（信号与信息处理专业论文）基于arm的焊缝纠偏嵌入式系统的设计.pdf

摘要 摘要 随着计算机技术的发展，嵌入式处理器也取得了巨大的成就，从最初的8 位单片机到目前的3 2 位、“位a r m 、d s p 处理器，其应用十分广泛。 a r m 处理器作为嵌入式处理器的一个代表，其强大的处理能力、丰富的功 能、较强的通用性、较小的尺寸、较低的功耗赢得了众多用户的需求。 a r m 处理器在工业自动化方面的应用只是一个缩影。本文以弧焊机器人的 焊缝纠偏系统为例，分析了焊接纠偏以及焊接信号检测的原理。对比基于工业 计算机的焊接纠偏系统提出了基于l p c 2 2 2 0 型a r m 处理器的改进型系统。设 计了改进后系统的硬件电路，将实时操作系统i t c o s i i 移植到了l p c 2 2 2 0 处理 器上，并编写了相关纠偏程序。最后通过实验调试了该系统并取得了满意的结 果。 相较原系统，该系统具有更高的集成度、更小的尺寸、更低的功耗、更高 的稳定性、更低廉的价格等优势。运行于操作系统i t c o s i i 下，该系统能对外 部干扰做出快速的响应，实时性较好。 关键词：a r m ；嵌入式系统；焊缝纠偏；t c o s i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h ee m b e d d e dp r o c e s s o rh a sg o t t r e m e n d o u sa c h i e v e m e n t s f r o mt h e8 - b i ts c mi nt h eb e g i n n i n gt ot h er e c e n t3 2 一b i t ， 6 4 一b i t a r mp r o c e s s o lt h ea p p l i c a t i o no f t h e mi sv e r yb r o a d a sa r e p r e s e n t a t i v eo fe m b e d d e dp r o c e s s o r s ，t h ea r mp r o c e e s s o rh a sp o w e r f u l p r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e s ，r i c hf e a t u r e ，p o w e r f u lu n i v e r s a l ，s m a l li n s i z ea n dl o w c o n s u m p t i o nw h i c hm e e tm a n yu s e r s n e e d t h ea r mp r o c e s s o ri nt h en s eo fi n d u s t r i a la u t o m a t i o ni so n l yo n eo ft h e m i c r o c o s m s t h i sp a p e rg i v e sa l le x a m p l eo fw e l d - s e a mc o n - e c t i o ns y s t e mo fa r e r o b o t i ta n a l y z e st h ep r i n c i p l eo fw e l d - s e a mc o r r e c t i o na n dw e l d i n gs i g n a ld e t e c t i o n b yc o m p a r i n gw i t ha w e l d s e a mc o r r e c t i o ns y s t e mb a s e do ni n d u s t r i a lc o m p u t e r , i t r a i s e sa ni m p r o v e d s y s t e mb a s e d0 na r ml p c 2 2 2 0p r o c e s s o r i td e s i g n st h e h a r d w a r ec i r c u i t so ft h i ss y s t e m ，t r a n s p l a n t st h er e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e mi x c o s - i i t ot h ep r o c e s s o ro fl p c 2 2 2 0a n dp r e p a r e st h ea p p l i c a t i o n sf o ri t i nt h ee n d ，t e s t st h e s y s t e ma n dg e t st h es a t i s f a c t o r yr e s u l t st h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s c o m p a r e dw i t h t h ef o r m e ro n e ，t h i ss y s t e mh a st h ea d v a n t a g ei nh i g h