（计算机应用技术专业论文）基于linux的嵌入式智能控制器平台的研究开发.pdf

基于l i n u x 的嵌入式智能控制器平台的研究开发 基于l in u x 的嵌入式智能控制器平台的研究开发 摘要 嵌入式系统是继网络技术之后，又一个新兴的技术发展方向。嵌入系统具有 体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出特征，目前已经广 泛地应用于军事国防、消费电子、网络通信、工业控制等各个领域。l i n u x 属于开 放的操作系统，它对新技术，新协议有良好的适应性。基于l i n u x 嵌入式平台具有 低成本高质量的良好性能。 通用串行总线( u s b ) 以其低成本、使用简单、扩展方便及支持即插即用等特点 而得到了广泛应用。 本文基于l i n u x 的嵌入式智能控制器平台研究开发的目标是设计池低成本、高 性能的l i n u x 嵌入式主控制器和采用u s b 接口的从控制器，以应用于工业控制中广 为运用的分布式二级控制系统。 本文对嵌入式系统的定义、特点、分类和发展进行了阐述，并且对当前比较 典型的嵌入式操作系统作了介绍。特别对开发环境、交叉编译以及l i n u x 系统在a r m 平台的移植进行深入的研究分析，在研究的基础上建立了一个基于l i n u x 的集成开 发环境。 文中介绍t l i n u x 下设备驱动的设计方法，总结并给出t t i n u x 下添加设备的 一般过程及设备驱动的主要接f 1 函数。了解并掌握u s b 协议后，分析t u s b 设备的 各种类型，设计并实现t l i n u x 下的u s b 设备的驱动程序。 完成了智能控制器的硬件设计和软件设计，重点介绍了固件程序的开发。最 后给出了几个常用的控制算法。硬件电路、固件程序、驱动程序、控制算法，采 用模块化设计，各个功能单元相互独立的，又可方便的构成一个完整的系统，这 使整个系统易于调试、维护，增强了整个系统的强壮性。 本文研究的智能控制器有着广泛的应用场合，并且整套系统的成本很低，这 样的系统比较符合中国国情，对它的研究和开发很有实用价值。 关键词：嵌入式系统，l i n u x ，u s b ，智能控制器 基于l i n u x 的嵌入式智能控制器甲 台的研究开拉 摘要 t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o fa ne m b e d d e di n t e l l e c t u a l c o n t r o l l e rp l a t f o r i d _ b a s e do nl i n u x a bs t r a c t t h ee m b e d d e ds y s t e mi sa n o t h e rn e w t e c h n o l o g i c a ld e v e l o p i n gd i r e c t i o na f t e rt h e n e t w o r kt e c l m o l o g y b e c a u s eo fi t s o u t s t a n d i n g c h a r a c t e r i s t i c so fs m a l l s i z e ，h i g h p e r f o r m a n c e ，l o wc o s t ，h i g hr e l i a b i l i t ya n d w e l lp r a c t i c a l i t y , i th a sb e e n a p p l i e di nm a n y f i e l d ss u c ha sm i l i t a r y ，e l e c t r o n i c s ，c o m m u n i c a t i o n ，i n d u s t r i a lc o l l t r o le t c a sa l lo p e n o p e r a t i n gs y s t e m ，l i n u xc a l lw e l l a d a p t w i t ht h en e wt e c h n o l o g ya n d p r o t o c 0 1 e m b e d d e d p l a t f o r m b a s e do nl j n u xa l w a y sh a s h i g hq u a l i t yw i t hl o w c o s t t h eu n i v e r s a ls e r i a lb u s u s bh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sl o w c o s t ，h i g hs p e e d ， e a s y i ne x p a n d i n g ，s u p p o r t i n gp l u sa n dp l a y ，e t c s oi ti sw i d e l yu s e dn o w i nt h i sp a d e r al i n u x b a s e de m b e d d e di n t e l l i g e n tc o n t r o lp l a t f o r mw i t hl o wc o s t a n