嵌入式系統(tǒng)結課設計論文

1、嵌入式系統(tǒng)結課設計（論文）基于Xscale和嵌入式 才踩踩踩踩踩踩 的運動控制系統(tǒng)的設計與應用學生姓名：學 號：班 級： 所在學院： 專 業(yè)： 年 月摘要隨著汁算機技術、微電子技術以及相關技術的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)正在應用到越來越多的領域。在工業(yè)控制特別是運動控制方面，復雜的控制和處理，以往多采用工業(yè)計算機和PLC作為處理機。但是在移動機器人等體積較小的應用中，使用工業(yè)計算機和PLC有很多不利的因素，而基于微處理器和嵌入式Linux的嵌入式運動控制系統(tǒng)體積小，處理能力強，靈活性好，得到了越來越多的應用。本課題中進行了基于嵌入式Linux的運動控制系統(tǒng)研究。由Intel Xscale架構微處理器

2、PXA255構建的上位計算機采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，由AT89S52構建的直流電機數(shù)字伺服控制板作為下位運動控制單元，兩者之間通過串行接口進行通訊，共同構成一個運動控制系統(tǒng)。關鍵詞： 嵌入式系統(tǒng) Xscale 51單片機 運動控制 串行通訊ABSTRACTWith the development of computer,Microelectronics and technology related，embedded system is applied to more and more areasIn industrial control，the use of industrial com

3、puter and PLC is popular,especially for the motion contr01However,in the application of small volume demanded such as mobile rotot，industrial computer and PLC have many disadvantages，but the motion control system based on micro-processor and embedded Linux become mobile popular because of its small

4、volume，high processing capacity and good adaptabilityIn the thesis，the motion control system developed consists of two parts：the upper layer computer based on PXA255 CPU of Intel Xscale architecture uses the Linux operating system；the bottom layer DC servo motor digital control board is constructed

5、by AT89S52Two parts communicate by serial port and make up a motion control systemKEY WORDS：Embedded system Linux Motion control Serial communication目錄摘要IABSTRACTII1 緒論1 1.1嵌入式系統(tǒng)概述1 嵌入式系統(tǒng)的定義1 嵌入式系統(tǒng)的組成12 Xscale上位計算機3 2.1系統(tǒng)總體設計方案3 2.2 Xscale上位計算機33 Linux的設備驅動程序6 3.1設備驅動程序的結構64伺服運動控制系統(tǒng)方案8 4.1伺服系統(tǒng)硬件接口分析

6、8 4.2伺服運動控制板的軟件設計9結論11參考文獻121 緒論1.1嵌入式系統(tǒng)概述在日常生活中，嵌入式系統(tǒng)無處不在，如天天必用的移動電話、手腕上的電子表、烹調用的微波爐、辦公室的打印機、汽車的燃油噴射系統(tǒng)、ABS系統(tǒng)以及現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機、PDA等都是嵌入式系統(tǒng)的應用。當前，隨著計算機技術和信息技術的飛速發(fā)展，以及3C(計算機：Computer、通訊：Communication、消費電子：Consumer Electries)的普及，人類進入了后PC時代，各種信息非常豐富，數(shù)字信息技術和網絡技術高度發(fā)達，人們對產品的要求也在提高，數(shù)字化、智能化的產品成為發(fā)展方向，對大量信息的處理

7、以及數(shù)字化與智能化的要求使得嵌入式系統(tǒng)應用更為廣泛。嵌入式系統(tǒng)以應用為中心，強調體積和功能的可裁減性，是以完成控制、監(jiān)視等功能為目標的專用系統(tǒng)。在嵌入式應用系統(tǒng)中，系統(tǒng)執(zhí)行任務的軟硬件都嵌入在實際的設備環(huán)境中，通過專用的IO接口與外界交換信息，一般它們執(zhí)行的任務程序不由用戶編制。嵌入式系統(tǒng)主要用于各種信號處理與控制，目前己應用在國防、國民經濟及社會生活各領域。嵌入式系統(tǒng)在應用數(shù)量上遠遠超過了各種通用計算機。嵌入式系統(tǒng)的定義根據(jù)電氣工程師協(xié)會的定義，嵌入式系統(tǒng)是用來控制、監(jiān)視或者輔助設備、機器或工廠運行的裝置(devices used to control，monitor,Or assist t

