分類號(hào) 密級(jí) U D C 編號(hào) 中 南 大 學(xué) 士學(xué)位論文 論文題目 基于 嵌入式通信接 口系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 學(xué)科、專業(yè) 控制理論與控制工程 研究生姓名 周 立 平 導(dǎo)師姓名及 專業(yè)技術(shù)職稱 李 劼 教授 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 I 摘 要 本文在綜合評(píng)述嵌入式系統(tǒng)技術(shù)及其在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)適合于工業(yè)分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的嵌入式通信接口系統(tǒng)。主要內(nèi)容和研究結(jié)果如下： 1. 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)、規(guī)劃出了系統(tǒng)的主要功能子模塊，確定了設(shè)計(jì)方法、層次結(jié)構(gòu)以及開發(fā)工具； 根據(jù)應(yīng)用需要，對(duì)系統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式處理器進(jìn)行了精心選型，并分析了選型過(guò)程中的主要考慮因素。 2. 從各功能單元模塊的具體電路設(shè)計(jì)入手，著重分析了 關(guān)鍵通信電路的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，同時(shí)也研究了本系統(tǒng)中串行通信口、電源電路、復(fù)位電路、 路、 路等子模塊電路的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展方法以及硬件平臺(tái) 的制作和硬件調(diào)試過(guò)程。 3. 圍繞系統(tǒng)的軟件開發(fā)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)硬件配置的啟動(dòng)代碼，并分別在 51單片機(jī)以及 C/細(xì)討論了移植的實(shí)現(xiàn)過(guò)程和主要難點(diǎn)，給出了移植效果，在系統(tǒng)上建立了能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度的 4. 提出了 完善工作，并針對(duì)硬件驅(qū)動(dòng)部分的完善工作，進(jìn)行了系統(tǒng)的串行通信接口、 口控制器 太網(wǎng)接口關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。 最后， 分析了應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合實(shí)際的任務(wù)分析了本系統(tǒng)的啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程。 本文設(shè)計(jì)的嵌入式通信接口系統(tǒng)對(duì)提高分布式控制系統(tǒng)的組網(wǎng)方便性、實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的通信冗余結(jié)構(gòu)和過(guò)程實(shí)時(shí)處理等都有重要的意義。此外，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、小巧，且功耗低，很好的體現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞 理器， 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)， C/核， 線，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 I on a of of in a in in as 1. An on of to of of in 2. of of of of AN of SB as as of 3. of of C/1 in of A to in 4. at of of of of of in 南大學(xué)碩士學(xué)位論文 II of to of of a of C/南大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄 錄 第一章 緒論 .究背景和現(xiàn)狀 . 工業(yè)控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 . 嵌入式系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 .究目的和意義 .文主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu) .二章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和選型 .統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和開發(fā)工具 . 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法討論 . 系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試工具 .統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) .統(tǒng)的選型 . 嵌入式操作系統(tǒng)選型 . C/特點(diǎn) . 嵌入式處理器選型 . 理器 .結(jié) .三章 系統(tǒng)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì) .元電路的設(shè)計(jì) . 口電路 . 以太網(wǎng)接口電路 . 口電路 . 2 個(gè) 行接口電路 . 電源電路 . 真器電路 . 系統(tǒng)復(fù)位電路 .儲(chǔ)系統(tǒng)的擴(kuò)展 .統(tǒng)硬件 計(jì) . 的布局和布線 . 電路抗干擾措施 .統(tǒng)硬件調(diào)試 .南大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄 V 結(jié) .四章 系統(tǒng)的軟件開發(fā) .