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怎样写研究生论文

分类号学校代号：

10561

UDC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CPU386EX和C＋＋IDE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-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MotorolaColdfire芯片MCF5272（主频66MHz，带有10/100以太网、USB、QSPI等）、4Mbytes16位FLASH、16Mbytes32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，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，PEG

Abstract

Scoutingandcontrolsystemofenvironmentinstrumentisthekeyofit.Itcanwellcontrolandobservealloffunctionsoftheenvironmentinstrument.TechnologistsofonecompanyinGuangzhouhavedoneresearchonitforalongtimewhenaserialofproductsofscoutingandcontrolsystemsofenvironmentinstrumenthavebeenfinished.Lastyear,anewtypeofitwasbeendoneandfixedonenvironmentinstruments.ItisbasedonCPU386EXthatismainhardwareandonC++IDEdevelopingenvironmentthatissoftwareenvironment.Thereare256-colorLCD,12-bittouchscreen,RS485serialcommunicationonitanditdoesverywell.Withdevelopmentofsociety,therearesomelimitsdiscovered.First,itcan’tcommunicatewithotherinstrumentswelloninternet.Second,itsspeedisnotfast.Thelast,itisthemostimportantthatthesoftware,hardwareanddevelopingenvironmentarenotthebesttoday.Forstandingthetopofscoutingandcontrolsystemofenvironmentinstrument,anewstyleofproductisresearchedanddesignedbasedonthedevelopingenvironmentHHCF5272-LCD-IDE-R1andotherproductofthisgroup.

Therearetwopartsinscoutingandcontrolsystemofenvironmentinstrumentthatthispaperresearch.Oneisthehardwaresystem,theotheristhesoftwaresystem.

ThehardwaresystemismadeupofthekeyboardofHHCF5272-LCD-IDE-R1andtheextendedboardthatisdesignedinthisresearch.ThekeyboardincludeCPUMCF5272（66MHz,with10/100BaseTethernet,USB,SPI,etc）,4Mbytes16-bitFLASH、16Mbytes32-bitSDRAM.Thereis256-colorLCDcircuit,12-bittouchscreencircuit,safeguardcircuit,10/100BaseTEthernetport,real-timeclockcircuit,USBport,RS485andRS232port,etc.LCDcircuitiscomposedofthedriverS1D13504,DRAMandLCDandtouchscreencircuitismadeofthedriverAD7843andthetouchscreen.X1226isthemainICintherealtimecircuit.

UClinuxistheOSofthesoftwaresystemthatHHCF5272-LCD-IDE-R1hasoffered.TherearesomeuClinuxdriverprogramsofhardware,suchas10/100BaseTEthernet,USB,RS232serialport.ThedriverprogramsofLCD,touchscreen,real-timeclockaredesignedinthisresearch.ThesoftwaresystemalsoincludetheprogramsthatfinishedthepictureofLCDwhichisbasedonPEGandfunctionoftouchscreen,scoutingandcontrolthesystem,communicationwithPC,etc.

Keyword:

