（计算机应用技术专业论文）基于arm的变频空调室内控制系统的设计与实现.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 随着计算机技术和微电子技术的高速发展，具有可靠性高、扩展性强、开 发应用程序简单等优点的基于3 2 位嵌入式处理器和嵌入式操作系统的具备通 讯能力的嵌入式系统成为当前新的发展趋势之一。 采用变频控制技术的空调比采用传统控制技术的空调具有更好的节能性， 舒适性，是空调产业发展的重点；现代的智能楼宇要求能集中对空调进行远程 监控、远程维护。国内空调企业普遍采用基于8 0 5 1 系列等8 位处理器的硬件平 台、无操作系统的软件架构的开发模式，开发周期长、性能低、软件的复用性 差、扩展性差，难以满足上述系统的开发要求，无法应对空调产业产品作为多 种产品链状集成开发的特点以及快速更新的市场需求。 为了解决开发满足上述需求的系统所遇到的问题，本文设计并实现了一个 具备通讯能力的空调室内机控制系统：通过将原8 位处理器提升为3 2 位a r m 处理器改善了硬件性能和扩展性；通过使用嵌入式实时操作系统p c o s i i 取代 无操作系统模式，将当前普遍采用的大循环软件结构转变成为以控制部件为单 位，由操作系统独立调度的软件结构，简化了软件开发过程，提高了复用性和 可靠性。 本文所做的主要工作可分为以下四个部分： 1 提出了具有与p c 机通讯功能的空调的应用架构，设计了在新系统下空调室 内机与p c 机和室外机的通讯协议。 2 通过对当前各种处理器的比较选定了l p c 2 2 1 0 处理器，给出了硬件平台主 电路设计与外围电路设计方案，对主要模块的功能、结构、原理做了说明。 3 比较了常用嵌入式操作系统，分析了心o s i i 的主要特性，介绍了p c o s i i 的移植步骤，建立了软件的交叉编译与调试环境。 4 将基于多任务的控制结构引入了空调控制软件，依据复用性和时间特性两 个方面将控制功能划分到多个任务中，并给出了几个重要驱动程序与应用 程序的具体设计与实现。 ， 应用本系统的原型空调已经运转，它简化了空调企业的开发和维护，满足 了智能建筑对空调集中控制的需求，具有较好的市场前景，是对空调信息化的 一次成功的探索。 关键词：a r m ，变频空调，嵌入式，控制系统，信息家电 v 圭堡查兰堡主! 丝堡塞 a b s t r a c t 黝t h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo ft h ec o m p u t e ra n dm i c r o e l e c t r o n i c s t e c h n i q u e ，i th a sb e c o m eo n eo f t h et r e n d st od e v e l o pt h ee m b e d d e ds y s t e m so n3 2 b i t e m b e d d e d p r o c e s s o r s a n de m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m s s y s t e m s h a v et h e a d v a n t a g e si nt h ea r e a so f r e l i a b i l i t y , e x t e n s i b i l i t ya n d i m p l e m e n t i n ga p p l i c a t i o n c o m p a r e dw i t ht h ea i r - c o n d i t i o n e ru s i n gt r a d i t i o n a lc o n t r o l l i n g - t e c h n i q u e ，t h e i n v e r t e ra i r - c o n d i t i o n e rs a v e sm o r ee n e r g ya n dm a k e sp e o p l ef e e lm o r ec o m f o r t a b l e ， w h i c hm a k et h ei n v e r t e ra i r - c o n d i t i o n e rat o m o r r o ws t a ri nt h ea i r - e o n d i t i o n e r i n d u s t r y p r e s e n ti n t e l l e c t u a l i z e db u i l d i n gr e q u i r e s t h ea b i l i t yt om o n i t o ra n d m a i n t a i nt h ea i r - c o n d i t i o n e rs y s t e mr e m o t e l yi nac e n t r a lp o i n t d o m e s t i ce n t e r p r i s e s g e n e r a l l yb u i l da i r - c o n d i t i o n e r sw i t h o u to p e r a t i n