（计算机应用技术专业论文）基于tcpip协议通信的教学型单回路控制器的研究与设计.pdf

abs t r act t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y , m i c r o e l e c t r o n i c s a n d n e t w o r k t e c h n o l o g y h a s p r o v i d e d a s o l i d t h e o r e t i c a l f o u n d a t i o n a n d p r a c t i c a l e x p e r i e n c e f o r m o d e m d e t e c t i o n a n d c o n t r o l t e c h n o l o g y . e s p e c i a l l y t h e d e v e l o p m e n t o f i n t e r n e t , i t m a d e t h e tr a d i t i o n a l s e r i a l ( s u c h a s r s 4 8 5 / r s 4 2 2 , c a n b u s ) m a s t e r - s l a v e s y s t e m t r a n s f o r m t o e t h e r n e t d i s t r i b u t e d n e t w o r k s y s t e m s b a s e d o n s w i t c h e d l i n k . a n d n o w , t h e r e l a t e d p r o d u c t h a s a p p e a r e d i n t h e m a r k e t . f o r c a t c h i n g u p w i t h t h e t e c h n o l o g y , i t i s n e c e s s a ry t o t e a c h s t u d e n t s n e w d e t e c t i o n a n d c o n tr o l k n o w l e d g e . f o r t h i s p u r p o s e , t h e t e a c h i n g - p u r p o s e d s i n g l e - l o 叩 c o n tr o l l e r s y s t e m b a s e d o n t h e t c p / i p p r o t o c o l i s d e s i g n e d i n t h i s p a p e r . t o f a c i l i t a t e t h e t e a c h i n g a n d s t u d e n t s e l f - s t u d y , t h e d e s i g n o f t h e s y s t e m h a r d w a r e a n d s o ft w a r e m o d u l e s u s e t h e t e c h n o l o g y a n d c o m p o n e n t s w h i c h a r e f a m i l i a r w i t h s t u d e n t . a n d fi n a l l y , t h e a r t i c l e p r o v i d e d a r i c h t e c h n i c a l d o c u m e n t . t h i s s y s t e m i m p l e m e n t e d t h e b a s i c f u n c t i o n s o f t h e e t h e r n e t d i s t r i b u t e d c o n tr o l s y s t e m b a s e d o n t h e s w i t c h e d l i n k . f ir s t l y , t h e s i n g l e - l o o p c o n tr o l l e r d e t e c t e d t h e s c e n e o f t h e c o n tr o l l e d e n d p o i n t , a n d t h e n p c s y s t e m c o ll e c t e d t h e d a t a t h r o u g h e t h e rn e t n e t w o r k a n d m o n i t o r e d t h e b e h a v i o r o f t h e s i n g l e - l o o p c o n tr o l l e r . t h e s i n g l e - l o o p c o n tr o l l e r w a s m o s t l