，本文设计的嵌入式网络控制器具备以太网 口等多种网络接口，并利用o p c 技术扩展了p r o f i b u s d p 接口。该嵌入式网 络控制器采用了高性能的微处理器三星$ 3 c 2 4 1 0 和免费的嵌入式l i n u x 操作系 统，不但提高了工业控制系统的实时性，还可以方便多媒体功能的进一步扩展。 基于该嵌入式网络控制器的自动控制系统能够实现以太网和现场控制网络的无 缝连接，节省了相关的网络设备，降低了系统成本。 硕+ 学位论文第一章绪论 1 3 研究内容及结构 第一章绪论：主要论述了课题的研究背景和意义、国内外的研究现状及本 论文的研究内容和结构安排等。 第二章网络控制器平台整体设计：本章在对嵌入式网络控制器平台所需要 的各种硬件和软件性能进行了分析和比较之后确定了开发本网络控制器的硬件 和软件平台，确保网络控制器稳定可靠并高效地运行。 第三章网络控制器硬件平台设计：首先确立硬件整体结构方案，然后具体 实现了相关硬件电路的设计，包括存储电路的设计、以太网电路设计串口电路设 计、i o 电路的设计等。 第四章网络控制器软件平台设计：首先研究了网络通讯的相关原理，在此 基础上移植和编写相关的软件与应用程序使该网络控制器能实现网络互连的功 能。 第五章网络控制器平台在水厂智能加药控制中的用应：将网络控制器应用 到水厂加药系统中，实现了水厂加药系统的远程监控和自动加药。 第六章总结与展望：对本文的研究内容进行了总结，并对下一步工作进行 展望。 4 硕+ 学位论文 第二章网络控制器平台整体设计 第二章网络控制器平台整体设计 集数据采集、数据传输、数据存储、数据显示及参数修改功能于一体的嵌入 式网络控制器的运行离不开硬件和软件的支持。本章就这个问题展开研究，在对 各种硬件和软件之间的性能的分析和比较的基础上确定了开发本网络控制器的 的硬件和软件平台，以确保网络控制器稳定可靠地运行。 2 1 网络控制器设计原则 由于嵌入式网络控制器是应用于复杂的工业测控现场，因此设计应满足工业 控制器的基本技术指标和需求，需要达到如下几个方面的技术要求： 1 控制器具有很好的实时处理响应能力，满足工业测控需要； 2 控制器应具有i o 读写功能，显示的功能； 3 控制器应具有控制网络接口，实现网络互连功能； 嵌入式网络控制器应用于现代工业测量和控制，能够实现现场和网络混合控 制的功能，其设计遵循能够实现现场测控和网络测控这两个基本要求，具体体现 以下几个方面： 1 嵌入式网络控制器用于现场测控，控制器应能够对输入输出端口进行i o 读写，用于现场信号的测量和现场设备的控制，i o 端口包括数字量输入输出端 口和模拟量输入输出端口。 2 嵌入式网络控制器用于现场测控，控制器应集成现场显示模块和人机操 作接口，使用户能够方便对其操作和维护。 3 嵌入式网络控制器用于网络测控，控制器需要集成与工业现场对应的现 场总线接口和以太网接口。这样能够使控制器接入现场总线控制网络和以太网网 络，有利于实现远程测控和信息资源的共享。 4 嵌入式网络控制器实现网络冗余控制，应该具有通用串行总线2 3 2 、4 8 5 接口，能够实现控制器之间的冗余切换，实现i a 代理功能。 5 嵌入式网络控制器用于工业现场测控和远程网络测控，能够解决一些复 杂的多任务的处理工作，因此控制器需要移植合适的嵌入式操作系统。 2 2 控制器的整体结构 嵌入式网络控制器平台要完成以下几个功能：1 数据采集，2 数据存储，3 数据显示，4 数据传输，5 参数设置与修改。它通常由嵌入式处理器、外围设备、 嵌入式操作系统和嵌入式应用软件等四大部分组成。整体结构如图2 1 所示。 硕十学位论文第二章网络控制器平台整体设计 嵌入式应用软件 嵌入式操作系统 嵌入式处理器 外围器件 嵌入式硬件f 台 图2 - 1 嵌入式网络控制器平台的整体结构 嵌入式网络控制器平台分为硬件和软件两个部分。 1 嵌入式网络控制器硬件 硬件是控制器的物理基础，它提供软件平台和通信( 包括人机交互) 接口。 1 ) 嵌入式网络控制器的核心是嵌入式处理器，本控制器采用的是$ 3 c 2 4 1 0 x 2 ) 由于嵌入式处理器的芯片内存储器的容量有限，必须扩展存储器。其中 f l a s h 存储器芯片为k 9 f 1 2 0 8 、两片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 a t h 作为s d r a m 扩展。 3 ) 嵌入式网络控制器通过r s 一2 3 2 、r s 4 8 5 和以太网实现数据采集和通信的 功能，它们对应的硬件分别为m a x 3 2 3 2 、m a x 4 8 5 、c s 8 9 0 0 a 4 ) 为了便于控制和显示数据，外围器件中应包含触摸屏和键盘。 