（计算机系统结构专业论文）嵌入式起升设备安全监控系统的研究与设计.pdf

上海犬学硕士学位论文 摘要 随着国家现代化建设进程的加快，对各类工程机械的需求量迅速增大，起 升设备作为工程机械中的主要成员，频繁发生的事故一再提醒人们加强对该类 设备的安全监控。 传统的安全监控系统通常以8 位单片机为主，这类系统性能较低，软件结 构简单，可移植性差，无法为用户提供丰富的功能。而且系统中各部件通常使 用一对一的连接方式与主控节点进行通信，往往会造成庞大的布线格局，从很 大程度上影响了系统的性能和扩展性。 针对传统系统的不足，结合当前市场需求，本文将先进的嵌入式技术和 c a n 总线技术引入到起升设备安全监控系统的设计当中。使用3 2 位高性能嵌 入式处理器作为监控系统主控节点的控制核心，使主控节点的性能大大提高。 同时引入了操作系统的支持，增强了主控节点的软件功能，从而为用户提供了 更加丰富的功能，提高了产品的市场竞争力。系统中各传感器节点通过c a n 总 线与主控节点进行通信。可以在不改动主控节点硬件和软件的情况下进行新节 点的扩展，体现出系统良好的可扩展性，在技术上具有创新性。 文章的主要工作是系统的核心部分主控节点的设计与实现。首先介绍 了起升设备安全监控系统的整体结构以及主控节点的功能需求、硬件组成和所 需相关技术：然后阐述了主控节点的软件平台建立过程，为后续的软件开发工 作提供了良好的基础：接着介绍了主控节点设备驱动程序的设计方法，详细介 绍了c a n 控制器驱动程序的设计过程；最后对主控节点应用程序各关键部分的 设计进行了介绍。 关键词：起升设备嵌入式系统c a n 总线l i n u xq t 图形系统 v 上海大学硕士学位论文 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 上海大学硕t 学位论文 原创性声明 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。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 本论文使用授权说明 日 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 一冈砂 导师签名：链 n 日期：2 1 哆三：孑舌 上海大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 利用机械化是进行现代化建设必不可少的手段，随着国家矿山开采、道路与 城市建设等进程的加快，对各类工程机械的需求随之加大。起升设备是工程机械 中的主要产品，主要包括汽车起重机、各类集装箱起重机、门座式起重机、履带 式起重机、散货装船机械、散货卸船机械、浮式工程起重机和桥式起重机等大型 起重装卸设备，广泛应用于工矿企业、建筑工地、港口码头、油田、铁路、仓库 及货场等场合下的起重作业和吊装工作。这些设备由于过载或机械故障会引起极 大的安全隐患，甚至造成生命财产的巨大损失，中华人民共和国国务院第3 7 3 号 令中已将起重机械列为特种设备安全监察的重点之一。起升设备的安全监控系统 就是一种为防止设备出现过载等异常状况的装置，它们能够对设备的工作状态进 行监控与显示，当出现异常情况时能发出报警信号，使操作者能及时阻止危险动 作执行，确保人员和设备的安全。 随着电子和计算机技术的不断进步，嵌入式技术取得了飞速的发展，嵌入式 系统( e m b e d d e ds y s t e m s ) 应用到了越来越多的行业和领域。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，适应应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。它通常由嵌入式处理 器、相关硬件支持设备以及嵌入式软件系统组成i l 】。由于嵌入式系统往往具有高 可靠性、小体积，低功耗以及低成本等特点，用它代替人工，应用在各类安全监 控环节上能极大提高监控精度，减轻人工负担，减小安全隐患。因此，针对监控 领域的嵌入式系统一直是国内外研究发展的热门与重点。 