（机械电子工程专业论文）基于μcosⅡ的嵌入式监控系统研究与实现.pdf

摘要 嵌入式系统是计算机系统一个应用最为广泛的重要分支，嵌入式操作系统在 嵌入式系统设计中则处于核心地位。随着嵌入式实时操作系统( r t o s ) 逐渐走 向开放，一些源码公开的、免费的实时内核得到了越来越广泛的应用。论文以剑 杆织机计算机控制系统为实际应用平台，应用c o s i i 为实时操作系统内核， 设计实现了剑杼织机的嵌入式监控系统。研究嵌入式r t o s 和剑秆织机计算机控 制系统，不仅有助于嵌入式技术的应用和发展，而且对缩短中外技术差距、提高 我国织机自动化水平和国民经济有着重要意义。 论文从嵌入式系统和实时操作系统的基本概念入手，对嵌入式系统中使用 r t o s 的必要性及其发展现状和发展趋势等方面进行了简单综述：然后，根据对 监控系统功能的需求分析，进行了系统的软硬件总体设计。硬件以m o t o r o l a 3 2 位微控制器m c 6 8 3 3 1 为系统的控制核心，软件以抢占式内核口c o s - i i 为嵌 入式操作系统；在此基础上，以i n t e r t o o l s 系统为编译和模拟调试工具，以n o h a u 开发机为在线实时调试环境，建立了开发嵌入式系统的交互式平台。 在系统的开发平台上，首先，通过对嵌入式系统内核tc o s i i 的参数和相 关配置函数进行修改，完成了其在m c 6 8 3 3 l 上的移植，并且通过在线实时测试， 验证了内核移植的正确性；其次，把移植的内核扩展成了系统实用的r t o s ，包 括建立l c d 驱动、键盘驱动、串行通信驱动及其应用程序接口函数；最后，完 成了主函数、主任务和时钟控制、人机交互、串行数据通信等任务的程序设计， 经过人机交互、串行数据通信等实对测试，证实系统已能够实现主要的任务需求。 监控系统的设计由于使用了嵌入式操作系统。为应用程序屏蔽了硬件影响， 简化了程序设计；缩短了开发周期，提高了开发效率；更便于系统的升级和维护。 关键词：嵌入式实时操作系统，c o s i i ，m c 6 8 3 3 1 ，交互式平台，任务 a b s t r a c t t h ee m b e d d e ds y s t e m ，w h i c ha p p l i e dm o s te x t e n s i v e l y ，i so n ek i n do fc o m p u t e r s y s t e m ，a n dt h ee m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ( r t o s ) i sat o p d r a w e rp a r t o fi t s o m ef r e er t o s ，w h i c hp r o v i d et h ec o d e ，a p p l i e dt om o r ea n dm o r ef i e l d s a l o n gw i t hr t o si n t ot h eo p e n t h et h e s i st o o kt h er a p i e rl o o mc o m p u t e rc o n t r o l s y s t e m8 st h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o np l a t f o r m ，a p p l i e dt h e c o s - i i ，r e a l i z e dt h e r a p i e rl o o me m b e d d e ds u p e r v i s o r ys y s t e m t h er e s e a r c ho fr t o sa n dt h er a p i e r l o o mc o n t r o ls y s t e m ，n o to n l yi sh e l p f u lt ot h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to f e m b e d d e dt e c h n o l o g y b u ta l s oh a sv i t a ls i g n i f i c a t i o nt or a i s et h en a t i o n a la u t o m a t i o n l e v e la n dt h en a t i o n a le c o n o m y b a s e do nt h ec o n c e p t so fe m b e d d e ds y s t e ma n dr t o s ，t h et h e s i se x p l a i n e dt h e r e a s o n sf o ru s i n gr t o si nt h es u p e r v i s o r ys y s t e m t h e n ，a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so f f u n c t i o no fs u p e r v i s o r ys y s t e m ，a c c o m p l i s h e dt h eo v e r a l ls o f t w a r ea n dh a