（通信与信息系统专业论文）基于usb20高速数据传输的喷绘设备控制系统的研制.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 基于u s b 2 0 高速数据传输的喷绘设备 控制系统的研制 摘要 近年来，随着我国广告业的迅猛发展，户外广告制作呈现出前所未有的繁 荣景象，路牌、招贴、广告亭、壁画、公共汽车候车亭和车厢壁等户外广告随 处可见。2 0 0 1 年以后，开始有国产喷绘设备推出，但发展速度却是惊人的。要 想占领喷绘设备市场必须在打印速度和精度上具有显著优势。 喷绘机是采用数字压电技术在特制的基材上打印大幅面彩色广告画面的大 型设备。控制系统和数据传输系统是喷绘机的核心部分。它们要完成数据传输、 运动控制、喷头打印控制等功能。控制系统和数据传输系统的优劣直接影响喷 绘机的打印速度和打印精度。本文所设计的喷绘机控制系统是采用韩国a d c 公司的3 2 位嵌入式微控制器作为主控核心并利用8 9 c 5 2 + i s p l 5 8 1 组合芯片构 成u s b 2 0 标准外设接口，实现高速数据传输。使喷绘设备具有喷绘速度快、 分辨率高、系统运行可靠等优点。 论文介绍了基于u s b 2 0 高速数据传输的喷绘设备控制系统的开发研制全 过程，主要包括嵌入式最小系统及其接口。对嵌入式系统的工作过程，以及其 中的应用软件、接口硬件电路的设计进行了详细介绍。同时对u s b 2 0 接口设 备的硬件组成和工作过程进行阐述。最后介绍了温度控制模块的软件、硬件的 工作原理和开发过程。 关键词数字压电技术控制系统嵌入式u s b 2 0 温度控制模块 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lp r i n t e rc o n t r o ls y s t e m b a s e do nd a t am m n s m i s s i o na t ah i g hs p e e do fu s b 2 0 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s w i t ht h es w i f td e v e l o p m e n to f t h ea d v e r t i s i n go f o u rc o u n t r y , t h e o u t d o o ra d v e r t i s e m e n td e m o n s t r a t e st h eu n p r e c e d e n t e dp r o s p e r o u ss c e n e ，s u c ha s s i g n p o s t ，p o s t e r , a d v e r t i s i n gp a v i l i o n , m u r a lp a i n t i n g ，b u ss h e l t e ra n dc a r r i a g ew a l l ， e t c r r es e e ne v e r y w h e r e a f t e r2 0 0 1 ，t h ee q u i p m e n tm a d ei no u rc o u n t r yg u s h e do u t s u c c e s s i v e l 3 , b u tt h es p e e dw a ss u r p r i s i n g i fy o nw a n tt od o m i n a t et h em a r k e ta n d g a i nm o r eb e n e f i tt h ee q u i p m e n tm u s th a v eo b v i o u sa d v a n t a g e so nt h es p e e da n d p r e c i s i o n ， m d i g i t a lp r i n t e ri st h ee q u i p m e n tw h i c ha d o p t sd i 舀掘lp i e z o e l e c t r i c i t y t e c h n o l o g ya n dt y p eg r e a tb r o a da n dc o l o u r f u la d v e r t i s e m e n ta tp u r p o s e - b u i l ts i l l a s e v e r y o n ek n o w s ，c o n 廿o ls y s t e m sa n dd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m sa r et h ek e yp a r to f d i g i t a lp r i n t e r t h e ya r er e s p o n s i b l ef o rd a t at r a n s m i s s i o n , s p o r tc o n t r o l l i n ga n d o p e r a t i n go fj e tp r i n t h e a d t h eq u a l i t yo fc o n t r o