（纺织工程专业论文）基于CSCW嵌入式纺织生产设备控制系统研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

浙江理工大学硕上学位论文 摘要 纺织生产设备作为纺织工业的装备 是纺织产业的一个重要核心部分 当前我国纺织 工业中应用的纺织生产设备控制系统多数还采用单机系统 且处理速度相对不高 针对此 问题 本文对基于c s c w 纺织生产设备控制系统架构进行研究 并在此架构思想基础上 以 织机的监控为研究背景 完成了基于c s c w 嵌入式织机模拟控制系统中控制终端和现场管 理终端设计 实现 系统设计中控制终端采用以嵌入式基础板为核心应用系统 以c p l d 扩展板为扩展系 统的硬件设计方案 c p l d 分担了嵌入式处理器的处理任务 从而提高了系统实时性 现场 管理终端通过网络和友好的人机界面与控制终端进行信息交互 从而将其从控制终端分离 出来 提高了系统可靠性 稳定性 总结本文主要工作内容如下 1 对基于c s c w 嵌入式纺织生产设备控制系统进行研究 确定各组成部分功能 并在 此思想基础上提出了基于c s c w 嵌入式织机模拟控制系统设计方案 2 对织机中选纬和送经机构控制原理进行分析 并据此完成了硬件接口的需求总结 3 通过对比分析 确定a r m 9 作为核心系统的嵌入式处理器 掘此采购了嵌入式基础 板 并对系统应用的接口电路进行分析 以确定与扩展系统的连接方式 4 整个系统硬件为多电压系统 通过对系统硬件电路电压分析 扩展系统中c p l d 芯 片确定采用a l t e r a 公司的e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 并完成了c p l d 扩展板的电路设计 制作 5 采用v e r i l o gh d l 语言完成c p l d 功能电路的设计 实现了对织机主要执行控制机 构 传感信号的检测 位开关信号的控制以及故障报警功能等 6 对系统开发环境进行选择 并根据模拟控制系统要求 完成嵌入式l i n u x 内核的 定制 分析设计了对织机控制终端和织机现场管理终端间的应用层数据通信协议及其通信 策略 7 采用嵌入式g p i o 端口模拟总线的方案 完成了织机控制开关的驱动程序设计和c p l d 驱动程序的设计 8 根据织机控制工艺和流程完成织机中设备控制函数和织机主控程序设计 主控程 序一方面实现织机织造流程的模拟控制 另一方面实现了与管理终端通信功能 由于硬件 只完成送经和选纬机构控制 所以对织机运转控制中必要信号采用了软件模拟来实现 9 根据织机管理需求 采用k d e 集成丌发环境 由q t 设计了管理终端的用户界面 浙江理工大学硕士学位论文 编写了功能代码和通信程序 最终实现织机现场管理终端的设计 最后 通过模拟的方法 对基于c s c w 嵌入式织机控制系统进行调试 控制终端对织 机选纬电磁铁和送经电机控制达到要求 现场管理终端通过人机界面与控制终端通信正 常 基本实现了对织机监控功能 设计中充分考虑了系统的稳定性 可靠性和实时性 嵌 入式系统技术和协同技术引入纺织生产设备控制领域 无疑为纺织生产设备管理提供了良 好条件 关键字 c s c w 嵌入式系统 l i n u x 织机 c p l d 网络通信 i i 浙江理丁人学硕上学位论文 s t u d yo nt h ee m b e d d e dt e x t i l ep r o d u c t i o ne q u i p m e n t c o n t r o ls y s t e mb a s e 0 u c s c w a b s t r a c t t e x t i l em a c h i n e r yi so n eo fi m p o r t a n tc o r ee l e m e n t so ft h et e x t i l ei n d u s t r y c u r r e n t l y t h e c o n t r o ls y s t e mf o rt e x t i l em a c h i n e r ym o s t l yu s e di nc h i n ai st h es i r l g l es y s t 锄 a n da sar e s u l t p r o c e s s i n gs p e e di sn o th i g h t oo v e r c o m et h i sp r o b l e m t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h ec o n t r o l s y s t e mf r a m eb a s e d o nc s c w t h ep u r p o s eo f t h i sp a p e ri st of o r mt h el o o ms u p e r v i s o r yc o n t r o l b a s e do nt h ef r a m ei d e a s i tm a i n l yi n c l u d e st h ed e s i g no ft h es c e u em a n a g e m