（通信与信息系统专业论文）嵌入式动态汽车称重系统的设计与应用.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本文以高速公路收费站不停车收费项目为背景，研制和开发了基于r t o s 的 嵌入式动态汽车称重系统，实现了我们对系统实时性、高精度和高可靠性的要求。 本文首先分析了目前国内外动态汽车称重技术现状的基础上，根据我们对高 速公路不停车收费环境实时性和高精度的要求，提出了以a r m 嵌入式系统作为我 们的动态汽车称重系统，考虑到系统应用复杂性的增加会降低系统软件运行的可 靠性，所以我们引入了实时操作系统r t o s ，大大降低系统开发调试的复杂性，提高 系统的可维护性、可靠性。 其次，综述了嵌入式系统和实时操作系统的应用现状及最新进展，并介绍了 蓝牙无线通信协议，我们根据动态汽车称重系统的要求，选择了合适的嵌入式处 理器、实时操作系统和蓝牙无线通信模块，设计了基于r t o s 的a r m 嵌入式动态汽 车称重系统的软硬件。 我们现场测试了系统的稳定性和精度，采取了防雷、抗电磁干扰等措施，针 对现场环境的特点，在下位机和上位机分别设立数据缓冲队列，保存测试处理后 的数据拷贝，能在系统一方掉电或设备复位后不丢失已测车辆的数据信息。此外， 为了便于第三方的收费软件调用车辆数据，我们设计了上位机d l l 动态库程序， 提供相关的函数接口，保证第三方软件能够正确获取车辆相关数据。 最后，将设计的嵌入式a r m 动态汽车称重系统应用于高速公路收费站，系统 的精度、实时性、稳定性满足现场环境的要求。同时叙述了一种系统数据处理算 法，及其在高速公路收费站运行的处理精度。 关键词：r t o s ；a r m ；动态称重；蓝牙；参数估计 a b s t r a c t b a s e do nt h ep r o j e c to fe l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o no nt h eh i g h w a yt o l ls t a t i o n , t h i s p a p e rp l a c e st h ee m p h a s i so nr & d o ft h ew e i g hi nm o t i o ns y s t e mo fv e h i c l ew i t ha r m p r o c e s s o ra n dr t o s ，w h i c hc a n r e a c ht h er e q u i r e m e n to fr e a l t i m e , h i g h - p r e c i s i o na n d h i g h r e l i a b i l i t y f i r s t ，w ed e v o t e do u r s e l v e st ot h ea n a l y s i so ft h ec u r r e n ts t a t u so ft h ew e i g hi n m o t i o nt e c h n o l o g ya th o m ea n da b m a d t h e nt h ea r me m b e d d e ds y s t e mi sp u tf o r w a r d a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t b u tt h er e l i a b i l i t yo fs o f t w a r ew i l ld e t e r i o r a t ew i t ht h e i n c r e a s ec o m p l e x i t yo fs y s t e m u s i n gt h er e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e mc a l lr e d u c et h e c o m p l e x i t yo fd e b u gp r o c e s sa n di m p r o v e t h em a i n t e n a n c ea n dr e l i a b i l i t y s e c o n d ，t h ea p p l i c a t i o ns t a t u sa n df u t u r eo fe m b e d d e ds y s t e m , r e a lt i m eo p e r a t i o n s y s t e ma n db l u e t o o t hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sp r o t o c o l a r es u m m a r i z e d a f t e rt h e p r o p e re m b e d d e da r m ，r t o sa n db l u e t o o t hm o d u l ea r es e l e c t e da c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n to ft h ew e i g hi nm o t i o n ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fe