摘要 作為新一代的網絡化測試總線標準 l x i 是基于以太網技術 包含儀器系統 的標準 協議 命令 規范等內容 對于l x i 儀器設計與實現技術來說 除儀器 本身需要實現的測試功能外 最重要的就是高精度時問同步的l x i 總線接口的設 計 本文在充分論證了網絡化測試儀器發展趨勢的基礎上 針對目前大多數通用 電子測量儀器普遍使用傳統的r s 2 3 2 c 和g p i b 接口 無法構建網絡化測試系統 的現狀 研究了將傳統儀器接口轉換成l x i 接口的具體技術和實現方法 提出了 基于3 2 位a r m 7 嵌入式微處理器 3 c 4 4 8 0 的高精度時l 日j 同步的l x i 接口模塊 的軟硬件設計方案 在硬件設計中闡述了r s 2 3 2 u s b g p i b 接口轉換成l x i 接口的電路設計 在軟件設計中運用了嵌入式操作系統uc o s i i 的剪裁 移植和 l w i p i e e e l 5 8 8 嵌入等技術 實現了c 類儀器通信所要求的控制與管理 使主 機通過l a n 實現與通用測量儀器的通信 同時本文研究了l x i 的同步和觸發 分析了完全軟件實現l x l 同步很難達到亞微秒級精度的不足 提出了基于f p g a 硬件輔助實現i e e e l5 8 8 的設計方案 為a 類和b 類儀器的設計和實現奠定了良 好的基礎 在論文中還詳細介紹了設計中所遇到難點及解決辦法 最后針對高精確時間 同步l x i 接口模塊今后的功能完善提出了改進與優化方案 關鍵詞 l x i 儀器 3 c 4 4 8 0t c p i p 協議嵌入式操作系統 i e e e l 5 8 8 f p g a a b s t r a c t a san e wg e n e r a t i o na n dn e t w o r kt e s tb u ss t a n d a r d l x ii so nt h eb a s i so ft h e e t h e m e tt e c h n o l o g ya n dc o n s i s t so fs t a n d a r d s p r o t o c o l s c o m m a n d sa n ds p e c i f i c a t i o n s o fi n s t r u m e n ts y s t e m i nt e r m so ft h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o nf o ral x ii n s t r u m e n t t h e m o s ti m p o r t a n tp a r ti st h ed e s i g no ft h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l eo fl x ii n s t r u m e n t s e x c e p tf o rt h ee s s e n t i a lt e s tf u n c t i o n b a s e do nt h ea b u n d a n td e m o n s t r a t i o nd e v e l o p m e n tt r e n do fn e t w o r kt e s t i n s t r u m e n t a i m e da tt h ep r e s e n ts i t u a t i o nt h a tr s 2 3 2a n dg p i ba r es t i l lt h ep r i m a r y i n t e r f a c eo ft r a d i t i o n a li n s t r u m e n t sw h i c hc a nn o tc o n s t r u c tn e t w o r kt e s ts y s t e m t h i s t h e s i ss h o w sad e s i g no fi n t e l l i g e n tl x ii n t e r f a c em o d u l eb a s e do n3 2 b i ta r m 7 m c u 3 c 4 4 8 0t om e e tt h er e q u i r e m e n to fc o n v e n i n gt r a d i t i o n a li n s t r u m e n t st ol x i d e v i c e s i te l a b o r a t e sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g ns c h e m eo fh i g hp r e c i s i o nt i m e s y n c h r o n i z a t i o nl x ii n s t r u m e n ti n t e r f a c e p r e s e n t sc i r c u i t sd e s i g no fr s 2 3 2 g p i b u s bi n t e r f a c ec o n v e n i n gt ol