r d w a r e d e s i g no ft h es y s t e m t h ep r o j e c ts e l e c tm c 6 8 3 3 la st h ec o n t r o lc o r ea n d c o s - i i a st h er t o sk e r n e l o nt h eb a s i so ft h ed e s i g na b o v e ，f o u n d e dt h ec r o s s - p l a t f o r m ， i n c l u d ei n t e r t o o l ss y s t e ma n dn o h a ue m u l a t o r 0 nt h es y s t e md e v e l o p m e n tp l a t f o r m c o m p l e t e dt r a n s p l a n t i n g c o s - 1 1o nt h e m c 6 8 3 31 f i r s t l y t h et r a n s p l a n tm o d i f i e ds o m ef u n c t i o n sa n dv a l i d a t e dt h e ya r e c o r r e c tb yd e b u g g i n g s e c o n d l y ，t h et r a n s p l a n t e dk e r n e lw a se x p a n d e dt ob et h e p r a c t i c a lr t o so f t h es u p e r v i s o r ys y s t e m t h ee x p a n di n c l u d ed r i v ep r o g r a md e s i g n o fl c d ，k e y b o a r d ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o na n dt h ea p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ( a p i ) f i n a l l yc o m p l e t e dt h ep r o g r a m m i n go ft h em a i nf u n c t i o n ，t h eh o s tt a s k ，t h ec l o c kt a s k ， t h eh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ( h c i ) t a s k ，t h ed a t ac o m m u n i c a t i o nt a s k t h r o u g ht h e r e a l t i m ee m u l a t i o no ft h eh c ia n dt h ed a t ac o m m u n i c a t i o n ，c o n f i r m e dt h es y s t e m h a sb e e na b l et or e a l i z e 血em a i nf u n c t i o n s u s i n gr t o sh a ss h i e l d e dt h eh a r d w a r ei n f l u e n c et ot h ea p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g ， s i m p l i f i e dt h ep r o g r a m m i n g ，e n h a n c e dt h ed e v e l o p m e n te f f i c i e n c y t h eu p g r a d ea n d m a i n t e n a n c eo f t h es y s t e mb e c o m e m o r ec o n v e n i e n t k e yw o r d s ：e m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，一c o s i i ，m c 6 8 3 31 ，c r o s s 。 p l a t f o r m ，t a s k l l 州北i 业大学硕+ 学何论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着微型计算机技术的蓬勃发展与应用领域的日益扩大，从2 0 世纪7 0 年代 丌始引入了嵌入式系统的概念【l 】，8 0 年代开始进入商品市场，至今已经发展成为 微型计算机系统的一个专门的应用领域，并且已经成为汁算机系统的一个应用最 为广泛的重要分支。可以说，当今世界依靠嵌入式计算机而运转1 2 i 。 目前，嵌入式系统是i t 产业、工业控制和日用家电等领域的热点已经成为 不争的事实0 , 4 j ，嵌入式系统的发展对嵌入式操作系统提出更高的要求。中国又 是世界上最大的实时操作系统( r t o s ) 市场之一。因此，对嵌入式操作系统的 结构、设计、用户界面和应用等诸多方面进行深入研究，将有助于嵌入式系统的 应用和发展。 1 2 嵌入式系统概述 随着计算机技术的发展，嵌入式系统的地位和作用显得越来越重要。