（检测技术与自动化装置专业论文）基于嵌入式web服务器的液位监控系统的设计.pdf

武汉理工大学硕i 学位论文 摘要 随着数字信息技术和网络技术的高速发展 科技社会己经步入后p c 时代 后p c 时代的绝大多数计算机是以嵌入式系统的形式出现的 在后p c 思想的影 响下 嵌入式系统与i n t e r n e t 技术 工业控制技术等结合日益密切 其中一项重 要应用就是实现对远程现场设备的状态监控 利用嵌入式i n t e r a c t 技术 可以比 较方便地在各类嵌入式应用中 借助于计算机 网络和通信技术 依靠安装在 现场的各种数据采集设备 实现对远程现场设备的操作 监测 控制和维护 本文针对液位远程监控的要求 把嵌入式与i n t e r n e t 技术相结合 采用了 b s b r o w s e r s e r v e r 模式对液位实施远程监控 在控制策略上 则采用了九点 控制算法 对液位实行控制 本系统最大的特点就是嵌入式网络的应用 把下 层的液位控制部分和上层的监控部分 w 曲服务器部分 都集成到u c l i n u x 系统中 完成 用户只需要在其他计算机上利用通用的网页浏览器 以通过以太网访问 监控页面的形式来达到监控的目的 而且还可以很方便把w e b 服务器连接到因 特网 这样用户或者管理人员不用安装特别的客户端软件 就可以通过网络随 时随地的访问系统的监控界面 在很大程度上摆脱了时间和空间的约束 本文设计开发的基于嵌入式w e b 服务器的液位监控系统在硬件上选用了应 用广泛 技术成熟的器件 如选用了基于a r m t t d m i 内核的s 3 c 4 4 b o x 作为 系统的核心处理器 在硬件设计方面主要完成f l a s h 接口电路 s d a m 接口 电路 串口接口电路 以太网接口电路 d a 转换电路等主要部分的设计 其 中 f l a s h 用作b o o t l o a d e r u c l i n u x 内核及文件系统的存放 s d r a m 用作运行 及数据存储空间 串行通信口用作其它的通信扩展 以太网接口用于提供远程 i n t e r n e t 接入 d a 转换电路用作液位控制数据的向外传输 在软件设计上集成了开放源代码的典型的嵌入式系统软件u c l i n u x 在 u c l i n u x 中需要完成u c l i n u x 的裁减与移植 上层液位控制程序的设计 u c l i n u x 下w e b 服务器的构建及动态页面的显示 u c l i n u x 下设备驱动程序的添加等工 作 关键词 嵌入式 u c l i n u x w e b 服务器 九点控制算法 武汉理1 人学硕l 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fd i 西诅li n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dn e t w o r k t e c h n o l o g y t h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g ys o c i e t yh a sb e e ni nt h ea g eo fl a t t e rp c d u e t ot h ei n f l u e n c eo ft h el a t t e rp ct i m e t h ee m b e d d e dt e c h n o l o g yc o m b i n e st i g i l t l v w i t hi n t e m e tt e c h n o l o g ya n di n d u s t r yc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y o n eo ft h em o s t i m p o r t a n ta p p l i c a t i o n si s t l l e l o n g d i s t a n c es t a t em o n i t o r i n g e m b e d d e di n t e m e t t e c h n o l o g y c a nb e u s e di na l lk i n d so fe m b e d d e da p p l i c a t i o n s c o n v e n i e n t l y d e p e n d i n go nt h ec o m p u t e r n e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y w i t ht h eh e l p o fk i n d so fd a t ac o l l e c t i n ge q u i p m e n t s t h el o n g d i s t a n c ee q u i p m e n t sc a nb et r e e m a n i p u l a t e d m o n i t o r e da n dc o n t r o l l e d i nt h i s d i s s e r t a t i o n s a c c o r d i n