（控制理论与控制工程专业论文）基于嵌入式网络技术的直流电机实验系统设计.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得西南科技大学或其 它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。 签名：枷、 日期：加影r 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 一卿 导师签名。尹j 寸， 日期：2 秒7 玑，j 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 嵌入式系统是以计算机技术为基础，以应用为中心，软硬件可裁剪的专 用计算机系统，广泛应用于工业控制领域。在后p c 时代，嵌入式网络技术得 到了快速发展，将嵌入式网络技术应用于工业控制领域可以克服现场总线不 能和网络技术同步发展的缺点，具有明显的理论价值和实用价值，成为了新 的研究热点。 本课题采用a r m + 嵌入式实时操作系统+ 嵌入式t c p i p 协议栈的直接接入 型方案实现了嵌入式系统接入以太网。首先实现了嵌入式实时操作系统 uc o s - i i 在a r m $ 3 c 4 4 8 0 上的移植；重点完成了嵌入式t c p i p 协议栈在 pc o s i i 上的实现；并在此基础上，以a r m $ 3 c 4 4 8 0 为中心，设计电机控制 系统的电路；最后编写了系统应用层的多任务处理程序并设计了p c 机远程控 制界面，实现了基于嵌入式以太网技术的直流电机实验系统的设计。 关键词：a r m $ 3 c 4 4 8 0 l ac o s i i 操作系统嵌入式t c p i p 协议 r t l 8 0 1 9 a s双闭环直流调速 西南科技大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t a ne m b e d d e ds y s t e mi sas p e c i a l i z e da p p l i c a t i o n c e n t r i cc o m p u t e rs y s t e m w h i c hi sb a s e do nc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dh a r d w a r ea n ds o f t w a r e c a nb e r e d u c e d n o wi ti sw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lc o n t r o lf i e l d i nt h ep o s tp ce r a ， e m b e d d e dn e t w o r kt e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l y t h ea p p l i c a t i o no f e m b e d d e dn e t w o r kt e c h n o l o g yi ni n d u s t r i a lc o n t r o ld o m a i nc a no v e r c o m et h e s h o r t c o m i n g so ft h ef i e l d b u sw h i c hc o u l dn o td e v e l o pw i t ht h e i n t e r n e tt e c h n o l o g ys i m u l t a n e o u s l y s oi th a sa no b v i o u st h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e ，a n d h a sb e c o m ean e wr e s e r c hh o t s p o t t h er e s e r c hh a ss u c c e s s f u l l yr e a l i z e dt h ec o n n e c t i o no f t h ee m b e d d e d s y s t e mw i t ht h ee t h e r n e tb yt h ed i r e c tc o n n e c t i o nm o d e lw h i c hi sc o m p o s e do f a r m + r t o s + e m b e d d e dt c p i ps t a c k f i r s t l y ，i th a sa c c o m p l i s h e dt h ep o r t i n go f u c o s i it ot h ea r ms 3 c 4 4 8 0 ；s e c o n d l y ，r e a l i z e dt h ee