（交通信息工程及控制专业论文）基于ARM的嵌入式列车完整性监控系统.pdf

中文摘要 摘要：随着铁路运输事业的快速发展，列车监控系统的研究与应用已成为我国铁 路运输领域内有待解决的重要课题。在我国铁路实施大面积提速的今天，对于问 题的探讨和研究有重要的理论和实际意义。 随着后p c 时代的到来，嵌入式系统的应用愈来愈广泛，目前嵌入式系统技术 已经成为了最热门的技术之一。嵌入式系统的硬件的核心是嵌入式微处理器，a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 处理器是目前公认的业界领先的3 2 位嵌入式微处理 器，占据了功耗底，低成本和高性能的嵌入式应用领域的领先地位，基于a r m 的 嵌入式技术已经成为嵌入式领域的一个亮点：另外，一个优秀的嵌入式操作系统 是嵌入式系统成功的关键，u c o s i i 作为一种新兴的嵌入式实时多任务操作系统， 以其免费公开源码，面对中小型应用，可抢占，多任务以及较好的移植性等特点， 在各类嵌入式设备中得到广泛的应用。 本文研究设计了一种基于a r m 微处理器的列车完整性检测系统，完成了系统 硬件电路的设计与调试，实现了包括：u c o s i i 操作系统的移植，加速度数据采 集程序，g p s 数据采集程序，数据综合处理等系统软件的设计。该嵌入式系统能 很好的满足用户对应用系统实时性和快速处理的要求，能够很好的完成列车完整 性监控的功能，具有广泛的应用前景。 图3 7 幅，表2 个，参考文献3 9 篇。 关键词：嵌入式系统；列车完整性；u c o s i i ；s 3 c a 4 b o x ；加速度；g p s 分类号：u 2 8 3 1 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 fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n ，t h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no ft h et r a i nm o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tt o p i ci nt h ef i e l do f r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n t h es t u d yo ft h i sp r o b l e mi ss i g n i f i c a n tb o t ht h e o r e t i c a l l ya n d p r a c t i c a l l y , e s p e c i a l l yd u r i n g t h ed a yw h e nt r a i na c c e l e r a t i o ni si nt h ei m p l e m e n t a t i o n w i t ht h ea r r i v a lo fp o s t - p ct i m e s ，t h ea p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e mb e c o m e s p o p u l a r n o we m b e d d e dt e c h n o l o g yh a sb e e nt h ef o c a lp o i n to fr e s e a r c h t h ek e r n e lo f h a r d w a r eo fe m b e d d e ds y s t e mi se m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r ，a r m ( a d v a n c e dr i s c m a c h i n e s ) p r o c e s s o ri sak i n do fa d v a n c e d3 2 - b i te m b e d d e dr i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o n s e tc o m p u t e r ) m i c r o p r o c e s s o r ，w h i c hi si nt h el e a da c c r e d i t e di n t h i sf i e l d ，a n d o c c u p i e di nt h ef i e l do fe m b e d d e ds y s t e ma p p l i c a t i o no fl o wc o n s u m p t i o n , l o w c o s ta n d h i g hp e r f o r m a n c e t h ee m b e d d e dt e c h n o l o g yb a s e do na r m h a sb e c o m eal i g h tp o i n t o fc u r r e n te m b e d d e df