（计算机应用技术专业论文）基于arm的自动售货机控制器设计与实现.pdf

摘要自动售货机作为自助服务领域中的一员，为国内外该领域厂商所研究，并且得到了广泛的应用。为了适应客户的需求，需要开发一套功能更加完善、扩展性能更强的自动售货机控制器。本文以国内自动售货机制造商湖南金码智能设备制造有限公司在自动售货机控制器的研究现状为背景，分析了公司现有控制器的不足，并制定出基于a r m 7 与嵌入式实时操作系统u c o s i i 的自动售货机控制器的设计方案。系统硬件完成了控制器外围各模块的接口电路图设计，分析了自动售货机控制器的组成；实现了电源模块、m d b 外设驱动模块、电机驱动模块、键盘与显示模块以及数据存储模块的开发，并对各模块的原理与电气特性进行了详细的说明。软件上，将u c o s i i 成功移植了至a r m 7 体系结构；针对售货机本身是一个自反应、事件驱动的系统，使用有限状态机来管理系统状态以及状态转换，并高效地实现了更适用于复杂系统的层次型有限状态机；在u c o s i i 与层次有限状态机的新软件框架支持下，编写了键盘与显示模块、m d b 设备、数据存储设备等的驱动程序和系统应用程序。最后，调试与试验表明基于a r m 的控制器满足售货机基本要求，并且本课题的设计方案对较复杂的嵌入式系统的研究有一定的借鉴意义和应用价值。关键词自动售货机控制器；a r m ；u c o s i i ；层次型有限状态机a bs t r a c tv e n d i n gm a c h i n e ，a sam e m b e ro fs e l f - s e r v i c e sf a m i l y , h a sb e e nd o n er e s e a r c h e sb ym a n u f a c t u r e r si nt h i sd o m a i na l lo v e rt h ew o r l d a n di sa p p l i e dw i d e l y f o rs a t i s f y i n gt h ec u s t o m e r s ，i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pas u i to fv e n d i n gm a c h i n ec o n t r o l l e rw i t hm o r ep o w e r f u lf u n c t i o n sa n de x p a n s i b i l i t y t h i st h e s i sw a sw r i t t e na tt h ev m c ( v e n d i n gm a c h i n ec o n t r o l l e r )r e s e a r c hb a c k g r o u n do fh u n a nk i m m ai n t e l l i g e n te q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r , a n a l y z i n gt h es h o r t c o m i n g so fn o w a d a y sv m c b a s e do na i m 7a n dr t o su c o s i i t h en e w m cu s e st h el p c 2134a st h es y s t e mh a r d w a r ec o r e ，t a k i n gt h eu c o s - i ia st h es y s t e ms o f t w a r ep l a t f o r m f o rh a r d w a r e ，t h ev m cm a k e u pw a sa n a l y z e d 。a n de a c hm o d u l eo fv m cp e r i p h e r a lc i r c u i t sw a sg i v e n ，i n c l u d i n gp o w e rp a r t ，m d b ( m u l f i p l ed r o pb u s ) e q u i p m e n td r i v ep a r t ，m o t o rd r i v ep a r t ，k e y b o a r d d i s p l a yp a r ta n dd a t as t o r a g ep a r t ，a n dt h e nt h ep r i n c i p l ea n de l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i co fe a c hm o d u l ew e r ed e s c r i b e di nd e t a i l f o rs o f t w a r e 王r o su c o s 1 1w a st r a n s p l a n t e dt ot h ea r c h i t e c t u r eo fa r m 7 i na l l u s i o nt ot h ef a c tt h a tv e n d i n gm