怎样写研究生论文.docx

1、怎样写研究生论文分类号 学校代号：10561UDC 密级 学 号：200035019201008 华南理工大学学位论文环境仪器监控系统的研究与设计刘少君导师： 黄道平 教授 自动化科学与工程学院 申请学位级别：硕士 专业名称：控制理论与控制工程论文提交日期：2003年2月 论文答辩日期： 2003年3月 学位授予单位和日期： 华 南 理 工 大 学 答辩委员会主席： 论文评阅人： 摘 要监控系统是环境仪器的核心部分。它控制着整个环境仪器运行并对其运行情况进行有效的监视和跟踪。多年来，广州某公司科研工作者在这一方面进行了大量的研究和开发，形成了一系列性能优异，价格合理的监控系统。特别是基于嵌入式

2、CPU386EX和CIDE环境的监控系统，已带有了多项功能，如256色的液晶屏显示、12位的触摸屏、RS485通信功能等，是一个界面友好，操作方便，功能可靠的监控系统。但随着时代的发展，其局限性也显示了出来，如系统没有操作系统，上网比较困难，速度较慢，成本较高，进一步研发难度较大等。为了更好抢占环境仪器监控系统的至高点，本课题在原有产品和HHCF5272-LCD-IDE-R1套件的基础上，基于嵌入式操作系统和高性能的CPU，对环境仪器监控系统进行了进一步的研究和设计。本课题研究和设计的环境仪器监控系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。硬件系统的主要功能模块包括HHCF5272-LCD-IDE-

3、R1套件的核心板和自主开发的底板两大部分。核心板由高集成的Motorola Coldfire芯片MCF5272(主频66MHz，带有10/100以太网、USB、QSPI等)、4Mbytes 16位FLASH、16Mbytes 32位SDRAM等组成。底板则分为256色彩色液晶屏部分、12位的触摸屏部分、以太网接口、时钟电路、保护电路、USB接口、485及232串行通信接口、电源系统等。彩色液晶屏部分由驱动芯片s1d13504、动态RAM、交流逆变器及256色液晶屏组成；触摸屏部分由12位的AD转变芯片AD7843及触摸屏组成。时钟电路的主芯片则是X1226。软件系统的操作系统为uClinux，

4、HHCF5272-LCD-IDE-R1套件中已有了以太网、USB及RS232串行通信的驱动程序等。本课题自主开发液晶电路，触摸屏电路及实时时钟电路的驱动程序。上层软件的设计主要是嵌入式图形库PEG的液晶屏画面的实现及其构成元素的调度，监控系统与主板及计算机的通信，触摸操作的实现等。关键词：监控系统，MCF5272,液晶屏，触摸屏， uClinux，PEGAbstractScouting and control system of environment instrument is the key of it. It can well control and observe all of fun

5、ctions of the environment instrument. Technologists of one company in Guangzhou have done research on it for a long time when a serial of products of scouting and control systems of environment instrument have been finished. Last year, a new type of it was been done and fixed on environment instrume

6、nts. It is based on CPU 386EX that is main hardware and on C+ IDE developing environment that is software environment. There are 256-color LCD, 12-bit touch screen, RS485 serial communication on it and it does very well. With development of society, there are some limits discovered. First, it cant c

7、ommunicate with other instruments well on internet. Second, its speed is not fast. The last, it is the most important that the software, hardware and developing environment are not the best today. For standing the top of scouting and control system of environment instrument, a new style of product i

8、s researched and designed based on the developing environment HHCF5272-LCD-IDE-R1 and other product of this group.There are two parts in scouting and control system of environment instrument that this paper research. One is the hardware system, the other is the software system.The hardware system is

9、 made up of the key board of HHCF5272-LCD-IDE-R1 and the extended board that is designed in this research. The key board include CPU MCF5272(66MHz, with 10/100 BaseT ethernet, USB ,SPI, etc), 4Mbytes 16-bit FLASH、16Mbytes 32-bit SDRAM. There is 256-color LCD circuit, 12-bit touch screen circuit, saf

10、eguard circuit, 10/100 BaseT Ethernet port, real-time clock circuit, USB port, RS485 and RS232 port, etc. LCD circuit is composed of the driver S1D13504, DRAM and LCD and touch screen circuit is made of the driver AD7843 and the touch screen. X1226 is the main IC in the realtime circuit.UClinux is t

