（电工理论与新技术专业论文）arm9嵌入式系统在励磁装置中的应用.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt i l ed e m a n d d r i v e n f e a l t i m e e m b e d d e ds y s t e md e s i g nm e t h o d o l o g yh a v eb e e ng r e a tc h a n g e s e a r l yi ne m b e d d e d t e a l t i m es y s t e md e v e l o p m e n tf o c u s i n go l li m p r o v i n gb a s e do nt h ec p us p e e do f i m p l e m e n t a t i o ne f f i c i e n c y ，d e v e l o p m e n t m e t h o d s r e l y o nd i r e c t p r o c e s s o r - b a s e d s o f t w a r e ，w i t h o u tt h eu s eo fr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m s ，t h es y s t e ms o f t w a r ea n d a p p l i c a t i o ns o f t w a r ea l en o ts e p a r a t e l y n o we m b e d d e dr e a l t i m es y s t e md e v e l o p m e n t m o r ev a l u ep r o d u c t si n t e r f a c et ot h en e t w o r kp r o t o c o ls u p p o r ta n do t h e rf a c t o r s w e b u i l dt h eh a r d w a r ep l a t f o r mc h o s e ne m b e d d e da r m 9p r o c e s s o ra sc p u ，t h el i n u x o p e r a t i n gs y s t e m ，w h i c ha r eo p e ns o n r c cc o d e ，f r e eo fn e t w o r ks u p p o r ts u c ha d v a n t a g e s ， e m b e d d e dl i n u xc h o i c ea st ot h eo p e r a t i n gs y s t e mt of a c i l i t a t ea p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t ， t o e q u i p t h e s y s t e m w i t hs m a l l v o l u m e ，h i g i r e l i a b i l i t y ，d e d i c a t e ds t r o n g c o s t p e r f o r m a n c ea d v a n t a g e so fi d e a l t h ee m b e d d e dn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi sb a s e do nt h ea r m c h i pa n d l i n u xo p e r a t i o ns y s t e m ，i sah i g hi n t e g r a t i o no fa r mt e c h n o l o g y ，e m b e d d e do p e r a t i o n s y s t e ma n dt h ee x c i t a t i o n i t i sa ne x p l o r a t i o no ft h ec o m b i n a t i o no ft h ee x c i t a t i o n c o n t r o lt e c h n o l o g ya n dt h ee m b e d d e dc o m p u t e rt e c h n o l o g y w i t hl s it e c h n o l o g ya n d t h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，am i c r o p r o c e s s o ra st h em a i ne h a m c t e r i s t i c ao f t h ed i g i t a le l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya p p l i e dt ot h em