a c h i n ei t s e l fi sas e l f - r e a c ta n de v e n t - d r i v e ns y s t e m ，f s m ( f i n i t es t a t em a c h i n e ) w a sa p p l i e dt om a n a g et h es y s t e ms t a t e sa n ds t a t e t r a n s f o r m a t i o n ，a n dm s m( h i e r a r c h i c a lf s m ) w i t hs t r o n g e rc a p a b i l i t yo fc o m p l e xa d a p t a t i o nw a se f f e c t i v e l yi m p l e m e n t e di nc i ns u p p o r to ft h en e ws o f t w a r ef r a m eb a s e do nu c o s i ia n d 心s m ，t h es y s t e ma p p l i c a t i o na n dt h ed r i v e np r o g r a m so fk e y b o a r d d i s p l a ym o d u l e ，m d be q u i p m e n t s ，d a t as t o r a g ee q u i p m e n ta n ds oo nw e r ec o m p l e t e d a tl a s t ，s o m ew o r ka b o u ts y s t e md e b u g g i n ga n dt e s t i n gw a sd o n e ，a n di ti n d i c a t e dt h a tt h ev m cb a s e do na r mw a sa p p l i c a b l e t h ed e s i g n i n gs c h e m ei nt h i st h e s i sh a sg o o d s i z e ds i g n i f i c a n c e sa n da p p l i e dw o r t h i n e s sf o rr e l a t i v e l yc o m p l i c a t e de m b e d d e ds y s t e mr e s e a r c h k e yw o r d sv m c ，a r m ，u c o s - i i ，h f s m原创性声明本人声明，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。尽我所知，除了论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，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。储签名= 毕啤之吼扣7 年，月廿日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。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。作者签名：导师签名日期：忒妒年厂自陟日硕士学位论文第一章绪论1 1 引言第一章绪论弟一早硒y 匕自动售货机( v e n d i n gm a c h i n e s ) 商业起源于本世纪的六十年代，由美国的m a r s 家族发明。八十年代，在美国、日本和整个欧洲，自动售货机的应用领域已经扩展至小食品、冷热饮料、快餐、游戏、香烟、公交、地铁、邮票、报纸、电话磁卡以及个人卫生用品等各个方面。作为一种先进的商业零售方式，自动售货机已在全世界近5 0 个经济较为发达的国家得到了迅速的发展。据有关资料介绍，在美国，自动售货机的商业零售额每年高达2 9 3 亿美元，而且每年都以较大的幅度在增长。在日本和欧洲，自动售货机的发展势头同样非常迅猛，其获得的业绩同样令人瞩目。现在自动售货机已发展到欧洲平均6 0 人拥有一台，美国平均4 0 人拥有一台。在法国巴黎，单地铁车站就布放了1 5 0 0 多台，每月销售额达到6 0 0 多万法郎。日本人均拥有自动售货机最多，平均2 3 人就拥有一台。在日本，每一个消费者每年在自动售货机上的消费金额可达到5 5 万日元。据日本一家公司调查，一台售货机一年要售出上万罐饮料，比一般小商店的零星销售量还要多。日本可口可乐公司已拥有近1 0 0 万台自动售货机，其销售量占到公司每年产量的7 0 p a _ k t l l 。现代都市生活的节奏日趋加快，追求方便、快捷的服务成为人们的一种时尚，以麦当劳、肯德基为代表的的西式快餐在我国的迅速发展就是很好的例子。随着对外开放的不断扩大，传统的零售业发展成百货商店、连锁超市、电视直销、厂家直销等多种方式并存的局面，极大地方便了人们的生活。作为发达国家发育成熟并被广泛采用的通过自动售货机销售食品、饮料和香烟等小商品的零售业，必将以其方便、新颖的特点在中国得到迅速发展。这既是市场发展的需要，是商业走向现代化的标志之一，也是中国与国际接轨的需要。