i e l d t h ek e yo fas u c c e s s f u le m b e d d e ds y s t e mi sw i t ha n e x c e l l e n te m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m u c o s - i ii san e we m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m t h a th a ss e v e r a lo u t s t a n d i n gs t r o n gp o i n t ss u c ha sf r e es o u r c ec o d e ，o r i e n t e ds m a l lo r m i d d l es c a l ea p p l i c a t i o n ，p r e e m p t i v ek e r n e l ，m u l t i t a s ka n d p r e f e r a b l ep o r t a b i l i t y i th a s b e e nu s e di na l lk i n d so fe m b e d d e ds y s t e m s t h i sp a p e ra s s u m e st r a i ni n t e g r a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do na r mm p u t h e d e s i g na n dd e b u g g i n go ft h eh a r d w a r ec i r c u i tb a s e do na r mm p uh a sb e e nc o m p l e t e d , a n dt h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no fs o f t w a r ep l a t f o r mh a sb e e ni m p l e m e n t e d ，i n c l u d i n g t h ep o r t a b i l i t yo fu c o s i i ，t h ep r o g r a mo fa c c e l e r a t i o nc o l l e c t i n g , t h ep r o g r a mo fg p s i n f o r m a t i o nc o l l e c t i n g , i n t e g r a t e dd a t aa n ds oo n t h ee m b e d d e da p p l i c a t i o ns y s t e mc a l l b es u i t a b l ef o ru s e r s n e e d sa b o u tr e a l - t i m ea n dr a p i d l yd e a l i n gw i t hd a t a , a n dc a n c o m p l e t et r a i ni n t e g r a l i t ym o n i t o r i n gw e l l ，s oi th a v eab r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；t r a i ni n t e g r a l i t y ；u c o s i i ；s 3 c a 4 b o x ； a c c e l e r a t i o n ：g p s c l a s s n o ：u 2 8 3 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 7f 学位论文作者签名：生币d 阆 导师签名： 签字日期矸年f 月乇妇签字日期：幽阿7 年，多月才日 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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了谢意。 学位论文作者签名：j 悯 签字日期：呷 年f 工月羽 致谢 首先我要感谢我的导师蒋大明老师。在三年的研究生学习期间，蒋老师在学业 上的悉心指导和谆谆教诲，以及生活上的无私关怀，给了我莫大的帮助，使得我 顺利得完成了研究生的学业。在学习和研究上，蒋老师给我们创造了一个和谐自 由的环境，给我们充分的积极性和发挥空间，所有这些都深深地感染了我，将使 我受益终身。 感谢戴胜华副教授三年中对我的帮助。是戴老师在三年中对我的指导，才让我 一步一步深入学习硕士阶段的知识。 感谢在这一年半的时间内中，和我一起并肩奋斗的王林同学。在毕业设计中， 我们共做同一个的项目。他在学习和技术方面有着非常专著的精神和踏实的态度， 这些都给了我很深的印象和鼓励。 在三年的学习中，和我同实验室的潘长青、权晓娟、杨宇慧、蔡宏、陈帅、 姚亚平、吴卉、王钰等同学同样给了我很大的帮助和鼓励，使我克服了许多学习 上的难关，也一起度过了许多美好的时光，留给我难忘而有意义的硕士生活，在 论文顺利完成之际，谨向他们致以深深的谢意。 