（信号与信息处理专业论文）基于ecos和web服务器的远程电机控制系统设计与实现.pdf

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和步进电机等驱动丌发。通过嵌入式t c p 口协议栈l w 口和w r e b 服务器的移植丌发，最终实现了远程电机控制系统的功能要求。最后，本文总结了主 要完成的工作，并对系统的不足之处进行了分析，提出了需要进一步研究和改进的地 方。 关键词：e c o s 操作系统，w 曲服务器，步进电机，远程控制，l w 口 作者：黄明亮 导师：吕建平 英文摘要 基于e c q s 和、b 服务器的远程l 乜机控制系统设汁j 实现 d e s i g na n d r e a l i z a t i o no fr e m o t ec o n t r o ls y s t e mf o r m o t o rb a s e do ne c o sa n d1 v bs e r v e r a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a l a u t o m a t i o n ，m a n yv a r i e t i e so fc o n t r o l s y s t e m sa r eu s e df o rt h eo n s i t ee q u i p m e n tc o n t r o l ，t oc o n t r o l t h er e a l t i m eo p e r a t i n gs t a t u s o fe q u i p m e n t h o w e v e r d u et ot h ei n c r e a s i n gs i z eo ft h ea u t o m a t i o ns y s t e m ，t h et r - a d i t i o n a l w a yh a sf a i l e dt 0m e e tt h en e e d so ft h ec o n t r o ls y s t e m c o n t r o ls y s t e md e v e l o p sf o rt h e d h e c t i o no f i n f o r m a t i o na n dn e t w o r l ( i n g t h et e c h n o l o g y0 fm o t o rc o n t r o li n c l u d e sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o l t e c h n o l o g y w h i c ha c h i e v e st 1 1 ei n t e 铲a t e d 向n c t i o n0 ft h er e m o t ev i s i t f o re l e c 嫡c a l e q u i p m e n t ，c o n t l l o l 锄dd a t ac o m m u i l i c a t i o n s t h i sm a k e st h ei n f o 册a t i o nn e t w o r kt ob e e m b e d d e dd i r e c t l yi nat r a d i t i o n a lo n s i t ec o n t r o ln e t w o r k ，a n dm e e t st h en e e d so f i n d u s t r i a id e c e n t r a l i z a t i o n s ob a s e do ne c o sa n dw e i bs e r 、，e r t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f ar e m o t ec o n t r o is y s t e mf o rm o t o rw a si n t r o d u c e d f i r s t l y a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n t 仃e n do fi n d u s t r i a le q u i p m e n lc o n t r o l ，t h ep a p e r p o i n t e do u tt h eb a c k 伊d u n da n ds i g n i f i c a n c et h a tt h er e m o t ec o n t r o ls y s t e m s u b s e q u e n t l y t h i sp a p e ra n a l y z e dt h es y s t e m 仃。