【正文】 epending on the ingredients weighing controller requirements redesigned the peripheral interface circuit transplantation of embedded realtime operating system μC / OSII and ZLG / GUI LPC2210 microprocessor and developed peripheral drivers。 利用設(shè)計(jì)好的嵌入式控制器組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境組態(tài)生成了一個(gè)配料稱重控制器，并檢驗(yàn)了設(shè)計(jì)效果?，F(xiàn)代工業(yè)對(duì)控制系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，可管理性和易用性提出了越來(lái)越高的要求，這使得常規(guī)儀表逐漸被以嵌入式系統(tǒng)為核心的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)所代替。 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )進(jìn)度安排： 查閱中外文文獻(xiàn)資料，寫出文獻(xiàn)綜述階段： 2020 年 12 月 10 日 —— 2020 年 1 月 10 日 調(diào)查、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、研究階段： 2020 月 1 月 11 日 —— 2020 年 3 月 31 日 設(shè)計(jì)（論文）撰寫與整理階段： 2020 年 4 月 1 日 —— 2020 年 5 月 31 日 指導(dǎo)教師意見與要求： 簽字： 年 月 日 主任意見： 簽字： 年 月 日 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 I 摘 要 自計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)入“后 PC”時(shí)代以來(lái)，控制系統(tǒng)正在向網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化迅猛發(fā)展這使得控制技術(shù)與嵌入式技術(shù)的結(jié)合更加緊密。 本文介紹了嵌入式控制器組態(tài)軟件運(yùn)行喚醒選用的 ARM7 微處理器和基于此微處理器的硬件平臺(tái)，以及嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μ C/OSII；在分析了嵌入式組態(tài)軟件的整體結(jié)構(gòu)后，詳細(xì)介紹了運(yùn)行環(huán)境所要完成的功能和數(shù)據(jù)處理流程，并提出了嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的設(shè)計(jì)思想；基于分析結(jié)果，根據(jù)具體配料稱重控制器的要求重新設(shè)計(jì)了外圍接口電路，在 LPC2210 微處理器上移植了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μ C/OSII 和ZLG/GUI，開發(fā)了外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序；詳細(xì)分 析了嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境所用到的組態(tài)支撐模塊的設(shè)計(jì)重點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)。 in the analysis of the overall embedded configuration software structure, details the functions and data processing operating environment to plete the process, and embedded configuration software operating environment design ideas。 ARM。嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制中的廣泛應(yīng)用，極大地提高了工業(yè)生產(chǎn)的信息化、現(xiàn)代化和自動(dòng)化水平。因此，嵌入式系統(tǒng)將是今后的主流發(fā)展趨勢(shì)。從組態(tài)軟件的內(nèi)涵上說(shuō)，組態(tài)軟件是指在軟件方面，操作人員根據(jù)應(yīng)用對(duì)象及控制任務(wù)的要 求配置用戶應(yīng)用軟件的過(guò)程，也就是把組態(tài)軟件視為 “應(yīng)用程序生成器 ”。以這種方式構(gòu)建系統(tǒng)既 提高了系統(tǒng)的成套速度，又保證了系統(tǒng)軟件的成熟性和可靠性，使用起來(lái)方便靈活，而且便于修改和維護(hù)。 然而縱觀工控行業(yè)，雖然嵌入式硬件設(shè)備很多，但嵌 入式應(yīng)用軟件卻極度缺乏，嚴(yán)重地限制了嵌入式系統(tǒng)在工控行業(yè)的應(yīng)用和推廣，制約著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展。它哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 從根本上改變了技術(shù)工控系統(tǒng)需要大量編程的開發(fā)方法。 Progea 的 Movicon CE 可以在 Windows CE 下運(yùn)行。它通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理，以動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、流 程控制和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問題的方案。 但是通用 組態(tài)軟件的開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境大都是基于 Windows 操作系統(tǒng)的，系統(tǒng)難以裁剪、固化、不能用于對(duì)可靠性、實(shí)時(shí)性和安全性要求很高的控制系統(tǒng)中。開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)好的配置文件和操作系統(tǒng)都固化在 ROM、 Flash等會(huì)存儲(chǔ)器中，而不是工控機(jī)的磁盤等載體中。 本課題的研究意義 通用組態(tài)軟件已經(jīng)在工業(yè)控制領(lǐng)域取得了巨大的成功，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)也越來(lái)越得到工控專業(yè)人士的青睞，所以兩者的結(jié)合時(shí)其發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)外的嵌入式組態(tài)軟件還處于發(fā)展時(shí)期，成熟的產(chǎn)品還不多，離用戶對(duì)嵌入式組態(tài)軟件的需求還有很大差距。 ，對(duì)已有硬 件平臺(tái)的外圍接口電路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，增加了 A/D 采樣接口、脈沖信號(hào)檢測(cè)接口和 D/A 輸出接口電路。 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 第 2 章 嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境系統(tǒng)分析 嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)定義 所謂嵌入式系統(tǒng) (Embedded System)， IEEE 的定義是：用于控制、監(jiān)視或者輔助操作的機(jī)器、設(shè)備或裝置 (原文為 devices used to control， monitor， or assist the operation of equipment， machinery or plants)。是支撐整個(gè)嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行的硬件環(huán)境，它由嵌入式微處理器最小系統(tǒng)擴(kuò)展外圍電路和輸入 /輸出設(shè)備等部分組成。 。負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)中全部軟硬件資源的分配與回控制與協(xié)調(diào)等并發(fā)的活動(dòng)：提供用戶程序接口，使用戶獲得良好的工作環(huán)境；為用戶擴(kuò)展新的系統(tǒng)功能提供軟件平臺(tái)。不同應(yīng)用系統(tǒng)的用戶應(yīng)用程序也不盡相同。 各不相同的應(yīng)用領(lǐng)域決定了嵌入式系統(tǒng)行業(yè)是不可壟斷的、高度分散的， 充滿競(jìng)爭(zhēng)、機(jī)遇與創(chuàng)新，即便在體系結(jié)構(gòu)上存在著主流，也沒有哪一個(gè)系列的處理器和操作系統(tǒng)能夠壟斷全部市場(chǎng)。在計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展初期，軟硬件的設(shè)計(jì)流程截然不同，軟件設(shè)計(jì)者編寫程序，硬件設(shè)計(jì)者連接元件，兩者的設(shè)計(jì)不可能交互，必須單獨(dú)進(jìn)行。軟件通過(guò)編寫程序運(yùn)行在微處理器上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全或大部分功能，硬件則主要通過(guò) “板級(jí) ”專用電路為軟件運(yùn)行提供平臺(tái)。隨著近年來(lái) SoC 技術(shù)的進(jìn)步，軟件編譯和硬件綜合技術(shù)的并行發(fā)展，如今兩個(gè)領(lǐng)域都可以時(shí)序程序描述行為作為設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，如軟件使用 C 語(yǔ)言、硬件使用 HDL 進(jìn)行描述。 如何簡(jiǎn)潔有效地開發(fā)出應(yīng)用于各種不同環(huán)境的嵌入式系統(tǒng)，是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展中所必須解決的關(guān)鍵問題。 ARM 處理器 具有三個(gè)顯著的特點(diǎn)，一、耗電少、成本低、功能強(qiáng)；二、 16 位 /32 位雙指令集；三、全球眾多合作伙伴保證芯片供應(yīng)。