（轮机工程专业论文）嵌入式系统在船舶监控中的应用研究.pdf

武汉理： 大学硕士学位论文 摘要 随着控制技术和计算机技术的不断进步，船舶自动化系统正向着数字化、 智能化、网络化的方向发展。该技术已经突破了无人机舱、机驾合一、全船自动 化等概念，信息和控制一体化的船舶信息综合系统( i a s 系统) 成为当今世界上 较前沿的研究课题之一。 船舶信息综合系统以现场总线为下层监控网络，以太网为上层通讯网络，以 卫星通信为远程信息交互的纽带，实现了信息和控制的一体化。本文指出了该 系统中的“瓶颈”问题上层网络和现场网络之间的数据共享问题，并提出采用 工业以太网作为船舶公用网络的解决方案。在采用l a n 网络的同时，又采用 c a n 现场总线网络作为两重设计并联运行，构成双网络高可靠系统。应用嵌入 式系统技术来解决现场监控模块的上网问题。 本文的重点在于现场监控模块的设计。通过对监控模块的功能分析，选择 s a m s u n g 公司的a r m 7 微处理器s 3 c 4 4 b o x 作为核心进行硬件设计。该模块包 括f l a s h 接口部分、s d r a m 接口部分即内存接口部分、c a n 总线控制及接口部 分、j t a g 接口部分、模拟量输入输出部分、开关量输入输出部分等。 对r 自己设计开发的电路板，启动代码b o o tl o a d e r 的编写是无法避免的。 b o o tl o a d e r 是系统加电后运行的第一段软件代码，主要完成硬件的初始化、中 断处理、操作系统的引导等功能。b o o tl o a d e r 依赖于c p u 的体系结构和具体的 嵌入式板级设备的配置，它是依赖于硬件而实现的。 实时多任务操作系统( r t o s ) 的应用，使嵌入式技术成为真正意义上的嵌 入式系统。应用操作系统，可以合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数 以及和专家库函数接口，保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间， 保障软件质量。本文对p c o s i i 操作系统的移植等问题作了系统、细致的论述， 并给出了相关的程序。 p c o s i i 没有给驱动程序提供统一的标准接口，本设计中采用了驱动程序抽 象层的方法自定义接口。通过指向不同驱动子程序的函数指针，为操作系统挂 载驱动程序。在操作系统和驱动程序的基础上，编写了c a n 通讯的应用程序。 关键词：嵌入式系统，船舶监控，b o o tl o a d e r 开发，操作系统移植 本论文依托于湖北省科技攻关项目( 2 0 0 3 1 0 1 c 0 2 ) l 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h en e t w o r k ，c o m p u t e ra n dc o n t r o lt e c h n o l o g y , t h e a u t o m a t e d s y s t e m o f s h i p p i n g i s b e i n gd e v e l o p e d i n d i g i t i z a t i o n ，i n t e l l i g e n t ， n e t w o r k e d d i r e c t i o n r e g a r do n t h e s p o tn e t w o r ka sc o n t r o ln e t w o r k ，r e g a r de t h e r n e ta s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，t h en e wa u t o m a t i cs c h e m eo fs h i p p i n g t a k i n g s a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o na st i et h a t l o n g r a n g e i n f o r m a t i o ni s m u t u a l ，h a v e r e a l i z et h e i n t e g r a t i o no ft h e i n f o r m a t i o na n dc o n t r o l ，h a sf o r m e dt h ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t e d s y s t e mo fs h i p p i n g t h i st e x th a sp o i n t e do u tt h e b o t t l e n e c k ”p r o b l e mi nt h ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t e d s y s t e mo fs h i p p i n g t a t as h a r i n gb e t w e e ne t h e m e ta n df i e l db