m b e d d e dt c p i ps t a c k o nt h ep c o s i ia n da r m ；t h i r d l y ，d e s i g n e dt h ec i r c u i to ft h em o t o rc o n t r o l s y s t e m ；l a s t l y ，d e s i g n e dt h ea p p l i c a t i o nl a y e rp r o g r a m sa n dt h e r e m o t ep c c o n t r 0 1i n t e r f a c e o nt h eb a s i so ft h er e s e r c ha b o v e ，ad cm o t o re x p e r i m e n tp l a t f o r mb a s e d0 n e m b e d d e de t h e r n e th a sb e e na c h i e v e d k e yw o r d s ：a r m $ 3 c 4 4 8 0 ；g c o s - i ir t o s ；e m b e d d e d t c p i ps t a c k ； r t l 8 019 a s ；d o u b l e l o o p e dd cm o t o rs p e e dr e g u l a t i o n 西南科技大学硕士研究生学位论文第l | i 页 目录 1 绪论1 1 1 课题的研究背景及意义1 1 2本课题的研究和发展现状2 1 3本课题主要研究内容6 2 系统总体架构设计8 2 1系统总体架构8 2 2系统硬件平台架构9 2 2 1系统采用的嵌入式处理器9 2 2 2网络控制芯片9 2 2 3电机控制系统总体结构设计1 0 2 3 系统软件平台架构1 0 2 3 1系统选择的嵌入式操作系统1 0 2 3 2架构采用的嵌入式t c p i p 协议栈1 2 2 4 系统架构框图1 2 2 5 本章小结1 3 3系统硬件电路设计1 4 3 1 系统硬件电路总体设计1 4 3 2 $ 3 c 4 4 8 0 最小系统1 4 3 2 1系统电源模块1 5 3 2 2 存储器模块1 5 3 2 3复位电路模块1 6 3 3a r m 嵌入式系统以太网接口硬件电路1 7 3 3 1r t l 8 0 1 9 a s 的内部结构1 7 3 3 2以太网接口硬件电路图1 9 3 4电机控制电路设计2 0 3 4 1直流电机驱动电路设计2 0 3 4 2电机信号检测电路设计2 1 3 5 本章小结2 3 4l lc o s - 1 1 在s 3 0 4 4 b o 处理器上的移植2 4 4 1uc o s - i i 的任务机制2 5 4 1 1uc o s - i i 内核的多任务管理2 5 西南科技大学硕士研究生学位论文第1v 页 4 1 2uc o s i i 任务间通信2 6 4 2pc o s - i i 软件体系结构以及它与硬件的关系2 6 4 3 移植l - tc o s - i i 的基本条件2 7 4 4 pc o s - i i 在a r m $ 3 c 4 4 8 0 上移植的主要工作2 8 4 4 1 o sc p u h 文件2 8 4 4 一o s c p u c c 文件2 9 4 4 3o sc p ua s 文件2 9 4 5 本章小结3 3 5嵌入式t c p ip 协议l w lp 在po o s - i i 上的实现3 4 5 1l w i p 的进程模型3 4 5 2l w i p 的分层结构和通信流程3 4 5 3l w i p 缓冲与内存管理的实现3 7 5 3 1 l w i p 的包缓冲区p b u f s 3 7 5 3 2l w i p 的内存管理3 8 5 4l w i p 在uc o s - i i 上的移植和实现3 9 5 4 1 修改与c p u 或编译器相关的数据类型3 9 5 4 2编写与底层操作系统相关的结构体和函数4 0 5 4 3网络接口驱动程序在l w i p 协议中的实现4 0 5 5移植结果测试4 4 5 6 本章小结4 7 6 嵌入式系统应用程序和远程控制软件设计与调试4 8 6 1 电机实验系统软件总体结构。4 8 6 2嵌入式系统控制软件设计4 9 6 2 1电机实验系统基于多任务的应用程序设计4 9 6 2 2中断程序设计5 6 6 3远程控制软件设计5 7 6 4电机实验系统功能测试5 8 6 5 本章小结6 0 结论6 1 致谢6 3 参考文献6 4 攻读学位期间发表的学术论文及研究成果6 7 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1课题的研究背景及意义 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是指嵌入到设备对象体系中的专用计算 机系统。