y m a d e u p o f t h e 5 1 s e r i e s m i c r o c o n tr o l l e r a n d e x t e rn a l c i r c u i t i n c lu d e d t w o m a j o r f u n c t i o n a l m o d u l e s , n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n s m o d u l e a n d d i g i t a l a n d d i g i t al m o d u l e . t h i s a r t i c l e f o c u s e d o n t h e h a r d w a r e d e s i g n a n d s o ft w a r e p r o g r a m m i n g .h a r d w a r e d e s i g n c o v e r e d t h e m a i n f e a t u r e s o f t h e i n t e g r a t e d c i r c u i t c h i p , t h e u s e o f t h e m , s c h d i a g r a m. f o r m a n d t h e c o r r e s p o n d i n g i n t e r f a c e c i r c u it . a l i k e , t h e t r a n s p l a n t o f e m b e d d e d o p e r a t i n g s y s t e m p c / o s - i i , t c p / i p s tr e a m l i n i n g a n d t r a n s p l a n t a t i o n , t h e s e r v e r a n d t e r m i n a l a p p l i c a t i o n s a m o n g c o n tr o ll e r a n d p c s y s t e m , a n d p i d c o n t r o l al g o r i t h m h a v e in tr o d u c e d i n t h e s o ft w a r e d e v e l o p m e n t . a ft e r t h e c o r e m o d u l e d e s i g n h a s c o m p l e t e d , t h e a r t i c l e m a d e t h e e x p e r i m e n t a l v e ri fi c a t i o n f o r t h e n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n s f u n c t i o n s a n d g iv e d t h e e x p e r i m e n t al r e s u l t s a n d t h e r e l e v a n t a n al y s i s . k e y w o r d : t c p / i p t e a c h i n g - p u r p o s e d s i n g l e - l o o p c o n tr o l l e r p c / o s - i i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下 各项内 容:按照学校要求提交学位论文的印 刷本和电 子版本;学校有权保存学 位论文的印刷本和电 子版， 并采用影印、缩印、扫描、数字 化或其它手 段保存 论文;学校有权提供 目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版;在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术 活动 。 学位论文作者签名: 年月日 经指导教师同意， 本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间: 年月 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内部5 年 ( 最长5 年，可少于5 年) 秘 密 1 0 年( 最 长 1 0 年 ， 可 少 于1 。 年 ) 机密2 0 年 ( 最长 2 0年，可少于 2 0年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 进行 研究工作所取得的 成果。 除文中已 经注明引用的内 容外， 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 己公开发表或者没有公开发表的 作品的内 容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体， 均己 在文中以明 确方式标明。 