商业冷库嵌入式控制计算机ARM体系操作系统研究与开发

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 3.84MB 89 页 15积分
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i
摘 要
随着国民经济的发展，我国的冷藏工业也在迅速崛起。从肉类制品、瓜果蔬
菜、到时令鲜花、医疗药品的储藏都离不开冷藏业。毫不夸张的说，冷藏业已经
渗透到人民生活的方方面面。目前，全国冷库总容量高达九百万吨，并且每年以
30%的速度快速增长，但是在冷库数量高速增长的同时，制冷系统自动化控制的发
展步伐还相对缓慢。国内冷库对制冷设备的控制效率普遍偏低，且大多采用局部
分散的方式控制，很少对整个制冷系统集中控制。因此，开发高效、节能的商业
冷库自动化控制系统，是促进冷藏工业进一步发展的重要措施。
本文详细论述作者在硕士学位论文研究期间，围绕商业冷库嵌入式控制系统
和 ARM 体系嵌入式操作系统所做的研究和实践工作。首先综合论述了嵌入式系统
的应用情况和课题的意义；紧接着介绍了 ARM 体系结构和嵌入式操作系统的特点
和发展；然后对嵌入式操作系统涉及的关键技术进行了深入研究，包括任务管理、
同步和通信机制、存储管理和中断管理；结合研究的成果，在 S3C44B0X 处理器
上移植了µC/OS-Ⅱ操作系统，并通过外围设备驱动、CAN 总线通讯模块以及图形
用户接口的设计对它进行扩展，为商业冷库自动控制系统的开发构建了专用的嵌
入式实时操作系统平台；最后在该平台基础上完成了商业冷库压缩机组控制系统
的软件开发，实现了课题既定的目标。文章的结尾还针对现有工作指出了不足之
处。
本课题尝试将 ARM 体系的嵌入式技术和现代冷藏业结合起来。课题的研究成
果可以用来开发该领域的同类产品，也可以为相关研究工作提供参考。通过本课
题的研究为冷藏工业嵌入式自动控制系统的开发探索了理论和实践基础。
关键词：嵌入式控制 嵌入式操作系统 CAN 总线 压缩机组控制
ii
ABSTRACT
With the development of national economy, China's cold storage industry is also
rapidly emerging. From meat products, fruits and vegetables, to the flowers, medical
drugs are inseparable from the cold storage industry. At present, the domestic total cold
storage capacity is 9 million tons.In spite of the high-speed growth of cold storage; the
development of automation control in refrigeration system is slow. The control’s
efficiency on refrigeration equipment generally low, and most of them using a local
distributed control without centralized control to the entire system. Therefore, the
development of efficient, energy-saving automatic control systems of commercial cold
storage is very important to the further development of the cold storage.
This paper discussed the author’s research and practical work in the master's
degree study period. It’s around the embedded control systems of commercial cold
storage, and ARM based embedded operating systems. First, we discussed the
significance of this topic and the application of embedded systems; followed introduced
the ARM architecture and the development of embedded operating systems; and then
we studied the key technologies involved in embedded operating system, including task
management , communication mechanisms, memory management and interrupt
management; at last, we transplanted μC/OS-II operating system to S3C44B0X
processor, and through design of device driver, CAN bus communication module and
graphical user interface, we build a dedicated embedded real-time operating system
platform for the development of commercial cold storage’s automatic control system;
Finally, based on this platform we completed the software design of commercial
refrigerator compressor control system. At the end of the article we also pointed out the
deficiencies of the work.
This topic attempts to integrate ARM based embedded technology to modern cold
storage industry. The research result can be used to develop similar products, and also
can provide a reference for relevant research work. Through the research work we have
explored the theoretical and empirical basis for the development of cold storage
industry’s embedded control system.
