RTEMS在机车控制计算机上的研究与应用

摘要

使用嵌入式计算机作为机车的核心控制器是今后发展的趋势，随着机车自身各项功能与性能的不断提升，机车控制系统变得越来越复杂。通过对嵌入式产品的调研发现，直接在复杂的嵌入式计算机上进行软件开发通常存在以下问题:1.软件可移植性差，当控制器硬件改变后，原有硬件基础上设计的软件代码不能在新硬件平台上运行，造成前期工作的大量浪费。2.嵌入式计算机外设资源丰富，各种外设资源需要复杂的协议才能正常工作，相关软件编写时工作相当艰巨。3.计算机控制器需要完成的功能很多，而且对实时性有要求。多任务与实时性存在制约性，需要协调好多任务和实时性这对矛盾。
　　 本文针对上述问题进行了多方面的调查、探讨和研究，最终采用在硬件平台上移植实时操作系统并为硬件平台提供专用板级支持包(BSP)的方案。该机车计算机核心控制器采用的是嵌入式计算机PC-104，针对PC-104所特有的各种设备开发了相应的BSP软件（设备驱动程序）及测试应用程序。其中BSP软件的设计主要包括:1.构建BSP及测试软件开发平台。2.FPGA模块（双端口RAM）驱动程序的设计，通过该模块可以实现PC-104和系统中各个子模块间的数据交换。3.CAN模块驱动程序的设计，PC-104可以通过CAN接口和外部设备进行数据交换。4.网卡模块驱动程序的编写，该模块结合操作系统附带的TCP/IP协议栈使得应用程序开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据BSP层提供的接口即可进行开发，从而降低开发难度。
　　 通过在硬件平台上移植实时操作系统解决了应用软件在不同硬件平台上移植的问题;操作系统的多任务管理和任务优先级划分功能可以协调多任务与实时性这对矛盾。在该机车计算机平台上运行设计的测试应用程序，各个模块均能够实现数据的正常收发且在数据的收发速率和可靠性等方面都达到了预期要求。实验证明该系统硬件平台及BSP软件设计正确。将该系统应用于机车控制能够提高机车的自动化水平，具有实用价值和推广价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及来源

1．2 国内外研究现状

1．3 本课题研究的目的

1．4 本文研究的主要内容及研究过程中的关键问题

第2章 软件开发平台的建立及镜像文件的引导

2．1 软件开发环境的建立及测试

2．1．1 开发平台的建立

2．1．2 编译安装RTEMS

2．1．3 编写测试程序并编译生成RTEMS映像

2．2 引导RTEMS操作系统的工具介绍

2．2．1 LOOP设备

2．2．2 GRUB与GRUB for DOS引导工具

2．3 从软驱引导RTEMS操作系统

2．3．1 制作空白镜像文件并安装GRUB

2．3．2 RTEMS软盘镜像文件的制作

2．3．3 GRUB的配置

2．4 从DOC引导RTEMS操作系统

第3章 FPGA实现的数据交换板卡及其驱动程序的设计

3．1 FPGA对采集数据的存储

3．1．1 双端口RAM

3．1．2 用FPGA实现的双端口RAM

3．2 PC-104与FPGA的数据交换

3．2．1 PC104总线

3．2．2 FPGA端数据的发送与接收

3．2．3 PC-104端数据的发送与接收

3．3 FPGA模块(双端口RAM)驱动程序的设计

3．3．1 RTEMS操作系统的驱动模型

3．3．2 代码实现

3．4 硬件平台及测试软件

3．4．1 实验环境的搭建

3．4．2 编译应用程序，生成RTEMS系统映像文件

3．4．3 下载RTEMS系统映像文件至PC104

3．4．4 测试应用程序

第4章 CAN总线设备驱动及测试程序的设计

4．1 CAN总线技术规范及接口电路

4．1．1 CAN技术规范

4．1．2 CAN控制芯片SJA1000

4．1．3 CAN设备接口电路设计

4．2 CAN总线设备驱动程序的设计

4．2．1 CAN总线设备驱动程序结构

4．2．2 代码实现

4．3 CAN总线设备驱动程序的测试

4．3．1 实验环境的搭建

4．3．2 编译应用程序，生成RTEMS系统映像文件

4．3．3 下载RTEMS系统映像文件至PC104

4．3．4 测试应用程序

第5章 NE2000网卡驱动及测试程序的设计

5．1 网卡的功能

5．2 SysExpanModule／Ethernet模块(NE2000兼容网卡)

5．2．1 SysExpanModule／Ethernet模块的接口

5．2．2 RTL8019AS网卡芯片

5．3 驱动程序设计

5．3．1 RTL8019AS芯片在RTEMS操作系统下的初始化

5．3．2 网卡接收任务

5．3．3 网卡发送任务

5．4 测试程序设计

5．4．1 实验环境的搭建

5．4．2 编译应用程序，生成RTEMS系统映像文件

5．4．3 下载RTEMS系统映像文件至PC104

5．4．4 测试应用程序

第6章 总结与展望

6．1 研究工作总结

6．2 研究工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文