m b e d d e ds y s t e ma r e n a r r a t e di nd e t a i l w et e s t e dt h es t a b i l i t ya n dt h ep r e c i s i o no ft h ew i ms y s t e mo i lt h es p o ta n dm a d e s o m em e a s u r e sl i k el i g h t e n i n g p r o t e c t i o n , a n t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n ds o0 1 1 e s p e c i a l l y , a 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 h eh i g h w a ys t a t i o ne n v i r o n m e n t ，w e s e t u pt h ed a t ab u f f e rs e p a r a t e l yi nt h el o w e ra n dt h eh i g h e rp o s i t i o nm a c h i n e s ，w h i c hc a n s t o r et h ev e h i c l ed a t a t h ed a t ac a nb ek e p ta f t e rp o w e rc u t so re q u i p m e n tr e s e t s m o r e o v e r , w ed e s i g n e d t h e d y n a m i cl i n kl i b r a r y t o p r o v i d e t h e a p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n gi n t e r f a c ef o rt h et h i r d p a r t ys o f t w a r e f i n a l l y , t h i se m b e d d e da r ms y s t e mi sa p p l i e di nt h ew e i g hi nm o t i o ns y s t e mo n t h eh i g h w a yt o l ls t a t i o n i ti s r e a l - t i m e ，h i g h l ys t a b l ea n dr e l i a b l e i n p r a c t i c e s i m u l t a n e o u s l y , ap r a c t i c a l ，c o m p l e t ed a t a p r o c e s s i n ga l g o r i t h ma n di t sn m n i n gr e s u l t s a r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r k e y w o r d ：r t o s ，a r m ，w e i g h i n - m o t i o n ，b l u et o o t h ，p a r a m e t e re s t i m a t i o n 2 r t o s e o s s o c w i m a p i a r m c i s c 山东大学硕士学位论文 符号说明 实时操作系统( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a tin gs y s t e m ) 片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 动态称重技术( w e i g hi nm o t i o n ) 应用编程接口( a p p li c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 高级r i s c 微处理器( a d v a n c e dr i s cm i c r o p r o c e s s o r ) 复杂指令集计算机 ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) r i s c 精简指令集计算机 ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) i s m 工业、科学和医用频段 ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a lb a n d ) 3 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：室狸 e l期：兰塑! ：茎：兰i 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：童猩导师签名：! 至i 竺垒日期：麴21 兰! 三| l 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 1 1 1 动态汽车称重系统的研究背景 近年来，我国道路运输车辆超限超载现象极为普遍，在一些地区，几乎所有 的货运车辆都存在不同程度的超限超载行为。