（机械设计及理论专业论文）基于嵌入式系统的3p6ss并联机构控制技术.pdf

基于嵌入式系统的3 p 6 s s 并联机构控制技术 摘要 作为一项蓬勃兴起的高新技术，机器人技术有其独特的优点而得 到了广泛的应用。伴随着i n t 锄e t 、无线通讯技术和实时嵌入式技术 的发展，机器人的远程通信控制系统已成为机器人技术新的研究应用 方向。而嵌入式系统技术的不断进步又为机器人技术的发展起到了推 波助澜的作用。 本文主要介绍了基于微处理器l p c 2 2 9 2 的嵌入式系统中远程机 器人智能控制及综合应用。文章首先对嵌入式操作系统、删系统 结构、u c o s i i 操作系统以及课题中所采用的网络协议进行了系统的 介绍；接着对a i u 讧处理器核心进行扩展，实现了c a n 总线、u s b 和网络设备的驱动，根据t c p 和切) p 协议的不同特点采取一种新的 方法进行综合应用；同时在v c 环境下完成对并联机构的调试界面设 计，通过串口实现计算机与并联机构之间的通信，实现数据的读写通 信；文章的最后还对论文的主要内容和不足之处进行了总结，并对下 一步工作方向提出建议。 关键词枷u c o s i i 驱动网络协议3 p 6 s s 并联机构 t l l ei n t e l l i g e n tc o n l l i n gf o rp a r a l l e lm e c h a n i s mi ne m b e d d e ds y s t 锄 a b s t 九l c t a st h eh 傩e s tt e c h n o l o g yt o d a y f o b o ti su s e di nal a 玛en u n l b c ro f f i e l d sb e c a u s eo fi t sf l e x i b i l 时a n dp r o d u c t i v i 够w 陆t h ed e v e l o p m e n to f i n t e m e t ， w i r e l e s st c c h n o l o g ya n de m b e d d e ds y s t e m ， r 锄o t er o b o t b e c o m e st h en e wa p p l i c a t i o no f r o b o tr e s e a r c h 1 nt i l i sp 印a no b s e n ，i n g 锄di n t e l l i g e n tc o n n d l l i n gs y s t e mf o r r e m o t cr o b o ti n 锄b e d d c ds y s t 锄b a s e do nu c o s - i sp r e s e n t e d t h e h 砌w a r ep l a t f o n ni sm a d eu po fl p c 2 2 9 2a n dt h es o 胁a r ep l a t f o r mi s b l l i h b a s e d o n p c o s 一 a tf i r s t ，锄b e d d e ds y s t e mb a s e do nu c o s i i ，a r ma r c 蛳e c t u r c e s p e c i a l l yt h em i c r o p r o c 髓s o ro f l p c 2 2 9 2 柚dt h en e t 、) l r o r kp r o t o c o l sa r e i n t r o d u c e d 叻e n ，a r mp r o c e s s o ri se x p a n d e d ，t h e 砸v e r st oc a nb u s ， u s ba i l dn e t 、阳r ke q u i p m e ma r ei n v o l v e d an e wm e t h o do fs ) ，i l t h c s i z i n g t c p 柚du d pp r o t o c o li sp r e s e n t e df o rt h es y s t e m n e x t ，ad e b u g g i n g i n t e r f a c ef o rp m l l e lm e c h a n i s mi sd e s i 印e d w d t i n g 锄dr e a d i n gd a t a b e 晰e e nc o 1 p l n e ra n dp a r a l l e lm e c h a n j s mi sr e a l i z e db ys e r i a l 北京邮电大学硕l 研究生学位论文 a r e re x p l o r i n gt h er e s e a r c hs u b j e c t ，i ts u m m 撕z e st h ef i n i s h e dw o r k a n dp o i n t so u tt h et e c h n i c a lo r i e n t a t i o na 1 1 d 印p r o a c hf o rt h e 向t u r e r e s e a r c h k e yw o r d s 枷u c o s i id r i v e rp m t o c o l p a r a l l e lm c c h a n i s m 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确地说明并表示了 谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文( 保密的学 位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释： 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：z 型显型! 