（信号与信息处理专业论文）基于arm9的bacnet现场控制器研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 基于a r m 9 的b a c n e t 现场控制器研究 信号与信息处理 张瑞( 签名) 倪云峰( 签名) 摘要 蝴 本课题研究的是一种基于a r m 9 的b a c n e t 网络现场控制器，使其挂接到b a c n e t 网络上可以互联互操作；文章使用了三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 a 芯片和c s 8 9 0 0 a 以太网控制 器为开发板处理芯片，使用嵌入式l i n u x 操作系统为开发板的操作系统，此控制器针对 b a c n e t 网络为背景，主要完成数据的采集与b a c n e t 网络报文的传输。在数据采集处 理方面，程序设计严格遵守b a c n e t 所规定的对象，服务，属性等相关方面的内容；在 报文通信方面，程序按照b a c n e t 网络所规定的几种传输层协议中，选择的i n t e r n e t 网 络作为应用层数据包的通信。文章最后利用v t s ( b a c 设备的测试软件) 对所研制的控制 器进行的测试，测试结果表明本文所研制的控制器符合b a c n e t 标准。 本文共分五部分具体对b a c n e t 现场控制器设计研制进行阐述。第一部分绪论研制 b a c n e t 现场控制器的重要意义进行说明。第二部分根据b a c n e t 楼字控制网络中关于 现场控制器的规定，设计出控制器开发板的具体功能与工作原理，硬件结构。第三部分 介绍了控制器的软件框架，主要从三个方面来说明，1 嵌入式l i n u x 的裁减，b o o t l o a d e r 之v i v i 烧写；2b a c n e t 应用层部分工作原理，状态机，数据采集方面关于对服务，对 象，属性的介绍；3 对b a c n e t 协议数据包在开发板中通讯的实现，具体利用t c p i p 协 议对应用层数据包的通信部分的处理。第四部分对本课题所研制的现场控制器进行测 试，对测试软件进行介绍，对测试结果进行了分析，结果表明所研制的控制器符合 b a c n e t 标准的规定。第五部分对本课题所研制的现场控制器过程进行了总结，与同行 的控制器进行的比较，对未来b a c n e t 现场控制器的发展展望。 关键词：a r m 9 ；嵌入式l i n u x 系统；现场控制器；b a c n e t 楼控网络 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：t h ed e v e l o p m e n to fb a c n e tc o n t r o l l e rb a s e do na r m 9 s p e c i a l t y ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s n a m e ：z h a n g r u i i n s t r u c t o r ：n iy u n f e n g a b s t r a c t ( s i g n a t ur e ) ( s i g n a t ur e ) t h i so b j e c tr e s e a r c h e dt h ed e v e l o p m e n to ft h eb a c n e to ns i t ec o n t r o l l e r , a i m i n gt o i n t e r n e tw o r kw i t hb a c n e t t h ed e v d o p m e n tb o a r di sb a s e do n $ 3 c 2 410 ap r o c e s s o ra n d c s 8 9 0 0 ai n t e r n e tc h i p ，w et a k ee m b e d d e dl i n u xa st h eo s ；t h ec o n t r o l l e rd e s i g nt h es p e c i a l f u n c t i o n sn e e d e df o rb u i l d i n ga u t o m a t i o np r o t o c o l sa n di m p l e m e n t e dt h e s ei nc u s t o mc o d i n g i n s i d et h ec h i p t h es o f t w a r ed e s i g n e dt o c o m p l yw i t hb a c n e t “o b j e c t 、s e r v i c e 、 p r o p e r t y a l g o r i t h ms t r i c t l y i n g a t h e r i n gi n f o r m a t i o n , t h em a i nf u n c t i