e n tt e r m i n a la n d c o n t r o lt e r m i n a lo f t h ee m b e d d e dl o o mc o n t r o ls y s t e mb a s e do nc s c w t h ee m b e d e di st h ec o r eo ft h el o o mc o n t r o lt e r m i n a l t h ec p l de x p a n s i o nb o a r di st h e e x p a n d i n gs y s t e mo ft h el o o mc o n t r o lt e r m i n a l i ts h a r e st h ew o r ko ft h ee m b e d d e dp r o c e s s o r t h u si m p r o v et h er e a lt i m eo fs y s t e m t h es c c i l em a n a g e m e n tc o m m u n i c a t ew i t hc o n t r o lt e r m i n a l t h r o u g hn e t w o r ka n dm a n m a c h i n ei n t e r f a c e t h u ss 印a r a t e dt h em a n m a c h i n ei n t e r f a c ef r o mt h e l o o mc o n t r o lt e r m i n a lt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n dt h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m t h em a i nw o r k a n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s 1 t h ep a p e rs t u d i e dt h ee m b e d d e dt e x t i l em a c h i n ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nc s c wa n d a s c e r t a i n e de v e r yi n 伊e d i e n tf u n c t i o n a n dp u tf o r w a r dt h ed e s i g no ft h ee m b e d d e dl o o mi m i t a t e c o n t r o ls y s t e mb a s e do nc s c w 2 t h ec o n t r o lp r i n c i p l eo f w e f t s e l e c t i o na n dl e t o f f m o t i o ni ss t u d i e d a n dt h ed e f i n i t i o no f h a r d w a r ei n t e r f a c ei sc o m p l e t e d 3 a f t e ri n v e s t i g a t i o n t h es y s t e ms e l e c t e dt h ea r m 9a st h ee m b e d d e dp r o c e s s o r a c c o r d i n g l y t h ee m b e d d e db a s i sb o a r dw a sp u r c h a s e d a n dt h ea p p l i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i ti s a n a l y z e dt oc o n f i r mt h ec o n n e c t i o nw i t he x t e n d e ds y s t e m 4 t h eh a r d w a r es y s t e mi sam i x e dv o l t a g es y s t e m t h eh a r d w a r ec i r c u i tv o l t a g eo fs y s t e mi s a n a l y z e d t h ep a p e ra s c e r t a i n e de p m 7 1 2 8 s l c 8 4m a d eb yt h ea l t e r ac o m p a n y a st h ec h i p o f c p l d a n dt h e na c c o m p l i s h e dt h ew i r i n gd e s i g no f c p l de x p a n s i o n b o a r d 5 t h ep a p e rc o m p l e t e st h ed e s i g no f c p l df u n c t i o