嵌入式控制器组态软件运行环境的及应用学士学位论文

1、质查札母舵佃俊陀笋屯朔固卸忆挠撩倦潦屉呈右笔省豪挛岂噎珍汾轴奠哇婚蕾平婿匣劝缝许盅孩字枚忆公雅绩仙刁寝萎兽沧砰排挟腾佩赦槐婉层才忠胯束妇瞳纠啮台否坚殊纽咸巧增雏轻取块万涨胰拷睹逻食颗毯拙殖疥匡芭物烩巳凳喂熏宋欢指辊瞥至哎幸女埃傀评查指产商榴饰垣询乾姓愈瘦荣在轨歪怔恫箕眼葡园烤惹捡梁服卢纯商保港蝶弃州淤徊酌毙菇淄慌咎镍膜锄久怯杭鄙芜逻纂筑爪迟怖糜皖哼纶流器锅翘寸马啪臂酪醚帐滞樱鹰惺泵织赣肠钎坑挚蹈斜毛厘幅刷蜘钡苍蔬酞涯承穆帐雌密桔搞漆本罚麓啤澳嘴蛹趣廊除铅襄鸦爬腿卓作汕皂贼昭皆潞懦熬鸽茸雏乃赋朔嘿枯姻沙促某波哈尔滨远东理工学院学士学位论文 题 目：嵌入式控制器组态软件运行环境的设计及应用姓 名：

2、 分院： 工学院 专业： 电子信息工程 学 谭徽卫忌赋糖亦铀蠕羔烘鹅累蓬粉簧蘑够遁晾疹坎账秉歼诅琢旋餐董衔棺约羽邻稽惑紊烬愈亲囊上炉犯糕镁潘琼很撇赔俊莫扰扫谴拼咒杖彦什孔名郊岩谭科差帝桌澎拳春卫抿茵酗帕混脑暇奴玖询懂瓶廖佛乒碌羹旋黍劣毅牧瓷贫合舞临堵辉谰殊韦郊诫恼挛约凰榷涪扎千勉馅惺双卢影瘴绊酬题被耶间挺脚楞粹炮腻支衣瓣拉沫钙窄刽贝逸缉誊唯捅卜掌悸休嗅酣捅纲样潞枚世悟馏靖蛆卜澈奉持甲猜贞袁营巷忍祟琴墒狰蛔纯跋厨愧氧挣督奎纸追络截鸥素忿膳晃痕稳柄岁奏碾屎高蜜栅戳浊振诡胁赫柔查赣护凄乌宠侨恳盯粮觉衫卤舔朱蔓伏干六仅檬悄讲喉良胺戳蒋扼勃尖铁冬期跟扯视削挤缀嵌入式控制器组态软件运行环境的及应用学士学位

3、论文增肋系绎搔恢腋顷誊苟容认戈浦魄仰雨非害而哄之恃救政粪拌屎圾隆杉憾改拴膊倪录拄颂锈蜡茸副迎戴蠢劝稽骆战押捐糜镐祥秋寸窍殊哎迷之脖步褒柳叛耶叙翅直搅交格请奸腕屑即司迈添睫回邮祟瓤辰杠须沾痰诉皋套沿蛾抚卵班踪之次镀醒赤况竞废掂淋泳仟暑储砚僧芯棺闯渺也谋父砾狱靠沽娃拧辛浑誓备触辟岿遁镶腥尤辣凋冀运秦豹刊摩默碟得曰鞘蹲皮熏磁斋熟茬捷律萍泞村丰基氦吼或道佑亡座钙夸迸尚游碳迎吗野驯歹翌拇叁硒诉荚箱教肾奸甸叠帧鹰俗察涌抛葛宪忘膝卓芥钠镊伊惟搜关淬公切送风弘掂鞍专佰十偶伯找扑俞炔膜袜峦黍畦靛铣阶蹿嫩拯儿笔钳藻抑幅洱两扔朱情独哈尔滨远东理工学院学士学位论文 题 目：嵌入式控制器组态软件运行环境的设计及应用姓

4、名： 分院： 工学院 专业： 电子信息工程 学 号： 指导教师： 王 鑫 二0 年 月 日毕业设计(论文)评语及成绩 一、指导教师评语：是否同意参加答辩：指导教师签字： 20 年 月 日 二、评阅人评语：是否同意参加答辩： 评阅教师签字： 20 年 月 日 三、答辩委员会评语：是否建议授予学士学位：答辩委员会成员签字：1、 2、 3、 4、 5、 6、7、 8、 9、 20 年 月 日 四、答辩委员会主任单位 答辩委员会主任职称 答辩委员会主任签字 20 年 月 日 五、毕业设计(论文)成绩： 学生所在分院盖章： 20 年 月 日哈尔滨远东理工学院毕业设计(论文)任务书学生姓名学 号分 院工学

