（計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)專業(yè)論文）嵌入式起升設(shè)備安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì).pdf

上海犬學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 隨著國家現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程的加快，對各類工程機(jī)械的需求量迅速增大，起 升設(shè)備作為工程機(jī)械中的主要成員，頻繁發(fā)生的事故一再提醒人們加強(qiáng)對該類 設(shè)備的安全監(jiān)控。 傳統(tǒng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)通常以8 位單片機(jī)為主，這類系統(tǒng)性能較低，軟件結(jié) 構(gòu)簡單，可移植性差，無法為用戶提供豐富的功能。而且系統(tǒng)中各部件通常使 用一對一的連接方式與主控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，往往會(huì)造成龐大的布線格局，從很 大程度上影響了系統(tǒng)的性能和擴(kuò)展性。 針對傳統(tǒng)系統(tǒng)的不足，結(jié)合當(dāng)前市場需求，本文將先進(jìn)的嵌入式技術(shù)和 c a n 總線技術(shù)引入到起升設(shè)備安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中。使用3 2 位高性能嵌 入式處理器作為監(jiān)控系統(tǒng)主控節(jié)點(diǎn)的控制核心，使主控節(jié)點(diǎn)的性能大大提高。 同時(shí)引入了操作系統(tǒng)的支持，增強(qiáng)了主控節(jié)點(diǎn)的軟件功能，從而為用戶提供了 更加豐富的功能，提高了產(chǎn)品的市場競爭力。系統(tǒng)中各傳感器節(jié)點(diǎn)通過c a n 總 線與主控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信?？梢栽诓桓膭?dòng)主控節(jié)點(diǎn)硬件和軟件的情況下進(jìn)行新節(jié) 點(diǎn)的擴(kuò)展，體現(xiàn)出系統(tǒng)良好的可擴(kuò)展性，在技術(shù)上具有創(chuàng)新性。 文章的主要工作是系統(tǒng)的核心部分主控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。首先介紹 了起升設(shè)備安全監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)以及主控節(jié)點(diǎn)的功能需求、硬件組成和所 需相關(guān)技術(shù)：然后闡述了主控節(jié)點(diǎn)的軟件平臺(tái)建立過程，為后續(xù)的軟件開發(fā)工 作提供了良好的基礎(chǔ)：接著介紹了主控節(jié)點(diǎn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)介 紹了c a n 控制器驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)過程；最后對主控節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序各關(guān)鍵部分的 設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。 關(guān)鍵詞：起升設(shè)備嵌入式系統(tǒng)c a n 總線l i n u xq t 圖形系統(tǒng) v 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mc o n s t r u c t i o no f0 1 1 1 c o u n t r y , t h er e q u i r e m e n to f c o n s t r u c t i o nm a c h i n ei s i n c r e a s i n gq u i c k l y t h ef r e q u e n ta c c i d e n t so fc r a n e a l l i m p o r t a n tk i n do fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e ，h a v eb e e nr e m i n d i n gp e o p l et os t r e n g t h e n t h ed e v i c es a f e t ym o n i t o r i n go v e ra n do v e ra g a i n n 蛇c o n v e n t i o n a lm o n i t o r i n gs y s t e m sg e n e r a l l yt a k et h e8 - b i tm i c r o c o n t r o l l e r a sm a i np r o c e s s o r t h e s es y s t e m sw i t hap o o rp e r f o r m a n c e ，s i m p l es o f r w a r es t r u c t u r e a n dt h el o wt r a n s p l a n t a t i o nq u a l i t y , c a l ln o tp r o v i d ea b u n d a n tf u n c t i o n st ou 蚍 f u r t h e r m o r e t h ec o n n e c t i o nb e t w e e ne a c hc o m p o n e n ta n dt h em a i nc o n t r o ln o d ei n t h eo l ds y s t e m su s u a l l yb s e st h ep o i n t - t o p o i n tc o n n e c t i o nm o d e t h i sm o d ea l w a y s l e a d st oah u g ew i r ed i s t r i b u t i o no nt h ec r a n e ，w h i c hw e a k e n st h ep e r f o r m a n c ea n d e x p a n s i b i l i t yo f t h es y s t e mt oal a r g ee x t e n t i no r d e rt oi m p r o v et h eo l ds 5 s t e ma n dt oc a t e rf o r t h em a r k e td e m a n d ，i nt h i s t h e s i s an e wc r a n em o n i t o r i n gs y s t e mu s i n gt h ea d v a n c e de m b e d d e dt e c h n o l o g ya n d c a nb u sn e t w o r ki si n t r o d u c e d t h ep r o c e s s i n gc a p a b i l i t yo f m a i nc o n t r o ln o d ei n t h es y s t e mi si m p r o v e db yu s i n gt h e3 2 一b i th i g hp e r f o r m a n c ee m b e d d e dc p u ，a n d t h es o f t w a r ef u n c t i o n sa r ee n h a n c e db a s e do nt h ee m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m s ot h e s y s t e mc a np r o v i d ea b u n d a n tf u n c t i o n st ou s e ra n dt h eh e r e l m a r k e tc o m p e t i t i o no f p r o d u c t s i nt h i ss y s t e m , e v e r ys e n s o rn o d ec o m m u n i c a t e sw i t i lt h e m a i nn o d e t h r o u g ht h ec a nb u sn e t w o r k , n e wn o d e sc a nb ea d d e di n t ot h en e t w o r kw i t h o u t m o d i f y i n gt h em a i nc o n t r o ln o d e t h e s ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e