由于自动售货机在我国尚无大批量生产使用的经验，这里使用美国自动售货机零售业营业额占居民收入的比例来测算自动售货机在我国市场的市场容量。按照美国 v e n d i n gm a c h i n e s ) )的统h q 2 1 ，1 9 9 4 年全美自动售货机零售业的营业额为2 9 2 8 亿美元。根据美国国家统计局提供的资料，1 9 9 4 年全美国居民总收入为5 5 l 万亿美元。由此得出，自动售货机零售业营业额占居民总收入的o 5 3 。由此推算，至2 0 1 0 年，我国约有3 0 0万台的市场容量。近两年，仅发达地区高消费场所就有近2 0 万台的市场。中国的自动售货机将发展成为一个巨大的产业。国外相对成熟的技术、强劲的竞争力以及国内广阔的市场需求，对国内自动售货机制造来说，既是挑战也是机遇，唯有硕士学位论文第一章绪论努力提高自身产品的竞争力与企业管理技术，同时目前通信技术和计算机技术的发展为开发符合中国国情的自动售货机监控管理系统提供了一个良好的契机。1 2 课题研究背景自动售货机作为一种集声、光、机电一体化的高新智能化产品，一般由识别系统、找币系统、传输系统、制冷( 恒温) 系统和应用软件系统组成。随着防伪识别技术【3 】、数码技术、软件技术和制冷技术的发展，其可靠性大大提高，进一步提升了自动售货机行业的深度与广度。针对自动售货机行业世界各个地区与国家成立了专门的组织，主要有：世界自动售货协会w v a ( w o r l dv e n d i n ga s s o c i a t i o n ) 、美国自动售货协会a m an a t i o na u t o m a t i cm e r c h a n d i s i n ga s s o c i a t i o n ) 、欧洲自动售货协会e v a ( e u r o p e a nv e n d i n ga s s o c i a t i o n ) 、日本自动售货机协会j v m m a ( j a p a nv e n d i n gm a c h i n em a n u f a c t u r e r s a s s o c i a t i o n ) ，它们对推动整个自动售货机行业的发展起了重要的作用。进入2 1 世纪，自动售货机将进一步向高功能化以及节省资源和能源的方向发展。使未来的自动售货机不仅仅具有售货功能，而是更加多元化，及人性化；如：手机支付【4 】、远程联机管型5 】【6 1 、个性的l c d 广告显示屏、更节能。自动售货机控制器v m c ( v e n d i n gm a c h i n ec o n t r o l l e r ) 作为自动售货机的心脏，复杂程度也随着功能不断增强而增加，v m c 上挂接的外设除了用于支付的纸币器、硬币器之外，更加现代化的支付系统【4 】【7 j ( 如手机、i c 卡银行信用卡支付系统) 、用于监控机器状态的g p r s 短信模块【7 j 、用于保证售货可靠性的掉货检测系统以及用于商业化的语音提示自动播放广告系统等都出现在v m c 的外围。所有这些都向v m c 的设计者们提出了挑战，这种挑战主要在于下面的几个方面，首先在节约成本和保证系统可靠性的前提下，选用性能强、功能多、价格适中的微控制器，这种微处理器应具有较高的处理频率、丰富的i o 口和其他类型的通信接口，并且具有良好的扩展性。在软件上，普通的前后台设计方式1 8 】已经不太合时宜，只会更加增加系统的复杂程度和维护难度，选用一种合适的嵌入式操作系统 9 1成为了设计者的“救命稻草”，操作系统加上一个恰当的系统框架将使设计者们更加轻松地应对日趋复杂的售货机控制器。1 3 课题的来源与意义本课题来源于关于湖南省金融货币识别中心，湖南金码智能设备制造有限公司关于自动售货机的“基于a r m 的自动售货机控制器研究与实现”项目。湖南金码智能设备制造有限公司的自动售货机主板控制器采用的微控制器采用82硕士学位论文第一章绪论位的摩托罗拉m c 6 8 h c l l l l o l ，m c 6 8 h c l l 使用广泛，结构简洁，可以用其来实现复杂性一般的嵌入式系统【1 1 1 ，但是，利用该微处理器来设计支持多任务的操作系统的系统来说，有不足之处，甚至会影响到系统的整体，满足了当前日趋复杂的自动售货机控制器的要求，并且此微处理器已经停产，使用一种性能更强，扩展性更强、使用起来更加方便的微处理器来代替m c 6 8 h c ll 成为了当务之急。a r m 系列微处理器【1 2 j 作为一种1 6 3 2 位的高性能、低成本、低功耗的嵌入式砒s c微处理器软件上，当前的售货机控制器程序全部使用汇编语言编写，采用前后台结构，系统运行稳定，但是却给系统的维护、移植与扩展带了很多的不便，使用一种高级的、移植性能强的语言( 如c ，c + + ) 重新改编程序，并且改进自动售货机状态管理算法，将使v m c ，甚至整个自动售货机更加健壮、通用。