（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm技术的网络远程闭环控制系统研究.pdf

北方l 业大学硕十：学位论文 摘要 本文概述了远程控制系统的发展状况以及特点，并论述了在嘲络技术快速发展的前 提下控制系统的发展前景。阐明了目前网络闭环控制发展理论与实践不能得到很好结合 的情况，得出剐络远程l 砷虾控制系统研究的必要性。在对现有理论与实践技术进行深入 研究的接础卜，详细的设计和实现了一个基于a r m 技术的网络远程闭环控制系统平 台，方便对网络闭环控制的进一步研究。 首先，搭建了基于a r m 技术的列络远程控制系统的硬件平台，分析了控制器的组 成与结构，对嵌入式系统u c l i n u x 进行了介绍，并详细研究了控制算法的丌发环境 m a t l a b s i m u l i n k ，以及借助r t w 使s i m u l i n k 方框岗到标准c 源码的转换功能。 其次，在网络闭坏控制器的没计上，采用了模糊自适应p i d 控制算法。改算法适合 于t 业! 卜，“过稃中被控对象随街负荷变化或r 扰吲豢影响，其特性参数或结掏发7 卜改变 的情况，能够很好的解决大惯性、滞后系统带束的问题。 最后，本文以水槽水位为控制对象，通过实验平台，进行了几个典型的水位控制实 验，验证了网络远程闭环控制在现实中的可应册陛。 关键词：网络远程闭环控制a r m 模糊自适应p l d 北方i ：业人学硕 ：7 位论文 r e s e a r c ho fc l o s e dl o o pn e t w o r kr e m o t ec o n t r o lp l a t f o r mb a s e do r la r m t e c h n o l o g y a b s t r a c t t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co f r e m o t ec o n t r o l s y s t e m , d i s c u s s e dt h ep r o s p e c to f c o n t r o ls y s t e mw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f n e t w o r k t e c h n o l o g y e x p o u n d e dt h er e c e n te a s et h a tt h en e t w o r kc l o s e d l o o pc o n t r o l t h e o r i e sc o u l d n t c o m b i n ew i t hp r a c t i c e se f f i c i e n t l y , a n dp o i n t e do u tt h en e c e s s i t yo f t h er e s e a r c ho nn e t w o r k r e m o t ec l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h ed e e ps t u d yo nt h er e c e n tt h e o r i e sa n d t e c h n i q u e ，t h ep a p e re x p l i c i t l yd e s i g n e da n d r e a l i z e dan e t w o r kr e m o t ec l o s e d l o o pc o n t r o l s y s t e mp l a t f o r mb a s e do na r m 。w h i c hi sc o n v e n i e n tf o rt h ea d v a n c e dr e s e a r c h a tf i r s t ，t h ep a p e rb u i l tt h eh a r d w a r ec o n t r o ls y s t e mp l a t f o r m , a n a l y z e dt h ec o n t r o l l e r s s t r u c t u r e , i n t r o d u c e dt h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mu c l i n u xa n d t h ed e v e l o pe n v i r o m e n to f t h ec o n t r o la l g o r i t h mm a t l a b s i m u l i n k , a n dt h e nr e s e a r c ht h et r a n s f o r mf u n c t i o nf r o ms i m u l i n k m o c kd i a g r a mt os t a n d a r dcs o t n - c ec o d eb yr t w t h