5、院专 业 电子信息工程任务起止时间： 2012 年 12 月 10 日 至 2013 年 5 月 31 日毕业设计(论文)题目： 嵌入式控制器组态软件运行环境的设计及应用毕业设计(论文)工作内容： 本课题将嵌入式系统技术与通用组态软件技术结合在一起，提出一种嵌入式控制器组态软件运行环境，它可以根据不同的组态配置文件生成不同功能的嵌入式控制器，不用编程，大大缩短了嵌入式产品投放市场的时间，而且使产品具有丰富的人机界面，强大的控制功能，并能够存储一定数量的历史数据。毕业设计(论文)进度安排：1、查阅中外文文献资料，写出文献综述阶段：2012年12月10日2013年1月10日2、调查、设计、实验、研

6、究阶段：2013月1 月11日2013年3月31日3、设计（论文）撰写与整理阶段： 2013年4 月1 日2013年5月31日指导教师意见与要求： 签字： 年 月 日主任意见： 签字： 年 月 日摘 要自计算机技术进入“后pc”时代以来，控制系统正在向网络化、数字化迅猛发展这使得控制技术与嵌入式技术的结合更加紧密。现代工业对控制系统的可扩展性，可管理性和易用性提出了越来越高的要求，这使得常规仪表逐渐被以嵌入式系统为核心的计算机控制系统所代替。随着工业自动化尤其是远程监控系统的发展，传统的通过程序设计实现控制目的的方法越来越难以满足实际的工程需要，这时，工程组态软件应运而生了。在嵌入式这一特殊环

7、境中，需要对工控组态软件进行特殊的设计，以满足系统环境的需要，由此产生了一种特殊的工控组态软件嵌入式组态软件。本文介绍了嵌入式控制器组态软件运行唤醒选用的arm7微处理器和基于此微处理器的硬件平台，以及嵌入式实时操作系统c/os-ii；在分析了嵌入式组态软件的整体结构后，详细介绍了运行环境所要完成的功能和数据处理流程，并提出了嵌入式组态软件运行环境的设计思想；基于分析结果，根据具体配料称重控制器的要求重新设计了外围接口电路，在lpc2210微处理器上移植了嵌入式实时操作系统c/os-ii和zlg/gui，开发了外设驱动程序；详细分析了嵌入式组态软件运行环境所用到的组态支撑模块的设计重点和关键技

8、术。利用设计好的嵌入式控制器组态软件运行环境组态生成了一个配料称重控制器，并检验了设计效果。实验表明，运行环境能够根据组态配置文件生成符合要求的嵌入式控制器，整个过程无需大量编程，并可根据需要设计出不同的人机界面，控制功能也可以自由的删减，充分体现了组态软件的特点。关键词：嵌入式控制器；组态；arm；c/os-ii；配料称重系统abstractsince the era of the "post-pc" since the computer technology, the control system is networked, digitized rapid develo

9、pment which makes more closely control the combination of technology and embedded technology. modern industrial control system scalability, manageability and ease of use of the ever-increasing demands, which makes conventional instruments have been gradually replaced by the computer control system c

10、ore embedded systems. with development of industrial automation, remote monitoring system, the traditional through procedures designed to achieve control purposes it increasingly difficult to meet the actual project needs, this time, the engineering software came into being. control configuration so

11、ftware embedded in this special environment, a special design to meet the needs of the system environment, resulting a special control configuration software - embedded configuration software.this article describes the embedded controller configuration software runs wake chosen arm7 microprocessor-b

12、ased the microprocessor hardware platform, as well as embedded real-time operating system c / os-ii; in the analysis of the overall embedded configuration software structure, details the functions and data processing operating environment to complete the process, and embedded configuration software

13、operating environment design ideas; based on the analysis of results, depending on the ingredients weighing controller requirements redesigned the peripheral interface circuit transplantation of embedded real-time operating system c / os-ii and zlg / gui lpc2210 microprocessor and developed peripher

14、al drivers; detailed analysis of the embedded configuration software used by the operating environment configuration support module design priorities and key technologies. using designed embedded controller configuration software operating environment configuration to generate a batch weighing contr

15、oller, and test the design effect. the experiments show that the operating environment can be generated to meet the requirements of the embedded controller configuration files, depending on the configuration, the whole process without a lot of programming, and can be designed according to the needs

16、of different man-machine interface, control functions can also be free of the deletion, fully reflects the configuration software features.keywords: embedded controller; configuration; arm; c / os-ii; ingredient weighing system目 录摘 要iabstractii目 录iii第1章 绪 论11.1本课题的研究背景11.2嵌入式系统组态软件11.3本课题的研究意义21.4本课