統(tǒng)啟動(dòng)代碼設(shè)計(jì) .中斷處理 .映射 .C/時(shí)內(nèi)核的移植準(zhǔn)備 .C/ 51 單片機(jī)上的移植 .的移植過(guò)程 . 移植注意要點(diǎn) .C/ 的移植 . 和移植有關(guān)的硬件結(jié)構(gòu) . 的移植過(guò)程 . 移植過(guò)程中的難點(diǎn) . 移植工作總結(jié) .植測(cè)試和效果 .五章 系統(tǒng)的外設(shè)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) .務(wù)擴(kuò)展 .設(shè)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) . 串行口驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) . 口驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) . 嵌入式以太網(wǎng)接口驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) .用程序設(shè)計(jì) .統(tǒng)的啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程 .型機(jī)測(cè)試 .結(jié) .六章 結(jié)論與展望 .考文獻(xiàn) .謝 .讀學(xué)位期間主要研究成果 .南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 1 第一章 緒論 究背景和現(xiàn)狀 過(guò)去五十年，隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)通訊與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)、控制理論和方法等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，以及模擬和數(shù)字儀表的推廣，使得工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)取得了飛速發(fā)展。作為工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的集中體現(xiàn)，控制系統(tǒng)無(wú)論內(nèi)容還是形式上都有了很大的改變1。 同樣在社會(huì)信息化進(jìn)程中， 此次目前嵌入式系統(tǒng)設(shè)備在應(yīng)用數(shù)量上已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了通用計(jì)算機(jī)。在工業(yè)領(lǐng)域，隨著嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，它也正逐漸改變著傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)方式。 目前， 怎樣將嵌入式系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域是一個(gè)值得控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)者思考的課題。本文的主要工作就是針對(duì)上述情況，設(shè)計(jì)了一個(gè)適合于分布式工業(yè)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)通信的嵌入式通信接口系統(tǒng)， 以期能為嵌入式系統(tǒng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用起到拋磚引玉的作用。 業(yè)控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 隨著通信模式、電子技術(shù)和儀表等的發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)歷經(jīng)了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從局部自動(dòng)化到全局自動(dòng)化、從低級(jí)智能到高級(jí)智能的過(guò)程2。當(dāng)前工業(yè)過(guò)程的物理設(shè)備數(shù)量急劇增加，同時(shí)系統(tǒng)要求的功能不斷增加，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信模式，在控制系統(tǒng)中已達(dá)到了它的應(yīng)用極限，不能滿足控制系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制、集成診斷、方便維護(hù)和低成本等需求1。 因此， 以現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的全分布控制系統(tǒng)是現(xiàn)在過(guò)程控制系統(tǒng)的主要形式。 現(xiàn)在，全分布控制系統(tǒng)的主要構(gòu)建方式是以 基礎(chǔ)，再通過(guò)轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)橋?qū)?成起來(lái)。 一般形式是以 一些小型的控制系統(tǒng)或是把該 為 子系統(tǒng)完成一些特定的控制功能；較典型的應(yīng)用形式是將 合在一起，首先利用現(xiàn)場(chǎng)總線組成現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，作為系統(tǒng)的底層，即控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，完成較低級(jí)的任務(wù)控制功能，再接入以太網(wǎng) (管理層 )，這樣可以很方便地構(gòu)建復(fù)雜的系統(tǒng)和完成復(fù)雜的功能，也能充分結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)， 體現(xiàn)出當(dāng)前分布式控制系統(tǒng)的管控一體化的發(fā)展趨勢(shì)。 