a m e w o r k 锄df u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，卸de s t a b l i s h e dt h e o b j e c t i v e so ft h eh a r d w a r ed e s i g l la n ds o r w a r ed e s i g n w h a t sm o r e ，i tt h e ns e l e c t e ds t s t m 3 2 fl0 3s e r i e sc h i p ( b a s e do nt h ea r mc o r t e x m 3c o r e ) 硒t h es y s t e m sp r o c e s s o r c h i p o nt h i sb a s i s ，t h ep a p e rp u tf 0 刑a r dt 0t h ed e s i g n 似l u i r e m e n t so ft l l ec o 玎e s p o n d i n g m o d u l e s e c o n d l y a r e rt l l ei n 删u c e do f b a s i cs i t u a t i o no fp o p u l a rs e v e r a jo p e 髓t i n gs y s t e m s ， t h ep a p e rt h e nd e s c r i b e dt h ec h o i c eo fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m s b 弱e do nt h es y s t e m m 哪e w o r kd e s i g n ，t 1 1 i s p a p e rd e s 培n e d t l l eh a r d w a r ec i r c u i t 呦s p l 锄t e dt l l ee c o s o p e m t i o ns y s t e m ，卸dd e v e i o p e dt h e 鲥v e ro fs e i l i a lp o n s ，g p i o ，e t h e m e tc o n 仃0 1 1 s t e p m o t o r 柚de x t e m a js r a m t h r o u g l lt h e 嘶g m t i o no ft h ee m b e d d e dt c p mp r o t o c o l s t a c kl w m 卸dt h ed e v e i o p m e n to fw e bs e r v e r t h e 如n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so ft h er e m o t e 桀卜e c o s 和w 曲服务器的远程i 乜机挡制系统设计j 实现英义摘螫 m o t o rc o n t r o ls y s t e mw e r ee v e n t u a l l ya c h i e v e d f i n a i iy t h ec o n c l u s i o na n de x p e c t a t i o n w e r eg i v e n 0 nt h eb a s i so fa n a i y z e di n a d e q u a c i e so ft h es y s t e m ，t h ep a p e r p u tf o n 棚dt 0 s o m ep r o s p e c t sf o rf u t u r es y s t e me x p a n s i o n ，w h i c hh o p e st ob ea b l et ou p g r a d ei nt h e f u t u r ew o r k k e y w o r d s ： e c o so p e r a t i n