（控制理论与控制工程专业论文）基于嵌入式系统的智能火灾监控系统设计.pdf

曲串水范人学硕上学位论文 捅要 火灾自古以来就是威胁人民生命财产安全的最严重的安全隐患之一，现 在依然如此。火灾报警控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程， 其智能化程度也越来越高。目前国内厂家多偏重用于仓库、商场、高级写字 楼、宾馆等场所大型火灾报警系统的研发，其系统复杂、成本较高，而且大 多数系统都采用人工报警的方式。而在居民住宅、办公室等小型防火单位所 需要的廉价实用的火灾自动报警系统相对较少。因此，研制一种结构简单、 价格低廉并且能够实现自动报警的火灾报警系统是非常必要的。在分析研究 了当前国内、外智能火灾报警系统研究现状，并结合嵌入式系统、嵌入式处 理器a r m 、g s m g p r s 等相关领域的研究进展的基础上，提出了一种嵌入式智 能火灾报警系统设计方案。 本系统采用三星公司的a r m 9 2 0 ts 3 c 2 4 1 0 芯片作为系统处理器，s 3 c 2 4 1 0 处理器的串口1 通过r s - 4 8 5 总线接数字型火警探测器来采集火警信息，如温 度、烟雾浓度等，并将采集到的信息在l c d 上显示。当检测到火灾发生时， 通过串h 2 连接的g s h g p r s 模块以s m s 短消息形式发送到用户指定手机。这样 就实现了火灾监控。此外，用户可以通过触摸屏实现人机交互，修改相关参 数。 研究和试验表明，该系统具有价格低廉、稳定可靠的特点，能满足火灾 监控的实际需求。 关键词：a r mg s m $ 3 c 2 4 1 0 嵌入式系统火灾监控 皋十嵌入式系统的智能火灾临挣系统设计 a b s t r a c t f i r ei so n eo ft h em o s td a n g e r o u sd i s a s t e r st h a tt h r e a t e np e o p l e sl i f ea n d p r o p e r t i e s f i r ea l a r ms y s t e m sh a v eb e e nd e v e l o p e df r o ms i m p l et oc o m p l i c a t e d ， a n dt h e ya r em o r ea n dm o r ei n t e l l i g e n t m o s to ft h ec o m p a n i e sd e v e l o pf i r ea l a r m s y s t e m sf o rw a r e h o u s e ，d e p a r t m e n ts t o r e ，o f f i c eb u i l d i n g s ，h o t e la n ds oo n t h e s e s y s t e m sa 托c o m p l i c a t e da n de x p e n s i v e s od e v e l o pak i n do fi n e x p e n s i v eb u t e f f e c t i v ef i r ea l a r ms y s t e mf o rs o m e p l a c er e l a t i v e l ys m a l ll i k ed o m i c i l eo ro f f i c e b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h er e s e a r c hp r o g r e s so ft h ef i r ea l a r mi nt h en a t i o n a n da b r o a d ，t o g e t h e rw r ht h er e l a t e dk n o w l e d g eo ft h ee m b e d d e ds y s t e m ，t h e e m b e d d e da r m m c u ，g s m g p r st e c h n o l o g ya n ds oo n ，w ed e s i g naf i r ea l a r m s y s t e m t h a tu s et h e $ 3 c 2 4 1 0a r m 9 2 0 tm i c r o p r o c e s s o rt oc o n t r o lt h e o s m g p r sm o d u l et os e n ds h o r tm e s s a g et ot h eu s e rw h e nf i r ei sd e t e c t e db y t h es e n s o r sc o n n e c t e dt ot h em i c r o p r o c e s s o r ss e c o n ds e r i a li n t e r f a c e y o uc a l ls e e t h ei n f o r m a t i o nc o l l e c t e db yt h es e u s o f $ o nt h el i q u i dc r y s t a ld i s p l a ya n dy o u c a nc h a n g ep a r a m e t e r sb yt h et o u c hs c r e e n t h i ss y s t e mh a sb e e np u ti n t op r a c t i c e i tw a sp r o v e dc h e a p ，s t a b l ea n dr e l i a b l e k e y w o r d s ：a r m g s m g p r s $ 3 c 2 410e m b e d d e ds y s t e m f i r ea l a r ms y s t e m 曲卑师范大学硕1 学位论文 第一章绪论 本章主要介绍了论文研究的相关背景、嵌入式l i n u x 操作系统、g s m 以 及智能火灾报警系统等相关内容。 