（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm和can总线中空成型机温度控制系统的研究.pdf

at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g r e s e a r c ho ft e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mf o rh o l l o w b l o wm o l d i n gm a c h i n eb a s e do na r ma n dc a n b u s m a j o r：d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i ce q u i p m e n t c a n d i d a t e ：l i u s h a n s h a n s u p e r v i s o r ：p r o f z h a oz h e n - h u a w u h a ni n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y w u h a n ，h u b e i4 3 0 0 7 4 ，p r c h i n a m a y , 2 0 1 0 m咐l 川4洲&79 m7，劓iiiy , i t 摘要 摘要 目前，中空成型机作为三大塑料机械之一，对我国的塑机产品特别 是中空制品的改进和发展具有相当大的影响力。在我国，中空成型机温 度控制一般采用多台单点温度控制仪和计算机控制两种方法，存在安装 困难、使用繁琐、控制精度低、系统可靠性差等弊端，严重影响了中空 塑料制品的产量和质量。基于以上因素，本课题提出了基于a r m 和c a n 总线技术的中空成型机温度控制系统解决方案： ( 1 ) 设计了以a r m 7 为核心的温度终端控制平台( 即上位机) ， 其中，选用l p c 2 2 9 4 为主控芯片。为了加强人机交互界面的友好性，采 用了键盘和l c d 液晶显示屏。上位机通过t j a l 0 5 0 t 与c a n 总线相连。 ( 2 ) 设计了以p i c 单片机为核心的温度控制节点( 即下位机) ， 其中，选用k 型热电偶对温度进行测量，同时采用m a x 6 6 7 5 进行冷端 温度补偿，保证了系统测量温度的准确性。下位机选用p i c l 8 f 2 5 8 0 进行 控制并通过m c p 2 5 51 与c a n 总线相连接。 ( 3 ) 上位机与下位机之间、下位机与下位机之间通过c a n 总线 进行数据的传输。 ( 4 ) 采用模糊p i d 自整定控制算法对节点温度进行调节。 为了提高系统的抗干扰能力，采用了光电隔离、直流电源变换、p c b 设计等硬件抗干扰措施和数字滤波、看门狗等软件抗干扰措施。 本文提出的基于a r m 和c a n 总线的中空成型机温度控制系统的结 构相对简单，温度的控制精度较高( i 。c ) ，且抗干扰能力强，节点的配 置也比较灵活( 最多可达6 4 个温度控制节点) ，可适用于不同规格的中 空成型机温度控制场合以及其他一些工业现场。 关键字：中空成型机温度控制a r m 7c a n 总线p i d 控制 武汉程人学硕十学位论文 i l a b s t r a c t a bs t r a c t c u r r e n t l y , t h eh o l l o wm o l d i n gm a c h i n ei so n eo ft h r e ep l a s t i c m a c h i n e s t h ei m p r o v e m e n ta n dd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y sp l a s t i c m a c h i n ep r o d u c t sh a v ec o n s i d e r a b l ei n f l u e n c eo nt h eh o l l o wm o l d i n g m a c h i n e r yp r o d u c t s i no u rc o u n t r y , t h et e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n go ft h e h o l l o wm o l d i n gm a c h i n e su s e st w oc o n t r o l l e dm e t h o d s ，t h eo n ei st h e m u l t i p l es i n g l e - p o i n tt e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n