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担 。 学位论文作者签名: 年月日 第一章 绪 论 第一章绪论 随着计算机技术、网络技术以及微电 子技术的迅速发展，现有的 i n t e r n e t 技术与测控技术相结合而出现的基于交换式连接的以太网分布式测控网络系统 正在逐渐代替传统的基于串口通讯的主从式测控网络系统。在这种测控系统中， 现场测控单元具备 i n t e r n e t通信功能， 成为网络中的独立节点，可直接将现场 测控数据送上网， 用户可以对各测控节点直接进行监控和管理。 为了适应技术发展需要，有必要将这种测控系统向学生进行教学。本论文 的基于t c p / i p 协议通讯的教学型单回路控制器系统， 即为此而进行研究与设计。 第一节基于交换式连接的以太网分布式测控网络系统 1 . 1 . 1基干交换式连接的以太网分布式测控网络系统简介 基于交换式连接的以太网分布式测控网络系统是随着当今网络技术的发展 而出现的新的测控技术发展方向，以太网作为工业控制总线的优越性和可行性 主要表现为: ( 1 )以 太网可以 满足控制系统各个层次的要求， 使企业信息网络与控制网 络 得以统一，几乎每家企业都有具备以太网维护能力的人员，无需再专门学习一 种控制网络，这会大大减轻企业的负担。 ( 2 ) 设备成本低廉。 特别是硬件价格是现场总线无法比 拟的优势，比 如，目 前以太网网卡的价格只有几十元钱，并且安装极为简单。 ( 3 ) 软硬件资源丰富。 人们对以 太网的 设计、 应用、 技术等方面有很多的经 验。大量的软件资源和设计经验会加快系统的开发和推广速度，几乎所有的编 程语言 都支持e t h e m e l 的 应用开发， 如j a v a , v i s u a l c + + , d e p h i 等. ( 4 ) 足够的 带宽， 通信速率高。目 前以 太网 的 通信速率为i o m , l o o m ， 快 速以太网也开始广泛应用，1 0 0 0 m 以太网技术也己经成熟，i o g以太网也正在 研究。其速率比目 前的现场总线快得多。 ( 5 ) 网络通信的可靠性. t c p 协议是一种面向连接的， 可靠的传输层协议。 t c p协议向应用层用户提供可靠性，全双工的数据流传输，通信时，在两个通 第一章 绪 论 信应用进程之间可建立一条传输连接，可实现顺序、无差错、不重复和无报文 丢失的流传输。基于t c p协议编写的通信程序可以很好的满足分步式实时测控 系统中对数据传输稳定、实时的要求。 ( 7 )可针对不同需要，采用多样的传输介质。在不加中继器的情况下，采 用超五类双绞线可以 达到1 0 0 米的有效通信距离。 采用同轴电缆可达到4 0 0 -5 0 0 米的有效通信，而现在普遍采用的单模光纤的通信距离可达到3 0 公里。而所有 的传输介质均有通信容量大， 抗干扰能力强的特点。可以根据实际情况，结合 采用这几种传输介质，达到经济性与测控质量的统一。 可以看出，基于交换式连接的以太网分布式测控网络系统具有明显的优势， 使其能够完全胜任控制系统中对实时性、可靠性的高要求，应该是未来控制网 络的最佳解决方案。 1 . 1 . 2交换式连接的以太网分布式测控网络系统体系结构 交换式连接的以太网分布式测控网络系统体系结构如下图: 图1 . 1 以太网分布侧控网 络系统体系结构图 1 . 2 . 3 交换式连接的以太网分布测控网络系统主要模块 由图 1 . 1可以看出，交换式连接的以太网分布式测控网络系统主要可分为 四大模块: . 测控中心 第一章 绪 论 令 计算机网络 今 现场测控单元 令 测控对象 其中测控中心是测控网络系统的核心与指挥部，它可以 有 e t h e r n e t网络内 部的计算机或者工 n t e r n e t 上任意计算机与相关的业务节点组成。主要完成测控 任务的发起和组织，达到对测控数据的实时监控与保存;现场测控单元主要完 成对现场测控对象的测试与控制，并利用网络与测控中心进行数据通信。 论文基于实验室环境， 设计并实现了一个完整的交换式连接的以太网分布式 测控网络系统。 其中，测控中心由p c 机组成。计算机网络为实验室的以太局域 网，现场测控单元为论文中主要进行设计的单回路控制器，测控对象为符合二 阶传递特征的模拟电路。 第二节主要工作及论文导读 论文主要针对所提出的单回路控制器系统的硬件、软件核心模块进行了研 究与设计，并对系统进行了相关的实验。 主要完成的工作有: 1 .单回路控制器硬件电路的设计与及实现。 令 认真阅读单片机的技术资料，了解芯片的外围电路，分析芯片的接口、 地址分配与相互之间的引脚连接。 今 绘制s c h 图、p c b 图。 2 .实现了嵌入式操作系统u c / o s - i i 在5 1 系列单片机w 7 8 e 5 1 6 b 上的 移植 . 在p c 机和单片机上编程， 进行了基于u c / o s - i i 的多任务控制、消息邮 箱、消息队列、内存管理等实验。 