（计算机应用技术专业论文）汽车配件生产线辅助系统的设计与实现.pdf

大连理t 大学硕+ 学位论文 摘要 在我国，生产制造行业非常繁荣，绝大部分都是半自动化生产线，需要大量的操作 工人工作于生产线上，从而完成各产品及零部件的加工和制造。 对于这些劳动力密集型企业，例如汽车线束装配行业，其特点是工位密集，产品品 质要求高，人员流动性大，作业员工文化程度不高，手工作业步骤多。为保证产品品质， 对作业步骤的监督检查及作业操作培训就变得极为重要。 随着嵌入式技术的发展，嵌入式处理器的运算速度越来越快。在嵌入式处理器上面 的应用也越来越丰富。嵌入式技术已广泛应用于各行各业。 在本文所讨论的系统是根据大连坂井电机公司提出的需求，设计的应用于汽车配件 生产线的辅助系统，采用三星3 2 位嵌入式微处理器$ 3 c 2 4 1 0 、移植嵌入式l i n u x 操作 系统，给作业人员提供作业操作的指导，可通过触摸屏选择需要的操作示范视频进行播 放，对作业人员进行岗前的培训；在生产过程中，通过发光二极管给出相应的信号提示， 同时播放规范操作的视频，检查操作流程是否合格并采取相应的处理方案，还能对工作 的相应过程进行记录。另外还提供以太网功能，可以上传记录文件了解作业的相关情况， 通过下载不同的配置文件，可广泛应用于不同的流水线的生产装配线上。而且，在出现 问题时，可通过语音呼叫，进行远程语音通信。 在本文详细的介绍了基于s 3 c 2 4 1 0 嵌入式处理器的硬件系统的设计。成功的移植了 基于l i n u x 2 4 内核的嵌入式操作系统和编写了相应的驱动程序。详细叙述了硬件电路的 设计，b o o t l o a d e r 移植和嵌入式l i n u x 内核的裁剪、移植，文件系统在f l a s h 上的建立过 程。讨论了网卡c s 8 9 0 0 驱动的移植，以及实现了基于以太网的文件传输和语音通话功 能。同时为了实现传输功能，在嵌入式系统下实现了v s f t p d 服务。 本文讨论的系统可通过修改前端输入的处理或后台的反馈控制，从而可广泛适应于 类似的应用中。 关键词：嵌入式l i n u x ；s 3 c 2 4 1 0 ；c p l d ；作业辅助；v s f t p d 大连理 人学硕十学位论文 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f a u t op a r t sp r o d u c t i o nl i n e a s s i s t e ds y s t e m a b s t r a c t i nc h i n a , t h eb o o m i n gm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y ，i nw h i c ht h ev a s tm a j o r i t ya r e s e m i - a u t o m a t e dp r o d u c t i o nl i n e sa r ea p p l i e d ，n e e d sal a r g en u m b e ro fo p e r a t i v e sw o r k i n go n t h ep r o d u c t i o nl i n ei no r d e rt oc o m p l e t et h ev a r i o u sp r o d u c t s t h e s el a b o r - i n t e n s i v ee n t e r p r i s e s ，s u c ha sa u t o m o t i v ew i r i n gh a r n e s sa s s e m b l yi n d u s t r y ， c h a r a c t e r i z e db yw o r k i n t e n s i v e ，h i g h - q u a l i 够p r o d u c t s ，h i g h l ym o b i l es t a f f , o p e r a t i o ns t a f f s s k i l li sn o th i g h , m u l t i - s t e pm a n u a l i no r d e rt oe n s u r ep r o d u c tq u a l i t y ，t h ec h e c ko ft h e o p e r a t i o n sa n dh a n d s o nt r a i n i n gb e c o m e se x t r e m e l yi m p o r t a n t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e dt e c h n o l o g y ，t h es p e e do fe m b e d d e dp r o c e s s o r sf i r e b e c o m i n gf a s t e ra n d f a s t e r t h e a p p l i c a t i o n s b a s e do ne m b e d d e ds y s t e m sa r er i c h e r e m b e d d e