（测试计量技术及仪器专业论文）基于armlinux的滑动轴承实验系统的研制.pdf

摘要 基于a r m - l in u x 的滑动轴承实验系统的研制 作者简介：王福刚，男，1 9 7 2 年9 月出生，2 0 0 4 年师从曾兵副教授和葛良全教 授，于2 0 0 7 年6 月毕业于成都理工大学核技术及自动化工程学院测试计量技术 及仪器专业并获得工学硕士学位。 摘要 滑动轴承是现代机器产品中被广泛使用的重要零件之一，其实验系统被广泛 应用在教学、科研及生产部门，成为我国滑动轴承研究与制造水平的关键。传统 的实验系统多属于机械式的，效率和精度较低。近年来出现的一些实验系统结合 了现代计算机技术，在性能和功能上有所增强，但在硬件和软件方面还存在着结 构复杂，可靠性、稳定性差等问题，且此类系统通常只能完成演示验证型实验， 研究性显得不足，不能满足我国在人才培养、科学研究及生产制造等方面的要求。 本论文将滑动轴承实验系统与计算机及嵌入式技术有机结合起来，充分发挥 嵌入式系统实时性强、功能专一的特点，研制了一种基于a r m l i n u x 的滑动轴承 实验系统。系统采用s a m s u n g 公司性价比较高的a g l m 9 芯片$ 3 c 2 4 1 0 a 为硬件核 心，移植嵌入式l i n u x 作为操作系统，并在此基础上开发了友好的人机交互界面， 具有体积小、重量轻、功耗低、操作简单、可靠性高等特点，对于我国的教学、 科研及工业生产具有重大意义。 文中首先简要介绍了滑动轴承实验系统的现状、嵌入式系统的基本定义以及 本课题的研究内容和意义。然后在对系统的需求进行分析的基础上，给出了系统 的总体结构设计，并进一步分块探讨了：系统硬件的设计实现；嵌入式l i n u x 操 作系统的移植以及驱动程序与应用程序的设计实现。最后对本文所开发的实验系 统进行了测试并对后续工作做了展望。结果证明，此滑动轴承实验系统运行稳定， 性能可靠，能够为教学实验、科学研究以及生产实践提供丰富的实验数据，是性 能优良的滑动轴承实验系统。 关键词：滑动轴承实验系统；嵌入式系统；a r i e l = l i a u x 操作系统 成都理t 大学硕士学位论文 d e v e l o p m e n to fs l i d i n gb e a r i n ge x p e r i m e n ts y s t e m b a s e do na r m l i n u x a b s t r a c t 1 1 1 es l i d i n gb e a r i n gi so n eo fi m p o r t a n tc o m p o n e n t sw h i c ha r ew i d e l yu s e di nt h e m o d e mm a c h i n ep r o d u c t s i t se x p e r i m e n ts y s t e mi sw i d e l ya p p l i e di nt h et e a c h i n g ，t h e s c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dt h ep r o d u c t i o nd e p a r t m e n t ，a n db e c o m e st h ek e yf a c t o rw h i c h i sd e c i d i n gt h el e v e lo fr e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r eo fs l i d i n gb e a r i n gi no u rc o u n t r y t r a d i t i o n a l e x p e r i m e n t a ls y s t e m i s m o s t l ym e c h a n i c a la n dl o we f f i c i e n c ya n d p r e c i s i o n i nr e c e n ty e a r s ，s o m eo ft h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m sw i t hm o d e mc o m p u t e r t e c h n o l o g y ，h a dt h ee n h a n c e m e n ti nt h ep e r f o r m a n c ea n dt h ef u n c t i o n ，b u ta l s oh a v e q u e s t i o i l st h a ti nt h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ea s p e c t ，s t r u c t u r ei sc o m p l e xa n d r e l i a b i l i t , ya n ds t a b i l i t y a r ep o o r b e c a u s eo ft h e d e f i c i e n c y o ft h e mr e s e a r c h p e r f o r m a n c e ，s u