o d e ma v rc o n t r o ls y s t e m ，r e p l a c e t r a n s i s t o r so ri n t e g r a t e dc i r c u i t sc o n s i s t i n go ft r a d i t i o n a la n a l o ga v r h a r d w a r eu s e da s ac o n t r o lm i c r o p r o c e s s o rc o r eo ft h ep ce x c i t a t i o nd e v i c ew i l lb e c o m ea u t o m a t i c e x c i t a t i o nd e v i c ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n t h em a i nf o c u so ft h i sp a p e ri st h e d e v e l o p m e n to f t h em a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ( m m i ) p r o g r a mo ft h ee x c i t a t i o ne q u i p m e n t t h ef o c u so ft h i sp a p e ri st od e s i g na n dd e v e l o pa l le m b e d d e di n t e r f a c ep r o g r a m t h i s s t u d yi sg o i n gt oc o v e rt h r e ek e ya s p e c t s ：f i r s t ，t h es t r u c t u r a lc o m p o s i t i o no ft h es o f t w a r e a n dh a r d w a r eo f t h ee m b e d d e ds y s t e ma sw e l la st h er e a l i z a l i o np l a n ；s e c o n d , t h ed e s i g n a n dd e v e l o p m e n to ft h ee m b e d d e dm m ip r o g r a m ；t i i 硼e m b e d d e dd e v e l o p m e n tb o a r d d r i v i n g k e y w o r d s ：e x c i t a t i o n ；m a n - m a c h i n ei n t e r f a e e ；l i n u x ；e m b e d e d 1 1 郁州j ( 学丁学碰l 论文 1 绪论 励磁调节装置是同步发电机的重要组成部分，通过调节发电机励磁绕组的电 流，从而能够控制发电机机端电压保持稳定，励磁系统的特性对电力系统运行的作 用十分重要。近年来随着计算机、电力电子技术迅猛发展，数字化的自动励磁调 节器取代模拟励磁调节器已经成为了趋势。 1 1 概述 随着科学技术和电力系统的发展，对同步发电机励磁装置的要求也在不断提 高。同时随着大规模集成电路技术和计算机技术的发展，以微处理器为主要特征 的数字电子技术不断应用到现代励磁调节器的控制系统当中，取代晶体管或集成 电路构成的传统模拟式励磁调节器。除保留了模拟式励磁调节器的功能外还增加 了在模拟式励磁系统中很难实现的许多功能。 利用微机构成的励磁控制系统，其控制装置硬件结构简单、工作稳定，设备 通用性好，且软件灵恬性强，能够很方便实现多种功能和满足各种控制规律的要 求。装置的设计、安装、调试、维护、运行方便，容易与其它设备接口组成更高 层次的控制系统。微机励磁控制器经过不断发展、改进、完善，逐渐成为主流， 得到了广泛的应用。 国外从2 0 世纪7 0 年代开始研究数字式励磁调节器，到8 0 年代j 舌期进入成熟 阶段。经过从小型到大中型，从不可控制到可控制，从分立元件集成电路到微机 型( 数字化1 技术性能不断升级和完善。 从励磁装置的技术状况来分，以及国内外生产厂家各种励磁装置来看，虽然 各有千秋，但技术特点发展趋势还是基本相同的。 ( 1 ) 微机励磁调节器的调节控制和限制保护等所有功能均是通过软件实现，随 着硬件集成度的不断提高，c p u 功能愈来愈强，运算时间愈来愈短，硬件结构可 以做得越来越简单。目前国外生产的励磁调节装置由用多个调节器控制多个并联 的功率单元，多通道冗余互为备用，提高了励磁系统运行的可靠性、稳定性。 胴聃嵌 式系统的研究以及在励磁调节第百中应用 ( 2 ) 励磁系统的基本组件将会由片= i 户提出功能的需要向标准化、模块化和通用化 的趋势发展。 ( 3 ) 界面更加友好人性化满足不同终端用户的要求，梯形图的加入使得人机交 互功能更加丰富强大【1 叫。 1 2 现存问题 1 2 1 通讯琵力 近几年电力系统自动化有了很大的进展，从单纯的s c a d a 系统，普遍发展 到s c a d a + a g c e d c ，作为电力系统重要的辅机同步发电机励磁控制系统必须为 自动化提供相应的配合手段。