令 实现了u c / o s - i i 在w 7 8 e 5 1 6 b 上的移植，且对移植结果进行编程测试。 3 .简化t c p / i p 协议栈并实现对太网控制芯片r t l 8 0 1 9 a s 的读写控制 . 对t c p / i p 协议做了较为深入分析，并做了相关网络通信实验。 . 依据要实现的具体功能并结合单片机的特点， 进行协议简化， 使协议与 u c / o s - i i 操作系统相结合并在单片机上进行了固化。实现了a r p , i p , i c m p 和 t c p四 个基本协议，并结合以 太网控制芯片r t l 8 0 1 9 a s 的读写 控制要求，检验协议的实现情况。 第一章 绪 论 4 . 编程实现了pc上位机端和单回路控制器端网 络通信应用程序， p i d 算法 程序，串口 在线下载程序( 支持* . b i n , * . h e x文件) 以 及其它相关的测试和调试 程序。 5 . 对系统进行了相关的实验。 主要对p c 上位机与单回路控制器网络通信进 行实验，给出了实验结果并进行了分析与改进。 论文内容结构安排如下: 第一章绪论部分，对基于交换式连接的以太网分布式测控网络系统进行 简介。并对所设计的符合这种测控网络系统模型并实现其基本功能的单回路控 制器系统进行简介。 第二章 单回路控制器的硬件设计， 给出了 本文设计的单回路控制器原理框 图，并主要对单片机w 7 8 e 5 1 6 b 、网络接口 芯片r t l 8 0 1 9 a s 等主要芯片的特点与 功能以及相关接口电路进行了介绍。 第三章 单回路控制器软件设计，对u c / o s - i i 进行了介绍，讲述了其特点、 内核结构，并将其移植到系统的单片机中，重点讲述了 移植过程。 第四章 单回路控制器中实现网络通信功能的程序介绍。参照t c p / i p 协议 分层模型和单回路控制器所要完成的基本功能对 t c p / i p协议进行了分析和移 植，介绍了a r p 地址解析协议的实现，i p 网际互联协议的实现，i c m p 网络控制 报文协议的实现，t c p 传输控制协议的实现，测控网络中p c 上位机与单回路控 制器网络通信握手协议的制定及实现，网络通信应用层程序的实现。 第五章单回路控制器中与控制系统相关内容介绍。重点介绍单回路控制 器中 p i d控制算法的具体程序实现，介绍受控对象的电路图及电 路的二阶传递 特征的推导。 第六章系统相关实验与分析，主要对单回路控制器与p c 上位机之间进行 网络通信进行实验。 第七章总结与展望，对本文所作的研究工作进行了总结，并对后续改进 进行了展望。 第二章单回路控制器硬件设计 第二章 单回路控制器硬件设计 硬件系统的实现是单回路控制器实现整个系统功能的基础。单回路控制器 基于5 1 系列单片机并嵌入实时操作系统” c / o s - i i ， 采用r t l 8 0 1 9 a s 以 太网 控制 芯片，封装 t c p / i p 协议栈。实现单回路控制器与 p c 上位机通过以太网双向通 信，实时传输相关数据，协调工作，达成对受控对象的完全控制的目的。本章 首先介绍单回路控制器与 p c上位机利用以太网进行数据传输的解决方案 而后 给出了 本文设计的单回路控制器原理框图，并介绍了单片机 w 7 8 e 5 1 6 b 、网 络接 口 芯片等一些主要的芯片相关特点与功能，并重点对单片机的主要特点 i s p功 能进行了叙述。最后，给出了单回路控制器电路各功能模块的相关电路原理图。 第一节 单回路控制器硬件方案 单回路控制器与 p c上位机利用以太网进行数据传输存在以下两种解决万 案: 1 .使用协议芯片 这个方案是由相关硬件电路及固化了t c p / i p 协议的芯片组成。但对硬件协 议芯片的开发需要购买专门的开发工具，这增加了硬件成本，同时设计者还必 须熟悉 t c p / e p协议和相关接口，软件设计复杂，工作量大。另外由于 t c p / i p 协议实现比较复杂，没有一个专用芯片会实现所有的协议组，所以这些 t c p / i p 专用芯片都有各自的局限性，并不一定符合用户的具体要求。 3 .微控制器十 网络芯片 采用微控制器结合通用的网络接口 芯片的实现方案。本控制器将根据需求 而裁剪过的叫/ o s - i i 实时 操作系统 程序和t c p / i p 协议栈及其它应用程序固 化到 微控制器，实现对受控对象的控制，实现对网络接口 芯片进行控制和通信，从 而很容易实现利用以太网进行数据帧的传输。这是本设计所采用的方案。该方 案优点是硬件结构简单、 成本较低， 单片机所具有的i s p ( i n s y s t e m p r o g r a m m i n g ) 下载功能使固化程序根据需求简单实现，并易于扩展，可以很方便改变控制器 的功能。 第二章单回路控制器硬件设计 第二节单回路控制器硬件原理框图 2 . 2 . 1 原理框图 控制器原理框图如图2 . 1 所示: 图2 . 1 控制器原理框图 其中单片机 w7 8 e 5 1 6 b的 p o口分别与 r t l 8 0 1 9 a s网卡芯片的数据端口 s d o - s d 7 , 3 2 k s r a m 的数据端口 d o - d 7 , e p m3 0 3 2 a t c 4 4 一 的数据端口 d o - d 7 相连。