1 4 研究内容本课题以自动售货机控制器为切入点，主要研究基于a r m 的微处理器在嵌入式系统中的应用，研究内容围绕以a r m 微处理器为核心的售货机控制器的软、硬件设计而展开，主要进行了下面几个方面的工作：( 1 ) 掌握a r m 系列微处理器的体系结构与搭建开发、调试环境；( 2 ) 以a r m 微处理器为核心的售货机控制器外围电路的设计；( 3 ) u c o s u 嵌入式操作系统【1 3 l 在a r m 7 体系结构微处理器上的移植；( 4 ) 研究层次型有限状态机【1 4 】f 1 5 】【阍( h f s mf i n i t es t a t em a c h i n e ) ，将其实现并与u c o s i i 搭建自动售货机控制器软件平台；( 5 ) u c o s i i 下的自动售货机控制器的驱动程序与应用程序设计。1 5 论文结构本文的主要工作是研究a r m 体系结构的微处理器以及嵌入式操作系统以及有限状态机在自动售货机中的应用，为新一代自动售货机控制器选择合适的解决方案，对现有的自动售货机控制器进行升级与改进。论文的组织结构如下：第一章，绪论，主要讨论了自动售货机在国内外的现状，结合湖南金码智能设备制造有限公司的实际情况，指出了基于a r m 的自动售货机控制器的研究意义与研究内容；第二章，v m c 总体设计，先对整个系统做需求分析，从总体上划分系统的主要模块，接下来讨论各模块的实现方案，最后通过比较选择实现控制器的技术平台。第三章，v m c 主板硬件设计，描述了售货机控制器主板与外围设备接口，外围电路设计，包括m d b 外设驱动电路、电机驱动电路、显示与键盘电路以及硕士学位论文第一章绪论数据存储电路；第四章，v m c 软件设计，介绍了u c o s i i 在移植至a r m 体系结构微处理器的过程以及实现了a r m 体系结构下特殊的中断嵌套方式，接下来详细描述了层次型有限状态机h f s m 模型以及t - i f s m 在v m c 中的实现方案，最后描述了u c o s 1 1 下的v m c 驱动程序与各个应用程序任务的设计与实现；第五章，系统调试与试验分析，对新v m c 进行硬件与软件调试，并通过试验验证了新v m c 的功能与可靠性；第六章，总结与展望，对课题总结，与当前正在使用的v m c 进行客观对比，并指出本次设计中的不足之处，并对自动售货机控制器的研究提出了进一步的设想和展望。4硕士学位论文第= 章售货机控制器总体分析第二章售货机控制器总体分析与设计2 1 控制器的需求分析0 自物提“目zo t 县图2i 自动售货机售货流程控制器是自动售货机的大脑，是整个机器的指挥中心。控制器利用主板上的有限资源，实现可靠的售货交易，提供对售货机进行实时监控的接口并实现某些商业化目的( 如播放商业广告) 。图2 1 展示了售货机的整个售货过程，首先控制器通过显示设备向客户输出动画、语音或文字等提示，客户通过某种支付方式( 如纸币器、硬币器或i c 卡) 付费，然后选择所需商品，控制器等待用户输入之后，控制弹簧转动一圈，掉货检测子系统检测到货品掉下之后，向控制器回复信号，控制器扣费，向客户提示购物成功，并通过短信模块向监控中心发送购物信息，至此整个售货过程完毕。于是，控制器从总体上来说可以分解成以下几个功能模块：r 1 ) 电机控制模块：控制器通过电机带动弹簧转动实现货物出售；f 2 ) 系统状态管理模块：管理自动售货机的系统状态与由内部事件或外部事件引起的状态转换；( 3 ) 数据存储功能模块：售货机中的系统配置数据需要通过非易失性存储器进行存储；( 4 ) 通信模块：控制器通过m d b i c p 【( m u l t i p l ed r o pb u s l i n e rc o r n m u n i c a t i o n p r o t o c 0 1 ) 通信协议与m d b 外设( 纸币器、硬币器、调货检测系统等) 通信；( 5 ) 人机交互功能模块：5 5 管理键盘，7 3 用户键盘，二者复用了9 个按键l e d 管理端显示，l c d 用户端显示。人机交互功能是操作与维护基础，硕士学位论文第二章售货机控制器总体分析也是控制器开发的一个重点。2 2 控制器各功能模块的设计方案2 2 1 电机控制模块的实现方案售货机中供出售的货物放置在托盘上，一台整机装配有5 7 个托盘，每个托盘又包含一定数目的货道，每个货道安装一根与电机相连的弹簧，货物即摆放在弹簧的圈之间，示意图如2 2 所示。控制器就是通过控制电机带动弹簧转动一圈来售货。可以计算，假设每个托盘上的平均货道数目为6 ，则一台完整售货机中需要控制的电机数目至少有3 0 ( 5 x 6 ) ，最多的情况达到1 4 0 ( 7 1 0 ) 。如果每个电机使用微处理器的一个i o 口来控制，那么这样的一台售货机可能需要一块超级微处理器芯片才能满足需求了。事实上，在嵌入式系统中，i o 口是很重要的资源。如何利用当前有限的i o 口来控制对如此多的电机，如何控制电机的转动角度，是本课题研究的重点。图2 2 托盘示意图对于如何控制电机的转动角度，本课题实际上只要考虑电机旋转3 6 0 度。对于i o 口的分配，可以采用矩阵式电机控制方法，从而复用某些i o 口，如图2 3 ( a ) 所示，每个电机由一根横向1 2 1 与纵向1 3 ，当这两个i o 口同时有效的情况下，电机就会上电而转动。这样下来，即使是前面的最多情况出现，也只需要微处理器为托盘电机留出1 7 个i o 口，7 个横向口，1 0 个纵向口，与7 0 个相比，大大的减少了i o 的使用。但是售货机需要出售大物品时，存在电机连动的情况，即相邻的两个电机同时启动，同时停止。