智能电梯论文.docx

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智能电梯论文

大连理工大学本科毕业设计（论文）

自动电梯模拟控制系统

TheSimulativeControlSystemofTheAutomaticElevator

学院（系）：

软件学院

专业：

软件工程

********

学号：

*********

********

评阅教师：

完成日期：

大连理工大学

DalianUniversityofTechnology

摘要

随着城市化进程的加快，一座座现代化的高楼拔地而起，而电梯也成为现代建筑必备的基础设施。

电梯作为一种交通工具，不仅要关注它的安全性，而且希望与它的信息交互能更为人性化。

而随着嵌入式系统和设备被广泛的应用于各种智能控制领域，开发一套更为智能的电梯控制系统变得方便可行。

本文旨在使用英倍特EDUKIT-Ⅲ实验开发板和Linux操作系统完成自动电梯模拟控制系统的设计与实现。

首先，根据系统开发需求，搭建了Linux开发环境。

其次，本文通过对自动电梯进行需求分析，详细制定了电梯的运行规则，并根据运行规则设计实现了电梯的控制运行算法。

最后，系统使用开发板上的液晶显示屏作为显示设备，完成了模拟系统的演示过程。

本文详细设计了乘客与电梯的信息交互过程，基于Linux帧缓冲（Framebuffer）设备驱动程序开发了在LCD上显示电梯的状态、乘客的请求以及电梯动态运行效果等信息的应用程序。

系统还使用开发板上的5*4小键盘上的部分按键模拟电梯按钮，把键盘作为乘客信息输入端。

本文使用功能性测试方法对程序进行了测试。

最终，仿真程序能够根据不同乘客向自动电梯模拟系统输入的内、外部不同的请求信息，指挥电梯按照运行规则运行，并在LCD上显示相应信息。

关键词：

电梯；LCD；交互；Linux；信息

TheSimulativeControlSystemofTheAutomaticElevator

Abstract

Alongwiththeaccelerationofurbanization,lotsofmoderntallbuildingsrisingstraightfromtheground,theelevatorhasbecomeanecessaryinfrastructureofthemodernarchitecture.Theelevator,asonekindoftransportationvehicle,isnotonlyconcernedonitssecurity,butalsoisexpectedthattheinteractionwithitcanbeuser-friendly.Andalongwiththeembeddedsystemandequipmentwidelyusedintheintelligentcontroldomain,buildingasetofmoreintelligentelevatorcontrolsystembecomesconvenientandfeasible.

ThisarticleisforthepurposeofusingEmbestEDUKIT-ⅢexperimentboardandtheLinuxoperatingsystemtocompletethedesignandrealizationofthesimulationcontrolsystemoftheautomaticelevator.First,accordingtothesystem’sdemand,buildtheLinuxdevelopmentenvironment.Second,throughcarryingonanalysistotherequirementoftheautomaticelevator,thisarticleformulatedtheelevator'smovementruleindetail,andrealizedelevator'scontrolalgorithmaccordingtothemovementrule.Finally,thesystemtooktheLCDontheexperimentboardasdisplaydevice,completedthesimulationsystem'sdemonstration.Thisarticledetaileddesignedtheprocessoftheinformation’sinteractionbetweenpassengersandelevator,anddevelopedaprogramwhichisbasedonLinuxFramebufferdevicedriverprogramthatcandisplaytheelevator’sstatus,passenger'srequestaswellaselevatordynamicmovementeffectonLCD.Thesystemalsousedthe5*4smallkeyboard'spartialpressedkeysoftheexperimentboardtosimulatetheelevator’sbuttons,andthekeyboardwastookasthepassenger’informationinputend.

Accordingtothefunctionalitytestmethod,thisarticlecarriedonthetesttotheprocedure.Finally,thissimulatedprogramcanactaccordingtotheinputinformationwhichisfromthepassengeroutsideandinside,directedtheelevatortomoveaccordingtothemovementrule,anddemonstratedthecorrespondinginformationonLCD.