o n i st og a t h e r i n f o r m a t i o nf r o mn e ta n dd e l i v e rr e s p o n s e ；t h es o ch a sab u i l t - i ne m b e d d e dt c f i pc o n t r o l a p p l i c a t i o n st oc o m m u n i c a t i o n 、) l ，i t l lb a c n e t i nt h ee n d ，w et e s tt h ec o n t r o l l e rw i t hv t s ，a n d i tc o m e su pt ot h er e q u i r e m e n t s t h i sp a p e ri n t e r p r e t st h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n t r o l l e rf r o mf i v es e c t i o n s s e c t i o no n e a n a l y z e dt h ep u r p o s eo ft h eb a c n e tc o n t r o l l e rd e v e l o p m e n ta n dp r o v i d e dt h et h e o r e t i c f o u n d a t i o no fi t s e c t i o nt w o ，a c c o r d i n gt ot h er e g u l a t i o n so fb a c n e to ns i t ec o n t r o l l e r , i t i n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo fw o r ko fd e v e l o p m e n tb o a r d 、h a r d w a r ed i a g r a m ；s e c t i o nt h r e e ；i t i n t r o d u c e dt h es o f t w a r es t r u c t u r eo fc o n t r o l l e r , w o r kf l o wo fc o n t r o l l e r b a c n e ti sa n o b j e c t - o r i e n t e dp r o t o c o ls p e c i f i c a l l yd e s i g n e df o rd i s t r i b u t e dc o n t r o la p p l i c a t i o n s ；b ya d h e r i n g t oe x i s t i n ge t h e m e ta n dt c p 厂r p ，i ta d de x i s t i n gi n t e m e tc h i pc s 8 9 0 0 at oc o n t r o l l e r s e c t i o n f - o 虬i te x p l a i n e dt h ep r o c e s so ft e s t a tl a s ti ts u m m a r i z e dt h et e s t i n gr e s u l ta n dg i v es o m e i d e aa b o u tt h ei m p r o v e m e n t s k e y w o r d s ：a r m 9e m b e d d e dl i n u xo so n - s i t e - c o n t r o l l e rb a c n e t t h e s i s ：a p p l y i n gr e s e a r c h 妻料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：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 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：弓据j 物日期：夕。男 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：弓长丐茄 指导教师签名： 1 f 乙 v 、， 矽d 少年多 ， 1 绪论 1 绪论 1 1 研究的意义 智能建筑的主要特征之一是自动化系统在建筑物中的综合应用，即；通常所说的“楼 宇自动控制系统”。所谓楼宇自动控制系统是指由基于微处理器的分散于建筑物中的设 备组成一个网络，能实现能量管理和监控、暖通空调、防火、安保以及其它相应的楼宇 自动控制功能。智能建筑是一个典型的分布式控制系统，也是一个集成控制系统，通过 集成控制，最大限度地满足人们对现代建筑提出的节能、环保、安全、舒适等和方便快 捷的要求。