（机械电子工程专业论文）基于armlinux的zigbee无线通信系统实现.pdf

西北工业大学硕上学位论文摘要 摘要 随着数字信息技术和网络技术的高速发展，嵌入式系统的应用已经广泛渗透 到人们日常生活的每一个角落。因为嵌入式系统面向不同的应用，因此嵌入式系 统的开发与普通计算机系统存在很大的差别。随着嵌入式应用中功能需求越来越 复杂，硬件条件不断提高，选择嵌入式操作系统也就势在必行。引入操作系统后， 开发者可以把精力集中在实现应用功能的用户程序，无需太多地考虑底层硬件的 控制和操作。 l i n u x 作为功能强大、源码公开的操作系统，在全世界爱好者的共同开发下 从问世以来就得到迅猛发展。由于在嵌入式领域中的优点突出，越来越多的嵌入 式产品都选择了l i n u x 作为内嵌的操作系统。 作为小范围内设备通信的最新的无线联网技术一一z i g b e e 技术近年也逐渐 盛行。z i g b e e 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本的双向无线通信 技术，在工业领域、家庭智能化、医疗等方面，z i g b e e 技术与传感器技术得到 了广泛应用。 该课题正是把以上热点结合起来，通过a r ms 3 c 2 4 1 0 x 和l i n u x 构建一个 z i g b e e 协调器的开发平台，连接几个半功能设备节点，实现z i g b e e 在智能家居 的应用系统。在课题中对如何开发z i g b e e 网络的应用程序作了初步的探讨，对 a 蹦s 3 c 2 4 1 0 x 硬件平台设计和嵌入式l i n u x 操作系统软件平台设计做了相关研 究：在课题中还详细研究了l i 叫x 操作系统移植到a r m 平台、z i g b e e 数据帧结 构、数据帧的收发实现。实现了协调器与节点应用程序设计，系统测试程序设计。 关键词：嵌入式系统，l i n u x ，z i g b e e ，q t e 曲e d d e d 两北工业人学硕上学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i mm e 触d e v c l o p m e n to f d i g i t a li 砸m n a t i o na l l dn e t w o r kt e c h i l o l o 西e s ， e m b e d d e ds y s t e mi ss p r e a d i n go ma n dg e t t i i i gp o p u l a r l yu s e di ne v e 珂f i e l d f o ri t s s p e c i a lu t i l 姆a n dn e e d s ，e m b e d d e dd c s i 萨i sv e r ) ，d i 仃e r 即tf 如mt l l a to f p cs y s t e m m 0 d 锄锄b e d d e da p p l i c a t i o nb e c o m e sm o r c 锄dm o r ec o m p l i c a t e d e x c e l l e m p o p u l a rh a 】d w a r em a l 【e si tp o s s i b l et ol l s ee m b e d d c do s ( o p e r a t h l gs y s t e m ) i n e m b e d d c ds y s t e 巩w l l i c hi sag o o dc h o i c c ，b 鲫珂0 ne m b e d d e d0 s ，d e v e l o p e r s n d n tt h i i 】kt o om u c ha b o u tl o w 一1 a y e rs 乜l 伍a 1 1i sj u s tt oc o n c e i l 仃a t co nt h e t o p 1 a y c ra p p l i c a t i o np r o 乒锄m i i l g a s 强o p e no s ，l i i l u xb o o s tu ps i n c ei t sb i r d l ，m a n ye i n b e d d e dp 捌u c t s c o m 嘶s el i n u x 舔t l l es o f h a r ep l 确衄b e c a i l s eo f i 协s 呦ga d v a i l t a 喀ei 1 1t h i sf i e l d a