ls y s t e ma n dd a t at r a n s r m s s i o n s y s t e mi n f l u e n c e st h ed i # t a lp r i n t e ro nt h es p e e da n dp r e c i s i o nd i r e c t l y t h ec o n t r o l s y s t e mw h a tt h i st e x td e s i g ni sa ne m b e d d e ds y s t e m a t i cb o a r dw h oa d o p t3 2b i t e m b e d d e dm c um a d eb yc o m p a n y , a d co fk o r e asa st h et o pm a n a g e m e n tc o r e a n du t i l i z e8 9 ( 3 5 2 + i s p l 5 8 1t or e a l i z et h ee q u i p m e n to fu s b 2 0a n dh i 吐s p e e d d a t at r a n s m i s s i o n s ot h ed i g i t a ip r i n t e rh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i g he f f i c i e n c y , h i 曲d p i , h i g hp r e c i s i o na n dh i 曲d e p e n d a b i l i t yo f s y s t e m a t i co p e r a t i o n t h e 也e s i sr e c o m m e n d st h ew h o l ec o u r s eo fd e v e l o p m e n to fc o n t r o ls y s t e m w h i c hb a s e do nd a t at r a n s m i s s i o na tah j 甑s p e e do fu s b 2 0 ，m a i n l yi n c l u d e e m b e d d e dm i n i m u ms y s t e ma n dh i si n t e r f a c e ，t h ed e s i g n so fa p p l i c a t i o ns o f t w a r e a n di n t e r f a c eh a r d w a r ec i r c u i t t h ew h o l ec o u r s eo fd e v e l o p m e n to fe q u i p m e u to f u s b 2 0 ，h i sh a r d w a r ea n dw o r k i n gc o u r s ew i l lb ee x p l a i n e d c a r r i e do nt h e i n t r o d u c t i o nt o s o f t w a r e , o p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h eh a r d w a r ea n dc o r r s eo f d e v e l o p i n go f t h et e m p e r a t u r ec o n t r o lm o d u l ef i n a l l y k e yw o r d sd i g i t a lp i e z o e l e c t r i c i t yt e c h n o l o g y , c o n t r o ls y s t e m ，e m b e d d e ds y s t e m u s b 2 0 ，t e m p e r a t u r ec o n t r o lm o d u l e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：爹类 日期：d 。珥阀 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、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 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 户外广告有其独特的优势，是受众自愿、不经意、不占有时间的一种传播、 一种渗透。无论上班下班，出门办事还是逛商场，琳琅满目的户外广告，已经 深深地影响了人们的购买行为和价值观，不可否认的是，诸多厂商已经从大批 量的户外广告投放中获得了丰厚回报! 五年来户外喷绘广告的超高速发展令广 告业人士瞠目结舌，户外广告从城市走向城镇，走向农村己成必然，喷绘广告 ( 灯箱、招牌、门面等) 制作方式多样，成本低廉，广告效果卓著，因此具备 十分优秀的”大众”优势! 近几年来，大幅面喷绘市场发生了巨大变化，大幅面产品的应用越来越广 泛，已逐步渗透到包括广告、装饰、摄影等许多行业。