（控制科学与工程专业论文）基于arm的多对象远程控制系统的开发.pdf

上艺ti m s 咖s i s ： l 俐荆y 1717 7 7 z d e s i g no fm u l t i o b j e c tr e m o t e - - c o n t r o ls y s t e m b a s e do na r m s p e c i a l t y ：c o n t r o ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g m a s t e rd e g r e es t u d e n t ：j i a n gw u s u p e r v i s o r ：p r o f p e n gh u i s c h o o lo fi n f o r m a t i o ns c i e n c e & e n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ， c h i n a m a y 2 0 1 0 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。 斯、 作者签名：整盘日期：苎! ! ! 年月上日 学位论文版权使用授权书 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。 摘要 网络技术的迅速发展和广泛应用，引发了工业控制领域的深刻技 术变革。控制系统的结构沿着网络化、开放性方向发展将成为控制技 术发展的必然趋势。近年来，工业以太网正成为工业控制网络技术的 主流，由于采用相同的通信协议，能够实现企业办公网络和工业控制 网络的无缝连接。嵌入式技术的发展，特别是像g c o s i i 、v x w o r k s 等嵌入式实时操作系统的出现，为以太网技术应用于工业控制提供了 简洁可行的解决方案。 本课题跟踪了当前工业以太网的研究现状和发展趋势，在系统详 细设计前，结合系统的功能需求，对处理器、操作系统、协议栈和通 信模式的选择做了比较详细的调研工作，力求设计出一个既能满足当 前功能需求，又具有可扩展性的以太网远程控制系统。 论文采用自底向上，从系统平台构建到应用程序开发的思路，详 细剖析了基于a r m 处理器和心o s i i 操作系统的多对象远程控制系 统的构建过程。 论文先根据a r m 控制器l p c 2 3 6 8 片上资源和外围接口特点，设 计了以太网、串口通信电路以及各被控对象的控制电路，构建了一个 具有网络通信功能的以太网控制系统的硬件平台。然后，在这个硬件 平台上移植了实时操作系统斗c o s i i ，通过对i a c t c p i p 协议栈的深 入分析，编写了适合l p c 2 3 6 8 内置以太网控制模块和外接p h y 芯片 d p 8 3 8 4 8 i 的以太网接口驱动程序，在g c o s i i 中分层实现了精简的 协议栈 t c t c p i p 。在构建好的系统软件平台上，根据i t c o s i i 任务 管理的特点设计了应用程序，实现与远程p c 机的通信和对各被控对 象的控制。应用程序采用模块化的设计思想，确保各个任务模块的独 立性。采用v c + + 设计远程p c 机监控程序，实现对被控对象的实时 监控，监控程序能对控制对象、控制算法、控制参数进行设置，并能 绘制被控对象的实时控制曲线。 本课题历经一年多的时间，对软硬件进行设计和测试，基本实现 了一个基于a r m 处理器的多对象远程控制系统。结果表明：系统的 可靠性、稳定性、实时性均能够满足设计要求，所构建的嵌入式以太 网实时网络控制平台具有广泛的通用性，也能适用于其他应用任务的 开发。本课题的设计既是对工业以太网技术的初步探索，也为以后的 设计提供了可借鉴的方法和思路。 键词a r m ，p c o s i i ，肛c t c p 一妒，工业以太网 a bs t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n ta n dw i d ea p p l i c a t i o no fn e t w o r kt e c h n o l o g y h a st r i g g e r e dp r o f o u n dt e c h n o l o g yc h a n g e si nt h ef i l e do fi n d u s t r i a l c o n t r 0 1 t h es t r u c t u r eo fc o n t r o ls y s t e ma l o n gt h ed i r e c t i o no fn e t w o r k a n do p e ns y s t e mw i l lb ea ni n