san e wl i t t l e m g ew i r e l e s sc o m m l 】i l i c a t i o nt c c l l n o l o g y ，z i g b e et c c l l i l o l o g yi s p r e v a i l i n g ，i ti sa l i l l l i t e dr a n g e ，l o w c o m p l e x i 哆，l o wp o w e rc o n s 啪p t i o n ，v e r y l o w 啪瓯t w o w a yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt c c l l n o l o g y s o l u t i o n sa d o p t i n gw i i lb e e m b c d d e di nc o n s u m e re l e c 仃o m c s ，h o m e 柚db u i l d i n ga u t o m a t i o i l ，i i l d u s 缸a lc o n t r o l s ， m e d i c a i n s o ra p p l i c a t i o n s i i l t 量l i s t h e s i s ，w e b r i n g o u t a w a y t o b u i l da r i e m b e d d e d p la _ t 胁m b a s e d a 蹦 s 3 c 2 4 1 0 xa i l dl i 删o st od e v e l o pc o o r d i n a c o r 龇di n v e s t i g a t eh o wt oe m p o l d e r t h e 印p l i c a t i o no f z i g b e cw i r e l e s sc 伽i l l l i c a t i o nt e c h n o l o 器i nh o m ea u t o m a t i o n w e i i l 协) d u c et h ep r o c e s so f 枷w a r ea i l d 锄b e d d e ds o f t w a r ed e s i g f l ，d e s c r i b ec l e a r l y l l o wt ot m s p l a ml i n u xo st oa r md e v e l o p m e i l tp l a t f o 咖，锄dp r e s e n tt l l ep r o c e s s o f d e v e l o p m e mc o o r d i i l a t o ra 1 1 dn o d e sa p p l i c a i i o np r o g r 黝 k e yw o r d s ：e b e d d e ds y s t e m ， l i n u x ， z i g b e e ，q t e m b e d d e d i i 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完伞j 解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文上作 的知识产权单位属于西北r 业大学。学校有权保留并向固家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本。学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本1 学位论文。 同叫本人保证，毕、l k 后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者r 社位为而北r 业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：车驰 刃年；月刃日 指导教师签名 o ) 年 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风利优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人住导师的指导下进行研究上作所取得的成果。