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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于PC/104和ARM的工业控制平台设计及应用 姓名：刘广林 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：汪秉文 2010-06-01 I 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘摘 要要 PC/104 总线在是一种专门为嵌入式控制系统定义的一种工业控制总线，它在工 业控制领域有着广泛的应用。 本文研究了基于 PC/104 架构的 ARM7 通用控制平台的 开发与设计。 本文介绍了 PC/104 在嵌入式控制领域中的应用与总体的发展情况，并研究分析 了目前现在的 PC/104 嵌入式模块的构成及其优缺点，进而结合目前 ARM 处理器在 嵌入式
2、领域的广泛应用， 提出将 ARM 处理器应用于 PC/104 嵌入式主板模块的想法。 根据实际应用需要，本论文对一款基于 ARM7TDMI 内核的 ARM7 处理器 STR710FZ 的结构特点的接口扩展技术进行了分析，并设计各个模块，对扩展接口和 存储接口等关键技术进行了阐述。具体针对 PC/104 总线规范和 STR710FZ 的总线时 序进行分析，采用可编程逻辑门陈列实现两者时序的兼容。为验证平台的可靠性与 实用性，在此基础上设计了一款符合 PC/104 标准的数据采集卡，并对此进行测试。 在软件设计中，本论文对工业控制平台软件进行了详细分析，对其设计思想、总体 框架等进行了详细阐述，在
3、此基础上，对 STR710FZ 进行了CLinux 操作系统移植， 文章论述了整个平台的移植过程，以及详细的设计步骤，同时搭建了整个 PC/104 模 块的测试平台，在CLinux 操作系统下设计了测试软件，并针对CLinux 操作系统进 行了实时性分析与设计。最后给出了本平台的一个应用实例，将该平台应用于大坝 安全监测，实践证明，将 ARM 处理器应用于 PC/104 嵌入式主板，可以很好地改善 现在 PC/104 模块的功耗以及实际应用中的一些缺点。 本文所设计的嵌入式控制平台结合了 PC/104 与 ARM 处理器的优势，具有一定 创新性，其通用性和实用性，系统的可靠性和可扩展性均达到了
4、本课题的要求。 关键词关键词：PC/104 ARM 工业控制 CLinux II 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract PC/104 bus is a kind of industrial control bus specifically defined for embedded control systems, and has been widely used in the field of industrial control. In this thesis, we studied the development and design of ARM7 commo
5、n control platform based on PC/104 architecture. The thesis describes the applications and general development of PC/104 in the field of embedded control system and analysis the advantages and disadvantages of current PC/104 main broad module. Then considering wide use of ARM processors now in embed
6、ded field, the thesis brought forward the idea that embedded ARM processor would be used in PC/104 board module, and then analyzed its advantages. According to the actual needs of application, this thesis analyzed structural features of ARM7 processor STR710FZ based on ARM7TDMI core the interface te
7、chniques, and discussed the key technologies of the module, such as system architecture design, expansion interfaces, storage interfaces and power supply design. Particularly according to the PC/104 bus-specific norms and analysis of STR710FZ bus timing, we used CPLD timing to achieve compatibility
8、between the PC/104 bus and ARM processor, and had reasonable and compatible design of this two. To verify the reliability and practicality of the platform, besides the PC/104 core module, we designed a data collection board based on PC/104 bus standards and then conducted a test. In the software des
9、ign, the thesis conducted a detailed analysis of industrial control platform software. Specifically we discussed its design idea and the overall framework. Besides, we transplanted the CLinux operation system to the STR710FZ. The thesis described the process of entire transplantation and design step
10、s in detail. At the same time, we built a test platform for the PC/104 module, designed the test program under CLinux operation system, and discussed the real-time analysis for CLinux operation system. Lastly, the thesis provided an application example of the platform- used in a Dam Security Monitor
11、ing System. The III 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 experiments proved that the use of ARM processor in PC/104 board module can greatly compensate the shortage of current PC/104 module in practical application, such as power consumption. This embedded control platform combined the advantages of PC/104 archi
12、tecture and ARM processor, has some innovative. The modules real-time, reliability and scalability can meet the requirements of the task splendidly. Keywords: PC/104 ARM Industrial Control CLinux 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研
13、究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月
14、日 日期： 年 月 日 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪论绪论 1.1 课题背景和意义课题背景和意义 随着科学技术的日益发展，我国的工业生产水平得到了巨大的提高。而科技进 步在其中起到的巨大的作用也越来越明显。于是，各大企业也相继开发出新的生产 技术、设备和工艺。考虑到嵌入式系统具有小型、易携带、可靠性高、专用等特点， 其得到越来越多的青睐，已经在工业控制领域得到了广泛的应用，如工业过程控制、 机器人控制器、智能仪器仪表、远程监控、数控系统等。除此此外，随着现代网络 和通讯技术的发展，工业控制现场的网络化已经成为了发展趋势。这就对传统的基 于微控制器的控制系统提出了更
15、高的要求。相比以往基于微控制器方式的控制系统 而言，嵌入式系统本身所具备的网络和人机交互的能力，因而使它极有可能取代以 往的这种基于微控制器的控制方式，进而通过自身的优势获得更大的发展1。 在这个嵌入式系统全面应用的时代， 基于 ARM 处理器和 Linux 操作系统的嵌入 式系统其设计灵活、成本低廉、性能优越、软硬件可裁剪等优点，使其倍受设计者 和广大用户青睐2。 在工业控制领域，作为一种控制总线，PC/104 是专门为嵌入式控制而定义的。 通常这类系统具有小型、堆栈式结构的特点。相比其它控制系统，它的结构尺寸小， 总线驱动功耗小，模块之间用堆栈式结构相连。这样的结构，其具有良好的抗震性，
16、同时可以大大减少电源消耗和元件数量。 PCI04 总线作为在国际上广泛流行的专门为嵌入式系统而定义的工业控制总线， 被 IEEE 协会定义为 IEEE-P996，该系列产品已广泛应用于通信设备、车辆导航、工 程控制等各种领域。由于 PC 或 PC/AT 的主板和扩展卡的尺寸及功耗标准都太大。 ISA 总线不能满足嵌入式系统的发展的需要。PC/104 作为从 ISA 总线转变而来的接 口总线，主要是为了适应嵌入式系统发展的需要，但是这种早期的总线结构是建立 在 Intel 的 X86 架构之上的，在 ARM 体系结构下，还没有一个统一的标准可以提供 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 对 PC/104 总线的支持，因为 ARM 在体系架构、总线时序、电气性能等方面和 X86 都有很大的区别4。 将 ARM 处理器应用于 PC/104 嵌入式主板中其意义在于大大提高了设备的互操 作性，将新兴的 ARM 体系结构和 PC/104 架构很好的结合在一起，使本系统既集合 了嵌入式 RISC