8、he operation of,equipment，machinery or plants)。國內一般認為嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁減，從而能夠適應實際應用中對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)通常由嵌入式處理器、嵌入式外圍設備、嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應用軟件等大部分組成。嵌入式應用軟件嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式硬件平臺嵌入式處理器嵌入式外圍設備圖1一.嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心部件。嵌入式處理器與通用處理器最大的不同點在于其大多工作在為特定用戶群設計的系統(tǒng)中。它通常把通用計算機中許多由板卡完成的任務集成在芯片的內

9、部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設計趨于小型化，同時也具備高效率、高可靠性等特征。國際上大的硬件廠商幾乎都有自己的嵌入式處理器，從低端的51單片機到現(xiàn)在廣泛使用的ARM、MIPS、PowerPC、MC6800等。在本文中，上位計算機采用的處理器是Intel公司生產的Xscale架構的PXA255處理器。二、嵌入式外圍設備嵌入式外圍設備是指在一個嵌入式系統(tǒng)中，除了嵌入式處理器以外用于完成存儲、通信、調試、顯示等輔助功能的其他部件。根據(jù)外圍設備的功能可分為以下3類：(1)存儲器：主要有靜態(tài)非易失性存儲器(RAMSDRAM)、動態(tài)存儲器(DRAM)和Fash存儲器等。其中，F(xiàn)lash具有可擦寫次數(shù)多、存儲速

10、度快、容量大及價格低等優(yōu)點而在嵌入式領域得到了廣泛的應用。(2)接口：應用最為廣泛的包括并口、RS-232串口，IrDA紅外接口、SPI串行外圍設備接口、總線接口、USB通用串行總線接口、Ethernet網絡接口等。(3)人機交互：LCD顯示器、鍵盤和觸摸屏等人機交互設備。三、嵌入式操作系統(tǒng) 在大型以及復雜的嵌入式應用系統(tǒng)中，為了使嵌入式開發(fā)更方便、快捷，需要具備一種穩(wěn)定的、安全的軟件模塊集合，用以管理存儲器分配、中斷處理、任務間通信和定時器響應，以及提供多任務處理等，即嵌入式操作系統(tǒng)。四、嵌入式應用軟件嵌入式系統(tǒng)應用軟件是針對特定的實際專業(yè)領域，基于相應的嵌入式硬件平臺，并能完成用戶預期任務

11、的計算機軟件。用戶的任務可能有時間和精度的要求。有些應用軟件需要嵌入式操作系統(tǒng)的支持，但在簡單的應用場合下也可以不需要專門的操作系統(tǒng)。嵌入式應用軟件是用戶開發(fā)的重點，用戶的系統(tǒng)開發(fā)通常需要做的軟件方面的工作主要是應用軟件。2 Xscale上位計算機2.1系統(tǒng)總體設計方案本文中研究的運動控制系統(tǒng)將用作移動機器人的開發(fā)平臺，要求能有精確的運動控制。直流伺服電機可以用電池作為動力，適用于移動平臺。所以設計中的運動控制系統(tǒng)采用直流伺服電機。伺服控制單元采用主處理器AT89S52、伺服控制芯片LM629、H橋功率驅動器LMDl8200、MAXON直流伺服電動機RE25，500線增量式光電編碼器HEDL-

12、5540構成伺服系統(tǒng)硬件平臺。系統(tǒng)中由處理能力強大的Xscale架構處理器PXA255構成上位計算機，AT89S52作為主處理器和伺服控制芯片LM629構成下位機，以串行方式通訊。構成一個全數(shù)字伺服控制系統(tǒng)平臺。如下圖3所示。其中伺服控制芯片LM629是可編程全數(shù)字式伺服控制的專用運動控制處理器。具有8位分辨率的PWM輸出、內部梯形速度圖發(fā)生器，可以進行位置和速度控制。而且其速度、位置和數(shù)字PID控制器參數(shù)可以在控制過程中改變。此系統(tǒng)有位置和速度兩種控制模式，集成度高，需要外圍部件少，易于調試，簡化了高精度的運動控制系統(tǒng)的設計。下圖中傳感器信號輸入可以用于系統(tǒng)擴展，本文中用上位計算機的按鍵信號