dt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di na l lw a l k so fl i f e n 玲s y s t e md i s c u s s e di nt h i sp a p e ru s e sa3 2 - b i te m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o rs a r n s u n g $ 3 c 2 4 10 ，e m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e mt r a n s p l a n t e d i tp r o v i d e so p e r a t i o n a lg u i d a n c et o o p e r a t i v e sb yp l a y i n gb a c kas p e c i f yv i d e oa n dc h e c kw h e a t h e rt h eo p e r a t i o ni sc o r r e c ti nt h e p r o d u c t i o np r o c e s s i ta l s op r o v i d e se t h e m e tf u n c t i o n ，b yw h i c ht h ea d m i n i s t r a t o rc a r lu p l o a d p r o f i l e sr e l a t e dt ot h ep r o d u c t i o nl i n ea n dd o w n l o a d i n gt h el o gf i l e s m o r e o v e r , l o n g - d i s t a n c e v o i c ec o m m u n i c a t i o ni sa n o t h e ru s e f u lf u n c t i o nw h e nt h e r eap r o b l e mi so c c u r r e di nt h e p r o d u c t i o nl i n e t h i sp a p e rd i s c u s s e st h es y s t e mi nd e t a i l ，s u c ha st h eh a r d w a r es y s t e md e s i g nw h i c hi s b a s e do n $ 3 c 2 4 10m i c r o p r o c e s s o r , b o o t l o a d e rt r a n s p l a n t a t i o n , e m b e d d e dl i n u xk e m e l2 4 c u t t i n ga n dt r a n s p l a n t a t i o n g ，t h ee s t a b l i s h m e n to ft h ee m b e d d e df i l e s y s t e m sb a s e do nf l a s h m e m o 巧，t h ed e v e l o p m e n to fd e v i c ed r i v e r s i ta l s od i s c u s s e st h et r a n s p l a n t a t i o no ft h ed r i v e r o fc s 8 9 0 0w h i c hi su s e dt os u p p o r te t h e m e t , a sw e l la se t h e m e t b a s e df i l et m m f e ra n dv o i c e c a l l a tt h es 锄et i m e ，i no r d e rt oc o m p l e t et h ef u n c t i o no ft r a n s f e r r i n gf i l e s ，t h ev s f t p d s e r v i c ei sa l s oe s t a b l i s h e do nt h es y s t e m 硼1 es y s t e md i s c u s s e di nt h i sp a p e rc a nb ew i d e l ya p p l i e di nm a n yo 也e rs i m i l a r e n v i r o n m e n t sb ym o d i f y i n gt h ei n p u tp r o c e s sm o d u l eo rt h ef e e d b a c kc o n t r o lm o d u l e k e yw o r d s ：e m b e d d e dl i n u x ；$ 3 c 2 4 10 ；c p l d ；o p e r a t i o na s s i s t e d ；v s f t p d i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：逍垒螫圣绺喀邀盏歪堕壹也丝丝丝鱼窒丝 作者签名： 丝里肇垒 日期：坦查年业月上日 大连理。