x ii n t e r f a c ei nh a r d w a r ed e s i g n e x p o u n d ss c a l ea n d t r a n s p l a n t o ft h ee m b e d d e do sp c o s i i l w i p t r a n s p l a n t i n ga n di e e e l5 8 8 e m b e d d i n gi ns o f t w a r ed e s i g n t h em o d u l ei m p l e m e n t sc o n t r o la n dm a n a g e m e n t f u n c t i o nf o rt h ebc l a s si n s t r u m e n t e n a b l e sh o s tc o m p u t e rc o m m u n i c a t ew i t hg e n e r a l i n s t r u m e n tt h r o u g hl a n t h et h e s i sa l s os t u d i e ss y n c h r o n i z a t i o na n dt r i g g e ro fl x i a n a l i z e st h ed e f e c t so ff u l ls o f t w a r ei m p l e m e n t i n gi e e e1588 w h i c hh a r d l ya c h i e v e s s u b m i c r o s e c o n d s y n c h r o n i z a t i o n a n dp r o p o s e sd e s i g ns c h e m e o fi m p l e m e n t i n g i e e e l5 8 8b a s e do nf p g ah a r d w a r ea i d w h i c hl a y sag o o df o u n d a t i o nf o rt h er e s e a r c h a n di m p l e m e n t a t i o no f aa n dbc l a s si n s t r u m e n t t h ed i f f i c u l t i e sa n di t ss o l u t i o n sa r ec l e a r l yi n t r o d u c e di nt h et h e s i s i nt h ee n d i t a l s og i v e ss o m ei d e a sf o ri m p r o v i n gt h el x ii n t e r f a c em o d u l e w h i c hw i l lm a k et h e f u n c t i o no ft h em o d u l em o r ep o w e r f u l k e y w o r d l x ii n s t r u m e n t s 3 c 4 4 8 0t c p i pp r o t o c o le m b e d d e do s i e e e1 5 8 8f p g a 西安電子科技大學 學位論文獨創性 或創新性 聲明 秉承學校嚴謹的學風和優良的科學道德 本人聲明所呈交的論文是我個人在 導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果 盡我所知 除了文中特別加以標 注和致謝中所羅列的內容以外 論文中不包含其他人已經發表或撰寫過的研究成 果 也不包含為獲得西安電子科技大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的 材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中做了明確的說 明并表示了謝意 申請學位論文與資料若有不實之處 本人承擔一切的法律責任 本人簽名 西安電子科技大學 關于論文使用授權的說明 本人完全了解西安電子科技大學有關保留和使用學位論文的規定 即 研究 生在校攻讀學位期間論文工作的知識產權單位屬西安電子科技大學 學校有權保 留送交論文的復印件 允許查閱和借閱論文 學校可以公布論文的全部或部分內 容 可以允許采用影印 縮印或其它復制手段保存論文 同時本人保證 畢業后 結合學位論文研究課題再攥寫的文章一律署名單位為西安電子科技大學 保密的論文在解密后遵守此規定 本學位論文屬于保密 在一年解密后適用本授權書 同期絲哩鯊 2 日期蘭型 乞 第一章緒論 1 1 1l x i 簡介 第一章緒論 1 1l x i 儀器概述 測試與測量的發展以測試系統總線的發展為標志 系統總線就像是中樞神經 系統 負責控制指令和測試數據的傳送 在自動測試領域 總線技術經歷了從g p i b v x i p x i 這幾個階段 隨著計算機技術和i n t e m e t 技術的飛速發展 推動了電子 測量儀器的進步 電子測量儀器的發展出現了新的趨勢 2 0 0 4 年9 月1 4 日 安捷倫技術公司和v x i 