因此励磁调节器宜采用微机型并提供网络化的可靠 的丰富的通信接口，使远方的调度员或厂缴工作人员能方便自如的开停机、升速 升压、并网、调整功率( 包括有功和无功) 等操作。 现场总线( f i e l db u s ) 的发展解决了能经受工业现场环境和费用之间的矛盾尤 其是c a n 总线的出现，最高速率可高达1 m b p s 。通讯距离最远可到1 0 k i n ，通讯介 质多并且稳定可靠，它是一种非常适合工业现场恶劣环境的通讯方式，国外很多 厂家的励磁调节器、调速器及其与上位机之问的通讯广泛采用了高速现场总线。 1 2 2 可靠性 由于经济改革，生产的安全性、经济性更显得特别重要，因此对励磁系统的 可靠性提出了更高的要求，而目前的励磁系统故障率很高，因此提高励磁系统的 可靠性仍是现场的迫切要求，也是励磁行业研究的重要课题。无人值守系统可能 在三五年内达到实用化阶段，这些部对励磁系统的设计提出了很高的要求。 1 2 3 显示界面 目前的励磁调节器调试工作一般都繁重复杂，既要进行励磁相关参数的设置， 监控励磁系统的状态又要进行故障迁录。而目前采用较多的是l e d 、数码管显示 和简单的小键盘操作，这样简单的操作可作为简单的运行显示，但对复杂的运行 2 调试和却显得不足。友好的人机界面可以准确、直观地为调试服务，可以大大简 化励磁的调试工作和故障查找的工作量。 1 2 4 嵌入式系统开发问题 单片机自7 0 年代出现以来，得到了广泛应用，开发单片机系统所用的基本 工具是仿真器、汇编器、编程器，在进行单片机的丌发工作时，对开发人员提出 了多方面的要求。开发人员既要精通软件、硬件，又要具有系统设计的概念，还 要具有定电子线路工艺方面的知识和经验。采用汇编浯言开发，参加的人员增 多，效率反而会下降，面对高性能复杂的控制系统，将会遇到很大的困难。 采用高级语言后，在丌发方式上产生了根本性的变化。同一般软件工程一样， 将系统分析员、系统设计员和程序员分离，系统分析定义应用系统的功能，系统 设计员设计电路硬件并定义软件的功能模块。程序员只要求具有c 语言的基础， 就可以在开发平台上完成复杂的应用系统编稃。开发者分工合作，使嵌入式软件 的开发进入规模和产业化生产。 1 2 5 网络互连能力 目前国内处于电厂生产过程底层的很多励磁控制器通讯方式一般采用 r s 2 3 2 、r s 4 8 5 等串行通讯方式，这些数据传输方式不仅传输率低，而且所采用的 通讯协议各个厂家各自为政，难以实现监控设备之闻、监控系统与外界之问的信 息交换，在一定程度上使监控系统成为一个孤立的“信息孤岛”，不适应大规模的现 场控制。不能满足电厂自动亿发展豹要求。 综上所述，电力系统自动化对励磁系统提出了如下的要求： ( 1 ) 有更高的可靠性； ( 2 ) 具有友好的人机界面，一旦发生故障、判断、定位和排除故障，即使非专业 人员也可以做到； 、 ( 3 ) 具有多种标准通讯接口； ( 4 ) 从开机、并网、调整功率及系统故障下励磁装置的动作行为均需考虑无人干 预，励磁调节器应可靠工作。 3 1 3 课题的意义 鉴于目前电力系统自动化发展状况及励磁调节器在与上位机通讯上存在的不 足，励磁调节器的硬件结构复杂、可靠性不很高，缺乏友好的人机界面等问题， 本文结合一种基于e p 9 3 1 5 的高性能微机励磁调节器：充分运用高集成度器件，发 挥a r m 较强的事务管理功能，在其平台上运行l i n u x 以及应用程序等。可以简化 系统硬件结构。提高可靠性，另外采用现场总线通讯，确保了系统的监控功能的 可靠实现。设计独立的显示单元及友好的人机界面，以及强大的网络、通讯功能 很好的补充了d s p 做为c p u 的不足，本课题将为综合自动化的提高奠定一个很好 的基础。 1 4 本文组织结构 本文共分为六章； 第一章为绪论，介绍课题背景和研究价值以及研究的目标和内容。 第二章主要阐述了励磁装置的系统为前台的嵌入式硬件平台使用和开发现 状，如何在上面搭建的开发环境。 第三章嵌入式系统硬件部分，分为基本模块、存储器模块、通讯接口模块， 分别予以硬件结构详细说明了硬件设计的特点、硬件结构和功能以及硬件设计中 要注意的问题。 第四章如伺进行开发工具的移植，以及人机界面的设计、构成、通讯机理， 具体如何实现。 第五章从硬件、软件两方面入手，如何可靠性设计。 第六章对所做工作做出总结，并对以后工作进行展望。 附录部分为本系统开发的底层硬件驱动程序，包括串口、c a n 网络接口、键 盘等。 郑州大学丁学硕 论史 1 5 本文所做的工作 在这一过程中本人做了以下具体工作： ( i ) 论证a r m + d s p 励磁调节系统的方案： ( 2 ) 设计a r m 开发板软硬件： ( 3 ) 结合开发板硬件资源，进行底层驱动程序的开发，l c d 、串口、网口、c a n 等； ( 4 ) 开发人机界面m m l 系统。 5 a r m 9 畿入式系统的研究以及在励磁调节装置中应用 2 嵌入式总体系统 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪，适应 于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。 