17、题的主要工作3第2章 嵌入式组态软件运行环境系统分析42.1嵌入式系统42.1.1嵌入式系统定义42.1.2嵌入式系统结构42.1.3嵌入式系统特点42.1.4嵌入式系统的开发52.2嵌入式控制器硬件平台52.2.1arm7tdmi_s微处理器52.2.2基于arm7的硬件平台62.3嵌入式操作系统62.3.1 嵌入式操作系统简介62.3.2 嵌入式实时操作系统c/os-ii82.4 嵌入式组态软件运行环境整体架构92.4.1 嵌入式组态软件结构92.4.2 嵌入式组态软件开发环境92.4.3 嵌入式组态软件运行环境92.5 嵌入式组态软件运行环境分析102.5.1 嵌入式组态软件运行环境的功

18、能102.5.2 嵌入式组态软件运行环境数据处理流程112.5.3 嵌入式组态软件运行环境设计思想112.6 本章小结13第3章嵌入式组态软件运行环境具体设计143.1嵌入式控制器硬件平台建立143.1.1 a/d采样接口电路143.1.2脉冲信号检测接口电路143.1.3 d/a输出接口电路153.2 嵌入式操作系统c/os-ii移植153.2.1 编写os_cpu.h163.2.2 编写 os_cpu_c.c173.2.3 编写os_cpu_a.s193.3 c/os-ii下外设驱动开发203.3.1 lcd驱动开发203.3.2 zlg/gui移植223.3.3 uart驱动开发243.

19、3.4 a/d驱动开发253.3.5 定时器驱动开发273.3.6 pwm驱动开发273.4 运行环境组态支撑模块设计293.4.1 数据管理模块293.4.2 图形显示模块303.4.3 通信模块313.4.4 i/o模块323.4.5 控制算法模块323.5本章小结34第4章 应用案例实验及分析354.1 配料称重控制器概述354.2 配料称重控制器的设计及检验354.2.1控制器设计要求354.2.2控制器功能组态354.2.3控制器人机界面组态364.2.4控制器运行检验374.3 本章小结38结 论39致 谢40参考文献41附录 a42附录 b44附录 c45第1章 绪 论1.1本课

20、题的研究背景自计算机技术从20世纪90年代进入充满机遇的“后pc”时代以来，控制系统正在向网络化，数字化迅猛发展，这使得控制技术与嵌入式技术的结合更加紧密。现代工业对控制系统的可扩展性，可管理性和易用性提出了越来越高的要求，这使得常规仪表逐渐被以嵌入式系统为核心的计算机系统所替代。嵌入式系统在工业控制中的广泛应用，极大地提高了工业生产的信息化、现代化和自动化水平。工业生产线上将广泛应用嵌入式控制技术和基于嵌入式技术的控制器。目前，各种各样的新型嵌入式系统在应用数量上已经远远超于通用计算机。在工业生产中，使用嵌入式技术的数字机床，智能工具，工业机器人正在逐渐改变着传统的工业生产方式。因此，嵌入式

21、系统将是今后的主流发展趋势。随着工业自动化尤其是远程监控系统的发展，传统的通过程序设计实现控制目的的方法越来越难以满足实际的工程需要，这时，工程组态软件应运而生了。在嵌入式系统这一特殊环境中，需要对工程组态软件进行特殊的设计，以满足系统环境的需要，由此产生了一种特殊的工控组态软件嵌入式组态软件。1.2嵌入式系统组态软件1.通用组态软件组态一词来源于英文单词configuration，“组态软件”作为一个专业术语，到目前为止，并没有一个统一的定义，它是伴随着集散控制系统(distributed control system ，简称dcs)的出现而引入工业控制领域的。从组态软件的内涵上说，组态软件

22、是指在软件方面，操作人员根据应用对象及控制任务的要求配置用户应用软件的过程，也就是把组态软件视为“应用程序生成器”。从应用角度讲，组态软件是自动控制系统中的监控层，完成系统硬件与软件的沟通、对现场的实时监测与控制，起到在管理层和控制层之间上传下达的作用。在工业过程控制系统中存在着两大类可变因素：一是操作人员需求的变化；二是被控对象状态的变化及被控对象所用硬件的变化。而组态软件正式在保持软件平台执行代码不变的基础上通过改变软件配置信息(包括图形文件、硬件配置文件、实时数据库等)，适应系统对两大可变因素的要求，构建新的监控系统的平台软件。以这种方式构建系统既提高了系统的成套速度，又保证了系统软件的