e n ，t h ep a p e ra p p l i e dt h ef u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o la l g o r i t h mi nd e s i g n i n gt h ec l o s e d - l o o pc o n t r o l l e r t l i sa l g o r i t h mi sa p p l i e di nt h ei n d u s t r i a lp r o d u c i n gp r o c e s s , w h i c ht h eo b j e c t s c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so rs t r u c t u r e sc h a n g ew i t ht h el o a d s v a r i a t i o na n dd i s t u r b a n c e , t h e a l g o r i t h mw o u l d s o l v et h ep r o b l e m sb r o u g h tf r o ml a r g ei n e r t i a la n dd e l a ys y s t e m ， f i n a l i y ，b yt a k i n gw a t e rl e v e lo f f l u m e sa st h eo b j e c t s , t h i sp a p e ra c c o m p l i s h e ds e v e r a l t y p i c a lw a t e rl e v e lc o n t r o le x p e r i m e n t s ，w h i c hp m v e dt h ef e a s i b i l i t yo f a p p l y i n gt h en e t w o r k r e m o t ec l o s e d - l o o pc o n t r o lt h e o r i e si np r a c t i c e k e yw o r d s ：n e t w o r kc l o s e d - l o o pr e m o t ec o n t r o la r m ，f u z z ya d a p t i v ep i d 2 一 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j 友兰些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：签字日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解i b 友王些太堂有关保留、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e 友王些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、汇编学位论文。 ( 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：导师签名： 签字日期：年月日 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 北方i 业人中硕十学悔论文 l 网络远程闭环控制系统的研究背景与意义 在当今社会生活中，信息网络与控制网络的相结合，给工业控制的发展带到了一 片新的天地。计算机远程监控已经成为了现实，人们可以通过网络远程控制仪器设 备，甚至可以进行工业生产。尤其是近几年来，随着以太网技术的发展，工业控制逐 渐向以以太网为基础的网络化转化，进而避免了现在流行的各种现场总线技术互不兼 容的缺点。但是，日自h 埘于网络闭环控制的研究大部分还只是停留在理论层面e ，一 般足限定一定的象件然后进行分折，最后通过仿真软件给出一个仿良结果。为了进行 实践意义卜的研究，本课题结合目6 口现仃的技术与经验，进行基于a r m 技术的远程 网络闭环的实际拧割对象拧制研究，为以后的理沦研究或实践r 作奠定一定的基础。 1 1 网络远程控制系统简介 近年束，网络的飞速发展给人们的尘产牛活带来了巨大的变化，在娱乐、通讯、信 9 2 , h 6 务等社会q 三活预域以及会融、邮电、冶会、化r l 等各种e 产服务行业部有应用，并 f l 益完善。网络技术的发展，引发了控制领域深刻的技术变革。控制系统规模的只益扩 大，使传统控制系统的点对点的通i 敢方式已经不能满足工业控串4 某些新的需求，比如模 块化、集敞分布、综合诊断、快捷方便的维护以及低成本化等。而同时随着计算机技术 的飞速发展，网络软硬件的成本大幅度下降，在自动化领域，d c s ( d e c e n t r a l i z e d c o n t r o ls y s t e m ，集敞控制系统) 、f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，现场总线控制系 统) 快速兴起，进而改变了控制系统的结构，尤其是分布式控制方式( 指利用组成大系 统的各局部子系统信息构成若干局部控制器，以实现整个大系统的控制) ，具有简单、 快捷、连线减少、可靠性高、容易实现信息资源共享等优点。