嵌入式系统课程设计

湖南文理学院。

芙蓉学院。课程设计报告。

课程名称：嵌入式系统课程设计

专业班级：通信1101班学号06

学生姓名。指导教师：王南兰。

完成时间： 2024年月日

报告成绩。嵌入式控制器在船舶电站监控系统中的应用研究。

摘要。现代船舶自动化技术的巨大进步得益于电子、传感器、通信和计算机控制等技术的发展。嵌入式系统技术是计算机技术的一个重要分支，目前已经深入到信息家电、工业控制、汽车电子等各个领域当中，同样也给船舶自动化领域带来新的机遇和活力。

嵌入式系统不仅具有一般计算机系统的功能和特点，还在可靠性、实时性、结构和体积等方面性能卓越。现代船舶自动化系统正朝着智能化、数字化、网络化的方向发展，而嵌入式系统的诸多优点完全适应船舶自动化系统进一步发展所提出的要求，并将成为新一代船舶自动化系统的发展趋势。本文的研究内容就是嵌入式系统技术在船舶自动化系统中的具体应用。

嵌入式系统技术的应用包含了硬件和软件两个层面。新一代的船舶机电设备的监控系统，都以一个基于计算机技术的控制装置作为核心控制单元。嵌入式控制器以一个高性能的微处理器为核心，通过对外围电路的设计，可形成强大的数据处理、通信、存储及扩展接口等功能，同时可以运行一个多任务的实时操作系统对资源和任务进行调度，嵌入式控制器完全可以作为船舶机电设备监控系统的核心器件。

嵌入式系统开发的整个过程包括硬件设计与开发、bsp（板极支持包）开发，操作系统剪裁与移植、应用程序设计等一系列过程。bsp开发又包括引导程序(boot loader)设计、oem适应层(oal)程序设计、驱动程序设计。

**根据船舶机电设备监控系统的特点，朝着现代船舶网络化、智能化、标准化的发展目标，选择ep9315片上系统处理器和windows ce嵌入式操作系统的为软硬件平台，设计了应用于船舶机舱监控系统的嵌入式控制器。控制器具有数据采集和处理、数据存储、通信等多种功能。

**在设计的硬件平台上，基于微软提供的集成开发环境——platform builder 5.0，完成了控制器bsp开发和操作系统的定制与移植；并以船舶电站为对象，以自行设计的嵌入式控制器为核心控制单元，提出了嵌入式电站监控系统的架构，应用embedded visual c++ 4.0开发环境，在搭建的船舶电站监控系统的试验平台上进行了数据采集与输出控制、以太网通信等应用程序开发。

本文在具体内容上侧重于介绍嵌入式控制器软硬件的开发过程，以及windows ce操作系统平台下通过串口对i/o模块的控制、利用socket开发网络通信程序的具体方法，旨在说明嵌入式系统技术在船舶自动化中的应用情况，特别是标准化、模块化、网络化设计的嵌入式控制器在监控系统中应用的一般方法和特点。

第一章引言。

1.1 计算机控制技术与船舶机舱自动化发展。

从20世纪60年代末期开始，计算机控制技术逐步在船舶上应用推广，船舶机舱自动化由此进入了飞速发展时期。将计算机控制用于船舶机舱复杂的综合控制系统中，是现代船舶自动化技术的辉煌成果，并将继续发挥更大的作用[1]。随着计算机技术的发展与革新，船舶自动化的发展大体可分为以下三个阶段[2]：

第一阶段是采用单台计算机进行全船集中控制和管理，计算机软件使得控制系统的硬件设备大大简化，并使得控制和管理功能更加丰富。这种集中型计算机监控系统在70年代具有一定的先进性，但该类系统存在可靠性差的缺点，一但计算机发生故障，即会造成全船瘫痪。

第二阶段是以微机技术为代表的分散型控制。70年代中后期，船舶机舱监控系统由集中型转向分散型，即采用多台计算机对机舱的各个局部系统进行监控。这种分散型的监控系统简单易行，造价低，并具有较高的可靠性、安全性和可维修性，但这时的各个系统之间是分散独立的，系统之间不能进行通信，因而不便于集中管理和监控。

第三阶段是以网络技术和应用为特征的网络控制阶段。从80年代末90年代初开始，新造船舶开始采用网络型微机监控系统，不同的控制系统仍采用独立的微机控制装置进行控制，但微机之间可进行数据通信，各分散系统通过网络连接成一体，便于集中管理和控制。这种系统成为当今船舶机舱自动化的主要方向。

船舶机舱自动化系统中曾广泛采用的dcs（集散式控制系统）就是随着网络技术的发展而出现的网络型控制系统。dcs结构的特点是“集中管理，分散控制”，这些系统体现了分散化和分层化的思想。随着社会的进步和科学技术的发展，航运业也对船舶自动化水平提出更新、更高的要求。