其涵盖范围相应用领域都十分广泛。 2 1 嵌入式硬件平台 2 1 1a r m 徽处理器 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，还可以认为足一种技术的名字。1 9 9 1 年a r m 公司成立于英 国，主要出售芯片设计技术的授权。 目前采用a r m 技术知识产权的微处理器，即我们通常所说的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。到目前为止, a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域。 ( 1 ) 工业控制领域：作为3 2 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。 ( 2 ) 无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术，a r m 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩同。 ( 3 ) 网络应用：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。此外其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。 ( 4 ) 消费类电子产品；a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒 和游戏机中得到广泛采用。 6 酃州凡学t 学帧l 论文 j ! ! ! ! = = = = = = = ! 自t = ! 自e ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! e 自! ! = ! ! ! ! = 自! ! ! ! ! ! e 目! e ! ! ! ! e ! ! 目! ! ! 量i i ( 5 ) 成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技 术，手机中的3 2 位s i m 智能昔也采用了a r m 技术。 除此以外, a r m 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会取得更加广泛的应 用。目前可以提供a r m 芯片的著名欧美半导体公司有：英特尔、德洲仪器、三星 半导体、摩托罗拉、飞利消半导体、意法半导体、亿恒半导体、科胜讯、a d i 公 司、安捷伦、高通公司、a t m e l 、i n t e r s i l 、a l c a t e l 、a l t e r a 、c i r r u sl o g i c 、l i n k u p 、 p a r t h u s 、l s il o g i c 、n e t s i l i c o n 、p a r t h u sa 许多著名半导体公司较早期都大力投入开了自主的3 2 位c p u 结构，但现在 都转向购买a r m 公司的微处理器核，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。 由于a r m 微处理器有多种的内核结构，这么多芯片生产厂家，以及千变万化 的内部功能配置组合，给开发人员在选择方案时带来一定的困难，所以对a r m 芯 片做一些对比研究是十分必要的。a r m 微处理器包含一系列的内核结构，以适应不 同的应用领域，用户如果希望使用w i n c e 或标准l i n u x 等操作系统以减少软件开发 时间，就需要选择带有m m u ( m e m o r y m a n a g e m e n t u n i t ) 功能的a r m 芯 片a r m 7 2 0 t 、a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 、a r m 9 4 6 t 、s t r o n g - a r m 都带有m m u 功 能。而a r m 7 t d m l 则没有m m u ，不支持w i n d o w s c e 和标准l i n t l x ，但目前有 u c l i n u x 等不需要m m u 支持的操作系统可运行于a r m 7 t d m i 硬件平台之上。 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。常见的 a r m 7 芯片系统主时钟为2 0 m l z 1 3 3 m h z , a r m 9 系列微处理器的典型处理速度为 1 1 m i p s m h z ，常见的a r m 9 的系统主时钟频率为l o o m h z - 2 3 3 m h z a r m l 0 疑高 可以达到7 0 0 m h z 。不同芯片对时钟的处理不同，有的芯片只需要一个主时钟频率， 有的芯片内部时钟控制器可以分别为a r m 核和u s b ，u a r t , d s p 、音频等功能部 件提供不同频率的时钟。 