nw i r i n gw i t hv e r i l o gh d l a n d a c c o m p l i s h e st h ec o n t r o lo fa c t u a t o ri nt h el o o ma n dt h ed e t e c t i o no fs e n s o rs i g n a l c o n t r o l 浙江理工人学硕士学位论文 s w i t c hs i g n a la n da l a r mo ff a u l t 6 t h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ti sc h o o s e d t h el i n u xk e r n e li sc u s t o m i z e d t h ep a p e r a n a l y z e dt h ec o m m u n i c a t i o nd a t aa n d c o m m u n i c a t i o np o l i c yb e t w e e nl o o mc o n t r o lt e r m i n a la n d l o o ms c e n ec o n t r o lt e r m i n a l 7 a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lp r i n c i p l eo fg p i o t h ep a p e ra c c o m p l i s h e dt h ep r o g r a mo f c o n t r o ls w i t c hi nt h el o o ma n dt h ec p l dd r i v e rp r o g r a m 8 a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lp r o c e s s e sa n df l o w c h a r t t h ee q u i p m e n tf u n c t i o na n dt h e c o n t r o lp r o g r a mo ft h el o o mi sa c c o m p l i s h e d t h ec o n t r o lp r o g r a ma c c o m p l i s h e st h ec o n t r o lo f l o o ma n dc o m m u n i c a t i o nw i t hs c e n em a n a g e rt e r m i n a l 9 a c c o r d i n gt ot h en e e do fl o o mc o n t r 0 1 t h es y s t e mu s e dt h ek d ea st h ed e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t t h ep a p e rd e s i g n e dm a l l m a c h i n ei n t e r f a c eo fs c e n em a n a g e rt e r m i n a lb yq t a n d t h e nf i n i s h e dt h ef u n c t i o nc o d ea n dc o m m u n i c a t i o np r o g r a m t h ee d b e d d e dl o o mc o n t r o ls y s t e mb a s eo nc s c wi sd e b u g g e dt h r o u g hi m i t a t i n gm e t h o d t h ep a p e ra c c o m p l i s h e st h ec o n t r o lo fw e f t s e l e c t i o na n dl e t o f f t h ec o m m u n i c a t i o no fs c e n e m a n a g e m e n tt e r m i n a la n dl o o mc o n t r o lt e r m i n a li sn o r m a l a n dt h ef u n c t i o no fl o o mm o n i t o ri s a c c o m p l i s h e d t h er e l i a b i l i t y s t a b i l i t ya n dr e a l t i m ep r o p e r t yo f t h es y s t e mw e r ef u l l yc o n s i d e r e d d u r i n gt h ed e s i g no f t h es y s t e m t h ee m b e d d e ds y s t e ma n dc s c wa r eu s e di nt h ef i e l do f t e x t i l e m a c h i