e r i n t e g r a t i o n ，s m a l l e ri ns i z e ，l o w e rp o w e rc o n s u m p t i o n ，m o r es t a b i l i t ya n dl o w e rp r i c e e t c i tc a nq u i c k l yr e s p o n dt oe x t e r n a ld i s t u r b a n c ew h i l er u n n i n gu n d e rt h eo p e r a t i o n s y s t e mo f p c o s i i s ot h es y s t e mi sg o o da tr e a lt i m ep r o c e s s i n g ， k e yw o r d s ：a r m ；e m b e d d e ds y s t e m ；w e l d - - s e a mc o r r e c t i o n ；o c o s i i i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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 为获得直昌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。 学位论文作者签名( 手写) 蝴签字日期。唧年f 瑚讶自 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解窟昌去堂有关保留、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。本人授权直昌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、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：谢 互帆导师签名 签字日期：1 年弘月玎日 签字日期 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 绪言 随着网络与通信技术的发展，嵌入式系统在经历了近2 0 年的发展历程后， 又进入了一个新的历史发展阶段，即从普通的低端应用进入到一个高、低端并 行发展，并且不断提升低端应用技术水平的时代，其标志就是近年来3 2 位m c u 的发展i ”。 3 2 位m c u 的应用不会走8 位机百花齐放、百余种型号系列齐上阵的道路， 这是因为在8 位机的低端应用中，嵌入对象与对象专业领域十分广泛而复杂； 而当前3 2 位m c u 的高端应用则多集中在网络、通信和多媒体技术领域，3 2 位 m c u 将会集中在少数厂家发展的少数型号系列上。 伴随着嵌入式m c u 的不断发展，其应用领域也不断扩大：p d a 、手机、机 顶盒、汽车控制系统、微波炉控制器、安全系统、自动售货机控制器、医疗仪 器、立体音响、自动取款机等无处不见嵌入式处理器的身影。a r m 处理器无疑 是其中的佼佼者。 a r m 公司推出的3 2 位a r m 系列嵌入式微处理器，以其明显的性能优势和 知识产权平台的运行方式，迅速形成3 2 位机高端应用的主流地位，得到了广大 用户的喜爱，以至于使不少传统嵌入式系统厂家放弃了自己的3 2 位发展计划， 转而使用a r m 内核来发展自己的3 2 位m c u l 2 】。这使得a r m 系列处理器几乎 一统天下。 在机器人自动化领域，嵌入式也得到了广泛的应用。机器人的智能化、小 型化、低功耗、工作环境的特殊性决定了其控制系统的微型化、可靠性，这也 是大型通用计算机、工控机无法满足的要求，嵌入式处理器正好弥补了这些缺 陷。在机器人焊接领域方面更是如此。m c s 5 1 系列单片机已经用于该领域，但 由于其功能少、运算能力弱等缺点已经不能满足要求了，将a r m 处理器移植其 上已经成为了一个很好的方法。 1 2 课题背景及意义 在一些工业设备的运行中，由于长期运行于高电流，高干扰环境下，设备 l 第1 章绪论 运行的可靠性受到较大的影响。早期人们一般采用闭环反馈控制系统来抑制这 些噪声干扰。这就要求预先进行大量的数据采集、分析，然后再设计硬件电路。 由于该类电路的设计受制于具体的工作环境、工件型号种类等参数，工作条件 的变化将导致整个反馈电路的重新设计，通用性较差。而且反馈电路具有响应 的延时、振荡等特性，系统时性也很差。 近年来人们倾向于设计实时跟踪系统。对于焊缝纠偏这一课题，人们采用 的实时跟踪纠偏系统主要由信号传感器，信号分析处理器以及纠偏执行设备三 部分组成。一般的信号处理分析主要由工业计算机来完成，但由于工业计算机 体积大，不适合直接安装在焊接机器人上，并且其内部电路，风扇等对机器人 传感器影响较大，自身成本也较高，限制了其发展。另外由于单片机信号处理 能力弱，也无法达到处理大量数据的要求。a r m 在这方面却有着以上两者所无 法比拟的优势，首先，删的体积小，价格低廉，功耗低，适合安装在焊接机 器人上；其次，其强大的运算能力、多操作系统移植能力使它可以完成大量的 控制、信号处理以及调度任务，这也是d s p 无法比拟的。 