1 1 研究背景 随着城市化进程的加快，城市的消防隐患也越来越多，而城市的消防 救护工作的展开难度也越来越大。目前国内厂家多偏重用于仓库、商场、 高级写字楼、宾馆等场所大型火灾报警系统的研发，其系统复杂、成本较高， 而且大多数系统以楼宇为单位( 或以小区为单位) ，以人工电话为报警方式。 虽然有些楼字提供了楼宇自动化功能，加强了楼宇的消防自动报警系统， 但实际上报警范围仅限于本楼宇。当出现火警时，一般是消防值班人员拨 打1 1 9 电话报警。采用人工报警方式有时由于人为因素又有可能导致漏报 和虚报或者延时报警。时间就是生命，对于消防工作来说，能否及时发现 火情，对消防工作起着至关重要的作用，延误报警时间往往会给人民生命 财产安全带柬重大损失。因此在居民住宅、办公室等单个的小型防火单位 安装廉价实用的火灾自动报警系统成为一种不错的选择，其可作为大型火 灾报警系统的有益补充。 本课题就是针对这种现状，提出了一种基于嵌入式系统的智能火灾报 警系统，它能够做到及时发现火警，并立即以s m s 短信形式通知用户。 1 2 嵌入式系统简述 嵌入式系统是以应用为中心，计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适 应于特定应用系统，对功能、可靠性，成本、体积、功耗有严格要求的专 用计算机系统。嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机， 一台通用计算机的外部设备中就包含了5 一1 0 个嵌入式微处理器，键盘、鼠 草十嵌入式系统的智能火灾监挣系统设计 标、软驱、硬盘、显示卡等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过 程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费 类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。嵌入式系统是将先进的计算 机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物， 这一点就决定了它必然是一个技术密集、资会密集、高度分散、不断创新 的知识集成系统。 和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计， 量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才 能在具体应用对处理器的选择面前更具有竞争力。嵌入式处理器要针对用 户的具体需求，对芯片配置进行裁剪和添加才能达到理想的性能；但同时 还受用户订货量的制约。因此不同的处理器面向的用户是不一样的，可能 是一般用户，行业用户或单一用户。 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体 产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 嵌入式系统中的软件，一般都固化在只读存储器中，而不是以磁盘为载体， 可以随意更换，所以嵌入式系统的应用软件生命周期也和嵌入式产品一样 长。另外，各个行业的应用系统和产品，和通用计算机软件不同，很少发 生突然性的跳跃，嵌入式系统中的软件也因此更强调可继承性和技术衔接 性，发展比较稳定。 嵌入式处理器的发展也体现出稳定性，一个体系一般要存在8 - 1 0 年的 时间。一个体系结构及其相关的片上外设、开发工具、库函数、嵌入式应 用产品是一套复杂的知识系统，用户和半导体厂商都不会轻易地放弃一种 处理器。 1 3 嵌入式处理器和a r m 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，目i i 掘不完全统 计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有 3 0 几个系列，其中8 0 5 1 体系的占有多半。生产8 0 5 1 单片机的半导体厂家 2 曲宁师范人学颀j 学位论文 有2 0 多个，共3 5 0 多种衍生产品，仅p h i l i p s 就有近1 0 0 种。现在几乎每 个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越束越多的公司有自己的处理器设 计部门。嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处 理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能， 这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求， 嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温 度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。 