內(nèi)核執(zhí)行 ARMv4指令集，有一條 3 級(jí)流水線，可使取指、譯碼、執(zhí)行三個(gè)操作同時(shí)進(jìn)行，并使處理和存儲(chǔ)器系統(tǒng)連續(xù)操作，能提供 ，主頻在 20MHz133MHz之間。內(nèi)核命名的具體含義是 T 16 位壓縮指令集 Thumb D 在片調(diào)試 (debug)支持，允許處理器響應(yīng)調(diào)試請(qǐng)求暫停 M 增強(qiáng)型乘法器 (multiplier)，與以前處理器相比性能更高，產(chǎn)生全 64 位結(jié)果 I 嵌入式 ICE 硬件提供片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)支持 S 可綜合 (synthesizable)版本 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 ARM7TDMIS 同樣是基于精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī) (RISC)原理而設(shè)計(jì)，指令集和相關(guān)的譯碼機(jī)制比復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)要簡(jiǎn)單的多，實(shí)現(xiàn)了高的指令吞吐量，出色的實(shí)時(shí)中斷響應(yīng)，小的、高性價(jià)比的處理器宏單元。C 接口 (400Kbps)和 2 個(gè)SPI 接口 PLL可實(shí)現(xiàn)最大為 60MHz的 CPU操作頻率 ，可配配置優(yōu)先級(jí)和向量地址 I/O 口 (可承受 V電壓 )， 12 個(gè)獨(dú)立外部中斷引腳 (EINT 和 CAP 功能 ) 個(gè)低功耗模式：空閑和掉電，通過(guò)外部中斷可將處理器從掉電模式中喚醒 /禁止外部功能來(lái)優(yōu)化功耗 EasyARM2200 開發(fā)板的硬件配置如下 : ，可選用多種兼容芯片 針 JTAG 接口，支持 集成開發(fā)環(huán)境 位 SRAM， 16M 位 Flash 網(wǎng)卡芯片和 RJ45 以太網(wǎng)接口 個(gè) RS232 串口， 1 個(gè)支持標(biāo)準(zhǔn) Modem IDE 硬盤接口和 CF 存儲(chǔ)卡接口 個(gè)按鍵和 8 個(gè) LED 八段碼 接口和 PWM 輸出接口 嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖 21 所示： 嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介 在嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的初期，由于硬件資源有限 (微處理器運(yùn)算速度低， ROM/RAM 容量小等 )，系統(tǒng)規(guī)模小，控制功能簡(jiǎn)單，軟件部分一般不包括嵌入式操作系統(tǒng)，只是針對(duì)具體的應(yīng)用編寫軟件代碼。而實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)管理的系統(tǒng)。每個(gè)任務(wù)模塊的調(diào)試、修改幾乎不影響其他模塊。在嵌入式應(yīng)用中，只有把 CPU嵌入到系統(tǒng)中，同時(shí)又把操作系統(tǒng)嵌入進(jìn)去，才是真正的計(jì)算機(jī)嵌入式應(yīng)用。是指能夠在限定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行完規(guī)定的功能并對(duì)外部的異步事件做出響應(yīng) 的能力。嵌入式操作系統(tǒng)開始運(yùn)行后就不需要人過(guò)多的干預(yù)。因此要求嵌入式操作系統(tǒng)有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，在一些進(jìn)程被損壞時(shí)可以進(jìn)行 修復(fù)、清楚等操作。其中存放著系統(tǒng)初始化或引導(dǎo)程序，在 PC 中，它就是 BIOS。另外由于硬件平臺(tái)的多樣性，所以嵌入式操作系統(tǒng)還要具有較好的可移植性，來(lái)適應(yīng)不同 的微處理器。 μC/OSII 是一個(gè)完整的，可移植、固化、裁剪的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。源代碼標(biāo)有詳盡的注解清晰易讀、結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)。 (ROMable)。 (preemptive)。 。每個(gè)任務(wù)都有自己?jiǎn)为?dú)的棧。 μC/OSII 提供很多系統(tǒng)服務(wù)，例如信號(hào)量、互斥型信號(hào)量、時(shí)間標(biāo)志、消息郵箱、消息隊(duì)列、內(nèi)存塊的申請(qǐng)與釋放及時(shí)間管理函數(shù)等。 。如圖 22 所示： 圖 22 嵌入式組態(tài)軟件結(jié)構(gòu)框圖 開發(fā)環(huán)境運(yùn)行于 普通的 PC 機(jī)上，運(yùn)行環(huán)境運(yùn)行于嵌入式系統(tǒng)上。 