所以，采用图2 - 3 ( a ) 所示的矩阵控制方式，相邻两个电机的转动难以同步，即两个电机不在同一时刻启动和停止，所以出现了图2 - 3 0 3 ) 所示的方法，相邻的两个电机共用一个纵向口，但同一个托盘需要两个横向口，其中的一个控制序号奇数的货道，另外一个控制偶数货道，如此设计的话，电机启动连动的时候，先将两个横向口置为有效，然后再将公用的纵6硕士学位论文第二章售货机控制器总体分析向口置为有效；电机停止连动的过程与启动的顺序相反，不过是将i o 口置为无效。奄a主b图2 - 3 矩阵式电机控制方法2 2 2 数据存储功能模块实现方案在智能化电子产品的设计过程中，经常会遇到一些重要数据的非易失性保存问题。在自动售货机中，非易失性数据主要包括机器货物价格，机器配置等。之前，这些数据采用的是电池维持r a m 供电以实现整机掉电后进行保存，当前使用中的v m c 就是使用这种方法，但这样做会由于电池本身的原因，如电池的使用寿命相对较短及某些恶劣环境( 高湿、高温等) 导致电池失效，而引起数据丢失的情况出现。本课题采用了e e p r o m 来进行存储，此方法也有其缺点，比如擦次数有限( 典型的写周期次数从1 0 ，0 0 0 到1 , 0 0 0 ，0 0 0 次) ，定入速率慢，这样就限制了其在许多需要频繁更新数据且需高速传输数据场合中的应用。这两个缺点都不影响本课题对其的使用，因为价格、配置数据都不需要频繁擦除与更新。e e p r o m 有很多接口类型1 8 】，最常用的接口是1 2 c 接口【1 9 】。这种总线接口具有下面几个优点：高度标准化的接口；控制器和存储器之间只需两条线；而且具有灵活的时序要求，可以由软件驱动，并且一个1 2 c 主机可以驱动很多1 2 c 从机，从而最大程度减少了主机的引脚数。7硕士学位论文第二章售货机控制器总体分析在所有e e p r o m 器件中，写周期都要比读周期长的多。因为在写周期过程中，电荷需要借助隧道效应并通过绝缘层进行转移，而这个过程很费时间。虽然增加电压可以加快这个过程，但是过高的电压会导致绝缘层的介质击穿，从而损坏器件。典型的e e p r o m 器件写周期持续1 0 毫秒左右；而读周期通常需要几百个纳秒。为了显著缩短写周期的时间，许多1 2 ce e p r o m 器件采用页面模式。该模式允许将多个字节传送到缓存中，然后将数据一次性写入存储区。1 2 c 存储器件的典型页面尺寸为3 2 字节。因此，可以在一个写周期内向e e p r o m 填入3 2 个字节。针对1 2 c 接口的e e p r o m 的这些特性，本课题采取的方案是：在系统初始化的过程中，将e e p r o m 中的数据一次性的读取至内存s r a m 当中，以后系统操作的即是这些被装入内存的数据，如果数据有更新，需要写回e e p r o m ，那么控制器会在系统进入或退出某一状态的时候将更新数据按页面模式写回至e e p r o m 中，这样，不仅可以加快数据的访问速度，同时做到了s r a m和e e p r o m 中数据的同步。综上所述，本课题的数据采用非易失性的带1 2 c 接口的e e p r o m 存储。2 2 3 系统状态管理模块实现方案自动售货机是一个反应式系统。反应式系统的行为实际上是一组输入和输出事件、条件、动作的序列，或许还会有一些额外的信息，例如时间约束，可以用状态图来分析与设计系统的状态行为 2 0 1 。有限状态机( f s m ) 是计算机科学和数学理论的抽象，是离散输入输出系统的数学模型。它具有有限数目的内部状态，每个状态可以迁移到零个或多个状态，系统可以根据当前所处的状态和面临的输入决定系统的后继行为，其当前状态概括了过去行为的信息。下面给出有限状态自动机的形式化定义。定义：一个确定的有限状态机m是一个五元组：m ( q ，q o ，f ，6 )其中：q 是一个有限状态集合；是输入信息或条件的集合：q o 称为初始状态；f e q ，f 称为终结状态集合；6 是一个从qx 到q 的单值映射。状态机从初始状态开始，根据当前状态、输入( 中的元素) 和转移函数6决定状态机的下一步状态，直至状态机处于终结状态集合f 的某一个状态，这就表示有限状态机执行成功，或者在当前状态和输入条件的情况下，根据转移函数得到的状态不存在，即在q 中找不到相应的元素，此时，该有限状态机执行失8硕士学位论文第二章售货机控制器总体分析败。状态机的应用非常广泛，文献 2 1 】将有限状态机用于动态变化环境中多传感器融合和多机器人的通信问题。文献 2 2 1 将有限状态机用于蓝牙通信，文献【2 3 】将有限状态机用于异步串1 ：3 ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e ra n d t r a n s m i t t e r , 以下简称u a r t ) 的硬件设计。文i f 2 4 将有限状态机用于物流供应订单的研究。文献【2 5 】将有限状态机用于计算机生成兵力( c o m p u t e dg e n e r a t e df o r c e s ，简称c g f ) 中。如图2 4 所示，传统f s m 存在的不足主要表现为难以表达复杂反应式系统。它对于简单的、状态驱动的系统可以良好的工作，但是对于大的复杂的系统往往无能为力。对复杂系统无能为力主要是因为传统f s m 状态的扁平性和不能处理并发造成的。