ma r ei d e n t i f i e d w i t ht h ee x c e l l e n te x p a n s i b i l i t ya n dt h et e c h n i c a li n n o v a t i o n t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i si st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h em a i n c o n t r o ln o d e f i r s t l bt h es t r u c t u r eo ft h ew h o l es y s t e mi s p u tf o r w a r d e d ；t h e f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t ，h a r d w a r es t r u c t u r ea n ds o m et e c h n o l o g i e st h a ta r ei m p o r t a n t t or e a l i z et h ef u n c t i o n so fm a i nc o n t r o ln o d ea r ep r o v i d e d s e c o n d l y , t h et h e s i s i l l n s t r a t e st h es e t u pp r o c e s so fs o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，w h i c hp r o v i d e st h e c o n v e n i e n c ef o rt h ef u t u r ew o r k t h i r d l y , t h ed r i v e rp r o g r a md e s i g nm e t h o di s i n t r o d u c e d a n dt h ed e s i g no fc a nc o n t r o l l e rd r i v e rp r o g r a mi sd e s c r i b e di nd e t a i l f i n a l l y , t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ed e s i g no f t h ek e yp a r t so f a p p l i c a t i o ns o f t w a r eo f t h e m a i nc o n t r o ln o d e k e y w o r d s ：c r a n e e m b e d d e ds y s t e mc a n b u sl i n u x q tg r a p h i cs y s t e m v l 上海大學(xué)碩t 學(xué)位論文 原創(chuàng)性聲明 本人聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作。 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已發(fā) 表或撰寫過的研究成果。參與同一工作的其他同志對本研究所做的 任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 簽名： 本論文使用授權(quán)說明 日 本人完全了解上海大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即： 學(xué)校有權(quán)保留論文及送交論文復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué) ?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 一岡砂 導(dǎo)師簽名：鏈 n 日期：2 1 哆三：孑舌 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 研究背景 第一章緒論 利用機(jī)械化是進(jìn)行現(xiàn)代化建設(shè)必不可少的手段，隨著國家礦山開采、道路與 城市建設(shè)等進(jìn)程的加快，對各類工程機(jī)械的需求隨之加大。起升設(shè)備是工程機(jī)械 中的主要產(chǎn)品，主要包括汽車起重機(jī)、各類集裝箱起重機(jī)、門座式起重機(jī)、履帶 式起重機(jī)、散貨裝船機(jī)械、散貨卸船機(jī)械、浮式工程起重機(jī)和橋式起重機(jī)等大型 起重裝卸設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)、建筑工地、港口碼頭、油田、鐵路、倉庫 及貨場等場合下的起重作業(yè)和吊裝工作。這些設(shè)備由于過載或機(jī)械故障會(huì)引起極 大的安全隱患，甚至造成生命財(cái)產(chǎn)的巨大損失，中華人民共和國國務(wù)院第3 7 3 號 令中已將起重機(jī)械列為特種設(shè)備安全監(jiān)察的重點(diǎn)之一。起升設(shè)備的安全監(jiān)控系統(tǒng) 就是一種為防止設(shè)備出現(xiàn)過載等異常狀況的裝置，它們能夠?qū)υO(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn) 行監(jiān)控與顯示，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)能發(fā)出報(bào)警信號，使操作者能及時(shí)阻止危險(xiǎn)動(dòng) 作執(zhí)行，確保人員和設(shè)備的安全。 隨著電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，嵌入式技術(shù)取得了飛速的發(fā)展，嵌入式 系統(tǒng)( e m b e d d e ds y s t e m s ) 應(yīng)用到了越來越多的行業(yè)和領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)被定義 為以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、 可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它通常由嵌入式處理 器、相關(guān)硬件支持設(shè)備以及嵌入式軟件系統(tǒng)組成i l 】。由于嵌入式系統(tǒng)往往具有高 可靠性、小體積，低功耗以及低成本等特點(diǎn)，用它代替人工，應(yīng)用在各類安全監(jiān) 控環(huán)節(jié)上能極大提高監(jiān)控精度，減輕人工負(fù)擔(dān)，減小安全隱患。因此，針對監(jiān)控 領(lǐng)域的嵌入式系統(tǒng)一直是國內(nèi)外研究發(fā)展的熱門與重點(diǎn)。 1 2 課題來源 本課題來源于上海市科委重大科技攻關(guān)項(xiàng)目“面向起升和車載設(shè)備的嵌 入式安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)( 編號：0 4 d z l 5 0 1 1 ) ”。隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn) 程的加快，對工程機(jī)械的市場需求迅速增大，工程機(jī)械數(shù)目增長的同時(shí)也擴(kuò)大了 事故發(fā)生率，起升設(shè)備作為工程機(jī)械中的主要成員，頻繁發(fā)生的由于設(shè)備過載而 引起的傾覆事故一再提醒人們對該類設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控的重要性和必要性。本課題正 是出于這一目的，將當(dāng)前先進(jìn)的嵌入式技術(shù)應(yīng)用到起升設(shè)備的監(jiān)控領(lǐng)域，彌補(bǔ)原 有系統(tǒng)的不足，提高性能，豐富功能，從而進(jìn)一步增強(qiáng)起升設(shè)備的安全性。 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 3 研究意義 我國從2 0 0 3 年8 月實(shí)施強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證，起升設(shè)備的安全監(jiān)控裝置成為必須 裝配的核心組件，安全監(jiān)控系統(tǒng)具有極大的市場需求。 傳統(tǒng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)通常以低端8 位單片機(jī)為主，編程語言一般采用匯編語 言，幾乎沒有操作系統(tǒng)的支持。這類產(chǎn)品硬件過于簡單，芯片性能低，只能實(shí)現(xiàn) 基本的監(jiān)控和報(bào)警功能，較難為用戶提供豐富友好的界面和網(wǎng)絡(luò)通信功能。