c hs y s t e m sa r eu s u a l l yc o m p l e t e do n l yd e m o n s t r a t i o ne x p e r i m e n ta n d u n a b l et om e e tt h en e e d so f o u rp e r s o n n e lt r a i n i n g , s c i e n t i f i cr e s e a r c ha n d p r o d u c t i o n t l l i sa r t i c l ed e v e l o p e da ne x p e r i m e n ts y s t e mb a s e do na r m l i n u xc o m b i n i n g s l i d i n gb e a r i n ge x p e r i m e n ts y s t e mw i t hc o m p u t e ra n de m b e d d e ds y s t e mt of u l l ye x e r t t h ep o i n t so ft h ee m b e d d e ds y s t e mo fh i 曲r e a l t i m e ，s i n g l e f u n c t i o n t h es y s t e m a d o p tc o s t - e f f i c i e n ts a m s u n ga r m 9c h i p $ 3 c 2 4 1 0 a t h eh a r d w a r ec o r e o nb a s i s o fr e p l a n t i n ge m b e d d e dl i n u xt ob e o p e r a t i n gs y s t e m ，w h i c hw i t hf r i e n d l y m a l l m a c h i n em u t u a li n t e r f a c ei ss m a l l ，l i g h t ，l o w - c o s t , e a s yt oo p e r a t e ，c r e d i b i l i t ya n d s i g n i f i c a t i v et on a t i o n a lt e a c k i n g ，s c i e n t i f i cr e s e a r c ha n di n d u s t r i a lm a n u f a c t u r e i nt h i sp a p e r ，t h ef i r s tt h i n g sb r i e f l yi n t r o d u c e da r et h es t a t u so fs l i d i n gb e a r i n g e x p e r i m e n ts y s t e m ，t h ed e f i n i t i o no fe m b e d d e ds y s t e ma n dt h er e s e a r c hc o n t e n ta n d s i g n i f i c a n c eo f t h es u b j e c t t h e n , b a s e do na n a l y s i st 0t h es y s t e md e m a n d , t h eo v e r a l l d e s i g ni sp r e s e n t e d , a n ds o m ed e t a i l s ( i n c l u d i n gt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f h a r d w a r e ，d r i v e ra n da p p l i c a t i o np r o g r a m , a n dt h et r a n s p l a n to fe m b e d d e dl i n u x o p e r a t i n gs y s t e m ) a r ef u r t h e rd i s c u s s e d f i n a l l y ，t h ee x p e r i m e n ts y s t e mi st e s t e da n da p r o s p e c to ff o l l o w i n gw o r ki sg i v e n 1 1 1 et e s tr e s u l tp r o v e dt h a tt h i ss l i d i n gb e a r i n g e x p e r i m e n ts y s t e mh a sr e l i a b l ep e r f o r m a n c e ，o p e r a t e ss t a b l ya n dc a np r o v i d et h er i c h e m p i r i c a ld a t af o rt h et e a c h i n ge x p e r i m e n t ，t h es c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dt