今天 嵌入式系统所带来的工业年产值己超过了l 万亿美元【卯。嵌入式系统的广泛应用 已经渗透到我们f 【常生活的各个方 面1 6 , 7 1 ，种类繁多，让人顿生目不暇接之感。 因此，有必要了解嵌入式系统的基本概念及其发展趋势。 1 2 1 嵌入式系统的特点 国内普遍认同的嵌入式系统定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、 软硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专 用计算机系统【8 l 。 可咀通过和通用计算机系统进行比较来解释这一概念，嵌入式计算机系统和 通用型计算机系统相比具有以下特点： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式c p u 与通用型计算机最大 不同就是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低 功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集 一北l + 业犬学硕十学位论文 第一章绪论 成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟 网络的耦合也越来越紧密。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、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。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密 集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 ( 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件部必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余， 力争在同样的面积上实现更高的性能，才能在具体应用中更具有竞争力。 ( 4 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在起，它的升级换代也是和具体 产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 ( 5 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在 存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 ( 6 ) 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也 是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和开发环境翻能进行 开发。 1 2 2 嵌入式技术的发展 嵌入式技术的发展，大致经历了四个阶段： 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测、 伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控 制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制， 运行结束后清除内存。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。 这阶段的操作系统具有一定的兼容性和扩展性，但用户界面不够友好。 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：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作 系统内核精小、效率高并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、 设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能：具有大量的应用 程序接e l ( a p i ) ，玎发应用程序简单：嵌入式应用软件丰富。 第四阶段是以基于i n t e m e t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的 阶段【1 0 l 。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e m e t 之外，但随着i n t e r n e t 的发展 以及i n t e m e t 技术与信息家电、工业控制技术等结合同益密切，嵌入式设备与 i n t e r n e t 的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。 西北1 。业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 3 嵌入式系统的组成 与任何其他的计算机系统一样，嵌入式系统也是硬件和软件的结合【”1 。不同 的是，嵌入式系统硬件通常是为了系统的特殊目的而定制的，主要原因是每个系 统的差别都相当大。 ( 1 ) 硬件部分一般由中央处理器、存储器、外部设备组成，有时还包括一 些与应用密切相关的控制和机械系统。具有应用相关性、多样性等特点。 ( 2 ) 软件部分一般由嵌入式操作系统和应用软件组成，对于高端的应用可 能还会用到图形平台。嵌入式操作系统介于硬件和应用程序之间，负责调度并管 理实时应用程序，并完成对硬件的控制和操作。实时应用程序是基于嵌入式r t o s 之上、利用操作系统提供的实时机制完成的特定嵌入式系统具体功能的应用程 序。如图1 1 所示是嵌入式系统的基本组成。 l 一堡一壁 图1 1 嵌入式系统的组成 在以上几部分中，嵌入式r t o s 是嵌入式实时系统的核，“是应用程序开发 和运行的平台，是嵌入式实时系统区别于其他通用计算机系统的集中体现，也是 推动嵌入式实时系统广泛应用的关键因素。 1 3 实时操作系统概述 实时操作系统【1 2 - ”1 是指具有实时性、能支持实时控制系统工作的操作系统 1 1 “。实时操作系统的首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务；其 次才着眼于提高计算机系统的使用效率。其重要特点是要通过任务调度来满足对 于重要事件在规定的时间内做出正确的响应。 1 3 1 实时操作系统的发展 实时操作系统的研究是从六十年代开始的。从系统结构上看，实时操作系统 曲- i u i ：业人学颁士学位论文 第一章绪论 到现在己经历了如下三个阶段： ( 1 ) 早期的实时操作系统 早期的实时操作系统，还不能称为真正的实时操作系统，它只是小而简单的、 带有一定专用性的软件，功能较弱，可以认为是一种实时懿控程序。实时应用简 单，实时性要求也不高。应用程序、实时监控程序和硬件运行平台往往是紧密联 系在一起的。 ( 2 ) 专用实时操作系统 随着应用的发展，早期的实时操作系统己越来越显示出明显的不足。有些实 时系统的开发者为了满足实时应用的需要，自己研制与特定硬件相匹配的实时操 作系统。这类专用的实时操作系统在国外被称为r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m d e v e l o p e di nh o u s e 。它是在早期阶段用户为满足自身开发需要而研制的，它一 般只应用于特定的硬件环境，且缺乏严格的评测，移植性也不太好。属于这类实 时操作系统的有i n t e l 公司的i m a x 3 8 6 等。 ( 3 ) 通用实时操作系统 在各种专用实时操作系统中，相同的多任务机制是能够共享的，因而可以把 这部分很好地组织起来，形成一个通用的实时操作系统内核。这类操作系统大多 采用软模块结构，以一个个软件“标准模块”构成通用的实时操作系统。一方面， 在实时操作系统内核的最底层将不同的硬件特性屏蔽掉；另一方面，对不同的应 用环境提供了标准的、可剪裁的系统服务软模块。这使得用户可以根据不同的实 时应用要求及硬件环境选择不同的软模块，也使得实时操作系统开发商在开发过 程中减少了重复。这类通用实时操作系统有i n t e g r a t e ds y s t e m ( 已被w i n d r i v e r s y s t e m s 公司收购) 公司的p s o s y s t e m 、i n t e l 公司的i r m x 3 8 6 、w i n d r i v e r s y s t e m s 公司的v x w o r k s 和免费的l i n u x 和c o s i i 等。它们一般都提供了实时性较好 的内核、多种任务通信机制、基予t c p i p 的网络模块、文件管理及v o 服务， 提供了集编辑、编译、调试、仿真为一体的集成开发环境，支持用户使用c 、c + + 进行应用程序的开发。 1 3 2 嵌入式实时操作系统 从应用特点来看，实时操作系统可以分为两种：一般实时操作系统和嵌入式 实时操作系统。 一般实时操作系统与嵌入式实时操作系统都是具有实时性的操作系统，它们 的主要区别在于应用场合和开发过程。一般实时操作系统应用于实时处理系统的 上位机和实时查询系统等实时性较弱的实时系统，并且提供了开发、调试、运用 一致的环境。嵌入式实时操作系统应用于实时性要求高的实时控制系统，而且应 4 幔北l 业大学硕十学位论文 第一章绪论 用程序的开发过程是通过交叉丌发来完成的即丌发环境与运行环境不同。嵌入 式实时操作系统具有规模小、可固化使用、实时性强等特点。 1 4 嵌入式系统中使用r t o s 的必要性 提倡在嵌入式应用中使用i h o s 的主要原因如下； ( 1 ) 提高系统的可靠性和稳定性，便于程序的修改与维护。可以说，r t o s 是系统在软件上采取的一种抗干扰措施。使用r t o s 的嵌入式系统的任务是并行 的，干扰可能只是引起任务中的个被破坏，对其他任务没有影响。 ( 2 ) 提高系统开发效率、缩短开发周期。对于复杂的应用程序，可以分解 成多个任务，简化了系统软件的设计。 ( 3 ) 提高系统实时性。嵌入式r t o s 是专为实时性要求高的实时控制系统而 设计的，它可以保证达到或接近理论上可以达到的最好水平。 ( 4 ) 充分发挥3 2 位微控制器优势。3 2 位c p u 是为运行多用户、多任务操作 系统而设计的，特别适于运行多任务实时系统。 从某种意义上说，没有操作系统的计算机( 裸机) 是没有用的，在嵌入式应 用中，只有把c p u 嵌入到系统中，同时又把操作系统嵌入进去，才是真正的计算 机嵌入式应用。 