g t ot h ed e m a n do fl o n g d i s t a n c em o n i t o r i n g s y s t e m i tc o m b i n e se m b e d d e da n di n t e m e tt e c h n o l o g y a n du s e sb sm o d et o a c h i e v ei t i nt h i ss y s t e m n i n e p o i n tc o n t r o l l e ri su s e da st h es y s t e mc o n t r o ip o l i c y t h em o s to b v i o u sc h a r a c t e r i s t i co ft h i ss y s t e mi st h ea p p l i c a t i o no ft h ee m b e d d e d n e t w o r k b o t ht h ep a r to fl e v e lc o n t r o l l i n ga n dt h em o n i t o r i n gp a r tw i l lb ec o m p l e t c d i nt h eu c l i n u xo p e r a t es y s t e m a n du s e r sc a l lv i s i tt h ew e bs e r v e ri no t h e rc o m p u t e r s o ft h en e t w o r ka n db r o w s e rt h ed a t ao ft h el o c a l e a n dr e a l i z et h em o n i t o r i n ga i m t h r o u 曲t h ef o 咖o fi n t r a n e tv i s i t i n gt h em o n i t o r i n gl a y o u t i tc a ne a s i l yc o n n e c tw e b s e r v e rt oi n t r a n e t s ot h a tu s e r sa n dm a n g e r sc a nv i s i tt h em o n i t o r i n gl a y o u to ft h e s y s t e ma ta n yt i m ea n dl o c a l sb yn e t w o r kw i t h o u ti n s t a l l i n gs p e c i a lu s e rs o f t w a r e w h i c hh e l p su sg e tr i do ft h er e s t r i c t i o no ft h et i m ea n ds p a c ei nt h eg r e a td e g r e e t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h i ss y s t e r ni sa d o p t e dt h ew i d e l yu s e da n de x q u i s i t e c o m p o n e n t s f o re x a m p l e t h e 3 c 4 4 8 0 xw h i c hi sb a s e do nt h ea r m 7 t d m i c o r ei s u s e da st h ep r o c e s s o ro ft h es y s t e m f o rt h ed e s i g no fh a r d w a r e t h ed e s i g no ff l a s h i n t e r f a c e s d r a mi n t e r f a c e u a r ti n t e r f a c e i n t r a n e ti n t e r f a c ea n dd ac o n v e r s i o n c i r c u i t r ys h o u l db ea c h i e v e d t i l ef l a s hm e m o r yi su s e df o r t h es t o r a g eo fb o o t l o a d e r u c l i n u xc o r ea n df i l es y s t e m t h es d r a mi su s e df o rt h eo p e r a t es p a c eo ft h e s y s t e m t h eu a r t i sa l le x p a n d e d n e s so fo t h e rc o m m u n i c a t i o n t h ei n t r a n e ti n t e r f a c e c a nm a k et h es y s t e mc o m m u n i c a t ew i t hl o n g d i s t a n c ei n t e r n e t d ac o n v e r s i o n c i r c u