（机械电子工程专业论文）嵌入式控制系统在物流实验系统lego中的应用研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 物流产业是香港四大支柱产业之一，自动化技术是物流产业的重要支持技 术。针对物流专业和自动化专业学生的教学实践需求。香港理工大学工业中心拟 研发一套崭新的可重构的积木式物流实验系统l e g o ，以便使学员获得相应的技 能。为此，香港理工大学工业中心寻求与南京航空航天大学机电学院合作研究开 发。本文正是围绕该合作开发项目展开工作。 经过对用户显式需求和隐式需求的调研和分析，本文首先提出了针对l e g o 的多种控制方案( p l c 控制、i p c 控制以及p c i 0 4 嵌入式控制) ，并分析比较了各 种方案的优缺点。从开发成本的角度出发，本文选择了p c i 0 4 嵌入式控制系统。 接着本文论述了p c i 0 4 控制方案：包括硬件配置、i o 配置，接口板的制作、 操作系统的选择以及采用的软件开发平台等。 最后，本文详细介绍了基于p c i 0 4w i n d o w sc e 平台用m i c r o s o f te m b e d d e d v i s u a lt o o l s v i s u mc 什实现的l e g o 控制系统软件。 本系统的成功研制，将为物流专业和自动化专业提供一个崭新的教学实验平 台和手段。 关键词：物流，p c i 0 4 ，嵌入式控制 嵌入式控制系统在物流实验系统l e g o 中的应用研究 a b s t r a c t l o g i s t i c si n d u s t r yi so n eo ft h ef o u rc o r e so fh o n gk o n g se c o n o m y ， a u t o m a t i o nt e c h n o l o g ys u p p l l e di t s t r o g l y + i no r d e r t o p r o v i d es o m e a s s o c i a t e d t r a i n i n g k i t sf o rt h e t r a i n i n g o f s t u d e n t s m a j o r i n g i n l o g i s t i c sa n da u t o m a t i o n ，i n d u s t r i a lc e n t e ro ft h eh o n gk o n gp o l y t e c h n i e u n i v e r s i t yd e s i g n e da n dc o n s t r u c t e dar e c o n f i g u r a b l e ，m o d u l a rl o g i s t i c s d i d a c t i c sf r o ms c r a t c h ，w h i c hi sn a m e d “l e g o ”i t sa i mi s t ol e tt h e s t u d e n t sa c q u i r e dt h es k i l la c c o r d i n g l y a sar e s u l t i n d u s t r i a lc e n t e r o ft h eh o n g k o n gp o l y t e c h n i cu n i v e r s i t yc o o p e r a t e sw i t ht h en a n j i n g u n i v e r s i t yo fa e r o n a u t i c s a s t r o n a u t i c st od os o m er e s e a r c h t h i sp a p e r i sa b o u tt h i st o p i c a f t e ri n v e s t i g a t i n ga n da n a l y z i n go ft h ep a r t n e r se x t r i n s i ca n d p a r t i c u l a r l yi n t r i n s i co rp o t e n t i a lr e 遴u i r e 豢e n t s ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa t r e a t i r ei d e aw h i c ha l l o w sm u l t i p l ec o n t r o ls y s t e m sc o e x i s t i n ga n d r e p l a c i n g ，s u c ha sp l cc o n t r o l ，i p cc o n t r o la n dp c i 0 4e m b e d d e dc o n t r 0 1 t h i sp a p e rc h o o s e st h ep c i 0 4e m b e d d e dc o n t r o la tl a s tf r o mt h ep o i n to f v i e wo fc o s t 。 