13、代替?zhèn)鞲衅餍盘枴?光電編碼器信號輸入下位運動控制單元Intel Xscale 上位計算機電機LM629伺服控制LMD18200功率驅動圖22.2 Xscale上位計算機Xscale架構微處理器是基于ARM V5TE體系結構的解決方案，是一款全性能、高性價比、低功耗的處理器架構。它支持32位ARM指令和16位Thumb指令和DSP指令集，己應用在數(shù)字移動電話、個人數(shù)字助理、網絡產品和工業(yè)控制等場合。Xscale架構處理器是Intel目前主要推廣的一款ARM微處理器。運動控制系統(tǒng)的上位計算機采用Xscale架構的PXA255處理器構建。圖4所示為PXA255的處理器結構圖。PXA255采用高效能、

14、低功耗的Xscale核心、RISC技術和O18微米工藝，同時它也采用了Intel先進的媒體處理技術，包含40位累加器和16位SIMD以增強處理能力和音頻視頻解碼能力。PXA255還具有豐富的擴展接口，除了SDRAM、DRAM和Flash等系統(tǒng)存儲器接口外，還可支持PCMCIA、Compact Flash、MMCSD Card擴展卡，UART、Blue Tooth、IC、SSP、USB Slave等串行接口以及大量的GPIO接口。以PXA255作為移動機器人的處理平臺，能夠進行后續(xù)的視覺以及復雜的應用開發(fā)。為了以后系統(tǒng)開發(fā)的方便，需要進行Boot Loader(啟動加載器)的移植，這里選用源代碼

15、開放的U-Boot作為Boot Loader進行移植。下面是上位計算機總體配置的描述：1、微處理器：Intel Xscale PXA255，主頻：400Mhz；32bit RISC架構， 32K指令cache。2、存儲器：SDRAM 64MByte，總線速度100MHz；Intel NOR FLASH 32MByte。3、顯示系統(tǒng)：LCD接口，支持各種STN，TFT LCD，最高支持800X600 TFT LCD；4+2可編程LED指示燈。4、輸入設備：4個可編程按鍵；4線制電阻式觸摸屏接口；SPI接口，可擴展鍵盤。5、音頻系統(tǒng)：立體聲輸出，輸出阻抗32歐姆；立體聲混音輸入，LINE IN，單

16、聲道麥克風輸入。6、通訊接口：10100M自適應以太網接口一個；IRDA紅外接口一個，支持SIR和FIR；標準RS232接口一個，支持完全的控制信號；標準UART接口一個，可支持高速藍牙傳輸；USB DEVICE接口一個，支持USB協(xié)議1.1。7、調試接口：標準JTAG口一個，支持仿真器調試；CPLD JTAG口一個，支持CPLD內容更新。8、擴展卡槽：CF卡插座一個，支持存儲卡，WLAN，MODEM，ETHERNET；SD卡插座一個，支持存儲卡；9、其他：4個可編程IO口；4個10bitADC接口；1個PWM輸出口；FlashSDRAMCS8900以太網控制RJ45鍵盤觸摸屏ADS7843P

17、XA255232串行口總線驅動CF16通道DMA控制器USBHOSTTFTLCDLCD信號線圖3 PXA255的處理器結構圖3 Linux的設備驅動程序進行嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，很大的工作量是為各種設備編寫驅動程序，除非系統(tǒng)不使用操作系統(tǒng)，程序直接操縱硬件。Linux系統(tǒng)中，內核提供保護機制，用戶空間的進程一般是不能直接訪問硬件的。Linux中設備被抽象出來，所有設備都被看成文件。設備的讀寫和普通文件一樣。用戶進程通過文件系統(tǒng)的標準接口訪問設備驅動程序。設備驅動程序主要完成這些功能：(1)探測設備和初始化設備；(2)把數(shù)據(jù)從內核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)；(3)讀取應用程序傳送給設備文件的數(shù)據(jù)和回