在此，我要感谢我深爱的父母，他们为我的成长、求学付出了无尽的心血。他 们给我的莫大的鼓励和支持，将使我在今后漫漫人生路上不断前进。 最后，我要向参加论文评审的专家表示最衷心的感谢! 1 1 课题研究的背景与意义 1 概述 随着社会经济的发展，城市化进一步加快，人民生活水平的全面提升，我国 对铁路运输的需求也与日俱增，迫切需要铁路提供强有力的运输支持。面对此类 情况，铁路大面积提速就成为了当前缓解铁路运输瓶颈制约的必由之路。2 0 0 7 年 4 月1 8 日，中国铁路进行了第六次大面积提速，这次大面积提速，无论是广泛性， 还是先进性，都是以往历次提速所不可比拟的。这次提速客货运输能力将分别再 增加1 8 和1 2 以上，特别是在主要干线开行时速2 0 0 公里及以上动车组、大面 积开行5 0 0 0 吨级货物列车和一大批先进技术装备投入运用，标志着我国铁路既有 线提速水平已跻身世界先进行列。 随着铁路运输速度的提高，列车安全运行已成为一个急需解决的问题。为了 解决因列车提速而带来的一系列列车行使安全的问题，在。十一五”期间，铁路 实施跨越式发展战略以来，以车辆装备水平全面提升为主要标志，中国铁路车辆 工作实现了历史性跨越，主要表现在车辆装备现代化取得重大突破。运输保障能 力明显提高，车辆安全保持基本稳定，车辆信息化迈出可喜的步伐。已经出台的 “十一五”计划更是指出突出客车高速快速，货车重载快捷，大力推进车辆装备 现代化。因此，在如此情况下，研究并实现列车完整性监测系统就具有了十分重 要的价值和意义。 列车完整性检测系统属于列车运行监测系统。该系统是利用车载设备对列车 的运行状态进行动态监测，确保列车在行车过程中的完整性。 1 。2列车尾部防护装置 货物列车取消守车( 车长) 后，列车尾部安全防护装置被广泛应用，但是由于现 行列车尾部安全装置存在同频干扰及和无线列调相互干扰。并且在弱场强覆盖区 无法保证列车首尾问的正常数据传输，从而使得目前的列车尾部安全装置在复线 和传播条件不好的区段使用效果不理想。另外由于传输通道的限制，目前的设备 功能单一，也不能同时传送列车的其他运行信息( 如列车车次、速度、位置和状况 等1 。 自1 9 9 2 年开始，我国进行了列车尾部安全防护装置( 简称列尾装置) 的研究， 并已成功地研制出了科技含量高、适应性强的列尾装置，解决了货物列车取消守 车和运转车长的列车运行安全问题。 国内主要的列尾装置都是利用机车上和列车尾部分别安装的无线发射和接收 装置来实现的。本务机车与列尾装置主机通过无线编码构成“一对一”关系。机 车乘务员用机车控制盒发出需要的查询盒控制信号，列尾装置主机在接受到本次 列车的本务机车发出的指令后，向机车反馈查询信息，并在机车乘务室用语音播 发，或向尾部列尾装置主机中的风压控制系统发出响应的排风指令，可实现全列 车安全停车，防止列车放扬事故的发生。此外，列尾装置主机还具有监控功能， 在列车主风管被切断，主管泄露量超过规定值时，列尾装置主机会及时向机车乘 务员发出警示，提醒列车乘务员注意列车运行状态。 1 2 18 0 0 m h 列尾和列车安全预警系统概述 8 0 0m h z 列尾和列车安全预警系统，包括车载预警电台、列尾安全防护装置僧 列尾司机控制盒和列尾主机) 、道口预警电台、袖珍式和便携式列车接近预警器。 车载预警电台设备与列尾控制盒连接，可查询列尾风压、排风及接收列尾主机的 风压报警，以及电池电压报警信息；列车在运行过程中，车载预警电台通过无线 向沿线作业人员传送列车接近的信息( 包括车次号、位置和速度) ，提醒作业人员采 取措施避让列车。同时，还可通过无线向前方道口及工务施工人员传送列车接近 的信息。列车接近预警器接收到列车接近预警信息，发出单音或声音+ 振动提示， 并在l c d 显示屏上以数字方式显示列车车次、速度、位置( 公里标上、下行) ， 用户按任意键确认后，停止同一车次的接近预警提示。若道口发生危及行车安全 的故障或事故，道口看守人员操作道口安全预警设备可以向接近的列车发出道口 障碍预警信息。在双线区段列车发生事故停车或侵入邻线，危及后续列车或邻线 列车运行安全时，司机可通过车载预瞀电台向后续列车或邻线列车发出列车防护 预警信息。该系统是集多种功能于一体的8 0 0 m h z 列尾与列车安全预警系统，对 铁路运输安全生产提供必要的保证。 8 0 0m h z 列尾和列车安全预警系统实现的功能有：列车接近预警，道口障碍 预警，列车二次防护预警，列尾风压信息传送，设备自诊断、日志记录信息传送 等。 8 0 0 m h z 列尾和列车安全预警系统主要功能： 列车接近预警：为铁路工务、电务、电力等部门的现场作业人员的人 身安全提供列车接近安全防护预警信息 列车防护预警：为防止列车事故后发生二次行车事故的预警 2 道口安全预警：为列车接近通知和道口障碍预警提供双向预警功能 列尾信息传送：通过该系统平台，为列尾信息传送提供数传通道 8 0 0 m h z 列尾和列车安全预警系统特色： 多协议、多制式的无线和有线数据传输 采用f f s k 调制解调方式，实现道口预警、列车事故预警和列尾风压 信号的传送和接收，传输速率为1 2 0 0 b p s 采用p o c s a g 无线寻呼方式，实现列车接近预警信号的传送和接收， 传输速率为1 2 0 0 b p s 采用纠错和检错编码，实现传输数据的纠检错，保证了数据传输的准 确性和可靠性 采用语音合成技术，使用方便 采用标准的4 8 5 接口和火车”黑匣子”相连，可靠读取”黑匣子”内的数据 记录并保存发送和接收的预警信号日志，并能方便地转存到计算机 全数字化通信具有抗干扰性好、保密性强等特点 设备具有自检功能 具有故障弱化功能，两部电台平时各负责本身的任务，若任一电台故 障时，另一电台尽可能地完成两电台的任务 该项目的整个开发过程，是在铁道部的指导下完成的。