1 2 课题来源 本课题来源于上海市科委重大科技攻关项目“面向起升和车载设备的嵌 入式安全监控系统的研究与开发( 编号：0 4 d z l 5 0 1 1 ) ”。随着我国现代化建设进 程的加快，对工程机械的市场需求迅速增大，工程机械数目增长的同时也扩大了 事故发生率，起升设备作为工程机械中的主要成员，频繁发生的由于设备过载而 引起的倾覆事故一再提醒人们对该类设备进行监控的重要性和必要性。本课题正 是出于这一目的，将当前先进的嵌入式技术应用到起升设备的监控领域，弥补原 有系统的不足，提高性能，丰富功能，从而进一步增强起升设备的安全性。 上海大学硕士学位论文 1 3 研究意义 我国从2 0 0 3 年8 月实施强制性产品认证，起升设备的安全监控装置成为必须 装配的核心组件，安全监控系统具有极大的市场需求。 传统的安全监控系统通常以低端8 位单片机为主，编程语言一般采用汇编语 言，几乎没有操作系统的支持。这类产品硬件过于简单，芯片性能低，只能实现 基本的监控和报警功能，较难为用户提供丰富友好的界面和网络通信功能。由于 缺少操作系统的支持，应用软件的设计异常复杂，可复用性差。程序设计需以硬 件资源为中心，难以进行移植。而且系统的设计通常只针对某一特定型号的设备， 通用性较差，当设备进行升级或变动时，往往需要对程序或者硬件进行更改甚至 重新设计。在数据传输方面，多数老系统内部缺乏网络支持，各部件间的通信通 常使用一对一的连接方式，当通信节点增多时，连线的数目将非常庞大，极大的 影响了通信线路的可靠性和可维护性。 近年来，随着嵌入式处理器技术的不断进步，越来越多的嵌入式系统都采用 了功能强大、低功耗、高速度的3 2 位处理器，并且内存容量也不断增加。在软件 方面引入了操作系统的支持，增强了软件的功能和可靠性，提高了复用性，极大 地扩展了嵌入式系统的性能和应用范围。同时，在工业通信与控制领域，现场总 线技术【2 1 得到了广泛的应用，各通信节点只要接入到总线网络中即可与网络中其 他设备进行通信，减少了线路连接数，提高了通信线路的可靠性和可维护性。 因此，随着嵌入式技术、现场总线技术以及网络技术的迅速发展，起升设备 安全监控系统将会得到更加广泛的应用，其前景十分广阔。针对当前起升设备安 全监控系统的领域现状，结合新的市场需求，对嵌入式技术和现场总线技术在起 升设备安全监控系统中的应用进行相关研究，同时还可以借助无线通信技术与 i n t e m e t 连接实现远程监控，使得系统无论从结构或功能上，都能得到一个较大的 提升，可以大大提高设备的工作效率，一降低事故发生几率。而且从技术研究、经 济建设和社会发展等角度而言，也都具有深远的意义。 1 4 论文的主要研究内容和结构 本篇论文以作者攻读硕士学位期间参与的课题为基础，结合起升设备安全监 控领域的特点，针对原有系统的不足，采用当前先进的嵌入式技术和现场总线技 术设计了一个新的面向起升设备的嵌入式安全监控系统。 整个系统以主控节点为核心，它也是本文研究的主要内容。主控节点通过现 场总线实现与其他传感器节点的通信，在硬件设计上采用3 2 位高性能嵌入式处理 2 上海大学碗t 学位论文 器作为控制核心；软件方面引入了操作系统的支持，有效地提升了系统的性能， 能够为用户提供较为丰富的功能，如图形用户界面、新增节点的识别与显示、网 络通信等等。 本文后续章节的结构组织安排如下： 第二章：介绍了整个系统的总体设计思路与方案，包括系统的整体结构、主 控节点的功能需求和所需相关技术等： 第三章：介绍了主控节点软件开发平台的建立过程，内容主要包括宿主机软 件环境的建立，主控节点操作系统的移植等，为主控节点后续软件的开发提供了 良好的基础； 第四章：阐述了主控节点硬件设备驱动程序的设计方法，并介绍了主控节点 的c a n 控制器、键盘以及蜂鸣器的驱动程序设计过程： 第五章：详细介绍了主控节点应用程序各关键部分的设计与实现： 第六章：对本文所做的研究开发工作进行了总结，并探讨了以后研究工作中 需要关注的问题。 上海大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 2 1 传统系统的结构与不足 传统的起升设备安全监控系统通常由一个主控节点和若干个传感器节点组 成。主控节点是监控系统的核心，负责对各路传感器进行采样，对设备状态数据 进行监视，如果出现异常数据，则发出警报，提醒操作者及时阻止设备运行，恢 复到安全状态。