如何将不同厂家的设备和系统组成为一个能够协同工作的自动控制集成系 统，进而与广域网互联，最终实现远程监控和远程维护，这将是2 1 世纪建筑智能化技 术的主流方向。随着网络互联技术的发展和因特网( i n t e m e t ) 在全球范围的普及，开放、 互联和信息共享已成为信息时代的潮流，构造不同厂家的产品能够互联、互换和互操作 并可以与因特网无缝连接的新一代楼宇自动控制系统已成为业主、系统集成商和最终用 户的迫切要求，也是我国建筑智能化系统工程应用与国际接轨和同步发展的最佳时机， 实践证明b a c n e t 是最有竞争力的标准，能自主研发一款具有自主产权且符合b a c n e t 标准的现场控制器，将在我国具有重大意义。 我国楼宇自控市场的现状概括起来可以分为两点： 一我国国产楼宇自控产品的基础上开发b a c n e t 标准接口。我国有许多国产楼宇 自控产品，如门禁系统、抄表系统等。但这些产品或系统大多数是封闭式开发的，不同 厂商的产品基本上不能互联，也基本上不能与楼宇自控主系统( m a s t e r s y s t e m ) 集成。这 种情况在实际工程中屡见不鲜。如果在原有产品的基础上开发b a c n e t 标准接口，则 不仅可以扩展原产品的应用，而且还可以很好地解决上述互联和集成的问题。 二符合b a c n e t 标准开发新产品。国内楼宇控制工程师认为b a c n e t 标准只适应 系统级的集成，不适应现场级的应用。在b a c n e t 标准定义的标准化产品中，不仅有系 统级的标准设备，如 b a c n e t 工作站( b o w s ) ”，而且更多的是现场级设备，如“b a c n e t 智能传感器( d s s ) ”、“b a c n e t 智能执行器( b s a ) ”以及各种功能的控制器等均为现场级 的设备。可以说，b a c n e t 标准具有极好的伸缩性，既适用于大系统，又完全可以用于 小系统。 在楼宇自控领域，我国是w t o 和i s o 成员国，也是支持b a c n e t 标准成为i s o 标 准的国家，但我国楼字自控的现状却与国际准则有些不太协调。1 ) 非i s o 标准的应用 远大于b a c n e t 国际标准的应用，2 ) 在工程应用上，即使采用b a c n e t 标准，也基本上 西安科技大学硕士学位论文 是全部引进国外的产品和技术。从发展的角度来看，它严重影响和制约着我国楼宇自控 领域的发展。 针对上述现状，除市场经济规律起作用外。我国至今还没有真正意义上的b a c n e t 标准国产化产品。虽然我国对b a c n e t 标准进行了跟踪和研究，但还没有将其产品化。 这种现象严重影响了b a c n e t 标准在我国的推广和应用。我国现场总线标准委员会虽然 早已认识到了b a c n e t 标准的重要作用，但我国企业没有认识到b a c n e t 标准的作用或 由于研发力量的原因迟迟不能开发出实用化产品。要改变这种状况，就必须加大研究开 发的力度，开发出具有自主知识产权的产品。 1 2 国内外研究现状 1 9 9 5 年6 月美国供暖、制冷与空气调节工程师学会( a s h 凡嗵) 公布了正式的开放 标准b a c n e t ( ad a t ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf o rb u i l d i n ga u t o m a t i o na n dc o n t r o l n e t w o r k ) ，b a c n e t 是楼字自动控制先进技术的体现，它代表该领域发展的最新方向。 而现场控制器是控制系统的最小单元，在楼宇控制系统中b a c n e t 楼宇自控网络数据通 信协议标准已得到广泛的应用，西门子a p o g e e 系统中的模块化设备控制器( m e c ) 系列、江森( j o h n s o nc o n t r o l s ) 楼控中的d x 9 1 x x 系列、霍尼韦尔( h o n e y w e l l ) e b i 系统中的e x c e l5 0 0 0 系列、艾顿楼宇a l e r t o nb a c t a l k 系统中的v l c 系列都是基于 b a c n e t 标准的现场控制器。 国内关于b a c n e t 研究： 国外的楼宇自动化系统产品，基本上遵照了b a c n e t 楼宇控制网络协议，而国内的 研究起步较晚，据有关文献资料报道，华中科技大学与华中理工大学对b a c n e t 标准的 研究与推广做了大量工作。 华中科技大学 1 9 9 9 年，董春桥与李哲共同提出了b a c n e t t m 是智能建筑控制网络的标准协议， 是智能建筑领域中的主流技术。 2 0 0 3 年，在 b a c n e t 标准在我国推广和应用的思考中，b a c n e t 标准成为i s o 标准( i s o1 6 4 8 4 - - 5 ) 后在楼宇自控领域中的地位，我国楼宇自控领域推广和应用 b a c n e t 标准的必要性和意义，提出了b a c n e t 标准在我国产业化的基本原则。并 撰写了智能楼宇b a c n e t 原理与应用一书。 