g ，t h eo t h e ri st h ec o m p u t e r c o n t r o l l i n g b u tt h et w om e t h o d sa b o v e ，t h e ye x i s tt h ep r o b l e m so f i n s t a l l a t i o n ，c o m p l i c a t e du s i n g ，t h el o w e ra c c u r a c yo fc o n t r o l l i n g ，p o o r r e l i a b i l i t ya n ds oo n t h e s ed e f e c t ss e r i o u s l ya f f e c t e dt h ep r o d u c t i o na n d q u a l i t yo ft h eh o l l o wp l a s t i cp r o d u c t s b a s e do nt h ea b o v ef a c t o r s ，t h i s p a p e rh a ss t u d i e dt h et e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gs y s t e mo ft h eh o l l o w m o l d i n g m a c h i n e sb a s e do na r ma n dc a nb u s ( 1 ) d e s i g n e dt h et e r m i n a lp l a t f o r mo ft e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n g b a s e do na r m 7 ( c a l l e dm a s t e rc o m p u t e r ) ，l p c 2 2 9 4i st h eh o s tc o n t r o l l e r f o re n h a n c i n gt h ea f f i l i a t i o no fi n t e r f a c eb e t w e e nm a na n di n s t r u m e n t ， t h ep a p e ru s e dk e y b o a r da n dl c d l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y m a s t e rc o m p u t e r c a nl i n kt oc a nb u sb yt j a l 0 5 0 t ( 2 ) d e s i g n e dt h et e r m i n a lp l a t f o r mo ft e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n g b a s e do n p i c ( c a l l e d s l a v e c o m p u t e r ) ，w h i c h i sc h o s e n k t y p e t h e r m o c o u p l et om e a s u r et h et e m p e r a t u r ea n dm a x 6 6 7 5t oc o m p e n s a t e t h et e m p e r a t u r eo f c o l dn o d e f r o mt h a ta c c u r a c ym e a s u r i n g t e m p e r a t u r e c a nb eg i v e n s l a v ec o m p u t e rc h o s ep i c18 f 2 5 8 0t oc o n t r o lt h i sn o d e ，i t c a nl i n kt oc a nb u sb ym c p 2 5 5 1 ( 3 ) b e t w e e nm a s t e rc o m p u t e ra n ds l a v ec o m p u t e r , b e t w e e n s l a v ec o m p u t e ra n ds l a v ec o m p u t e r , d a t at r a n s m i s s i o nv i at h ec a nb u s ( 4 ) u s e dt h ef u z z y t u n i n gp i dc o n t r o la l g o r i t h mt or e g u l a t e t h et e m p e r a t u r eo ft h