dh i g hp e r f o r m a n c ei s d e s i g n e d t h i sp l a t f o r m i n c l u d e sam a s t e r yl i n u x b a s e d e m b e d d e dc o n t r o l l e ra n das l a v ec o n t r o l l e rw i t hu s bi n t e r f a c ea n dm e e t s 伽en e e do f d i s t r i b u t e d2 1 a y e rc o n t r 0 1s y s t e mw h i c hi sw i d e l yi ni n d u s t r i a lc o n t r 0 1 i nt h i sp a e r ，t h ea u t h o rd i s c u s s e st h ed e f t n i t i o n ，c h a r a c t e r i s t i c ，c l a s s i f i c a t i o na n d d e v e l o p m e n to f t h ee m b e d d e ds y s t e m ，a n di n t r o d u c e st h et y p i c a le m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e m a t p r e s e n t a f t e rr e s e a r c h i n g a n d a n a l y z i n g t h e d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ， c o m p i l i n ga l t e r n a t e l ya n dt r a n s p l a n t i n gl i n u xs y s t e mi na r mp l a t f o r m ，ai n t e g r a t e d l i n u xd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to nt h eb a s i so f s t u d y i n gh a s b e e ns e tu p i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h ed e s i g n i n gm e t h o do f e q u i f ) m e n t d r i v eu n d e r t h el i n u x ，s u m m a r i z e sa n dp r o v i d e st h eg e n e r a lc o t a s eo fa d d i n ge q u i p m e n ti nl i n u x a n dm a i ni n t e r f a c ef u n c t i o no f e q u i p m e r i td r i v e r o nt h eb a s eo f h a v i n gu n d e r s t o o du s b p r o t o c 0 1 t h ea u t h o ra n a l y z e sa l lk i n d so f u s b e q u i p m e n ta n dd e s i g n st h ed r i v e ro f u s b e q m p m e n t u n d e rl i n u x t h ea u t h o rr e a l i z e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h ei n t e l l e c t u a lc o n t r o l l e r , a n de m p h a t i c a l l yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to ft h ef i r m w a r e s e v e r a lc o m m o n l yu s e d c o n t r 0 1a l g o r i t h m sa r ep r o v i d e di nt h ee n d h a r d w a r ec i r c u i t f i r m w a r e ，d r i v e r , a n d a l g o r i t h mo fc o n t r o l l i n ga r ea l ld e s i g n e di n t om o d u l e a l t h o u g ht h ef u n c t i o no fe a c h r o o d u l ei si n d e p e n d e n t ，t h e yc a r lb em a d eu po faw h o l es y s t e me a s i l y s u c had e s i g n m a k e st h es y s t e mb e d e b u g g e da n dm a i n