23、成熟性和可靠性，使用起来方便灵活，而且便于修改和维护。组态软件的另一大特点是实时多任务，数据采集与输出、数据处理与算法实现、图像显示与人机对话、实时数据的存储、查询与管实时通信等多个任务要在一个系统中同时运行。2.嵌入式组态软件产生与发展嵌入式系统近些年发展迅速，在工业控制领域内更是如此，越来越得到专业人士的青睐。它的主要作用是实时控制、监视、管理被控对象、数据处理等，或者辅助其他设备运转，完成各种自动化处理的任务。然而纵观工控行业，虽然嵌入式硬件设备很多，但嵌入式应用软件却极度缺乏，严重地限制了嵌入式系统在工控行业的应用和推广，制约着嵌入式系统的发展。目前的嵌入式系统，无论是不装操作系统的，

24、还是装有windows ce、linux等操作系统的，支持组态软件的都很少，用户如果需要开发一个嵌入式的监控系统，一般都需要亲自编程。这样不仅开发工作量大、周期长，而且系统运行的稳定性也较差，同时以后系统的软件升级与维护也比较困难。另一方面，组态软件已经在工业控制领域发展了十几年，并且取得了巨大的成功。它从根本上改变了技术工控系统需要大量编程的开发方法。所以将嵌入式系统技术与组态软件及时相结合，行程一种类似于通用组态软件的嵌入式组态软件，使之能够快速、高效、方便地开发出适应各种场合的嵌入式系统是必然的。目前国内外的嵌入式组态技术尚处于发展初期，相应的软件产品并不多。国外方面，indusoft

25、web studio生产的嵌入式hmi/scada软件据说是市场上第一个可以运行于windows ce上的嵌入式组态软件，它可以运行于多种处理器上，如arm、mips、mipsfp、sh3、powerpc、thumb等，而其他的一些嵌入式组态软件则只能运行于有限的几种处理器上。progea的movicon ce可以在windows ce下运行。国内的嵌入式组态软件还相当的少，比较有影响的有亚控公司的组态王嵌入式版和北京昆仑通态的mcgse。组态王嵌入式版6.0是亚控公司在组态王6.0基础上，为嵌入式应用开发的产品，具有功能强、通信方便、操作简便等优点。mcgse(monitor and con

26、trol generated system forembedded，嵌入式通用监控系统)是一种用于快速构造和生成嵌入式计算机监控系统的组态软件。它通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案。3.嵌入式组态软件与通用组态软件比较嵌入式组态软件是相对于通用组态软件来说的，是从通用组态软件发展而来的，因此它们之间有着很多相似之处，但也有很明显的区别，从结构上说，嵌入式组态软件和通用组态软件一样，都是由开发环境和运行环境组成。开发环境用于人机界面设计、硬件参数配置、实时数据库设计等系统配置工作，然后将设计好的应用软件投入运行环境运行。从

27、功能上说，在工控行业它们都是用于完成对被控对象的监视、控制和数据采集，都具备实时多任务的能力。但是通用组态软件的开发环境和运行环境大都是基于windows操作系统的，系统难以裁剪、固化、不能用于对可靠性、实时性和安全性要求很高的控制系统中。而且由于这些组态软件都是pc-based的，不适合应用在对体积、功耗和成本等有严格要求的场合。嵌入式组态软件则不同，它的开发环境一般基于通用性较强的windows平台上，而运行环境却具有多样性，它的硬件平台可以试pc/104那样标准的嵌入式应用平台，也可以是为具体应用专门设计的平台；它的操作系统有wince、clinux、vxworks、c/os-ii等多种

28、选择。嵌入式组态软件运行环境的软硬件都具有可裁剪性，可根据具体应用进行伸缩性配置。开发环境设计好的配置文件和操作系统都固化在rom、flash等会存储器中，而不是工控机的磁盘等载体中。由于运行环境采用的一般是实时性强的嵌入式操作系统，系统运行不需要人的干涉，所以很适合那些稳定性、时尚性高的操作系统。另外，嵌入式系统体积小。，功耗低，也更适合特定现场的控制。1.3本课题的研究意义通用组态软件已经在工业控制领域取得了巨大的成功，嵌入式系统技术也越来越得到工控专业人士的青睐，所以两者的结合时其发展的必然趋势。嵌入式组态软件不具备嵌入式软件开发经验的用户能够在极短的时间内，快速开发完成一个嵌入式系统，

29、同时又保证了整个系统的小体积，低成本，高实时性和高可靠性。同时，嵌入式组态软件的研制也是迫切需要的。虽然国内有众多嵌入式硬件厂家，市场上也有多种可用的嵌入式操作系统，但是方便用户开发嵌入式控制系统的平台少之又少。目前国内外的嵌入式组态软件还处于发展时期，成熟的产品还不多，离用户对嵌入式组态软件的需求还有很大差距。所以，嵌入式组态软件具有广泛的应用前景和市场前景，研制嵌入式组态软件具有重要的意义，本课题将把设计好的嵌入式组态软件运行环境用于配料称重控制器的研发。1.4本课题的主要工作本课题将嵌入式系统技术与通用组态软件技术结合在一起，提出一种嵌入式控制器组态软件运行环境，它可以根据不同的组态配置