en o d e i no r d e rt oi m p r o v ea n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t y , u s i n go p t i c a li s o l a t i o n ， t r a n s f o r md cp o w e rs u p p l y , p c bd e s i g nr e s p e c t i v e l ya n do t h e rh a r d w a r e i i i 武汉l ：程人学硕十学位论文 a n t i - ja m m i n gm e a s u r e sa n dd i g i t a lf i l t e r i n g ，s o f t w a r ea n t i - ja m m i n g m e a s u r e ss u c ha sw a t c h d o g i nt h i sp a p e r , t h eb l o wm o l d i n gm a c h i n e t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m b a s e do na r ma n dc a nb u sh a sar e l a t i v e l ys i m p l es t r u c t u r e ，w i t hh i g h p r e c i s i o nt e m p e r a t u r ec o n t r o l ( l 。c ) ，a n da n t i - j a m m i n g ，n o d e c o n f i g u r a t i o ni sa l s om o r ef l e x i b l e ( t e m p e r a t u r ec o n t r o ln o d e su pt o6 4 ) ， a p p l i c a b l e t od i f f e r e n t s p e c i f i c a t i o n so ft h eb l o wm o l d i n gm a c h i n e t e m p e r a t u r ec o n t r o lo c c a s i o n s ，a n do t h e ri n d u s t r i a lf i e l d k e y w o r d ：t e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n go ft h eh o l l o wm o l d i n gm a c h i n e a r m 7c a nb u sp i dc o n t r 0 1 1 v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第1 章绪论l 1 1 课题的研究背景及中空成型机系统简介1 1 2 课题的研究目的和意义3 1 3 中空成型机温度控制系统的研究现状和发展趋势一4 1 。4 主要研究内容及课题特色o 6 1 5 论文的组织6 第2 章系统软硬件技术简介9 2 1 嵌入式系统基础9 2 1 1 嵌入式系统简介9 2 1 2 嵌入式系统的发展和应用领域1o 2 1 3 嵌入式操作系统1 1 2 2a r m 技术概述13 2 3 现场总线技术1 4 2 3 1 现场总线的基本概念1 4 2 3 2 常用现场总线的比较分析1 5 2 3 3c a n 总线1 6 2 4p i d 控制算法2 0 第3 章中空成型机温度控制系统的硬件设计2 3 3 1 温度控制系统硬件设计的总体结构2 3 3 2 温度控制系统中硬件资源的选用2 4 3 2 1 下位机主控芯片的选用2 4 3 2 2 上位机主控芯片的选用2 5 3 2 - 3 温度传感器的选用2 6 3 2 4a d 转换器的选用2 7 武汉l ：程人学硕士学位论文 3 2 5c a n 收发器的选用：2 7 3 3 温度控制系统单元电路的设计2 8 3 3 1 电源的设计2 8 3 3 2 上、下位机最小系统的设计3 0 3 3 3 人机交互接口电路的设计3 3 3 3 4 上位机与c a n 通信电路的设计3 5 3 3 5 下位机与c a n 通信电路和温度采集电路的设计3 6 3 3 6 电加热器电路的设计3 7 第4 章中空成型机温度控制系统的软件设计3 9 4 1 温度控制系统软件的总体设计和开发环境3 9 4 1 1 温度控制系统软件的总体设计3 9 4 1 2 温度控制系统的软件开发环境3 9 4 2 操作系统的移植4 1 4 2 1 , u c o s i i 操作系统简介4 1 4 2 2b o o t l o a d e r 的移植4 3 4 2 3 # c o s i i 在l p c 2 2 9 4 上的移植4 4 4 3c a n 控制节点与c a n 总线通信的程序开发。