分布在设备各处的传感器节点与主控节点进行一对一连接，整个 系统的结构如图2 1 所示： 图2 1 传统的起升设备安全监控系统总体结构图 在图2 1 所示的结构中，每个传感器节点都要与主控节点进行连接，实现设 备状态数据的传输。当具有多个传感器时，必然导致信号线数目增多，使系统的 安装、维护变得非常烦琐，同时也降低了通信线路的可靠性。主控节点的通信接 口在设计上需要考虑传感器的具体数目，日后每增加一个传感器节点都必须对主 控节点的硬件结构进行改动甚至重新设计。可扩展性很差。而且由于主控节点的 体积和硬件资源是有限的，因此限制了接入节点的数量，使系统无法实现更多的 监控功能。 在主控节点的设计与实现方面，传统系统通常在两种方案之中进行选择，一 种是使用工控计算机，另一种是使用单片机。采用这两种方案实现的主控节点都 具有一定的优点和长处，但在很多方面也有无法克服的技术劣势。下面分别对这 两种方案进行介绍。 4 上海大学硕士学位论文 一， 以工控机作为主控节点的监控系统 多数工控机在体积和组成结构上与p c 机相似，但在机体设计和芯片选择上 都有严格的要求，因此能够工作在比较恶劣的环境中。工控机在硬件资源上具有 较大的优势，可以运行通用操作系统和功能丰富的应用软件。而且工控机具有良 好的扩展性。对于各个硬件模块( 如硬盘，内存等) 的更换与升级都可以方便进 行。 然而，工控机虽具有比较完善的功能，但体积过于庞大，安装复杂，便携性 差，而且成本高昂，功耗较高，因此不太适合作为车载设备。目前，已经很少使 用工控机作为起升设备安全监控系统的主控节点。 二、以单片机作为主控节点的监控系统 单片机由于具有可靠性高、成本低廉、体积小、功耗低等特点，已被广泛应 用到了工业控制、数据采集、智能化仪表、办公自动化等诸多领域。单片机的处 理字长通常以8 位和1 6 位为主，其中8 位单片机的应用最为广泛。许多单片机在 芯片上还集成了多种功能，如模数转换器、u s b 接口等，使得此类单片机的系统 集成度更高，体积更加小巧。当前国内多数起升设备的安全监控系统都是采用单 片机作为控制核心的。 以单片机作为控制核心的监控系统在体积和成本方面都具有一定的优势，但 由于单片机较低的处理能力使得这类系统在功能方面非常受限，仅能实现基本的 显示和报警功能，难以为用户提供较为丰富友好的图形界面和其他方面的功能。 2 2 采用现场总线技术的监控系统 上一节通过对传统系统的结构组成和实现技术进行讨论，总结了传统系统在 原有的技术基础上所无法克服的缺点。针对传统系统在节点连接方面的不足，为 了使系统具有良好的扩展性，简化主控节点与各传感器节点的连接方式，方便系 统的安装与维护，提高数据传输的效率与可靠性，本文将现场总线技术引入到了 起升设备安全监控系统的设计当中，克服了原有系统的缺点，使得系统在功能、 扩展性、数据传输可靠性等方面都获得了一个较大的提升。 2 2 1 现场总线技术【2 】 传统的控制系统难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，要满足 自动控制技术现代化的要求，同时实现整个系统信息集成，实施综合自动化，就 必须设计出一种能在工业现场环境中运行、性能可靠、造价低廉的通信系统，完 成现场各设备之间的多点数字通信。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运 上海大学硕士学位论文 而生的。 现场总线通信系统是一个开放的通信网络，又是一种全分布控制系统。它作 为设备间的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的设备连接为网络系统， 并进一步构成自动化系统。从理论角度而言它属于网络范畴，但工业控制领域具 有其特殊性，因此现有的网络技术不能完全适应工业现场控制系统的要求。现场 总线的规模属于局域网、总线型结构，它结构简单且能满足工业现场的需要，具 有实时性强、可靠性高等特点。 2 2 2 系统总体结构 在系统结构的设计上，采用现场总线技术构建了总线型网络，主控节点和各 传感器节点无需实现一对一互连只要都接入到网络中就可以实现通信。