（计算机应用技术专业论文）基于tcpip的嵌入式激光路面平整度检测系统.pdf

摘要 近年来，随着我国高等级公路建设的飞速发展，公路建成后的管理与养护工作也需 要快速的跟进；同时，高等级公路路面质量检控系统越来越完善，要求的检测水平也越 来越高。但是，当前我国高速公路管理与养护部门的公路检测设备严重不足，检测手段 依然是传统的人工检测，这种检测方法效率低、劳动强度大、检测速度慢、误差也比较 大，与高等级公路的发展极不协调。因此，高等级公路路面的自动检测系统的研制显得 尤为迫切。 对激光路面平整度检测方法进行了研究之后，重点设计实现了嵌入式数据采集系 统。该系统可给出被测路面的纵断面曲线，并由此计算国际平整度指数，检测速度可达 8 0 k m h ，检测结果不受检测速度影响。文中在系统的总体设计上采用了大多数嵌入式设 备开发的体系结构，介绍了系统的硬件实现和软件框架。软件上，根据8 位单片机本身 资源有限的缺点，精简了t c p i p 协议族，包括u d p ，i c m p ，i p ，a r p 协议，使之运行 在8 位单片机上。另外，为了增加系统的可靠性，同时使t c p i p 协议栈更好的运行， 课题的程序设计引入了嵌入式实时操作系统u c o s i i 。文中实现了嵌入式实时操作系统 u c o s i i 的任务调度机制和在5 l 系列单片机w 7 8 e 5 8 b 上的移植，及以太网络接口芯片 等硬件系统架构的实现。 关键词：平整度、嵌入式操作系统、u c o s i i 、t c p i p 协议栈、数据采集 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h eh i g h e rd e v e l o p i n go ft h eh i g h w a y , t h em a n a g e m e n ta n d m a i n t e n a n c ej o bo ft h eh i g h w a yn e e d st ok e e pu pw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n s t r u c t i o n a tt h es a m et i m e ，t h eq u a l i t yc o n t r o ls y s t e mo ft h eh i g h w a yr o a d b e da n dp a v e m e n ti s b e c o m i n gm o r ec o m p l i c a t e d ，a n dt h er e q u e s tf o r t h em e a s u r e m e n ti sa l s om u c hs t r i c t e r a n di n o u rc o u n t r y ，t h ep a v e m e n te v a l u a t i o ne q u i p m e n to ft h e h i g h w a ym a n a g e m e n ta n d m a i n t e n a n c ed e p a r t m e n ti ss e v e r e l yi n s u f f i c i e n c y ，a n dm o s to f t h et i m e ，t h eq u a l i t ye v a l u a t i o n d e p e n d so nm a n u a lm e t h o d s t h i sm e t h o dh a sm a n yd i s a d v a n t a g e s ，s u c ha si n e f f i c i e n c y ， t i r i n g ，s l o ws p e e do fe v a l u a t i o na n db i ga r t i f i c i a le r r o re t c a n ds ot h i ss i t u a t i o ni sh i g h l yo u t o fk e e p i n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eh i g h w a y t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c h e so ft h ea u t o m a t i c e v a l u a t i o ns y s t e mo ft h eh i g h w a ya r es h o w i n gm u c h u r g e n t t h i sp a p e rh a sc o n d u c t e dt h er e s e a r c ht ot h el a s e rp a v e m e n ts m o o t h n e s s ，i m p o r t e n t l y d e s i g n e da n dr e a l i z a e dt h ee m b e d d e dd a t ac o l l e