gs y s t e ms u p p o r t ，f o rt h e yu s et h e p r i m i t i v e8 一b i tp r o c e s s o rh a s e dp l a t f o r ml i k e8 0 5 1s e r i e sc h i p s a i r - c o n d i t i o n e ro f t h i sk i n ds b f e e r sf r o mt h el o n gd e v e l o p m e n tc y c l e ，l o wp e r f o n n a n c e ，p o o rr e u s a b i l i t y a n dl o w - g r a d ee x t e n s i b i l i t ya n dt h u su n a b l et om e e tt h en e e df r o mm a r k e t t h j sp a p e rp r o p o s e sad e s i g nf o rt h ei n d o o ra i r - c o n d i t i o n e rw h i c hi sc a p a b l eo f t e l e - c o m m u n i c a t i o nt h i ss y s t e mi m p r o v e st h ep e r f o r m a n c ea n dt h ee x t e n s i b i l i t yo f t h eh a r d w a r eb yu p g r a d i n gt h ep r o c e s s o rf r o m8 - b i tc h i p st o3 2 - b i ta r m b y b r i n g i n gi ne m b e d d e d r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e mi _ t c o s i i t h et r a d i t i o n a ls t r u c t u r a l p r o g r a m m i n g i ss u b s t i t u t e d b y t h e o p e r a t i n gs y s t e m s c h e d u l e d c o m p o n e n t d e v e l o p m e n t ，t l l i ss u b s t i t u t i o ne n h a n c e st h er e u s a b i l i t ya n dt h er e l i a b i l l t ya sw e l la s s i m p l i f i e st h es o f t w a r ed e v e l o p m e m t h ek e yp o i n t so f t h i sp a p e ri n c l u d e ： 1 p u tf o r w a r da l la p p l i c a t i o ns t r u c t u r ei nw h i c ha i r - c o n d i t i o n e ri sa b l et o c o m m u n i c a t ew i t ht h ep c d e t a i l e dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sg i v e no u t a f t e r w a r d 2 c h o o s el p c 2 2 1 0a st h ed r o c e s s o ra f t e rc o m p a r i s o nw i t ho t h e rc o m p e t i t o r s 1 1 1 e m a i na n dp e r i p h e r a lc i r c u i ti sd e l i c a t e l yd e s i g n e da n df u l l ye x p l a i n e d 3 p i c ku pp c o s i ia st h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m s mt r a n s p l a n to f u c o s i ia n dc r o s sc o m p i l i n gi sa l s op r e s e n t e d 4 i n t r o d u c em u l t i - t a s kc o n t r o lm e t h o dt ot h e a i r - c o n d i t i o n e rs o f t w a r e a sc o n t r o l u n i tc o u l db eg r o u p e di n t os e v e r a lt a s k sa c c o r d i n gt ot h er e u s a b i l l t yw i t ht i m e f e a t u r ec o n c e r n ，d e s i g nf l e x i b i l i t yi si m p r o v e d r e l a t e dd r i v e r sa n da p p l i c a t i o n s a r e # v e no u ta tl a s t a w o r k i n gp r o t o t y p ea i r - c o n d i t i o n e rp r o v e st h ed e s i g no ft h i sp a p e rap r a c t i c a l o n e i ts i m p l i f i e st h ed e v e l o p m e n ta n dm a i n t e n a n c eo fa i r - c o n d i t i o n e r , m e e t st h e n e e do fi n t e l l i g e n tb u i l d i n gf o rc e n t r a l i z e da i r - c o n d i t i o n e rc o n t r 0 1 t l l i ss y s t e ms e t s a ne x a m p l ef o ri n f o r m a t i o n a l i z e da i r - c o n d i t i o n e ra n dh a sag o o dm a r k e tp r o s p e c t k e y w o r d s ：a 砌吐i n v e r t e ra i r - c o n d i t i o n e r , e m b e d d e d ，c o n t r o ls y s t e m ， i n t e r n e ta p p l i a n c e v 1 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：雏日期： 上海大学硕士学位论文 1 1 研究背景与现状 第一章绪论 信息技术和网络技术的触角己经延伸到了各个行业、各个领域，这些技术 不仅极大地提高了工作效率，方便了人们的日常生活，而且给人们带来了更舒 适、更智能和更个性化的服务。随着网络技术的发展和全球信息化浪潮的来l 临， 信息家电度过了概念时代，迎来了技术研究和产品试样的黄金时期，人们的居 家生活正面临着一场重大的变革。我国是世界上主要的房间空调制造和出口基 地，为顺应家电信息化、网络化、数字化、人性化和节能环保的发展趋势，产 业界正在积极探寻着房间空调与信息技术的结合之路。 1 1 1 空调行业的现状与发展趋势 房间空调市场正在不断扩大，节能和舒适一直是产业界和用户共同关注的 焦点。变频技术较传统控制方式能节能3 0 以上，并且保持恒定的室温，在家 电行业最先进的日本，变频空调已占空调总量的9 9 2 ，冰箱7 0 以上是变频 的，洗衣机5 0 以上是变频的，并将进步推广变频技术，欧美国家也在快速 向变频家电转变。但是目前我国空调仅有4 8 采用了变频技术，随着国内控制 技术的不断进步和对节能和舒适性要求的提高，交频空调已经成为我国家用空 调业的发展方向【1 l 【2 】。 当前房间空调在企事业单位中得到了普遍应用，在绝大多数早期办公楼宇 的智能化改造过程中，通常也会因难以安装中央空调而选择房间空调。从防止 浪费、方便维护等方面考虑，用户希望有具备远程控制、远程维护等功能的空 调可供选择。 我国每年出口的空调达3 0 0 0 万台以上f 3 】在这巨大的数字背后同样隐藏着 巨大的售后服务成本。据测算，在欧美发达国家一次空调维修费用远高于卖出 一台空调的利润，甚至高出售价，引发这些故障的常常是地域的差异、使用方 式的差异，这些问题完全可以通过控制参数的调整来避免。空调厂商迫切希望 上海大学硕士学位论文 能通过网络提前找到故障原因，灵活的设定各种运行参数。 然而，变频技术的使用就已经导致系统复杂化，控制的参量更多、控制得 更精细，也直接导致系统开发的困难，产品软件故障大量增多，需要投入大量 的设计、开发、测试、维护的人力物力，使得产品的供货周期大大增加，无形 中导致了产品的成本增加、竞争力下降，如果引入网络技术，系统将更加复杂。 国内各空调厂商原有的8 0 5 1 等单片机加汇编程序的开发模式的主要缺点是： ( 1 ) 芯片硬件过于简单，系统中各部件大量复用；( 2 ) 芯片性能低，较难适应 变频空调较商的控制精度和网络通信需求；( 3 ) 由于硬件条件的限制，软件设 计异常复杂，不可能获得操作系统的支持。在空调变频化、网络化的趋势下这 些缺点都更加明显的表露出来，越来越不能适应空调产业发展的需要。 1 1 2 嵌入式系统的应用与发展 随着当今计算机技术的不断发展，嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m s ) 尸, 成为计 算机领域的一个重要组成部分，并成为近年来新兴的研究热点。 根据i e e e ( m 际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“用于控制、 监视或者辅助操作机器和设备的装置”( d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r , o ra s s i s t t h eo p e r a t i o no f e q u i p m e n t , m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 【4 】。