目前，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線主要問(wèn)題是現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的智能儀表、現(xiàn)場(chǎng)總線儀表產(chǎn)品質(zhì)量還沒(méi)有過(guò)關(guān)、特別是多種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)并存，給應(yīng)用者帶來(lái)極大不便35；另外軟件功能不夠強(qiáng)大，功能模塊少，在復(fù)雜控制方面中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 2 還無(wú)法完成 有的先進(jìn)控制功能。利用現(xiàn)場(chǎng)儀表只能完成一些單回路、串級(jí)控制等。同樣工業(yè)以太網(wǎng)由于 P 協(xié)議本身的缺陷，給控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理帶來(lái)很大影響。 當(dāng)前對(duì)于全分布控制系統(tǒng)的迫切需要解決的問(wèn)題是： 發(fā)展適合自控應(yīng)用需求的工業(yè)數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，即統(tǒng)一總線標(biāo)準(zhǔn)；加強(qiáng)針對(duì)具體工業(yè)過(guò)程的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)智能設(shè)備研制；同時(shí)針對(duì) 研究解決分布式計(jì)算、通訊延遲、異步、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的新控制技術(shù)； 并迅速推出新的理論和方法來(lái)解決控制系統(tǒng)中分布的多個(gè)計(jì)算單元間通過(guò)基于信息包通訊互連而出現(xiàn)的問(wèn)題，來(lái)保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、性能指標(biāo)和魯棒性1。 入式系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 當(dāng)前，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)推廣很快，雖然現(xiàn)在很多大型電子公司大力投入進(jìn)行基于 嵌入式系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)，但是大多數(shù)集中在移動(dòng)終端通信產(chǎn)品、數(shù)碼相機(jī)等個(gè)人電子消費(fèi)品這個(gè)領(lǐng)域，追求的主要是高利潤(rùn)和產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，在工業(yè)應(yīng)用方面還無(wú)暇顧及。 更有許多電子商利用市場(chǎng)的需要， 推出形形色色的 中大多數(shù)是 片的生產(chǎn)廠家推出芯片時(shí)的簡(jiǎn)單測(cè)試板，主要功能是測(cè)試處理器芯片的性能，因此局限性強(qiáng)、很難保證其穩(wěn)定性。 其實(shí)嵌入式技術(shù)也是和具體行業(yè)應(yīng)用緊密結(jié)合的，開發(fā)知識(shí)密度高了不少。特別是在過(guò)程工業(yè)中，它要與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)直接接觸，所以無(wú)論工作環(huán)境，還是通信方式和信息數(shù)據(jù)的處理，都與具體對(duì)象緊密耦合在一起67。 作為嵌入式應(yīng)用， 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)平臺(tái)最好是能根據(jù)實(shí)際需要8， 精心搭制，因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)軟硬件耦合程度高， 后期軟件開發(fā)工作主要在硬件平臺(tái)相對(duì)固定的情況下進(jìn)行，一旦出現(xiàn)故障，將帶來(lái)很大的麻煩、甚至導(dǎo)致整個(gè)開發(fā)的失敗。因此不要抱著省時(shí)、省力的思想，去輕信廠商提供的信息而貿(mào)然選購(gòu)一些所謂的平臺(tái)或是評(píng)估板再做二次開發(fā)。 究目的和意義 綜合分析了工業(yè)控制系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)目前面臨的情況， 本文設(shè)計(jì)了一個(gè)適合分布式工業(yè)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)通信的嵌入式通信接口系統(tǒng)。 如圖 1示，該系統(tǒng)的作用是將基于 線的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)接入以太網(wǎng)。系統(tǒng)作為中介實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層和管理控制層之間的通信，即信息和數(shù)據(jù)交換，以達(dá)到控制的目的?，F(xiàn)在大多數(shù)工業(yè) 制網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)信息交換都是通過(guò) 的支持實(shí)現(xiàn) 以太互換，這樣構(gòu)建的系統(tǒng)靈活性差，而且穩(wěn)定性難以保證，一旦出現(xiàn)故障將導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。本系統(tǒng)可以克服上述中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 3 信號(hào)輸入 基于 線的控制系統(tǒng)弊病，可以方便地構(gòu)建大型的工業(yè)控制系統(tǒng)，節(jié)省成本，并能很好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通信冗余結(jié)構(gòu)，貼近工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用需要。 