湖南文理学院
课程设计报告
课程名称： 嵌入式系统课程设计 专业班级： 自动化11101班 15 学生姓名： 曹益发 指导教师： 王南兰 完成时间： 2014年 6 月 2 日 报告成绩：
评阅意见： 评阅教师 日期
湖南文理学院制
摘要
本文主要研究了嵌入式实时操作系统μ/OS一工I在32位微处理器上的移植，以便于实时控制电阻炉的温度。电加热炉是一个非线性、时变和分布参数的系统，用精确的数学模型表示其特性显然是十分困难的。常规的PID控制器由于结构简单、实现容易，在工业控制中被广泛应用。但传统的PID控制由于控制对象和环境的不确定性，往往难以达到满意的实时控制效果。系统参数的能力，本文既采用了神经网络PID自适应算法，发挥它辨识又在其基础上提出了专家系统控制规则，以克服神经网络收敛慢的缺点。
由于自适应的神经网络PID算法计算的参数很多，一般的低速CPU不能实时处理，因此本文采用Samsung公司的S3C44BOX CPUsS:3C44BOX是32/16位RISC微处理器，它使用ARM7TDMI内核，Samsung 最高频率可达75MHZ，主要用于廉价手持设备和一般工业应用领域。嵌入式实时操作系统μ/OS-II是源代码公开的占先式、多任务操作系统。 本文首先设计了温度智能控制的硬件系统.其次，基于S3C44BOX微处理器的特殊结构，本文通过修改μ/OS一工I、编写关键ARM汇编语言和C语言代码，把P.C/OS-II移植到S3C44BOX上;最后以神经网络PID和专家系统相结合的算法为核心，对单电阻炉系统进行实时控制。
关键词:嵌入式实时操作系统,μ/OS-II, S3C44BOX,神经网络,PID,专家系统,移植
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Abstract
This paper mainly researches how to transplant the Embedded Real-Time Operating System (μC/OS一II) to 32 bit Microprocessor Unit,in order to control the temperature of an electrical resistance furnace.An electrical resistance furnace is a nonlinear system, changing with time and distributed parameter. It is difficult to express its characteristic using precise mathematic model.A normal PID controller is used in industry,due to its simple structure and being realized easyly. But a traditional PID controller cannot obtain a good effect on real-time controlling，owing to uncertain controlled object and environment. This paper not only adopts the adaptive Neuron Network PID arithmetic for the purpose of distinguish system parameters,but also brings forward Expert System control ruler in order to overcome the disadvantage of slow speed constringency of Neuron Network on the basis of Neuron Network PID arithmetic.
Because the adaptive Neuron Network PID arithmetic need caculate many parameters and a normal slow speed CPU cannot process program on real time,Samsung S3C44BOX CPU is selected. The Samsung S3C44BOX CPU is 32/16 bit RISC Microprocessor and uses ARM7TDMI core. Its maximum CPU clock frequency is 75Mhz. The S3C44BOX is used in fields of cheap price handle devices and industry applications. The Embedded Real-Time Operating System μC/OS一II is a preemptive multitask operting system，which source codes are opened.
In the paper, firstly the hardware system of intelligently controlling temperature is designed. Secondly,on the basis of the special structure of S3C44BOX Microprocessor，through modifying μC/OS一II and programming key codes using ARM assemble and C language, the Embedded Real-Time Operating System μC/OS一II is transplanted to S3C44BOX. Last,according to Neuron Network PID arithmetic and Expert System control rulers,the single electrical resistance furnace is controlled on real time.