随着e d i 的推广和v l s i 设计的普及化，及半导体工艺的迅速发展，在 一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是s y s t e mo n c h i p ( s o c ) 。各种通用处理器内核将作为s o c 设计公司的标准库，和许多其 它嵌入式系统外设一样，成为v l s i 设计中一种标准的器件，用标准的v h d l 等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通 过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器 件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系 统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。 嵌入式处理器目前主要有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 一4 0 0 、d s p 、p o w e rp c 、 6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m 系列等。a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h l n e s ) ，既可以认为 是一个公司的名字。也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是 一种技术的名字。1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技 术的授权。目前，采用a 刚技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即通常所 说的a r m 微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络 系统、无线系统等各类产品市场，基于a r m 技术的微处理器应用约占据了 3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术于在逐步渗入到人们生 活的各个方面。a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计丌发的公司， 作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作 公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计 的a r m 微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从 而形成自己的a r m 微处理器芯片进入市场。目韵，全世界有几十家大的半 导体公司都使用a r m 公司的授权，因此既使得a r m 技术获得更多的第三方 摹十嵌入武系统的智能火灾监柠系统设计 工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市 场被消费者所接受，更具有竞争力。 到目的为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域：1 ) 工业控制领域：作为3 2 的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片不但占 据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应 用领域扩展，a 跳微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控 制器提出了挑战。2 ) 无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采 用了a r m 技术，a r i a 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。3 ) 网 络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步获得竞争 优势。此外，a r m 在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对 d s p 的应用领域提出了挑战。4 ) 消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的 数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。5 ) 成像和安全产 品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技术。手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用a r m 技术。除此以外，a r m 微处理器及技术还应用到许 多不同的领域，并会在将来取得更加广泛的应用。 1 4 嵌入式操作系统与l i n u x 操作系统 嵌入式处理器是一个复杂的高技术系统，要在短时间内掌握并丌发出 所有功能是很不容易的，而市场竞争则要求产品能够快速上市，这一矛盾 要求嵌入式处理器能够有容易掌握和使用的开发工具平台。