该系统的开发成功， 为解决困扰铁道部多年的列车运行安全问题提供了有力的工具。从整个行业发展 趋势来看，该系统的开发、生产、装备是铁路运输发展的需要，是列车安全运行 的需要，是提高运能运力及经济效力的需要。在技术上，列车安全告警系统将向 着标准化、功能齐备、品质可靠、集道口安全、列车二次事故防护、接近告警、 综合信息传送、等多种业务于一体的方向发展。该系统将成为铁路运行的”第四大 件”，成为列车安全运行的有力保障，有着巨大经济效益和社会效益。 1 2 2z t f 2 0 0 2 型列车尾部装置概述咖 1 9 9 6 年9 月，z t f 型列车尾部装置通过铁道部鉴定。截止到2 0 0 4 年1 2 月， 已在全路运用8 9 0 0 套( 不含地方铁路) 。主要的型号有：z t f 9 9 型，z t f 2 0 0 0 型和 z n 艺0 0 2 型。 z t f 2 0 0 2 型列尾装置执行铁道部行业标准列车尾部安全防护装置通用技术 条件以及列尾装置与无线列调设备接1 ：3 与数据传输主要技术条件。 此外，z 1 下2 0 0 2 型列尾装置还具有了以下功能： 列尾主机“零风压”报警，用于识别是否“断钩丢车” 3 列尾主机风压传感器故障报警 列尾主机行车中电池欠压报警 列尾主机具有抗震动瞬间断电保护功能 司机控制盒指令自动重发，确保与列尾主机的可靠沟通 司机控制盒增加四位数码显示。用于显示风压值和报警提示 司机控制盒预留列车二次防护报警功能 列尾主机与司机控制盒均预留编程接口，软件升级方便快捷 简化附属设备配置，司机控制盒与确认仪增加置号功能，取消了“司 机控制盒簧号仪”与“列尾主机置号仪” z ，兀毪0 0 2 型列尾装置与前几代产品最重要的区别是：建立了列尾作业“黑匣 子”数据记录系统。通过对列尾主机与司机控制盒中的“黑匣子”数据进行分析， 可再现列尾作业全过程。 z 1 1 吃0 0 2 型列尾装置可在1 5 0 m h z 、4 0 0 m h z 以及8 0 0 m h z 等无线通信信道平 台上工作。 z t f 2 0 0 2 型列尾装置采用“双向数传。技术，即机车与列尾主机之间的双方 向通信全部使用数字编码，缩短了占用无线信道的时间，减少了与无线列调之间 的相互影响，有利于在双线区段运用列尾装置。为此，z 1 w 2 0 0 2 型列尾装置预留 列车二次防护报警功能，以待条件具备时在双线区段使用。 随着铁路技术的发展，z t f 2 0 0 2 型还衍生：z t f 2 0 0 2 k 型客运列车列尾装置 以及z t f 2 0 0 2 g 型( 即：g s m - r 列尾装置) 。 z t f 2 0 0 2 g 型列尾装置是按照铁道部技术政策，从依靠传统的独立的通信技术 走向依靠数字化、智能化、网络化的新一代数字移动通信系统。在中国铁路g s m - r 数字移动通信网总体发展的规划中，其抗干扰性以及在隧道中列尾信号传输的能 力将有大幅度提高。参考文献标注 z 您0 0 2 型列尾装置同时推出了以下新型的附属设备： z t f 8 8 型机车号确认仪 采用“双向数传”工作方式，便携式电台设计，可监听列尾作业；可对列尾 主机置号；可控制下载主机“黑匣子”数据；可校准主机“黑匣子”时钟；可呼 叫机车与车站；可对讲通话；一机多用。 z t f 8 8 型一体化列尾控制台 采用便携式设计。集电台、列尾信令系统、列调机车台功能于一体。当列尾 司机控制盒不能与列调电台挂接使用，或挂接使用效果不好时，可替代列调电台+ 司机控制盒功能，完成列尾作业。该控制台可选择信道，还具有呼叫车站与机车 的功能，可作为机车乘务员的备用电台，也可当成“机车防护台”使用。 4 列尾主机自动测试台 可自动完成一台列尾主机所有测试指标的检测，并自动判定检测结果是否合 格。检测数据自动存储，并可上传到计算机中显示、查询和打印。使用自动测试 台既提高了列尾主机的检测效率，又确保了检测的准确度和可靠性。 z t f 型列尾中继器 为解决在无线列调弱场区或列调作业繁忙区，列尾信号传递受阻而专门设计。 采用交流2 2 0 v 供电，可连续使用而无须专人操作和维护。 列尾主机数据接收器 用于下载列尾主机“黑匣子”数据。数据下载方式分无线和有线两种，由于 无线下载无严格场地要求，又不受时间限制，操作方便灵活，是现场主要采用的 下载方式 列尾司机控制盒数据转储器 用于下载司机控制盒“黑匣子”数据。 1 3国内外研究历史与状况 利用车载设备对列车运行状态参数进行实时跟踪检测，根据这些参数利用诊 断系统达到完整性监测的目的。列车完整性监测系统是铁路行车安全保障体系的 重要组成部分。国外高速铁路均以列车监测诊断系统作为其安全可靠运行的基础 之一。