u s t h i st e x tp r o p o s e s t h es o l u t i o no fa d o p t i n gl a nn e t w o r ka sp u b l i cn e t w o r ko fs h i p p i n g a n di tr i s e s e m b e d d e ds y s t e m a t i ct e c h n o l o g yt os o l v et h en e t s u r f i n gp r o b l e mo fi n t e l l i g e n t m o n i t o rm o d u l e t h ef o c a lp o i n to ft h i st e x ti i e si nt h ed e s i g no ft h ei n t e l l i g e n tm o n i t o rm o d u l e t h i sm o d u l ei n c l u d i n gl a s hi n t e r f a c ep a r t ，s d r a mi n t e r f a c ep a r t ，c a nb u sc o n t r o l s a n di n t e r f a c ep a r t ，a n a l o gi n t e r f a c ep a r ta n ds w i t c hi n t e r f a c ep a r te t c i ni tia l s o a c c o m p l i s h e dt h ed e s i g no fh a r d w a r e ，t h e c o r eo fw h i c hi s s a m s u n gc o m p a n y s 3 2 - d i g i te m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r - s 3 c 4 4 b o x ，a n d d r e wt h ep r i n c i p l ep i c t u r eo ft h e h a r d w a r e d e s i g n t h ec i r c u i tb o a r dd e v e l o p e dt oo n e s e l ii ti su n a v o i d a b l et h a tt h eo n e st h a t t h es t a r tc o d ea r ew r i t t e n t h ew r i t i n go ft h es t a r t u pc o d ea n dt h et r a n s p l a n t a t i o no f g c o s i io p e r a t i n gs y s t e m h a v eb e e ns y s t e m i c a l l yd i s c o u r s e do na tg r e a tl e n g t h ，a n d r e l a t i v ep r o g r a m sa r ep r o v i d e di nt h i sp a p e rt o ot h i si so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g yo f t l l i st e x t p c o s i i h a sn o t p r o v i d e d t h eu n i f i e ds t a n d a r di n t e r f a c ef o rd r i v e r h a v e a d o p t e d t h es e l f - d e f i n i n gi n t e r f a c eo f t h em e t h o do f a b s t r a c tl a y e ro f t h ed r i v e ri nt h i s d e s i g n t h r o u g hp o i n t t od i f f e r e n td r i v e r , m o u n tt h ed r i v e ri nf o rt h eo p e r a t i n gs y s t e m o nt h eb a s i so f o p e r a t i n gs y s t e ma n dd r i v e r ，h a v ew r i t t e nt h ea p p l i c a t i o np r o g r a m o f c a nc o m miu nc a t i o n k e y w o r d s ：e m b e d d e d s y s t e m ；s h i p p i n gm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ； b o o tl o a d e rd e v e l o p m e n t ；t r a n s p l a n t a t i o no f o p e r a t i n gs y s t e m i i 武汉理工人学硕士学位论文 第1 章概述 1 1 船舶监控系统的发展状况 8 1 从上世纪8 0 年代起，船舶控制产品就开始由模拟式向数字式发展。