由于 缺少操作系統(tǒng)的支持，應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)異常復(fù)雜，可復(fù)用性差。程序設(shè)計(jì)需以硬 件資源為中心，難以進(jìn)行移植。而且系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常只針對某一特定型號的設(shè)備， 通用性較差，當(dāng)設(shè)備進(jìn)行升級或變動(dòng)時(shí)，往往需要對程序或者硬件進(jìn)行更改甚至 重新設(shè)計(jì)。在數(shù)據(jù)傳輸方面，多數(shù)老系統(tǒng)內(nèi)部缺乏網(wǎng)絡(luò)支持，各部件間的通信通 常使用一對一的連接方式，當(dāng)通信節(jié)點(diǎn)增多時(shí)，連線的數(shù)目將非常龐大，極大的 影響了通信線路的可靠性和可維護(hù)性。 近年來，隨著嵌入式處理器技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來越多的嵌入式系統(tǒng)都采用 了功能強(qiáng)大、低功耗、高速度的3 2 位處理器，并且內(nèi)存容量也不斷增加。在軟件 方面引入了操作系統(tǒng)的支持，增強(qiáng)了軟件的功能和可靠性，提高了復(fù)用性，極大 地?cái)U(kuò)展了嵌入式系統(tǒng)的性能和應(yīng)用范圍。同時(shí)，在工業(yè)通信與控制領(lǐng)域，現(xiàn)場總 線技術(shù)【2 1 得到了廣泛的應(yīng)用，各通信節(jié)點(diǎn)只要接入到總線網(wǎng)絡(luò)中即可與網(wǎng)絡(luò)中其 他設(shè)備進(jìn)行通信，減少了線路連接數(shù)，提高了通信線路的可靠性和可維護(hù)性。 因此，隨著嵌入式技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，起升設(shè)備 安全監(jiān)控系統(tǒng)將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用，其前景十分廣闊。針對當(dāng)前起升設(shè)備安 全監(jiān)控系統(tǒng)的領(lǐng)域現(xiàn)狀，結(jié)合新的市場需求，對嵌入式技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)在起 升設(shè)備安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行相關(guān)研究，同時(shí)還可以借助無線通信技術(shù)與 i n t e m e t 連接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，使得系統(tǒng)無論從結(jié)構(gòu)或功能上，都能得到一個(gè)較大的 提升，可以大大提高設(shè)備的工作效率，一降低事故發(fā)生幾率。而且從技術(shù)研究、經(jīng) 濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展等角度而言，也都具有深遠(yuǎn)的意義。 1 4 論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu) 本篇論文以作者攻讀碩士學(xué)位期間參與的課題為基礎(chǔ)，結(jié)合起升設(shè)備安全監(jiān) 控領(lǐng)域的特點(diǎn)，針對原有系統(tǒng)的不足，采用當(dāng)前先進(jìn)的嵌入式技術(shù)和現(xiàn)場總線技 術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)新的面向起升設(shè)備的嵌入式安全監(jiān)控系統(tǒng)。 整個(gè)系統(tǒng)以主控節(jié)點(diǎn)為核心，它也是本文研究的主要內(nèi)容。主控節(jié)點(diǎn)通過現(xiàn) 場總線實(shí)現(xiàn)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)的通信，在硬件設(shè)計(jì)上采用3 2 位高性能嵌入式處理 2 上海大學(xué)碗t 學(xué)位論文 器作為控制核心；軟件方面引入了操作系統(tǒng)的支持，有效地提升了系統(tǒng)的性能， 能夠?yàn)橛脩籼峁┹^為豐富的功能，如圖形用戶界面、新增節(jié)點(diǎn)的識(shí)別與顯示、網(wǎng) 絡(luò)通信等等。 本文后續(xù)章節(jié)的結(jié)構(gòu)組織安排如下： 第二章：介紹了整個(gè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路與方案，包括系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、主 控節(jié)點(diǎn)的功能需求和所需相關(guān)技術(shù)等： 第三章：介紹了主控節(jié)點(diǎn)軟件開發(fā)平臺(tái)的建立過程，內(nèi)容主要包括宿主機(jī)軟 件環(huán)境的建立，主控節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)的移植等，為主控節(jié)點(diǎn)后續(xù)軟件的開發(fā)提供了 良好的基礎(chǔ)； 第四章：闡述了主控節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)方法，并介紹了主控節(jié)點(diǎn) 的c a n 控制器、鍵盤以及蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)過程： 第五章：詳細(xì)介紹了主控節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序各關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)： 第六章：對本文所做的研究開發(fā)工作進(jìn)行了總結(jié)，并探討了以后研究工作中 需要關(guān)注的問題。 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2 1 傳統(tǒng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與不足 傳統(tǒng)的起升設(shè)備安全監(jiān)控系統(tǒng)通常由一個(gè)主控節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組 成。主控節(jié)點(diǎn)是監(jiān)控系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)對各路傳感器進(jìn)行采樣，對設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù) 進(jìn)行監(jiān)視，如果出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，則發(fā)出警報(bào)，提醒操作者及時(shí)阻止設(shè)備運(yùn)行，恢 復(fù)到安全狀態(tài)。分布在設(shè)備各處的傳感器節(jié)點(diǎn)與主控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一對一連接，整個(gè) 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2 1 所示： 圖2 1 傳統(tǒng)的起升設(shè)備安全監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 在圖2 1 所示的結(jié)構(gòu)中，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都要與主控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)設(shè) 備狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)具有多個(gè)傳感器時(shí)，必然導(dǎo)致信號線數(shù)目增多，使系統(tǒng)的 安裝、維護(hù)變得非常煩瑣，同時(shí)也降低了通信線路的可靠性。主控節(jié)點(diǎn)的通信接 口在設(shè)計(jì)上需要考慮傳感器的具體數(shù)目，日后每增加一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都必須對主 控節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動(dòng)甚至重新設(shè)計(jì)?？蓴U(kuò)展性很差。