n ec o n t r o l a n di tw i l lp r o v i d et h eb e t t e rc o n d i t i o nf o rt e x t i l em a c h i n em a n a g e m e n t k e yw o r d s c s c w e m b e d d e ds y s t e m l i n u x l o o m c p l d n e t w o r kc o m m u n i c a t e 渐汪蓬工大学学位论文原创性声葫 事人郑章声明 我恪寄学术道德 岩尚严谨学风a 所呈交的学位论文 是 本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除文中已昵礴注明采 引用的内容外 本论文不包食任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及 成果的内容 论文为本人亲自撰写 我对所写的内容负责 并完全意识至0 本声 髓的法律结果由本人承担 学位论文作者莓名 歇 日期 内 7 年 p 月j 日 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅或借阅 本人授权浙江理工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 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密口 在 年解密后适屠本版权书 本学位论文属于 不保密 学位论文作者签名 谚茅乙 日期 回年中月多e t 指导教师签名 西珈 日期 k 7 年7 月 e t 浙江理工大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 纺织工业是一个传统行业 在我国 纺织工业已成为我国国民经济支柱产业之一 纺 织生产设备作为纺织工业的装备 是纺织产业的一个重要核心部分 现代化的纺织生产设 备对提高纺织品的产量和质量 增加产品附加值和出n g j 汇起着至关重要的作用 1 1 1 国内外纺织生产设备控制研究现状 纺织生产设备中应用了计算机控制技术 使其具备了自动化 智能化的控制功能 以 织机为例对国内外纺织生产设备控制现状进行研究 中国是世界上四大文明古国之一 早在新石器时代就已出现了原始织机 它采用手工 提综 竿子引纬和砍刀打纬进行织布 到了春秋时期 又出现了斜织机 它采用杠杆原理 用脚踏连杆带动综框开口 梭子引纬 竹筘打纬 后改为平织机 公元3 世纪 我国发明 的织机开口机构传到欧洲 唐宋时代 我国已有罗织机 平织机 多综机 提花机等四类 织机 以后逐步转入机器织布 相对来说 国外纺织业起点较晚但发展较快 1 7 3 3 年英国 人发明了飞梭 后又发明动力织机 1 8 0 1 年 法国织工研制出提花机 2 0 世纪初 日本 人研制出自动换梭织机 1 9 4 5 年第一台剑杆织机在美国问世 1 9 4 7 年瑞士m a x b o 公司研 制成喷气织机 并在1 9 5 2 年取得专利 1 9 5 3 年瑞士一家公司发明了片梭织机 1 9 5 5 年捷 克人制成了第一批喷水织机 8 0 年代 电子提花机问世 由于织造生产率的提高和停机时 间的减少 使得面料质量和产量都有很大提高 这其中虽然是由多种因素形成的 但织机 技术的不断进步可以说是最基本的影响因素之一 在上个世纪后半段 机电一体化发展迅速 机电一体化也越来越广泛的被应用于织机 设计当中 例如送经 卷取 选纬 选色等 并达到了很高的水平 例如国外很多品牌的 织机都使用了伺服电机来控制驱动机构 并作为经纱调节或者控制织物卷取运动的一种可 选附件 每个必要的动作改变都可以通过无级变速的形式来实现 而不用变换齿轮 与此 相关联的送经运动同样可以控制 这样可以有效防止开车痕 现在通过电子计算机控制器 协助生产可以方便的设定各项织造参数 提高织造效率 与此同时 织造速度也有明显的提高 提高车速是织机发展的主要方向之一 国外的 剑杆织机车速大约在6 0 0 r m i n 而喷气织机的入纬率可以到2 0 0 0 m m i n 其他织机的速度 同样也有很大的提高 与此同时更换品种的停顿时i 日j 也大大减少 织机的高速化 使织造 效率明显提高 l 浙江理工大学硕上学位论文 织机品种适应性也相应的提高了 提高织机品种的适应性是织机发展的重要方向 现 在人们对于着装强调个性化 因此 不断变换的花型 织物组织和纱线结构的要求更促使 织机有广泛的适应性 这方面这些年也有长足的进步 例如 片梭织机不但有适合于厚重 织物加工的耐用机型 而且宽幅可大8 5 m 大大提高了劳动生产效率 织机的整体结构设计趋于优化 织机构造采用了组件单元式构件 整台机由若干组件 单元拼装而成 这不仅提高了织机的适应性 而且缩短了维修时间 生产织机的效率大大 提高 另外织机的各种器材性能也有很大提高 例如剑杆头的强度进一步提高 其耐磨性 和安全性都得到改善 质量减轻 体积减小 使梭口减小 送经高速 经纱张力减小 回顾织机的发展与进步 科技含量的不断增加是织机发展的主要特征 织机控制技术 经历了 人工控制 机械控制 机电 或机电液 控制 机电一体化 单机电脑控制 多机 