（电路与系统专业论文）嵌入式工业监控系统的设计与实现.pdf

韭躯銮适左堂亟堂 位i 盆塞 史塞埴墨 中文摘要 摘要：在当前数字信息技术和网络技术高速发展的后p c 时代，嵌入式技术已 经广泛的渗入到各个工业控制领域。随着高性能a r m 微控制器的推广和大量嵌入 式操作系统的出现，嵌入式技术已成为目前最热门的技术之一。 本文首先介绍了嵌入式技术特点与应用、e p 7 3 1 2 微处理器的内部资源以及 l i n u x 操作系统的技术特性和内核结构。然后详细阐述了基于a r m 微处理器的嵌 入式控制器硬件开发平台的设计和基于“n u x 的软件平台的构建以及在此平台上 的监控程序开发。本文做了以下几个方面的研究： 1 研究了以a r m 7 2 时微处理器的结构特点及应用，开发设计了一个以 e p 7 3 1 2 微处理器为核心的嵌入式控制系统。 2 研究了l i n u x 操作系统的原理和特点，深入分析了u n u x 内核结构，并在 a r m 的嵌入式控制器上移植了l j n u x 操作系统。 3 研究了嵌入式l i n u x 操作系统下的设备驱动开发，并设计了嵌入式控制系 统的设备驱动程序。 4 完成了嵌入式工业控制系统上的应用软件设计，主要包括：数掘采集、存 储、处理和显示等。 关键词：工业监控，嵌入式系统，l i n 呱，a r m 分类号：t p 2 1 6 e 塞銮堑厶堂鲰堂缱盈塞垦s ! b ! a b s t r a c t a b s t r a c r ：h lt h ep o s t p cp e r i o d ，d i 百t “i n f 0 棚a t i o na n dn e t w o r kt e c h n o l o g y i sh i g l l l yd c v c l 叩i n g 姐de m b e d d c dt e c h n o l o g yh a sw i d e l yp e n e t m t e di n t oa l lk i n d so f i n d u s t r yd o m a i n s a l o n gw i t hw i d ea p p l i c a t i 呻o fg o o dp e 响姗a n c ca r mc p u 柚d e o s ( e m b e d d e do p e r a t i s y s t e m ) ，t h ee x p l o i t a t i o n o fe m b e d d e db e c o m c sv c r y p o p u l a l t h ep a p e rf i r s ti i l t r o d u c c st h ec h a r a c t e r sa n da p p l i c a t i o no fe m b e d d c dt e c h n o l o g y ， t h ei n t e r i o rr e s o u r c eo fm c ue p 7 3 1 2 ，t h ec h a r a c t e 】湛o f “n u xa n dt h es t n l c t u r eo fi t s k 锄e 1 t l l c ni td e s c r i b e st h eh a r d w a i ed e s i 酗o fa i l 锄如e d d e dc o n t m u e rb a s e d 蚰 a r m ，t h cp r o c e s so fc r e a t i n g 栅e m b e d d e dl i n u xp l a t f b 肌觚dh o wt od e v e l o pt h e a p p l i c a t i o ns o f 协a r eo n “t 1 l cm a i nc o n t e n ti nt h ed i s s e r t a t j o ni s 船f o l l o w ： ln es t m c t u f e 锄d 印p l i c a t i o no ft i l ea r m 7 2 叮i ss t u d i e d a ne m b e d d e d c o n t r o l l e rs y s t e mi sd e s i g i l e d b a s e do ne p 7 3 1 2 2 1 kt h e 讲ya n dc h a r a c t e r so fl i n u xi ss t u d i e d ，a n dt h cs t r u c t u r eo ft h eu n u x k e m e li st h o m u g l l l ya n a l y z e d f i n a l l y ，l i n u xi st r a n s p l a i l t e do nt h ee m b e d d e dc o n t m l l e f b a s e do n a r mm c u 3 d e v i c cd r i v e rd e s i 凹o nl j n u xp l a t f o 埘i ss t u d i e d t l i l ed c v