而且由于主控節(jié)點(diǎn)的 體積和硬件資源是有限的，因此限制了接入節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，使系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)更多的 監(jiān)控功能。 在主控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方面，傳統(tǒng)系統(tǒng)通常在兩種方案之中進(jìn)行選擇，一 種是使用工控計(jì)算機(jī)，另一種是使用單片機(jī)。采用這兩種方案實(shí)現(xiàn)的主控節(jié)點(diǎn)都 具有一定的優(yōu)點(diǎn)和長處，但在很多方面也有無法克服的技術(shù)劣勢。下面分別對這 兩種方案進(jìn)行介紹。 4 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 一， 以工控機(jī)作為主控節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控系統(tǒng) 多數(shù)工控機(jī)在體積和組成結(jié)構(gòu)上與p c 機(jī)相似，但在機(jī)體設(shè)計(jì)和芯片選擇上 都有嚴(yán)格的要求，因此能夠工作在比較惡劣的環(huán)境中。工控機(jī)在硬件資源上具有 較大的優(yōu)勢，可以運(yùn)行通用操作系統(tǒng)和功能豐富的應(yīng)用軟件。而且工控機(jī)具有良 好的擴(kuò)展性。對于各個(gè)硬件模塊( 如硬盤，內(nèi)存等) 的更換與升級都可以方便進(jìn) 行。 然而，工控機(jī)雖具有比較完善的功能，但體積過于龐大，安裝復(fù)雜，便攜性 差，而且成本高昂，功耗較高，因此不太適合作為車載設(shè)備。目前，已經(jīng)很少使 用工控機(jī)作為起升設(shè)備安全監(jiān)控系統(tǒng)的主控節(jié)點(diǎn)。 二、以單片機(jī)作為主控節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控系統(tǒng) 單片機(jī)由于具有可靠性高、成本低廉、體積小、功耗低等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng) 用到了工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、智能化儀表、辦公自動(dòng)化等諸多領(lǐng)域。單片機(jī)的處 理字長通常以8 位和1 6 位為主，其中8 位單片機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。許多單片機(jī)在 芯片上還集成了多種功能，如模數(shù)轉(zhuǎn)換器、u s b 接口等，使得此類單片機(jī)的系統(tǒng) 集成度更高，體積更加小巧。當(dāng)前國內(nèi)多數(shù)起升設(shè)備的安全監(jiān)控系統(tǒng)都是采用單 片機(jī)作為控制核心的。 以單片機(jī)作為控制核心的監(jiān)控系統(tǒng)在體積和成本方面都具有一定的優(yōu)勢，但 由于單片機(jī)較低的處理能力使得這類系統(tǒng)在功能方面非常受限，僅能實(shí)現(xiàn)基本的 顯示和報(bào)警功能，難以為用戶提供較為豐富友好的圖形界面和其他方面的功能。 2 2 采用現(xiàn)場總線技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng) 上一節(jié)通過對傳統(tǒng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行討論，總結(jié)了傳統(tǒng)系統(tǒng)在 原有的技術(shù)基礎(chǔ)上所無法克服的缺點(diǎn)。針對傳統(tǒng)系統(tǒng)在節(jié)點(diǎn)連接方面的不足，為 了使系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，簡化主控節(jié)點(diǎn)與各傳感器節(jié)點(diǎn)的連接方式，方便系 統(tǒng)的安裝與維護(hù)，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男逝c可靠性，本文將現(xiàn)場總線技術(shù)引入到了 起升設(shè)備安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，克服了原有系統(tǒng)的缺點(diǎn)，使得系統(tǒng)在功能、 擴(kuò)展性、數(shù)據(jù)傳輸可靠性等方面都獲得了一個(gè)較大的提升。 2 2 1 現(xiàn)場總線技術(shù)【2 】 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間以及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，要滿足 自動(dòng)控制技術(shù)現(xiàn)代化的要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)信息集成，實(shí)施綜合自動(dòng)化，就 必須設(shè)計(jì)出一種能在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中運(yùn)行、性能可靠、造價(jià)低廉的通信系統(tǒng)，完 成現(xiàn)場各設(shè)備之間的多點(diǎn)數(shù)字通信?，F(xiàn)場總線就是在這種實(shí)際需求的驅(qū)動(dòng)下應(yīng)運(yùn) 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 而生的。 現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)是一個(gè)開放的通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布控制系統(tǒng)。它作 為設(shè)備間的聯(lián)系紐帶，把掛接在總線上、作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備連接為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)， 并進(jìn)一步構(gòu)成自動(dòng)化系統(tǒng)。從理論角度而言它屬于網(wǎng)絡(luò)范疇，但工業(yè)控制領(lǐng)域具 有其特殊性，因此現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不能完全適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)的要求?，F(xiàn)場 總線的規(guī)模屬于局域網(wǎng)、總線型結(jié)構(gòu)，它結(jié)構(gòu)簡單且能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要，具 有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)。 2 2 2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，采用現(xiàn)場總線技術(shù)構(gòu)建了總線型網(wǎng)絡(luò)，主控節(jié)點(diǎn)和各 傳感器節(jié)點(diǎn)無需實(shí)現(xiàn)一對一互連只要都接入到網(wǎng)絡(luò)中就可以實(shí)現(xiàn)通信。傳感器 節(jié)點(diǎn)可以隨意加入到網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中或者從中移除，而主控節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)不用進(jìn)行任 何修改，有效地克服了傳統(tǒng)系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)和主控節(jié)點(diǎn)間采用一對一連接所帶 來的種種弊端。并且通信線的數(shù)量也大大降低，方便了系統(tǒng)的安裝和維護(hù)，而且 在先進(jìn)的現(xiàn)場總線技術(shù)支持下能很好的確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃?。整個(gè)系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)如圖2 2 所示。 圖2 2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 在圖2 2 中，主控節(jié)點(diǎn)與各傳感器節(jié)點(diǎn)都作為一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)接入到現(xiàn)場總線 網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，本文采用了當(dāng)前比較著名的c a n 總線。