基于eCos和Web服务器的远程电机控制系统设计与实现（可编辑）

基于eCos和Web服务器的远程电机控制系统 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与实现（可编辑） 苏州大学学位论文独创性声明 本人郑重声明:所提交的学位论文是本人在导师的指导下,独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文 不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果,也不含为获得苏 州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人承担本 声明的法律责任期:/’牛。睁 论文作者签名:煎塑塑苏州大学学位论文使用授权声明 本人完全了解苏州大学关于收集,保存和使用学位论文的规定, 即:学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所含万方数据电子出版社、 中国学术期刊光盘版电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档,允许论文被查阅和借阅,可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属 在??年一月解密后适用本规定。 非涉密论文口 论文作者签名:黄叩南??一日期:圣翌垄二竺二笙 导师签名: 日期:垫墨二生二笙桀十和服务器的远程电机挖制系统父汁。实现 中义摘螫 基于和服务器的远程电机控制系统设计与实现 中文摘要 随着工业自动化的迅速发展,各式各样的控制系统被用于设备的现场控制,实时 地控制设备的运行状态。但由于自动化系统的规模同益扩大,传统的现场集中式控制 模式已经满足不了需求,控制系统不始向信息化和网络化发展。 电机远程控制技术足集网络通信技术和控制技术于一体的,实现了对电机设备的 远程访问、控制以及数据通信等综合性的功能。这使得信息网络直接嵌入了传统的现 场控制网络中,满足了工业分散化的需要。所以本文提出了一种基于和服 务器的远程电机控制系统的设计与实现。 本文首先 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了工业设备控制的发展趋势,指出了基于嵌入式服务器的远 程电机控制系统研究的背景和不发的意义。随后对远程电机控制系统的系统框架和功 能需求进行分析,确立了硬件设计和软件设计的目标,并且选定了公司的 系列芯片基于 内核作为系统的主处理器:芭片。在此 基础上,本文提出了硬件设计相应模块的设计要求。 论文接着介绍了当前流行的几种操作系统基本情况,并说明最终选择操作 系统作为远程电机控制系统软件平台的原因。本论文在完成系统框架设计的 基础上, 进行了硬件电路具体设计,移植了操作系统,并实现了串口、、以太网控 制器、外部和步进电机等驱动不发。通过嵌入式/ 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 栈和 服务器的移植不发,最终实现了远程电机控制系统的功能要求。最后,本文总 结了主 要完成的工作,并对系统的不足之处进行了分析,提出了需要进一步研究和 改进的地 方。 关键词:操作系统,服务器,步进电机,远程控制, 作者:黄明亮 导师:吕建平 ”台 , , , .. .., ,. . , ., , .’ ’ ,. . , . ,,, , / .?桀卜和服务器的远程乜机挡制系统设计‘实现 英义摘螫 . ., , . ., , :: 目’ 录 第一章绪论 .选题背景以及研究意义?. .研究现状?. ..步进电机远程控制技术?. ..嵌入式服务器发展? .本论文主要内容与结构安排??. 第二章远程电机控制系统总体设计??. .系统总体框架及功能分析. .系统硬件总体设计. ..系统硬件整体规划. ..处理器选型. ..外围接口电路规划. .系统软件总体设计. ..系统软件体系结构. ..嵌入式操作系统选型??. ..嵌入式/协议栈选型??.. .本章小结? 第三章系统硬件平台设计 .处理器芯片及接口电路? ..处理器芯片?. ..时钟模块? .. 模块.. ..串口调试模块.外围电路? ..以太网通信模块?..外部模块。 ..电机驱动模块.本章小结?.. 第四章操作系统与协议栈移植. 操作系统简介 .. 系统结构.. .版本源码介绍.组件定义语言‘??.. . 操作系统移植??.. .. 开发环境建立 .. 操作系统在上的移植实现 .驱动开发? ..以太网控制器驱动开发?. ..步进电机驱动开发. ..外部存储器驱动不发?.. . 协议栈移植? .. 协议栈介绍?. .. 协议栈移植实现.本章小结? 第五章嵌入式服务器设计与实现? .系统网络模型设计.. . 协议工作原理与套接字编程??. .. 协议工作原理??. ..套接字编程原理??. .网页设计与实现??。 ..网页页面设计..应用程序设计..网页实现?.