控 制系统上级显示处理部分已数字化，但局限于电子技术还未发展到新的水 平，传感器、执行器、传输系统等均为模拟式。在控制系统的主控单元与现 场仪表之间使用模拟信号来实现数据的采集和控制命令的下传，故而妨碍了 控制系统功能的进一步发挥。 1 9 9 5 年9 月，由国内外1 5 0 多家生产控制设备的厂商组成了国际f f 协 会，标志着船舶控制系统开始向全数字化方向发展。9 0 年代中期，以现场 总线( f i e l d b u s ) 及超大规模数字集成电路( l s i ) 嵌入式电子技术为基础的全 数字式控制系统开始在世界范围内兴起，并迅速扩展到船舶工业领域，使船 舶自控技术获得了突破性的发展。全数字式控制系统是由以嵌入式电子技术 为基础的数字式传感器、执行器以及现场总线、上层计算机组合而成的，取 消了原先复杂不可靠的模拟式设备，从而大大简化了系统口】。 近年来，随着网络、计算机和控制技术的不断进步，船舶自动化系统正 向着数字化、智能化、网络化的方向发展。先后出现了轮机综合监控系统、 船舶综合驾控系统、集驾驶与轮机监控于一体的全船综合监控系统以及信息 和控制一体化的船舶信息综合系统( i a s 系统) 。船舶信息综合系统以现场 网络为下层网络，以以太网为上层网络，以卫星通信为远程信息交互纽带的 全新船舶自动化方案，将船舶的实时监控与管理信息融为一体，实现了船舶 的综合监控和船岸一体化管理 】 6 1 。 国内外一些知名的船舶自动化公司，如丹麦的l y n g s 中公司、意大利的 c s 公司、美国的s p e r r y 公司、国内的上海三进科技发展有限公司等都在该 方面做了一定的研究，提供了部分产品并在实船上得到了应用，取 得了很好的效果。船舶信息综合系统已成为当今世界上较前沿的研究课题 之一，该系统的结构原理如图1 1 所示。 上层网络由双冗余的服务器和千兆骨干网络组成。其中选用2 台高级交 武汉理工大学硕士学位论文 圈黼麓z 甲：= 一甲_ 珧船 _ 翳盘_ 女窖誊酾糟- ，叠蔷；鬻藿罐 一千拈先扦鲁静拽珞 | 隧! 伊羁肾， 焉帮伊 l # ；= = = = = = 蕾； 一一一一u h r e b * m 目_ n * 罐”霉蘑霉? 。编辑涌函 l 甲。中lii 淤。i 船舶值息综台系统蟹 萱曼擀萱。幂li熟。li 瓣豫韩韩萱 il j llm _ - 8 & l 。 i l t b mll。ll l ll 彗持撩慰蚰凿 赢i i b 矗磊b 越彗挂 乜也墼纠l 垡划 图l 一1 船舶信息综合系统原理图 换机作为网络中心交换机，实现互为网络连接热备份的功能。每台交换机可 提供多个光纤接口，为整个网络核心提供1 0 0 0 m b p s 交换带宽，2 台数据库 服务器分别以1 0 0 0 m b p s 的带宽与之相连。其他客户端则通过3 台普通交换 机提供的2 4 个1 0 1 0 0 m b p s 自适应端口，通过中心交换机与服务器进行数据 传输和通信。此网络设计不仅能够实现双冗余的热备份功能，同时还可以通 过安装通信故障诊断软件实现网络本身的故障诊断。 下层网络完成对现场设备的监控，目前一般采用现场总线网络来实现。 常用的现场总线有以下几种：f f 总线、c a n 总线、l o n 总线、p r o f i b u s 总线、b i t b u s 位总线。其中c a n 是唯一有国际标准的现场总线，它是多 主对等系统，支持竞争，抗电磁干扰强，连线简单，可靠性高，开放性好， 具有即插即用的特点，能在恶劣环境下工作，成为较普及的船用设备监控网 络。 通过现场总线可将现场总线仪表、智能i o 与计算机之间连成一体，使 系统结构简单，可扩展性强，不仅可以降低布线成本，而且还可具有设备远 2 武汉理工大学硕十学位论文 程调试和自诊断能力，方便维护。以现场总线技术为核心的设计方案可以将 控制任务下放至现场的智能仪表，使控制功能彻底分散，提高控制效能，同 时控制功能的分散意味看危险分散，从而可以极大地提高系统的可靠性。 在系统的上层网络( 以太网) 和下层网络( c a n 总线) 之间的数据通信，采 用了通过c a n p c 数据通信适配卡从现场设备取得所需的实时数据，然后通过 网络通信技术把数据送到管理网的服务器数据库中，从而实现数据共享。现 场网络向上层骨干网传送所要求的监控数据、系统运行信息和状态，在上层 网络的计算机中以文字、列表、曲线、图形和动画的形式显示现场数据、变 化趋势、故障情况和报警状态，为管理人员的操作提供可靠、准确的实时信 息。同时接收上层网络下发的命令，实现全船的信息化监控和管理。骨干网 络和现场网络之间的数据共享需要很高的可靠性。在集控室设置四台工控 机，其中两两互为冗余。在一般情况下，互为冗余的两工控机同时运行，故 障自动切换功能通过软件编程实现”“。l1 1 。 从以上分析可以看出，这是一种可靠、实用的船舶信息综合系统，可以 提高船舶的控制管理水平、减少船员配制，避免操作失误或操作不当、减少 人为因素造成的海上事故和人命财产损失，还可以加强集中指挥调度，增强 综合决策与指挥能力。 