焊接传感器是实现焊接过程自动化、智能化的基础，利用焊接过程中 的光、声、电磁、热、机械等各种物理量的变化所产生的电信号作为特征 信号可以制成不同类别的焊接传感器【3 1 。 传感器根据传感方式的不同可以分为附加式传感器和电弧传感器两 大类。传统的焊缝跟踪传感器多数是属于附加式【4 1 。例如，接触式传感器、 电磁传感器和各种光学传感器，这类传感器都在焊炬上固定一个附加的 机械、电磁或光学装置，用于检测焊缝的相对位置，其共同的闯题就是传 感器与电弧是分离的，有复杂的附加装置，应用起来不方便，效果也不够 理想。而电弧传感器利用电弧本身作为传感器，根据焊接电弧的基本特性 提取焊接过程中的电流或电压变化量作为传感器信号。因此，与附加式传 感器相比，电弧传感器有其独特的优势【，】； 1 ) 检测点就是焊接点，不存在传感器先行的问题，是完全实时的传感 器。 2 ) 焊接机头周围不需要装备其他特掰的装置。焊枪的可达性好。 3 ) 由于电弧本身作为传感器，所以不受焊丝弯曲和磁偏吹等引起电弧 偏移的影响。 4 ) 不仅可以跟踪传感，保证焊接参数的稳定，而且还可以改善焊缝的 2 第1 章绪论 成形效果。 5 ) 抗光、电磁、热的干扰，使用寿命长。 电弧传感器经过多年的研究与发展，体积和重量大大减小，焊缝识别 能力增强，同时随着计算机技术及模糊数学等相关学科的发展，旋转电弧 传感器已经步入实用的阶段【6 1 。在工业上，电弧传感器在弧焊机器上有了 较好的应用，德国的c l o o s 公司生产弧焊机器人使用的是摆动式电弧传 感器；而在日本，装配了高速旋转电弧传感器的弧焊机器人已经在造船工 业中使用| 7 1 。这些都说明，电弧传感器是有着广泛的应用前景的。 软件设计方面，有w i n c e 、i _ t c l i n u x 、 t c o s i i 等嵌入式操作系统作为支持。 对于w i n c e 由于其操作系统源代码非公开【8 】，以及其代码的庞大，生成可供执 行的系统代码过于庞大，程序执行效率较低，因此不适合强实时系统。对于 i _ t c l i n u x 操作系统，虽然它的代码完全公开，但其本质上是一个分时操作系统【9 】， 制约了它的实时性，故也不适于该系统。而i _ t c o s i i 在这方面则显示出了优势， 首先它是一个抢占式的可剥夺的内核，内部采用优先级调度算法，能最大限度 的满足实时性的要求；其次由于其代码完全公开，便于代码的裁减，系统代码 可以裁减到最小约为2k b 左右【l o 】；第三，它采用模块化设计，一些不必要的功 能完全可以移除，使系统设计简化。最重要的一点是它能够移植到a r m 等多种 嵌入式处理器上。 i _ t c o s i i 是一种免费的操作系统且源代码公开，其可靠性已在许多应用中 得到了证明。嵌入式系统的发展将使机器人在微型化、智能化方面的优势更加 明显，同时会大幅度降低机器人的价格，便其在工业领域和服务领域获得更广 泛的应用。基于v t c o s - i i 的嵌入式系统的研究应用于机器人焊接自动化领域 对于提高机器人智能化程度，促进其普及应用都具有重大的科学价值和显 著的应用价值。 1 3 课题研究的目标与内容 1 。3 。1 课题研究目标 课题的研究目的为设计一个由旋转电弧传感器与嵌入式a r m 处理器 l p c 2 2 2 0 组成的焊缝智能纠偏系统，使该系统能够实时地控制焊接机器人进行 焊缝跟踪纠偏。 3 第1 章绪论 1 3 2 课题研究内容 本课题的主要内容内容如下： 1 1 分析旋转电弧传感器电流信号特点以及焊缝纠偏原理，设计焊接电流信 号的滤波处理方法。 2 1 设计基于飞利浦l p c 2 2 2 0 处理器的外围电路，与焊接机器人的接口电 路。 3 ) 将嵌入式操作系统i x c o s i i 移植到嵌入式处理器l p c 2 2 2 0 上，调试并 使该系统能够在此芯片上稳定工作。 4 1 编写基于肛c o s i i 系统的焊缝纠偏系统的应用软件。 5 ) 调试整个系统并得出实验结果。 1 4 课题的创新性 课题的创新性在于： 1 ) 采用a r m 作为机器人焊缝纠偏处理器，替换了老式的工业计算机。整 个系统更加小型化，功耗更低，集成度更高，稳定性更好。 2 ) 采用i i c o s - - i i 作为操作系统，系统的实时性得到极大提高。 3 ) 采用软件滤波处理方式，简化了电路设计。 钔操作系统及程序代码9 8 采用c 语言编写，系统可扩展性及移植性增加。 1 5 论文结构 论文共分为7 章： 1 1 第一章：分析课题背景及研究意义；介绍课题研究目标与内容，揭示创 新性。 2 1 第二章：介绍嵌入式操作系统p c o s 1 i 与a r m 7 处理器l p c 2 2 2 0 。 3 1 第三章：分析焊接信号的检测、滤波处理、纠偏信号的识别。 4 1 第四章：设计焊接纠偏系统的硬件电路的各个部分。 5 1 第五章：论述i u c o s i i 操作系统在l p c 2 2 2 0 上的移植，并设计相关纠 偏应用程序。 6 1 第六章：叙述系统的调试与实验结果。 7 1 第七章；总结系统的不足并提出改进的方法。 4 第2 章嵌入式处理器与嵌入式操作系统 第2 章嵌入式处理器与嵌入式操作系统 2 1 嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的硬件核心部分，它完成了数据的运算，中断 处理，任务的调度、存储等一系列管理。