本章小结? 第六章总结与展望 .总结.. .改进与展望 参考文献?.. 攻读硕士学位期公不发表的论文??. 附录基于和服务器的电机控制系统电路图??. 附录基于和服务器的电机控制系统实物图??. 致 谢?第一章绪论 幕二和服务的远程电机控制系统汁‘实现 第一章绪论 弗一早三百匕 .选题背景以及研究意义 随着自动化系统的快速普及,各种相应的控制系统也被工厂和企业所采用。这些 控制系统可以实时地控制设备状态,为现场设备的自动化运行提供了有效地保障手 段。但由于大多数的工业控制系统采用的是传统控制模式,即控制系统只能够在本地 操作室中对设备进行现场控制,生产的管理者无法随时随地遥控设备运行。目前,网 络通信技术币迅速发展,嵌入式网络通信的功能也得到了不断完善,人们迫切希望实 现基于互联网通信技术的工业设备远程控制。 电机远程控制技术是集控制技术和网络通信技术于一体的,实现了对电机设备的 远程访问、控制以及数据通信等综合性的功能。由于这项技术使得信息网络直接嵌入 了传统工业设备的现场控制网络中,符合工业设备分散化的趋势,所以在互联网网络 通信的基础上得到了迅速发展。 当前, 下逐步向社会各个领域发展渗透,这给人们展现了一个基于 的信息平台,于是构建的技术正受到人们越来越多的关注。人们期望通 过构建于之上的控制系统,实现对生产过程的工业设备进行远程实时控制、 远程调试、远程故障诊断和远程实验等。这样可以将生产的实时数据、实验数据等和 用户的实时需求结合起来,使得生产不只是面向订单,更是直接面向市场的“电子制 造”,从而使企业能够适应经济全球化的要求,基于的远程网络控制就是在这样 的背景下提出的川。 本文采用的是公司的操作系统和公司的核处理器 系列芯片来构建嵌入式服务器,以实现对步进电机的控制。由于嵌 入式服务器在生产领域能够实现自动化生产和网络化管理,提高了生产效率, 而且其本身具有稳定性高、实时性强和成本低等优点,所以实现嵌入式服务 器 功能对于电机控制系统具有重要的意义‘。 .研究现状 ..步进电机远程控制技术第一章绪论 基于和服务器的远程电机控制系统设计’实现 作为一种执行元件,步进电机是机电一体化的重要部分之一,并且在各种自动化 控制系统中得到了广泛应用。现在大多数的步进电机应用控制均在本地现场进行,主 要采用由单片机或者其他控制器发送控制脉冲的方式对步进电机进行现场控制。随 着网络通信技术的不断更新发展,人们对实现步进电机的远程控制显得极为迫切,即 能够在外地通过某种远程通信方式对步进电机进行控制,使得外界与步进电机可以进 行连接。 远程控制系统应用于步进电机控制具有传统现场控制所不具备的各种要求,其主 要的特点如下: 、实时性在对步进电机的控制中,保证传送到用户端的现场设备参数实时准确 是十分必要的。使用各种传输协议可以保证数据传输的准确性,但在环境下, 实时性则很难得到实现,除非是在专用网络中。 、安全性对于工业设备控制系统来说,安全性尤其重要,而对于可通过网络进 行远程访问的控制系统而言更是如此。一方面可以对用户访问使用认证 机制 综治信访维稳工作机制反恐怖工作机制企业员工晋升机制公司员工晋升机制员工晋升机制图 ,这样系 统仅可以被授权用户访问;另一方面也可以在数据传输过程中使用信息加密技术,保 证重要信息不外泄或恶意修改。 、可扩展性对于工业设备信息管理而言,有时资源需要不断地更新,这时一个 可扩展的系统可大大减少不发成本和时间。 在实际工业应用中,上位机控制的方式主要是以、等串口进行通信, 但控制距离较短【。此外,还有一些方案结合网络覆盖范围广、应用普遍、延 时短和可靠性高等特点,通过短信息方式实现远程无线控制步进电机运行,如西北工 业大学和西安交通大学提出的基于的远程步进电机控制系统的设计与实现】。 但这些方案需要对原有设备进行重新不发,成本略高。 ..嵌入式服务器发展 随着嵌入式系统的广泛应用和计算机网络技术的迅速发展,嵌入式服务器 正受到人们越来越多的关注。目前,网络技术的发展使得越来越多的设备都产生了连 接需求,下是在这种背景下,嵌入式服务器被应用到各式各样的场合,如工业 现场的控制与管理、智能家电、视频监控等。通过在控制系统中内置服务器 的 专用网页、以太网通信接口或其他网络端口,操作人员可使用浏览器进行访 问, 装二和服务器的远程 .拧制系统改汁’,实现 第一帝绪论 并进行页向显示,最终实现对远程设备运行参数进行配置的要求。 嵌入式服务器通过简化系统结构,集成发布参数信息等工作到现场控制设 备中,大大提高了控制能力。这项技术在许多应用领域都有很大的发展空。 .本论文主要内容与结构安排 本文的主要工作是利用核处理器系列芯片搭建硬件平台, 实现壤于操作系统和嵌入式服务器的远程步进电机控制系统。 本论文主要完成了以下工作: 根据课题总体要求设计硬件电路。论文以处理器为主控 芯片,设计此处理器的外围接口、网络控制器电路和步进电机驱动电路。 在环境下搭建操作系统不发调试平台。 移植操作系统,不发相应底层驱动,移植协议栈。 设计实现嵌入式服务器,调试系统软件和步进电机控制功能。 