例如新一代的飞行器，由 于计算机、智能终端、传感器和执行器散落在不同空自j ，它们之间的信息处理需要通过 数据通讯网络来实现，因此就产生了网络化控制系统。 实际上，最早将控制和通信联系起束的是h a l e v i 和r a y ，他们在1 9 8 8 年就发表了 “i n t e g r a t e dc o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o ls y s t e m s ：p a r tl - a n a l y s i s ”这篇文章，在文章咀他们 首次定义了通信与控制系统( i c c s ) ，这个定义也就是现在研究的热门之一n c s 的最 初定义。但是由于当时科技发展的限制，特别是计算机的使用还不是很酱遍，成本比较 高，i c c s 的实际应用价值不大，所以当时并没有引起众多科研者的兴趣。相隔将近十 年后，也就是在1 9 9 8 年左右，计算机迅猛发展，网络软硬件成本大幅度下降，计算机 大量普及，成为人们生活中一个必备的使用：【具。并且进入2 1 世纪之后，随着控制系 统舰模的日益扩大，传统的点对点式的通讯方式已经不能满足工业控制的某些新的需 求，把网络引入控制系统，采用分布式的控制方式就克服了传统控制方式的很多缺点， 北方l 。业大学硕十学位论文 因此很快在工业的很多领域得到了普遍的使用。由于网络控制系统强大的工业背景，近 年来，该问题引起了很多研究者的兴趣。将通信网络引入控制系统带来了很大的便利。 网络化控制系统( n c s ) 又称通信与控制系统 c c s ( i n t c g r a t e c l c o m m u m c a t i o na n d c o n t r o ls y s t e m s ) ，简而言之，就是一种全分如式、网络化实u , j 反馈控制系统，是指某 个区域现场传感器、控制器及执行器和通讯网络的集合，用以提供设备之间的数掘传 输，伎该区域内不列地点的用户实现资源共享和协调操作1 2 蚋。网络化控制系统足复杂 大系统控制和远程控制系统的客脱需求，传感器、执行机构和驱动装置锋现场设备的智 能化为通信【删络在控制系统更深层次的应用提供了必要的物质基础，而i 岛速以太刚和现 场总线技术的发展和成熟解决了嘲络控制系统自身的可靠性和r 放性问题，使之成为现 实。n s c 广泛地应用于二自动化制造工厂、电厂、机器人、高级的航天航空器和 乜气化运 输r 具 45 1 。在网络化控制系统中，信息( 参考输入，对象输出，控制输入等) 通过网 络在系统的各个组成部分( 传感器、控制器、执行器等) 之日j 进行交换如图1 1 。 一 一 、 7 物理计象， 一一一 北方f 业大学硕卜学位论文 n c s 的多学科交叉与综合问题 4 ) 网络化控制系统的通信机制研究 n c s 的状态与形，奁估计 n c s 的信息时延 n c s 中的通信约束 通信协议和远程控制 5 ) 网络化控制系统的戍用研究 具有实际应用背景和定通用性的网络化控制系统平台 叫络化控制系统的故障渗断与监控 网络化控制系统的评价体系、评价模型和性能评价方法 2 0 世纪4 0 年代中到5 0 年代k 形成的经典拧制理论，以及6 0 年代产生许随后发展 起来的现代控制理论，在幽民经济各部j 中部得到了r “泛应用。控制系统的发展与计算 机及网络技术的发展密切十目关。2 0 世纪6 0 年代汁算机丌始进入工业控制领域，从最仞 的直接数字控带l j ( d i r e c td j g 翻c o n t r o l ，d d c ) 发展到集中式控制；7 0 年代未集散控制系 统( d e c e n w a l i z e dc o n t r o ls y s t e m d c s ) 开始进入控制领域：从8 0 年代到9 0 年代，分布式 控制网络的发展与现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m f c s ) 广泛应用使网络技术 延伸到了控制领域。进入2 0 世纪9 0 年代，以i n t e m e t 为代表的计算机网络技术的迅猛 发展及相关技术的完善，大破了传统通信方式的限制，它对其他领域也正产生着深远的 影响。在计算机网络技术的推动下，控制系统向开放性、智能化、网络化方向发展。控 制网络与i n t e m e t 的结合为远程控制领域的发展奠定了孥实的基础。随着经济的全球 化，生产过程已经不再局限于一舀范围内，一个企业中的设备可能和异地企业的设备组 成制造系统或由异地的企业来管理。现场总线系统接入i n t e r n e t 便可实现在异地通过 i n t e m e t 来监视生产过程，控制现场设备的运行情况，实现全球化制造。因此，可放 的、分句式网络控制系统与i n t e m e t 的相互结合将成为工业网络控制系统的发展趋势。 