传感器 节点可以随意加入到网络当中或者从中移除，而主控节点的硬件结构不用进行任 何修改，有效地克服了传统系统中传感器节点和主控节点间采用一对一连接所带 来的种种弊端。并且通信线的数量也大大降低，方便了系统的安装和维护，而且 在先进的现场总线技术支持下能很好的确保数据传输的效率和可靠性。整个系统 的结构如图2 2 所示。 图2 2 系统总体结构图 在图2 2 中，主控节点与各传感器节点都作为一个通信节点接入到现场总线 网络当中，本文采用了当前比较著名的c a n 总线。各通信节点基于c a n 总线协 议实现通信。 6 上海大学硕士学位论文 传感器节点除了具有数据采集功能外，还必须具备c a n 总线通信功能。由 于传感器节点的功能比较简单，因此使用带c a n 控制器的单片机( 如8 0 c 5 9 | 3 1 ) 即可实现控制和通信功能。数据采集单元将模拟信号进行a d 转换后传给8 0 c 5 9 1 进行处理，将采集到的数据以a s c i i 码格式表示，然后发送到c a n 总线上。 主控节点是整个监控系统的核心，与传统系统的主控节点相比，它除了具有 c a n 通信功能外，在当前先进嵌入式技术的支持下还拥有更为丰富强大的功能， 有关主控节点的设计方案将在2 1 3 节中展开。 2 3 基于a r m 处理器的主控节点 c a n 总线技术的应用为监控系统构建了总线型网络，各子节点能够方便地接 入到系统之中与主控节点进行通信。主控节点在硬件设计上不用考虑传感器的数 目，只需具备c a n 总线通信能力即可与传感器节点进行通信。 随着起升设备的不断发展与升级，传统老系统所实现的功能已经无法满足人 们的要求，用户希望监控系统能够实现更加丰富的功能。主控节点作为整个系统 的核心，以及与用户进行交互的部分，决定了整个系统的性能和所实现的功能。 传统的基于8 位单片机的主控节点由于较低的处理能力而无法实现比较丰富强大 的功能，随着嵌入式技术的发展，采用3 2 位嵌入式处理器已经成为许多嵌入式系 统的首选。嵌入式处理器通常使用r i s c 指令集，具有结构简单、功耗小、成本 低等特点，并且在处理能力和可靠性等方面都非常出色。本文通过使用3 2 位a r m 处理器作为主控节点的控制核心，以很少的附加成本获得了系统性能和新功能扩 展的广大空间。 2 3 1 a r m 处理器及优势 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c j l i n e s ) 【4 j 处理器是一种采用r i s c 指令集的3 2 位 嵌入式处理器，在近几年得到广泛的应用和发展。a r m 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。a r m 公司本身并不生产处理器， 只是设计大量高性能、低价格、低功耗的r i s c 架构的嵌入式微处理器内核，然 后将其技术转让给世界上其他芯片制造厂商，因此通常将所有采用a r m 核的处 理器统称为a r m 处理器。a r m 处理器具有以下三大特点f ，j ： ( 1 ) 小体积、低功耗、成本低、高性能： ( 2 ) 1 6 位3 2 位双指令集； ( 3 ) 全球众多的合作伙伴。 从成本、功耗、体积、性能等多方面综合考虑，在主控节点的实现方案上， 7 上海大学硕上学位论文 基于a r m 处理器的主控节点与采用单片机或工控机实现的主控节点相比都具有 一定的优势。 i 成本 如今多数a r m 处理器的价格已经进入了8 位单片机的价格区间，如面向低 端应用的a r m 7 处理器价格仅为几美金，性能优异的a r m 9 处理器价格也处在 十几美金的范围之内。而且芯片厂商通常在a r m 核的基础上又集成了其他硬件 资源，如网络控制器、l c d 控制器、a d 转换等，很多场合仅用一个芯片就包容 了所需的全部资源，无需外部扩展其他硬件资源。不但电路简单易行、风险减小， 而且产品价格也能控镱4 在理想的状态。因此，从成本角度考虑，采用a r m 处理 器实现的主控节点要远远低于工控机的成本；与基于单片机的主控节点相比几乎 不相上下，但却获得了远高于单片机的性能。 2 功耗 a r m 处理器是专门面向嵌入式领域所设计的，因此在设计过程中采用了多 种技术和手段来降低芯片的功耗。