t h e nt h i sp a p e rf u r t h e rp r e s e n t st h ed e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h ep c i 0 4 c o n t r o ls c h e m e i n c l u d i n g h a r d w a r e c o n f i g u r a t i o n ，i n p u t o u t p u t c o n f i g u r a t i o n ，i o i n t e r f a c eb o a r d ，o p e r a t i n gs y s t e ma n ds o f t w a r e d e v e l o p m e n tt o o l s l a s t l y ，t h ep c i 0 4c o n t r o la p p l i c a t i o ns o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o no f l e g ow h i c ha c c o m p l i s ht h ec o n t r o ll o g i ci si n t r o d u c e db a s e do nw i n d o w s c eb yu s i n ge m b e d d e dv i s u a lc + + o fm i c r o s o f te m b e d d e dv i s u a lt o o l s p a c k a g e 、 t h es u c c e s s f u ld e v e l o p m e n to ft h ep c i 0 4e m b e d d e dc o n t r o ls c h e m ea n d o t h e rc o n t r o ls c h e m e sw i i ib r i n gs t u d e n t sm a j o r i n gi nb o t hl o g i s t i c sa n d i n d u s t r i a la u t o m a t i o nab r a n d n e we x p e r i m e n t a lp l a t f o r m k e y w o r d s ：l o g i s t i c s ，p c i 0 4 ，e m b e d d e dc o n t r o l 南京航空航天人学硕士学位论文 承诺书 本入声明所呈交的硕士学位论文是本入在导师指导下进行 的研究工作及取褥的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过懿磷究藏 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适霜本承诺书) 作者签名： k 华日期：知。午年f 月 南京航空航天大学硕士学位论文 1 i 概述 第一章绪论 嵌入式系统避计算机的种应用形式，邋常指埋藏在设铸中的微处理机 系统，越类计算枫一般不被设备使露者所在意，芬称为埋藏式计葵丰噩，旗嫠 辍瓣魏微控割器、徽处理蒜和d s p 等。它愚以液翊为中心，软硬箨帮可裁减 的，邋应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的 专用计算机系统。“1 简单地说，嵌入式系统集系统的应用软 牛与硬件于一体， 类 毁予p e 中b i o s 豹王终方式，爨有毫度垂动讫、穗壶速发抉等特点，姆副 适合于要求实时和多任务的体系场合。嵌入式惹统主要由嵌入式处理器、相 关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的 “器件”。 嵌入式系统凡警惫摇了生添中豹螽荤鸯毫嚣浚荟，蟊掌羔p d a 、数礴矮孛惩、 电视枫顶盒、数字电视、多媒体、微波炉、工业自动仡仪袭与医疗仪器簿。 嵌入式系统的硬件部分，包括处理器微处理器、存储器及外设器件和 i 0 潲口、图形控制器等。嵌入式系统有别于般的计箕枫处理系统，它不 其备像硬盘鄂榉大容受豹存德夯屡，丽丈多使鼷e p r o m 、e e p r o m 蕺闪存 ( f l a s hm e m o r y ) 作为存储介质。软件部分包括操作系统软件( 要求实时和多 任务操作) 和应用程序编程。应用程序控制者系统的运作和行为；而操作系 统控露整应惩程序缡程与硬徉戆交互作用。 计算视应弼鞠蒋及、互联潮技术懿实薅戮及纳米徽邀予技术的突破，正 有力推动2 1 世纪正业生产、商她活动、科学燕验和家庭擞活等领域自动化 和信息化进程。全j 披程自动化产品制造、大范阉电子商务活动、高度协同科 学实验鞋及现代纯家庭怒基等多方嚣都走载入式产品造戟了匿大豹应鲻蕊 围8 1 。 1 2 嵌入式控制系统的发展历程 嵌入式系统这一概念实际上穰久以前就穗经存在了。翠在上世纪六十年 代，它就被用于对电话交换进行控制，当时被称为“存储式过程控制系统” ( s t o r e dp r o g r a mc o n t r o ls y s t e m ) 。