除a r m 微处理器核以外，几乎所有的a r m 芯片均根据各自不同的应用领域， 扩展了相关功能模块，并集成在芯片之中，我们称之为片内外围电路，如u s b 接 口、i i s 接口、l c d 控制器、键盘接口、r t c , a d c 和o a c , d s p 协处理器等，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，这样既可简 化系统的设计，同时提高系统的可靠性。 ! 竺! 量垒童童垒墼至塞坚垩耋2 篓塑薹兰墨尘呈里 2 1 2a r m 开发板 本装置开发扳采用凌云公司的产品f s - e p 9 3 1 5 其核心c p u i c i r l u s l o g i c 公 司出品。该开发扳上下层结构，上面的核心板采用6 层板，下而的底板为双面板， 外设接口丰富，具有串口、1 0 0 m 网口、u s bh o s t 接口、i r d a 红外接口、c f 接口、e i d e 高速硬盘接口以及可支持触摸屏的l c d 接口，c p u 主频高达2 0 0 m ， 可实现多媒体功能，以及网络通讯、大容量存储、掌上设备以及各种工业控制应 用等。f s e p 9 3 1 5 开发板硬件资源说明如下： 中央处理器 c p u ：基于a r m 9 2 0 t 内核e p 9 3 1 5 a 内带m m u 、1 6 k b 的指令c a c h e 和1 6 k b 的数据c a c h e 和m a v e f i c k c r u n e h 数学协处理器；主频2 0 0 m h z ，系统总线1 0 0 m h z ， 工业缴，外部存储器 内存：6 4 m b 的s d r a m ( 1 0 0 m 外频) ； n o r f l a s h ：3 2 m 字节存储器( 2 片i n t e le 2 8 f 1 2 8 组成3 2 位接口) ； 串口 标准9 线高速串口( 带硬件流控制可接m o d e m ) 1 个 3 线串口1 个 红外通讯口 高速i r d a 红外线数据通讯口1 个 1 0 0 m 以太网口，r t l 8 2 0 1 。带联接和传输指示灯 u s bh o s t ( u s b 2 0 规范1 接口2 个 音频接口 采用i i s 接口芯片u d a l 3 4 1 ，一路立体声音频输出接口可接耳机或音箱；支 持录音，板子自带驻机体话筒可直接录音( 单声道) ，另有一路话筒输入接口可接麦 克风( 支持双声道) ； 存储卡接口 标准c f 卡接口( 兼容厚卡和薄卡，可通过跳线选择为3 r 3 v 或5 v ) 1 个 l c d 和触摸屏接口 邦州夫掌t 学珂! f 论义 5 0 芯l c d 接口引出了l c d 控制器和四线电阻式触摸屏的全部信号，l c d 数 据和同步信号均有b u f f e r 驱动，让l c d 显示更加稳定；l c d 控制器具有硬件 图形加速引擎；支持黑白、4 缴扶度、1 6 级狄度、2 5 6 色、4 0 9 6 色s t n 或1 f r 液 晶屏，数据格式为2 4 b i t r g b ，支持l c d 尺寸从3 5 寸到1 2 1 寸，屏幕分辨率可达 到1 2 8 0 x 1 0 2 4 象素；标准配置为夏普2 5 6 k 色2 4 0 x 3 2 0 3 5 英寸耵叩液晶屏，带触 摸屏；可选配件为v g a 输出板，可直接接l c d 插槽来驱动c r t 显示器 ( 6 4 0 4 8 0 7 2 h z ) ； 幽2 , 1e p 9 3 1 5 开发扳实物 f i 9 2 1e p 9 3 1 5d e v e l o p m e n lb o a r d i d e 接口 一路专用高速e i d e 接口，可以直接挂载硬盘；板上留有i d e 硬盘的电源接 口，可以直接使用该接口给i d e 硬盘供电； 时钟源 内部实时时钟及外扩的一个带后备锂电池的实时时钟芯片； 调试及下载接口 加芯m u l t i - - i c e 标准j t a g 接口1 个，支持s d t 2 5 l ，a d s i 2 等调试； 电源接口 开关电源供电，输入直流电压范围是7 2 0 v ( 推荐使用1 2 v ) ，带电源开关和 指示灯： 其它 i i c 接口的实时时钟芯片1 个，用来验证i i c 总线读写； g r 哪骶 式系绠的研冗e 王及在励磁调节器重中压片j 6 个小按键，4 个高亮l e d ，另带一个2 0 针的8 x 8 矩阵键盘接口； 带功率驱动的蜂鸣器1 个 6 0 p i n 的用户扩展排针1 个方便用户进行存储器及1 0 口扩展； 支持的操作系统 支持l i n u x 及w i n c e 操作系统 因为b o o t l o a d e r 在启动命令里指定开发板的串口1 作为l i n u x 的s h e l l 所使用的控制台，所以进行l i n u x 应用前耍设置好波特率参数，核心板上儿不 接跳线帽。 串口参数设置： 波特率1 1 5 2 0 0 ，8 位，无硬件流，c o m l e p 9 3 1 5 开发板随板提供的图形应用包括m i n i g u i 和q t ，实验g u i 前要用排 线连接好底板和l c d 板，如果使用大屏，还要连接l c d 板和l c d 屏，并接好高 压背光模块再通电。