本文的结构安排如下: 第一章绪论,阐述了选题背景和研究意义,对工业设备控制和步进电机远程 控 制发展趋势,以及嵌入式服务器技术进行介绍。 第二章远程电机控制系统总体设计,主要介绍基于和服务器的电机 控制系统总体框架结构、各个功能模块需求分析以及处理器芯片和嵌入式操作系统选 型等。 第三章系统硬件平台设计。针对系统硬件平台,详细介绍各个模块的功能和实 现。 第四章操作系统与协议栈移植。介绍操作系统,协议栈 内容,移植步骤,串口、以太网控制器、外部等驱动不发。 第五章嵌入式服务器设计与实现。介绍服务器设计实现和系统页面设 计。 第六章总结与展望。对本文完成工作进行总结,并指出了下一步研究和改进的 方向。 第二章远程乜机控制系统总体设计 皋十《稃服务器的远程乜机控制系统设计‘实现 第二章远程电机控制系统总体设计 .系统总体框架及功能分析 根据第一章的分析,远程电机控制系统能够现场控制步进电机,并且用户可以通 过浏览器访问控制系统,获取页面信息和发送控制指令。由于系统需要连接网络,所 以软件上涉及以太网驱动,网络协议移植,嵌入式服务器等,经过以上分析, 得出系统细化的功能需求如下: . 、在硬件上要有以太网控制器电路。 、在硬件上要有步进电机驱动电路。 、在硬件上要有能够下载和调试程序代码的硬件接口。 、由于一般处理器内置存储空间都不大,所以硬件上需要能够加入外接 存储器。 、在软件上,为了能够实时处理系统任务,远程电机控制系统需要加入嵌入式 实时操作系统,这也方便系统进行二次不发。 、在软件上需要移植相应的网络协议。 系统总体设计如图.所示,围绕以上功能需求,下面进行了远程电机控制系统 硬件和软件总体设计。 通信 图.系统总体框架没计 .系统硬件总体设计 ..系统硬件整体规划 远程电机控制系统包括串口通信模块、以太网模块、键盘接口电路、步进电 机驱 动电路和外部电路等,系统硬件总体设计如图.所示。 堆十和服务器的远程 机控制系统鼓计‘实现 第二帝远程机控制系统总体设 计 .系统硬,:总体殴计 ..处理器选型 对于远程电机控制系统的硬件平台选择最主要的是处理器的选型。选型中, 重点考虑项目的实际需求,即应用目的、开发难易程度和用户需求等。 目前处理器主要有八个系列,包括、、、、 、、、等。其中系列微处理器为低功耗的 位处理器,中断处理完全基于硬件进行,并采用中断技术,最多时 可减少个时钟周期数,实际应用中可减少%中断【引。在对价位和功耗要求较 高 的电子类产品中得到广泛应用。内核处理器具有如下特点: 高性能。采用哈佛结构,指令总线和数据总线分不,取指和访问内存可以 同时进行;支持指令集,具有更高的代码密度和性能。 先进的中断处理功能。支持嵌套向量中断控制器,可以提 供可嵌套中断支持,动态优先级调整支持,大大缩短了中断延迟。 低功耗。需要的逻辑门数少,更适合低功耗要求的应用。 支持传统的调试和串行线调试接口。 内核处理器支持处理和线程共两种操作模式,还支持特权级和用户级 两种特权操作,其中异常处理的代码必须在特权级下执行。通过引入特权级 和用户级, 就能够在硬件上限制不受信任的程序去随意配置关键寄存器,这使得系统可 靠性得到 了提高。 与传统处理器相比,采用了一个全新的异常模型,它支持种 系统异常,外加个外部中断输入。此外,它还取消了快速中断的概念,使用了 中 断优先级管理和嵌套中断支持机制。 基 服务器的远程乜机控制系统设计’实现 第一二章远程机控制系统总体设汁 内核不仅具有功耗低和成本优势等特点,其处理速度和能效比也很突 出。高密度指令集的采用降低了.内核对系统存储空间的要求,此 外,快速的中断处理可以满足控制领域对高实时性的要求。这使得基于内 核设计的微处理器能够以高性价比面向更多的应用领域。如图.所示为 内部结构。 幽. 内部结构 根据以上的综合分析,考虑到本课题的实际需求,最终选择了公司的 系列芯片作为远程电机控制系统的核心处理器。 系列芯片是公司推出的位微处理器,采用内核, 。内核处理器实现了低功耗、低 片内最高可达内存和 成本和高性能三者间良好的结合,此外,它还集成了大部分存储器控制器,这 样工程 师可以直接在处理器外连接存储器,降低了设计难度和应用障碍。 ..外围接口电路规划 通过上面的分析可以发现系列芯片具有丰富的片内资源和接口,只 有对这些接口进行进一步设计,才能实现硬件平台的功能。通过前面的功能 要求分析, 系统处理器的外围接口电路需要实现以下几个功能:处理器代码调试以及代码下载功 能:步进电机的控制功能;支持系统进行以太网远程通信。所以,系统需要完成的功 能模块如下: 、串口通信模块 幕二和服务器的远程乜机控制系统改汁‘实现 第二章远程电机挣制系统总体改汁 当前,下层主机与机进行通信使用最为广泛的接口之一就是串行通信 接口,它不仅可以作为数据传输通道,在软件调试阶段更是可以输出调试信息、输入 调试指令和代码下载。对于系列芯片而占,仅需使用即可将 的串行通信信号转化为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的信号。 、下载调试模块 系统需要使用进行代码的下载功能,此外,还可以使用实现部分代 码在线调试等功能。 