Key Word ：Embedded Control, Embedded Operating System,
CAN-bus, compressor unit control
iii
目 录
摘 要......................................................................................................................................................... i
ABSTRACT.............................................................................................................................................ii
目 录..........................................................................................................................................................iii
第一章 绪 论......................................................................................................................................1
§1.1 课题的来源 .........................................................................................................1
§1.2 嵌入式系统的应用和发展趋势 .........................................................................2
§1.2.1 应用................................................................................................................2
§1.2.2 发展趋势........................................................................................................3
§1.3 论文的主要工作和意义 .....................................................................................4
§1.4 章节安排 .............................................................................................................4
第二章 ARM 体系结构与嵌入式操作系统............................................................................ 5
§2.1 ARM 体系结构 ................................................................................................... 5
§2.1.1 嵌入式处理器的发展....................................................................................5
§2.1.2 嵌入式处理器的分类....................................................................................6
§2.1.3 ARM ................................................................................................................7
§2.2 嵌入式操作系统 .................................................................................................9
§2.2.1 嵌入式操作系统定义、特点........................................................................9
§2.2.2 常见嵌入式操作系统..................................................................................10
§2.3 本章小结 ...........................................................................................................13
第三章 嵌入式操作系统关键技术研究................................................................................. 14
§3.1 任务管理 ...........................................................................................................14
§3.1.1 任务状态和切换..........................................................................................14
§3.1.2 任务调度......................................................................................................16
§3.1.3 优先级反转..................................................................................................17
§3.2 同步与通信机制 ...............................................................................................18
§3.2.1 信号量..........................................................................................................18
§3.2.2 邮箱和消息队列..........................................................................................19
§3.2.3 管道..............................................................................................................20
§3.2.4 内存共享......................................................................................................21
§3.2.5 分析比较......................................................................................................21
§3.3 存储管理 ...........................................................................................................22
§3.3.1 内存分配......................................................................................................22
§3.3.2 存储保护......................................................................................................23
§3.4 中断管理 ...........................................................................................................24
§3.4.1 中断过程......................................................................................................24
§3.4.2 比较分析......................................................................................................24
§3.5 商业冷库嵌入式操作系统考虑 .......................................................................25
§3.6 本章小结 ...........................................................................................................25
第四章 构建专用 ERTOS 平台..................................................................................................27
iv
§4.1 ΜC/OS-II 的移植.............................................................................................. 27
§4.1.1 移植的条件..................................................................................................27
§4.1.2 OS_CPU.H 的移植.......................................................................................27
§4.1.3 OS_CPU_C.C 的移植 .................................................................................. 28
§4.1.4 OS_CPU_A.ASM 的移植............................................................................ 29
§4.2 外围设备驱动 ...................................................................................................29
§4.2.1 液晶显示器..................................................................................................30
§4.2.2 触摸屏驱动..................................................................................................32
§4.2.3 SJA1000 ........................................................................................................ 34
§4.2.4 输入输出......................................................................................................35
§4.3 CAN 总线模块 ................................................................................................. 36