技術公司聯合倡議成立l x i 聯盟 僅僅在成立一年之后 a g i l e n t 公司和v x i 科技公司聯合推出了新一代基于l a n 的模塊化平臺標準一l x i l a ne x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n 儀器總線標準 并 發布了第一版l x i 標準i l j 該標準建立在i o 標準i e e e8 0 2 3 和i e e e1 5 8 8 之上 是繼g p i b v x i p x i 等傳統儀器之后的新一代基于以太網l a n 的自動測試系 統模塊化構架平臺標準 基于l x i 總線標準的儀器設備稱為l x i 儀器 l j 1 1 2l x i 標準 l x i 標準包括如下部分 l x i 儀器類型 物理結構要求 l a n 規范 l a n 配置 l a n 發現 可編程接口 網絡接口 模塊 模塊的通信 基于l a n 觸發 硬件觸發以及安全 文檔 許可 符合性等 l l x i 標準將基于l x i 的儀 器分為a b 和c 三個等級 c 類儀器提供了標準化的l a n 和w e b 瀏覽器接口 具有通過l a n 的編程控制能力 可以與其它廠家的儀器很好地協同工作 b 類儀 器具有c 類儀器的一切能力 并且支持i e e e1 5 8 8 精密時鐘同步協議 具有同步 a p i 和i e e e l 5 8 8 定時功能 a 類儀器具備b 類儀器的一切能力 同時具備線觸 發總線接口 l x i 標準圍繞六個主要方面 物理要求 l x i 儀器的同步和觸發 l x i 設備間的通信 驅動程序接1 2 1 l x i l a n w e b 接口 2 l 標準是這些要求項目的 組合 有些是推薦性的 少數是過渡期允許的 l x i 接口規范最具挑戰性的是模塊儀 器的同步 定時 測試網絡結構和軟件互用性 而冷卻 機械 電磁兼容 電源等 條款 則參照v x i p x i 等儀器的規定 實現比較容易 1 物理要求 物理規范部分規定了l x i 儀器的外形尺寸 電氣標準和環 境標準 l x i 有4 種機械尺寸 非機架安裝設備 適合小尺寸的應用 如傳感器 高精確時間同步的l x i 儀器接口設計與實現技術研究 符合i e c 6 0 2 9 7 標準的全寬度機架安裝設備 符合事實上標準的半寬度機架安裝 設備 這種標準不是官方公布的 而是由于廠商大量生產 世界各地都在廣泛使 用 形成了事實上的標準 l x i 標準推薦此類儀器為2 u 高度 l x i 單元 這是 l x i 標準定義的新的儀器機械尺寸 l x i 單元高為1 u 4 u 推薦寬度為8 5 英 寸 深度要求符合相應的i e c 標準 多種可選的外形尺寸給l x i 儀器提供了很 大的靈活性 能夠符合各種不同應用的要求 2 l x i 儀器的同步和觸發 同步 即基于一個共同的時間標準對準多個動 作 如測量序列 信號激勵序列等 的功能 觸發 即基于異步事件啟動儀器動作 如測量 閉合開關 輸出波形等 的功能 同步與觸發是測試測量儀器的關鍵功 能 在自動化測試領域有著特別重要的意義 l x i 觸發是l x i 規范的一大特色 它把e t h e m e t 通信 i e e e l 5 8 8 標準和 v x i 背板觸發總線很好地結合在一起 利用l x i 的觸發和同步功能 系統集成 者能夠控制模塊和系統內的狀態序列 控制本地或系統事件發生和處理的時l 司 并基于時標對測量數據或重要事件進行排序或關聯 i e e e1 5 8 8 是為克服以太網 實時性不足而規定的一種對時機制 它的主要原理是由一個精確的時 日j 源周期性 地對網絡中所有節點的時鐘進行校 f 同步 i e e e1 5 8 8 可對標準以太網或其他采 用廣播技術的分布式總線系統中的設備時鐘進行亞微秒級同步 a 類l x i 儀器 的觸發總線采用m l v d s 多點低壓差分信號裝置 總線 其作用類似于v x i p x i 的背板觸發 每臺l x i 儀器上都有一個m l v d s 輸入連接器和一個輸出連接器 設備可以作菊花鏈型連接或通過星形集線器作星形連接 也可進行兩種方式的混 合連接 觸發總線為l x i 系統帶來卡箱式系統觸發的好處 卻不需要復雜而昂貴 的機箱 l x i 有5 種觸發模式1 3 l 基于驅動程序命令觸發模式 利用控制計算機 上驅動程序接口直接將命令傳遞給模塊 直接l a n 消息觸發模式 通過l a n 直接從一個模塊向另一個模塊發送包含觸發信息 包括時標 的數據包 該模式用 于儀器相隔較遠 不能配置單獨的硬件觸發電纜 觸發信息中需要帶有時戳的數 據等情況 基于時問的事件觸發模式 在模塊內設置并執行基于i e e e l 5 8 8 時 間的觸發 該模式用于儀器啟動動作基于時間 儀器相隔較遠但需要較低延時等 情況 基于l x i 觸發總線觸發模式 利用l x i 觸發總線 m l v d s 上的電壓 觸發一個模塊執行某個功能 該模式用于儀器距離較近且需要低時延 低抖動的 情形 可選用的供應商特定的硬件觸發模式 除非以上方式不能滿足要求 一 般不采用此方式 直接l a n 消息觸發是將網絡技術應用于測試領域的產物 它通 過軟件實現更為靈活的觸發 使得即使在緊湊型系統中也可以不需專用的觸發總 線 