r ：人学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本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和汇编本学位论文。 学位论文题目：逸煞竭丝耸生主盟盔蕴：麴垒亟型生笪墅塾 作者签名：亟监生 1 日期：鲨! 星年j 兰月坚日 导师签名：潭乳 日期：喜边年上立月上l 日 大连理工大学硕十学位论文 1绪论 随着信息技术的发展，嵌入式应用也越来越广泛的应用在社会的日常的生产生活 中。在信息技术发展的初期，嵌入式技术还只是在社会生产的主要部门和环节发挥着重 要的作用，而今随着技术的进步和生产力水平的提高，硬件成本逐渐降低，对应人才越 来越丰富今天，各种嵌入式系统不断的应用的各种生产和生活中，发挥着越来越重要的 作用，大幅提供了生产的效率和方便了人们的生活。 对于劳动力密集型行业，如制造行业，大量采用半自动化生产线，由于作业人员数 量多，流动性大，文化程度不高，而对产品的品质要求又很高，因此为了实现目标，降 低培训成本，提高产品合格率，生产线都采用作业指导机对作业人员进行辅助作业，从 而达到目的l l j 。 现行制造企业普遍使用的产品是由日本住友公司开发的，原理是指导机的前面板有 6 0 个指示灯( z l z 6 0 ) ，对应有6 0 路二极管输出( y 1 一y 6 0 ) ，有6 0 路无源输) k ( i n l i n 6 0 ) 。可以通过p c 对输入点进行编辑，即编辑那些输入点是有效的，哪些输入点是无 效的。当工作周期开始时，有效输入点对应的前面板指示灯亮，对应的二极管输出灯亮。 当输入点闭合时，前面板对应指示灯及二极管输出指示灯灭，当所以步骤全做完，前面 板及输出指示灯处于全灭状态，作业合格指示灯亮，同时输出一个2 秒钟的脉冲来打印 合格印。因此此产品只能起到一些初步的指导作用，并不能完全满足要求。 本系统是对现行产品的改进，提供了l c d 显示功能，可以播放视频，这样效果更 突出，使操作人员印象更深刻，同时还提供以太网连接，可以从服务器中下载相应的视 频文件和配置文件，并上传记录文件，还可与控制室中的上位机进行通信，在控制室中 可对终端设备进行设置、控制，在设备出现问题时还可进行语音通话，协助问题的调试 和解决，非常方便。由于本系统采用了3 2 位嵌入式微处理器$ 3 c 2 4 1 0 和嵌入式l i n u x 系统，分模块设计，即前端模块，主控模块，和输出反馈控制模块，因此，可扩展性很 强，只需对其中的某一部分或某几部分进行改进升级就可应用于不同的生产线中。 本文所讨论的系统是基于s a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0 处理器的嵌入式多媒体平台，采用 嵌入式l i n u x 作为操作系统。s a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0 平台是一个高效的3 2 位嵌入式平台， 其大多数应用场合是对速度、功耗、体积有严格要求的智能控制、移动通信、手持设备 等1 2 】，本论文讨论的是要设计一个体积小，处理能力强，实现功能多，可扩展性强的系 统。 汽车配件生i 产线辅助襄统的设计与实现 1 。1课题背景 我国是制造业大国，存在特别多的制造企业，对子这些劳动力密集型行业，例如汽 车线束装配行业，大量采用半自动化生产线，由于诈韭入员的数量特别多，丽且流动性 大，文化程度不高，因此往往熟练工不多，而又不太可能进行岗前统培训，但是对产 品的品质要求又很高，力了实现目标，还要降低培训成本，提高产品合格率，生产线都 采用作业指导机对作业人员进行辅助作业，从而实现目标。 现彳亍普遍使用的产品是由日本健友公司开发的，原理是指导机的前面板有6 0 个指 示灯( z l z 6 0 ) ，对应有6 0 路二极管输出( y l y 6 0 ) ，有6 0 路无源输入( i y z i n 6 0 ) 。 可以通过p c 对输入点进行编辑，即编辑那些输入点是有效的，哪些输入点是无效的。 当工作周期开始时，有效输入点对应的前面板指示灯亮，对应的二极管输出灯亮。当输 入点闭合时，前面板对应指示灯及二极管输出指示灯灭，当所以步骤全做完，前面板及 输出指示灯处于全灭状态，作业合格指示灯亮，同时输出一个2 秒钟的脉冲- 柬打印合格 印。因此此产品只能起到一些初步的指导作用，存在如下缺点： ( 1 ) 功能单一，只能采用发光羔极管进行一些步骤的提示，并不能进行实际的操作 方法的提示，而且不能对错误的操作进行相应的处理。 ( 2 ) 处理速度偏慢，由于原有系统使用的是低速的8 位单片机系统，其响应速度和 处理速度都比较慢。 ( 3 ) 处理的输入数有限，由于原有系统使用的是8 位单片机系统，因此受限于单片 机的i 幻豳数量，最多只能处理2 0 路输入。 ( 4 ) 无法进行远程数据传输，原有的方法是每次更换产品线时，都需要入工更换相 应的存储芯片，非常不方便。 ( 5 ) 系统伸缩性不强，升级不便。原有的系统没有考虑扩展的闻题，如果需要应用 乎不同的生产线，需要进行程序的修改，而且应用的生产线类型也有限。 随着芯片技术的快速发展，嵌入式系统的性能逐步提高，功能也越来越丰誊，可以 满足更加高级的生产生活的需求f 3 j 。同时由于生产线的种类繁多，同一种生产线又可能 根据需要丽经常更换为生产不同的产品，即同一种生产线需要经常更换不同的操作方式 以满足生产不同产品的需要，还需要满足良好的人机接口，并对错误的操作做出适当的 反应。