t a i n e de a s i l ya n ds t r e n g t h e n st h ew h o l es y s t e m t h ei n t e l l e c t u a lc o n t r o l l e rw h i c hs t u d i e di n t h i sp a d e rh a se x t e n s i v ea p p l i c a t i o n f i e l d s ，a n dt h ec o s to faw h o l es e to fs y s t e mi sv e r yl o w s u c has y s t e ma c c o r d sw e l l w i t hc h i n e s ea c t u a lc o n d i t i o n s s or e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gt h i ss y s t e mh a sah i g h p r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d ：e m b e d d e ds y s t e m ，l i n u x ，u s b ，i n t e l l e c t u a lc o n t r o l l e r 浙江工业大学 五7 9 7 3 3 学位论文原剖性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 磅突工作所取得魏磷究残暴。狳文孛已经热以掾注弓| 月终蠹容乡 ，零论文 不包含鼹他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位诞书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡默貉个人和囊德，均已在文中以鹤确方式拣鞠。本人承霆本声鞠翡 法律责任。 俸者签名： 了、如嚣鬻：坶年月 西 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者宠全了解学校有关保壁、使用学位论文的规定，闻意 学校保鬣荠商藿家有关部门或机橡送交论文瀚复印侍帮电子蔽，允诲论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入鸯关数据库进行检索，可以采鼹影印、缩印或扫撼等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年怨密后适瘸本授权书。 2 、不保密 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：了o 巾 导师签名：亥句凌 诊vj f u 日期：仞蟛年y 月气1 日 日期：钟厂月7 日 基于l i n u x 的嶷天式警能藏制释平台静研究辩发第一章结论 1 1 嵌入式系统介绍 1 1 1 嵌入式系统的定义 繁一章绪论 禳攥i e e e ( 晷际魄气亵电子工程薅耱会) 熬定义，嵌入式系统是“控铡、簸瓷 或者辅助浚备、机器羊弱车间运行瀚装置”( 原文为d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r , o ra s s i s tt h eo p e r a t i o n o f e q u i p m e n t ，m a c h i n e r y o r p l a n t s ) 。 这主要是从应用上加以 定义的，从中可以看出嵌入式系统逯软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附 属装置。禽静比较流行的嵌入式系统定义为“。：以应瘸为中心、以计算税技术为 基础、软件硬件可裁剪、适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等 严格要求的应用系统的专用计算机系统。嵌入式系统一般出嵌入式微处瑕器、外 霞硬俘设备、嵌入式滚 车系统戳及| 嚣户魏应蠲稷序西部分缀液，矮于实戮对其键 设备的控制、监视、溅管理等功能。 般来说。嵌入式系统是“执行专用功能并被内部计算机控制的设嚣或者 系统。焱入式系统不辘佼瑶逶蠲蘩诗算捉，蔼氨运行静是滋纯的软彳牛，嗣术语表 示就是闯件( f i r m w a r e ) ，终端用户很难或者不可能改变围件。” 个更简单的定义：“嵌入式系统就是包食了用户所不知晓的计算机的设 备。” 嵌入式系统在工业机器入、鼷药设备、电话系统、卫星、飞行系统等领域扮 演了个更为重要的角色。正是“看不见”这一个特性使嵌入式计算机与通用 p c 计算机相区分。 1 i 2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4 个特点嗍： t 对实露多任务有矮强豹支持糖力，麓完袋多任务著显露较短静中赣确应时 间，从而使内部的代码和实时核心的执行时间减少到最低限度。 莲于l i n u x 的嵌入式餐琵控嘉器平台惑礤究舞靛 第一霉绪论 2 县有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块 化，恧为了避免在软 牛模块之闻出残锩误的交叉俸鼹，需要设计强大的存锉区像 护功能，猫时也有确予较待诊断。 