e v i t a b l et r e n do fc o n t r o lt e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t i nr e c e n ty e a r s ，t h ei n d u s t r i a le t h e r n e t h a sb e c o m et h e m a i n s t r e a mo fi n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k ， i t s e a s yt oa c h i e v e t h e s e a m l e s sc o n n e c t i o no fo f j f i c en e t w o r k sa n di n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k s b e c a u s eo fu s i n gt h es a m ec o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 t h ed e v e l o p m e n to f e m b e d d e dt e c h n o l o g y ， e s p e c i a l l y t h ee m e r g e n c eo fp c o s i i ， v x w o r k sa n do t h e re m b e d d e dr e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m s , p r o v i d e sa s i m p l ea n dw o r k a b l es o l u t i o no fa p p l y i n ge t h e r n e tt e c h n o l o g yt o t h e i n d u s t r i a lc o n t r 0 1 t h i st h e s i sr e v i e w st h ec u r r e n tr e s e a r c ha n dd i s c u s s e st h et r e n do f i n d u s t r i a le t h e r n e tb r i e f l yb e f o r et h ed e t a i l e dd e s i g no ft h es y s t e m t h e n a c c o r d i n gt o t h es y s t e mf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，t h et y p eo ft h e p r o c e s s o r ，o p e r a t i n gs y s t e m ，p r o t o c o ls t a c ka n dc o m m u n i c a t i o nm o d e a r e c h o s e n ，a n dae t h e m e tr e m o t ec o n t r o ls y s t e ma r ed e s i g n e d ，w h i c h s h o u l dn o to n l ym e e tt h ec u r r e n tn e e d sb u ta l s oc o n s i d e rt h es c a l a b i l i t yi n f u t u r e b yu s i n gb o t t o m - u pm e t h o d ，f r o mp l a t f o r md e s i g nt op r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ，t h i s t h e s i sa n a l y s et h ew h o l ep r o c e s so fb u i l d i n ga m u t i l - - o b je c tr e m o t e - - c o n t r o ls y s t e m b a s e d - - o na r mp r o c e s s o ra n d p c o s i io p e r a t i n gs y s t e m f i r s t l y ， w eh a v ed e s i g n e dt h ee t h e r n e ti n t e r f a c ec i r c u i t ， s e r i a l c o m m u n i c a t