4 6 4 3 1c a n 基本通信部分软件设计4 7 4 3 2c a n 应用层协议部分软件设计4 9 4 3 3 数据字典5 2 4 4 下位机温度控制节点的软件设计5 2 4 5 基于上位机的程序开发5 3 4 5 1 主控制器l p c 2 2 9 4 初始化程序5 3 4 5 2 温度控制程序5 3 4 5 3 键盘处理程序和l c d 显示程序5 5 第5 章中空成型机温度控制系统的测试和分析5 9 5 1 测试的目的5 9 5 2c a n 总线通信的测试5 9 5 3 温度控制节点对加热器的控制结果分析6 0 第6 章中空成型机温度控制系统的抗干扰设计6 5 v l 目录 6 i 抗干扰设计的必要性6 5 6 2 硬件抗干扰设计6 5 6 2 1 元器件的选型一6 5 6 2 2 电源电路的抗干扰设计6 6 6 2 3 接地技术6 6 6 2 4 滤波设计6 7 6 2 5p c b 抗干扰设计6 7 6 3 软件抗干扰设计6 8 第7 章结论7l 参考文献。7 3 攻读硕士期间发表论文7 7 致谢7 9 附录81 附录i 下位机初始化子程序81 附录i i 中断子程序8 4 附录i i ic a n 模块功能操作函数8 8 武汉翻警人学硕士学位论文 v i l l 第1 章绪论 第1 章绪论 本章节主要介绍课题的研究背景、中空成型机、课题的研究目 的及意义、中空成型机温度控制系统的研究现状和发展趋势。 1 1 课题的研究背景及中空成型机系统简介 本课题主要是实现一个基于c a n 总线结构、由多个温度节点构 成的温度控制系统，这个系统可被应用在很多种工业现场，具有相 当广阔的应用前景。本文主要以中空成型机的温度控制系统为具体 的应用实例来进行设计。 随着科学技术的高速发展，被称为全球四大工业材料之一【l 】的塑 料，已作为一种新型的合成材料被广泛的运用在了人们的日常生活 和各种工业领域中。塑料行业特别是塑料机械行业的发展和进步， 主要源于在工业生产和人民日常生活中对塑料以及塑料制品的需求 量越来越大，而塑料材料的廉价和品种的丰富也是塑料行业得到迅 猛发展的原因之一。尽管如此，塑料的加工工艺以及相关的生产技 术仍处在一个不断完善的过程中。 在塑料加工行业，塑料容器的制造方法有很多。在塑料成型方 面比较常见的方法有：吹塑、注塑、吸塑、滚塑、压缩等。而目前 比较流行的成型方法主要是吹塑和注塑两种。像日常生活中经常用 到的饮料瓶、塑料瓶装日化用品等各种塑料容器中空类制品都是采 用的吹塑成型方式进行生产。吹塑成型【2 】又称为中空成型，按其工艺 原理还可细分为：挤出吹塑、注塑吹塑延伸吹塑( 即常说的“注拉 吹”) 、多层以及片塑吹塑等方式。从目前统计的数据可知，利用中 空吹塑法生产的塑料制品的市场占有率达到8 0 9 0 。 中空吹塑成型的加工设备通常被称为塑料吹塑中空成型机【3 】，也 可直接简称为中空成型机，这种中空成型机一般只适合用于一些热 塑料制品的加工和生产。中空成型机的结构示意图见图1 1 所示。 武汉1 ：群人学硕十学位论文 图1 1 中空成型机的结构不意图 在图1 1 中，1 是原材料塑化挤出装置；2 是空气进入机内的装 置；3 是型坯成型部分；4 是吹塑法型坯成型中空制品部分；5 是合 模部分；6 是电气控制装置。中空成型机塑化吹塑中空成型的一般工 艺流程【4 】为：首先把原材料( 即被加工塑料料粒) 通过料斗倒入到料 筒中。与此同时，将中空成型机上电，让加入到料筒的料粒随注射 螺杆的转动而被向前输送。此时，由于料筒本身的热量和螺杆移动 时导致的剪切热可使料筒内料粒的内部结构发生一些物理变化即可 使其变为一种粘流状态( 以下简称为“粘流体 ) ，这种粘流体可在 料筒内壁形成一定的压力差。将已经塑化好的粘流体继续通过注射 螺杆将其输送到模头，通过模头的作用后，粘流体可被定型成各种 各样的型坯( 即所需的几何截面和尺寸) ；接下来将型坯从模头中挤 出，此时的型坯由于其还具有可塑性，可将其置于各种各样的模具 中，接着闭合模具；然后将压缩的气体吹入到型坯中直至将型坯吹 胀也就是中空，中空制品到目前为止已基本形成；随后将基本成型 的中空制品冷却、定型；最后打开模具，利用项出装置将中空制品 项出，整个工艺流程全部完成。根据以上的工艺流程可知，中空成 型机主要包括温度控制和运动控制两类控制系统，对料筒温度、熔 体温度和模具温度的控制属于温度控制系统；而对壁厚、马达以及 油压之类的进行控制属于运动控制系统。本课题主要研究中空成型 机的温度控制系统。 中空成型机在加工的过程中所涉及的大部分参数都是非线性 第l 章绪论 的，其中输入参数包括螺杆的转速、塑料的运速、电机的散热量和 加热器的加热功率等；输出参数包括料筒内壁的压力、温度等。从 以上的这些参数可以看出中空成型机的加工过程是相当复杂的。