可以说它好比就是一台通用计算机的 c p u 。目前，嵌入式处理器的种类主要包括以下几种1 1 2 1 ： 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 ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处理器装 配在专门的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅减 小系统体积与功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，虽然嵌入式微处理器在 功能上和标准微处理器基本是一样的，但是一般在工作温度、电磁干扰及可靠 性等方面都做了增强。 与工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低及 可靠性高的优点。嵌入式微处理器及其存储器、总线和外设等安装在一块电路 板上，称为单板计算机，如s t d b u s 、p c i 0 4 等。 嵌入式微处理器目前主要有a m l8 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 和a r m 系列等。 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r o e 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。m c u 一般以某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 和e 2 p r o m 等各种必要功能和外设。为适应不同的应用要求，一般一个系 列的单片机具有多种衍生产品。 与嵌入式微处理器相比，微控器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而 使功率消耗和成本下降，可靠性提高。 嵌入式微控器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8 0 5 1 、 p 5 1 ) 【a 、m c s 一2 5 1 、m c s - 9 6 ，1 9 6 2 9 6 、c 1 6 6 1 6 7 、m c 6 8 h c 0 5 1 l 1 2 1 6 、6 8 3 0 0 。 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e 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 及谱分析等方面d s p 5 第2 章嵌入式处理器与嵌入式操作系统 算法正在大量进入嵌入式领域，d s p 应用正从通用单片机中以普通指令实现d s p 功能，过渡到采用嵌入式d s p 处理器。 嵌入式d s p 处理器比较有代表性的产品是t i 公司的t m s 3 2 0 系列和 m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系歹f j 。t m s 3 2 0 系列处理器包括用于控制的c 2 0 0 0 系列， 用于移动通信的c 5 0 0 0 系列，以及性能更高的c 6 0 0 0 和c 8 0 0 0 系列。d s p 5 6 0 0 0 目前已经发展成为d s p 5 6 0 0 0 、d s p 5 6 1 0 0 和d s p 5 6 3 0 0 等几个不同系列的处理 器。另外p h i l i p s 公司今年也推出了基于可重置嵌入式d s p 结构、低成本、低 功耗技术上制造的r e a ld s p 处理器。 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 这类处理器的代表就是f p g a 。s o c 可以分为通用和专用两类【2 】。通用系列 包括i n f m e o n 的t r i c o r e 、摩托罗拉的m c o r e 、n e u r o n 等。专用s o c 一般专用 于某个或某类系统中，不为一般用户所知。一般的采用v h d l 硬件描述语言进 行编程。 2 2 a r m 处理器 a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e 的缩写，是微处理器行业的一家知名企业， 该企业设计了大量廉价、高性能、低功耗的r i s c 处理器、相关技术及软件。 a r m 将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和o e m 厂商，每个 厂商得到的都是一套独一无二的a r m 相关技术及服务。利用这种关系a r m 很 快成为许多全球性r i s c 标准的缔造者 2 1 。 目前，共有3 0 多家半导体公司与a r m 签订了硬件技术使用许可协议。至于 软件系统的合伙人，则包括微软、飞利浦和三星等一系列知名公司。 a r m 架构是面向低预算市场设计的第一款r i s c 微处理器。 