这主要是从应用上加以定义 的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，可涵盖机电等附属装置。 耳前国内关于嵌入式系统普遍被认同的定义是：以应用为中心，以计算机 技术为基础，软件、硬件可裁剪，适应于应用系统，对功能、可靠性、成本、 体积、功耗严格要求的专用计算机系统【5 1 。 嵌入式系统的硬件和软件的发展是紧密结合的，它以硬件发展为主导，软 件发展为标志【6 1 。它是面向特定应用，以硬件设计和软件开发为基础的专用计 算机系统，广泛应用于工业、控制、通讯、消费类产品等领域。纵观嵌入式技 术的发展，大致经历了以下三个阶段：【7 1 第一阶段：嵌入式技术发展的早期，以功能简单的专用计算机或单片机为 核心的可编程控制器形式存在。一般没有操作系统的支持，对系统进行直接控 制。这一阶段的系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，内存容量小，几 2 上海大学硕士学诬论文 乎没有用户接口。 第二阶段：后来出现了以嵌入式c p u 和嵌入式操作系统为标志的嵌入式系 统。这一阶段系统的主要特点是：计算机硬件出现了高可靠、低功耗的嵌入式 c p u ，嵌入式系统能运行于各种不同类型的微处理器上；操作系统内核小、效 率高；具有大量的应用程序接n ( a p d ，开发应用程序简单。 第三阶段：现阶段是以芯片技术和网络技术为标志的嵌入式系统。s o c ( 片 上系统) 使嵌入式系统越来越小的同时功能却越来越强。目前大多数嵌入式系 统还孤立于网络之外，但随着网络技术的发展以及与信息家电、工业控制技术 等结合的日益密切，嵌入式技术与网络技术的结合正推动嵌入式技术的快速发 展。这是一个正在迅速发展的阶段。 综上所述，s o c 和嵌入式操作系统在整个嵌入式系统发展中扮演越来越重 要的作用，嵌入式设备与网络技术的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。为 此，本系统选取目前应用最为广泛的a r m 系列处理器作为切入点。 1 2 研究的主要内容 为了响应空调行业的发展趋势，本文将基于3 2 位a r m 处理器与操作系统 的嵌入式系统的概念和开发方法引入到空调室内控制系统的开发中来。设计了 一种基于a r m 的家用空调室内控制系统，并为后继课题作技术储备。 本课题的主要内容包括： ( 1 )功能设计方面：在继承现有系统功能的基础上通过增加通讯模块增加了 远程监控，代码更新，个性化设置等功能，描叙了系统的工作环境。 ( 2 )硬件方面：以飞利浦公司的a r m 7 处理器l p c 2 2 1 0 为核心，设计硬件 开发板，在设计上考虑多种通讯方式并存，有串口通信和以太网通信。 ( 3 )软件开发平台方面：将p c o s i i 实时操作系统移植到p h i l i p sl p c 2 2 1 0 硬件平台上，并裁减掉不需使用的系统功能。 ( 4 )系统软件方面：针对空调室内控制的实际需要，进行任务划分，将原来 用汇编语言开发、以硬件资源为中心的程序，改造成基于c 的面向控制 对象的程序，并分散到各个任务中实现，同时增加了新功能所需任务【s 】。 上海大学硕士学位论文 1 3 与原方案的比较 硬件开发方面：从原来的8 0 5 1 系列等8 位处理器的硬件平台提升为基于 3 2 位的a r m 7 - t d m i 的l p c 2 2 1 0 的硬件平台，保证了充足的硬件资源，使得 硬件平台具有通用性，摆脱了目前普遍存在的各种型号使用不同硬件的局面， 并为进一步的信息化应用打下了基础。 软件开发方面：本系统选用实时操作系统i t c o s i i 取代了原有的无操作系 统模式，简化系统的开发过程，从而实现开发的平台化。解决了在当前空调控 制软件开发方式下的两个主要问题：一是因增加了大量新的功能，功能调度复 杂，难度成倍提高；二是通过自行编写程序来实现硬件调度与功能切换容易在 修改、增加、删除功能时引起各种系统冲突，也难以保证其原有的实时性。 功能方面：对现有空调的功能进行扩充，在实现原有功能的基础上，通过 增加通讯模块实现远程控制、远程故障诊断、个性化优化运行设置、软件更新 等功能，更充分的满足生产了企业与终端用户的需求。 成本方面：随着芯片设计和制造工艺技术的发展，成本不断降低而性能大 幅提高，如今拥有众多功能的3 2 位处理器已经进入传统8 位处理器的价格区间。 被系统所采用的a r m 处理器仅比当前空调系统普遍采用的系统贵1 0 多元，考 虑到开发成本，产品上市时问，新产品丰富程度等因素，实际上不会带来企业 成本的增加。 1 4 研究的意义与应用前景 本文所研究的课题来源于上海市科学技术委员会重大科技攻关项目 _ 瑶向变频空调控制的嵌入式系统研究与开发”( 编号0 4 d z l 5 0 0 3 ) 。 变频家电是国际家电业发展的大趋势，通过将3 2 位a r m 处理器与实时操 作系统t t c o s i i 引入空调控制系统，建立了一个标准化的开发平台，使当今计 算机技术和网络技术发展的成果在房间空调这一传统的白色家电制造业中得到 了应用。