在出厂前，已经接好电源，串口线，交叉网线。烧写好l i n u x 和包含q t 的根文件系统之后。上电就可以启动带q t 的l i n u x 。在进入q t 界面前， 需要先进行触摸屏校准，触摸屏校准后，才能在l c d 上进入q t 的图形界面。 2 2 开发环境的建立 目标板是作为能够运行主机开发的嵌入式应用程序的片上系统( s o c ) ，目标板 系统是经过裁剪的计算机系统，它包括了引导程序( b o o t l o a d ) 、可用的内核、以及 根文件系统。 2 2 1lif l u x 系统在开发板上移植 移植就是使一套软件在不同的硬件平台上正常运行的过程。操作系统是介于 应用程序和硬件间沟通的桥梁，因此当底层的硬件有所改变时，操作系统和平台 相依( p t a t f o r md e p e n d e n 0 的部分就必须跟着做变动，所以移植l j 了解目标平台 ( t a r g e tp l a t f o n n ) l 拘硬件规格是前置工作。对于要移植的操作系统，其中与平台相 依的各个部分要先熟悉，如此才能将这些部分迅速的转移到其它的平台上。 对于嵌入式操作系统通常有评估选择标准：实用性、需要消耗的资源数f 包括 s d r a m ，f l e s hm e m o r y 等1 、支持软件的丰富程度、可靠性以及其执行性能等。l i n u x l e 州大学t 学碘卜蹬文 已经被移植到了很多平台，包括a r m ，m i p s ，x 8 6 ，p o w e r p c 等，e o s 的种类繁多， 人体上分为2 种：商用型软件和自由软件。 2 2 1 1 商用型嵌入式操作系统 目前商用型的e o s 主要有v x w o r k s 、w i n d o w s c e ，p s o s 等，其优点是功能 稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，而且提供了图形界面和网络支持等 高端嵌入式系统要求的许多高级功能。但是由于其价格昂贵且源代码封闭，影响 了推广应用的发展空自j 。 ( 1 ) v x w o r k s 实时操作系统 v x w o r k s 所在的w i n d r i v e r 风河公司兼并了拥有p s o s 的i s i 公司，使得该公 司现在有两大r t o s 系统。v 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1 1 0 1 。 ( 2 ) w i n d o w sc e 嵌入式操作系统 m i c r o s o f tw i n d o w sc e 是一个简洁而高效率的多平台操作系统，它是从整体上 为有限资源的平台设计的多线程、完善优先权、多任务的操作系统；为没有m m u 的微处理器而丌发的z c l i n u x 是专门应用于微控制领域的l i n u x 。 2 2 1 2l i n u x 操作系统 l i n u x 属于自由软件目前自由软件的e o s 主要有l i n u x 和口a o s - i i ，它们源 代码开放、功能强大，易于移植，正被广泛使用。 l i n u x 由芬兰赫尔辛基大学的大学生l i n u s b t o r v o i d s 在1 9 9 1 年首次编写的操 作系统，它是一套免费使用和自由传播的类u n i x 操作系统，l i n u x 对硬件配置的 要求相当低，而且可以支持很多种处理器芯片，很多自由软件爱好者在l i n u x 上开 发程序，不断对l i n l l x 的开放内核进行升级和修补，使其功能得到不断完善，和其 它嵌入式操作系统相比，l i n u x 系统具有下面的优点： ( 1 ) 免费、源代码开放 l i n u x 是一款免费的操作系统，用户可以通过网络或其它途径免费获得，并且 可以任意修改其源代码，这是其它操作系统所不能做到的。由于l i n u x 操作系统可 以免费获得，使得在应用开发时的成本大大降低。 ( 2 ) 拥有强大的网络功能 l l r 咐嵌 式系统的研完以及在励磁调节装置中应用 且联网是在u n i x 的基础上繁荣起来的，l i n u x 的刚络功能其内核紧密相连， 在这方面l i n u x 要优于其它操作系统。系统中，用户可以实现网页浏览、文件传输、 远程登陆等网络工作并且可以作为服务器提供w w w 、兀t 、e m a i l 等服务。 ( 3 ) 性能稳定、安全可靠 l i n u x 采取了许多安全技术措施，其中有对读、写进行权限控制、审计跟踪、 核心授权等技术这些都为安全提供了保障。l i n u x 的内核非常稳定，它的高效和 稳定性已经在各个领域，尤其在网络服务器领域，已经得到了充分的验证。 ( 4 ) 支持多种平台、可移植性强 i a n n x 可以运行在多种硬件平台上，如具有x 8 6 、a r m 、a l p h a 等处理器的平 台，此外l i n u x 作为一种嵌入式操作系统，可以运行在掌上电脑、机项盒或游戏机 上。