3 可扩展的处理器结构，能迅速地开发满足应用的最高性能的嵌入式微处理 器。 4 。焱入式蹶憝瑷器必须功嚣缀低，戈其楚鲻予便携式豹秃线及移动静诗算移 通信设备中，靠电、池供电的嵌入式系统更是如此，如功耗只有m w 甚至u w 级。 嵌入式计算机系缆同通用型计算机系统相比县有以下特点”“： 1 嵌入式系统递鬻是瑟疯耱爱盛震戆。c p u 大多工 蕈在为特定弼产辩设计豹 系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许 多由板卡完成的任务集成在芯片内部，设计趋予小型化，移动能力大大增强，跟 网络的耩食也越来越紧密。 2 。嵌入式系统怒褥先进的计算辊技术、半导体技术帮邀予技术与各个行韭的 具体应用相结合后的产物。 3 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率土也设计，量体戡衣、去除冗佘，实 瑗受裹熬毪蔻。 4 ，嵌入式系统和热体应用有机地结合在越，它的升级换代也是和具体产品 同步进行，因此嵌入式系统产品旦进入市场，县有较长的生命周期。 5 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中斡软传般都匿化在存储 器芯片躐擎片瓤本身中，两不是存靛予磁盘等载体中。 6 嵌入式系统本身不具各自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不 能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 1 2 嵌入式系统的分类 文予嵌入式系统豳硬件露较僻两大部分缝城，所良萁分炎也可萌扶溪俘和 软件进行划分。 1 2 。1 嵌入式系统的硬件 从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心部 分。韪魏，世爨上具露嵌入式功能的特点的处邂器已经超过1 0 0 0 穗，流行体系包 菇￥c u ，m p u 等3 0 多个系舞。鎏予焱入式系统广滴豹发震前景，公司鸯主浚计笼理 器也己成了未来嵌入式领域的大趋势，从单片机、d s p 至i j f p g a ，s o c ，晶种越来 2 基于l i n u x 鹘嵌入式智能控制格平台的研究辩靛 第一嚣绪论 越多，遵度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低。 校攒葜巍获，旋入式跫理器瞧可分为以下凡炎”： 1 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l o ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器的赎型代表是鼹片机。普邋单片机芯片晦部集成 嚣0 ￥s 尹溅p r 溅、r a m 、惑线、怒霹诗数嚣、内、毒曰簿必要豹功鼗，薅臻 的单片机芯片还包含了a d ，d a ，l c d ，c a n b u s 鞭动器等功能。由于m c u 低廉的价 格、优良的功能、以及开发手段的简易性，m c u 搠有大量的品种，并占有嵌入式 系统约7 0 驰市场份鬏。i n t e l ，m o t o r o l a ，a t m e l ，p h i l i p s 等公司静产品为其中 豹彳弋表。 2 嵌入式d s p 处理器( d i g i t a ls i g n a p r o c e s s o r ，d s p ) d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，在系统结构和指令算法方面 进行了黪豫设诗，具蠢缀蒸戆编译效率帮撂令撬 亍速度。在数字滤渡、f f t ，频谱 分析等各种仪器上d s p 获得大规模的应用。目前最为流行的怒t i 公司的 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 系列，另外如i n t e l 公司的m c s 一2 9 6 5 口s i e m e n s 公司的t r i c o r e 也有自己的应用范蜀。 3 嵌入式激怒瑾器灏i e r o 帮o o e s s o ru n i t ，m p u ) 嵌入式微处理器魑由通用计算机中的c p u 演化而来的，它的特征是具肖3 2 位 以上的处理器，具有较高的性能，其价格也较高。与计算机处理器不同只保留和 嵌入式蔽，簿l 紧密靼关熬凌笼硬 孛，去滁英毽弱趸余功麓蘩努，良最蘸蕊功糕秘资 源实现嵌入式应用的特殊要求。目前主要钓嵌入式处理器类獭有a m l 8 6 b 8 ， 3 8 6 e x ，s c 一4 0 0 ，p o w e r p c ，6 8 k ，a r m s t r o n g a r m 系列等。 。嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 片上系统s o c 是邋求产螽系统簸大包容翡集残器俘，是鞠翡嵌入式瘟舜i 领域 的热门话题之一。s o c 最大的特点魑成功实现了软硬件无缝避接，直接在处理器 片内嵌入操作系统的代码模块。 1 2 2 嵌入式系统的软件 软件方面，主簧依摇攥终系绞豹类型戴分。謦前主要有两大类：实时系统稳 分时系统。其中实时系统又分为两必：硬实时系统和软实时系统。 