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1、淮阴工学院毕业设计说明书（论文） 第31页 共31页目 录1 绪论11. 1 控制器的种类和特点11. 2 嵌入式系统简介21. 3 ARM简介42 系统需求分析与可行性研究42. 1 系统需求分析42. 2 系统可行性研究53 嵌入式开发平台介绍63. 1 硬件开发平台介绍63. 2 软件开发平台介绍83. 3 软件结构与开发流程134 软件设计与实现144. 1 Socket编程144. 2 LCD显示编程234. 3 图形用户界面设计254. 4 程序的运行与调试27结论29致谢30参考文献311 绪论随着现代科学技术的迅速发展，自动化控制技术呈现日新月异的变化。现代日常生活和工业生产中
2、，自动化控制技术给人们的日常生活和工作带来了便利，为工业生产提供了重要的保障。其中控制自动化主要包含3个层次，从下往上依次是基础自动化、过程自动化和管理自动化，其核心是基础自动化和过程自动化，而基础自动化和过程自动化的核心是各式各样的控制器和与之配套的软件系统。1. 1 控制器的种类和特点运动控制器：早期的运动控制器一般采用运算放大器等分立元件，以模拟电路硬接线方式构成。这种控制方式具有以下优点：对输入信号进行实时处理，没有附加延时，响应速度快；控制器的精度较高且具有较大的带宽。但是，模拟控制系统与数字控制系统相比，也有明显的缺点：老化和环境温度的变化对构成系统的元器件的参数影响很大；构成模拟
3、系统需要的元器件较多。可编程逻辑控制器：可编程逻辑控制器(PLC)是以微处理器为基础，在硬件接线逻辑控制技术和计算机技术的基础上发展起来的。它是将计算机技术与自动控制技术综合为一体的工业控制产品，由中央处理单元(CPU)、存储器、输入输出单元(IO)、电源、编程器等组成，是专为在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机。DDC（直接数字控制）控制器的内部也是由微处理器、工作存储器、程序存储器、时钟模拟量输入输出和数字量输入输出等部分组成，和PLC有些类似。通用计算机和工控机，利用高级语言编制相关的控制软件，配合与计算机进行信号交换的通信接口板，构成了一个控制系统。基于专用控制芯片的控制器是将实
4、现控制所需的各种逻辑功能做在一块专用集成电路内，并提供一些专用的控制指令，同时具有一些特定用途必须的辅助功能，使用户的软件设计工作减少到最小程度。例如伺服电机。可编程逻辑器件：由于现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)具有用户可编程的特性，使得用户可以利用系统开发软件或VHDL等开发语言，通过软件编程实现控制算法，并将这些算法下载到相应的可编程逻辑器件中，从而最终以硬件的方式实现控制。近几年来，随着ARM技术的不断成熟，使用ARM处理器作为核心的控制器不断涌现，其原因主要是ARM的特有优势： ARM 嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，通常具有低功耗、体积小、
5、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强。 ARM 片上资源丰富，集成了多种控制器，便于通讯和外围扩展。 支持 Thumb（16 位）/ARM（32 位）双指令集，很好的兼容 8 位/16 位器件。 处理速度快，寻址空间可达4G，便于移植操作系统，由此可以实现系统资源调度、进程管理、进程通信等诸多功能。 操作系统的引入带来了通讯协议支持，也为复杂应用程序的开发带来了便利。 可靠性高，尤其对于工业级ARM芯片，可适应高过载、高冲击及其他恶劣环境。 价格低，一般几到几十元。 ARM 嵌入式工业控制系统的硬件和软件都经
6、过高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，在同样的硅片面积上实现更高的性能，在具体应用中更具竞争力，产品生命周期长。 第三方工具和支持较多，为系统开发带来了便利。当然，ARM 也有自身的限制，比如ARM在速度和数据处理能力方面不及DSP。但由于上述诸多优点，基于ARM的控制器还是如雨后春笋般涌现出来，并且随着对控制性能要求的提高，基于高性能 ARM 处理器的控制器也逐渐多了起来，应用前景十分光明。1. 2 嵌入式系统简介嵌入式系统（Embedded System）是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减的，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标的严格要求的专用计算机系统。它可以
7、实现对设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统的概念是相对于通用计算机系统而提出的。在对可靠性和成本控制要求较高的场合，传统PC和工控机都有其不足之处，而嵌入式系统正好满足了这些要求，成为了这些场合的不二之选。从本质上来说，嵌入式系统是微型计算机系统，由于它们要用在具体的场合与环境，并且有一定的专用性（软硬件的裁减和定制），所以称之为“嵌入式”系统。通用计算机系统是对执行非嵌入式应用的计算机系统的统称。它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器/微处理器、存储器及外设器件和I/0端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件和应用程序。应用程序控制着系统的运行，而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交