11、he OS of the software system that HHCF5272-LCD-IDE-R1 has offered. There are some uClinux driver programs of hardware, such as 10/100 BaseT Ethernet, USB, RS232 serial port. The driver programs of LCD, touch screen, real-time clock are designed in this research. The software system also include the

12、programs that finished the picture of LCD which is based on PEG and function of touch screen, scouting and control the system, communication with PC, etc.Keyword: Scouting and control system, MCF5272，LCD, touch screen, uClinux, PEG目 录摘 要 1Abstract I目 录 I第一章 绪论 11.1 环境仪器监控系统的技术发展概况及研发背景 11.2 本课题立项目的及

13、意义 21.3 本论文研究和设计的主要内容 3第二章系统选型 42.1 CPU的选择 42.2 软件系统的选择 82.3 系统研发平台的选型 82.4 本章小结 9第三章 HHCF5272-LCD-IDE-R1套件简介及性能评估 103.1 Linux的一些基础知识的简单介绍 103.2 uClinux的一些特点 103.3 HHCF5272-LCD-IDE-R1套件主要构造 123.4软件系统的文件与目录结构 123.5HHCF5272-LCD-IDE-R1的Makefile的结构及解析 133.5.1 Makefile的概念 133.5.2 HHCF5272-LCD-IDE-R1的Make

14、file 133.6 HHCO5272-LCD-IDE-R1开发环境的建立和开发过程 133.6.1 开发环境的建立 133.6.2应用程序的编译和调试 143.6.3烧写 143.7液晶、网络、串口应用程序在开发套件上的实现 143.7.1 LCD的应用程序的实现 143.7.2 开发套件的网络部分 163.7.3 串口通信编程 163.8 本章小结 16第四章硬件系统的设计 184.1HHCF5272-LCD-IDE-R1套件硬件的简介 184.2 硬件的设计 194.2.1 彩色液晶屏硬件的设计 204.2.2触摸屏硬件的设计 234.3 安全电路的设计 274.3.1 MAX793的简

15、介及工作原理 27432MAX793在本系统的应用 294.4 时钟电路的设计 304.5 本章小结 31第五章驱动程序的实现 325.1液晶驱动程序的实现 325.2 触摸屏驱动程序的实现 335.3 X1226时钟驱动程序的实现 345.4 本章小结 38第六章嵌入式图形的应用开发 396.1 PEG的简介 396.2 PEG的结构及其编译 396.3 利用PEG实现嵌入式图形界面的编程 406.4 PEG编译过程及应用程序的实现 426.4.1 库文件的编译 426.4.2 应用程序的实现及编译 456.5 本章小结 47第七章系统功能和软件设计 487.1 设定监控功能和运行功能 48

16、7.2 软件设计 497.2.1 触摸屏定位程序的设计 497.2.2 液晶屏程序的实现 507.2.3 监控过程实现的功能 547.2.4 串口通信程序和网络通信程序的设计 567.3 本章小结 58结束语 59参考文献 61攻读学位期间发表的学术论文 63致 谢 64第一章 绪论1.1 环境仪器监控系统的技术发展概况及研发背景环境仪器以“气候环境仿真”为目的，为产品在某些气候环境下进行试验提供平台，主要提供温度、湿度的仿真试验环境。环境仪器监控系统实质上就是对环境仪器控制箱内的温度、湿度进行精确的跟踪并对环境仪器各种运行进行有效控制。一般情况下，环境仪器运行时间长，而且运行情况复杂，这样对

17、其的具体监控就显得非常重要。上世纪80年代，国内大部分环境仪器监控产品主要由电子原器件组成，如显示用数码管，驱动用三极管等。其体积庞大，结构异常复杂，价格昂贵，开发和生产周期长且功能比较单一。90年代初期，随着单片机技术的不断发展成熟，单片机逐步取代了原单纯的电子产品，成为时代的主流，这时期监控系统主要由单片机及其外围接口芯片构成。其体积减少了很多，成本大幅度降低，功能增强了不少，同时开发和生产周期缩短。90年代中期嵌入式CPU开始应用于这些产品中，经过近十来年的发展，其技术不断的进步成熟，功能大大增加。一直以来，广州某公司（以下简称为公司）在环境仪器的研究和产品方面处于国内领先地位，其环境仪