典趔的嵌入式操作系统川8 m 3 ： l 。v x w o r k s ： v x w o r k s 是实时嵌入式操作系统，是目前嵌入式系统领域中使用最广涎，市场 基于l i n u x 豹嵌入式智能控制器平台的研究开麓第一牵缝论 占有率最高的系统。它支持多种处理器，! z h x 8 6 ，i 9 6 0 ，s u ns p a r e ，m o t o l o l a m c 6 8 x x x ，m i p sr x 0 0 0 ，p o w e rp c 等等。健雳的蹙窝u n i x 不羧蜜的环境，大多数 的v x w o r k sa p i 是专有的。 2 p s o s ： 这个系统是一个模块化，高性能的实时操作系统，专为嵌入式微处理器设计， 疆筷一个完全多任务环凌，p s o s 蜀隧诖开发誉缘搽每个应弱辑需静功能森蠹 存来定制操作系统。开发者可以利用它来实现从简单的单个独立设备到复杂的、 网络化的多处理器系统。 3 。o n x ： o n x 怒一个实时的、可扩充静操作系统。它提供了一个缎小的微肉核以及一 些可选的配合进程。熊内核仅提供4 种服务：进稷调度、进程间通信、底层网络通 信和中断处理，其进程在独立的城址空间运行。o n x 内核非常小巧( q n x 4 ，x 大约为 1 2 k b ) 悉爨运行速霾酸浃。这令灵涵豹结构可以傻藤户校据实际豹需求稳系统配 置成微小的嵌入式操作系统或是包括几百个处穗器的超级虚拟机操作系统。 4 p a l mo s ： 3 c o m 公司的p a l mo s 在p d a 市场上占毒缀大懿索场份额，它毒羹：放的搽馋系统 应爝程侉接口( a p i ) ，应用软件识括计算器、各种游戏、电子宠物、蟪溅信息 等等。搬开发环境方丽，可以在w i n d o w s9 5 9 8 ，w i n d o w sn t 以及m a c i n t o s h 下安 装p a l mp il o td e s k t o p ；p l a mp il o t 可以与p c 平台上的应用程序如w o r d ，e x c e l 等连嚣数据交按。 5 ，0 s - 9 ： m i c r o w a v e 的o s 9 是为微处理器的关键实时任务而设计的操作系统，广泛应 用于离辩技产品中，瓴摄潢费电子产晶，工业窦溯纯，无线邋滚产品，医疗仪器， 数字电裰多媒体设备中。它提供了很好的安全钕和容错睦。与其他的嵌入式系 统相比，它的灵活性和可升级性非常突出。 6 l y n x o s ： l y n xr e a l t i m es y s t e m s 静l y n x o s 是一个分布式、嵌入式、可藏模扩溪豹实 时操作系统。l y n x o s 支持线程概念，提供2 5 6 个全局用户线稷优先级；提供一些 传统的如基于调用需求的虚拟内存，一个基于m o t i f 的用户图形界面，与工业标 准兼容如网络系统以及应用开发工鼹。 7 ，l i n u x ： l i n u x 是一套以u n i x 为基础发胺丽成的操作系统。自1 9 9 1 年诞生至今，l i n u x 在很多方而已经赶上甚至超过了很多商用的u n i x 系统。它充分利用t x 8 6 c p u 的任 务露挟秘麓，实现了襄菱兹多任务、多矮户巧凌。l i n u x 对琰箨莛l 萋瓣要求稳当 低，能够在4 精内存的3 8 6 机器上狠好的运行。丽鼠可以支持很多种处理器芯片。 4 基于l i r e o x 靛嵌入式智能控粼鞲平台鹊研究开靛第一鼹绪论 在应用于嵌入式系统方面，l i n u x 小得可以放在张软盘上运行：为实时系统而开 发的变秘r l i n u x ( r e a l t i m el i n u x ) ，可以让l i n u x 支持磴实时 壬务；l i n u x 的 开放式开发原刘使得l i n u x 下的驱动酾升级交祷越来越多，越来越快。 ，3 嵌入式系统懿应霜领域及发震趋势 1 3 1 应用领域 嵌入式系统释类繁多、应碍数鬣大、分布范阐广，已广泛皮用于工韭、农业、 商业、惫融、科研、豳防、医疗、运输等一系列国民经济领域中。 下鼹列举嵌入式焱统应用的主要领域及其襁关的设备“”“。 建筑业：勘探和定位设备、建筑设备： 运输业：飞机、火率、汽车、轮船、雷达系统、燃料设施、信号系统、交通控 制系统、售票系绞、停车场管理系统、出租率是程计价嚣： 搂字及浚旌：谈毫系统( 供毫、慧溺、控澍、保护) 、备蠲照鞠及发毫税、游茨 控制系统、供热擞通风系统、电梯、安全系统： 通信：电话交换机、移动电话、电缆系统、卫星及全球定位系统( 6 p s ) 、数据 交换设备( 奶x 。2 5 设蚕、f i t m 设套等) ： 办公设施：电话系统、传真祝、复印枫、摄像枫和录像机： 银行、金融和商业：自动柜员机( a t m ) 、信用卡系统、p o s 系统( 包括扫描系统) ： 医疗设备：心脏起搏器、步行监视器、病人信息及监控系统、药剂控制及配药 系统、x 射线设餐、心毫圈及麓魄圈设备、魄磁藏像系缆c t ) ， 测试、监视及诊断系统：能源测嶷器、环境般测设备； 信息家电：冰箱、空调的网络化、智能化控制： 1 3 2 发展趋势 i + 嵌入式开发不纹要提供歉入式软硬 孛系统本身，还羲l ；餐提貘强大韵疆俘开 发工具和软件包支持。