【正文】 和通信接口等 ，有的還包括音頻、圖像控制器。 。板級支持包通過特定的上層接口與操作系統(tǒng)進行交互，向操作系統(tǒng)提供底層的硬件信息，并根據(jù)操作系統(tǒng)的要求完成對硬件的直接操作。負責嵌入式系統(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：提供用戶程序接口，使用戶獲得良好的工作環(huán)境；為用戶擴展新的系統(tǒng)功能提供軟件平臺。 。不同應(yīng)用系統(tǒng)的用戶應(yīng)用程序也不盡相同。 嵌入式系統(tǒng)和具有應(yīng)用緊密結(jié)合在一起，使得它的升級換代和具體產(chǎn)品同步進行。 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， 充滿競爭、機遇與創(chuàng)新，即便在體系結(jié)構(gòu)上存在著主流，也沒有哪一個系列的處理器和操作系統(tǒng)能夠壟斷全部市場。 哈爾濱遠東理工學院學士學位論文 5 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā) 根據(jù)嵌入式系統(tǒng)硬件多樣化和軟硬結(jié)合緊密的特點，目前比較常用的開發(fā)方法有兩種：軟硬件分離設(shè)計方法和軟硬件協(xié) 同設(shè)計方法。在計算機科學發(fā)展初期，軟硬件的設(shè)計流程截然不同，軟件設(shè)計者編寫程序，硬件設(shè)計者連接元件，兩者的設(shè)計不可能交互，必須單獨進行。這種傳統(tǒng)的設(shè)計方法被稱為 “軟硬件分離設(shè)計 ”。軟件通過編寫程序運行在微處理器上實現(xiàn)系統(tǒng)安全或大部分功能，硬件則主要通過 “板級 ”專用電路為軟件運行提供平臺。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，可能會暴露出很多問題，嚴重時導致系統(tǒng)重新開發(fā)。隨著近年來 SoC 技術(shù)的進步，軟件編譯和硬件綜合技術(shù)的并行發(fā)展，如今兩個領(lǐng)域都可以時序程序描述行為作為設(shè)計的起點，如軟件使用 C 語言、硬件使用 HDL 進行描述。此方法中，對于某個特定功能的軟硬件劃分主要是取決于性能、功率、大小和靈活性等設(shè)計指標，沒有本質(zhì)的區(qū)別。 如何簡潔有效地開發(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。 1990 年 ARM 公司成立于英國劍橋，主要從事芯片知識產(chǎn)權(quán) (IP)核的設(shè)計。 ARM 處理器 具有三個顯著的特點，一、耗電少、成本低、功能強；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)。進一步的產(chǎn)品來自于合作伙伴，例如 Intel Xscale。內(nèi)核執(zhí)行 ARMv4指令集，有一條 3 級流水線，可使取指、譯碼、執(zhí)行三個操作同時進行，并使處理和存儲器系統(tǒng)連續(xù)操作，能提供 ，主頻在 20MHz133MHz之間。 ARM7 系列處理器主要用于對功耗和成本要求比較苛刻的消費類產(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)備以及移動電話、 PDA 等無線設(shè)備。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)試請求暫停 M 增強型乘法器 (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 硬件提供片上斷點和調(diào)試點支持 S 可綜合 (synthesizable)版本 哈爾濱遠東理工學院學士學位論文 6 ARM7TDMIS 同樣是基于精簡指令集計算機 (RISC)原理而設(shè)計，指令集和相關(guān)的譯碼機制比復雜指令集計算機要簡單的多，實現(xiàn)了高的指令吞吐量，出色的實時中斷響應(yīng)，小的、高性價比的處理器宏單元。 EasyARM2200 開發(fā)板是一款功能強大的 32 位 ARM 單片機開發(fā)板，采用了NXP 公司以 ARM7TDMIS 為內(nèi)核、總線開放的單片機 LPC2210. LPC2210是基于一個支持實時仿真和跟蹤的 16/32位 ARM7TDMIS CPU的微控制器，144 腳 LQFP 封裝， 、 I/。C 接口 (400Kbps)和 2 個SPI 接口 PLL可實現(xiàn)最大為 60MHz的 CPU操作頻率 ，可配配置優(yōu)先級和向量地址 I/O 口 (可承受 V電壓 )， 12 個獨立外部中斷引腳 (EINT 和 CAP 功能 ) 個低功耗模式：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 RS232 串口， 1 個支持標準 Modem IDE 硬盤接口和 CF 存儲卡接口 個按鍵和 8 個 LED 八段碼 接口和 PWM 輸出接口 嵌入式組態(tài)軟件運行環(huán)境硬件平臺結(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 (微處理器運算速度低， ROM/RAM 容量小等 )，系統(tǒng)規(guī)模小，控制功能簡單，軟件部分一般不包括嵌入式操作系統(tǒng)，只是針對具體的應(yīng)用編寫軟件代碼。首先，嵌入式實時操作系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可靠性。