9、嵌入式系统设计实例

23
数控系统设计－软硬件协同设计

软硬件协同设计

一旦软件结构确定了，硬件和软件工作组在一 起工作确定软件和相关的功能。 这个过程是指软件和硬件工作组一起工作定义 最终系统结构.这是一个迭代的过程，系统结 构的改变有时会改变软件和硬件的结构.

24
数控系统设计－定义软件模块

定义软件模块

确定系统需要支持的所有功能.
8
需求分析——功能需求

数控系统是一种自动阅读输入载体上事先给定的数据， 并将其译码，从而使机床移动和加工零件的控制系统. 它的工作原理是通过各种输入方式，接受加工零件的 各种数据信息，经过译码、处理、插补，生成各坐标 轴的参考位臵，把各轴的参考位臵送到轴控制器中， 驱动轴的运动，使各个坐标轴能精确地运动到所要求 的位臵。
任务设计
21
数控系统设计－定义系统结构

数控系统总体结构
采用处理器设计模式
系统采用单一处理器结构ARM
系统ARM+FPGA实现整个硬件系统
22
数控系统设计－定义软件总体结构

数控系统软件总体结构
软件采用任务设计模式和功能协调模式相
结合的软件结构
任务内部采用有限状态机的设计模式
采用静态固定分配，优先级与周期成反比，周期
越短优先级越高。非周期性任务则按照重要性分 配，重要性越高优先级越高
系统的优先级分配情况如下：伺服最高，插补次
之，逻辑处理次之，译码次之，人机界面最低
30
数控系统设计－任务之间通讯

任务间通讯
ucos-II提供邮箱，消息队列，全局变量，共享
内存的方式提供任务间通讯
②
以缩小电路规模，抑制功耗为目的的设计会降低通用性和可维护性。
较多的源代码可以确保软件的可维护性
2.软件工程师考虑的问题
3
嵌入式系统详细设计

1. 2. 3.
选择处理器
处理器的性能必须足够执行任务和支持产品生命周期 支持软件创建、调试、系统集成、代码调整和优化功能的软件 开发人员拥有处理器或处理器系列产品的开发经验

各种通讯方式的比较
邮箱 消息队列 全局变量 共享内存

共享内存是最快的通讯方式
31
数控系统设计－共享内存

OSMemCreate（）创建内存


void initCNCMem(void) {
INT8U err; pCNCMem=OSMemCreate(CNCMemPart, CNCMemSize, CNCblkSize, &err); if(pCNCMem==NULL){ Uart_Printf("Failed to Create CNC Message quote"); } }

13
需求分析——识别处理器

如果已有的系统系统实现了相似的功能,重用该结构是个很好的 选择
如果这是个全新的项目,考虑这些功能是否能用一个处理器实现. 单个处理器最容易实现和调试的


如果该应用需要用多个处理器,最好选用能够满足需求的最少处 理器实现
在多处理器设计中,把控制和管理用一个处理器实现,这样简化了 操作.系统中其他处理器处理系统中的工作负载. 按照这种方式设计的多处理器系统,可以从一个小的系统扩充为 一个大的系统,通过增加处理器.因此客户可以从简单的处理器入 手,随着系统负载的增加而增加
9
需求分析
功能需求—数控系统
CNC
反馈
机床控制器 反馈 控制装置 M 功能
PLC 功能
机床
人 机 界 面
速度 位置
速度
位置
轴
状态 指令 开/关
PLC
输入 输出
冷却 主轴 ….
CNC机床控制模型
10
需求分析－数控系统的功能



输入输出 输入/输出/通讯功能 字符图形显示功能 程序编制功能 数据处理 插补功能 进给功能 主轴速度功能 刀具功能 补偿功能 辅助功能 报警 自诊断功能

18
操作系统平台的选取

实时操作系统

专用实时系统VxWorks ，Window CE QNX ，REAL/IX等。RTOS 费用很高， 开放源码的实时系统 rtai ,rtlinux ucos


DOS，许多控制系统包括数控系统仍然使用DOS。DOS之所以能 够保证系统的实时性，只是因为它不是多任务系统——它每 次只执行一个任务。DOS只专注于一个任务，这样可以保证任 务的实时性。
考虑所有定义的场景.
确保所有分配的资源在结束时释放. 考虑使用层次状态机简化状态机设计.
28
数控系统设计－任务设计