c ts y s t e m i tc a ng i v et h er o a dp r o f i l i n ga n d t h ec a l c u l a t e di r iv a l u ea ta s p e e du pt o8 0 k m h ，a n dt h ec h a n g eo fs p e e dh a v el i a l ei n f l u e n c e o nt h er e s u l t i nt h i ss t u d y ，ap o p u l a rs y s t e mf r a m eh a sb e e ni n t r o d u c e d ，w h i c hc a nb eu s e d f o r t h ee x p l o i t a t i o no fm o s te m b e d d e dd e v i c e s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro ft h e8 一b i tm c u s l i m i t e dr e s o u r c e s ，t h i sp a p e rh a ss i m p l i f i e dt h et c p i pp r o t o c o lf a m i l y ( u d p ，i c m p , i p ，a r p e t c ) a n dm a d ei tr u n n i n go nt h e8 - b i tm c u i na d d i t i o n ，i no r d e rt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t y a n de n s u r et h es t a b l er u n n i n go ft h et c p i pp r o t o c o ls t a c k ，a l le m b e d d e dr t o su c o s i ii s u s e di nt h ep r o g r a md e s i g n i n g i nt h i sp a p e r ，i th a sd e s c r i b e dt h et a s ks c h e d u l e rm e c h a n i s mo f t h er t o su c o s i ia n dd i s c u s s e dt h ep o s s i b l ep r o b l e m sw h i c hc a nm e e ti nt r a n s p l a n t i n go s t ow 7 8 e 58 b ，a sw e l la sh o wt oe m b e dt h et c p i pp r o t o c o ls t a c ki nu c o s i ii nd e t a i l o nt h e b a s eo ft h es o f t w a r e ，t h i sp a p e rh a sd e s i g n e dan e t w o r km c ud a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，w h i c h i sm a d eu po f 5 1s e r i e sm c u k e yw o r d s ：p a v e m e n ts m o o t h n e s s ；e m b e d e dr t o s ；u c o s - i i ；t c p i ps t a c k ；d a t a a c q u i s i t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 专常莉力叼年月r 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：莓捅 导师签名： 马象爱 冲石刖日 如口7 年占月箩日 长安大学硕上学位论文 1 1 本课题研究背景 第一章绪论 随着我国经济高速发展，作为国民经济基础之一的公路建设，已经持续了十几年的 高速发展，到2 0 0 6 年年底，全国公路通车里程高达3 4 8 万公里，其中高速公路通车里 程已突破4 5 4 万公里，并且今后还将以较快的速度建设发展。 大量高等级公路的建成通车，在很大程度上缓解了我国交通瓶颈的制约，极大地促 进了国民经济的快速增长。与此同时，公路建设的迅速发展，必然伴随检测养护维修高 潮的来临，尤其是我国一些早期修建的高等级公路已经进入中修或大修期。在养护维修 之前，必须对路面状况进行快速、客观、准确的检测，为养护维修提供真实的检测数据 和评价结果。 为了保证通车路面安全、舒适、高效地运营，人们对高等级公路路面使用养护管理 的要求也越来越高。公路路面管理系统在全国的推广使用，为交通管理部门客观评价运 营路面的质量，科学决策路面养护资源的使用提供了科学分析方法。在路面管理系统使 用中，公路管理部门首先面临的重要任务之一，就是要对路面各种质量指标进行调查和 数据采集，其中主要包括：路面破损状况、路面结构强度、路面平整度、路面抗滑性能 等内科1 2 3 “】。