而且a r m 处理器使用r i s c 指令集，与采用 c i s c 指令集的处理器相比具有硬件结构单纯，架构精简等特点，使得功耗能得到 进一步的降低。如一些主频在2 0 0 m h z 左右的a r m 9 处理器，其功耗仅为2 0 0 r o w 。 3 体积 采用a r m 核的处理器自身体积都非常小巧，而且大多集成了一些常用的器 件，因此针对许多应用所构建的硬件系统对外围器件的需求非常少，从很大程度 上减少了整个硬件系统的体积。很多a r m 处理器硬件平台的体积要小于基于单 片机的硬件平台。 4 性能 a r m 处理器在性能方面的表现也十分优异，其中a r m 9 处理器最高主频已 达2 0 0 m h z 以上，a r m l o 处理器达到了3 0 0 m h z 以上。除此之外，a r m 处理器 使用了大量的寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载和存储这两 条指令可以访问内存，从而进一步提高了指令的执行效率。 2 3 2 主控节点的功能需求 在高性能a r m 处理器的支持下，主控节点的处理能力有了很大的提高，可以 向用户提供更加丰富完善的功能。如图形界面、无线通信、节点自由扩展等，彻 底克服了传统系统没有显示界面或者界面单调、缺乏无线通信能力、无法自由扩 展节点等不足，在行业里具有领先性。 由于主控节点在整个系统中的核心地位，并且拥有较为复杂的功能，因此本 文选用了具有a i 瑚9 2 0 t i 6 】核心的处理器作为主控节点的控制核心。 8 上海大学硕士学位论文 通过对起升设备行业进行调研与分析，针对传统系统的不足，并且结合当前 市场需求，总结出主控节点应满足的功能需求主要有： 1 人机交互功能 包括显示和输入两方面功能。显示功能采用5 7 寸2 4 0 x3 2 0 像素的t f tl c d 实现，使用丰富的图形界面达到良好的显示效果，能够将设备运转时的各个状态 数据直观地显示出来，同时还可以显示故障和警告信息；键盘实现输入功能，通 过键盘，用户可以向主控节点发出控制指令，使其完成相应的操作。 2 c a n 总线通信 c a n 总线属于现场总线，分布在设备各处的子节点通过挂接在c a n 总线上形 成一个网络系统，各部件间可以通过c a n 总线实现可靠、快速的数据传输。本系 统要求主控节点具有任意字节长度的数据收发能力，以满足未来系统升级扩展的 需求。 3 新节点的添加 当为系统添加新的传感器节点时，主控节点能够在不改变硬件和软件的情况 下接收并显示新增传感器节点采集到的数据。该功能是本系统的一个创新特色， 充分体现了系统良好的可扩展性。 4 无线通信功能 为加强对设备的管理，可以设立远程监控中心，分布在各处的起升设备可以 通过i n t e r n e t 与远程监控中心通信，接收远程监控中心发来的指令消息。由于许 多起升设备都具有移动性，如汽车起重机，并且经常分布在不同区域的施工现场t 因此主控节点采用无线方式接k i n t e r n e t 更加方便和现实。 2 3 3 硬件平台设计 主控节点的硬件平台采用了三星公司的s 3 c 2 4 1 0 7 】处理器作为控制核心，该处 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 式微处理器，广泛应用在移动设备，工业控制，无线通信等领域。 整个硬件平台的器件选型以及连接方式参考了三星公司提供的s m d k 2 4 1 0 评估板【蚋。s m d k 2 4 1 0 评估板基于s 3 c 2 4 1 0 处理器，是三星公司针对s 3 c 2 4 1 0 处 理器所设计的参考硬件平台，目的是对处理器的性能进行有效的评估。由于 s 3 c 2 4 1 0 处理器在内部集成了液晶控制器，因此这里不需要液晶控制芯片。在参 考s m d k 2 4 1 0 板的设计基础上只需再增加键盘、蜂鸣器、c a n 控制器和收发器 即可构成主控节点完整的硬件平台。由于多数操作系统都提供了对该评估板上硬 件设备的支持，所以参考该评估板进行器件的选型与连接能够方便操作系统的移 植，减少驱动程序的开发工作。图2 - 3 是主控节点的硬件组成图。 