国内对嵌入式系统的定义他，一般表述为：以应用为中心、以计算机 技术为基础、软硬件可裁剪、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。嵌入性、专用性与计算机系统是嵌入式系 统的核心基本要素。计算机技术和电子技术的快速发展使得嵌入式系统成为 了近年来的热点研究领域。嵌入式系统不同于通用p c 机系统的最突出的特点 是其一般应用在特定的场合下以完成必要的功能，具有很强的针对性和目的 性。同时，嵌入式技术与实时性有着密切的关连，并且常常受到存储空间、 和成本等条件的限制，因此，它必须最大限度地在软硬件上做裁剪以降低成 本，提高系统性能。 进入2 1 世纪的后p c 时代，网络技术得到了空前的快速发展。并且正在 逐步向嵌入式系统设计领域渗透，使得嵌入式系统快速向着数字化、网络 化的方向发展。由此，嵌入式网络技术应运而生，嵌入式网络技术是近年来 随着嵌入式系统的广泛应用和计算机网络技术的进步而发展起来的一项新兴 的概念和技术。这一技术使得成千上万的嵌入式设备和产品都可以通过网络 实现真正意义上的互联，从而为资源共享、远程控制等创造了条件。 在工业控制领域，嵌入式控制系统对网络接入的需求变得日益迫切，控 制系统的网络化程度的高低体现了工业控制领域的发展水平的高低，。在传 统的工业控制系统中广泛使用的现场总线技术由于存在多种标准，通用性和 兼容性差、局限性大，发展前景不容乐观。而以以太网技术为基础的信息网 络技术，已经成为当今世界上最流行的网络技术，并且得到了广泛的应用， 具有很大的发展潜力。将以太网技术应用于工业领域阳1 可以克服现场总线不 能与网络技术同步发展的缺点，因此成为了控制领域和嵌入式系统网络化的 热点研究领域。 本研究课题的目的在于将嵌入式以太网技术应用于直流电机调速系统， 设计一套适用于学生实验的基于嵌入式网络技术的直流电动机实验系统平 厶 口0 直流电机具有良好的线性调速特性，高质高效的平滑运转的特性。直流 电机调速课程是高等学校相关专业教学的重要环节，是调速理论和自动控制 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 系统的重要内容。直流调速实验教学对学生增加专业实践、深化课程理论学 习是必不可少的。采用先进的开放的实验系统是高等学校实验教学的发展方 向。但是学校里一些现有的可供学生使用的直流调速系统依然是老式的模拟 控制系统，不能反映当前直流电机控制的真实水平，不能让学生真正了解先 进的数字化直流电机控制模式，不利于理论和实践的结合。相比重新购买价 格较高的实验设备，利用实验室现有资源，精心设计一套适合学生实验的直 流电机实验系统平台不失为一个好的途径。 设计基于嵌入式以太网技术的直流电动机实验系统平台的意义在于：使 电机实验系统具有网络远程控制、数字化和可视化等特点，实现通过网络在 该系统平台上进行电机调速实验以及相关科技活动，并进一步对嵌入式技术， 计算机通信和网络远程控制有一定的了解，对运动控制的发展趋势有一定的 认识。此外，该系统平台是一个功能可扩展的开放的系统平台，便于引入和 研究多种不同的控制方法。 1 2本课题的研究和发展现状 由于传统的控制系统使用的现场总线技术存在多种不同的标准，这使得 互操作性大打折扣，局限性较大。与现场总线相比，以太网具有通信速率高、 应用广泛、成本低廉、易于信息集成和可持续发展潜力大等优点 ，。将以太 网技术应用于工业控制领域不但能够克服现场总线不能和网络技术同步发展 的缺陷，而且便于实现控制系统之间的通信和资源共享，还十分便于与路由 器相连，实现对i n t e r n e t 的访问，真正实现与i n t e r n e t 上其它网络没有 空间限制的互联，因此成为了控制领域和嵌入式系统网络化的热门研究对象。 嵌入式以太网技术旧，是一种采用以太网为通信媒介的嵌入式设备网络化 的新型解决方案。设备通过具有嵌入式以太网技术和嵌入式t c p i p 协议栈功 能的嵌入式系统而不是p c 机系统直接接入网络，从而达到各种不同的嵌入式 设备实现互联、交换和共享数据等网络通信功能的目的。 嵌入式以太网技术虽然和传统的以太网技术有所不同，但在物理上都遵 循i e e e 8 0 2 3 标准，通信协议大都采用了运用广泛的t c p i p 协议族。嵌入式 以太网技术与传统以太网技术的最主要的区别在于伸，：传统以太网技术是基 于p c 机或工作站的软硬件环境的，其使用的t c p i p 协议等是内嵌在w i n d o w s 等大型操作系统中的，这不便于在工业控制领域等复杂多变环境中的应用。 而嵌入式以太网技术是基于微控制器或微处理器的软硬件环境的，使用的网 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 络协议如嵌入式t c p i p 协议是内嵌在嵌入式操作系统中的，这就大大方便了 嵌入式以太网技术在工业控制领域的应用和推广。从另一角度来看，由于嵌 入式以太网技术与传统以太网技术在物理上和通信协议上都是相互兼容的， 因此它们之间的通信也十分方便。总之，嵌入式以太网技术是在嵌入式设计 技术基础上发展起来的一种新型网络技术，具有广泛的应用前景，它的出现 为以太网在工业自动化领域的广泛应用开辟了道路。 