Scoutingandcontrolsystem,MCF5272，LCD,touchscreen,uClinux,PEG

目录

摘要1

AbstractI

目录I

第一章绪论1

1.1环境仪器监控系统的技术发展概况及研发背景1

1.2本课题立项目的及意义2

1.3本论文研究和设计的主要内容3

第二章　系统选型4

2.1CPU的选择4

2.2软件系统的选择8

2.3系统研发平台的选型8

2.4本章小结9

第三章HHCF5272-LCD-IDE-R1套件简介及性能评估10

3.1Linux的一些基础知识的简单介绍10

3.2uClinux的一些特点10

3.3HHCF5272-LCD-IDE-R1套件主要构造12

3.4　软件系统的文件与目录结构12

3.5　HHCF5272-LCD-IDE-R1的Makefile的结构及解析13

3.5.1Makefile的概念13

3.5.2HHCF5272-LCD-IDE-R1的Makefile13

3.6HHCO5272-LCD-IDE-R1开发环境的建立和开发过程13

3.6.1开发环境的建立13

3.6.2　应用程序的编译和调试14

3.6.3　烧写14

3.7　液晶、网络、串口应用程序在开发套件上的实现14

3.7.1LCD的应用程序的实现14

3.7.2开发套件的网络部分16

3.7.3串口通信编程16

3.8本章小结16

第四章　硬件系统的设计18

4.1　HHCF5272-LCD-IDE-R1套件硬件的简介18

4.2硬件的设计19

4.2.1彩色液晶屏硬件的设计20

4.2.2　触摸屏硬件的设计23

4.3安全电路的设计27

4.3.1MAX793的简介及工作原理27

4．3．2　MAX793在本系统的应用29

4.4时钟电路的设计30

4.5本章小结31

第五章　驱动程序的实现32

5.1　液晶驱动程序的实现32

5.2触摸屏驱动程序的实现33

5.3X1226时钟驱动程序的实现34

5.4本章小结38

第六章　嵌入式图形的应用开发39

6.1PEG的简介39

6.2PEG的结构及其编译39

6.3利用PEG实现嵌入式图形界面的编程40

6.4PEG编译过程及应用程序的实现42

6.4.1库文件的编译42

6.4.2应用程序的实现及编译45

6.5本章小结47

第七章　系统功能和软件设计48

7.1设定监控功能和运行功能48

7.2软件设计49

7.2.1触摸屏定位程序的设计49

7.2.2液晶屏程序的实现50

7.2.3监控过程实现的功能54

7.2.4串口通信程序和网络通信程序的设计56

7.3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C＋＋IDE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；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

Fig1-1ElectricSystemStructureofEnvironmentinstrument

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

Fig1-1RealizingElectricSystemStructureofEnvironmentinstrument

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。

2.1CPU的选择

　　在研发环境仪器的远程监控系统之前，我们对StrongARM1110、Coldfire5272、SumsangS3C4510B、CirruslogicCL-PS7500EF、386EX（公司已有产品用386EX　CPU）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。

StrongARM1110[2]

Coldfire5272[3]

386EX[4]

SumsangS3C4510B[5]

CirruslogicCL-PS7500EF[6]

Coreorcoretechnology

ARM*V4architecture

Version2ColdFireCore

ARM7TDMI

ARM7TDMI

Cpu频率

133MHz

150MHz

66MHz

20MHzEXTBat2.7v-3.6v

20MHzEXTBat3.0v-3.6v

20MHzEXTCat4.5v-5.5v

33MHz,5V;20MHz,3.3V

40MHz

60MHz

MIPS指标

150Dhrystone2.1MIPS@133MHz

235Dhrystone2.1MIPS@206MHz

63Dhrystone2.1MIPS@66MHz

5Dhrystone2.1MIPS@25MHz

23MIPS,181mWat33MHz,5VwhenexecutingThumbcode

14MIPS,36mWat20MHz,3.3VwhenexecutingThumb

37MIPSat5V,40MHz

功耗

<240mW@1.55V/133MHz

<400mW@1.75V/206MHz

约700mW@66MHz

约700mW@25MHz

181mWat33MHz,5V

36mWat20MHz,3.3V

CRT*:

800mW,

LCD:

370mW

Onchipmemory

16Kbyteinstructioncache

8Kbytewritebackdatacache

Maps4,8Kbyte,or1Mbyte　32-entrymemory-managementunits

8-entry,between1and16byteseach　Writebuffer

4-entry,1,4,or8words

Readbuffer

4KbyteSRAMonCPUinternalbus

16KbyteROMonCPUinternalbus

1Kbyteinstructioncache

----------------

Two-way,set-associative,unified8-Kbytecache

unified4-Kbytecache

PCMCIA

MemorybussupporttwoPCMCIAsockets

---------------

---------------

-----------------

-----------------

Momerybus

InterfacetoROM,synchronousmaskROM,flash,SRAM,SRAM-likevariablelatencyI/O,DRAM,andsynchronousDRAM

glueless8,16,and32-bitSRAMandROMinterfacebus

16–256MbitdevicesSDRAMcontroller

16or32bitswidthforSDRAM

LargeUniformAddressSpace:

64MegabytePhysical

64TerabyteVirtual

4GigabyteMaximumSegmentSize

8/16/32-bitexternalbussupportforROM/SRAM,flashmemory,DRAM,andexternalI/O

SupportforEDO/normalorSDRAM

supporttwo16-MbytesbanksROM,flash

supportEDO,64Mmomeryclockand32-bit-wideDRAM

Integratedclockgeneration

Internalphase-locdedloop

3.686-MHzoscillator

32.768-MHzoscillator,provideaccuracyof±5seconds/month

4x16-bitgeneral-purposemulti-modetimer

15-nSresolutionat66-MHzclockfrequency

Softwarewatchdogtimer

providesthreeindependent16-bitcounters,eachcapableofhandlingclockinputsupto8MHz.

Twoprogrammable32-bittimers

Intervalmodeortogglemodeoperation

twoindependent16-bittimers

HDLC

　　----------------

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