虽然如此，我们不难发现，e 层通讯网络和下层监控网络之问的数据共 享成为数据传输的“瓶颈”。一旦“瓶颈”出现问题，现场网络的全部信息 丢失。信息数据量小、速度慢、无法满足信息数据、声音和图像数据的传输。 另外，汇总的低级网络性能差，标准化程度低，影响新网络的性能发挥。 面对这一问题，很多专家提出采用国际标准的1 0 0 0 兆高性能的以太网 技术的l a n 网络作为船舶公用网络，所有的信息和控制单元均采用 i e e e 8 0 2 3 标准的l a n 接口分散上网，监控计算机亦就地上网的新思路。l a n 网络的容量为4 2 9 4 亿个节点，可包罗全世界的计算机，因此全船所有的设 备和监控单元全部联网是没有问题的，可以用一种标准构成全船计算机网 络。t c p i p 网络利用卫星、海底光缆、国际电话线路构成了全球的因特网， 这一点对船舶特别重要，利用全球因特网构成全球船舶安全管理和营运指挥 系统，几乎不需要成本。工业以太网的速度是目前使用的r s 4 8 5 及现场总线 等的数千倍，在视频数据采集和其他需要高速数据流的情况下使用该网络非 常可取。动态图像和声音可以在网络上方便地传送，从而数字摄像头和数字 武汉理上大学硕士学位论文 话筒可像传感器一样方便地应用”1 。 船舶信息综合系统的网络化需要现场监控模块的数字化、网络化。现场 监控模块的性能直接影响到整个综合系统的实时性、可靠性，是整个系统中 非常关键的环节，也是现阶段比较薄弱的环节。随着嵌入式电子技术的飞速 发展，研制出实时性高，可靠性好、体积小、具有以太网接口的监控模块具 有一定的现实意义。本课题的研究出发点也正是如此。 考虑到船舶监控特需的冗余设计和新旧过度兼容性，在采用工业以太网 的同时，又采用c a n 现场总线网络作为两重设计并联运行，构成双网络高 可靠系统。 1 2 嵌入式系统在船舶监控中的应用8 2 3 1 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是以应用为中心和以计算机技术为基础 的，并且软硬件是可裁剪的，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、 功耗等指标的严格要求的专用计算机系统。它可以实现对其他设备的控制、 监视或管理等功能。它是建立在一个高性能的处理器( 相对于单片机) 的硬 件基础上的，以一个成熟的实时多任务操作系统为基础的一个平台。此平台 的可重构能力是以往的单片机所无法比拟的。 嵌入式系统涵盖了硬件和软件两个层面。一个典型的嵌入式系统是由以 下几个部分组成的：硬件平台；b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ，板级支持包) ； r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) ；应用程序。硬件平台主要包括嵌入式 微处理器和控制所需要的相关外设，处理器是嵌入式系统的核心，外围设备 是保证系统实现指定任务的最底层部 牛。系统外围设备的硬件部分包括：液 晶显示屏( l c d 、触摸屏) 、u s b 通讯模块、网络接口模块、键盘、海量f l a s h 存储器、系统的时钟和日历等。嵌入式系统的软件开发包括板级支持包的开 发和应用程序的开发。其中板级支持包的开发又包括操作系统的移植和驱动 程序的编写i 2 0 】。 多任务的实时操作系统( r t o s ) 在嵌入式系统中占有很重要的地位。 商用型实时操作系统已经十分成熟，并为用户提供了强有力的开发和调试工 具。但商用嵌入式实时系统价格昂贵而且都针对特定的硬件平台。比如 v x w o r k s ，q n x ，p s o s ，还有常见于p d a 的w i nc e 和p a l mo s 。免费 4 武汉理工大学硕士学位论文 型实时操作系统则是源代码公开的免费软件，可以根据自己的需要进行取 舍，但是应用起来稍困难一些。目前源码开放( c 代码) 的嵌入式系统有p 。c o s 和l i n u x 系列。其中，p c o s 简单易学，提供了嵌入式系统的基本功能，其 核心代码短小精悍，如果针对硬件进行优化，还可以获得更高的执行效率。 它具有可移植性好( p o r t a b l e ) 、可裁剪( s c a l a b l e ) 、占先式( p r e e m p t i v e ) 、 多任务( m u l i t t a s k i n g ) 、执行时间可确定性的特点。因此得到广泛的应用。 根据以上介绍可以看出，嵌入式系统具有以下特点：软硬件一体化、可 裁减；低功耗，体积小，集成度：需要实时操作系统( r t o s ) 支持；具有 实时性、代码小、执行速度快；专用紧凑，用途固定、成本敏感：可靠性高； 具有多样性，应用广泛、种类繁多；技术密集，集计算机技术、微电子技术、 行业技术为一体。另外，嵌入式系统的使用，可以方便产品的开发，缩短开 发周期。 嵌入式技术的迅速发展不仅使之成为当前微电子技术与计算机技术中 的一个重要分支，同时也使计算机的分类从以前的巨型机、大型机、小型机、 微机之分变为通用计算机与嵌入式系统之分。嵌入式的应用更是遍及金融、 航天、电信、网络、信息家电、医疗、工业控制、军事等各个领域，以致有 些学者断言，嵌入式技术将成为后p c 时代的主宰。 