美国的“蓝虎”内燃机车、日本的新干线、法国的t g v 、德国的i c e 等都 实现了完整性监测的微机化。 德 i c e 高速列车口】首次实现了对整个列车的全面诊断，该诊断大大减轻了对 高速列车的运行，故障排除和维修保养工作操作。i c e 中每一个用微电子技术控制 的子系统都具有自诊断特性。这些系统是通过一种性能良好的数据总线接口，由 光缆实现与车辆和动力头车内部的上一级诊断设备联网。该上级诊断设备采集、 判断和存储所有重要信息。通过列车光纤总线将中间车的一切诊断数据传给车头 计算机，同时数据就被存储在那里。然后，用文字或图形将行车所需要的，以代 码形式存储在头车储存器中的诊断信号如制动压力显示在司机台诊断显示屏上。 一旦出现故障，该系统不仅进行报警，而且还同时向司机提出处理建议。如有必 要，司机还可以通过i c e 的列车无线通信系统将维修所需的重要诊断数据传给有关 的检修段。i c e 列车到段后可立即进行修理，i c e 系统由于采取了先进的计算机和 诊断技术才有可能使许多操作功能实现自动化。 法国铁路拥有先进的机车，车辆，通讯，信号，轨道设备及运输自动化管理系 统。铁路现代化水平较高。法国的t gv i 驯最高运行速度为3 0 0 k m h ，1 9 9 0 年试验 5 速度展高达到5 1 3 3 k m h 采用预告式多显示带速度监督的自动闭塞，无地面信号， 1 4 个速度信息。速度等级为3 0 0 ，2 7 0 ，2 2 0 k m h ，闭塞分区距离为2 0 0 0 m ，4 个分 区满足列车全制动距离。列车间隔7 个分区，包括1 个保护区，列车间隔时间计算 为3 m i n l s s ，铺画列车运行图采用4 m i n 。这么高的行车速度和密度，必须有可靠的 安全性，列车机车采用先进的微处理机实现对列车的控制。 相比之下，日本的新干线的长处，一个是它的安全性。4 0 多年来，新干线造成 的事故一次也没有，而德国法国都发生过比较大的事故。第二个就是它的大运输 量。根据研究，日本新干线，法国的t g v 和德国的i c e 车长都是4 0 0 米，但是新干 线可运输1 3 2 4 名乘客，t g v 歹0 车可以运输7 5 4 1 0 9 0 名乘客，i c e 列车只可运输7 5 9 8 8 0 名乘客，它比较适合一个国家上升期的运输。 相比之下，我国铁路还比较落后，无论从列车运行速度上还是列车安全性上都 跟发达国家还有很大差距，目前我国对列车的安全性控制主要采用的是列尾防护 装置，随着我国对铁路运输速度提出的更高要求，列尾防护装置已经不能满足我 们的要求。根据上面总结的可以看出，无论是德国的i c e ，还是法国的t g v 和日本 的现干线，它们由一个共同的特点就是都实现了列车控制的微机化。通过列车上 的计算机监控列车的运行状态，是高速铁路的趋势。 我国在对于列车完整性监控这块已经开始做了许多工作，研制出很多适合国情 的小型列车监测装置。判定依据有监测列车尾部风压，比较车头车尾g p s 定位位 置等等。 本文分析了目前国内对列车完整性监控的方法，参考了国外对高速列车运行控 制的方法，结合高速列车发展的趋势，给出了一种基于嵌入式系统的列车完整性 监控方案。实现了对列车完整性监控的数字化。 1 4 本课题主要研究工作与论文结构 1 4 1 主要研究工作 列车完整性监测系统由车头和车尾两部分组成，二者通过电台通信，将各自 的信息交互，从而判断列车的状态，用以在列车发生抛车时及时向车载综合电台 发送告警信息，以便机车司机采取有效措施，防止事故发生。 列车在正常运行情况下，车体作为一个钢性整体，车头和车尾应该具有相同 的参数，如运行方向、速度、加速度等，当两端的参数不致时，说明车体不再 是一个整体了。具体来讲本文做了以下工作： 1 对国内外列车控制系统的最新发展做具体调查研究，包括列车控制系统的 6 应用情况和未来发展趋势。对目前我国采用的列车完整性监控方法进行了分析和 比较，从而确定系统的设计方案。 2 对系统开发相关的技术方法进行了学习和研究，包括嵌入式软硬件系统 的设计方法、电路设计制板工具的使用和基于a r m 微处理器的嵌入式开发环境的 建立和操作等，为后面应用平台的软硬件设计奠定了理论基础和技术保证：对应用 平台在系统中的具体应用进行了总体方案的设计。 3 对嵌入式最小系统的硬件设计。针对嵌入式系统的具体应用对硬件平台进 行了结构设计、硬件电路设计、电路板的绘制、器件的选型、焊接和调试等 4 在硬件的基础上编写软件，实现各模块功能。 1 4 2 论文结构 本文第一章主要介绍列车完整性监控系统的定义、应用领域、发展现状和趋 势以及课题研究的背景、意义和内容。第二章对与系统相关的技术进行了理论研 究。第三章主要对应用系统进行了需求分析和总体方案的规划。第四章和第五章 分别详细介绍了硬件平台的设计、调试和系统软件的设计。最后给出本文的结论 与展望。 1 5小结 本章首先介绍了课题研究的背景和意义，然后对列车完整性系统进行了概括 性介绍，包括：定义、应用领域、发展现状和趋势：最后给出了本文的主要研究工作 和组织结构。 