w7 8 e 5 1 6 b为1 6 位地址总线， 可寻址6 4 k空间， p o 口 为8 位数 据总线和低8 位地址线进行复用，p 2口产生高8 位地址。其中，低 8 位地址经 由地址锁存器 7 4 l s 3 7 3( 在 e mp 3 0 3 2 a t c 4 4 - 4里生成)锁存生成。 在 e m p 3 0 3 2 a t c 4 4 - 4 里生成的与、 或门 逻辑电路产生r t l 8 0 1 9 a s 网 络芯片片选信 号和a / d , d / a电路端口 地址。 其中， r t l 8 0 1 9 a s 的基地址为0 x 8 0 0 0 , w2 4 2 5 7 的基地址为 0 x 0 0 0 , a d c 0 8 0 9的端口地址为 o x c o o o , d a c 8 0 3 2的端口地址为 o x c 0 1 0 ，具体的电路原理图参考本章第三节中原理图。 第二章单回路控制器硬件设计 2 . 2 . 2 w 7 8 e 5 1 6 8 单片机概述 w7 8 e 5 1 6 b 是由w i n b o u n d 公司出品的基于5 2 内核的高性能8 位微控制器，内 部含有在系统可编程的 m t p ( m u l t i - t im e p r o g r a m n i n g ) r o m， 用于系统更新， w7 8 e 5 1 6 b 与标准的8 0 5 2 完全兼容， 其主要特点为: . 全静态设计， 最高工作频率为4 0 mh z。 令 6 4 k b 并带i s p 功能的 f l a s h e p r o m ， 用来存储应用程序 ( a p r o m) . . 4 k b 的辅助r o m，用来存储装载程序 ( l d r o m) . 令 5 1 2 字节的片内暂存r a m， 可分成2 个存储单元， 2 5 6 字节高速暂存和2 5 6 字节辅存，可由程序选择。 . 程序存储器和数据存储器可寻址空间范围为6 4 k b . . 4 个8 位双向口: p o - p 3 , 1 个4 位双向多用途编程口 p 4 . . 3 个1 6 位的定时器/ 计数器。 . 具有一个全双工串 行口。 . 具有6 个中断源和2 级中断能力。 今 内部电 源管理:空闲方式和掉电方式。 . 具有编程后的编码保护功能。 2 . 2 . 3 w 7 8 e 5 1 6 b 单片机 i s p 介绍 i s p ( i n s y s t e m p r o g r a m m i n g ) 技术是指， 在用户设计的目 标系统中 或印 刷 电路板上，为重新配置逻辑或实现新的功能，而对器件进行编程或反复编程的 能力。 i s p 技术无需编程器和较高的编程电压， 打破了先编程后装配的惯例， 形 成产品后还可以在系统内反复编程，使具有 m t p - r o m可多次编程或反复编程的 微控制器的优越性得以更充分的发挥。在当前的互联网时代，依据系统环境和 需要，经调制解调装置 ( m o d e m ) 、串行口或专用的编程接口就能够通过软件控 制，实现系统远程升级和调试，提高产品的适应性，延长产品生存周期，经济 效益显著。 w 7 8 e 5 1 6 b 单片机最为显著的功能是具有 i s p 功能，在i s p 模式，运 行位于4 k字节辅助r o m中的程序通过相应的接口 去更新位于6 4 k主r o m中的 主程序内容。单回路控制器是利用串口 实现了 工 s p功能，当然在实际应用中， 也可能采用其它接口 实现i s p . 1 . w 7 8 e 5 1 6 b 单片机i s p 特点: 第二章单回路控制器硬件设计 数据写入到r t l 8 0 1 9 a s 的片内s r a m内，再送至以太网。 2 . e m p 3 0 3 2 a t c 4 4 - 4 为a l t e r a 公司的复杂可编程逻辑器件c p l d 。 其中 含逻 辑块a 和逻辑块b ， 共有3 3 个可编程单元。 c p l d 主要是基于eepro m 编程， 编程次数可达 1万次， 优点是系统断电时编程信息也不丢失。控制器所采用的 e m p 3 0 3 2 a t c 4 4 - 4 ， 在其中生成7 4 a c 3 7 3 逻辑，用于锁存低8 位地址; 生成与或门 逻辑， 用于给 r t l 8 0 1 9 a s 赋予基地址，给a d c 0 8 0 9 和d a c 8 0 3 2 赋予端口 地址， 生成两个d 触发器集联， 用于将晶 振频率 1 . 8 4 3 2 m h z 四分频， 提供a d c 0 8 0 9 工 作频率。 4 . l t o 1 - 2 0 0 6 d 为网络隔离变压器， 是一种祸合器件， 可以 把网络接口 芯片 的信号通过电磁场的转换祸合到以太网上，用祸合的方式就避免了与外界的直 接连接，可以防止电磁感应 ( 如打雷)和静电，起到了保护作用，同时也通过 线圈祸合滤波以增强信号。 5 .单回路控制器共用了三个晶振，第一个频率是 2 0 . 