1 5 嵌入式r t o s 的发展前景 目前，嵌入式r t o s 及其开发环境的发展动向是： ( 1 ) 嵌入式实时操作系统正向实时超微内核( n a n o k e m e l ) 开放发展 近几年，国外发展了一种基于微内核思想设计的精巧的嵌入式微内核，即实 时超微内核( n a n o k e m e l ) 。超微内核是一种非常紧凑的基本内核代码层，为嵌 入式应用提供了可抢占、快而确定的实时服务，在它的基础上可以灵活地构造各 种类型的、与现成系统兼容的、可伸缩的嵌入式实时操作系统。因此能满足应用 代码的可重用性和可伸缩性的需求。 ( 2 ) 开发环境向丌放的、集成化的方向发展 由于嵌人式应用软件的特殊性，往往要求软件开发者具有一定的r t o s 的专 门知识，能合理地划分任务，合理的配置系统以及目标联机的调试。因此，要设 计实现一个高性能的实时应用软件，需要强有力的交叉开发工具系统的支持。国 外十分重视发展与实时操作系统配合的嵌人式应用的集成开发环境l l “，现已发 展到第三代，它以客户一服务器的系统结构为基础，具有运行系统的无关性、连 幅北l 。业火学硕十学位论文 第一章绪论 接的无关性、开放的软件接口、环境的一致性、宿主机上的目标仿真等特点。各 大软件商m i c r o s o f t 、m r i 、v v q n d r i v e r 、i s i 均提供图形化的、易用的程序开发调 试环境。开发调试环境已经能监控系统核一心，可视化整个系统。 1 6 课题研究背景及意义 中国有着世界上最大的电信市场，在2 0 0 5 年中国已经成为世界上最大的手 机市场【l 副( 每一部手机都在运行一个实时操作系统) 。这样庞大的电信市场就会 孕育着大量的电信设备制造商，这就造就了大量的实时操作系统和开发工具的市 场机会。但是，由于实时操作系统的丌发相对中国公司或研究机构花费太大和多 数国内用户没有购买实时操作系统的版税f l 哪，实时操作系统在中国市场的销售 额还很小。 虽然，设计人员可以针对自己的应用系统编写实时操作系统。但是，在嵌入 式应用中使用现成的实时操作系统是嵌入式软件开发的趋势。这些现成的操作系 统可根据特殊应用的要求而裁减以减少存储需求，或者修改极少部分的代码。当 完成个基于特定硬件系统的嵌入式系统的移植完成后，一个嵌入式系统的开发 平台就建立起来。在此之上，软件开发人员就可以根掘具体的应用进行相对应的 软件设计工作，构建一个可以满足特定需求的嵌入式产品。 嵌入式r t o s 的发展，是由实际应用推动的。本课题研究的智能监控系统是 剑杆织机分布式计算机控制系统的一部分。剑杆织机作为高性能新型织机，拥有 巨大的市场。但是，目前国内生产高档织物的剑杆织机主要依赖进口，价格昂贵。 就剑杆织机的发展而言，技术进步主要表现在向短流程、连续化、自动化、高质 量和高速度方向发展，并呈现智能化、网络化、通用化和绿色化的新发展趋势。 可见，研究嵌入式r t o s 和剑杆织机计算机控制系统，不仅有助于嵌入式系 统的应用和发展；而且对提高我国织机自动化水平、加强新技术应用、缩短中外 技术差距和提高国民经济有着重要意义。本文以织机监控系统为实际应用平台， 以嵌入式r t o s 为软件设计平台，对嵌入式监控系统进行软硬件的开发和研究工 作。 1 7 论文主要工作 嵌入式系统本身是一个系统的工程。嵌入式操作系统系统的移植和软件设 计，涉及的知识面较宽，不但要求程序丌发人员对软件开发有比较深入的了解， 同时要求对硬件的知识也要有一定的了解。在这个系统的开发过程中，我主要从 两北i7 业大学硕士学位论文 第一章绪论 事了如下一些内容的研究与开发： ( 1 ) 研究m c 6 8 3 3 l 的原理和应用，研究“c o s 一1 i 内核的体系结构、运行 机制和实际应用，为嵌入式实时内核的移植进行必要的技术准备。 ( 2 ) 根据设计需求完成了系统软硬件总体设计；根据系统对软硬件功能的 需求，建立开发监控系统的交互式平台，并研究了软件编程方法。 ( 3 ) 针对“c o s i i 在m c 6 8 3 31 上的移植工作，首先在i n t e r t o o l s 编译系 统中，对c o s i i 的配置参数及相关的函数修改、编译和调试；然后在n o h a u 在线仿真系统中，对移植的内核进行测试。经过多次修改、编译、调试和测试， 完成内核移植。 ( 4 ) 根据监控系统功能的需求，在己经移植成功的内核的基础上，建立监 控系统实用的r t o s ；并根据对系统软件的任务规划，进行主任务、人机交互任 务、串行数据通信任务和时钟控制任务的应用程序设计。 曲北l 业人学硕十学位论文 第二章嵌入式监控系统总体没计 第二章嵌入式监控系统总体设计 在基于计算机的系统中，人是一个最重要的系统要素【2 0 j 。人通过系统硬件 和软件的交互可以启动、停止、监控或控制系统的运行。目前，友好的“人机界 面”( h u m a nc o m p u t e ri n t e r f a c e ，h c i ) 已经成为基于计算机的系统的一项重要的 技术指标 2 1 1 。因此开发人机界面的人机工程已经成为开发基于计算机的系统的 一个重要组成部分。 剑杆织机计算机控制系统采用分布式结构拉“，其中的智能监控系统不仅能 够控制生产过程、监测生产质量、提高整机效率和自动化程度，而且对增强织机 的品种适应性、改善人机环境、降低劳动强度、适应现代化生产管理都具有重大 作用。