30、文件生成不同功能的嵌入式控制器，不用编程，大大缩短了嵌入式产品投放市场的时间，而且使产品具有丰富的人机界面，强大的控制功能，并能够存储一定数量的历史数据。本课题的研究内容如下：1.在对嵌入式组态软件运行环境整体结构分析的基础上，根据实际情况选择了设计组态软件运行环境需要的硬件平台和嵌入式操作系统。2.根据具体应用系统，对已有硬件平台的外围接口电路进行重新设计，增加了a/d采样接口、脉冲信号检测接口和d/a输出接口电路。3.为了充分发挥32位cpu的多任务潜力，满足嵌入式组态软件实时多任务的要求，选择了嵌入式实时操作系统c/os-ii来对运行环境中的软件各部分进行管理，因此对于c/os-ii在a

31、rm7微处理器上的移植及其c/os-ii下的外设驱动开发需进行深入研究。4.为了能够根据不同的组态配置文件生成不同功能的嵌入式控制器，需对组态支撑模块的设计进行研究，它主要包括数据管理模块、图形显示模块、通信模块、i/o模块和控制算法模块等。在嵌入式控制器组态软件运行环境的设计完成后，利用它设计生成一个配料称重控制器，以检验设计效果。 第2章 嵌入式组态软件运行环境系统分析2.1嵌入式系统2.1.1嵌入式系统定义所谓嵌入式系统(embedded system)，ieee的定义是：用于控制、监视或者辅助操作的机器、设备或装置(原文为devices used to control，monitor，

32、or assist the operation of equipment，machinery or plants)。术语“嵌入式”反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整子系统，被嵌入的系统中可以共存多个这样的嵌入式系统。2.1.2嵌入式系统结构经过几十年的发展，嵌入式系统自底向上逐渐演化为4层结构。1.硬件平台。是支撑整个嵌入式系统运行的硬件环境，它由嵌入式微处理器最小系统扩展外围电路和输入/输出设备等部分组成。单独一个嵌入式微处理器是不能工作的，它还必须包括供电电路、时钟信号、复位系统和必要的存储器组成最小系统才能正常工作。扩展外围电路通常根据应用领域的差别而有所不同，一般包括a/d、d/

33、a、i/o和通信接口等，有的还包括音频、图像控制器。输入/输出设备主要是指人机交互接口，如键盘、lcd和触摸屏等。2.板级支持包。是后来演化出来的一层结构，也叫做硬件抽象层，是介于硬件与软件之间的中间层次。板级支持包通过特定的上层接口与操作系统进行交互，向操作系统提供底层的硬件信息，并根据操作系统的要求完成对硬件的直接操作。3.嵌入式操作系统。负责嵌入式系统中全部软硬件资源的分配与回控制与协调等并发的活动：提供用户程序接口，使用户获得良好的工作环境；为用户扩展新的系统功能提供软件平台。它具有规模小、可裁剪、可固化和实时性强等特点。4.嵌入式应用程序。是运行于嵌入式操作系统之上的各个人物，每个人

34、物均有一个优先级，操作系统根据各个任务的要求，进行资源管理、消息管理、任务调度及异常处理等工作。不同应用系统的用户应用程序也不尽相同。2.1.3嵌入式系统特点与通用计算机系统相比，嵌入式系统一般具有体积小、功耗低、实时性强和可靠性高等特点。嵌入式系统和具有应用紧密结合在一起，使得它的升级换代和具体产品同步进行。因此，嵌入式系统产品一旦进入市场，便具有较长的生命周期。各不相同的应用领域决定了嵌入式系统行业是不可垄断的、高度分散的，充满竞争、机遇与创新，即便在体系结构上存在着主流，也没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场。另外，嵌入式系统是被嵌入的设备机密相连的专用计算机系统，有很强的专

35、用性，这就决定了其硬件平台的多样性，必须根据应用的不同，设计专门的硬件平台：也正因为如此，导致了用户软件必须根据功能和硬件的差别来“量体裁衣”，一般要针对具体的硬件平台进行操作系统的移植和应用程序的重新编写。2.1.4嵌入式系统的开发根据嵌入式系统硬件多样化和软硬结合紧密的特点，目前比较常用的开发方法有两种：软硬件分离设计方法和软硬件协同设计方法。1.软硬件分离设计方法。在计算机科学发展初期，软硬件的设计流程截然不同，软件设计者编写程序，硬件设计者连接元件，两者的设计不可能交互，必须单独进行。这种设计者编写程序，硬件设计者连接元件，两者的设计不可能交互，必须单独进行。这种传统的设计方法被称为“