而 在这些参数中，温度对中空成型制品的质量和性能的影响是很大的， 必须把握好料筒内的塑化温度和冷却温度。在中空成型机工作的过 程中，温度的来源也是相当复杂的，一般会来自两个方面：一个是 外部加热器的加热温度；另一个是料粒、螺杆以及料筒之间摩擦产 生的热量温度。由于温度是非常敏感的，比如原材料自身的属性或 物料自身所带水分都可能会对温度造成影响。尽管有很多干扰因素， 但是塑料温度一般可由料筒温度和螺杆与塑料之间的剪切热来决 定。在中小型中空成型机中塑料温度可直接由加热温度决定，而这 里的加热温度主要是指料筒的温度。因此料筒温度是中空成型机生 产过程中的一个重要参数，它可能影响到中空成型制品的质量和中 空成型机的生产效率。在中空成型机的加工过程中，如果料筒温度 过低，塑料会在螺杆之间产生冷凝、固化，可能会对机器本身造成 不必要的损坏；而如果温度过高的话，塑料会被过度加热，塑料分 子之间会产生更进一步的互联，塑料组织可能会因为过度疏松而出 现发泡现象。综上可知，在中空成型机的成型过程中对温度的控制 是一个非常重要的环节。 在中空成型机的各段料筒和模具中，可通过保持温度值恒定或 是前后段温度之间预定温度梯度的方式来满足中空成型机温度控制 系统在中空成型工艺中的需求。在本课题中，具体的操作方式是通 过料筒和模头对料粒先进行预热、然后再加热或是冷却以达到所需 的正常操作温度。基于此，所设计的温度控制系统必须具备加热和 冷却双重温控功能。在设置温度参数的时候要特别注意的是，螺杆 的直径比不同，料筒的段数不同，内部设定的温度值也会跟着不同。 1 2 课题的研究目的和意义 随着工业技术的高速发展，温度作为工业现场不可缺少的一部 分，对其的控制技术也在不断完善。在现代的工业生产中，特别是 大型的工业生产现场，随着机械加工的智能化、需求的精确化以及 武汉i ：程人学硕士学位论文 扩大再生产等因素，在同一个空间中对温度进行单一化管理的模式 已经逐渐的退出了市场，取而代之的是多温度节点控制系统以及远 程温度控制系统【4 】。其最大的优势是可以随着工作环境的变化和使用 地点的变化而做出相应的改变。针对传统微机的诸多不足以及存在 多个被控对象时现场布线和维护的艰难，嵌入式系统应运而生。由 于其可靠性强，结构简单的优势被广泛的应用到了各色的工业控制 领域中。 所谓过程控制系统就是指在化工、材料、轻工和石油等领域中 以流量、液压、成分和温度为主要控制对性的控制系统。其中，温 度作为被控对象，是在工业生产和科学研究中最基本的工艺参数之 一。由此可见，温度控制在过程控制中的地位是相当重要的。温度 控制系统可定义为在一个固定的空间中为了使温度满足并且达到工 业现场的工艺要求对温度进行一系列的控制和调节。如果温度控制 不到位，会直接影响到整个生产系统的控制效果。因此，对温度控 制的研究是非常重要的。在本文中，所涉及的温度控制系统是中空 成型机工作过程中的温度采集和控制系统。 到目前为止，中空成型机进行温度控制的方式一般包括多台单 点温控仪进行控制和计算机控制两种【5 l ，但是这两种方式都存在很多 不足，例如安装困难、使用过于繁琐，控制精度也不够高，系统稳 定性也比较差等，严重影响了中空制品的产量和质量。基于以上种 种原因，作者提出了基于a r m 和c a n 总线中空成型机温度控制系 统的设计，该设计结构比较简单、控制精度比较高、抗干扰能力较 强。将此技术应用于中空成型机的温度控制，可以改变传统的中空 成型机温度控制系统的结构和调节品质，能有效的提高塑料制品的 质量，更重要的是，可以促进塑料加工机械的发展。 1 3 中空成型机温度控制系统的研究现状和发展趋势 在现在的塑料加工领域，按其工艺流程可将塑料加工设备划分 为5 个部分加工准备、加工成型、二次加工、加工辅助和回收 设备。在以上的五个加工设备中，成型加工设备是整个设备的核心 部分。塑料中空成型设备作为成型加工设备的重要组成部分，已经 第1 章绪论 成为在包装行业中中空容器类制品的关键设备。作为世界上最大的 塑料生产国和使用国，我国塑机行业已经经历了2 0 几载的发展，到 目前为止，己成为世界上塑机产品的重要出口和进口国之一。现在 的时代是知识经济的时代，随着对塑料自身原材料的深入研究，其 成型技术与高科技技术的融合也在不断提升，在塑机制造业上，专 家们普遍认为在2 1 世纪的今天，其更新换代的周期将少于5 年时间。 中空成型机又可称为吹瓶机( 或“吹瓶器 ) ，被誉为三大塑料 机械之一。到目前为止，我国塑机产品基本上已经能够满足国内市 场所需的塑料原材料加工和塑料制品成型的一般技术设备，小部分 的产品也已位居世界前列。但是与工业比较发达的国家，比如德国 和意大利等国家相比，我国的塑机行业尚处在一个比较落后的位置 产品的种类较少、档次普遍较低，在很多特殊的工业现场还需 进口设备。 在我国，目前很多厂家使用较为广泛的中空成型机温度控制系 统一般由三部分【6 】【7 l 组成：用电热环作为加热体；用热电偶测温；用 温控表显示温度。这种温控系统的特征是结构相对简单、价格普遍 较低但是控制精度不高。