i t r yc h a r g e st h el i q u i d l e v e lc o n t r o ld a t at r a n s m i s s i o n n es o f t w a r ed e s i g ni sd e p e n d e do nt h eu c l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m a n ds h o u l d b ec o m p l e t e dt h et a s k sa sf o l l o w t r a n s p l a n t i n gt h eu c l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m d e s i g n i n gt h el i q u i dl e v e lc o n t r o lp r o g r a m b u i l d i n gw e bs e r v e ro nu c l i n u xa n d d i s p l a y i n gd y n a m i cl a y o u t a n dd e s i g n i n gt h ed e v i c ed r i v e r so ft h es y s t e m k e yw o r d s e m b e d u c l i n u x w e bs e r v e r n i n e p o i n tc o n t r o l l e r 武汉理工大学硕士毕业论文 独创性声明 本人声明 所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留 使用学位论文的规定 即学校有权 保留 送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公布论文的全部 或部分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 保密的论文在解密后应遵守此规定 签名 甄翩签名 i 鸯 堑日期 幽 丝 武汉理t 大学硕 f 学位论文 第1 章绪论 随着计算机技术的发展 社会日益信息化 嵌入式技术也渗透到社会生活 的各个方面 d nm p 3 p d a 这样的手持设备 大到通信交换机和数控机床 嵌入式系统的身影无处不在 从生活用品到工业设备 嵌入式设备都在大显身 手 目前存在多种嵌入式系统的定义 下面给出两种比较常见的定义 1 j 1 根据i e e e 的定义 嵌入式系统是 用于控制 监视或者辅助操作机 器和设备的装置 2 嵌入式系统是以应用为中心 以计算机技术为基础 软 硬件可裁剪 功能 可靠性 成本 体积 功耗严格要求的专用计算机系统 广而言之 可 以认为凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统 1 1 本课题的来源及意义 1 1 1 选题背景及其意义 在当今的工业控制和日常生活中 液位是非常常见的控制对象 液位控制 系统在工业生产的诸多领域中部有广泛的应用 对于液位控制 传统的控制方 式是采用p l c 作为下位机 上位机则采用组态软件或者是用v b v c 等开发相 应的监控软件来进行上层的监控 虽然这样的监控模式对于要求比较高的系统 非常适用 但是其监控的成本也比较高 只是p l c 部分就需要成千上万或者几 万元的花费 再加上上层的监控软件的费用 仅监控部分甚至就要花费十多万 元 这样对于那些对监控指标要求不是很高的系统来说成本太高 就显的不实 用 传统液位监控系统结构图如图1 1 所示 武汉理工大学硕i 二学位论文 图1 1 传统液位监控系统结构图 所以在本液位监控系统设计方面 采用了在u c l i n u x 系统上运行液位控制 应用程序和w e b 服务器的方法 把系统的控制部分和监视部分都集中到u c i i n u x 操作系统中完成 这样 对于每个独立的监控部分 其成本最低可降为几百元 大大的降低了成本 而且还可以利用i n t e m e t 庞大的资源和服务 对系统实施监 控 只要接入i n t e r a c t 就可以通过公用的因特网来实现对嵌入式w e b 服务器的 访问 有助于技术人员随时随地掌握现场的信息 图1 2 嵌入式w e b 服务器液位监控系统总体结构图 武汉理t 大学硕 f 学位论文 嵌入式w e b 服务器液位监控系统的应用前景也十分广阔 可应用于工业控 制 现代化农业和养殖业 智能家居等领域 本课题将基于嵌入式技术与i m e r n e t 的应用技术 智能控制技术相结合1 3 1 构造一种全新的远程液位监控系统 通过研究基于嵌入式的远程液位监控系统 掌握其系统构架的原理和方法 掌握相关的远程数据采集 处理 信息传递等 关键技术 嵌入式w e b 服务器液位监控系统总体结构图如图1 2 所示 1 2 2 本文研究目标 研究内容和拟孵决的关键问题 本论文的研究目标为 实现远程数据的采集 处理与根据要求实现预期的 控制 并通过网络对其实施监视和控制 研究的内容 1 a r m 在数据处理 控制方面的应用 2 九点控制算法的研究与在本系统中的应用 3 深入研究u c l i n u x 的结构以及u c l i n u xw e b 服务器 4 