2 2 1a r m 的体系结构 a r m 采用精简指令集( r i s c ) ，其设计外形小、性能高。a r m 处理器的简单 结构使a r m 的内核非常小，器件的功耗也非常低。它集成了非常典型的r i s c 结构特性【2 】： 1 ) 一个大而统一的存储器文件。 2 ) 装载存储结构，数据处理的操作只针对存储器中的内容，而不直接对存 储器进行操作。 6 第2 章嵌入式处理器与嵌入式操作系统 3 ) 简单的寻址模式，所有l o a d s t o r e 的地址都只由寄存器内容和指令域决 定。 4 ) 统一和固定长度的指令域，简化了指令的编译。 5 ) 地址自动增加和自动减少的寻址模式实现了程序循环的优化。 6 ) 多寄存器装在和存储指令实现最大数据吞吐量。 7 ) 所有指令的条件执行实现最快速的代码执行。 这些在基本的r i s c 结构上增强的特性使a r m 处理器在高性能、低代码规 模、低功耗和小尺寸方面取得良好的平衡。 2 2 2a r m 的版本 从最初开发到现在，a r m 指令集体系结构有了巨大的改进，并在不断完善 和发展。a r m 公司共定义了6 个主要的a r m 体系结构版本，以版本号v l v 6 表示【1 3 1 ，由于版本1 3 已经基本淘汰，下面介绍版本4 6 1 版本4 不再强制要求与以前的2 6 位体系结构的版本兼容，它清楚指明了哪 个指令会引起未定义指令异常发生。版本4 的变种版本为4 t ，引入了1 6 位 t h u m b 压缩形式的指令集。版本4 在版本3 的基础上增加了以下内容： 1 ) 半字加载存储指令。 2 1 字节和半字的加载和符号扩展指令。 3 ) 在t 变量中，转换到t h u m b 状态的指令。 4 ) 使用用户模式寄存器的新的特权处理器模式。 2 。版本5 在版本4 的基础上主要由两个变种版本5 t 和5 t e 组成。a r m l o 处 理器是最早支持版本5 t 的处理器。版本5 t 作为版本4 t 的扩展集，增加了 b l x 、c l z 和b r k 指令。版本5 对现在指令的定义进行了必要的修正，对 版本4 体系结构进行了扩展，并增加了如下指令： 1 ) 改进在t 变量中a r m t h u m b 状态之间的切换效率。 2 ) 允许非t 变量和t 变量一样，使用相同的代码生成技术。 3 ) 增加计数前导零指令，允许更有效的整数除法和中断优先程序。 4 ) 增加软件断点指令。 3 版本6 ：版本6 是2 0 0 1 年发布的，通过s i m d 功能扩展，优化了应用系统 的音频，视频的处理功能，将处理性能提高到了原机型的4 倍，它适合使用 7 第2 章嵌入式处理器与嵌入式操作系统 电池供电的高性能的便携式设备。a r m 体系版本6 首先在2 0 0 2 年春季发 布的a r m i l 处理器中使用。版本6 的另一大特点是支持多微处理器内核。 表2 1 给出了各个a r m 体系结构版本对应的a r m 核： 表2 1a r m 体系结构版本对应的a r m 核 体系结构版本a r m 核 版本1a r m l 版本2 a r m 2 版本2 a a r m 2 a s a r m 3 版本3 a r m 6a r m 6 0 0a r m 6 1 0 版本3a r m 7a r m 7 0 0 ，a i t m 7 1 0 版本4 s t r o n g a r m a r m 8 a r m 8 1 0 版本4 t a r m 7 t d m i ，a 砌v r 7 1 0 t a i t m 7 2 0 t ，a r m 7 4 0 t 版本4 t a r m 9 t d m i a r 帕2 0 t a 砌订9 4 0 t 版本5 t ea r m 9 e - s 版本5 t ea r m l o t d m i a r m l 0 2 0 e 版本6a r m l l ，a r m l l 5 6 t 2 ，a r m l1 5 6 t 2 f s ，a r m l1 7 6 j z s ，a r m l1 j z f - s 2 2 3 芯片的选型 由于a r m 微处理器有多达6 个体系结构，十几种的内核结构，几十个芯片 生产厂家，以及复杂的内部功能配置组合，给开发人员在选择方案时带来一定 的困难，所以，对a r m 芯片进行一些对比研究是十分必要的。以下从应用的角 度出发，对在选择a r m 微处理器时所应考虑的主要问题做一些简要的分析。 1 ) a r m 微处理器内核的选择 由前面所介绍的内容可知，a r m 微处理器包含一系列的内核结构，以适应 不同的应用领域，用户如果希望使用w i n c e 或标准l i n u x 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 以上带有m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 功能的a r m 芯片，a r m 7 2 0 t 、a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 、a r m 9 4 6 t 、s t l o n g a r m 都带有m m u 功能。