华中理工大学 - 1 9 9 9 年开展了b a c n e t 协议标准技术系列讲座：b a c n e t 的体系结构，b a c n e t 应用层规范，b a c n e t 网络层规范，b a c n e t 数据链路物理层规范，b a c n e t 的对 象模型，b a c n e t 的服务，b a c n e t i p ，b a c n e t 的互联网扩展。 他们仅在理论方面进行了研究，比如： 2 1 绪论 一董春桥介绍b a c n e t 与i n t e r a c t 的两种集成技术：隧道技术和b a c n e v i p 技术。并 总结两种技术的原理和应用。 _ 许永喜b a c n e t 控制器软件的设计与实现。刘宁b a c n e t 设备开发配置系统软件 的设计与实现。 一董春桥，胡云鹏针对自控网络的特点，详细分析了建筑楼宇自控网络b a c n e t 国 际标准( i s 0 1 0 4 8 4 5 ) 中m s t p 网络的特点，重点分析和总结了m s t p 网络中 m a c 层的各种算法。 余庄，董春桥提出了智能建筑突发事件的抽象模型、基本运算操作及优先权分配 机制，并根据突发事件监控和管理的目标，提出了i b m s 的“分布式虚拟应急中心” 集成结构。董春桥李凯对b a c n e t 互操作机制进行全面分析和研究。 余庄，董春桥为了实现面向突发事件的智能建筑管理系统( i b m s ) ，提出了智能建 筑突发事件的抽象模型、基本运算操作及优先权分配机制，并根据突发事件监控和 管理的目标，提出了i b m s 的“分布式虚拟应急中心”集成结构。 但是在产品研发方面还未取得实质性的进展， 项目开发方面： - 董春桥刘贤德惠晓实介绍了依据b a c n e t 协议开发v a v 控制系统所考虑的 主要因素和使用的基本方法，总结了利用b a c n e t 协议开发其他楼宇控制系统 的一般方法。 一汤勇智能建筑自控网趋势数据管理及日程管理研究与开发。 _ 张艳丽智能建筑自控网报警功能的设计与实现。 曹坤嵌入式l i n u x 中b a c n e t 协议栈的设计与实现。 梁华智能建筑自控网对象管理的设计与实现 董春桥李凯实现了l i n u x 系统p c i 设备驱动程序开发。 胡云鹏b a c n e t 标准的研究与实现。 董春桥聂佳基于l i n u x 的b a c n e t 路由器开发。 邱勇云基于c + + 的b a c n e t 应用层编解码实现。 _ 基于b a c n e t 的嵌入式家庭信息中心h i c 及x 1 0 的接入。 - 许毅平朱振华周曼丽b a c n e t 应用层状态机在线测试研究。 _ 许毅平余霞周曼丽b a c n e t 应用层测试状态机自动生成研究。 _ 衣卓z i g b e e 无线网络技术在l o n w o r k s 与b a c n e t 系统中的扩展应用。 - 许毅平周曼丽基于w e b 服务的智能楼字系统集成模型。 _ 李伯平智能建筑系统集成关键技术研究与应用 1 3 本文所做的研究 3 西安科技大学硕士学位论文 本文以一种基于b a c n e t 标准的现场控制器，为题目展开研究工作，所做工作概括 如下： 1 对b a c n e t 标准的现场控制器进行了功能分析，设计了一款基于a r m 9 硬件开 发平台，作为硬件试验平台。( 学习掌握) 2 选择嵌入式l i n u x 发行版2 4 1 8 ，熟悉嵌入式l i n u x 交叉开发环境，l i n u x 环境 配置、g n u 工具链、测试工具；熟悉l i n u x 内核配置、编译和移植，定制一个宜于b a c n e t 现场控制器的l i n u x 内核；熟悉b o o t l o a d e r - v i v i 硬件平台初始化与l i n u x 系统引导方式； 学习了l i n u x 调度机制与进程线程编程；获得一个有利现场控制器的l i n u x 体系结构。 ( 研究分析) 3b a c n e t 标准通过定义“b a c n e t 对象 , b a c n e t 应用层服务 , b a c n e t 网络”和“报 文编码”四个部分组成，以及各部分间相互作用的规程来实现楼宇自控设备的通信和互 操作；对应用层的编码与解码作了深入的学习以用到控制器的数据采集方面，对应用层 数据包处理状态机也作了分析与l i n u x 调度机制进程整合；物理结构采用l i n u x 的目录 结构并根据b a c n e t 对象和服务对文件进行了分类，从而可以方便地进行裁剪。逻辑结 构设计详细描述了b a c n e t c h o i c e 、b a c n e t a n y 和b a c n e t s e q u e n c e o f 这三种复杂的编解 码方案，并通过一个样例对b a c n e t 报文的解码过程进行了介绍。 4 对数据链路层部分与物理层使用i s o8 8 0 2 2 ，使用r s 2 3 2 ，u d p 进行通信【3 5 】。