嵌入式技术的兴起同样给航海领域带来了新的机遇与活力。本课题的出 发点是研制出实时性高，可靠性好、功耗低、体积小、具有网络接口的监控 模块，嵌入式系统技术完全可以满足这种要求。能上网的嵌入式设备需要加 上t c p i p 网络协议。由于8 1 1 6 单片机速度不够快以及内存不够大，较难满 足设备的上网要求。随着集成电路的发展，3 2 位处理器的价格不断下降， 已经可以大量使用，现场监控模块的上网问题可以得到很好的解决。 1 3 课题研究的目的、意义及主要内容 随着我国航运事业的蓬勃发展，各大远洋公司对船舶系统的自动化、信 息化水平的要求越来越高。但是，目前国内船舶自动化系统的研究和开发还 处在较低的水平，我国大部分远洋船舶的自动化装备包括主机遥控系统、机 舱监测报警系统、自动电站系统等均为国外设备。因此，探索和跟踪国外船 舶自动化领域的最新发展趋势，应用高新技术来提高我国船舶自动化系统的 武汉理工大学硕士学位论文 自主开发能力具有重要的现实意义。 本设计以船舶监控领域现阶段技术为参考，提出了一种全新的技术思 路。把基于a r m 内核的高性能的嵌入式微处理器和嵌入式实时操作系统运用 于船舶监控系统，这是本设计的创新点。 主要工作包括以下几部分。 1 ) 现场监控模块的硬件设计 进行以s a m s u n g 公司3 2 位嵌入式微处理器s 3 c 4 4 b o x 为核心的硬件设 计。该硬件结构包括c a n 总线控制及接口部分、模拟量输入输出电路部分： 开关量输入输出电路部分等。可以完成各种数据的采集与传输，实现监测与 控制功能。 2 1 启动代码的开发和操作系统的移植 对于自己设计开发的板子，启动代码的编写是无法避免的。本文对启动 代码的编写和操作系统的移植等问题作了系统、细致的论述，并给出了相关 的程序。这是本文的关键技术之一。 3 ) c a n 接口的驱动程序的开发 编写c a n 接口的驱动程序，实现s 3 c 4 4 b o x 对外部设备的控制。驱动程 序的开发为应用程序的编写提供了便利条件。 4 ) 应用程序的编写 各智能监控模块根据功能的不同完成各种数据采集与控制功能。在操作 系统和驱动程序的基础上编写应用程非常容易，可以大大缩短开发周期。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章现场监控模块的设计 2 1 嵌入式系统的设计方法5 2 0 1 2 1 1 嵌入式系统的设计流程 嵌入式系统设计一般由5 个阶段构成：需求分析、体系结构设计、硬件 软件设计、系统集成和系统测试。各个阶段之间往往要求不断的反复和修 改，直至完成最终设计目标。嵌入式系统的设计流程如图2 1 所示。 图2 一l 嵌入式系统的设计阶段 1 、需求分析 确定设计任务和目标，并提炼出设计规格说明书，作为正式设计指导和 验收的标准。系统的需求一般分功能性需求和非功能性需求两方面。功能性 需求是系统的基本功能，如输入输出信号、操作方式等；非功能需求包括系 统性能、成本、功耗、体积、重量等因素。 2 、体系结构设计 嚣 武汉理工大学硕士学位论文 描述系统如何实现所述的功能和非功能需求，包括对硬件、软件和执行 装置的功能划分以及系统的软件、硬件选型等。一个好的体系结构是设计成 功与否的关键。 3 、硬件软件协同设计 基于体系结构，对系统的软件、硬件进行详细设计。为了缩短产品开发 周期，设计往往是并行的。嵌入式系统设计的工作大部分都集中在软件设计 上，采用面向对象技术，软件组件技术、模块化设计是现代软件工程经常采 用的方法。 4 、系统集成 把系统的软件、硬件和执行装置集成在一起，进行调试，发现并改进单 元设计过程中的错误。 5 、系统测试 对设计好的系统进行测试，看其是否满足规格说明书中给定的功能要 求。 2 1 2 嵌入式系统的一般设计方法 根据用户需求，设计出特定的嵌入式应用系统，是每+ 个嵌入式系统设 计工程师应该达到的目标。嵌入式应用系统的设计包含硬件系统的没计和软 件系统设计两个部分，并且这两部分的设计是互相关联、密不可分的，嵌入 式应用系统的设计经常需要在硬件和软件的设计之间进行权衡与折中。因 此，这就要求嵌入式系统设计工程师具有较深厚的硬件和软件基础，并具有 熟练应用的能力。这也是嵌入式应用系统设计与其他的纯粹的软件设计或硬 件设计最大的区别。 一个嵌入式系统，基本的处理器和核心电路是固定的，操作系统及典型 的外设驱动程序是已经稳定可靠运行的。我们做产品的时候，所需要做的工 作如下：是不是要添加什么外设；写一些所添加的外设的驱动程序；编写应 用程序纯软件的工作。如果选择了一个成熟的嵌入式系统，会避免重复 劳动，缩短开发周期，从而降低最终产品的成本。 嵌入式系统的开发可以说把开发者从反复进行硬件平台的设计过程中 解放出来，从而可以把主要精力放在编写特定的应用程序上。这个过程类似 于在系统机上的某个操作系统下开发应用程序。有了嵌入式平台，设计步骤 武汉理工人学硕士学位论文 如图2 2 所示。 j 用户嘉泵1 j 选秀 ；i 肇紫器 开发结束 在操作系统上开 发应用程序 l 应用程序 否 测试通过 图2 - 2嵌入式系统设计步骡 2 2 现场监控模块功能分析 船舶信息综合系统中的监控对象复杂，设备性质、需要采集的数据类 型和采集位置各有不同。