同时，还要对道路的路基状况、桥涵构造物状况、沿线设施状况等内容 进行检测与评价。 其中路面平整度检测与评价的主要内容是根据检测出的路面纵断面凹凸不平情况 计算国际平整度指数( 冯；或者是采用三米直尺检测路面的最大间喇5 】；采用多轮仪检 测路面的均方差：采用颠簸累积仪检测路面的单向颠簸累积值【6 】等。其中最大间隙、均 方差、颠簸累积值三项指标在使用时必须与国际平整度指数( 瓜i ) 建立相关关系。 我国目前高等级路面平整度的检测现状基本上可以归纳为以下几点： ( 1 ) 现行检测规程、养护规范中推荐使用的检测技术、检测仪器大多数劳动强度高、检测 速度慢、效率低、精度差、对交通的干扰严重，且存在检测人员人身安全问题。 ( 2 ) 传统的检测设备及方法落后，数据样本不足、可靠性差，检测结果及评价指标与高等 级公路的发展和实际状况不相适应。 ( 3 ) 我国高等级路面的整体检测技术水平和采用的检测仪器都还比较落后，主要是采用人 工检测方法，其检测效率低，检测费用高，难以实现对高等级路面进行快速、客观、准 第一章绪论 确地检测与评价。 1 2 项目研究的必要性 1 、传统的公路路面检测技术及方法效率低、精度差，无法满足高等级公路大发展的需 求 在我国公路建设早期，公路里程少，路面等级低，使用传统的检测技术、检测仪器 和手工检测方法，基本可以满足路面使用状况的评价。但目前高等级公路通车里程不断 增加，路面检测养护维修的工作量越来越大，如果继续使用技术含量低、检测效率不高、 精度差的仪器设备进行路面检测，将会造成路面实际使用状况与检测评价结果之间的巨 大差别，最终导致路面养护维修无法做到科学合理，造成养护资金的浪费、路面使用性 能的下降和用户使用费用的上升。 2 、高等级公路的快速发展迫切需要高效和高精度路面检测装备 面对高等级公路的快速发展，要彻底改变传统落后的检测方法，适应现代化、信息 化、大规模、高速度、高质量的养护管理要求，迫切需要适合长距离、大范围、可连续 检测、精度高、可靠性好的路面检测技术一激光检测技术。目前，由于引进国外高速激 光路面检测设备价格昂贵，国内大多数用户难以承受，因此有必要对先进快速的激光成 套检测装备进行研究与开发。 3 、对先进的激光路面检测技术及其应用研究不够 在研究开发具有自主知识产权和创新性的路面先进检测技术和检测仪器方面，投入 的资金、人力相对比较少，造成国内用户为提高路面检测水平必须投入大量资金购置国 外产品，最终将形成对国外技术和产品的依赖。 1 3 路面平整度检测技术国内外研究动态 1 3 1 国内动态 水准测量( 水准仪或精密水准仪) 这是一种最基本的检测方法，是路面平整度检测的基准，是其它各种检测方法相关 标定的基础。由于是手工操作，检测效率低，一般仅用于标定工作。 三米直尺( 主要是国产的各种型号) 三米直尺检测法直接检测直尺与路面之间的最大间隙，主要用于施工的质量监控。 不足之处是费时费工，检测结果受人为因素的影响。三米直尺的检测基准是一个相对基 2 长安大学硕上学位论文 准面，直尺的基准面随着直尺的移动，其基准面也在变化。 连续式平整度仪( 主要有西安公路研究所等厂家生产) 连续式平整度仪( 通常也称作多轮仪) 直接检测接地触轮的上下位移值，求其均方差 作为平整度指标。该仪器不足之处是受路面颠簸影响大，重复性不理想。连续平整度仪 是三米直尺的改进型，在检测时随着仪器的向前移动，其基准面在不断变化。 三米直尺和多轮连续平整度仪的检测结果与基线长度( 直尺的长度、多轮仪支架的长 度) 有关。基线短，不能反映出路面的长波成分；基线长，操作又不方便。当高速检测 时，多轮仪的跳动、颠簸对检测结果影响较大，且重复性不好。 车载式颠簸累积仪( 主要有交通部公路科学研究所等生产) 车载式颠簸累积仪是一种动态反应类平整度仪( 近年来国外发达国家已逐渐不再使 用此类仪器) ，其检测原理是当车辆以一定速度行驶在不平整的路面上，检测车辆后轴 与车体之间的单向位移累积值。显然，这是一种间接检测，是从车辆的角度反映路面的 不平整度，检测结果随车辆系统参数、载荷、行驶速度的不同而变化。为了克服反应类 平整度仪的不足，需要经常对仪器标定，方法是选择若干条平整度己知的标定路段( 通 常采用水准仪测量路面的纵断面，依照世界银行第4 5 号、4 6 号技术文件的定义和计算 方法计算路面的国际平整度指数i r i ) 。建立颠簸累积仪在标定路段上的测量结果，同该 路段上已知的国际平整度指数i r i 之间的回归曲线( 即标定曲线) 【8 9 1 们。标定过程必须严 格按照规定的程序和步骤进行。实际上，颠簸累积仪的标定工作是一项比较费时费力的 工作。 1 3 2 国外动态 a r r b 手推式断面仪( 从澳大利亚公路运输研究所引进) 该仪器采用加速度传感器和陀螺仪，给出路面的断面，计算路面的国际平整度指 数i r i 。这是一种较先进的路面平整度检测仪器，不足之处是检测速度慢( 使用手册规定 为5 0 0 米川、时，采样间隔为：2 4 1 3 m ) ，对被测路面有一定的要求，价格也不低。 