尽管有关部门和地方先后开展了一 系列治理工作，取得了一定成效，但由于超限超载涉及面广，治理难度大，加之 利益驱动，特别是源头问题没有得到有效解决，使超限超载成为一个顽症。车辆 超限超载运输对交通安全、运输市场、车辆生产秩序及路桥基础设施造成了极大 危害。 ( 1 ) 诱发了大量道路交通安全事故 据统计，7 0 的道路安全事故是由于车辆超限超载引发的，5 0 的群死群伤性 重特大道路交通事故与超限超载有直接关系，车辆超限超载运输给人民生命财产 造成了巨大损失。 ( 2 ) 严重损坏了路桥基础设施 超限超载车辆的荷载远远超过了公路和桥梁的设计承受荷载，致使路面损坏、 桥梁断裂，正常使用年限大大缩短，不得不提前大修。全国公路每年因车辆超限 超载造成的损失超过3 0 亿元，给国家财产造成了巨额损失。 ( 3 ) 导致了道路运输市场的恶性竞争 以竟相压价承揽货源，以超限超载来获取利润，超载越多，赚的越多，形成 了“压价超限超载运力过剩再超限超载”的恶性循环，正常使用年 限在1 0 年左右的货运车辆2 - 3 年后即破旧不堪。 ( 4 ) 造成车辆“大吨小标 泛滥 为迎合车辆超限超载运输的需求，一些车辆生产厂商竞相生产“大吨小标 汽车，一些车辆改装厂和修理厂也纷纷非法改装车辆，影响了汽车工业的健康发 展。 上述问题说明，车辆超限超载运输造成道路运输市场扭曲，诚信水准下降， 4 山东大学硕士学位论文 严重损害了统一开放、竞争有序的市场秩序，阻碍了现代道路运输市场体系的建 立和完善，也严重危及国家和人民的生命财产安全。道路运输车辆超限超载的危 害性，引起了国家的高度重视。由交通部、公安部、国家发展改革委、国家质检 总局、国家工商总局、国务院法制办、国家安监局等七部委联合制定的关于在 全国开展车辆超限超载治理工作的实施方案已经国务院领导批示同意，由各省 ( 区、市) 人民政府组织实施 1 。在国外，发达国家在公路骨干网上普遍设立了检 测设备对超限现象实施严格管理。目前在全国超限超载治理工作中需要大量的检 测设备，而装有检测设备的高等级公路匝道和收费站并不多，车辆是否超载主要 由交通管理人员凭经验判断，由于缺乏科学性，给管理部门的严格执法带来困难。 或者采用大型地磅秤作为计量设备而造成车辆排队等候称量，使交通堵塞，因此 目前路政管理部门需要一种动态称重系统来规范公路车辆货重检测，从而抑制日 益严重的超载现象。 为了克服以整车方式计量的静态汽车衡称量速度慢、无法提供车辆单轴重量 和轴数、自动化程度低的缺陷，以及顺应市场需求，本文提出开发一种称量速度 快、能够提供完整的车辆行驶信息、自动化程度高的车辆动态称重系统，并将此 车辆动态称重系统作为计重收费系统的核心技术 1 - 1 2 动态称重技术现状及问题的提出 目前，影响动态称重系统计量精度的主要因素是汽车行驶过程中产生的动态 荷载对称重系统的干扰。车辆动态荷载的振动频率在3 , - - , 2 0h z 的低频范围，振幅 变化可达静载的1 0 。传统的动态称重信号处理方法十分简单，常见的有简单平均 法和最大值测量法。前一种方法是选取称量信号中的平稳区段计算其平均值来近 似实际重量，后一种方法是以重量测量过程中的最大值来估计重量的真值，传统 方法的测量误差一般为5 - - 1 5 ，因此，研制高精度的动态称重系统是当务之急。 考虑到动态称重环境的复杂性以及设备的高精度和低成本要求，利用嵌入式 系统组成一个车辆动态称重系统，不仅能够满足系统的可靠性要求，而且能够根 据称重环境的要求进行扩展。 在嵌入式系统开发的运用中，通常要使用各种中断，编制中断服务程序，当 山东大学硕士学位论文 中断要处理的任务很多时，就会导致中断服务程序执行时间过长。这时如果有另 外的中断发生，嵌入式系统就不能及时地进行处理，在这种情况下，可能导致无 法响应一些实时性高的中断。过去一个嵌入式系统应用程序所控制的外设和履行 的任务不多，采取一个主循环和几个顺序调用的子程序模块，即可满足要求。目 前，a r m 微处理器的性能大幅度超过单片机芯片本身的性能，可以满足更复杂的应 用要求，问题在于软件上。随着应用的复杂化，要求c p u 能够实现实时响应、实 时操作。系统需要处理很多任务，而且各个任务之间又有多种信息的传递，这就 会带来两个问题：第一，中断可能得不到实时响应，从而造成系统工作的拥塞。中 段处理时间过长，对于一些工作场合是不允许的。在网络通信方面则会降低系统 整体的信息流量。第二，系统任务多时，要考虑的各种可能性也就很多，各种资 源的调度不当就会发生死锁，降低软件可靠性，而且程序编写工作量就会成指数 增加。 汽车动态称重系统是一个多输入的系统。不仅要不问断实时采集称台数据， 还要兼顾其他辅助传感器接收到的信号，要想有效的测量车辆数据，必须对算法 和数据采集上提出较高的要求，并且需要通过通讯网络与其他设备之间交换实时 数据。同时，对系统的可靠性的要求很高，因为一旦系统出现问题，就会导致高 速公路收费站不能正常运营。 基于以上的分析，从设备的实时性和可靠性出发，本文在嵌入式a r m 系统中 引入实时操作系统( r t o s ) ，由操作系统来控制系统的硬件资源，调度各个任务， 这样可以大大提高系统的可靠性，同时对于过程控制、数据采集、通信等对时间 敏感的场合，可以提高其系统实时性。 