本 研究采用工业级以太网控制器c s 8 9 0 0 a 成功实现了嵌入式系统的网络互连，本文重点 对网络接口的电路作了阐述，并对系统控制软件部分的t c p i p 协议和c s 8 9 0 0 a 的驱动 进行了具体分析。 5 在此基础上设计研制基于a r m 9 的b a c n e t 现场控制器，学习测试软件的使用，对 研制的开发板进行功能测试，并对测试结果进行分析。 4 2b a c n e t 现场控制器的硬件设计 2b a c n e t 现场控制器的硬件设计 2 1b a c n e t 标准的现场控制器需求分析 现场控制器是用于楼宇智能设备与b a c n e t 网络之间的通信协议设备，它用于在智 能设备与b a c n e t 网络主设备之间交换i o 数据和其它设定数据，因此该现场设备是一 个从设备。在一个b a c n e t 控制网络里，现场控制器经常是与多个设备相连接，以监控 这些设备的运行。 一个典型的b a c n e t 控制器【2 】应该具备以下几个方面的功能。 通信功能b a c n e t 控制器是一个网络控制器，它能够接收和发送b a c n e t 报文， 和其它b a c n e t 设备进行通信。 监视功能b a c n e t 控制器要监视与它相连的控制设备的状态。它利用数据结构 来描述这种状态。在协议中，描述这些状态是用b a c n e t 对象。b a c n e t 提供了 4 2 种标准对象。 控制功能b a c n e t 控制器要控制与它相连的设备的运行，不仅要使这些设备之 间具有互动功能，而且要使这些设备和系统的远程设备能够互动。 具有看门狗电路以保证协议程序的顺利执行。 提供状态的l e d 显示。 2 2b a c n e t 现场控制器硬件电路原理 b a c n e t 现场控制器【3 】主要由以下几个方面组成： 1 ) 电源管理系统； 2 ) a r m 9 $ 3 c 2 4 1 0 x 1 6 3 2 - b i t a r m 9 2 0 t 内核； 3 ) 复位电路：包括上电复位和手动复位，要求至少保持4 个时钟周期的低电平， 保证系统的可靠复位。 4 ) 存储器单元： 5 ) 以太网控制器 6 ) a d 转换电路 7 ) 数字模拟转换电路 工作原理： 服务器首先通过以太网模块获取对本现场控制器的请求报文，并将请求报文发送给 现场控制器单元，经过现场控制器解包分析后，得到请求报文所指定的服务，读取或写 入需要的模拟或数据属性值，然后再封装成需要的响应报文，经过处理器发送给以太网 5 西安科技太学硕士擘位论支 模块。发送给服务器。 存储器单元用于存储数据，包括操作系统和应用程序。b a c i 忙t 现场控制器的硬件 框图及硬件原理图如图21 所示 图2 l 系统组成原理框图 23b a c n e t 现场控制器的原理图设计 根据上述系统组成原理图设计p c b 原理图，整体如图2 2 所示 垂迪! 陪 鸯j 一审。 0 b + 醺强 口墓 譬 ：玉罢；瓷4 持 ：露 跫g 帑 i 蓦霪 图2 2 硬件p c b 设计原理图 6 壮艘簿蹙 _圭|r圭|圭!】、叶叶吨 =圭i=圭|畦_至i岐畦飞1 叶1 斗h幢幢j圭|_圭|=圭|幢、吨吨遥吨 2b a c n e t 现场控制器的硬件设计 2 3 1 电源设计 电源是整个系统中最重要的环节，它为维持正常工作提供可靠的保证；大多数不稳 定的因素或故障都是由于电源方面的设计造成的，因此必须加以重视。电源由变压器提 供的2 4 v 电压输入，经d c d c u 1 开关电源变换器变成2 4 v 稳压电压，然后再通过 d c d c u 2 将电压降至6 6 v ；+ 5 v 由低压差线形电压源l d o u 3 通过+ 6 6 v 得到，3 3 v 则由l d o u 4 通过+ 6 6 v 得到，这样就完成了系统供电。 通常，电源分为两大类： 1 ) 开关电源 2 ) 线形电源 它们各自的优缺点见表2 1 表2 1 开关电源和线形电源的优缺点 优点 缺点 输入电压范围宽电路相对复杂 效率高对对电容电感的要求很高，布线也很讲究 开关电源 输出功率大 开关频率会给系统带来干扰 应用比较灵活纹波较难控制 电路简单，外围器件很少输入范围比较难控制、效率低，这是由于 输出精度高，有很好的负载曲线线性电源自身的损耗造成的 线形电源 工作在低频状态，不会给系统带输出功率相对较小 来麻烦 线形电源通常由变压器、桥式整流器和滤波电容器组成。变压器能够能够降压，同 时还可以与电网隔离。交流正弦波经过桥式整流器整流后的信号，再用电容器平滑为直 流电压，这是未经调节的直流电压。为了在输出端得到调节性能较好的电压，增加了一 只线性电压调节器。这样电压的调节性能更好，但是电源的元件数目增多了，成本也提 高了。效率通常低于5 0 。 开关电源输出电压的调节性能较好，频率较高，输出电压滤波较小，可以在输入端 加上通用范围的电压，而且发热少、尺寸小、重量轻。开关电源的主要元件有脉冲宽度 调制驱动器、m o s f e t 功率健体管、变压器及反馈电路。效率通常高于5 0 ，省电，元 器件的寿命也很长。 根据以上分析，在输入输出压降幅大、功耗高或要求升压的场合，通常采用开关电 源方案；在降压小、功率要求不是很大的时候，使用线性电源为宜。 