但也给n c s 的分析和设计带来了很大的困难，传统的控制理论在对系统进行分析 和设计的时候往往做了很多理想的假设，如单率采样、同步控制、无延时传感和调节。 而在n c s 中，由于控制回路中存在网络，上述假设通常是不能成立的，因此传统的控 制理论部要重新评估后才能应用到n c s 中。现阶段，国内外对于网络闭环控制系统的 理论研究主要是克服网络延时问题。目前对网络延时的处理方法中要有以下三种： 4 北方i 业人拳硕十学t 蒂论文 ( 1 ) 在控制器和执行器之间设置接收缓冲区。这种方法将随机延时转化成固定延 时，从而可以采用预测控制方法设计补偿控制器。带束的负面影响是，人为的扩大了延 时，因而降低了系统的性能。 ( 2 ) 假设延时符合某种统计规律，在已知延时统计舰律的情况下，借助随机控制理 论设计能够使系统稳定的控制器。这种设想只能在理论中限定条件的情况下探讨，在现 实应用中还有很多问题。 ( 3 ) 将延时看成时变、有界的垦加以分析。 为此，很多研究人员建立了各种不同的模型以提高网络控制系统的实时惟和稳定 性。网络环境卜的控制系统建馍有3 种方式：离散数学模型、连续数学模型和混杂数学 模型。根掘控制器、执行器和传感器_ 【作方式的不同( 时f u j 驱动和事件驱动) 【6 l 可采用 不问的数学摸毪。较为突出的成果有以卜这些： h a l e v i 和r a y l 2 考虐了具有连续时川对象和离散i h i 【i j 控制2 * 的叫络化控制系统，提 出了一种增广对象筷型，利用系统当前状念以及延迟输出、延迟控制信息构成个新的 状态向跫，这样就把延迟信息包含在新的增广对象翟面，然后同过对该增广对象的分析 来进行控制器的分析和设计。 n i l s s o n t t l 在离散时问领域对n c s 进行了分析。把网络延迟建模为定长延迟、独立 随即延迟或者马尔科夫链条件的随机延迟，解决了具有各种各样延迟的模璎的l q g 最 优控制问题。 w a l s h 掣目分析了具有连续时间对象和连续时间控制器的系统模型。通过试一次再 丢弃( t o d ) 协 义的方法，以此束克服网络时延对系统稳定性的影响，在此基础上提出 线性网络化系统的模型，并设计控制器使系统是全局指数稳定的。 w a l s h 等纠针对非线性网络化系统，假定在不存在网络时延的条件下，设计控制器 使闭环系统是全局指数稳定的，然后再存在网络时延时，让最大传输时延满足一个不等 式，使闭环系统仍是全局指数稳定的。文献【9 】针对网络化控制系统中的延迟问题，设计 了一种能处理时变延迟的状态观测器，并将整个闭环系统转化为无时滞问题。 m o n t e s t r u q u d i o l 等对具有时变传输时间的基于网络化控制系统的模型( m b - n c s ) 的稳定性进行了分析。在这类m b - n c s 中，被控对象的模型用来对传输时间间隔之间 的状态行为进行估计。文献 1 0 j 对控制器执行器的信息随着便时日j 间隔之l b j 的传感器信 息进行更新的m b n c s 的稳定性进行了研究；并对具有时变延迟或满足独立分布和服 从马尔科夫链凋剂那的传输时问的网络化控制系统也进行了研究。 5 - 北方l 业大学硕十学仿论文 b a u e r 等人分析了带有随机延时的网络问题，提出在离散情况下使用s m i t h 预估器 来消除山于网络引起的延迟。s m i t h 预估器放在控制器的前面，并且它使用被控对象的 信息把柬自传感器的延迟信息传送给控制器。使用关于被控对象知识能够帮助我们在不 牺牲网络控制系统性能的情况下缓解网络上的传输压力。l 】 于之训等人针对控制网络中的随机传输延迟，提出控制器节点采用事件驱动的方 式同时存传感器和控制器节点发送端没置发送缓冲区，以确保信息按产生的时i h j 先后 依次到达接收端，采用这种控制模式，利用传输延迟的m a r k o v 特性，得到了具有多步 随机传输延迟的网络控带4 系统的数学模哩。= j = 得到了满足给定二次型住能指标的最优控 制律的解析表达式，成功地解决了原柬事件驱动模式f 对这类网络控制系统无法获取其 解析随机控制律的难题。 6 1 侄长清对基于吒联网的液瓜远程控制进行了研究，为了解决不确定性变化的网络延 时对系统f l - ：f l e 的影响，谯系统中改计了补偿器结构解决网络延时i u j 题，n d 时采用延时颅 测算法解决网络延时不确定性变化的廿j 题，以改善系统的动态性能和保持系统的稳定 性。【1 2 j 崔桂梅、穆忐纯等针对网络闭环控制系统中时延和不同步等不确定性因素，将时延 的不确定性转换为系统状态方程系数矩阵不确定性，提出了一种具有时滞的不确定离散 模糊t - - s 模型：并在此模型的基础上，利用分布补偿原理和l y a p u n o v 理论以及l m i 方法，证明了通过状态的静态反馈模糊控制，使闭环系统稳定的充分条件等价于求解一 组l m i 。【1 3 】 胡晓娅等对具有随机时延和系统噪声的一类网络控制系统进行了分析，设计了一种 可以对随机试验进行补偿的状态观测器，该状念观测器可同时实现对噪声的滤波处理。 0 4 1 巩敦卫等针对一类具有不确定性的网络控制系统，给出具有网络诱导时延及不确定 性的被控对象模型，设计其滑模控制器，建立基于滑模反馈控制器的网络控制系统闭环 模型。