9 上海大学硕士学位论立 二二二二二二= 二二二二二二二二二二主兰二二二二二二c a n 总线 图2 3 主控节点硬件系统组成图 存储器件是处理器运行所必需的器件，在存储系统的配置上，s 3 c 2 4 1 0 提供8 路片选( n g c s 0 n g c s 7 ) ，每个片选都指定了固定的地址，每个片选固定间隔为 1 2 8 m 字节，分配情况如表2 1 所示。硬件平台的内存由两片1 6 m x l 6 位数据宽度 的s d r a m 构成，两片拼成3 2 位模式，共“m 字节，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 片选分配图 。i 、+ 1 i片选 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 用于存储引导代码、操作系统内核和文件系统，是由一片8 mx1 6 位数据宽度的i n t e le 2 8 f 1 2 8 t g lf l a s h 组成，该f l a s h 为n o rf l a s h ，支持处 理器直接寻址，接n g c s 0 ，起始地址是0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 。通常在使用时将f l a s h 分 成若干区域，不同区域存储不同用途的代码，如系统引导程序，操作系统内核等 等。 i o 上海丈学顽t 学位论文 2 3 4 所需相关技术 根据主控节点的功能需求，实现这些需求所必需的几个相关技术有： 一、c a n 总线技术 c a n 总线是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场 的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备问的数字通信以及这些现场控 制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。由于c a n 总线简单、可靠、经济实 用等一系列突出特点，因而受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视。 c a n 总线是一种多主方式的串行通讯总线，由物理层、数据链路层和应用层 构成。总线中各节点在网络中的地位相同，没有主、次之分。节点的数量可随时 变更而不影响其他节点的通信，因而可以很方便地加入和拆除节点。 c a n 总线上用“显性”( d o m i n a n t ) 和“隐性”( r e c e s s i v e ) 两个互补的逻辑 值表示“o ”和“1 ”，当在总线上出现同时发送显性和隐性位时，其结果是总线数 值为显性( 0 与“l ”相与的结果为“0 ”) 。当总线空闲时，呈“隐性”状态， 当有任一节点发送“显性”位时，总线进入“显性”状态。c a n 总线一般使用双 绞线作为传输介质，采用总线拓扑结构，最远通讯距离可达1 0 公里，当通讯距离 小于4 0 米时，数据传输速率可达1 m b p s 。 c a n 报文的传输具有4 种不同的帧类型，用于实现不同的功能，它们分别为： 1 数据帧 数据帧是最常用的报文，用于传送数据信息，由7 个不同的位域组成，它的 结构如图2 4 所示： 一图2 4 c a n 总线数据帧格式 帧起始标志一个帧的起始，由一个显性位组成；仲裁域由1 1 位标识符和r t r 位组成，r t r 是远方请求发送位，在数据帧中该位为“显性”：控制域由6 位组 成，前两位保留，后4 位表示本帧数据域里所含数据的字节长度，最大值为8 字 节；数据域用来包含所传送的数据，由0 到8 个字节组成；c r c 域由1 5 位循环 冗余校验码和一个界定符组成，c r c 的生成多项式为：x ” + x 1 4 + x l o + x 8 + x 7 + ) ( 4 + x 3 + i ；应答域由2 位组成，分别是应答间隙和界定符；帧结 束域由连续7 个“隐性”位组成。 2 远程帧 用于接收节点请求远方节点发送具有和它的标识符一样的数据帧。远程帧的 上海大学硕士学位论文 结构与数据帧类似，只是不含数据域，而且r t r 位是“隐性”。