各通信節(jié)點(diǎn)基于c a n 總線協(xié) 議實(shí)現(xiàn)通信。 6 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 傳感器節(jié)點(diǎn)除了具有數(shù)據(jù)采集功能外，還必須具備c a n 總線通信功能。由 于傳感器節(jié)點(diǎn)的功能比較簡單，因此使用帶c a n 控制器的單片機(jī)( 如8 0 c 5 9 | 3 1 ) 即可實(shí)現(xiàn)控制和通信功能。數(shù)據(jù)采集單元將模擬信號進(jìn)行a d 轉(zhuǎn)換后傳給8 0 c 5 9 1 進(jìn)行處理，將采集到的數(shù)據(jù)以a s c i i 碼格式表示，然后發(fā)送到c a n 總線上。 主控節(jié)點(diǎn)是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，與傳統(tǒng)系統(tǒng)的主控節(jié)點(diǎn)相比，它除了具有 c a n 通信功能外，在當(dāng)前先進(jìn)嵌入式技術(shù)的支持下還擁有更為豐富強(qiáng)大的功能， 有關(guān)主控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案將在2 1 3 節(jié)中展開。 2 3 基于a r m 處理器的主控節(jié)點(diǎn) c a n 總線技術(shù)的應(yīng)用為監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建了總線型網(wǎng)絡(luò)，各子節(jié)點(diǎn)能夠方便地接 入到系統(tǒng)之中與主控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。主控節(jié)點(diǎn)在硬件設(shè)計(jì)上不用考慮傳感器的數(shù) 目，只需具備c a n 總線通信能力即可與傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。 隨著起升設(shè)備的不斷發(fā)展與升級，傳統(tǒng)老系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能已經(jīng)無法滿足人 們的要求，用戶希望監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更加豐富的功能。主控節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)系統(tǒng) 的核心，以及與用戶進(jìn)行交互的部分，決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能和所實(shí)現(xiàn)的功能。 傳統(tǒng)的基于8 位單片機(jī)的主控節(jié)點(diǎn)由于較低的處理能力而無法實(shí)現(xiàn)比較豐富強(qiáng)大 的功能，隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，采用3 2 位嵌入式處理器已經(jīng)成為許多嵌入式系 統(tǒng)的首選。嵌入式處理器通常使用r i s c 指令集，具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗小、成本 低等特點(diǎn)，并且在處理能力和可靠性等方面都非常出色。本文通過使用3 2 位a r m 處理器作為主控節(jié)點(diǎn)的控制核心，以很少的附加成本獲得了系統(tǒng)性能和新功能擴(kuò) 展的廣大空間。 2 3 1 a r m 處理器及優(yōu)勢 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c j l i n e s ) 【4 j 處理器是一種采用r i s c 指令集的3 2 位 嵌入式處理器，在近幾年得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。a r m 既可以認(rèn)為是一個(gè)公司 的名字，也可以認(rèn)為是對一類微處理器的通稱。a r m 公司本身并不生產(chǎn)處理器， 只是設(shè)計(jì)大量高性能、低價(jià)格、低功耗的r i s c 架構(gòu)的嵌入式微處理器內(nèi)核，然 后將其技術(shù)轉(zhuǎn)讓給世界上其他芯片制造廠商，因此通常將所有采用a r m 核的處 理器統(tǒng)稱為a r m 處理器。a r m 處理器具有以下三大特點(diǎn)f ，j ： ( 1 ) 小體積、低功耗、成本低、高性能： ( 2 ) 1 6 位3 2 位雙指令集； ( 3 ) 全球眾多的合作伙伴。 從成本、功耗、體積、性能等多方面綜合考慮，在主控節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)方案上， 7 上海大學(xué)碩上學(xué)位論文 基于a r m 處理器的主控節(jié)點(diǎn)與采用單片機(jī)或工控機(jī)實(shí)現(xiàn)的主控節(jié)點(diǎn)相比都具有 一定的優(yōu)勢。 i 成本 如今多數(shù)a r m 處理器的價(jià)格已經(jīng)進(jìn)入了8 位單片機(jī)的價(jià)格區(qū)間，如面向低 端應(yīng)用的a r m 7 處理器價(jià)格僅為幾美金，性能優(yōu)異的a r m 9 處理器價(jià)格也處在 十幾美金的范圍之內(nèi)。而且芯片廠商通常在a r m 核的基礎(chǔ)上又集成了其他硬件 資源，如網(wǎng)絡(luò)控制器、l c d 控制器、a d 轉(zhuǎn)換等，很多場合僅用一個(gè)芯片就包容 了所需的全部資源，無需外部擴(kuò)展其他硬件資源。不但電路簡單易行、風(fēng)險(xiǎn)減小， 而且產(chǎn)品價(jià)格也能控鐿4 在理想的狀態(tài)。因此，從成本角度考慮，采用a r m 處理 器實(shí)現(xiàn)的主控節(jié)點(diǎn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于工控機(jī)的成本；與基于單片機(jī)的主控節(jié)點(diǎn)相比幾乎 不相上下，但卻獲得了遠(yuǎn)高于單片機(jī)的性能。 2 功耗 a r m 處理器是專門面向嵌入式領(lǐng)域所設(shè)計(jì)的，因此在設(shè)計(jì)過程中采用了多 種技術(shù)和手段來降低芯片的功耗。而且a r m 處理器使用r i s c 指令集，與采用 c i s c 指令集的處理器相比具有硬件結(jié)構(gòu)單純，架構(gòu)精簡等特點(diǎn)，使得功耗能得到 進(jìn)一步的降低。如一些主頻在2 0 0 m h z 左右的a r m 9 處理器，其功耗僅為2 0 0 r o w 。 3 體積 采用a r m 核的處理器自身體積都非常小巧，而且大多集成了一些常用的器 件，因此針對許多應(yīng)用所構(gòu)建的硬件系統(tǒng)對外圍器件的需求非常少，從很大程度 上減少了整個(gè)硬件系統(tǒng)的體積。很多a r m 處理器硬件平臺(tái)的體積要小于基于單 片機(jī)的硬件平臺(tái)。 4 性能 a r m 處理器在性能方面的表現(xiàn)也十分優(yōu)異，其中a r m 9 處理器最高主頻已 達(dá)2 0 0 m h z 以上，a r m l o 處理器達(dá)到了3 0 0 m h z 以上。除此之外，a r m 處理器 使用了大量的寄存器，數(shù)據(jù)處理指令只對寄存器進(jìn)行操作，只有加載和存儲(chǔ)這兩 條指令可以訪問內(nèi)存，從而進(jìn)一步提高了指令的執(zhí)行效率。 2 3 2 主控節(jié)點(diǎn)的功能需求 在高性能a r m 處理器的支持下，主控節(jié)點(diǎn)的處理能力有了很大的提高，可以 向用戶提供更加豐富完善的功能。如圖形界面、無線通信、節(jié)點(diǎn)自由擴(kuò)展等，徹 底克服了傳統(tǒng)系統(tǒng)沒有顯示界面或者界面單調(diào)、缺乏無線通信能力、無法自由擴(kuò) 展節(jié)點(diǎn)等不足，在行業(yè)里具有領(lǐng)先性。 由于主控節(jié)點(diǎn)在整個(gè)系統(tǒng)中的核心地位，并且擁有較為復(fù)雜的功能，因此本 文選用了具有a i 瑚9 2 0 t i 6 】核心的處理器作為主控節(jié)點(diǎn)的控制核心。 8 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 通過對起升設(shè)備行業(yè)進(jìn)行調(diào)研與分析，針對傳統(tǒng)系統(tǒng)的不足，并且結(jié)合當(dāng)前 市場需求，總結(jié)出主控節(jié)點(diǎn)應(yīng)滿足的功能需求主要有： 1 人機(jī)交互功能 包括顯示和輸入兩方面功能。