圖 1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖 如前面所述，該系統(tǒng)的作用是作為中介連接分布式控制系統(tǒng)中的兩層：底層的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層 (基于現(xiàn)場(chǎng)總線 )和管理控制層 (基于以太網(wǎng) )。在圖 1的通信接口系統(tǒng)主要作用是實(shí)現(xiàn) 以太的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的傳輸。在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層可以掛接多個(gè)設(shè)備，在這里只定性地提到前端數(shù)據(jù)采集塊，這個(gè)數(shù)據(jù)采集塊是絡(luò)上的一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，它能采集現(xiàn)場(chǎng) 設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，也可以針對(duì)過(guò)程的數(shù)據(jù)作出一定的判斷，最終將有用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給到上層以太網(wǎng)的中心處理系統(tǒng)；以太網(wǎng)是管理控制層， 通過(guò)擴(kuò)展網(wǎng)卡把經(jīng)數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)的處理后的數(shù)據(jù)傳入以太網(wǎng)，通過(guò)上位機(jī)進(jìn)一步處理，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程實(shí)現(xiàn)控制和管理。數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與處理、同時(shí)也是與以太網(wǎng)的接口。在該通信接口系統(tǒng)中用戶還可以嵌入對(duì)過(guò)程的具體控制功能，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)功能的分散和下放。 顯然，這種方法很好地將現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)和工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)合成一個(gè)系統(tǒng)，既能充分克服傳統(tǒng)集散控制系統(tǒng) (風(fēng)險(xiǎn)集中的不足，又能有效抑制以太網(wǎng)在工業(yè)應(yīng)用中實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)，是分布式控制系統(tǒng)的一個(gè)不錯(cuò)的構(gòu)建方式2。同時(shí)為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)，在實(shí)際工程中，可以掛接兩個(gè)這樣的接口平臺(tái)，彼此間互為備份，可以靈活地實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的通信冗余。 因此，本課題既能從實(shí)際工業(yè)應(yīng)用出發(fā)，充分結(jié)合了嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，相信對(duì)過(guò)程控制能作出一定的貢獻(xiàn)。 基于 數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)以太網(wǎng) 以太網(wǎng)上的其它設(shè)備 網(wǎng)絡(luò)變壓器 網(wǎng)卡接口 網(wǎng)卡 驅(qū)動(dòng) 芯片 數(shù)據(jù) 采集 前端 其它設(shè)備 管理控制層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層 通信接口系統(tǒng) 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 4 文主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu) 本論文主要圍繞基于 C/ 嵌入式通信接口系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而展開，論文分成以下幾個(gè)部分： 第一章 綜合分析了工業(yè)控制系統(tǒng)和嵌入式系 統(tǒng)的現(xiàn)狀和面臨的問(wèn)題，提出了課題的研究意義和系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想。 第二章 討論了系統(tǒng)的開發(fā)方法、開發(fā)工具， 進(jìn)行了系統(tǒng)的總體功能規(guī)劃設(shè)計(jì)，確定了系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法和軟硬件的選型。 第三章 完成了系統(tǒng)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)。分別從 各單元電路的具體設(shè)計(jì)入手，分析了整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)過(guò)程，并給出了各單元模塊的詳細(xì)硬件電路圖。 第四章 完成了系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程。主要有 硬件系統(tǒng)啟動(dòng)代碼的設(shè)計(jì)，并詳細(xì)討論了實(shí)時(shí)內(nèi)核 C/ 51 單片機(jī)及 的移植過(guò)程及難點(diǎn)，為系統(tǒng)提供了一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)練、實(shí)用的 第五章 指出了基于 C/ 完善的主要工作，針對(duì)驅(qū)動(dòng)部分，完成串行通信口、 制器 太網(wǎng) 的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，并分析了本嵌入式通信接口系統(tǒng)的啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程。 最后，總結(jié)了本文的主要工作，并指出了下一步所要做的工作。 