远程帧的标识符 与其请求发送的数据帧相同，当二者同时发出时，由于数据帧的r t r 位呈“显性” 而优先。 3 错误帧 任何节点检测到总线错误时就会发出错误帧。它由6 个连续的“显性”位和 8 个连续的“隐性”位组成。 4 过载帧 与错误帧结构相同。当接收方由于未处理完数据，不希望再接收时，或在3 个“隐性”位的帧间隔中出现“显性”位时，发送过载帧。 由于c a n 总线一帧的数据长度最大为8 个字节，因此可以用多帧的h i l o n a 协议来使c a n 总线传输的数据任意长。h i l o na 协议是一个通用协议【1 0 1 ，它基于 非对称型主从式网络结构，支持广播和点对点传送命令数据，命令数据包可长达 2 5 6 字节。 二、无线通信技术 近年来，无线通信技术取得了飞速发展，无线通信由于具有移动性并且很少 受空间位置的影响，因此在许多领域都有其用武之地。由于多数起升设备所应用 的工作场所并不固定，这些设备大多具有移动性，因此无线通信技术非常适合实 现起升设备监控系统与外界网络的通信。当前，全球许多地区都建立了庞大的g s m 无线移动通信网络，覆盖面积相当广泛，传统g s m 网络采用电路交换方式进行数 据传输，对资源的利用率不高，无法适应大量的数据应用。因此人们在g s m 的基 础上又提出了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 ，通用分组无线业务) 技术， 它是在现有g s m 系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为g s m 用户提供分 组形式的数据服务。g p r s 采用与g s m 同样的无线调制标准、同样的频带、同样的 突发结构、同样的跳频规则以及同样的t d m a 帧结构，这种新的分组数据信道与当 前的电路交换话音业务信道极其相似。因此，现有的基站子系统( b s s ) 从一开始 就可提供全面的g p r s 覆盖1 1 1j i ”j 。 g p r s 理论带宽可达1 7 1 2 k b p s ，在此信道上提供t c p i p 连接，可以用于 i n t e r n e t 连接、数据传输等应用。g p r s 采用分组交换技术，每个用户可同时占用 多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用，数据 传输速率高达1 6 0 k b p s i i ，】【i ”。 与原有g s m 的数据业务相比，g p r s 数据业务可以实现资源共享，对频率的利 用率高，具有较快的接入速度和数据传输率，并且用户永远在线，采用流量计费。 若起升设备安全监控系统的无线通信功能使用g p r s 技术来实现，无论从成本还是 1 2 上海大学硕士学位论文 可靠性方面，都是非常有利的。主控节点通过连接带协议转换功能的g p r s 收发模 块实现无线网络的接入，收发模块可以在市场上方便地购买，免除了自行设计与 开发带来的难度。而且采用外部模块灵活性较强，不用对现有硬件平台进行改动， 可以根据需求对无线通信模块进行方便的添加或移除。 2 4 小结 本章给出了起升设备安全监控系统的整体结构，并对主控节点所需实现的功 能进行了介绍，针对这些功能需求讨论了所需的关键技术。在主控节点的硬件设 计方面，参考三星公司的s m d k 2 4 1 0 评估板设计了硬件平台，并增加了c a n 控 制器和收发器、键盘和蜂鸣器。 嵌入式系统是硬件与软件相殆合的，软件部分除了对硬件设备进行控制与管 理外，还要实现与用户的交互。软件部分可以说是嵌入式系统的一个重点，通常 在整个嵌入式系统开发过程中所占周期最长，因此构造软件系统是整个起升设备 安全监控系统的主要工作。本文后续部分将对起升设备安全监控系统主控节点的 软件系统构建过程作以详细介绍。 上海大学硕士学位论文 第三章软件开发平台的建立 随着嵌入式技术应用领域的扩大以及人们要求的不断提高，软件逐渐成为嵌 入式系统的核心部分，是嵌入式系统开发的重点。主控节点作为起升设备安全监 控系统的主要部分，要实现比较丰富的功能，必须拥有一个完善的软件系统。如 果能有一个良好的软件开发平台作为支持，则能较为有效的提高软件开发效率， 缩短产品上市时间。