高性能嵌入式系统设计与定制开发解决方案

嵌入式系统开发平台的设计与实现

近年来,嵌入式系统技术和应用的飞速发展,使得嵌入式系统技术的培训和教学面临着内容和实验设备快速更新的问题.针对嵌入式系统开发和教学中,微处理器种类多,更新速度快,应用需求差别大,对可扩展性要求高的特点,研制一种满足嵌入式教学共性要求,支持多种处理器,适应不同教学培训需求的通用实验装置显得十分的必要. 随着当下通信,微电子,及网络技术的发展,嵌入式系统也已逐渐渗透到日常生活中的各个领域.但是微控制器芯片作为构建嵌入式系统的核心部分却往往缺乏合适的开发和教学实验平台.即使各芯片厂商会提供一些评估套件,也大都存在着结构固定,功能单一,重复利用性不强的问题.本文通过对一种嵌入式系统通用开发平台的建立,尝试实现一种能支持多种嵌入式微控制器,外设硬件模块化,可重复使用,模块的互连可重构的实验平台,以满足嵌入式研究和教学的多样性需求,适应处理器的快速发展. 本文工作的目标是设计一款具有广泛适用性的嵌入式系统通用实验平台,该平台应能同时兼顾包括单片机课程实验,嵌入式系统课程实验,EDA课程实验,大学生电子设计竞赛等方面的应用需求,提供当前嵌入式开发领域较为典型的外设资源模块,并能够对各种类型的嵌入式系统处理器核心提供支持. 本文具体完成了以下工作:分析了嵌入式系统教学的实际应用需求,根据应用需求分析,构想和设计了一种由嵌入处理器核心板,通用外设模块和可定制连接板组成的通用实验平台的总体方案;完成了该平台硬件外设模块的选型,设计以及驱动编写和测试工作,并给出了各模块底层驱动程序的移植方法;采用高性能,低成本,应用广泛的嵌入处理器STM32为通用实验平台设计了典型的核心板方案;完成了基于本开发平台的几种嵌入式系统典型的应用软件范例的设计.

基于模型集成运算的嵌入式装备控制系统开发方法的研究

信息技术的迅速发展和经济全球化,给装备制造业带来新的机遇和挑战.作为装备的中枢部分——控制系统,其技术水平标志着设备的自动化和智能化水平.嵌入式系统的发展和应用为提高装备的整体性能开辟新的途径,成为装备市场竞争的关键因素.面向领域建模以其崭新的理念被誉为"下一代建模方法",它将嵌入式软件的开发重心由底层代码转变为领域模型.本文采用基于面向领域建模思想的模型集成运算理论构建面向装备控制领域的嵌入式系统开发环境,建立面向该领域的建模语言,研究嵌入式控制系统的开发方法,为装备控制领域嵌入式系统的开发提供快速有效的解决方案. 在对模型集成运算理论进行深入研究的基础上,针对装备控制领域的发展需求和嵌入式系统的特点以及目前嵌入式系统开发所面临的问题,提出了面向装备控制领域的嵌入式系统开发总体框架.整个框架可以分为两个层次:领域层和应用层.其中,领域层通过领域元模型的抽象与建模和解释器的设计与实现,为用户层提供建模语言,集成开发环境和解释器.用户可以直接使用建模语言和开发环境建立所需的应用模型.解释器是建立在该领域内统一的元模型的基础之上,能够对多样化的用户模型进行解释. 在建立领域元模型之前,首先要对装备控制领域进行领域分析,获取嵌入式系统在装备控制领域的应用需求.本文从控制系统的组成,功能,性能,约束以及硬件平台等五个方面分析了该领域的共性与特点.基于嵌入式控制系统的本体论分析,提出了装备控制系统元模型的构建方法:定义构成系统的各个部件确定每个部件的特性建立各部件之间的关系. 然后,根据该构建方法,以领域分析为依据,以控制系统的本体论为基础,从多个方面和多个层次建立了装备控制领域的元模型,形成该领域嵌入式系统的建模语言——CSML.装备领域的工程人员可以采用CSML语言对嵌入式控制系统从结构,行为,约束,硬件平台以及任务部署等多个方面进行定制.通过模型解释器实现程序代码的生成,从而实现领域应用的快速定制,提高开发效率,缩短开发周期. 模型解释器是以用户模型为输入,以其他格式数据为输出的转换器.可以分为三种:模型转换解释器,工具集成解释器和代码解释器,分别实现从用户模型到其他模型,特征文件(仿真/验证工具的可识别格式)以及程序代码的解释.在深入研究解释器开发需要用到的模型访问接口的基础上,基于元生成的方法,实现了具有部分功能的代码解释器.这些解释器能够将用户模型的数据处理模块和人机界面解释成程序代码,再经编译器编译生成目标代码.另外,针对装备控制系统的领域需求,探讨了在解释器开发过程中所涉及到的跟嵌入式控制系统非功能要求紧密相关的问题和解决办法. 最后,采用所研究开发的装备控制领域的建模语言和嵌入式控制系统开发环境,分别建立了三个系统的模型:液压拉深机控制系统,计算机数控系统和焊接过程监控系统.通过这三个应用系统的建模和部分功能的代码生成,验证了本文提出的嵌入式控制系统开发框架的可行性以及建模语言CSML的在装备控制领域的适用性. 本文所研究的嵌入式控制系统开发框架,建模语言以及开发环境是模型集成运算理论在装备控制领域的一个尝试.对该方法的深入研究可能为嵌入式控制系统的描述,设计以及实施等开发过程的自动化提供有效途径,为提高装备控制系统的可靠性,可重用性和可维护性等性能提供有利措施,对提升我国装备制造业的技术水平具有重要意义.