提高用户和程 序员的时间投入回报率。实时多任务操作系统( r t o s ) 是嵌入式应用软件的 基础和开发平台。目f i i 在中国大多数嵌入式软件丌发还是基于处理器直接 编写，没有采用商品化的r t o s ，不能将系统软件和应用软件分开处理。r t o s 是一段嵌入在目标代码中的软件，用户的其它应用程序都建立在r t o s 之上。 不但如此，r t o s 还是一个可靠性和可信性很高的实时内核，将c p u 时日j 、 中断、i 0 、定时器等资源都包装起束，留给用户一个杯准的a p i ，并根据 各个任务的优先级，合理地在不同任务之日j 分配c p u 时间。r t o s 最关键的 部分是实时多任务内核，它的基本功能包括任务管理、定时器管理、存储 4 曲宁师范入学碗叶学位论文 器管理、资源管理、事件管理、系统管理、消息管理、队列管理、旗语管 理等，这些管理功能是通过内核服务函数形式交给用户调用的，也就是r t o s 的a p i 。 目i i i 流行的嵌入式操作系统主要有p a l mo s 、w i n d o w sc e 、e p o c 、l i n u x 、 q n x 、e c o s ，l y n x ，高端嵌入式系统要求许多高级的功能，如图形用户界面 和网络支持。很多高端r t o s 供应商已经提供了这些功能，但其价格也很高 端，一般人难以接受。微软的w i n d o w sc e 也有此类功能，却不具备大多数 嵌入式系统要求的实时性能，而且难以移植，也曾经有人想以d o s 为基础 用单独的第三方工具拼凑一个系统，但这种努力将是白费。众所周知， m 1 c r o s o f t 的东西向来都是以昂贵出名，而现在需要的是一个便宜、成熟并 且提供高端嵌入式系统所必须特性的操作系统，嵌入式l i n u x 操作系统以 价格低廉、功能强大又易于移植而j 下在被广泛采用，成为新兴的力量，所 以众多商家纷纷转向了嵌入式l i n u x 。 l i n u x 为嵌入操作系统提供了一个极有吸引力的选择，它是一个和u n i x 相似、以核心为基础的、内存保护、多任务多进程的操作系统。支持广泛 的计算机硬件，包括x 8 6 、a l p h a 、s p a r e 、m i p s 、p p c 、a r m 、n e c 、m o t o r o l a 等现有的大部分芯片。程序源码全部公开，任何人可以修改并在g n u 通用 公共许可证( g n ug e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ) 下发行。这样，开发人员可以 对操作系统进行定制，再也不必担心像m i c r o s o f tw i n d o w s 操作系统中“后 门”的威胁，同时由于有g p l 的控制，大家丌发的东西大都相互兼容，不 会走向分裂之路。l i n u x 用户遇到问题时可以通过i n t e r n e t 向网上成千上 万的l t n u x 开发者请教，这使最困难的问题也有办法解决。l i n u x 带有u n z x 用户熟悉的完善的丌发工具，几乎所有的u n i x 系统的应用软件都已移植到 了l i n u x 上。l i n u x 还提供了强大的网络功能，有多种可选择窗口管理器 ( x w i n d o w s ) 。其强大的语言编译器g c c 、g + + 等也可以很容易得到。不但成 熟完善、而且使用方便。 苹十嵌入式系统的智能火灾脏挣系统设计 1 ，56 s m 的发展及应用 而近年来，我国的g s m 数字移动通信网( g l o b a ls y s t e mf o rm o b l l e c o m u n l c a t l o l l ) 的建设经过了几年的高速发展，己成为我国无线通信中 的第一大网，具有覆盖面广、容量大、通信传输可靠和服务业务广的优点。 g s m 短消息服务业务s m s ( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) 是g s m 系统提供给 用户的一种数字业务。它与活音传输及传真一样同为g s m 数字蜂窝移动通 信网络提供的主要电信业务。s m s 的收发占用的是g s m 网络的信令信道。不 会占用普通话音信道，而且它是双向通信，具有一定的交互能力；s m s 具有较 高的可靠性，短消息发送端的用户可知道短消息是否已经到达接收端。由于 短消息依靠了s m s c 短消息服务中心的存储和转发机制，当接收端用户关机 或不在服务区内时，s m s c 会暂时保存该短消息；如果接收端用户在规定时间 ( 通常为2 4 小时) 内重新处于工作状态，s m s c 会立刻发送短消息给接收端用 户，当发送成功时会返回发送端用户1 个确认信号。s 淞充分利用了g s m 网 络的直放站覆盖广的特点和全程全网的优势，具有极佳的移动性，使得任何 一个申请了短消息服务的g s m 无线终端用户在全网范围内获得服务。每个 短消息的信息量限制1 4 0 个8 位组( 7 比特编码) 1 4 0 个英文字节或7 0 个中 文字符。如果超过此长度，则要分多次发送。 由于g s m 网的漫游特性，可实现全省乃至全国联网数据传输。如果在 火灾报警中利用g s m 网络进行自动及时报警，这样大大地减少了报警延迟 时浏、提高报警准确性与可靠性。 6 l l i i 宁帅范人学碘i 学位论义 第二章系统整体结构 2 1 智能火灾监控的特点 世界上火灾监控系统的使用已有1 0 0 多年的历史了。