通过l y a p u n o v 方法证明，所得最大允许时延能够保证闭坏网络控制系统稳定。 f l 司 樊卫华等研究了一类具有不确定性时延的网络控制系统的h 。鲁棒控制问题。假设 网络控制系统的控制器与执行器均为事件驱动，传感器为时间驱动，网络诱导时延是时 变、不确定的，且小于传感器的采样周期：将此类网络控制系统的广义被控对象建模为 一类具有不确定性的线性离散系统。基于l y a p u n o v 函数和线性矩阵不等式( l m i ) 方 法，导出了闭环系统渐近稳定且满足给定h 。性能指标的充分条件。【l 6 】 6 北方i ：业人学硕 ：学协论文 由于实际网络的情况很复杂，以上网络控制系统的研究方法很大程度上还只在理沦 研究的范酮内探讨，使得研究成果与实际应用之间存在差异。鉴于此，本文结合实际情 况，搭建了一个基于a r m 技术的刚络远程闭环控制系统平台，并在平台上进行了网络 闭环控制的实际应用。同时为后柬进步将先进的网络闭环控制理论应用于实际奠定基 础。 1 3 本文的主要工作 本文从搭建堆于a r m 的网络远程闭坏控制系统平台入手，主要时f 台的软硬件进 行了深入探讨，并且岳于陔平台，使用了模糊自适应p i d 等算法对大惯性对象进行了网 络远程闭环控割。 本课题丰要进行了以下几方面的研究： i 、根挤：系统i 爵受，对系统f 台的硬件进行了设许； 2 、基r 硬件、f 台，进。+ 步探讨了软件平台； 3 、在平台上进行了模糊自适应p i d 算法，设计了模糊自适应p i d 控制器，实现了 在线p i d 参数的自整定； 4 、在网络环境中对实际对象进行控制，验证了模糊自适应p i d 算法的控制效果。 7 北方i ：业人乍硕十学侮论文 2 基于a r m 技术的网络远程闭环控制系统平台 2 1 网络远程闭环控制系统硬件平台 网络远程闭坏控制系统的硬件平台由a r m 控制器、控制对象( 水槽水位) 、执行 装置( 水泵、阀门装置) 、检测装置( 压力传感器) 以及p c 机等几部分组成。 p c 机的作用上要足提供m a t l a bj f 发环境，其中s i m u l i n k 简洁的方框图编程方式呵 以大大简化编程、缩短算法的丌发周期，而r t w ( r e a lt i m ew o r k s h o p ) 代码，成功 能，可以把方框附图莘转化为优化的c 伦+ + 代码，并经 | 以太网【1 或串口下载刨网络控 制器中。p c 机融时起剑上位砉l l 的作用，可以对系统进行组念、监控，在线修改控制器 参数、实时报警和历史数据记录等功能。 控制器足系统平台中最饮心部分，又分为刚络远秤控制器和现场控制器，由丁系统 既要求控制器具有良好的运算能力以应付复杂算法和复杂的嘲络环境，州时还要求它具 有功耗低，低成本等特点。而a r m 微处理器由于在诸多方面表现出的优异性能能够很 好的满足这些需求。控制器的核心为$ 3 c 4 5 1 0 b ，它是一个的商性价比的1 6 3 2 位r i s c 微控制器，内含a r m 7 t d m i 处理器核，能够很好的处理复杂算法，它具有独立的、功 能强大的以太网控制器可以通过t c p i p 协议与p c 机通信以及控制器之问通信：内嵌 u c l i n u x 操作系统，可以很好的实现多任务处理。 p c 机上开发好的控制算法分别下载到远程控制器和现场控制器以后，由远程控制 器通过以太网接收现场控制器传递束的反馈信息，并提供控制信号；现场控制器则通过 以太网接收控制信号传递给执行机构，同时接收反馈信号，发送给远程控制器。控制信 号和反馈信号都通过以太网在远程控制器和现场控制器之闯进行交互，由此形成网络远 程闭环控制。图2 1 是网络远程闭环控制系统的结构示意图。 以太髓 i 以太罔 【”嚣簧”ll “端：”j 图2 1 网络远程口j 环控制系统结构示意图 8 北方i 业人学硕卜学位论文 2 i 1a r m 微处理器概述 a r m 微处理器目d h 包括下面几个系列，除了具有a r m 体系结构的共川特点以外， 每一个系列的a r m 微处理器都有各自的特点和电用领域。主要包括a r m 7 系列、 a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m i o e 系列、s e e u r c o r e 系列、i n t e r 的) ( s c a l e 、i n t e r 的 s t r o n g a r m 等。 在这砦系列中，a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于 对价位和功耗要求较高的消费类应用。在j ：业控制领域，作为3 2 的r i s c 架构，基于 a r m 7 核的微控制器芯片一直以低功耗、岛性价比而闻名。特别是对传统的8 位1 6 位 微控制器提出了挑战。a r m 7 微处理器系列具仃如下特点： 一具有嵌入式i c e - - r t 逻辑，调试j l ：发方便。 一极低的功耗，适合埘功耗要求较高的应用，如便携式产品。 一能够提供三级流水线结构。 一支持3 2 1 6 两种指令集：a r m 指令集和t h t m a b 指令集。 