i c ed r i v e r sp m g r a m s o ft h ee m b e d d e dc o n t m l l e ra r ef i n i s h e d 4 t h ea p p i i c a t i o no ft h ee m b e d d e di n d u s t r ym o n i t o rs y s t c mb a s e do nl i n u xi s f i n i s h c d ni n d u d e sd a t ac o l l e d i o n ，s t o r a g e ，p m c e s s i n ga 1 1 dd j s p a l y k e y w o r d s ： i n d u s t r y - m o n i t o r _ s y s t e m ，e m b e d d e d - s y s t e m ， l i n u x ， a r m c l a s s n o ：t p 2 1 6 致谢 在两年多的研究生学习和研究过程中，我的导师侯建军教授给了我精心的指 导和悉心的关怀。在毕业论文的写作过程中，侯老师虽然忙于教学和科研工作， 但他仍然细心地对我进行指点，为我付出了极大的心血。侯老师这种严谨的治学 态度和对工作的热忱使我受益颇深、终生难忘，对我将来走上社会将有很大的帮 助。在此，向我的导师侯建军教授致以衷心的感谢和崇高的敬意! 在我完成论文 的过程中得到了铁道科学研究院的杨孚衡及其他工程师们的大力协助。在研究学 习期间，我与本实验室的硕士研究生马嫒嫒、吴卿、宋飞在许多问题上进行了探 讨，共同学到了许多知识，他们帮助我解决了许多学习中的疑惑和问题，给了我 很多有益的建议和热情的帮助。我的许多同班同学也在这两年多的时间里给予过 我热心的帮助。在此一并向他们表示衷心的谢意! 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1 嵌入式系统简介 1 绪论 嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，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。它 主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用软件等部 分组成。用于实现对其它设各的控制、监视和管理等功能。嵌入式系统已经广泛 渗透到人们的工作、生活中，从家用电器、手持通讯设备、信息终端、仪器仪表、 汽车、航天航空、军事装备、制造工业、过程控制等。嵌入式系统的出现至今已 经有3 0 多年的历史，近几年来，计算机、通信、消费电子的一体化趋势日益明显， 嵌入式技术已成为一个研究热点。纵观嵌入式技术的发展过程，大致经历四个阶 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，具有与监测、伺服、 指示设备相配合的功能。这类系统大部分应用于一些专业性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。这一阶段系 统的主要特点是：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，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、价格低，以前在国内工业领域 应用较为普遍，但是已经远不能适应高效的、需要大容量存储的现代工业控制和 新兴信息家电等领域的需求。 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。主 要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统达到 一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业化，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。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、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口a p i ，开发应用程序较简 单；嵌入式应用软件丰富。 第四阶段是以l l l t c m c t 为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶段。 目前大多数嵌入式系统还孤立于h l t e m e t 之外，但随着h l t e m c t 的发展以及h l t e m e t 技术与信息家电、工业控制技术结合日益密切，嵌入式设备与h t c m c t 的结合将代 表嵌入式系统的未来。 嵌入式系统由于硬件的先天限制，通常只具有较少的硬件资源，如低功耗c p u 、 较少的内存、常不具有磁盘而用小容量的f l a s hm e m o r y 或r a m 盘。而在使用电 池的系统中，它还要实现节省电池消耗，延长电池使用时间的功能。 