另外，汽车动态称重系统能通过数据接口将称重信息传输给车道收费计算机； 此数据接口能满足以下功能： 向车道收费计算机准确传输称重数据；能接收车道收费计算机发出的基本指 令数据并完成相应的动作，如开启或关闭称重系统等。根据山东省高速公路计重 收费系统技术要求，通讯软件接口及通讯协议按以下设计：标准串行通信1 3 ( 包 括c o m l ，c o m 2 ，以及多串口卡串口) 。传输速度 一9 6 0 0 b p s 。 本系统基于现场环境和安装条件的考虑，主要由于在某些已建现场环境中安 装串行线缆和管道施工困难，因此本系统除提供标准u a r t 串行接口外，还采用蓝 6 山东大学硕士学位论文 牙无线通信模块来实现透明的串行数据传输，只需为第三方提供一个蓝牙收发转 接模块和一个动态库d l l 软件即可完成数据传输。降低了施工难度，减少后期维 护的费用。 1 2 本文的主要研究工作及论文安排 本论文的内容安排如下： 第一章首先介绍了目前动态汽车称重系统的研究背景，现状以及不同称重技术 的优缺点，初步提出了把基于r t o s 的嵌入式a r m 系统作为动态汽车称重系统的 实现载体，并通过蓝牙通信模块进行数据通信的思想，以及本文的内容安排。 第二章介绍了嵌入式系统现状和趋势，叙述了嵌入式系统中为什么需要实时操 作系统，以及实时操作系统的现状，论述了以嵌入式a r m 系统作为动态汽车称重 系统的优势。 第三章介绍了蓝牙无线通信协议和无线通信接口，叙述了本系统应用蓝牙技术 的基本协议规范和本系统的双向通信需求，论述了以蓝牙无线通信模块进行数据 通信的优势。 第四章根据动态汽车称重系统的框架结构，设计了适合项目需求的嵌入式系 统，详细介绍了基于r t o s 的嵌入式系统的软硬件设计和蓝牙通信模块的设计。在 本章中同时介绍了该动态汽车称重系统中的数据处理算法。 第五章介绍了嵌入式a r m 系统在动态汽车称重系统中的实现和应用，在收费站 可靠地运行证明了设计思想的可行性，由于在软件的编写中我们引入了实时操作 系统的思想，取得了很好的运行效果。 第六章总结了全文的工作，最后指出了进一步的研究方向。 7 山东大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统及其软件开发平台 2 1 嵌入式系统概述 2 1 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统是现代科学的多学科互相融合的，以应用技术产品为核心，以计 算机技术为基础，以通信技术为载体，以消费类产品为对象，引入各类传感器加 入，引入i n t e r n e t 网络技术的连接，而适应应用环境的产品。嵌入式系统无多余 软件，并且以固化态出现，硬件亦无多余存储器，可靠性高，成本低，体积小， 功耗少的非计算机系统。因此它包含了十分广泛应用的各种不同类型的设备，嵌 入式系统又是知识密集，投资规模大，产品更新换代快，且具有不断创新、不断 发展特征的系统，系统中采用片上系统( s o c 亦称系统芯片) 将是其发展趋势。嵌入 式系统将形成庞大的产业群，屹立于世界之林 2 4 。 2 1 2 嵌入式系统的发展 那些用以控制设备的计算机，或叫嵌入式系统，差不多同计算机本身一样早 地出现在我们的周围。在通信领域中，这些嵌入式系统早在2 0 世纪6 0 年代后期 就被用来控制电话的电子式机械交换并被称为“存储程序控制系统”，“计算机 一词在那时尚不常见；所谓的存储程序是指那些放有程序和路由信息的内存。存储 这些控制逻辑而不是用硬件来实现是在观念上的一种真正突破，现今，我们早认 为这种工作机理是理所当然的了。为适应每一个应用，这些计算机是被定做出来 的，简言之，这些计算机是面向应用的。按今天的标准来看，他们有着奇怪的专 用指令以及与主要计算引擎集成在一起的i 0 设备。现在一提起c p u ，人们首先想 到的无外乎是i n t e l ，a m d ，c y r i x 等耳熟能详的厂商，然而与我们常见的通用型 c p u 不同，一类已广为应用在入们日常生活中的嵌入式c p u 还鲜有人知。其实，小 到手机、大到飞机导航系统，它们都是嵌入式c p u 的用武之地。由于嵌入式系统 一般是包含在更大型的应用系统中，它对该应用系统进行智能化控制，起到核心 作用，因此嵌入式系统通常是不可见的，使用者往往感受不到它的存在。 8 山东大学硕士学位论文 其实，嵌入式c p u 有着悠久的历史，早在七、八十年代就己有四位和八位的 嵌入式c p u 应用于工业控制等专业领域，随着人们对智能控制需求的不断增长， 嵌入式c p u 已发展到了1 6 位乃至功能更强的3 2 位，结构上也从传统的c i s c 发展 到r i s c 结构。针对不同领域的应用，不同厂商的产品有着不同的特点。有的不但 具有完全可以与通用型c p u 相媲美的性能，而且功耗极低，且能使用普通电池供 电，而有的则偏重于集成的能力，将许多外部功能模块都集成到了芯片内部。 与通用型c p u 只有为数不多的厂商争夺市场不同，有着广泛应用的嵌入式c p u 则呈现更为异彩纷呈的景象，目前，世界上仅3 2 位嵌入式c p u 就有1 0 0 种以上， 如果算上那些仍在使用的1 6 位、8 位c p u 则更是不胜枚举。 早期的嵌入式系统没有操作系统，这一阶段的嵌入式系统是以可编程控制器的 形式、以单芯片为核心的系统，同时具有与一些监测、伺服、指示设备相配合的 功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有明显 ，丑 的被称为操作系统( r t o s ) 的支持，而是通过汇编语言编程对系统进行直接控制， 运行结束后清除内存。