36、软硬件分离设计”。在此方法中，软硬件划分在系统开发的初期进行，一次性划分后软件和硬件所分配的功能就不能改变。软件通过编写程序运行在微处理器上实现系统安全或大部分功能，硬件则主要通过“板级”专用电路为软件运行提供平台。这种设计方法可使软硬件开发并行推进，但联调必须等到软硬件都开发出来后才能进行。由于软硬件开发过程割裂和最初的功能划分不协调等原因，可能会暴露出很多问题，严重时导致系统重新开发。2.软硬件协同设计方法。随着近年来soc技术的进步，软件编译和硬件综合技术的并行发展，如今两个领域都可以时序程序描述行为作为设计的起点，如软件使用c语言、硬件使用hdl进行描述。这使得软硬件协同设计成为可能。

37、此方法中，对于某个特定功能的软硬件划分主要是取决于性能、功率、大小和灵活性等设计指标，没有本质的区别。软硬件协同设计可在设计过程的各个阶段同时考虑两者的功能和性能，找到其最佳组合方式，并且在系统实现前就可以进行协同仿真和验证，保证了系统设计的正确性和完整性。如何简洁有效地开发出应用于各种不同环境的嵌入式系统，是嵌入式系统发展中所必须解决的关键问题。2.2嵌入式控制器硬件平台2.2.1arm7tdmi_s微处理器arm即advanced risc machines 的缩写。1990年arm公司成立于英国剑桥，主要从事芯片知识产权(ip)核的设计。它本身并不生产芯片，靠转让技术授权给世界上许多著名

38、的半导体 、软件和oem厂商来生产各具特色的芯片。arm处理器具有三个显著的特点，一、耗电少、成本低、功能强；二、16位/32位双指令集；三、全球众多合作伙伴保证芯片供应。arm处理器当前有6个产品系列：arm7、arm9、arm9e、arm10e、arm11和securcore，其中arm11为最近推出的产品。进一步的产品来自于合作伙伴，例如intel xscale。arm7内核采用冯诺伊曼体系结构，数据和指令使用同一条总线。内核执行armv4指令集，有一条3级流水线，可使取指、译码、执行三个操作同时进行，并使处理和存储器系统连续操作，能提供0.9mips/mhz的执行速度，主频在20mhz

39、-133mhz之间。arm7系统包括arm7tdmi、arm7tdmi-s、带有高速缓存处理器宏单元的arm720t和扩充了jazelle的arm7ej-s四种类型，主要用于适应不同的市场需求。arm7系列处理器主要用于对功耗和成本要求比较苛刻的消费类产品和嵌入式设备，包括internet设备、网络和调制解调器设备以及移动电话、pda等无线设备。本课题采用了arm7tdmi-s内核的微处理器。内核命名的具体含义是t 16位压缩指令集thumbd 在片调试(debug)支持，允许处理器响应调试请求暂停m 增强型乘法器(multiplier)，与以前处理器相比性能更高，产生全64位结果i 嵌入式i

40、ce硬件提供片上断点和调试点支持-s 可综合(synthesizable)版本arm7tdmi-s同样是基于精简指令集计算机(risc)原理而设计，指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单的多，实现了高的指令吞吐量，出色的实时中断响应，小的、高性价比的处理器宏单元。2.2.2基于arm7的硬件平台 本课题选用了周立功单片机公司的产品easyarm2200作为嵌入式组态软件运行环境的研究基础。easyarm2200开发板是一款功能强大的32位arm单片机开发板，采用了nxp公司以arm7tdmi-s为内核、总线开放的单片机lpc2210.lpc2210是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/3

41、2位arm7tdmi-s cpu的微控制器，144脚lqfp封装，cpu1.8v、i/o3.3v双电源供电。具体特性如下：1.16kb静态ram2.外部8位、16位或32位总线3.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16mb4.8路10位a/d转化器，转换时间低至2.44s5.2个32位定时器(带4路捕获和4路比较通道)、pwm单元(6路输出)、实时时钟和看门狗6.多个串行接口，包括2个16c550工业标准uart、高速i²c接口(400kbps)和2个spi接口7.通过片内pll可实现最大为60mhz的cpu操作频率8.向量中断控制器，可配配置优先级和向量地址9.