、步进电机驱动模块 步进电机驱动主要指通过发送电脉冲,使电机发生角位移。当向步进电机驱动器 发送一个脉冲信号时,步进电机则被驱动按设定的方向位移一个固定的步进角。所以 人们可以通过控制电脉冲的发送个数来控制角位移量,最终达到精确定位的 目的;同 时也可通过控制电脉冲频率的方式来控制步进电机转动的速度和方向,从而达到调速 和调向的目的。 本系统选用达林顿管驱动:芑:片来驱动四相步进电机,只要处理器输 出正确的/控制时序,就可以控制步进电机进行转动。 、以太网控制器模块 远程步进电机控制系统可以通过以太网连接网络,用户使用浏览器输入控制系统 地址,即可以访问系统内置网页,获取相应页面信息。此外,还可以发送控制指 令,控制电机运行状态。 、外部存储器模块 系列芯片最大拥有 和 ,但是由于需要移植 嵌入式操作系统,/协议栈等,而且为了增加系统扩展性,所以设计了外部存 储器电路。本系统采用扩展片外的方式增加存储容量。 、按键模块 电机控制系统不仅可以远程控制,还可以进行现场操控。按键模块用于对步进电 机实行现场控制功能,包括开始、停止、转向等。 .系统软件总体设计 ..系统软件体系结构 第二章远程电机控制系统总体砹汁 桀于和服务器的远程电机摔制系统设计’实现 系统的软件体系结构如图.所示,最底层的是硬件平台,包括微处理器芯片、 以太网控制器、外部存储器、步进电机驱动电路、代码下载电路、串口 驱动电路、电源、按键和指示电路等。在硬件平台之上是硬件抽象层,它 是操作系统移植的关键之一,为操作系统软件层和设备驱动层提供硬件平台描述。操 作系统可以分为两部分,一部分为系统内核,它负责整个系统的存储管理、任务调度、 时钟管理以及中断管理等功能;另一部分为系统扩展,主要向用户提供网络、文件系 统和数据库等扩展功能,这部分功能一般可根据系统需要进行裁剪。在操作系统的 上面为应用程序层,实现实际嵌入式系统的各项功能。 应用程序层 操作系统层圈二二二匠 驱动 驱动 设备驱动层阿网篱 设备驱动层串口驱动 罔驯嚣叵 驱动兰竺兰到 从层二二二二】塑巫二二二二 竺竺兰鱼 幽.远程电机控制系统软,:体系结构 ..嵌入式操作系统选型 现在的系统设备一般需要执行繁重的实时控制、通信、数据处理、人机交互等任 务,同时为了方便进行系统升级等二次开发,所以有必要在硬件平台上移植操作系统。 这样,通过嵌入式系统的内存管理、设备管理和任务调度等功能,大大提高了系统的 可靠性,减少了二次开发的工作量。 、 和等。 目前,常见的嵌入式操作系统有、/ 下面就这四种操作系统的特点和适用场合进行分析比较,由此选定本系统所使用的嵌 入式操作系统。 、 作为不源嵌入式操作系统,脱胎于操作系统,它的名字来源于 ,即运行在微控制器上的。因此,除了在内存管 理方面与差异较大以外,还具有很多操作系统的特点,如: 甚十和服务器的远程机柠制系统设汁。实现 第二帝远程机控制系统总仆设汁 模块化,方便配置、易于裁剪。独特的模块机制使得用户可以根据自己的 需要,对模块进行插入和删除。 支持众多的文件系统,网络功能完善。支持所有标准的网络通信 协议,支持、、/、等文件系统。 编译工具链和调试工具齐全,内核源代码公开。利用的 做编译器,使用做调试工具,方便用户对代码进行编译调试。源代码不放,用 户也可根据应用需要进行修改和优化。 、/? /是一种不源的实时操作系统,它具有代码精简、可抢占式任务调度等特 点。/内核包括时间管理、内存分配管理、任务调度管理、任务间同步管理和 中断服务等功能【?】。 由于/一具有实时性高、扩展性强以及内核占用最小可达数量级 等特点,所以适合中小型操作系统应用的市场需求。由于系统的时钟节拍决定了应用 程序的时『日精度,而且为了实现延时和确认超时等操作,/?需要有周期性的 时钟信号源,时钟节拍一般应在到之间。每一个节拍系统都要查询是否有 优先级更高的任务就绪,如果有,则切换到更高优先级的任务【?。因此,出于减少系 统负担的考虑,时钟节拍不能过高。 /?的使用量取决于系统中的任务数。任务运行中,主要是堆栈需要 占用大量,而具体大小则根据任务缓冲区的大小、局部变量数和中断嵌套层数 等来决定。 、 是由微软公司推出的一款功能强大的、多任务嵌入式实时操作系统。 基于优先级,并可以提供多达个优先级别。而且它还支持多种用户 界面、 子集和多种网络通信技术。 由于集成了许多 的特性, 操作系统可以提 供类似于机的图形界面,包括软件窗口、桌面、图标、各式控件以及任务栏等。 因此使用 操作系统进行嵌入式程序开发对于熟悉的用户十分有 利。 、 第一二章远程毡机控制系统总体设计 基于和服务器的远程乜机控制系统设计‘实现 年设计 ,是由公司在 的嵌入式可配置操作系统,面向深度嵌入式应用。它具有源代码不发、免费、可配置 移植等特剧【切。的核心部分包含、 、底层抽象软件包等不同 组件。对于各个组件,提供了许多可配置选项,这样利用配置工具可 以对这些组件快速配置。针对不同的嵌入式应用,可以进行相应的配置供其使 用。 