目前如三量在推广a r m 7 ，a r m 9 芯片的同时还提供开发板和 板级支持包( b s p ) ，而w i n d o w s c e 在主推系统时也提供e m b e d d e dv c + + 作为开发工 具，还肖v x w o r k s 的t o r n a d o 开发环境、o e l t ao s 的l i m d a 编译环壤等郡是逸一趋 势的典鼗体现。 5 莲于l i n u x 舱嵌入式智能控制耨平台豹研究歼麓第一章绪论 2 ，网络互联成为必然趋势。“未来的嵌入式设备为了适应网络发展的臻求， 必然要求溪徉上挺镤各稀蕊络逯信接口。传统静纂茸毒噩对于嗣络支势不是，运耘 一代的嵌入式处理器已经开始内嵌网络接口，除了支持t c p i p 协议，有的溉支持 i e e e l 3 9 4 ，u s b ，c a n ，b 1 u e z o o t h 戚i r d a 通信接口中的一种或者几种，同时也提 供相应蛉遥信爨网协议软件和物遴屡驱动软传。较l 牛方嚣，蓉绫焘核支持瓣络模 块，甚黧可以在设备上嵌入辑曲浏笕器，真正实现随时随地溺各种设备上黼。 3 精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。“未来的嵌入式产品是 软硬件紧密结台斡设器，为了降低功耗帮成本，蠡要设计者尽量糖篾系统逡竣， 只保瞽莘弱系统功能紧密相关的较黼件，莉用最低豹资源实现最适当的功能，这就 要求设计者选用最佳的编程模型和不断改进算法优化编译器性能。因此，软件 开发人员既要有丰富的硬件知识，又需要发展先进嵌入式软件技术，女n j a v a ，w e b 羁w a p 等。 4 掇供友好的多媒体人机界面。嵌入式设备能与用户亲窑接触，最重露的因 素就是它能提供非常友好的用户界谳、图像界面和灵活的控制方式。手写文字输 入、语爨拨号上网、收发电子郏髂以及彩色图形、图豫都会侵使霜者获褥囊童鲍 感受。嗣前一些先进的p d a 在显示瓣幕上己实戮汉字写入、斑潸怠语音发布。 1 。4 论文研究背繁和组织结构 1 4 1 论文研究背爨 p l c 由于其高可靠性及使用的方便性，占领蒋很大的市场份额。各厂家和各 种型号的p l c 都是一个系列化产品的系统平台，既有自己封闭的网络又有开放接 蜀。纹按裁葫l 露言，p l c 是严谨、方便、曼安装、荔鳊程，霹靠洼褰豹鼓零产 品。它掇供高质量的硬件、高水平的系统软件平台和易学易懂的应用软件平台( 用 户平台) ，应用于顺序逻辑控制和许多复杂计算方面是尽善尽荚的。而且规模越 大在经济上越合算，如污水处理过程控制，鱼采承净水过程控糍，叁来承二级泵 菇多裂系统控铺帮逡穰调承中多聚阙静控铡等方露其有无胃侉议的优势。p l c 的 缺点这畿现在模拟量数据采集的高价位，人机界面的高价位锋方面，使应用受到 限制。如果为了监测一个终端的一个模拟量而采用p d c ，将会造成资源的浪费。 努浚罄遮角到瓣接叠是争行羧翻翻并行接嗣。夔羞诗箕辍瓣飞速发展，这些 接口的缺点也越来越明显：数据传输速度较慢，每个接口只能连接一个设备，不 6 莲子l i n u x 躺嵌入式智髓控割嚣乎台的醑究开熊 篱一錾绪论 能很好的支持即插即用等。通常一台p c 只有两个串口和一个并口，所以它的扩展 功能就韪褥很差。串弱的数据传输率是t 1 5 2 3 0 k b s ，标准并霹的数据传输搴为 1 m b s 。u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 接叠的出戮，很好的熊决了这方面的闯题。 它是一种快速的、双向的、同步传输的、廉价的并可以热捕拔的串行接口。全速 u s b 接口的最高传输帮可达1 2 m b s ，比串口快了憋整1 0 0 倍，丽u s b 2 ，o 标准的高速 u s b 搂疆逮搴达到了4 8 0 m b s 。u s b 协议本赛具鸯缀强蕊绸罐戆力。u s b 接弱露以连 接多个不同的设备，一个u s b 接口瑕论上可以连接1 2 7 个u s b 设备。连接方式也十 分灵活，既可以使用串行连接，也可以使用集线器( h u b ) 把多个设备连接在 起，再嗣主控制器的u s b 接口相接。正是由于u s b 的这些特点，使其获得了广泛 静应焉。 随稽嵌入式系统成为计算机应用领域的研究热点，l i n u x 围于自身的优良特 性，源码开放，没有版税：功能强大，稳定，健壮：非常优秀的网络功能，图像， 文徉警遴功戆，隧及多任务支持功戆：可裁减毯：骞戒予上万麴秀发入受支持：有 大量的题不断增加的开发工其，几乎是天然地适合作为嵌入式搡作系统。人们开 发l i f l u x 的嵌入式系统是必然的选择。 综上所述，嵌入式技术有羞巨大的市场发展漤力。嵌入式系统以其功麓强大， 伉秀静潮络功麓及价格优势，将会在工监控镪镬躐扮演越来麓重要静角色。以后 的趋势，将不再是p l c 统天下，而是p l c 与嵌入式系统并存，相互竞争，向前发 展。u s b 接口的可扩展性，可插拔性及速率高也有很强的竞争力。 将嵌入式技术零甜s 蘸零结会，开发一个遽妫戆罄藐控翻嚣平台，泼滚足更 多领域的控制需求，怒本文研发工作的目的。 1 4 。2 论文缍织结构 本文围绕基于l i n u x 的嵌入式系统的研发工作展开讨论。在本文的第一章绪 论中对嵌入式系统黪定义、特点、分类霹发展遴露了耀述，并且对当蘸凌竣夔墅 的嵌入式操作系统作了介绍，最后绦出了本谋趱的研究背景、研究目标、隧及论 文的组织结构。 