嵌入式系统结课设计(论文)

嵌入式系统结课设计（论文）基于Xscale和嵌入式才踩踩踩踩踩踩的运动控制系统的设计与应用学生姓名：学号：班级：所在学院：专业：年月摘要I摘要随着汁算机技术、微电子技术以及相关技术的飞速发展，嵌入式系统正在应用到越来越多的领域。在工业控制特别是运动控制方面，复杂的控制和处理，以往多采用工业计算机和PLC作为处理机。但是在移动机器人等体积较小的应用中，使用工业计算机和PLC有很多不利的因素，而基于微处理器和嵌入式Linux的嵌入式运动控制系统体积小，处理能力强，灵活性好，得到了越来越多的应用。本课题中进行了基于嵌入式Linux的运动控制系统研究。由IntelXscale架构微处理器PXA255构建的上位计算机采用嵌入式Linux操作系统，由AT89S52构建的直流电机数字伺服控制板作为下位运动控制单元，两者之间通过串行接口进行通讯，共同构成一个运动控制系统。关键词：嵌入式系统Xscale51单片机运动控制串行通讯ABSTRACTIIABSTRACTWiththedevelopmentofcomputer,Micro—electronicsandtechnologyrelated，embeddedsystemisappliedtomoreandmoreareas．Inindustrialcontrol，theuseofindustrialcomputerandPLCispopular,especiallyforthemotioncontr01．However,intheapplicationofsmallvolumedemandedsuchasmobilerotot，industrialcomputerandPLChavemanydisadvantages，butthemotioncontrolsystembasedonmicro-processorandembeddedLinuxbecomemobilepopularbecauseofitssmallvolume，highprocessingcapacityandgoodadaptability．Inthethesis，themotioncontrolsystemdevelopedconsistsoftwoparts：theupperlayercomputerbasedonPXA255CPUofIntelXscalearchitectureusestheLinuxoperatingsystem；thebottomlayerDCservomotordigitalcontrolboardisconstructedbyAT89S52．Twopartscommunicatebyserialportandmakeupamotioncontrolsystem．KEYWORDS：EmbeddedsystemLinuxMotioncontrolSerialcommunication目录III目录摘要......................................................IABSTRACT.................................................II1绪论....................................................11.1嵌入式系统概述......................................11.1.1嵌入式系统的定义................................11.1.2嵌入式系统的组成................................12Xscale上位计算机.......................................32.1系统总体设计方案....................................32.2Xscale上位计算机...................................33Linux的设备驱动程序....................................63.1设备驱动程序的结构..................................64伺服运动控制系统方案....................................84.1伺服系统硬件接口分析................................84.2伺服运动控制板的软件设计............................9结论.....................................................11参考文献.................................................12嵌入式系统结课设计（论文）11绪论1.1嵌入式系统概述在日常生活中，嵌入式系统无处不在，如天天必用的移动电话、手腕上的电子表、烹调用的微波炉、办公室的打印机、汽车的燃油喷射系统、ABS系统以及现在流行的数码相机、数码摄像机、PDA等都是嵌入式系统的应用。当前，随着计算机技术和信息技术的飞速发展，以及3C(计算机：Computer、通讯：Communication、消费电子：ConsumerElectries)的普及，人类进入了后PC时代，各种信息非常丰富，数字信息技术和网络技术高度发达，人们对产品的要求也在提高，数字化、智能化的产品成为发展方向，对大量信息的处理以及数字化与智能化的要求使得嵌入式系统应用更为广泛。嵌入式系统以应用为中心，强调体积和功能的可裁减性，是以完成控制、监视等功能为目标的专用系统。在嵌入式应用系统中，系统执行任务的软硬件都嵌入在实际的设备环境中，通过专用的I／O接口与外界交换信息，一般它们执行的任务程序不由用户编制。嵌入式系统主要用于各种信号处理与控制，目前己应用在国防、国民经济及社会生活各领域。嵌入式系统在应用数量上远远超过了各种通用计算机。