从上面列举的几种操作系统特点和项目的实际需要来考虑,最终选择了操 作系统作为远程电机控制系统的嵌入式软件平台,原因主要有以下四点: 从实时性要求来看,实时性能优良,支持可嵌套中断,具有优先级轮 换、可中断内核等性能,完全可以满足本项目实时性要求。 从应用程序可移植性来看,的组件设计使得不发人员只需专注于 层移植和相应的驱动程序开发,应用程序良好的可移植性大大减少了系统进 一步不发 的工作量。 从系统要求来讲,通过的图形化配置软件,可实现源码级的系统配置 和裁剪,满足本论文对中小操作系统的要求。 从开发成本来看,遵循开发源码,无任何版权费用,开发成本 较低。 ..嵌入式/ 协议栈选型 随着网络的发展,越来越多的人投入到网络协议栈的研究,不发出许多优秀 的协议栈。一些著名的嵌入式操作系统都带有强大的/功能,如, 。同时,也涌现了许多源代码开放的免费协议栈,现在比较流行的免费不源协 议栈主要有:和。 、 是专门为位或位控制器设计的一个非常小的/协议栈,完全用 编写,可移植到各种不同的结构和操作系统上,一个编译过的栈可以在几 或几百字节中运行四。它主要有以下特点: 文档和源代码注释良好,几乎每一行都有注释; 内存占用非常少,并且在编译时可设置; 幕:和服务器的远程机拧制系统设计‘实现 第二章远程【机控制系统总体设计 支持、、、、和协议; 同时活动的链接数无限制,并且在编译时可设置: 可免费用于非商业和商业用途; 、是瑞士计算机科学院 等不发的一套用于嵌入式系统的不放源代码的/协议栈 。它的目的是减少 内存使用率和代码大小,使能够适用于资源紧张的嵌入式系统。它主要有以下 特点: 支持协议: 支持在多网络接口下的转发: 提供专用的内部回调接口,可以提高应用程序性能。 从稳定性的角度来考虑,课题最终考虑了嵌入式/协议栈。没 有操作系统特殊性,它对与平台相关的代码进行抽象处理,如果用户需要移植协议栈 到自己的操作系统中,则必须完成这部分代码的编写,并为支持网络应用提供 接口的选择性‘?。 .本章小结 本章通过对远程控制系统进行分析,介绍了系统的设计目标、细化的系统功 能需 求和系统总体框架。接着对系统硬件平台进行总体设计,确定了以公司的 系列芯片作为系统的嵌入式处理器,并简要分析了外围接口电路:同时, 根据对当前常用的嵌入式操作系统和嵌入式/协议栈做比较,阐述了选择 和的原因。第三章系统硬件台设计 基于和服务器的远程电机挖制系统’使计。实现 第三章系统硬件平台设计 .处理器芯片及接口电路 处理器芯片选择的具体型号是,接口电路主要包括晶振和复位 电路,电源模块,用于程序下载调试的接口电路和串口通信电路,还有 按键电路。 ..处理器芯片 是基于内核的新型位嵌入式微处理器,它具有 字节的内存,字节的,其工作频率最高可达。它具有如 下特点: 高效的处理能力: 丰富的外围设备; 超低功耗: 强大的不发固件库。 主要有以下片上资源: ,可配置的静态存储器控制器: 两个高级定时控制器、四个普通定时器和两个基本定时器; 》三个控制器,具有同步、串行、全双工通信和可编程的数据长度等特点: 多达两个总线接口,能够工作于多主模式或从模式: 内置三个通用同步/异步收发器和两个通用异步收发器; 全速的设备控制器: 控制器区域网络接口; 接口,可支持位、位和位数据总线模式; “个个管脚封装通用/管脚,带可配置的上拟下拉电阻: 内置三个位,每个共用个外部通道; 两个位带缓冲的通道。 微处理器的程序存储器、数据存储器、寄存器和输入输出端口 皋十和服务器的远千玎【机拧制系统砹汁实现 第三章系统碘件’台设计 被组织在同一个的线性地址空’日罩,表一所示为存储器映像,图.为主控制 器具体电路图。 表 存储器映像 地址范围 川途 描述 片上卜易火性存储器 存储器 片上 存储器 外设 、、总线等、、等 外殴 控制器、以太网和接. 外没 口 旬刚丁.访问肿存储设备 旬同 / 刚丁.访问 存储设备 ? 州丁.访问存储设备 旬 相大功能 包括和系统,拍器 聃?】列叩垤咖日邪琊娜,厘? 砌【】烈~】俐伫口 吣口.删 甩叽幅日刚舢 吨’~一? 附氏:、’ 地 阡埽【.一匝 幅煳~、嘏亿胍?懈 砥玛汇 队拇“《吧? 哺 再,《佩 开一‘’? 、耵僻一一姗墨上 羽、’包【】哺 髓舢攥? 科:田,礓 虬氏伽?】 姗?: 降礓 飘伸 ?? 聃陬 玉啊 ,且?蛐:/舶删 阡‘’不 融盯盯 加即砌蛙 黔薯 碌【’ “胍殳~ 开‘’ 芋于工一一 ’,?科,闲葛郴 甩”【 难计昏? 咖町邶唧?洲 一譬莓一哪工咖赶刊 册不 弭州强《吣 ?碌 哪,?,?己蹦明阳仉五驷‘ ’ 附不研’乎日舯 吲臻们‘矸 础签 阡礓? 开【 脯工’,【’鼻】由 咏 删口 肿日一勋礴 甜惟、锄? 再山?倚 ‘小‘唧; ,,~【【五 开张】【 怫’?佩 甩吼鲫 聃 佩? :队‘娥玎 艇 ,‘’盯 二.川蚴,?一蛐叮,删 阡礴【、、.葛蛞 甩叩删盟“酗吼.盯删娜 ‘舳 “~日咖 玎咀一【‘州 件?”, 僭 唾?鞋 删蜊 髂 ,礴?王,崎 唧脚罩砷?? 舳】五 ?毗 ,~】,狲 ,? ,二 瞄”』 翌~~】. .%【’ 订~【】‘’、?曩 【?鼻毋】砷 哪 . 岍 ?瞳 氏婀阳】髓 婀‘耵佃 嘲 盯卜膝吣 黧滁 总嚣; 阿;‘ ?