本设计中使用的d c d c 变换器是t i ( 德州仪器) 的l m 2 5 7 5 【4 1 t 引，该产品广泛应用 于手持系统、医用仪器仪表、数码产品等。本控制器设计如图2 3 ，2 4 所示。 7 西安科技大学硕士学位论文 暑i i i i 宣暑暑；宣暑i 宣i i i i i i 宣置宣昌毒暑誓| f i 1 i i i i 宣i i 暑皇i 宣i i i 置i 暑i i i i i i 皇i 暑宣i i i ( a ) u 1 电源电路设计 2l d o 电路设计原理图 ( b ) u 2 电源设计原理图 图2 3d c d c 变换器的原理图 埔盯 ( a ) u 3 电源设计原理图 ( b ) u 4 电源设计原理图 图2 4l d o 电路设计原理图 8 2b a c n e t 现场控制器的硬件设计 2 3 2 复位电路设计 复位对于一个系统【6 】来说很重要，各个单元进入正常工作状态，需要可靠的复位， 正常情况下，一般有上电复位和手动复位。如果电源电压出现波动，系统会非正常复位， 这时候会发生复位时间不够从而造成一些错误甚至死机，所以复位监控电路也是很重 要，本文采用使用的复位电路芯片是m x 7 0 5 ，若系统需要有与c p u 逻辑相反的复位信 号，则n i 也s e t 信号后加入非门反相输出。原理图如图1 5 所示 图2 5 复位电路设计 2 3 3 时钟电路设计 c p u 部分需要两路时钟输入【6 1 ，一路是c p u 工作时钟输入，另一路提供给r t c 电 路。c p u 工作时钟是由一个有源晶振，无须外部电容，直接输出1 2 m h z 时钟信号到c p u ， 由c p u 内部p l l 倍频到2 0 0 m h z 。在c s 8 9 0 0 a 接口电路也有时钟电路。 图2 6 时钟电路原理图 2 3 4s d r a m 接口电路设计 s d r a m 具有容量大、存取速度快、成本低的特点，因而广泛应用到微处理系统中。 s d r a m 主要用来存放执行代码和变量，是系统启动后主要进行存取操作的r o m 。由 于s d 删需要定时刷新以保持住存储的数据，因而要求微处理器具有刷新控制逻辑， 或在系统中另外加入刷新控制逻辑，可方便地与s d r a m 接口。 9 ce 西安科技大学硕士学位论文 目前常用的s d r a m 为8 位1 6 位的数据宽度，我们可以根据系统需求构建1 6 位3 2 位的s d r a m 存储器系统。实验板终端装置使用一片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 c t - h 芯片1 1 7 】构建3 2 位的s d r a m 存储器系统，工作电压为3 3v ，常见封装为5 4 脚t s o p ，兼容l v t t l 接口，支持自动刷新( a u t o r e f r e s h ) 和自刷新( s e l f - r e f r e s h ) 。其原理图见图2 7 。 2 3 5f l a s h 接口电路设计 f l a s h 存储器是一种可在系统( i n s y s t e m ) 进行电擦写，掉电后不丢失的存储器。 它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程( 烧写) 、擦除等特 点，并且可由内部嵌入式算法完成对芯片的操作，因而在嵌入式系统中得到广泛的应用。 作为在一种非易失性存储器，f l a s h 在系统中通常用于存放程序代码、常量表以及一些 在系统掉电后需要保存的用户数据等。 现在市场上两种主要的非易失闪存技术是n o r 和n a n d 。n o r 的特点是芯片内执 行，这样应用程序可以直接在f l a s h 内运行，不必把代码读到系统r a m 中。n o r 的传 输效率很高，在1 - - 4 m b 的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度 大大影响的它的性能。n a n d 结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且 写入和擦除的速度也很快。应用n a n d 的困难在于f l a s h 的管理和需要特殊的系统接口。 f l a s h 闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦除和再编程。任 何f l a s h 器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行 写入操作之前必须先执行擦除。 n a n d 器件执行擦除操作是十分简单，而n o r 则要求在进行擦除前先要将目标块 内所有的位都写为0 。两者的速度差异如下： n o r 的读速度比n a n o 稍快一些。 n a n d 的写入速度比n o r 快很多。 n a n d 的4 m s 擦除速度比n o r 的5 s 快。 大多数写入操作需要进行擦除操作。 n a n d 的擦除单元更小，相应的擦除电路很少。 基于以上分析，实验板用n a n df l a s h 存储操作系统和应用程序代码，具体规格为 是三星的k 9 f 1 2 0 8 ( 3 2 m b 8 ) 【6 】。