通过功能分解，任务分配，实现了一种高内聚低耦合的软件结构，方 便了软件复用。将嵌入式操作系统和网络技术引入空调中，为产品迸一步的智 4 上海大学硕士学位论文 能化、信息化、网络化打好了基础【9 】。提供了一种解决变频空调行业当前面临 的两个重要问题：一是技术含量高开发周期长；二是现场服务( 故障诊断、事 故处理) 质量不能满足市场要求的方法。 作为本课题成果之一的空调样机已经通过验收，在解决上述两方面问题的 同时，它也能够满足企事业单位、智能楼宇等高端市场对房间空调集中监控、 维护的要求。作为意外的收获，相关企业认为本系统也能简化出厂测试，从而 降低成本。这充分证明了现代计算机与网络技术和传统家电的结合将产生巨大 的影响，产业界对这一天的到来翘首以待，拥有广阔的市场前景，具有较高的 产业意义。 上海大学硕士学位论文 第二章系统的功能设计 本课题的主要任务是设计并实现一个基于a r m 处理器和i _ t c o s i i 操作系 统的空调室内控制系统，实现两个目的：方面对现有空调的功能进行扩充， 通过增加通讯模块实现远程控制、远程故障诊断、个性化优化运行设置、软件 更新等功能，更充分的满足生产企业与终端用户的需求；另一方面简化系统的 开发过程，从而实现开发的平台化。空调室内控制系统传统上起着通过遥控器 或应急开关接受用户指令的联系用户的功能、控制空调室内机中p g 电机、步 进电机等各部件运转及外机运转状态的功能。在新的系统上，在保留原有控制 结构以方便厂家升级的基础上，对室内控制系统的功能进行了新的设计，并且 设计了该系统的使用环境。接下来的几章将分别阐述控制系统的硬件、软件的 设计和实现。 2 1 应用框架 在空调室内机中，空调室内控制系统以基于a r m 7 t d m i 处理器的主控板 为控制系统核心，直接负责控制室内机各部件的运行。它以电流载波的方式与 室外机上d s p 主控板迸行通讯，控制室外机的运行。同时通过r s 4 8 5 总线与便 携式维修仪、p c 机控制软件进行交互，也能通过以太网基于t c p i p 协议与远 程计算机上的控制软件交互【1 0 】，从而实现系统状态监测与控制、个性化设置、 软件升级更新等新功能。图2 1 给出了系统的应用框架。 2 2 系统的主要控制部件 室内控制系统保证空调正确稳定的运行，起着联系与控制空调中的各种单 独的物理部件的作用。它管理着室内机的各种资源，控制它们的正确运行。需 要进行直接管理的部件有： 1 ) 遥控接收：接收遥控器发出的数据，从而响应用户的指令。 2 ) p g 电机：p g 电机带动风扇的运转，通过对它的控制达到调节风量的目的。 6 上海大学硕士学位论文 ：f 生= ：妻丝= = ：! j! 生= i i 妻丝= = ：= ( j 图2 1 系统的应用框架 3 ) 步进电机：空调的风门摆动是通过步进电机的转动来带动的，必须通过对步 进电机的控制达到让风门在设定的范围和速度下，按用户要求摆动或停止的 目的。 4 ) 室内温度采集：通过室内温度的状态调节室内机部件和室外机的运行。 5 ) 室内盘管温度采集：通过室内盘管温度的状态控制室内风扇和室外机的运 转。 6 ) 蜂鸣器：蜂鸣器的叫声被用来提示用户，确认指令或者报警。 7 ) l e d 指示灯：指示空调的运行状况，如开关机状态、制冷、制热模式等。 8 ) 应急按键：可通过应急按键开关机，或者进入特殊诊断运行状态。 7 上海大学硕士学位论文 2 3 系统与室外机的交互 考虑到产业化的要求，为了与现有空调生产过程无缝衔接，使空调生产厂 家能继续使用现有生产模具和工艺，系统仍采用了内外两块控制板的模式，但 是，两块控制板之间的交互内容发生了变化，我们在继承的基础上重新设计了 两块控制板之间的功能关系。 2 3 1 系统与外机交互的功能设计 空调外机控制系统将自身运转状况汇报给内机，同时也从内机获取运行所 需的参数指令；内机获取外机状况，结合从用户界面获取的运行参数和自身状 况向外机发送控制参数。通过分析，得到了室内外机分别所需发出的信息如下： 内机需要向外机发送控制命令、室内状况、通过新增与p c 通讯的功能后 所需要的与外机联系的功能，主要包括： 1 ) 包括关机，制冷，制热，除湿在内的运转模式。 2 ) 当前设定的室内环境温度。 3 ) 当前室内环境温度。 4 ) 当前室内盘管温度。 5 ) 健康功能，高效模式，额定能力测试，加氟模式等室内机运转状态。 6 ) 内机部件发生故障后的保护模式。 7 ) 设置开关四通阀，电磁阀，压缩机，室外风机风速档位等。 8 ) 除霜开关，除霜运行频率档位。 9 ) 指定压缩机按某一频率运行。 1 0 ) 指示查看或更改外机参数。 。 外机需向内机发送包含室外状况、空调新增与p c 通讯的功能后所需要的 与内机联系的功能，主要包括： 1 ) 当前室外压缩机运转的频率。 2 ) 外机部件产生异常后外机所处的保护模式。 3 ) 由传感器采集的室外环境温度值。 上海大学硕士学位论文 4 ) 由传感器采集的室外盘管温度值。 5 ) 由传感器采集的压缩机排气温度值。 6 ) 室外机运行时输入总电流值。 7 ) 室外机输出侧电压值。 8 ) 系统除霜、回油、预热等运行状态。 9 ) 外机运转所需的各种参数状态。 