一对操作系统的支持广泛。 一指令系统与a r m 其他系列兼容，便于用户的产品升级换代。 一高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。 a r m 7 系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、i n t e m e t 设备、网络和调制解 调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。 a r m 7 系列微处理器包括如下几种类型的核：a r m t t d m i 、a r m 7 t d m i s 、 a r m 7 2 0 t 、a r m 7 e j 。其中，a r m 7 t m d i 是目静使用最广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理 器，属低端a r m 处理器核。t d m i 的基本含义为： t ：支持1 6 为压缩指令集t h u m b ； d ： 支持片上d e b u g ； m ： 内嵌硬件乘法器( m u l t i ，l i e r ) i ： 嵌入式i c e ，支持片上断点和调试点； 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，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 等都带有m m u 功能。而a r m 7 t d m i 没有m m u ，不支持w i n d o w sc e 和 标准l i n u x ，但有u c l i n u x 等4 i 需要m m u 支持的操作系统可运行于a r m 7 t d m 硬件 平台之上。由于u c l i n u x 已经呵以成功移植到多种不带m m u 的微处理器平台上，并在 9 j 七方l 业人中硕十学何论文 稳定性和其他方面都有表现较好，并考虑到成本等原因，选择a r m 7 t d m i 内核的微处 理器。 接下来所讨论的s 3 c 4 51 0 b 即为款不带m m u 的a r m 微处理器，可在其上运行 u c l i n u x 操作系统。 2 1 2s 3 c 4 5 1 0 b 及片内外围简介 $ 3 c 4 5 1 0 b 是壤丁：以太网应用系统的高惟价比1 6 3 2 位r i s c 微控制器，内含一个出 a r m 公l d 设计的1 6 3 2 位a r m 7 t d m l r i s c 处理器核，a r m 7 t d m i 为低功耗、岛性 能的1 6 3 2 核，最适合用于对价格及j 力耗敏感的应用场合。 除了a r m 7 t d m i 核以外，$ 3 c 4 5 1 0 b 比较匝要的片内外围功能模块包括：2 个带缓 冲描述翁( b u f f e rd e s c r i p t o r ) 的h d l c 通道，2 个u a r t 通道、2 个g d m a 通道、2 个3 2 位定时器、1 8 个町编棵的i o 口。、片内的逻辑控制电路包括：、中断控制器、 d r a m s d r a m 控：6 0 器、r o m s r a m 和f l a s h 控制器、系统管理器、一个内部3 2 位 系统总线仲裁器、一个外部存储器控制器。 1 0 j 匕方l 业人学硕十学位论文 圈2 3s 3 c 4 5 1 0 b 的引脚分布图 2 1 3 基于a r m 技术的网络控制器 网络控制器是系统平台的前端执行单元，使用高性能、低功耗的3 2 位a r m 7 t d m i 微处理器建立本身的硬件单元，运行嵌入式实时操作系统，主要用于控制算法的具体实 现，从而完成对被控对象的控制。它通过以太网接口接收监控组态平台的控制参数与控 制命令，并将控制对象的运行状态实时上传至上位机。与单片机或d s p 控制器相比， a r m 控制器具有更高的运行速度和更大的寻址能力，加上内嵌的操作系统具有多任务 和实时性，可以完全保证复杂控制算法的流畅运行。 网络控制器组成结构描述如下： 主处理器采用基于3 2 位a r m 7 t d m i 核的微处理器$ 3 c 4 5 1 0 b ，并配有高容量的存 储器和其他通用接口。特别是s 3 c a 5 1 0 b 具有独立的、功能强大的以太网控制器，能够 很好的适用于复杂的嵌入式以太网应用系统。系统的存储器由f l a s h 和s d r a m 两部 分构成，其中f l a s h 的存储容誊为2 m b ，可以固化系统的b o o t l o a d e r 和嵌入式操作 北方i + q k 大乍硕t = 学何论文 系统u c l i n u x ，s d r a m 的容量为1 6 m b ， 效运行。同时系统除了具有通用的串口、 及高定都的a d 、d a 等外部接口。 可以保证嵌入式操作系统和复杂控制算法的高 网线接口外，还具有键盘接口、i i c 存储器以 蚓2 ，4 婆丁a r m 技术的控制器纳构小惫剀圈2 5 拄制器吏物吲 下面以f l a s h 存储器接口电路和以太网接口电路为例介绍一下网络控制器的其他部 分功能。 