另一方面随着计算机互联网技术的迅速发展，人们产生了通过i n t e r a c t 控制和管 理远程设备的需要。本课题研究的溺的是开发一种基于嵌入式系统的网络型作业辅助设 备，在该设备上通过采用c p l d 作为前端来处理输入，从而可以处理多达6 4 路的输入， 通过l a n 接墨与外部通信，通过f l a s h 存储器提供大容量的后备存储，同时依托处理 器的强大处理能力实现对作业的提示，检测，反馈，通过彩色l c d 、触摸屏技术实现良 人连理：1 ：火学硕十学位论文 好的人机交互接口，通过嵌入式i n t e m e t 服务实现远距离控制和管理，甚至语音通话。 经过改进后还可以传送现场视频信号。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、 电子技术和各个行业的具体应用相结合的专用产品，这一特点决定了它必然是一个技术 密集、资金密集、高度分散、不易垄断、不断创新的知识集成产业。嵌入式系统的开发 应用是我国i t 业发展的大好机遇。在我国，对于以单片机为主的简单嵌入式系统的开 发和应用已经比较成熟，但对于以3 2 位、“位r i s c 处理器为核心的复杂嵌入式系统 的开发和应用还比较少。特别是辅助生产制造方面，大部分应用还停留在8 位单片机f 4 】。 本课题研究的意义在于在计算机辅助生产制造行业引入复杂的嵌入式系统，满足用户多 方面的需求，在制造行业最大限度的提高产品质量，利用现代i n t e m e t 技术成果减少管 理上的人工操作，降低管理成本。 针对这些问题，本文利用发展快速的3 2 位微处理器以及嵌入式l i n u x 操作系统， 结合先进的通信方式，自主开发设计性能较高、适用范围较广、便于扩展的作业辅助设 备。硬件部分采用了基于a r m 9 内核的$ 3 c 2 4 1 0 处理器，该处理器最高处理速度为 2 0 3 m h z ，满足高速处理的要求；内带3 个串口，可直接对多种通信模块进行控制；内 带u s b 控制器，方便外接各种u s b 设备，例如现场需要使用的u s b 扫描枪，读取需 要生产产品对应的条码；外接f l a s h 存储器，可方便存储配置文件和记录文件甚至语 音视频文件；内部带有多种片内外设，便于开发多种通信及应用接口；且由于体系结构 和指令集的差异，不易被电脑病毒感染，进一步增强了可靠性。 本系统使用嵌入式l i n u x 操作系统，开源系统的优势，便于系统的开发工作。目前 国际上有两百多种嵌入式操作系统。在所有操作系统中，l i n u x 是发展最快、应用最广 泛的。1 9 9 9 年时，还很少有开发者在嵌入式设备中考虑使用l i n u x 。然而在今天，l i n u x 随时都有可能成为嵌入式操作系统市场的主导者1 5 】。l i n u x 在移动计算平台、智能工业 控制、金融业终端系统，甚至军事领域都有着广泛的应用前景。在嵌入式应用的领域里， 从因特网设备到专用的控制系统，l i n u x 操作系统的前景都很光明。由于l i n u x 功能强 大、可靠、灵活而且具有伸缩性，再加上它支持大量的微处理器体系结构、硬件设备、 图形支持和通信协议，这些都使它作为许多方案和产品的软件平台越来越流行。 利用当今发展快速的嵌入式技术，移植广泛使用的嵌入式l i n u x 操作系统，改进现 行产品的不足，使得本产品可以广泛满足于目前的半自动化生产线，具有一定的应用范 围和实际意义。目前，本次开发的基于$ 3 c 2 4 1 0 的作业辅助设备己应用于广东某汽车配 件生产线，下一步在提高系统稳定性后可应用于越南，泰国等国家和地区的生产线上。 汽车配俘生产线辅勋系统的设计与实现 - l ，2 本文内容与结构 本课题是在较为充分的研究了嵌入式系统硬件平台设计、软件环境和支持软件的基 础上应用户酶需求丽提出的一种解决方案。通过分析现当前使用的产晶，阕读了大量的 相关资料和源代码，结合实际的用户需求，提出了些行之有效的实现方法。 本文的主要王作蠹容如下： 研究学习s 州s u n g $ 3 c 2 4 1 0 的相关开发技术，设计并实现了以$ 3 c 2 4 1 0 为核心 处理器的硬件系统。 认真研究分析了当前几种主流嵌入式操作系统的特点，最后选择嵌入式l i n u x 作为 嵌入式终端设备的操作系统： 戮$ 3 c 2 4 1 0 为核心，结合c p l d 、f l a s h 、l c d 、p c m c i a 接墨，以太阏接嗣，触摸 屏等外围模块共同实现嵌入式终端的硬件系统； 移植了b o o t l o a d e r 和嵌入式l i n u x 系统。以$ 3 c 2 4 1 0 作为处理核心，c p l d 馋为翦 端输入处理，以l c d 作为显示，并结合以太网接口与服务器和上位机进行通信，可进 行远程的设置和控制，再辅以语音通话功能来解决现场可能出现的问题。 以v s f t p d 搭建的简单文件传输服务，实现控制中心和嵌入式终端之间的文件传输。 本文的组织结构如下： 第一章绪论。分析了本论文课题背景、现状、研究的内容和意义，最瑟说明了本 论文的组织结构。 第二章系统总体功能设计与实现。对系统的总体设计，及其模块的功能和设计做 了简要介绍。 第三章硬件系统设计与实现。