h ep r o d u c t i o n p r a c t i c e 1 1 l i ss y s t e mi sa ne x c e l l e n ts l i d i n gb e a r i n ge x p e r i m e n ts y s t e m k e yw o r d s ：s l i d i n gb e a r i n ge x p e r i m e n ts y s t e m ；e m b e d d e ds y s t e m ；a r m ；l i n u x o p e r a t i n gs y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛都理王太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者导师签名：甲兵 黜姗躲己治俐7 年舌月广日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛都理王态堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛都翌王太堂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用本授权书) 学位论文作者繇寻岛i 刊 夕9 ，7 年 名 月 r 日 第1 章引言 1 1 选题依据 第1 章引言 滑动轴承具有承载能力强、运行平稳、抗震性好、寿命长等优点，因而从小 型的家用电器到大型的轧钢生产线都可以见到它的身影。滑动轴承实验是分析滑 动轴承承载机理的基本实验，是分析与研究轴承的润滑特性、进行创新性设计的 重要实践基础。作为滑动轴承实验的载体，滑动轴承实验系统被广泛应用在教学、 科研及生产部门，成为我国滑动轴承研究与制造水平的关键。传统的滑动轴承实 验台多属于机械式的，以手动实验、手工绘图为主，效率低下不说，很难完成精 度较高的实验。近年来市场上出现的一些实验台，由于结合了现代计算机技术， 在性能和功能上都有所增强，但从研究、设计的角度看，它们的研究性显得不足 “1 ，很难实现将实验由演示验证型向综合研究型转变，不能满足我国培养高素质 研究型人才的需求和提高滑动轴承的设计与制造水平的需求。另外，这些实验台 基本上是基于p c 机的系统( 以下简称p c - b a s e 系统) ，从整体上看，存在以下几 方面问题”1 ： 成本方面。p c b a s e 系统需要工业计算机的捆绑，造成硬件资源的浪费 和成本的提高。 功耗方面。p c - b a s e 系统一般功耗较高。 硬件可靠性方面。p c b a s e 系统是一种通用系统，相对于专用系统，其 结构复杂，整体的可靠性较低。 软件可靠性方面。p c b a s e 系统使用桌面操作系统，相对于专用操作系 统，其过于庞大和累赘，且不够稳定，不适于要求较高的工业用途。 为此，本文提出并设计了一种基于a r m l i n u x 的嵌入式滑动轴承实验系统， 具有实时性强、可靠性高、体积小、重量轻、功耗低、便于进行二次开发等特点。 从而为促进我国滑动轴承的研究与制造提供和探索了一条有效可行的技术路线。 1 2 滑动轴承的基本原理嘲 滑动轴承属于滑动摩擦类型轴承，转动过程中，轴承中的润滑油形成具有一 定压力的油膜，将作相对转动的轴颈与轴瓦表面分开，使运动副表面不发生接触， 从而降低摩擦力，减少磨损，提高效率，延长使用寿命。 流体动压润滑轴承的工作原理是通过轴颈旋转，借助流体黏性将润滑油带入 成都理工大学硕十学位论文 轴颈与轴瓦配合表面的收敛楔形间隙内。由于润滑油在大端入口至小端出口的流 动过程中必须满足质量守衡原理，因而润滑油在间隙内必自然形成周向油膜压 力。在油膜压力作用下，轴颈由图1 - 1 ( a ) 所示的位置被推向图卜1 ( b ) 所示 的位置，图中f 为施加在轴瓦上的载荷。 f 俨n f、 0 jl a 自 一一一一 二一二- 瓦 馔氐 恕 二二 ( a ) 表示停车状态( b ) 表示运转状态 图卜1 动压油膜的形成 当动压油膜的压力p 在载荷f 方向的分力的和与载荷f 平衡时，轴颈中心处 于某一相对稳定的平衡位置o 。，坐标为0 。( e ，由) 。其中e = 00 ，称为偏心距； 咖为偏位角( 轴承中心0 与轴颈中心0 。连线与外载荷f 作用线间夹角) 。 随着轴承载荷、转速、润滑油种类等参数的变化以及轴承自身参数( 如宽径 比、相对间隙等) 的不同，轴颈中心的位置也随之发生变化。对于处于工况参数 随时间变化的工作状态的非稳态滑动轴承，轴心位置的变化将形成一条轴心轨迹 图。 为了保证形成完全的液体摩擦状态，对于实际的工程表面，最小油膜厚度必 须满足下列条件： k = ( 2 3 ) ( 砭。+ g z 2 ) ( 卜1 ) 式中：r ：。、赐分别为轴颈和轴瓦表面微观不平度的十点平均高。 考虑有限宽轴承在宽度b 方向的端泄对油膜承载量的影响，其影响系数k 可 由下式求出： v f p 。b d 2 ( 1 - 2 ) 第1 章引言 式中：f 外载荷，n ； b 有效工作宽度，姗； d 直径，姗； “动压油膜的平均压力，n ； 1 3 滑动轴承实验系统的研究现状 目前，国内的滑动轴承实验系统已有很多，主要有： 1 9 9 5 年，上海机械电子工程学院为研究滑动轴承静态和动态油膜气穴分布， 设计并开发了3 6 0 动、静载荷滑动轴承油膜分布实验台4 1 。 