三星的k 9 f 系列n a n df l a s h 存储器有着容量大、 功耗低、电气性能好等特点，是大容量f l a s h 市场的有力竞争者。k 9 f 1 2 0 8 的单片存储 容量为6 4 m b ，工作电压为2 7 3 6 ，采用4 0 脚t s o p 封装，8 位数据宽度，带有硬件 数据保护功能，支持上电自动引导功能，块擦写时间为2 m s ，数据存储时间达十年以上。 原理图见图2 7 l o 2b a c n e t 现场控制器的硬件设计 霸限，1m i 默1 啦i j 二珥- 图2 7s d r a m 与n a n d 电路原理图 l i n u x 系统启动以后的地址分配如下： s d r a m ：0 x 3 0 0 0 0 0 0 0 0 x 3 2 0 0 0 0 0 0 f l a s h ：0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 0 x 0 4 0 0 0 0 0 0 2 3 6 数字输入电路设计 数模转换是系统的重要组成部分，本设计使用的是德州仪器( t i ) 公司的8 位精度 的t l c 5 6 2 0 芯片1 8 儿9 】是4 通道的d a 。每一路均具有两级缓冲器( 输入锁存器( l a t c h ) 和 d a c ( 锁存器) 、一个输出增益开关，一个8 位d a c 电路以及一个电压输出电路。t l c 5 6 2 0 的编程可通过对串行控制字中的r n g 位置1 或清零来实现，其输出电压的最大值可以是 外部参考电压的l 2 倍，其输入输出电路均为射极跟随器。 通过简单的3 线串行总线可对t l c 5 6 2 0 进行控制，其1 1 位的命令字由8 位数据位、2 位d a c 选择位以及1 位r n g 位组成。d a c 寄存器是双缓冲的，将完整的新数值写入器 件，然后d a c 输出通过l d a c 端的控制同时更新。数字输出端带有施密特触发器，因 此，该电路具有较高的噪声抑制性能。t l c 5 6 2 0 圳用4 个电阻串( r e s i s t o r - s t r i n g ) 来实现 d a 转换。每一个d a c 的核心是一个带有2 5 6 抽头的单电阻，它们对应于0 - - 2 5 5 的数 字代码。每个电阻串的一端连接到g n d ，另一端由基准输入缓冲器的输出馈电。通过使 用电阻串保持单调性，线性度取决于电阻元件的一致性和输出缓冲器的性能。由于输入 端经过缓冲，所以d a c 对于基准源总是呈现为高阻状态。每一个d a c 的输出由一个可 控增益放大器缓冲，它可以被配置为1 或2 的增益。上电时，d a c 被复位为全“0 ”。每 一路的输出电压可由下式给出： 西安科技大学硕士学位论文 v o ( d a c a d a c d ) = r e f ( c o d e 2 5 5 ) x0 + r n g ) 其中，c o d e 的范围为0 2 5 5 。r n g 位是串行控制字内的o 或l 。 四路+ 2 5v 模拟信号采用宽电压输出的运算放大器o p a 5 5 1 。该运算放大器可输出 士3 0v 电压，电流最大值2 0 0 m a ，可满足本系统要求。其余采用l m 3 2 4 ，以节约成本。 方波信号采用定时器的溢出中断来产生。四路温度的模拟采用数字电位器和继电器实 现。调节电位器阻值大小实现温度变化，由继电器的动作切换开闭温度的模拟。d a 与 运算放大器电路如图2 8 所示 d c 图2 8d a 与运算放大器电路原理图 2 3 7 数字输出电路设计 m o c 3 0 1 2 光电耦合器f l o 】f l l 】是摩托罗拉公司生产的用于触发晶闸管的光电耦合器， 它价格低廉、触发电路可靠，与主回路之间没有电的联系，抗干扰能力强，他采用双列 直插6 脚封装，该器件的输入部分是砷化镓发光二极管，输出部分为带一过零检测器的 光敏双向开关。当发光二极管中通过5 1 5 m a 的正向电流时，发出红外光，则输出端在 受到红外光照射，同时输出端电压接近0 时导通，即输入输出端由光耦合，无电气联系。 器件导通后，其输出端电压降至很低值，当电流小于保持电h 时，器件关闭。见原理 图2 9 。 主要性能参数： 1 ) 可靠触发电流ii n ：3 5 m a 2 ) 保持电流：l o o u a 1 2 2b a c n e t 现场控制器的硬件设计 3 ) 重复冲击电流峰值：1 a 4 ) 关断状态额定电压上升率：v m a x = d v d t = 2 5 0 v 5 ) m o c 3 0 1 2 管脚排列如下：l 、2 脚为输入端；4 、6 脚为输出端；3 、5 脚为空端。 ： * j 4 图2 9 数字输入端电路原理图 2 - 3 8 以太网控制器电路设计 c s 8 9 0 0 a 芯片是c i r r u sl o g i c 公司生产的1 6 位以太网控制器，芯片内嵌内 r a m ，1 0 b a s e t t ”】滤波器，直接i s a 总线接口。