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和選型 5 第二章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和選型 本嵌入式通信接口系統(tǒng)是基于嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)， 嵌入式設(shè)備是軟硬件高度耦合、知識(shí)密集度高的產(chǎn)品，根據(jù)具體應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)出良好的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，是設(shè)計(jì)的目標(biāo)。而要做到這些首先需要對(duì)整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的基本知識(shí)包括設(shè)計(jì)方法、開發(fā)工具等有個(gè)總體認(rèn)識(shí)，以作出良好的開發(fā)方案。因此在這一章中介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、如何選擇開發(fā)工具，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功能進(jìn)行了規(guī)劃，完成了系統(tǒng)的軟硬件選型，并介紹了選型過(guò)程中要注意的問(wèn)題。 統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和開發(fā)工具 統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法討論 嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與一般開發(fā)方法差別很大。以一個(gè) 放設(shè)備的設(shè)計(jì)為例，一般方法首先將考慮電路如何設(shè)計(jì)、軟件要分那些模塊，然后細(xì)化和分解成具體模塊，再分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。嵌入式系統(tǒng)將把 放器總體上看作是一個(gè)音頻系統(tǒng)，包括 碼系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、模擬播放系統(tǒng)、用戶界面系統(tǒng)等部分，開發(fā)時(shí)要處理的問(wèn)題是如何把這些子系統(tǒng)協(xié)調(diào)起來(lái)。可以看出，前者的側(cè)重點(diǎn)是考慮如何實(shí)現(xiàn)的技術(shù)細(xì)節(jié)，因此稱作產(chǎn)品級(jí)的設(shè)計(jì)，而后者則只需要考慮系統(tǒng)所需各部件的整合關(guān)系，也稱作系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)。 圖 2嵌入式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程911，從中可以看出： 圖 2入式系統(tǒng)開發(fā)流程圖 首先，嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件是緊密耦合在一起的，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮具體的應(yīng)用對(duì)象，不但要求有電子方面的信息，還需結(jié)合應(yīng)用的對(duì)象的特點(diǎn)，把握其中的關(guān)鍵信息，再做出相應(yīng)的選擇。 其次，與單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的區(qū)別。單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)，有 “系統(tǒng) ”的思想，但它所指的 “系統(tǒng) ”更強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品里面包含很多器件，以及器件間是怎么協(xié)同工作的。用戶需求 選擇處理器和設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)選擇合適的嵌入式操作系統(tǒng)在操作系統(tǒng)下開發(fā)應(yīng)用程序整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試 結(jié)束開發(fā) 測(cè)試應(yīng)用程序中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和選型 6 在開發(fā)時(shí)，按照 “瀑布 ”式流程27，設(shè)計(jì)過(guò)程就是通過(guò)反復(fù)硬件調(diào)試來(lái)去除錯(cuò)誤，同時(shí)單片機(jī)系統(tǒng)的資源有限，不考慮操作系統(tǒng)的引入，因此應(yīng)用程序的開發(fā)時(shí)直接對(duì)硬件操作多，使得系統(tǒng)缺乏靈活性、可移植性差；嵌入式系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的 “系統(tǒng) ”指設(shè)計(jì)時(shí)通盤考慮整個(gè)系統(tǒng)， 相對(duì)靈活性強(qiáng)， 而且一般考慮引入嵌入式操作系統(tǒng)，這樣能屏蔽掉底層硬件的很多復(fù)雜信息，使得 開發(fā)者通過(guò)操作系統(tǒng)提供的 大簡(jiǎn)化了開發(fā)過(guò)程11。 另外，兩者之間最大的差別在設(shè)計(jì)流程上的不同。一般產(chǎn)品開發(fā)時(shí)它的硬件和軟件采用分離開發(fā)方式，雖然也進(jìn)行需求分析，也考慮軟硬件接口、軟硬件性能等的改進(jìn)問(wèn)題， 但由于軟硬件分開設(shè)計(jì)， 各部分的修改和改進(jìn)都是獨(dú)自進(jìn)行的，這樣很難使系統(tǒng)綜合性能達(dá)到最佳。出現(xiàn)的缺陷很容易導(dǎo)致系統(tǒng)集成失敗，更嚴(yán)重的是對(duì)產(chǎn)品的修改可能會(huì)涉及到對(duì)整個(gè)軟件結(jié)構(gòu)或是硬件配置的改動(dòng)。 