选择任务类型
单个状态机 多个任务

选择状态机
简单状态机
29
数控系统设计－任务设计

分配优先级，由于采用ucos操作系统，操作系统采 用基于优先权可抢占的调度方式

1. 2.
选择操作系统
操作系统支持的微处理器 操作系统的性能
3.
4.
操作系统的软件组件、中间件和设备驱动程序
操作系统的调试工具、开发环境、在线仿真器（ICE）、编译器、汇编器、 连接器、调试器以及模拟器等。
4
5.操作系统的标准兼容性 6.操作系统的技术支持程度 7.操作系统是提供源代码还是目标代码 8. 操作系统的许可使用情况
逻辑模块－处理IO口
26
数控系统设计－数控系统任务模块
OSTaskCreate(Frame_Task, (void *)0, (OS_STK *)&Frame_Task_Stack[STACKSIZE-1], CNC_Frame_Task_Pri);// 1
OSTaskCreate(Interp_Task, (void *)0, (OS_STK *)&Interp_Task_Stack[STACKSIZE-1], CNC_Interp_Task_Pri);// 1 OSTaskCreate(Decode_Task, (void *)0, (OS_STK *)&Decode_Task_Stack[STACKSIZE-1], CNC_Decode_Task_Pri);// 1 OSTaskCreate(Display_Task, (void *)0, (OS_STK *)&Display_Task_Stack[STACKSIZE-1], CNC_Display_Task_Pri);// 1
OSTaskCreate(Logic_Task, (void *)0, (OS_STK *)&Logic_Task_Stack[STACKSIZE-1], CNC_Logic_Task_Pri);// 1
27
数控系统设计－任务设计

数控系统任务设计指南
不要引入很多状态使设计复杂化. 不要使用太少的状态使设计复杂化. 使数据结构定义简单. 处理存储越界的情况.

OSMemGet（）获得内存

void initManual_data(void) {


INT8U err;
manual_data= (MANUALDATA * )OSMemGet(pCNCMem,&err); } // end initManual_data
32
数控系统设计－共享内存
任务1
11
非功能需求－数控系统

非功能需求

物理环境－车间，工作环境恶劣 用户－一般是车间操作员，操作水平有高有低

质量保证－－用在工业控制环境质量要求高，同时 现在市场竞争激烈，如果质量不好很难在市场上站 住脚
12
非功能需求－QOS

QOS

数控系统响应性高，主要是对突发事件的反应（如撞刀，急 停） 数控系统具有可确定性。因为可确定性主要是确保条件/事件 出现和由此引起的动作开始/结束的时间在一个准确的时间间 隔内。在CNC系统中，条件/事件是由操作员的指令（紧急停 止，移动x轴等）或是机床的状态（如刀具破损等）引起的。 实际上，需要满足时间约束的情况主要是和系统安全（如对 突发事件的反应等）以及切削精度（更高的精度影响插补周 期）有关，因此数控系统具有硬实时任务。硬实时任务指必 须满足最后期限的限制，否则会给系统带来不希望的破坏或 者致命的错误。 性能高－需要进行许多复杂的运算 可靠性－可靠性要高，在加工过程中不出现问题，至少一个 月之内不能死机，出现故障， 安全程度高
任务2
任务3
TM1 TM3 TM2 TM4
局部变量表
局部变量表
全局变量表
33
数控系统设计－共享内存


14
挑选操作系统和硬件

平台的特殊需求(该平台是否需要实时操作系统的支持)


