【正文】 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。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。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)。它具有以 下以下主要功能： 。 。 (preemptive)。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，來適應(yīng)不同 的微處理器。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。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，通過外部中斷可將處理器從掉電模式中喚醒 /禁止外部功能來優(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。 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。 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)。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。 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)。 Progea 的 Movicon CE 可以在 Windows CE 下運(yùn)行。從組態(tài)軟件的內(nèi)涵上說，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)用軟件的過程，也就是把組態(tài)軟件視為 “應(yīng)用程序生成器 ”。 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。 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。 隨著工業(yè)自動(dòng)化尤其是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)的通過程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)控制目的的方法越來越難以滿足實(shí)際的工程需要，這時(shí)，工程組態(tài) 軟件應(yīng)運(yùn)而生了。所以將嵌入式系統(tǒng)技術(shù) 與組態(tài)軟件及時(shí)相結(jié)合，行程一種類似于通用組態(tài)軟件的嵌入式組態(tài)軟件，使之能夠快速、高效、方便地開發(fā)出適應(yīng)各種場(chǎng)合的嵌入式系統(tǒng)是必然的。由于運(yùn)行環(huán)境采用的一般是實(shí)時(shí)性強(qiáng)的嵌入式操作系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行不需要人的干涉，所以很適合那些穩(wěn)定性、時(shí)尚性高的操作系統(tǒng)。 術(shù)語 “嵌入式 ”反映了這些系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng)中的一個(gè)完整子系統(tǒng)，被嵌入的系統(tǒng)中可以共存多個(gè)這樣的嵌入式系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn) 與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，嵌入式系統(tǒng)一般具有體積小、功耗低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和可靠性高等特點(diǎn)。這使得軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)成為可能。 基于 ARM7 的硬件平臺(tái) 本課題選用了周立功單片機(jī)公司的產(chǎn)品 EasyARM2200 作為嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的研究基礎(chǔ)。 嵌入式操作系統(tǒng)有以下幾大特點(diǎn)： 。單色 LCD 240X128dots 基于 ARM7TDMIS 核的微處理器 LCP2210 鍵盤 UART RS232 串口 存儲(chǔ)器系統(tǒng) SARM Flash A/D 采樣接口電路 脈沖信號(hào)檢測(cè)接口電路 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 8 而在嵌入式系統(tǒng)中，由于沒有 BIOS，系統(tǒng)加電后直接執(zhí)行嵌入式操作系統(tǒng)代碼，因此在嵌入式操作系統(tǒng)的啟動(dòng)代碼中需要考慮目標(biāo)板的設(shè)計(jì)。 μC/OSII是為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，這就意味著，只要具備核實(shí)的系列軟件工具 (C 編譯、匯編、鏈接及下載 /固化 )，實(shí)際上就可以將 μC/OSII 嵌入到產(chǎn)品中作為產(chǎn)品的一部分。 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 9 。其中組態(tài)支撐模塊大多為組件式可伸縮配置結(jié)構(gòu)，一般包括：人機(jī)界面 HMI 模塊 (包括趨勢(shì)圖、報(bào)警及 報(bào)表等可選模塊 )、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫模塊、邏輯和流程控制 Control 模塊及通信、 Inter 模塊等。當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) (模擬量和識(shí)字量 )都交給數(shù)據(jù)管理模塊，由它來統(tǒng)一進(jìn)行管理。 通信模塊通過調(diào)用 UART 驅(qū)動(dòng)程序來對(duì)串口進(jìn)行接收、發(fā)送操作，完成組態(tài)配置文件的 下載和嵌入式控制器中現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的上傳等功能。