8、互作用。有时设计人员把这两种软件组合在一起。这种系统具有软件代码小，高度智能化，响应速度快等特点，特别适合于要求实时的和多任务的体系。嵌入式系统也是一种软硬件混合系统，整个系统是由硬件和软件两大部分组成。前者是整个系统的物理基础，它提供软件运行平台和通信接口，后者是实际控制系统的运行。硬件部分又包括嵌入式处理器、外围设备和外围电路三个部分；软件部分分为嵌入式操作系统和应用软件两个层次，如下表所示：表1-1 嵌入式系统软件结构应用软件嵌入式操作系统处理器外围设备外围电路嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。一般具备以下4个特点：1）对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，
9、从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。2）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。3）可扩展的处理器结构，迅速地扩展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。4）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至W级。按照目前的情况，根据嵌入式系统采用的处理器，一般分为三大类：基于微处理器（CPU）的嵌入式系统，基于微控制器（MCU）的嵌入式系统，基于数字信号处理器（DSP）的嵌入式
10、系统。1. 3 ARM简介ARM（Advanced RISC Machines），既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。ARM公司主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用ARM技术知识产权核的微处理器，即我们通常所说的ARM微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM公司的授权，因此既使得ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。近几年ARM技术迅猛发展，ARM7系列、ARM9系
11、列、ARM9E系列、ARM10E系列、SecurCore系列、Xscale系列、StrongARM系列的微控制陆续问世。计算速度越来越高，有些系列主频可达700MHz，其存储能力也大大增加，并且集多种外围设备于一身，是真正的片上系统（SOC：System On Chip），从而大大简化了外围电路的扩展，降低了硬件成本，提高了系统的可靠性。本课题使用的控制器正式基于ARM9的高性能控制器，它具备了较高的主频和4G的地址空间寻址范围，便于配备操作系统。同时，由于将在控制器上运行复杂程序，并且要使用网络通讯功能，操作系统所提供的诸多系统功能以及内嵌的通讯协议将为我们带来便利。2 系统需求分析与可行性
12、研究2. 1 系统需求分析本课题是基于ARM9的通用控制器主控模块设计。随着控制技术和计算机科学的快速发展，控制器呈现出了通用性和开放性的发展趋势。传统的控制器存在着灵活性差、开发周期长、功能单一、成本较高和难以普及等缺点，针对目前流行的ARM处理器和控制器PC化的发展趋势，本课题提出并设计了一组通用灵活的控制器软件，该控制器软件运行于控制器的底层，可以避免普通控制器控制运算所带来通信实时性问题，控制更加直接和快速。同时还为控制器纳入了一个C/S结构体系。针对现有的硬件平台和软件资源，该控制程序应当具备具体如下功能：在实时性要求不高的场合，使程序具有统一的循环周期。作为客户端能够和服务器端进行
13、通信，运行状态和用户配置参数有一定反馈，并能接受服务器发出的配置命令。另外，所编写的主控模块能够连接上外围接口的相关驱动，实现一个简单的LCD显示功能。最后要有较方便的图形用户界面，实现简单的数据交换。随着本课题中控制器软硬件平台的完善，控制程序可以继续实现更多的功能模块。可以进一步完善控制程序的实时性特征，改善人机交互环境，可以添加更复杂的控制算法，实现更强大的功能。通过以上功能分析，明确了控制器程序应具备的功能，下面将对控制器的实现进行系统的分析。2. 2 系统可行性研究本控制器选用基于ARM920T内核的S3C2410微处理器，采用Linux操作系统，作为控制器系统的核心。拥有较完备的软
14、硬件开发平台，具体的开发平台将在下面的章节中做详细的介绍。用到的硬件资源：JXARM9-2410教学系统的实验箱环境下拥有丰富的硬件资源，具有多个实现功能的硬件模块并提供了丰富的外围接口。所以，我在控制器主控模块的设计中不需要硬件方面的设计，只需要对硬件资源进行了解，对硬件环境中所用的部分进行归纳总结和分析。软件资源方面采用Redhat9.0版本的Linux操作系统，针对Linux内核和提供和ARM平台移植相关的机制，本设计将对操作系统进行了一定的改进，将详细的研究内核的移植、配置、编译等重要环节，从而完成了linux系统的建立，进而完成整个ARMLinux嵌入式平台的搭建。其中软件程序开发平
15、台分为程序编辑平台和程序编译平台。程序编辑工作是在Linux下的vi编辑器中进行的。程序用C语言编写，存储为标准的C文件或头文件。编辑好的程序经过编译、链接等生成可执行的代码。程序的编译工作在Linux环境下gcc编译器下进行了，因为编译工具只能在Linux下运行，所以，必须熟练掌握并熟练运用Linux下的操作命令。因为Redhat9.0版本的Linux操作系统的用户界面采用MiniGUI，熟悉Linux用户界面的操作也是十分重要的。本课题中，是在PC机的平台上生成能在ARM9控制器平台上运行的可执行代码。这样做的原因是ARM9控制器上的资源毕竟很有限，无法安装使用相应的编译工具，只能借助PC机来完成。最后进行可行性调试，从而完成整个功能设计。3 嵌入式开发平台介绍控制器功能的发挥离不开控制软件和它所依附的硬件，复杂控制功能的实现主要是靠软件，而高性能的硬件又是软件得以充分“施展”的基础。下面将介绍控制软件所依托的软硬件环境。3. 1 硬件开发平台介绍3. 1. 1 微处理器S3C2410S3C2410是SAMSUNG公司基于ARM920T处理器内核开发的一款16/32位嵌入式处理器，运行频率高达200多MHz，内含一个ARM920T 内核和如丰富的片内外围、MMU和高速缓存等片上资源，可