随着大幅面打印技术的 不断成熟，喷绘机在全球范围得到迅速普及，特别是在我国的广告制作领域更 是得到革命性的应用。 沈阳飞行船数码喷印技术有限公司是国内首批从事数码喷绘设备研发、生 产的公司之一，推出了国内第一批数码喷绘机，但是与国外的同类产品相比， 存在着很多的不足之处。 喷绘机的打印速度是以单位时间的出画面积来衡量，打印精度( 分辨率) 用d p i ( 点每英寸) 来衡量，单位长度内的点数越多，d p i 越大。画面就越清晰。 为了提高打印精度，减少2 个点之间距离，必须提高喷头的点火频率。为了提 高喷绘机的打印速度必须提高喷头的移动速度。 飞行船已经经历了两代产品。 第一代是采用的是5 l 单片机作为主控制器，p c 机把打印数据直接通过并口 输出到打印系统主控制板上的f i f o 中，单片机用i o 口对f i f o 发出读信号，f i f o 的输出接喷头，同时单片机用1 0 口控制步进和伺服电机的运转。上一代产品有 一些难以克服的缺点： ( 1 ) p c 机的8 位并口往外送数本来就不快，在使用2 4 个喷头的情况下， 还要把8 位并口线分时地往3 个f i f o 中下载数据( 一个f i f o 的输出接8 个喷 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 头) ，这就使喷头下载数据的速度立刻降低到原来的三分之一。导致往f i f o 送 打印数据的时间特长，使喷头的点火频率只能达到3 k h z ，不能充分发挥喷头的 功能。 ( 2 ) 5 1 单片机的晶振频率低，执行指令的周期长，发脉冲的频率上不去， 直接影响对步进和伺服电机的控制，为了获得步进和伺服电机较好的运行效果， 需要提高步进和伺服电机的每转步数，走同样的距离需要的脉冲个数也成倍增 加，但是5 1 单片机发脉冲的频率上不去，使得走步进和伺服电机的时间也成倍 增加，直接导致喷印机总体喷印效率的降低。 ( 3 ) p c 机的并口和主控制板之间的连线不能太长，而且在p c 机往f i f o 下 载打印数据时很容易受干扰。一旦受干扰就会直接导致喷印的画面质量的降低。 第二代是采用嵌入式系统为主控制器，利用网线传输打印数据。嵌入式系 统会把数据保存在自己的内存中，然后控制电机、喷头完成打印任务。虽然较 第一代产品有明显的优势，但随着喷头技术的发展，它也很难使喷头得到充分 发挥，以达到提高打印速度、精度的目的。这一代产品的缺点如下： ( i ) 它采用1 0 0 m 网线传输数据，在实际应用中只能达到i - 2 mb y t e s 的 传输数率，而现在高d p i 数的喷头和高质量的画面需要的数据量庞大，这样的 速度很难满足要求，直接影响了打印的速度。 ( 2 ) 由于使用的是其他公司开发完毕的嵌入式开发板，依赖于其他公司的 技术水平发展，成本高，不灵活。 针对以上问题，必须改进控制系统的方案，为此我们选用了传输速率更高 的u s b 2 0 传输方式来代替网线，选用韩国a d c 公司出品的3 2 位嵌入式微控制 器，自己开发的嵌入式系统板作为主控板，操作系统是免费的u c l i n u x ，提高 了打印速率，降低了成本。 1 2 论文内容概述 本文主要介绍了基于u s b 2 0 高速数据传输的嵌入式喷绘机的研制，该系统 主要由三个控制单元构成，分别为：嵌入式控制单元、u s b 2 0 数据传输单元和 温度控制单元。 在系统设计中用到了许多嵌入式系统和硬件系统设计的基础知识，本文会 在详述各个控制单元涉及到这些知识时，再做以详尽介绍。本文首先介绍了喷 2 东北太学硕士学住论文 第一章绪论 绘行业的现状以及飞行船公司发展的经历。然后对喷绘机的工作过程和技术指 标做阻介绍。接下来会对所设计系统将要达到的目标，以及它的工作过程做以 详尽介绍。然后是对三个组成单元的说明，分别为嵌入式控制单元、u s b 2 0 数 据传输单元和温度控制单元。 1 3 论文内容安排 第章绪论：介绍了本课题的研究背景，提出上一代产品的问题，并介绍 了本文的内容概述。 第二章喷绘机组成及工作过程：介绍了喷绘机的组成和工作过程。 第三章喷绘机控制系统的总体介绍：介绍本系统的软件和硬件的组成和工 作过程。 第四章j u p i t e r 嵌入式控制单元；介绍控制系统的软件和硬件的设计及其工 作流程。 第五章u s b 2 0 数据传输单元；介绍数据传输单元工作方式及其特性。 第六章单片机温度控制单元：介绍温度控制的原理及设计过程。 第七章喷绘系统的运行与调试：介绍本系统的硬件和软件在设计调试过程 中遇到的问题和解决方法。 第八章结束语：介绍本系统的应用现状，系统的不足和下一代产品的改进。 第八章结束语：介绍本系统的应用现状，系统的不足和下一代产品的改进。 3 东北大学硕士学位论文 第二章喷绘机组成及工作过程 第二章喷绘机组成及工作过程 2 1 喷绘机组成框图 如图2 1 所示，喷绘机可以大致划分为以下几个部分：机械部分，数据生 成系统，数据、命令传输系统，控制系统组成。 机械部分采用半圆形弧板，轴式拖布结构，此机械结构优点突出。如喷绘 过程中画布不会跑偏，提高了打印精度。喷绘过程中画布不会突起，影响喷绘 效果。因为一般的平板式喷绘机画布经常会变形、隆起不但影响喷绘效果，有 时还会察到喷头影响喷头寿命。此结构已经获得了国际专利。 数据生成系统即指p c 机上的软件系统，p c 机上的软件系统实际有两部分 组成。