這種靈活性在復雜的系統中更為明顯 而且 這種觸發方式脫離了網絡內的 控制計算機 不必受計算機的瓶頸限制 降低了l a n 的數據流量 降低了延遲 第一章緒論 更接近于實時響應 特別適用于遠程分布系統 另外 l x i 采用統一的觸發模型 設備可將硬件觸發信號和l a n 觸發事件同樣對待 簡化了編程工作和系統集成 3 l x i 設備i 日j 的通信 對儀器進行控制和實現測試過程的自動化都離不開 設備間的通信 l x i 模塊間的通信有3 種 經l a n 的由控制器到模塊發送的驅 動程序命令 通過l a n 傳送的直接模塊至模塊的消息 模塊間的硬件觸發信號 線 直接模塊至模塊的消息是l x i 儀器所特有的 它可以是點對點的通信 通過 t c p 連接傳送數據包 也可以是一點到多點的廣播式通信 通過u d p 廣播方式 發送數據包 這種基于t c p i p 協議的通信方式提供了傳統測試系統結構 依賴 使用中央控制器的主從配置 所不可能具備的靈活性 因為在l x i 系統中 觸發 可由系統中任何l x i 設備發起 并直接發送到任何其他l x i 設備 而不必經過控 制器 4 驅動程序接口 所有l x i 設備都必須提供符合i v i 規范的驅動程序 a 類和b 類儀器還要符合l x i s y n c 接口規范 i v l 是在v p p v x ip l u g p l a y 規 范的基礎上發展而來的一項技術 主要研究儀器驅動程序的互換性 測試性能 開發靈活性及測試品質保證 i v i 規范實現不同廠商儀器間的互相替換功能 可 用于v x i p x i g p i b 高速串行總線控制儀器 如u s b 1 3 9 4 儀器 等 它為各 種虛擬儀器測試系統建立了一種可互換的儀器驅動程序框架結構 i v i 通過類驅 動程序和i v i 配置庫實現應用程序與驅動程序的無關性 從而達到驅動程序改變 時不改變應用程序代碼的目的 類驅動程序不是具體的驅動程序 它是符合某個 i v i 類規范的儀器類的a p i 的集合 函數 屬性 屬性值等 可以理解為一種抽 象的 具有過渡性質的驅動程序 i v i 類驅動程序為應用程序與具體儀器特定驅 動程序提供了統一的接口 而i v i 配置庫中儲存了這些接口的邏輯名與具體驅動 程序間的映射關系 當儀器或驅動程序發生改變時 用戶只需更改i v i 配置庫的 信息 不需要對應用程序代碼進行修改 i v i 儀器驅動程序根據a p l 分類的方式 可分為i v i c 和i v i c o m 它們分別是a n s i c 和c o m 技術與虛擬儀器結合的 產物 由于i v i c o m 驅動程序是以所有主要應用程序丌發環境都支持的微軟 c o m 技術為基礎的 為想要獲得互換性的用戶提供了極好的工具 l x i 標準推 薦使用i v i c o m 驅動程序 l x i s y n e 規范定義了a 類和b 類儀器驅動程序編 程接口 l x ia p i 的具體要求 這些a p i 用來控制l x i 設備等待 觸發和事件功 能特性 這些功能特性是關于a 類和b 類l x i 設備的 不依賴于任何i v i 儀器 類 分為等待 觸發 事件 事件日志及時間5 個子系統 其中 等待子系統 控制觸發信號什么時候被接收 觸發子系統控制l x i 設備何時觸發一次測量或 其他操作 事件子系統控制l x i 設備何時把特定狀態發送給其他l x i 設備 事件 同志子系統提供一種訪問設備同志的方法 時間子系統提供訪問l x i 總線1 5 8 8 時基的功能1 4 3 4 高精確時間同步的l x i 儀器接口設計與實現技術研究 5 l x il a n l a n 是l x i 的技術基礎 l x i 標準規定了對l a n 的硬 件要求及相關配置要求 硬件方面 l x i 設備必須使用合適的i e e e 8 0 2 x p h y m a c 規范實現以太網 以太網的物理連接必須符合i e e e s 0 2 3 規范 l x i 儀器 應具有網絡連接速度自動協商 a u t o n e g o t i a t i o n 功能和以太網連接監視功能 前 者使儀器能在小于自身速率的網絡中正常工作 后者規定了網絡斷丌時儀器應如 何處理 l x i 的l a n 配置是指設備為獲得i p 地址 子網掩碼 默認網關和d n s d o m a i nn a m es y s t e m 服務器i p 地址等配置值所使用的機制 l x i 設備l a n 配 置的方法有3 種 動態主機配置協議 d y n a m i ch o s tc o n f i g u r a t i o np r o t o c o l d h c p 動態配置本地鏈路選址 d y n a m i cl i n k 1 0 c a la d d r e s s i n g 又稱為a u t o i p 和手動設 置 其中 d h c p 是在使用以太網路由器的大型網絡中自動分配i p 地址的方法 此時通過d h c p 服務器獲得設備的i p 地址 a u t o i p 方式適用于由以太網交換機 或集線器 組建的小型網絡或特設網絡 以及由交叉電纜組建的兩節點網絡 手 動方式可用于所有類型拓撲結構的網絡 此時用戶手動設置l x i 設備的i p 地址 如果模塊支持多種配置方式 