日期：d ! 盟：主：呈! 一 前言 、 课题背景介绍 机器人技术是6 0 年代中期蓬勃兴起的一项高新技术，以其具有灵活性、提 高生产率、改进产品质量和改善劳动条件等优点得到了广泛的应用。为了获得更 大的独立性、完成特定的任务，伴随着i n t e r n e t 、无线通讯技术和实时嵌入式技 术的发展，机器人的远程通信控制系统已成为机器人技术新的研究应用方向。 根据i e e e 的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间 运行的装置”( 原文为d e v i c e su s e dt oc o n t r 0 1 m o n i t o r , o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no f e q u i p m e n t , m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。这主要是从应用上加以定义的，嵌入式系统是 软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。 新一代嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬 件可裁剪、适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的应用系统的 专用计算机系统 4 。一般而言，嵌入式系统的构架可分为四个部分：处理器、 存储器、输入输出和软件。 肛c o si i 是由美国人j e a n j l a b r o s 编写的一种占先式、多任务、移植性 强的免费公开源代码的嵌入式实时操作系统。u c o s 对于学校研究完全免费，只 有在应用于盈利项目时才需要支付少量的版权费，因此特别适合学习、研究和开 发。随着嵌入式系统在制造业、过程控制、通讯、仪器仪表、汽车、船舶、航空、 航天、军事装备、消费产品等各个领域的广泛应用，对人机交互界面的要求也越 来越高【4 】。 t c p u d p 协议是i n t e r n e t 上普遍采用的数据传输协议，将t c p u d p 协议栈 实现到嵌入式微处理器上将增强远程数据传输系统的灵活性和可靠性，实现对远 程机器人的状态监测。u d p 协议实时性较好，但存在着数据包易丢失的问题； 而t c p 协议在传输准确性上强于u d p ，但也存在延时的问题。针对机器人远程 监控的各项性能要求，将t c p 协议和u d p 协议结合起来进行分任务传输数据， 可以从一定程度上解决这些问题。 一一 远程机器人国内外发展概况 机器人学是一门迅速发展的综合性的前沿学科。其特点之一是综合、交叉， 涉及的领域广泛；另一特点是发展迅速、日新月异，尚待研究的问题层出不穷。 什么是机器人? 在世界范围内，对于什么是机器人的看法，至今还存在很大差别。 美国机器人协会( r i a ) 的定义是：“所谓机器人，是为了完成不同的作用，根 据种种程序化的运动来实现材料、零件、工具或特殊装置的移动并可重新编程的 多功能操作机”；日本产业机器人协会( j 认) 的定义为：“所谓工业机器人， 是在三维空间具有类似人体上肢动作机能及认识机能，能够自行决定行动的机器 ( 智能机器人) ”；法国a x e s 机器人杂志对什么是机器人有严格的定义，他们 认为：“机器人是一种至少有三个轴的装置，可通过示教或专门写入的软件进行 编程，并能适应各种不同的应用”。总之，现在的工业机器人已从原来的概念“钢 领”工人或“通用自动机”逐步演进为从事专门任务的柔性机械【2 】。 从结构上分，机器人分串联和并联两种。传统的工业机器人，一般都以串联 方式联结，因而也称为串联机器人。从第一台工业机器人问世以来，串联机器人 得到了迅猛的发展，但人们在研究中发现串联结构在实际应用中存在若干问题： 如承载能力低、刚度低、精度不高等。1 9 6 5 年，由s t e w a r t 提出了一种并联机构 即用6 根支杆将上下两平台联结而成，这种机构最初应用在飞行模拟器上，用于 训练飞行员。澳大利亚著名机构学教授h u n t 在1 9 7 8 年提出，可以应用6 自由度 的s t e w a r t 并联平台机构作为机器人机构。 中国有组织有计划地发展机器人事业，是从“七五”期间的科研攻关及实施 “8 6 3 计划”开始。经过多年来的研制、生产、应用，已有了长足进步。从技术 方面来说，我国的机器人在世界机器人界已有一席之地，奠定了独立自主发展中 国机器人事业的基础；从社会经济角度来看，我国机器人技术的发展，为中外机 器人产品打开中国市场准备了充分的物质和人员条件。 嵌入式远程机器人的应用，已经成为现代机器人远程监控系统的发展趋势， 在这方面，美国、德国、瑞士、日本的高校和研究组织处于世界前列。 m e r c u r yp r o j e c t 是第一个基于w e b 的远程机器人控制系统。在这里，用户通 过远程控制一台m ms c a r a 型机器人，观察和挖掘埋藏于沙土中的藏品。 1 9 9 4 年9 月，澳大利亚大学的k e n n e t ht a y l o r 等人将一6 自由度的a s e a i r b 一6 型机器手连接到i n t e m e t ，这就是搬运和搭建积木的t e l e r o b o r t 。 瑞士联邦工学院的k h e po nt h ew e b 是第一个基于w e b 的远程自主式移动 机器人系统。