激光平整度仪【7 1 ( 从丹麦、澳大利亚、英国等国引进) 该仪器采用加速度传感器测出车辆的颠簸，利用i 激光位移传感器测量车辆到路面 的距离，通过数据处理计算路面的国际平整度指数l r i ，目前引进的多为单个激光探头， 不足之处是由于采用加速度传感器，其检测结果受行车速度、车内载荷、路面颠簸等因 素的影响较大。所以，一般要求恒速且限定载荷，同时要定期标定，且价格昂贵。 3 第一章绪论 国外一些发达国家在过去已研制生产出多种平整度检测仪。前期，主要有各种长 度的连续平整度仪，英国运输和道路研究所( t r r l ) 研制的半自动化t r r l 梁断面仪，美 国通用汽车公司的g m r 断面仪，法国路桥中心试验室生产的a p l 惯性断面仪。近年来 主要有丹麦生产的激光路面平整度检测仪，澳大利亚生产的a r r b 手推式断面仪，等等， 由于其价格昂贵、使用维护等原因，这些产品在国内先后仅有少量引进。 纵观国内高等级路面检测现状及国内外研究发展趋势，需要对高等级路面激光检测 理论及传感技术进行更深入的研究，研究开发具有自主知识产权的不同类型的高精度激 光位移传感器，使我国高等级路面检测技术和装备达到国际先进水平。 1 4 本研究课题的来源 此课题属长安大学与河南交通厅合作项目。 1 5 本文主要研究内容 为了实现激光路面平整度检测设备数据采集，本论文的主要任务是开发一种基于嵌 入式处理器和t c p i p 协议相结合的数据采集装置。该数据采集装置从其发展趋势着眼， 应用先进的嵌入式技术和传输机制，极大的提高起了实时性，完善了其可靠性，增强了 其适用性。 根据论文要完成的任务，所做工作如下： 分析现有嵌入式微控制器、嵌入式实时操作系统以及t c p i p 协议栈【1 1 1 2 1 3 1 ，在此 基础上讨论了在嵌入式微控制器硬件开发平台上进行实时操作系统的移植和对现有 的t c p i p 协议进行裁减的若干问题，提出了一套完整的设计方案。 详细介绍了微控制器硬件开发平台及其软硬件调试方法，利用微控制器所提供的系 统资源和处理能力，加上i s a 网卡芯片r t l 8 0 1 9 a s 。主要完成了以太网接口芯片的 驱动和本系统的引导程序代码的编写，完成对硬件的初始化，并且给出相关的电路 设计图。 完成整体硬件数据采集设备的安装，并进行数据采集。对采集到的有效数据进行计 算得出i r i 值，并与标准l r i 进行比较，得出整套设备的精度。 1 6 本文的组织安排 本文主要围绕t c p i p 协议的原理以及它在嵌入式系统上的应用，同时还实现了实 4 长安人学硕士学位论文 时操作系统到嵌入式系统的移植，探讨了网络技术在嵌入式系统上实现问题的解决策 略。全文共分为6 章，第1 章到第3 章为t c p i p 协议在嵌入式系统上应用问题的提出 和相关基本理论的讨论，第4 章和第5 章为本文重点，介绍一些基本硬件电路图的设计 和t c p i p 协议的软件程序设计及其应用，第6 章主要实现在激光路面平整度检测设备 上的实际应用。具体安排如下： 第1 章：介绍本文研究背景、课题的来源、应用现状与问题、本文的主要工作和组 织安排。 第2 章：介绍激光路面平整度检测原理，提出了在此设备上的开发一种基于嵌入式 处理器和t c p i p 协议的数据采集装备，主要介绍了开发过程中用到的嵌入式微控制器、 嵌入式实时操作系统以及嵌入式以太网与t c p i p 协议。 第3 章：阐述了激光路面平整度检测设备所用到的实时操作系统u c o s i i 及其移植。 第4 章：提出了硬件电路设计的一般原则，对激光路面平整度检测设备的数据采集 装备的一些主要的电路图进行了说明。 第5 章：结合嵌入式系统的特点，在激光路面平整度检测设备的数据采集装备开发 平台上开发了一套完整的t c p i p 协议，并介绍相关的数据结构和函数。 第6 章：简单介绍激光路面平整度检测设备中所涉及到的激光位移传感器计算公式 和激光路面平整度检测原理。完成整体硬件数据采集设备的安装，并进行数据采集。对 采集到的有效数据进行计算，得出i r i 值，并与标准i r i 进行比较，得出整套设备的精 度。 最后是对本论文所做工作进行总结。 5 第二章激光路面平整度检测原理 第二章激光路面平整度检测原理 2 1 激光位移传感器 2 1 1 激光位移传感器工作原理 激光位移传感器是整个激光路面平整度检测设备的重点部分。如图2 1 所示，准直 激光束照射在路表面上，成像镜头将散射激光点成像在光电接收器上，像面上的光点位 置与路表面的高低变化一一对应。 光电接收善c c d ) 图2 1 激光位移传感器工作原理 由图2 1 可得激光位移传感器的计算公式： 日： ! 竺! 竺! 兰坐竺! 受= 2 ： c o s ( 口l + q f2 ) ( 厂2 + xs i n 缈( s 一) ) ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，h 为路面高低变化值，x 为成像点在像面上的位置，s 为激光位移传感器 的工作距，q1 为准直激光束与路表面法线的夹角，q2 为成像镜头光轴与路表面法线 的夹角，为像面倾角值，f 为成像镜头的焦距。 从( 2 1 ) 式可以看出，由于各种因素的影响和加工误差的存在，激光探头在加工、装 配、调试完成后，每个激光探头的结构参数存在差异并对应一组结构参数( f ，s ，q1 ， q2 ，c o ) 。