7 2 系统相关技术理论研究 2 1 嵌入式系统的总体结构 嵌入式系统经过3 0 多年的发展，在硬件和软件双螺旋式交替发展的支撑下， 驱动器1传感嚣l 驱动器2传感器2 被控对象 驱动器n传蓐器n 彳之乡 应用程序 文件系统用户接口任务管理 实时操作系统rt0s 硬件抽象层扳级支持包 d 通用接口 a d嵌入式徽处理器 rom i 0 sdr1 人机交互接口 图2 1 嵌入式计算机和执行装置组成图 f i g 2 - 1e m b e d d e dc o m p u t e ra n di m p l e m e n t a t i o no fd e v i c em a p 嵌入式技术趋于稳定和成熟，已被广泛应用于工业控制、交通管理、信息家电、 家庭智能管理系统、p o s 网络及电子商务、环境检测、机器人等各个领域。在不 同的场合，嵌入式系统呈现出来的形式也不相同。但通过对其进行分析，可以发 现，一般的嵌入式系统都有嵌入式计算机系统和执行装置组成( 如图2 - 1 ) ，其中 嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、软件层和功能 层组成。执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命 令，执行规定的操作或任务。 下面对嵌入式计算机系统进行简要描述： 1 硬件层 硬件层由嵌入式微处理器、存储器、通用设备接口和i o 接口组成。它是以嵌 入式处理器为核心，最初的嵌入式处理器都是为通用目的而设计的，后来随着嵌 入式系统应用的不断普及，出现了专用集成芯片，近年来，各种可编程芯片的出 现，改变了嵌入式硬件模块的设计方法，出现了。可重构计算”的概念，它结合 了通用微处理器和a s i c 的特点，通过现场编程门阵列( f p o a ) 实现，属于一种新 型的a s i c 产品。 2 中间层 硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层( h m x i w a r ea b s t r a c tl a y e r h a l ) 或板级支持包( b o a r ds u p p o r tp a c k a g eb s p ) ，它把系统软件与底层硬件部分隔 离，使得系统的底层设备驱动程序与硬件无关，一般应具有相关硬件的初始化、 数据的输入输出操作和硬件设备的配置等功能。 3 软件层 软件层是由实时多任务操作系统( r t o s ) 、文件系统、图形用户接口( g u n 、 网络系统及通用组件模块组成。r t o s 是嵌入式应用软件的基础和开发平台，它实 际上是一段嵌入式目标代码中的程序，系统复位后首先执行，相当于用户的主程 序，用户的其他应用程序都建立在r t o s 之上。 4 功能层 功能层由基于r t o s 开发的应用程序组成，用来完成对被控对象的控制功能。 功能层是面向被控对象和用户的，为方便用户操作，往往需要提供一个友好的人 机界面。 2 2嵌入式系统的一般设计方法 在嵌入式系统的应用开发中，整个系统的开发过程如图2 - 2 所示。可见，在应 用户需求分析) _ 一选择弓；黹舞及 一选霎薹龛2 鬟入 = 二e 二 否噬垄i i i ： 应用程序嗣试通过 整：点i r 丽 整个系统测试卜一 开发结束 图2 2 嵌入式系统开发流程图 f i g 2 2e m b e d d e ds y s t e m sd e v e l o p m e n tf l o w c h a r t 1 0 用嵌入式系统开发的过程中，因为对应于每一个处理器的硬件平台都是通用的、 固定的、成熟的。所以，在开发过程中减少了硬件系统错误的引入机会；同时，因 为嵌入式操作系统屏蔽掉了底层硬件的很多复杂信息，使得开发者通过操作系统 提供的函数就可以完成大部分工作，大大地简化了计发过程，提高了系统的稳定 性。嵌入式系统的开发通常采用“主机且标机”方式( 如图2 - 3 所示) 。首先，利用 主机上车富的资源及良好的开发环境开发和仿真调试目标机上的软件；然后，通 过串行口或网络将交叉编译生成的目标代码传输并装载到目标机上，并用交叉调 试器在监控程序或实时内核操作系统的支持下进行实时分析和调度；最后，目标 机在特定的环境下运行。 圈2 - 3 嵌入式系统仿真图 f i g 2 - 3t h ee m b e d d e ds y s t e ms i m u l a t i o nm a p 在我们的应用系统开发中，采用的就是主机目标机的开发方式，主机上运行 的是a r m 公司的a d s l 2 集成开发环境，j t a g 仿真器采用的是由我们自己制作 的简易j t a g 调试器，简易j t a g 调试器通过并口与主机相连，并通过标准的1 4 针j t a g 口与我们的系统硬件平台连接。系统硬件平台通过标准的r s 2 3 2 串行接 口与主机通信，通过主机上w i n d o w s x p 系统自带的超级终端打印出相应的调试信 息，从而搭建了一个完备的基于a r m 微处理器的嵌入式软硬件开发环境。 2 3嵌入式系统的选型原则 2 3 1 硬件平台的选择 嵌入式系统一般可以分为两个类型：一种是工控类系统，另一种是类似计算 机的系统。 在工控系统中，面对的是深度嵌入式的应用。一般系统的逻辑比较简单，主 要是对外围的接口的操作和一些计算任务只需要简单的操作系统，或者不需要 1 1 操作系统。核心处理器的功能也不会太复杂，一般不需要太高的主频，也不需要 m m u 等功能。 