用户不但可以控制机器人的位置和速度，还可以通过对摄像机旋转 角度及镜头伸缩的控制得到需求的图像反馈。 一一 美国c a r n e g i em e l l o n 大学的x a v i e r 穿行于实验室和教室之间，如果用户给 出本人的e - m a i l 地址，它会在到达目的地之后通知用户，并包含图片或最拿手 的碰碰笑话。 德国b o n n 大学开发了用于博物馆导航的r h i n o 和m i n e r v a 。n a s a 的火星 极地登陆者m a r sp o l a rl a n d e r 则在远程自主式移动机器人的两大主要应用领域 进行了积极的尝试。 目前，国内已开始了远程机器人控制系统方面的研究。 远程机器人控制系统简介及主要工作 本课题来源于2 0 0 4 年教育部科学技术研究重点项目基于虚拟动态模 拟的远程机器人状态检测与智能控制技术。整个系统的功能主要分为三部分： 第一部分是远端p c 向机器人控制器发送已规划完成的机器人运动控制命令；第 二部分是处理器接收到来自远端的命令，分析指令，控制电机，使机器人按照预 定轨迹运动。接收视频数据流并传输至p c 机显示现场图像；第三部分是机器人 监视系统，通过视频摄像头抓取现场图像，传送到第二部分的控制器。下图0 一l 是基于a r m 嵌入式系统的远程机器人系统的整体结构框图： 厂 l m , - - i 调试 p c 图o _ l 基于从m 嵌入式系统的远程机器人系统的整体结构图 本课题所涉及的内容为系统功能的第二部分，研究的对象是基于a r m 7 的 3 p - 6 s s 并联机构控制器。作为机器人现场控制及远程图像传输的重要环节，现 场的机器人控制和数据处理，传输单元十分重要。为保证良好的实时性，可靠性 一一 和稳定性，机器人操作系统在整个系统中扮演控制中心，现场数据中心，传输单 元的角色。其稳定的工作状态，准确快速的处理图像数据，实时与远程控制中心 交换控制信息及图像数据，是远程机器人控制的关键。为了适应嵌入式系统资源 有限的特点，本系统以基于a r m 7 t d m i 核的l p c 2 2 9 2 芯片为核心的开发板作 为硬件平台，以源码开放的p c o si i 实时操作系统作为软件平台，对基于“c o si i 的嵌入式系统t c p u d p 协议进行综合应用，成功的实现预期的工作目 标。 在以上所述的软硬件平台上通过对协议的性能优化，实现对机器人的智能控 制，本文同时对3 p 6 s s 并联机构的轨迹规划，在v c 环境下进行用户调试界面 开发，根据调试对象、调试目的进行功能设计，并及时反馈机器人运动参数，将 实际运动状态与理论数据进行对比分析，及时作出轨迹修正，使其平滑稳定完成 书写预定字母的工作任务。 第一章嵌入式系统简介 1 1 嵌入式系统概述 1 1 1 嵌入式系统的定义 i e e e 对嵌入式系统主要是从应用上加以定义的，嵌入式系统是软件和硬件 的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。不过上述定义并不能充分体现出嵌入式 系统的精髓。目前国内被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、 软件硬件可裁剪、适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的应用 系统的专用计算机系统。一般而言，嵌入式系统的构架可分为四个部分：处理器、 存储器、输入输出和软件。 可以从以下几方面来理解国内对嵌入式系统的定义： 夺嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，必须与具体应用相结 合才会具有生命力、才更具有优势。 夺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以及各个行 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。 嵌入式系统必须可以根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的 功能、可靠性、成本、体积等要求。如果能建立相对通用的软硬件基础， 然后在其上开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。 1 1 2 嵌入式系统的特点 从上述所作的定义可以看出嵌入式系统拥有如下几个重要特征： 夺系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，系统资源相 对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如e n e a 公司的 o s e 分布式系统，内核只有5 k b ，而w i n d o w s 的内核则要大得多。 专用性强。嵌入式系统的个性化很强，软件系统和硬件的结合非常紧密， 一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中 也要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务， 北京邮电大学硕士研究生学位论文 往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合。 夺系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要 求其功能设计及实现上过于复杂，有利于控制系统成本，也有利于实现 系统安全。 高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固化 存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性。 嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入 式系统的应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行；但是为了合 理地调度多任务，利用系统资源、系统函数以及专家库函数接口，用户 必须自行选配r t o s ( r e a l - t i m e o p e r a t i n g s y s t e m ) 开发平台，这样才能保 证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 夺嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。由于嵌入式系统本身不具 备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也不能对其中的程序功 能进行修改，因此必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具 和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混 合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的 开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。 1 1 3 嵌入式系统的分类 从硬件和软件进行划分。 1 嵌入式系统的硬件 夺嵌入式微控制器( m i e r o c o n t r o l l e ru n i t m c u ) 嵌入式微控制器的典型代表是单片机，目前有着极其广泛的应用。微控制器 的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微 控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富， 适合于控制。 m c u 具有低廉的价格、优良的功能，所以拥有的品种和数量最多。比较有 代表性的包括8 0 5 1 、m c s 2 5 1 、m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 、p 5 1 x a 、c 1 6 6 1 6 7 、6 8 k 系 列以及m c u 8 x c 9 3 0 9 3 l 、c 5 4 0 、c 5 4 1 ，并且有支持r c 、c a n b u s 、l c d 及 众多专用m c u 和兼容系列。 夺嵌入式d s p 处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , d s p ) d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方 面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。在数字滤波、频谱分 析等仪器上，d s p 获得了大规模的应用。目前最为广泛应用的是t i 的 一一 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 系列，另外如i n t e l 的m c s 2 9 6 和s i e m e n s 的t f i c o r e 也有 各自的应用范围。 夺嵌入式微处理器( m i c r o p r o c e s s o ru n i t m p u ) 嵌入式微处理器是由通用计算机中的c p u 演变而来的。它的特征是具有3 2 位以上的处理器，具有较高的性能。但与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式 应用中，它只保留与嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分， 这样就以最低的功耗和资源实现了嵌入式应用的特殊要求，具有体积小、重量轻、 成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、 s c - 4 0 0 、p o w e r p c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m s t r o n g a r m 系列等，其中a i 洲s 仰n g a r m 是专为手持设备开发的嵌入式微处理器。 嵌入式片上系统( s y s t e m o n c h i p ，s o c ) 片上系统s o c 是追求产品系统最大包容的集成器件，最大的特点是成功实 现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。而且s o c 具有极高的综合性，在一个硅片内部运用v h d l 等硬件描述语言，实现一个复 杂的系统。 2 嵌入式系统的软件 软件方面，根据操作系统的类型划分，主要分为实时系统( r e a l t t m e o p e r a t i n gs y s t e m ) 和分时系统。其中实时系统又分为两类：硬实时系统和软实 时系统。 图卜1 嵌入式系统分类 实时操作系统是嵌入式系统目前最主要的组成部分。根据操作系统的工作特 性，实时是指物理进程的真实时间。实时操作系统具有实时性，能从硬件方面支 持实时控制系统工作的操作系统。其中实时性是第一要求，需要调度一切可利用 的资源完成实时控制任务，其次才着眼于提高计算机系统的使用效率，重要特点 是要满足对时间的限制和要求。在实时系统中，如果系统在指定的时间内未能实 现某个确定的任务，会导致系统的全面失败，则系统被称为硬实时系统。