2 1 3 1r a s h 存储器接口电路 h a s h 存储器是一种可在系统( i n - s y s t e m ) 进行电擦写，掉电后信息不丢失的存储 器。它具有低功耗、大容量、撩写速度快、可整片或分扇区在系统编程( 烧写) 、擦除 等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作。作为一种非易失性存储器，f l a s h 在系统中通常用于存放程序代码、常量衷以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据 等。常用的f l a s h 为8 位或1 6 位的数据宽度，编程电压为单3 3 v 。 系统中使用的f l a s h 存储器为现代公司生产的h y 2 9 l v l 6 0 ，其基本特性如下： i o lo n l 7 q c e d o i 4 , 8 i e r v m y l 豳2 6h y 2 9 l v l 6 0 的逻辑框图 h y 2 9 l v l 6 0 的单片存储容量为1 6 m 位( 2 m 字节) ，工作电压为2 7 v 3 6 v ，采 用4 8 脚t s o p 封装或4 8 脚f b g a 封装，1 6 位数据宽度，可以以8 位( 字节模式) 或 1 6 位( 字模式) 数据宽度的方式工作。 1 2 北方【+ 业人学硕十学似论文 h y 2 9 l v l 6 0 仅需单3 v 电压即可完成在系统的编程与擦除操作，通过对其内部的命 令寄存器写入标准的命令序列，可对f l a s h 进行编程( 烧写) 、整片擦除、按扇区擦除 以及其他操作。 h y 2 9 l v l 6 0 的逻辑框图、引脚分布及信号描述分别如图2 7 和袁2 1 所示： i ；警i2 7h y 2 9 l v l 6 0 引脚分布( t s o p 4 8 封装) 表2 1h y 2 9 l v l 6 0 的引脚信号描述 引脚类型 描述 a t l 9 ：0 】 i地址总线。存# 节模下，d ( j 【1 5 a 一1 用作2 1 位节地址的最 低位。 o q i l s l a t 一1 1 i o数据总线。矗读操作时提f i 毛8 位或1 6 位的致姑宽度。枉字节幞 d q 1 4 ：0 】 三态 式下d q 1 s a t t f f l 作2 1 位字节地址的最低位而d q 4 ：8 1 处 f 扇阻状态。 b y t e 岸i模式选择。低电f 选择+ ，市模式，商电甲选择芦模式 c e 拌i 片选信号低电平有效。在时h y 2 9 l v l 6 0j j f r 瑶丐操作时，i 幺0 i 脚必须为低l 乜f ，当为岛电g - 时芯”处卡南阻旁路状态 o e #i输出使能，低龟平有效。0 唾操作时有效，写操作时无效。 w f a ti写使能，低电平有效。盘对l t y 2 9 l 7 1 6 0 进行编程和擦际操作时， 控制丰日心的q 命令。 r e s e l * j 硬件复位，低电平有效。对h y 2 9 l v l 6 0 进行碰件复位。当复位 时，l l y 2 9 l v l 6 0e 1 印终止i f 在进行的操作。 r y ，b y 捍o就绪忙状态指示。用十指示写或擦除操作是存完成。当 h y 2 9 “1 6 0 正在进行编程或擦除操作时，该 i 脚位低电平，操作完 成时为岛电f ，此时口f 读取内部的数据。 v c c3 3 v 电源 v s s 接地 由于a r m 微处理器的体系结构支持8 位1 6 位3 2 位的存储器系统，对应的可以构 建8 位1 6 位3 2 位的f l a s h 存储器系统。3 2 位的存储器系统具有较高的性能，而1 6 位 的存储器系统则在成本发功耗方面占肯优势，而8 位的存储器系统由于性能较低现在已 经很少使用。 1 3 北方l ：业人学硕十学位论文 在系统平台的实际应用中，选用一片1 6 位的f l a s h 存储器芯片( 常见单片容量有 i m b 、2 m b 、4 m b 、8 m b 等) 构建1 6 位的f l a s h 存储系统已经足够，肉此采用一片 h y 2 9 l v l 6 0 构建1 6 位的f l a s h 存储器系统，其存储容鼍为2 m b 。f l a s h 存储器在系统 中通常用于存放程序代码，系统上电或复位后从此获取指令片开始执行，因此，应将存 有程序代鸽的f l a s h 存储器配首剑r o m s 州f l a s hb a n k 0 ，即将$ 3 c a 51 0 b 的 n r c s ( p i n 7 5 ) 接至h y 2 9 l v l 6 0 的c e # 端。 