其一是专业的m p 软件，它是由专业的软件公司提供，软件功能是可以 将一幅图像按照固定的数据格式转换成以颜色分类的二进制数据。它是喷绘机 软件的核心，它生成的数据的质量会直接影响喷绘的效果。其二是各喷绘机制 造公司要有自己的软件工程师，跟据各种机型的不同把数据进一步处理，例如 喷头的数量、摆放的位置等，生成真正可用的二进制数据。 数据、命令传输系统是传递数据和命令通道。我们采用智能终端作为喷绘 机的控制系统，只就需要p c 机上的打印数据必须通过某种方式传输到控制终 端，这里我们用u s b 2 0 设备作为数据传输工具，串口作为命令传输通道。 控制系统负责喷头和打印动作的控制。一台喷绘机的打印精度和速度都是 通过控制系统来体现的。我们采用智能终端的控制方式，利用嵌入式系统板作 为喷绘机的控制核心。 图2 1 喷绘机组成框图 f i g2 1 t h es t n j c n i r eo f p d n t e r 4 一 东北大学硕士学位论文 第二章喷绘机组成1 l r - 作过程 2 2 喷绘机的工作过程 如图2 2 所示，首先，图像的r i p 是在计算机中图像会被转换成以颜色为 单位的二进制数据，这是r i p 软件所完成的工作。然后在根据喷绘机所带的喷 头的数量和喷头摆放的位置等因素对数据做进一步处理，生成喷绘机可直接使 用的二进制数据。这是图像数据处理所要完成的工作。这些数据会通过u s b 2 0 的传输线，传送到智能终端上。数据传输是智能终端控制方式必不可少的功能。 数据必须由控制终端加以缓存，以提高打印的效率和稳定性。然后由控制终端 把缓存中的打印数据锁存到喷头中，再配合横向、纵向电机的动作完成图像的 打印。所有的打印过程的指挥者是p c 中的程序，它是图像打印的总指挥，智 能终端是一个执行者。我们可以把图像打印划分为以下三个打印阶段。 r 开始打印、 山 图像r i p 图像数据整理 山 数据传输 数据缓存 山 图像打印 山 ( 结束) 图2 2 打印流程图 f i g2 2f l o wc h a r to f p r i n t i n g 5 东北大学硕士学位论文 第二章喷绘机组成及工作过程 2 2 1 图像数据格式转换 一幅制作完的图片并不能直接用于打印，必须经过一个数据格式变换( r i p ) 的过程，生成专用本喷绘机的可打印的数据格式。 r i p 是r a s t e ri m a g ep r o c e s s o r 的缩写，中文译名为栅格图像处理器。它是一 种解释器，用来将页面描述语言所描述的版面信息解释转换成可供输出设备输 出的数据信息，并将其输出到指定的输出设备上。r i p 软件是整个印前行业的 核心软件，一个桌面系统的输出质量、输出速度和开放性在很大程度上是取决 于r i p 的优劣的。 r i p 后的数据不能直接用于打印，它需要根据喷头的摆放位置，数量，同一 点打印的次数( p a s s ) 在进行数据的转换，才能成为直接用于下载的喷绘数据。 数据转换后，成千上万个点都必须准确定位，并声明要用什么颜色和密度 打印。根据文件的长度和复杂程度，计算机处理器的速度、可用r a m 的数量、 输出设备的驱动程序、端口速度，以及设备的数据吞吐能力( 数据流速度) ，可 能要花几秒到几小时来完成一次数据的转换。 2 2 2 图像数据传输 打印数据在计算机中生成，然后通过计算机主板u s b 2 0 的h u b 经过标准 的传输线传到嵌入式控制板的u s b 2 0 的接口上，此时高速串行的数据会被以 并行1 6 位的方式输出，完成数据传输。 由于u s b 2 0 的延长线应小于5 米，但是喷绘机的传输距离大约为8 米，因 此我们利用了一根带驱动的延长线，以适应要求。 2 2 3 图像的打印 由于w i n d o w s 系统不是实时【，因此传输过来的打印数据必须先保存到 缓存中。我们是以每一行为单位进行数据缓存。嵌入式会从1 6 位并行的数据端 口读入数据，然后把它存储在自己s d r a m 中。当一行的打印数据准备好之后， 嵌入式系统会控制喷头、伺服电机互相配合完成一行的打印。一台伺服电机负 责x 轴方向的运动，另一台电机负责y 轴方向的运动，利用这两个方向上的运 动覆盖整个打印平面。 在喷头的两侧装有紫外灯，同时完成u v 油墨的固化工作。 6 东北大学硕士学位论文 第三章喷绘机控制系统的总体介绍 第三章喷绘机控制系统的总体介绍 喷绘机控制系统主要由三大模块组成：j u p i t e r 控制模块、u s b 2 0 数据传输 模块、温度控制模块。这三大模块虽然实现的功能各不相同，但在喷绘机工作 时它们是密不可分的。他们都有各自的软、硬件系统。下面就从这两个方面介 绍整个系统的组成。 3 1 控制系统硬件组成框图 图3 1 系统的硬件组成框图 f i 9 3 1 t h es t r u c t u r e o f c o n t r o ls y s t e m h a r d w a r e m o d u l e 如图3 1 所示，硬件主要包括以下几部分： ( 1 ) j u p i t e r 嵌入式最小系统板。它是控制系统的大脑，除了u s b 2 0 的数 据接口外，其他接口部分都由它来控制。 ( 2 ) 网口。j u p i t e r 微控制器可以带两路网口e t h 0 、e t h l 。都是利用i n t e l 的以太网接口芯片来实现。