則按如下順序進行 d h c p 一動態配置本地鏈路選 址一手動設置 6 w e b 接口 每個l x i 儀器都是一個獨立的網絡設備 所有l x i 儀器都必 須提供包括產品主要信息在內的歡迎網頁及l a n 配置網頁 a 類和b 類設備還 要具有同步配置網頁 此外 儀器還可以提供狀態和其他頁面 來顯示儀器的當 前狀念和其他信息 這些網頁通過h t t p 8 0 端口連接到網絡 并可以通過標準 w 3 c 網絡瀏覽器查看 從w e b 接口的角度看 l x i 儀器類似于一個w e b 服務 器 控制計算機可以像訪問w e b 站點一樣訪問l x i 儀器 查看儀器的配置或狀態 信息 甚至通過w 曲網頁對儀器進行控制 事實上 通過w 曲網頁對儀器進行 控制 也是l x i 的一個特色 現代計算機技術和儀器技術的深層次結合產生的虛 擬儀器技術 有效地將計算機資源和測試系統的軟硬件資源結合在一起 l x i 采 用并發展了虛擬儀器技術 它可以像v x i p x i 模塊那樣通過計算機上的虛擬面 板控制儀器 但由于其網絡化的特點 l x i 聯盟推薦用w 曲網頁取代軟面板對 儀器進行控制 并通過w e b 接口來升級軟件或軟固件 1 2l x i 總線的特點和發展趨勢 1 2 1 l x i 總線的特點 5 l 開放式工業標準 l a n 和e t h e m e t 允許使用多種通信媒介 如同軸電纜 c a t 5 光纖和無線 l a n 傳輸速度快 獨立于操作系統 并且是對稱的 沒有u s b 中的主從工作模 第一章緒論 式 l a n 是眾多儀器生產廠商支持的行業標準 測試開發快速 簡單 能保證兼 容性和測試壽命 l a n 是業界最穩定 生命周期最長的開放式局域網絡工業標準 開發成本低廉 使得儀器生產廠商很容易將現有的儀器產品移植到l x i 儀器平臺 上來 2 向后兼容性 l x i 模塊只占1 2 的標準機柜寬度 體積比v x i p x i 等可擴展式儀器更小 不需重新配置即可升級現有的測試系統 并允許擴展為大型卡式虛擬儀器 v x i p x i 系統 3 成本低廉 在滿足軍用和民用客戶要求的同時 保留了現有臺式儀器的核心技術 結合 最新科技 使得l x i 模塊的成本明顯低于相應的臺式儀器和v x i p x i 儀器 4 互操作性 l x i 測量功能模塊可以方便快捷的組成合成儀器 s y n t h e t i ci n s t r u m e n t s 合 成儀器模塊只需約3 0 一4 0 種通用儀器模塊即可解決軍用 民用的主要測試需求 如此相對較少的模塊種類 就可高效 靈活地組合成面向目標服務的各種測試單 元 大大降低了測試系統的體積 提高了系統的機動靈活性 5 新技術及時方便的引入 l x i 測量功能模塊具備完備的i o 定義文檔 由軍標定義 因而模塊和系統 升級時只需核實新技術是否涵蓋其替代產品的全部功能即可 因此 與傳統的卡式儀器相比 l x i 模塊化儀器具備了許多優勢 1 集成更為方便 不需要專用的機箱和0 槽計算機 2 可以利用w e b 界面精心操作 無需編程和其它虛擬面板 3 連結和使用更為方便 可以利用通用的軟件進行系統編程 4 非常容易實現校準計量和故障診斷 5 靈活性強 可以作為系統儀器 也可以單獨使用 另外 由于l x i 模塊本身配備處理器 l a n 連接 電源供應器和觸發輸入 因此它不像模塊式卡槽必須使用昂貴的電源供應器 背板 控制器和接線等 1 2 2 l x i 總線的應用領域及發展趨勢 測試總線歷經了7 0 年代的g p i b 總線 8 0 年代的v x i 總線 9 0 年代的p x i 總線 總線技術在工業 軍事 航空航天的測試領域中的作用越來越重要 被應 用的范圍也越來越廣 因此對總線技術的研究與發展從來沒有間斷過 最近十年 測量和控制領域產生了幾種發展趨勢 1 日益增長的系統復雜性和更多的系統協調需求 5 6 高精確時間同步的l x i 儀器接口設計與實現技術研究 2 越來越多的采用分布式系統結構 3 網絡通信技術的應用 4 成本限制 用傳統的g p i b v x i p x i 總線構建自動化測試系統時測試節點數受限 且 成本較高 這些總線自身不能構建分布式測試系統 因此傳統的測試總線由于自 身的缺陷不能滿足分布式和復雜系統的測試需求 向分布式體系結構的轉變被看 作是解決問題的必然選擇 國際l x i 聯盟曾經在眾多系統集成商和工程師中作過調查 所得到的是幾乎 一致的結論 首先要降低系統的成本和集成的復雜性 采用容易使用的人機界面 其次在保證系統緊湊的同時要保證儀器的性能和兼容性 減少復雜的連線 希望 有多種高速的觸發方式 高速的i o 減少機架和機箱的空問浪費 還要非常容 易地發現系統的故障 在編程的時候希望使用自己最熟悉的軟件 利用通用的p c 接口和總線 而不是昂貴的測試測量專用接口總線 l x i 是成熟的以太網技術在測試自動化領域應用的拓展 其具體的設想是將 成熟的以太網技術應用到自動測試系統中 以替代傳統的測試總線技術 目前已 經得到絕大多數儀器行業廠家的支持 主要原因是 1 以太網 標準p c 和軟件在測試行業中廣泛使用 技術已經非常成熟 而且得到眾多計算機廠家不斷的研發投入和升級支持 2 i e e e1 5 8 8 網絡同步標準的實施 可以在實驗室環境中得到n