首先詳細(xì)介紹了嵌入式控制器組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境選用的 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) μC/OSII。 A/D 轉(zhuǎn)換器使用 LP2210自帶的 10 位逐次逼近式 A/D，測(cè)量范圍是 0~。 I/O 模塊首先根據(jù)數(shù)據(jù)管理模塊接收到的組態(tài)配置 文件中有關(guān)輸入輸出部分的配置參數(shù)來初始化相關(guān)硬件。此嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境可分為數(shù)據(jù)管理模塊、圖形顯示 模塊、通信模塊和 I/O 模塊，分別介紹其設(shè)計(jì)思想。嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的硬件平臺(tái)中包括了各種 I/O接口，可進(jìn)行模擬量采集、狀態(tài)量檢測(cè)、脈沖頻率檢測(cè)等操作，也可將計(jì)算所得的控制量和操作人員的控制命令通過 D/A 或 DO 的方式輸出至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，來達(dá)到控制目的。 嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境整體架構(gòu) 嵌入式組態(tài)軟件結(jié)構(gòu) 嵌入式組態(tài)軟件和通用組態(tài)軟件一樣，都由開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境組成。 μC/OSII 可以管理 64 個(gè)任務(wù)，其中建議保留 8 個(gè)給系統(tǒng)任務(wù)，這樣用戶的應(yīng)用程序最多可有 56 個(gè)任務(wù)，賦予每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)必須是不相同的，所以 μC/OSII 不支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法 (roundrobin scheduling)。 μC/OSII 讀作 “micro C O S 2”，意為 “微控制器操作系統(tǒng)版本 2”。包含弱交互性和強(qiáng)穩(wěn)定性兩層意思。長(zhǎng)期以來，前后臺(tái) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在遇到強(qiáng)干擾時(shí)，運(yùn)行的程序可能產(chǎn)生異常、出錯(cuò)、跑飛甚至死循環(huán)，造成了系統(tǒng)的崩潰。它本身并不生產(chǎn)芯片，靠轉(zhuǎn)讓技術(shù)授權(quán)給世界上許多著名的半導(dǎo)體 、軟件和 OEM 廠商來生產(chǎn)各具特色的芯片。 。輸入 /輸出設(shè)備主要是指人機(jī)交互接口，如鍵盤、 LCD 和觸摸屏等。雖然國(guó)內(nèi)有眾多嵌入式硬件廠家，市場(chǎng)上也有多種可用的嵌入式操作系統(tǒng)，但是方便用戶開發(fā)嵌入式控制系統(tǒng)的平臺(tái)少之又少。 MCGSE(Monitor and Control Generated System forEmbedded，嵌入式通用監(jiān)控系統(tǒng) )是一種用于快速構(gòu)造和生成嵌入式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件。而組態(tài)軟件正式在保持軟件平臺(tái)執(zhí)行代碼不變的基礎(chǔ)上通過改變軟件配置信息 (包括圖形文件、硬件配置文件、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫等 )，適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)兩大可變因素的要求，構(gòu)建新的監(jiān)控系統(tǒng)的平臺(tái)軟件。 configuration。隨著工業(yè)自動(dòng)化尤其是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)的通過程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)控制目的的方法越來越難以滿足實(shí)際的工程需要，這時(shí)，工程組態(tài)軟件應(yīng)運(yùn)而生了。目前，各種各樣的新型嵌入式系統(tǒng)在應(yīng)用數(shù)量上已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超于通用計(jì)算機(jī)。這樣不僅開發(fā)工作量大、周期長(zhǎng)，而且系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性也較差，同時(shí)以后系統(tǒng)的軟件升級(jí)與維護(hù)也比較困難。嵌入式組態(tài)軟件則不同，它的開發(fā)環(huán)境一般基于通用性較強(qiáng)的 Windows 平臺(tái)上，而運(yùn)行環(huán)境卻具有多樣性，它的硬件平臺(tái)可以試 PC/104 那樣標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式應(yīng)用平臺(tái)，也可以是為具體應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的平臺(tái)；它的操作系統(tǒng)有 WinCE、 μCLinux、 VxWorks、 μC/OSII 等多種選擇。 ，需對(duì)組態(tài)支撐模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，它主要包括數(shù)據(jù)管理模塊、圖形顯示模塊、通信模塊、 I/O 模塊和控制 算法模塊等。 。由于軟硬件開發(fā)過程割裂和最初的功能劃分不協(xié)調(diào)等原因，可能會(huì)暴露出很多問題，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)重新開發(fā)。 ARM7 系列處理器主要用于對(duì)功耗和成本要求比較苛刻的消費(fèi)類產(chǎn)品和嵌入式設(shè)備，包括 Inter 設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備以及移動(dòng)電話、 PDA 等無線設(shè)備。 