1.1.1嵌入式系统的定义根据电气工程师协会的定义，嵌入式系统是用来控制、监视或者辅助设备、机器或工厂运行的装置(devicesusedtocontrol，monitor,Orassisttheoperationof,equipment，machineryorplants)。国内一般认为嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，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。1.1.2嵌入式系统的组成嵌入式系统通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件等大部分组成。嵌入式系统结课设计（论文）2图1一.嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与通用处理器最大的不同点在于其大多工作在为特定用户群设计的系统中。它通常把通用计算机中许多由板卡完成的任务集成在芯片的内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，同时也具备高效率、高可靠性等特征。国际上大的硬件厂商几乎都有自己的嵌入式处理器，从低端的51单片机到现在广泛使用的ARM、MIPS、PowerPC、MC6800等。在本文中，上位计算机采用的处理器是Intel公司生产的Xscale架构的PXA255处理器。二、嵌入式外围设备嵌入式外围设备是指在一个嵌入式系统中，除了嵌入式处理器以外用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件。根据外围设备的功能可分为以下3类：(1)存储器：主要有静态非易失性存储器(RAM／SDRAM)、动态存储器(DRAM)和Fash存储器等。其中，Flash具有可擦写次数多、存储速度快、容量大及价格低等优点而在嵌入式领域得到了广泛的应用。(2)接口：应用最为广泛的包括并口、RS-232串口，IrDA红外接口、SPI串行外围设备接口、CI2总线接口、USB通用串行总线接口、Ethernet．网络接口等。(3)人机交互：LCD显示器、键盘和触摸屏等人机交互设备。三、嵌入式操作系统在大型以及复杂的嵌入式应用系统中，为了使嵌入式开发更方便、快捷，需要具备一种稳定的、安全的软件模块集合，用以管理存储器分配、中断处理、任务间通信和定时器响应，以及提供多任务处理等，即嵌入式操作系统。四、嵌入式应用软件嵌入式系统应用软件是针对特定的实际专业领域，基于相应的嵌入式硬件平台，并能完成用户预期任务的计算机软件。用户的任务可能有时间和精度的要求。有些应用软件需要嵌入式操作系统的支持，但在简单的应用场合下也可以不需要专门的操作系统。嵌入式应用软件是用户开发的重点，用户的系统开发通常需要做的软件方面的工作主要是应用软件。嵌入式应用软件嵌入式操作系统嵌入式硬件平台嵌入式处理器嵌入式外围设备嵌入式系统结课设计（论文）32Xscale上位计算机2.1系统总体设计方案本文中研究的运动控制系统将用作移动机器人的开发平台，要求能有精确的运动控制。直流伺服电机可以用电池作为动力，适用于移动平台。所以设计中的运动控制系统采用直流伺服电机。伺服控制单元采用主处理器AT89S52、伺服控制芯片LM629、H桥功率驱动器LMDl8200、MAXON直流伺服电动机RE25，500线增量式光电编码器HEDL-5540构成伺服系统硬件平台。系统中由处理能力强大的Xscale架构处理器PXA255构成上位计算机，AT89S52作为主处理器和伺服控制芯片LM629构成下位机，以串行方式通讯。构成一个全数字伺服控制系统平台。如下图3所示。其中伺服控制芯片LM629是可编程全数字式伺服控制的专用运动控制处理器。具有8位分辨率的PWM输出、内部梯形速度图发生器，可以进行位置和速度控制。而且其速度、位置和数字PID控制器参数可以在控制过程中改变。此系统有位置和速度两种控制模式，集成度高，需要外围部件少，易于调试，简化了高精度的运动控制系统的设计。下图中传感器信号输入可以用于系统扩展，本文中用上位计算机的按键信号代替传感器信号。光电编码器图22.2Xscale上位计算机Xscale架构微处理器是基于ARMV5TE体系结构的解决方案，是一款全性能、高性价比、低功耗的处理器架构。它支持32位ARM指令和16位Thumb指令和DSP指令集，己应用在数字移动电话、个人数字助理、网络产品和工业控制等场合。Xscale架构处理器是Intel目前主要推广的一款ARM微处理器。运动控制系统的上位计算机采用Xscale架构的PXA255处理器构建。图4所示为PXA255的处理器结构图。PXA255采用高效能、低功耗的Xscale核心、IntelXscale上位计算机下位运动控制单元LM629伺服控制LMD18200功率驱动电机信号输入嵌入式系统结课设计（论文）4RISC技术和O．18微米工艺，同时它也采用了Intel先进的媒体处理技术，包含40位累加器和16位SIMD以增强处理能力和音频／视频解码能力。PXA255还具有丰富的扩展接口，除了SDRAM、DRAM和Flash等系统存储器接口外，还可支持PCMCIA、CompactFlash、MMC／SDCard扩展卡，UART、BlueTooth、IC、SSP、USBSlave等串行接口以及大量的GPIO接口。以PXA255作为移动机器人的处理平台，能够进行后续的视觉以及复杂的应用开发。为了以后系统开发的方便，需要进行BootLoader(启动加载器)的移植，这里选用源代码开放的U-Boot作为BootLoader进行移植。下面是上位计算机总体配置的描述：1、微处理器：IntelXscalePXA255，主频：400Mhz；32bitRISC架构，32K指令cache。2、存储器：SDRAM64MByte，总线速度100MHz；IntelNORFLASH32MByte。3、显示系统：LCD接口，支持各种STN，TFTLCD，最高支持800X600TFTLCD；4+2可编程LED指示灯。4、输入设备：4个可编程按键；4线制电阻式触