gs y s t e m ，w e bs e r v e r s t e pm o t o r r e m o t ec o n t r o l ，l w i p i n w r i t t e nb y ： m i n g l i a n gh u a n g s u p e r v i s e db y ：j i a n p i n gl v 目录 第一章绪论l 1 1 选题背景以及研究意义1 1 2 研究现状1 1 2 1 步进电机远程控制技术1 1 2 2 嵌入式w e b 服务器发展2 1 3 本论文主要内容与结构安排3 第二章远程电机控制系统总体设计4 2 1 系统总体框架及功能分析4 2 2 系统硬件总体设计4 2 2 1 系统硬件整体规划4 2 2 2 处理器选型5 2 2 3 外围接口电路规划6 2 3 系统软件总体设计7 2 3 1 系统软件体系结构7 2 3 2 嵌入式操作系统选型8 2 3 3 嵌入式t c p 口协议栈选型1 0 2 4 本章小结l l 第三章系统硬件平台设计1 2 3 1 处理器芯片及接口电路1 2 3 1 1 处理器芯片s t m 3 2 f 1 0 3 z e t 6 1 2 3 1 2 时钟模块1 4 3 1 3j t a g 模块1 5 3 1 4 串口调试模块1 6 3 2 外围电路1 6 3 2 1 以太网通信模块1 6 3 2 2 外部s r a m 模块1 7 3 。2 。3 电机驱动模块18 3 3 本章小结1 9 第四章e c o s 操作系统与l w 口协议栈移植2 0 4 1e c o s 操作系统简介2 0 4 1 1e c o s 系统结构2 0 4 1 2e c o s 2 o 版本源码介绍2 1 4 1 - 3 组件定义语音c d l 2 2 4 2e c o s 操作系统移植2 2 4 2 1e c o s 开发环境建立2 2 4 2 2e c o s 操作系统在s t m 3 2 f 1 0 3 z e t 上的移植实现2 3 4 3 驱动开发3 l 4 3 1 以太网控制器驱动开发3 2 4 3 2 步进电机驱动开发3 4 4 3 3 外部s r a m 存储器驱动丌发3 4 4 4l w m 协议栈移植3 5 4 4 1l w 口协议栈介绍3 5 4 4 2l w 口协议栈移植实现3 6 4 5 本章小结3 8 第五章嵌入式w e b 服务器设计与实现3 9 5 1 系统网络模型设计3 9 5 2h t t p 协议工作原理与套接字编程3 9 5 2 1h t t p 协议工作原理3 9 5 2 2 套接字( s o c k e t ) 编程原理4 l 5 3 网页设计与实现。4 3 5 3 1 网页页面设计4 3 5 3 2 应用程序设计4 4 5 3 3 网页实现4 4 5 4 本章小结4 7 第六章总结与展望4 8 6 1 总结4 8 6 2 改进与展望4 8 参考文献一5 0 攻读硕士学位期问公丌发表的论文5 3 附录l 基于e c o s 和w e b 服务器的电机控制系统电路图5 4 附录2 基于e c o s 和w e b 服务器的电机控制系统实物图5 7 致谢5 8 幕i 二e c o s 和w 曲服务 的远程电机控制系统设计j 实现第一章绪论 第一章绪论弗一早三百t 匕 1 1 选题背景以及研究意义 随着自动化系统的快速普及，各种相应的控制系统也被工厂和企业所采用。这些 控制系统可以实时地控制设备状态，为现场设备的自动化运行提供了有效地保障手 段。但由于大多数的工业控制系统采用的是传统控制模式，即控制系统只能够在本地 操作室中对设备进行现场控制，生产的管理者无法随时随地遥控设备运行。目前，网 络通信技术萨迅速发展，嵌入式网络通信的功能也得到了不断完善，人们迫切希望实 现基于互联网通信技术的工业设备远程控制。 电机远程控制技术是集控制技术和网络通信技术于一体的，实现了对电机设备的 远程访问、控制以及数据通信等综合性的功能。由于这项技术使得信息网络直接嵌入 了传统工业设备的现场控制网络中，符合工业设备分散化的趋势，所以在互联网网络 通信的基础上得到了迅速发展。 当前，i n t e m e tj 下逐步向社会各个领域发展渗透，这给人们展现了一个基于w 曲 的信息平台，于是构建i n t e m e t 的w e b 技术j 下受到人们越来越多的关注。人们期望通 过构建于i n t e m e t 之上的控制系统，实现对生产过程的工业设备进行远程实时控制、 远程调试、远程故障诊断和远程实验等。