在开发板处于调试阶段时，我们利用网口下在调试 程序。 ( 3 ) 串口。j u p i t e r 微控制器可以带两路串口u a r t 0 、u a r t l 。利用m a x 2 3 2 实现电平转换。u a k t 0 用于喷绘机工作时命令传输通道。u a r t l 用于人机界 7 东北大学硕士学位论文 第三章喷绘机控制系统的总体介绍 面的调试信息的输入输出通道。 ( 4 ) u s b 2 0 接口。它负责打印数据的传输。它利用8 9 c 5 2 + i s p l 5 8 1 的 组合芯片构架实现u s b 2 0 从站接口。 ( 5 ) 喷头接口电路。为满足喷头的时序和功能上的要求而设计的外围接口 电路。 ( 6 ) 电机接口电路。为驱动和控制电机而设计的硬件接口电路。 ( 7 ) 温度控制单元。它是为了适应x a a r l 2 6 喷头的设计要求，单独开发 的模块。采用8 9 e 5 2 + a d + d a 的结构实现温度一一电压的闭环控制。另外， 和p c 机的串行接口，在p c 机上开发的应用程序会实现参数的在线设黉和监视。 人机接口更加合理。 3 2 控制系统软件功能介绍 三大模块的软件设计都不是孤立的，它们是互相联系互相制约的。本控制 系统软件部分主要有：w i n d o w sp c 机部分，j u p i t e r 部分和单片机部分，下面加 以详细介绍。 j u p i t e r 控制系统的u c l i n u x 环境下的应用程序。j u p i t e r 通过u s b 2 0 从p c 读取打印数据存放到j u p i t e r 的内存( s d r a m ) q b ，j u p i t e r 通过i o 口完成对伺服 和步进电机的运动控制，j u p i t e r 从数据总线往喷头下载配置数据和打印数据以 及提供喷头所需各种控制信号。 u s b 2 0 数据传输部分：包括p c 机的驱动程序和5 2 中的固件程序。实现 p c 机的数据到嵌入式开发板的1 6 位并行数据传出。 温度控制模块：包括p c 上的应用界面的程序和5 2 中的控制程序。p c 机上 的程序负责参数的设置与实时温度、电压的显示。单片机部分的软件负责采集 喷头的温度，根据温度查表得到对应的电压值，控制喷头的输入电压。 软件部分是由这5 部分软件模块组成。如图3 2 所示。 8 东北大学硕士学位论文 第三章喷绘机控制系统的总体介绍 u s b 驱动程序 一! 翌卜 f 接收打1厂_+ 一喷头1 哑型 i 霎 l 鳊i 温度控制程序 n 冈控 1二 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ 。 l 图3 2 系统的软件组成框图 f 追3 2 t h es n u e t u mo f c o n t r o ls y s t e ms o f t w a r em o d u l e 3 3 控制系统的工作过程 机 整个系统的工作过程如下： 首先系统上电后，j u p i t e r 对喷头下载配置数据，然后j u p i t e r 控制小车找到 小车轨道的零点，并停在零点上，这给操作员一个系统启动的信号。控制喷头 静喷( 1 秒钟吐一次墨，防止墨水在喷头的喷嘴处固化，造成堵头) 。 在开始打一幅画之前，要在w i n d o w sp c 上使用p h o t o s h o p 等图象处理软件 进行图片的加工处理，保存图片为t i f f 格式。然后使用s k y c o l o r ， p h o t o p r i n t 等专业r i p 软件将t i f f 格式的图片进行r i p 处理，生成p r n 文件， 再把p m 文件转换为可直接打印的s k y 文件。 然后，w i n d o w sp c 通过c o m 0 向j u p i t e r 传递各种打印参数，如画面宽度， 打印起始点，步进脉冲数，回差等。 接着，j u p i t e r 控制小车从轨道零点低速的走到画布的边缘。 同时，w i n d o w s p c 向j u p i t e r 传输一行打印数据到j u p i t e r 的内存s d r a m 中。 j u p i t e r 接收完一行打印数据后就向伺服控制器发出脉冲控制信号，控制小车进 入升速阶段。升速结束后进入匀速阶段，即进入点火打印的阶段。在点火打印 阶段，首先j u p i t e r 会从s d r a m 中取出一次点火的数据锁存到喷头中，然后在 判断是否可以从数据接口接收下一行的打印数据，如果可以就接收数据，否则 延时固定时间保证4 2 5 k 的点火点频率。再给c y c l e s t b 发3 个脉冲信号的 过程。一行的点火次数由画面的宽度决定。 一行画面打印结束，小车进入降速阶段，小车停止后，j u p i t e r 向步进控制 器发脉冲信号，使步辊转过一定的角度，步辊带动画布在垂直于小车运动轨迹 9 东北大学硕士学位论文 第三章喷绘机控制系统的总体介绍 的方向上移动一定距离，这个距离的大小由设置的差数步进脉冲数决定。然后 继续通过数据接口接收下一行打印数据，直至结束。然后j u p i t e r 把给伺服控制 器的方向信号取反，使小车打印下一行画面时，运动的方向与上一行相反。至 此，一行画面打印结束。 