而在软 实时系统中，虽然响应时间同样重要，但是超时却不会导致致命错误。一个硬实 时系统则主要在软件方面通过编程实现时限的管理。 对于分时操作系统，软件的执行在时间上的要求并不严格，时间上的错误， 一一 一般不会造成灾难性的后果。目前分时系统的强项在于多任务的管理，而实时操 作系统的重要特点是具有系统的可确定性，即系统能对运行时的最好和最坏等情 况做出精确的估计。 1 1 4 嵌入式系统在机器人领域的应用 机电产品是嵌入式系统应用最典型、最广泛的领域之一，从最初的单片机到 现在的工控机、s o c 在各种机电产品中均有着巨大的市场。 机器人技术的发展从来就是与嵌入式系统的发展紧密联系在一起的。最早的 机器人技术是2 0 世纪5 0 年代m r r 提出的数控技术。之后由于处理器和智能控 制理论的发展缓慢，从5 0 年代到7 0 年代初期，机器人一直未能获得充分的发展。 7 0 年代中期之后，由于智能理论的繁殖和m c u 出现，机器人逐渐成为研究热点， 并且获得了长足的发展。近年来由于嵌入式处理器的高度发展，机器人从硬件到 软件也呈现出新的发展趋势。近来3 2 位处理器，w i n d o w sc e 等3 2 位嵌入式操 作系统的盛行，使得操控一个机器人只需要在手持p d a 上获得远程机器人的信 息，并且通过无线通信即可控制机器人的运行。随着嵌入式控制器越来越微型化、 功能化，微型机器人、特种机器人等也将获得更大的发展机遇。 1 ，1 5 未来嵌入式系统的发展趋势 信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，为嵌入式市场 展现了美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战。未来嵌入式系统 存在以下几大发展趋势。 1 嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式 软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。 2 网络化，信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高而日益提高， 使得以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱等功能不再单一，结构更加复杂。 3 网络互联成为必然趋势。 未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求，必然要求硬件上提供各种网 络通信接口。传统的单片机对于网络支持不足，而新一代的嵌入式处理器已经开 始内嵌网络接口，除了支持t c p i p 协议，有的还支持i e e e l 3 9 4 、u s b 、c a n 、 b l u e t o o t h 或i r d a 通信接口中的一种或者几种，同时也提供相应的通信组网协议 软件和物理层驱动软件。软件方面，系统内核支持网络模块，甚至可以在设备上 嵌入w 曲浏览器，真正实现随时随地用各种设备上网。 4 精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。 一一 未来的嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备，为了降低功耗和成本，需要 设计者尽量精简系统内核，只保留和系统功能紧密相关的软硬件，利用最低的资 源实现最适当的功能，这就要求设计者选用最佳的编程模型和不断改进算法，优 化编译器性能。 5 提供友好的多媒体人机界面。 嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的因素就是它能提供非常友好的用 户界面、图像界面和灵活的控制方式，使得人们感觉嵌入式设备就是一个熟悉的 老朋友。这方面的要求使得嵌入式软件设计者要在图形界面、多媒体技术上多下 功夫。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像都会使 使用者获得自由的感受。 1 2 嵌入式微处理器 从硬件方面来讲，嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。嵌入式微处理器 有许多种流行的处理器核，芯片生产厂商一般都基于这些处理器核生产不同型号 的芯片。嵌入式微处理器一般具有以下几个特点： 夺对实时多任务操作系统具有很强的支持能力，能够实现多任务并具有较 短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低 限度。 夺具有功能很强的存储区保护功能。由于嵌入式系统的软件结构一般为模 块化，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，同时也有利于故障诊断。 夺处理器结构可扩展，能够快速开发出满足各种应用和高性能的嵌入式微 处理器。 低功耗。尤其是用于便携式的无线及移动计算和通信设备的嵌入式系统， 功耗可以达到m w 级甚至u w 级。 a r m ( a d v a n c e dr i s em a c h i n e s ) 公司是全球领先的1 6 3 2 位r j s e 微处理 器知识产权设计供应商。a r m 公司通过转让高性能、低成本、低功耗的r i s e 微处理器、外围和系统芯片设计给合作伙伴，使他们能用这些技术来生产各具特 色的芯片。a r m 已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案 的r i s e 标准。a r m 处理器有三大特点：小体积、低功耗、低成本而高性能； 1 6 3 2 位双指令集：全球众多的合作伙伴。 