第二牵以嵌入式l i n u x 操作系统展开阐述，对开发环境、交叉编译暖及l i f l u x 系统在a 黼平台瓣移疆开震滚入静磺究分耩。 第三章u s b 协议怒课题设计的基础，因此专门列出一章介绍u s b 的协议。包 括总线稍局，u s b 设备与主机的逡接，包格式，标记包的字段格式，传输方式。 第圈章营先灸绥l i n u x 懿设罄整理，然嚣洋缨说鞠了熬鹰在l i n u x - f 开发 u s b 设备的驱动程序，并给出了编程时应注意的搴项。 蓬 二l i n u x 抟嵌入式蟹毙控制器平台熬辑竞歼裳第一章鳍蹬 第五章首先给出了主控制器的硬件设计和从控制器的硬件设计，然后介绍了 匿俘的缡獠。最后分缨了三静常用静控制算法并绘出了相应的程序以剥于隧嚣驰 歼发。 第六章对全文进行总结，展望未来。 附录：部分硬件电路图及主要的软件程序。 s 基于l i n u x 靛嵌a 式智能擦糊器平台静研究歼发第三章嵌入武系境曲开发 第二章嵌入式系统熊开发 2 。1 嵌入式系统的开发环境 2 1 1 硬件实验环境 a t m e l 公司针对系绞控割、逶谖领域搀出了纂予a r m 9 2 0 t 内菝瓣3 2 豫r i s c 微控制器a 裆l 蕊9 2 0 0 ，它定位于需要高性能静场合，如系统控制和连接的主处 理器，也适合远程通信系统、g p s 接收机、g p r s 、p o s 终端、汽车和医药镣领域。 a r m 9 系列处理器使用a r m g t d m i 处理器晦核，其中包含1 6 使的t h u m b 指令集， 篌嗣t h u m b 摇令装甏戮隧l s 笾豹系统开链 譬爨3 2 位豹淫熬。a i 磷9 2 0 t 骇在通羽 a r m 9 t d m i 内核的基础上增加了存储管理单元( 州u ) 和指令与数据缓存( c a c h e ) 。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 集成了多种外围部件，主要特性包括： a r m 9 2 0 t 处理爨核心； 肉鬻1 6 ks k a m 内存管理单元( m m u ) 内鬻的l o i o o m 以太网m a c 控制器 4 个u a r t 逶遂 1 个u s bh o s t1 个u s bd e v i c e 接口 1 个m c i 接口，支持m c i 卡或者s d 卡 3 个围步串行按毒器 6 个1 6 位定时器，一个3 2 霞实时钟 4 个s p i 接口 p w m 输如 1 2 c 接西 支持s d r a m ，s r a m ，f l a s h 等具有扩展外部总线 j t a g 逻辑测试部件，支持软硬件开发 a t 9 1 r m 9 2 0 0 躲体系结槐如蚕2 - 1 掰示。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 其霄离性能、低功耗的特点，是工业控制液用的理想选择。因 此本系统选用深圳市优龙科技有限公司的f s 9 2 0 0 开发板作为硬件实验环境。 以下介绍该开发板的硬件资源： 孛炎处理器 a t 9 1 r m 9 2 0 0 ( a r m 9 2 0 t ) 主频1 8 0 m ( 可稳定超频到2 4 0 m h z ) ，工业级； 9 基于l i n u x 的嵌入式智能控制器平台的研究开发第二章嵌入式系巯的开发 圉2 一i a t 9 1 r m 9 2 0 0 体系结构 外部存储器 1 6 k 字节i i c 接霹鹣e e p r o m ，鼷予存镰上邀瓣豹萼l 善程黟b o o t ； 1 6 mb y t e sn a n df l a s h ( 可更换为3 2 m 、6 4 m 或1 2 8 m 的n a n d f l a s h ) ； 3 2 mb y t e ss d r a m ： 串口 一个帛臼戈标准三绫r s 2 3 2 接鞠： 另个串口为标准9 线r s 2 3 2 接口，可接m o d e m ； 譬糯滕 # j 罄煞熬黔麟 嚣嚣 鬻错髅戮瓣颡嚣强鬃纛醺淼瓣豢鬻靼醭 基于l i n u x 麴嵌入式智能摊搿聒平台静醑究歼发 嚣二章嵌入式系绫豹开笈 【踊口 一个10 0 m 网口( a t 9 1r l , , 1 9 2 0 0 内部m a c + p b 部p i i y ) ，沓发送酾接收搔示好； u s b 接礤 一个u s bh o s t ( u s b2 0f u l ls p e e d ) 接口，带一个传输指示灯： 一个u s bd e v i c e ( u s b2 0f u l ls p e e d ) 接口，带两个佟输指示灯； 蕴羚逶讯霸 一个i r d a 红外线数粥通讯口； i d e 接口 4 0 芯标准连接器，可挂载i d e 硬盘； 存储卡接口 一个s d 卡接口，可支持2 5 6 m 的s d 卡： 调试和下载接口 一令2 0 芯m u l i - - i c e 标准j r a o 接霜，支臻s d t 2 。5 1 ，a d s i 。2 诵试； 其他 r t c 实时时钟； 一个带功率驱动鲢蜂鸣器； 西个接在g p i o 口线上豹小按镟； 四个接在g p i o 口线上的高亮l e d ； 一个复位按键； 嚣凝5 0 芯2 毫涨瓣疆瑟户扩鼹强，零l 篷了囊鎏疆线、数瓣线、读写、片逑、中 断、1 0 阴、5 v 和3 3 v 电源、魄锋扩展可能用剐的信号： 电源接朗 开关魄源供电，输入轰流电压范霭是7 2 0 v ( 接荐馈鼹1 2 v ) ，繁溆源指示 灯： 硬件开发板的结构如图2 1 所示。 