第二行的打印也是小车升速，匀速( 点火打印) ，降速，然后画布移动的过 程，以后一直循环这个过程赢到一幅画面打印结束后，结束后p c 机会向嵌入式 发出回零点的命令，表示打印结束。j u p i t e r 向伺服控制器发出控制信号让小车 回到小车轨道的零点，再控制喷头静喷。 在一幅画面的打印过程中，可以暂停或取消画面的打印。在打印过程当中， 温度控制模块始终保持着对喷头的调整，操作员可以通过p c 机的界面监视温度 控制模块的工作状况。 1 0 东北大学硕士学位论文 第四章j u p it e r 嵌八式控制单元 第四章j u p i t e r 嵌入式控制单元 4 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统是电脑软件与硬件的综合体，它以应用为中心，以计算机技术 为基础，软件可裁减，从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、 功耗等严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、 嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的 控制、监视或管理等功能【2 l 。 4 1 1 嵌入式系统的特点 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点p j ： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式c p u 与通用型的最大不 同就是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功 耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 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，跟 网络的耦合也越来越紧密。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行 业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金 密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 ( 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余， 力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的 选择更具有竞争力。 ( 4 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体 产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 ( 5 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在 存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 ( 6 ) 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也 是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开 发。 东北大学硕士学位论文 第四章j u p it e r 嵌入式控制单元 4 1 2 嵌入式系统结构 嵌入式系统包括以下几个部分1 4 ： ( 1 ) 嵌入式处理器。嵌入式的核心部件式嵌入式处理器。随着芯片生产工 艺的不断进步，嵌入式处理器种类和性能已经得到了极大的提高，可以分为如 _ f 四类： ( a ) 嵌入式为控制器( m c u ) 。即m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，俗称单片机。 它将整个计算机系统集成到一块芯片中，内部以某种微处理器为核心。 ( b ) 嵌入式微处理器( m p u ) 。即m i c r o p r o c e s s u n i t 。它比单片机体积小、 成本低。但是它必须在电路板上完成嵌入式系统的功能。在板上必须包括r o m 、 r a m 、总线接口和其他外设。 ( c ) 嵌入式d s p 。即d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s ，数字信号处理器。这种处理器 对系统结构和指令进行特殊设计，对其做d s p 算法优化，使其执行效率更高， 速度更快。 ( d ) 片上系统( s o c ) 。即s y s t e m o i l c h i p 。现代的芯片生产工艺已经允许 重要处理器的内核和各种外围的芯片器件整合在一起，达到专用的需求，便出 现了片上系统。 ( 2 ) 存储设备。嵌入式系统中使用的内存可以分为r o m 和r a m 两类， 前者是只读存储器，掉电后内容会保存，一般用来存放开发好的程序。后者是 可读写存储器，掉电后内容会消失。 ( 3 ) 外围设备。一个嵌入式系统还需要输入输出设备才能称得上是完整的、 可以工作的系统。