s 級的時 鐘同步誤差 3 標準的網絡接口已經極為普遍 l x i 測試總線技術是信息化 網絡化發展的必然趨勢 在短短的幾年間 l x i 總線已經得到了國內外幾十個廠家的支持 其中包括美國國防部也加入了l x i 總 線聯盟 從標準推出至今 一些國際知名的儀器廠商陸續推出了1 0 0 多種l x i 總 線儀器 l x i 總線技術的諸多優勢必然要在工業 軍事 航空航天等眾多領域中 發揮不可估量的作用 1 3 1 嵌入式系統的定義 1 3 嵌入式系統概述 嵌入式系統廣泛應用于各個行業和領域 但至今并沒有一個業界公認的關于 嵌入式系統的準確定義 下面介紹幾個有代表性的定義 6 1 根據i e e e 國際電氣和電子工程師協會 的定義 嵌入式系統是 控制 監視或者輔助設備 機器和車間運行的裝置 原文為d e v i c e su s e d t o 第一章緒論 c o n t r o l m o n i t o r o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no f e q u i p m e n t m a c h i n e r yo rp l a n t s 這主要是 從應用上加以定義 由此可以看出 嵌入式系統是軟件和硬件的綜合體 2 嵌入式系統是以應用為中心 以計算機技術為基礎 軟件硬件可裁減 適 用應用系統對功能 可靠性 成本 體積 功耗嚴格要求的專用計算機系統 3 嵌入式系統是用以控制設備的計算機 通常是在設備內部 為了控制設備 行為或是嵌入在其他系統中的一種專用軟件和硬件 1 3 2 嵌入式系統的特點 嵌入式系統是將先進的計算機技術 半導體技術和電子技術與各個行業的具 體應用相結合后的產物 這就決定了它必然是一個技術密集 資金密集 高度分 散 不斷創新的知識集成系統 嵌入式系統的應用領域極其廣闊 是面向用戶 面向產品 面向應用的 因此它的特點與實際應用密切相關 6 1 嵌入式微處理器與通用c p u 最大不同之處在于嵌入式微處理器大多工 作在為特定用戶群設計的系統中 它通常都具有低功耗 體積小 集成度高等特 點 能夠把通用c p u 中許多由板卡完成的任務集成在芯片內部 從而有利于嵌入 式系統設計趨于小型化 移動能力大大增強 與網絡的耦合也越來越緊密 2 嵌入式系統的硬件和軟件都必須高效率地設計 量體裁衣 去除冗余 力 爭在同樣的硅片面積上實現更高的性能 這樣才能在具體應用中對處理器的選擇 更具有競爭力 3 嵌入式系統和具體應用有機地結合在一起 它的升級換代也是和具體產品 同步進行 因此嵌入式系統產品一旦進入市場 具有較長的生命周期 4 具有高實時性的操作系統 系統內核小 嵌入式系統一般要求高可靠性 能工作在惡劣的環境中 處理各種復雜的工作 因此要求具有實時性操作系統 它是指具有實時性 能支持實時控制任務的系統 系統內核小可以減輕系統是對 資源的占用 有利于降低成本 便于移植 而且利于軟件固化存儲 提高實時系 統的運行速度 5 嵌入式系統的丌發需要用專門的丌發工具和環境 由于嵌入式系統本身不 具備自主丌發設計的能力 必須借助丌發環境和丌發工具才能進行 程序的下載 調試可以通過j t a g 口進行 主機的開發調試軟件可以使用k e i lf o r a r m v 3 0 或a r ma d s v 1 2 等進行 1 3 3嵌入式操作系統概述 7 l 嵌入式操作系統是一種支持嵌入式系統應用的操作系統軟件 它是嵌入式系 統 包括硬 軟件系統 極為重要的組成部分 通常包括與硬件相關的底層驅動軟 7 高精確時間同步的l x i 儀器接口設計與實現技術研究 件 系統內核 設備驅動接口 通信協議 圖形界面 標準化瀏覽器等 嵌入式 操作系統具有通用操作系統的基本特點 如能夠有效管理越來越復雜的系統資源 能夠把硬件虛擬化 使得丌發人員從繁忙的驅動程序移植和維護中解脫出來 能 夠提供庫函數 驅動程序 工具集以及應用程序 與通用操作系統相比較 嵌入 式操作系統在系統實時高效性 硬件的相關依賴性 軟件固態化以及應用的專用 性等方面具有較為突出的特點 嵌入式操作系統在嵌入式系統軟件丌發環境中處于核心地位 是嵌入式應用 軟件的基礎和丌發平臺 由于嵌入式系統硬件環境的多樣性以及應用場合往往對 實時性要求比較嚴格 故嵌入式操作系統的設計一般都得考慮實時性和支持多硬 件平臺 中斷響應時間 i n t e r r u p tr e s p o n s et i m e 和上下文切換時間 c o n t e x t s w i t c h i n gt i m e 等往往也成為衡量嵌入式操作系統的重要性指標 常用的嵌入式操作系統有v x w o r k s w i n d o w s c e p a l mo s 嵌入式l i n u x 和 l ac o s i i 等 其中uc o s i i 是美國m i c r i u m 公司推出的一款針對微控制 儀器 設備 自動化等領域的杰出的丌放源代碼操作系統 到目前為止 已經在眾多類 型的微處理器得到廣泛的應用 不僅僅包括當前流行的高端處理器例如m i p s a r m p o w e rp c x 8 6 等 值得一提的是l ac o s i i 在低端處理器 例如8 0 5 1 8 0 c 1 9 6 z 8 0 等處理器中也得到了廣泛的應用 