这样可以将生产的实时数据、实验数据等和 用户的实时需求结合起来，使得生产不只是面向订单，更是直接面向市场的“电子制 造”，从而使企业能够适应经济全球化的要求，基于w 曲的远程网络控制就是在这样 的背景下提出的川。 本文采用的是r e d h a t 公司的e c o s 操作系统和s t 公司的c o r t e x 州3 核处理器 s t m 3 2 f 1 0 3 系列芯片来构建嵌入式w 曲服务器，以实现对步进电机的控制。由于嵌 入式w 曲服务器在生产领域能够实现自动化生产和网络化管理，提高了生产效率， 而且其本身具有稳定性高、实时性强和成本低等优点，所以实现嵌入式w 曲服务器 功能对于电机控制系统具有重要的意义2 1 。 1 2 研究现状 1 2 1 步进电机远程控制技术 第一章绪论基于e c o s 和、b 服务器的远程电机控制系统设汁j 实现 作为一种执行元件，步进电机是机电一体化的重要部分之一，并且在各种自动化 控制系统中得到了广泛应用。现在大多数的步进电机应用控制均在本地现场进行，主 要采用由单片机或者其他控制器发送控制脉冲的方式对步进电机进行现场控制3 1 。随 着网络通信技术的不断更新发展，人们对实现步进电机的远程控制显得极为迫切，即 能够在外地通过某种远程通信方式对步进电机进行控制，使得外界与步进电机可以进 行连接。 远程控制系统应用于步进电机控制具有传统现场控制所不具备的各种要求，其主 要的特点如下： 1 、实时性在对步进电机的控制中，保证传送到用户端的现场设备参数实时准确 是十分必要的。使用各种传输协议可以保证数据传输的准确性，但在i i i t e m e t 环境下， 实时性则很难得到实现，除非是在专用网络中。 2 、安全性对于工业设备控制系统来说，安全性尤其重要，而对于可通过网络进 行远程访问的控制系统而言更是如此。一方面可以对用户访问使用认证机制，这样系 统仅可以被授权用户访问；另一方面也可以在数据传输过程中使用信息加密技术，保 证重要信息不外泄或恶意修改。 3 、可扩展性对于工业设备信息管理而言，有时资源需要不断地更新，这时一个 可扩展的系统可大大减少丌发成本和时间。 在实际工业应用中，上位机控制的方式主要是以r s 2 3 2 、r s 4 8 5 等串口进行通信， 但控制距离较短【4 】。此外，还有一些方案结合g s m 网络覆盖范围广、应用普遍、延 时短和可靠性高等特点，通过短信息方式实现远程无线控制步进电机运行，如西北工 业大学和西安交通大学提出的基于g s m 的远程步进电机控制系统的设计与实现1 5 】。 但这些方案需要对原有设备进行重新丌发，成本略高。 1 2 2 嵌入式w e b 服务器发展 随着嵌入式系统的广泛应用和计算机网络技术的迅速发展，嵌入式w 曲服务器 正受到人们越来越多的关注。目前，网络技术的发展使得越来越多的设备都产生了连 接需求，j 下是在这种背景下，嵌入式w 曲服务器被应用到各式各样的场合，如工业 现场的控制与管理、智能家电、视频监控等。通过在控制系统中内置w 曲服务器的 专用网页、以太网通信接口或其他网络端口，操作人员可使用w 曲浏览器进行访问， 2 装j 二e c o s 和w 曲服务器的远程l 乜机拧制系统改汁j ，实现第一帝绪论 并进行页m 显示，最终实现对远程设备运行参数进行配置的要求1 6 1 。 嵌入式w 曲服务器通过简化系统结构，集成发布参数信息等工作到现场控制设 备中，大大提高了控制能力。这项技术在许多应用领域都有很大的发展空l 日j 。 1 3 本论文主要内容与结构安排 本文的主要工作是利用c o n e x 州3 核处理器s t m 3 2 f 1 0 3 系列芯片搭建硬件平台， 实现壤于e c o s 操作系统和嵌入式w e b 服务器的远程步进电机控制系统。 本论文主要完成了以下工作： ( 1 ) 根据课题总体要求设计硬件电路。论文以s t m 3 2 f 1 0 3 z e t 6 处理器为主控 芯片，设计此处理器的外围接口、网络控制器电路和步进电机驱动电路。 ( 2 ) 在w i n d o w s 环境下搭建e c o s 操作系统丌发调试平台。 ( 3 ) 移植e c o s 操作系统，丌发相应底层驱动，移植l w m 协议栈。 ( 4 ) 设计实现嵌入式w 曲服务器，调试系统软件和步进电机控制功能。 本文的结构安排如下： 第一章绪论，阐述了选题背景和研究意义，对工业设备控制和步进电机远程控 制发展趋势，以及嵌入式w 曲服务器技术进行介绍。 第二章远程电机控制系统总体设计，主要介绍基于e c o s 和w 曲服务器的电机 控制系统总体框架结构、各个功能模块需求分析以及处理器芯片和嵌入式操作系统选 型等。 