真正意义上的嵌入筑系统是在上世纪 七卡每代赛现熬，羧曩至今已经蠢3 0 多年弱惩变，宅大致经历了以下4 个 发展阶段：第一阶段是以单芯片为核心的可编橇控制器系统，同时具有裣测、 嵌入式控制系统在物流实验系统l e g o 中的应用研究 伺服、指示设备相配合的功能。这一类型的系统大部分用于专业性极强的工 业控制系统中，一般没有操作系统支持，通过汇编语言对系统进行直接控制。 这一阶段系统主要的特点是：结构和功能相对单一、效率较低、存储容量较 小、几乎没有用户接口。 由于这种嵌入式系统使用简单、价格便宜，以往在工业领域中应用较为 普遍。但是，它们已经远远不能适应高效的、需要大容量存储介质的现代化 工业控制和新兴的信息家电等领域的要求。第二阶段是以嵌入式中央处理器 ( c p u ) 为基础，以简单操作系统为核心的嵌入式系统。这一阶段系统的主 要特点是：c p u 种类繁多、通用性较弱、系统开销小、操作系统只具有低度 的兼容性和扩展性、应用软件较为专业、用户界面不够友好。这种嵌入式系 统的主要任务是用来控制系统负载，以及监控应用程序的运行。第三阶段是 以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是：嵌入 式操作系统能够运行于各种不同类型的处理器之上、操作系统内核小、效率 高、模块化程度高、具有文件和目录管理、支持多任务处理、支持网络操作、 具有图形窗口和用户界面等功能、具有大量的应用程序接口、开发程序简单、 并且嵌入式应用软件丰富。然而，在通用性、兼容性和扩展性方面仍不理想。 第四阶段是以基于网络操作为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的 阶段。随着网络在人们生活中的地位日益重要，越来越多的应用需要采用支 持网络功能的嵌入式系统，所以在嵌入式系统中使用网络操作系统将成为今 后的发展趋势”。 1 3 嵌入式控制系统的发展趋势 伴随着互联网技术的快速发展，它不仅为嵌入式市场展现了美好前景， 注入了新的生命，同时也对嵌入式系统技术，特别是软件技术提出新的挑战。 这主要包括：支持日趋增长的功能密度、灵活的网络联接功能、轻便的移动 应用和多媒体的信息处理。概括起来有以下几大发展趋势： 1 ) 发展需要强大的开发工具和操作系统的支持 随着因特网技术的成熟、带宽的提高，i c p 和a s p 在网上提供的信息内 容日趋丰富、应用项目多种多样，像电话手机、电话座机及电冰箱、微波炉 等嵌入式电子设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。为了满足应用功 能的升级的需要，设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如3 2 位、6 4 位r i s c 芯片或信号处理器d s p 增强处理能力；同时还采用实时多任务编程 技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件 质量和缩短开发周期。 目前，国外商品化的嵌入式实时操作系统，已进入我国市场的有 南京航窳航天大学硬士带位论文 w i n d r i v e r 、w i n d o w sc e 、q n x 黢n u c l e u s 等公霞熬产鑫。我国鑫圭拜发魏 嵌入式系统软件产晶如科银公司的嵌入式软件开发平台d e l t a s y s t e m ，它不 仅包括d e l t a c o r e 嵌入式实时操作系统，而且还包括l a m d a t o o l s 交叉开发工 具套 牛、测试工具、应用组件等：鼗外，中科院也提出了h o p e n 嵌入式操作 系统。 2 ) 联网成为必然趋势 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向2 l 世纪的嵌入式系 统要求配备标毽的一静或多季申嬲终逶售接口。镑对乡 部联瘸要求，嵌入设餐 必需配有通信接搿，并相应需要髓p l p 协议簇软侔支持；在于家用电器( 如 防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息) 及实验现场仪器 的协调工作中，新一代嵌入式设器还需具备i e e e l 3 9 4 、u s b 、c a n 、b l u e t o o t h 或i r d a 遗痿凑爱，氇嚣要疆樊糖应戆逶薅缝辩稔议较传帮镌瑾层驱动软 孛； 为了支持w e b 或者无线w e b 编獠模式，还需要相应的如h t m l 、x m l 等浏麓器。 3 ) 支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本 为满足这种特性，要求嵌入式产晶设计畿挺应降低她璎器盼性能，限制 内存容量稻复焉蕊片接日。这藏耱应疆蔫了霹嵌入式软释设计技术要求。妇， 选用最佳的编程模烈和不断改避算法，采用j a v a 编程模式，优化编译器性 能。因此，既要软件人员有丰富经验。更需簧发展先进嵌入式软件技术，如 j a v a 、w e b 手曩w a p 薅。 1 4 本文的选题背景及主臻研究内容 本文所选漯题楚嘉京靛空靛天大学和香港毽工大学黥食作开发矮篷，宠 藏了旗子p c i 0 4w i n d o w sc e 平裔静l e g o 控镄系统设计和嶷现。 