除此之外，国内还有一部分厂家是采用8 位或者1 6 位单片机作为核心芯片来对温度控制系统进行设计，虽然 它的控制精度较前者有所提高，但是在某些场合仍然不能满足要求。 而在很多发达国家，厂家一般采用温度控制模块或者专用计算机温 度控制系统来对中空成型机的温度进行控制，虽然这种方式控制精 度很高但是价格过于昂贵且产品有很强的针对性，很难满足我国国 内的需求。基于以上情况的分析，本文提出了采用3 2 位a r m 处理 器设计中空成型机温度控制系统的方案，由于a r m 处理器本身的 优势，此方案具有多种类、高精度、模块化、智能化和网络化等特 点。 本课题主要是为了实现一个基于c a n 总线结构、由多个温度节 点构成的温度控制系统，该系统具有非常广阔的应用前景，适用于 不同的工业生产过程对温度控制系统的要求，因此本设计具有实际 的工业现场应用背景。本文以中空成型机的温度控制系统为具体应 用，设计了一个通用、高速且多通道的温度控制系统。 武汉f i ：程大学硕七学位论文 1 4 主要研究内容及课题特色 本课题是基于a r m 和c a n 总线中空成型机温度控制系统的研 究，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 设计以a r m 为核心的温度终端控制的硬件平台( 即上 位机) ； ( 2 ) 设计c a n 总线温度控制节点( 下位机) ； ( 3 ) 用软件实现c a n 总线各节点之间的通信； ( 4 ) 用软件实现节点温度的自动调节。 本课题的主要特色是： 利用a r m 微处理器进行上位机设计，使人机交互界面更加 友好，易操作；数据处理速度更加快速； 利用c a n 总线技术，改变了传统的控制系统结构，使中空成 型机的温度控制系统结构更简单、系统内能信息共享、控制 精度更高、抗干扰能力更强、节点配置更加灵活； 利用模糊p i d 自整定算法，使中空成型机的温度调节更精确。 1 5 论文的组织 对论文的章节进行如下划分： 第1 章绪论，主要介绍了课题的研究背景、中空成型机、课题 的研究目的及意义、中空成型机温度控制系统的研究现状和发展趋 势。 第2 章是系统软硬件技术简介，主要介绍了在设计中所用到的 一些软硬件技术：嵌入式技术、a r m 技术、c a n 总线技术、p i d 自整定技术等。 第3 章是基于a r m 和c a n 总线中空成型机温度控制系统的硬 件设计。 第4 章是基于a r m 和c a n 总线中空成型机温度控制系统的 软件设计。 第5 章是基于a r m 和c a n 总线中空成型机温度控制系统的 测试和分析。 第l 章绪论 第6 章是基于a r m 和c a n 总线中空成型机温度控制系统的 软硬件可靠性研究。 第7 章是对课题工作进行总结。 武汉1 ：程人学硕十学位论文 8 第2 章系统软硬件技术简介 第2 章系统软硬件技术简介 本章节主要介绍在设计中所用到的一些软硬件技术：嵌入式技 术、a r m 技术、c a n 总线技术、p i d 自整定技术等。 2 1 嵌入式系统基础 2 1 1 嵌入式系统简介 在当今的i t 行业，嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 嘲的发展势 头极为迅猛，已成为现阶段最热门的技术领域之一。其应用领域极 为广阔，具体应用范围如图2 1 所示： 图2 1 嵌入式系统的应用领域 从图2 1 中可以看出，嵌入式系统的应用范围几乎覆盖了人们生 活的方方面面，各种新型的嵌入式设备在一定程度上其数量已经远 远超过了通用计算机。嵌入式系统一般被定义为可嵌入到专门的对 象体系( 产品和设备) 中的专用性计算机系统，具体可定义为以具 体应用为核心、以计算机技术为基础、软硬件皆可裁剪的专用计算 机系统，且此系统在功能、可靠性、性价比、集成度和功耗方面都 有很高的成就。它是继i t 网络技术之后又一个崭新的技术发展方向。 嵌入式、专用性以及计算机系统是嵌入式系统的三要素。嵌入 式系统最典型的特点其实是它与人们的日常生活能紧密相关，任何 武汉l ：程大学硕士学位论文 一个人都可能拥有一部加入了嵌入式技术的产品，小到m p 3 、p d a 等微型数字化设备；大到家电、智能电器和车载g p s 等。嵌入式系 统作为一种风格独特的计算机体系，其结构框图如图2 2 所示。 应用软件 嵌入式操作系统 硬件设备 嵌入器处理li 。幽吠田 图2 2 嵌入式结构框图 从图2 2 中可以看到，硬件设备主要包括嵌入式处理器和外围设 备两大类【8 】。其中，嵌入式处理器即c p u 是嵌入式系统的核心部件， 它与普通的处理器之间最大的区别在于它大多数都工作在为特定的 用户群专门设计的系统中。为了不影响嵌入式系统的高效率和高可 靠性，在考虑到嵌入式系统设计的小型化或者微型化时通常可将通 用c p u 中的很多用板卡完成的任务全部集中到芯片内部执行，以提 高芯片的集成度。