18、送應用程序請求的數(shù)據(jù)；(4)檢測和處理設備出現(xiàn)的錯誤。Linux系統(tǒng)把設備分成3種類型：字符型設備，塊設備和網絡沒備。字符設備的讀寫以字節(jié)為單位，存取時沒有緩存。塊設備讀寫以塊為單位，存取時有緩存支持以提高效率。典型的字符設備包括鼠標、鍵盤及串行口等。塊設備主要包括硬盤、軟盤、CD-ROM等，一個系統(tǒng)要安裝操作系統(tǒng)必須使用塊設備。網絡設備用于通信，網絡設備在Linux里做專門的處理。Linux的網絡系統(tǒng)主要基于BSD Unix的socket機制。在系統(tǒng)和驅動程序之間定義有專門的數(shù)據(jù)結構(sk buff)進行數(shù)據(jù)的傳遞。系統(tǒng)里支持對發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的緩存，提供流量控制機制和對多種協(xié)議的支持。所

19、有設備的驅動程序都有一些共性，對編寫所有類型的驅動程序都通用，操作系統(tǒng)提供給驅動程序的支持也大致相同。這些特性包括；(1)讀寫幾乎所有設備都有輸入和輸出。每個驅動程序要負責本設備的讀寫操作。 (2)中斷中斷在現(xiàn)代計算機結構中有重要的地位。操作系統(tǒng)必須提供驅動程序響應中斷的能力。(3)時鐘在實現(xiàn)驅動程序時，很多地方會用到時鐘。如某些協(xié)議里的超時處理，沒有中斷機制的硬件的輪詢等。操作系統(tǒng)應為驅動程序提供定時機制，一般是在預定的時間過了以后回調注冊的時鐘函數(shù)。3.1設備驅動程序的結構Linux的設備驅動程序可以分為以下三個重要組成部分：(1) 自動配置和初始化子程序，負責檢測所要驅動的硬件設備是否存

20、在和能否正常工作。如果該設備正常，則對這個設備及其相關的設備驅動程序需要的軟件狀態(tài)進行初始化。這部分驅動程序僅在初始化時被調用一次。 (2) 服務與I/O請求的子程序，又稱為驅動程序的上半部分。調用這部分程序是由于系統(tǒng)調用的結果。這部分程序在執(zhí)行時，系統(tǒng)仍認為是與進行調用的進程屬于同一個進程，只是由用戶態(tài)變成了核心態(tài)，具有進行此系統(tǒng)調用的用戶程序的運行環(huán)境，因而可以在其中調用一些與進程運行環(huán)境有關的函數(shù)。(3) 中斷服務子程序，又稱為驅動程序的下半部分。在Linux系統(tǒng)中，并不是直接從中斷向量表中調用設備驅動程序的中斷服務子程序，而是由Linux系統(tǒng)來接收硬件中斷，再由系統(tǒng)調用中斷服務子程序。

21、4伺服運動控制系統(tǒng)方案直流伺服系統(tǒng)在現(xiàn)代生產生活中無處不在，尤其是在一些以電池為動力的移動機構中，如AGV(自動導航車)、LGV(激光導航車)，行走機器人。直流系統(tǒng)有著不可替代的作用，直流伺服技術發(fā)展已十分成熟。由許多專用的集成芯片，如位置控制芯片LM629、脈寬調制芯片637 UC、以及功率驅動芯片IR2110、LMDl8200，采用它們可以構成不同功率等級的直流伺服系統(tǒng)。直流伺服電機構成的伺服控制系統(tǒng)有兩種：速度伺服系統(tǒng)和位置伺服系統(tǒng)(又稱隨動系統(tǒng))。為了實現(xiàn)精確的控制，課題中伺服運動控制系統(tǒng)具有速度模式和位置模式兩種控制方式。由于該平臺將用作移動機器人的開發(fā)平臺，要求能有精確的運動控制，