本文仅对机舱设备进行分析，抽象出它们的共同点， 设计一种通用的硬件平台，即标准功能模块( s t a n d a r df u n c t i o nb l o c k s ， s f b ) 。经过细致的分析，对标准功能模块的性能和功能要求如下： l 、实时性高、可靠性好、体积小 2 、具有开关量、模拟量输入输出 3 、具有c a n 的接口 4 、可以扩展l a n 网络接口 5 、可以添加t c p i p 网络协议。 船舶是一个特殊的应用环境，远洋船舶经常连续几个月航行在海洋中， 这就要求在船舶上使用的自动化及计算机系统要求具有极高的可靠性，保证 系统能够长期可靠地运行。标准功能模块应满足的工作条件如下： l 、环境( 空气) 温度o 5 5 ； 统的系 薪_ l 躜 武汉理_ 1 ：大学硕士学位论文 2 、倾斜摇摆： ( 1 ) 横倾：3 0 。；横摇：3 0 。： ( 2 ) 纵倾：1 0 。；纵摇：1 0 。； ( 3 ) 摇摆周期9 s 以及垂直方向线性加速度为9 8 m s 正常工作。 3 、湿度： ( 1 ) 当温度+ 4 0 时，相对湿度为9 5 3 。； ( 2 ) 当温度高于+ 4 0 时，相对湿度为7 0 3 。； 4 、电磁兼容不得低于g b t 1 0 2 5 0 1 9 8 8 的要求。 5 、振动、盐雾、油雾和霉菌及灰尘等。 标准功能模块的使用，可以提高系统的标准化、模块化、通用化的程度， 并提高系统的可维护性。因为设备的维修只需更换模块即可实现，使维修工 作极为容易【“1 “。 2 3 处理器的选型 根据对现场监控模块的功能分析，我们可以看出，可以扩展l a n 网络 接口，添加t c p i p 网络协议是船舶信息综合系统对现场监控模块的基本要 求。由于8 1 6 单片机速度不够快以及内存不够大，较难满足嵌入式设备的 上网要求。随着集成电路的发展，3 2 位处理器的价格不断下降，已经可以 大量使用。3 2 位r i s c 处理器更是受到青睐，其中，领先的是a r m 嵌入式 微处理器系列。基于a r m 微处理器的嵌入式系统具有实时性、代码小、执 行速度快；专用紧凑，用途固定、成本敏感；可靠性高等特点。完全符合现 场监控模块功能的功能要求。 2 3 1a r m 简介 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，还可以认为是一种技术的名字。1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。世界各大半 导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 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。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 l o 武汉理工大学硕士学位论文 上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。我国的中 兴集成电路、大唐电讯、中芯国际和上海华虹，以及国外的一些公司如德州 仪器、意法半导体、p h i l i p s 、i n t e l 、s a m s u n g 等都推出了自己设计的基于a r m 核的处理器。 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用已经广泛深入到国民经济的 各个领域。在工业控制领域，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。随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l j f ! ! j ：片f 逐步获得竞争优势。此外，a r m 在语音及视频处理上进行了优化， 并获得广泛支持，电对d s p 的应用领域提出了挑战。 a r m 具有以下几个突出优点： 全新设计的r i s c 结构的3 2 位处理器 因为是全新的设计，开始就是3 2 位，没有历史遗宦问题，所以，更便 于对处理器结构进行优化。 价格低廉 a r m 公司不生产芯片，专一l 3 研究处理器内核的解决方案把a r m 的核授 权给各个i c 制造公司，各个公司生产自己的芯片，分工明确，体系统一， 导致a r m 处理器的价格低廉。 a r m 公司的合作伙伴众多 从i c 制造到操作系统，可以给用户提供大量的工具和开发资料，用于 推广a r m 的应用。 低功耗 a r m 采用r i s c 指令集，使用了大量的寄存器，支持a r m t h u m b 指 令体系，三五级流水线。 2 3 2 嵌入式微处理器s 3 0 4 4 b o x 本设计中采用s a m s u n g 公司的a r m 7 微处理器s 3 c 4 4 b o x ，工作在 6 6 m h z ，使用a r m 7 t d m i 内核。a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，适合用于对价位和功耗要求较高的应用领域，是一款通用型芯片。 武汉理工大学硕士学位论文 该芯片的储存温度范围为一6 5 1 5 0 ，商业温度范围为o 7 0 ，工 业温度范围为一4 0 8 5 ，可以满足船用要求。 