扁平状态机不能建立系统的抽象结构，所有的状态都是同样可见，并被认为是同一个层次的。在具体的实现上，通常需要为不同的层次建立不同的抽象层，把问题从实现域转移到了概念域( 即问题描述域) 。扁平的状态就无法达到这个实现。对传统的f s m 的一种改进是层次式状态机( h i e r a r c h i c a lf s m ，以下简称h f s m ) 。h f s m 是对状态行为建模的最直观的方法，也是实现事件驱动系统的一种很好的形式方法。它主要用来描述对象、子系统、系统的生命周期。通过层次状态机既可以了解到一个对象能到达的所有状态以及对象收到的事件对对象状态的影响，以及状态机指定对象的行为以及不同状态行为的差异等。同时它还能说明事件是如何改变个对象的状态，适用于嵌入式系统软件开发。图2 - 4 传统的f s m状态层次嵌套的主要特性来自抽象与层次的结合，这是一种降低复杂性的传统途径，也就是软件中的继承1 2 6 1 。在面向对象中，类继承概念描述了类和对象之间的关系，类继承描述了在类中的i s - a 关系，在嵌套状态中，只需用i s - i n状态关系代替i s a 关系，即他们是等同的分类法。状态嵌套允许子状态继承来自其父状态的行为，具有行为继承。在实现中行为继承有意的把自己仅限于被动事件处理器，即由其处理事件需要外部的驱动，而不包括传统上与状态机有关的9硕士学位论文第二章售货机控制器总体分析标准元素如事件排队，事件分发器，执行上下文或定时服务等。因此可以把这些与应用领域和操作系统相关的部分抽象出来，构建一个可复用的适合嵌入式系统软件开发领域的应用框架。一个基于层次状态机的应用程序对象的执行环境，除了提供事件处理器外，还必须提供执行上下文线程，事件排队，事件分发器和定时器服务等。这些元素强烈依赖于应用领域和操作系统的支持。在一个特定领域内如嵌入式软件开发领域中，他们在各个系统中的改变很小，因此能在很多应用中被重复使用。2 2 4 通信模块的实现方案控制器的几个最主要的通信对象是纸币器、硬币器、掉货检测子系统和g p r s 短信模块适配器等，对一台完整的售货机来说，如果每个对象占用一个通信端口，则需要很复杂的硬件来支持。事实上，控制器不会在同一时间访问多个设备，上面的列举的所有设备可以复用同一个通信口，控制器通过某种协议和这些设备进行异步通信，就像在多任务的操作系统中任务的并发性。m d b i c p 协议是欧洲售货机制造者协会n a m a s j 定的用于协调自动售货机控制器与多个外设之间通信的协议。上面列举的纸币器、硬币器等都被称作m d b外设，因为它们都遵照统一的m d b i c p 协议。m d b 接口实际上是工作于9 6 0 0波特率的主从型串行总线接口。总线串行位格式如图2 5 所示：1 个起始位，8个数据位，1 个方式位与1 个停止位，共1 1 位。其中，方式位是根据传递的方式不同置0 或置1 。在m d b 总线上，v m c 通过广播方式向外发送命令。第一字节为地址字节( 实际上只有高5 位寻址信息，低3 位为对外设的指令) ，该字节被所有的外设读取，但只有符合地址字节所指定的外设才处理其后的数据字节，并做出反应。在v m c 到外设的数据中，地址字节的方式位被置l ，数据字节的方式位被置0 ，外设通过检验接收到的方式位确认是地址命令还是数据。当数据从外设发送到主机时，最后送出的字节方式位被置1 ，标志着数据发送完毕。l s bm s bs t a r t01234567m o d es t o p图2 - 5m d b i c p 的串行位格式2 3 售货机控制器的技术平台2 3 1a r m 微处理器相对于m s c 5 1 单片机的优势a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e 的简称。到目前为止，基于a r m 微处理器1 0硕士学位论文第二章售货机控制器总体分析占据了世界嵌入式市场7 5 左右的份额，几乎已经深入到各个应用领域，如无线通讯、网络应用、消费类电子、成像和安全产品等。尤其值得一提的是，在工业控制领域【2 8 】，作为3 2 位的r i s c 架构【2 9 1 ，基于a r m 核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，a r m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控制器提出了挑战。独特的商业运作模式是a r m 成功的一个因素，但更重要的是a r m 体系处理器本身具有出众的技术性能，a r m 微处理器采用r i s c 架构，具备如下特点：体积小、低功耗、低成本、高性能；支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件；大量使用寄存器，指令执行速度更快；大多数数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定。a r m 微处理器目前包括a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 e 、s e c u r c o r e和i n t e l 的x s c a l e 、s t r o n g a r m 几个系列【2 8 】，以及其它厂商基于a r m 体系结构的处理器，除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每一个系列的a r m 微处理器都有各自的特点和应用领域。