i o nc i r c u i ta n dt h ec o n t r o lc i r c u i to ft h em u t i l o b je c t a c c o r d i n g t ot h eo n c h i pr e s o u r c e sa n dt h ep e r i p h e r a li n t e r f a c ef e a t u r e so n l p c 2 3 6 8 ( am i c r o c o n t r o l l e rb a s e d o na r m ) t h e n ，w ep o r tt h er e a l - t i m e o p e r a t i n gs y s t e mp c o s i i t ot h i sh a r d w a r ep l a t f o r m ，a n dw ea l s o w r i t ean e t w o r ki n t e r f a c ed r i v e rf o rt h el p c 2 36 8o n c h i pe t h e r n e tc o n t r o l m o d u l ea n dt h ee x t e r n a lp h y t e re t h e r n e tc h i pd p 8 38 4 8 ib yi n d e p t h a n a l y s i s o fl 上c t c p i pp r o t o c o ls t a c k w er e a l i z et h ep c t c p - i p p r o t o c o ls t a c kl a y e rb yl a y e r i nt h es y s t e ms o f t w a r ep l a t f o r m ， w ew r i t e a p p l i c a t i o np r o g r a mt oc o m m u n i c a t e w i t ht h er e m o t ep ca n dt oc o n t r o l t h el o c a ld e v i c ea c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft a s km a n a g e m e n ti n i _ t c o s - i i ：m o d u l a rd e s i g no fe a c ha p p l i c a t i o np r o g r a me n s u r e st h e i n d e p e n d e n c eo fe a c ht a s km o d u l e v c + + i su s e dt od e s i g nar e m o t e m o n i t o rp r o g r a mw h i c ha c h i e v e sr e a l - t i m em o n i t o r i n go ft h ec o n t r o l l e d o b je c t t h er e m o t em o n i t o rp r o g r a mc a ns e tu pc o n t r o lo b j e c t s ，c o n t r o l a l g o r i t h m sa n dc o n t r o lp a r a m e t e r s i tc a na l s op a i n tt h er e a l - t i m er e s p o n s e c u r v eo fc o n t r o lo b j e c t s m o r et h a no n ey e a rh a sb e e ns p e n tt o d e s i g nt h eh a r d w a r ea n d s o f e w a r e ，a n dw eh a v es u c c e s s f u l l yb u i l tam u t i l - o b j e c tr e m o t e c o n t r o l s y s t e mb a s e do na r mp r o c e s s o r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e m r e l i a b i l i t y ， s t a b i l i t y ， r e a l t i m em e e tt h ed e s i g nd e m a n d s t h ep l a t f o r m o fe m b e d d e de t h e m e