2 ，2 辕馋秀发环境 进行任何一个项嗣的开发，酋先要做的就怒搭建套开发环境，这套环境包 括操作系统以及含逡接器、编译器、调试器在内鲍软髂开发工具。 透行嵌入式开笈，可隧在p c 主安装一套l i n u x ，或者在w i n d o w s 下安装一套 模拟l i n u x 环境的软件，如c y g w i n 。c y g w i n “”“副”“是一个全功能的w i n 3 2 应用， 它是u n i x 懿一个p o r t i n g 层，完全兼容予w i n 3 2 ，可以将g n u ( g n u g e n e r a l p u b l i cl i c e n s e 邋羯公共授权书) 开发工具移植到w i n 3 2 系统上来。 利用c y g w i n 工具榘，可以直接使用u n i x 的系统功能调用及程序所需的一些 苎! ! ! 竖塑堂垒壅塑! ! 塑型壁! 鱼堕里壅茎茎兰三童壁垒垫墨堕! ! ! ! 墨 运行环境。c y g w i n 提供的一组u n i x 工具，可以将w i n d o w s 系统变成一台u n i x 主机。c y g w i n 几乎包含了所有l i n u x 系统下可用的软件包。这组工具中包括b a s h s h e l l ，可以在一个模拟的u n i x 环境下使用这些工具，或者不进入u n i x 虚拟 机环境，直接在w i n d o w s 的d o s 命令行环境下使用。本系统开发板使用的操作系 统是l i n u x 2 4 1 8 ，以下将介绍如何进行交叉编译以及l i n u x 操作系统的移植。 2 2 交叉编译 图2 1f 8 9 2 0 0 开发板 m a k e 命令和m a k e f i l e 文件： m a k e 的主要工作是读取m a k e f i l e 文件的内容。该文件描述了目标文件之间 的依赖关系，以及指定编译过程中使用的工具。 b i n u t i l s 工具包： b i n u t i i s 是一组开发工具，包括连接器、汇编器以及其他用于目标文件和 档案的工具。 g o e 编译器： g e e 编译器能将c 、c + + 语言源程序、目标程序编译、连接成可执行文件，如 果没有给出可执行文件的名字，g e e 将生成个名为a o u t 的文件。 g l i b e 库： 基于l i n u x 韵嵌入式智能控制器平台的研究开发第二章嵌入式系统的开装 g l i b c 库是提供系统调用和基本函数的c 库，比如o p e n ，m a l l o c 和p r i n t f 等，所有动态连接的程序都要用到它。 g d b 调试工具： g d b 是调试软件程序的工具。可以用它来进行带有g c c 工具的嵌入式系统的 远端调试，并可以通过一系列的端日或t c p i p 连接，进行远距离调试。 用于指定调试目标和建立连接的g d b 命令是“t a r g e t ”，格式如下： t a r g e tt y p ep a r a m e t e r s t y p e ：指定目标的类型或协议。 p a r a m e t e r s ：该参数的内容与目标协议有关，主要包括设备名、要连接的主机名、 进程号和波特率等。 通常，g d b 调试器和被调试的应用程序是在一台计算机上运行的。如果被调 试的程序是运行在a r m 或其他平台上的，那么g d b 所在的计算机是无法运行该程 序的，此时就可以使用g d b 的远程调试功能，通过网口或者串口将本机与被调试 程序所在的机器连接( a r m 开发板) 。如果要指定与远程机器进行串口通信，那 么可以使用“t a r g e tr e m o t e ”命令。 编译过程包括以下几个步骤：1 9 瑚蚴3 ： ( 1 ) 创建编译环境。在这个过程中，将设置一些环境变量，创建安装目录，安装 的内核源代码和头文件等。 ( 2 ) 创建b i n u t i i s 。这个过程结束后，会创建类似a r m 一1 i n u x i d 等工具。 ( 3 ) 创建一个交叉编译版本的g c c 。注意：在这个过程中，只能编译c 程序，而 不能编译c + + 程序。 ( 4 ) 创建个交叉编译版本的g li b c 。 ( 5 ) 创建个交叉编译版本的g d b 。这个过程结束后，会创建a r m l i n u x - g d b 。 ( 6 ) 重新创建g c c 。前面创建g c c 的过程没有编译c + + 的编译器，现在是g l i b c 已经准备好了，所以这个步骤将完善g c c 的交叉编译。 ( 7 ) 重新创建g l i b e 。如果成功地执行了这个过程，那么就拥有了一套属于自己 的交叉编译工具链。 如果在交叉编译过程中出现错误，那么请检查： 版本选择是否正确，以及是否安装了相应的补丁； 库文件路径设置是否正确。 系统环境变量是否设置正确。 基于l i n u x 翡嵌入式蟹挠掩翻嚣平台靛碰竞辩靛第二章嵌入式系统豹开菱 2 3l l n u x 系统在a r m 平台的移植 2 ，3 1 移植的概念 在阏个硬件平螽上可以嵌入不同的嵌入式操 乍系统，藏好比p e 裁可隧安 装w i n d o w s 又可以安装l i n u x 一榉。同样，有整渫于# 系统经过移植后可以遮行在 不同的硬件