在主机上实现数据的接发和动态显示 数据的存储与查询 拟解决的问题 1 实现对数据的采集 转换 2 实现对液位的控制 3 实现u c l i n u x 的裁减 4 实现u c l i n u xw e b 服务器的移植 5 完成系统w e b 监控界面的设计 1 2 本文的结构及内容安排 本文针对恒液位控制为研究对象 完成了嵌入式w e b 服务器的液位监控系 统的硬件平台构建及软件设计 本文的内容共分7 章 第1 章绪论主要介绍本课题的选题背景 研究内容及研究意义 第2 章嵌入式w e b 服务器液位监控系统整体设计给出了系统的设计要 求 并进一步分析了系统的设计原理 系统硬件结构和软件结构 第3 章嵌入式w e b 服务器液位监控系统的硬件平台构建主要分析了系 武汉理1 大学硕b 学位论文 统的主处理器的选型 完成了系统液位控制电路设计 系统f l a s h 接口电路 设计 s d r a m 接口电路设计 网络接口电路设计 串口电路设计等工作 第4 章嵌入式w e b 服务器液位监控系统软件设计主要完成b o o t l o a d e r 的改写 液位控制程序的设计 u c l i n u x 下w e b 服务器的构建 u c l i n u x 下设备 驱动程序的添加 u c l i n u x 的裁减与移植等工作 第5 章液位控制算法研究与应用此章先介绍了九点控制算法的原理及 其自身的优势 进而分析九点控制算法如何应用于本液位监控系统 第6 章本系统进一步升级与改进的研究进一步研究了u c l i n u x 的j f f s 2 文件系统的构建和历史数据的存储等内容 第7 章结论与展望对已做工作进行总结 并对今后的工作提出建议 4 武汉理工大学硕t 学位论文 第2 章嵌入式w e b 服务器液位监控系统整体设计 在本章中 给出了系统的设计要求 并进一步分析了系统的设计原理 系 统硬件结构和软件结构以及液位控制算法的选择 2 1 系统设计要求 本文是针对普通的恒液位控制系统来设计的 其液位控制系统示意图如图 2 1 所示 进水阀门 液位传感器 图2 1 液位控制系统示意图 本监控系统的控制要求为 1 用户能够直观了解现场设备的工作状态及液位的当i i 状态 2 要求用户能够远程控制液位的高低 3 系统具有液位过高 过低报警及提示用户的功能并储存相应的报警信 息 以备用户查询 4 当液位出现波动时 能够在短时问内稳定在所设定的液位值上 最终 稳态液位的误差范围 1 2 2 系统设计原理 本系统主要针对恒液位为对象进行控制 通过液位传感器测量得到当前水 池的当前液位值 可以通过不同位置的传感器求平均值的方法得到当i j i 液位 武汉理1 大学硕士学位论文 值 并通过a d 转换器转换后传送给系统液位控制器 这里的液位控制是在 u c l i n u x 下运行液位控制进程来实现的 液位控制器会分析当前的液位数据 液 位值 并根据相应的控制算法o l 点控制算法 做出相应的控制策略一通过 步进电机对进水阀门和出水阀门进行调节 以此达到液位控制的效果 而且由 于在u c l i n u x 操作系统中构建了w e b 服务器 所以可以通过u c l i n u x 下进程间 的通信来实现w e b 服务器进程和液位控制进程间的信息交互 把系统相应的液 位信息显示于w e b 监控页面上或者把用户的控制命令传送给液位控制程序 嵌 入式w e b 服务器液位监控系统原理图如图2 2 所示 图2 2 嵌入式w e b 服务器液位监控系统原理图 2 3 系统硬件结构 在本系统中 硬件部分主要包括主处理器 f l a s h 存储器 s d r a m 存储 器 串口控制器 以太网控制器 j t a g 仿真器 液位控制电路等 其中 串口 电路在本系统中并不是必需采用的 在此加上串口电路只是为了方便以后系统 扩展和升级 嵌入式w e b 服务器液位监控系统硬件结构图如图2 3 所示 6 武汉理工大学硕 学位论文 图2 3 嵌入式w e b 服务器液位监控系统硬件结构示意图 2 3 系统软件结构 2 3 1 嵌入式操作系统的选择 本液位监控系统是基于多任务的 所以必须围绕嵌入式操作系统来实现 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件 它是嵌入式 系统 包括硬 软件系统 极为重要的组成部分 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 标准化测览器等 嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点 如能够有效管理越来越复杂的 系统资源 能够把硬件虚拟化 使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中 解脱出来 能够提供库函数 驱动程序 工具集以及应用程序 与通用操作系 统相比较 嵌入式操作系统在系统实时高效性 硬件的相关依赖性 软件固态 化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点 嵌入式操作系统的种类繁多 大体上分为两种商用型和免费型 商用型的 嵌入式操作系统主要包括 v x w o r k s w i n d o w sc e l y n x p a l mo s o s 9 p s o s j i n