该芯片的突出特点是使用灵活，其物 理层接口、数据传输模式和工作模式等都能根据需要而动态调整，通过内部寄存器的设 置来适应不同的应用环境。 特性 最大工作电流5 5 m a ； 支持广泛的软件驱动； 3 v 供电电压； 全双工通信； 可编程发送功能； 数据碰撞自动重发； 自动打包及生成c r c 校验码； 提前产生中断便于数据帧预处理； 自动阻断错误包： 启动编程支持无盘启动； 待机和睡眠模式； 1 0 0 p i nt q f p 封装。可编程接收功能；数据流降低c p u 消耗； 以太网控制器电路原理图见图2 1 0 所示 1 3 皇耋：警盔兰罂三耋：兰圭 图21 0 以太网控制嚣电路原理图 开发板成品 3b a c n e t 标准的现场控制器的软件设计 3b a c n e t 标准的现场控制器的软件设计 前面章节主要论述了建立开发b a c n e t 现场控制器的基本硬件环境，本章将用软件 的角度论述用l i n u xc 语言去实现b a c n e t 协议，实现基于b a c n e t 现场控制器的设计。 软件使用嵌入式l i n u x 交叉开发环境，l i n u x 环境配置、g n u 工具链。 3 1b a c n e t 现场设备的工作原理图 b a c n e t 通信设备的工作原理图如3 1 所示 图3 1b a c n e t 标准现场设备的工作原理图 从图3 1 可知，设计的硬件是要实现b a c n e t 协议方面的内容，它与外部进行数据 交换可以分为三类： 第一类：从网络上获取的请求数据【1 4 】 第二类：一种是本设备根据请求产生的响应，这部分必须符合协议的规范，也是最 后进行产品测试的主要内容， 第三类：还有一种是a d ，d a 转换的数据，由专门的硬件模块去解决，本设备只 将i o 数据映射到内部r a m 中。总体上来说，b a c n e t 现场控制器的工作过程：网络上 的主设备产生了一个请求，本节点检测到它的标识符，确定该数据的接收端为本节点， 则接收之，同时产生中断，在中断处理程序中将相应事件位置位，回到主循环，主循环 发现该事件被置位，判断事件类型，调用相应的子程序处理，并产生响应。 3 2 建立主机开发环境 3 2 1 基于嵌入式l i n u x 开发软件的可行性 1 ) l i n t l x 是一种和u n i x 相似、以核心为基础、完全内存保护、多任务多进程的操 作系统。在开发过程中，可以根据实际需要，对l i n u x 内核功能进行剪裁，做到体积很 1 5 西安科技大学硕士学位论丈 小的嵌入式操作系统，可使其达到5 0 0 k b 或更小规模。 2 ) 在实时性应用方面，通用的l i n u x d 6 】在强实时性方面存在欠缺。l i n u x 调度程序 原来主要针对台式计算机操作系统，重点考虑的是在应用程序的吞吐量上，即采用了一 种“公平共享”的策略保证所有进程得到平均的c p u 时间。如果采用先进的内核机制、 进程调度算法和较小颗粒的系统时间( 1 0 m s ) ，是可以满足实时应用的要求的，因此， l i n u x 可用于楼宇自动化系统。 3 ) l i n u x 是源代码开放的操作系统。可以很容易得到内核的接口和源码，我们可 以把b a c n e t 的协议集成到内核中去。 4 ) l i n u x 是自由软件。在g n ug p l 许可证协议下，可以自由使用、修改和发布， 所以嵌入式l i n u x 可以降低b a c n e t 控制器的成本。 3 2 2 关于嵌入式l i n u x 主机开发环境配置 建立开发环境包括安装交叉编译器【1 7 1 、内核源代码、b u s y b o x 以及文件系统制作工 具等。以下步骤均在p cl i n u x ( r e d h a t 9 0 ) 上执行。 s t e p l ：挂接光盘 # m o u n t d e v c d r o m m n t s t e p 2 ：拌安装n a n 0 2 4 1 0 av 2 0l i n u xs d k 群c d m n t c d r o m # t a rx v z f n a n 0 2 4 1 0 a v 2 - s d k 4 0 t g z - - c 将生成u s r l o c a l a r m 2 9 5 3 和o p t f r i e n d l y a r m n a n 0 2 4 1 0 a两个主要目录，其v2 中：u s r l o c a l a r m 2 9 5 3 是a l t o 1 i n u x g e e 编译器所在的地方。 s t e p 3 ：设置环境变量 打开e t c p r o f l e 文件，增加以下内容： p a t h m u n g e u s r l o c a l a r m 2 9 5 3 b i n p a t h m u n g e o p t f r i e n d l y a r m n a n 0 2 4 10 a _ v 2 j f l a s h 2 ) 打开e t c e x p o r t s 文件，增加如下一行，设置n f s 服务( 注意：每次修改此文件， 需要重启n f s 服务，新的设置才生效) ： o p t f r i e