详细介绍了s a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0 嵌入式处理器的特 煮，以及以该处理器为核心的系统板各功能模块的电路设计。 第四章系统软件的裁剪和移植。介绍嵌入式b o o t l o a d e r 的移植，嵌入式l i n u x 操 作系统裁减和移植过程及其驱动开发，详细讨论了基于b u s y b o x 系统的文件系统的制作 和配置过程。 第五章驱动程序及应用程序的设计和开发。详细讨论了c p l d 部分程序的设计， $ 3 c 2 4 1 0 部分对c p l d 和c h 4 5 1 驱动程序的开发，视频播放器的移植，通信程序的设 计以及语音通话程序的设计。最后通过移植v s f t p d 程序在嵌入式平台上实现了邱服务。 第六章系统浆测试及展望。详细描述了本系统的测试，以及对应用前景豹展望。 最后，是对本次开发设计的基于$ 3 c 2 4 1 0 的生产线辅助系统的总结。 大连理1 ：大学硕士学位论文 2系统总体功能设计与实现 随着数字技术的发展和体积更小的控制芯片以及功能更强的操作系统的出现，嵌入 式技术已经被广泛应用在人们的日常生活中。目前，嵌入式产品已经在很多领域得到广 泛的使用，如：国防、工业控制、通信、办公自动化和消费等领域1 6 l ，本文设计的基于 $ 3 c 2 4 1 0 的生产线辅助系统是利用3 2 位嵌入式a r m 9 微处理器搭建硬件平台，并移植 嵌入式l i n u x 操作系统，开发具有高性能、高可靠性、方便扩展的嵌入式系统。 2 1嵌入式系统概述 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。目前嵌入式系统已经渗透到我们生活中的 每个角落，工业、服务业、消费电子，而恰恰由于这种范围的扩大，使得“嵌入式系统” 更加难于明确定义。 根据i e e e ( 国际电机工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、 机器和设备运行的装置”( 原文为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 tt 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 ) 。这主要是从应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系 统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。 不过上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓，目前国内一个普遍被认同的定 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。 这个定义上，可从几方面来理解嵌入式系统： ( 1 ) 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才 会具有生命力、才更具有优势。因此可以这样理解上述三个面向的含义，即嵌入式系统 是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统的需求进行合理的裁减 利用。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体 应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、 不断创新的知识集成系统。所以，介入嵌入式系统行业，必须有一个正确的定位。例如 p a l m 之所以在p d a 领域占有7 0 以上的市场，就是因为其立足于个人电子消费品，着 重发展图形界面和多任务管理；而风河的v x w o r k s 之所以在火星车上得以应用，则是因 为其高实时性和高可靠性。 ( 3 ) 嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠 汽车配件生产线辅助系统的设计与实现 性、成本、体积等要求。所以，如果能建立相对通用的软硬件基础，然后在其上开发出 适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。目前的嵌入式系统的核心往往是一个 只有几k 到几十k 微内核，需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减，但是由于微 内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利的进行。 实际上，嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结合在一起的具有嵌 入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，而且有时很难以给它下一个准确的定义。现 在人们讲嵌入式系统时，某种程度上指近些年比较热的具有操作系统的嵌入式系统，本 文在也沿用这一观点。 一般而言，嵌入式系统的构架可由嵌入式处理器、相关硬件、嵌入式操作系统和应 用软件等部分组成。具体将在后面的章节中具体介绍。它可应用于家电市场、工业市场、 商业市场、通讯市场和国防市场，应用的产品形态丰富多样，例如掌上电脑、机顶盒、 数字电视、数字音像设备、手机、可视电话、车载智能设备、数控机床、商业终端、教 育终端、智能控制设备等，而工业控制是嵌入式系统重要的应用领域。 