本章主要论述基于3 2 位微控制器m c 6 8 3 3 1 的智能监控系统的模块化总体 设计，包括硬件总体设计和软件总体设计。这种模块化设计有利于简化系统设计， 便于系统的功能扩展、移植和维护。 2 1 监控系统设计需求分析 监控系统是高档剑杆织机进行人机交互的重要设备，不但可以发送命令、启 动运行、对织造过程中机械工作状态和工艺参数进行实时监控和调整，还可以对 织机的运行故障自动报警和显示。鉴于此，监控系统设计主要考虑以下四个方面： ( 1 ) 友好性 监控系统的友好性主要体现在人机界面上。人机界面应尽量给用户提供方 便、快捷及舒适的操作环境，用户可以及时获取整个生产过程的信息，同时还可 以通过键盘直接改变操作量，干预生产过程、改变运行状况或做故障处理。 ( 2 ) 实用性 根据剑杆织机织造工艺的特点，以及参考国外先进机型的相关功能f 2 3 - 2 5 1 ，整 个监控系统的设计应实现以下功能： 能够对所织品种的织造参数进行设定、显示和执行，如进行织物的组织 ( 适用于电子多臀机) ；选纬程序的设计；织物的纬密；织物密纬、空纬、 毛圈功能的设计；电子送经、电子卷取参数的设定。 能够对织造过程中织机运行数据进行实时显示，如每厘米纬密：织机的 位置；选纬程序的梭口位置；织物组织的梭1 2 1 位黄；每分钟引纬数：每分钟 织物的产量；制动时删；电子送经的使用情况等。 阿北1 。业大学硕十学位论文 第二章嵌入式监控系统总体设计 能够进行班次管理和统计数据，如生产计划设计；对生产总数据( 含生 产米数、总引纬数、运转时间) 的统计与管理等。 能够同织机主控制系统进行高速数据通信，实现品种织造参数、控制命 令及织机状态数据、检测信息的高速交换。可以和中央计算机( p c 机) 进 行底层数据通信。中央计算机再通过以太网实现车间所有织机的数据传输， 建立灵活的管理体系。 能够进行故障诊断，发生异常时可自动识别，发出保护指令或停车，并 显示故障原因。 ( 3 ) 可靠性 由于剑杆织机工作环境十分恶劣，监控系统必须有足够的可靠性j 能保证系 统稳定运行，系统自身应具有一定自诊断和容锚能力。 ( 4 ) 经济性 在总体设计中需要充分考虑系统的成本，监控系统的方案选择是关键。此外， 在硬件设计中尽量选用性价比高的元器件。 2 2 监控系统硬件总体设计 监控系统在研制过程中紧紧围绕实用性、可靠性、友好性、经济性等设计 要求，对监控系统硬件电路( o p t 板) 进行模块化设计。监控系统的硬件总体 设计如图2 1 所示。脏控系统的硬件主要由微控制器模块、存储器模块、人机界 面模块、串行通信模块、报警指示模块等构成。 2 2 1 微控制器模块 按照上述设计思想，系统采用基于微控制器的系统结构。这种方案可靠性高、 体积小、功耗低、使用方便、价格低廉。综合考虑微控制器选用m o t o r o l a 公司的3 2 位微控制器m c 6 8 3 3 1 t 2 6 - 2 8 。m c 6 8 3 3 l 是采用模块化结构的芯片，由 中央处理器c p u 3 2 、系统集成模块s i m 、队列串行模块q s m 、并行i o 口和通 用定时器g p t t 2 9 1 组成。这种微控制器充分利用h c m o s 的高速、高密度性及精 简指令系统计算机( r i s c ) 技术，数据处理能力达3 2 位，使它具有优越的性能， 如具有功能强、运算精度高、功耗低、体积小、可靠性高、系统设计简单和程序 开发方便等显著特点。 m c 6 8 3 3 1 在智能化仪器仪表、精密控制等高性能定时场合、低功耗应用场 合和控制领域有着广泛应用；此外，m o t o r o l a 微控制器在同样速度下，所用 9 两北【：业人学硕十学位论文第一二章嵌入式监控系统总体设计 的时钟频率较i n t e l 类微控制器低很多，因而使得高频噪声低，抗干扰能力强 更适合于工控领域及恶劣的环境。 2 2 2 存储器模块 m c 6 8 3 3 i 有2 4 根外部地址线，它的直接寻址范围是1 6 m 存储单元，即1 6 m 字节。这个空问对于一般的应用已经足够，大多数产品的系统软件和应用软件均 可被直接寻址而没有冲突。另外，m c 6 8 3 3 l 还支持虚拟存储器，可以通过虚拟 存储技术扩展到8 x1 6 m 字节的地址空间。 由于微控制器m c 6 8 3 3 1 内部没有集成程序和数据存储器，在应用时需要进 行系统的存储器扩展。扩展体现在两方面：数据宽度的扩充和容量的扩充。 ( 1 ) 数据宽度的扩充 m c 6 8 3 3 1 存储空间配置为普林斯顿结构，程序存储器和数据存储器统一编 址。论文中存储器结构采用1 6 位总线宽度，程序存储器和数据存储器均由两个 8 位的偶地址、奇地址存储体组成，其数据线分别与数据总线的高、低8 位相连， 需要的控制信号有三种：读、高字节写和低字节写【3 ”。虽然8 位宽度存储器的 硬件设计简单，所用只有读、写两种控制信号，但不利于发挥出3 2 位微控制器 m c 6 8 3 3 l 的应有性能，因此不予采用。 ( 2 ) 容量的扩充 监控系统的菜单管理程序及字库，参数繁多、规模较大；操作系统内核和各 驱动程序也会占用很大程序空间：在系统正常运行过程中人机交互频繁：串行通 信和液晶显示程序都需要专用的数据缓冲区。所以，根据实现菜单管理、故障诊 断、数据通讯、数据显示等功能的程序规模，以及考虑到使用操作系统，我们扩 展了大容量的程序存储器( 1 m b ) 和数据存储器( 5 1 2 k b ) ，并通过电源监控电 路实现异常掉电时的数据保存，防止正常工作时异常掉电对系统产生的破坏。 