尽我所知，涂文，_ r l 已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发农或撰写过的研究成 粜，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对木文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学何沦义与资料若彳1 i 实，愿意承担一切相关的法律责任。 学何论文作者签名：j z 丰关：g 一 0 年岁月j ，日 西北_ t 业大学硕士学位论文第一耄绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 目前小范围内设备的联网，如家庭网络，主要包括有限和无线两种实现方式。 随着大量、廉价和高度集成的无线模块的普及，以及其它无线通信技术，如c s m 蜂窝电话和w l a n 的成功，无线联网技术以其安装成本低，使用方便等特点正在 成为家庭网络和家庭自动化领域的首选技术“3 。 家庭联网主要用于包括互联网连接、多个p c 互联、音频视频设备联网、家 庭自动化、节能和安全保障等方丽，其中每一种应用都要有不同的带宽、成本和 安装的复杂度要求。随着互联网的爆炸性的发展，目前无线通信技术主要致力于 如何提高通信速率。而另一方面，如家庭自动化、安全保障和游戏相关的应用并 不需要很高的吞吐量，这些应用如果使用现有的、过于复杂的无线通信技术将非 常耗电，占用过多的计算和通信资源，同时大大增加了设备的成本。为了应对这 种市场需求，市场上出现了一种新的无线通信协议一z i g b e e 协议“”，这个名字 来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳z i g z a g 形状的舞蹈 来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。 z i g b e e 是一种短距离、低功率、低速率无线网络技术。它工作于无需注册 的2 4 g h zi s m 频段，传输速率为l o 2 5 0 k b s ，传输距离为1 0 7 5 m 。它看起来 更接近蓝牙，但比蓝牙更为简单，具有更低的传输数率和功率消耗。大多时间处 于睡眠模式，更加适用于那些不需要实时传输或连续更新的场合。它此前被称作 “h o m e r fl i t e ”或“f i r e f l y ”无线技术”1 ，主要用于近距离无线连接。它有自 己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只 需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传 感器，无线传感器网络就是以这样的方式将逻辑上的信息世界与客观上的物理世 界融合在一起，极大的扩展现有的网络功能和人类认知世界的能力。同时，由于 z i g b e e 网络的低成本、易控制、低功耗、组网方便、网络健壮等特点，所以z i g b e e 特别适用于家居控制，同时它也广泛用于工业、汽车自动化、农业自动化、医疗 西北工业大学硕上学位论文第一章绪论 控制设备等。 智能家庭局域网主要包含家庭计算机网络、信息家电、智能仪表、监控系统、 家庭多媒体网络等各种不同类型的子网。在这个系统中可以选用各种网络协议组 网来满足要求，但是考虑到智能家居的特点一数据传输量不大、要求节能、要求 组网容易等。所以，选用z i g b e e 来组建家庭网络是个不错的选择。各个家庭根 据不同需求量体裁衣，构成一个特定形式的智能家居系统。 图1 1 智能家居无线组网结构 在智能家庭局域网中，嵌入式协调器是个是比较重要的部分。它负责协调整 个网络以及同控制节点( f f d 、r f d 设备) 通信。要构建一个鲁棒z i g b e e 网络，对 协调器有特殊的要求： 第一协调器可能需通过有线连接与中央控制点进行通信。 第二。要考虑处理以太网接口所需的处理器带宽。 第三为驱动以太网接口，网络将需要相应的底层驱动程序和协议栈，这就 2 两北二r 业大学硕上学位论文第一章绪论 增加了系统内控制器对程序存储器的需求等。 第四具备与网络中的新节点建立动态链接的能力。 因为网络系统对协调器的要求实现的功能比较高，技术上实现也比较复杂， 所以一般的用于普通节点的单片机系统满足不了要求。 从2 0 世纪8 0 年代开始，出现了如v x w o r k s 、p s o s 、n u c l e u s 、 p a l mo s 和 w i n d o w sc e 等商用嵌入式操作系统嗍。