h y 2 9 l v l 6 0 的r e s e t # 端接系统复位信号； o e # 端接$ 3 c 4 5 1 0 b 的n o e ( p i n 7 2 ) ： w e # 端s 3 c 4 5 1 0 b 的n w b e ( p i n l 0 0 ) ： b y t e 上拉，使h y 2 9 l v l 6 0 ：作在字模式( 1 6 位数掘宽度) ； r y b y # 指示h y 2 9 l v l 6 0 编手廿或擦除操作的工作状态，但其上作状念也口f 通过询 片内的相天寄存器束削断，e q 此u r 将咳引脚恳宅； 地址总线 a 1 9 a 0 】与$ 3 c 4 5 1 0 b 的地址总线 a d d r l 9 a d d r o i j f h 连； 1 6 位数据总线 d q l 5 d q 0 与$ 3 c 4 5 1 0 b 的低1 6 位数据总线 x d a t a l 5 - x d a t a 0 相连。 注意此时应将$ 3 c 4 5 1 0 1 3 的b o s i z e 1 ：0 1 冒为1 0 ，选择r o ，s ra m ，f l a s hb a n k 0 为1 6 位工作方式。 图2 81 6 位f l a s h 存储系统电路图 1 4 北方i 业大学硕十学侮论文 2 i 3 21 0 m 1 0 0 m 以太网接口电路 提供以太刚接口是实现网络控制的基本前提，因此，就整个系统而占，以太网接口 电路是必不可少的，但同时也足相对较复杂的。从硬件的角度看，以太刚接口电路主要 出m a c 控制器霹l 物理层接e l ( p h y s i c a ll a y e r ，p h y ) 两大部分构成，目前常见的以太 网接口芯片，如r t l 8 0 1 9 、r t l 8 0 2 9 、r t l 8 0 3 9 、c s 8 9 0 0 、d m 9 0 0 8 等，其内部结构也 主要包含这两部分。 $ 3 c 4 5 1 0 b 内嵌一个以太删控制器，支持媒体独立接口( m e d i ai n d e p e n d e n t i n t e r f a c e ，m 1 1 ) 和带缓冲d m a 接口( b u f f e r e dd m ai n t e r f a c e ，b d i ) 。可在半双工或 全双t 模式下提供1 0 m 1 0 0 m b p s 的以太网接入。存半双工模式下，控制器支持 c s m a c d 协议，在全双工模式下支持i e e e 8 0 2 3m a c 控刹层汾议。 浏此，$ 3 c 4 5 1 0 1 3 内部实际卜已包含了以太网m a c 控制，但并未提供物婵层接 ，凶此，需外接一片物理层芯片以提供以太h 的接入通道。 以太网物理层接口器件主要功能一般包括：物理编码子层、物理媒体附件、双绞线 物理媒体子层、1 0 b a s e - t x 编码懈码器和双绞线媒体访问堆元等。 在系统中，使用单1 ；31 0 m 1 0 0 m b p s 高速以太网物理层接口器件r t l 8 2 0 1 作为以太 网的物理层接口，它提供m l l 接口和传统7 线制网络接口，可方便的与$ 3 c 4 5 1 0 b 接 口。图2 9 为r t l 8 2 0 1 的引脚分布，表2 2 相关引脚功能描述，表中列出芯片在 1 0 0 m b p sm i i 接v 1 方式下的引脚定义，当工作于7 线制网络接口方式，部分引脚定义不 同。 图2 9r t l 8 2 0 1 的引脚分布 1 5 北方i ：业人学硕十学位论文 表2 2r t l 8 2 01 引脚功能描述 信号类型引脚功能描述 t x co7 发送时钟：该q i 脚提供连续时钟信寸作为t x d 【3 ：0 1 7 f t x e n f 的对序参考。 t x e nlz 发送使能：该弓l 脚指示目前t x d 【3 ：0 1h 的4 位信号有效。 t x d f 3 ：0 】 l 3 ，4 ， 发送觳据：与t x e n 柯敛时，m a c 随t x c f n j 步送；| ； 5 , 6t x d 3 ：o 】。 r x co1 6 接收时钟：该0 i 脚挺“j 士缝时钟0 i 为r x d 3 ：0 1 和 r x d v 的时洋参尤n ：i o o m b p s 时，r x c 的频率为 2 5 m h z ，1 0 m b d sh f 为2 5 m h z 。 c o l0l冲突检：则：”1 伶删列；中定时。c o l 冒为 i u r 。 c r s“o2 3载波侦听；曲扩i d e l 状卷时，法i 脚胃为扇j u r 。 r x d vo2 2 接峻数据有效：。接啦r x d i 3 ：0 】i 的数据时，该引脚西而 u f 接收缩策i f 寸霄低i u r 。设信，n r x c 的f 丌沿有 设。 r x d f 3 ：0 j oi8 1 9 接收数据：像r 川坤随r x c 出将数槲从p h yf j 躺 2 0 2 i m a c 。 r x e r02 4接收错误：当接收数据发牛错缨时，该t 川榔胃为商 u p 。 m d ci2 5站管理时钟信号：该0 i j l i 为m d i o 提f j t l o l 步时钟信号但 口r 能jt x c 和r x c 时钟异步。该时钟信弓最高口j 达 2 5 m h z 。 m d i oi o2 6站数据输入输出：该引脚提供用于站管理的双向数据信 息。 x 2o 4 7 2 5 1 j l z 品振输出：该引脚提供2 5 m h z 晶振输出。岂x l 外 接2 5 m h z 振荡嚣时该0 f 脚必须悬窄。 x li 4 6 2 5 m