§4.3.1 概述..............................................................................................................36
§4.3.2 数据存储......................................................................................................37
§4.3.3 进程间配合..................................................................................................43
§4.3.4 发送程序设计..............................................................................................44
§4.3.5 接收程序设计..............................................................................................48
§4.4 图形用户接口 GUI ...........................................................................................51
§4.4.1 简述..............................................................................................................51
§4.4.2 GUI 层次结构 .............................................................................................. 52
§4.4.3 图形抽象层 GAL ........................................................................................ 53
§4.4.4 图形设备接口 GDI ..................................................................................... 55
§4.4.5 窗口管理......................................................................................................57
§4.4.6 消息管理......................................................................................................58
§4.5 本章小结 ...........................................................................................................59
第五章 压缩机组控制系统设计................................................................................................60
§5.1 概述 ...................................................................................................................60
§5.2 系统结构 ...........................................................................................................60
§5.3 系统需求分析 ...................................................................................................61
§5.4 总体设计 ...........................................................................................................62
§5.5 自动控制逻辑模块 ...........................................................................................63
§5.5.1 控制逻辑类..................................................................................................63
§5.5.2 中央逼近算法..............................................................................................65
§5.6 设备管理模块 ...................................................................................................66
§5.6.1 设备控制过程...............................................................................................66
§5.6.2 虚拟设备类..................................................................................................71
§5.7 输入输出管理模块 ...........................................................................................73
§5.7.1 逻辑端口......................................................................................................73
§5.7.2 虚拟终端......................................................................................................74
§5.7.3 资源管理器..................................................................................................77
§5.8 用户界面模块 ...................................................................................................78
§5.9 进程安排 ...........................................................................................................79
§5.10 版本控制 .........................................................................................................80
§5.11 本章小结 ......................................................................................................... 80
v
第六章 总结和展望........................................................................................................................82
§6.1 总结 ...................................................................................................................82
§6.2 展望 ...................................................................................................................82
参考文献..................................................................................................................................................83
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果............................................ 85
致 谢.........................................................................................................................................................86
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题的来源
随着我国经济的发展，人民生活水平的提高，人们对生活品质的追求也越来
越高。民以食为天，食品又成为人们生活中最关注的话题。人们对食品的要求也
在逐渐提高，食品不仅仅要安全、卫生，还得新鲜可口、方便食用。要达到这些
愿望，离不开一个不可或缺的手段，那就是食品冷藏。冷藏技术让食品不易腐败
变质，延长了食品的储藏期，不仅可以保证食品卫生、安全，还能维持食品的新
鲜度和口感。食品冷藏也便了食品的存储和运输，再也不会重现“一骑红尘妃子
笑，无人知是荔枝来”的典故了。
人们对食品要求的不断提高，也刺激了食品工业的发展。我国人口数量庞大，
每日消耗的食物难以计数，大大小小的食品生产、加工企业多如牛毛，大江南北
随处可见。为了满足巨大的食物供应量，特别是反季节食品，众多食品、饮品企
业必须储藏、冷冻数量巨大的食物和原材料。储藏的货物种类繁多，包括各种肉
类制品、瓜果蔬菜、冷品饮品、其他原料等等。除了食品储藏对冷藏业有很大的
需求以外，还有很多行业也依赖于冷藏业，比如时令鲜花、医疗药品的储藏。可
以毫不夸张的说，冷藏业已经渗透到人民生活的方方面面。
冷藏业发展的重要环节是冷库的建设。冷库是冷藏业的基础设施，它承担了
在低温条件下冷藏食品、存放货物的功能，是冷藏链中最重要的一部分。冷库的
冷藏功能可以保证食物新鲜、不易腐败，延长了食物的储藏期，使得食品可以长
期存放却又不流失营养成分，甚至能够保持食物外观和风味不发生变化。同时，
食品、货物储藏期的延长也减少了市场价格波动对生产、加工企业的影响，避免
淡、旺季变化对企业生产和销售造成的损失。冷藏业在国民经济中所起的重要作
用使得冷藏业具有十分广阔的发展前景。根据文献[1]， 我国每年的生鲜产品总量
接近七亿吨，这其中有超过 2500 万吨的产品是冷冻食品。在我国，有将近两万家
从事食物冷冻和冷藏服务的企业年营业额超过五百万人民币。这些企业为国家创
造的总产值超过 520 亿人民币。目前，全国冷库总容量高达九百万吨，其中商用
冷库面积有超过七百万平方米。预计在未来的十年，我国冷库将以每年 30%的速
度快速增长，冷藏业的发展将不可限量。除了冷库数量和冷藏面积的高速增长，
我国的冷藏业也在逐步向现代化、规模化发展。特别是在沿海经济发达区，诸如
上海、深圳等地，冷藏业正在以不可思议的速度发展，已经建成了比较完善的冷
摘要：

i摘要随着国民经济的发展，我国的冷藏工业也在迅速崛起。从肉类制品、瓜果蔬菜、到时令鲜花、医疗药品的储藏都离不开冷藏业。毫不夸张的说，冷藏业已经渗透到人民生活的方方面面。目前，全国冷库总容量高达九百万吨，并且每年以30%的速度快速增长，但是在冷库数量高速增长的同时，制冷系统自动化控制的发展步伐还相对缓慢。国内冷库对制冷设备的控制效率普遍偏低，且大多采用局部分散的方式控制，很少对整个制冷系统集中控制。因此，开发高效、节能的商业冷库自动化控制系统，是促进冷藏工业进一步发展的重要措施。本文详细论述作者在硕士学位论文研究期间，围绕商业冷库嵌入式控制系统和ARM体系嵌入式操作系统所做的研究和实践工作。首先...

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