在软件开发部份，为了配合嵌入式系统，业界己发展出多种嵌入式操作系统 ( e m b c d d e do p e r a t i o ns y s t 锄) 。这些实时操作系统的功能强大，尽管其内核比起 通用p c 操作系统来说非常小，但它能作为设计人员的开发平台，代表性的作品有 微软的w i l lc e 、n t e m b e d d e d ；i j n u x 、p a l m0 s 等。 综上所述，嵌入式系统技术的日益完善，3 2 位微处理器在该系统中的主导地 位，标志着嵌入式操作系统已经从简单走向成熟，其应用将日益广泛。 1 2 课题研究的背景及意义 实时性强、功耗低、可靠性高、适应性强、网络化、良好的人机界面等成为 目前工控领域的发展方向之一。传统的以单片机为核心的控制系统，很难满足功 耗低、可靠性高、体积小等要求，并且它的数据处理能力比较差，而且它在网络 方面也有很大的局限性，组网能力差；很难组成大型的网络监控系统，常孤立于 i n t c m e t 网络之外。为了借助五吡锄e t 网实现网络化，常中间通过工控机转接，这 样就可以与工业控制网、各种总线技术、局域网以及h l t 锄e t 网络进行连接，组成 大型的网络监控系统，但是融合各种通讯协议的能力不是很好，而且工控机体积 比较大，移动性、抗震、防尘能力都比较差，对环境要求比较高，把嵌入式技术 引入工控领域，除了可以解决上述缺陷外还为开发者提供了大量的工具和函数库， 从而减少了传统的客户端和二次开发的工作量，并且嵌入式技术能容易地和因特 网技术结合起来，使得整个工控网络只有底层通信协议。但传统的工业控制采用8 位或1 6 位单片机很难满足要求，随着3 2 位a r m 内核高性能微处理器的推广，存 储器容量和运算速度能够满足i n t e m c t 通信协议的要求，须对现有的工业控制系统 进行升级。随着嵌入式技术的不断发展和高性能处理器的出现，嵌入式技术必将 在工业监控系统中得到广泛应用，对传统工业监控设备必将产生重要影响。 1 3课题来源及主要工作 本文研究课题是铁道科学研究院的科研项目，在该论文中设计了一个基于 e p 7 3 1 2 的嵌入式工业控制系统，其主要用途是采集桥梁的状态信息，分析桥梁的 健康状况，其总体框图如图1 3 1 所示。该系统中的嵌入式控制器以高性能能微处 理器为核心，运行i j n u x 操作系统，适配器( 主要功能是通信协议转换，传送命令、 数据格式转换等) 通过r s 4 8 5 c a n 总线实现测控仪器与嵌入式控制器的通信。适 2 配器通过r s 2 3 2 与嵌入式控制器通讯，控制器可以通过网口与h i t e m e t 连接，实现 远程控制。嵌入式控制器负责控制测控仪器的控制，实现对工业设备的集中管理。 i 测控仪器1i 一- 测控仪器2 卜一 r s 4 8 5 ，( ：a n r s 2 3 2 嵌入式 适配器 控制器 测控仪器n 卜_ 图1 3 1 监控系统总体框图 本文研究嵌入式系统的软硬件的设计。具体工作包括以下几个方面： 1 硬件设计 设计了基于e p 7 3 1 2 的嵌入式控器硬件电路，完成了测控仪器与e p 7 3 1 2 的接口 电路的设计，并对硬件电路进行检测。 2 系统引导程序设计 研究e p 7 3 1 2 系统引导程序的设计方法，包括引导程序的设备初始化，参数传 递，执行速度，空间占用量，汇编和c 混合编程等问题。从它要执行的任务、框 架结构以及安装等几个方面详细分析嵌入式系统的引导程序并给出设计方案。 3 l i n l l 【相关程序设计 详细研究了u n u x 体系下的硬件驱动程序开发，完成了嵌入式u 删x 操作系统 下的数据采集设备驱动程序设计。监控系统软件设计主要包括：与下位机的r s 4 8 5 通信、数据分析以及显示等。 3 2 1系统目标 2 系统总体设计 系统的设计目标是对下位机传输来的数据进行存储、处理，同时能够对下位 机传输控制命令。所以该系统具备网络通讯功能，可以进行远程网络传输，同时 具有串口可与其他外设或p c 机进行数据交换。该系统在硬件方面，要体积小，功 耗低，适合于野外工作，同时要具备串口和网口，便于数据传输和网络互连。为 了扩展自身功能，系统还具有并行输出的a ，可直接对模拟信号进行采集，充 分利用处理器的数据接口，提高系统性能。 2 2系统整体设计方案 2 2 1 系统硬件设计方案 由于该系统是一个嵌入式工业控制系统，所以在选取处理器时应考虑它的运 算能力及系统在网络传输、文件管理、数据存储等方面的要求。目前，可采用以 下两种方式来实现：一种是使用专用的d s p 芯片实现相关运算处理，另一种是选 择综合能力较强处a r m 处理器。这几种实现各有优缺点。 选择哪一种结构来完成系统功能，要根据不同的算法和具体的系统要求而定。 通常，d s p 主要针对运算复杂，实时性要求高，任务相对单一的场合。a r m 处理 器主要用于多任务处理，实时性要求适中的场合。对比以上几点，由于本次所设 计的系统对数据的处理的实时性要求不是很高。所以本次设计采用综合能力比较 强的a r m 处理器来实现数字信号的存储和分析。a r m 系列的3 2 位处理器e p 7 3 1 2 的工作频率高达7 4 m h z ，其处理能力较强，并且，该处理器具有工业级芯片，其 工作温度范围：5 5o c 1 2 5o c ，可以满足不同场合的应用。 