这一阶段系统的主要特点是系统结构和功能都相对单一， 针对性强，但无操作系统支持，几乎没有用户接口。对很简单的嵌入式系统来说， 这可能己经足够。不过，随着嵌入式系统在复杂性上的增长，一个操作系统显得 重要起来，因为如果没有操作系统，将使软件复杂度变得极不合理。而现实中确 实有一些复杂得令人生畏的嵌入式系统，而且它们之所以变得复杂就因为它们的 设计者坚持认为它们的系统不需要操作系统。 渐渐地，随着微电子技术的不断创新和发展，大规模集成电路的集成度和工艺 水平不断提高，硅材料与人类智慧的结合，生产出大批量的低成本、高可靠性和 高精度的微电子结构模块，在此基础上发展起来的嵌入处理器的性能也大大提高， 同时，应用的日益复杂对嵌入式系统的软件、硬件都提出了更高的要求。许多嵌 入式系统需要被连接到某些网络上，因而，需要在嵌入式系统中有网络协议栈支 持：甚至很多宾馆中的门把手都有一个连接到网络的微处理器。把网络栈添加到一 个仅用控制环来实现的简单嵌入式系统所带来的复杂程度足以唤起人们对一个操 作系统的渴望。 嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行，但为了合理地 调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选 9 山东大学硕士学位论文 配实时多任务操作系统r t o s 开发平台。 r t o s 的引入，解决了嵌入式软件开发标准化的难题。随着嵌入式系统中软件 比重不断上升、应用程序越来越大，对开发人员、应用程序接口、程序档案的组 织管理成为一个大的课题。引入r t o s 相当于引入了一种新的管理模式，对于开发 单位和开发人员都是一个提高。基于r t o s 开发出的程序，具有较高的可移植性， 实现9 0 以上的设备独立，一些成熟的通用程序可以作为专家库函数产品推向社 会。 2 1 3 嵌入式系统的分类 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，目前据不完全统计，全 世界嵌入式处理器的品种总量己经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 几个系列， 其中8 0 5 1 体系的占有多半。生产8 0 5 1 单片机的半导体厂家有2 0 多个，共3 5 0 多 种衍生产品，仅p h ili p s 就有近1 0 0 种。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入 式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间 一般从6 4 k b 到1 6 3 2 m b ，处理速度从0 i m i p s 到2 0 0 0 m i p s ，常用封装从8 个引 脚到1 4 4 个引脚。根据其现状，嵌入式计算机可以分成下面几类。 ( 1 ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n it 。e m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处理器装配 在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度 减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在 功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、 电磁干扰、可靠性等方面 一般做了各种增强。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量 轻、成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括r o m ，r a m ，总线接口、 各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式微处理 器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。如s t d b u s ， p c i 0 4 等。近年来，德国、日本的一些公司又开发出了类似“火柴盒 式名片大 小的嵌入式计算机系列o e m 产品。嵌入式处理器目前主要有a m l 8 6 8 8 ，3 8 6 e x ， s c 一4 0 0 ，p o w e rp c ，6 8 0 0 0 ，m ip s ，a r m 系列等。 1 0 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯 片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成 r o m e p r o m ，r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、w a t c h d o g 、i 0 、串行口、脉 宽调制输出、a d 、 d a 、f l a s h r a m 、e e p r o m 等各种必要功能和外设。