而a r m 7 t d m 则没有m m u ，不支持w m d o w sc e _ 和标准 l i n u x ，但目前有肛c l i n u x 、弘c o s i i 等不需要m m u 支持的操作系统可运行于 a r m 7 t d m i 硬件平台之上。 2 1 系统的工作频率 8 第2 章嵌入式处理器与嵌入式操作系统 系统的工作频率在很大程度上决定了a r m 微处理器的处理能力。a i t m 7 系 列微处理器的典型处理速度为0 9m i p s m h z ，常见的a r m 7 芯片系统主时钟为 2 0m i - i z - 1 3 3m h z ，a r m 9 系列微处理器的典型处理速度为1 1m i p s m h z ，常 见的a r m 9 的系统主时钟频率为1 0 0m h z 2 3 3m h z ，a r m l 0 最高可以达到 7 0 0m h z 。不同芯片对时钟的处理不同，有的芯片只需要一个主时钟频率，有的 芯片内部时钟控制器可以分别为a r m 核和u s b 、u a r t 、d s p 、音频等功能部 件提供不同频率的时钟。 3 1 芯片内存储器的容量 大多数的a r m 微处理器片内存储器的容量都不太大，需要用户在设计系统 时外扩存储器，但也有部分芯片具有相对较大的片内存储空间，如a t m e l 的 a t 9 1 1 f 4 0 1 6 2 就具有高达2m b 的片内程序存储空间，用户在设计时可考虑选用 这种类型，以简化系统的设计。 4 1 片内外围电路的选择 除了a r m 微处理器以外，几乎所有的a r m 芯片均根据各自不同的应用领 域扩展了相关功能模块，并集成在芯片之中，称之为片内外围电路，如u s b 接 口、i i s 接口、l c d 控制器、键盘接口、r t c 、a d c 和d a c 、d s p 协处理器 等，设计者应分析系统的需求，尽可能采用片内外围电路完成所需的功能，这 样既可简化系统的设计，同时提高系统的可靠性。 从本课题的研究来看，由于采用的是嵌入式p c o s i i 操作系统，不需要 m m u 的支持，其次并不是对图像信号进行处理，不需要进行大量复杂的运算， 主频不必选择过高，另外不需要对红外、蓝牙、g p s 等高级模块的支持。因此 可以选择a r m 7 t d m i 系列的处理器。另外a r m 7 t d m i 提供了3 级流水线的支 持，将代码执行的效率提高了约2 0 。 t 臣口j 圈 指令 图2 2 a r m3 级流水线操作 9 第2 章嵌入式处理器与嵌入式操作系统 如图2 2 所示，该操作将指令分为取指、译码和执行3 个阶段。 1 ) 取指：完成程序存储器中指令的读取，并放入指令流水线中。 2 1 译码：完成指令的译码，为下一周期准备数据路径而需要的控制信号。 故此时指令只是“占有”译码逻辑，而不“占有”数据路径。 3 ) 执行：指令“占有”数据路径，读取寄存器堆栈。 计算机中一条指令的执行可分为若干个阶段，各个阶段的操作都是相对独 立的。因此，可以采用3 级流水线技术来大大提高系统的数据、任务处理能力。 综上，本课题选择飞利浦公司生产的基于a r m 7 ) m i 的l p c 2 2 2 0 芯片。 2 2 4 飞利浦l p c 2 2 2 0 芯片 飞利浦l p c 2 2 2 0 是一个3 2 位的基于a r m 7 t d m i - s 的a r m 处理器。它具 有实时仿真和嵌入式跟踪功能。具有1 4 4 个外部引脚，低功耗，8 通道l ob i t 的 a d 转换器；脉宽调制器、最多9 个外部中断源【1 4 1 。通过总线设置，l p c 2 2 2 0 能提供7 6 个通用l d o 通道。由于有一个大范围的串行通信接口。所以它十分适 合于通信网关、协议转换器、嵌入式调制解调器等一系列通用器件。其结构如 图2 1 3 所示。 以下是l p c 2 2 2 0 的一些技术参数： 1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s 微控制器，l q f p l 4 4 和t f b g a l 4 4 封装。 1 6 6 4k b 片内静态r a m ( l p c 2 2 1 0 l p c 2 2 2 0 ) 。 串行b o o t 装载程序通过u a r t o 来实现在系统下载和编程。 e m b e d d e di c e - r t 和嵌入式跟踪接口使用片内r e a lm o n i t o r 软件对任务 进行实时调试 支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。 8 路1 0 位a d 转换器，转换时间低至2 4 4 “s 。 1 0 第2 章嵌入式处理器与嵌入式操作系统 图2 3l p c 2 2 2 0 的模块结构 2 个3 2 位定时器( l p c 2 2 2 0 也具有外部事件计数器) 带4 路捕获和4 路比 较通道、p w m 单元( 6 路输出) 、实时时钟( r t c ) 和看门狗。 多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、高速1 2 c 总线( 4 0 0 k b i t s ) 和2 个s p i 接1 ：3 。在l p c 2 2 2 0 上，可选择带有数据缓冲区和可变 长度传输的同步串行n ( s s e ) 来代替一个s p i 。 