同年，清华大学摩擦学国家重点实验室为了提高在石油钻井中钻头滑动轴承 的工作寿命，特殊设计了i p g - 2 型滑动轴承实验台”。 2 0 0 1 年，广东工业大学设计研制了y z i 型轴承试验台”。 2 0 0 2 年，湖南长庆科教仪器厂研制了h s - a 型滑动轴承实验台。 这些实验台基本以手动实验为主，需要手工绘制图形曲线，精度较低”。 2 0 0 4 年中南大学研制的h s - b 液体动压滑动轴承实验台，充分发挥了计算机 技术的优势，将传感器传出的检测数据经一单片机系统处理后，通过r s 一2 3 2 串 口传给p c 机，再由p c 机对传入的数据进行分析处理，自动绘制出轴承性能的数 据分布曲线”1 。 2 0 0 6 年西南交通大学研制的z h s 2 0 系列滑动轴承实验台，也是基于p c 机的 系统，其采用r s - 4 8 5 串口来连接多点设备，提高了实验台的整体控制能力。 要实现实验系统由演示、验证型向综合、研究型转变，提高系统的研究能力， 应具备：能够改变滑动轴承轴瓦的摩擦材料及一定范围内的尺寸；能够对外部载 荷进行加载控制；能够快速采集油膜压力数据，以便深入了解油膜的建立过程。 近年来发展迅猛的嵌入式系统具有实时性强、功能专一、处理效率高等特点，能 够构建出满足上述要求的滑动轴承实验系统。 1 4 嵌入式系统概述 随着信息技术、网络技术的快速发展以及后p c 时代的到来，嵌入式系统技 术正以前所未有的速度和深度在国民生活的各个层面得到应用和发展，已广泛应 用于制造工业、工业控制、仪器仪表、医疗器械、消费电子、通信设备、汽车、 航空、航天、军事装备等诸多领域。 成都理：f 大学硕十学位论文 1 4 1 嵌入式系统的概念 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术、控制技术、通信技术和微电子 技术为基础，软硬件可裁剪，适应于对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格 要求的专用计算机系统，是计算机技术、半导体技术和电子技术在实际应用中相 结合的系统0 1 。通常，一个完整的嵌入式系统由处理器、外围设备、操作系统和 应用程序4 部分组成，主要用于实现对其他设备的实时控制、监视、管理、数据 处理等各种自动化处理任务“，它的迅速发展推动i t ( i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ，信息技术) 产业进入了崭新的、以嵌入式系统为核心的后p c 时代。 1 4 2 嵌入式系统的特点曲“ 由于嵌入式系统是应用于特定环境下，针对特定用途设计的专用计算机系 统，同通用型计算机系统相比具有以下特点： ( 1 ) 面向特定应用 嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群设计的系统中，它专用于某个特定 任务，或者很少几个任务。具体的应用需求决定着嵌入式微处理器的性能选型和 整个系统的设计，系统的运行环境差异很大。 ( 2 ) 占用和消耗的资源较少 嵌入式系统能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，具有 功耗低、体积小、重量轻、集成度高、成本低等特点。 ( 3 ) 对软件要求严格 嵌入式产品一般不具备硬盘等大容量存储设备，其目标代码通常是固化在非 易失性存储器( r o m 、e p r o m 、e e p r o m 和f l a s h ) 芯片中，开机后必须有代码对 系统进行设置及测试等初始化工作，因而要求软件代码具有较高的质量和可靠 性，应最大可能的避免“死机”现象的发生。另外，嵌入式系统通常需要操作系 统的支持，需要进行嵌入式操作系统的移植工作。 ( 4 ) 需要专用的开发环境和开发工具进行开发 受限于嵌入式系统自身资源与空间的不足，它不具备自主开发能力，所以嵌 入式系统的开发模式需要采用以宿主机目标机方式构成交叉开发环境( 见 4 1 ) ，并需要一些专用的汇编器、编译器、链接器等作为开发工具。 ( 5 ) 是知识集成系统 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体工艺、电子技术以及通信网络技 术与各领域的具体应用相结合的产物，因此它是一个技术密集、资金密集、高度 4 第1 章引言 分散、不断创新的知识集成系统。 1 4 3 嵌入式系统的发展趋势”1 美国著名的未来学家尼葛洛庞帝曾预言，嵌入式系统将是继p c 和 i n t e r n e t 之后最伟大的发明。如今的现实验证了这个预言的正确性“帕。现在嵌 入式系统技术仍在高速发展着，而且具备如下趋势： ( 1 ) 网络互联成为必然趋势 网络化、信息化的要求随着i n t e r n e t 的成熟、带宽的加大而日益提高，使 得单一功能的设备如电话、手机、冰箱等功能不再单一，结构更加复杂。通常嵌 入式设备必须配有通信接口，并提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软 件。 ( 2 ) 精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本 嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备，为了降低功耗和成本，需要设计者尽 量精简系统内核，只保留和系统功能紧密相关的软硬件，利用最低的资源实现最 适当的功能。应用软件方面要求设计者选用最佳的编程模型，不断改进算法并优 化编译器性能。 ( 3 ) 提供友好的多媒体人机界面 嵌入式设备低功耗、便携的特点使其被广泛的使用，因此也要求它能提供非 常友好的图形用户界面和方便灵活的操控方式，因此嵌入式设计中图形界面、多 媒体技术已成为关键。 1 5 本课题的研究内容及意义 后p c 时代是非p c 设备大显神通的时代，是一个以嵌入式系统为主体的时代 “。在这个时代里，传统的实验系统必将与嵌入式系统相结合，朝着轻便化、低 功耗、智能化等多功能方向发展。如今，嵌入式系统技术的日趋成熟和广泛应用， 为将嵌入式技术引入到滑动轴承实验系统提供了技术条件。本课题将滑动轴承实 验台与计算机及嵌入式技术有机结合起来，采用以高速、低功耗的a r m 微处理 器为核心的嵌入式设备作为实验系统的主控系统，充分发挥嵌入式系统的实时性 强、功能专一、效率高等特点，同时采用r s - 4 8 5 总线实现设备的多点互联，使 实验系统可以同时采集和控制多路数据信号，处理能力更强。 具体工作包括以下几个方面： ( 1 ) 设计并调试基于a r m 微处理器的r s 一2 3 2 、r s 一4 8 5 、u s b 、l e d 及以太 成都理：【大学硕+ 学位论文 网等接口电路； ( 2 ) 研究嵌入式l i n u x 操作系统在a r m 微处理器上的移植； ( 3 ) 实现对系统各外部设备的驱动； ( 4 ) 编写基于q t 的用户图形界面及应用程序。 由于本研究所作的研究在国内还鲜有报道，因此本文可以作为我国教学、科 研及生产等相关应用领域的一种有益尝试和探讨。 1 6 论文结构安排 第一章、引言 第二章、总体方案设计 第三章、硬件平台设计与实现 第四章、嵌入式l i n u x 的实现 第五章、驱动程序及应用软件设计与实现 第六章、系统测试 结论及展望 6 第2 章总体方案设计 第2 章总体方案设计 2 1 系统需求分析 本课题的研究一方面是为了提高我国滑动轴承研究和制造的技术水平，另一 方面也是为了满足用户对滑动轴承实验系统功能与性能上不断增加的要求。因 此，本系统除了要具备传统实验系统的功能外，还需要对外输出更多的控制信号 和快速的采集外界的数据信号，同时还需要有一个优良的人机交互及显示界面， 从而力求使系统在智能化、集成化、可靠性和处理能力方面有较大的进步和提高。 基于以上需求分析，系统需要以下接口电路： ( 1 ) r s 一2 3 2 串口。嵌入式系统在调试初期具备了一些基本软件的支持后， 往往通过r s 一2 3 2 串口向宿主机( 见4 1 ) 打印一些程序内部的运行信息，宿主 机也可以通过此串口来控制芯片内部程序的运行、向芯片内下载新的程序等。 ( 2 ) 以太网接口。当我们需要向芯片内下载较大的程序时，串口的速度已 经明显地力不从心，此时可以用以太网接口向目标机上传输数据。另外，还可以 通过以太网接口在目标机上挂载n f s ( n e tf i l es y s t e m ，网络文件系统) 。 ( 3 ) u s b 接口。为简化外部接口电路，可使用u s b 接口来连接键盘和鼠标， 还可以外挂u 盘、移动硬盘等移动存储设备。 ( 4 ) l c d 接口。为了实现友好的图形化人机交互界面，使用l c d 接口外接 彩色液晶屏。 ( 5 ) 电源与复位电路。 2 2 嵌入式微处理器 2 2 1 嵌入式处理器介绍阳1 嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心部件，为了满足嵌入式应用的特殊要 求，处理器在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面都做了各种增强，并且只保 留了与嵌入式应用有关的功能。目前比较有影响的基于精简指令集( r i s c ， r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t i n g ) 的嵌入式处理器产品主要有p o w e r p c 、 7 成都理1 = 大学硕十学位论文 m i p s 和a r m 等系列。 a r m 处理器是a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 公司通过授权方式，由不同 芯片厂商生产的基于a r m 核的微处理器芯片。由于a r m 核具有业界领先的体系结 构，因而a r m 公司成为目前世界第一大i p 知识产权商。a r m 系列微处理器提供了各 种性能和版本的产品，能够互相兼容，方便系统升级，支持各种嵌入式应用。 凭借低功耗、高性价比的优势，a r m 微处理器己遍及工业控制、消费电子、 通信、网络、无线系统、等各类产品市场，约占3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市 场份额，并且向传统的8 1 6 位微控制器提出了挑战。 