皤 岖: ?艘 ,?供玉笃 阿如啊虻 ?棘‘ 开口朋师?日孰网霸躅阻 强‘】 ‘成烈 瞄礓 ‘诈 ’‘叮 脯‘’~ :孙』旧 【盐 五 埘 ?‘ 酬礓 ’’ ,‘ 呕’ 阿、臀幢’ 臻? ,冈啦 三: 一一一一一一一一一一一一一一~ ,‘【 一 一砩啡 ?肇 竹? .? ?? 。昕? 肇 ?以 争以 一?肇 :? 一. 【 】 【 【 ?‘乒 若掣譬掣 图.主控制器电路图 ..时钟模块 在中,有五个时钟源,分 别为、、、、。 高速外部时钟,可外接石英或者陶瓷谐振器,也可直接选择外部时钟 至频率; 源, 高速内部时钟,内部 振荡器: 低速外部时钟,可外接石英晶体,频率为.: 桀十和服务器的远平口乜机挡制系统改汁’实现 第三章系统碘件’臼嫂汁 低速内部时钟, 振荡器: 锁相环倍频输出,可选择、或者/作为时钟源输入, 倍频系数可选择至倍,最大输出频率为。 系统时钟提供了芯片中绝大多数模块运行时所需的时钟源。 它的最大频率可达,可选择为、或者输出。经过分频器 分频后,各个模块可以选择相应的时钟,分频系数有、、、、、、、、 。分频后的时钟输出主要由以下几大模块使用: 总线、内核、内存以及使用的时钟: 输送到内核的空闲运行时钟; 使用分频系数,然后输送到内核的系统定时器时钟: 分频器: 分频器。 论文选用高速外部时钟,具体电路图如图.所示。 幽.时钟电路 .. 模块 本系统使用进行代码下载和部分调试,模块具有个引脚,具体电 路图如图.所示。其中、分别为数据串行输入和数据串行输出;为模 式选择引脚,为时钟信号,、为复位信号。 一 第三章系统硬件、,台设计 皋十和服务器的远程乜机控制系统设计实现 图. ‘卜.载模块 ..串口调试模块 由于本课题的软件调试需要电路输出调试信息,所以选择串口电路。串口通 信具 有连线少,通信简单,所以在许多系统中广为使用。课题采用实现串口通信 功能,设计芯片是,串口通信接口电路如图.所示: 饕 棼妻 一? 图.串口调试模块 .外围电路 ..以太网通信模块 对于以太网通信模块,本文选取了芯片作为以太网控制器,它具有接 口简单等特点,主要包括七个主要功能模块: ?接口??在和主控制器之间充当通信通道: ?双端口缓冲器??用于发送和接收数据包; ?控制寄存器??监视和控制; ?总线接口??解析由接收的数据和指令; ?判优器??在和发送接收模块发出请求后,控制缓冲器的访问; 綦十平?服纷;的远程乜机挖制系统改计‘实现 第三章系统碰:,臼改汁 ?模块一用于实现符合.标准的逻辑功能: ?模块??对经双绞线传输的模拟数据进行编解码。 为了降低设计难度,本系统选用了模块电路,具体电路图如图 .所示。 匪暨 坦.蘑日, 彗轰 盯 二 遄?蚕、 善??巯 塑 带 ?一?忻 丛』垒??兰一嘞 ??菡 图.以太网通信模块 ..外部模块 由于电路需要移植操作系统和协议栈,而且为了提高系统扩展性, 所以设计了外部存储电路,设计芯片使用的是。它是由公司推出 的一个容量的高速率存储器,结构为位字长。采 用高性能工艺制造,再加上创新的电路设计技术,使得这款芯片具有性能高、 功耗低等特点。芯片的主要特性如下: ?独立的.供电; ?输入输出均兼容标准; ?存取时问分别为,,: ?全静态操作,不需要时钟或刷新; ?低字节数据和高字节数据可分别操作。 叮,即可变静态存储控制器,是在 系列中内部集成的一种存储控制机。根据外部存储器的不同类型,对特殊 第三章系统硬件台设计 幕于和服务器的远程乜机控制系统设计。实现 孙 一: ::: 丙匿为矿??一 发譬???丙石商一 棘【、孙’ ‘工: :: 【’ 。: ::小 攥’ ‘工:::姝 吼 。工二 。?: 两彳习丁??一拦 能???丙彳商一 丙下育??丁懋: ?广?氰广 丙膏育广??矿掣 能?广?一鬲 吼’攥 ‘ :二: . 曝【 :::::攥’ 一 棘 坠:二: 两奄???矿竺 熙?虿??丽西 两苟???丁曾 心?百??丽煎 隙’‘ :二 隙【?味【。二 ?乜 阜一董善捌 图.外部模块 ..电机驱动模块 是由七个高耐压、大电流的硅型复合晶体管组成,电路的主要特 点如下: 每一对达林顿管均在基极上串联了一个.电阻。在工作电压为 时,可以直接与和电路相连,原先需要标准逻辑缓冲器进行处 理的数据也可以直接处理。的工作电流大,工作电压高,灌电流可以达到 . . \皋于和服务器的远程乜机控制系统没汁~实现 第三章系统硬件、台没计 ,在关态时可承受的电压,并且输出也可在高负载电流下并行运行。 步进电机选用的型号是,工作电压,相拍/拍,减速比/, 步进角度./。具体电路图如图.所示。 气 ,』 ? 。 ‘ 耵 ‘黧 一?一? ; 市衅 ?刚 刚? 上 上 玛 ? .一 ‘ 浸 .。 ’ ~ ; ‘‘ .?‘二?一‘ 一孚量。曼晏‰, 图.电机驱动模块 .本章小结 本章主要介绍了远程电机控制系统的硬件设计和不发流程。首先从处理器芯 片及 其相关电路进行设计,主要包括主控制器芯片、复位电路、时钟、 电源、电路、串口和按键电路,并详细介绍了主控制器芯片的主要外设 和存储器映像:接着对主控芯片的外围电路进行详细介绍和设计,包括以太 网控制器 电路、外部存储器电路、步进电机驱动电路。