激光探头的对应参数可以通过精密标定方法给出。当已知s 、q1 、a2 、( ) 、 f ，读取x ，可通过( 2 1 ) 式可以计算出路面的高低变化。 2 1 2 激光位移传感器的选择与标定 激光位移传感器的核心部分是c c d 与c c d 外围模数转换部分，既c c d 的驱动部 分，主要实现将光信号转换为电信号。核心驱动芯片采用c p l d 完成，接着进行c c d 的调试与标定。 6 长安大学硕上学位论文 首先，确定良好性能的c c d 激光头，基本以它的光谱范围，光线强度为选择标准。 设计好c c d 外围模数转换电路，主要包括a ，d 部分，c c d 的驱动部分。 其次，是对c c d 信号的调试。其调试原理为，将光信号通过电路处理转换后，通 过示波器观察其信号特征，不断调整c c d 位置，使示波器信号在测量范围内呈饱和状 态。固定好c c d 的位置，即完成一个激光头的调试。如此反复，完成一套设备所需激 光头的所有调试。 再次，就是标定c c d ，在c c d 的测量范围内，用一块模拟路面的磁铁，以l c m 为 增量单位从最大测量高度增至最小测量来标定c c d 。最后进行线性拟和得出计算i r i 所需要的参数。以下数据为一组激光头标定结果的数据： 2 2 激光路面平整度检测原理与模型 一性捡l 秉啊性拴一秉l 光蠢夫 图2 2 激光位移传感器纵断面检测原理 在图2 2 中，5 个激光位移传感器安装固定在刚性检测梁上，6 为激光位移传感器1 和2 、4 和5 之间的距离，1 和3 之间的距离为n6 ( n 为正整数，n 2 ) ，1 和5 之间的距 离为2 n6 。6 为小步长采样间距，n6 为大步长采样间距。 在检测过程中，刚性梁沿前进方向移动，5 路激光位移传感器同时检测路面的高度 值。由图2 2 可得： 丢g f l ) + y ：1 ) + 办；1 ) + y ；1 ) ) = 1 ) + y ；1 ) 或= 2 一y ：1 + 2 掣一一掣 当基准尺依次向f j f 移动n 次大步长时，可得 7 ( 2 2 ) 第一二章激光路面平整度检测原理 y = ( 刀一1 ) - ( n 一2 ) y ：1 + ( 咒- i + 1 ) ( 2 h 3 t n 一掣一掣) i = i ( 2 3 ) ( 2 3 ) 式中，y = y ，n ，y y 2 y r n 。当选定o x y 坐标系，使y ；1 2y ：1 ) - o 或其他 数值，由式( 2 3 ) 可得到被检测路面的断面形状。 在( 2 2 ) 、( 2 3 ) 式中，下标对应激光位移传感器序号，上标对应基准尺的移动位 置，h 1 、1 1 2 、h 3 、h 4 、h 5 分别为基准尺上1 、2 、3 、4 、5 处的激光位移传感器到路面 的距离，y 1 、y 2 、y 3 、y 4 、y 5 分别为准直激光束投射在路面上的光点在直角坐标系o x y 中的纵坐标。o x y 坐标系为任意选定的坐标系。 同理，由图2 2 可得到： 噬。+ y h 办卜y i ) 2 条( 而扎y h 而：。+ 椭 ( 2 4 ) 丙乳y ? 删+ y 陪等( 硝1 ) + y h n y 跚 ( 2 5 ) 五灿y 卜( 五i 1 ) + y = 专( 办卜y 卜( 办：1 ) + y ：1 ) ) ( 2 6 ) 式( 2 4 ) 可改写为 y1 ) m 罴y ? 一丽1 y f i ) + 【罴( j i l h 1 ) ) + 嘉( 联n 卅) 】 ( 2 7 ) ( 2 7 ) 式中，最后一项为路面局部特征参数，反映路面小范围内的不平程度。当基准 尺依次向前移动6 ，求解( 2 3 ) 、( 2 5 ) 、( 2 6 ) 、( 2 7 ) 式，可得到n6 长度范围内路面 断面相对高差，进而可得到被测路面的相对纵断面。 从式( 2 6 ) 可以得出，当已知起点的高程时，可以计算路面上任意间隔6 处的高 程，由此便可得到路面的纵断面曲线，依据标准算法即可计算路面的国际平整度指数 ( i r i ) 。同时由式( 2 6 ) 还可以得出各点高程与行驶速度无关，因此，测试时检测速度 可快可慢，较为适合我国高速公路的现状。 2 3 嵌入式系统硬件设计 依据5 路平整度检测原理，激光路面平整度检测设备上开发一种基于嵌入式处理器 和t c p i p 协议的数据采集装备。该数据采集装置从其发展趋势着眼，应用先进的嵌入 式技术和传输机制，极大的提高起了实时性，完善了其可靠性，增强了其适用性。如图 8 长安大学硕十学位论文 2 3 所示。 c c d l lc c d 2lc c d 3ic c d 4lc c d 5 c p l d 时序驱动电路 距离传感器 w 7 8 e 5 8 b 网络处理器 以太网变压器广1 1rj45 图2 3 嵌入式硬件设计方案 2 4 嵌入式微控制器、嵌入式实时操作系统相关介绍 计 算 机 2 4 1 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器的典型代表是单片机。从2 0 世纪7 0 年代末单片机出现到今天，虽 然已经过了2 0 多年的历史，但这种电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的 应用。