嵌入式系统通常由硬件和软件两部分组成。简单的嵌入式系统由微控制器或单片机 及嵌入式软件组成。嵌入式体系结构如图2 1 所示。 嵌入系统有三个明显的特征：专用性、实时性、可靠性。专用性是指嵌入式计算机 系统用于特定设备完成特定任务，可以针对用户的需求对系统的软硬件进行裁减。实时 性是指与实际事件的发生频率相比，嵌入式系统能够在可预知的极短时间内对事件或用 户的干预做出响应。可靠性是指嵌入式计算机嵌入到系统或设备中，用户一般不直接接 触控制，因此一旦工作就要求它可靠运行。 这些年来掀起了嵌入式系统应用热潮的原因只要有几个方面：一是芯片技术的发 展，使得单个芯片具有更强的处理能力，而且使集成多种接口已经成为可能，众多芯片 生产厂商已经将注意力集中在这方面。另一方面的原因就是应用的需要，由于对产品可 靠性、成本、更新换代要求的提高，使得嵌入式系统逐渐从纯硬件实现和使用通用计算 机实现的应用中脱颖而出，成为近年来令人关注的焦点。 从上面的定义，我们可以看出嵌入式系统的几个重要特征： ( 1 ) 系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有 限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如e n e a 公司的o s e 分布式系统，内核 只有5 k ，而w i n d o w s 的内核简直没有可比性。 位) 专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密， 一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统 硬件的变化和增减不断进行修改，裁减软件中操作系统的内核。同时针对不同的任务， 大连理【：大学硕十学位论文 往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合这种修改和通用软件 的“升级”是完全两个概念。 r _ _ 匝用8 i。二 臣 j i 一一 目毕 ( 3 ) 系统精简。嵌a 式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功 能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。 ( 4 ) 高实时性的系统软件( o s ) 是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固态存储， 以提高速度：软件代码要求高质量和高可靠性。 ( 5 ) 嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统 的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务、利用系 统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配r t o s ( r e a l t i m e o p e r a t i n g s y s t e m ) 开：发平台这样才能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。 ( 6 ) 嵌入式系统开发需要开发工具和环境。由于其本身不具各自举开发能力，即使 设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发丁具和 环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻 汽印配件生产线辅助系统的设计与实现 辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开 发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。 ( 7 ) 嵌入式系统软硬件结合紧密，在嵌入式系统软硬件体系结构内部，各层次、模 块之间的耦合度比通用计算机强，这是嵌入式系统要求高效的结果，而通用计算机出于 可扩展等要求更强调系统的模块化、层次化和标准化。 2 2 系统整体功能设计 本系统分为生产线辅助终端设备和中心管理系统两部分，它们之间通过以太网进行 通信，可以传输文件和进行语音通话。系统总体结构图如图2 2 所示。 图2 2 系统总体结构 f i g 2 2s y s t e ma r c h i t e c t u r e 本系统在网络传输方面使用邱协议实现，在每一个终端设备上提供邱服务，并按 照约定目录结构存储文件，提供给中心管理主机进行上传或下载；在中心管理主机上， 运行一个定制的上位机软件，提供邱客户端功能，可以上传或下载文件，还可以与下 位机进行语音通信。 生产线辅助终端设备按功能主要分为3 个不同的模块：以$ 3 c 2 4 1 0 为核心的中心控 制模块、以c p l d 作核心的前端输入处理模块和以c h 4 5 1 为核心的输出显示提示模块。 2 3 系统各模块功能介绍 中心管理主机和众多生产线辅助终端设备通过集线器组成一个局域网。使用 1 9 2 1 6 8 3 o 的网段，这样在一个生产线辅助系统中就可以容纳最多2 5 4 台机器，除了中 心管理主机，至少可以安放2 5 3 个终端设备。