最后根据原理图画出了图 并进行制板。 第四章操作系统 协议栈移植 幕于和服务器的远程乜机控制系统设计。实现 第四章操作系统与 协议栈移植 . 操作系统简介是一种嵌入式可配置实时 操作系统,适合于各种嵌入式应用。它可以提供实时嵌入式应用所需的基本 运 行组件,而只占用较少的内存空间。从的名称可以看出,它最大的特点 在于它是一个配置灵活的系统。的核心部分是由不同的组件组成的,包括 内核、语言库和底层运行包等。每个组件都能提供大量的可配置选项,利用 提供的配置工具可以很方便地进行配置,通过不同的配置可以使得 能够满足不同的嵌入式应用。 .. 系统结构 采用模块化设计,由不同的功能组件构成,操作系统的层次结构如图. 所示矧。 设 备 内杉 驱动 内核调度、同步、中断处理、多线程、定 程序 时器、内存分配等 网络、 出口 支持 等 图. 层次结构 操作系统的关键在于其功能强大且具有可配置性的内核部分。内核主要包含 多线程机制、内存分配机制、中断处理机制、任务调度机制、同步机制、例外处理机 制以及定时机制。内核的主要功能包括: 调度算法的选择 具有两个调度器,分别为多级队列调度器和位图调度器。多级队列调度器 采用的是具有优先级的队列调度策略,它具有多个线程优先级,允许多个线程 具有相同的优先级。优先级相同的线程使用时间片轮转,形成一个队列进行调 度。位图调度器则相对简单,其在任何时候均不可能存在相同优先级的线程,所以它 加某 和服务器的远程电机控制系统.嫂计‘实现 第章探作系统. 协汉栈移植 具有简堆、准确、快速的特点。 内存分配算法 在操作系统中,提供内存分配模板?和,每 种内存分配模板有两种可供选择的内存池:一种是定长内存池,另外一种足 变长内存 池。前者以固定大小的内存块为单位进行分配,后者则根据请求内存大小进 行分配。 多数情况下,默认选择?、变长内存池的方式进行内存分配管理。 提供了一组丰富的同步原语 内核的同步机制提供的同步原语丰富,主要有互斥、信号量、条件变量、 事件标志和信箱。 中断处理 采用一个通用的中断处理机制,中断程序包括两个部分。其中一个部分为 中断服务程序,当中断发生时立即执行这一部分程序。当执行完后,将执行 另一部分即滞后服务程序。 .. .版本源码介绍 在源码包中,包含有操作系统的软件组件、测试程序、配置工具和源 】: 代码、文档说明等,下面介绍目录中的主要内容 包括所有软件组件包,如、、、等; 联机说明文档。 的子目录就是包含所有软件包的组件仓库,通过把如硬件抽象层、 驱动、网络模块等软件包形成组件仓库的形式,能很好地实现软件包的 管理。表一为组件仓库内容。 表 :仓库内容 目录 说明 目录中存有 ,目前最畦要 所支持的 的就是所谓的。定义了一套弹性的操作系统架构。 特别是针对 。 它对主要的处理器架构充份的支持。并避免了在层次上过度抽 象化对实时系统的不良影响。这层可以刚硬什米完成。冈此也避免 了软,:安黻至新架构时所需花费的功大。 监视器所代替。 调试监视器的包,目前其已经被 的程序,例如串口、 设备驱动样序组,:的包,里头是 网膏等。 协议栈移植 第四章操作系统‘ 幕十和服务器的远程乜机控制系统设计‘实现 目录中的档案定义了系统的所有 以及一些 。公共的错误和状态码包。 包含文什系统、文什系统、 文,:系统。 硬什抽象层。是跨平台的重要机制。 录卜.即是跨 平台所需的基本定义之处,而在不同的架构目录卜.,有不同的 。例如/就是对架构的支持在//, 还有,等等许多录。 基础机构包,内窬包含公共类型、声称、宏以及启动选项等。 基本的/支持包,是系统设备驱动程序的基础。 和标准库支持包。 内核,包括任务调度器、线稃支持、例外处理和中断、同步原 语和时钟等。 库和数学库,麻中可以使用库和浮点数学库。目 的支持,但目前只有 ,义分 录提供对各种 和两人种。 基本网络支持包,包括/、、等协议支持,还提供 、、支持。 包的配置信息和编译规则,是设定的所放的地方。 调试川的监视器。 包含内存分配、乐缩算法、负载、电源管理、校验算法、 形窗口、实时性能测试等稃序。 提供的各种模扳,根据实际使用的硬仆平台,川户可以选择相 应的模板。 .存有已经安装的信息。要安装一个新的 .、 .。 剑中,则可以使 . ..组件定义语言 提供图形化的配置工具,用于对系统进行裁剪。每个组件包提供 如约束条件、结果信息、在线说明文档等各种选项信息,用于对配置选项进 行描述。 。 这些信息即是组件定义语言 . 操作系统移植 .. 开发环境建立 的不发环境有两种供选择:一种是基于开发环境:另一种是建立在 操作系统下的平台,本文采用的是后一种。下面重点介绍操作系 、 以及 下所需的开发工具。 统包括 建立操作系统下不发环境需要三种工具,分别有、 配置工具和交叉编译工具,图.所示为开发环境图‘明。幕十和服务器的远程 机控制系统殳汁。实现 第叫市探作系统’ 协议栈移植 配置:具 交义编译:具 操作系统 图. 开发环境 其中,是一款在操作系统下模拟环境的软件,交叉 编译工具为,配置工具为。 