在国际上，微控制器和微处理器在工业自动化和设备管理中采用t c p i p 协议接入网络始于2 0 世纪9 0 年代，初期的进展比较缓慢。近几年来，由于 微电子技术的迅猛发展，微控制器和微处理器的性价比大大提高，与此同时， 因特网也以前所未有的速度向前发展，网络通信的性能、质量和可靠性得到 很大提高。世界各大公司看到了嵌入式设备连上因特网的巨大商业价值和市 场潜力，纷纷投入力量研究，使得嵌入式网络技术的研究和应用呈现出加速 发展的势头。 嵌入式系统要想接入以太网需要满足两个条件：硬件上要有网络接口； 软件上要提供相应的网络通信协议。也就是说，嵌入式系统若要接入以太网， 需要解决的问题是嵌入式系统与以太网的接口问题，即物理硬件的连接和软 件嵌入式t c p i p 协议栈的实现问题。 根据目前的研究现状来看，嵌入式系统接入以太网主要产生了四种技术 方案：直接接入型方案、间接接入型方案、嵌入式系统+ t c p i p 协议芯片型 方案以及内置网络接口芯片和t c p i p 协议的s o c 型m c u 芯片型方案。 ( 1 ) 直接接入型方案o 】( 如图卜1 所示) 图卜1嵌入式e t h e r n e t i n t e r n e t 系统的直接接入模型 f i g 1 1 t h ed ir e c tc o n n e c t i o nm o d e lo fe m b e d d e de t h e r n e t i n t e r n e t 直接接入型方案相对来说较为简单，它是通过嵌入式系统自身增加网络 接口硬件和相应的软件支持来实现的。该方案的典型配置为：微处理器微控 制器+ 实时操作系统( r t o s ) + 嵌入式t c p i p 协议。 此种方案一般适用于高档单片机中，因为1 6 位或3 2 位的嵌入式系统具 有较强的计算处理能力，能够在实时操作系统上完成复杂的功能。随着微处 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 理器价格的急剧下降，越来越多的开发人员都采用r t o s 开发嵌入式应用系 统。国际上很多公司都提供了带有t c p i p 协议栈的实时操作系统，如p s o s 、 v x w o r k 、n u c l e u s 、l i n u x 和c m x r t x 等。例如，c m x 的c m x - m i c r o n e t t 是一 种经过优化的t c p i p 协议栈，并且以标准c 语言源码的形式提供，很容易移 植到一款新的m c u 中；u b i c o m 公司在i p 2 0 0 0 系列i n t e r n e t 处理器编程的软 件模块中提供了r t o s 和t c p i p 协议。但这种方案由于采用了实时操作系统， 协议栈也较为完整，所需要的硬件资源开销也相应较大，系统的整体成本也 较高。 ( 2 ) 间接接入型方案n2 ，( 如图卜2 所示) 嵌入式微处理器h 薹若另；笋姜d 嵌入式网关卜! 垦里丛叫e 工卅t h e e r r n n e e t t 图卜2嵌入式e t h e r n e t i n t e r n e t 系统的间接接入模型 fig 1 2t h ein dir e c tc o n n e c tio nm o d eio fe m b e d d e de t h e r n e t in t e r n e t 间接接入型方案一般通过嵌入式网关等接入设备与以太网相连，微处理 器与嵌入式网关则通过r s 2 3 2 4 8 5 、c a n 、r f 或i2 c 等轻型网络进行连接。嵌 入式网关主要负责t c p i p 协议的实现，也就是将专用网络上的信息转换为 t c p i p 协议数据包，然后发到网上实现信息交换。 这种方式可以降低对嵌入式系统的要求，可充分运用于已经大量存在的 8 位和1 6 位等低端嵌入式产品上。但是这种方案也存在如下的缺点：需要为 系统设计专用的嵌入式网关，这样成本就会增加；除此之外，还要在p c 机上 安装专用的协议转换软件，费用比较高。 ( 3 ) 嵌入式系统+ t c p i p 协议芯片n 列 t c p i p 协议栈通过硬件固化到网络芯片上，通过标准的输入输出接口， 可与绝大多数的单片机相连。 该方案的软硬件设计均比前两种方案简单，对m c u 的硬件资源要求也不 是很高。由于t c p i p 协议芯片是一种独立于各种m c u 之外的通用产品，所以 在产品设计过程当中，开发人员只需实现与t c p i p 协议芯片通信的接口程序 即可，不需要了解复杂的网络软硬件设计技术。因此该方案对开发者的专业 技能要求较低，产品开发周期也较短。另外，由于这种芯片是通过硬件来实 现t c p i p 协议的，因此它的数据传输速度较快，可以在一些多媒体应用中采 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 用。