山东省自然科学基金123.doc

项目类别学科代码 山 东 省 自 然 科 学 基 金 申 请 书申 请 编 号 项 目 名 称 基于PC/104的嵌入式数据采集系统设计 申 请 者 依 托 单 位 申 请 金 额 联 系 电 话 电 子 信 箱 申 请 日 期 山 东 省 自 然 科 学 基 金 委 员 会 办 公 室二一年 制填 报 说 明一、 填写申请书前，请先认真查阅山东省自然科学基金管理办法及当年有关申报通知，确认是否具备所要申报项目类别的资格。二、 实事求是，逐条认真填写申请书（含封面）各项内容，黄色框为必须填写的内容。表达要清晰、严谨。外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现的缩写词，须注出全称。请使用Office Word 2003以上版本软件进行编辑。三、 封面左上角填写项目类别：重点项目、面上项目、青年基金项目、企业联合基金项目。 时间的填写格式为：yyyy-mm-dd。四、 简表部分栏填写要求：1、 所属学科：应尽量根据学科代码分类细化。若属交叉学科，可填两个，学科1为主学科。2、 学科代码：与所属学科相对应，采用国家自然科学基金委代码系统，请在相关网站查询。数理科学A，化学科学B，生命科学C，地球科学D，工程与材料科学E，信息科学F，管理科学G, 医学科学H。3、 项目性质：基础研究-指以认识自然现象、探索自然规律为目的，不直接考虑应用目标的研究活动。应用基础研究-指有广泛应用前景，但以获取新知识、新原理、新方法为目的的应用理论研究。 4、联合专项：是指主要以高校、科研单位出资，专门资助本单位科技人员的基础和应用基础研究课题，管理参照其他类自然科学基金项目。五、 项目组成员部分须征求本人意见，如实填写。若项目立项，填写立项任务书时，前五位人员不得更改。一、信息简表项目情况项目名称 项目性质 01 基础研究 02应用基础研究所属学科名称1 学科代码1 名称2 学科代码2 起止时间自 年 月至 年 月申请金额 万元申请者姓名 性别 出生年月 民族 所在院系或部门 专业技术职务 学位 获得时间 学术专长 依托单位单位名称 邮政编码 详细地址 联系人 联系电话 手机 电子信箱 项目组总人数高级职称中级职称初级职称辅助人员在读博士后在读博士生在读硕士生 是否申报联合专项 1是 0否申请者是否主持过国家自然科学基金项目 1是 0否申请者当年是否申报国家自然科学基金项目 1是 0否在此之前主持过几项省自然科学基金项目（未主持过填写0） 研究内容摘要（400字以内） 本文结合嵌入式操作系统的现状及发展趋势，采用基于PC/104总线标准的硬件平台，在X86体系结构下，展开了对嵌入式Linux软件环境的构建、设备驱动程序的设计开发及应用技术的研究，主要研究内容如下： 1系统硬件平台的设计。 2嵌入式Linux软件开发环境的构建，包括Linux内核的简要分析、对于符合本实验系统的Linux内核的裁剪和移植、根文件系统的搭建、引导加载程序的选择与写入。 3PC/104总线标准的数据采集模块DIAMOND-MM-32-AT的研究以及该硬件设备在嵌入式Linux下的驱动程序开发。 4设计基于嵌入式Linux的网络传输应用程序，调用以上的硬件设备驱动程序，为嵌入式Linux的实时性研究提供实验验证。 二、项目组成员姓名性别年龄专业技术职务学历学位专业工作单位在本项目中的分工每年用于本项目工作的月数签字 三、本研究的立项依据（3000字以内）请按以下提纲填写：1、 研究意义（对基础研究，着重结合国际科学发展趋势，论述项目的科学意义；对应用基础研究，着重结合科学前沿、围绕国民经济和社会发展中的重要科技问题，论述其应用前景）；2、 国内外研究现状；3、 本项目的创新之处；4、 主要参考文献及出处（格式：论文作者题目刊名年份卷(期)页码专著作者书名出版者年份）。 1、研究意义本课题来源于某导弹控制系统的电性能检测与诊断研究课题，该课题设计到嵌入式系统的开发和应用问题， 希望创建一个支持多任务操作并且具有良好实时性的嵌入式系统平台。