嵌入式操作系统在线定制软件解决方案的研究与实现

随着电子产品智能化需求的不断发展,进入生活生产过程中的计算机产品数量不断增加,功能也日趋复杂,当下智能制造和人工智能等领域的飞速提升,带动硬件市场及软件需求的不断进步,越来越多的设备制造厂商为了赢得市场,凸显前沿技术,将自己的产品做得智能化、个性化、人性化。这就要求,设备软件的定制化程度增强,定制细节增多,其中最为基本也最为关键的一项技术就是操作系统的个性化定制,本文捕获此问题展开讨论。本课题通过对目前国内外市场上嵌入式操作系统的使用及开发做了深入研究,了解到嵌入式操作系统的多样性以及开发灵活的特点,解决了对于定制操作系统有需求的硬件设备客户面临的技术门槛问题,让此类用户在不必深度编写代码的情况下,开发自己的定制操作系统软件,同时开发出适用于多种硬件平台操作系统的定制工具,统一开发流程,方便用户在线操作及维护,可以使用户加快系统定制速度,最快速度将产品推向市场。通过搭建一套在线定制系统,当有系统定制化需求时,可以快速的通过Web浏览器登录在线定制系统,在定制系统上可以根据客户需求,对软件包进行选择,对系统进行配置,并提交云端后台处理,生成定制好的嵌入式操作系统。具体技术实现上采用Apache作为Web服务,在前端WebUI交互上,使用了JavaScript、Ajax、Vue的脚本和框架,实现友好的用户交互以及和后台的通信机制,当用户在UI上选择相关定制选项后,后台采用基于Thinkphp框架构建的后台处理程序,对前端提交的用户定制选项进行处理,并生成XML文件,同时通知Jenkins持续集成框架,建立基于Docker的系统构建环境,Jenkins集成框架可以自动触发相关脚本,在脚本中,会分析XML文件,根据XML文件中描述的用户需求,从服务器的软件创库中抓取相关的软件包,编译出对应的定制系统,并通过E-mail方式通知用户下载,从而使定制系统这个本来复杂的技术过程变得简单、快速、高效。本文主要描述嵌入式操作系统在线定制工具的需求分析整理、后台功能实现过程、软件测试以及测试效果。需求分析针对用户开发操作流程,分拆各部分功能做细节,清楚地展示用户实现定制开发时需要做哪些工作,以及这些工作之间的联系;后台功能实现过程重点描绘前端需求实现过程,例如如何根据页面需求解析、抓取、打包操作系统的功能模块,如何产生可以使用的LiveOS镜像文件,如何把定制好的OS镜像实现远程部署等功能;软件测试及测试效果是在完成软件开发之后,对整个系统进行功能模块测试、安全性测试、性能测试、易用性测试、可靠性测试等工作,全面考量软件及整个平台的运行情况,最终要保证系统能够稳定快速的生成可用的定制操作系统文件。嵌入式操作系统个性化定制开发使用,是一项趋势性的技术,目前在工业产品领域嵌入式系统的定制应用非常普遍,工业行业以及特定领域行业为体现自身技术独特性,往往会精简或者定制特别的操作系统来加载应用,并且规模越大的产品类别越要求具备在线更新系统的功能。所以定制平台不但需要能够执行定制功能,还要求具有远程批量部署系统的能力,这对于一些终端分散、设备偏远的工业应用非常有利,不仅定制上带来便利,节约开发费用,远程维护管理上也能够带来可观的效益。

基于嵌入式Linux的智能大棚控制系统设计与实现

随着经济的发展,现代化农业的研究越来越受到重视,在果蔬种植方面,农业大棚是现代化农业的重要组成部分,而拥有智能控制系统的农业大棚则是农业现代化的重要标志。智能控制系统的主要原理是通过棚内传感器对作物生长环境参数进行采集并上传至中央控制器进行处理,控制器根据数据处理结果下发对棚内环境设备的控制信号。中央控制器的主要架构为以 ARM芯片为核心的嵌入式系统,ARM芯片在越来越多的领域内具有很强的通用性,并以其低功耗高性能获得越来越多厂家和研发机构的青睐。 本文针对智能大棚精细化管理提出了一种新的控制系统,对其关键的模块进行了研究和设计。该系统采用了以ARM为核心的硬件系统,辅以外部控制通信链路,通过弱电模块控制强电设备,同时定制Linux核心的操作系统,利于平台软件的开发、驱动程序开发,利于平台的扩展。 本文针对该系统制作了开发板,采用了Pads Layout等工具进行高速PCB设计,保证了电路板工作性能稳定和信号完整性。在以Linux操作系统为核心的基础上,独立设计一套IIC扩展IO的总线协议,主芯片只使用IIC接口不仅节约了ARM芯片通用输入输出接口GPIO的数量,同时兼顾硬件设计的归一化和可自定义配置,使得整个系统可以理论支持高达256个子板。由于棚内设备种类众多,功能子板也采用了通用设计,每张子板可以同时控制两个单相棚内设备,或者一路双向设备,增加了系统的灵活性。 系统数据采集架构同样考虑了归一化设计,采用RS485电气标准以及Modbus协议结合的方式,以统一传感器上传的接口,使得不同厂商的类似产品均可以无缝连接至该系统中来。RS485标准理论可以接入上百个节点,通信距离最高可达到1200米,各项指标均远超实际需求,因此该系统的可扩展性非常高,并能够跨范畴延伸到各种类似的应用环境中去。 我们利用该系统进行了功能验证以及环境测试,测试结果证明了该系统方案可行性,操作简便,适合于多种环境条件下的智能大棚控制。