0 0 0 m h z ，用于 r t l 8 0 1 9 a s的工作;第二个是 3 2 . 7 6 8 m h z ，用于单片机 w 7 8 e 5 1 6 b的正常工作， 第三个频率是 1 . 8 4 3 2 m h z ，经四分频后，用于提供a d c 0 8 0 9的工作频率; 。对外 有一个串口用于 i s p 。对外还暴露r j 4 5 接口，从而使控制器成为以太网上的一 个节点。 提供三种工作电 压: 5 v为控制器各元器件的 工作电 压; + 1 2 v , - 1 2 v在 a d c 0 8 0 9和 d a c 0 8 3 2构成的 a / d和 d / a信号转换电路中使用;3 . 3 v为 e m p 3 0 3 2 a t c 4 4 - 4的工作电压。 第二章单回路控制器硬件设计 第三节 单回路控制器电路功能模块简介 单回路控制器电路主要有w 7 8 e 5 1 6 b及周边电路模块; 用于w 7 8 e 5 1 6 8在线 编程串行口接口电路模块; r t l 8 0 1 9 a s 及周边电路模块;以太网r j 4 5 接口电路模 块; r a m w 2 4 2 5 7 及周边电路模块: a d 电路模块; d a电路模块; e m p 3 0 3 2 a t c 4 4 - 4 电路模块; +1 2 v 、 - 1 2 v , + 5 v 输入电源电路模块; + 5 v电 源转+ 3 . 3 v电源电路模 块。 1 . w 7 8 e 5 1 6 b 及周边电路模块 w 7 8 e 5 1 6 b 及周边电 路模块电 路图如图2 . 5所示: 图2 . 5 w 7 8 e 5 1 6 b 及周边电路模块 其中， w 7 8 e 5 1 6 b的p o 端口 用于8 位数据总线与低 8 位地址线的复用。p 2 端口为高8 位地址总线。p 2 . 6 , p 2 . 7 与r s t引脚配合使用，应用于 i s p 编程。 p 3 . 。和p 3 . 1 为w 7 8 e 5 1 6 b 提供的 进行串口 通信的引 脚， 在单回 路控制器中 与在 线编程串行口 接口电路模块中的相应引脚相连， 进行 i s p在线编程。晶振提供 t 3 2 . 7 6 8 m h z 的工作频率。 2 . 用于w 7 8 e 5 1 6 b 在线编程串行口 接口电路模块 第二章单回路控制器硬件设计 用于w 7 8 e 5 1 6 b 在线编程串行口接口电路模块电路图如图2 . 6所示: 理序下健 图2 . 6 用于w 7 8 e 5 1 阳在线编程串行口接口电路模块 改电路模块用于对w7 8 e 5 1 6 b进行i s p编程。9 脚d型插头通过数据线与 p c上位机串口 相连， m a x 2 3 2 c p e的t i in引脚 ( t x d i 信号)和r i o u t引脚 ( r x d i 信号)直接与w7 8 e 5 1 6 b的p 3 . 0和p 3 . 1 相连。 2 . r t l 8 0 1 9 a s 及周边电路模块 r t l 8 0 1 9 a s 及周边电路模块电路图如图2 . 7所示: 图2 . 7 r t l 8 0 1 9 a s 及周边电路模块 第二章单回路控制器硬件设计 其中，r t l 8 0 1 9 a s 的p 3 4 a e n 接入来自e m p 3 0 3 2 a t c -4 4 的r t l c s 信号，作 为片选。当地址信号a 1 5 , a 1 4 等于1 , 0 时信号r t l c s 有效，规定r t l 8 0 1 9 a s 的 基地址为0 x 8 0 0 0 . p 3 6 ( s d o ) - p 4 3 ( s d 7 ) 分别接d o -d 7 8 位数据线， p 9 5 ( s d 8 ) - p 8 7 ( s d 1 5 ) 等高8 位双向 数 据传输引 脚悬空。 p 5 ( s a o ) 连地址线a 8 , p 7 ( s a l ) 连a 9 , p 8 8 ( s a 2 ) 连a 1 0 , p 9 ( s a 3 ) 连a l l , p 1 0 ( s a 4 ) 连a 1 2 ， 共5 位地址线，对应r t l 8 0 1 9 a s 内3 2 个寄存器单元。 r t l 8 0 1 9 a s的工作频率为 2 0 mhz . 4 .以太网r j 4 5 接口电路模块 以太网r j 4 5 接口电路模块电路图如图2 . 8所示: 图2 . 8以太网j45接口电路模块 其中r j 4 5 接口 按1 0 / 1 0 0 b a s e 一 标准。 定义接口 信号， 以及网线连接头信号 安排如下: r j - 4 5 的接头实现了网卡和网线的连接。 它里面有8 个铜片可以 和网线中的 4 对双绞( 8 根) 线对应连接。 