逐渐，dcs结构的控制系统在船舶上广泛应用的同时也暴露出了许多弊端[3]：

1）结构是多级主从关系。现场设备之间相互通信必须经过主机，使得主机负荷重、效率低，且主机一旦发生故障，整个系统就会崩溃；

2）信息传输中仍采用大量的模拟信号，传输可靠性差，不易于数字化处理；

3）各系统设计厂家的dcs制定独立的标准，通讯协议不开放，极大的制约了在船舶自动化系统中的应用。

为了克服dcs系统的技术瓶颈，进一步满足工业现场的需要，现场总线控制系统（fcs）应运而生。fcs结构的控制系统基于现场总线技术，它最显著的特点是通过总线方式实现现场信息和上位计算机之间的数据传输。现场总线网络实际上是一种全数字化、全分散、可互操作、开放式的互联网络，专门用于过程自动化和制造自动化底层的现场设备或现场仪表互联，是现场通信网络和计算机控制系统的集成。

fcs克服了dcs的缺陷，结构上也更为简单。在船舶机舱的应用中，以计算机和通信网络为核心的fcs结构的控制系统在技术上可分三个层面，如图1-1所示[4]。

图1-1 fcs结构的船舶自动控制系统。

一）设备层：主要包括自动控制系统的控制对象——如主机、电站、锅炉等船舶机电设备，各种类型的传感器和执行机构，以及对机电设备进行现场控制的现场控制器。

现场控制器是基于微机技术的控制装置，完成从底层设备采集各种信号并通过现场总线传送到控制层，同时也向执行机构发出控制命令以完成相应的操作。

二）控制层：主要功能是对控制系统中的各个控制节点进行集中管理和控制。控制层的控制装置大多数采用的是工业控制计算机。

同时，在控制层需要实现控制层网络（现场总线）和管理层网络（以太网）进行连接，因而还需要转换不同通信类型的网关。

三）管理层：管理层主要实现整个机舱自动化系统的综合控制和管理。主要包括数据服务器，多台监控计算机等。通过计算机网络，监控计算机可以分布于集控室、驾驶台以及轮机员的房间。

控制层与设备层各个控制节点的连接网络称为“控制层网络”，控制层与管理层之间的连接网络称为“管理层网络”。fcs结构控制系统是伴随着现场总线的发展而诞生的，因而控制层网络基本都是现场总线（如can）。近年来，以太网技术快速发展，并进入工业控制领域。

工业以太网具有支持广泛的网络协议、通信速率高等特点使其应用于工控系统中的通信网络中具有明显的优势。传统的控制系统中，以太网大多用在管理层网络，随着技术的发展，工业以太网也将逐渐进入控制层。

在系统的设备层，都会有一个或多个基于微机技术的控制装置。这些控制装置具有数据采集、处理、存储等功能，也具有同通信网络连接的接口。伴随着船舶机舱自动化系统的发展，出现了多种不同的控制方式，主要包括：

单片机控制，plc控制，工控机控制，以及近年来迅速发展的嵌入式系统控制方式。

1.2 各种控制技术在机舱自动化中的应用。

1.2.1 单片机控制。

单片机的使用开始于20世纪80年代。单片机控制技术已经渗透到包括船舶自动控制系统在内的各个领域，给工业生产和管理带来极大的方便。以fcs结构的控制系统为例，设备层的现场控制器可基于单片机进行开发。

但用单片机作为下位机，由于采用了大规模集成电路和分立元件组成模拟量和开关量采集电路，使得这种实现方法的软硬件开发工作量十分巨大，而且通过船级社认证的过程十分漫长。另外，随着船舶自动化水平的进一步发展，现场的控制器需要更强的通信功能及数据处理和计算能力，甚至需要丰富的图形界面等。采用低端单片机进行的开发工作将变得越来越复杂、庞大，甚至无法实现，从而越来越不能满足船舶自动化系统的需求[5][6]。

1.2.2 plc控制

plc（programmable logic controller，可编程序逻辑控制器）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的自动控制系统。plc自20世纪60年代由美国推出以取代传统继电器控制装置以来，得到了快速发展，在工业控制领域得到了广泛应用[7]。

在自动化系统中，plc具有结构紧凑，使用方便，抗干扰能力强等特点，因此在船舶自动化系统中也被广泛采用。如在目前的船舶电站的自动控制系统中，主要都是采用plc进行控制。在fcs结构的船舶自动控制系统中，常用作设备层的控制器。

但plc一般**比较昂贵，在通讯能力方面不具备优势，而且plc另一个主要的缺陷是体积过大，接线繁琐，应用于船舶机舱这一空间有限的环境，具有明显的缺陷。

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