单片机全称为单片微型计算机( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) ，又称微控制器 ( m i c r o c o n t r o l l e ru i n t ) 或嵌入式控制器( e m b e d d e dc o n t r o l l e r ) 1 4 1 5 1 。它是将计算机的基本 部件微型化并集成到一块芯片上的微型计算机，通常片内都含有c p u ，r o m ，r a m 、 并行i 0 、串行i 0 、定时器计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等。随着技术的 发展，单片机片内集成的功能越来越强大，并朝着s o c ( 片上系统) 方向发展。 与从8 位机迅速向1 6 位、3 2 位、6 4 位过渡的通用计算机相比，8 位单片机虽历经 从单片微型计算机到微控制器，m c u 和s o c 的变迁，却始终是嵌入式低端领域应用的 主要机型。嵌入式系统嵌入到对象体系中，并在对象环境下运行，与对象领域相关的操 作主要是对外界物理参数进行采集、处理，对外界对象实现控制，并与操作者进行人机 交互等。而对象领域中的物理参数的采集与处理、外部对象的控制以及人机交互所要求 的响应速度有限，而且不会随时间变化。在8 位单片机能基本满足其响应速度要求后， 数据宽度不成为技术发展的主要矛盾。因此8 位单片机会稳定下来，其技术发展方向转 为最大限度地满足对象的采集、控制、可靠性和低功耗等品质的要求。 鉴于嵌入式低端应用对象的有限响应要求、嵌入式系统低端应用的巨大市场以及8 9 第二章激光路面平整度检测原理 位机具有的速度潜力，可以预期在未来相当长的时间内，8 位机仍然是嵌入式应用中的 主流机型。随着半导体技术的发展，8 位单片机在c p u 结构、c p u 外围、功能外围、 外围接口和集成开发环境方面都会迅速地发展。因此，可以说8 位单片机虽然“古老”， 但又会是一个十分活跃而新兴的嵌入式领域。 2 4 2 嵌入式实时操作系统 一般而言，嵌入式系统是指以计算机技术为基础，以应用为中心，软件硬件可剪裁， 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【1 6 1 7 1 。 具有功耗低、体积小、集成度高等特点，能够用于执行独立控制功能并具有处理数据的 能力。嵌入式系统主要由嵌入式硬件( 包括嵌入式微处理器芯片、存储芯片等外围硬件 设备) 、固化在存储芯片内的用户软件及嵌入式操作系统等部分组成，实现对其它设备 监控和管理等功能。它通常嵌入在主要设备中运行，这种设备称为嵌入式设备。由嵌入 式系统的概念可知，嵌入式设备是由微计算机发展而来，但又与微计算机有较大差别， 因为嵌入式设备是针对具体应用而设计的，不具有微计算机系统的一般性、通用性，它 是计算机与特定行业结合的产物。尽管如此，嵌入式设备却在各行各业中大量涌现，可 以说嵌入式设备已经无所不在，信息家用、手持通讯设备、仪器仪表、汽车、航天航空、 军事装备、制造工业都出现了嵌入式系统的身影。美国著名未来学家尼葛洛庞帝曾预一 言，嵌入式智能设备将是继p c 和因特网之后最伟大的发明。 嵌入式系统的主要特点和要求分别如下： 硬件特点：嵌入式系统在功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力等方面均受 制约。与通用计算机不同，嵌入式系统的硬件必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余， 力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。 软件特点：嵌入式系统的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式处理器 系统软件和应用软件的要求也与通用计算机有所不同。嵌入式系统应用软件要求固化存 储，一般存储在存储器芯片或单片机本身中。另外，由于嵌入式系统存储空间的限制和 实时性方面的要求，软件代码要求高质量、高可靠性，以减少程序二进制代码长度、提 高执行速度。 嵌入式操作系统要求：嵌入式操作系统要求多任务处理和实时处理能力，对重要性 不同的任务进行统筹兼顾的合理调度。实时操作系统，简称r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i n g s y s t e m ) ，指能在确定的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。 l o 长安大学硕士学位论文 实时操作系统对响应的时间有严格要求，其操作的正确性不仅依赖于逻辑设计的正确程 度，而且跟这些操作进行的时间有关。对于实时操作系统而言，除了要满足应用的功能 需求以外，更重要的还要满足应用提出的实时性要求，而组成一个应用的众多实时任务 对于实时性的要求是各不相同的，实时操作系统所遵循的最重要的设计原则是始终保证 系统行为的可预测性( p r e d i c t a b i l i t y ) 。实时操作系统要求每个实时任务在最坏情况下都要 满足其实时性要求，即实时操作系统注重个体表现，更准确讲是个体最坏情况表现。 