在我国，随着建 筑防火规范的实施，火灾监控系统在消防工程中已得到了广泛的应用，火 灾监控技术也有了很大的发展。近些年来。我国的建筑市场非常活跃，高 层建筑特别是智能建筑的兴起，对建筑物火灾监控系统提出了越来越高的 要求。随着科学技术的进步，尤其是半导体技术、计算机网络与信息技术 的发展以及人工智能与模式识别理论的实用化，为开发新一代智能化火灾 监控系统提供了有力的技术支持。 这里所说的火灾监控系统的智能，是指应用现代半导体技术、计算机 技术和人工智能等技术，根据实际应用的需要，解决传统火灾监控系统中 存在的问题或增加新的功能。火灾监控系统通常由火灾探测器、报警控制 器、联动控制装置以及信号传输线路等组成。就目前来看，对火灾监控系 统的智能化主要表现在：火灾探测一报警、火灾信号传输和火灾监控系统 的网络化管理等方面。 目前国内厂家多偏重用于仓库、商场、高级写字楼、宾馆等场所大型 火灾报警系统的研发，其系统复杂、成本较高，而且大多数系统以楼字为单 位( 或以小区为单位) ，以人工电话为报警方式。这些大型的系统大多受人 工因素制约，未必能及时报警，一旦由于疏忽漏报或是延误报警就会造成 重大损失。因此在住宅、办公室等单个的小型防火单位，安装一种简单、 廉价而又实用的智能自动报警系统是一种不错的选择，其可以作为大型火 警监控系统的有益补充。 2 2 系统的总体架构 本系统由以下几部分组成： 草十嵌入式系统的智能火灾瓶挣系统设计 1 ) 火灾信息采集输入部分： 信息采集部分主要负责温度、烟雾浓度等火警信息的检测，一般通过 相应的火灾探测器采集。这罩采用数字型的智能火灾探测器，火灾探澳0 器 探测到的数据通过r s 一4 8 5 总线送给负责处理数据的火灾报警控制器。 2 ) 数据处理部分： 火灾控制器首先保存从火灾探测器传送过来的数据，然后对数据进行 分析处理，如果发现采集到的数据超过了预设警报值，则通过g s m g p r s 模 块以s m s 短消息的形式将火灾警报信息发送到用户指定手机并将数据送到 液晶显示屏上显示，并显示报警信息。若数据未超过预设警报值，则仅将 数据在液晶显示屏上显示出来，供用户观察使用。 3 ) 人机交互处理部分： 这一部分主要用于用户对火灾报警系统进行参数设詈，如设定火灾报 警电话号码等，其主要通过触摸屏柬完成。 2 3 系统结构方案 系统结构如图2 1 所示。系统串口l 通过r s 一4 8 5 总线挂载火灾探测器， 火灾探测器探测到的火警信息如室内温度、烟雾浓度等通过r s 一4 8 5 总线传 送给微处理器。微处理器对火灾对相关数据进行分析处理，如果发现相关 数据超过预定值，且反复采样无误，则判定有火灾发生，立即通过串口2 连接的g 酬g p r s 模块，以s m s 短消息的形式向用户指定手机发送报警，并 将相关数据及报警信息在l c d 上显示；若处理器对数据进行分析后未发现 有火灾发生，则仅将探测器探测到的数据在l c d 上显示。另外用户可以通 过触摸屏进行人机交互，设定相关参数。存储器用于存储相关程序代码和 数据。 8 曲申师范大学硕t 学位论文 图2 1 系统结构方案图 9 基于嵌入式系统的智能火灾瓶拧系统设计 第三章系统硬件结构及相关接口 3 1 系统硬件结构 在本系统中，处理器采用了s a m s u n g 公司生产的基于a r m 9 2 0 t 结构的 s 3 c 2 4 1 0 为主控制器，其外围扩展电路包括：程序存储器( n o r - r l a s h 和 n a n d - f l a s h ) 、数据存储器( s d r a m ) 、串行口u a r t ( 两个扩展为r s - 2 3 2 一个 扩展为r s 一4 8 5 ) 、l e d 、触摸屏、以太网接口、j t a g 接口等，硬件结构如图 3 1 所示： 蹦3 1 系统硬州结构幽 系统的核心是a r m 9 微处理器$ 3 c 2 4 1 0 ，$ 3 c 2 4 1 0 自带3 个标准u a r t ， 本设计中u a r t o 、u a r t 2 扩展为r s 一2 3 2 接口，u a r t l 扩展为r s 一4 8 5 接口。 串口1 通过r s - 4 8 5 总线挂载火灾探测器，完成火灾信息采集；串口2 接 g s m g p r s 模块，当处理器对火灾探测器送来的火警信息进行分析处理，发 现有火灾发生时，即通过g s m g p r s 模块以s m s 短消息的形式将火灾警报信 息发送到用户指定手机；l e d 负责显示采集到的火警信息，以便用户查看； l o d i i 宁师范人学颂i 学位论文 触摸屏主要负责入机交互，用于用户设定相关参数；f l a s h 和s d r 删用于存 储相关程序和数据；j t a g 接口、串口0 用作调试之用；以太网口可用作系 统调试，也可用于将来扩展数据通信功能。 下面将对其中一部分器件和接口设计进行具体介绍。 3 2 处理器的选型 为了提高该系统的功能以及降低丌发成本，本次开发选择在l i n u x 操 作系统下的开发，同时希望系统能够在软件的支持下，兼作其他用途，这 就要求处理器有较高的处理速度，支持m 舢单元。目前支持l i n u x 操作系 统的处理器主要有x 8 6 ，p o w e r p c ，a r m ，w i p s 等。考虑到系统成本及性能，最 后选择了a r m 处理器，这主要是因为a r m 处理器在价格，处理器速度，功 耗，丌发工具成本，丌发资料等方面具有优势。 本系统选用了a r m 9 芯片$ 3 c 2 4 1 0 x 0 1 作为系统的主控制器，$ 3 c 2 4 1 0 x 0 1 是三星公司生产的一款性价比很高的基于r i s c 架构的a r m 9 2 0 tc p u 。