2 2 2 系统软件设计方案 1 操作系统的选择 为了实现嵌入式数据采集和频谱分析，并且快速地进行存储、显示和文件操 作等功能，首先要选择一个合适的嵌入式操作系统。目前国内外己有几十种操作 系统可供选择，比如：嵌入式l j n 畎，v x w 酬| ( s 。p s o s ，n e c i l l c u s ，p a l m o s 和w i n d o w s 4 c e 等。目前在我国应用较多的为嵌入式i j 肌x 和w i n d o w sc e 。 嵌入式h 叫x0 s 与w i n d o w s c e 相比，具有如下优点： 第一，嵌入式ii n l 瑗是开放源代码的，不在存黑箱技术，遍布全球的众多l i n u x 爱好者都是u n u x 开发者的强大技术支持，而w i n d o w sc e 是非开放性o s ，使第 三方很难实现产品定制。 第二，嵌入式u n u x 的源代码是公开的，注释详细，开发文档齐全，易于开发。 第三，嵌入式u n 慨的内核小、效率高，而w i i l d o w s c e 在这方面则占用过多 的r a m ，应用程序庞大。 第四，嵌入式u 肌x 是源代码公开免费使用的0 s ，在价格上极具竞争力。 第五，嵌入式u 蛐x 不仅支持x 8 6 芯片，还是一个跨平台的系统。到目前为止， 它可以支持2 0 、3 0 种c p u 。 第六，嵌入式u n 畎内核的结构在网络方面是非常完整的，它支持十兆位、百 兆位及千兆位的以太网络，还有无线网络、t 0 k 锄豳g ( 令牌环) 和光纤甚至卫星通 讯。 第七，嵌入式h 加x 在内核结构的设计中，考虑了适应系统的可裁减性的要求， w i n d o w sc e 在内核结构的设计中并未考虑适应系统的高度可裁减性的要求。由于 以上几个特点和优势，结合本次设计的要求，在本课题中采用了嵌入式u n u x 操作 系统。 2 操作系统的多任务性和应用程序设计的方案选择 多任务定义了一个操作系统同时运行多个程序的能力。理想的多任务系统可 以在几个应用程序之间如此快的切换，可以认为所有的程序就像同时运行一样。 嵌入式l i n u x 操作系统就是这样的一个多任务的操作系统。由于它的多任务性，开 发者可以将一项复杂的工作划分成为几个相互独立的任务，这样可简化应用程序 的设计。更重要的是可以缩小整个系统的响应时间，提高系统性能。特别对于数 据采集这种需要实时采集和处理的系统来说，可以减少数据的丢失，提高可靠性。 在进行程序设计时，可以将数据存储部分放在前台，数据处理和显示部分放在后 台，这样就能保证整个系统高效率地完成各项功能。但是，由于嵌入式设备的 n a s h 空间相对较少，而按照多进程的设计方案设计出的程序空间占有量相对来 说还是比较大，所以采用多进程的程序设计方法，不能很好地满足系统要求。而 多线程指的是一个独立的程序看起来像是同一时间执行多个任务的功能。这里， “任务”指一个计算单元。线程和进程最重要的区别是它们在执行时占用的资源量。 所谓资源，指的是包含数据结构的内存块、读写的文件等等。每个进程通常有自 己独立的资源。也就是说，一个进程包含一个程序的所有资源，即拥有自己独立 的内存空间和文件描述符等系统资源。而一个进程中的多个线程则可以共享此进 5 程中的内存空间和文件描述符等系统资源。线程的另一个优点是其运行环境切换 比进程间运行环境的切换要快得多( 运行环境切换是指系统从运行一个线程或进 程，切换到运行另一个进程或线程) 同样，线程问的通信通常比进程间的通信更 快、更容易。鉴于以上原因，本系统的软件设计将采用多线程的编程方式。 3 系统引导程序的方案设计 目前开源的系统引导程序( b o o t l o a d e r ) 有u ，0 0 “a m b 0 0 t ，s h b 0 0 t ，r e 曲0 0 t 等。u b o o t 是迄今为止功能最为强大的开源b o o t l o a d e r 程序，它支持多种处理器平 台，但它只是一个模板，具体到实际应用中，还需要对其进行修改。由于它包括 了4 0 0 多个文件夹，3 0 0 0 多个文件，并且文件间函数频繁的嵌套调用，所以要想 直接对代码进行分析和修改是一件浩瀚的工程。为了解决这个问题，我们采用了 a r m 开发工具a d s 。由于a d s 具有仿真和远程调试的功能，这样我们只需设计 所需要的源文件，然后利用a r m 工程管理器建立一个工程。编译该工程时，它就 会自动找到相应的头文件。然后从它的唯一的入口点进入开始运行。我们可以进 行单步程序调试，并对照汇编指令和c 程序源码进行分析，调试，优化程序。 4 驱动程序的设计 驱动程序为上层软件提供设备的操作接口。驱动程序隐藏了各种设备的具体 细节，维护着设备的正常工作，在用户与设备之间起到了桥梁作用。设备驱动程 序的设计是开发嵌入式系统的一个重要环节。为了能够正确地进行数据采集以及 远程监控，需要设计其设备驱动程序，在a d l 6 7 4 的驱动设计中，使用了a r m 体 系结构特有的快速中断技术，以加快中断响应速度。最后，为了使所设计的驱动 程序有效地运行，还要研究对内核相关文件的修改、配置和编译问题。 