a r m 处理器目前有五个系列产品：a r m 7 、a r m 9 、a r m g e 、a r m l 0 和 s e c u r c o r e 。其中a r m 7 是低功耗的3 2 位核，最适合应用于对价位和功耗敏感的 产品，它又分为应用于实时环境的a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i s ，以及适应于开 一圆一 发平台的a r m 7 2 0 t 和适用于d s p 运算及支持j a v a 的a r m 7 e j 等。 1 3 嵌入式操作系统 实时嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可以分为两种商用型和免费 型。商用型的实时操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但 往往价格昂贵。免费的实时操作系统在价格方面具有优势，目前主要有“n u x 和 u c o s 。 1 3 1 硬件平台的选择 硬件平台的选择主要是嵌入式处理器的选择。在一个系统中使用什么样的 嵌入式处理器内核主要取决于应用的领域、用户的需求、成本问题、开发的难易 程度等因素。表1 1 中列出了几种常见的嵌入式处理器的特性。 表1 - 1 常见的嵌入式处理器 处理器类型处理器价格主要性能及应用 a r m低功耗低，适合于个人便携式设备 d r a g o nb m l 低速度低，主要应用于p d a p o w e r p c高 通信、网络等设备；单位附加值高，市场小 特别是对性能有较高要求时，应用于高端嵌入式中 1 3 2 选型原则 在嵌入式系统的开发中，嵌入式软件是实现各种系统功能的关键，也是计算 机技术最活跃的研究方向之一。不同应用对嵌入式软件系统有不同的要求，并且 随着计算机技术的发展，这些要求在不断变化。通常，应用系统对嵌入式软件的 基本要求是体积小、执行速度快、具有较好的可裁剪性和可移植性。随着嵌入式 系统的发展和应用的多样性，对嵌入式软件和要求也发生了如下的变化： 需要操作系统的支持 嵌入式系统覆盖面很广，从很简单到复杂度很高的系统都有，这主要是由具 体应用要求决定的。简单的嵌入式系统根本没有操作系统，而只是一个循环控制。 但是，当系统变得越来越复杂时，就需要一个嵌入式操作系统来支持，否则，应 用软件就会变得过于复杂，使开发难度过大，安全性和可靠性都难于保证。 夺支持多任务并具有实时性 在多任务嵌入式系统中，合理的任务调度必不可少。单纯通过提高处理器速 一 度无法达到目的，这样就要求嵌入式系统的软件必须具有多任务调度能力。现在， 多任务实时操作系统在这一领域的地位显得越来越重要。 强大的联网功能 大部分传统的嵌入式操作系统都是孤立的，但在网络日益重要的今天，越来 越多的嵌入式系统有了联网的要求。嵌入式系统与各种网络相连，尤其是与因特 网的连接，给系统提出了很多新的要求，系统需要支持t c p i p 协议和相关实用 程序，并且需要处理安全认证和访问控制问题。这些要求使系统变得更加复杂， 需要更多的计算资源。这时，就需要具有网络功能的嵌入式操作系统的支持。 窗口交互功能 今天，很多应用领域都要求嵌入式系统能够提供传统上只有在p c 和高端系 统中才能提供的类似xw m d o w 或者m i c r o s o f tw i n d o w s 的窗口交互系统。这对 在运行空间和运行速度方面都有苛刻要求的嵌入式系统提出了挑战，因为这些窗 口系统一般都要求比较高的硬件配置，并且还要解决运行速度缓慢等问题。 2 1a r m 微处理器 第二章a r m 体系结构 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，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。 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前， 采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 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，基于a r m 技术的微处理器应用占据了3 2 位r i s c 微处理器约7 5 以上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。 2 1 1a r m 微处理器的特点 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： l 、体积小、低功耗、低成本、高性能； 2 、支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位 器件； 3 、大量使用寄存器，指令执行速度更快： 4 、大多数数据操作都在寄存器中完成： 5 、寻址方式灵活简单，执行效率高； 6 、指令长度固定； 2 1 2a r m 微处理器的寄存器结构 a r m 处理器共有3 7 个寄存器，被分为若干个组( b a n k ) ，包括： 3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c 指针) ，均为3 2 位的寄存器。 6 个状态寄存器，用以标识c p u 的工作状态及程序的运行状态，均为 3 2 位，目前只使用了其中的一部分。 同时，a r m 处理器又有7 种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下均 有一组相应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器包 括1 5 个通用寄存器( r 0 r 1 4 ) 、一至二个状态寄存器和程序计数器。