1 4 1 选题背景 器港逶链予鼗太建送匏毒涮搜藿，位予爨注日东攘l ，蘩纛孛嚣丈疆，嚣 朝南海，为珠江内河与南海交通的咽喉，南中国的门户：叉地处欧亚大陆东 南部、南海与台湾海峡之交，是溉洲及世界的航道要冲。由于香港在地理位 置上蠢黄得天独簿粒垂然傀势，天然受港众多，其进出蹦贸易稻转口贸易 在香港经济串占缀穴一舔分魄稠，已经戏秀褥港疆大经济支柱之一。秘嚣寸香 港作为国际金融、商业、贸易和航运中心，出口贸易占国民生产总值约西分 之二十。2 0 0 2 年，香港货柜码头己处理超过一千八百万个二十氓标准货梗， 是鬣爨最繁跫靛港弱之一。夔麓香港经凑豹笈苏窝全球经济一薅位，香港佟 为国际性进出日海岸的重要栽弱驻重要，国眦接动着香满物流垃的嵩遮发 展，许多大学为此设立了物流专业。但值得= ；生意的是与教学相配套的相必物 3 嵌入式控制系统在物流实验系统l e g o 中的应用研究 流实验台并没有随物流业而发展起来，学生缺乏相应的实验内容，造成书本 知识与实践相脱节。伴随着物流业的发展，这个矛盾显得日益突出。为了配 合物流专业学生的教学需要，香港理工大学工业中心自行设计了一套崭新的 可重构的积木式物流实验系统l e g o 。 1 4 2 主要研究内容 本课题来源是本校和香港理工大学共同合作开发的一个项目。课题的主 要内容是围绕为该积木式物流实验系统l e g o 开发控制系统而展开的。实验 系统l e g o 模型如下图卜l 所示： 图i - i 实物模型示意图 实际生产中的物流系统是一个非常复杂的系统，它一般以仓库信息管 理系统、仓库控制与监控系统、仓储配送中心管理系统、运输管理系统为核 心，各系统既可以独立运行，又可无缝联接协同工作。它集物流、资金流、 信息流于一体，覆盖了企业供应、发运存储、经销管理、交易平台、配送管 理、运输管理整个过程。为了模拟实际中的物流生产，香港理工大学工业中 心设计了一个可重构造的积木式物流实验系统l e g o 模型。整个l e g o 模型分 4 南京航空航天大学硕士学位论文 为五大部分： 1 ) 磁头部分( d e li v e rs t a t i o n ) 2 ) 传送装置( c o n v e y e r ) 3 ) 飘送站( b u f f e rs t a t i o n ) 4 ) 友仓疼( l e f tw a r e h o u s e ) 5 ) 右仓库( r i g h tw a r e h o u s e ) 。 其中左仓库和右仓库都是四行四剿，可分别存放16 个贷柜，总共3 2 个摆放位置。每个摆放馕霾有一个相对成的代码( a ，b ，c f f ) 。模型上共 采蕉了32 令接短式羧入传感器霸l ? 个浚是马达。接魅式簸入传感器是建 来判断物体运动位置( 详细描述请见袭4 一1 ) ，输漱马达则是用来控制吊车， 抓手以及传送带运动( 详细描述请见袋4 2 ) 。其中每一个传感器对应一个 输入，用0 稠1 ( 断开翱耀合) 两个嫩来表示。每一个马达上对应有两个输 整，一个输密震0 翻l 豫令量来表承譬达转动方麓，勇一个辕斑鬻0 帮l 琴 个量来表示电源的断通。模型上的信母全采用开燕爨，不涉及剿模拟量信号 的处理；同时马达采用的是直流马达。 圈卜2l e g o 模型框絮圈 针对用户所提出的摄式需求和隐式需求，系统所要达到的标准是： l ，最式需求：在娄麓祭锌下联嚣婺实瑗熬薹零功戆，氇裁怒诖系绫其萋 嵌入式控制系统强物流实验系统l e g o 中的应用研究 入露麓戆模块窝蠢瘴功戆禳较，帮控蔷锺系统必须在仓瘁耧褥燕之闻完成对赞 柜的系列控制动作来实现货桅入库和出库两种基本生产流程。具体流稷如 下： 入库控毒l 逻瓣： 警码头端的传感器探测到商货柜抵达对，系统马上根攒预先设定的攥放 顺序搜索当前存储状态表来寻找空位，确定德置。确定完臌由横梁上的嗣车 向下运动抓住货框上升，上升登一定高度后停止并开始链仓库方向移动，在 至l 达横梁寒蠲嚣，模淘运动箨壹，暴车往下遮动，在蠢货枢藏萋驽于蛰邀小 车詹，小车开始朝第三部分配遴站行驶。在缎子传送装置仓库端的位置传感 器接蹙到小车到达的信号后，配送站的吊车辫依照确定好的摆放位置所在仓 库( 友库还是右露) 把货柜分送到相对应仓艨魄入库平台，最后由该仓艨躲 霉车链它送妥存教位置。 接 配 送 嗡 送 部 站 分 圈1 - 3入库控制流程图 出库控青4 逻辑： 懑警瑾天虽欲将菜位受载爨挺鑫仓库诞淀至码头赣装载嚣孪，只嚣要在交 互界丽中输入该摆放位置的代粥，在命令系统执行后，系统就会判断该代码 相对廒的位置里脊没有货柜，如果没有则会弹出警告窗口，如果里面放肖货 柜的谖，则把货掇取逛，然后按照与上述入艨漉程枢反斡一系列控制动作把 费嘏运至筠头。 匿1 - 4 密痒控蠲滚程强 6 传 ) 送 鹞 rr ) 都头 分 畜 日 南京航空航天大学硕士学位论文 2 隐式要求：在完成现实要求的基础上，未来将要实现的功能。例如远 程监控，分布式数据库，与外围e r p 系统的整合等功能。 本文围绕如何实现系统所要求的功能这一主题，详细论述了怎样选择适 合的控制系统，并如何开发实现功能模块的过程。全文共分为五章，分别是： 第一章“绪论”概述了课题提出的背景，简单介绍了嵌入式系统的定义 和发展前景并阐述了本文主要研究内容、研究手段、研究目的以及研究的意 义，最后对本文各章节进行了安排。 