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用軟 /硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的方法， 在系統(tǒng)功能規(guī)劃后，軟 /硬件進(jìn)行統(tǒng)一劃分、協(xié)同設(shè)計(jì)和協(xié)同測(cè)試驗(yàn)證。因此能充分考慮軟硬件的關(guān)系，并在設(shè)計(jì)過(guò)程的每個(gè)層次上給以測(cè)試驗(yàn)證，盡早發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題，避免災(zāi)難性錯(cuò)誤的出現(xiàn)；同時(shí)在軟件開發(fā)時(shí)系統(tǒng)硬件平臺(tái)都是相對(duì)通用的、固定的、成熟的，減少了硬件系統(tǒng)引入錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)。 統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試工具 嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)工具一般有集成開發(fā)環(huán)境、 硬件平臺(tái)或評(píng)估板、 于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)一般作為應(yīng)用系統(tǒng)的 “系統(tǒng)軟件 ”，因此一般也可將它歸為開發(fā)工具，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，開發(fā)工具的合理選擇直接決定著下一步的開發(fā)工作的成效，因此必須慎重選擇。 1集成開發(fā)環(huán)境 目前， 司推出的專用集成開發(fā)環(huán)境 ( 種， 司最新推出的集成開發(fā)環(huán)境，也有第三方推出的 集成開發(fā)環(huán)境一般包括編輯軟件、編譯軟件、鏈接軟件、調(diào)試軟件、項(xiàng)目管理及函數(shù)庫(kù)等六部分。 用戶可以根據(jù)需要選擇相應(yīng)的開發(fā)環(huán)境，一般各種 編譯效率不同，并且需要一定的購(gòu)買費(fèi)用，支持的 理器類別也不同，考慮上述因素，本系統(tǒng)開發(fā)選用 316的英文全稱為 司用來(lái)取代以前推出的開發(fā)工具 要由兩個(gè)部分組成：一個(gè)是工程管理 (編輯及設(shè)置 )界面(一個(gè)是調(diào)試界面 源于 一些 模塊進(jìn)中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和選型 7 行了增強(qiáng)并替換了一些 組成部分，底層的匯編器 /編譯器是 司開發(fā)的產(chǎn)品，編譯效率比別的編譯器高很多，比如 外 持所有 了 持的運(yùn)行操作系統(tǒng)外還可以在 及 運(yùn)行。 2 仿真和調(diào)試工具 現(xiàn)在調(diào)試和仿真工具比較多，有 有第三方推出的支持工具，主要分為指令集模擬器、駐留監(jiān)控軟件、 線仿真器等幾種。本系統(tǒng)選用 細(xì)設(shè)計(jì)可參考第三章 對(duì)而言， 用方便，能滿足開發(fā)需要。 它的主要特點(diǎn)有：能支持 此可以對(duì)具有 種基于 接也很方便如圖 2以通過(guò)現(xiàn)有的 于完全非插入式 (不占用片上資源 )調(diào)試，無(wú)需目標(biāo)存儲(chǔ)器，不占用目標(biāo)系統(tǒng)的任何端口，而這些是普通的駐留監(jiān)控軟件所必需的；另外， 真更接近于目標(biāo)硬件，因此，仿真結(jié)果與真實(shí)的運(yùn)行環(huán)境更為接近，所以逐漸成為目前最流行的調(diào)試仿真工具。 3系統(tǒng)的開發(fā)工具 通過(guò)上兩小節(jié)的介紹，本系統(tǒng)的開發(fā)工具選用 成開發(fā)環(huán)境， 真器。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試工作都通過(guò) 合 真器進(jìn)行，集成開發(fā)環(huán)境在宿主機(jī) ( )上運(yùn)行，這樣可以充分利用宿主機(jī)上豐富的資源及良好的開發(fā)環(huán)境，生成的目標(biāo)代碼可以通過(guò) 真器傳輸并裝載到目標(biāo)系統(tǒng)。 圖 2 圖 2標(biāo)系統(tǒng)調(diào)試連接圖 統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 1系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 本應(yīng)用系統(tǒng)是基于嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的通信接口系統(tǒng)，作為嵌入式產(chǎn)品，它的功能層次結(jié)構(gòu)也遵從嵌入式產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)，可以分成硬件層、中間層、軟件層和功能層11。參照?qǐng)D 2層的主要結(jié)構(gòu)和功能如下： 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和選型 8 硬件層：包括嵌入式處理器，存儲(chǔ)器系統(tǒng)，通用設(shè)備接口和根據(jù)需要擴(kuò)展的I/O 接口。 中間層：中間層介于硬件層與軟件層之間，也稱作硬件抽象層 (板級(jí)支持包 (它把系統(tǒng)軟件和低層硬件部分隔離，使得系統(tǒng)的底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與硬件無(wú)關(guān)。 應(yīng)用程序 文件系統(tǒng) 圖形用戶 接口 任務(wù)管理 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (I/O 通用接口 A/D ： 由 文件系統(tǒng)， 圖形用戶接口以及通用組件模塊等組成。 統(tǒng)復(fù)位后首先執(zhí)行，相當(dāng)于用戶的主程序，用戶的其他應(yīng)用程序都建立在 上。 一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)核，它將 鐘，中斷， I/O，定時(shí)器等資源都封裝起來(lái)，留給用戶的是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)接口。 