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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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
商业冷库嵌入式控制计算机 ARM 体系操作系统研究与开发
2
藏、物流产业体系。另一方面，在西部地区冷藏业的发展也不甘落后，以甘肃省
为例，截至 2005 年就拥有十三座千吨级的商业冷库，同时还建成九座千吨以上的
气调库。这当中，仅兰州市就有三十一家企业从事冷冻、冷藏服务，并拥有超过
五万吨的冷库容量。然而即使在这样高速增长的情况下，冷库的数量仍然不能满
足人民生活日益增长的需要，可以看到商业冷库的发展具有相当广阔的前景。
在看到我国冷藏业迅猛发展的同时，也要看到我们与发达国家的差距，这特
别表现在制冷系统的自动化控制技术相对落后。国外冷库的制冷设备广泛采用自
动控制技术，大多数冷库只有 1 至 3 名人员负责日常的管理工作，在夜间基本上
无人值守[2]。而这样轻松的管理方式，在国内几乎是难以想象的。除了需要管理人
员较多，夜间还必须留人看守以防紧急事件的发生。主要原因在于，国内大多数
冷库的制冷设备采用手动控制，或者仅对单个制冷装置采用局部自动控制技术，
对整个制冷系统做到完全自动控制的较少。而在冷库关键设备压缩机组的控制系
统中，国内冷库通常采用国外厂商提供的 PLC 系统，它不仅价格高昂，维护费用
也不低，阻碍了冷库规模的扩大。在对一般设备的自动控制中，国内普遍采用性
能较低的单片机。然而，在大型商业冷库中，冷却设备众多，系统复杂，需要统
一的集中式制冷系统。仅仅依靠单片机的计算能力远远不能满足商业冷库自动化
控制的要求，更谈不上在制冷控制系统中使用智能、高效的控制算法。这样就使
得制冷设备的利用效率非常低。冷藏工业每年消耗的能源占全国能耗的 20%左右，
冷库控制系统的自动化、智能化程度不够，给国家造成了巨大的能源浪费。因此，
自主开发高效、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。
§1.2 嵌入式系统的应用和发展趋势
§1.2.1 应用
随着现代微电子技术的迅速发展，大规模集成电路技术在工业领域的广泛应
用，以及微处理器技术的不断精进，嵌入式系统被广泛应用生产、生活的各个领
域。嵌入式系统的出现促使现代科学技术发生了质的飞跃，带来了生产、生活领
域的新的技术革命。它让人们的生产、生活发生了翻天覆地的变化。
嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁
剪、适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机
系统[3]。嵌入式系统结合了现代半导体技术、微电子技术、最新的计算机技术以及
不同领域的专业知识，可以说是人类智慧的集中体现。它集高技术、高创新、高
第一章 绪论
3
信息量、高资金投入于一身，被人们予以厚望。现在，嵌入式系统已经渗透人们
生产、生活的各各方面，成为我们不可或缺的部分。从家用电器到娱乐产品，从
电视、空调、冰箱、洗衣机到个人电脑、手机、MP4、XBOX，从汽车上的 GPS
定位系统到地铁上的移动多媒体，从公交电子站牌到五彩斑斓的数字广告牌，从
飞机导航系统到卫星通讯系统，没有哪一样能离开嵌入式系统。嵌入式系统不仅
改变了我们的生活，也改变了工业生产方式，在现代工厂中人们常常能发现自动
机械手臂的身影，并为它高效的工作方式所惊叹；各种工业控制器、监控设备提
高了生产效率，降低了工人的劳动强度，所有这些都和嵌入式系统的功劳分不开。
此外，嵌入式系统还大量应用于军用设备上，为我们的国防事业贡献力量。嵌入
式系统每年创造的经济产值也高的惊人，仅在工业方面，嵌入式系统每年创造的
总产值就早已突破万亿美金，嵌入式系统的发展潜力不言而喻。嵌入式系统具有
的高技术含量、高度信息化，它所体现的高效率、高便利性将知识经济时代推向
了新的高潮。