顯示功能采用5 7 寸2 4 0 x3 2 0 像素的t f tl c d 實(shí)現(xiàn)，使用豐富的圖形界面達(dá)到良好的顯示效果，能夠?qū)⒃O(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的各個(gè)狀態(tài) 數(shù)據(jù)直觀地顯示出來，同時(shí)還可以顯示故障和警告信息；鍵盤實(shí)現(xiàn)輸入功能，通 過鍵盤，用戶可以向主控節(jié)點(diǎn)發(fā)出控制指令，使其完成相應(yīng)的操作。 2 c a n 總線通信 c a n 總線屬于現(xiàn)場總線，分布在設(shè)備各處的子節(jié)點(diǎn)通過掛接在c a n 總線上形 成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，各部件間可以通過c a n 總線實(shí)現(xiàn)可靠、快速的數(shù)據(jù)傳輸。本系 統(tǒng)要求主控節(jié)點(diǎn)具有任意字節(jié)長度的數(shù)據(jù)收發(fā)能力，以滿足未來系統(tǒng)升級擴(kuò)展的 需求。 3 新節(jié)點(diǎn)的添加 當(dāng)為系統(tǒng)添加新的傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，主控節(jié)點(diǎn)能夠在不改變硬件和軟件的情況 下接收并顯示新增傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)。該功能是本系統(tǒng)的一個(gè)創(chuàng)新特色， 充分體現(xiàn)了系統(tǒng)良好的可擴(kuò)展性。 4 無線通信功能 為加強(qiáng)對設(shè)備的管理，可以設(shè)立遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，分布在各處的起升設(shè)備可以 通過i n t e r n e t 與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通信，接收遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)來的指令消息。由于許 多起升設(shè)備都具有移動(dòng)性，如汽車起重機(jī)，并且經(jīng)常分布在不同區(qū)域的施工現(xiàn)場t 因此主控節(jié)點(diǎn)采用無線方式接k i n t e r n e t 更加方便和現(xiàn)實(shí)。 2 3 3 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì) 主控節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)采用了三星公司的s 3 c 2 4 1 0 7 】處理器作為控制核心，該處 理器是三星公司推出的一款集成a r m 9 2 0 t 核的高性能、低功耗、低成本的嵌入 式微處理器，廣泛應(yīng)用在移動(dòng)設(shè)備，工業(yè)控制，無線通信等領(lǐng)域。 整個(gè)硬件平臺(tái)的器件選型以及連接方式參考了三星公司提供的s m d k 2 4 1 0 評估板【蚋。s m d k 2 4 1 0 評估板基于s 3 c 2 4 1 0 處理器，是三星公司針對s 3 c 2 4 1 0 處 理器所設(shè)計(jì)的參考硬件平臺(tái)，目的是對處理器的性能進(jìn)行有效的評估。由于 s 3 c 2 4 1 0 處理器在內(nèi)部集成了液晶控制器，因此這里不需要液晶控制芯片。在參 考s m d k 2 4 1 0 板的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上只需再增加鍵盤、蜂鳴器、c a n 控制器和收發(fā)器 即可構(gòu)成主控節(jié)點(diǎn)完整的硬件平臺(tái)。由于多數(shù)操作系統(tǒng)都提供了對該評估板上硬 件設(shè)備的支持，所以參考該評估板進(jìn)行器件的選型與連接能夠方便操作系統(tǒng)的移 植，減少驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)工作。圖2 - 3 是主控節(jié)點(diǎn)的硬件組成圖。 9 上海大學(xué)碩士學(xué)位論立 二二二二二二= 二二二二二二二二二二主蘭二二二二二二c a n 總線 圖2 3 主控節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)組成圖 存儲(chǔ)器件是處理器運(yùn)行所必需的器件，在存儲(chǔ)系統(tǒng)的配置上，s 3 c 2 4 1 0 提供8 路片選( n g c s 0 n g c s 7 ) ，每個(gè)片選都指定了固定的地址，每個(gè)片選固定間隔為 1 2 8 m 字節(jié)，分配情況如表2 1 所示。硬件平臺(tái)的內(nèi)存由兩片1 6 m x l 6 位數(shù)據(jù)寬度 的s d r a m 構(gòu)成，兩片拼成3 2 位模式，共“m 字節(jié)，公用n g c s 6 ，起始地址： 0 x 3 0 0 0 0 0 0 0 。 表2 1s 3 c 2 4 1 0 片選分配圖 。i 、+ 1 i片選 9 5- ，起始地址。；。 n g c s o0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 n g c s l0 x 0 8 0 00 0 0 0 n g c s 2 0 x 1 0 0 00 0 0 0 n g c s 3 o x l 8 0 00 0 0 0 n g c s 4o x 2 0 0 0 0 0 0 0 n g c s 5 0 x 2 8 0 00 0 0 0 n g c s 60 x 3 0 0 00 0 0 0 n g c s 70 x 3 8 0 0 0 0 0 0 f l a s h 用于存儲(chǔ)引導(dǎo)代碼、操作系統(tǒng)內(nèi)核和文件系統(tǒng)，是由一片8 mx1 6 位數(shù)據(jù)寬度的i n t e le 2 8 f 1 2 8 t g lf l a s h 組成，該f l a s h 為n o rf l a s h ，支持處 理器直接尋址，接n g c s 0 ，起始地址是0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 。通常在使用時(shí)將f l a s h 分 成若干區(qū)域，不同區(qū)域存儲(chǔ)不同用途的代碼，如系統(tǒng)引導(dǎo)程序，操作系統(tǒng)內(nèi)核等 等。 i o 上海丈學(xué)頑t 學(xué)位論文 2 3 4 所需相關(guān)技術(shù) 根據(jù)主控節(jié)點(diǎn)的功能需求，實(shí)現(xiàn)這些需求所必需的幾個(gè)相關(guān)技術(shù)有： 一、c a n 總線技術(shù) c a n 總線是近年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場 的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備問的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控 制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。由于c a n 總線簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí) 用等一系列突出特點(diǎn)，因而受到了許多標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)體和計(jì)算機(jī)廠商的高度重視。 c a n 總線是一種多主方式的串行通訊總線，由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層 構(gòu)成。總線中各節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的地位相同，沒有主、次之分。節(jié)點(diǎn)的數(shù)量可隨時(shí) 變更而不影響其他節(jié)點(diǎn)的通信，因而可以很方便地加入和拆除節(jié)點(diǎn)。 c a n 總線上用“顯性”( d o m i n a n t ) 和“隱性”( r e c e s s i v e ) 兩個(gè)互補(bǔ)的邏輯 值表示“o ”和“1 ”，當(dāng)在總線上出現(xiàn)同時(shí)發(fā)送顯性和隱性位時(shí)，其結(jié)果是總線數(shù) 值為顯性( 0 與“l(fā) ”相與的結(jié)果為“0 ”) 。當(dāng)總線空閑時(shí)，呈“隱性”狀態(tài)， 當(dāng)有任一節(jié)點(diǎn)發(fā)送“顯性”位時(shí)，總線進(jìn)入“顯性”狀態(tài)。