目前该课题中使用PC/104总线标准的CPU模块和数据采集模块、X86体系结构，所采用的操作系统为单任务的DOS操作系统，所以无法实现检测中多任务的并行处理。在上述背景下，创建一个X86体系结构下、基于PC/104总线标准、支持多任务操作并且具有良好实时性的嵌入式软件开发平台成为了本课题的出发点。 上面所提到的几种实时操作系统，由于开发成本的问题予以抛弃，由于Linux的多任务、源码开放性及可裁剪定制等特点，本课题选择Linux作为实验系统的操作系统。本课题将深入研究PC/104环境下嵌入式Linux的实时性能，以说明能够在PC/104环境、X86体系结构下构建一个多任务且实时性良好的嵌入式Linux软件平台。 2、国内外研究现状 各个领域对嵌入式系统实时性要求的提高也促进了各国对实时嵌入式操作系统的研发和嵌入式操作系统实时性的改进。从上世纪80年代起，美国的软件开发商就开始进行商业化的嵌入式系统和专业嵌入式操作系统的研发。经过了近三十年的发展，嵌入式操作系统的功能和结构得到了不断完善， 多任务操作系统和实时性较高的操作系统正得到推广和应用。 近几年国内的一些公司也加入了实时嵌入式操作系统的研发，推出自己的嵌入式操作系统，较为著名的有DeltaOS、HOPEN OS。DeltaOS具有高可靠性和高实时性内核DeltaCORE，嵌入式的TCP/IP协议层DeltaNET、嵌入式文件系统DeltaFILE、嵌入式图形接口DeltaGUI，同时它还支持ARM、X86、MIPS等多种嵌入式微处理器。HOPEN OS是我国具有自主知识产权的一个实时多任务操作系统，具有微内核并且用户可根据自身需要进行内核定制。目前，以上两款操作系统都广泛应用于国内外市场的消费电子、通信产品、工业控制、辅助教学等领域。3、本项目的创新之处本课题的创新之处在于研究了 Linux 内核有关实时调度的关键机制，充分实现linux系统的实时性，在内核裁剪时重点关注有关内核实时调度方面的选项，力求在最大程度上满足于某导弹控制系统的实时的数据采集和实时控制。并且在编写驱动时也注意将实时性放在首位。然后是目标机和上位机之间的网络数据传输方面的问题，采用socket编程，采用两个线程：一个用于数据的传输，一个用于控制。实现传输与控制的并行操作，大大的增加了效率。 4、主要参考文献及出处1郑灵翔等编著嵌入式系统设计与应用开发M北京：北京航空航天大学出版社2006：5-7 2周立功等编著ARM 嵌入式系统基础教程M北京：北京航空航天大学出版社2005：2-3 3俞建新，王健，宋健建编著嵌入式系统基础教程M北京：机械工业出版社2008 4马维华编著嵌入式系统原理及应用M北京：北京邮电大学出版社2006 5 PC/104 总线规范EB/OL/ 6 盛博公司SCM/LX-3160 技术手册R北京：北京盛博协同科技有限公司2005：1-12 7 戴梅萼，史嘉权编著微型计算机技术及应用M北京：清华大学出版社 2003-8 8 Diamond Systems CorporationDIAMOND-MM-32-AT User Manual V2.64EB/OL2003 / 9 吴辰光Linux 操作系统渐受青睐N北京：北京商报，2009-4-1 10范质坚Linux 在嵌入式系统中的应用J计算机与现代化，2000,(06)：22-25 11DANIEL P.BOVET&MARCO CESATI著深入理解 Linux内核（第 3版）M陈莉君，张琼声，张宏伟译北京：中国电力出版社2007 12邓冬梅, 杨铁林嵌入式系统和 LinuxJ计算机与现代化，2004,(12)：50-52 13邹思秩编著嵌入式 Linux 设计和应用M北京：清华大学出版社2002 14冯树琳基于嵌入式 PC/104 的 Linux 系统移植研究硕士学位论文 西北农林科技大学2008.5 15 Dave