i q n x 等 其中 由w i n d r i v e r 公司开发研制v x w o r k s 和由微软公 司开发的w i n d o w sc e 在国内应用比较广泛 免费的嵌入式操作系统主要有 u c l i n u x 和u c o s i i u c l i n u x 是l i n u x 2 0 的一个分支 它被设计用来应用于微控制领域 u c l i n u x 最大的特征是没有m m u 内存管理单元模块 它很适合那些没有m m u 的处理 囫 武汉理工丈学硕 学位论文 器 例如a r m t t d m i 等 这种没有m m u 的处理器在嵌入式领域中应用得相 当普遍 同标准的l i n u x 相比 由于u c l i n u x 上运行的绝大多数的用户程序并不 需要多任务 另外 针对u c l i n u x 内核的二进制代码和源代码都经过了重新编 写 以紧缩和裁剪基本的代码 这就使得u c l i n u x 的内核同标准的l i n u x 2 0 的 内核相比非常之小 但是它仍能保持l i n u x 操作系统常用的a p i 小于5 1 2 k 的 内核和相关的工具 操作系统所有的代码加起来小于9 0 0 k b u c l i n u x 有完整的 t c p i p 协议 同时对其他网络协议都提供支持 这些网络协议都在u c l i n u x 上 得到了很好实现 另外 u c l i n u x 原码开放 设计者可以根据自己的需要添加自 己的代码来完成相应的功能 现在u c l i n u x 已经被越来越多的应用于实际 尤 其在高校 越来越多的教师 学生也开始了对u c l i n u x 的研究 u c o s i i 提供了嵌入式系统的基本功能 其核心代码短小精悍 如果针对 硬件进行优化 还可以获得更高的执行效率 当然u c o s i i 相对商用嵌入式系 统来说还是过于简单 而且存在开发调试困难的问题 其特点包括 公开源代 码 可移植性强 可固化 可裁剪 占先式 多任务 可确定性 任务栈 系 统服务 中断管理 稳定性与可靠性都很强 u c o s i i 已经被移植到以下许多 c p u 上 a r m 公司的a r m 6 i n t e l 公司8 0 x 8 6 p e n t i u m p e n t i u mi i 8 0 5 1 等 系列 摩托罗拉公司的p o w e r p c 6 8 k 6 8 h c l l 等系列 本液位监控系统基于成本和功能方面的考虑 选择采用免费的嵌入式操作 系统u c l i n u x 2 3 2 系统软件结构 对于本液位监控系统的软件设计 最主要由液位控制程序和w e b 服务器监 控程序两大部分组成 这两部分都是在u c l i n u x 操作系统下完成 液位控制程 序被用来对液位进行直接的控制 w e b 服务器监控程序被用来与用户进行信息 交互 用户可以通过调用c g i 程序的方式把现场的监控信息反映到w e b 监控页 面上 而c g i 则通过进程i b j 通信实现与液位控制进程问的信息交流 嵌入式 w e b 服务器液位监控系统软件结构示意图如图2 4 所示 8 武汉理工大学硕e 学位论文 除此之外 系统软件设计部分还要完成u c l i n u x 裁减移植和a d 转换驱动 的设计和添加等工作 2 4 控制算法的选择 传统的p i d 控制算法在当今工业控制领域应用非常广泛 而且p i d 算法在 一般的简单控制系统中能够取得很好的控制效果 但是对于那些很难建立数学 模型的系统来说就很难采用这种控制算法 九点控制算法是一种新型的控制算 法 随着研究的深入而渐渐的成熟 九点控制算法以偏差和偏差变化率为判断 依据 具有稳定 不失控 应用范围广等优点 采用九点控制算法可以不用考 虑精确的数学模型 尤其对于二阶的系统可以取得很好的控制效果 本文基于学习和广泛应用的考虑选择采用九点控制算法进行液位的控制 2 5 本章小结 在本章中 主要给出了嵌入式w e b 服务器液位监控系统的整体设计 提出 了系统的设计要求 并进一步分析了系统的设计原理 系统硬件结构和软件结 构以及液位控制算法的选择 9 武汉理工大学硕b 学位论文 第3 章嵌入式w e b 服务器液位监控系统硬件平台 的构建 在本章中 根据系统的要求构建整个硬件系统 主要完成了系统液位控制 电路设计 系统f l a s h 接口电路设计 s d r a m 接口电路设计 网络接口电路 设计 串口电路设计等工作 3 1 系统处理器芯片选型 本液位监控系统由于涉及多任务处理 而且需要构建嵌入式w e b 服务器 所以必须围绕嵌入式操作系统来设计 对于嵌入式操作系统 本系统中选用了 开放源码而且免费的u c l i n u x 操作系统 所以对于处理芯片的选择 尤其是系 统主处理芯片的选择 也有相应的要求 对于系统处理芯片的选型主要有系统主处理芯片和其他外围处理芯片两 类 对于主处理芯片 当前应用比较广泛的主要有p o w e r p c a r m d s p 等系 列的芯片 但是能够移植u c l i n u x 操作系统的只有p o w e r p c 和a r m 系列 p o w e r p c 由于价格较高 一般应用于高端的嵌入式系统中 a r m 系列芯片具有 性能高 成本低和能耗低的特点 适用于多种领域 比如嵌入控制 消费 教育 类多媒体 