为了降低系统总成本和减少外围器件，s 3 c 4 4 b o x 集成了下列部件：8 k b c a c h e 、外部存储器控制器、l c d 控制器、4 个d m a 通道、2 通道u a r t 、 1 个多主1 2 c 总线控制器、1 个i i s 总线控制器，5 通道p w m 定时器及一个 内部定时器、7 1 个通用i o 口、8 个外部中断源、实时时钟、8 通道1 0 位 a d c 等。s 3 c 4 4 b o x 的内部结构框图如图2 - 3 所示。 图2 3s 3 c 4 4 b o x 的内部结构框图 s 3 c 4 4 b o x 具有如下特性： 体系结构 用于手持设备和通用嵌入式应用的完整系统： 1 6 3 2 位r i s c 结构和带a r m 7 d m ic p u 核的功能强大的指令集 武汉理工大学硕士学位论文 t h u m b 协处理器在保证性能的前提下使代码密度最大； 片上i c e 中断调试j t a g 调试方式； 3 2 x 8 位硬件乘法器： 系统管理 支持大d , 端模式( 通过外部引脚e n d i a n 进行选择) 地址空间：每个b a n k 3 2 m b ( 共2 5 6 m b ) ： 每个b a n k 支持8 1 6 3 2 位数据总线编程； 固定的b a n k 起始地址和7 个可编程的b a n k ： - 1 个起始地址和尺寸可编程的b a n k ； 8 个存储器b a n k ：6 个用于r o m 、s r a m ；2 个用于r o m s r a m d r a m ； 所有内存b a n k 的可编程寻址周期： 在能量低的情况下支持d r a m s d r a m 自动刷新模式； 支持d r a m 的非对称对称寻址： 缓冲内存和内部s r a m 4 路带8 k 字节的联合缓存； 不使用缓存的0 4 8 k 内容s r a m 伪l r u ( 最近最少使用) 的替代算法； 通过在主内存和缓冲区内容之问保持致的方式写内存： 当缓冲区出错时，请求数据填充技术； 时钟和能量管理 低能耗； 时钟可以通过软件选择性地反馈回每个功能块 能量模式：正常模式：正常运行模式；低能模式：不带p l l 的底频 时钟：休眠模式：只使c p u 的时钟停止；停止模式：所有时钟都停止； 用e i n t 或r t c 警告中断从停止模式唤醒 中断控制器 3 0 个中断源( 看门狗定时器，6 个定时器，6 个u a r t ，8 个外部中断， 4 个d m a ，2 个r t c ，1 个a d c ，1 个1 2 c ，1 个s 1 0 ； 矢量i r q 中断模式减少中断响应周期； 外部中断源的水平边缘模式； 可编程的水平边缘极性： 武汉理工大学硕士学位论文 对紧急中断请求支持f i q ( 快速中断请求) ； 带p w m 的定时器 5 个1 6 位带p w m 的定时器1 个1 6 位基于d m a 或基于中断的定时器 可编程的工作循环，频率和极性 死区产生 支持外部时钟源 实时时钟 全时钟特点：毫秒、秒、分、小时、天、星期、月、年 3 2 7 6 8 k h z 运行 c p u 唤醒的警告中断 可产生时钟节拍中断 通用输入输出端口 8 个外部中断端口 7 1 个多路输入输出口； i j r t 2 个带d m a 和中断的u a r t ； 支持5 位，6 位，7 位，8 位串行数据传送接收； 当传送接收时支持双向握手 可编程波特率； 支持i r d a l 0 ( 1 1 5 2 k b p s ) ； 测试的循环返回模式； 每个通道有2 个内部3 2 位f i f o d m a 控制器 2 路通用无需要c p u 干涉的d m a 控制器： 2 路桥式d m a 控制器； 采用6 种d m a 请求的桥式d m a 支持i o 到内存，内存到i o ，i o 到i o ： 软件，4 个内部功能块( u a r t ，s i o ，实时器，i i s ) ，外部管脚； d m a 之间可编程优先级次序； 突发传送模式提高到f p d r a m 、e d o d r a m 和s d r a m 的传送率； a d 转换 1 0 位多路a d c i 最大5 0 0 k s p s 1 0 位； 武汉理工人学硕士学位论文 l c d 控制器 支持彩色单色灰度l c d ； 支持单扫描和双扫描显示； 支持虚拟显示功能 系统内存作为显示内存 专用d m a 用于从系统内存中提取图象数据： 可编程屏幕尺寸； 1 6 级灰度，2 5 6 色 看门狗定时器与i2 c 总线接口 1 6 位看门狗定时器； 定时中断请求和系统复位； 1 个带中断的多主机i2 c 总线； 串行，8 位，双向数据传送器能够以1 0 0 k 3 s 的标准模式和4 0 0 k b s 的快速模式传送 儿s 总线接口 1 个带d m a 的音频i s 总线接口； - 串行，每路8 1 6 位数据传送器： 支持m s b 数据格式； s 1 0 ( 同步串行i o ) 1 个带d m a 和中断的s 1 0 可编程波特率； 支持8 位串行数据传送接收操作 3 c 4 4 b o x 共有1 6 0 只引脚，采用q f p 封装，引脚分布如图2 4 所示。 