6 3 1系统硬件介绍 3 系统硬件设计 系统的硬件部分包括：e p 7 3 1 2 处理器、模数转换芯片a d l 6 7 4 、l c d 接口、 8 m bn o rf i 。a s h ( e 2 8 f 1 2 8 j 3 a ) 、1 2 8 m bn n d 躺h ( k 9 f 1 g 0 8 u o a ) 6 4 m b s d r 气m ( h y 5 6 v 5 6 1 6 2 0 两片) 、以太网接口、标准r s 2 3 2 接口、r s 4 8 5 接口、 系统总线接口，其总体框图如图3 1 1 所示。 电源系统总线接口以太网接口 6 4 ms d r a m r s 2 3 2 1 y 5 6 v 5 6 1 6 2 0 r s 2 3 2 2 e p 7 3 1 2 8 m n o r f l a s h a r m e 2 8 f 1 2 8 j 3 a 1 2 8 mn a n d r s 4 8 5f l a s h k 9 f l g 0 8 u o a 键盘接口液晶接口 a d l 6 7 4 图3 1 1 系统总体框图 一、e p 7 3 1 2 处理器简介 e p 7 3 1 2 是在一块芯片实现个人数字化音频解决方案的嵌入式处理器，为一些 超低功耗的应用而设计，如需要音频、视频解压缩的便携设备，网络应用，和低 功耗工业控制。它的特点是体积小、功耗低、成本低、处理能力强。e p 7 3 1 2 以a r m 公司的3 2 位a r m 7 2 仃r 作为中央处理器单元核，包括总线控制单元、u o d 控制器、 中断控制器、定时器、串行接口电路、r a m ，r o m 和数字音频接口等。此处理器 还包括高速的晶振电路、p l l 和低速的时钟输入电路，节省功耗操作和一些高速 的实时时钟功能。e p 7 3 1 2 处理器具有以下特点： a r m 7 2 时处理器内核 a r m 7 2 0 t 是基于a r m 7 1 d m i 的3 2 位的r i s c 嵌入式处理器内核，因此 除了具备a r m 7 1 d m i 的特点之外，还有： 7 为不同任务i d 分配了虚拟地址，加上缓存的使用，极大地提高了任务 切换时的性能。 内置m m u 支持传统的二级页表结构和许多的扩展，因而适用于嵌入 式控制、u n i x 和面向对象系统的应用 内置e t m 接口，可以将a r m 内核信号传送到内核外围，从而与标准 的e 嘲7 宏单元 a r m 7 2 0 t 完全是静态设计，满足最少耗电要求，因而非常适用于移动 设备 内部存储器 4 8 k b 的片上s i 硝m 内置b 0 0 t r o m “= d 控制器 彩色l c d 接口 视频帧缓冲大小可编程，高达1 2 8 k 每个点阵的位为l 、2 或4 位 中断控制器 能够接收2 2 种不同中断源的中断请求 有普通中断和快速中断两种类型 内部存储器 高达6 个独立的存储器段，每个段高达2 5 6 m b 每段可配置成8 、1 6 、或3 2 位宽，并支持页模式访闯 支持可插拔f i a s h 卡接口 具有s d r a m 接口 2 7 个通用i ，o 口 其功能框图如图3 1 2 所示。 8 丝 芷 2 一 g 缶 磊 墨 看 男 暑 m m e m o r y 曩n ds t o r a g e 图3 1 - 2e p 7 3 1 2 功能框图 e p 7 3 1 2 采用外部存储器和i o 统一编址。对于前2 g 空间，按照每2 5 6 m b 为 一段分为8 段，其中六段地址空间分别由n c s o - n c s 5 作为片选端，6 个段中的任 一段可单独地被设置为8 、1 6 或3 2 位宽，支持页模式存取，并且在执行非连续存 取时可插入1 8 个等待状态，执行突发模式存取时可插入0 3 个等待状态。另外两 段地址空间由内部信号( 对外不可见) n c s 6 与n c s 7 选通，分别分配给片内的r a m 和内部启动r o m 。 二、s d r a m 与f l a s h 存储模块 这个模块的设计采用了两种类型的存储器，即s d r a m 和f i a s h 。系统采用 f l a s h 存储器固化系统引导程序、操作系统内核、用户程序以及数据。当系统启 动时，可直接执行f 1 a s h 内的程序。系统采用s d r a m 作为系统的程序运行区， 系统上电后，膦h 内的b o o t l o a d e r 将操作系统内核加载到s d r a m 中，然后修 改程序指针，执行s d r a m 内的程序。本次设计中n o rf ia s h 选用矾t e i 公司 2 8 f 1 2 8 j 3 a ，并且将其配置成“1 6 ”模式，与e p 7 3 1 2 的c s 0 对应相连，如图3 1 3 所示。 9 图3 1 3e p 7 3 1 2 与n o rf i a s h 的连接 n a n df 1a s h 选用三星公司的k 9 f 1 g 0 8 配置成“8 ”模式，与e p 7 3 1 2 的c s l 对应相连，如图3 1 4 所示。 n c戢 c 1 0 1 。