KeyWords：

elevator；LCD；interaction；Linux；information

1绪论

1.1课题的背景及研究意义

1854年，在纽约水晶宫举行的世界博览会上，美国人奥的斯第一次向世人展示了他的发明——历史上第一部安全升降梯。

1900年，美国奥的斯电梯公司为上海提供2台电梯。

从此，世界电梯历史上展开了中国的一页。

一个半世纪的风风雨雨，翻天覆地的是历史的变迁，永恒不变的是电梯提升现代人生活质量的承诺。

现代人的生活已离不开电梯。

随着高层楼宇在一些大中城市迅速增多，电梯越来越多地走进人们的生活，成为现代高层建筑所必须的基本设备，作为一种特殊的垂直交通工具，存在着这样的需求：

目前大部分电梯内部和楼道外部，显示电梯运行状态（层站、运行方向等信息）多采用LED显示板，显示内容单调，所以设计和开发一套使用LCD作为显示设备的自动电梯模拟控制系统软件，能显示更加丰富多彩信息，具有很大的实用价值。

近年来，嵌入式技术迅速发展，成为技术研究和产品开发的热点之一，嵌入式系统的应用逐步渗透到工业控制、智能仪器、通信设备等人们生活的各个领域。

极大地提高了设备、仪器和生产过程的智能化、自动化水平，方便了人们的生产和生活。

本系统采用以嵌入式微处理器S3C2410为核心的硬件平台，利用英蓓特EDUKIT-Ⅲ实验箱上外挂的液晶显示屏，通过综合设计开发，可以显示中文汉字、英文字母、动态图形，并可以实时更新，画面色彩丰富，动画流畅，界面设计人性化。

按照用户需求进行个性化定制，在嵌入式ARM平台上实现自动电梯模拟控制系统的功能。

本系统设计合理，运行高效可靠，通用性强，安装升级方便。

1.2嵌入式系统

1.2.1嵌入式系统简介

嵌入式系统可以看作是与通用计算机相对应的概念，通用计算机系统具有计算机的标准形态，装配各种应用软件，以雷同的面目出现并应用于社会的各个方面，而嵌入式系统硬件差异巨大，几乎没有可以通用的驱动和应用软件，以嵌入式的形式隐藏在各种装置、产品和系统中。

嵌入式系统在应用数量上远远超过了通用计算机系统，许多大型电脑系统，事实上也是许许多多小的嵌入式系统组成的。

从应用上考虑，嵌入式系统是用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置；微机学会定义嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统，可分为系统级、板级、片级。

嵌入式系统是设计完成特定功能的硬件和软件，并使其紧密偶合在一起的专用计算机系统，该专用计算机系统对软件和硬件的可裁剪性、功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面提出严格要求。

1.2.2嵌入式系统的发展

嵌入式系统发展有30多年的历史，期间从8位、16位的微处理器，形成系列化、模块化的单板计算机，软件大多采用汇编语言或者宏语言来编写，到20世纪80年代，得益于微电子工艺水平的提高，能够将嵌入式应用所需要的微处理器、I/O接口、A/D、D/A转换器、串行接口以及RAM、ROM等都集成到一个超大规模的集成电路（VLSL）中，制造出面向I/0设计的微控制器，俗称单片机。

随后，出现了嵌入式操作系统如VxWorks、WinCE以及嵌入式Linux等。

近年来，嵌入式系统发展更是日新月异，硬件方面，面向实时信号处理算法的DSP向高速、高精度、低功耗方向发展，32位微控制器己成为市场主流，嵌入式CPU主频越来越高，并开始支持多媒体，软件方面，出现了很多优秀的嵌入式操作系统系列，跨平台的软件开发技术也开始从通用计算机延展到嵌入式设备上。

1.2.3嵌入式系统的应用领域

近年来，嵌入式产品成为信息产业的主流，应用领域非常广泛。

消费产品及信息家电方面包括手机、数码相机、数字电视机顶盒等；通信设备如程控交换机、路由器、集线器等;智能仪器方面包括数字示波器、医疗仪器等；在计算机外部设备、机器人、军事电子设备和现代武器以及太空科学方面都有广泛应用，可以说嵌入式系统和嵌入式技术无处不在。

近年来嵌入式系统还广泛应用于工业控制领域，对生产过程和工业设备的各种动作流程进行控制，在此类监控系统中，嵌入式系统通过传感器或者信号采集器从外部接收有关过程的信息，对这些信息进行加工处理，然后对执行机构发出控制指令。