该芯片具有大量的电源和接地引脚、地址总线、数据总线和通用i o 口， 以及其他的专用模块如u a r t 、i i c 等接口。内核操作电压范围为2 5 v ，i o 操作电压范围为3 o v 到3 6 v 。在硬件系统的设计中，应当注意芯片引脚的 类型，s 3 c 4 4 b o x 的引脚主要分为三类，即：输入( i ) 、输出( o ) 、输入 输出( i o ) 。输出类型的引脚主要用于s 3 c 4 4 b o x 对外设的控制或通信，由 s 3 c 4 4 b o x 主动发出，这些引脚的连接不会对s 3 c 4 4 b o x 自身的运行有太大 的影响，输入输出类型的引脚主要是s 3 c 4 4 b o x 与外设的双向数据传输通 道。 l ；| | | | | | | | 纛| | | | | 霈箍l | i | 谨痈孙； s 3 c 4 4 8 0 x 16 0 一l q f p 朝2 鹗髂的 鳓i i 黔鬻i | | | | | 酣鬻 i ； 。疆辨i 鹱琵 图2 4s 3 c 4 4 b o x 的引脚分布图 2 4 接口电路设计心7 2 4 ，1 电源电路 在该系统中，需要使用3 3 v 和2 5 v 的直流稳压电源，为简化系统电源 电路的设计，要求整个系统的输入电压为高质量的5 v 直流稳压电源。有很 多d c d c 转换器可完成5 v 到3 3 v 、3 3 v 到2 5 v 的转换，本设计中采用了 l m l l l7 3 3 和l m l 儿7 2 5 两款芯片，系统电源电路如图2 5 所示。其中v c c 表示d c5 o v2 a 的直流稳压电源。 为提高系统的电源质量，消除噪声对系统的影响，在器件的电源和地之 间加了滤波电容。 1 6 嫩籀虢f滞漱尹r纛一 黼l；l；|；illll器麓毓嘴糍鹱羁 r r rll 武汉理： 大学硕士学位论文 u 5 图2 - 5 系统的电源电路 2 4 2 晶振电路与复位电路 晶振电路用于向c p u 及其它电路提供工作时钟。s 3 c 4 4 b o x 的0 m 3 ：2 引脚决定时钟如何产生，在该系统中o m 3 ：2 = o o b ，采用系统时钟晶体电路。 晶振的接法如图2 - 6 所示。 图2 6 系统的晶振电路 根据s 3 c 4 4 b o x 的最高工作频率以及p l l 电路的工作方式，选择i o m h z 的无源晶振，经过微处理器片内的p l l 电路倍频后，最高可以达到6 6 m h z 。 片内的p l l 电路兼有频率放大和信号提纯的功能，因此，系统可以以较低的 外部时钟信号获得较高的工作频率，以降低因高速开关时钟所造成的高频噪 声。 武汉理工大学硕士学位论文 在系统中，复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按 键复位功能。本设计中采用了i m p 7 0 6 看门狗芯片，当n r e s e t 引脚低电平时 引起复位。j p 2 短接后必须定时( 1 6 s ) 喂狗，否则引起系统复位。复位电 路如图2 7 所示。 图2 7 系统的复位电路 24 3 f l a s h 存储器电路 f 1 a s h 存储器是一种可在系统( i n s y s t e m ) 进行电擦写，掉电后信息不 丢失的存储器。它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系 统编程( 烧写) 、擦除等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作， 因而在各种嵌入式系统中得到广泛的应用。作为一种非易失性存储器，f 1 a s h 在系统中通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的 用户数据等。常用的f l a s h 为8 位或1 6 位的数据宽度，编程电压为单3 3 v 。 主要的生产厂商为a t m e l ，a m d ，h y i j n d a i 等，他们生产的同型器件一般具有 相同的电气特性和封装形式。 本系统中使用的f l a s h 存储器为h y 2 9 l v l 6 0 。该存储器的单片存储容量 为1 6 m 位( ( 2 m 字节) ，工作电压为2 7 v 3 6 v ，采用4 8 脚t s o p 封装或4 8 脚f b g a 封装，1 6 位数据宽度，可以以8 位( 字节模式) 或1 6 位( 字模式) 数 武汉理_ _ f _ = 大学硕士学位论文 据宽度的方式工作。h y 2 9 l v l 6 0 仅需单3 3 v 电压即可完成在系统的编程与 擦除操作，通过对其内部的命令寄存器写入标准的命令序列，可对f l a s h 进 行编程( 烧写) 、整片擦除、按扇区擦除以及其他操作。 由于a r m 微处理器的体系结构支持8 位1 6 位3 2 位的存储器系统，对 应的可以构建8 位的f l a s h 存储器系统、1 6 位的f l a s h 存储器系统或3 2 位的 f l a s h 存储器系统。3 2 位的存储器系统具有较高的性能，而1 6 位的存储器系 统则在成本及功耗方面占有优势，而8 位的存储器系统现在已经很少使用。 在此，本系统设计为1 6 位的f l a s