而實時操作系統(tǒng)管理的系統(tǒng)。其次提高了開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期。每個任務(wù)模塊的調(diào)試、修改幾乎不影響其他模塊。 32位 CPU比 8 位、 16 位 CPU 運行快，另外它本來就 是為運行多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)而設(shè)計的，特別適于運行多任務(wù)實時操作系統(tǒng)。在嵌入式應(yīng)用中，只有把 CPU嵌入到系統(tǒng)中，同時又把操作系統(tǒng)嵌入進去，才是真正的計算機嵌入式應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件一般都固化在 ROM、 Flash 等中，其存儲容量有限，所以嵌入式操作系統(tǒng)必須做到規(guī)模小以滿足嵌入式系統(tǒng)硬件的限制。是指能夠在限定時間內(nèi)執(zhí)行完規(guī)定的功能并對外部的異步事件做出響應(yīng) 的能力。 。嵌入式操作系統(tǒng)開始運行后就不需要人過多的干預。由于沒有人為干預，而嵌入式系統(tǒng)的運行環(huán)境一般又較 PC 運行環(huán)境惡劣。因此要求嵌入式操作系統(tǒng)有很強的穩(wěn)定性，在一些進程被損壞時可以進行 修復、清楚等操作。當一個微處理器最初啟動時，它首先執(zhí)行一個預定地址處的指令。其中存放著系統(tǒng)初始化或引導程序，在 PC 中，它就是 BIOS。 、可移植。另外由于硬件平臺的多樣性，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?？紤]到版權(quán)費用，源代碼開放和獲取渠道等問題，本課題的研究將使用 μC/OSII 作為嵌入式組態(tài)軟件運行環(huán)境的操作系統(tǒng)。 μC/OSII 是一個完整的，可移植、固化、裁剪的占先式實時多任務(wù)內(nèi)核。至今， μC/OSII 已在照相機行業(yè)、航空業(yè)、高端音響、醫(yī)療器械、電子樂器、發(fā)動機控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、高速公路電話系統(tǒng)、自動提款機及工業(yè)機器人等眾多領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用。源代碼標有詳盡的注解清晰易讀、結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)。 μC/OSII 源碼絕大部分是用移植性很強的 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。 (ROMable)。 (scalable)。 (preemptive)。 。 。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)行了多長時間，并且執(zhí)行時間不依賴于用戶應(yīng)用程序任務(wù)數(shù)目的多少。每個任務(wù)都有自己單獨的棧。使用 μC/OSII的?？臻g校驗函數(shù)，可以確定每個任務(wù)到底需要多少?？臻g。 μC/OSII 提供很多系統(tǒng)服務(wù)，例如信號量、互斥型信號量、時間標志、消息郵箱、消息隊列、內(nèi)存塊的申請與釋放及時間管理函數(shù)等。中斷可以使正在執(zhí)行的任務(wù)暫時掛起。 。它的每一種功能、每一個函數(shù)及每一行代碼都經(jīng)過了考驗與測試。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)境運行于 普通的 PC 機上，運行環(huán)境運行于嵌入式系統(tǒng)上。嵌入式操作系統(tǒng)需要經(jīng)過適當?shù)牟眉艉鸵浦?，使得能夠適應(yīng)所用的硬件平臺，應(yīng)用軟件主要是指嵌入式組態(tài)軟件運行環(huán)境的實現(xiàn)部分。 開發(fā)環(huán)境一般包括工程管理器 (包括項目、實時數(shù)據(jù)庫、設(shè)備等的管理 )、畫面組態(tài) (包括趨勢圖、報警和報表 )、實時數(shù)據(jù)庫組態(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。運行環(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整體，才能構(gòu)成用戶應(yīng)用系統(tǒng)。 Windows 操作系統(tǒng) PC機 開發(fā)環(huán)境 嵌入式 操作系統(tǒng) ARM 硬件平臺 運行環(huán)境 串口 哈爾濱遠東理工學院學士學位論文 10 運行環(huán)境一般由硬件平臺、板級支持包 (包括各種外設(shè)驅(qū)動程序，由于硬件平臺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 )、嵌入式操作系統(tǒng)和組態(tài)支撐模塊等組成。詳細的架構(gòu)如圖 23 所示： 圖 23 嵌入式組態(tài)軟件運行結(jié)構(gòu)框圖 這里，嵌入式組態(tài)軟件運行環(huán)境的硬件平臺是第 2 章中介紹的 EasyARM2200，嵌入式操作系統(tǒng)選擇的是 μC/OSII。它具有以 下以下主要功能： 。 。 。當檢測信號發(fā)生錯誤或超過設(shè)定的限值時，能夠進行報警處理。