向量中断控制器( v i c ) ，可配置优先级和向量地址。 通过外部存储器接口可将存储器配置成4 组，每组的容量高达1 6 m b ， 数据宽度为8 1 6 3 2 位。 多达7 6 个通用i o 口( 可承受5 v 电压) 。可使用9 个边沿或电平触发的 第2 章嵌入式处理器与嵌入式操作系统 外部中断管脚。 通过可编程的片内锁相环( p l l ) 可实现最大为6 0 7 5m h z ( l p c 2 2 1 0 ，2 2 2 0 ) 的c p u 操作频率，设置时间为1 0 0 9 s 。 带外部晶体的片内振荡器频率范围：l 3 0m h z ，外部振荡器的频率高 达5 0 m h z 。 2 个低功耗模式：空闲和掉电。 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。 双电源：c p u 操作电压范围：1 6 5v l 9 5v o 8v 士o 1 5v ) ，i o 操作 电压范围：3 o 3 6v ( 3 3v 士l o ) ，f o 口可承受5v 电压。 该芯片的资源非常丰富：内置s d r a m 控制器、l c d 控制器、高速异步串 行口等。s d r a m 控制器可以和s d r a m 内存芯片直接相连，可以使用便宜的大 容量高速s d r a m 内存芯片作r a m ；内置的l c d 控制器节省了不少成本；高 速的异步串行接口可以和上位机有较高的通讯速度。 2 3 嵌入式操作系统 2 3 1 嵌入式操作系统的概念及其特点 嵌入式操作系统( r e a l t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，r t o s 或e o s ) 是一种 能在确定时间内执行其功能，并对外部的异步事件做出响应的计算机系统。它 实际是硬件和应用之间的一层软件，负责管理整个系统，同时将嵌入式硬件细 节和应用隔离开来，为应用提供更易理解和高效的程序设计接口。它的关键特 性之一是允许实时应用作为一系列独立的任务来运行，任务有各自的线程及系 统资源。它一般由内核、嵌入式t c p i p 网络系统和嵌入式文件系统组成。 嵌入式操作系统并不是简单嵌入的操作系统，它与通常意义上的操作系统 有一定的区别。嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、 调度工作，控制协调并发活动，它必须体现所在系统的特征，能够通过装卸某 些模块来达到系统所要求的功能。嵌入式操作系统具有如下一些特征： 1 ) 可装卸性。开放性、可伸缩性的体系结构。 2 ) 强实时性。e o s 实时性一般较强，可用于各种设备控制当中。 3 ) 统一的接口。提供各种设备驱动接日 4 ) 操作方便、简单、提供友好的图形g u i ，图形界面，追求易学易用 1 2 第2 章嵌入式处理器与嵌入式操作系统 5 ) 提供强大的网络功能，支持t c p i p 协议及其它协议，提供 t c 咖m p p p p 协议支持及统一的m a c 访问层接口，为各种移动计算 设备预留接口 6 ) 强稳定性，弱交互性。嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干 预，这就要负责系统管理的e o s 具有较强的稳定性。嵌入式操作系统的 用户接口一般不提供操作命令，它通过系统调用命令向用户程序提供服 务。 7 ) 固化代码。在嵌入系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式 系统计算机的r o m 中。辅助存储器在嵌入式系统中很少使用，因此， 嵌入式操作系统的文件管理功能应该能够很容易地拆卸，而用各种内存 文件系统 8 ) 更好的硬件适应性，也就是良好的移植性 常见的嵌入式系统有：l i n u x 、i t c l i n u x 、w i n c e 、p a l m o s 、s y m b i a n 、e c o s 、 a c o s i i 、v x w o r k s 、p s o s 、n u c l e u s 、t h r e a d x 、r t e m s 、q n x 、i n t e g r i t y 、 o s e 、ce x e c u t i v e 2 3 2 嵌入式操作系统的作用 嵌入式应用软件 嵌入式操作系统 硬件平台 应用程序与操作系统 卜一 的接口 卜一 操作系统与硬件的 接口 图2 4 操作系统的层次 操作系统主要的作用是任务调度、时间管理、进程通信、文件管理、硬件 管理、中断管理等。如图2 4 所示，从另一个角度来说操作系统为计算机系统功 能扩展提供了支撑平台，使硬件系统与应用软件产生了相对独立性，可以在一 定范围内对硬件模块进行升级和添加新硬件，而不会影响原先应用软件。即操 作系统屏蔽了底层硬件的多样化，为程序员设计上层应用软件提供统一的软件 1 3 第2 章嵌入式处理器与嵌入式操作系统 接口。 2 3 3 操作系统的内核 分层内核 模块化技术使操作系统的软件结构得到了改善，有效地简化了系统的设计 与实现，降低了管理操作系统的复杂性。通过合理、清晰地定义各个模块间的 接口以减小模块间的耦合，使得系统的应对能力得到了增强【1 5 】。 