其中l o o m的网络中 p 1 t x 十 t r a n c e i v e d a t a 十 ( 发 信号 +) p 2 t x - t r a n c e i v e d a t a - ( 发信号 一 ) p 3 r x + r e c e i v e d a t a 十 ( 收信号+) p 4 n / c n o t c o n n e c t e d ( 空脚) 第二章单回路控制器硬件设计 p 5 n / c n o t c o n n e c t e d ( 空脚) p 6 r x - r e c e i v e d a t a - ( 收信号一 ) p 7 n / c n o t c o n n e c t e d ( 空脚) p 8 n / c n o t c o n n e c t e d ( 空脚) r j 4 5接口 采用差分传输方式，t x 十 、t x 一 是一对双绞线，拧在一起可以 减 少干扰。同理于r x + 和r x 一 信号。引脚p i , p 2 用于输出数据，引脚p 3 , p 6 用 于接收数据。 p 1 , p 2 之间是一对差分信号，即它们的 波形一样，但是相位相差 1 8 0 度，同一时刻的电 压幅度互为正负。 这样的信号可以传递的更远， 抗干扰能 力强。同样，p 3 , p 6 也是差分信号。 p 1 , p 2 , p 3 , p 6接入的两对差分信号经隔离器件 l t o 1 - 2 0 0 6 d后，形成 t p o u t + , t p o u t -, t p in+, t p in一等信号端分别与r t l 8 0 1 9 a s的引脚p 4 5 , p 4 6 , p 5 9 , p 5 8 相连， 做为r t l 8 0 1 9 a s 的输入和输出 数据信号。 5 . r a m w 2 4 2 5 7 及周边电 路模块 r a m w 2 4 2 5 7 及周边电路模块电路图如图2 . 9所示: 图2 . 9 r a m w 2 4 2 5 7 及周边电 路模块 因为w7 8 e 5 1 6 b拥有 1 6 位地址总线， 可寻址空间为6 4 k , 而在w7 8 e 5 1 6 b 第二章单回路控制器硬件设计 内部仅有5 1 2 b的r a m区， 所以 采用具有3 2 k地址空间的r a m芯片w2 4 2 5 7 a s 做为单回路控制器的r a m。 地址空间范围为0 x 0 0 0 0 -o x 7 f。 地址总线a 1 4 - a o 用于片内寻址， a 1 5 做为片选信号，等于0 时有效。 6 . a / d 电路模块 a / d电路模块电路图如图2 . 1 0所示: 图2 . 1 0 a / d 电路模块 该电路模块为a / d转化电路模块， 用于采样模拟受控信号。 其中将a d d - a , a d d - b , a d d - c均接地， 只选择i n - 0 口 有效， 输入受控信号。 设计采用定时法 读 a / d转换数的接口，只使用了一个端口，地址为 o x c 0 0 0 。芯片工作频率为 5 0 0 k h z , a / d转化时间为1 2 8 ju s o 声 a 班刊 st 启r下 柳真砂 a 1 5a 1 4 图2 . 1 1 a / d 模块的 端口 地址及控制信号生成图 图2 . 1 1 为在 m p 3 0 3 2 a t c 4 4 一 内 部关于a d 模块的 端口 地址及控制信号生成 图。图中输入端a 1 5 , a 1 4 , r d , w r 来自w 7 8 e 5 1 6 b的相应引脚，输出端a d e n , s t a r t 与a d c 0 8 0 9 的相应引脚相连，如图2 . 1 0 所示。 第二章单回路控制器硬件设计 7 . d / 电路模块 d / a电路模块电路图如图2 . 1 2所示: 图2 . 1 2 d / a电 路模块 该电路模块为d / a转化电 路模块，用于将经p m算法生成的控制量转化为 模拟控制信号输出。 如下图 所示， 在e m p 3 0 3 2 a t c - 4 4 中生成d a c s 接d a c 0 8 3 2 的片选c s引脚，帮端口 地址为o x c o l o o 图2 . 1 3 d / a 模块端口地址生成图 8 . e m p 3 0 3 2 a t c 4 4 - 4电路模块 第二章单回路控制器硬件设计 e n t3 0 3 2 a t c 4 4 - 4 电路模块电路图如图2 . 1 4所示: lp.1口卜 .!f 一0冬 创引八目日 1翻1 1f 日 口口尘口名 -目q扫口压名1 月己以卜匕急目 口砍洲尾门目e七蔺 m狱他侧 哪咖即即视翩 ql 口曰 g 口 q一 ql q一 q一 g e- 日 加加功毋功功山 图2 . 1 4 e m p 3 0 3 2 a t c 4 4 - 4 电路模块 控制器所采用的e m p 3 0 3 2 a t c 4 4 - 4 ，在其中生成7 4 a c 3 7 3 逻辑，用于锁存低 8 位地址; 生成与或门逻辑， 用于给r t l 8 0 1 9 a s 赋予基地址， 给a d c 0 8 0 9 和d a c 8 0 3 2 赋予端口 地址，生成两个d 触发器集联，用于将晶振频率1 . 8 4 3 2 m h z 四分频， 提供a d c 0 8 0 9 工作频率。需要提醒的是该芯片的工作电压为3 . 3 v ，它的1 / 0 引 脚可适应于5 . 5 v , 3 . 