1.2.4嵌入式系统的组成和特点

整个嵌入式系统由硬件和软件两部分组成。

其中硬件部分包括嵌入式处理器、存储器和各类输入输出模块。

嵌入式处理器是嵌入式系统的核心。

软件部分包括板级支持包、嵌入式操作系统和应用程序。

嵌入式系统相对于通用计算机系统而言具有显著的特点：

（1）嵌入式系统通常是面向特定应用的。

（2）嵌入式系统的硬件和软件都必须是高效率地设计，量体裁衣，去除冗余的。

（3）实时操作系统的支持。

（4）嵌入式系统与具体应用有机的结合，其产品具有较长的生命周期。

（5）嵌入式系统一般具有一套专门的开发工具支持。

1.3本文主要工作

（1）完成系统的需求分析，整体规划系统的设计与实现，并设计人机交互界面。

（2）Linux操作系统内核的配置和移植。

（3）调用相关驱动的接口函数实现上层键盘和lcd的应用程序编写。

（4）自动电梯模拟控制系统的电梯控制算法的实现。

2系统软硬件平台及开发环境构建

2.1Linux操作系统简介

Linux操作系统是UNIX操作系统的一种克隆系统。

它是由芬兰赫尔辛基大学的学生LinusTorvalds在1991年开发出来的。

此后借助于因特网，经过全世界各地计算机爱好者的共同努力，Linux已发展成一个功能强大的操作系统，可以移植在各种不同的体系结构的处理器上，其中主要是32位或是64位处理器。

Linux的开发及其源代码都是遵守GPL协议的。

Linux相较于其它操作系统具有以下特点：

（1）源代码的开放性

选用Linux作为嵌入式开发的操作系统，很重要的原因就是Linux的开发及其源代码都是遵守GPL协议的。

Linux操作系统源代码可以从互联网上免费下载使用，而且Linux上运行的绝大多数应用程序也是免费得到的。

除了公开的源代码，用户可以根据自己的需要对Linux源代码进行修改、剪裁、散布。

Linux作为一种可裁剪的软件平台系统，是发展未来嵌入式设备产品的绝佳资源[1]。

（2）设备的独立性

设备独立性是指操作系统把所有外部设备一当做文件来看待，只要安装它们的驱动程序，任何用户都可以像使用文件一样，操纵、使用这些设备，而不必知道它们的具体存在形式。

Linux是具有设备独立性的操作系统，它的内核具有高度的适应能力。

随着程序员不断加入到Linux编程，会有更多的硬件设备加入到各种Linux内核和发行版本中。

另外，由于用户可以免费得到Linux内核源码，因此，用户可以修改内核源代码，以便适应新增加的外部设备。

（3）稳定性强

Linux不仅继承了Unix的优点，而且在全球有无数的人参与Linux核心的改进、调试与测试，因此造就了稳定性强的Linux。

高可靠性是嵌入式Linux领先于其他嵌入式操作系统最明显的地方。

Linux原先用于服务器领域，有较高的可靠性。

嵌入式Linux中虽然对内核进行了一些裁减，但是仍然保持了原Linux高可靠性的特点，在应用Linux开发的产品中一般很少有系统崩溃的现象。

（4）可靠的系统安全

在Linux操作系统中采取了许多安全技术措施，包括对读、写进行权限控制、带保护的子系统、审计跟踪、核心授权等，这些措施为网络多用户环境中的用户提供了必要的安全保障。

（5）具有成熟的开发工具

开发嵌入式系统的关键是需要一套良好的开发和调试工具，Linux有一套完整的免费的开发和调试工具，嵌入式Linux利用GNU项目的C编译器来编译程序，使用gdb源程序级调试器来调试程序。