第三章系统硬件平台设计。针对系统硬件平台，详细介绍各个模块的功能和实 现。 第四章e c o s 操作系统与l w i p 协议栈移植。介绍e c o s 操作系统，l w 口协议栈 内容，移植步骤，串口、以太网控制器、外部s r a m 等驱动丌发。 第五章嵌入式w 曲服务器设计与实现。介绍w 曲服务器设计实现和系统页面设 计。 第六章总结与展望。对本文完成工作进行总结，并指出了下一步研究和改进的 方向。 3 第一二章远程l 乜机控制系统总体没计基十o s 和w 曲服务器的远程i 也机控制系统设计j 实现 第二章远程电机控制系统总体设计 2 1 系统总体框架及功能分析 根据第一章的分析，远程电机控制系统能够现场控制步进电机，并且用户可以通 过浏览器访问控制系统，获取页面信息和发送控制指令。由于系统需要连接网络，所 以软件上涉及以太网驱动，网络协议移植，嵌入式w 曲服务器等，经过以上分析， 得出系统细化的功能需求如下： 1 、在硬件上要有以太网控制器电路。 2 、在硬件上要有步进电机驱动电路。 3 、在硬件上要有能够下载和调试程序代码的硬件接口。 4 、由于一般处理器内置存储空间都不大，所以硬件上需要能够加入外接s r a m 存储器。 5 、在软件上，为了能够实时处理系统任务，远程电机控制系统需要加入嵌入式 实时操作系统，这也方便系统进行二次丌发。 6 、在软件上需要移植相应的网络协议。 系统总体设计如图2 1 所示，围绕以上功能需求，下面进行了远程电机控制系统 硬件和软件总体设计。 2 2 系统硬件总体设计 i n l e m e t 通信 图2 1 系统总体框架没计 2 2 1 系统硬件整体规划 远程电机控制系统包括串口通信模块、以太网模块、键盘接口电路、步进电机驱 动电路和外部s r a m 电路等，系统硬件总体设计如图2 2 所示。 4 姥十e c o s 和w 曲服务器的远程ll l 机控制系统 鼓计j 实现 第二帝远程il l 机控制系统总体设计 图2 2 系统硬1 i ，f ：总体设计 2 2 2 处理器选型 对于远程电机控制系统的硬件平台选择最主要的是a r m 处理器的选型。选型中， 重点考虑项目的实际需求，即应用目的、开发难易程度和用户需求等。 目前a r m 处理器主要有八个系列，包括a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l o e 、 a r m l l 、c o 九e x 、s e c u r c o r c 、x s c a l e 等【刀。其中c o r t e x 书1 3 系列微处理器为低功耗的 3 2 位处理器，中断处理完全基于硬件进行，并采用t a i l h a i n i n g 中断技术，最多时 可减少1 2 个时钟周期数，实际应用中可减少7 0 中断【引。在对价位和功耗要求较高 的电子类产品中得到广泛应用。c o r t e x 制3 内核处理器具有如下特点： ( 1 ) 高性能。采用哈佛结构，指令总线和数据总线分丌，取指和访问内存可以 同时进行；支持t h u m b - 2 指令集，具有更高的代码密度和性能。 ( 2 ) 先进的中断处理功能。c o n e x 制3 支持嵌套向量中断控制器n v i c ，可以提 供可嵌套中断支持，动态优先级调整支持，大大缩短了中断延迟。 ( 3 ) 低功耗。c o n e x 州3 需要的逻辑门数少，更适合低功耗要求的应用。 ( 4 ) 支持传统的j t a g 调试和串行线调试接口。 c o n e x 制3 内核处理器支持处理和线程共两种操作模式，还支持特权级和用户级 两种特权操作，其中异常处理的代码必须在特权级下执行。通过引入特权级和用户级， 就能够在硬件上限制不受信任的程序去随意配置关键寄存器，这使得系统可靠性得到 了提高。 与传统a r m 处理器相比，c o r t e x 州3 采用了一个全新的异常模型，它支持1 1 种 系统异常，外加2 4 0 个外部中断输入。此外，它还取消了快速中断的概念，使用了中 断优先级管理和嵌套中断支持机制。 5 第_ 二章远程i 乜机控制系统总 奎设汁基于e c o s 和w ，e b 服务器的远程i u 机挣制系统设计j 实现 c o r t e x 制3 内核不仅具有功耗低和成本优势等特点，其处理速度和能效比也很突 出。t h u m b - 2 高密度指令集的采用降低了c o n e x 蝴3 内核对系统存储空间的要求，此 外，快速的中断处理可以满足控制领域对高实时性的要求。