其中a r m 7 系列和a r m 9 系列的微处理器能够满足工业生产领域的绝大部分应用。表2 - 1a r m 与m c s 5 1 性能的对比表2 1 从以下几个角度说明了a r m 体系微处理器相对于m c s 5 1 【2 7 】的技术优势：1 处理能力c p u 的处理能力与很多因素相关，其中最主要的有：最高工作频率、寄存器数据宽度和指令系统。在这三点上，a r m 微处理器相对于m c s 5 1 系列单片机都具有压倒性优势。工作频率上，a r m 7 系列微处理器的典型处理速度为0 9 m i p s m h z ，常见的a r m 芯片系统主时钟为2 0 m h z 1 3 3 m h z ，a r m 9 系列微处理器的典型处理速度为1 1 m i p s m h z ，常见的a r m 9 的主时钟频率为l o o m h z 2 3 3 m h z ，a r m l 0 最高可以达到7 0 0 m h z ；而与之相对的m c s 5 1 单片机时钟频率通常在2 0 m h z 3 0 m h z 。a r m 系列内部寄存器均支持3 2 为的数据宽度，硕士学位论文第二章售货机控制器总体分析而m c s 5 1 单片机的内部寄存器数据宽度仅为8 位。a r m 使用精简指令系统，相对于m c s 5 1 使用的复杂指令系统，具有更短的指令时钟周期。2 外部总线宽度大多数的a r m 微处理器支持3 2 位的数据总线，1 6 3 2 位的地址总线，m c s 5 1的数据总线仅为8 位，最大仅支持1 6 位地址总线。因此，a r m 微处理器可以支持跟大容量的r o m r a m 存贮器，支持更庞大的软件系统。3 对操作系统的支持在嵌入式开发中引入操作系统可以减少软件的开发时间，实现更复杂的软件设计。m c s 5 1 系列单片机由于自身处理能力的不足，仅支持u c o s 等小型嵌入式操作系统。a r m 系列微处理器可供选用的嵌入式操作系统更加广泛。如果希望使用w m c e 、标准l i n u x 、v x w o r k s 或q n x 等操作系统，就需要选择a r m 7 2 0 t以上带有内存管理单元( m m um e m o r ym a n a g e m e n tu m 0 功能的a r m 芯片。而没有m m u 的a r m 7 t d m i 系列未处理器则可支持u c l i n u x 和u c o s i i 等不需要m m u 支持的操作系统之上。并且u c l i n u x 已经成功移植到多种不带m m u 的微处理器平台上【3 0 】【3 l 】，并在稳定性和其他方面都有上佳表现。4 片内外围电路除a r m 微处理器核以外，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，我们称之为片内外围电路，如u s b 接口、i i c 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，用户可以分析系统的需求，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。m c s 5 1 单片机所容纳的片内外围电路则非常有限。基于上述考虑，本课题选用p h i l i p s 公司面向工业控制领域设计的l p c 2 1 3 4删7 t d m 作为控制器的中央处理单元。2 3 2 嵌入式实时操作系统u c o s i i 的优势传统的嵌入式系统在程序设计上一般采用的是前后台方式或超循环方式p 2 j 1 3 引，如图2 - 6 所示。应用程序是一个无限的循环，在循环中调用相应的函数完成相应的操作，这部分可以看成后台行为。而中断服务程序负责处理异步事件，这部分可以看成前台行为。后台也可以称为任务级，前台也叫中断级。时间相关性很强的关键操作是靠中断服务程序保证的。因为中断服务程序提供的信息一直要等到后台程序走到该处理这个信息这一步时才能得到处理，所以这种系统在处理信息的及时性上，比实际可以做到的要差。1 2顿学位论文镕= 章告货机拉制嚣总体分析图2 - 6 前后台系统对于不太复杂的小系统而言，这种前，后台方式是可以满足需求的，但是随着应用的复杂化，系统可能要同时监测，控制多个外部设备，处理多个任务，且在实时性上有较高的要求，这个时候如果在系统软件设计上仍然采用上述的前后台方式，就会出现两个比较突出的问题。一是中断响应，由于没有实时操作系统的支持，一般要保证某项重要任务的实时性，就必须在i s r 中进行较为复杂的处理，这样傲的结果可能会带来一系列其它的问题如代码的可重入性畔1 考虑、系统硬件堆栈的溢出等。二是多任务处理聊】嗍，当系统任务增多后，需要考虑的问题也趋于复杂，如多任务之间优先级的分配、对共享资源的访问等，若在设计时没有充分考虑各种可能性，必然会导致程序结构的混乱，降低系统的可靠性。图2 - 7 可剥夺型操作系娆内棱解决嵌入式系统软件设计复杂性问题，最好方法是引入嵌入式实时操作系统r t o s 。