为适应不 同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理 器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最 大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。 和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而 使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控 制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。 嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8 0 5 1 ， p 5 1 x a ，m c s - 2 5 1 ，m c s 一9 6 1 9 6 2 9 6 ，c 1 6 6 1 6 7 ，m c 6 8 h c 0 5 1 1 1 2 1 6 ，6 8 3 0 0 等。 另外还有许多半通用系列如：支持u s b 接口的m c u8 x c 9 3 0 9 3 1 ，c 5 4 0 ，c 5 4 1 ：支持 1 2 c ，c a n b u s ，l c d 及众多专用m c u 和兼容系列。目前m c u 占嵌入式系统约7 0 的 市场份额。特别值得注意的是近年来提供x 8 6 微处理器的著名厂商a m d 公司，将 a m l 8 6 c c c h c u 等嵌入式处理器称之为m i c r o c o n t r o l l e r ，m o t o r o l a 公司把以 p o w e rp c 为基础的p p c 5 0 5 和p p c 5 5 5 亦列入单片机行列。t i 公司亦将其 t m s 3 2 0 c 2 x x x 系列d s p 做为m c u 进行推广。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法，编 译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 、谱分析等方面d s p 算法正 在大量进入嵌入式领域，d s p 应用正从在通用单片机中以普通指令实现d s p 功能 过渡到采用嵌入式d s p 处理器。嵌入式d s p 处理器有两个发展来源，一是d s p 处 理器经过单片化、e m c 改造、增加片上外设成为嵌入式d s p 处理器，t i 的 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 等属于此范畴：二是在通用单片机或s o c 中增加d s p 协处理器， 例如i n t e l 的m c s - 2 9 6 和s i e m e n s 的t r i c o r e e 。推动嵌入式d s p 处理器发展的另 一个因素是嵌入式系统的智能化，例如各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信 息识别终端，带有加解密算法的键盘，a d s l 接入、实时语音压解系统，虚拟现实 山东大学硕士学位论文 显示等。这类智能化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址 等较多，而这些正是d s p 处理器的长处所在。嵌入式d s p 处理器比较有代表性的 产品是t e x a si n s t r u m e n t s 的t m s 3 2 0 系列和m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。t m s 3 2 0 系列处理器包括用于控制的c 2 0 0 0 系列，移动通信的c 5 0 0 0 系列，以及性能更高 的c 6 0 0 0 和c 8 0 0 0 系列。d s p 5 6 0 0 0 目前己经发展成为d s p 5 6 0 0 0 ，d s p 5 6 1 0 0 ， d s p 5 6 2 0 0 和d s p 5 6 3 0 0 等几个不同系列的处理器。另外p h i l i p s 公司也推出了基于 可重置s p 结构低成本、低功耗技术上制造的r e a ld s p 处理器，特点是具备双 h a r v a r d 结构和双乘累加单元，应用目标是大批量消费类产品。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 随着e d a 的推广和u s i 设计的普及化，及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片 上实现一个更为复杂的系统的时代己来临这就是s y s t e mo nc h i p ( s o c ) 。各种通 用处理器内核将作为s o c 设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样， 成为u s i 设计中一种标准的器件，用标准的v h d l 等语言描述，存储在器件库中。 用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制 作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一 块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高 可靠性非常有利。 