l i n u x 2 4 版内核已经能够完全支持i n t e l 6 4 位芯片架构。由于l i n u x 系统可以 支持多种硬件平台，因此它具有易于移植的特性。 ( 5 ) 丰富的开发工具 l i n n x 操作系统拥用非常多的开发工具链，这些工具都可以免费获取。一方面， 玎发者可以方便地使用这些玎发工具，从而大大提高了开发的效率：另一方面， 也节约了开发成本1 1 “”。 2 。2 2l i n u x 系统在开发板上的烧写 l i n u x 内核采用模块化结构设计，易于裁剪。在嵌入式应用中，根据应用开发 的功能对内核进行定制，使内核即能满足功能要求又能占用最少的资源1 1 2 _ 。 在同一个硬件平台上可以运行不同的嵌入式操作系统，同样有的操作系统经过移 植后可以运行在不同的硬件平台上。如果一个系统可以在不同硬件平台上运行， 那么这个系统就是可移植的，使某一个平台的代码运行在其它平台上的过程叫做 移植。l i n u x 操作系统就可以通过移植，运行在a r m 、p o w e r p c 等多种硬件平台 上。由于嵌入式系统是“硬件可裁减”的，以及不同的用户需求，这就需要对已有的 内核代码进行裁减移植。 2 2 2 1 使用烧写工具烧写r e b o o t b i n 关闭开发板电源，将短路块插到核心板上的j l 跳线上以使能e p 9 3 1 5 片内的 串口下载程序，用串口线连接p c 和开发板的串口p 1 ，确保在p c 上没有运行任何 1 2 郁州人掌t 学硕f 论文 打，f 与开发板连接的串l 】的程序。在w m d o w s 的命令窗口下执行烧写程序。程序 运行后会提示启动开发板，此时打开开发板电源，烧写程序与e p 9 3 1 5 的片内串口 全部程序下载并烧写成功后，会有烧写成功的提示信息，这样t e d b o o t 就已烧写到 f l a s h 里去了。 2 2 2 2 下载、烧写和运行l i n u x 内核 烧写l i n u x 内核 ( 1 ) 在前述的r e d b o o t 烧写成功后，取掉核心板上儿的短路块。再在p c 上 运行超级终端程序，使用串口连接，选择与开发板相连的串口，再连接此串口。 按一下复位键，r e d b o o t 启动后显示信息。t e d b o o t 启动时会申请动态分配一个m 地址，如果p c 或开发板所在网络没有动态分配i p 地址的服务器，则需要手动设 置一个i p 地址及t f l p 下载服务器的i p 地址，并用p i n g 命令测试网络是否连通。 手动设置i p 地址及i f t p 下载服务器的i p 地址命令如下例： i pa d d r e s s - - 11 9 2 1 6 8 0 1 2 9 - - h1 9 2 1 6 8 0 4 1 9 2 1 6 8 0 1 2 9 为开发板的i p 地址1 9 2 1 6 8 0 4 为t r i p 下载服务器的i p 地址 设置好开发板和下载服务器后，从开发板p i n g 下载服务器( 及p c 机) ，命 令如下： p i n g - v n4 - h1 9 2 1 6 8 0 4 ( 2 ) 在r e d b o o ! 里对f l a s h 进行分区，首先初始化f s ， ( 3 ) 创建z l m a g e 、r a m d i s k 、e x t - f s 分区 ( 4 ) 在p c 上运行唧下载服务器硼口d ( 5 ) 在r e d l m o t 里执行t r i p 下载。首先下载内核，通过t r i p 下载l i n u x 内核。 2 2 2 3 烧写q t 的根文件系统 ( 1 ) 下载o t 文件系统 ( 2 ) 烧写o t 根文件系统 ( 3 ) 启动0 t 根文件系统的l i n a x 内核 t 3 2 2 2 4 烧写m y r o o t c r a m f s 根文件系统 ( 1 ) 下载m y m o l 口a m f s 文件系统 ( 2 ) 烧写m y r o o t c r a m f s 根文件系统 ( 3 ) 启动q t 根文件系统的l i n u x 内核 2 2 2 5 在r e d b o o t 设置l i n u x 自启动 当z l m a g e ，根文件系统都烧写好后，就可以自启动l i n u x ，输入f c o n f i g 命令后， 接着在，提示符下输入命令： 伍l o a dz l m a g e ；回车 将提示设置延迟，设置为3 ：b o o ts c r i p tt i m c o u t ( 1 0 0 0 m sr c s o l u t i o n ) ：3 将设置的信息保存。 设置l i n u x 自启动，上电后会自动执行l i n u x ，如果要进入r e d b o o t ，在启动的 时候按 c i r l + c 进入1 1 9 删。 2 2 3l i n u x 系统在开发板上的编译和运行 编译r e d b o o t 和l i n u x 均在r e m h a tl i n u x 7 3 以上环境下进行，权限设为r o o t 。 编译r e d b o o t ： 将已经打过p a t c h 的压缩包。