d s p 和移动式应用等嘲 在本系统中 选用了a r m 系列的s 3 c 4 4 b o x 作为系统的主处理芯片 s 3 c 4 4 b o x 微处理器是三星公司专为手持设备和一般应用提供的高性价比 和性能的微控制器解决方案 它使用a r m 7 t d m i 核 工作在6 6 m h z 为了降 低系统成本和减少外围器件 这款芯片中还集成了下列部件 8 k bc a c h es r a m 控制器 l c d 控制器 4 通道d m a 系统管理器 带p w m 功能的5 通道定时 器和一个内部定时器 i 0 端口 r t c 8 通1 0 位a d c 带自动握手的2 通道 d a r t 1 个多主i i c 总线接口 i i s 总线接口 同步s l o 接口和p l l 倍频器 s 3 c 4 4 b o x 是使用a r m 7 t m d i 内核 采用0 2 5 u m c m o s 工艺制造 9 1 它 的低功耗和全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用 s 3 c a 4 b o x 还采 用了一种新的总线结构 即s a m b a i i s 3 c 4 4 b o x 的杰出特性是它的c p u 核 武汉理工大学硕 学位论文 是由a r m 公司设计的1 6 3 2 位a r m 7 t m d ir i s c 处理器 6 6 m h z 它包括了 t h u m b 代码压缩器 一个片上的i c e 断点调试支持和一个3 2 位的硬件乘法器 s 3 c 4 4 b o x 通过提供全面的 通用的片上外设 大大减少了系统中处理器以外 的元件配置 从而使系统的成本大为降低 对于其他外围的控制芯片 本系统中都采用了比较常用的芯片 如选用了 s s t 3 9 v f l 6 0 芯片作为系统的f l a s h 选用了h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 芯片作为系统的 s d r a m 选用了r t l 8 0 1 9 a s 作为系统的网络控制芯片 选用了m a x 2 3 2 作 为系统的串口控制芯片 3 2 系统液位控制电路设计 在本系统中 液位控制电路主要包括两个部分 一是液位检测部分 二是 液位控制部分 在液位检测部分通过把液位检测仪和s 3 c 4 4 b o x 芯片的a d 转 换电路相连接来实现系统对液位的检测 在液位控制部分 利用步进电机控制 进水阀门和出水阀门的开度来实现恒液位控制 由于步进电机接收的是数字信号所以就不需要附加d a 转换电路 所以液 位控制电路的设计重点是步进电机的驱动 驱动步进电机一般可以采取使用多 个功率放大器件驱动电机和使用专门的电机驱动芯片驱动电机两种方法 而使 用专门的电机驱动芯片驱动电机的方式由于其控制简单 运行稳定等特点 被 普遍应用于电机控制中 本系统也采用了这样的控制方法 在本系统中 采用基于双极型h 桥型脉宽调制方式 p w m 的集成电路 l 2 9 8 n 芯片做为电机的驱动芯片 由于s 3 c 4 4 b o x 本身就带有5 个p w m 输出 口 直接输出控制信号到l 2 9 8 n 即可 无须另加电路 i 2 9 8 n 使能引脚 输入 引脚和输出引脚之问的逻辑关系如表3 1 所示 e n ai n l i n 2 电机转向 hh l 正转 hlh 反转 h 同i n 2同i n l停止 lxx 停止 表3 1l 2 9 8 n 使能引脚 输入引脚和输出引脚之问的逻辑关系 1 1 武汉理t 大学硕上学位论文 在本系统中 选用了工作在中断模式下的定时器1 和2 作为产生p w m 的 定时器 通过编程设定i o 口p e 4 和p e 5 作为定时器1 2 输出p w m 的端口 接入l 2 9 8 n 的e n a 和e n b 端口 根据定时器1 2 输出的p w m 脉冲分别控制 两个步进电机的转动 p e 6 设定为输出端口连接i n l 并通过一反向器连接i n 2 同样 p e 7 也设为输出端口 接入i n 3 并经一个反向器接入i n 4 通过接入反 向器 i n l 和i n 2 i n 3 和i n 4 就不会同时处于高电平或低电平 即不会因为i n l 和i n 2 i n 3 和i n 4 电平相同而使电机停止转动 电机的停止操作可以通过调 制脉冲宽度为0 即占空比为0 或者关闭定时器的使能位实现 这样只需一路信 号p e 6 就可控制i n l 和i n 2 的状态 p e 7 控制i n 3 和1 n 4 的状态 从而使得系 统的控制信号得到减少 在一定程度上简化了系统 为保证l 2 9 8 n 驱动芯片正 常工作 还要在其与直流电机之间加入四对续流二极管用以将电机中反向电动 势产生的电流分流到地或电源正极 以免反向电动势对l 2 9 8 n 产生损害 系统 液位控制电路如图3 1 所示 v c c s v w 0 2 v 图3 1 系统液位控制电路 1 2 武汉理t 大学项l 学位论文 3 3f l a s h 接口电路设计 本系统采用s s l r 3 9 v f l 6 0 作为f l a s h 主要用于b o o t l o a d e r 程序 中断向 量表和u c l i n u x 操作系统内核映像的存储 另外各工件的热处理工艺参数也保 