2 2 2a r m 处理器的选型 a r m 公司开发了很多系列的a r m 核，分别是a r m 7 、a 跚9 、a r m 9 e 、r m i o e 、 s e c u r c o r e 以及最新的a p 6 t l l 系列，另外还有来自其合作伙伴i n t e l 公司的 x s c a l e 系列和s t r o n g a r m 系列。其中每一系列又根据其各自包含的功能模块不 同而分成多种芯片构成。目前可以提供a r m 芯片的著名公司主要有：i n t e l 、德 洲仪器、三星半导体、摩托罗拉、飞利浦半导体等。 a r m 处理器的多种内核结构及众多的生产厂商，给开发人员在选用时带来一 定的困难，下面仅从应用的角度介绍一下a r m 芯片选型的一般原则0 1 。 ( 1 ) m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 是内存管理单元。如果希望使用l i n u x 或w i n c e 等操作系统以减少软件开发时间，就需要选择a r m 7 2 0 t 、s t r o n g a r m 、 a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 、a r m 9 4 6 t 等带有m m u 功能的a r m 芯片。但目前有u c l i n u x 等少数几种l i n u x 不需要m m u 的支持，可以运行于a r m 7 t d m i ( 没有删u ) 之上。 ( 2 ) 系统的工作频率在很大程度上决定了a r m 芯片的处理能力。a r m 7 系统芯 片的工作频率一般为2 0 m h z 1 0 0 m h z ，处理速度为0 9 m i p s z ；a r m 9 系统芯片 的工作频率一般为2 0 0 m h z 左右，处理速度为1 1 m i p s 姗z ；a r m l o 的工作频率最 高可以达到7 0 0 m 1 4 z 。如果系统需要进行图像处理等对速度要求比较高的应用， 就应尽量选择高版本内核的a r m 芯片。 ( 3 ) 有一些a r m 处理器具有片内存储器，但容量都不太大。如果系统不需要 大容量的存储器，并且对p c b 的面积要求比较苛刻时，可以考虑选用带有内置 存储器的芯片来开发产品。 ( 4 ) 很多芯片的g p i o 往往是与地址、数据、串口等线复用的，因而在系统 设计时，一定要计算实际可用的g p i o 的数量。 ( 5 ) 几乎所有的a r m 芯片都根据各自应用领域的不同，扩展了相关的片内外 设，如u s b 接口、i i s 音频接口、l c d 控制器、d m a 控制器、a d c 、d a c 以及 第2 章总体方案设计 d s p 协处理器等。设计者应分析系统需求，尽可能采用片内外设完成所需功能， 不但可以简化系统的设计，且可提高系统的稳定性。 ( 6 ) 基于a r m 芯片的封装主要有q f p 、t q f p 、p q f p 、l q f p 、b g a 和l b g a 等 形式，其中b g a 是用得最多的一种封装，但使用时需要专用的焊接设备，而且 需要用多层板来完成p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ，印刷电路板) 布线。 综合以上各因素并结合系统的实际需要，我们选用了s a m s u n g 公司的 $ 3 c 2 4 1 0 a 微处理器。 2 2 3s 3 c 2 4 1 0 a 简介“幻 s 3 c 2 4 1 0 a 是韩国s a m s u n g 公司推出的a r m 9 2 0 t 内核1 6 3 2 位r i s c 架构的一 款高性价比微处理器。a r m 9 2 0 t 由a r m 9 t d m i 、存储管理单元( m m u ) 和高速缓存三 部分组成。其中m m u 支持w i n d o w sc e ，、e p o c 3 2 、l i n u x 等嵌入式操作系统；高 速缓存由分别独立的1 6 k b 地址和数据高速c a c h e 组成。另外，a r m 9 2 0 t 还有 两个内部协处理器：c p l 4 ( 用于调试控制) 和c p l 5 ( 用于存储系统控制及测试 控制) 。 s 3 c 2 4 1 0 a 提供了一系列完整的外围设备，它的低功耗、精简和出色的全静 态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用，如手持设备、p o s ( p o i n to fs a l e ) 机、数字多媒体播放设备等。其主要特征如下： 2 0 3 删z 的a r m 9 2 0 t 内核，支持j t a g 仿真调试； 外都存储器控制( s d r a m 控制和片选逻辑) ，分8 个b a n k ，每个b a n k 可访问1 2 8 m 空间； 片内4 k bs r a m ，可用作n a n df l a s h 系统引导； l c d 控制器( 最大支持4 k 色s t n 和2 5 6 k 色t f t ) ，l 通道l c d 专用 d m a ； 4 通道d m a ，有外部请求引脚； 3 个u a r t ( i r d a l 0 ，1 6 字节t xf i f o ，1 6 字节r xf i f o ) , 2 个s p i 总线接口，1 个多主i i c 总线接口，1 个i i s 音频总线接 口： 兼容s d 主接口协议1 0 和m m c 卡协议2 1 1 兼容版； n a n df l a s h s m 卡接口，支持n a n df l a s h 系统引导； 2 个u s b 主机接口，其中1 个可作u s b 设备接口； 4 个p w m 定时器，1 个内部定时器，看门狗定时器； 1 1 7 个g p i o ，2 4 个外部中断； 9 成都理下大学硕士学位论文 8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口； 具有日历和时钟功能的r t c 和片内p l l 时钟发生器。 