但这些专用操作系统都是商业化产品，其 高昂的价格使许多低端产品的小公司望而却步；而且，源代码封闭性也大大限制 了开发者的积极性，因为这些e ( ) s ( e m b e d d e d0 p e r a t i n gs y s t e m ) 提供给编程人 员的，往往只有a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n e r f a c e ) 应用编程接口，一般 以函数形式提供，这些函数均不能修改的。鉴于这些商用操作系统的这些缺点， 因而，本课题选用的操作系统为源代码开放的l i n u x ，选择l i n u x 有如下几个原 因： 第一l i n u x 可用于多种硬件平台，l i n u x 已经被移植到多种硬件平台，这对 受开销、时间限制的研究与开发项目是很有吸引力的。原型可以在标准平台上开 发，然后移植到具体的硬件上，加快了软件与硬件的开发过程。 第二l i 舢x 可以随意配置而不需任何的许可证或商家的合作关系，源代码 可以免费得到，这样可以节省大量的开发费用。 第三l i n u x 具有优异的网络支持。微内核直接提供网络支持，而不必像其 它操作系统要外挂t c p i p 协议包。因为l i n u x 本身就是在网络基础上发展起来 的。 正是凭借l i n u x 在嵌入式应用中得天独厚的优势，嵌入式l i n u x 正在迅猛 地发展，目前已经开发成功带操作系统的嵌入式产品中，大约有一半选择使用 l i n u x 作为操作系统平台。1 。 1 2 课题研究的内容和意义 课题源于一个项目一用a v r 单片机实现z i g b e e 网络组网与通信。通过移植 z i g b e e 协议到a v r 单片机上，集成一些应用功能的传感器，构成z i g b e e 网络中 的r f d ( 半功能设备设备) ，由许多这样的半功能节点与协调器一起能组建成一个 西北工业大学硕上学位论文 第一章绪论 小型的z i g b e e 网络，在这网络中协调器起到网络管理、中转的作用。家庭自动 化可以通过这么一个z i g b e e 网络，对家屠设备进行远程监视与控制。 从智能家居无线应用构成功能图可以知道，每个z i g b e e 节点的数据需要发 送的数据包，都要经过一个协调器或者网关与外部网络连接。并且，从图上也能 推断出，当节点越多，网络的复杂程度就越高，对协调器的处理速度会是个考验。 因而，协调器节点设计比一般的节点更复杂，需要的资源也比一般的节点多，对 处理器的运行速度也有很高的要求。因而，课题选用了3 2 位的a r m 芯片一一 s 3 c 2 4 l o x 来做这个节点的c p u ，这是因为a r m 有如下优点：a r m 运行速度快、存 储空间大、很方便与i n t e n e t 互联等，所以用它来作为中间的控制器能提高整个 系统的运行处理速度，并且能完成复杂的路由算法，同时也方便与现在的网络进 行数据传递“”。 本文介绍了z i g b e e 无线通信的系统设计，从两方面介绍了整个z i g b e e 无线 通信系统一一硬件与软件；硬件方面：阐述了z i g b e e 无线通信的硬件平台设计， 重点研究了一些基本电路设计，主要的接口设计。软件方面：研究了l i n u x 在 a r m 上的移植，以及怎样搭建嵌入式开发的软件平台，研究了无线芯片的l i n u x 驱动程序的开发，以及z i g b e e 无线通信系统的应用程序开发。本课题对研究 z i g b e e 网络在智能家居方面的应用有比较重要的意义，对研究z i g b e e 网络也有 一些借鉴作用。应该看到，本课题的意义远不止这点，有了开发平台和具体的项 目应用经验，开发同类的产品将会更加得心应手。 1 3 论文内容和结构 论文内容将按以下结构编排： 第1 章：绪论，阐述了该课题的开发背景和意义，总体概述了本论文的结 构和内容安排等。 第2 章：z i 邸e e 无线通信的系统设计，阐述了系统的总体结构，对各功能 模块的硬件软件分析，研究了z i g b e e 协议栈的工作流程。 第3 章：设计z i g b e e 无线通信协调器硬件电路及节点硬件电路，重点介 绍一些基本外围电路设计，以及常用的接口电路设计。 4 西北丁业人学硕士学位论文第一章绪论 第4 章：阐述嵌入式l i n u x 的移植到协调器硬件平台的过程，研究l i n u x 移植到a r m 芯片的关键技术，以及移植的一般过程。 第5 章：基于a r m l i n u x 的z i g b e e 无线通信系统的核心软件设计，论述 了l i n u x 设备驱动的编写调试，阐述了q t e m b e d d e d 开发环境的建立，开发流程， 研究了节点应用程序的开发。 第6 章：测试程序的设计以及论文工作总结和展望。 