目前 在国内的零售价格在7 0 r 她左右，价格便宜。在片内集成了众多功能强大 的外围接口，其内部结构如图3 2 。 图3 2 $ 3 c 2 4 1 0 内部结构圈 $ 3 c 2 4 1 0 x 0 1 芯片具有如下特点： 筚f 嵌入式系统的智能火灾脏拧系统世计 1 ) 1 8 伏内核电压，3 3 v 存储器电压。1 6 k bc a c h e 。 2 ) 外部存储器控制，内部带有s d r a m 控制器。 3 ) 内置l c d 控制器，支持4 k 色彩的s t n ，2 5 6 k 色彩的t f tl c d ，并提供 一个l c d 专用的d m a 通道。 4 ) 4 条d 姒通道。 5 ) 3 个串口接口。 6 ) 2 个u s b 主机端( h o s t ) 接口，1 个u s b 设备端( d e v i c e ) 接口。 7 ) 内置i i c 总线控制器。 8 ) 内霄i i s 总线控制器。 9 ) 1 1 7 位的通用i o 端口，支持最多2 4 个外部扩展中断。 l o ) 8 通道1 0 位的a d c 。和触摸屏接口。 1 1 ) 4 个p 删时钟输出，支持日历功能的实时时钟。 1 2 ) 8 个外部存储控制器b a n k ，支持r o 彤s r a m d r a i l 等。 1 3 ) 支持l i t t l e b i ge n d i a n 模式。 1 4 ) 共8 个b a n k ，其中：6 个支持r o m 、s r a m ( n g c s o n g c s 5 ) ；2 个支持r o m 、 s r a m 、f d e d o s d r a m ( n g c s 6 一n g c s 7 ) ) 每个b a n k 均支持最大1 2 8 m b y t e 大 小空间，总共i g b y t e s 。 1 5 ) 7 个b a n k 内存起始地址固定，大小可编程( n g c s o - n g c s 6 ) 。 1 6 ) 1 个b a n k 内存起始地址和大小均可编程( n g c s 7 ) 。 1 7 ) 所有b a n k s 访问周期均可编程控制。 1 8 ) 所有b a n k s 均支持8 1 6 3 2 位数据访问宽度。 3 3 系统存储器电路的设计 3 3 1s d r a m 与s 3 0 2 4 1 0 接口电路设计 s d r a m ( s y n c h r o n o u sd r a m ) 即同步d r a m 。它最大的特色就是可以与c p u 的外部工作时钟同步，和系统中的c p u 、主板使用相同的工作时钟，如果 c p u 的外部工作时钟是1 0 0 堋- i z ，则送至内存上的频率也是i o o m h z 。这样将 曲年师抱人学倾l 学位论卫 去掉时日j 上的延迟，可提高内存存取的效率。 与f l a s h 存储器相比较，s d r a m 不具有掉电保持数据的特性，但其存取 速度大大高于f l a s h 存储器，且具有读写的属性，因此，s d r a m 在系统中 主要用作程序的运行空间，数据及堆栈区。 当系统启动时，c p u 首先从复位地址o x o 处读取启动代码，在完成系统 的初始化后，程序代码一般应调入s d r a m 中运行，以提高系统的运行速度， 同时，系统及用户堆栈、运行数掘也都放在s d r a i 中。 s d r a m 具有单位空间存储容量大和价格便宜的优点，已广泛应用在各种 嵌入式系统中。s d r a m 的存储单元可以理解为一个电容，总是倾向于放电， 为避免数据丢失，必须定时刷新( 充电) 。因此，要在系统中使用s d r a m ， 就要求微处理器具有刷新控制逻辑，或在系统中另外加入刷新控制逻辑电 路。 $ 3 c 2 4 1 0 处理器内部带有内存控制器，因此将s d r a m 和2 4 1 0 处理器相 连是比较简单的。由于2 4 1 0 具有3 2 位数据带宽，而市面上大多s d r a m 全 部是1 6 位数据带宽。为了充分发挥2 4 1 0 的带宽性能，使用2 片1 6 位s d r a m 拼接出3 2 位带宽。 图3 3s d r a m 与$ 3 c 2 4 1 0 的接口电路 从图3 3 中可以看出，芯片的a 0 脚并没有接在处理器的a o 地址线上， 苹于嵌入式系统的智能火灾监拧系统世计 这是因为在处理器的存储空间中，字节是表示存储容量的唯一单位。而 s d r 栅为3 2 位的时候，它的每一个存储单元都包含4 字节。因此，s d r a m 的a 0 接到2 4 1 0 的a 2 上，其他数据线依此类推。 s d r a m 的队脚选中内部存储的块区，其实就是s d r a m 地址的最高位， 接到2 4 1 0 的a 2 5 一a 2 4 上。 由于3 2 位带宽存储单元的s d r a m 以4 字节为寻址单位，内存访问会忽 略a 0 ，a l 地址。如果需要访问某偏移量为0 1 ，0 2 ，0 3 的字节单元，就需要借 助d q m ( d a t a b t a s k ) 信号的帮助。这2 个引脚接到2 4 1 0 的n w b e 线上。 3 3 2f l a s h 存储器与8 3 0 2 4 1 0 接口电路设计 嵌入式系统中，程序代码、文件系统和部分用户设霄参数都是存放在 非易失性存储器中的。早期的e p r 叫，e 2 p r o m 等存储器存在容量小、价格高、 体积庞大、擦写周期长等缺点，在高端的嵌入式系统应用中已经十分少见。 