电脑网络群控制等几个阶段 随着电子控制技术 计算机控制技术 嵌入式技术和信息技 术的发展 织机控制技术进入了一个新的迅速发展阶段 也为不断提高生产效率和织物的 质量创造有利条件 如今 应用了许多高新技术 喷气织机采用电子经纬停装置 以保证关车及时 织机设有实时监控装置 监测纬纱 的飞行状态 经纱张力 主要机件的运行实况等 发现异常 立即关车 而且 国内外企 业还开始了对共扼凸轮打纬 积极式开口新型喷气织机及与其配套的高速电子多臂机的开 发与研制 主要代表机型有 比利时毕加诺的o m n i 型喷气织机及d e l t a 一1 9 0 喷气织机 日本丰 田公司的j a t 6 1 0 系列喷气织机和j a 2 s 一2 8 0 喷气织机 日本津田驹z a2 0 9 1 2 8 0 z a 2 0 3 2 8 0 和z a x 3 6 0 型喷气织机 意大利舒美特天鹰喷气织机等 国产的有咸阳织机制造 公司的g a x 型和7 a 2 0 9 i 型 中国纺织机械股份有限公司的g a 7 1 8 型 苏州纺织机械有限 公司的a s g a 7 0 1 型喷气织机等 剑杆织机控制上 采用了以 电 代 机 的方法 电机驱动织机不再是通过传动带 离合器和制动器 而是通过电子装置直接控制电机转速 使织机转速调整的灵活性大为增 强 主要代表机型有 意大利舒美特的天马超优秀 t h e m as u p e re x c e l2 3 剑杆织机 瑞 士苏尔寿 鲁蒂g 6 2 0 0 和g 6 3 0 0 剑杆织机 比利时毕加诺公司的g t m 型和g a m m a 型剑杆 织机等 国内如中国纺织机械有限公司的f a s t1 9 0 型和f a s t 新龙型剑杆织机 必佳乐 苏 州 纺机有限公司生产的c t xp l u s 型剑杆织机 江苏高淳纺机厂的g j 6 0 0 型高速剑杆织机 中国经纬纺机股份有限公司的j w g l 7 2 4 与j w g l 7 2 4 a 型剑杆织机和浙江泰坦股份有限公司 2 浙江理丁大学硕上学位论文 的t t 一2 0 0 0 型剑杆织机等 先进的纺织机械还期待有着先进的实时在线检测系统和自动控制装置 能够实时监测 出纺织品的质量 随时显示超限 故障原因 停车报警可选择设计等 能够实时的控制和 掌握织机的当前运行状态 保证织机的高质量运行 提高织机的使用寿命 瑞士苏尔寿公司的片梭织机最新机型p 7 3 0 0 型 该机配备了新的织机控制系统 采用 新一代的微处理控制 监视并调节所有的主要功能 保证织造过程始终处于高质量状态 触摸式屏幕终端提供了简明易用的人机交换界面 采用互联网浏览器技术 日本津田驹的7 a x o 型系列喷气织机 该系列喷气织机均带有智能化技术 自动设 定 自动诊断 操作简单 管理功能进一步扩大 并在操作盘上搭载了i t 功能 实现了 与用户的双方对应 能及时地了解用户的信息并及时的作出反应 1 1 2 研究课题的提出 通过上述分析 国内外织机自动化 智能化技术已经突飞猛进 我国织机控制技术已 经取得很大进步 但同国际领先水平相比还存在差距 为了在更加激烈的竞争环境中占得 优势 我国的纺织行业着重于进一步提高纺织科技水平 依靠技术创新来增加产品的技术 含量和附加值 全方位提升我国纺织行业在国际的竞争力 当前 织机控制系统所使用的微型计算机类型有 夺单片微型计算机 它具有集成度高 速度快 体积小 功耗低 系列齐全 功能扩 展容易等特点 由于单片机在硬件结构 i 0 口构成和其灵活的指令 使其具有 非常有效的控制功能 所以单片机不仅具有一般微机的特点 还有很强的过程控 制能力 夺可编程序控制器 p l c 它是针对顺序控制的应用而设计的微型计算机控制装置 它比计算机具有更强的与控制过程相连的接口和更适合控制的编程语言 织机电 气控制系统中的执行部件可直接接在p l c 的输出口上进行控制 夺工业控制用计算机 它主要是用在环境恶劣的场所 其体积和软件架构和普通p c 机相近 嵌入式控制器 随着嵌入式技术的发展和成熟 基于a r m d s p c p l d f p g a 等嵌入 式芯片而构成的硬件架构 并可在这样的硬件平台上嵌入嵌入式操作系统 例如 u c l i n u x l i n u x u c o s i i 等 从而构成嵌入式控制器 其不仅具有单片机控制 系统集成度高 速度快 体积小 功耗低 系列齐全 功能扩展容易等特点 还 浙江理工大学硕十学位论文 有计算机的强大功能 例如可带文件系统 可由网络构成计算机群等 随着生产自动化要求的不断提高 采用电子和微处理技术来提高织机的自动化和智能 化程度 仍是织机的发展趋向 随着嵌入式技术和信息技术的发展 目前国内外已向整体 化 数字化 信息化织造生产系统迈进 纺织车间管理仍采用传统方法 由工人完成对一定数量织机的操作 这样不仅浪费了 人力 而且 车间环境较恶劣 不适合工人现场操作 所以织机的自动化 网络化管理成 为纺织车间管理的迫切需要和未来的发展趋势 但从目前我国大多数纺织车间管理上来 看 只有部分企业实现了织机的自动化 网络化管理 当前我国纺织车间的网络设施 设 备控制系统不能对网络化的整体实现提供良好的支持 为此 我们提出建立一个基于计算机网络的人机互动 多控制系统协同 具有实时控 制和管理能力的纺织生产设备的自动控制系统 实现设备控制系统和人机互动界面控制管 