在将下载安装好后,需要对源码包、软件和交叉编 译工具设置环境变量。具体操作为:我的电脑一属性一高级一环境变量一系 统变量 ,设置内容为:\;:\;:龟?。 .. 操作系统在 上的移植实现 具有良好的可移植性,移植的工作主要是硬件抽象层和设备驱动程序的编 写,这样,内核系统及应用程序就可在目标硬件平台上运行。对于操作系 统在硬件上的移植实现,主要包括层移植、串口驱动程序设计和下载 测试。实现流程如下: 一、移植硬件抽象层 硬件抽象层包括以下几个子模块:体系结构抽象层 、变体抽 象层 以及平台抽象层 ,此外还包括公共抽象层。各 个模块的描述与功能如表所示】。 表 的各种类型 的类型 描述 功能 常用功能、驱动样序 公共抽象层所在日录: 所有类础的共享的 、/监视调用接 / 配置选项和函数 口、测试稃序 体系结构特殊的功能、 该体系结构的特殊功 例外/中断向苗的定义和处理 能、住变体抽象层币?平 体系结构抽象层所在目 程序、定义和控制、上 台抽琢层中可以对其加 录:// 卜.文切换样序、系统初期初 以变化的一些功能的默 始化汇编程序、配置选项、 认实现 测试稗序等协议栈移植 幕于和服务器的远程乜机控制系统设计与实现 第叫章操作系统‘ 体系结构相同的系 变体对体系结构进行扩展的 列由一系列具有变体结 变体抽象层所在目录: 程序、例外/中断、 // 构的组成,如 配置选项、片内设备的驱动 系列 有何和位 程序、测试程序 不同版本的。 平台抽缘层所红录: 平台初期初始化稗序、平台 包含平台专有的功能和 // 配置选项 内存布局说明、配置选项等 先 是上电复位后,程序跳转至\\.。.文件是整个程序的入 口文件,在执行堆栈指针配置操作后,再跳转至\?.中硬件初 始化函数,它负责在跳转至之前的所有初始化工作。硬件初 始化函数主要执行以下操作: ???初始化和等的时钟;和 : 定义?中的 模式下,搬移数据段,清除段; 初始化中断向量表; ,册??初始化串时钟,设置系统时钟 和中断: ??输出测试字符’’: ?一静态构造函数: ??跳转到应用程序中的去。 图.所示为软件包变体抽象层和平台抽象层包含文件,其中需要移植的 内容为文件、库函数和文件,具体内容如表所示。基于和服务器的远程乜机 挡制系统改汁’实现 第章探作系统’ 协议栈移植 曰嘲 曰正 一?’,. ? 豳 锄 曰 国。盯 口 日瞄. 园 ? 田 田 函 亩 图. 变体抽象层和平台抽象层 表 移植内容 文,包 文什 描述 移植内容 变体抽象层配 . 置选项,如时 钟,串口参数等 处理器断及 寄存器地址和 盯变体抽象层 .、.、. 位定义、口 和中断处理操 作函数 变体抽象层初 . 始化相关函数 .、. 和串口驱动 平台抽象层配 置选项,如启动. 一 方式、时钟选择 等 平 处理器平台和 .、.、.、 台抽象层内存定义,还有 .、 . 说明 平台抽象层初 ;. 始化相火函数 由于已实现了绝大多数流行嵌入式的体系结构抽象层,所以对于 层的移植,本文首先选取了提供的硬件平台作为模板。 首先根据选定的模板平台,对文件名进行更改。、 第章操作系统. 协议栈移植 基于和服务器的远程乜机控制系统设计‘实现 对源码包下.文件进行修改,添加硬件抽象层各层支持包和 、串口和以太网驱动包描述。 硬件抽象层各层支持包描述包括、 和 ? ? 一,分别是体系结构抽象层、变体抽象层和平台抽象层。 .是描述组件仓库内所有软件包信息的数据库文件,当需要将移植到 新的硬件平台上时,可以对它进行编辑,这样配置工具就能识别并配最新 的硬件抽象层。 对变体抽象层下的文件进行修改,主要包括、.、.、 串口驱动函数和变体抽象层初始化函数。 .和.文件包含微处理器的中断定义、寄存器定义、寄存器读写等 程序。.文件则包含变体抽象层初始化函数。 对平台抽象层的内存布局文件进行修改。 内存布局文件包括两个部分,一个是.文件,另一个是.文件。系统的启动类 型主要有两种,方式和方式。.文件主要是包含系统的首地址、空 间大小,首地址,空间大小等:.文件则包含、、 等段地址定义【。 根据启动类型和调试信息输出方式等,修改平台抽象层的文件。 二、串口驱动程序设计 串口驱动程序完成串行设备数据发送和接收功能,还包括对串口硬件初始 化配置等。由于程序调试时需要输出大量调试信息,所以有必要实现简单的 串口通信。 在、\、\甜.中提供了以下接口函数: ?. ?. ?. .. ?. 协议栈移植 皋十和服务器的远程也机拧制系统设计。实现 第章探作系统 ? 下面主要对硬件初始化、串行数据发送和接收函数进行介绍分析。 、串口初始化函数?一? 设置管脚为串口通信管脚; 对串行通信格式进行设定,位停止位,位数据位,波特率: 置位一,使能。 、数据发送函数?? 判断×是否置位,置位则表示数据发送准备好了; 将待发送数据赋值寄存器。 、数据接收函数? 判断?是否置位,置位表示数据已经被接收,并且可以被读出,没有 置位则返回错误; 读出寄存器的数据,并对进行清零。 三、下载测试 在硬件抽象层移植和串口驱动不发完毕后,通过选项加载 平台,选择,具体如图. 所示。 图. 设置 接下来主要对 进行配置,包括取消使能 和