r t o s 核心是调度器，当系统包古多个任务时，可根据任务韵重要性设定优先级，调度器可根据任务的就绪状态和优先级来扶定当前执行哪一个任务，这种基于优先级的调度机制保证了嵌入式系统运行的实时性。如图2 - 7 所示为可剥夺操作系统内核从处理完中断之后进行的任务调度，可以看出高优先级的任务优先得到了处理器资源。同时，r t o s 一般还会提供一些任务同步和通信的机制，-寻 一+曼：一-一川硕士学位论文第二章售货机控制器总体分析用于多任务间信息的交互以及共享资源分配等，利用这些机制可以提高软件系统的可靠性。此外r t o s 还提供一个标准化的平台，它定义了每个应用任务和内核的接口，也促进了应用程序的标准化。应用程序标准化后便于软件的存档、交流、修改和扩展，为嵌入式软件开发的工程化创造了条件、减少开发管理工作量。现在市场己经出现了不少的嵌入式实时操作系统，如v x w | 0 r k s 、p s o s 、n u c l e u sp l u s 、v r t x s a 、u c l i n u x 等等。但这些操作系统大多对系统硬件配置有较高的要求，如要有运行速度快的3 2 位处理器、处理器内部要有内存管理单元m m u 、较大容量的r o m 和r a m 空间等；同时操作系统自身和相应配套的开发调试工具价格较高，而且许多r t o s 厂商要求用户在批量生产时要按产品数量交纳版税，所以对干中小型系统来说这些操作系统都是不适合的。本系统采用了开放式的嵌入式实时操作系统u c o s i i ，主要是基于以下的考虑：( 1 ) 本系统是用于控制自动售货机上诸多的m d b 外设，对于实时性和可靠性要求较高。u c o s u 内核实时性强、可靠性高，自1 9 9 2 年起已在全世界从照相机到航空设备等各个领域得到广泛的应用 3 7 1 ，其健壮性、可靠性、安全性己经得到了广泛的证明。( 2 ) u c o s - i i 的源代码是公开的，并且仍在不断的升级，在功能上和对多任务的支持上不断加强。源代码的开放可以使用户根据实际要求对源代码进行裁剪，以降低系统对硬件资源的需求。用户也可以在源代码的基础上添加一些自己的模块，使系统更具有可扩展性。( 3 ) u c o s i i 的内核对于处理器以及r o m 、r a m 的要求不高，有利于降低硬件实施的成本。( 4 ) 本系系统的硬件驱动基于u c o s i i 的任务调度机制和消息机制，可以发挥更好的性能。2 4 本章小结本章从自动售货机控制器的需求出发，通过比较分析系统的各个功能模块的解决方案。就技术平台，文章首先从硬件上对比m c s 5 1 系列单片机的劣势分析a r m 系列微处理器在v m c 的优势，比如资源更加丰富、处理能力更强、更方便扩展；既然有丰富的硬件支持，软件上就有条件移植嵌入式操作系统，与前后台系统相比，程序结构更加清晰，提高系统的可靠行。1 4硕士学位论文第三章售货机控制器硬件设计第三章自动售货机控制器硬件设计3 1 控制器主板与外设接口任何嵌入式系统都是由若干硬件模块或子系统组成，它们一般通过一个中央处理器c p u “串联起来，并通过某个通信协议协调各个子系统，而实现目的功能。图3 - 1 展示了售货机的硬件结构。其中的c p u 采用的飞利浦公司的a r m芯片i ，p c 2 1 3 4 【3 引，主要的外设包括m d b 外设( 纸币器、硬币器、调货检测子系统及短信模块适配器) 、数据存储器e e p r o m 、键盘与显示模块、托盘上用于售货的电机，并使用上位机软件l p c 2 1 0 xi s p 通过串口对c p u 的内置f l a s h程序存储器编程。硬币器短信模块适配器电源模块e 二二当介脚介渥p i 八2 cv 键盘煜示模块s p im c uo f v e n d i n gm a c h i n ec o t m o l l e l p c 2 1 3 4 )电机模块g p i o 纸币器掉货检测子系统k 一一一p u a r t - - - - - - l l 卅r r a _ _ _ f i _ 6 爿调试单元m 山缸- c e图3 1 控制器硬件结构图微控制器微处理器l p c 2 1 3 4 ，是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的3 2 1 6 位a r m 7 t d m i s t mc p u 的微控制器，具有丰富的片上资源，完全可以用于实现带u c o s i i 的嵌入式系统。l p c 2 1 3 4 的主要特性如下t( 1 ) 1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s 核，超d 、l q f p 6 4 封装；( 2 ) 1 6 k b 的片内静态r a m 和1 2 8 k b 的片内f l a s h 程序存储器。1 2 8 位宽度接口加速器可实现高达6 0 m h z 工作频率；( 3 ) 2 个8 路1 0 位的a d 转换器，共提供1 6 路模拟输入，每个通道的转换时间低至2 4 4 u s ；( 4 ) 2 个3 2 位定时器侈 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) 和看门狗；硕士学位论文第三章售货机控制器硬件设计( 5 ) 多个串行接口，包括2 个16 c 5 5 0 i 业标准u a r t 、