tc o n t r o l l e rh a saw i d er a n g eo f v e r s a t i l i t y ，i tc a nb e u s e di no t h e ra p p l i c a t i o nt a s k s t h ed e s i g no ft h i ss u b j e c ti sn o to n l yt h e i n i t i a le x p l o r a t i o no fi n d u s t r i a le t h e m e tt e c h n o l o g y ，b u ta l s op r o v i d e s v a l u a b l em e t h o d sa n di d e a sf o rf u t u r ed e s i g n k e yw o r d sa r m ，p c o s i i ，i _ t c t c p i p ，i n d u s t r i a le t h e m e t i v 目录 摘要。i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1课题的背景l 1 2工业以太网发展现状和前景2 1 2 1 工业以太网发展现状2 1 2 1 工业以太网发展前景3 1 3嵌入式系统概述3 1 - 3 1 嵌入式微处理器4 1 3 2 嵌入式操作系统5 1 4嵌入式数字控制系统。5 1 5 课题研究目的和意义。6 1 6 课题的主要研究内容7 第二章系统整体设计9 2 1 嵌入式系统整体设计思想9 2 2 嵌入式系统硬件体系结构1o 2 2 1 嵌入式系统微处理器选择1o 2 2 2 嵌入式系统硬件平台结构1 1 2 3 嵌入式系统软件体系结构1 2 2 3 1 嵌入式系统软件平台选择1 2 2 3 2 嵌入式系统软件平台结构1 2 2 4 监控软件通信模式选择13 2 5 本章小结13 第三章嵌入式系统硬件设计15 3 1l p c 2 3 6 8 简介1 5 3 1 1l p c 2 3 6 8 总线结构一1 5 3 1 2l p c 2 3 6 8 存储系统15 3 1 3 片上和外围接口资源1 6 3 2 通信电路设计l8 3 2 1 以太网接口电路设计。1 8 3 2 2 串行通信接口电路设计1 9 3 2 控制电路设计2 0 3 3 1 直流电机控制电路2 0 3 3 2 步进电机控制电路2 6 3 3 - 3 电阻炉控制电路2 7 3 4 本章小结2 9 第四章嵌入式实时操作系统平台构建3 l 4 1 嵌入式实时操作系统简介3 1 4 2g c o s i i 的移植3 2 4 2 1i _ t c o s i i 移植准备工作3 2 4 2 1i _ t c o s u 移植过程3 4 4 3 本章小结3 9 v 第五章嵌入式t c p i p 协议栈的实现4 l 5 1 嵌入式t c p i p 协议栈4 l 5 1 1t c p i p 协议栈简介4 l 5 1 2 肛c t c p i p 协议栈体系结构4 1 5 1 3p c t c p i p 内部任务模式和优先级4 3 5 1 4g c t c p i p 协议栈内数据收发流程4 3 5 1 5g c t c p m 客户机服务器应用程序模式4 5 5 2n i c 驱动程序4 6 5 2 1 片上n i c 硬件原理4 7 5 2 2n i c 驱动程序设计。4 7 5 3 网络链接测试5 0 5 4 本章小结5 2 第六章g c o s i i 应用程序和远程监控程序设计。5 3 6 1p c o s i i 应用程序设计思想5 3 6 2 通信任务程序设计5 4 6 3 直流电机控制程序设计5 6 6 4 步进电机控制程序设计6 4 6 5 电阻炉控制程序设计6 6 6 5 远程监控程序设计6 7 6 6 本章小结7 0 第七章总结与展望7 1 7 1 总结71 7 2 进一步研究方向7 2 参考文献7 3 致 射7 7 攻读硕士期间发表的论文7 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题的背景 第一章绪论弟一早三百y 匕 控制系统的发展已经历了人工控制、模拟仪表控制、计算机集中监督控制、 集散控制、现场总线控制到网络控制几个发展阶段【1 1 。随着计算机、控制、网络、 电子技术的发展，信息交换沟通的领域从工业现场设备层渗透到企业管理决策 层，导致了工业控制网络结构性的变革【2 】。工业控制网络主要用来进行实时现场 信息的处理，是网络控制系统进行实时控制信息处理的数据流通道。工业控制网 络直接应用于生产过程控制，承担着工业生产运行一线测量与控制信息的传输的 任务，并引发或产生能量或物质的运动和转换。