取而代之的是f l a s h 存储器。 虽然f l a s h 存储设备存在许多标准，如d i n o rf l a s h 、n o rf l a s h 、n a n d f l a s h 、a n df l a s h 、u l t r a n a n df l a s h 等，但真j 下被嵌入式系统广泛采用的 只有n a n df l a s h 和n o rf l a s h 两种。其中n o rf l a s h 的特点是具有独立的 数据总线和地址总线，它的读时序和s r a m 完全一致。所以可以直接存放程 序代码，程序也可直接在f l a s h 上运行。n a n df l a s h 的高低位地址、数据 复用同一接口，程序需先下载至r a m 中才能运行。以下是两种f l a s h 在性 能上的比较： 1 ) 性能差别。n o rf l a s h 以扇区( s e c t o r ) 为单位，一个s e c t o r 的擦除时 间需要数秒。而n a n df l a s h 的擦除以块( b l o c k ) 为单位，大约4 毫秒左 右，速度是n o rf l a s h 的1 0 0 0 倍左右。但读取数据时，n a n df l a s h 因 为地址线复用，速度慢。因此只适合连续读取数据。在随机读取数据时， 效率很低。 2 ) 接口差别。n o rf l a s h 带有和s r a m 完全一致的接口，可以和r a i l 样 访问内部每个字节。n a n df l a s h 地址数据和命令复用8 位总线，每次 1 4 曲宁师抱人学硕i 学位论史 读写都要串行地将命令、地址发给f l a s h ，效率较低。 3 ) 容量和成本。n a n df l a s h 的单元尺寸只有n o rf l a s h 的一半，由于生 产过程更为简单，n a n df l a s h 能在单位面积上提供更高的容量，因而 成本较低，加之生产工艺也简化，价格只有同容量n o rf l a s h 的i 1 0 。 所以n a n df l a s h 几乎占据了8 m b 一几个g b 的大容量数据存储产品，而 n o rf l a s h 一般应用在1 6 n i b 以下的代码存储介质。 4 ) 寿命。n a n df l a s h 的擦写次数达到i 0 0 万次，是n o rf l a s h 的1 0 倍以 上。 5 ) 错误率。f l a s h 的存储单元很偶尔会出现某个存储位单元发生反转，这 就必须由一套错误校验和就错的机制来预防这种错误造成的系统错误。 n a n df l a s h 的错误几率比n o rf l a s h 要大。必须使用e d c e c c 算法进 行错误侦测。 6 ) 坏块处理。n o rf l a s h 不存在坏块，而坏块在n a n df l a s h 中是随机分 布的。一般n a n df l a s h 都提供有冗余块，一旦某个存储块被e c c 校验 机制标记为坏块，就以冗余块代替。 目前，能直接运行代码的n o rf l a s h 的价格仍然较高，而n a n df l a s h 和s d r a m 的价格却一直在不断下降。所以很多用户处于降低成本考虑用n a n d f l a s h 存放代码，将代码拷贝到s d r a m 中运行。但启动代码仍然必须从使用 一片小容量的n o rf l a s h 中引导。 为了实现从n a n df l a s h 启动系统，s 3 c 2 4 1 0 中集成了n a n df l a s h 控制 器，它可以在启动时将n a n df l a s h 中的4 k b 启动代码硬件拷贝到内部s r a m 启动缓冲区( s t e p p i n g s t o n e ) 中运行，从而可以省去一片n o rf l a s h 。 $ 3 c 2 4 1 0 硬件自动完成拷贝、e c c 校验编解码、错误处理等所有工作，n a n d f l a s h 的非线性特征已经完被全屏蔽了。由于配有硬件e c c 校验器，极大的 提高了f l a s h 的读写效率。而且n n a df l s a h 的硬件接口变得十分简单如图 3 4 所示，本系统使用一片6 4 m b 的n a n df l a s h 芯片k 9 f 1 2 0 8 。 皋于嵌入式系统的智能火灾监挣系统设计 图3 4n a n df l a s h 与2 4 1 0 接口电路 3 4 系统串口设计 在各种通讯方式和通讯接口中，串行通讯是出现最早，历史最长，也 是最经久不衰的一种通讯方式。因为接口简单、成本低，应用也最为广泛。 几乎所有的微控制器、p c 都提供串行接口，使用电子工业协会( e i a ) 推荐 的r s 一2 3 2 或r s 一4 8 5 标准，这是一种很常用的串行数据传输总线标准。 $ 3 c 2 4 1 0 x 自带3 个标准u a r t ，本设计中u a r t o 、u a r t 2 扩展为r s 一2 3 2 接口，u a r t i 扩展为r s - 4 8 5 接口。串口0 在系统中是一个默认的控制台 ( c o n s o l e ) ，通过该控制台用户可以利用p c 上的d n w 程序( 该程序由 s a m s u n g 开发，是一个w i n d o w s 平台上的用于实现u s b u a r t 下载的程序) 或者l i n u x 平台下面的m i n i c o m 程序，以及目标板的b o o tl o a d e r 程序的 支持下对系统进行各种操作，如：系统地址的读写、简单的板级测试和配 置等。