18、器的监控系统亦是如此。前几年，公司已成功开发出了基于嵌入式CPU“386EX”的环境仪器的监控系统（分为监控器和主板两部分），其通信方式主要是RS232或RS485串口通信。该监控系统基于嵌入式CIDE环境，带有嵌入式图形库，形成了非常友好的人机界面，操作方便，性能优异。但随着时代的发展，其局限性也显现了出来：在软件方面，基于开发进度和成本的考虑没有采用操作系统，而是采用的比较传统的前后台系统，使得系统的扩展和维护比较困难。这就迫切需要一种的嵌入式操作系统作为系统的软件平台，这样既可以很好优化系统资源，又可以缩短开发周期；在硬件方面，386EX是90年代初期的产品，其处理速度也不尽人意，在处理

19、图形操作时显得过慢。为了进一步抢占市场，保持公司在环境仪器监控系统方面的领先地位，必须研发一种在软件环境方面带有操作系统，硬件嵌入式CPU方面要求处理速度更快，带有网口，SPI口及其他多种外围接口的监控系统。为此，公司和华南理工大学合作，研究开发新的环境仪器监控系统，本论文即是该合作课题的主要内容，论文工作期间完成了市场调研、产品研发、产品测试及产品定型的任务。1.2 本课题立项目的及意义公司现有环境仪器电器系统的构成如图1-1所示。从图1-1可以看出现有电器系统分为电机及各种传感器、IO板、主板和监控器四个部分。电机及各种传感器（主要是温度、湿度传感器）部分是运行动作实施及原始数据的采集部分

20、；IO板是输入输出部分，这部分对原始温度、湿度输入输出的各种数据进行处理，直接对电机进行操作。主板部分则完成比较复杂的一些控制操作及算法运行，如实现PID算法及其控制动作等。监控器是人机交互区，操作人员通过操作监控器达到对整个系统很好地监视和控制的目的，监控器把主板上的各种有用的数据显示于界面上，使操作人员对整个系统的运行状态有一个比较清晰的认识，同时，通过监控器可以有效对整个系统进行各种运行操作。监控器和主板构成了环境仪器的监控系统。目前，监控器和主板软件采用前后台系统，硬件则是基于386EX，基于CPU速度、集成度和软件设计的考虑，不得不把二者以分离的形式来形成两个独立的部分达到对整个系统

21、监视和控制的目的。然而当前，不断涌现的高性能的嵌入式CPU及嵌入式操作系统的出现，使得把监控器和主板合二为一的监控系统成为可能，若这样，就会很好地节省硬件成本，优化系统性能，带来良好的经济效益，这也是本课题立项目的和意义的所在。本课题的工作集中在监控系统（包括原有监控器和主板）的研究与设计上，最终实现的环境仪器电器系统如图1-2所示。考虑到研究和设计的继承性及可行性，课题分二步进行：一是结合现有主板和监控器设计出监控系统硬件，在其硬件的基础上实现原监控器的功能，并实电机及各种传感器等图1-1环境仪器电器系统的构成Fig 1-1 Electric System Structure of Envi

22、ronment instrument 电机及各种传感器等图1-2最终实现的环境仪器电器系统的构成Fig 1-1 Realizing Electric System Structure of Environment instrument现网络通信功能；二是将主板的功能移植于监控系统中，从而完成整个监控系统的设计。因为时间的问题，本论文主要实现本课题第一步的功能。1.3 本论文研究和设计的主要内容本课题要研究和设计的主要内容包括如下几个方面：1、产品研发前的调研和系统的选型。要使公司的产品具有很强的竞争力而且很好的前景，这部分工作是非常重要的。调研工作主要很好了解目前国内外的嵌入式系统发展的状况及

23、一些公司提供的相应的研发套件。选型则根据公司产品发展的具体方向，选择一款性价比很高的系统作为研发套件。2、对研发套件进行评估。这也是一个对研发套件熟悉的过程。先根据研发套件本身所带有的例程，对其进行演示和操作，从而达到熟悉研发套件的目的。第二步，根据套件本身提供功能，结合公司原有的系统，使套件和公司的系统进行对接，如研发套件和公司的IO板及计算机同时进行通信操作，并把通信数据显示在平台液晶屏上和计算机上，进而对对接系统进行评估看是否满足公司的要求。3、硬件系统的设计及其驱动程序的编写。套件提供了核心板和底板两个部分。核心板是系统硬件基本构成部分：CPU和存储器。本课题只需要重新设计底板，从而使