到目前为止，全球嵌入式c p u 差不多已经超过了 1 0 0 0 种，其中体系结构应用比较广泛的就有3 0 余种，而使用最为广 泛的c p u 有a r m 、p o w e r p c 和m i p s 等。外围设备在嵌入式系统 中主要用来完成对信息的存储、数据的通信、调试和显示等辅助功 能。目前为止，使用较为广泛的外围设备主要可分为三类：存储、 通信和显示设备。常用的存储设备有黜s r a m d ra m 、 r o m k e p r o m k e e p r o m 、f l a s h ；常用的通信设备有：r s 2 3 2 r s 4 8 5 接口、i r d a 红外接口、1 2 c 、u s b 、e t h e r n e t 接e l 等；常用的显示设 备有：l c d 、触摸屏等。在嵌入式系统中，应用软件主要是用来针 对特定应用领域，以一个固定的硬件平台为基础，达到并完成预期 目标的计算机软件。 2 1 2 嵌入式系统的发展和应用领域 嵌入式系统是伴随着微型机的发展而产生的，它与通用的计算 第2 章系统软硬件技术简介 机系统在技术要求和技术发展方向上面有很大的不同。嵌入式系统 的根本原理是将一个计算机系统嵌入到某个对象体系中，以实现对 对象的智能控制【9 】。它提出了提高对象的智能控制能力的技术要求； 确定了强嵌入性、控制能力和控制可靠性的基于对象系统的技术发 展方向。嵌入式系统的出现，标志着计算机已经进入到了将通用计 算机和嵌入式计算机融合且并行发展的阶段。随着微电子技术的高 速发展，如今的嵌入式计算机已经进入了单芯片化的轨道。 嵌入式系统是一个面向应用型的系统，需要依照项目的具体应 用而进行相关设计，如果完全脱离项目，将会使嵌入式系统失去很 多市场。在市场和技术两方面的综合推动下，嵌入式系统技术将会 不断的发展壮大。嵌入式系统可在数字家庭、移动通信设备、网络 安装和通信设备、自动化测控仪表和交通电子等领域得到很好的应 用和发展。 2 1 3 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统具备通用操作系统【9 1 的基本特点管理系统 资源( 系统内核) 、设备驱动、通信协议和图形界面以及与硬件相关 的底层驱动等，它是嵌入式系统的一个极为重要的组成部分。随着 嵌入式系统的发展，嵌入式操作系统共经历了如图2 3 所示的几个阶 段。 无操作系统的嵌入式系统 上 以嵌入式处理器为基础、以简单的操 作系统为核心的嵌入式系统阶段 j 通用嵌入式实时操作系统阶段 上 基于i n t e m e t 的嵌入式系 图2 3 嵌入式操作系统的发展阶段 武汉j ：稃人学硕十学位论文 嵌入式系统实际上就是一段能被嵌入到目标代码中的程序代 码，用户可以在此基础上任意编写自己所需的应用程序。目前用到 的很多操作系统都是实时多任务操作系统( r e a l t i m em u l t i t a s k i n g o p e r a t i n gs y s t e m ，r t o s ) 。r t o s 是指在物理进程中的某个真实时间 段，能支撑控制系统正常运转的操作系统。它的主要任务是首先调 度一切可用资源进行实时控制，然后考虑可以通过怎样的方式来提 高计算机的使用率以满足系统对时间的限制和具体的要求。r t o s 将一些硬件资源，比如中断和i o 接口、定时计数器等资源模块化， 只留给用户一些标准的应用程序接口( a p i ) ，用户可根据这些a p i 接口设计自己所需的系统。 到目前为止，在市面上使用的嵌入式操作系统一般有商用和免 费两种类型，在免费的操作系统中使用较为广泛的主要有l i n u x 和 g c o s i i 两种，它们在开发价格和开发周期方面都有很大的竞争优 势。下面主要对几种常用的操作系统的优缺点进行分析和比较【9 】，具 体见表2 1 所示。 第2 章系统软硬件技术简介 表2 1 几种操作系统的优缺点比较 操作系统优点 缺点 源代码公开( c 语言) 、可移植性最小内核可编译至2 k ，实用性 强、可固化、可裁剪性高、占先差，适用于小型控制系统。仅 uc o s i i 式的实时内核、多任务、可确定是实时内核，很多开发工作需 性强、实用性和高可靠性。要用户自己去完成。 目前使用最为广泛，具有良好的持 续发展能力、高性能的内核、用户 价格高、源代码封闭。 v x w o r k s开发环境友好、支持多种处理器， 用户可以根据需求来裁剪和配置系 统。 与w i n d o w s 系列有较好的兼容性、 没有开放的源代码、在效家和 w i n d o w s对操作系统的定制、裁剪和交叉编 功耗方面表现不好、过多的占 c e译等都相对简单：具有人性化的图 用系统内存、运用程序庞大。 开发工具复杂，对硬件要求 形界面。应用集成度高。 高。 针对无m m u 开发、保留l i n u x 操作 系统本身不提供实时性能，需 l i n u x系统、稳定性好，网络性能好、支 要添加实时性能软件模块；缺 少完整的应用软件方案。 