一般而言，可以分为以下几类： ( a ) 网络设备。嵌入式系统通过网络设备与外界联系，接收外界数据，并 在处理后通过网络传出。网络设备可以划分为有线网络和无限网络两类。 ( b ) 输入设备。与通用计算机类似，嵌入是系统有时也需要键盘和鼠标。 但不同的是，嵌入式系统需要的是有限定的小键盘。 ( c ) 显示设备。一般采用简单的l e d 灯作为显示设备，但随着要求的不 断提高，液晶屏l c d 的采用逐渐成为潮流。 4 1 3 嵌入式操作系统 嵌入式系统的软件5 1 即指专为嵌入式而设计的操作系统，操作系统的任务是 - 1 2 。 东北大学硕士学位论文 第四章j u p i t e r 嵌入式控制单元 控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源，合理有效的组织计算机系统的 工作。操作系统的分类有很多标准，最基本的有以下三类： ( 1 ) 多道批处理操作系统。它是基于多道程序设计技术的弓i 入。在此系统 中，用户提交的作业都先放在外存上排成一个队列；再由操作系统中的调度程 序按照一定的算法从外存中调入内存，使得调入的内存的作业共享c p u 和系统 中的各种资源，已达到提高资源利用率和系统吞吐量的目的。 ( 2 ) 分时操作系统。分对操作系统能令用户觉得自己好像是独占一台计算 机，并可以对它进行直接控制，能够方便的修改错误。用户在对计算机进行操 作的过程当中应该感觉不到其他用户也在使用。在分时操作系统中，用户还能 够通过自己的终端把作业提交到主机上运行，且能够对自己的程序进行控制。 ( 3 ) 实时操作系统。实时系统是指产生系统输出的时间对系统是至关重要 的系统。从输入到输出的滞后时间必须足够小到一个可以接受的时限内。因此 时实逻辑正确性不仅依赖于计算结果的正确性，还取决于输出结果的时间。这 里的时限指的是系统执行时间的时限，而系统功能的实现需要通过软硬件的相 互配合，因而这些组成系统的软硬件的指行时间也就有了相应的时间限制。 4 2u c l i n u x 操作系统 韩国a d c 公司为其嵌入式产品提供的l i n u x 操作系统为一种专为嵌入式 n o m m u 微处理器定制的操作系统：u c l i n u x 。 l i n u x 是一种很受欢迎的操作系统【6 j ，它与u n i x 系统兼容，开放源代码。 它原本被设计为桌面系统，现在广泛应用于服务器领域。而更大的影响在于它 正逐渐的应用于嵌入式系统领域。u c l i n u x 正是在这种氛围下产生的，u c l i n u x 是一个完全符合g n u g p l 公约的项目，完全开放代码，现由l i n e o 公司支持维 护。在u c l i n u x 这个英文单词中u 表示m i c r o ，小的意思，c 表示c o n t r o l ，控 制的意思，所以u c l i n u x 就是m i c r o c o n t r 0 1 l i n u x ，字面上的理解就是“针对 微控制领域丽设计的l i n u x 系统”。它专门针对没有m m u ( 内存管理单元， c p u 的一个模块) 的c p u ，并专为嵌入式系统做了许多小型化的工作，支持多 款c p u 。 1 3 东北大学硕士学位论文 第四章j u p i t e r 嵌入式控制单元 4 2 1 标准l i n u x 可能采用的小型化方法 ( 1 ) 重新编译内核 l i n u x 核采用模块化的设计【 ，即很多功能块可以独立的加载或卸载，开发 人员在设计内核时把这些内核模块作为可选的选项，可以在编译系统内核时指 定。因此一种较通用的做法是对l i n u x t 匈核重新编译，在编译时仔细的选择嵌入 式设备所需要的功能支持模块，同时删除不需要的功能。通过对内核的重新配置， 可以使系统运行所需要的内核显著减小，从而缩减资源使用量。 ( 2 ) 制作r o o t 文件系统映象 l i n u x 系统在启动时必须加载根( r o o t ) 文件系统，因此剪裁系统同时包括r o o t f i l es y s t e m 的剪裁。 4 2 2u c l i n u x 小型化的做法 u c l i n u x 采用的小型化方法8 1 ( 1 ) u c l i n u x 的内核加载方式 u c l i n u x 的内核有两种可选的运行方式：可以在f l a s h 上直接运行，也可以加 载到内存中运行。这种做法可以减少内存需要。 f l a s h 运行方式：把内核的可执行映象烧写至u f l a s h 上，系统启动时从f l a s h 的某 个地址开始逐句执行。这种方法实际上是很多嵌入式系统采用的方法。 内核加载方式：把内核的压缩文件存放在f l a s h 上，系统启动时读取压缩文件 在内存里解压，然后开始执行，这种方式相对复杂一些，但是运行速度可能更快 ( r a m 的存取速率要比f l a s h 高) 。同时这也是标准l i n u x 系统采用的启动方式。 ( 2 ) u c l i n u x 的根( m o t ) 文件系统 u c l i n u x 系统采用m m f s 文件系统，这种文件系统相对于一般的e x t 2 文件系统 要求更少的空间。