对该硬件和软件平台的使用情况?
支持该硬件和软件平台公司的财务状况如何? (当然不能选择不能提 供硬件/软件平台支持的公司的产品 提供该平台公司的发展目标是什么? (当然不希望选择的平台没有一 个清晰的升级途径) 该平台是否有合适的开发工具 可以使用该平台开发的开发人员有多少?对开发人员培训的费用是多 少 预留性能 (例如,不能选用一个CPU资源使用 80%,预留未来 增加的空 间 该平台需要完善吗?一个良好的平台比一个需要完善的平台要便宜得 多 平台的设备驱动程序 (是否能够提供用户开发的设备驱动程序) 平台支持那些通讯协议(如.平台平台是否支持 TCP/IP, HTTP, UDP等)

软件代码编制准备-软件代码编制-软件单元代码走读-代码单元测 试-单元代码修改-单元代码回归测试
6
本节提要
1
嵌入式数控系统设计实例
2 3
ARM MP3设计实例 GPS导航仪
7
嵌入式数控系统设计实例


需求分析—(数控系统需求分析)
架构设计—(数控系统架构分析) 详细设计—(数控系统的详细设计) 系统测试 —(数控系统的测试)
15





选择处理器—数控系统处理器


现在可用的数控系统有单个CPU,两个CPU,三个CPU
高档数控一般采用两个CPU实现，更有甚者采用三个 CPU，我们这个项目为中低档数控，单个处理器可以实 现 Arm7的性能满足系统的需要，同时由于需要IO的实现， 以及伺服电机的控制，所以采用ARM7+FPGA的结构 。 ARM芯片价格低廉。
19
操作系统平台的选取
ucosII的理由

ucosII是个实时多任务操作系统 是个开放源码－－降低开发费用，如果选择专业操 作系统，费用高 有强有力的支持（这一点是选择这个系统很重要的 原因）

20
数控系统设计

数控系统设计与开发
定义系统总体结构 定义软件总体结构 软硬件协同设计 定义软件模块

开发平台：操作系统相关的开发平台 相关外设的选择
FLASH，PROM(容量，boot速度)，RAM（容量，速度）

成本、功耗、产品上市时间
5
详细的硬件与软件设计流程
硬件设计流程

芯片选型-关键电路试验-原理图绘制-原理图评审-印制板-样板试制 -硬件功能测试-硬件稳定性测试
软件设计流程
基于实现的工作类型分组.把执行同一功能的 模块归为一个任务.例如人机界面，译码，插 补，伺服等.
25
数控系统设计－数控系统任务模块

数控系统任务模块

人机界面－显示，操作，控制功能 译码模块－把数控代码翻译成可识别的结构 插补模块－把数据点细化 伺服模块－生成脉冲指令控制电机
总控模块－协调各个模块之间的关系
ARM原理及应用
第九讲 嵌入式系统开发实例
1
嵌入式系统设计流程

产品定义：需求分析 软硬件划分 迭代与实现 详细的硬件与软件设计 系统测试 系统维护与升级
2Leabharlann Baidu
嵌入式系统的软硬件划分原则


性能原则
性价比原则 资源利用率原则
软硬件协同设计
1. 硬件工程师考虑的问题
①
硬件开发的投入及时间


17
操作系统平台的选取

通用操作系统

(window unix/linux)本质上是不可预测的，导致实时处理的 不可靠性（即使是相对较慢，计算简单的任务）。通用系统 都是多任务系统，意味着它们允许计算机同时运行几个进程。 它们通过分时技术允许多个任务并发，在所有活动任务间分 配资源。分时的一个直接后果是实时精度不能保证， 很多时候，程序员使用软件中断满足任务的最后期限，这就 是强迫操作系统在一个给定的时间响应中断并提供服务，然 而由于中断的分辨率很低（如linux是100hz），这个方法只 在任务实时性较低的情况下使用（也就是说任务的速率比中 断的速率还要低）。还有就是对操作系统底层的修改，如提 高中断频率，改变任务的优先级等方法可以提高一些操作系 统的实时精度，但是这样的改变对操作系统的性能有一定的 损坏。