c a n 總線一般使用雙 絞線作為傳輸介質(zhì)，采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)1 0 公里，當(dāng)通訊距離 小于4 0 米時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1 m b p s 。 c a n 報(bào)文的傳輸具有4 種不同的幀類型，用于實(shí)現(xiàn)不同的功能，它們分別為： 1 數(shù)據(jù)幀 數(shù)據(jù)幀是最常用的報(bào)文，用于傳送數(shù)據(jù)信息，由7 個(gè)不同的位域組成，它的 結(jié)構(gòu)如圖2 4 所示： 一圖2 4 c a n 總線數(shù)據(jù)幀格式 幀起始標(biāo)志一個(gè)幀的起始，由一個(gè)顯性位組成；仲裁域由1 1 位標(biāo)識(shí)符和r t r 位組成，r t r 是遠(yuǎn)方請求發(fā)送位，在數(shù)據(jù)幀中該位為“顯性”：控制域由6 位組 成，前兩位保留，后4 位表示本幀數(shù)據(jù)域里所含數(shù)據(jù)的字節(jié)長度，最大值為8 字 節(jié)；數(shù)據(jù)域用來包含所傳送的數(shù)據(jù)，由0 到8 個(gè)字節(jié)組成；c r c 域由1 5 位循環(huán) 冗余校驗(yàn)碼和一個(gè)界定符組成，c r c 的生成多項(xiàng)式為：x ” + x 1 4 + x l o + x 8 + x 7 + ) ( 4 + x 3 + i ；應(yīng)答域由2 位組成，分別是應(yīng)答間隙和界定符；幀結(jié) 束域由連續(xù)7 個(gè)“隱性”位組成。 2 遠(yuǎn)程幀 用于接收節(jié)點(diǎn)請求遠(yuǎn)方節(jié)點(diǎn)發(fā)送具有和它的標(biāo)識(shí)符一樣的數(shù)據(jù)幀。遠(yuǎn)程幀的 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)幀類似，只是不含數(shù)據(jù)域，而且r t r 位是“隱性”。遠(yuǎn)程幀的標(biāo)識(shí)符 與其請求發(fā)送的數(shù)據(jù)幀相同，當(dāng)二者同時(shí)發(fā)出時(shí)，由于數(shù)據(jù)幀的r t r 位呈“顯性” 而優(yōu)先。 3 錯(cuò)誤幀 任何節(jié)點(diǎn)檢測到總線錯(cuò)誤時(shí)就會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤幀。它由6 個(gè)連續(xù)的“顯性”位和 8 個(gè)連續(xù)的“隱性”位組成。 4 過載幀 與錯(cuò)誤幀結(jié)構(gòu)相同。當(dāng)接收方由于未處理完數(shù)據(jù)，不希望再接收時(shí)，或在3 個(gè)“隱性”位的幀間隔中出現(xiàn)“顯性”位時(shí)，發(fā)送過載幀。 由于c a n 總線一幀的數(shù)據(jù)長度最大為8 個(gè)字節(jié)，因此可以用多幀的h i l o n a 協(xié)議來使c a n 總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)任意長。h i l o na 協(xié)議是一個(gè)通用協(xié)議【1 0 1 ，它基于 非對稱型主從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，支持廣播和點(diǎn)對點(diǎn)傳送命令數(shù)據(jù)，命令數(shù)據(jù)包可長達(dá) 2 5 6 字節(jié)。 二、無線通信技術(shù) 近年來，無線通信技術(shù)取得了飛速發(fā)展，無線通信由于具有移動(dòng)性并且很少 受空間位置的影響，因此在許多領(lǐng)域都有其用武之地。由于多數(shù)起升設(shè)備所應(yīng)用 的工作場所并不固定，這些設(shè)備大多具有移動(dòng)性，因此無線通信技術(shù)非常適合實(shí) 現(xiàn)起升設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)與外界網(wǎng)絡(luò)的通信。當(dāng)前，全球許多地區(qū)都建立了龐大的g s m 無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，覆蓋面積相當(dāng)廣泛，傳統(tǒng)g s m 網(wǎng)絡(luò)采用電路交換方式進(jìn)行數(shù) 據(jù)傳輸，對資源的利用率不高，無法適應(yīng)大量的數(shù)據(jù)應(yīng)用。因此人們在g s m 的基 礎(chǔ)上又提出了g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用分組無線業(yè)務(wù)) 技術(shù)， 它是在現(xiàn)有g(shù) s m 系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為g s m 用戶提供分 組形式的數(shù)據(jù)服務(wù)。g p r s 采用與g s m 同樣的無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、同樣的頻帶、同樣的 突發(fā)結(jié)構(gòu)、同樣的跳頻規(guī)則以及同樣的t d m a 幀結(jié)構(gòu)，這種新的分組數(shù)據(jù)信道與當(dāng) 前的電路交換話音業(yè)務(wù)信道極其相似。因此，現(xiàn)有的基站子系統(tǒng)( b s s ) 從一開始 就可提供全面的g p r s 覆蓋1 1 1j i ”j 。 g p r s 理論帶寬可達(dá)1 7 1 2 k b p s ，在此信道上提供t c p i p 連接，可以用于 i n t e r n e t 連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用。g p r s 采用分組交換技術(shù)，每個(gè)用戶可同時(shí)占用 多個(gè)無線信道，同一無線信道又可以由多個(gè)用戶共享，資源被有效的利用，數(shù)據(jù) 傳輸速率高達(dá)1 6 0 k b p s i i ，】【i ”。 與原有g(shù) s m 的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)相比，g p r s 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以實(shí)現(xiàn)資源共享，對頻率的利 用率高，具有較快的接入速度和數(shù)據(jù)傳輸率，并且用戶永遠(yuǎn)在線，采用流量計(jì)費(fèi)。 若起升設(shè)備安全監(jiān)控系統(tǒng)的無線通信功能使用g p r s 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，無論從成本還是 1 2 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 可靠性方面，都是非常有利的。主控節(jié)點(diǎn)通過連接帶協(xié)議轉(zhuǎn)換功能的g p r s 收發(fā)模 塊實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的接入，收發(fā)模塊可以在市場上方便地購買，免除了自行設(shè)計(jì)與 開發(fā)帶來的難度。而且采用外部模塊靈活性較強(qiáng)，不用對現(xiàn)有硬件平臺(tái)進(jìn)行改動(dòng)， 可以根據(jù)需求對無線通信模塊進(jìn)行方便的添加或移除。 2 4 小結(jié) 本章給出了起升設(shè)備安全監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，并對主控節(jié)點(diǎn)所需實(shí)現(xiàn)的功 能進(jìn)行了介紹，針對這些功能需求討論了所需的關(guān)鍵技術(shù)。在主控節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè) 計(jì)方面，參考三星公司的s m d k 2 4 1 0 評估板設(shè)計(jì)了硬件平臺(tái)，并增加了c a n 控 制器和收發(fā)器、鍵盤和蜂鳴器。 嵌入式系統(tǒng)是硬件與軟件相殆合的，軟件部分除了對硬件設(shè)備進(jìn)行控制與管 理外，還要實(shí)現(xiàn)與用戶的交互。軟件部分可以說是嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)重點(diǎn)，通常 在整個(gè)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中所占周期最長，因此構(gòu)造軟件系統(tǒng)是整個(gè)起升設(shè)備 安全監(jiān)控系統(tǒng)的主要工作。