s o c 可以分为通用和专用两类。通用系列包括s i e m e n s 的t r i c o r e ，m o t o r o l a 的m - c o r e ，某些a r m 系列器件，e c h e l o n 和m o t o r o l a 联合研制的n e u r o n 芯片等。 专用s o c 一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。一个有代表性的产 品是p h i l i p s 的s m a r tx a ，它将x a 单片机内核和支持超过2 0 4 8 位复杂r s a 算法 的协处理器单元( c c u ) 制作在一块硅片上，形成一个可加载j a v a 或c 语言的专 用的s o c ，可用于公众互联网如i n t e r n e t 安全方面。 2 1 4 嵌入式系统的软件开发平台 ( 1 ) 实时多任务操作系统( r e a lt i m em u l t i t a s k i n go p e r a t i o ns y s t e m ，r t o s ) 实时多任务操作系统( r t o s ) 是嵌入式应用软件的基础和开发平台。目前大多数 嵌入式开发还是在单片机上直接进行，没有r t o s ，但仍要有一个主程序负责调度 1 2 山东大学硕士学位论文 各个任务。r t o s 是一段嵌入在目标代码中的程序，系统复位后首先执行，相当于 用户的主程序，用户的其它应用程序都建立在r t o s 之上。不仅如此，r t o s 还是一 个标准的内核，将c p u 时间、中断、i o 、定时器等资源都包装起来，留给用户一 个标准的a p i ，并根据各个任务的优先级，合理地在不同任务之间分配c p u 时间。 r t o s 是针对不同处理器优化设计的高效率实时多任务内核，r t o s 可以面对几 十个系列的嵌入式处理器m p u ，m c u ，d s p ，s o c 等提供类同的a p i 接口，这是r t o s 基于设备独立的应用程序开发基础。基于r t o s 上的c 语言程序具有极大的可移植 性。据专家测算，优秀r t o s 上跨处理器平台的程序移植只需要修改卜4 的内容。 在r t o s 基础上可以编写出各种硬件驱动程序、专家库函数、行业库函数、产品库 函数，和通用性的应用程序一起，可以作为产品销售，促进行业的知识产权交流， 因此r t o s 又是一个软件开发平台。 ( 2 ) r t o s 的基本结构 r t o s 最关键的部分是实时多任务内核，它的基本功能包括任务管理、定时器 管理、存储器管理、资源管理、事件管理、系统管理、消息管理、队列管理、旗 语管理等，这些管理功能是通过内核服务函数形式交给用户调用的，也就是r t o s 的a p i 。 2 2 实时操作系统 2 2 1 实时操作系统的发展过程 实时操作系统( r t o s ) 的研究是从上世纪六十年代开始的。从系统结构上看， r t o s 到现在已经历了如下三个阶段 5 1 0 ： ( 1 ) 早期的实时操作系统 早期的实时操作系统，还不能称为真正的r t o s ，它只是小而简单的、带有一 定专用性的软件，功能较弱，可以认为是一种实时监控程序。它一般为用户提供 对系统的初始化管理以及简单的实时时钟管理，有的实时监控程序也引入了任务 调度及简单的任务间协调等功能，属于这类实时监控程序的有r t m x 等。这个时期， 实时应用较简单，实时性要求也不高。应用程序、实时监控程序和硬件运行平台 山东大学硕士学位论文 往往是紧密联系在一起的。 ( 2 ) 专用实时操作系统 随着应用的发展，早期的r t o s 已越来越显示出明显的不足了。有些实时系统 的开发者为了满足实时应用的需要，自己研制与特定硬件相匹配的实时操作系统。 这类专用实时操作系统在国外称为r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e md e v e l o p e di n h o u s e 。它是在早期用户为满足自身开发需要而研制的，它一般只能适用于特定的 硬件环境，且缺乏严格的评测，移植性也不太好。属于这类实时操作系统的有i n t e l 公司的i m a x 8 6 等。 ( 3 ) 通用实时操作系统 在各种专用r t o s 中，一些多任务的机制如基于优先级的调度、实时时钟管理、 任务间的通信、同步互斥机制等基本上是相同的，不同的只是面向各自的硬件环 境与应用目标。实际上，相同的多任务机制是能够共享的，因而可以把这部分很 好地组织起来，形成一个通用的相同实时操作内核。这类实时操作系统大多采用 软组件结构，以一个个标准组件构成通用的实时操作系统。一方面，在r t o s 内核 的最底层将不同的硬件特性屏蔽掉：另一方面，对不同的应用环境提供了标准的、 可剪裁的系统服务软组件。这使得用户可根据不同的实时应用要求及硬件环境选 择不同的软组件，也使得实时操作系统开发商在开发过程中减少了重复性工作。 这类通用实时操作系统，有i n t e g r a t e ds y s t e m 公司的p s o s + 、i n t e l 公司的i r m x 3 8 6 ， r e a d ys y s t e m 公司( 后与m ic r m e cr e s e a r c h 合并) 的v r t x 3 2 等。