； n cn c 趣享 hc并c n ck n cl n 7 n c 舳i r el “ c en c n c l l c n cn c k 些萍 n c托 n cn c c l en c 冉嚣耋 l m 观i _ 1 0 2 7 i l 俞 w pi d l k脚 h cn c kn c n c n c m ck 图3 1 _ 4e p 7 3 1 2 与n a n df l a s h 的连接 在本次设计中，s d r a m 芯片选用现代的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 h f h 4 b a n k s 4 m 1 6 b n ss d r a m 共两片，做字扩展，可寻址存储空问为6 4 m b ，作 为该系统的程序运行区。s d r a m 与e p 7 3 1 2 的连接分别如图3 1 5 所示。 1 0 图3 1 巧e p 7 3 1 2 与s d r a l u 的连接 三、以太网模块 c s 8 9 0 0 a 是c i m l s 公司生产的一种高集成度的全面支持髓e 8 0 2 3 标准的以 太网控制器。c s 8 9 0 0 a 支持8 位、1 6 位的微处理器，可以工作在i ，o 方式或m e m o r y 方式。片内集成了i s a 总线接口，可以直接和有i s a 总线的微处理器系统连接， 片内集成了4 k b 容量的p a c k e t p a g c 结构的r a m ，这4 k b 存储器映像结构的r a m 包括片内各种控制、状态、命令寄存器，以及片内发送、接收缓存。用户可以以 i o 方式、m e m o r y 方式或d m a 方式访问它们。之所以选择c s 8 9 0 0 a ，是因为c i 删s 提供了c s 8 9 0 0 a 的基于各种操作系统的驱动程序源代码，这就为开发带来了方便。 c s 8 9 0 0 a 的内部构造如图3 1 6 所示。 1 1 图3 1 - 6c s 8 9 0 0 a 的内部构造 c s 8 9 0 0 a 与e p 7 3 1 2 的连接如图3 1 7 所示。 e p 7 3 1 2c s 8 粥雌 d 习 c s 【2 】 蝌 d 【1 5 ：0 】d 【1 5 ：o 】 a 【3 ：0 】a p ：0 】 图3 1 - 7c s 8 9 0 0 a 与e p 7 3 1 2 连接图 四，串行接口模块 e p 7 3 1 2 配备了两个通用串行接口( u a r t s ) 。两个接口支持的数据速率可达 1 1 5 2 k b p s 并且在两者的接收和传输通道有一个1 6 字节h f 0 。u a r t l 同样支持 h d a 协议，可以在软件管理下被激活。e p 7 3 1 2 上功能完全的串行端口是u a r t l ， 具有标准的m o d e m 调节信号。u a r t l 信号通过一个单独的m a ) 【3 2 4 3 e 芯片转换 为r s 2 3 2 标准。电路连接如图3 1 8 所示。 1 2 图3 1 8 串口1 u a r t 2 只支持d 【d 和r x d 信号，作为精简的r s 2 3 2 通信接口，其电路连 接如图3 1 9 所示。 u 9 t撕to玎t 8 l 的u t鲫 2 l 一。u ：5 v c cc l + 6 一l 1 9 一一 2 i = = v 上v -7 i 3 再-c 1 一 r 一 再c2+ 上玉_ 善 _ l 铲1 w l j l ! g n dc 2 - 。e = 豢 哪 螂 + o f f懈v 图3 1 9 串口2 为了能进行远程通信，将串口1 的t x d 和r x d 信号线与4 8 5 接口芯片 m a x 4 8 5 e 相连构成系统的4 8 5 通信模块，由于4 8 5 为半双工通信，用c p u 的一 个i ，o 口控制它的收发状态切换，并在m a x 4 8 5 e 的a ，b 两端增加匹配电阻，使 数据传输效果达到最佳，其电路连接如图3 1 1 0 所示。 u 1 2 如 田o 27 锄5 b = r eb 3 6 艟5 h d e 1 口口口l 稿5 5 d i 吲d 1 2 1 i u f 图3 1 1 0r s 4 8 5 接口 五、c p u 时钟 e p 7 3 1 2 有两个时钟输入端，一个用来给c p u 提供时钟信号，另一个是用来作 为实时时钟的计数信号，是系统正常工作的重要组成部分。该系统就采用由外部 的3 6 8 6 4m k 的晶振提供内核所需要的1 8 4 3 2 m h z ，3 6 8 6 4m 勉，4 9 1 5 2 m h z 或 7 3 7 2 8 m h z 的时钟。同时采用一个低功耗的3 2 7 6 8 k h z 的晶振，用于产生实时时 钟所需要的1 h z 时钟。如图3 1 1 1 所示。 呈；b 图3 1 一1 1 系统时钟 六、电源管理模块 电路工作需要使用两组电压源，分别是3 3 v 和2 5 v 。e p 7 3 1 2 为低功耗的应 用而设计，其c p u 内核工作电压为2 5 v ，i o 口的工作电压为3 3v 。其他板载存 储器需要3 3v 供电电压，因为开发板的功耗不大，所以使用传统的三端稳压电路 就可以满足要求。系统的第一级供电电压为9 v ，通过m ( 7 1 0 降为5 v ，3 3 v 和 2 5 v 电压分别通过三端稳压电路u 1 1 1 7 3 3 和l m l l l 7 2 5 得到。 