在每一台终端设备中都启动了一个小型的 邱服务，使用的是v s f t p d 。v s f t p d ( v e r ys e c u r ef t pd a e m o n ) 顾名思义，具有较高的安 大连理i 大学硕士学位论文 全性、可靠性和易用性，是r e dh a tl i n u x 发行版本中包含的惟一兀甲服务器软件7 1o 它 的特点是小巧轻快，安全易用。v s f t p d 可以使用它所运行的l i u n x 系统e ? e t c p a s s w d 的 帐户信息。本系统中在每个设备终端中都设置了v d s y s 的账户并设置密码。进一步把 v s f t p d 提供的邱服务的根目录设定为a d v r o o l 目录。 ( 1 ) 中心管理主机 在中心管理主机上运行一个定制的f t p 客户端程序采用v i s u a ls t u d i o6 0 丌发， 这个定制的客户端程序除了具有一个普通的f t p 客户端的功能外，还可以编辑对应于不 同产品线的配置文件，并上传到终端设备中，还可以从终端设备中下载工作电录文件， 并进行分析后，生产报表，供企业进行管理上的使用，另外还提供语音通话功能，当生 产线出现问题时，可以对中心管理主机进行呼叫，实现远程的控制和调试。中，t l , 管理主 机运行界面如图23 所示。 型蒯丑型 口1 i t 图23 主控机程序 f i g2 3 t h e m a i nc o n t r o lp r o g r a m r 2 1 生产线辅助终端设各 生产线辅助终端设备对作用辅助起直接的辅助作用，起着很关键的作用，根据不同 的配簧文件可以对应于不同的生产线，生产不同的汽车配件，由中心控制模块、前端输 入处理模块和输出显示提示模块组成。 中心控制模块起核心控制作用，对各模块进行协调，调度的作用，可与各模块进行 通信，进程之间采用共享内存的方式进行通信，前端输入模块核心为c p l d ，对输入进 行处理，并且可给核一t l , 控制模块发送中断，将输入的编号发送给核心控制模块，核心控 制模块对输入进行判断是否合法，是否合格如果合格就进行下一步，否则就给出错误 提示，并且报警，直到错误输入被撤消，之后核心控制模块就可提示下一步，各模块问 的协同工作非常重要，需要考虑进程间的同步和互斥等各种情况，终端设备组成结构图 如图24 所示。 一 一 銎 汽车配件生产线辅助系统的设计与实现 图2 4 终端设备组成结构图 f i g 2 4t h es t r u c t u r eo f d e v i c et e r m 中心控制模块 该模块以a r m 9 2 0 t 架构的$ 3 c 2 4 1 0 微处理器为核心，并采用嵌入式l i n u x 系统， 负责接收输入模块c p l d 的输入，根据当前生产线的要求，也即配置文件，进行判断， 看输入是否正确，是否满足要求，如果正确则给出下一步的提示，包括播放提示语音和 显示相应的l e d 数码管：否则，给出错误提示，并报警，蜂鸣器一直呜叫，反复播放 提示出错的语音，直到该错误被纠正。如此循环，直到一个工作周期完成，记录该工作 周期相关的信息，以备上传给上位机。再循环开始下一个工作周期。 由于作业人员众多，一般最少为几千入，也就是有几千台设备，如果对每一台都手 动设置相应的生产线的配置文件，拷贝记录文件，工作量将十分巨大，何况生产线的要 求可能经常更改，更增加了工作量，为了提高效率，减少管理人员的工作量，本系统提 供了网络的功能，任何一台设备都可以接入以太网，管理人员可在控制室对任意的设备 进行控制，给设备下载相应生产线产品的配置文件，十分方便，快捷，同时还可以接收 设备的记录文件，做成报表。另外，还提供了语音通话功能，当设备或者生产线出现故 障时，可以远程呼叫控制室，远程控制。 本系统还提供了l c d 显示，采用嵌入式q t 作为图形显示界面，可以显示与当前 作业相关的信息，如当前作业的品番，当前完成的工作周期数，产品的合格率等等。同 时还可以给初学者播放规范操作视频教程，以及与安全相关的视频或其他需要的视频。 为了完成如此多的功能，同时缩短开发周期，故采用三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 微处理器 和嵌入式l i n u x 。$ 3 c 2 4 1 0 是s a m s u n g 公司设计的一款性价比较高的3 2 位r i s c 嵌入 火连理t ：大学硕十学位论文 式微处理器，外接3 2 ms d r a m 、“mn a n df l a s h ，运行嵌入式l i n u x 操作系统，很 好地提供了对语音，视频，l c d 显示，以太网及其他常用功能的支持。 前端输入模块 前端输入模块可以支持多达6 0 路的输入，由于$ 3 c 2 4 1 0 的通用i o 引脚有限，不 能直接与输入相连，因此采用可编程器件是最合适的选择，c p l d 既能满足要求，成本 也比较低，成为首选。 c p l d 接收6 0 路输入，并作相应的处理后，形成相应的编码，给$ 3 c 2 4 1 0 发送中 断，$ 3 c 2 4 1 0 读入编码后，就可以译码出对应的是哪路的输入，这样总共只需要9 个i o 引脚就可以实现6 0 路的输入。 由于对前端的输入都是在c p l d 中完成，因此，当产品需要升级或者改造应用于其 他类似的生产线时，只需要修改c p l d 部分，同样以中断发生相应的输入的编码即可。 