它们一般都提供 了实时性较好的内核、多种任务通信机制、基于t c p i p 的网络组件、文件管理及 i o 服务，提供了集编辑、编译、调试、仿真为一体的集成开发环境，支持用户使 用c c + + 进行应用程序的开发。 实时操作系统经过多年的发展，先后从实模式进化到保护模式，从微内核技术 进化到到超微内核技术，在系统规模上也从单处理器的r t o s 发展，到支持多处理 器的r t o s 和网络r t o s ，在操作系统研究领域中形成了一个重要分支。 1 4 今后，r t o s 研究方向主要集中在如下几个方面： 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) r t o s 的标准化研究 如今国外的r t o s 开发商有数十家，提供了上百个r t o s ，它们各具特色。但这 也给应用开发者带来难题，首先是应用代码的重用性难，当选择不同的r t o s 开发 时，不能保护用户已有的软件投资，r t o s 的标准化研究越来越被重视。美国i e e e 协会在u n i x 的基础上，制定了实时u n i x 系统的标准p o s i x1 0 0 1 4 系列协议，但 仍有许多工作还待完成。 ( 2 ) 多处理器结构r t o s 、分布式实时操作系统和实时网络的研究 实时应用的飞速发展，对r t o s 的性能提出了更高的要求。单处理器的计算机 系统己不能很好地满足某些复杂实时应用系统的需要，开发支持多处理器结构的 r t o s 己成为发展方向，这方面比较成功的系统有p s o s + m 等。至于分布式r t o s ， 国外一些r t o s 厂家虽己推出部分产品，如q n x ，c h o r u s ，p l a n9 等，但分布式实 时操作系统的研究还未完全成熟，特别是在网络实时性和多处理器间任务调度算 法上还需进一步研究。 ( 3 ) 集成的开放式实时系统开发环境的研究 r t o s 研究的另一个重要方向是集成开发环境的研究。开发实时应用系统，只 有r t o s 是不够的，需要集编辑、编译、调试、模拟仿真等功能为一体的集成开发 环境的支持。开发环境的研究还包括网络上多主机间协作开发与调试应用技术的 研究、r t o s 与环境的无缝连接技术等。 2 2 2 实时操作系统的评价指标 r t o s 是操作系统研究的一个重要分支，它与一般商用多任务o s 如u n i x ， w i n d o w s ，m u l t i f i n d e r 等有共同的一面，也有不同的一面。对于商用多任务o s ， 其目的是方便用户管理计算机资源，追求系统资源最大利用率：而r t o s 追求的是 实时性、可确定性、可靠性。评价一个实时操作系统一般可以从任务调度、内存 管理、任务通讯、内存开销、任务切换时间、最大中断禁止时间等几个方面来衡 且 亘o ( 1 ) 任务调度机制： r t o s 的实时性和多任务能力在很大程度上取决于它的任务调度机制。从调度 山东大学硕士学位论文 策略上来讲，分优先级调度策略和时间片轮转调度策略：从调度方式上来讲分可抢 占、不可抢占、选择可抢占调度方式：从时间片来看，分固定与可变时间片轮转。 ( 2 ) 内存管理：分实模式与保护模式。 ( 3 ) 最小内存开销： r t o s 的设计过程中，最小内存开销是一个较重要的指标，这是因为在工业控 制领域中的某些工控机( 如上下位机控制系统中的下位机) ，由于基于降低成本的 考虑，其内存的配置一般较小，例如康拓5 0 0 0 系列5 1 8 5 板，其基本内存配置仅 为2 5 6 ks r a m + 1 2 8 ke p r o m ，两在这有限的空间内不仅要装载实时操作系统，还 要装载用户程序。因此，在r t o s 的设计中，其占用内存大小是一个很重要的指标， 这是r t o s 设计与其它操作系统设计的明显区别之一。 ( 4 ) 最大中断禁止时间： 当r t o s 运行在核态或执行某些系统调用的时候，是不会因为外部中断的到来 而中断执行的。只有当r t o s 重新回到用户态时才响应外部中断请求，这一过程所 需的最大时问就是最大中断禁止时间。 ( 5 ) 任务切换时间： 当由于某种原因使一个任务退出运行时，r t o s 保存它的运行现场信息、插入 相应队列、并依据一定的调度算法重新选择一个任务使之投入运行，这一过程所 需时间称为任务切换时间。 上述几项中，最大中断禁止时间和任务切换时间是评价一个r t o s 实时性最重 要的两个技术指标。 2 。3 嵌入式系统开发过程 嵌入式系统的开发过程实际上是软硬件交叉并行设计的过程，一旦系统的体 系结构设计完成，软硬件设计就可以独立并行地进行，等待两者的设计完成，再 集成一体进行测试。 嵌入式系统开发的一般过程如图2 一l 所示： 1 6 山东大学硕士学位论文 土 总体设计 硬件设计软件设计 软r 集成 图2 - 1 ：嵌入式系统的自顶向下的开发流程 嵌入式软件的开发过程如图2 2 所示： 图2 - 2 ：嵌入式软件开发流程 软件模型建立和任务划分相当于一般软件设计过程中的概要设计阶段。模型建 立应能给系统建立一个并发模型。任务划分则是在这个并发模型基础上，按照一 定的任务构造准则，把系统分解成功能合理和数目合适的任务集合。 任务分配是把任务按照一些规则和约束，放入到相应的计算机或处理机中。任 务的执行顺