由于它極低的內存和r o m 空間 要求 高性能的實時處理性 方便快捷的可移植性以及丌放源代碼獲得眾多工程 師的青睞 同時 m i c r i u m 根據i jc o s i i 推出uc g u i uc u s b uc f i l e s y s t e m 等基于uc o s i i 的外圍配件 配合瑞士計算機科學院 s w e d i s hi n s t i t u t eo f c o m p u t e rs c i e n c e 的a d a md u n k e i s 開發的丌放源代碼的t c p i p 協議棧l w l p 更 加使l ac o s i i 如虎添翼 l ac o s i i 被眾多工程師譽為當i j 最優秀的嵌入式操 作系統 1 4 課題任務介紹和開發平臺的選擇 1 4 1 課題任務簡介 本論文課題以 基于嵌入式系統的l x i 儀器關鍵技術研究 為背景 基于 s 3 c 4 4 8 0 嵌入式硬件丌發平臺 完成高精度時間同步的l x i 儀器接口模塊的設計 嵌入式操作系統l ac o s i i 的移植和裁剪 t c p i p 協議的嵌入和i e e e l 5 8 8 的實現 l x i 儀器技術是以太網技術在測試自動化領域的應用與拓展 其目的是將成 熟的以太網技術應用到自動測試系統中 本模塊是以r s 2 3 2 g p i b 傳統儀器設備 為應用對象 以實際應用為中心 以計算機和電子技術為基礎 要求軟件和硬件 可裁減 能夠提供l a n u s b r s 2 3 2 和g p i b 常用儀器接口 從而建立一個多 第 章緒論 接口的l x i 儀器平臺 本課題具有以下幾方面的研究意義 1 目前使用和生產的儀器大部分是基于g p i b r s 2 3 2 傳統儀器總線 直接 將其改造成網絡儀器成本高且不容易實現 本模塊以外部接入方式實現傳統儀器 接口與l a n 通信 因此對于改造傳統儀器具有現實意義 2 從儀器發展的趨勢來看 基于l a n 的儀器總線將成為未來儀器的主導 但國內還停留在對標準協議的研究上 所以現在對l x i 儀器接口的研究在國內具 有先導地位 3 l x i 儀器的主體包括測試功能模塊和網絡接口模塊 測試功能模塊與傳 統儀器技術是 致的 所以對l x i 接口模塊的研究可以為以后研制具有知識產權 的l x i 儀器夯實基礎 4 高精度時問同步在測控技術和網絡傳輸中具有重要意義 因此對 i e e e l 5 8 8 精密時鐘協議的研究具有現實意義 1 4 2 丌發平臺的選擇 開發平臺的硬件選擇通常包括 處理器 硬件部件 硬件調試工具 軟件選 擇通常包括操作系統 編程語言 軟件丌發工具 軟件組件等 其中 處理器的 選擇是至關重要的 同時操作系統和編程語言的選擇也非常關鍵 因為處理器的 選擇往往會限制操作系統的選擇 而操作系統的選擇又會限制丌發工具的選擇 l 硬件平臺的設計 首先 設計者在選擇處理器時要考慮的主要因素有1 8 j 處理器性能 一個處理器的性能由多方面的因素決定的 如時鐘頻率 內 部寄存器的大小 指令是否對等處理所有的寄存器等 對于許多需用處理器的嵌 入式系統設計來說 目標在于選取能夠完成作業的處理器和i o 子系統 而不是 選擇速度最快的處理器 技術指標 當前 許多嵌入式處理器都集成了外圍設備的功能 減少了芯 片的數量 降低了整個系統的丌發費用 丌發人員首先考慮的是 系統所要求的 一些硬件能否無需過多的膠合邏輯 g l g l u el o g i c 就可以連接到處理器上 其 次是考慮該處理器的一些支持芯片 如d m a 控制器 內存管理器 中斷控制器 串行設備 時鐘等的配套 功耗 嵌入式微處理器最大并且增長最快的市場是手持設備 電子記事本 p d a 手機 g p s 導航器 智能家電等消費類電子產品 這些產品中選購的微處 理器 典型的特點是要求高性能 低功耗 軟件支持工具 僅有一個處理器 沒有較好的軟件開發工具的支持也是不 行的 因此選擇合適的軟件開發工具對系統的實現會起到很好的作用 9 l o 高精確時間同步的l x 儀器接口設計與實現技術研究 是否內置調試工具 處理器如果內置調試工具可以大大縮小調試周期 降 低調試的難度 供應商是否提供評估板 許多處理器供應商可以提供評估板來驗證理論是 否 f 確 決策是否得當 嵌入式系統的核心部件是各種類型的嵌入式處理器 a r m 是近年來在嵌入 式系統有影響力的微處理器制造商 a r m 的設計非常適用于小的電源供電系統 其他硬件部件的范圍很廣 包括單個芯片 單元電路板 磁盤驅動器 直至整個 自成體系的系統 其選擇原則主要根據預算 功能和設計者對其熟悉程度進行選 擇 綜合各方面因素 本設計選用基于 3 c 4 4 8 0 的a r m 7 嵌入式系統丌發平臺 開發工具為a r m 公司提供的a r md e v e l o p e rs u i t ev 1 2 集成開發環境和 a l 州 j t a g 在線仿真機 2 操作系統的選擇 硬件方案確定之后 操作系統的選擇就相對容易 硬件的不同 會影響操作 系統的選擇 可用于嵌入式系統丌發的操作系統很多 但關鍵是如何選擇一個適 合丌發項目的操作系統 綜合分析 應該考慮以下幾點 8 操作系統提供的丌發工具 有些實時操作系統 r t o s 只支持該系統供應 商的丌發工具 因此 