在所有的 寄存器中，有些是在7 种处理器模式下共用的同一个物理寄存器，而有些寄存器 则是在不同的处理器模式下有不同的物理寄存器。 2 1 3a r m 微处理器的指令结构 a r m 微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集：a r m 指令集和 t h u m b 指令集。其中，a r m 指令为3 2 位的长度，t h u m b 指令为1 6 位长度。t h u m b 指令集为a r m 指令集的功能子集，但与等价的a r m 代码相比较，可节省3 0 4 0 以上的存储空间，同时具备3 2 位代码的所有优点。 2 2a r m 7 t d m i s a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位和 功耗要求较高的消费类应用。a r m 7 微处理器系列具有如下特点： 具有嵌入式i c e - - r t 逻辑，调试开发方便。 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。 能够提供0 9 m i p s m h z 的三级流水线结构。 蕊代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集。 囊对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等。 蠢指令系统与a r m 9 系列、a r m 9 e 系列和a r m i o e 系列兼容，便于用户 的产品升级换代。 薯主频最高可达1 3 0 m i p s ，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应 用。 a r m 7 系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、i n t e m e t 设备、网络和 调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。 a r m 7 系列微处理器包括如下几种类型的核：a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i s 、 a r m 7 2 0 t 、a r m 7 e j 。其中，a r m 7 t m d i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器，属低端a r m 处理器核。t d m i s 的基本含义为： t ：支持高密度1 6 位的压缩指令集t h u m b ； d ：支持片上调试； m ：内嵌硬件乘法器( m u l 邱l i e r ) ，支持6 4 位乘法； i ： 嵌入式i c e ，支持片上断点和调试点； s ：a r m t d m i 的可综合版本( 软核) 本论文所介绍的l p c 2 2 9 2 即属于该系列的处理器。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 2 3l p c 2 2 9 2 微处理器简介 l p c 2 2 9 2 是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位c p u ，并带有2 5 6 k 字 节嵌入的高速f l a s h 存储器，1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位 代码能够在最大时钟速率下运行，对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位 t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ，而性能的损失却很小。l p c 2 2 9 2 带有1 4 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、8 路l o 位a d c 、2 4 路c a n 、p w m 通道以及多达9 个外部中断，这款微控制器特别适合自动化、工业控制、医疗系 统、访问控制盒故障容限维护总线等应用领域。其内部可用g p i o s 范围为7 6 脚 ( 外部存储区) 到1 1 2 角( 单片) 。由于内置了宽泛围的串行通信接口，它们也 非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其他各种类型的 应用。 2 3 1l p 0 2 2 9 2 的主要特性 1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s 微处理器，l q f p l 4 4 封装。 1 6 l ( b 片内静态r a m 和2 5 6 k b 片内f l a s h 程序存储器，1 2 8 位宽接1 2 1 加速器 可实现高达6 0 m h z 的工作频率。 通过片内b o o t 装载程序实现在系统编程和在应用编程，5 1 2 字节行编程时间 为l m s ，单扇区或整片擦除时间为4 0 0 m s 。 e m b e d d e d l c e r t 和嵌入式跟踪接口使用片内r e a l m o n i t o r 软件对任务进行 实时调试并支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。 2 4 个互连的c a n 接口，带有先进的验收滤波器，多个串行接口，包括2 个 1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、高速1 2 c 接口和2 个s p i 接口。 