2 3 2 系统与室外机交互的通讯协议的设计 变频空调作为大规模生产的商品，控制成本是十分必要的，目前室内外机 的主要通讯，通常采用电流环或利用电源线进行载波通信的方式1 1 1 1 。本课题设 计采用电流环这种通讯方式，虽然通讯速率底，但是能达到本系统的需求，而 且它具有成本低，技术简单，开发难度小等优点。 在室内机控制板上，通讯硬件上利用a r m 处理器上u a r t 控制器进行， 结合电流环通讯的特点，采用主从式半双工异步通讯。通讯中，室内控制板为 主机，室外控制板主控为副机。通信格式：1 位起始位，8 位数据位，偶校验， 1 位停止位。波特率：6 0 0 b i t s 。 通讯采用校验和应答机制保证可靠性。从主机发送信号到副机是在收到副 机状态信号处理完5 0 毫秒之后进行，副机同样等收到主机发送信号处理完5 0 毫秒之后进行，通讯以室外主控为主，通讯时序如图2 2 示。正常情况主机发 送完之后等待接收，如2 秒仍未接收到信号则再发送当前的命令，如果2 分钟 内未收到对方的应答( 或应答错误) ，则出错报警；同时发送信息命令给副机， 以压缩机驱动为副机，副机未接收到主机的信号时，则一直等待，不发送信号。 副机在收到主机头码后1 秒钟内必须得到全部正确的数据，否则必须重新 搜寻头码。室外机上电后或主机复位后，主机首先向副机发送控制数据，若此 时尉机确实需要控制数据则按控制数据传送方式进行通讯；若此时副机不需要 主机发送控制数据，则可向主机请求发送运转数据。主机在接受到副机的请求 后，按副机请求发送相应数据。同样，副机若复位后，可在通讯建立后立即向 9 上海大学硕士学位论文 一啪n 广 图2 2 通讯时序 主机发送通讯数据请求，请求发送其所需数据，主机则做相应的应答。 数据以帧的形式发送，每个帧为1 8 字节的固定大小，在帧的头部包括了头 标识，目标地址、原地址各为一个字节，中间是数据区，尾部有一个字节的由 帧头部与数据共同产生的校验码。帧的组织如表2 1 所示： 数123 4 5nn + l 据位 含头目源数数数校 义标标地据据据验 示地 址12n码 址 表2 1 帧的组织 在中间段的数据区的设计中。采取以字节为单位设计功能的方式。在保证 每个字节功能清晰的同时，尽可能的充分发挥每个字节所能蕴涵的信息量，减 小通讯段的长度，从而达到减少通讯时间，节省系统内存的目的，系统也为将 来扩展功能做了部分预留。 如数据区的第一字节用来表示运转模式，它的设定内容如表2 2 所示： 第一字节模式( m o d e ) 0 0 0 00 0 0 0 bo f f ( 关机) 0 0 0 00 0 0 1 b c o o l ( 制冷) 0 0 0 00 0 1 0 b m a t ( 制热) 0 0 0 00 1 0 0 bd r y ( 除湿) 0 0 0 00 0 1 0 1 1 l l l “l l 预留 表2 2 数据区的第一字节的设定内容 数据区的第七字节用来表示室内机保护状态，它的设定内容如表2 3 所示： 1 0 上海大学硕士学位论文 位数内容 备注 b i t 0 室温传感器故障 0 ：无相应故障或保护 b i t l 内盘管传感器故障l ：有相应故障或保护 b i t 2 内风机故障 b i t 3 电流过零检测故障 b i t 4 e e p r o m 读写错误 b i t 5 室内外间通讯故障 b i t 6 室内盘管高温保护( 可选) b r r 7室内盘管防冻结保护( 可选) 表2 3 数据区的第七字节的设定内容 2 4 系统与p c 机的交互 传统上家用电器是不与p c 机发生关联的，随着信息家电的兴起，电视等 黑色家电开始逐渐与p c 机结合，但是白色家电如空调、冰箱、洗衣机等则还 停留在概念阶段，我们从产业需求出发，设计了一个全新的空调与p c 机的交 互环境。 2 4 1 系统与p c 机交互的功能设计 空调室内控制系统被设计成能通过r s 4 8 5 总线和以太网与电脑连接，以实 现作为一个可扩展的通用平台的功能，在实际应用中根据应用需求和成本要求 它能裁减成单独使用r s 4 8 5 或网络的形式。应用示例如图2 3 所示。 系统通过与p c 机的联系所要实现的主要功能有： 1 ) 实时远程功能控制 主要实现类似遥控器对空调的功能操作以及对风速、压缩机、外风机 和四通阀等的单独控制。 上海大学硕士学位论文 - 远程控制系统( 可扩展)i 用户p c ( 家庭网关) i 嵌入式空调室内机 ti ti _ o 伍c e p c ：h o m e p c： 远程控制 外 丽 睦丘血掏 图2 3 应用示例 2 ) 实对状态监控 实时监控开关机状况、压机频率、压机排气温度、当前电流值等参数。 3 ) 获取系统控制信息 上位机通过与空调通信获取一些系统参数，如室内机软件版本、压机 型号、关键控制参数等。 4 ) 修改控制参数 上位机可对系统控制参数进行修改，以满足用户的多样化需求。可将修 改范围细化到诸如风速点、温度保护点、动作判定温度点、风摆角度等， 并具有恢复出厂设置的功能。 5 ) 远程故障诊断 上位机通过与室内机的通信对空调的故障和保护状态进行报警或显 示，同时上位机与室内机间的通信故障亦要做出判定。 