串口i 用于与g s m g p r s 模块之目j 的通讯，以进行火灾报警。串口1 用于接火警探测器，实现火警信息的采集。下面分别介绍r s 一2 3 2 与r s 一4 8 5 串行接口的设计。 3 4 1r s - 2 3 2 串行接口的设计 早在计算机诞生时，就需要连接外围设备，串口通讯即是应用最广泛 的设备连接技术。人们最熟悉的r s 一2 3 2 出现至今也已4 0 余年，数十年来， 串行通信技术一直稳定地应用在计算机系统和工业通信领域。随着互联网 1 6 l i i l 牛师他人学敏 学位论文 的快速发展和普及应用，工业通讯和工业自动化正进入到一个崭新的应用 发展阶段。各种新型总线接口、协议百花齐放，而在接入终端，很多设备 是串行通信接口的。因此，在现存的工业通信中，串行通信技术依然有很 大的生存空间。 另外，嵌入式系统的调试也广泛的使用串口，利用计算机的超级终端 软件作为自身的显示终端和人机交互设备。因此，虽然r s 一2 3 2 串口速度慢、 距离近，但仍是系统中必不可少的接口。 8 3 c 2 4 1 0 带有3 个全双工异步串行口( u a r t ) ，用其中2 个串口u a r t o 、 u a r t 2 通过2 3 2 电平转换器姒x 3 2 3 2 得到r s - 2 3 2 电平。其接口电路如图3 5 所示： m c i d d c b h a t o劬 t l o l f ft i 擀 l i 掰姒o u t z 晰t 2 m 舶瑚蜀0 盯 o 伪珏阮 蚺吖f 圈3 5r s 一2 3 2 串行通信接口电路 3 4 2r s - 4 8 5 串行接口的设计 r s 一4 8 5 总线是属于现场总线的一种，实际上许多的现场总线的物理层 都可以采用r s - 4 8 5 总线，或者是在其基础上进行扩展。r s - 4 8 5 协议只定义 了物理层的标准，其他各层的协议标准需要用户自己来定义。 r s - 4 8 5 是串行数据接口标准，由电子工业协会制订并发布的，1 9 8 3 年 在r s 一4 2 2 基础上制定了r s 一4 8 5 标准，增加了多点、双向通信能力，即允 7 妻挚 f_1_-_j_j_【，_1_jt-_-r_、j-_【 苹十嵌入式系统的智能火灾j i ：i 扫系统世计 许多个发送器连接到同一条总线上，向时增加了发送器的驱动能力和冲突 保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为，t i a e i a 一4 8 5 一a 标准。 r s 一4 8 5 具有以下的特点： 1 ) r s 一4 8 5 的电气特性：逻辑“l ”以两线问的电压差为+ ( 2 - 6 ) v 表示：逻辑 “0 ”以两线间的电压差为一( 2 - 6 ) v 表示。接口信号电平比r s - 2 3 2 一c 降 低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与t t l 电平兼容，可方便 与t t l 电路连接。 2 ) r s 4 8 5 的数据最高传输速率为l o m b p s 。 3 ) r s - 4 8 5 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力 增强，即抗噪声干扰性好。 4 ) r s - 4 8 5 接口的最大传输距离标准值为4 0 0 0 英尺，实际上可达3 0 0 0 米， 另外r s 一2 3 2 接口在总线上只允许连接1 个收发器，即单站能力。而 r s - 4 8 5 接口在总线上是允许连接多达1 2 8 个收发器。 r s - 4 8 5 电平的接口芯片和接口电路种类很多。4 8 5 电平转换芯片功能 基本一样，发送时将t t l 电平转换成差分电平，接收时将差分电平还原成 t t l 电平。本设计中用m a x 4 8 5 将u a r t l 扩展为4 8 5 接口。这里不再赘述。 3 5l g d 显示器接口设计 人机界面是嵌入式系统的一个重要组成部分，使用者只有通过人机界 面j 能知道嵌入式系统的内部运行信息。随着嵌入式系统越来越复杂，大 量人机交互信息需要通过界面来完成。液晶显示器以其轻薄短小和低功耗 在嵌入式系统中被广泛应用。 常用的l c d 按工作原理分为t n 型、s t n 型和t f t 型。t n 型液晶最早也 最广泛地被应用。它的原理是通过电压控制液晶的偏振扭转角。加电后偏 振光线在液晶内部9 0 度扭转，被另一块偏振片阻挡而显黑色。这类液晶工 艺简单，成本低。这种液晶分辨率低，速度慢：画面对比度小，只能单色显 示。一般在段码、字符显示等低端应用较多。 s t n 型液晶和t n 型液晶电压控制扭转角不同，它是靠电流柬改变液晶 曲申帅范人学硕j 学位论史 的特性而显色的。因此s t n 型液晶可以使用行列电极进行扫描驱动。和t n 型相比，s t n 型在视角、对比度、速度等方便有了较大提高，但显示动画仍 然不足。并且由于行列扫描电极对电流的流向没有控制能力，容易产生“虚 影”，限制了分辨率和点阵尺寸。 为了解决s t n 型液晶无法实现大尺高分辨率的问题，t f t 型液晶在s t n 液晶的基础上增加了一层薄膜晶体管阵列。使每个像素都对应一个薄膜 晶体管开关，从根本上消除了单元间的互相干扰。因此可以通过更大的驱 动电流，提供更强的对比度、更锐利更明亮的图像、更精确的狄度或色彩 控制。 t f t 液晶可以通过精确控制每个显示单元的r g b 分量电流来控制色彩， 每个色彩通道能提供6 b i t ( 6 4 级灰度) 的