系统选用两片5 1 2 k x8 的e p r o m 组成1 6 位宽度的程序存储器，两片 1 2 8 k x8 的s r a m 组成1 6 位宽度的数据存储器：电源监控电路选用监控保护芯 片m a x 6 9 1 a ，实现对m c 6 8 3 3 l 的外部扩展r a m 中的数据实现掉电保护。 2 2 3 人机界面模块 人机界面模块包括液晶显示模块和键盘操作模块，两者协作来实现人机对 话。系统采用液晶显示器作为主显示界面，这是出于液晶显示方式具有显示容量 大，具有显示所有字符及自定义字符的能力f 3 2 1 ；液晶显示模块具有配套的控制 器，可以减轻微控制器的负担：使系统具有了菜单驱动的基本素质这是最主要 阿北【业人学硕士学位论文 第二章 嵌入式监控系统总体设计 的原因。采用菜单驱动的工作方式后，凡当日口不可执行的操作都不会出现在当前 的菜单上，因此具有很强的容错性能，适合于各种层次的操作人员。这种方式不 但直观，还可以简化按键，达到了友好人机界面的要求。人机界面设计中充分考 虑了功能需求、操作方便及系统复杂性三者之削的关系，采用一键多义”1 的键 盘设计，使得整个系统界面更为简洁。 液晶显示模块硬件设计选用q p y - e n h 6 2 5 5 液晶显示控制板 3 4 , 3 5 和 l m 6 4 p 8 3 l 液晶模块p ，以及使用m c 3 4 0 6 3 芯片设计的l c d 驱动电源和背光源 逆变器c x a - l 1 0 a 。其中l c d 驱动电源设计采用的d c d c 转换芯片有两种选 择：m c 3 4 0 6 3 和m a x 7 4 9 。m a x 7 4 9 功能相对较多，但在本系统中不能充分利 用；m a x 7 4 9 的价格是m c 3 4 0 6 3 的十几倍；两者部完全可以满足要求。所以， 本系统选用m c 3 4 0 6 3 芯片。 2 2 4 其它功能模块 本设计采用双通道异步串行通讯【3 7 j 电路来实现其与织机主控制系统、中央 计算机间的高速数据通信，接口标准为r s 2 3 2 。使系统具有基本的组网能力： 系统的故障检测通过报警指示模块的指示灯报警，同时通过液晶显示屏显示具体 信息。 图2 1 监控系统的硬件总体设计 2 2 5 监控系统硬件设计要点 在进行监控系统的硬件设计时，主要考虑了以下几点： 数据总线 打；制总线 地址总线 艏北7 ：业大学硕十学位论文 第二章嵌入式监控系统总体设计 ( 1 ) 整个硬件系统的设计向嵌入式系统模块化方向发展。 ( 2 ) 为保证工作的可靠性和稳定性，系统选用了一些高集成度的芯片，如 双通道异步收发器m c 6 8 h c 6 8 1 等。 ( 3 ) 对印制电路板的设计，考虑各电子元件和电路间的电磁干扰以及外部 干扰，采用e m c 设计方法。 ( 4 ) 在不影响正常功能的前提下，做到结构紧凑、体积尽可能小，以利于 织机电控柜的布置。 2 _ 3 监控系统软件总体设计 嵌入式软件的一个重要的特点就是丌发难度大。造成这种现象的原因之一是 嵌入式系统的资源非常有限，不能在它上面直接开发应用程序1 3 引。因此，为嵌 入式系统开发应用软件的过程与为p c 机开发应用软件的过程有一定的不同，出 现些在p c 机上不曾有的工作阶段。在同样的一个阶段，具体的工作也有很多 的不同。这主要是由于在开发嵌入式软件时，开发者要面对两个工作平台：宿主 机和目标机。监控系统的软件总体设计包括软件开发过程分析和软件设计方案。 2 3 1 系统软件设计过程分析 图2 2 监控系统软件的开发过程 阿北j 业大学硕十学位论文 第一章嵌入式监控系统总体设计 监控系统软件的开发过程可分为项目计划、可行性分析、需求分析等1 1 个 阶段。这些阶段间的次序关系如图2 2 所示。 项目计划、可行性分析、需求分析、概要设计和详细设计都是一些文档工作， 只需在宿主机上进行；程序建立包括源代码编写、编译、链接及定位，宿主机上 的玎发工具就可完成；系统的程序下载首先是使用仿真器中的仿真r o m 进行程 序调试，再下载到系统的e p r o m 中进行整个织机计算机系统的程序调试：调试 完成则固化程序，最后测试、投入运行。 2 3 2 系统软件设计方案研究 监控系统的软件开发和硬件开发是同时起步的。为了提高嵌入式系统的可靠 性、实时性和开发效率，缩短开发周期，以及运行多任务发挥3 2 位c p u 的优势， 监控系统的软件设计采用在m c 6 8 3 3 1 中嵌入实时内核的方式。使用多任务方式 进行各功能的处理，各任务独立并行工作。 监控系统软件设计包括建立系统开发平台、系统r t o s 和应用程序设计。系 统丌发平台是在确定硬件方案之后，根据所选的微控制器m c 6 8 3 3 1 和系统功能 要求的研究而建立的；系统r t o s 是在移植实时内核到m c 6 8 3 3 l 上之后，基于 此内核所建立的监控系统特有的r t o s 。 建立监控系统的r t o s 后，进行任务规划和应用程序设计。根据需要实现的 功能把系统应用程序分解成人机交互( 包括l c d 显示和键盘操作) 、串行数据通 信( 包括与主控系统的数据通信，及其与中央计算机的数据通信) 、故障检测、 时钟控制等几个相对独立的任务来实现。其中串行数据通信部分采用中断( 硬件 上由m c 6 8 3 3 l 的i r q 4 引脚实现) 方式处理以满足其实时性要求；键盘的操作 和液晶屏的数据显示采用普通的任务方式进行。 