本文后續(xù)部分將對起升設(shè)備安全監(jiān)控系統(tǒng)主控節(jié)點(diǎn)的 軟件系統(tǒng)構(gòu)建過程作以詳細(xì)介紹。 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章軟件開發(fā)平臺(tái)的建立 隨著嵌入式技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大以及人們要求的不斷提高，軟件逐漸成為嵌 入式系統(tǒng)的核心部分，是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的重點(diǎn)。主控節(jié)點(diǎn)作為起升設(shè)備安全監(jiān) 控系統(tǒng)的主要部分，要實(shí)現(xiàn)比較豐富的功能，必須擁有一個(gè)完善的軟件系統(tǒng)。如 果能有一個(gè)良好的軟件開發(fā)平臺(tái)作為支持，則能較為有效的提高軟件開發(fā)效率， 縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。本章對主控節(jié)點(diǎn)軟件開發(fā)平臺(tái)的建立過程進(jìn)行了介紹，在此 平臺(tái)的基礎(chǔ)上能夠方便地進(jìn)行軟件開發(fā)與調(diào)試，為主控節(jié)點(diǎn)后續(xù)軟件的開發(fā)提供 了便利。 3 1 平臺(tái)結(jié)構(gòu) 整個(gè)主控節(jié)點(diǎn)的軟件開發(fā)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3 1 所示： 圖3 1 起升設(shè)備安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái) 在圖3 1 中，整個(gè)軟件開發(fā)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)分為宿主機(jī)和目標(biāo)硬件平臺(tái)兩部分。 這里使用p c 機(jī)或其他類型的通用計(jì)算機(jī)作為宿主機(jī)，目標(biāo)硬件平臺(tái)是系統(tǒng)主控 節(jié)點(diǎn)的硬件主板。 由于嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)資源受限的系統(tǒng)，多數(shù)嵌入式系統(tǒng)不能提供足夠的資 源進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)、編譯和調(diào)試。因此，源代碼的設(shè)計(jì)與編寫通常都是在宿主機(jī) 上進(jìn)行的，然后通過交叉編譯器將源程序編譯成可以運(yùn)行在目標(biāo)硬件平臺(tái)上的二 進(jìn)制編碼。交叉編譯技術(shù)是嵌入式開發(fā)過程中的一項(xiàng)重要技術(shù)，它的主要特征是 某機(jī)器中執(zhí)行的程序代碼不是在本機(jī)編譯而成，而是由另一臺(tái)機(jī)器編譯生成。 1 4 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 根據(jù)圖3 1 中的內(nèi)容可以看出，整個(gè)軟件開發(fā)平臺(tái)的建立工作主要包括以下 三個(gè)步驟： 一、建立宿主機(jī)和目標(biāo)硬件平臺(tái)的連接 使用標(biāo)準(zhǔn)接口連接宿主機(jī)和目標(biāo)硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)兩者之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸， 方便程序從宿主機(jī)到目標(biāo)硬件平臺(tái)的下載、燒寫、運(yùn)行等工作。 二、配置宿主機(jī)軟件環(huán)境 嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)工作大部分是在宿主機(jī)上完成的，因此宿主機(jī)軟件環(huán) 境的建立是一個(gè)關(guān)鍵部分。通常需要在宿主機(jī)上建立的開發(fā)工具和支持軟件主要 有： 1 代碼編輯工具 代碼編輯工具要求具備基本的文本編輯功能，可以輸入、編輯和保存程序的 源代碼。 2 交叉編譯、連接工具 用來將代碼編譯、連接成可以運(yùn)行在特定處理器上的二進(jìn)制代碼。 3 調(diào)試與錯(cuò)誤查找工具 通過對程序的運(yùn)行進(jìn)行控制和監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)對程序的調(diào)試和錯(cuò)誤查找。 4 代碼下載、燒寫工具 ， 通過對硬件接口進(jìn)行操作，能夠?qū)⒍M(jìn)制代碼從宿主機(jī)下載到目標(biāo)硬件平臺(tái) 上，并且可以燒寫到目標(biāo)硬件平臺(tái)的f l a s h 中。 5 c ，c + + 函數(shù)庫 當(dāng)前嵌入式程序的開發(fā)語言以c ，c + + 為主，各種c c + + 的標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)( 如 s t r c p y 0 、m a l l o c 0 等) 經(jīng)常在程序中被調(diào)用。為了程序設(shè)計(jì)和移植的方便，確保編 譯和連接過程順利執(zhí)行，c ，c + + 函數(shù)庫是必不可少的。 6 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器 使宿主機(jī)具備基本的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，如1 f r p 、f t p 、h r r p 等，這樣可以在軟件 開發(fā)過程中通過網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速傳輸。 7 軟件組件庫 操作系統(tǒng)的引入使得軟件系統(tǒng)的層次性增強(qiáng)，程序通常被分成了與硬件無關(guān) 的程序和與硬件有關(guān)的程序。與硬件無關(guān)的程序主要是操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用模塊， 而與硬件有關(guān)的部分主要是操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序模塊。使用軟件組件庫能有效地 歸納組織這些程序模塊，將它們以組件的形式進(jìn)行管理。在驅(qū)動(dòng)程序或應(yīng)用軟件 開發(fā)過程中，可以先從組件庫中查找是否有合適的組件可以使用，設(shè)計(jì)好的驅(qū)動(dòng) 模塊或應(yīng)用模塊也可以添加到組件庫中，供以后的軟件開發(fā)進(jìn)行參考或使用。 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 三、配置目標(biāo)硬件平臺(tái)軟件環(huán)境 在目標(biāo)硬件乎臺(tái)沒有任何軟件的情況下，宿主機(jī)可以使用工具軟件，通過專 用接口( 如j t a g 口或串口) 將程序下載到目標(biāo)硬件平臺(tái)，采用這種方式下載程 序速度較慢，調(diào)試不便。為方便后續(xù)軟件的開發(fā)與調(diào)試，本文為目標(biāo)硬件平臺(tái)也 搭建了基本的軟件環(huán)境，包括引導(dǎo)程序和嵌入式操作系統(tǒng)。 這里要求引導(dǎo)程序除了能引導(dǎo)操作系統(tǒng)啟動(dòng)外。還具有通過網(wǎng)絡(luò)快速下載程 序和燒寫f l a s h 的功能。這樣當(dāng)引導(dǎo)程序啟動(dòng)后，操作系統(tǒng)映像或其他程序和 數(shù)據(jù)都可以使用引導(dǎo)程序提供的功能快速下載到內(nèi)存指定位置或燒寫到f l a s h 中。當(dāng)目標(biāo)硬件平臺(tái)運(yùn)行有操作系統(tǒng)后。以后在測試時(shí)不用每次都將驅(qū)動(dòng)程序或 應(yīng)用程序燒寫到f l a s h 上運(yùn)行，只需通過操作系統(tǒng)提供的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議連接到宿主 機(jī)，通過網(wǎng)絡(luò)方式運(yùn)行即可。 3 2 宿主機(jī)與目標(biāo)硬件平臺(tái)的連接 宿主機(jī)和目標(biāo)硬件平臺(tái)主要通過三類接口進(jìn)行連接，分別是j t a g 接口、串 1 ：3 以及以太網(wǎng)接口。圖3 2 給出了本文所建立的硬件連接圖： 圖3 2 軟件開發(fā)平臺(tái)的硬件連接圖 在圖3 2 中，用p c 機(jī)作為宿主機(jī)，目標(biāo)硬件平臺(tái)的串口c o m 0 與宿主機(jī)的 串口相連：j t a g 接口通過