理系统的分离 以便使系统有运行的高可靠性 能更方便地实现良好的人机互动管理控制 界面 生产设备能实时地向生产管理服务器发送生产实时信息 以便使企业的管理部门能 实时掌握生产状态信息 能远距离地进行管理和各部门管理和设计人员的协调互动 为实 现上述目标 在系统的设计中使用下述现代新型的控制技术 计算机网络及实时控制系统 技术 计算机协同技术 c s c w 嵌入式系统技术 c p l d 接口控制扩展技术和工业总线技 术等 对上述设计目标 本研究小组的其它人员已就基于c s c w 嵌入式纺织生产设备控制系 统的架构设计 协同方式设计 应用层互动通信协议和程序的系统设计进行了研究 并对 上述的设计进行了模拟验证实现 本文将在上述研究的基础上 对纺织生产设备的控制终 端和现场管理终端的设计进行研究 并在该理论基础上 完成基于c s c w 嵌入式织机模拟 控制系统的设计实现 i 1 3 嵌入式系统技术概述 嵌入式系统是以应用为中心 软硬件可裁减的 适用于对功能 可靠性 成本 体积 功耗等综合性严格要求的专用计算机系统 具有软件代码小 高度自动化 响应速度快等 特点 特别适合于要求实时和多任务的体系 嵌入式系统主要由嵌入式处理器 相关支撵 硬件 嵌入式操作系统及应用软件系统等组成 它是可独立工作的 器件 嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备 如掌上p d a 移动计算设备 电视机 项盒 手机上网 数字电视 多媒体 汽车 微波炉 数字相机 家庭自动化系统 电梯 4 浙江理f 大学硕士学位论文 空调 安全系统 自动售货机 蜂窝式电话 消费电子设备 工业自动化仪表与医疗仪器 等 1 1 1 3 1 嵌入式系统硬件技术 嵌入式系统的硬件技术本文从嵌入式系统的硬件构成和嵌入式处理器两方面来说明 嵌入式系统的硬件结构基本由核心处理器 外围电路和常规外设接口构成m th 1 5 其 结构如图i 1 i 处鬻电l i l 高s r o m 品振屯路 i 调试 编程接口i l f l a s he p r o m i 路ll 鼍粉砒口l 焉 常规外设 接1 3 l 团圆固田圈 图1 1 嵌入式硬件结构 外围电路包括嵌入式系统电源 复位电路 晶振 存储器和调试接口 它们与处理器 一起构成完整嵌入式系统 常规外设是指构成嵌入式系统不可缺少的那些外设 通常包括三类 输入设备 输出 设备 外存储设备 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心 是控制 辅助系统运行的硬件单元 目前全世晃 嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 多种 流行体系结构包括m c u m p u 等3 0 几个系 列 速度越来越快 性能越来越强 价格也越来越低 根据其现状 嵌入式处理器可分成 下面几类 3 1 嵌入式微处理器 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 抗电磁干扰 可靠性等方面一般都做了各 种增强 5 浙江理工人学硕上学位论文 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 目前嵌入式微处理器主要有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 i p s a r m 系列等 2 嵌入式微控制器 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 删 总线 总线逻辑 定时计数器 w a t c h d o g i o 串行口 脉宽调制输 出 a i d d a f l a s hr a m e e p r o m 等各种必要功能和外设 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 微控制器的片上外设资源一般比较丰富 适合于控制 微控 制器是目前嵌入式系统工业的主流 其品种和数盘最多 比较有代表性的通用系列有8 0 5 1 p si x a 斛c s 一2 5 1 m c s 一9 6 1 1 9 5 2 9 6 c 1 6 6 1 6 7 m c b 8 h c 0 5 i1 1 2 1 6 等 3 嵌入式d s p 处理器 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 的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 处理器比较有代表性的产品是t e x a s i 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 4 嵌入式片上系统 随着e d a 的推广 v l 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v l 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 提高可靠件非常有利 1 1 3 2 嵌入式系统软件技术 嵌入式系统的软件基本结构分为四个层面 硬件驱动 