32位 CPU比 8 位、 16 位 CPU 運(yùn)行快，另外它本來就 是為運(yùn)行多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，特別適于運(yùn)行多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。當(dāng)一個(gè)微處理器最初啟動(dòng)時(shí)，它首先執(zhí)行一個(gè)預(yù)定地址處的指令。 μC/OSII 源碼絕大部分是用移植性很強(qiáng)的 ANSI C 寫的，與微處理器硬件相關(guān)的部分是用匯編語言寫的。使用 μC/OSII的?？臻g校驗(yàn)函數(shù)，可以確定每個(gè)任務(wù)到底需要多少?？臻g。運(yùn)行環(huán)境本身沒有任何意義，必須 與開發(fā)環(huán)境生成的配置文件一起作為一個(gè)整體，才能構(gòu)成用戶應(yīng)用系統(tǒng)。常用的通信方式 有串口通信，以太網(wǎng)等。 圖形顯示模塊實(shí)現(xiàn)對(duì) LCD 的驅(qū)動(dòng)，并利用 ZLG/GUI 來完成嵌入式控制器的人家界面顯示 和被控對(duì)象狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示，以滿足操作人員直觀、方便地監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的要求。每種控制算法都應(yīng)包括相關(guān)組態(tài)配置參數(shù)，例如， PID 控制算法需設(shè)計(jì)比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)、給定量、測(cè)量量和輸出量等組態(tài)配置參數(shù)。脈沖信號(hào)經(jīng)過一個(gè)光電耦合器件，輸入 LPC2210 的定時(shí)器引腳，此引腳能夠被設(shè)置為捕獲脈沖信號(hào)并可編程檢測(cè)脈 沖信號(hào)頻率。 所謂 “控制算法 ”，即控制的思想和方法，是解決一確定類問題的任意一種特殊的方法。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)。當(dāng)檢測(cè)信號(hào)發(fā)生錯(cuò)誤或超過設(shè)定的限值時(shí)，能夠進(jìn)行報(bào)警處理。嵌入式操作系統(tǒng)需要經(jīng)過適當(dāng)?shù)牟眉艉鸵浦?，使得能夠適應(yīng)所用的硬件平臺(tái)，應(yīng)用軟件主要是指嵌入式組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境的實(shí)現(xiàn)部分。也就是說 ，用戶總是能知道 μC/OSII 的函數(shù)調(diào)用與服務(wù)執(zhí)行了多長(zhǎng)時(shí)間，并且執(zhí)行時(shí)間不依賴于用戶應(yīng)用程序任務(wù)數(shù)目的多少。至今， μC/OSII 已在照相機(jī)行業(yè)、航空業(yè)、高端音響、醫(yī)療器械、電子樂器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、高速公路電話系統(tǒng)、自動(dòng)提款機(jī)及工業(yè)機(jī)器人等眾多領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用。由于沒有人為干預(yù)，而嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境一般又較 PC 運(yùn)行環(huán)境惡劣。其次提高了開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期。進(jìn)一步的產(chǎn)品來自于合作伙伴，例如 Intel Xscale。這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法被稱為 “軟硬件分離設(shè)計(jì) ”。板級(jí)支持包通過特定的上層接口與操作系統(tǒng)進(jìn)行交互，向操作系統(tǒng)提供底層的硬件信息，并根據(jù)操作系統(tǒng)的要求完成對(duì)硬件的直接操作。 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 3 本課題的主要工作 本課題將嵌入式系統(tǒng)技術(shù)與通用組態(tài)軟件技術(shù)結(jié)合在一起，提出一種嵌入式控制器組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境，它可以根據(jù)不同的組態(tài)配置文件生成不同功能的嵌入式控制器，不用編程，大大縮短了嵌入式產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間，而且使產(chǎn)品具有豐富的人機(jī)界面，強(qiáng)大的控制功能，并能夠存儲(chǔ)一定數(shù)量的歷史數(shù)據(jù)。開發(fā)環(huán)境用于人機(jī)界面設(shè)計(jì)、硬件參數(shù)配置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)等系統(tǒng)配置工作，然后將設(shè)計(jì)好的應(yīng)用軟件投入運(yùn)行環(huán)境運(yùn)行。 嵌入式系統(tǒng)近些年發(fā)展迅速，在工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)更是如此，越來越得到專業(yè)人士的青睞。 ingredient weighing system 哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 III 目 錄 摘 要 .............................................................................................................................................. I Abstract ..........................................................................................................................................