因此，它一般应该满足确定性、 强实时性、安全性、高可靠性、工业现场恶劣环境适应性、总线供电与本质安全 等特殊要求。工业控制网络区别于传统的信息网络主要有以下几点网： ( 1 ) 性能和功能需求不同。信息网络的设计以可靠性和高带宽为目标，允许 存在一定的延迟和抖动，而控制网络要求具有较高的实时性和较快的时间响应。 ( 2 ) 工业控制网络传输的信息大多为短帧信息，长度较小，且信息交换频繁； 而信息网络传输的信息长度大，互相交换的信息不频繁【3 l 。 ( 3 ) 工业控制网络信息传递的方向性和顺序性较强，如控制器将控制指令传 递给执行单元，传感器将信息发送给控制器，传递信息的方向都有一定的顺序， 而信息网络没有这方面的特点f 4 j 。 目前，现场总线和工业以太网是工业控制网络的典型代表。现场总线以总线 为纽带，将各个分散的网络节点连接成可以互相通信、交互信息、共同完成控制 任务的网络化控制系统。而工业以太网，在技术上与传统以太网基本兼容，并且 在实时性、可靠性、安全性、环境适应性等方面考虑到工业控制现场的特殊需求 【l 】【2 j 。为了抢占市场，主要的现场总线生产商和集团都制定了自己的工业以太网 标准，并且开发出相应的产品， 由于工业以太网具有应用广泛、成本低廉、通讯速率高、资源共享能力强、 可持续发展潜力大等优点，目前它已经在工业企业综合自动化系统中的资源管理 层、执行制造层得到广泛应用，并且表现出直接应用于工业控制现场的趋势。由 于工业以太网遵循标准的网络协议，系统具有很好的开放性和兼容性，消除了信 息孤岛给工业控制网络的发展带来的障碍。 本课题以嵌入式技术为基础，在现场控制器上实现t c p i p 协议栈，并且在 系统设计时充分考虑到工业控制的各种要求，设计出带有网络通信功能的智能型 的现场控制器。这种工业以太网实现模式比直接购买现成的工业以太网产品具有 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 更大的灵活性和针对性，在性价比上也有很大的优势。由于系统设计时涉及到嵌 入式处理器、嵌入式实时操作系统、计算机网络、计算机控制等多个学科的知识， 因此开发的难度较大、周期相对较长。本课题的设计可以看做是嵌入式技术实现 以太网控制的应用实例。 总之，本文将结合工业以太网的特点和要求，基于嵌入式处理器构建一个带 有实时操作系统和协议栈的网络控制平台，并在这个平台上实现对不同的被控对 象的控制。 1 2 工业以太网发展现状和前景 1 2 1 工业以太网发展现状 在上世纪9 0 年代初期，以太网技术得到了飞速的发展，大举进入了办公领 域。而随着以太网技术的广泛应用，其应用领域从办公自动化走向了工业自动化。 国外公司在1 9 9 5 年就开始对工业以太网进行研究，而国内的相关研究则刚刚起 步。目前，以太网技术已经在控制系统监控层数据交换中起到很大作用，但是还 不能在系统底层实现数据交换。与商用的以太网相比，工业以太网还有以下需要 解决一些特殊的技术问题： ( 1 ) 网络传输时间不确定 以太网中的关建技术是c s m a c d 技术，这种技术将引起了传输延时和响应的 不确定。实时数据在传统以太网上传输时，可能会与其他节点的实时数据或非实 时数据发生碰撞，实时数据将有可能经历难以预测的大延时才能将数据发送出 去。不过近几年以太网技术的飞速发展，使不确定性极大的减低。一方面，以太 网的带宽不断提高，进一步减小网络负荷，减少了碰撞，提高了系统的确定性【7 】。 另一方面，以太网交换机为与之相连的每个网络节点提供了各自的带宽，各节点 之间不会相互争夺资源。 ( 2 ) 不适应恶劣工业现场环境 由于工业现场的环境比办公环境恶劣和多变，工业以太网对稳定性、安全性 和可靠性提出了特殊的要求。传统以太网没有考虑到工业现场环境的特殊情况 ( 高温、高湿、防尘、防水) ，因此，商用网络产品不能在对可靠性有较高要求的 恶劣工业现场环境中应用。这就要求工业以太网产品在硬件设计时考虑到温度、 振动、防尘防水以及较好的电磁兼容性。 ( 3 ) 总线供电技术 工业以太网络需要具备向现场仪表供电的能力。i e e e 8 0 2 3 a f 1 】标准给出了 一种以太网同时具备数据通信和电源供给的方法，以太网供电技术能安全、可靠 地引入到已有的网络基础设施中，并且保持和原有网络设备的兼容，这就极大简 2 一 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 化了布线，节省了网络建设成本。 综上所述，现在已经有充分理由相信，可以通过以太网建立一个高效开放且 稳定的网络控制系统。 1 2 1 工业以太网发展前景 工业以太网被普遍认为是未来工业控制网络的最佳解决方案，发展前景诱 人。工业控制网络采用以太网技术，可以使其发展融入到计算机网络技术发展的 主流之中，从而推动两者相互促进，共同发展，避免了在技术更新方面的重复投 资【1 1 。