24、其满足研发产品的需要。硬件设计包括：液晶电路，触摸屏电路，时钟电路及保护电路的设计等。在设计硬件后，进而对硬件驱动程序进行设计，为后面的软件编程提供硬件接口。4、系统软件的设计。软件设计是系统具体功能实现的部分。包括已有软件移植和一些软件编写。软件设计主要是液晶屏图片的实现及其调度，监控器和主板及计算机的通信，触摸操作的实现等。第二章系统选型对于系统的选型，公司原定为嵌入式linux操作系统加ARM芯片。ARM是当前主流芯片，具有进货渠道顺畅、成本低廉、器件选择范围大、功耗很低，器件本身生命力足够强、开发人员众多，获得来自各个方面的技术支持相对容易、性能强等优点。而嵌入式linux操作系统有着

25、嵌入式操作系统需要的很多特色、具有突出优势，它是一种免费操作系统，具有很高的性能价格比。2.1 CPU的选择在研发环境仪器的远程监控系统之前，我们对StrongARM 1110、Coldfire 5272、Sumsang S3C4510B、 Cirrus logic CL-PS7500EF、386EX（公司已有产品用386EXCPU）等各种CPU及相应的套件进行对比分析。表2-1是各种CPU的参数比较。StrongARM 11102Coldfire 52723 386EX4Sumsang S3C4510B5Cirrus logic CL-PS7500EF6Core or core techno

26、logyARM* V4 architectureVersion 2 ColdFire CoreARM7TDMIARM7TDMICpu频率133MHz150MHz66MHz20MHz EXTB at 2.7v-3.6v20MHz EXTB at 3.0v-3.6v20MHz EXTC at 4.5v-5.5v33MHz, 5V ;20MHz, 3.3V40MHz60MHzMIPS指标150 Dhrystone 2.1MIPS 133MHz235 Dhrystone 2.1MIPS 206MHz63 Dhrystone 2.1MIPS 66MHz5 Dhrystone 2.1MIPS 25MHz2

27、3 MIPS, 181mW at 33MHz, 5V when executing Thumb code14 MIPS, 36mW at 20MHz, 3.3V when executing Thumb37 MIPS at 5V, 40MHz 功耗240mW1.55V/133MHz400mW1.75V/206MHz约700mW66MHz约700mW25MHz181mW at 33MHz, 5V36mW at 20MHz, 3.3VCRT*: 800mW , LCD: 370mWOn chip memory16Kbyte instruction cache8Kbyte write back da

28、ta cacheMaps 4, 8 Kbyte, or 1Mbyte32-entrymemory-management units8-entry, between 1 and 16 bytes eachWrite buffer4-entry, 1, 4, or 8 wordsRead buffer4Kbyte SRAM on CPU internal bus16Kbyte ROM on CPU internal bus1Kbyte instruction cache -Two-way, set-associative, unified 8-Kbyte cacheunified 4-Kbyte

29、cachePCMCIAMemory bus support two PCMCIA sockets - - - -Momery busInterface to ROM, synchronous mask ROM, flash, SRAM, SRAM-like variable latency I/O,DRAM, and synchronous DRAMglueless 8,16,and 32-bit SRAM and ROM interface bus16256 Mbit devices SDRAM controller 16 or 32 bits width for SDRAMLarge Un

30、iform Address Space:64 Megabyte Physical64 Terabyte Virtual4 Gigabyte Maximum Segment Size8/16/32-bit external bus support for ROM/SRAM, flash memory, DRAM, and external I/OSupport for EDO/normal or SDRAMsupport two 16-Mbytes banks ROM, flashsupport EDO,64M momery clock and 32-bit-wide DRAMIntegrate

31、d clock generationInternal phase-locded loop3.686-MHz oscillator32.768-MHz oscillator, provide accuracy of 5 seconds/month4x16-bit general-purpose multi-mode timer15-nS resolution at 66-MHz clock frequencySoftware watchdog timerprovides three independent 16-bit counters, each capable of handling clock inputs up to 8 MHz.Two programmable 32-bit timersInterval mode or toggle mode operationtwo independent 16-bit timersHDLC- -