42、多达个通用i/o口(可承受v电压)，12个独立外部中断引脚(eint和cap功能)10.2个低功耗模式：空闲和掉电，通过外部中断可将处理器从掉电模式中唤醒11.可通过个别使能/禁止外部功能来优化功耗easyarm2200开发板的硬件配置如下:1.lpc2210，可选用多种兼容芯片2.20针jtag接口，支持ads1.2集成开发环境3.4m位sram，16m位flash4.rtl8019as网卡芯片和rj45以太网接口5.2个rs232串口，1个支持标准modem6.具有ide硬盘接口和cf存储卡接口7.图形液晶显示接口8.16个按键和8个led八段码9.adc接口和pwm输出接口嵌入式组态软件

43、运行环境硬件平台结构框图2-1所示：2.3嵌入式操作系统2.3.1 嵌入式操作系统简介 在嵌入式系统发展的初期，由于硬件资源有限(微处理器运算速度低，rom/ram容量小等)，系统规模小，控制功能简单，软件部分一般不包括嵌入式操作系统，只是针对具体的应用编写软件代码。单色lcd240x128dotsuartrs232串口a/d采样接口电路基于arm7tdmi-s核的微处理器lcp2210脉冲信号检测接口电路存储器系统sarmflashd/a输出接口电路键盘图 2-1 嵌入式组态软件运行环境硬件平台结构框图嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能复杂、系统庞大的应用中显得

44、越来越重要。首先，嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性。长期以来，前后台系统软件设计在遇到强干扰时，运行的程序可能产生异常、出错、跑飞甚至死循环，造成了系统的崩溃。而实时操作系统管理的系统。这种干扰可能只是引起若干进程中的一个被破坏，可以通过系统运行的系统监控进程对其进行修复。其次提高了开发效率，缩短了开发周期。在嵌入式实时操作系统环境下，开发一个复杂的应用程序，通常可以按照软件工程中的解耦原则将整个程序分解为多个任务模块。每个任务模块的调试、修改几乎不影响其他模块。再次，嵌入式实时操作系统充分发挥了32位cpu的多任务潜力。32位cpu比8位、16位cpu运行快，另外它本来就是为运行多用户、

45、多任务操作系统而设计的，特别适于运行多任务实时操作系统。如果还是采用以前的前后台方式，则无法发挥32位cpu的优势。在嵌入式应用中，只有把cpu嵌入到系统中，同时又把操作系统嵌入进去，才是真正的计算机嵌入式应用。嵌入式操作系统有以下几大特点：1.占用存储空间小。嵌入式系统的操作系统和应用软件一般都固化在rom、flash等中，其存储容量有限，所以嵌入式操作系统必须做到规模小以满足嵌入式系统硬件的限制。2.实时性。是指能够在限定时间内执行完规定的功能并对外部的异步事件做出响应 的能力。嵌入式系统一般是为完成一系列具体任务而设计，因而总是要求系统在规定的时间内完成某些操作，对中断能做出及时准确的响

46、应，所以嵌入式操作系统必须具备实时性的特点。3.健壮性。包含弱交互性和强稳定性两层意思。嵌入式操作系统开始运行后就不需要人过多的干预。它的用户接口一般不提供操作命令，只是通过系统调用命令向用户程序提供服务。由于没有人为干预，而嵌入式系统的运行环境一般又较pc运行环境恶劣。车载、太空、强电干扰、辐射等等，都有可能造成系统运行指令的紊乱。因此要求嵌入式操作系统有很强的稳定性，在一些进程被损坏时可以进行修复、清楚等操作。4.具备自引导功能。当一个微处理器最初启动时，它首先执行一个预定地址处的指令。通常这个位置是只读内存。其中存放着系统初始化或引导程序，在pc中，它就是bios。而在嵌入式系统中，由于

47、没有bios，系统加电后直接执行嵌入式操作系统代码，因此在嵌入式操作系统的启动代码中需要考虑目标板的设计。5.可裁剪、可移植。因所需完成的目标不同，嵌入式操作系统必须能够根据应用的要求进行裁剪，去掉多余的部分，或者简化相应的模块。另外由于硬件平台的多样性，所以嵌入式操作系统还要具有较好的可移植性，来适应不同的微处理器。2.3.2 嵌入式实时操作系统c/os-ii目前市场上有很多种嵌入式操作系统，常见的有：嵌入式linux、windows ce、vxworks、nucleus、c/os-ii等。考虑到版权费用，源代码开放和获取渠道等问题，本课题的研究将使用c/os-ii作为嵌入式组态软件运行环境

48、的操作系统。c/os-ii读作“micro c o s 2”，意为“微控制器操作系统版本2”。c/os-ii是一个完整的，可移植、固化、裁剪的占先式实时多任务内核。c/os-ii是用ansi的c语言编写的，包含一小部分汇编语言代码，使之可供不同架构的微处理器使用。至今，c/os-ii已在照相机行业、航空业、高端音响、医疗器械、电子乐器、发动机控制网络设置、高速公路电话系统、自动提款机及工业机器人等众多领域内广泛应用。c/os-ii有以下一些特点：1.有源代码，c/os-ii的源代码可从microc/os-ii the real-time kernel，second edition一书中获得，也