总的来说，工业以太网技术的发展趋势体现在以下几个方面【1 】【2 】： ( 1 ) 多种现场总线共存向工业以太网为主体的方向发展 现场总线技术经过十几年的发展，技术相对成熟，多种现场总线共存且相互 竞争的局面由来已久，并且形成了一定的市场。就目前而言，尽管工业以太网在 带宽上有很大的优势，但是工业以太网技术还不成熟，需要进一步全面研究基于 以太网的全新控制系统体系结构，并且研发出最新的产品【4 】。因此，多种现场总 线技术共存的状况将长期存在，但随着工业以太网技术的不断变革，主流现场总 线的市场占有率将逐年减少，而工业以太网则会占领主要的市场。 ( 2 ) 工业以太网之直接应用于工业现场设备间的通信成为大势所趋 一直以来，业界普遍认为以太网不可能进入控制系统现场级，主要是以太网 在实时性、确定性、通信效率、总线供电和本质安全等方面还有许多技术难度没 解决。随着以太网带宽的提高、全双工通信、以太网交换技术的发展，总线供电 技术的不断完善，克服了以太网直接应用于工业现场的主要障碍，突破以太网直 接应用于工业现场设备间通信的技术瓶颈【5 1 。 据调查，工业以太网在未来的五年将会以每年3 0 4 0 的速度快速增长【l 】。 在国内市场，增长率将会更大，但实现这个增长可能比全球滞后2 3 年。美国权 威调查机构a r c ( a u t o m a t i o nr e s e a r c hc o m p a n y ) 报告指出，今后以太网不仅继续 主导计算机网络和工业控制系统的上层网络通信市场，也必将引导未来现场总线 的发展方向，工业以太网技术正在迅速地进入工业控制场合【3 1 。 1 3 嵌入式系统概述 进入2 l 世纪以后，由于嵌入式系统的软件和硬件技术的飞速发展、嵌入式 系统的应用领域迅速扩张到消费电子、工业控制、移动通信、医疗器械、汽车电 子、航空航天等多个领域。在后p c 时代，嵌入式系统的市场前景是巨大的，在 全球嵌入式系统产生了超过1 万亿的年产值【砑。在国内，嵌入式系统的市场已 经全面启动，p d a 设备、智能家电和工业控制将成为嵌入式系统市场的热点。 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 随着3 g 技术的兴起和物联网时代的到来，嵌入式系统将变得无处不在。 嵌入式系统实际上就是嵌入到对象体系中的专用计算机系统【2 刀。嵌入式系 统包括嵌入式硬件系统和嵌入式软件系统两个部分，前者以微处理器为中心，扩 展了存储器，外围硬件设备和接口；后者包括启动代码、设备驱动、操作系统和 应用程序等。嵌入式系统与传统的p c 机相比具有以下特点： ( 1 ) 嵌入式系统的专用性强 嵌入式系统设计时针对某个特定的需求，专用性强。这就要求软硬件设计时 针对特定需求，进行“软硬件裁剪 ，去掉冗余，尽量使系统做到精简。 ( 2 ) 嵌入式系统对实时性和可靠性要求高 嵌入式系统经常应用在航空航天、工业控制等领域，这就要求系统具有较高 的实时性和可靠性。为了加快运行速度，系统软件被固化在f l a s h 存储器中， 不会使用硬盘，嵌入式操作系统一般也都是实时的操作系统。一些嵌入式系统的 应用环境十分恶劣，因此系统设计时需要考虑到出错处理、冗余设计、自动复位 等功能，确保系统能够安全可靠的运行。 ( 3 ) 嵌入式系统的开发工具和环境特殊 嵌入式系统本身资源有限，不能像p c 机一样在本地开发，一般是采用交叉 开发的环境，也就是说在p c 机上进行代码设计、编译、调试，而在目标板上进 行执行。 嵌入式系统涉及到多个学科的知识，在不同的应用领域嵌入式系统的构成也 会有差异，但嵌入式系统构建中的两个最重要的部分是嵌入式微处理器和嵌入式 操作系统。 1 3 1 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器是嵌入式硬件系统的核心，它的硬件接口资源决定着整个系 统能够使用那些硬件设备，它的执行速度和体系结构直接决定着构建在其上的系 统软件和应用软件的类型和规模。嵌入式处理器一般都集成了微处理器核、总线、 设备控制器、外围接口。 嵌入式微处理器专用性强，种类繁多，目前主流的微处理器体现包括a r m 、 p o w e r p c 、m i p s 等 2 7 1 ，本课题中选用的a r m 芯片是典型的r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 3 2 位处理器，精简的体系结构可以使产品的体积减小， 这也就导致了产品的功耗降低。体积小、性能高、功耗小是a r m 系列一贯坚持 的设计理念。a r m 系列芯片具有r i s c 芯片的一般特征【8 】： ( 1 ) 统一固定的指令格式，简化了指令解码。 ( 2 ) 所有的l o a d s t o r e 地址由寄存器内容和指令域决定，简化了取值模式。 ( 3 ) 拥有大量的寄存器 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 4 ) 采用l o a d s t o r e 的方式，数据处理过程在寄存器中进行，而不是直接在 内存中进行。 此外，a r m 处理器还采用自动增减的寻址模式，优化程序中的循环结构； a r m 处理器中，几乎所有的指令都是条件执行的，提高了指令执行效率。这些 技术使a r m 处理器能够在性能、芯片面积、功耗、代码尺寸各个因素上寻求一 个很好的平衡。 1 3 2 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是出现于上世纪8 0 年代，据调查，目前国际上出现的嵌入 式操作系统多达2 0 0 多种。主流的嵌入式操作系统包括w i n d o w s c e 、v x w o r k s 、 p a l mo s 、 i c o s i i 、l i n u x 等 2 7 1 。嵌入式操作系统以内核为中心，根据具体的应 用需求可以扩展嵌入式t c p i p 网络系统、嵌入式文件系统、嵌入式g u i ( 图形 用户接口) 等。 内核是嵌入式操作系统的核心，提供任务管理、任务间通信、中断管理、时 间管理等功能。嵌入式操作系统位于嵌入式处理器和应用程序之间，掌管了整个 系统的软硬件资源，并为应用程序设计提供了易于理解的接口。 t c p i p 网络系统是嵌入式系统接入网络的必要条件，必须具备符合t c p i p 协议标准的协议栈，并提供套接字接口给用户编写程序。嵌入式系统网络化是其 发展的一个显著特征。从硬件上来说，很多的嵌入式微处理都带有网络接口控制 器。从软件来说，无论是操作系统内核还是应用软件都会提供网络接口的标准模 块。对于嵌入式系统来说，它所面对的很多应用场合都牵涉到各种各样的控制、 通信网络。 嵌入式文件系统的主要任务是实现对逻辑文件的管理，包括对逻辑文件的查 找、创建、修改、复制、删除等操作。根据不同的存储设备( 嵌入式系统一般会 采用n a n df l a s h 或n o rf l a s h 作为存储设备) ，文件系统会采用不同的组 织形式来实现文件系统的逻辑结构。文件系统一般不会直接对存储设备进行读写 操作，而是通过设备驱动程序实现，因此屏蔽了存储设备的硬件细节。 嵌入式g u i 能够为用户提供形象生动的人机接口，方便人机交互。由于嵌 入式系统硬件资源的限制，要求嵌入式g u i 做到轻量级、性能高、可靠性好。 目前主流的嵌入式g u i 包括q t e m b e d d e d 、m i n i g u i 、m i c r o w i n d o w s 等。 由于目前硬件的限制，嵌入式文件系统和g u i 在本课题的设计中还未实现。 1 4 嵌入式数字控制系统 本课题所设计的具有以太网通信功能的嵌入式系统，主要的目的是为了完成 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 对多个被控对象的实时控制。从控制的角度看，该系统就是一个嵌入式数字控制 系统，其典型的组成如图1 1 所示。 外部设备：显示器、按键等 3 嵌入式控制器 t1 l l 输入通道 输出通道 l t 上 i 检测装置执行机构 t上 被控对象 图卜1 嵌入式数字控制系统 检测装置由不同的传感器构成，完成对被控参数的数据采集，包括转速、温 度、电流等。输入通道对检测装置输入的数据进行处理和转换，变成嵌入式控制 器可以识别的数字信号。输出通道将嵌入式控制器的控制指令转换为对被控对象 进行控制的信号。执行机构负责执行控制任务。外部设备实现人机交互、通信等 功能。嵌入式控制器是整个控制系统的大脑，负责对采集的被控参数状态量进行 分析，并通过相应的控制算法得到控制量。 在本课题中，包括直流电机、步进电机、电阻炉三个不同的控制对象，但控 制过程基本都包括实时数据采集、实时决策、实时控制三个步骤。在数字控制系 统中，这些步骤都需要由软件进行实现。由于引入了嵌入式操作系统，这些实现 控制功能的软件都属于应用软件的范畴，在程序设计时不但需要清楚的知道控制 的程序流程，还需要熟悉操作系统的任务管理、任务通信、中断处理机制并且会 使用相关的系统函数。 1 5 课题研究目的和意义 首先，本课题对以太网用于工业现场控制做一些积极的实践探索工作。目前， 嵌入式技术成为工业以太网智能控制节点实现的重要支撑。系统采用微控制器+ 以太网接口模式，使现场控制器直接接入以太网。在工业控制领域引入以太网技 术，一方面对于恶劣的工业现场环境，可以通过网络传递信息，实现远程监控， 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 大大改善现场操作人员的工作环境；另一方面，方便实现现场控制网络与企业办 公网络的无缝融合，建立统一的企业网络，最终实现现场控制器，智能现场测控 仪表和传感器等方便的接入网络，直至与i n t e r n e t 相连。