3 v 和2 . 5 v的逻辑电信号。 第三章 嵌入式操作系统“ c / o s - ii概述 第三章 嵌入式操作系统u c / o s - i i 概述 k c / o s 是由j e a n j . l a b r o s s e 于1 9 9 2 年编写的 一 个嵌入式多 任务实时 操作 系 统， 在1 9 9 9 年 推出了“ c / o s - ii ， 是目 前源码开 放的 嵌入式操作系统中比 较有 名的一种，它结构精练，内 核小巧，适合在各类8 位、1 6 位、3 2 位处理器上运 行。 且g c / o s - i i 在2 0 0 0 年己 经得 到美国 联邦航空管理局 对用于商用飞 机的、 符 合r t c a d o - 1 7 8 b 标准的 认证， 证明了四/ o s - ii 具有足够的 稳定 性和安全 性。 本章结合单回 路 控制器上的 单片 机w 7 8 e 5 1 6 b 对g c / o s - i i 进 行了 移植。 先 是 对“ c / o s - i i 进行了 介绍， 讲 述了 其 特点、内 核结构，文 件结构， 而后重点对 移植工作中要改写的4 个主要文件相关进行了说明，即配置文件o s 一f g . h 、汇 编文件o s es c p u es a . a s m 、与处理器相关的c 语言文件o s c p u . h 和o s ee c p u ee c . c . 第一节 g c / o s - i i 筒介 1 .嵌入式实时操作系统与普通操作系统的区别 由于嵌入式实时操作系统的硬件特点、应用环境及开发手段的特殊性，使 得它与普通的操作系统有很大的不同。主要表现在: . 实时性:嵌入式实时操作系统最主要的功能是保证系统及时响应外部 事件的请求，并能及时控制所有实时设备与实时任务协调运行。 . 微型化: 嵌入式实时操作系统运行的硬件芯片环境内部存储器容量通常 不会很大 ( 1 m b以内 ) ， 一 般也不 配置 外存， 加上外部设备的多 样化， 是 不允许嵌入式实时操作系统占用较多的资源， 所以在保证应用功能的前 提下，嵌入式实时操作系统的规模越小越好。 . 可裁剪性: 嵌入式实时操作系统运行的硬件平台多种多样， 其宿主对象 更是五花八门， 这样就要求嵌入式实时操作系统中提供的各个功能模块 可以让用户根据需要选择使用，即要求它具有良好的可裁剪性。 今 易移植性: 为了适应多种多样的硬件平台， 嵌入式实时操作系统应可在 不做大量修改的情况下稳定运行于不同的平台。 2 .嵌入式实时操作系统工作的条件 第三章 嵌入式操作系统” c / o s - i i 概述 嵌入式实时操作系统的应用场合主要是对设备和装置进行控制，系统是否 能及时快速地响应外部事件，常常是对系统的第一要求。因此，对于一个嵌入 式实时操作系统，其工作除了在一定的硬件条件下，其它应满足以下三个条件: . 嵌入式实时操作系统必须是多任务系统; . 任务的切换时间应与系统中的任务数无关; . 中断延时的时间可预知并尽可能的短。 3 . k c / o s - i i 的 特点 . 开 放的 源 代 码: 这是 四/ o s - i i 最吸引 人的 地方， 使得 使用者可以 清楚 地了解操作系统的各方面的设计细节， 通过自己动手修改源代码， 来构 造完全适合自 己应用需求的操作系统环境。 . 可固化性; 固化是指将应用程序的代码写入r o m等非挥发的存储介质， 完成系统独立启动和运行等功能。 所以只要使用者运用固化的手段， 可 将编译、 连接定 位后的 代码， 下载并 写到 有关的 存储介质中， 以w c / o s - i i 为操作系统环境编写的应用程序就可以 嵌入到使用者开发的产品中， 成 为其产品的一部分。 . 可裁剪性: g c / o s - ii 除了 对代码进行裁剪以 去掉与应用系统无关的 系统 功能外，也可以靠条件编译来实现，即在用户程序中用# d e f m e常量语 句来定义哪些是应用程序需要的， 哪些是不需要的， 从而实现系统的裁 剪。 . 抢先式: a c / o s 一是一个完全抢先式的内 核， 即总是切换就绪状态下的 优先级最高的任务进入运行状态。 . 多 任务: ti c / o s - i i 可管理最多达6 4 个任务， 其中 有8 个任务为系统所 用，每个任务赋予不同的优先级。 . 可确定性: 所有” c / o s - i i 的函 数调用与服务的 执行时间 是可知的。 . 任务 栈: 每 个任务有自 己的 独立栈， w c / o s - i i 允 许每个任务有不同的 栈 空间， 以 减少 应用程序 对r a m的 需求， 如果 使用p c / o s - i i 的 栈空间校 验函数，还可以确定每个任务到底需要多少栈空间。 令 系统服务: tt c / o s - i i 提供很多系统服务， 如: 邮箱、 消息队列、 信号灯、 内存申请与释放、时间相关函数等。 今 中断管理: 中断可以使正在执行的任务暂时挂起。 如果优先级更任务被 一个中断唤醒， 则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行，中 第三章 嵌入式操