它们提供了合适的手段，使客户能够方便地开发嵌入式Linux的各种应用程序。

开发时可在PC上交叉编译应用程序，调试时可通过串口telnet登陆硬件平台，同时可利用NFS调试已存在PC机中的文件。

（6）可以根据需要灵活地配置内核

因为可供嵌入式操作系统使用的存储容量都十分有限，嵌入式系统要尽量减少体积，不能像普通计算机那样采用海量存储器来进行数据存储。

通常采用软件固化的方法，将程序和操作系统嵌入到整个产品里面。

而Linux核心本身采用模块化的设计，让用户可以根据自己需要裁减内核。

用户完全可以根据不同的任务来选择特定内核模块，而将不用的部分去掉，减少体积，从根本上解决了体积和功能的矛盾。

构建一个最小的嵌入式Linux系统仅需要三个基本元素：

引导实用程序；Linux微内核，由内存管理、进程管理和定时服务构成；初始化过程。

而要实现最低限度的工作能力，还需要添加：

硬件驱动程序；一个或多个应用进程，以提供所需功能。

与其他操作系统相比Linux具有更小、更稳定、价格竞争力等优势。

正是嵌入式操作系统的特殊要求为Linux在嵌入式系统中的发展提供了广阔的空间，使得Linux成为嵌入式操作系统中的新贵。

（7）良好的可移植性

可移植性是指操作系统从一个平台转移到另一个平台，并使它仍能按其自身方式运行的能力。

Linux一开始是基于Intel386机器设计的，但随着网络的散布，加上有许多工程师致力于各种平台的移植，使得Linux可以在几乎覆盖了所有嵌入式系统的CPU种类的平台上运行。

ARMLinux是指成功移植在ARM体系结构上的Linux内核[2]。

在ARMLinux工程的带领下，Linux内核对ARM体系结构有很好的支持。

本系统采用的是Linux2.6内核。

2.2系统硬件平台介绍

2.2.1ARM微处理器简介

ARM公司是全球领先的32位RISC微处理器知识产权（IP）供应商。

当前，ARM也被当作一种技术的名字（AdvancedRISCMachines）和一类微处理器的统称，是目前应用最为广泛的32位RISC微处理器。

ARM微处理器及技术己经深入到无线通信、网络应用、消费类电子产品、成像和安全产品以及工业控制等各个领域。

ARM微处理器的特点是指令长度固定，寻址方式灵活简单，执行效率高，寄存器数量多，大多数数据操作都可以在寄存器中完成，指令执行速度更快，采用16位Thumb和32位ARM双指令集，能够兼容8位和16位芯片，并且体积小、低功耗、低成本和高性能。

ARM公司的各合作厂商生产基于ARM体系结构的处理器，除了具有ARM体系结构的共同特点以外，每个系列的ARM微处理器都具有各自特点和应用领域。

目前包括以下几个系列:

ARM7系列，ARM9系列，ARM9E系列，ARM10E系列，SecurCore系列，Intel的StrongARM系列和Intel的Xscale系列。

2.2.2EDUKIT-Ⅲ实验平台介绍

本系统软件运行的硬件平台是EMBEST公司生产的英倍特EDUKIT-Ⅲ实验平台。

该实验平台是一款功能强大的32位ARM开发板，扩展了许多外围硬件资源。

根据本系统需要，主要用到硬件资源包括：

（1）CPU采用三星公司的S3C2410X微处理器，S3C2410X处理器的工作频率可达到203MHZ，但不是只能工作在这个频率下，通过修改内部寄存器的值可以使其工作在不同频率下，通常所说的超频也是通过更改CPU的时钟控制寄存器值实现的。

（2）2个标准3线RS232串行口，波特率可达115200bps，串口0作为ARM目标板的串口控制终端，用于传输编译好的代码，并且输出电梯系统的相关提示信息。

（3）Flash在嵌入式系统中常用作存储需要永久保存的代码和数据，鉴于NorFlash和NandFlash各自的优势和不足，很多设备的最佳设计需要同时采用这两种Flash芯片，本系统中的ARM平台就是如此。

因为NorFlash可靠性高，读取操作快和随机访问能力，使得它非常适合用在代码存储方面，它的特点是芯片内执行应用程序可以直接在Flash闪存内运行，不必把代码读到系统RAM中。

NandFlash的特点是高密度（同等容量下尺寸小），低价格，较快的写入和擦除速度，较长的复写寿命，NandFlash较NorFlash容易出现坏块和位反转，在使用NandFlash的时候，需要使用错误探测错误更正（EDC/ECC）等严格的算法以确保可靠性。

本系统采用NorFlash存储vivi，嵌入式Linux镜像，根文件系统和应用程序。

（4）内存为64MByteSDRAM，采用两片K4S561632组成，工作在32位模式下，SDRARM是一种挥发存储记忆体，不能永久保存数据，在嵌入式系统中用作代码运行载体，系统和用户数据、堆栈等均位于SDRAM存储器中。