例如，韩国w iz n e t 公司推出的一款网络芯片w 5 10 0 n “，它通过在硬件中 安装t c p i p 协议，为智能终端的高速i n t e r n e t 连接提供了一种易于实现的 解决方案；类似的网络芯片还有美国s e i k oi n s t r u m e n t s 公司的基于ir e a d y i n t e r n e tt u n e r 技术的“i n t e r n e t 准备好 芯片i c h i p $ 7 6 0 0 a “5 1 和c o n n e c t o n e 公司的i c h i pc 0 2 0 6 4 “们等。该方案的主要缺点是目前t c p i p 协议芯片或 模块的价格较高，导致系统硬件成本较高，对于大批量生产的网络产品难以 承受。 ( 4 ) 内置网络接口芯片和t c p i p 协议的s o c 型m c u 芯片钉 s o c 片上系统是电子设备设计的发展方向，设计和生产技术也越来越成 熟，因此该方案可以视为未来网络产品设计的发展趋向。该方案把网络接口 部件、t c p i p 协议栈，甚至嵌入式实时操作系统都集成在一个i c 芯片上， 使网络产品的软硬件设计都变得比较简单。 上述四种技术方案中，直接接入型方案一般用于1 6 3 2 位高档微处理器 ( 如a r m 、x 8 6 等) ，因为这些微处理器具有丰富的系统硬件资源以及相应的相 应的软件网络支持；间接接入型方案主要适用于那些内部没有集成网络接口 部件、系统本身硬件资源十分有限的微控制器( 以8 1 6 位微控制器为代表) ； t c p i p 协议芯片和带有t c p i p 协议的s o c 型m c u 芯片具有速度快，使用方 便的特点，但同时也增加了硬件成本。 要想实现嵌入式系统的网络化，就必须在嵌入式系统中实现t c p i p 协议 栈，因此对t c p i p 协议栈的研究和应用，已经成为嵌入式应用领域和网络互 连领域的关键和热点之一。 从嵌入式系统的特点以及嵌入式系统下的网络应用环境的特点来看，嵌 入式t c p i p 协议栈通常应用于特定的和专用的场合下的，它不可能或者也没 必要像标准的t c p i p 协议栈那样提供一整套协议体系，而是要根据具体的应 用情况提供适当的和必要的协议模块即可，从而达到预定的性能和功能指标 要求。嵌入式t c p i p 协议栈区别于标准的t c p i p 协议栈最具有代表性的的 特点有，： ( 1 ) 可移植性。考虑到嵌入式应用系统平台也是多样性，在开发网络协 议栈软件的过程中，软件的可移植性是一项非常重要的性能指标。采用可移 植性好的网络协议软件，在对嵌入式产品进行软硬件升级时，只需要重新编 写与硬件直接相关的那部分代码即可，而不需要再对上层协议进行大规模的 修改，这样可以提高工作效率，降低开发成本。 ( 2 ) 可裁剪性。由于各种嵌入式应用对系统的要求不尽相同，并且对产 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 品的成本比较敏感以及存储器的容量的限制，所以必须根据嵌入式网络产品 的具体功能，对完整的t c p i p 协议栈功能进行裁剪以满足用户对产品成本的 控制和产品性能的要求。 ( 3 ) 代码精简。嵌入式t c p i p 协议栈是标准t c p i p 协议栈的某种子集， 只需要实现基本的和必要的功能，使生成的二进制代码尽量精简，这对嵌入 式网络产品降低开发难度、节省有限的r a m 和r o m 空间有着非常重要的意义。 目前比较有代表性的t c p i p 协议栈解决方案有下面的几种“。 ( 1 ) l w i pe ”，是瑞典计算机科学院的计算机专家a d a md u n k e l s 等人开发的 一套用于嵌入式系统且开放源码的t c p i p 协议栈。l w i p 的含义是l i g h t w e i g h ti p 协议，主要着重于削减代码大小及内存消耗。为了削减计算和内 存消耗，l w i p 裁减了a p i 的数据拷贝功能，这使得l w i p 只需要大约4 0 k b 的 r o m 和数万字节的r a m 。 ( 2 ) uc t c p i p 心州是由g u yl a n c a s t e r 设计的一套基于uc o s - i i 、源码 开放的、可裁剪的且完全免费的t c p i p 协议栈，亦可以移植到其它的操作系 统上。uc t c p - i p 具支持i p t c p u d p 协议、带身份验证和报头压缩支持的 p p p 协议和优化的单一请求回复交互过程等特点。该协议栈需要的代码空间 也很小，一般在3 0 6 0 k b 之间。 ( 3 ) w i n d r i v e r 公司的t c p i p 协议栈。该t c p i p 协议栈是v x w o r k s 嵌 入式操作系统的一部分，适用于工业、通信等高端应用。 ( 4 ) l i n u x 系列t c p i p 协议栈。它支持完全的t c p i p 协议，但是要花 费大约i o o k br o m 和几十千字节的r a m ，这对于大部分嵌入式系统是无法承 受的，只能用在高档的服务器上。 ( 5 ) | li pc ”，是专门为8 位和1 6 位控制器设计的一个非常小的t c p i p 栈。 完全用c 编写，可移植到各种不同结构的操作系统上，一个编译过的ui p 栈 可以在几k b 的r o m 或几百字节的r a m 中运行。 1 3本课题主要研究内容 本课题的主要研究内容主要包括：以高性能微处理器a r m $ 3 c 4 4 8 0 为核 心，搭建基于嵌入式以太网技术的可视化直流电机双闭环调速系统实验平台。 首先在软件设计方面的主要工作有：利用微处理器的系统资源，把嵌入式实 时操作系统uc o s - i i 移植到a r m $ 3 c 4 4 8 0 上，并在此基础上实现嵌入式 t c p i p 协议的移植，达到将整个嵌入式系统接入以太网从而实现远程控制的 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 目的。对系统的应用层功能进行任务模块化设计，主要的任务模块包括p i d 控制模块、p w m 脉宽调制任务模块、嵌入式t c p i p 协议通信任务模块、电流 检测任务模块、速度检测任务模块等。另外，在远程p c 端的远程控制界面的 设计也是非常重要的工作。在硬件设计方面的主要工作是以a r m 微处理器为 核心，设计电机驱动电路、转速反馈检测电路以及电流反馈检查电流等，为 系统安全稳定运行提供良好的硬件保障。 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 2 系统总体架构设计 基于嵌入式以太网技术的直流电机实验系统的设计，主要包括两个部分： 一部分是电机控制现场嵌入式系统的控制软件和硬件设计；另一部分是远程 p c 机控制软件设计。前已述及了嵌入式系统接入以太网的几种方案，这里采 用直流电机控制器直接通过网络芯片接入以太网的“直接接入型”方案，实 现远程计算机与现场电机系统的嵌入式控制器的通信和控制功能。 2 1 系统总体架构 本系统采用了现场嵌入式控制器+ 网络控制芯片+ 远程控制计算机的架构 形式。现场控制器将系统相关的信息( 如转速，电流等实时参数) 及时反馈 给远程计算机，以使远程计算机能够实时显示并监控直流电机的实时参数和 状态。远程计算机把p i d 参数和转速等参数通过网络传送给现场的电机控制 器，以实现对电机实验的远程操控。当出现参数超标或状态异常时能够主动 采取适当措施，以避免电机及控制器受到损毁。现场控制器也可单独完成控 制功能。系统总体实物结构如图2 1 所示。下面分别从硬件和软件两个方面 介绍系统基本架构。 图2 1系统总体结构图 fig 2 1t h ec h a r to ft h es y s t e ms t r u c t u r e 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2系统硬件平台架构 2 2 1系统采用的嵌入式处理器 当前，嵌入式处理器的发展趋势主要是3 2 位嵌入式c p u 。目前主要的嵌 入式微处理器类型有a r m 、m i p s 和p o w e r p c 等。其中a r m 陋2 1 ( a d v a n c e dr i s c m a c h in e s ) 是一种精简指令集计算机，它具有体积小、低成本、功耗小和性 能高等显著优点，己成为高性能、低功耗嵌入式微处理器的代名词，是目前 3 2 位嵌入式微处理器中应用最广泛的一个系列。 在本系统中，现场电机控制器选用三星公司的基于a r m 7 t d m i 核的 s 3 c 4 4 b o t 2 引做为核心处理器，它是一款面向工业控制领域的功能强大的嵌入式 微处理器。$ 3 c 4 4 8 0 通过在a r m 7 t d m i 基本功能的基础上集成了丰富的通用外 围器件，比如能够产生带死区的p w m 波的定时器、外部中断、8 路1 0 位a d 转换等，最大程度消除了增加附加配置的需要，使系统成本降至最低。 2 2 2网络控制芯片 要使a r m $ 3 c 4 4 8 0 处理器实现与以太网的连接，首先要解决的就是以太 网的接入问题，这就需要用到专门的以太网控制器。从目前市场上的应用情 况来看，美国c i r r u s 公司的c s 8 9 0 0 a 网络芯片和台湾r e a l t e k 公司的 r t l 8 0 1 9 a s 网络芯片以其较高的性价比，得到了广泛的应用。本课题采用了 r e a l t e k 公司的r t l 8 0 1 9 a s 网络芯片。 r t l 8 0 1 9 a s 是一款基于i s a 总线的l o m b s 以太网控制器芯片。它集成了 介质访问控制子层( m a c ) 和物理层的功能。