图2 3 系统软件总体设计 模块之间通过自定义的消息来实现通信，通过共享数据区交换数据，任务之 间的调度通过自定义的优先级由嵌入式实时操作系统来进行调度。系统软件总体 尊 函一 亘一 掣 两北l 。业人学硕士学 奇：论文 第一二章嵌入式监控系统总体设计 设计如图2 3 所示。 在系统上电以后，肩动嵌入式内核。内核完成系统的初始化操作以后，启动 主任务。在主任务启动后，创建人机交互、串行数据通信、时钟控制等任务，然 后整个系统开始运行。在运行的过程中，由内核进行任务的调度与管理。 软件设计中的各模块功能可概述为： 主任务：主任务的设计简化了主函数程序的形式。是软件模块化设计的 体现。就是把几个功能任务的创建和各个功能模块外设的初始化，放在 主任务中来实现。 数据通信：串行数据通信任务包括监控系统与中央计算机的数据通信和 监控系统与主控制系统的数据通信。根据约定的通信协议与主控系统实 现织造参数、控制命令及织机状态数据、检测信息的高速交换：与中央 计算机完成生产管理等数据交换。 人机交互：人机交互的功能概括为接受用户的原始数据输入和跟踪显示 系统的当前状态和必要的工艺参数，并以各种形式展现给操作者，作为 实时监控和操作的依据。由于采用中文菜单管理方式，使该模块界面具 有友好界面，直观大方。 故障检测：根据主控系统发送过来的各种织机状态数据，进行故障分析、 识别、解释故障原因，并由l c d 显示。 时钟控制：时钟任务在液晶屏上显示实时时间。但在生产实用性上，属 于生产管理层面的一个任务。可以通过扩展它的软件功能，用于生产数 据统计、生产效率统计等。 2 4 本章小结 嵌入式监控系统作为剑杆织机计算机控制系统的一部分，通过分析整个剑秆 织机控制系统及其发展现状准确提出对监控系统的设计要求，是监控系统设计 的首要任务：在此基础上，采用模块化设计思想，进行了系统硬件总体设计和软 件总体设计。硬件主要由微控制器模块、存储器模块、人机界面模块、串行通信 模块、报警指示模块等构成；软件分解成人机交互、串行数据通信、故障检测、 时钟控制等几个相对独立的任务来实现，系统的各任务独立并行工作，较传统线 性程序具有更强的抗干扰能力。 堕! ! ! ：些盔堂堡! 兰笪论文第二= 章监控系统软件开发平台和设计方法研究 第三章监控系统软件开发平台和设计方法研究 为了提高开发效率、加快开发进程，在确定系统设计方案的同时，就应为系 统确定一套经济的、高效的开发方法，主要包括监控系统软件开发平台的建立和 监控系统软件编程的研究。这也是进行实时多任务内核在m c 6 8 3 3 1 上移植和系 统应用程序设计的前提和基础。 3 1 监控系统软件开发平台的建立 嵌入式监控系统的软件开发平台包括软件开发环境和软件开发工具。监控系 统软件开发环境是由称为“宿主机”的p c 机和称为“目标机”的监控系统及链 接宿主机和目标机的装置共同组成的：软件开发工具包括n o h a u 在线仿真系统 和i n t e r t o o l s 集成开发系统。 3 1 1 监控系统软件开发环境的建立 系统软件的开发使用两个工作平台：宿主机和目标机。监控系统的宿主机选 择常见的p c 机，其上要有比较丰富的软件和硬件资源；目标杌就是要开发的监 控系统；宿主机通过并行端口与目标机相连接。三者一起构成了嵌入式软件的开 发环境。系统的交叉开发环境如图3 1 所j ；。 图3 1 交叉开发环境 就监控系统而言，嵌入式软件的开发必须交叉进行是因为应用程序的编辑、 编译、链接及定位等过程都在宿主机上完成，而应用程序要在和宿主机有很大差 别的目标机上实际运行。这种差别主要有两个方面：一是硬件的差别，比如，宿 主机的c p u 是p e n t i u m ，而目标机的c p u 则是m c 6 8 3 3 1 ；二是软件的差别。比 如，宿主机的操作系统是w i n d o w s2 0 0 0 ，而目标机的操作系统是c o s i i 。 坩托1 业人学顽- = 学位论文 第二章监控系统软件开发平台和设计方法研究 3 1 2 监控系统软件开发工具的选择 目前，嵌入式系统的开发工具主要包括：集成开发环境i d e ( i n t e g r a t e d d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t ) 、实时在线仿真系统i c e ( i n c i r c u i t e m u l a t o r ) 、高级 语言编译器( c o m p i l e rt o o l s ) 和源程序模拟器( s i m u l a t o r ) 。 嵌入式处理器是一个复杂的高科技系统。要在短时i 白内掌握并丌发出所有的 功能是很不容易的，而市场竞争则要求产品能够快速上市，这一矛盾要求嵌入式 处理器能够有容易掌握和使用的开发工具平台，提高用户和程序员的时间投入回 报率( r o t ) 。所以，好的开发工具除能够开发出处理器的全部功能以外，还应 当是用户友好的。 据此，选择的监控系统开发工具有：n o h a u 公司的e m u l l 6 3 0 0 丌发机，选 择的型号是针对m c 6 8 3 3 1 的实时在线仿真系统【3 9 4 0 j ：原t a s k i n g 公司的i n t e r t o o l s 集成开发系统1 4 “，它是一个完整的集成开发系统，包括嵌入式集成开发环境软 件e d e 、c c + + 编译器、汇编器、链接，定位器、c r o s s v i e wp r o 模拟调试器等。 图3 2s e e h a u 调试环境 ( 1