§1.2.2 发展趋势
科学技术的进步日新月异，微电子技术、计算机技术的迅速发展也在推动嵌
入式技术快速发展。嵌入式系统的发展呈现出多元化的趋势：
1. 小型化、低成本、低功耗。嵌入式系统最大的优势就在于其小巧的体积，可以
嵌入各种小型甚至微型装置和仪器当中。而较低的成本也是促使嵌入式产品得
到人们喜爱和广泛应用的原因。较低的功耗也是嵌入式系统引以为傲的特点，
特别是在手持设备上的应用，帮助嵌入式产品在没有外部电源的情况下长时间
使用。
2. 高可靠性。家用嵌入式产品的可靠性，很大程度上影响用户的满意度。在工业
生产领域，嵌入式控制系统的可靠性更是关系到生产能否正常进行的关键因
素。一旦控制系统发生故障，轻则造成工厂停产，重则造成严重安全事故，给
国家带来巨大损失。所以如何保证嵌入式系统的高度可靠性是嵌入式研究的重
要课题。
3. 高效性。嵌入式系统中的资源时相当有限的，无论是存储器容量还是处理器资
源都非常宝贵。这就要求嵌入式软件和编译工具的质量非常高，尽量软件的体
积，并且提高程序执行的效率。
4. 智能化。手机、掌上电脑、多媒体播放器的智能化满足了人们的生活、娱乐的
需要。工业产品的智能化提高生产效率，节约能源，还降低了企业的运营成本。
5. 网络化。现代嵌入式系统网络化的趋势相当明显。各种嵌入式产品的应用场合，
商业冷库嵌入式控制计算机 ARM 体系操作系统研究与开发
4
会对网络接口有不同的要求，人们生活中使用的嵌入式产品通常要求能够支持
TCP/IP 协议、USB 协议等通讯接口，工业生产中的嵌入式产品通常要求支持
CAN 总线、485 总线等[4]。特别是在工业控制领域，众多设备需要集中监控，
这些都对嵌入式系统网络化提出了很高要求。
6. 便捷美观的人机界面。嵌入式产品之所以受人们欢迎，其中一个重要因素就是
友好的人机界面。它给使用者带来良好的用户体验，具有很强的亲和力。而在
生产领域，它还帮助操作人员提高工作效率。
§1.3 论文的主要工作和意义
为了开发应用于商业冷库的高效、节能的自动控制系统，本文对 ARM
(Advanced RISC Machines)体系的嵌入式操作系统进行研究，通过移植、扩展μ
C/OS-II ，构建应用在商业冷库中的嵌入式实时操作系统 ERTOS(Embedded
Real-time Operating System)平台，并完成了制冷系统关键设备——压缩机组控制系
统的设计。尝试将 ARM 体系的嵌入式控制技术和现代冷藏业结合起来。
在商业冷库自动控制系统中采用高性能的 ARM 体系的嵌入式操作系统，为冷
库自动化提供高效的控制策略，并对制冷过程进行集中控制，可以大幅提高运行
效率，降低能耗。将嵌入式技术广泛地应用于整个制冷系统的自动控制中，帮助
冷藏行业升级换代，促使现代冷藏业向高效安全、环保节能的方向发展。
§1.4 章节安排
第一章：绪论。介绍课题的来源、嵌入式系统的应用和发展趋势、本文的研
究工作和意义。
第二章：介绍 ARM 体系微处理器和常见嵌入式操作系统。
第三章：深入研究嵌入式操作系统涉及的关键技术，包括任务管理，同步和
通信机制，存储管理和中断管理。
第四章：在 S3C44B0X 上移植μC/OS-II 操作系统，通过设计外围设备驱动，
建立 CAN 总线通讯模块以及图形用户接口对μC/OS-II 进行扩展，构建商业冷库控
制系统专用的实时操作系统平台。
第五章：商业冷库压缩机组控制系统设计。
第六章：总结本文所作的研究工作，分析不足并对进一步的研究进行展望。
摘要：
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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...
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2025-01-09 21
作者：赵德峰
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：89 页
大小：3.84MB
格式：PDF
时间：2024-11-19