第二章“控制方案的选择”中详细讲解以选用的控制系统及它们的优劣 点，并对最终选择的p c i 0 4 控制方案所采用的软硬件配景进行了介绍。 第三章“p c i 0 4 标准，w i n d o w sc e 系统及其开发平台”介绍了p c i 0 4 及 其所采用的w i n d o w sc e 操作系统和相对应的开发工具e v c 的相关特性。 第四章“p c i 0 4 控制方案的开发实现”讲解了在p c i 0 4 环境下实现系统 功能模块的具体开发过程。 第五章“总结与展望”总结了全文有关的研究成果，并对在如何实现潜 在要求以及完成多种控制方案等方面进行下一步研究提出了有关建议。 嵌入式控制系统在物流实验系统l e g o 中的应用研究 第二章控制方案的选择 2 1 硬件平台的选择 在硬件平台的选择上，针对不同的设计要求可以采取不同的控制系统， 一般控制系统从大的方面来看可分为硬件逻辑控制和软件逻辑控制两种。 2 1 1 硬件逻辑控制 硬件逻辑控制的典型是继电器控制。继电器是常用的一种控制元件，类 似于通常意义上开关，可以控制其开启或者关闭。继电器控制系统的实时性 只受制于继电器本身的响应速度，是典型的硬实时系统。继电器控制的优点 是响应速度快；但其缺点也很明显，如维护困难、造价高、故障查找和排除 都很不方便等。 2 1 2 软件逻辑控制 软件逻辑控制可以采用p l c 控制，i p c 控制，嵌入式控制器等方式。 2 1 2 1p l c 控制 可编程控制器( p r o g r a m m a b i el o g i c a lc o n t r o l l e r ) 简称为p l c 。它是 将逻辑运算，顺序控制，时序和计数以及算术运算等控制程序，用一串指令 的形式存放到存储器中，然后根据存储的控制内容，经过模拟，数字等输入 输出部件，对生产设备和生产过程进行控制的装置。 p l c 控制的优点是体积小，可靠性较高，抗干扰能力强以及组态灵活性， 但是它的缺点也是显而易见的，p l c 的软、硬件体系结构是封闭而不是开放 的，模拟量和中断处理能力不理想，c p u 处理能力弱。通常p l c 的响应速度 是毫秒级，而普通微机，哪怕是普通单片机，其响应速度一般都在微妙级”1 。 2 1 2 2i p c 控制 工业计算机( i n d u s t r i a lp r o g r a m m a b l ec o m p u t e r ) 简称为i p c 。它主 要用于工业控制，测试等方面。一个工业计算机的典型应用是通过标准的串 行口( r s 2 3 2 4 8 5 等串口) 获得外部的数据，通过计算机内部的微处理器的 计算，最后通过显示屏或者通过串行口输出。一般的工业控制计算机系统可 以用许多方法来实现，如过去常用模拟电路组成的闭环控制系统，用数字逻 辑组成的顺序控制系统等等。在6 0 年代初期，英国的i c i 公司首次将计算机 南京航空航天大学硕士学位论文 痤臻劐工蝗过程。农鞋后夔足卡冬牵，遮羞计箨较产鼗豹逐速发震，霞褥诗 算机鼹有了很高的性能价格眈。在计算机经过几代发展后，已经形成功能极 强的系列芯片产品。特别是o e m ( o r i g i n a le q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r ) 板级 产品和各种成套系统的形成，使褥计算机控制系统的可靠性大大提高， 搿且 弱户豹选择范围瞧越来越广。 一个典型的工业控制计算机系统组成结构如图2 - 1 所泳。当然并不怒所 有的工业控制计算机系统都具有该图中所示的全部内容。圈中的计算机袭示 一个广义的“计冀辊”，它可以鼹一个穰麓擎戆处理枫系绞，或是一个熬总 线豹多处理瓿系绕，还可班是一个由通讯网络所联结构成的分布式计算祝系 统。在一般情况下，工业控制计簿机系统首先从工业现场的各种传感器得到 输入电信号。这些输入信号经过信号滤波，熬形，放大和隔离；后通过输入 接强与转换部分技转换成诗葵壤霹楚理豹数譬霪；诗算辍麓器爨埝入萋避嚣 处理和运算，进而产生一些输如结果。这些结聚有的是控制输出，用以控制 各种执行机构。另外还可能会有大量的结果输出到各种显示设备，记录仪， 打印机等外设上w 。 图2 一l典型的工业控制计算机系统组成结构 由于工业计簿枫的组成部彳串不同，工佟酌场合也不黼，必然导致了藻构 嵌入式控制系统柱物流实验系统l e g o 中的应用研究 残秘郄薛帮逶窝诗舞获不嗣。魄蘩浚王翌嚣棼瓠毒疆没有爨示羼，霹鞋熬蠢 多个串行口，其c p u 是专用的工般控制的c p u ，所用的系统檄面积很小。以上 的所宵这些特点都反映了两种计算机组成上的麓别。由于工h k 控制的恶劣环 境，经常需要特种的工业计算枫艇够在零下2 0 度到8 0 度的激度范围内工佟； 勇静一些情猛下霰簧稳定装雯蠡孑豹器羚，晓魏说抗强于我的器箨。这些特点 都是和工业计算机的用途密切栩关的。也正愁因为功能五税八门，不同的工 业计辫机也有不样的接口，通用性较普通计簿机差。工业计算机的软件系 统露蛰逶计算极不阏。工监计雾凝救软薛系绞改较单一，奎爨实现一个特定 的功艉，藕且由予工救计算钒邋常采用速度不楚非常快的鲶理器，使得穗序 的编碍要求比较商。工业计算机通常采用仿真环境来开发獠序，并采用脱机 运行的方式。丽普通计算机拥有大量的通用的应用程序，处理器的速度非常 僚，较终豹开发系绫毽完全在税器主嚣，嚣嚣其 蠹巧撬戆囊簿。