0 0 s 一2 0 - c r u s 1 0 3 t a r b z 2 解压到一个工作目录下， 命令如下： t a r j x v f e c o s - 2 0 - 6 1 1 5 - 1 0 3 t a r b z 2 解压结束后可以在当前目录下生成一个。s - 2 0 的目录，进入此目录查看内 容。执行m k r e d b o o l 命令编译r e d b o o t ，编译结束后可在当前目录下得到r e d b o o t ，b i n 文件。 编译l i n u x 内核； ( 1 ) 安装a r m l i n u x - g c c 的交叉编译工具包，以t o o t 身份登录p c 上的l i n u x 系统，进a u s r l o c a ! 目录，用m k s r 命令在当前目录下新建一个a l t o 的子目录，再 进入此目录解压 s 2 9 5 3 t a r b z 2 文件， 1 4 邦十h 凡擘t 掌硬f 论文 解压结束后会在u s r l o c a l a r m 目录下生成一个2 9 5 3 的子目录，编译内核所需 的交叉编译工具就在此目录下。 ( 2 ) 将已经打过p a t c h 的u n u x 内核压缩包l i n u x 2 4 2 1 c r u s 1 4 3 t a r b z 2 解压 到工作目录下。 ( 3 ) 解压完成后，会在当前目录下生成一个i n u x 2 4 2 1 c 1 1 1 s 1 。4 3 的目录， 进入此目录， 执行m a k em e n u c o n f i g ，之后会出现l i n u x 内核配置菜单，用向下方向键将蓝色 选择条移到下面的l o a da l la l t e r n a t ec o n f i g u r a t i o nf i l e 再按回车确认，之后会出现 文件名输入框，用阿向删除键删除此文件名，并输入k e r n e l _ 9 3 1 5 c f g ，再按会车确 认，返回到上级配置菜单后，再用向右方向键将配置框下面的蓝色选择条移到 e x i t 上后按回车退出内核配置，在出现询问是否保存配置对话框时，选择y e s 后 按回车确认保存退出。 ( 4 ) 内核配置完成后，先执行m a k ed c p 建立内核文件依赖关系， 结束后再执行m a k e z l m a g e 编译内核，内核编译成功后，可以在a r c h a r m b o o t 目录下得到一个压缩内核文件z l m a g e ，当前目录下有一个指向此文件的符号链接 z i m a g e ，此压缩内核就可以通过r e d b o o l 下载和运行了 2 2 4 建立嵌入式开发环境 目标板是作为能够运行主机开发的嵌入式应用程序的片上系统( s o c ) ，目标板 系统是经过裁剪的计算机系统，它包括了引导程序( b o o t l o a d ) 、可用的内核、以及 根文件系统。 主机和目标板采用连接式设置，在这种设置中，主机和目标板采用缆线连接， 通过r s 2 3 2 串口完成对目标板的控制功能；此外e p 9 3 1 5 开发控制芯片，通过双绞 线和主机端p c 的e t h e m e t 接口建立原始( r a w ) i p 连接，使用链路层地址( 以太网 m a c 地址) 完成大批量数据的传送。在连接式设置中，使用串行线来下载启动程序 c 这里是r e d b o o t b i n ) ，用网口来下载并烧写内核和根文件系统。在进行调试时，通 常使用串口来调试内核和应用程序，而使用同口调试应用程序，主机上包含了交 叉编译环境。在主机上建立交叉编译环境的过程就是在主机上生成跨平台的编译， 链接等_ t 具的过程。 下载建立交叉编译环境的安装包建立子目录a m 。下载解压后生成目录。目标 板平台所有生成的交叉编译工具都打上前缀1 i n u x ；在e t c 目录下修改p r o f i l e 1 5 a r m 9 嵌入式系统的研究以及在励磁调节装置中应用 脚本文件，然后在适当位置增加一行p a t h = s p a t h ：u s r l o c a l t n - i p 2 9 5 通过设置 这个环境变量后系统在编译程序时将自动找到适合的编译工具，这样主机上的交 叉编译环境就建立起来了，就可以在上面编译开发应用程序。 从p c 接收文件进到可写的目录t m p ，执行命令e d t m p ；进入t r a p 目录然后执 行z m r x 命令。 在超级终端罩选择以z m o d c m 与崩溃恢复方式发送文件，发送完毕后，可以 看到开发板上接收到的文件【”。1 。 2 2 5 交叉编详 由于嵌入式系统资源有限，一般无法提供编译、汇编，链接等工具，同时也 很难提供高级调试功能，因此嵌入式系统的应用软件一般不能直接在嵌入式系统 平台上进行开发，而需要在交叉编译环境中开发。也就是说通常开发是在另外的 开发平台上进行的，一般这种丌发平台由通用的计算机系统和专用的嵌入式系统 软件开发工具组成。 因此，在嵌入式开发平台中有宿主机( h o s t ) 和目标机( t a r g e t ) 的角色之分：宿主 机是执行编译、链接、定址过程的硬件平台，而目标机指运行嵌入式软件的硬件 平台。由于宿主机与目标机在硬件结构、