8 路1 0 位刖d 转换器，转换时间低至2 4 4 u s 。 2 个3 2 位定时器、p w m 单元( 6 路输出) 、实时时钟和看门狗。 向量中断控制器，可配置优先级和向量地址。 通过外部存储器接口可将存储器配置成4 组，每组的容量高达1 6 m b 。 多达1 1 2 个通用i o 口，9 个边沿或电平触发的外部中断引脚，通过片内p l l 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率。 片内晶振频率范围：1 - 3 0 m h z 2 个低功耗模式：空闲和掉电。 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。 可通过个别使能禁止外部功能来优化功耗。 c p u 操作电压范围：1 6 5 1 9 5 v ( 1 8 v 0 1 5 v ) 夺 夺 夺 夺夺夺 夺夺 f o 操作电压范围：3 0 , , - 3 6 v ( 3 3 v + l o ) ，可承受5 v 电压。 2 3 2l p c 2 2 9 2 的结构框图 与g p i o 菇靖 图2 - 1l p c 2 2 9 2 结构框图 1 7 - 一 2 4 系统硬件结构图 l p c 2 2 9 2 微处理器芯片本身封装了2 路c a n 总线控制器，再选用一个c a n 收 发器，就构成一个简单的节点，即可进行c a n 总线通信操作。u s b 通过使用芯片 外部存储控制的b a n k 2 部分以p a c k 的形式与开发板连接，以太网接口电路以 r t l 8 0 1 9 a s 芯片为核心与l p c 2 2 9 2 连接进行数据传输。设计完成的硬件电路图如 图2 - 2 所示： 3 3 v18 v 2 5 a d s l 2 编译环境 图2 - 2 系统硬件结构图 a r ma d s ( a r m d e v e l o ps u i t e ) 是a r m 公司推出的新一代a r m 集成开 发工具。最新版本1 2 取代了早期的1 1 和1 0 ，支持a r m l 0 之前的所有a r m 系列处理器，支持软件调试及j t a g 硬件仿真调试，支持汇编、c c h 源程序， 具有编译效率高、系统库功能强等特点，可以在w i n d o w s 9 8 、w i n d o w sx p 、 w i n d o w s 2 0 0 0 以及r e d h a tl i n u x 上运行。 a d s 由命令行开发工具，a r m 实时库，g u i 开发环境，实用程序和支持软 件组成。有了这些部件，用户可以为a r m 系列的r i s c 处理器编写和调试自己 的开发应用程序了。 2 5 1 命令行开发工具 这些工具完成将源代码编译，链接成可执行代码的功能。a d s 提供下面的命 令行开发工具： 夺a r m e , c a r l r i o c 是a r mc 编译器，这个编译器通过了p l u mh a l lv a l i d a t i o ns u i t e 为 一一 a n s i c 的一致性测试。8 a m c c 用于将用a n s i c 编写的程序编译成3 2 位a r m 指 令代码。 令a r m c p p a r m c p p 是a r mc + + 编译器，它将i s oc + + 或e c + + 编译成3 2 位a r m 指令 代码。 夺t o e t c c 是t h u m bc 编译器，该编译器通过了p l u mh a l lcv a l i d a t i o ns u i t e 为d q s i 一致性的测试。t e e 用于将用a n s i c 源代码编译成1 6 位t h u m b 指令代码。 夺t c p p t c p p 是t h u m bc 抖编译器，它将i s oc + + 和e c + + 源码编译成1 6 位t h u m b 指令 代码。 夺a r n l a s t n a 3 t f l a s r n 是a r m 和t h u m b 的汇编器，它对用a r m 汇编语言和t h u m b 汇编 语言写的源代码进行汇编。 夺a r m l i n k a r m l i n k 是a r m 连接器，该命令既可以将编译得到的一个或多个目标文件和 相关的一个或多个库文件进行链接，生成一个可执行文件，也可以将多个目标文 件部分链接成一个目标文件，以供进一步的链接。a r m 链接器生成的是e l f 格 式的可执行映像文件。 夺a r m s d a r m s d 是a r m 和t h u m b 的符号调试器。它能够进行源代码级的程序调试。 用户可以在用c 或汇编语言写的代码中进行单步调试，设置断点，查看变量值 和内存单元的内容。 2 5 2a r m 运行时库 1 运行时库类型和建立选项 夺d q s ic 库函数有以下几部分组成： 1 在i s oc 标准库中定义的函数； 2 在s e m i h o s t e d 环境下( s e m i h o s t i n g 是针对a r m 目标机的一种机制，它能 够根据应用程序代码的输入输出请求，与运行有调试功能的主机通讯。这 种技术运行主机为通常美元输入和输出功能的习标硬件提供主机资源) 用 来实现c 库函数的与目标相关的函数； 3 被c 和c + + 编译器所调用的支持函数。 c + + 库函数： 一一 c + + 库函数包含由i s oc + + 库标准定义的函数。c + + 库函数依赖于相应的c 库实现与特定目标相关的部分，在c + + 库的内部本身是不包含与目标相关的部 分，这个库由以下几部分组成： 1 版本为2 0