2 嵌入式网络控制器软件 软件实际控制网络控制器的运行。 嵌入式操作系统e o s ( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 具有小巧、可装卸、代 码固化、弱交互性、强稳定性、实时性和具有统一的接口等特点，它的出现大大 简化了应用程序设计，并有效地保障软件质量和缩短开发周期。本控制器平台采 用的是l i n u x 操作系统。 嵌入式应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，并能完成 用户预期目标的计算机软件。 1 ) 为了该嵌入式网络控制器进行远程的监测、管理与配置，选择了b o a 服 务器。 2 ) 为了对数据进行有效的管理，选用了s q l i t e 数据库。 3 ) 为了开发友好的人机界面，本控制器平台选用了q t e m b e d d e d 2 2 1 嵌入式处理器 各式各样的嵌入式处理器芯片是嵌入式系统的核心，目前，世界上具有嵌入 式功能特点的处理器已经超过1 0 0 0 种，流行的体系结构有3 0 多个系列。嵌入式 6 硕十学位论文 第二章网络控制器平台整体设计 处理器的寻址空间一般从6 4 k b 到1 6 m b ，处理速度最快可达2 0 0 0 m i p s 。根据 嵌入式处理器的功能和应用领域的不同，可以分为以下四类： 1 微控制器m c u ( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ) m c u 是目前嵌入式系统的主流，其片上集成的功能和外设资源比较丰富， 如定时计数器、串行口、脉宽调制( p w m ) 输出、a d 、d a 、f l a s h 、e e p r o m 、 1 2 c 、c a n b u s 、l c d 等，单片化，功耗低，可靠性高，特别适合于控制，因此 称为微控制器。m c u 价格低廉、功能优良，具有很高的性价比，所以拥有的品 种和数量很多，约占嵌入式系统市场份额的7 0 。 2 微处理器m p u ( m i c r o p r o c e s s o ru n i t ) m p u 由通用计算机中的c p u 演变而来，但只保留了和嵌入式应用紧密相关 的功能硬件。m p u 具有3 2 位以上的处理器，具有较高的性能，价格也相对较高。 3 数字信号处理器d s p d s p 是专门用于信号处理方面的处理器，在系统结构和指令算法方面进行了 特殊的设计，具有很高的编译效率和指令执行速度，在数字滤波、f f t 、频谱分 析等各种仪器上获得了大规模的应用。 4 片上系统s o c ( s y s t e m o nc h i p ) s o c 成功地实现了软、硬件的无缝结合，直接在处理器芯片内嵌入操作系统 的代码模块。s o c 具有极高的综合性，在一个硅片内部运用v h d l 等硬件描述 语言，实现一个复杂的系统。由于绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统 就特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性，提高了 设计生产效率。 在实际过程中，挑选最好的硬件是一项很复杂的工作，充满着各种顾忌和干 扰，包括其他工程的影响以及缺乏完整或准确的信息等。成本是一个关键因素。 注重成本时，一定要考虑产品的整体成本，而不要只看到c p u 。有时一个快速 而廉价的c p u 可能会成为这个产品的成本居高不下的根源，因为往往还需要加 上总线和延迟逻辑，以便使系统的各种外设能够协同工作。一个设计者应该尽量 制订一个合理的预算，进行必要的系统功能分析，以使所选用的硬件能够完成所 需要的处理任务。a r m 微处理器的选型主要有下面三个指标： 1 系统的工作频率。系统的工作频率在很大程度上决定了a r m 微处理器的 处理能力。常见a r m 7 芯片系统主时钟为2 0 1 3 3 m h z ；常见a r m 9 芯片系统主 时钟为1 0 0 2 3 3 m h z ； 2 芯片内存储器的容量。大多数a r m 微处理器片内存储器的容量都不大， 需要用户在设计时外扩存储器。 3 片内外围电路的选择。 7 硕十学位论文第二章网络控制器平台整体设计 除a r m 微处理器核以外，几乎所有a r m 芯片均根据不同的应用领域，扩 展相关功能模块，并集成在芯片之中，称之为片内外围电路。设计者应分析系统 的需求，尽可能采用片内外围电路完成所需的功能，这样可以简化系统的设计， 同时提高系统的可靠性。 