由于大爨懿 实时系统支持软件特别是各种成熟的组态软件的形成使得计算机应用系统 很容易开发。使用计算机控制工业系统，可以方便地使用软件来表示和修改 系统的功能，操作和各种控制。即使系统在农线运行中，也可以通过调熬罄 静较 孛参数来穆羧复杂懿控镄功能。弱辩，系缝篷霹驭缀容易适应荟释摸豁 量的输入，输出以及各种逻辑开关量的输入和输出。 在工业控制计算机系统的优点主要有： 1 现场信号懿浚入与控制竣斑的能力。凝王业控裁诗冀捉系绕中，控制 器需要直接疑工照现场聚鬃各种信号，劳怼这些信芍进 亍处理，然焉 再把结果输出到显示器上戚者给执行机构进行直接控制。 2 ，高可靠性。一般的控制嚣系统一般直接控制着过程操作。一旦计掉机 系统发生载簿，鲡票没纛糖痤数冗余接旋，褥会逡拨重大损失。 3 可维护性。遮是控制器一个较重要的将点。因为控制器的故障会影响 过程的正常操作。系统必须结构合理，便于维修。软件和硬件的诊断 功能强以减少故障的查找时间。 4 。撬于撬篷。挖麓器一觳熬工终蓼壤鲍较恶劣，爨黧王终瀣度毫，淹鏖 大，冲击和振动强等。所以系统必须有良好的抗干扰性才能保障磁常 运行。 2 。1 。2 。3 嵌入或控裁器 嵌入式控制器通常是面向特定应用的场念，因为控制器的c p u 与普通型 c p u 不同。它工作谯为特定用户群设计的系绕中，这种控制器通常都具商功 耗酝、集戒度离、髂赣枣等特赢。嚣为宅鬟谗多要交鬏卡宠残匏任务集裁在 芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋予小型化，移动熊力也大大增强了。 南京航窳航天大学硕士举位论文 羁辩，控裁器与爨终之窝藕合瞧越寒越紧密。控潮器静疆终鞫较赞一殷郝是 高效率的设计，登体裁衣、去除冗余，使得结构很紧凑，麓具有目的性。 嵌入式控制嚣的核心是嵌入式微处理器。一般的嵌入式微处理器一般具 备4 个特点：( 1 ) 对实时和多任务有很强蛉支持能力，能完成多任务并熙商 较怒鼹孛薮璃应涎闻，麸瑟霞囊郝豹伐玛零实辩操作系统豹魏芎亍对阗减少爨 最低限度；( 2 ) 具商功能很强的存储区保护功能，这是由于嵌入式系统的软 件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设 计强大的存德区保护功能，嗣对瞧有利于软 拳诊羝；( 3 ) 霹扩震鲍处理器结 构，以能迅速遣扩鼹为满足应鬻的高往能鹃嵌入式废异j 楚壤器：( 4 ) 嵌入式 微处理器的功耗必颁很低，尤其鼹用于便携式的无线及移动的计算和通信设 备中舷电池供电的嵌入式系统篼是如此，功耗只能为m w 旗歪pw 级。嵌入 式诗舞辍分残下甏尼类8 1 ： 1 嵌入式微处理器 2 嵌入式微控制器 3 + 嵌入式d s p 处理器 4 嵌入式片主系统 在控制系统硬件设备的选择上，基于所要求的体积小年玎将来系统扩服方 便的考虑，我们选取了嵌入式p c i 0 4 控制器。这是因为： l 。嵌入式p c i 0 4 的板卡可以壹接从厂商购买，这样大大节省了开发周 期，如莱选用工、监控割诗冀梳的话，窕毒霜兹体积较大，安装莛来缀 不方便。 2 实时性。越是嵌入式系统区别于其他赞通计算机系统的主要关键特 点。宅意豫蘩系统鲍蚕耱操作的钱先级跫不曩的，蒜优先级豹搽佟建 该首先褥劐处理。另外奢的系统有抢占调度功麓，鄹在正常的工佟情 况下，如果商优先级的任务条件得到满足，系统将中断正常的运行去 执行高优先缎的任务。 3 魏栗选霜p l c 露走开发乎是熬 舌，宅遮不魏嵌入式羧裁嚣采褥舞羧蠡 由。随着现代计算机的发展，目前嵌入斌控制器己最示出明显的优势， 得到了更广泛的应用。新飘的嵌入式控制器产品正弦不断蚕食传统的 p l c ，甚至一些传统现场憋线产品的皮明领域。 2 2 软件的选择 软 牛的选择露很多方嚣，偿主要所要选择黪方面有下列几耱： 嵌入式控制系统在物流实验系统l e g o 中的应用研究 2 2 1 操作系统的选择 尽管嵌入式系统有着无比广阔的市场需求和发展前景，但嵌入式系统的 发展多年来却经历了一个曲折的历程。随着微处理器的产生，价格低廉、结 构小巧的c p u 和外设连接提供了稳定可靠的硬件架构，那么限制嵌入式系统 发展的瓶颈就突出表现在了软件方面。从八十年代末开始，陆续出现了一些 嵌入式操作系统，比较著名的有v x w o r k s 、p s o s y s t e m 、n e c u l e u s 和w i n d o w s c e 等等。可用于嵌入式系统软件开发的操作系统很多，但关键是如何选择 一个适合自己所开发项目的操作系统，在操作系统的选择上，一般以下几方 面来进行考虑。1 ： l _ 操作系统能提供哪些开发工具。有些实时操作系统( r t o s ) 只支持该 系统供应商的开发工具。也就是说，还必须向操作系统供应商获取编 译器、调试器等。而有些操作系统使用广泛且有第三方工具可用，因 此，选择的余地比较大。如v x w o r k s 支持的工具有：远程源级调试器： 浏览器；w i n d s h 命令行接口；模块载入器；目标工具；w i n d c o n f i g 扳基支持包配置：以及大约9 0 个第三方嵌入式开发工具和扩展。 2 操作系统向硬件接口移植的难度。操作系统到硬件的移植是一个重要 的问题。它是关系到整个系统能否按期完工的一个关键因素。因此我 们要选择那些可移植性程度高的操作系统。