Keywords: Embedded Real-Time Operating System, μC/OS—II,S3C44BOX, Neuron Network, PID, Expert System,Transplant
II
目录
摘要 ........................................................................ I Abstract ................................................................... II 第1章 绪论 ................................................................. 2
1.1 嵌入式系统概述 ...................................................... 2 1.2 选题背景及本文主要工作 .............................................. 2 第2章 ARM嵌入式处理器 ..................................................... 3
2.1 ARM公司的历史 ....................................................... 3 2.2 ARM处理器分类 ....................................................... 3 2.3 ARM/Thumb指令集 ..................................................... 4 第3章系统硬件设计 .......................................................... 4
3.1 Samsung S3C44BOX简介 ................................................ 4
3.1.1 S3C44BOX的I/0端口 ............................................ 4 3.1.2 中断控制器 ..................................................... 4 3.1.3 LCD控制器 ..................................................... 5 3.1.4 存储器 ......................................................... 5 3.2 系统设计思想 ........................................................ 5 3.3 信号放大电路设计 .................................................... 6 3.4 3.3V和5V逻辑器件接口 ............................................... 7 3.5 LCD显示、存储器设计 ................................................. 9 3.6 键盘、串口设计 ...................................................... 9 3.7 系统晶振与复位电路设计 .............................................. 9 3.8 热电偶冷端温度测量 .................................................. 9 3.9 小结 ............................................................... 10 第4章系统软件设计 ......................................................... 10
4.1 移植μC/OS-II ...................................................... 10 4.2 系统初始化和内存映射关系 ........................................... 13 4.3 系统应用软件设计 ................................................... 13 4.4 程序编译调试 ....................................................... 14 4.5 试验验证 ........................................................... 14 心得体会 ................................................................... 16 参考文献 ................................................................... 17 附录： ..................................................................... 18
第1章 绪论
1.1 嵌入式系统概述
随着微电子技术的发展，嵌入式处理器被广泛应用于各个领域，别是在电子通信领域，宇自动化、智能仪表、例如手机、扫描仪、数码相机、打印机、PDA,卫星定位(Global Position System, GPS)、信息家电、互联网等。而在嵌入式处理器的开发中，嵌入式实时操作系统(Real Time Operating System, RTOS)是运行在嵌入式微处理器中的核心软件。 那么什么是嵌入式系统呢?嵌入式系统川就是以嵌入式应用为目的的，将计算机硬件和软件结合起来，完成特定的任务和功能的计算机系统。由于被嵌入对象的体系结构、应用环境、要求不同，嵌入式系统有许多类型。嵌入式系统从形式上，可分为系统级、板级和器件级。系统级就是指各种工控机，如PC104等。板级就是指各种类型的带CPU的主板 及OEM (Original Equipment Manufacturer)产品。器件级则是以单片机最为典型，后来许多半导体厂商以嵌入式应用为目标，形成嵌入式微处理器，并有许多嵌入式操作系统支持。通常嵌入式系统是针对某一特殊领域而设计、应用的，既要求其产品体积小、实时性好、系统可靠性好，又要求产品的性价比要好。所以对电子工程师来说，如何针对某种具体应用来选择嵌入式处理器，使嵌入式操作系统与之相配合是非常关键的。
1.2 选题背景及本文主要工作
本课题是自选课题。现在国内许多公司都在搞嵌入式系统应用、开发。那么在传统的智能仪表、控制领域，内嵌RTOS的嵌入式系统应用将改变原有的单线程前后台的设计方法，减少CPU在等待中断的时间。RTOS可以同时管理多个任务，进行任务实时调度，而且软件重用性得到了提高。本文旨在讨论嵌入式RTOS的移植、以及电阻炉温度控制嵌入式系统的应用。在传统的智能温度控制领域，有关电阻炉温度控制，传统的控制方法是采用PIDml算法，一般用单片机进行控制。对于精度要求比较高的场合，单纯的PID算法已不能满足要求。
误差反向传播的BP神经网络算法的出现，使辨识复杂系统成为可能，因为BP神经网络算法具有逼近任意非线性函数的能力。如果在此基础上对传统的PID算法加以改进，可以使得系统在其性能指标内获得最佳的PID控制器参数。因此本文采用基于BP神经网络的PID算法来实现对温度的控制，并在此基础上提出专家系统思想以便达到较好的控制指标。
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