JonesLinux2.6开发进展报告EB/OL2009 .uk/post-halloween-2.5.txt 16赵炯编著 Linux内核完全剖析基于0.12内核M 北京： 机械工业出版社 2009.1： 327-415 17Robert LoveLinux Kernel DevelopmentM北京：机械工业出版社2004.11 18邓彬伟等基于 context 分析 UC/OS-II 内核J山西电子技术，2008，03：77-79 19臧雪柏，赵亚莉，王秋实等Linux2.6 内核的中断机制J吉林大学学报（理学版），2008，46（3）：494-498 20杨小华 中断处理源码情景分析EB/OL 2004-5 http: /www. linuxforum. net/forum /gshowflat. php? Board=driver&Number=382746&o=all/ 21 Rodriguez C SThe Linux Kernel Primer MAtlanta： Pearson Education, Inc, 2006 22金西，黄汪嵌入式 Linux 及其关键技术J微型机与应用，2000，(11)：6-8 23刘文峰，李程远，李善平嵌入式 Linux 操作系统的研究J浙江大学学报（工学版），2004，38(4)：447-450 24李炳胜Ubuntu 跨平台共享方法多N电脑报，2009-12-2125KARIM YAGHMOUR,JON MASTERS,GILAD BEN-YOSSEF&PHILIPPE GERUMBuilding Embedded Linux SystemsM南京：东南大学出版社2009.4 四、检索查新编号及结论检索查新报告编号 查新机构名称 五、研究方案1、 研究内容、研究目标和拟解决的关键科学问题（3000字以内） 本课题来源于某导弹控制系统的电性能检测与诊断研究课题，该课题设计到嵌入式系统的开发和应用问题， 希望创建一个支持多任务操作并且具有良好实时性的嵌入式系统平台。目前该课题中使用PC/104总线标准的CPU模块和数据采集模块、X86体系结构，所采用的操作系统为单任务的DOS操作系统，所以无法实现检测中多任务的并行处理。研究的主要内容首先是根据实时性验证和测试的目的，为课题量身定做了符合需要的宿主机和目标机的硬件和软件环境，为目标机CPU模块和数据采集模块分别作了相应设计和配置。研究了 Linux 内核有关实时调度的关键机制，为目标机定制了相对精简的可抢占式 Linux 内核并进行了内核移植，利用busybox工具制作了根文件系统，选择CF卡的引导加载程序并进行了安装和配置。分析了 Linux 设备驱动程序的功能和运行状态，结合Linux设备驱动程序的一般编写方法，设计并实现了目标机数据采集模块 DMM32 运行在自行构建的嵌入式Linux环境下的设备驱动程序。设计了C/S架构的远程数据采集程序，该应用程序调用数据采集设备驱动程序，结合DMM32设备在两种工作模式下的工作结果分析了嵌入式Linux的实时性。关键科学问题是完成嵌入式LINUX的构建与配置，完成linux设备驱动程序的开发，以及linux网络应用程序的开发，linux下GUI应用程序的开发。利用所编写的驱动程序和应用程序，能够通过网络操控数据采集卡进行AD转换并将AD转换的结果以波形的形式显示在客户端上，能够在客户端上绘制波形并且使得数据采集卡输出该波形。系统分为4个部分：嵌入式linux系统，数据采集卡的linux设备驱动，服务器应用程序，客户端应用程序。使用的数据采集卡是钻石公司的diamond-mm-32-at，嵌入式系统主板为盛博公司的LX-3160。嵌入式linux操作系统使用busybox构建文件系统，内核版本为2.6.31，引导器使用grub 0.97。设备驱动程序使用了中断、信号量、等待队列。服务器应用程序涉及linux下socket编程、linux多线程编程。编程语言为C语言。客户端应用程序使用GTK+工具包，编程语言为C语言。