22、所以采用了瑞士MAXON公司的直流伺服電機，用電池作為動力。選用電機型號：RE2520W，參數(shù)：額定電壓24V、空載轉速9550rmin、堵轉電流10400mA、最大連續(xù)轉矩26.1mNm。配備行星輪減速器：速比157/l。伺服控制板采用主處理器AT89s52、伺服控制芯片LM629、H橋功率驅動器LMDl8200、MAXON直流電動機，500線增量式光電編碼器HEDL-5540構成伺服系統(tǒng)硬件平臺，此系統(tǒng)有位置和速度兩種控制模式，集成度高，需要外圍部件少，易于調試，簡化了高精度的運動控制系統(tǒng)的設計。系統(tǒng)結構原理如圖4所示：圖44.1伺服系統(tǒng)硬件接口分析一、處理器與LM629、LMDl8200

23、的接口本設計中采用AT89S52單片機作為主處理器對電機進行伺服運動控制。AT89S52單片機的主要工作就是向LM629傳送運動數(shù)據(jù)和PID數(shù)據(jù)；通過LM629、LMDl8200對電動機的運行進行監(jiān)控：與上位計算機通訊并顯示電機以及系統(tǒng)的工作狀態(tài)。LM629的I0口DoD7與單片機的PO口相連，用來從單片機傳送數(shù)據(jù)和控制指令，從LM629傳送電動機的狀態(tài)和運動信息。單片機的P27引腳與LM629的片選相連，作為選中LM629的地址線。用DO經74LS37鎖存后與LM629的Ps相連，作為命令和數(shù)據(jù)端口選擇線，當D0=0時，單片機可以向LM629寫指令，或從LM629讀狀態(tài)；當DO=l時，單片機

24、可以向LM629寫數(shù)據(jù)，或從LM629讀信息。LM629的中斷引HI經一個非門與單片機的中斷0相連，LM629的有6個中斷源都通過該引腳申請中斷，一旦有中斷申請，單片機必須通過讀LM629的狀態(tài)字來識別哪一個中斷發(fā)生。處理器AT89S52的P1.7、P1.6腳是LMDl8200過熱和過流信號輸入引腳，系統(tǒng)工作中AT89S52還要不停查詢LMDl82000的狀態(tài)，根據(jù)過流和過熱信號情況進行系統(tǒng)的保護。二、LM629、LMDl8200與電機的接口LM629輸出的PWM的方向和大小信號PWMS和PWMM是根據(jù)LM629的內置梯形速度圖發(fā)生器產生的，經過光電隔離后與LMDl820的D取方向、PWM輸入

25、引腳連接。增加光電隔離是為了防止電機驅動電路大電流及其變化和噪聲對前端控制電路的影響。由于LM629的時鐘頻率是8MHz，所以這里的光電隔離器需要特別的選擇，不能選擇常用的中低頻器件，否則從光電隔離器件輸入PWM信號矩形波，在光電隔離器件的輸出端只能得到梯形波，并不能實現(xiàn)準確的PWM控制。故選用了高速光電隔離器6N137。高速光電耦合器6N137由磷砷化鉀發(fā)光二極管和光敏集成檢測電路組成。通過光敏二極管接收信號并經內部高增益線性放大器把信號放大后，由集電極開路門輸出。該光電隔離器高、低電平傳輸延遲時問短，典型值僅為48 ns，已接近TTL電路傳輸延遲時間的水平，因而在傳輸速度上完全能夠滿足要求

26、。除此之外，6N137還具有一個控制端，通過對該端的控制，可使光耦輸出端呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。LMDl8200根據(jù)輸入的PWM方向和大小，輸出電壓到引腳2、10直接驅動電機。直流電機安裝了增量式光電編碼器，輸出IN、A、B三個信號，檢測電機的速度和位置并且接入LM629的13光電編碼器反饋引腳，LM629根據(jù)反饋信號每隔一個采樣時間進行動態(tài)的梯形速度圖計算，并形成新的PWM信號輸出提供給LMDl8200，構成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，對電機的位置和速度實行精確控制。4.2伺服運動控制板的軟件設計主程序設計:主程序的功能是系統(tǒng)的初始化，包括處理器本身以及LM629的初始化；監(jiān)測和維護系統(tǒng)運行；LM629參數(shù)傳送