嵌入式組態(tài)軟件運行環(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、針對純滯后對象的大林算法等，用戶可以根據(jù)被控對象的特性來選擇合適的算法 。常用的通信方式 有串口通信，以太網(wǎng)等。本組態(tài)軟件運行環(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)。數(shù)據(jù)可簡單處理后直接送給圖形顯示模塊進行實時顯示；也可經(jīng)過特定控制算法得到控制量，再由 I/O 模塊輸出至執(zhí)行機構(gòu)；還可做一定時段的數(shù)據(jù)存儲，方便查詢或是繪制曲線圖。運行環(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)動的特點。所以，在設(shè)計嵌入式組態(tài)軟件運行環(huán)境時，要根據(jù)所用的硬件平臺充分考慮到平臺中各種設(shè)備具體應(yīng)用情況，編寫通用的控制程序，體現(xiàn)組態(tài)配置文件中的數(shù)據(jù)與運行環(huán)境中的代碼分離，以數(shù)據(jù)配置、驅(qū)動代碼的設(shè)計思想。 界面 顯示 人機 接口 數(shù)據(jù)存儲 報警檢查 實時 數(shù)據(jù)庫 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 哈爾濱遠東理工學院學士學位論文 12 數(shù)據(jù)管理模塊是本嵌入式組態(tài)軟件運行環(huán)境的核心部件。當數(shù)據(jù)的接口定義和處理方式發(fā)生改變時，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現(xiàn)。當數(shù)據(jù)的接口定義和處理方式發(fā)生改變時，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現(xiàn)。 圖形顯示模塊實現(xiàn)對 LCD 的驅(qū)動，并利用 ZLG/GUI 來完成嵌入式控制器的人家界面顯示 和被控對象狀態(tài)的實時監(jiān)測顯示，以滿足操作人員直觀、方便地監(jiān)控整個系統(tǒng)的要求。然后等待接收數(shù)據(jù)管理模塊傳遞過來的實時數(shù)據(jù)，并在圖形界面上實時顯示，或者對一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)進行趨勢圖顯示，如果有操作人員通過鍵盤輸入控制命令，則彈出響應(yīng)的窗口，將命令傳給數(shù)據(jù)管理模塊。 一般情況下，通信模塊會利用簡單的握手信號來保持上位機和嵌入式控制器之間的通信狀態(tài)。若同意接收，則通信模塊會把接收到的組態(tài)配置文件暫存于一個緩沖區(qū)間內(nèi)，待校驗無誤后傳給數(shù)據(jù)管理模塊用于配置嵌入式控制器；若不同意接收，則回復上位機取消發(fā)送。 I/O 模塊通過對 A/D 轉(zhuǎn)換器、定時器和 PWM 脈寬調(diào)制器等底層外設(shè)的驅(qū)動，完成對被控對象的數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行機構(gòu)的控制量輸出等操作。包括 A/D 轉(zhuǎn)換器的采樣通道、周期，定時器頻率檢測的周期， PWM哈爾濱遠東理工學院學士學位論文 13 脈寬調(diào)制器的輸出通道、控制方式等。 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。這里 控制算法模塊式為了使嵌入式控制器能夠?qū)φ麄€系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制，滿足用戶的應(yīng)用需要，而編寫的計算機程序。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)計比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)、給定量、測量量和輸出量等組態(tài)配置參數(shù)。 本章小結(jié) 本章對嵌入式組態(tài)軟件的運行環(huán)境進行了詳細的分析。然后介紹了嵌入式組態(tài)軟件的整體結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，簡要介紹了嵌入式組態(tài)軟件的開發(fā)環(huán)境，并對嵌入式組態(tài)軟件運行環(huán)境的整體結(jié)構(gòu)進行了逐層分析。 哈爾濱遠東理工學院學士學位論文 14 第 3 章嵌入式組態(tài)軟件運行環(huán)境具體設(shè)計 嵌入式控制器硬件平臺建立 在第 2 章中已經(jīng)介紹了本嵌入式組態(tài)軟件運行環(huán)境的硬件平臺 ——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)計外圍接口電路。 A/D 采樣接口電路 配料稱重控制器要采集的模擬量主要是壓力傳感器轉(zhuǎn)化來的重量值，這里采用了硅壓阻式壓力傳感器，量程為 0~100 公斤，對應(yīng)的電流為 0~10mA。為此，要將壓力傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成適合 A/D 采樣范圍的電壓信號，這里選用了 330Ω 的電阻。脈沖信號經(jīng)過一個光電耦合器件，輸入 LPC2210 的定時器引腳，此引腳能夠被設(shè)置為捕獲脈沖信號并可編程檢測脈 沖信號頻率