由于c p u 第一次上电后必须通过外部脉冲信号才能使其进入工作状态，所以 需外加唤醒电路，如图3 1 1 2 所示。 1 4 图3 1 - 1 2c p u 唤醒电路 七、数据采集模块 模数转换电路是数据采集模块中的一个重要环节。它实现了将采集的模拟信 号转换成数字形式，以便计算机能对其读入，其技术指标主要有： 量化误差( 分辨率) 转化精度 转化时间( 转化速率) 零点温度系数和增益温度系数 对电源电压的变化抑制比 模数转换器种类繁多，应用较广泛的主要有逐次逼近式、双积分式、量化反 馈式及并行式等模数转换器。逐次逼近式a 巾转换器的主要优点是转换速度快， 此外与有同样分辨率的双积分型转换器比较，它不需要高精度的运算放大器，而 且成本也比较低。这种形式的a d 转换器广泛应用于各种系统中，本次设计中a d 采用是a d l 6 7 4 。它是美国a d 公司生产的种1 2 位并行微机接口的逐次通用型 模数转换芯片，具有结构紧密、性能稳定、转换速度快等特点，可广泛用于温度、 压力等工业参数测量应用。该芯片内部自带采样保持器( s h a ) ，1 0 伏基准电压源、 时钟源以及可与微处理器总线直接相连的暂存三态输出缓冲器。与同系列的早期 产品a d 5 7 4 a 6 7 4 a 相比，a d l 6 7 4 的内部结构更加紧凑，集成度更高，工作性能 ( 尤其是高低温的稳定性) 更稳定，在实际应用中设计空间大大减小，进一步降低了 成本并提高系统的可靠性，因而广泛应用于各种商精度数据采集系统检测电路中， 是快速、高精度数据采集系统的理想选择。 它有如下特点： 带有内部采样保持的1 2 位逐次逼近( s a r ) 型模数转换器； 采样频率为1 0 0 k h z ，转换时间为1 0 l l s ，满量程校准误差为o 1 2 5 ； 具有土1 2l s b 的积分非线性( l ) 以及1 2 位无漏码的差分非线性 ( d n l ) ： 片内带有+ 1 0 v 基准电源，也可使用外部基准源； 单极或双极电压输入范围分别为士5 v ，士1 0v ，0 v - 1 0v 和0 v 2 0 v ； 数据可并行输出，采用8 ，1 2 位可选微处理器总线接口； 内部带有防静电保护装置( e s d ) ，放电耐压值可达4 0 0 0 v ； 采用双电源供电模拟部分为士12v ，士15v ，数字部分为+ 5v ； 温度范围：a d l 6 7 4 j 瓜：0 0 c - 7 0 0 c ，a d l 6 7 4 a b ：4 0 0 c 8 5o c ，a d l 6 7 4 t ： 5 5o c 1 2 5o c 。 其内部结构如图3 1 - 1 2 所示。 图3 1 1 2a d l 6 7 4 内部结构图 其工作电路如图3 卜1 3 所示。 1 6 j e ：塞窑迢鑫堂亟堂僮i 金塞丕统塑往丝让 r 1 0 0 k + 1 5 v j 0 芒 1 0 0 nl o 广叫蚺一 审o t o + 1 吖 a n a l o go _ 一 i m u t s 厶一 3 2硬件测试 21 2 培 3c s 4 5 r f c bc e 1 0r e f i n 8r e f o l ，t 1 2 暑l p o f f s t s2 e h i g h b 盯s 2 2 7 m i l b r r s 2 0 2 3 l o w b 仃s 1 s 1 9 a d l 8 7 4 + “1 1 3 1 0 v _ 1 w7 1 毒2 0 v 咐 一 w 1 9a n a c o 啊d i gc o m1 5 图3 1 1 3a d l 6 7 4 单极性采样电路图 当p c b 板制作出来后，首先检查p c b 板的情况，如线路的连接、过孔等。用 万用表检查同一网络标号连线是否导通，不同网络标号的连线是否隔离等。当检 测板没有问题后，就可以焊接器件。当硬件板焊接后，必须进行相应的测试以检 查其工作是否正常。先检测电源输出是否符合要求，因此，在设计中增加开关指 示灯来控制指示电源的供电情况，否则难于检查。当电源系统测试完成后，下一 步开始检测处理器的工作状态。为了排除在测试处理器过程中受到其它不必要的 干扰，在测试时，只焊接上必要的部件，如电源部分、s d r a m 等。因为将全部部 件都焊接上，有可能因为其它芯片的失效而影响到处理器的测试结果。在测试处 理器时主要测试其以下3 种类型的信号。 时钟信号，检查时钟频率是否符合要求 重要的控制信号，即读写、片选等信号 数据线和地址线是否连接正确 以上的测试仅是物理意义上的测试，为了进一步测试处理器能否正常工作， 还要检测处理器能否正常执行各项指令，检测处理器的寄存器，对r a m 进行读写 等。检查这部分功能可以利用e p 7 3 1 2 提供的j 1 a g 接口进行检查。在系统设计中， p c b 板上己预留j t a g 调试接口。连接j 1 a g 口与p c 机的并口，通过j 1 a g 调试 代理将程序下到目标板上。通过f e 西s t e r ，m 锄o r y 窗口就可以看到各个指令的执行 情况及寄存器的状态。当处理器部分测试成功后，整个目标板就能正常工作了。 系统的硬件平台的设计也完成了。接下来就要设计系统引导程序( b o o t i o a d c r ) 。 