最后是致谢和参考文献。 西北1 = 业大学硕上学位论文 第一二章z i g b e e 无线通信的系统设计 第二章zig b e e 无线通信的系统设计 2 1z i g b e e 无线通信系统的总体结构 家居z i g b e e 无线通信应用系统一般由以下这几部分组成：远程计算机、 i n t e r e n t 网络、无线路由、协调器、半功能设备、被控对象等，其中远程计算 机可以是通用的p c 机，用来为操作者提供远程控制的交互界面，也可以是某台 p d a ，它可以根据需要进行加入系统或者从系统中移出。i n t e r n e t 网络是目前公 认的互联网，在此系统中作为z i g b e e 网络指令与信息在常规网络中的载体，它 有一套非常复杂的网络传输机制来保证数据传输的可靠性和正确性。无线路由主 要功能是进行数据传输中的路径选择。协调器是z i g b e e 网络与外部网络的接口， 通过它能控制整个网络，以及它与外部网络的连接方式，协调器设计是本文在后 面章节中设计的重点。半功能设备一一顾名思义，指装有精简网络协议，只有有 限的功能，只负责发送节点数据，接收简单命令的节点设备。被控对象指家居常 用的设备，如电冰箱、洗衣机、电视、煤气表等。 崩2 1z i 曲e e 网络在智能家居的应用 系统工作过程如下：该系统把一些带有z i g b e e 协议的芯片模块与传感器集 6 西北工业大学硕t 学位论文 第二章z g b 无线通信的系统设计 成，然后把此芯片嵌入到家居设备中，如嵌入到电冰箱、洗衣机、电视等，把它 作为z i g b e e 网络的一个节点。当传感器监测到家居设备中某些信号发生变化， 它能触发节点芯片的中断，从而激活节点芯片，芯片会自动进入数据采集程序， 当数据采集结束后，它通过无线接发模块，把打好的数据包发送出去。中间的协 调器负责网络的管理以及数据的转发，它可以通过发广播进行节点的管理，还可 以通过接发模块把发往它的多个节点的数据收集处理。如果协调器具备与p c 通 信功能，则它能直接把信号转发到p c 上，然后由p c 进行处理；也可以通过无线 路由中转与p c 联网，这样就可以把家居设备的信号发送到远端进行处理，同时 个人也可以对设备进行远程控制。 针对上面的论述，系统选用三星公司的a r m 9 _ 心3 c 2 4 1 0 x 作为协调器的c p u ， 选用6 4 m bf 1 a s h 、6 4 m b s d r a l j 作为内存；节点选用a v r 单片机作为控制器。由于 组建大型网络过于复杂，所以系统采用了一种简单的组网方式一一星型网。选用 一个协调器与一个节点进行通信，这样如果能够通信成功的话，对多节点的、更 复杂的网状网、以及树型网等有很重要的参考意义。又因为所选节点比较少，以 及所选网络也比较简单，所以没有考虑大型网络所必需考虑的干扰、路由的选择 等问题m 。 2 2 无线通信系统的z i g b e e 协议栈分析 上节论述了z i g b e e 无线通信系统的总体结构，在整个系统中系统的设计的 重点在于z i g b e e 协调器与节点的设计，而节点与协调器之间的通信必须遵守 z i g b e e 协议，它是z i g b e e 网络实现的协议基准。 z i g b e e 堆栈是在i e e e8 0 2 1 5 4 “”标准基础上建立的，定义了协议的m a c 和 p 1 1 层。z i g b e e 设备应该包括i e e e 8 0 2 1 5 4 ( 该标准定义了r f 射频以及与相邻 设备之间的通信) 的p h l 和m a c 层，以及z i g b e e 堆栈层：网络层( n w k ) 、应用层 和安全服务提供层。图2 2 给出了这些组件的概况。 i e e e 8 0 2 1 5 4 提供了两种物理层的选择( 8 6 8 2 4 g h z ) ，物理层与m a c 层的 协作扩大了网络应用的范畴。这两种物理层都采用直接序列括频( d s s s ) 技术，降 低了数字集成电路的成本，并且使用相同的帧结构，以便低作业周期、低功耗地 运作“”。 7 西北工业人学硕 学位论文 第一章z i g b e e 无线通信的系统设计 图2 2z i g b e e 协议的组成 z i g b e em a c 层的设计需要考虑降低成本、容易实现、可靠的数据传输、短 距离操作及非常低的功耗等，为此采用如下所示的简单并且灵活的协议： 1 基本网络容量可以达到2 5 4 节点； 2 简化帧结构； 3 a e s 一1 2 8 安全机制； 4 可选的使用信标的超级帧结构。 