这使得基于c 0 n e x 训3 内 核设计的微处理器能够以高性价比面向更多的应用领域。如图2 3 所示为c o r t e x 瑚3 内部结构。 图2 。3c o f t e x 制3 内部结构 根据以上的综合分析，考虑到本课题的实际需求，最终选择了s t 公司的 s t m 3 2 f 1 0 3 系列芯片作为远程电机控制系统的核心处理器。 s t m 3 2 f 1 0 3 系列芯片是s t 公司推出的3 2 位微处理器，采用c o n e x 蝴3 内核， 片内最高可达5 1 2 k b 内存和6 4 k bs r a m 。c o r t e x 制3 内核处理器实现了低功耗、低 成本和高性能三者间良好的结合，此外，它还集成了大部分存储器控制器，这样工程 师可以直接在处理器外连接存储器，降低了设计难度和应用障碍。 2 2 3 外围接口电路规划 通过上面的分析可以发现s t m 3 2 f 1 0 3 系列芯片具有丰富的片内资源和接口，只 有对这些接口进行进一步设计，才能实现硬件平台的功能。通过前面的功能要求分析， 系统处理器的外围接口电路需要实现以下几个功能：处理器代码调试以及代码下载功 能：步进电机的控制功能；支持系统进行以太网远程通信。所以，系统需要完成的功 能模块如下： l 、r s 2 3 2 串口通信模块 6 幕十e c o s 和w 曲服务器的远程i u 机控制系统嫂汁j 实现第一二章远程i 乜机拧制系统总体歧计 当前，下层主机与p c 机进行通信使用最为广泛的接口之一就足r s 2 3 2 串行通信 接口，它不仅可以作为数据传输通道，在软件调试阶段更是可以输出调试信息、输入 调试指令和代码下载。对于s t m 3 2 f 1 0 3 系列芯片而占，仅需使用m a x 3 2 3 2 即可将 t t l 的串行通信信号转化为标准的r s 2 3 2 信号。 2 、j t a g 下载调试模块 系统需要使用j t a g 进行代码的下载功能，此外，还可以使用j t a g 实现部分代 码在线调试等功能。 3 、步进电机驱动模块 步进电机驱动主要指通过发送电脉冲，使电机发生角位移。当向步进电机驱动器 发送一个脉冲信号时，步进电机则被驱动按设定的方向位移一个固定的步进角。所以 人们可以通过控制电脉冲的发送个数来控制角位移量，最终达到精确定位的目的；同 时也可通过控制电脉冲频率的方式来控制步进电机转动的速度和方向，从而达到调速 和调向的目的。 本系统选用达林顿管驱动芯片u l n 2 0 0 3 a n 来驱动四相步进电机，只要处理器输 出正确的i o 控制时序，就可以控制步进电机进行转动。 4 、以太网控制器模块 远程步进电机控制系统可以通过以太网连接网络，用户使用浏览器输入控制系统 口地址，即可以访问系统内置网页，获取相应页面信息。此外，还可以发送控制指 令，控制电机运行状态。 5 、外部存储器模块 s t m 3 2 f 1 0 3 系列芯片最大拥有5 1 2 k bf l a s h 和“k bs r a m ，但是由于需要移植 嵌入式操作系统，t c i p 协议栈等，而且为了增加系统扩展性，所以设计了外部存 储器电路。本系统采用扩展片外s r a m 的方式增加存储容量。 6 、按键模块 电机控制系统不仅可以远程控制，还可以进行现场操控。按键模块用于对步进电 机实行现场控制功能，包括开始、停止、转向等。 2 3 系统软件总体设计 2 3 1 系统软件体系结构 7 第一二章远程电机控制系统总体砹计接于e c o s 和w 曲服务器的远程电机摔制系统设计j 实现 系统的软件体系结构如图2 4 所示，最底层的是硬件平台，包括微处理器芯片、 以太网控制器、外部s l 认m 存储器、步进电机驱动电路、j t a g 代码下载电路、串口 驱动电路、电源、按键和l e d 指示电路等。在硬件平台之上是硬件抽象层h a l ，它 是操作系统移植的关键之一，为操作系统软件层和设备驱动层提供硬件平台描述。操 作系统可以分为两部分，一部分为系统内核，它负责整个系统的存储管理、任务调度、 时钟管理以及中断管理等功能：另一部分为系统扩展，主要向用户提供网络、文件系 统和数据库等扩展功能，这部分功能一般可根据系统需要进行裁剪1 9 】。在操作系统的 上面为应用程序层，实现实际嵌入式系统的各项功能。 