存在f l a s h 中 这样即使在断电后该参数仍能保存 由于系统上电时自动从 地址o x o o 0 0 0 0 0 0 处开始运行 因此必须将f l a s h 映射到b a n k 0 这样系统上 电之后才能运行f l a s h 中的b o o t l o a d e r 程序 完成一些初始化操作 为操作系 统的加载做好准备 这样在本系统中就要用n g c s o 来选通f l a s h 的片选端 n c e 同时 由于该f l a s h 的总线宽度为1 6 位 在本系统中必须用s 3 c 4 4 b o x 的 a 1 和s s t 3 9 v f l 6 0 的a 0 相连接 a 2 和a 1 相连 这样该f l a s h 的地址 范围为 0 x 黼0 x 0 0 1 f f f f f f l a s h 和s 3 c 4 4 8 0 x 的硬件连接电路图 如图3 2 所示 3 鎏 一 一 许一 丁 一 一 r 一 一 一 一 2 二 一 t 一 毒 笋 土 图3 2f l a s h 和s 3 c 4 4 b o x 的硬件连接电路图 3 4s d r a m 接口电路设计 h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 是8 m b 的同步动态r a m 分为4 个b a n k 每个b a n k2 m 字节 非常适合大密度内存和大数据带宽的要求 h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 在时钟上升沿 实现全动态操作 所有的输入和输出在输入时钟的上升沿得到同步 时钟频率 高达1 0 0 m h z h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 与s 3 c 4 4 b o x 的接口电路如图3 3 所示 武汉理1 大学硕士学位论文 图3 3h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 与s 3 c 4 4 b o x 的接口电路 3 5 串口电路设计 r s 2 3 2 串行接口是嵌入式系统中较为常用的一种接口 s 3 c 4 4 b o x 内部集 成的u a r t 通用异步收发器 单元提供两个独立的异步串行i o 端口 都可以运 行于中断模式和d m a 模式 即可以产生中断请求或d m a 请求 以便在c p u 和u a r t 之间传递数据 它们支持的最高波特率为1 1 5 2k b p s 每个d a r t 通 道包含两个用于接收和发送数据的1 6 位f i f o 队列 s 3 c 4 4 b o xd a r t 还支持 可编程波特率 红外收 发模式 1 2 位停止位 s 位 6 位 7 位或8 位的数据 宽度以及奇偶校验位 r s 2 3 2 接口通常采用d b 9 芯片标准接口 但在实际应用 中 并不是每一个引脚都是有用的 由于r s 2 3 2 1 2 标准所定义的高 低电平信 号与s 3 0 4 4 8 0 系统的i 册 电路所定义的高 低电平信号完全不同 i m 的标准逻辑 1 对应2 v3 3v 电平 标准逻辑 0 对应o v0 4 v 电平 而 r s 一2 3 2 c 标准采用负逻辑方式 标准逻辑 1 对应 5 v 1 5 v 电平 标准逻辑 o 对应 s v 1 5 v 电平 显然 两者问要进行通信 就必须经过信号电平 的转换 常用的电平转换芯片有m a x 2 3 2 m a x 2 0 2 m a x 2 2 0 及m a x 3 2 3 2 等 本系统中采用m a x 3 2 3 2 来完成u a r t 串行接口的电平转换 作外部扩展 1 4 武汉理t 大学硕 学位论文 用 系统串口电路原理图如图3 4 所示 图3 4 系统串口电路原理图 3 6 以太网接口电路设计 以太网以其高度灵活 相对简单 易于实现的特点 成为当今最重要的一 种局域网建网技术 在本系统中 我们采用r e a l t e k 公司的r 1 18 0 1 9 a s 芯片 r t l 8 0 1 9 a s 是通用e t h e r n e t 网络接口芯片 具有1 6 位的数据总线和2 4 位的地 址总线 具有曼彻斯特编码 冲突检测和重发的功能 可以与很少的外围电路 一起完成数据的发送和接收功能 r 1 1 8 0 1 9 a s 以太网接口芯片以其优良的性 能 低廉的价格得到了广泛的应用 其主要性能如下 1 支持以太网i i 和i e e e 8 0 2 3 1 0 b a s e 5 1 0 b a s e 2 1 0 b a s e t 2 兼容n e 2 0 0 0 标准 支持8 位和1 6 位的数据总线 3 支持j u m p e r 和j u m p e r l e s s 模式 4 全双工 收发可同时达到1 0 m 速率 具有休眠模式以降低功耗 5 内黄1 6 k 的s r a m 用于数据收发缓冲 降低了对处理器的速度要求 r 删1 9 a s 是一款高度集成的以太网控制芯片 由接收逻辑控制器 接收 c r c 校验 接收计数器 f i f o 逻辑队列 发送逻辑控制器 发送c r c 校验 武汉理工大学硕l 学位论文 内部总线 i o 缓冲区等组成 其中的每个模块都能由相应的寄存器加以控制 有两种工作模式 