開發(fā)環(huán)境一般包括工程管理器 (包括項(xiàng)目、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)備等的管理 )、畫面組態(tài) (包括趨勢(shì)圖、報(bào)警和報(bào)表 )、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)、控制系統(tǒng)組態(tài) (包括邏輯控制、流程控制、調(diào)試仿真工具 )、編譯下載系統(tǒng)等。 Windows 操作系統(tǒng) PC機(jī) 開發(fā)環(huán)境 嵌入式 操作系統(tǒng) ARM 硬件平臺(tái) 運(yùn)行環(huán)境 串口 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 運(yùn)行環(huán)境一般由硬件平臺(tái)、板級(jí)支持包 (包括各種外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序，由于硬件平臺(tái)的多樣性和嵌入式系統(tǒng)資源有限，一般需要開發(fā)者自行設(shè)計(jì) )、嵌入式操作系統(tǒng)和組態(tài)支撐模塊等組成。它具有以 下以下主要功能： 。 。嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的軟件部分內(nèi)置了多種控制算法，例如數(shù)字 PID 算法、針對(duì)純滯后對(duì)象的大林算法等，用戶可以根據(jù)被控對(duì)象的特性來(lái)選擇合適的算法 。本組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的數(shù)據(jù)處理流程如圖 24 所示： 圖形顯示模塊 數(shù)據(jù)管理模塊 圖 24 嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境數(shù)據(jù)處理流程 從圖中可以看出，數(shù)據(jù)管理模塊經(jīng)由通信模塊從上位機(jī)得到組態(tài)配置文件，按照用戶要求生成應(yīng)用控制系統(tǒng)。運(yùn)行環(huán)境的數(shù)據(jù)與代碼是分離的，并且體現(xiàn)了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)。 界面 顯示 人機(jī) 接口 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 報(bào)警檢查 實(shí)時(shí) 數(shù)據(jù)庫(kù) 核心 配置 文件 接收 數(shù)據(jù) 采集 控制量 輸出 控制算法 UART 通信模塊 A/D、 D/A DI、 DO I/O 模塊 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 數(shù)據(jù)管理模塊是本嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的核心部件。當(dāng)數(shù)據(jù)的接口定義和處理方式發(fā)生改變時(shí)，一般只需要修改本管理模塊的相關(guān)部分的代碼就可以實(shí)現(xiàn)。然后等待接收數(shù)據(jù)管理模塊傳遞過(guò)來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并在圖形界面上實(shí)時(shí)顯示，或者對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)圖顯示，如果有操作人員通過(guò)鍵盤輸入控制命令，則彈出響應(yīng)的窗口，將命令傳給數(shù)據(jù)管理模塊。若同意接收，則通信模塊會(huì)把接收到的組態(tài)配置文件暫存于一個(gè)緩沖區(qū)間內(nèi)，待校驗(yàn)無(wú)誤后傳給數(shù)據(jù)管理模塊用于配置嵌入式控制器；若不同意接收，則回復(fù)上位機(jī)取消發(fā)送。包括 A/D 轉(zhuǎn)換器的采樣通道、周期，定時(shí)器頻率檢測(cè)的周期， PWM哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 13 脈寬調(diào)制器的輸出通道、控制方式等。這里 控制算法模塊式為了使嵌入式控制器能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，滿足用戶的應(yīng)用需要，而編寫的計(jì)算機(jī)程序。 本章小結(jié) 本章對(duì)嵌入式組態(tài)軟件的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行了詳細(xì)的分析。 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 第 3 章嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境具體設(shè)計(jì) 嵌入式控制器硬件平臺(tái)建立 在第 2 章中已經(jīng)介紹了本嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的硬件平臺(tái) ——EasyARM2200，但僅靠 EasyARM2200 不能完全滿足要求，還需要根據(jù)具體的應(yīng)用設(shè)計(jì)外圍接口電路。為此，要將壓力傳感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合 A/D 采樣范圍的電壓信號(hào)，這里選用了 330Ω 的電阻