6 ) 在线更新 通过上位机能将新的控制代码写入控制板，更正原程序中隐含的问题或 者是较大幅度的调整空调原来的运行方式来适应新的环境 1 2 上海大学硕士学位论文 2 4 2 系统与p c 机交互通讯协议的设计 1 ) r s 4 8 5 总线串行通讯： 使用r s - 4 8 5 总线，一对双绞线就能实现多站联网，构成分布式系统， 具有设备简单、价格低廉、能进行长距离通信的优点。在9 6 0 0 波特率下通 讯距离可达近千米，适合于智能楼宇、工厂测试等应用环境。 在通讯方式和容错机制上采用了与外机通讯相同的设计，应用a r m 上 u a r t 控制器实现，采取应答和校验机制容错。但是在速率上有所提升， 设计使用9 6 0 0 b i t s ，即能满足系统通讯速度的需求又能保证长距离通讯的 可靠性。 作为总线型通讯方式，系统采用监听的方式避免冲突，当系统检测到 有信号传输时，延迟发送，直到检测到线路没有信号传输，设定一个随机 等待时间后再开始发送信号。 通讯同样以帧为单位进行，在通讯内容的设计上p c 机和控制系统发送 的帧被设计成不同长度，分别是3 0 字节和4 0 字节，这主要是出于通讯内 容和减少通讯量的考虑。帧的组织同样是三个字节的帧头和一个字节的校 验位。一般交互只需一帧即回去所需的全部内容，在升级代码块时，p c 机 控制软件通过将代码分成若干帧进行发送，控制系统接收后再合并成一个 完整的代码段。 2 ) 网络通讯： 系统与p c 机联系的另一种方式是采用普遍使用的以太网基于t c p i p 协议进行通讯。在实现时使用s o c k e t 标准接口进行通讯a 上海大学硕士学位论文 第三章系统硬件的设计与实现 3 1 处理器选型 3 1 1 嵌入式处理器分类 嵌入式系统的核心是嵌入式处理器【1 2 】。目前据不完全统计，全世界嵌入式 处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 几个系列。嵌入式 处理器的寻址空间一般从6 4 k b 到1 6 m b ，处理速度从0 1m i p s 到2 0 0 0m i p s ， 常用封装从8 个引脚到1 4 4 个引脚。嵌入式处理器目前主要有a m l 8 6 8 8 、 3 8 6 e x 、s c - 4 0 0 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m 系列等。根据其现状，嵌入 式系统可以分成下面几类f 1 3 】： 1 ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 嵌入式微处理器是由通用计算机中的c p u 演变而来的，与计算机处理器不 同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去 除其他的冗余功能部件。目前主要的嵌入式处理器类型有：a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、 s c - 4 0 0 、p o w e r p c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m s t r o n g , a r m 系列等。在应用中，将微 处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，并 在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面傲了各种增强。 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t , m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一 块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成 r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、w a t c h d o g 、i 0 、串行 口、脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s hr a m 、e e p r o m 等各种必要功能和外设。 微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰 富，适合于控制，因此称为微控制器。嵌入式微控制器中比较有代表性的通用 系列包括8 0 5 1 、p 5 1 x a 、m c s 一2 5 1 、m c s 一9 6 1 9 6 2 9 6 、c 1 6 6 1 6 7 、 m c 6 8 h c 0 5 ，1 1 1 2 1 6 、6 8 3 0 0 等。 1 4 上海大学硕士学位论文 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b c d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , e d s p ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法， 编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 、谱分析、图形图像 处理等方面d s p 算法正在大量进入嵌入式领域，如n 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 ， i n t e l 的m c s 2 9 6 和i n f m e o n ( s i e m e n s ) 的t f i c o m 。 