本设计选用s a m s u a n g 公司推出的基于a r m 9 2 0 t 核的3 2 位r i s c 处理器 $ 3 c 2 4 1 0 x 。它主要面向高性能、低功耗通信设备，最主要的是$ 3 c 2 4 1 0 x 内部 集成了微处理器和一些常用外组件，大大减少了整个系统的成本，消除了系统配 置额外器件的需要，为嵌入式系统提供了一个高效的硬件平台。$ 3 c 2 4 1 0 x 的资 源包括： 1 1 个l c d 控制器( 支持s t n 和t f t 带有触摸屏的液晶显示器) 。 2 s d r a m 控制器。 3 3 个通道的u a r t 。 4 4 个通道的d m a 。 5 4 个具有p w m 功能的计数器和一个内部时钟。 6 2 个s p i 接口。 7 看门狗计数器。 8 1 1 7 位通用i o 口和2 4 位外部中断源。 9 2 个u s b 主机接口，1 个u s b 设备接口。 1 0 s d 接口和m m c 卡接口。 2 2 2 外围器件 1 存储芯片 f l a s h 主要用来存储断电非易失性的数据。本控制器中，需要将引导启动程 序、l i n u x 内核映像和根文件系统保存在f l a s h 中，从而使得在产品发布阶段每 次系统上电的时候自动运行。从成本和控制器的要求考虑最后选定s a m s u a n g 的 6 4 mn a n d f i a s h 存储器芯片k 9 f 1 2 0 8 。$ 3 c 2 4 1 0 x 支持从n a n df l a s h 启动， n a n df l a s h 具有容量大、比n o rf l a s h 价格低等特点，采用n a n df l a s h 与 s d r a m 结合，可以获得很高的性价比【1 6 1 。无论是读操作还是擦除和写操作，该 芯片都较一般f l a s h 省电。 s d r a m 是用来运行l i n u x 内核和根文件系统的。选定的s d r a m 是两块 h y u n d a i ( 现代) 公司生产的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 a t - h 。每块h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 a t - h 都是 4 m 1 6 b i t 的同步s d r a m 。两片1 6 位的s d r a mh y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 a t - h 并联构成 3 2 位的s d r a m 存储器系统，可满足嵌入式操作系统及各种相对较复杂的算法 的运行要求i l 7 1 。s d r a m 支持自动刷新和掉电模式。s d r a m 的操作都是由时钟 8 硕十学位论文第二章网络控制器平台整体设计 作为同步，因此操作速度更快，数据吞吐量更大。 2 i o 接口芯片 在工业现场中，测控设备多，模拟量、开关量信号采集量大。嵌入式网络控 制器通过外扩m d ，d a 转换芯片扩充更多i o 通道，i o 点可在一定范围按需 定制。这样可减少系统中控制器数量，降低了控制系统成本。嵌入式控制器底层 设备信号量的输入输出，通过s p i 总线扩展s p i 芯片来实现【1 8 】。本控制器选用 m a x l 2 2 7 扩展8 路模拟量输入，m a x 7 3 1 7 扩展l o 路开关量，m a x 5 5 3 3 扩展 1 2 路模拟量输出。 3 以太网口芯片 由于$ 3 c 2 4 1 0 x 并不直接支持网卡接口，因此需要自己设计网络接口并将其 挂接到$ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器的扩展总线上。最终选定的网卡芯片是c i r r u s 公司 生产的c s 8 9 0 0 a 。它是一个真正的单芯片，全双工以太网解决方案。对于处理 器来说，对网络芯片的访问和控制，如同一段内存空间或者是分配的几个i o 空 间一样。它集成了一个4 k 字节页的片上存储器，用于临时保存发送和接收的物 理帧以及内部寄存器的值，从而减轻了c p u 的负担，简化了软件的复杂度 c s 8 9 0 0 a 还支持软件复位，当发生意外事件时，致使芯片功能紊乱网络通信阻 断，可通过软件复位重新启动网络通信功能，保证网络通信的完好性【”l 。 4 触摸屏： 嵌入式网络控制器外接触摸屏，只需点击触摸屏就可实现图形化显示与控 制，过程可视，管控一体，具有权限管理，报警设定，事件记录，历史数据，趋 势曲线，报表打印等功能。