空间的节约来自于两个方面，首先内核支持r o m f s 文件系统比 支持e x t 2 文件系统需要更少的代码，其次r o m f s 文件系统相对简单，在建立文件系 统超级块( s u p e r b l o c k ) 需要更少的存储空间。r o m f s 文件系统不支持动态擦写保 存，对于系统需要动态保存的数据采用虚拟r a m 盘的方法进行处理( r a m 盘将采用 e x t 2 文件系统) 。 ( 3 ) u c l i n u x 的应用程序库 u c l i n u x 4 、型化的另一个做法是重写了应用程序库，相对于越来越大且越来 1 4 东北大学硕士学位论文第四章j u p i t e r 嵌入式控制单元 越全的g l i b c 库，u c l i b c 对l i b c 做了精简。 u c l i n u x 对用户程序采用静态连接的形式，这种做法会使应用程序变大，但 是基于内存管理的问题，不得不这样做，同时这种做法也更接近于通常嵌入式系 统的做法。 经过各方面的小型化改造，就形成了一个高度优化的、代码紧凑的嵌入式 l i n u x ，虽然它的体积很小，u c l i n u x 仍然保留t l i n u x 的大多数的优点：稳定、 良好的移植性、优秀的网络功能、完备的对各种文件系统的支持、以及标准丰富 的a p i 。 4 2 3u c l i n u x 的主要特点 u c l i n u x 同标准l i n u x 的最大区别就在于内存管理1 9 】。标准l i n u x 是针对有 内存管理单元的处理器设计的。u c l i n u x 针对没有m m u 的处理器设计，不能 使用处理器的虚拟内存管理技术，u c l i n u x 系统对于内存的访问是直接的，( 它 对地址的访问不需要经过删，而是直接送到地址线上输出) ，所有程序中访问 的地址都是实际的物理地址。操作系统对内存空间没有保护( 这实际上是很多 嵌入式系统的特点) ，各个进程实际上共享一个运行空间( 没有独立的地址转换 表) 。一个进程在执行前，系统必须为进程分配足够的连续地址空间，然后全部 载入主存储器的连续空间中。从易用性来说，u c l i n u x 的内存管理实际上是一 种倒退，退回了到了u n i x 早期或是d o s 系统时代。开发人员不得不参与系统 的内存管理。从编译内核开始，开发人员必须告诉系统这块开发板到底拥有多 少的内存。由于应用程序加载时必须分配连续的地址空间，而针对可连续地址 分配内存大小是受限的，开发人员在开发应用程序时必须考虑内存的分配情况 并关注应用程序需要运行空间的大小。另外由于采用实存储器管理策略，用户 程序同内核以及其它用户程序在一个地址空间，程序开发时要保证不侵犯其它 程序的地址空间，以使得程序不至于破坏系统的正常工作，或导致其它程序的 运行异常。从内存的访问角度来看，开发人员的权利增大了( 开发人员在编程 时可以访问任意的地址空间) ，但与此同时系统的安全性也大为下降。 虽然u c l i n u x 的内存管理与标准l i n u x 系统相比功能相差很多，但应该说这 是嵌入式设备的选择。在嵌入式设备中，由于成本等敏感因素的影响，普遍的采 用不带有m m u 的处理器，这决定了系统没有足够的硬件支持实现虚拟存储管理 技术。从嵌入式设备实现的功能来看，嵌入式设备通常在某一特定的环境下运行， 】5 一 东北大学硕士学位论文 第四章j u p i t e r 嵌入式控制单元 只要实现特定的功能，其功能相对简单，内存管理的要求完全可以由开发人员考 虑。 u c l i n u x 没有m m u 管理存储器【1 0 1 ，在实现多个进程时( f o r k 调用生成子进 程) 需要实现数据保护。u c l i n u x 的f o r k 等于v f o r k 。实际上u c l i n u x 的多进程管 理通过v f o r k 来实现。这意味着u c l i n u x 系统f o r k 调用完成后，要么子进程代替 父进程执行( 此时父进程已经s l e e p ) 直到子进程调用e x i t 退出，要么调用e x e e 执 行一个新的进程，这个时候将产生可执行文件的加载，即使这个进程只是父进程 的拷贝，这个过程也不能避免。当子进程执行e x i t 或e x e c 后，子进程使用w a k e u p 把父进程唤醒，父进程继续往下执行。u c l i n u x 的这种多进程实现机制同它的 内存管理紧密相关。u c l i n u x 针对n o m m u 处理器开发，所以被迫使用一种f i a t 方 式的内存管理模式，启动新的应用程序时系统必须为应用程序分配存储空间，并 立即把应用程序加载到内存。缺少了m m u 的内存重映射机制，u c l i n u x 必须在 可执行文件加载阶段对可执行文件r c l o c 处理，使得程序执行时能够直接使用物 理内存。 通常裁兄下，u c l i n u x 的默认终端是串口，内核在启动时所有的信息都打印 到串i = 1 终端( 使用p r i n t k 函数打印) ，同时也可以通过串口终端与系统交互。 u c l i n u x 系统使用f l a t 可执行文件格式，g c c 的编译器不能直接形成这种 文件格式，但是可以形成c o f f 或e l f 格式的可执行文件，这两种文件需要 c o f f 2 f l t 或e l f 2 f l t 工具进行格式转化，形成f l