功能層：由基于 發(fā)的應(yīng)用程序組成，用來(lái)完成對(duì)被控對(duì)象的控制功能。是面向?qū)ο蠛蛻?yīng)用的，為方便用戶操作，一般需要一個(gè)友好的人機(jī)界面。 2系統(tǒng)的功能規(guī)劃 本系統(tǒng)主要功能是作為分布式控制系統(tǒng)中的不同層間的通信接口平臺(tái)。因此，在系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)首要考慮的問(wèn)題是怎樣解決將控制系統(tǒng)中的層間的通信，涉及層間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、信號(hào)流量大小、通信實(shí)時(shí)性和可靠性等問(wèn)題，需要嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行多任務(wù)調(diào)度處理。同時(shí)如果工業(yè)過(guò)程比較復(fù)雜，有了操作系統(tǒng)后可以在通信接口系統(tǒng)中適量考慮部分對(duì)過(guò)程的控制功能， 比如對(duì)采集的數(shù)據(jù)能進(jìn)行一定的預(yù)處理。因此在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時(shí)，除了基本的 口和以太網(wǎng)接口，要在處理器能承受范圍內(nèi)盡量擴(kuò)充出多的通用外設(shè)和通信交互工具，這樣，系統(tǒng)的實(shí)用性強(qiáng)，也可以方便后面的調(diào)試工作。 驅(qū)動(dòng)器 1 傳感器 1 驅(qū)動(dòng)器 N 被控對(duì)象 傳感器 N 功能層 軟件層 中間層 硬件層 件抽象層 /板級(jí)支持中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和選型 9 整個(gè)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)模塊圖如圖 2 圖 2統(tǒng)功能模塊圖 嵌入式 理器內(nèi)部存儲(chǔ)資源一般較豐富，大多數(shù)都有嵌入的 系統(tǒng)工作時(shí)， 為程序存儲(chǔ)區(qū)， 為程序運(yùn)行區(qū)，它們的大小決定于所選的具體的 理器，在這基礎(chǔ)上用戶也可根據(jù)需要選擇擴(kuò)展存儲(chǔ)器塊。根據(jù)第一章的研究?jī)?nèi)容，本系統(tǒng)作為分布式控制系統(tǒng)接口系統(tǒng)，必須擴(kuò)展基本的 口模塊，用來(lái)接受底層控制現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)信號(hào)；擴(kuò)展以太網(wǎng)接口來(lái)與控制系統(tǒng)上層的以太網(wǎng)連接；同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)功能擴(kuò)展和升級(jí)需要，我們考慮擴(kuò)展 口，來(lái)與 設(shè)進(jìn)行通信，此系統(tǒng)中我們暫時(shí)通過(guò)它連接一個(gè) U 盤 (將來(lái)可以考慮通過(guò) 設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。擴(kuò)展兩個(gè)串行 口，一個(gè)用來(lái)實(shí)現(xiàn)下載和裝載程序，這樣可以通過(guò)傳統(tǒng)的具進(jìn)行編程；另一個(gè)串行口用來(lái)在開發(fā)過(guò)程中完成系統(tǒng)的調(diào)試工作，并能與 通信來(lái)監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行情況，也可以通過(guò)它發(fā)出部分 的控制數(shù)據(jù)；擴(kuò)展功能鍵用于現(xiàn)場(chǎng)操作或是進(jìn)行硬件配置?；镜哪K還有系統(tǒng)的時(shí)鐘模塊、復(fù)位電路、標(biāo)準(zhǔn) 塊?？紤]到工業(yè)具體應(yīng)用還可選擴(kuò)展 本文中沒(méi)選。 統(tǒng)的選型 本系統(tǒng)作為分布式控制系統(tǒng)的通信接口系統(tǒng)，而且要應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，因此必須考慮系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性、低功耗和抗干擾性。為了滿足工業(yè)環(huán)境的要求，對(duì)系統(tǒng)的軟硬件的選型和設(shè)計(jì)要求都比較高1718。 入式操作系統(tǒng)選型 從系統(tǒng)的功能規(guī)劃模塊圖， 我們知道， 系統(tǒng)的外設(shè)較多， 在應(yīng)用程序開發(fā)時(shí)，中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和選型 10 操作的外圍比較多，而且接口的 負(fù)荷較大，另外作為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制，要求過(guò)程數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性。所以必須考慮嵌入式操作系統(tǒng)的選型，這又得綜合考慮多方面的因素。 對(duì)于 理器選擇嵌入式操作系統(tǒng)主要考慮以下幾個(gè)因素： 第一是具體應(yīng)用對(duì)象。如果開發(fā)的嵌入式設(shè)備是和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用密切相關(guān)，那么應(yīng)該選擇用嵌入式 者 不是 C/920。 第二是實(shí)時(shí)性要求。沒(méi)有一個(gè)絕對(duì)的數(shù)字可以說(shuō)明什么是硬實(shí)時(shí)，什么是軟實(shí)時(shí)，實(shí)時(shí)性與選擇什么樣的 及 主頻、內(nèi)存以及操作系統(tǒng)等的參數(shù)有密切關(guān)系。一般使用加入實(shí)時(shí)補(bǔ)丁等技術(shù)的嵌入式 7 版本 )22，最壞的情況只有 436 微秒，而 情況是 195 微秒。當(dāng)然，如果希望更快的實(shí)時(shí)響應(yīng)，如高