输出提示模块 此模块主要是控制起提示作用的l e d 数码管的显示，总共有3 种提示，每一种都 有6 0 个发光二极管，因此采用了3 个c h 4 5 1 ，每一个控制6 0 个发光二极管。$ 3 c 2 4 1 0 给相应的c h 4 5 1 发送控制信号，c h 4 5 1 根据接收到的信号，点亮或熄灭某个发光二极 管或某一部分二极管。由于$ 3 c 2 4 1 0 可用的通用i o 口数目有限，而与c h 4 5 1 间的通 信实时性要求不是非常严格，因此采用了串行通信方式。 汽车配件生产线辅助系统的设计与实现 3 硬件系统设计与实现 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可以裁减，适合应用系 统对功能、可靠性、体积和功耗要求专用的计算机系统。 在嵌入式系统中，计算机系统一般作为智能控制部件嵌入到整个应用系统中，是整 个系统的控制核心，主要用于对系统的信息处理部件和用户交互界面加以控制，在这种 情况下，用户并不知道嵌入的计算机的存在，系统控制软件一般被固化在嵌入式计算机 中，嵌入式计算机一般不需要被用户重新编程，通过特殊的输入、输出设备与系统进行 交互。 3 1 核心处理器选型 随着嵌入式技术的发展，嵌入式微处理器的发展速度也非常迅速，种类繁多，性能 也越来越强劲。 为了提高该系统的功能以及降低开发成本，本次开发选择在l i n u x 操作系统下的开 发，同时希望系统能够在软件的支持下，兼作其他用途，整个系统便于升级，这就要求 处理器有较高的处理速度，支持m m u 单元。目前支持l i n u x 操作系统的微处理器主要 有p o w e r p c ，a r m ，m i p s 等。因为a r m 处理器在价格，处理器速度，功耗，开发工 具成本，开发资料丰富等方面具有优势1 8 1 ，所以选择了a r m 9 2 0 t 架构的$ 3 c 2 4 1 0 微处 理器。 $ 3 c 2 4 1 0 是三星公司针对工业级和民用级等多种应用场合设计的一款性价比较高 的1 6 3 2 位r i s c 嵌入式微处理器，其内部除了包含a r m 公司设计的1 6 3 2 位a r m 9 2 0 t r i s c 处理内核外，s 3 c 2 4 1 0 还包括以下比较重要的功能模块【9 j ： ( 1 ) 内带有m m u o v l e m o r ym a n a g eu n i t ) 内存管理单元，故$ 3 c 2 4 1 0 支持w i n d o w s c e 、嵌入式l i n u x 和e p o c 3 2 等多种嵌入式操作系统。 ( 2 ) 1 6 k b 的指令c a c h e 和1 6 k b 的数据c a c h e 。 ( 3 ) 完全可编程控制的外部总线接d ( e x t e r n a lb u si n t e r f a c e ) ，其存储空间可分为8 个1 2 8 mb a n k ，每个存储区都支持8 1 6 3 2 字宽进行读写操作，最大地址访问空间为1 g 。 ( 4 ) 5 5 个中断源。 ( 5 ) 3 个异步串行口，其中一个可设置成红外口。 ( 6 ) s p i 串行口。 ( 7 ) 可编程看门狗定时器。 ( 8 ) l c d 控制器，支持s t n 和t f t 两种l c d 显示器。 大连理 ：大学硕十学位论文 ( 9 ) 5 个1 6 位定时计算器。 ( 1 0 ) 8 路l o 位的a d c ，支持触摸屏。 ( 1 1 ) 2 个u s b 主设备口，1 个u s b 从设备。 ( 1 2 ) l1 7 位通用i o 口，2 4 个外部中断源。 同时$ 3 c 2 4 1 0 也提供了较好的电气特性，具有工业级产品，四种工作模式：正常模 式、低能模式、休眠模式和停止模式【l0 1 。 3 2 硬件系统的总体功能设计方案 硬件系统主要是生产线辅助终端设备部分，实际的对生产线操作人员的起辅助作 用，操作人员的操作被前端的c p l d 进行处理，作为主控模块的输入，主控模块需要提 供输入的判断，下一步操作的提示，还要提供视频的显示，以太网接口和其他的通信接 口；主控模块的提示信息输出给后端的提示模块，由于提示可能有6 0 * 3 种，因此采用 了3 片c h 4 5 l ，每一片可以提供6 0 路的输出。硬件部分框图如图3 1 所示。 圈3 。1 硬件系统总体结构图 f i g 。3 。1 t h es t r u c t u r eo fh a r d w a r es y s t e m 目前最常用的p c b 设计方案商两种；一种是一体化设计，即整个硬件系统都集成 在一快电路板上；种是模块化设计，即硬件系统按照不同的功能进行分组，整个系统 由几个具有一定独立性的功能模块来组成【 1 】。前者在设计时只需要考虑当前系统的功 能，结构、各部件连接的可靠性比较高，一旦设计定型，系统修改和升级比较困难，一 汽下配件生产线辅助系统的设计与实现 旦损坏，整个系统不能正常工作；后者在设计时需要综合考虑系统的升级、维护等，如 果可能，还需要考虑相似系统的通用性。系统的升级和维护比较方便l 陀】。如果实际使用 中需要修改或者升级某个功能模块，只需重新设计该部分电路板即可，在系统损坏时也 只需更换或者屏蔽损坏的部分电路。在进行类似的项目设计时，也可以直接使用前一次 设