本章对主控节点软件开发平台的建立过程进行了介绍，在此 平台的基础上能够方便地进行软件开发与调试，为主控节点后续软件的开发提供 了便利。 3 1 平台结构 整个主控节点的软件开发平台结构如图3 1 所示： 图3 1 起升设备安全监控系统软件开发平台 在图3 1 中，整个软件开发平台的结构分为宿主机和目标硬件平台两部分。 这里使用p c 机或其他类型的通用计算机作为宿主机，目标硬件平台是系统主控 节点的硬件主板。 由于嵌入式系统是一个资源受限的系统，多数嵌入式系统不能提供足够的资 源进行程序的设计、编译和调试。因此，源代码的设计与编写通常都是在宿主机 上进行的，然后通过交叉编译器将源程序编译成可以运行在目标硬件平台上的二 进制编码。交叉编译技术是嵌入式开发过程中的一项重要技术，它的主要特征是 某机器中执行的程序代码不是在本机编译而成，而是由另一台机器编译生成。 1 4 上海大学硕士学位论文 根据图3 1 中的内容可以看出，整个软件开发平台的建立工作主要包括以下 三个步骤： 一、建立宿主机和目标硬件平台的连接 使用标准接口连接宿主机和目标硬件平台，实现两者之间的通信和数据传输， 方便程序从宿主机到目标硬件平台的下载、烧写、运行等工作。 二、配置宿主机软件环境 嵌入式系统的软件开发工作大部分是在宿主机上完成的，因此宿主机软件环 境的建立是一个关键部分。通常需要在宿主机上建立的开发工具和支持软件主要 有： 1 代码编辑工具 代码编辑工具要求具备基本的文本编辑功能，可以输入、编辑和保存程序的 源代码。 2 交叉编译、连接工具 用来将代码编译、连接成可以运行在特定处理器上的二进制代码。 3 调试与错误查找工具 通过对程序的运行进行控制和监视，实现对程序的调试和错误查找。 4 代码下载、烧写工具 ， 通过对硬件接口进行操作，能够将二进制代码从宿主机下载到目标硬件平台 上，并且可以烧写到目标硬件平台的f l a s h 中。 5 c ，c + + 函数库 当前嵌入式程序的开发语言以c ，c + + 为主，各种c c + + 的标准库函数( 如 s t r c p y 0 、m a l l o c 0 等) 经常在程序中被调用。为了程序设计和移植的方便，确保编 译和连接过程顺利执行，c ，c + + 函数库是必不可少的。 6 网络服务器 使宿主机具备基本的网络服务，如1 f r p 、f t p 、h r r p 等，这样可以在软件 开发过程中通过网络环境进行数据的快速传输。 7 软件组件库 操作系统的引入使得软件系统的层次性增强，程序通常被分成了与硬件无关 的程序和与硬件有关的程序。与硬件无关的程序主要是操作系统之上的应用模块， 而与硬件有关的部分主要是操作系统的驱动程序模块。使用软件组件库能有效地 归纳组织这些程序模块，将它们以组件的形式进行管理。在驱动程序或应用软件 开发过程中，可以先从组件库中查找是否有合适的组件可以使用，设计好的驱动 模块或应用模块也可以添加到组件库中，供以后的软件开发进行参考或使用。 上海大学硕士学位论文 三、配置目标硬件平台软件环境 在目标硬件乎台没有任何软件的情况下，宿主机可以使用工具软件，通过专 用接口( 如j t a g 口或串口) 将程序下载到目标硬件平台，采用这种方式下载程 序速度较慢，调试不便。为方便后续软件的开发与调试，本文为目标硬件平台也 搭建了基本的软件环境，包括引导程序和嵌入式操作系统。 这里要求引导程序除了能引导操作系统启动外。还具有通过网络快速下载程 序和烧写f l a s h 的功能。这样当引导程序启动后，操作系统映像或其他程序和 数据都可以使用引导程序提供的功能快速下载到内存指定位置或烧写到f l a s h 中。当目标硬件平台运行有操作系统后。以后在测试时不用每次都将驱动程序或 应用程序烧写到f l a s h 上运行，只需通过操作系统提供的网络协议连接到宿主 机，通过网络方式运行即可。 3 2 宿主机与目标硬件平台的连接 宿主机和目标硬件平台主要通过三类接口进行连接，分别是j t a g 接口、串 1 ：3 以及以太网接口。图3 2 给出了本文所建立的硬件连接图： 图3 2 软件开发平台的硬件连接图 在图3 2 中，用p c 机作为宿主机，目标硬件平台的串口c o m 0 与宿主机的 串口相连：j t a g 接口通过