应用程序层 操作系统层匝 二二二互 设备驱动层眄网r 哿ml 隋驯i 器 堕设备驱动层 串口驱动 驱动 | l 驱动i i 驱动l l 兰竺竺兰到 h a l 层 二二二二】巫巫二二二 竺竺兰鱼 图2 4 远程电机控制系统软f ，l ：体系结构 2 3 2 嵌入式操作系统选型 现在的系统设备一般需要执行繁重的实时控制、通信、数据处理、人机交互等任 务，同时为了方便进行系统升级等二次开发，所以有必要在硬件平台上移植操作系统。 这样，通过嵌入式系统的内存管理、设备管理和任务调度等功能，大大提高了系统的 可靠性，减少了二次开发的工作量。 目前，常见的嵌入式操作系统有u c l i n u x 、u c o si i 、w i n d o w sc e 和e c o s 等。 下面就这四种操作系统的特点和适用场合进行分析比较，由此选定本系统所使用的嵌 入式操作系统。 1 、u c l i n u x u c l i n u x 作为丌源嵌入式操作系统，脱胎于l i n u x 操作系统，它的名字来源于 m i c r 0 c o n t r o l i e rl i n u x ，即运行在微控制器上的“n u x 。因此，u c l j n u x 除了在内存管 理方面与l i n u x 差异较大以外，还具有很多l i n u x 操作系统的特点，如： 8 堪十e c o s 和w 曲服务器的远程f u 机柠制系统设汁。j 实现第二帝远程i u 机柠制系统总体设汁 ( 1 ) 模块化，方便配置、易于裁剪。独特的模块机制使得用户可以根据自己的 需要，对模块进行插入和删除。 ( 2 ) 支持众多的文件系统，网络功能完善。u c “n u x 支持所有标准的网络通信 协议，支持r o m f s 、j f f s 2 、e x t 2 3 、f a t 3 2 等文件系统。 ( 3 ) 编译工具链和调试工具齐全，内核源代码公开。u c “n u x 利用g n u 的g c c 做编译器，使用g d b 做调试工具，方便用户对代码进行编译调试。源代码丌放，用 户也可根据应用需要进行修改和优化。 2 、u c o s l i u c o s l i 是一种丌源的实时操作系统，它具有代码精简、可抢占式任务调度等特 点。u c o s i i 内核包括时间管理、内存分配管理、任务调度管理、任务间同步管理和 中断服务等功能【1 1 】1 12 1 。 由于u o ，o s i i 具有实时性高、扩展性强以及内核占用最小可达2 一l o k b 数量级 等特点，所以适合中小型操作系统应用的市场需求。由于系统的时钟节拍决定了应用 程序的时问精度，而且为了实现延时和确认超时等操作，u c o s l i 需要拥有周期性的 时钟信号源，时钟节拍一般应在l o 到2 0 0 h z 之间。每一个节拍系统都要查询是否有 优先级更高的任务就绪，如果有，则切换到更高优先级的任务【乃】。因此，出于减少系 统负担的考虑，时钟节拍不能过高。 u c o s l i 的r a m 使用量取决于系统中的任务数。任务运行中，主要是堆栈需要 占用大量r a m ，而具体大小则根据任务缓冲区的大小、局部变量数和中断嵌套层数 等来决定。 3 、w i n d o w sc e w i n d o w sc e 是由微软公司推出的一款功能强大的、多任务嵌入式实时操作系统。 w i n d o w sc e 基于优先级，并可以提供多达2 5 6 个优先级别。而且它还支持多种用户 界面、w i n 3 2a p i 子集和多种网络通信技术【1 4 1 。 由于集成了许多w i n d o w sx pp r o f e s s i o n a l 的特性，w i n d o w sc e 操作系统可以提 供类似于p c 机的图形界面，包括软件窗口、桌面、图标、各式控件以及任务栏等。 因此使用w i n d o w sc e 操作系统进行嵌入式程序开发对于熟悉w i n d o w s 的用户十分有 利。 4 、e c o s 9 第一二章远程l n 机控制系统总体设计基于e c o s 和w 曲服务器的远程l 乜机控制系统设计j 实现 e c o s ( e m b e d d e dc o n f i g u r a b l eo p e r a t i n gs y s t e m ) ，是由r e d h a t 公司在l9 9 7 年设计 的嵌入式可配置操作系统，面向深度嵌入式应用。它具有源代码丌发、免费、可配置 移植等特剧1 5 1 【1 6 l 【切。e c o s 的核心部分包含k e m e l 、i s oc 、底层抽象软件包等不同 组件。对于各个组件，e c o s 提供了许多可配置选项，这样利用配置工具c o 娟g t o o l 可 以对这些组件快速配置。