還必須向操作系統供應商獲取編譯器 調試器等 而有些 操作系統使用廣泛 且有第三方工具可用 因此 選擇的余地比較大 操作系統向硬件接口移植的難度 操作系統到硬件的移植是一個重要的問 題 是關系到整個系統能否按期完工的一個關鍵因素 因此 要選擇那些可移植性 程度高的操作系統 避免操作系統難以向硬件移植而帶來的種種困難 加速系統 的丌發進度 操作系統對內存的要求 均衡考慮是否需要額外花錢去購買r a m 或 e e p r o m 來迎合操作系統對內存的較大要求 開發人員是否熟悉此操作系統及其提供的a p i 操作系統是否提供硬件的驅動程序 如網卡等 操作系統的可剪裁性 操作系統的實時性能 綜合以上各因素考慮 本設計選擇uc o s i i 操作系統 因為i lc o s i i 操作 系統可以滿足功能及性能方面的要求 以源碼方式提供操作系統內核及其組件 對于高校內進行的教學研究使用不需要購買許可證 并且在其公司網站上有免費 的技術支持 3 編程語言的選擇1 8 一般來說 越高級的語言 其編譯器和運行庫附加的丌銷越大 應用程序也 第一章緒論 越大 運行也慢 在嵌入式系統開發過程中使用的語言種類很多 比較廣泛應用 的高級語言有 c c h 和j a v a 等 c 語言具有廣泛的庫程序支持 目前在嵌 入式系統中是應用最廣泛的編程語言 在將來很長一段時間內仍將在嵌入式系統 應用領域占重要地位 c 是一種面向對象的編程語言 目前在嵌入式系統設計 中也得到了廣泛的應用 如g n uc v i s u a lc 是一種集成丌發環境 支持 可視化編程 廣泛應用于g u i 程序丌發 但c 與c 相比 c 的目標代碼往往 比較龐大和復雜 在嵌入式系統應用中應充分考慮這一因素 j a v a 語言相對年輕 但有很強的跨平臺特性 目前發展勢頭較為強勁 j a v a 語言的 一次編程 到處可 用 的特性 使得它在很多領域倍受歡迎 隨著網絡技術和嵌入式技術的不斷發展 j a v a 及嵌入式j a v a 的應用也將越來越廣泛 但是j a v a 消耗硬件資源較大 編程語言的選擇主要考慮以下因素 通用性 可移植程度 執行效率 可維 護性 目前丌發嵌入式系統往往選擇c 語言和匯編語言混合編程方式 幾乎所有 的嵌入式系統的編譯器和鏈接器都支持混合編程方式 因此在丌發時 大多數程 序使用c 語言 時間關鍵部分和訪問硬件內部寄存器部分使用匯編語言 使用c 語言帶來的性能降低可以通過采用更高性能的處理器和更大的內存來解決 通常 不會增加太大的系統成本 綜合考慮 本課題采用普遍 易懂的c 和匯編語言編程方式 1 4 3 課題的主要內容 上文概述了l x i 總線和嵌入式系統 從中我們了解到 與傳統儀器相比l x i 儀器的技術難點在于測量設備如何通過l a n 與其他設備通信并實現同步 主機 如何通過l a n 實現對測試系統的配置 管理和測量數據的觀察等 即如何實現 適用于儀器總線的l a n 通信技術 因此本課題主要完成內容如下所示 1 理解l x i 儀器標準 研究i e e e l 5 8 8 中有關接口功能和觸發方式 2 研究高精確時間同步在測量系統中的作用和要求 提出l x i 儀器接口高 精確時鐘同步的實現方法 3 熟悉基于嵌入式的i n t e m e t 技術 4 完成l x i 儀器接口模塊硬件設計 5 完成uc o s i i 操作系統的裁剪和移植工作 6 完成l w i p 協議的移植工作 7 研究i e e e1 5 8 8 協議的軟硬件實現技術 8 完成模塊內部常用接口的調試工作 1 2 高精確時間同步的l x i 儀器接口設計與實現技術研究 1 5 本章小結 本章介紹了l x i 總線的標準 特點 應用領域和發展趨勢 闡述了嵌入式系 統的特點和強大的軟硬件功能 分析了l x i 總線相對與g p i b v x i p x i 等傳統 總線標準所具有的優越性 引出了本課題的主要內容 通過嵌入式系統強大的 軟硬件功能 設計高精度時間同步的l x i 接口模塊 把傳統儀器改造成具有l x i 功能的儀器 第二章l x i 的同步利觸發 第二章l x i 的同步和觸發 2 1l x i 通信的可靠性和實時性 1 3 l x i 儀器是基于成熟的以太網技術發展起來的 而普通以太網傳輸的延遲與 數據的不確定不能滿足測控儀器的實時性和可靠性要求 因此消除網絡延遲和抖 動實現各種終端儀器的時 白j 精確控制 通信數據的可靠性傳輸成為l x i 儀器通信 的關鍵環節 2 1 1 l x i 通信的可靠性 最簡單的解決數據包可靠性問題的方法是利用點對點的t c p 協議進行數掘 包的傳輸 雖然它可以提高數據包傳輸的可靠性 但是會導致延長的觸發等待時 間和一些更為復雜的軟件配置問題 l x i 儀器在多點傳送模式下是基于u d p u s e r d a t a g r a mp r o t o c 0 1 協議的 u d p 協議是一個面向數據包的簡單傳輸層協議 并 為應用程序發送和接收數據報 它是一種無連接的協議 即不需要建立服務器與 客戶端的連接 所以這種情況下無法保證數據傳輸的可靠性 網絡通道的阻塞問 題可能會導致數據包在傳輸過程中丟失 并且網絡配置問題也可能導致數掘包的 多次發送 如何解決數據包的丟失和重發問題 成為提高l x i 儀器通信可靠性的 關鍵環節 為解決儀器數據