1 8 v 内核供电，3 3 v 存储器及外部i o 供电； 功耗控制模式：普通、慢速、空闲和掉电模式； 2 3 通信接口 随着现代计算机技术及通信技术的发展，通信接口的种类已经很多，目前在 工业控制领域，使用较为广泛的主要有：r s 一2 3 2 、r s 一4 8 5 和c a n 总线接口等。 r s - 2 3 2 作为一种标准，被广泛使用在从微控制器到主机的多种类型的计算机 及与其相连接的设备中，具有应用广泛、接线简单、价格便宜等优点。r s - 2 3 2 要 求两台设备直接连接( 点对点) ，通信距离较近时，可以用电缆线直接连接；较 远时，需附加调制解调器。 r s 一4 8 5 是为了适应以最少的信号线实现多站互联和构建数据传输网的需要 而产生的“，是目前国内应用较多的一种串行数据通信方式。对于单个节点，其 电路成本低，设计容易，实现方便，适用于节点数目较少，传输距离在1 公里以 内，安全性要求不很高的单主网络，其通信过程如下“： ( 1 ) 主设备启动传输线驱动程序，并发送数据给从设备。 ( 2 ) 主设备在所有数据发送完毕后终止传输，并等待从设备的应答。 ( 3 ) 从设备判断收到的数据是否为发给自己的，如果是则启动传输线驱动 程序，对主设备形成一个响应。当所有响应数据发送完毕后终止传输。 ( 4 ) 主设备分析这些来自从设备的响应以决定采取什么样的措施，然后初 始化下一个将要传输的数据。 r s - 4 8 5 采用平衡发送和差分接收，具有相当高的噪声抑制能力，在构建网络 时，应注意以下几点n ”： ( 1 ) 差分平衡系统中，一般选用双绞线电缆作为信号传输线，节点连接时， 总线到节点的引线应尽量短，以降低引出线反射信号对总线信号的影响。 ( 2 ) 传输距离较远时要使用终端电阻进行匹配，通常采用1 2 0q 电阻，对于 功耗限制比较严格的系统可以考虑r c 匹配。 ( 3 ) r s - 4 8 5 收发器差分输入端很容易受到静电冲击而损坏，最好选用带静 电保护的接口芯片。在多站互联且相距较远时，最好将各站接口电路之间进行电 气隔离，或采用专门带有隔离收发器的芯片。 ( 4 ) 尽量做到传输线与交流动力电缆分开单独铺设或使二者正交。尽量采 用带有屏蔽层的双绞线，并将屏蔽层良好接地。 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，控制器局域网) 是国际上应用最广泛的现 1 0 第2 章总体方案设计 场总线之一，可以在多主方式工作，实现点对点、一点对多点及全局广播几种方 式传输数据，适用于节点数目很多，传输距离在l o 公里以内，安全性要求高的场 合以及对实时性要求十分严格的机械控制网络，不适合有大量数据需要传输( 比 如视频音频信号) 的场合“。 表2 1 列出t r s 一4 8 5 与c a n 的部分特性比较。 表2 - ir s 一4 8 5 与c a n b u s 的特性比较 特性 r s 4 8 5 c a n 成本低廉 稍高 网络特性单主网络多主网络 总线利用率 低高 通信距离 1 2 k m1 0 9 a n 数据传输率较低高 开发难度 小大 可靠性较低 高 综合上述特点及本系统的一主多从结构、实时性与安全性的要求不苛刻，传 输距离近，我们选用r s - 4 8 5 总线来构建本系统的通信网络。考虑到r s 一2 3 2 接 口的通用性及在调试阶段的使用情况，系统中使用r s 一2 3 2 4 8 5 转接卡来实现 r s - 4 8 5 网络。 2 4 嵌入式操作系统 操作系统( o s ，o p e r a t i n gs y s t e m ) 是位于应用程序和系统硬件之自j 的一套 软件例程( 如图2 2 所示) ，它定义了一套标准的接口规则，提供了大量的服务， 并可用作运行和开发应用程序的平台“”。一个优秀的嵌入式操作系统( e o s ， e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 除具备一般操作系统的基本功能( 如任务调度、同 步机制、中断处理、文件功能等) 外，还需具备良好的移植性、可裁剪性、高可 靠性、提供强大的网络功能( 如支持t c p i p 协议) 、一定的实时性等特点“”。 目前，比较流行的嵌入式操作系统主要有w i n d o w sc e 、v x w o r k s 、p a l m o s 、 q n x 、l y n x o s 、u c o si i 、嵌入式l i n u x 等o “”。 其中前五种属于商用操作系统，性能稳定可靠，有完善的技术支持和售后服 务，在嵌入式市场占有一定的份额，但存在着需要版权、价格昂贵和源代码不公 开等问题。 