持文件系统。 源代码公开且遵循g p l 协议、软件 开发和维护成本低、具有优秀的网 自身不具有实时性。 此1 i n u x络功能、稳定性好、内核精悍，运 行所需资源少、硬件支持数量庞 大。 2 2a r m 技术概述 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 公司是1 6 3 2 位微处理器知识产 权供应商，在全球处于领先地位。a r m 公司通过转让的方式将高性 能、低成本、低功耗的精简指令集计算机【1 0 1 ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ，r i s c ) 微处理器及其外围设计和系统芯片技术分享给合 作伙伴，使a r m 公司的产品遍布全球很多大型公司。因此，a r m 既可以理解为一个公司的名字，也可以定义为其是对一类微处理器 的统称，同时还可以将其认定是一种技术的名字。a r m 现已成为手 持设备、移动通信和多媒体数字消费等领域的嵌入式解决方案的 武汉1 ：程人学硕十学位论文 r i s c 标准。a r m 微处理器的特点如下所述： 采用r i s c 架构，体积小、耗能少、性价比高； 支持双指令集( 1 6 位t h u m b 3 2 位a r m ) ，能与8 1 6 位器件 兼容；且指令的长度是固定的； 它使用寄存器比较多，以致指令的执行速度非常快； 对数据的操作都是通过寄存器来完成； 简单寻址，执行效率高。 在现代科技领域，a r m 技术在工业控制、无线通信、网络应用、 电子、安防等领域几乎无处不在。目前在市面上流动较为广泛的 a r m 微处理器主要包括a r m 7 、a r m 9 删9 e 、a r m l 0 e 、 s e c u r c o r e 以及i n t e l 的s t r o n g a r m 、x s c a l e 等系列。 2 3 现场总线技术 在2 0 世纪9 0 年代，现场总线( f i e l d b u s ) 【1 1 】逐渐发展形成，它 是将工业现场的控制系统与通信网络集成在一起的一种总线，被广 泛的应用于楼宇、大型机械、家庭等自动化的场合。它的主要功能 是可将一些现场的设备互相连接，形成一个通信网络。在当今的自 动化领域，被誉为工业现场的局域网。 2 。3 1 现场总线的基本概念 现场总线是被应用在工业现场，能在测量控制设备之间进行互 相通信的系统，它属于一种底层的控制网络，传输的方式是双向串 行数字化传输，可多点进行通信。现场总线技术比较通俗的解释是 将专用的微处理器置入到传统的控制仪表中，使传统的控制仪表能 具备独立的控制和通信功能，然后多个控制仪表和计算机等作为某 个网络节点挂在总线( 一般使用普通双绞线) 上面，最终搭建成一 个总线型拓扑网络系统。在网络系统建成后，按照一个公开且规范 的通信协议，在各个节点之间进行数据传输和数据的交换，由此可 形成各种各样适合于工业现场需求的自动控制系统。 自动控制系统最初的定义是基于模拟信号且一对一的物理连 接。其中，模拟信号的精度较差，在有外界信号干扰时，易受很大 第2 章系统软硬件技术简介 影响；而一对一的物理结构则会造成系统电路接线复杂以致工程周 期较长，加上安装和维护的费用很高，在现在的工业控制领域已经 慢慢的被数字化现场仪表和数字化现场设备取代。随着通信、微处 理器和电路高度集成化三种技术的高度融合和发展，数字设备在各 方面的性能也在被逐渐的完善，开发成本也因此变的越来越低。基 于以上种种原因，现场总线应运而生，彻底的解决并实现了工业现 场的智能化、数字化连接，形成了一种可以将数字设备和现场仪器 仪表互联通信且能经受得住工业现场环境的考验的系统。 2 3 2 常用现场总线的比较分析 目前在世界上尚在使用的现场总线大概有4 0 余种，种类很多且 没有一个较为统一的国际标准。在现在的工业现场使用比较广泛的 现场总线及其各自的特点【1 1 1 总结如表2 2 所示。 武汉程人学硕十学位论文 表2 2 常用的现场总线之间的特点比较 现场总线特点 有两种通信速率：31 2 5 k b p s ( 通信距离：1 9 0 0 m ) ：1 m b p s 和 f f 总线 2 5 m b p s ( 通信距离分别为：7 5 0 m 和5 0 0 m ) ；传输信号采用 曼切斯特编码；专用d d l 设备描述语言。 通信速率：3 0 0 b p s 全1 5 m b p s 4 等，直强遇佰距禺口j 达2 7 0 0 m l o n w o r k s ( 7 8 k b p s ，双绞线) ；采用i s o o s i 模型全部7 层通信协议； 总线 面向对象的设计方法；被誉为通用控制网络。 通信速率：9 6 k b p s 1 2 m b p s ：最大传输距离：1 0 0 m p r o f i b u ( 1 2 m b