对于类似计算机系统的嵌入式系统，可能应用l i n u x 或者w i n c e 等复杂的操 作系统，主要的内容集中在网络、用户交互等方面，更多的是上层逻辑的设计。 这类系统的设计方式也类似p c 系统，本类系统需要支持操作系统，一般需要带有 m m u ( 内存管理单元1 的处理器，也需要较高的主频。 对于本系统，显然属于前者工控系统的范畴。在本系统中，一般使用 a r m t r d m i 的内核的处理器，裁可能完成系统的需求。 下面就本系统的特点，总结出对处理器的需求：a r m 7 t d m i 的内核的处理器 是由内核和外围设备所组成的，因此本系统对处理器的需求也分为内核和外围殁 备两个部分。 内核部分： 1 操作系统的支持： 内核指处理器的核心，由于本系统的功能模块比较多：通讯、g p s 、加速度传 感器，如果采用单一任务的操作系统，系统的设计将非常困难，因此本系统的处 理器核心应该可以使用多任务的操作系统。 一般的a r m 7 1 d m i 核心，都可以支持u c o s 等简单的操作系统( 实际上是 任务调度的核心) ，而且支持快速的上下文切换功能。 2 计算功能： 本系统需要进行的运算功能较多，包括采集数据的滤波设计，抛车逻辑判断 计算，相比较而言处理器的计算任务比较重。而且本系统需要计算具有一定的精 度：用8 位来表示加速度和位置是一定不够的，这样很难精确对系统测算。 作为3 2 位r i s c 核心，基于a r m t r d m i 的处理器主频可以达到6 0 m h z 以上， 可以满足系统的计算要求。而且本类处理器处理3 2 位的数据可以完全使用硬件完 成，没有任何开销。 3 存储功能： 存储功能包括两个部分：程序部分( c o d e ) 和数据部分( d a t a ) 。程序部分是 指编程的代码，数据部分包括程序中的静态数据( 参数) 以及程序处理过程中所 需要的缓冲( b u f f e r ) 。 外围部件部分： 1 外部中断 在本系统中，处理器需要获取加速度传感器的输出信号，加速度传感器是使 用脉冲的占空比来输出加速度数值的。 处理器获取占空比有两种方式：一种是软件方式，即利用处理器对引脚进行 查询，这种方式开销过大，不适合在嵌入式系统中使用。另一种方式就是使用外 部的中断或者捕获功能，这两种实现方式类似，都是只需要处理器干涉和计时。 如果使用中断功能，处理器还必须可以支持中断控制。 2 定时器( t i m e r ) 定时器是操作系统必须要使用的部件，无论复杂的操作系统，还是简单的调 度内核，没有定时器操作系统是不能运作的。因此，为了支持操作系统，必须有 一个提供时钟接拍的定时器。 如前面所述，在本系统中，加速度传感器必须使用定时器计时才能获取时间， 也需要一个定时器。 本系统至少需要两个定时器，对于定时器的精度，一般处理器都具有主分频 和1 6 口2 位的定时，基本上都可以满足要求。 3 u a r t ( 通用串行总线) 在本系统中，至少需要两个u a r t ，一个用于连接g t s 模块，这个u a r t 不 需要r s 2 3 2 完全的功能，硬件流控制功能也不需要，只需要输入输出( r x 1 x ) 的引脚；另一个用于两个系统之间的通讯通讯。 此外，u a r t 也是和主机p c 连接的最方便的手段，具有一个扩展的u a r t 端 口会为主机目标机的调试提供很大的方便。 综上所述，本系统对处理器的需求较多。a r m 7 t d m i 内核的很多的处理器都 可以满足系统的需求，如：s 3 c 4 4 b o x ，l p c 2 2 1 0 等。这些处理器的内核使用方式 相同，外围功能模块会有略微的差别，但是基本的使用方式也是相同的。 2 3 2 实时操作系统选型原则 实时嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两种：商用型和免费型。商用 型的实时操作系统功能稳定、可靠、有完善的技术支持和售后服务，但往往价格 昂贵。当前主流的商用型嵌入式实时操作系统主要有如下几种：v x w o r k s 。w i n d o w s e m b e d d e d ，p s o s ，p a l mo s ，o s 9 ，l y n x o s 。免费型的实时操作系统在价格方面具有 优势，目前主要有嵌入式l i n u x 和u c o s 。在我们的应用系统中，根据系统功能需 求、系统成本、开发的难易程度等原因选择了u c o s ，u c o s i i 是u c o s 的升级 版本。与其他实时操作系统相比，u c o s i i 2 1 l 有其自身的特点： 结构简单 u c o s i i 采用c 语言和汇编语言，绝大部分用c 语言，结构非常简洁。 容易移植 u c o s h 可移植性非常好，很容易就能被移植到各种微处理器上，而且在移 植过程中，用户只需要做少量的工作即可。 适于学习 u c o s i i 具备了实时操作系统的全部性能，非常适合初次接触嵌入式技术的 初学者和工作人员学习嵌入式技术使用。 2 4 a r m 处理器介绍 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 微处理器嘲是采用a r m 技术知识产权( i p ) 核 的微处理器，这种a r m 核技术是由英国的a r m 公司所授权。