r t l 8 0 1 9 a s 网络控制芯片的主要性 能指标如下心4 ，： ( 1 ) 全双工，收发数据可同时达到1 0 m b s 的速率； ( 2 ) 符合e t h e r n e ti i 与i e e e 8 0 2 3 ( 1 0 b a s e - 2 、l o b a s e - 5 、l o b a s e - t ) 标 准； ( 3 ) 内置了1 6 k b 的s d r a m 用于网络数据收发缓冲，支持d m a 直接存取， 降低对主处理器的速度要求； ( 4 ) 支持8 位和1 6 位数据总线，8 个中断申请线以及1 6 个i o 基地址 选择 5 ) 支持跳线和免跳线模式； 6 ) 支持即插即用自动检测模式； 7 ) 采用c m o s 工艺，功耗低，单一5 v 电源供电； 西南科技大学硕士研究生学位论文第10 页 2 2 。3电机控制系统总体结构设计 根据实验室现有资源，本系统选择了江苏无锡红湖电机公司生产的2 4 v 供电的5 7 z y n 0 0 1 h 型直流永磁电机作为控制对象。该电机的主要参数为：额 定转速为3 0 0 0 r m i n ，额定电流3 a ，空载电流2 5 0 m a ，额定转矩o 2 n m ， 输入功率6 5 - 7 0 w ，额定输出功率4 0 w 等。 本系统的目的是要实现基于p w m 技术引的直流电机双闭环调速幢引幢7 ，实验 系统。控制器经过双闭环p i d 控制算法恤引发出一定频率的p w m 波，经过光电 隔离，进入到电机控制器的脉冲输入端，从而驱动电机运转，在电机运转过 程中，用于测量转速的光电编码器和用于测量电流的霍尔电流传感器分别将 转速和电流信号反馈给控制器，与给定信号进行比较，得出偏差值，经双闭 环( 电流环、转速环) p i d 控制算法，改变p w m 波的占空比，输入到电机驱 动器，实现对电机的双闭环控制。电流检测环节拟采用精度高并且十分灵敏 的霍尔电流传感器来实现。转速检测环节拟采用光电编码器实现对电机转速 的测量。直流电机控制框图如图2 2 所示。 、 图2 - 2电机控制总体结构 2 3系统软件平台架构 2 3 1系统选择的嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是嵌入式系统非常重要的组成部分，通常包括与硬件相 关的底层设备驱动软件、系统内核和通信协议等。嵌入式操作系统除了具有 通用操作系统的一些基本特点之外，其在系统实时高效性、硬件的相关依赖 性以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。 西南科技大学硕士研究生学位论文第11 页 2 3 1 1在嵌入式系统中使用操作系统的必要性陋副 嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功 能复杂、系统庞大的应用中显得越来越重要。 ( 1 ) 嵌入式实时操作系统可以提高系统的可靠性和稳定性，增强系统的 抗干扰能力。 ( 2 ) 提高了开发效率，缩短了开发周期。在嵌入式实时操作系统环境下， 每个任务模块的设计、修改和调试几乎不影响其他模块，这样的分工合作将 大大提高开发效率。 ( 3 ) 3 2 位c p u 是专为运行多任务操作系统而设计的，采用嵌入式实时操 作系统能够充分发挥3 2 位c p u 的多任务处理能力。 总之，从某种意义上来说，在嵌入式应用中，只有把实时嵌入式操作系 统引入到嵌入式系统中去，才能真正发挥微处理器的最大潜力，才算得上真 正的计算机嵌入式应用。 在本次应用中，由于嵌入式网络控制需要有t c p i p 协议栈的支持，这涉 及到复杂的任务资源调度，所以需要操作系统来完成这方面的工作，从而有 利于上层软件的开发工作。 2 3 1 2 嵌入式实时操作系统的选择 嵌入式实时操作系统可分为可剥夺型( p r e e m p t i v e ) 和不可剥夺型 ( n o n p r e e m p t i v e ) 两类拍。可剥夺型实时操作系统是基于任务优先级的，内 核可以剥夺正在运行任务的c p u 使用权并将其交给进入就绪态的优先级更高 的任务。也就是说，高优先级任务将优先得到对c p u 的控制权，这种方式的 任务调度保证了系统的实时性。 不可剥夺型实时操作系统通过某种算法把c p u 的控制权交给某个任务， 直到该任务主动放弃c p u 控制权。这种不可剥夺型实时操作系统的实时性比 可剥夺型实时操作系统的实时性要差。 目前比较流行且应用广泛的嵌入式实时操作系统主要有v x w o r k s 、 pc l i n u x 、e c o s 、pc o s - i i 等。 本系统选择了嵌入式实时操作系统uc o s i i 。 2 3 1 3 uc o s - i i 的特点m 如 本平台的操作系统选择uc o s i i 实时操作系统主要有以下几个原因： ( 1 ) 源代码完全公开，便于研究和应用。 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 ( 2 ) uc o s i i 绝大部分源代码是用标准c 语言写的，只有一小部分需要 采用汇编语言编写，可移植性好。 ( 3 ) 1 ac o s - i i 是可剥夺式的实时内核，系统的实时性好。 ( 4 ) uc o s - i i 是基于多任务的实时操作系统，最多可以管理2 5 6 个任务。 每个任务的优先级不能相同，并且每个任务可以有大小不同的栈空间以减小 应用程序对r a m 的需求。 ( 5 ) i lc o s - i i 具有较为完整的系统管理模块，主要包括任务管理、任务 间的通信和同步、内存管理和时间管理等。这些系统管理模块为用户的应用 程序提供了丰富系统功能。 ( 6 ) uc o s i i 中的中断可以被看成是一个优先级最高的任务，因此中断 的实时性最好，可以利用中断完成一些对时间有严格要求的功能。 通过上面对uc o s - i i 特点的分析，可以看出uc o s i i 操作系统能够胜 任多任务以及复杂的资源调度的场合，这就为t c p i p 协议栈的引入提供了底 层软件的支持。 2 。3 2 架构采用的嵌入式t c p ip 协议栈 本课题需要实现基于以太网技术的网络通信功能。由于本文采用了a r m $ 3 c 4 4 8 0 处理器+ 嵌入式实时操作系统uc o s i i 的架构，因此需要在| lc o s i i 操作系统的基础上实现嵌入式t c p i p 协议栈。考虑到成本的因素，这里选用 免费的开源嵌入式t c p i p 协议栈。目前比较流行并且应用广泛的开源t c p i p 协议栈，主要有b s dt c p i p 协议栈、uc i p 、l w l p 、pi p 等。根据协议栈所使 用的嵌入式系统平台的资源有限性的特点以及对t c p i p 协议栈所提供的应 用编程接口( a p i ) 函数功能的考虑，本课题选用嵌入式t c p i p 协议栈l w i p 。 l w l p ( 1ig h tw e ig h ti p ) 是由瑞典计算机科学院的计算机专家a d a m d u n k e ls 等人开发的适用于嵌入式系统的开源t c p i p 协议栈“。l w i p 的最大 特点是在保持了t c p i p 协议主要功能( 如t c p u d p 协议、i p 转发、i c m p 协议 等) 的基础上减少对系统存储器空间的占用。目前使用的是l w i p 协议是最新 的1 3 0 版本。 2 4 系统架构框图 根据以上三个小节的对于核心硬件和软件对象的分析和选择，可以从宏 观上得出这个网络控制系统的架构框图，如图2 3 所示。uc o s i i 嵌入式实 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 时操作系统处于系统的核心位置，它在系统的a r m 处理器、网络芯片和参数 检测和驱动电路等硬件平台的基础上，实现了对系统的通信功能、控制和检 测功能等软件程序的调度和管理。 网络任务 电机 撞制 l w i p 协议棱 软件 任务 0 s 模拟层 网络设备驱动程序 p c o s - i i 实时操作系统 硬件 参数检测及电机驱动电路 a 既s 3 c 4 4 8 0 x k l 8 0 19 a s 网络芯片 图2 - 3系统软硬件架构框图 fig 2 - 3t h ec h a r to ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e mf r a m e w o r k 2 5本章小结 嵌入式系统的设计构架决定了系统的功能和应用。本章从嵌入式处理器、 网络控制器、电机控制系统、操作系统以及嵌入式t c p i p 协议的选择入手， 论述了本系统设计实现的硬件和软件系统结构，从大体上描述了系统整体构 架。 西南科技大学硕士研究生学位论文第14 页 3 系统硬件电路设计 3 1系统硬件电路总体设计 系统硬件电路的设计是整个系统设计的基础，设计一套完整稳定的硬件 电路是实现整个系统功能的重要环节之一。在本系统中，主要是以a r m $ 3 c 4 4 8 0 为核心来设计现场嵌入式控制器硬件电路。电机控制现场的嵌入式 系统硬件电路主要包括$ 3 c 4 4 8 0 最小系统、以太网接口电路、电机驱动电路、 转速检测电路、电流检测电路、键盘和显示电路以及必要的光电隔离保护电 路以防止电机驱动电路对控制电路产生严重的干扰。系统硬件结构框图如图 3 1 所示。 图3 - 1系统硬件结构图 fig 3 1t h ec h a r to ft h eh a r d w a r es t r u c t u r e 整个系统采用p w m 技术对电机系统进行控制，控制结构采用转速电流双 闭环控制的形式。微处理器的p w m 脉宽调制器输出的p w m 波经过光电隔离电 路之后，输入到电机驱动模块去改变直流电机电枢两端的电压平均值，从而 通过改变占空比的方法实现电机调速的目的。该方案具有开关频率高、响应 快、和抗负载扰动能力强等优点。 3 2 $ 3 c 4 4 8 0 最小系统 $ 3 c 4 4 8 0 最小系统主要包括使嵌入式处理器能够运行所需要具备的基本 电路。$ 3 c 4 4 8 0 最小系统电路主要包括电源模块、存储器模块、复位电路、 时钟模块和调试接口电路等。下面对其中的电源模块、存储