1 7 4 系统启动程序设计 一个嵌入式系统从软件的角度看通常可以分为四个层次。 1 系统引导程序，即b o o t l o a d e r 。 2 用于嵌入式系统的操作系统内核。 3 文件系统，建立于f 1 a s h 内存设备之上的文件系统。 4 用户应用程序，指特定于用户的应用程序。有时在用户应用程序和内核层 之间可能还会包括一个嵌入式图形用户界面。系统引导程序是系统加电后运行的 第一段代码，是系统启动不可缺少的一部分。本章将从b o o t l o a d e r 的概念、主要 任务、框架结构设计和优化以及安装等几个方面来讨论嵌入式系统的引导程序。 4 1b o o t l 彻d e r 的概念及作用 简单地说，b o o t l o a d e r 就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过 这段小程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，以便为最终调 用操作系统内核准备好运行环境。从p c 的体系结构我们可以知道，p c 机中的系 统引导程序由b i o s ( 其本质就是一段固件程序) 和位于硬盘m b r 中的0 s b o o t l o a d c f 共同组成。b i o s 在完成硬件检测和资源分配后，将硬盘m b r 中的 b o o t l o a d c r 读到系统的r a m 中，然后将控制权交给o sb o o t l o a d e r 。b 0 0 t l o a d e f 的 主要运行任务就是将内核映象从硬盘上读到r a m 中，然后跳转到内核的入口点去 运行，也即开始启动操作系统。而在嵌入式系统中，通常并没有像b i o s 那样的固 件程序( 注：有的嵌入式c p u 也会内嵌一段简短的启动程序) ，因此整个系统的加 载启动任务就完全由b o o n o a d e r 来完成。在本系统中，系统在上电或复位时，是 从地址0 x 0 0 0 0 ，0 0 0 0 处开始执行，而在这个地址处安排的就是系统的b o o l l o a d e r 程 序。图4 1 1 就是一个同时装有b 0 0 t l o a d e r 、内核的启动参数、内核映像和根文件 系统映像的固态存储设备的典型空间分配结构图。 引导 引导系统 加载 参数 内核 文件系统 程序 低地址空间高地址空间 图4 1 1 固态存储设备的空间分配 通常，b o o t l o a d c r 是依赖于硬件而实现的，特别是在嵌入式系统中。因此，在 嵌入式世界里建立一个通用的b o o t l o a d e r 几乎是不可能的。尽管如此，我们仍然 可以对b o o t l o a d c r 归纳出一些通用的概念来，进行b 0 0 t l o a d e r 设计与实现。 4 2b o o t l d e r 的任务结构 在本系统中，内核映像与根文件系统映像都被加载到r a m 中运行，这样可以 加快系统的运行速度。在嵌入式系统中内核映像与根文件系统映像也可以直接在 r o m 或f i a s h 这样的固态存储设备中直接运行。但这种做法将降低系统的运行 速度，所以我们不采用这种方法。由于b 0 0 t 1 0 a d e r 的实现依赖于c p u 的体系结构， 因此大多数b o o t l o a d c r 都分为s t a g e l 和s t a g c 2 两大部分。将依赖于c p u 体系结构 的代码，比如设备初始化代码等，通常都放在s t a g e l 中，而且通常都用汇编语言 来实现，以达到短小精炼的目的。而g t a g e 2 则通常用c 语言来实现，这样可以实 现复杂的功能，而且代码会具有更好的可读性和可移植性。b 0 0 0 a d c r 的s t a g e l 通 常包括以下步骤( 以执行的先后顺序排列) 。 设定唯一的入口指针 设置中断向量表 硬件设备初始化 初始化存储器系统 为加载b 0 0 t l o a d e r 准备r a m 空间并拷贝b 0 0 舶a d e r 到r a m 空间中 设置堆栈 跳转到s t a g e 2 的c 入口点 b o o t l o a d c r 的s t a g e 2 通常包括以下步骤( 以执行的先后顺序排列) 。 初始化本阶段要使用到的设备 将k c m e l 映像和根文件系统映像从f 1a s h 上读到r a m 中 为内核设置启动参数 在线更新f i 。a s h 调用内核 图4 2 1 为b o o n o a d e r 执行的任务流程图。 图4 2 - lb t l d 口任务流程图 4 2 1b o o u o a d e r 的s t a g e l 1 设定唯一的入口指针 e m 限y ( s t a n ) 这是整个程序的唯一入口 2 设置中断向量表 a r m 要求中断向量表必须放置在从o 地址开始的4 字节的连续空间内 盘m 7 2 0 1 和a r m 9 1 0 及以后的处理器也支持从0 】【f f ! e f ，0 0 0 0 开始的高地址向量 表) 。每当一个中断发生后，处理器便强制把p c 指针置为向量表中对应的中断类 型的地址值。通过执行该地址中的命令，