5 采用i e e e 标准6 4 一b i t 和1 6 一b i t 短地址； i e e e 8 0 2 1 5 4 m a c 子层定义了广播帧、数据帧、确认帧和m a c 命令帧等4 种 帧类型“。只有广播帧和数据帧包含了高层控制命令或数据，确认帧和m a c 命令 帧用于z i g b e e 设备间m a c 子层功能实体间控制信息的收发。广播帧和确认帧不 需要接受方的确认，而数据帧和m a c 命令帧的帧头包含帧的控制域，指示收到的 帧是否需要确认，如果需要确认，并且已经通过了c r c 效验，接收方将立即发送 确认帧。若发送方在一定时间内收不到确认帧，将自动重传该帧。下图为m a c 层 的通用帧格式。 8 弭北丁= 业大学硕士学位论文 第二章z i g b e e 无线通信的系统设计 2 字节 1 字节! ；挈 变量2 字节 帧控制序列号地址信息数据载荷效验系列 图2 3m a c 层通用帧格式 网络层包括逻辑链路控制子层。8 0 2 2 标准定义了l l c ，并且通用于诸如 8 0 2 3 、8 0 2 1 l 及8 0 2 1 5 1 等8 0 2 系列标准种，而m a c 子层与硬件联系较为密 切，并随不同的物理层的变化而变化。网络层负责拓扑结构的建立和维护、命名 和绑定服务，他们协同完成寻址、路由及安全这些不可或缺的任务。 下图为有确认的数据帧的发送流程。 图2 4 有确认的数据帧发送流程 从上面数据帧发送示意图可以知道，当高层需要发送数据时，它将按照服务 原语给下层发送一个请求帧，如果发送有确认的，则当收到下层的确认帧时给 下层发送成功信号，如果无发送确认的，上层就把它的数据发送给了下层，而由 下一层去处理，这样一层层打包，每一层加入自己的特征在这个数据包中，最后 在底层转化为电信号发送出去：接收一方则经过相反的过程，经过验证后，把数 据包一层层的解开，则得到需要的数据，如果无需接收节点发送接收成功确认信 9 西北工业大学硕士学位论文 第二章z i g b e e 无线通信的系统设计 号的，则数据发送完成，如果需要接收确认的，则接收节点在接收时，它将发送 一个确认帧告知发送方。 2 3z l g b e e 无线通信系统的功能分析 2 3 1 系统协调器的功能分析 通过对z i g b e e 协议的研究，以及参考国外一些实现示例，结合本课题协调 器应用的特点，确定系统协调器的硬件主要实现如下的功能：网络接入功能、信 息接收功能、信息发送功能、网络管理功能、人机交互等。如图2 5 所示。 图2 5 协调器硬件功能图 ( 1 ) 网络接入功能 要实现与现有的以太网互联，必须具有网络接入的能力。硬件平台提供一个 1 0 m 1 0 0 的p s 兼容的以太网接口，接口的物理特性满足r j 一4 5 插座规范要求，通 过屏蔽双绞线即可连接到i n t e r n e t 网络。 ( 2 ) 信息收发功能 要实现与z i g b e e 网络中的其它半功能节点的通信，它必须具备信息收发的 功能，此硬件模块采用的是c c 2 4 2 0 无线通信芯片，它是c h i p c o n 公司推出的首 款符合2 4 g h z i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的射频收发器。控制单元能通过s p i 协议接口， 对c c 2 4 2 0 芯片进行控制进行信息的收发。1 。 ( 3 ) 串行通信功能 工业控制领域最常用的串行总线是电子工业协会推荐的r s 一2 3 2 c 和r s 一4 8 5 1 0 西北工业大学碗十学位论文 第一二事z i g b c e 无线通信的系统设计 标准，随着信息技术的迅速发展，近年来通用串行总线也逐渐成为计算机控制系 统的标准配置。硬件平台提供的串行功能包括一个r s 一2 3 2 c 接口、一个u s b h o s t 主机口以及一个u s b d e v i c e 设备口，可满足各种场合的串行通信应用。 ( 4 ) 数据存储功能 此处数据的存储功能主要指在系统断电后，能够保存一些设置的参数和系统 运行的某些状态等。以及从节点传来的数据的备份等。本硬件平台带有串行可电 擦写只读存储器e e p r o m ，可以实现数据的掉电存储功能。 ( 5 ) 人机交互界面 人机交互是指在使用这系统的时候，操作者可以通过适当的输入设备( 如键 盘、鼠表、触摸屏) 向控制系统输送指令，同时系统通过适当的输出设备( 显示器、 液晶屏、指示灯) 向操作者反馈系统的工作状态。良好的人机交互界面也是系统 开发成功与否的一个标志。硬件平台选用8 位微型按键和一个点阵式l c d 显示屏 来实现。 