这样使控制器功能更加丰富，任何一个控制器都可以 设置为监控中心，使操作人员在工厂中任何一个控制节点都能够方便自如地对整 个系统进行监控。嵌入式网络控制器含触摸屏控制器，利用触摸屏轻便、占用 空间少的优点可以方便灵活地完成控制器的输入【2 0 1 。本控制器选用了台湾元太 6 4 寸t f t - l c d 触摸屏，型号为p d 0 6 4 v t 5 ，分辨率为6 4 0 x 4 8 0 。 5 串口电路芯片 串口主要完成以下两个功能：1 实现在调试系统软件时控制器与p c 机的通 讯；2 与具有r s 2 3 2 或r s - 4 8 5 接口的工业设备进行通讯。其中r s 2 3 2 选用的 是m a x 3 2 3 2 ，r s 4 8 5 选用的是m a x 4 8 5 2 2 3 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是嵌入式应用软件的基础和开发平台，用户的其它应用程序 都建立在操作系统之上。但嵌入式操作系统并不是简单嵌入的操作系统，它与通 常意义的操作系统有所区别。嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、硬件资 9 硕十学位论文第二章网络控制器平台整体设计 源的分配和调度工作。它必须体现所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达 到系统所要的功能【2 1 之3 1 。下面介绍几个主要的嵌入式操作系统。 1 w i n d o w sc e m i c r o s o f t 公司的w i n d o w sc e 是一个简洁的、高效率的多平台操作系统它不 是削减的w i n d o w s9 5 版本，而是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完 整优先权、多任务的操作系统。它的模块化设计允许它对从掌上电脑到专用的工 业控制器的用户电子设备进行定制。操作系统的基本内核至少需要2 0 0 k b 的 r o m 。从s e g a 的d r e a m c a s t 游戏机到大部分的掌上电脑，都采用了w i n d o w sc e ， 但因其价格太高，使得整个产品的成本急剧上升。 2 v x w o r k s 2 0 0 3 年v x w o r k s 所在的公司w i n d r i v e r 兼并了p s o s 的i s i 公司，使得该公 司现在有两大实时操作系统( r t o s ) ov x w o r k s 是目前嵌入式系统领域中使用最 广泛，市场占有率最高的系统。它支持多种处理器，如8 6 ，1 9 6 0 ，s u ns p a r e ， m o t o r o l am c 5 8 x x x m i p sl 0 0 0 ，p o w e rp c 等。使用的是和u n i x 不兼容的环 境，大多数的v x w b r k sa p i 是专有的，采用g n u 的编译和调试器。应该说 v x w o r k s 是业界提供的最好的嵌入式系统丌发环境，对于要求强实时的嵌入式系 统是最好的选择。但是它的价格昂贵，而且不同的产品和c p u 类型都要收费。 3 p a l mo s 3 c o m 公司的p a l mo s 在掌上电脑和p d a 市场上占有很大的市场份额。它 有开放的操作系统接i ：1 ( a p i ) ，开发人员可以根据需要自行开发所需的应用程序。 目前己经有总共1 0 0 0 0 多个应用程序可以运行在p a l m 上，其中大部分应用程序 均为其他厂商和个人所开发，使得p a l m 的功能得以不断增多。这些软件包括计 算器、办公软件、娱乐游戏、信息管理工具、地理信息等等，但其仍采用单线程， 本身不具有录音、m p 3 播放等多媒体功能。 4 l i n u x 由于l i n u x 使用g p l ( g n ug e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ) ，所以对将l i n u x 定制于 p d a 或者其他移动设备的人都可以从i n t e r n e t 上免费下载其内核和应用程序，并 开始移植或开发。l i n u x 用于嵌入式领域的优势具体表现如下 1 ) 可应用于多种硬件平台。l i n u x 己经被移植到多种硬件平台，这对受开销、 时间限制的研究与开发项目是很有吸引力的。可以在标准平台上开发然后移植到 具体的硬件上，加快了软件与硬件的开发过程。 