对于概念繁多、结构异常复杂的操作系统来说，模块化程序设计仅仅是改 进操作系统设计的第一步。从理论上讲，可以通过定义层使得改变一层时不需 要改变其他层。这样就可以把一个问题分解成几个更易于处理的子问题。 分层结构的宏内核操作系统就运用了这个思想，其结构如图2 5 所示； 图2 5 分层内核结构 它以模块化程序设计技术为基础，所有功能按照层次组织，每层执行操作 系统所需要的功能的相关子集。交互只发生在相邻层之间，下层负责执行低级 的功能并隐藏它们的实现细节；高层则通过层间接口，使用紧邻的下层所提供的 服务以完成自己的功能，同时为自己的相邻高层提供服务。 分层设计方法对于操作系统的设计技术来说是个相当大的进步，但是分层 方法也存在一些问题。因为层次不可能分得太多太细，而操作系统的功能又很 多，结果每层都需要处理相当多的功能，一层中的主要变化可能会产生巨大的 影响，跟踪相邻层( 上一层或下一层冲的代码有很多困难【1 ”。 整体式内核和层次式内核都属于宏内核，l i n u x , u n i x 等都是典型的宏内核 操作系统。宏内核的内核效率较高，但是不易移植和剪裁，对于强调这些特性 的嵌入式操作系统来说是较大的不足。 1 4 第2 章嵌入式处理器与嵌入式操作系统 微内核结构 微内核结构是现代操作系统技术的重要研究成果，其设计思想被大量运用 于实际的操作系统设计中。微内核结构如图2 6 所示，它用一个水平分层的结构 代替了传统的纵向分层的结构，内核中只保留最基本的操作系统功能，其他服 务和应用程序都在微内核基础之上构造，并在用户模式下执行。微内核结构也 被称为客户机服务器模型，微内核外部的操作系统部件被当作服务器进程 实现，它们借助于微内核的消息传递机制实现交互。 舜浔阵咎 蒲时 m 壤 盈 西奇 揄龄 涵 瀚 酵 衡 甜磐 3 辫 滔 微内核 硬件 图2 6 微内核结构 微内核结构中的内核级服务和用户级服务都是通过消息传递机制提供的， 这样，接口保持了高度的一致性，进程不必区别对待【m 】。 微内核结构的可扩展性比传统操作系统强很多，因为不需重新建构内核， 修改原有功能和增加新的服务就容易得多。其强大的可扩展性使得该结构非常 灵活。除了修改、增加服务容易外，微内核结构还可以方便地去除某些现有服 务，以产生一个更小、更有效的实现。微内核结构的操作系统易于根据实际需 要组合各种可选功能服务的特性，对于强调可剪裁特性的嵌入式应用来说，是 非常具有吸引力的。 微内核结构是易于移植的。它提供了对处理器代码的良好封装，几乎所有 处理器相关代码都包含在微内核中。移植到某一特定平台上时，基本只需要修 改内核中的很少量的代码。 v x w o r k s 、q n x 和最新的i a 内核、w i n c e 都是典型的微内核结构的操作 1 5 第2 章嵌入式处理器与嵌入式操作系统 系统。 2 4 嵌入式实时内核p c o s i i p c o s 是一种基于优先级的可抢先的硬实时内核。自从1 9 9 2 年发布以来， 在世界各地都获得了广泛的应用，它是一种专门为嵌入式设备设计的内核，目 前已经被移植到4 0 多种不同结构的c p u 上，运行在从8 位到6 4 位的各种系统 之上。尤其值得一提的是，该系统自从2 5 1 版本之后，就通过了美国f a a 认证， 可以运行在诸如航天器等对安全要求极为苛刻的系统之上【引。 i i c o s - i i 功能强大，支持5 6 个用户任务，其内核为抢占式，支持信号量、 邮箱、消息队列等多种常用的进程间通信机制，现已成功应用到众多商业嵌入 式系统中，是一个成熟稳定的实时内核。与大多商用实时操作系统( r t o s ) 不同 的是，p c o s i i 公开所有的源代码，9 0 的代码使用标准的c 语言编写，程序 可读性强、移植性好；同时它可免费获得，即使商业应用也只收取少量的许可 费用。因此，对 t c o s - i i 实时揉作系统的研究、开发、应用具有重要意义。 因此对于嵌入式r t o s 的开发，t t c o s i i 无疑是最经济的选择。 2 4 1p c o s i i 特点 p c o s i i 作为一个嵌入式操作系统，它具有以下几大特点i s ： 1 ) 公开的源代码：相对于除l i n u x 以外的其他嵌入式操作系统来说p c o s i i 的代码是完全公开的，用户可以免费的将p c o s i i 应用在任意非商业领域。 并且9 0 的代码使用标准c 语言编写，代码通俗易懂，内核极其精简。这 为程序开发人员提供了相当大的便利。 可移植性：绝大部分p c o s i i 源码是用移植性很强的a n s ic 写的。和微处 理器硬件相关的那部分是用汇编语言写的。汇编语言写的部分已经压到最 低限度，使得p c o s - i i 于移植到其他微处理器上。如同i i c o s 一样， p c o s i i 以在绝大多数8 位、1 6 位、3 2 位以至6 4 位微处理器、微控制器、 数字信号处理器( d s p ) 上运行。从i j c o s 可以很容易地升级到此o s 3 ) 可固化性：g c o s i i 为嵌入式应用而设计的，这就意味着，只要读者有固化 手段( c 编译、连接、下载和固化) ，i _ t c o s i i 以嵌入到读者的产品中成为 产品的一部分。 钔可裁减：可以只使用p c o s i i 中