27、；狀態(tài)顯示等。主程序設計的關鍵有以下幾個部分：一、主處理器的初始化主處理器AT89S52的初始化包括：系統(tǒng)環(huán)境以及堆棧的設置、定時器的初始化、串行通訊的初始化等。1、堆棧設置堆棧是處理器運行時必需的資源，在系統(tǒng)發(fā)生函數(shù)調用、中斷處理以及需要保存中間變量時，堆棧是最常使用的。MCS51單片機的堆棧是向上增長的形式，指令系統(tǒng)中有專門設置堆棧的指針SP，初始化時需要設置堆棧指針并且空出一段內存作為堆棧使用，具體大小可以根據(jù)程序的大小、函數(shù)調用的層次以及中斷處理中保護現(xiàn)場參數(shù)的多少來決定。2、定時器的初始化AT89S52片內含有三個定時器To、T1和T2以及一個Watchdog定時器。ToT2都有三種

28、工作方式：方式0、方式l、方式2和方式3。此處的50ms定時使用定時器TO，定時器T1用來產生串行通訊波特率。定時器設置主要是對AT89S52的幾個特殊功能寄存器進行操作，AT89S52的特殊功能寄存器與定時器有關的是定時器計數(shù)器控制寄存器TCON、工作方式控制寄存器TMOD、中斷允許寄存器IE和中斷優(yōu)先級寄存器IP。(1)TMOD設置TMOD在特殊功能寄存器中，字節(jié)地址為89H，無位地址。TMOD的高4位用于T1，低4位用于TO，4種符號的含義是：GATE：門控制位。GATE和軟件控制位TR、外部引腳信號INT的狀態(tài)，共同控制定時器，計數(shù)器的打開或關閉，GATE=0是用軟件控制位TR控制定時

29、器狀態(tài)。(2)TCON設置TCON在特殊功能寄存器中，位地址(由低位到高位)為88H8FI-I，由于有位地址，十分便于進行位操作。TFl、TRl用于定時器T1；TF0、TR0用于定時器TO。兩組符號有相同的含義；TF：定時器計數(shù)器中斷請求標志位。當定時器計滿回零時，TF=1，并可申請中斷；當CPU響應中斷并進入中斷服務程序后，TF自動清零。如對TF查詢，定時器回零后，要用指令將TF清零。TR：定時器計數(shù)器開閉控制位。IEl，ITl用于外部中斷1(1NTl)；IE0，IT0用于外部中斷0。兩組符號的含義相同。IT：下降沿低電平引起外部中斷請求的選擇位。IT=1，由下降沿引起中斷；IT=0，由低電

30、平引起中斷。IE：外部中斷的中斷申請標志。IE=0，表明無外部中斷請求；IE=1，表明有外部中斷請求。當有外部中斷請求時，IE自動為l，單片機CPU響應此中斷后，IE自動清零。這里用到定時器0的定時中斷，先復位TCON為0X00以清除設置，然后設置TCON=0X01(外部中斷0設為下降沿觸發(fā))，用于LM629的中斷引腳HI輸入。下面的初值設置完成后再對TCON進行位操作：置位TR0、TRl，啟動定時器0和1(3)初值設置重要的是定時器初值的設置，需要設置兩個特殊功能寄存器。TH和TL。定時器T0的初值設置：TH0和TL0，分別是定時器0初值的高字節(jié)和低字節(jié)：定時時間為50ms，晶振頻為12MHz，根據(jù)定時時間的公式為：定時時間=(一定時器初值)×晶振周期12結論本文的主要任務是利用Intel Xscale上位計算機和由AT89S52構建的運動控制板共同組成一個運動控制系統(tǒng)，并進行與開發(fā)相關內容的設計。一、首先給出了嵌入式系統(tǒng)的定義，對嵌入式系統(tǒng)的結構、原理、現(xiàn)狀及發(fā)展前景進