2 ) l i n u x 可以随意地配置，不需要任何的许可证或商家的合作关系。唯一的 限制是开发者必须做出对l i n u x 社区有益的改动。 3 ) 它是免费的，源代码可以得到，这是最有吸引力的地方。毫无疑问，这会 1 0 硕十学位论文第二章网络控制器平台整体设计 节省大量的开发费用。 4 ) 优秀的网络支持，微内核直接提供网络支持，而不必像其他操作系统要外 挂t c p i p 协议包。 5 ) l i n u x 高度模块化使添加部件非常容易。 6 ) l i n u x 在台式机上的成功，也保证l i n u x 在嵌入式系统中的辉煌前景。 基于以上优点，本文采用嵌入式l i n u x 作为开发平台的操作系统。 2 2 4 嵌入式数据库 在各行各业的应用中，数据总是最重要的信息，对信息的存储、快速检索和 管理都要用到数据库技术。数据库技术是计算机技术中发展最快、应用最广的重 要分支之一，它已成为计算机信息系统和计算机应用系统的重要技术基础和支 柱。数据库技术已从集中式、分布式、b a s ( 浏览器代理服务器数据库服务器) 多层结构数据库系统发展到了今天的嵌入式数据库系统。嵌入式数据库是指应用 于嵌入式或移动设备上的数据库技术，它通常与操作系统和具体应用集成在一 起，已成为数据库技术发展的个新的方向。 现在有两种嵌入式数据库比较成熟且常用 1 b e r k e l e yd b b e r k e l e yd b l 2 4 为许多编程语言提供了实用的a p i 接1 3 ，包括c 、c + + 、j a v a 、 p e r l 、t e l 、p y t h o n 和p h p 等。适用平台u n i x p o s i xs y s t e m s 、w i n 3 2 以及嵌入 式操作系统w i n c e 、v x w o r k s 等。 b e r k e l e yd b 的源代码有c 和j a v a 两种，函数库本身虽然只有3 0 0 k b 左右， 能管理2 5 6 t b 的数据。 b e r k e l e yd b 不是关系型的数据库，不能应用标准的s q l 语句对数据库操作， 对它的操作要调用专用的a p i 实现。 2 s q l i t e s q l i t e t 2 5 】本身提供c 和t c l 的接i ：1 ，世界各地的程序员还提供了各种语言的 s q l i t e 的接口封装，如p y t h o n 、c + + 、j a v a 、n e t 等几乎所有流行的语言基本 都有。s q l i t e 提供一个抽象的操作系统接口层，来保证其在p o s i x 与w i n 3 2 系统之间的兼容性。 s q l i t e 的源代码是c ，其源代码完全开放。全部源码大致3 万行c 代码， 2 5 0 k b 左右，支持数据库大小至2 t b 。 s q l i t e 支持大部分的a n s is q l 9 2 标准，特别是支持视图、触发器、事务， 支持嵌套s q l 。通过s q l 编译器来实现s q l 语言对数据库进行操作。 综合考虑各种因素，本控制器选用s q l i t e 数据库对数据进行管理。 硕十学位论文第二二章网络控制器平台整体设计 2 2 5 嵌入式w e b 服务器 随着嵌入式实时操作系统和t c p i p 2 6 j 协议在嵌入式设备中的广泛应用，使 得这些设备的功能更加强大，结构更为复杂，互连性更强，同时对这些设备的网 络访问、管理和控制也变得更加复杂和重要。嵌入式w e b 技术为这种管理与控 制提供了简单方便的实现方式。使用b s 模式，通过一个标准的客户端浏览器和 一个在设备中运行的嵌入式w e b 服务器，我们就可以对该设备进行远程的监测、 管理与配置。 l i n u x 下嵌入式w e b 服务器【27 】主要有三个：h t t p d ，t h t t p d 和b o a 。h t t p d 是最 简单的一个w e b 服务器，它的功能最弱，且不支持认证和c g i 。t h t t p d 和b o a 都 支持认证、c g i 等，功能比较全。如果服务器仅需提供一些静态页面，例如系统 介绍、简单的在线帮助等，完全可以用静态服务器h t t p d 来实现。但若需要与用 户进行交互，例如数据查询、实时状态查询等，则必须使用动态w e b 技术，可 以选用t h t t p d 或是b o a 来实现。但是t h t t p d 在运行过程中所需要的资源远远大于 b o a ，为了实现动态w e b 技术，所以本控制器选择一个支持c g i 的、非常适合于 嵌入式系统的w 如服务器b o a 。 b