一种是跳线模式j u m p e r 一种是非跳线模式j u m p e r l e s s 后 者也支持p l u ga n dp l a y r t l 8 0 1 9 a s 输入输出地址共3 2 个 地址偏移量为 0 0 h 1 f h 其中0 0 h 0 f i i 共1 6 个地址 为寄存器地址 寄存器分成4 页 p a g e 0 p a g e 3 与n e 2 0 0 0 兼容的寄存器只有3 页p a g e 0 p a g e 2 为了保证驱 动程序对所有n e 2 0 0 0 的网卡有效 不去操作第四页p a g e 3 的寄存器 1 0 h 1 7 h 共8 个地址 为d m a 地址 1 8 h 1 f h 共8 个地址 为软复位端口 r t l 8 0 1 9 a s 的硬件复位很简单 只需在上电时对r s t d r v 输出一高电平 就可以了 在复位的过程中 r t l 8 0 1 9 a s 将执行一些操作 并将内部寄存器初 始化等 这至少需要2 m s 的时i 日j 推荐等待更久的时间之后才对网卡操作 比 如1 0 0 m s 以确保r t l 8 0 1 9 a s 完全复位 1 0 c s l 6 b 为低电平时采用8 位d m a 操作模式 上面的地址中只有1 8 个是有用的 即0 0 h 0 f h 为寄存器地址 1 0 h 为d m a 地址 1 f h 为复位地址 需要说明的是 采用8 位d m a 操作模 式时 1 1 h 1 7 h 的7 个地址与1 0 h 是一样的 也可以用作d m a 地址 从1 8 h 到1 e h 共7 个地址都是复位地址 且它们的功能与1 f h 是一样的 理论上这 些端口都可以使用 但实际上只有1 8 h 1 a h 1 c h 1 e h 这几个复位端口是 有效的 因为有些兼容卡不支持1 9 h 1 b h 1 d h 等地址的复位 r t l 8 0 1 9 a s 的工作流程如下 接收逻辑在接收时钟的控制下 将串行数据 拼成字节送到f i f o 和c r c 发送逻辑将f i f o 送来的字节在发送时钟的控制下 逐步按位移出 并送到c r c c r c 逻辑在接收时对输入的数据进行c r c 校验 并将结果与帧尾的c r c 比较 如不同 该帧数据被拒收 在发送时c r c 对帧 数据产生c r c 并附加在数据尾传送 地址识别逻辑对接收帧的目的地址与预 先设置的本地物理地址进行比较 如不同且不满足广播地址的设置要求 该帧 数据将被拒收 f i f o 逻辑对发送的数据作1 6 个字节的缓冲 以减少对本地 d m a 请求的频率 r t l s 0 1 吼峪的t k e n 接在s 3 c 4 4 8 0 x 片选引脚n g c s 4 上面 地址范围为 0 x 0 8 0 0 0 0 0 0 0 x 0 9 f f f f f f r t l 8 0 1 吼蟠的i n r 0 接在s 3 c 4 4 b o x 的中断引脚 e x l n t 3 s a l 0 4 1 与s 3 c 4 4 b o x 的地址线a d d r 8 1 2 1 相连接 数据线s o 0 1 5 与s 3 c 4 4 b o x 的低1 6 位数据总线d a t a o 1 5 相连接 r t l s 0 1 9 a s 的i o r b i o r w b 分别和s 3 c 4 4 b o x 的n o e n w e 连接 r s t d r v 连接系统复位信号 采用2 0 m h z 晶振 接在r 1 1 l 8 0 1 9 a s 的x 1 和x 2 端 采用2 0 f 0 0 1 n 作为网络 1 6 武汉理t 大学硕十学位论文 隔离介质 r t l 8 0 1 9 a s 与s 3 c 4 4 b o x 接口电路图如图3 5 所示 图3 5r t l 8 0 1 9 a s 与s 3 c 4 4 b o x 接口电路图 3 7 本章小结 在本章中 分析了嵌入式w e b 服务器液位监控系统的整体设计思想 并根 据系统的要求构建整个硬件系统 主要完成了系统液位控制电路设计 系统 f l a s h 接口电路设计 s d r a m 接1 3 电路设计 网络接口电路设计 串口电路 设计等工作 1 7 硪 聪 嗍 武汉理丁大学硕l 学位论文 第4 章嵌入式w e b 服务器液位监控系统软件设计 基于u c i a n u x 操作系统的完整的嵌入式系统由三大部分组成 即系统引导 程序b o o t l o a d e r u c l i n u x 操作系统内核和文件系统 在本系统中 软件的设计 需要完成液位控制程序的设计 u c l i n u x 下w e b 服务器的构建 u c l i n u x 下设备 驱动程序的添加 u c l i n u x 的裁减与移植等工作 4 1 液位控制应用程序的设计与添加 4 1 1 液位控制程序的设计 在本系统中 在 u s r m y a p p i e l 录下编写液位控制程序c o n t r o l c 液位控制 应用程序主要完成四个部分的工作 1 查询是否有通过w e b 服务器传输来的控制数据 如果有 就按此 控制值控制 如果没有 就按默认的数值控制 2 3 4 读取当前经过a d 转换的数据并做相应的处理 因为在本系统中 a d 转换后的数据是通过调用驱动函数的方式来读取的 通