a r m 公司是专门 从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事 芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，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。a r m 微处理 器作为嵌入式系统微处理器的一种，己遍及工业控制、消费类电子产品、通信系 统、网络系统、无线系统等各类产品市场，约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以 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。 在a r m 系列的处理器中，目前a r m 7 是在工控领域中应用最广泛的。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，最适合用于对价位和功耗要求较高 的消费类应用。a r m 7 微处理器系列具有如下特点： 具有嵌入式i c e - - r t 逻辑，调试开发方便。 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。 能够提供0 9 m i p s m h 2 的三级流水线结构。 代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集。 对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等 指令系统与a r m 9 系列、a r m g e 系列和a r m i o e 系列兼容，便于用户 的产品升级换代。 主频最高可1 3 0 m ，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。a r m 7 系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、i n t e r a c t 设备、网络和调制解调器设 备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。a r m t t m d i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器，属低端a r m 处理器核。t d m i 的基本含义为： t 支持1 6 为压缩指令集t h u m b d ： 支持片上d e b u g m ： 内嵌硬件乘法器( m u l t i p l i e r ) i ：嵌入式i c e ，支持片上断点和调试点 1 4 2 5a d sc o d e w a r ri o r 集成开发环境 a r m a d s 是a r m 公司推出的新一代a r m 集成开发工具。现在a d s 的最新 版本是1 2 。a d s 由命令行开发工具，a r m 时实库，g u i 开发环境( c 0 d ew a r r i o r 和a x d ) ，实用程序和支持软件组成。下面将介绍常用的g u i 开发环境，也是本 文所使用的集成开发环境 2 5 1a d sc o d e w a r rio r 集成开发环境 c o d ew a r r i o rf o ra r m 是一套完整的集成开发工具，充分发挥了a r mr i s c 的优势，使产品开发人员能够很好的应用尖端的片上系统技术。该工具专门基于 a r mr i s c 的处理器而设计的，它可以加速并简化嵌入式开发过程中的每一个环 节，使得开发人员只需通过一个集成开发环境就能研制出a r m 产品，在整个开发 周期中，开发人员无需离开c o d ew a r r i o r 开发环境，因此节省了在操作工具上花的 时间，使得开发人员有更多的精力投入到代码的编写上来。 c o d ew a r r i o r 集成开发环境o d e ) 为管理和开发项目提供了简单多样化的图 形用户。通过提供下面的功能，c o d ew a r r i o r d e 缩短了用户开发项目代码的在周 期 1 全面的项目管理功能。 2 予函数的代码导航功能，使得用户迅速找到程序中的子函数。 c o d ew a r r i o r 能够让用户将源代码文件，库文件还有其他相关的文件以及移植 设置等放在一个工程中。每个工程可以创建和管理生成目标设置的多个配置。c o d e w a r r i o r 还为用户提供了以下功能：源代码浏览器，源代码编辑器，查找和替换功 能，文件比较功能等。 尽管大多数的a r m 工具已经集成在c o d ew a r r i o r 中，但是仍有许多功能在 该集成环境中没有实现，这些功能大多是和调试相关的，因为a r m 的调试器没有 集成到c o d e w a r r i o r 中。 a r m 调试器( a x d ) 没有集成在c o d ew a r r i o ri d e 中，这意味着拥护不能在 c o d ew a r r i o ri d e