使用GLADE进行界面开发。系统能够在客户端显示出模拟信号的波形，能够让数据采集卡输出任意波形的周期波。 2、拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析（2000字以内）。 本课题研究的主要思路是在分析了嵌入式系统国内外发展情况的基础上进行了嵌入式 Linux 实时性的研究，采用基于 AMD Geode LX 800 处理器 X86 体系架构、PC/104 总线标准的目标机硬件平台。该硬件平台以北京盛博协同公司的 SCM/LX3160 作为 CPU 模块，以美国 Diamond公司的 DIAMOND-MM-32-AT 作为数据采集模块，在X86体系结构下，展开了对嵌入式Linux软件环境的构建、设备驱动程序的设计开发及应用技术的研究，主要研究方法如下： 1系统硬件平台的设计。 2嵌入式Linux软件开发环境的构建，包括Linux内核的简要分析、对于符合本实验系统的Linux内核的裁剪和移植、根文件系统的搭建、引导加载程序的选择与写入。 3数据采集模块DIAMOND-MM-32-AT的通用驱动程序中很多功能不适合本实验系统的需要且体积太大，因而需要自行编写 DIAMOND-MM-32-AT在 Linux 操作系统下并符合本实验系统要求的驱动程序。PC/104总线标准的数据采集模块DIAMOND-MM-32-AT的研究以及该硬件设备在嵌入式Linux下的驱动程序开发。设备驱动程序使用了中断、信号量、等待队列。4设计基于嵌入式Linux的网络传输应用程序，涉及linux下socket编程、linux多线程编程。编程语言为C语言。调用以上的硬件设备驱动程序，客户端应用程序使用GTK+工具包，编程语言为C语言，使用GLADE进行界面开发。为嵌入式Linux的实时性研究提供实验验证。下位机软件开发环境的构建过程在上位机PC 上完成， 构建好的软件环境存储在一张总容量 2GB的 CF卡上。上位机PC 安装的 Ubuntu9.03 操作系统，整个构建过程包括 Linux内核的裁剪和移植、根文件系统的创建、引导加载程序的写入。 3、研究计划的总体进度及安排（1000字以内） 4、 本研究的特色及主要创新点（1000字以内） 本课题的重点和难点在于linux嵌入式系统的构建与数据采集卡的驱动程序设计。构建linux嵌入式系统重要的是需要熟悉引导程序、根文件系统，还有最重要的是了解PC/104总线标准的CPU模块和数据采集模块，然后以此为依据裁剪linux内核从而实现嵌入式linux的系统构建。编写数据采集卡的驱动程序需要了解并掌握linux字符设备驱动程序的编写的一般方法，然后掌握DIAMOND-MM-32-AT数据采集卡的工作过程，了解各个功能的实现过程。然后根据其实现步骤编写驱动程序，难点在于中断的操作、各个功能的并行实现。本课题的创新之处在于研究了 Linux 内核有关实时调度的关键机制，充分实现linux系统的实时性，在内核裁剪时重点关注有关内核实时调度方面的选项，力求在最大程度上满足于某导弹控制系统的实时的数据采集和实时控制。在编写驱动时也注意各个模块之间的并行处理、最大采样率的实现、实时性的数据采集和传送。然后是目标机和上位机之间的网络数据传输方面的问题，采用socket编程，采用两个线程：一个用于数据的传输，一个用于控制。实现传输与控制的并行操作，大大的增加了效率。 5、 研究工作的成果形式及知识产权、技术水平、市场前景及产业化后经济、社会效益预期结果（1000字以内） 六、研究基础与条件（一）、申请者1、申请者的研究工作简历（按照时间先后顺序列出大学以上学历、所获学位、授予单位以及主要学术任职、主要科研工作经历） 2、申请者近五年承担的项目情况（包括国家、省部级及厅局、市级各类科技发展计划、国家及省自然科学基金计划）项目编号项目名称资助金额位次计划类别计划下达单位起止年月完成或进展情况 3、申请者近五年发表的与本项目有关的代表性论