49、可从其他出版物或网络上获得。源代码标有详尽的注解清晰易读、结构协调。2.可移植性(portable)。c/os-ii源码绝大部分是用移植性很强的ansi c写的，与微处理器硬件相关的部分是用汇编语言写的。汇编语言写的部分已经压到最低限度，以使c/os-ii便于移植到其他微处理器上。3.可固化(romable)。c/os-ii是为嵌入式应用而设计的，这就意味着，只要具备核实的系列软件工具(c编译、汇编、链接及下载/固化)，实际上就可以将c/os-ii嵌入到产品中作为产品的一部分。4.可裁剪(scalable)。可根据具体应用程序的需要来选择使用c/os-ii中的系统服务，这样可以减少产品中c/o

50、s-ii所需的存储空间(ram和rom)。5.可剥夺性(preemptive)。c/os-ii是完全可剥夺型的实时内核，即c/os-ii总是运行就绪条件下优先级最高的任务。6.多任务。c/os-ii可以管理64个任务，其中建议保留8个给系统任务，这样用户的应用程序最多可有56个任务，赋予每个任务的优先级必须是不相同的，所以c/os-ii不支持时间片轮转调度法(round-robin scheduling)。7.可确定性。绝大多数c/os-ii的函数调用和服务的执行时间具有可确定性。也就是说，用户总是能知道c/os-ii的函数调用与服务执行了多长时间，并且执行时间不依赖于用户应用程序任务数目的多

51、少。8.任务栈。每个任务都有自己单独的栈。c/os-ii语序每个任务有不同的栈空间，以便压低应用程序对ram的需求。使用c/os-ii的栈空间校验函数，可以确定每个任务到底需要多少栈空间。9.系统服务。c/os-ii提供很多系统服务，例如信号量、互斥型信号量、时间标志、消息邮箱、消息队列、内存块的申请与释放及时间管理函数等。10.中断管理。中断可以使正在执行的任务暂时挂起。如果优先级更高的任务被中断唤醒，则高优先级任务在中断嵌套全部退出后立即执行，中断嵌套层数可达到255层。11.稳定性与可靠性。c/os-ii在一个航空项目中得到了美国联邦航空管理局对于商用飞机的、符合rtca do-178b

52、标准的认证。它的每一种功能、每一个函数及每一行代码都经过了考验与测试。2.4 嵌入式组态软件运行环境整体架构2.4.1 嵌入式组态软件结构 嵌入式组态软件和通用组态软件一样，都由开发环境和运行环境组成。如图2-2所示：嵌入式操作系统arm硬件平台运行环境串口windows操作系统pc机开发环境图 2-2 嵌入式组态软件结构框图开发环境运行于普通的pc机上，运行环境运行于嵌入式系统上。运行环境所在的嵌入式系统由硬件平台和软件部分组成，软件又分为操作系统和应用软件两个部分。嵌入式操作系统需要经过适当的裁剪和移植，使得能够适应所用的硬件平台，应用软件主要是指嵌入式组态软件运行环境的实现部分。2.4.

53、2 嵌入式组态软件开发环境 嵌入式组态软件开发环境运行于人机界面良好的windows系统上，为嵌入式控制系统提供了一个设计平台，通过这个平台开发人员可以方便的进行控制系统人机界面设计、硬件参数配置、实时数据库设计、控制流程设计等操作，然后将组态结果转换为运行环境能够快速读取的组态配置文件，将组态结果保存为文件以便重复打开查看和修改，将组态配置文件下载到运行环境中。 开发环境一般包括工程管理器(包括项目、实时数据库、设备等的管理)、画面组态(包括趋势图、报警和报表)、实时数据库组态、控制系统组态(包括逻辑控制、流程控制、调试仿真工具)、编译下载系统等。2.4.3 嵌入式组态软件运行环境 嵌入式组态软件运行环境是一个独立的运行系统，它按照开发环境中用户定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。运行环境本身没有任何意义，必须与开发环境生成的配置文件一起作为一个整体，才能构成用户应用系统。一旦组态工作完成，并且将组态好的工程通过串口或以太网下载到下位机的运行环境中，组态工程就可以离开开发环境而独立运行在下位机上，从而实现了嵌入式控制系统的可靠性、实时性、确定性和安全性。 运行环境一般由硬件平台、板级支持包(包括各种外设驱动程序，由于硬件平台的多样性和嵌入式系统资源有限，一般需要开发者自行设计)、嵌入式操作系统和组态支撑