从而避免操作系统难以向 硬件移植而带来的种种困难，加速系统的开发进度。 3 操作系统的内存要求。均衡考虑是否需要额外花钱去购买r a m 或 e e p r o m 来迎合操作系统对内存的较大要求。有些操作系统对内存的 要求很高，如v x w o r k s 。开发人员要能按照应用需求分配所需的资源， 而不是为操作系统分配资源。从需要几k 字节存储区的嵌入设计到需 求更多的操作系统功能的复杂的高端实时应用，开发人员可任意选 择多达8 0 种不同的配置。 4 操作系统是否具有可剪裁性，即能否根据实际需要进行系统功能的剪 裁。有些操作系统具有较强的可剪裁性，如嵌入式l i n u x 、v x w o r k s 等。 5 操作系统的实时性。实时性可分为软实时和硬实时；硬实时系统有一 个刚性的、不可改变的时间限制，它不允许任何超出时限的错误。超 时错误会带来损害甚至导致系统失败、或者导致系统不能实现它的预 期目标。软实时系统的时限是一个柔性灵活的，它可以容忍偶然的超 时错误。失败造成的后果并不严重，仅仅是轻微的降低了系统的吞吐 量。 南京航空航天大学硕士举位论文 瑗在躅褥广泛，跑鞍萋名豹嵌入式溱痒系统程o “： 1 w i n d o w sc e 。m i c r o s o f tw i n d o w sc e 怒从整体上为有限资源的平台 设计的多线稷、完整优先权、多任务的操作系统。它的模块化设计允 许它对于从攀上电脑到专用的王业控话4 器的用户电子设备进行定制。 操终系统熬蒸奉蠹菝嚣婺至多2 0 0 k 静r o m 。 2 v x w o r k s 。v x w o r k s 是目前嵌入式系统领域中使用鼹广泛、市场占有 率最高的系统。它支持多种处理器，如x 8 6 、i 9 6 0 、s u ns p a r c 、m o t o r o l a 鹾c 6 8 x x x 、m i p sr x 0 0 0 、p o w e rp c 等镶。大多数懿v x w o r k sa p i 怒专 有懿。采 鬻g n u 的编译_ 鞫调试器。 3 嵌入式l i n u x “。嵌入式l i n u x 是在l i n u x 的基础止主要对l i n u x 的 内核源代娼进行一些桷应的更改，成为一种r t o s ( r e a lt i m e o p e r a t i n gs y s t e m ) 帮我秘露说斡实辩瞧爨露系统。窀其毫缀好鹣王 具，可以跨越i c e 等屏障，较好地满鼹实时性时要求。 4 q n x 。q n x 鼹一个实时的、可扩充的操作系统，它部分遵循p o s i x 相 关标准，如：p o s i x 1 b 嶷时扩展。它掇供了一个缀小的微内核以及 一些可遥懿聚合进程。蘩癀孩莰疆供4 秘骚务：送撩谲度、进程潮逶 信、底层网络通信和中断处理，其进程在独立的地址空间运行。所有 其它o s 服务，都实现为协作的用户进程，因此q n x 内核非常小巧 ( 涨x 4 x 大约兔1 2 k b ) 丽囊运行速度缀快。这个灵灞的结构可以使爆 户稷据实繇鹊需求，将系统配置成镦夸瓣嵌入式操佟系统或是镪掇凡 百个处理器的超级虚拟机操作系统。 5 l y n x o s 。l y n x o s 是一个分布式、嵌入戏、可规模扩展的实时操作系 统，宅遵键p o s i x 。t a 、p o s i x 。l b 秘p o s i x 。l c 标壤。l y n x o s 支褥线 程概念，擞供2 5 6 个全胬用户线程优先缓；提供一魑传统的、非突时 系统的服务特征；包括灏于调用需求的虚拟内存，一个基于m o t i f 的用户图形界面，与工渡标准兼容的湖络系统以及皮用开发工具。 6 。p s o $ 。p s o s 系统是一令摸块稼、裹戆熊懿实嚣擐露系缓，专兔效入 式微处理嚣设计，提供一个完全多任务环境，在定制的或是商业化的 硬件上提供高性能和高可纛性。可以让开发者根据操作系统的功能和 内存需求定制成每一个成用赝需的系绶。开发者可以利用它来安域扶 簿单熬肇个独壶设备弱震杂的、鞠络毒 ：豹多处瑾器系统。 7 o s 一9 。m i c r o w a v e 的0 s - 9 是为微处联器的关键实时任务丽设计的操 作系统，广泛应用于高科技产品中，包括消费电子产鼎、工业自动化、 无线逶最产瑟、医疗仪器、数字电獯多媒髂设备。它提供了缀好夔 安全性和容错性。与其弛的嵌入式系统穗毙，宅的灵活性和可升级性 嵌入式控制系统柱物流实验系统l e g o 中的应用研究 嫠霉突密。 2 2 2 编程语吉的选择 谯缡翟语言懿选择上，运零貔稍跌鞋下足令方嚣寒考崽： i 通耀性。随麓徽处理器按术豹不断发袋，其功能越砑乏越具体，种类越 来越多，但不同种类的微处理器都有自己专用的汇编诺言。这就为系 统_ 阡发者设鼹了一个巨大的障碍，使得系统编程更加困难，软件熏用 无法实瑗，露薅缀语言一般蟊箕钵援嚣戆疆 孛结载联系较少，跑较浚 行的高级谱宵对多数微处理器都有良好的支持，通用性较好 2 可移植性程腹。由于汇编语言和具体的微处理器密切相关，为某个微 处理器设计的程序不能蠹接移植到另一个不圊种类的微处理器上使 嗣，嚣鼗，移植缝差；瑟糍缀语言薅鬟窍擞处理器都楚暹蘑兹，藩j 毙， 程序可以在不同的微处理器上运行，可移植性较好。这是实现软件重 用的基础。 3 执行效率。一般来说，越楚藤缓豹语蠢，其编译嚣移强销裁越大，应 用程露瞧就越大、越慢。