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 在一个硅片上实现一个更为复杂的系统，这就是s y s t e mo nc h i p ( s o c ) 。 s o c 最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器内嵌入操作系统 的代码模块，且具有极高的综合性，在一个硅片内部运用v h d l 等硬件描述语 言，实现一个复杂的系统。各种通用处理器内核将作为s o c 设计公司的标准库。 s o c 可以分为通用和专用两类。s o c 的典型例子有i n f m e o n ( s i e m e n s ) 的t f i c o m ， m o t o r o l a 的m - c o r e ，p m i i p s 的s m a r t x a 1 钔。 3 1 2a r m 处理器介绍与选择 a r m 公司( a d v a n c e dr s cm a c h i n e sl i m i t e d ) 成立于1 9 9 0 年，公司本身并 不生产芯片，而专门从事芯片的设计，出售芯片技术授权，即知识产权( m ) 供应 商。它为a r m 架构处理器提供内核。a r m 公司将这些碑核授权给各个半 导体公司，半导体公司在这些处理器内核的基础上进行再设计，嵌入各种外围 功能部件，形成各种各具特色的嵌入式处理器。例如：a t m e l 公司的a t 9 1 系 列、c i r r u s l o g i c 公司的e p 系列、p h i l i p s 的l p c 系列、i n t e l 公司的s t r o n g a r m 等。国内的中兴集成、上海华虹、大唐电信等公司也购买了a r m 内核的授权， 生产相应的基于a r m 的网络系统芯片、基带芯片、智能卡等。截至目前，a r m 已占据了嵌入式内核市场的8 0 以上的分额。 a r m 系列处理器是g 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 e r ，精简指令集 计算机) 体系的典型代表。r i s c 是在分析了c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ，复杂指令集计算机) 体系缺点的基础上发展起来的体系结构，其特点 是指令及其格式精简，操作和控制简洁。所以基于r i s c 体系的处理器结构简 上海大学硕士学位论文 洁、面积小、功耗小，非常适合于嵌入式应用的场合【1 5 1 。 a r m 处理器目前包括7 个系列的产品，这些处理器最高主频超过1 g h z ， 功耗仅为m w m h z 级。目前常用的是a r m 7 、a r m 9 、a r m l 0 系列的产品， 广泛的应用在无线设备、数字消费品、汽车、通讯以及工控领域1 1 6 1 。 根据系统所提要求，我们选择了a r m 系列c p u 。当前，在国内比较流行 的a r m 芯片主要有：p h i l i p s ( l p c 系列) 、s a m s u n g ( s 3 c 4 4 b o ，$ 3 c 4 5 1 0 ，$ 3 c 2 4 1 0 ， $ 3 c 2 4 4 0 ) ，a t m e l ( a t 9 1 系列、a r m 9 2 6 e 系列、a r m 9 2 0 t 系列) 、r y n i x ，i n t e l ( i x p 系列、p x a 系列) 、s h a r p 、c o n e x a m 、m o t o r o l a ( d r a g b a um x ) 、c i r r u sl o g i e 等。当前a r m 微处理器主要包括有6 瓜m 7 ，a 砌以9 ，a r m 9 e ，a r m l 0 e ，s e c u r c o r e ， i n t e l 的x s e a l e , i m e l 的s t r o n ga r m 等系列，其中a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ，a r m l 0 为四个通用处理器系列，每个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领 域的需求。 a r m 7 系列为低功耗的3 2 位r i s c 微处理器，该系列具有如下特点f 1 7 1 ： 具有嵌入式i c e r t 逻辑，调试开发方便； 低功耗，适用于对功耗要求高的应用； 能提供o ，9 m p s 巾m z 的三级流水线； 对操作系统的广泛支持，如u c o s i i ，u c l i n u x 等； 指令系统与a r m 9 ，a r m l 0 系列兼容，容易升级。 综上，a r m 7 系列主要用于工业控制、移动电话等领域。a r m 7 系列微处 理器主要包括以下四种核：a r m 7 t d m i ，a r m 7 t