（5）键盘：

本系统采用实验开发板上自带的一个5*4的小键盘，参看图2.1。

该芯片为工业级芯片，抗干扰能力强，在工业测控中已有大量应用。

图2.1键位图

（6）液晶显示屏（LCD：

LiquidCrystalDisplay）主要用于显示文本及图形信息。

液晶显示屏（LCD）具有轻薄、体积小、低耗电量、无辐射危险、平面直角显示以及影像稳定不闪烁等特点，因此在许多电子应用系统中，常使用液晶屏作为人机界面。

实验板外挂有一块5.7英寸的液晶屏，具体参数参照表2.1：

表2.1液晶屏主要技术参数

技术参数

参数值

技术参数

参数值

技术参数

参数值

型号

LRH9J515XA

外型尺寸

93.8mm*75.1mm*5mm

重量

45g

像素

320*240

画面尺寸

9.6cm（3.8inch）

色彩

16级灰度

电压

21.5V

点宽

0.24mm/dot

附加

带驱动逻辑

液晶显示屏的显示，要求设计专门的驱动与显示控制电路。

驱动电路包括提供液晶显示屏的驱动电源和液晶分子偏置电压，以及液晶显示屏的驱动逻辑；显示控制部分可以由专门的硬件电路组成，也可以采用集成电路模块；还可以使用处理器外围LCD控制模块。

液晶显示屏按显示原理分为STN和TFT两种。

S3C2410X处理器集成了LCD控制器，主要功能是S3C2410XLCD控制器用于传输显示数据和产生控制信号。

它支持屏幕水平和垂直滚动显示。

数据的传送采用DMA（直接内存访问）方式，以达到最小的延迟。

它可以支持多种液晶屏，本系统采用STNLCD，屏幕实际大小为320*240。

实验板的驱动与显示系统包括S3C2410X片内外设LCD控制器、液晶显示屏的驱动逻辑以及外围驱动电路。

2.3系统开发环境的构建

嵌入式系统开发一般采用开发主机和目标板模式，需要在开发主机上建立开发环境。

目标板用于运行操作系统和系统应用软件，而目标板所有到的操作系统的内核编译、应用程序的开发和调试则需要通过宿主机来完成。

所以需要建立Linux开发环境[3]。

2.3.1利用Cygwin安装建立模拟开发环境

Cygwin是一个在Windows平台上运行的UNIX模拟环境。

它几乎包含了所有Linux系统下可用的软件包，包括各种开发工具。

2.3.2交叉编译环境的建立

交叉编译就是在一个平台上生成可以在另一个平台上执行的代码。

采用交叉编译的主要原因在于，多数嵌入式目标机不能提供足够的资源供编译过程使用，因而只好将编译工作转移到高性能的宿主机中进行。

在宿主机上对即将运行在目标机上的应用程序进行编译，生成可在目标机上运行的代码格式。

交叉编译环境是由一个编译器、连接器和解释器组成的综合开发环境。

交叉编译工具安装。

在Cygwin开发环境下，我们把交叉编译工具链安装到：

$CROSSDIR目录下。

按以下操作完成安装：

（1）把工具代码包cross-armtools-linux-edukit2410.tar.bz2拷贝到/tmp/目录下。

（2）运行Cygwin，执行以下命令完成Cygwin环境下的Linux交叉编译工具安装：

$>cd/tmp/

$>tar–P–xvjfcross-armtools-linux-edukit2410.tar.bz2

$>sourcearmtools-linux/cross-install.sh

环境变量及编译开关设置搭建一个Linux开发、编译和应用程序测试的环境，需要设置的开关较多，为了方便操作，采用提供了的一个命令配置文件set_env_linux.sh，运行命令即可。

$>souce/tmp/edukit-2410/set_env_linux.sh

源代码文件安装和编译。

首先，vivi源代码安装与编译：

（1）拷贝LinuxSource文件夹下的vivi-20030929.tar.bz2文件和Source\patch整个文件夹到$SOURCEDIR/目录下。

（2）运行cygwin，执行以下命令完成cygwin环境下的vivi源代码的安装：

$>cd$WORKDIR

$>tar–xvjf/tmp/edukit-2410/vivi-20030929.tar.bz

（3）进入vivi源代码安装目录，为实验系统打入vivi源代码补丁：

$>cdvivi

$>patch–p1