大多数实时操作系统是嵌入式系统。在这种系统中，计算机被内装于专用设备或系 统中，它的反应速度快，自动化程度高。嵌入式实时操作系统向开发人员提供一个实时 多任务内核，开发人员将应用分解成若干个独立的任务，将各任务要做的事、任务间的 关系向实时多任务内核交代清楚，让实时多任务内核去管理这些任务，开发过程即完成。 嵌入式实时操作系统的精华是实时多任务内核，它好比一颗行星，诸任务就像围绕行星 旋转的许多卫星，在内核管理下有条不紊地运转着。任意时刻，处于运行状态的任务只 有一个，其他任务则处于另外的状态，如睡眠、等待、就绪等。提倡在嵌入式应用中使 用r t o s 最主要的原因是它可以提高系统的可靠性。在控制系统中“不死机 是最起码 的要求。系统设计时硬件上要尽量提高抗干扰能力，满足电磁兼容性要求，这只是提高 可靠性一方面，另一方面就是在软件上采取措施。传统的程序开发采用前后台式结构编 制线性的应用程序。这种系统的最坏情况下任务级响应时间取决于整个循环的执行时 间。它在遇到强干扰时，程序在任何一处产生死循环或破坏都会引起死机，这时只能依 靠硬件看门狗复位，重新启动系统。而对于r t o s 管理的系统，这种干扰可能只是引起 若干进程中的一个破坏，可以用另外的进程对其进行修复。提倡使用r t o s 的第二个原 因是提高开发效率，缩短开发周期。一个复杂的应用程序，可以分解成多个任务。每个 任务模块的调试、修改几乎不影响其他模块。 2 5 关于嵌入式以太网与t c p ip 将嵌入式系统与以太网相结合的想法由来已久，主要的困难在于当时的以太网在速 度和确定性等方面都有很大欠缺，不能满足工业通信网络要求，另外，各种网络通信协 议对于嵌入式系统存储器容量、运算速度等的要求比较高，当时的嵌入式系统中除部分 3 2 位以上的处理器外，都无法达到这一要求。随着工业以太网在速度上不断提高，以 及交换技术、全双工工作方式等技术的融入，以太网与工业通信网络的差距正在逐步缩 小。从8 0 年代起，一些i t 组织和公司开始进行嵌入式系统的研发，大部分新开发的嵌 第二章激光路面平整度检测原理 入式处理器都支持网络协议。可以说，目前研究嵌入式以太网的条件己经成熟。 以太网本质上是一个物理层标准，作为一套完整的网络传输协议，必须具有高层控 制协议，以太网使用了t c p i p 1 1 1 2 、13 1 。虽然t c p i p 并不是专为以太网而设计的，但 实际上它们现在己经不可分离了，其传输层和网络层的协议基本上己经统一到t c p i p ， 也己经为大多数工业控制器厂家所接受。以太网最电型的应用形式是e t h e m e t + t c p i p ， 即灵活的e t h e m e t 底层加上几乎已成通用标准的网络传输协议t c p i p ，使得以太网能 够非常容易地集成到以i n t e m e t 技术为代表的信息网络中。然而现有i n t e r n e t 技术的 t c p i p 协议比较复杂，内容非常丰富，主要适用于与p c 的连接，在工业自动化领域的 广泛使用显得过于昂贵，并不适用。因此，降低硬件成本，简化t c p i p 协议的实现有 特别现实的意义。 嵌入式以太网的实质是在嵌入式系统的基础上实现网络化，使嵌入式系统能够实现 t c p i p 网络通信协议，接入以太网。将嵌入式系统与t c p i p 协议融合到一起主要有两 种方法： 1 硬件方式：使用已有的t c p i p 芯片直接作为以太网口。这种方法的优点是可靠 性高，执行速度快，但往往硬件电路复杂，价格昂贵，硬件成本高。 2 软件方式：将t c p i p 协议以软件方式嵌入到嵌入式系统的r o m 中。一般来说， t c p i p 协议栈都比较庞大，在嵌入式系统中很难支持完整的t c p i p 协议栈，因此要根 据嵌入式网络产品的特点，精简t c p i p 协议，实现与需要相关的部分，大幅度减少对 于系统资源的需求。 本论文正是采用了第二种方法，使用通用高性能5 1 系统m c u ，成本低、技术成熟， 软硬件开发周期都很短，并且设计方案灵活多变，可适用于不同的对象。虽然现在8 位 m c u 有了足够的存储空间和较高的运行速度，但m c u 要在完成原有控制系统功能的 前提下，同时实现t c p i p 网络通信，又是发送又是接收，这在系统软件的编写中使用 传统的前后台程序开发机制是非常困难的，所以本文采用了嵌入式实时操作系统( r t o s ) 来开发多任务程序，使t c p i p 协议更好的在其上运行。 1 2 长安大学硕上学位论文 第三章嵌入式实时操作系统u c o s - i i 及精简t c p ip 协议栈u ip 在激光路面平整度检测设备上，为了实现数据采集装备具有高效的数据处理能力。 该数据采集装置在实现技术上移植了开放式实时操作系统。极大的提高了实时性，完善 了其可靠性，增强了其适用性。下面主要就目前的嵌入式实时操作系统的选择和移植过 程作简单介绍。 3 1u c o s - i l 的选择及使用 传统的单片机系统在程序设计上一般采用的是前后台方式( f o r e g r o u n d b a c k g r o u n d ) 或超循环方式( s u p e r - l o o p ) 。