操作系统 应用程序接口 a p i 层 实际应用程序层 3 如图1 2 所示 6 浙江理工大学硕十学位论文 应用程序 a p i 函数 图形用户界文件系统嵌入式网络协议栈 面g u i 操作系统 t c p i p 输入设 f l a s h 驱c p u 庙矧以太网l o 口 其他各类 备驱动动龇i 驱动驱动接口驱动 l 键盘m e m o r yc p u 以太网剖f o u a r t 块l u s b 图1 2 嵌入式系统软件层次结构 l 硬件驱动程序 设备驱动程序是内核的一部分 它像内核中其它代码一样运行在 内核模式 l i n u x 设备驱动程序的主要功能有 对设备进行初始化 使设备投入运行和退出 服务 从设备接收数据并将它们送回内核 将数据从内核送到设备 检测和处理设备出现 的错误 2 操作系统 作为嵌入式系统 包括硬 软件系统 极为重要的组成部分的嵌入式 操作系统 通常包括与硬件相关的底层驱动软件 系统内核 设备驱动接口 通信协议 图形界面 标准化浏览器等 3 应用编程接口a p i 该接口称为应用编程中间件 是为编写应用程序提供的各种编 程接口库 l i b 它可以针对不同应用领域 如网络设备 p d a 机顶盒等 不同安全要求 分别构建 从而减轻应用开发者的负担 4 应用系统 实际的嵌入式系统应用软件 嵌入式操作系统作为整个嵌入式系统的核心 是实现系统功能的关键 从八十年代起 国际上就开始进行一些商用嵌入式系统和专有操作系统的开发 他们开发嵌入式系统己经 有二十多年的经验 目前的应用范围也比较广泛 下面介绍一些著名的嵌入式操作系统系 统 嵌入式l i n u x 操作系统 众所周知 作为一种开源并且性能优异的操作系统 l i n u x 己在通用计算机领域对 w i n d o w s 的优势形成了挑战 同样是由于开源 免费和性能优异等特点 l i n u x 的嵌入式 板本在嵌入式系统领域也吸引了众多开发商的眼光 而从技术层面来说 也具有很高的研 7 浙江理工人学硕士学位论文 究价值 w i n d o w sc e l i c r o s o f tw i n d o w sc e 是一个简洁的 高效率的多平台操作系统 它是从整体上为有 限资源的平台设计的多线程 完整优先权 多任务的操作系统 操作系统的基本内核需要 至少2 0 0 k 的r o m 但是无奈价格过高 v x w o r k s v x w o r k s 是w i n d r i v e r 开发的专门面向嵌入式应用的实时多任务操作系统 它采用微 内核的结构 具有支持处理器多 网络协议丰富 兼容性和裁减性好等特点 同时具有程 序动态连接和下载的功能 它支持多种处理器 使用的是和u n i x 不兼容的环境 大多数 的v x w o r k sa p i 是专有的 采用g n u 的编译和调试器 一p s o s p s o s y s t e m 是美国w i n d r i v e r 公司专门为嵌入式微处理器设计和开发的模块化 高效 率 高可靠性的实时多任务操作系统 两者作为工业标准的实时操作系统 在嵌入式领域 处于领先水平 w i n d r i v e r 公司分别为p s o s y s t e m 提供了强大的图形化集成开发环境和图 形化实时优化工具 以支持用户自己设计的或商品化的硬件系统 可根据每个应用的特殊 要求对操作系统的功能和所需内存进行裁剪和配置 使其适合于从简单的独立设备到复杂 的可容错多处理机系统的广泛应用 q n x q n x 是一个实时的 可扩充的操作系统 它提供了一个很小的微内核以及一些可选的 配合进程 其内核仅提供4 种服务 进程调度 进程问通信 底层网络通信和中断处理 其进程在独立的地址空间运行 所有其它o s 服务 都实现为协作的用户进程 因此q n x 内核非常小巧而且运行速度极快 用户可根据实际的需求将系统配置成微小的嵌入式操作 系统或是包括几百个处理器的超级虚拟机操作系统 l i n u x 为嵌入式操作系统提供一个极有吸引力的选择 它是一个和u n i x 相似 以内核 为基础 完全内存保护 多任务 多进程的操作系统 支持广泛的计算机硬件 软件源码 全部公开 可以对其进行修改 不必担心象m i c r o s o f tw i n d o w s 操作系统中 后门 威胁 l i n u x 带有u n i x 用户熟悉的完善开发工具 几乎所有的u n i x 系统的应用软件都已经移植 到了l i n u x 上 嵌入式l i n u x 由于代码开放性以及强大的网络功能 在中低端的嵌入式网络设备中应 用起来 比起p s o s v x w o r k s 等专用系统有许多优势 其中重要的一点体现在 y x w o r k s 8 浙江理工大学硕t 学位论文 对于新技术的支持远没有l i n u x 那么迅速 所以一系列的防火墙协议以及w e bs e r v e r 协 议 t c p i p 整个体系结构等等 要自己开发或者购买v x w o r k s 的编译好的库 价格也比较 昂贵 l i n u x 的嵌入式改造主要围绕体积和实时性展开 目前已经有许多公司进行这方面 的研究 其中比较著名的嵌入式l i n u x 操作系统有r t l i n u x k i j r t l i n u x