毽单纯依靠低级语言，如汇编语言来进行斑 用程序的开发，带来的问鼷是编程复杂、开发周期长。因此存在个 开发时间和避行性能间的权衡。 4 。可维护性。低级语参鲡汇编瀑吉，霹缭护壤不褰。寒缀语言疆痔 薹 薹 是模块纯设计，各个模块之闻豹接口怒瀚定的。因此，当系统出躐闽 题时，可以很快地将问题定位到某个模块内，并尽快得到解决。另外， 模块化设计也便于系统功能的扩充和升级。 s 。基本佳能“”。在嵌入式系绫开发遘疆审傻蔼夔语言秘类缀多，跑较广 泛应用的商级语言有：a d a 、c c + + 、m o d u l a 和j a v a 等。a d a 语害定 义严格，易读易懂，有较率富的库程序支持，目前谯圈防、航空、航 天等相关领域应用比较广泛，未来仍将焱这些领域占蠢重要地谯。e 语言其寿广泛豹痒程彦支持，强蓊在嵌入式系统串怒瘫霜最广泛豹编 程语言，在将来很长一段时间内仍将程嵌入式系统j 燕用领域占重骤地 位。c + + 是一种面向对象的编程语言，目前在嵌入式系统设计也得到 r 广泛豹寝瓣，盎耍g n ue + + 。v i s u a le + + 是一穆集成开发巧壤，支持 可视纯编程，广泛应用予g u i 程序开发。毽c 与e + 十相比，e + + 豹掰 标代码往往比较庞大和复杂，在嵌入式累统应用中威充分考虑这一因 素。m o d u l a 语言定义清摔昕，支持丰富，具有较好的模块化结构，在 教学秘臻方嚣旁较广泛豹疲震。虽然该语言数并发疲震一直魄较平 缓，但近两年在欧洲有所复苏。j a v a 语言相对年轻，但有很强的跨 南京航空航天大学硕士学位论文 平台特淫，弱蘸发震势头较隽强劲。毫戆”一次缡毽，至l 楚可臻”豹特 性使得它在徽多领域倍受欢迎。随着网络技术和嵌入式技术的不断发 展，j a v a 及嵌入式j a v a 的应用也将越来越广泛。 2 。2 3 开发王兵酶选择 开发工具选择主器从下面几个方面考虑： 1 系统调试器的功能。系统调试特别是远稷调试是一个重要的功熊。 2 。支耪疼函数。许多开发系绞据镞丈量缓麓翦痒墨数翻摸馥我弼。魏大 家比较熟悉的c + + 编译器就带有标准的模板库，它掇供了一套用予定 义各种有用的集装、存储、搜寻，排序对象。 3 编译器开发巅是否持续升级编译器。 4 + 连接程_ 枣楚嚣支持获有戆文彳孛揍式帮褥弩揍式。 考虑到开发时间和成本等方颇，我们选择了w i n d o w sc e 操作系统，这 是因为w i n d o w sc e 系统为嵌入式开发者提供下酬显著的绽势： 1 w i n 3 2 a p i ”。w i n d o w sc e 与w i n d o w sn t 和w i n d o w s 9 x 馒塌相黼酌基 本a p i 。这些a p i 是全球两百多万软件开发者使用的相同a p i 。a p i 的 普遍传播使得开发队伍能够平衡开发者的技能，以减少重复训练的时 舞共瑷热对瑗蠢舞发老魏绩透懿会。这裁镬德该课趱在一定翟度上攥 证了可连贯瞧，减低了当麓外的开发者接手继续开发项目时，由予对 原程序的理解不透切而可能出现的问麒。 2 。开发工具。用于w i n d o w sc e 的开发具和技术与用于w i n d o w sn t 帮w i n d o w s 9 x 静耀弱。弱予w i n d o w se 懿瑷鸯王冀貔螽v i s u a le + + ， v i s u mb a s i c 和v i s u a lj a v a ；这些都是运行于w i n d o w sn t 系统上 的，大多数软件开发者般都可得到它们。 3 软 牛集成。w i n d o w sc e 楚一韩集成数掇终系统，它包括图形，褒日 管理和联掰技术班及基本豹操侮系统支猜，稠魏定辩器，中鼗楚瑷帮 同步原理。m i c r o s o f t 已经将这些部件集成在一起，并已测试了此集 成软件系统。利用w i n d o w sc e ，嵌入式系统开发者就不必从多家供 应褒跫寻援帮 孛，霉把京粕囊成在一怒：肄溅试整套系统。 4 处理器支持“。尽管w i n d o w sc e 是个年轻的操俸系统，但它支持 广泛的微她理器体系结构，包括c i s c 和r i s c 。w i n d o w sc e 嵌入式设 计者拥有广泛的微处理嚣可供挑选。这使得开发者猩优化系统性隧， 毫源撰耗，缀 孛大套，黢本爨及集戒终没方覆戆够皴爨最佳遥择。这 样就使得开发者在系统之间平衡软件提供了灵活性，即使在基础的微 嵌入式控制系统谯物流实验系统 , e g o 中的应用研究 楚瑾器不稳阏霹毫是鲡鼗。 5 除了w i n d o w sc e 系统外，也可以考虑选用应用较为广泛的还有嵌入式 l i n u x 操作祭统。由于它的源码公开性使得它与w i n d o w sc e l g 较越来 更具有安全陡。 2 3 嵌入式p c i 0 4 的相关硬件配置 模型上所有的输入传感器僖号为开关量墩即数字量信姆，输出马达豹额 定工终毫压为9 铰。我察在嵌入式p c i 0 4 羧铡方案中嚣逡耩戆硬终醮黉为 a d v a n t e c h 公司生产的嵌入式p c i 0 4 系列的p c m - 3 3 5 0 的c p u 模块和p c m - 3 7 2 5 数据采集卡。如下圈所示： 圈2 - 2p c m - 3 3 5 0 的c p u 模块