嵌入式系统与网络的结 合，在嵌入式实时操作系统中引入t c p i p 协议栈，使现场控制器成为具有以太 网通信功能的智能控制节点，已经成为嵌入式领域的重要研究方向【6 】。 其次，本文将嵌入式实时操作系统i 咀c o s i i 应用于工业控制，提高了工控 系统的可靠性和开发效率，缩短了开发的周期，并且提升了产品的稳定性和可靠 性。控制领域的工程师，一般不具备很深厚的操作系统的知识，习惯上先设计硬 件，然后采用汇编语言或c 语言来设计控制系统的模式。这种模式对于简单的 控制系统可能有效，但当被控对象增加，控制算法复杂的时候，程序的结构就会 显得混乱。而引入实时操作系统后，复杂的控制程序可以细化为不同的任务，任 务的调度由操作系统自己完成。在构建好实时操作系统平台后，会给程序设计带 来以下的好处： ( 1 ) 使程序的设计模块化。程序员只需要将精力集中在各个功能模块上，不 同的程序员可以负责不同的模块，这种并行开发的模式能够显著的提高开发效 率。 ( 2 ) 由于本系统涉及到多个被控对象，传统的前后台系统设计模式不能满足 要求，而支持多任务的操作系统能够很好的实现对多个被控对象的控制。 ( 3 ) 由于实时操作系统的稳定性、可靠性、健壮性、安全性都经过了严格的 测试，这也就提升了整个以太网控制系统的性能。 ( 4 ) 操作系统对共享的资源提供了保护机制。一般采用信号量机制实现，这 就可以使系统资源得到有序高效的共享，防止并发的产生。 除此之外，因为要引入t c p i p 协议栈，而协议栈本身需要使用到许多操作 系统的系统资源，这也就使实时操作系统的引入成为整个系统实现的必要条件。 最后，本系统存在直流电机、步进电机、电阻炉等多个被控对象，需要编写 多个任务来实现控制，这就需要操作系统有效地调度任务，高效的处理中断，实 时的回馈控制状态，这些控制模块的出现，可以检验所构建的以太网嵌入式系统 平台是否能够应用于工业控制。 1 6 课题的主要研究内容 本课题的主要目的是设计一个多对象远程控制系统，构建了一个以a r m 7 处理器和带有t c p i p 协议栈的i i c o s 嵌入式操作系统为主构架的嵌入式平台， 并以此平台为基础，实现各种被控对象的实际应用的二次开发。本文研究的主要 内容有： 7， 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 系统硬件电路设计 系统硬件设计包括两个部分，一是针对被控对象的外围电路，包括直流电机 驱动电路、步进电机驱动电路、电阻炉驱动电路，电阻炉温度采样电路、直流电 机电流采样电路、直流电机转速检测电路、步进电机位置检测电路，以及上述电 路与控制器的接口电路。二是通信接口电路，包括i o i o o m 自适应网卡接口电 路、异步串行通信电路。设计时要充分考虑到电磁兼容性、器件可靠性以及器件 的环境适应能力。 ( 2 ) “c o s i i 嵌入式操作的裁剪和移植 操作系统是整个系统可靠运行的基础，本文根据l p c 2 3 6 8 微控制器的特点， 对l x c o s i i 进行了移植，并根据实际应用情况对操作系统内核的一些不使用的 功能模块进行了裁剪，这样做既节省了系统资源又实现了更快的执行速度。 ( 3 ) 嵌入式t c p i p 协议栈的实现 i - t c o s i i 操作系统本身并没提供网络支持，而嵌入式系统网络化是嵌入式系 统发展的一个趋势，因此本文编写了n i c ( n e t w o r ki n t e r f a c ec o n t r o l l e r ) 驱动程序， 移植了合适的嵌入式系统t c p i p 协议栈j _ t c t c p i p 。该协议栈提供了标准的 b s d 套接字，通过它们完成数据的网络传输。 ( 4 ) 应用程序和远程监控程序的设计 在r t c o s i i 操作系统中应用程序的设计是以任务的形式实现的，在实际应 用中，我们的任务分为两大类。一类是处理通信的任务，另一类是针对各个被控 对象的控制任务。在程序设计中，对于周期性信息( 过程测量、监控信息) 我们采 用定时器进行控制，而对于非周期性信息( 如突发报警信息) ，我们采用中断方式 实现。上位机中的监控软件设计时，我们采用客户机朋艮务器模式，利用v i s u a lc + + 6 0 进行界面设计。 ( 5 ) 对工业以太网技术的现状、技术难点和发展方向进行跟踪 本课题的系统的设计实际上是以太网技术在控制系统中应用的一个初步探 索性的研究，尽管系统的功能相当简单，稳定性和可靠性都有待提高。但在设计 的时候尽量考虑到工业以太网设计中需要注意的问题。 ( 6 ) 系统测试与验证 系统设计完后，需要对系统的功能和可靠性进行测试，主要是对数据传输丢 包率、延时等重要