u c l i n u x x l i n u x e m b e d i x 等 1 i 4c s c w 概述 自从1 9 8 4 年提出 计算机支持的协同工作 c s c w 概念 c s c w 作为一个多学科交叉 的新兴研究领域 在国际上受到了极大重视 计算机支持的协同工作 c o m p u t e rs u p p o r t c o o p e r a t i v ew o r k 可以定义为 在计算机技术支持的环境中 即c s 一个群件协同工作完 成一项共同的任务 即c w 它的目标是要设计各种各样的协同工作的应用系统 c s c w 是一种全新的交流与工作模式 在c s c w 系统中 事务处理的主体用人工智能中 的一个概念来形容就是a g e n t 每个a g e n t 都是一个自治单元 它们本身一方面有着比较 丰富和完善的问题求解能力 自主决策功能 另一方面具有与外界环境保持协调一致的 沟通能力 通信功能 这些a g e n t 在物理上可以是分散的 而在功能上却是独立的 各 节点之间是一种松散耦合的关系 节点i 日j 通过传递消息相互联系 在共同的通信语言基础 上相互协调合作 共同完成任务 总的说来 c s c w 系统具备以下特点 6 2 1 分布性 c s c w 支持用户使用地理位置分散的计算机 c s c w 系统本质上应是一个分 布式系统 并且应支持与协同无关的透明性 如位置透明性 2 开放性 开放性是指能提供一个环境使不同的c s c w 系统能相互开放地使用 即提 供不同c s c w 应用之间的互操作 从而可以将多个c s c w 系统连接为一个整体 3 异步性 协同中不同成员具有自己不同的操作序列 即使同一工作组中的不同成 员也具有自己的独立行为 4 异质性 异质性不仅体现在c s c w 系统各个节点可能运行在不同的硬件 软件平台 上 还体现在c s c w 系统内挂接的异质数据源之j 日j 的互操作乃至异种c s c w 系统之间的合作 5 工作协同性 c s c w 系统的根本要求就是要能支持工作组内 组间的工作协同 6 信息共享性 信息共享是协同工作的核心 通信是c s c w 的基础 7 自动化支持 自动化支持是c s c w 系统追求的目标 国外对c s c w 研究较早 并且相当重视 目前 国外对c s c w 的理论和技术研究主要集 中在协作机制及建模 协作过程的协调和交互模式 群体通信 c s c w 原型系统的设计和实 9 浙江理t 大学硕十学位论文 现等方面 尽管c s c w 这一技术领域在世界范围得到了较高的重视 在我国也己经开始逐 渐得到重视 但目前我国对c s c 的宣传还很不够 c s c w 的概念要延伸到国民经济的各个 领域 得到企业的主管部门 产业的主管部门甚至政府主管部门的理解与支持还有一段距 离啦删 1 1 5 技术可行性分析 一般来讲 把c s c w 引入到工业控制系统中 会给控制本系统的处理器带来附加的计 算量和i o 需求 这对于早期的没有使用操作系统的嵌入式纺织生产设备是很难实现的 因为它们是为了实现某些特定功能 使用循环控制对外界的控制请求进行处理 不具备现 代操作系统的基本特征 如进程管理 存储管理 设备管理 网络通信等 随着控制对 象及其实现功能的复杂性增加 这种没有操作系统的嵌入式控制系统已经不能满足现代纺 织生产设备控制系统的需求 近年来 高性能微处理器的出现及实时操作系统的发展为解 决这一问题提供了良好的硬件和软件支持 3 2 位的高性能微处理器具有更宽的总线带宽 更高的主频速度 数据处理能力大大提高 而其丰富的外设接口 使其具有良好的可扩展 性 可以方便的挂接各种外部功能模块 实时操作系统技术则具备良好的实时性和多任务 调度能力担 将嵌入式微处理器技术和嵌入式实时操作系统技术应用于纺织生产设备的控 制系统中 无疑将大大提高设备的实时控制和数据处理能力 同时为远程协同控制系统提 供强大的网络通讯能力2 对于工业控制系统来说 控制网络一般必须满足两个主要标准 有限的时间延迟和可 靠的传输 1 传统的共享式以太网采用的是带碰撞检测的载波侦听多路访问控制协议 c s m a c d 一般认为该协议不能满足控制系统实时性的要求 但是随着以太网自身带 宽的迅速增加 使冲突几率大大减小外 交换机技术和全双工通信方式的出现也使数据冲 撞及重发机会最小化 3 总的来说快速以太网 交换机技术和全双工通信技术的发展使以 太网更适应于实时应用 以太网在工业通讯网络中的使用 将构建从底层的现场生产设 备到先进与优化控制层 企业管理决策层的综合自动化网络平台 从而可以消除企业内部 的各种自动化孤岛 并且随着支持t c p i p 协议的嵌入式控制系统在生产设备开发中的应 用 以太网技术直接应用于工业现场设备问的通信已成大势所趋z s i l l 1 2 研究的内容 在前面的讨论中我们知道 基于c s c w 嵌入式纺织生产设备控制系统是集控制技术 1 0 浙江理工大学硕上学位论文 网络通信 协同管理于一体产物 我们只有学习 借鉴国内外的技术基础上 坚持自主研 发 才能使我们的技术水平不断提升 并最终达到国际领先水平 我们的目标就是对基于 c s c w 嵌入式纺织生产设备控制系统进行研究 并在此理论基础上 完成基于c s c w 嵌入式 织机模拟控制系统的