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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
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