针对不同的嵌入式应用，e c o s 可以进行相应的配置供其使 用。 从上面列举的几种操作系统特点和项目的实际需要来考虑，最终选择了e c o s 操 作系统作为远程电机控制系统的嵌入式软件平台，原因主要有以下四点： ( 1 ) 从实时性要求来看，e c o s 实时性能优良，支持可嵌套中断，具有优先级轮 换、可中断内核等性能，完全可以满足本项目实时性要求。 ( 2 ) 从应用程序可移植性来看，e c o s 的组件设计使得丌发人员只需专注于h a l 层移植和相应的驱动程序开发，应用程序良好的可移植性大大减少了系统进一步丌发 的工作量。 ( 3 ) 从系统要求来讲，通过e c o s 的图形化配置软件，可实现源码级的系统配置 和裁剪，满足本论文对中小操作系统的要求。 ( 4 ) 从开发成本来看，e c o s 遵循g p l 开发源码，无任何版权费用，开发成本 较低。 2 3 3 嵌入式t c p i p 协议栈选型 随着网络的发展，越来越多的人投入到网络协议栈的研究，丌发出许多优秀 的协议栈。一些著名的嵌入式操作系统都带有强大的t c p p 功能，如v x w o r k s ， l i n u x 。同时，也涌现了许多源代码丌放的免费协议栈，现在比较流行的免费丌源协 议栈主要有：l w 口和u i p 。 l 、u m u 碑是专门为8 位或1 6 位控制器设计的一个非常小的t c p m 协议栈，完全用c 编写，可移植到各种不同的结构和操作系统上，一个编译过的栈可以在几k br o m 或几百字节l 认m 中运行。它主要有以下特点： ( 1 ) 文档和源代码注释良好，几乎每一行都有注释： ( 2 ) 内存占用非常少，并且在编译时可设置； l o 幕十e c o s 和w 曲服务器的远程i 乜机拧制系统砹汁j 实现第- 二章远程i 乜机控制系统总体设计 ( 3 ) 支持t c p 、u d p 、i c m p 、m 、s l i p 和a r p 协议； ( 4 ) 同时活动的t c p 链接数无限制，并且在编译时可设置： ( 5 ) 可免费用于非商业和商业用途： 2 、l w m l w 口是瑞士计算机科学院( s w e d i s hi n s t i t u t eo fc o m p u t e rs c i e n c e ) a d a md u n k e l s 等丌发的一套用于嵌入式系统的开放源代码的t c p m 协议栈1 1 9 1 【2 0 1 。它的目的是减少 内存使用率和代码大小，使l w i p 能够适用于资源紧张的嵌入式系统。它主要有以下 特点： ( 1 ) 支持i c m p 协议： ( 2 ) 支持在多网络接口下的m 转发： ( 3 ) 提供专用的内部回调接口( r a w a p d ，可以提高应用程序性能。 从稳定性的角度来考虑，课题最终考虑了l w i p 嵌入式t c p m 协议栈。l w 口没 有操作系统特殊性，它对与平台相关的代码进行抽象处理，如果用户需要移植协议栈 到自己的操作系统中，则必须完成这部分代码的编写，并为支持网络应用提供a p i 接口的选择性2 。 2 4 本章小结 本章通过对远程控制系统进行分析，介绍了系统的设计目标、细化的系统功能需 求和系统总体框架。接着对系统硬件平台进行总体设计，确定了以s t 公司的 s t m 3 2 f 1 0 3 系列芯片作为系统的嵌入式处理器，并简要分析了外围接口电路：同时， 根据对当前常用的嵌入式操作系统和嵌入式t c p p 协议栈做比较，阐述了选择e c o s 和l w m 的原因。 第三章系统硬件、f 台没计基于o s 和w 曲服务器的远程i 乜机挖制系统搜计。j 实现 第三章系统硬件平台设计 3 1 处理器芯片及接口电路 处理器芯片选择的具体型号是s t m 3 2 f 1 0 3 z e t 6 ，接口电路主要包括晶振和复位 电路，电源模块，用于程序下载调试的j t a g 接口电路和r s 2 3 2 串口通信电路，还有 按键电路。 3 1 1 处理器芯片s t m 3 2 f 10 3 z e t 6 s t m 3 2 f 1 0 3 z e t 6 是基于c o n e x 州3 内核的新型3 2 位嵌入式微处理器，它具有 5 1 2 k 字节的内存，6 4 k 字节的s r a m ，其c p u 工作频率最高可达7 2 m h z 。它具有如 下特点： ( 1 ) 高效的处理能力： ( 2 ) 丰富的外围设备； ( 3 ) 超低功耗： ( 4 ) 强大的丌发