成都理下大学硕十学位论文 u c o si i 是一个免费的可裁减、源码开放、抢先式的实时多任务内核，主 要面向中小嵌入式系统，具有移植性强、实时性好等优点“，是研究和学习实时 操作系统的首选，但缺乏配套的设备驱动程序，在工程应用领域使用较少。 图2 - 2 操作系统位于应用程序与硬件之间 接口 l i n u x 最初是作为通用操作系统而设计开发的，遵循g p l ( g e n e r a lp u b l i c l i c e n s e ，通用公共许可证) 是u n i x 的一个开源版本“，具备通用操作系统的功 能强大，实用性强，提供编程人员熟悉的标准a p i ，易于软件的二次开发等特点。 同其它开放源码的通用操作系统( 如f r e e b s d ) 相比，l i n u x 在多种处理器、开 发板支持和软件开发工具支持上有很强的优势。l i n u x 也提供了一些对实时处理 包括对实时软件开发的支持( 支持大部分p o s i x 标准中的实时功能，支持多任务、 多线程，具有丰富的通信机制等) ；提供了符合p o s i x 标准的实时信号机制和标 准的调度策略( 包括f i f o 、时间片轮转和静态优先级抢占式等) ；提供了内存锁 定功能，以避免在实时处理中存储页被换出“”。另外，l i n u x 还支持支持绝大多 数3 2 和6 4 位c p u ，支持t c p i p ，具有稳定性强、安全性高，可移植性好， 应用软件较多等特点。根据i d c ( i n t e r n e td a t ac e n t e r ，互联网数据中心) 的 报告，l i n u x 已经成为全球第二大操作系统，1 i n u x d e v i c e s e o m 对全球嵌入式 厂商所进行的最新统计( 见图2 3 ) 表明，在嵌入式开发中，l i n u x 已经成为首 选。随着熟悉l i n u x 的用户和开发人员越来越多，基于l i n u x 的嵌入式应用开发， 比基于v x w o r k s 、l y n x o s 等操作系统的开发要熟悉而容易地多。预计到2 0 1 0 年 以前，嵌入式l i n u x 将一直处在一个高速的发展时期，将在不仅仅是消费电子的 更多领域( 如交换机、路由器、汽车电子等领域) 得到更加广泛的应用，引领嵌 入式开源的浪潮，降低嵌入式软件产品的版税，推动嵌入式软件产业的扩张和发 展1 。 第2 章总体方案设计 图2 - 3 嵌入式产品中嵌入式操作系统使用情况 改造后的嵌入式l i n u x ( 即经过裁剪的l i n u x ) 具有了适合于嵌入式系统的 特点：内核精简，高性能，稳定，良好的多任务支持，支持多种体系架构( 如x 8 6 、 a r m 、m i p s 、p o w e r p c 、s p a r c 等) ，可伸缩的结构，以设备驱动程序的方式为应 用提供统一的外设接口，广泛的软件开发者支持，完整的技术档案，便于二次开 发等，为嵌入式操作系统提供了一个极具吸引力的选择。 2 5m o d b u s 通信协议”町 成功进行通信必须具备以下要素：消息、发送机、接收机、媒介和协议。协 议是收发双方共同认定的程序，可由硬件、软件或二者共同来实现，协议的关键 是消息的传送效率以及检测纠错的能力“”。m o d b u s 协议是一种新型的现场总线 技术，因其具有良好的通用性、令人满意的传输效率以及超强的检错能力，被广 泛应用于各种数据采集和过程监控系统，同时也成为本系统的首选。 m o d b u s 串行网络上使用主从技术通信，即仅一台主设备能初始化传输，其 它设备( 从设备) 根据主设备提供的数据作出相应反应。主、从设备自j 既可单独 通信，也可广播通信，传输模式有：a s c i i ( a m e r i c a ns t a n d a r dc o d ef o r i n f o r m a t i o ni n t e r c h a n g e ，美国标准信息交换代码) 模式和r t u ( r e m o t et e r m i n a l u n i t ，远程终端单元) 模式。同一网络上，所有设备都必须选择相同的传输模式 和串口参数( 波特率、校验方式等) 。在同样的波特率下，r t u 模式比a s c i i 模 成都理t 大学硕七学位论文 式有更大的数据吞吐量，这也是本设计所采用的模式。此模式下，用时长不少于 3 5 个字符时间的空闲间隔将报文帧分开，并且整个报文帧必须作为一连续的流 传输，如果两个字符之间的空闲间隔大于1 5 个字符时间，则认为报文帧不完整， 予以丢弃。 m o d b u s 串行网络有两种校验方法：奇偶校验( 应用于单个字符) 和帧校验 ( 应用于整个消息) 。r t u 模式下，帧校验采用c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c y c h e c k i n g ) 校验。校验码由发送设备自主产生的，接收设备在接收后重新计算校 验码，并将结果和所接收的校验码比较，如果不等，说明有错误。网络中，从设 备必须事先被指定以唯一的地址0 2 4 7 ( 十进制) ，其中0 被用作广播地址。主 设备通过地址码来选通从设备；从设备回应时，则使用自己的地址。 协议严格规定了网络上主、从站都能够识别的消息结构，只要严格按照这种 结构进行报文帧封装，