应用程序是一个无限的循环，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( b a c k g r o u n d ) 。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( f o r e g r o u n d ) 。后台也可以叫做任务级，前台也叫做中断级。时 间相关性很强的关键操作( c r i t i c a lo p e r a t i o n ) m 定是靠中断服务来保证的。因为中断服务 程序提供的信息一直要等到后台程序运行到该处理这个信息时，才能得到处理。这种系 统在处理信息的及时性上，比实际上可以做到的要差。 对于简单的应用，这种前后台方式可以满足需求，但随着应用的复杂化，系统可能 要同时监测控制多个外部设备，要求较高的实时性，有多个任务要处理。如果在系统 软件设计上仍采用上述的传统方式，就会出现两个比较突出的问题。一是中断响应，一 般为了保证某一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，这样一来 就要考虑代码重入、系统硬件堆栈溢出等问题。二是任务多，要考虑的各种可能性也多， 各种资源调度不当就会造成共享数据的不一致，降低系统的可靠性，同时程序量也加大。 解决这些问题的最好方法就是使用嵌入式实时操作系统r t o s 。使用r t o s 可以有效的 对多个任务进行调度，对各任务赋予不同的优先级可以保证紧急任务得到及时响应。 r t o s 也体现了一种新的应用程序设计思想和开放的框架，降低了程序的复杂度和开发 周期。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 o r k s ，w i n d o wc e ， q n x ，l y n x o s ，n u c l e u s p l u s 等等。但这些操作系统大多对系统硬件配置要求较高，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，所以对于中小型系统特 别是采用8 位微处理器的系统来说这些实时操作系统都是不适合的。 1 3 第三章嵌入式实时操作系统u c o s i i 及精简t c p i p 协议栈u i p 本课题采用的是由美国人j e a nl a b r o s s e 先生编写的开放式实时操作系统 u c o s i i 1 8 】，采用它主要是基于以下的考虑：它的内核是完全免费的，用户不需支付 任何费用，有利于降低系统开发成本。它的源代码是公开的，并且仍在不断的升级， 增加新功能。源代码的开放可以使得用户根据实际要求对源代码进行取舍，去掉不必要 的变量和不使用的函数，提高系统性能。另外，由于对系统内核有源代码级的了解，用 户可以添加自己的模块，与原有系统内核兼容，使得系统具有可扩展性。系统内核实 用性强、可靠性高。从最老版本的u c o s 到最新版本的u c o s i i ，该实时内核己经走 过了十多年的历程。十年来，世界上己有数千人在各个领域使用了该实时内核，如医疗 器械、网络设备、自动提款机、工业机器人等等。这些应用的实践是该内核实用性、无 误性的最好证据。操作系统内核对处理器以及r o m ，r a m 资源的要求不高，有利于 在8 位处理器上的移植。 u c o s 是一种专门为嵌入式应用设计的抢占式实时多任务操作系统，可以将其嵌 入到产品中作为产品的一部分。它的主体用标准的a n s ic 语言写成，包含一小部分汇 编语言代码，使之可供不同架构的微处理器使用。u c o s i i 的可移植性极好，己被成功 地移植到四十多种c p u 上，包括8 位、1 6 位、3 2 位及6 4 位单片机和若干种d s p ，它 的稳定性和可靠性很高。u c o s i i 是源码公开的实时操作系统，是一个自由操作系统。 程序开发人员可以改写源代码，使之符合自己的要求，裁减掉不需要的部分，使操作系 统变得小巧、灵活，并且能满足用户特定操作系统的需要。u c o s i i 内核主要提供进程 管理、时间管理、内存管理等服务。系统可以管理“个任务，每个任务均有一个独有 的优先级。由于其内核为抢先式，所以总是处于运行态最高优先级的任务占用c p u 。 系统提供了丰富的a p i 函数，实现进程之间的通信以及进程状态的转化。 u c o s i i 程序的执行与传统的顺序式编程一样，都由m a i n ( ) 函数开始。与传统编程 不同的是u c o s i i 的m a i n ( ) 函数只作三件事情：o u c o s i i 初始化和系统变量的初始化； 用o s t a s k c r e a t e o 函数新建任务，确定任务的传递参数和堆栈的指针，以及任务的优 先级；o s s t a n ( ) 启动多任务的运行，进入实时内核的多任务调度环境。传统编程中要 在一个大循环运行的应用程序，使用u c o s i i 把它分成多个任务完成。如图3 1 所示。 1 4 长安大学硕士学位论文 ，一- ， m a i n o j i o s l n i t q j 初始化 o s t 雏k c r e a 把o