2 3 2 系统节点的功能分析 根掘课题的实际需求，节点是嵌入到被控对象上，并且节点只完成系统的部 分功能，所以它需要的硬件也比协调器简单，结合z i g b e e 通信系统半功能节点 设计的特点，节点应实现的功能：信息的采集、信息的发送。 ( 1 ) 信息采集 节点的信息采集主要完成对被控对象数据的采集工作，节点通过传感器感 知被控对象信息的变化，传感器把机械变量、电信号等信号转化为电信号，从而 引发节点控制器的中断，在中断函数中，控制器然后把采集的数据处理加工。 ( 2 ) 信息的收发 要实现与z i g b e e 网络中的协调器通信，节点也必须安装z i g b e e 简单协议， 这样它才能按照z i g b e e 协议数据帧格式，把数据发送给协调器，协调器才能进 行数据的提取。此模块采用与协调器一样的功能模块，采用也是c c 2 4 2 0 无线通 信芯片。 西北1 ：业人学硕七学位论文第一二章z i g b 无线通信的系统设计 2 3 3z i g b e e 无线通信系统解决方案 通过z i g b e e 无线通信系统的功能分析，结合课题的实际需求，协调器所应 采用的硬件结构如图2 6 所示，c p u 采用a r m 9 2 0 t 芯片，通过总线结构连接各 功能模块；功能节点采用单片机a v r ，连接收发芯片c c 2 4 2 0 ，通过预留接口连接传 感器模块，节点硬件结构图如2 7 所示。 j t a g 接口针际= = = og 剖洲粼洲 a 仁垣 3 咎囝 r m 9 仁钷亟困扰 2 l 儿卜lc s 8 9 0 0 a 以太卜 o n 卅网控制器卜 t 心 仁钷亟 片 l nu o a l “1 音i 几a r r 吲 频控制 r 、广 厂 1 ； r 、r 1 图2 6z i g b 无线通信协调器硬件结构图 t e m g l 1 2 8 l 图2 7z i g b e e 无线通信节点硬件结构图 2 4z i g b e e 无线通信软件设计分析 2 4 1 系统协调器的软件设计思路 z i g b e e 无线通信协调器单元以a r m 芯片s 3 c 2 4 l o x 为核心，由于a 肼是一款 功能非常强大的3 2 位处理器，因此软件开发也比较复杂。 嵌入式系统通常是一个资源受限制的系统，因此直接在嵌入式系统的硬件平 台上编写软件比较困难，有时甚至是不可能的。目前一般采用的解决办法是首先 在通用计算机上编写程序，然后通过交叉编译生成目标平台上可以运行的二进制 1 2 两北工业入学硕十学位论文第二章z 遮b 无线通信的系统设计 代码格式，最后再下载到目标平台上的特定位置上运行。这就是使用交叉开发环 境( c r o s sd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ) 豹方法。交叉开发环境是指编译、链接和 调试嵌入式应用软件的环境，它与运行嵌入式应用软件的环境有所不同，通常采 用宿主机目标机模型，如图2 8 所示。 图2 8 交叉开发环境 宿主机( h o s t ) 是一台通用计算机( 如p c 机或者工作站) ，它通过串口或者以 太网接口与目标机通信，宿主机的软硬件比较丰富，不但包括功能强大的操作系 统( w i n d o w s 和l i n u x ) ，而且还有各种各样优秀的开发工具( 如w i n d r i v e r 的 t o r n a d o 、m i c r o s o f t 的e m b e d d e dv i s u a lc + + 等) ，能够大大提高嵌入式应用软 件的开发速度和效率。目标机( t a r g e t ) 可以是嵌入式应用软件的实际运行环境， 也可以是能够替代实际运行环境的仿真系统，但软硬件资 源都比较有限。 嵌入式系统的交叉开发环境一般保括交叉编译器、交 叉调试器和系统仿真器。其中交叉编译器用于在宿主机上 生成能在目标机上运行的代码，而交叉调试器和系统仿真 器则用于在宿主机与目标机间完成嵌入式软件的调试。在 采用宿主机目标机模式开发嵌入式应用软件时，首先利 用宿主机上丰富的资源和良好的开发环境和仿真调试目 标机上的软件，然后通过串口或以太网接口将交叉编译生 成的代码装载到目标机上，并在监控程序或者操作系统的 f 第一设计b o o t d e r 程序 l 牡移豁勰作 l 卜三黼统下 i i 第四雠统下 支持下利用交叉调试器进行分析和调试，图2 9 协调器单元的软件开发流程 最后目标机在特定环境下脱离宿主机单独运行。 1 3 西北t 业大学硕士学位论文 第二章z i g b e e 无线通信的系统设计 建立交叉开发环境是进行嵌入式软件开发的第一步，交叉开发环境的典型代 表是l i n u x ( u n i x ) 下的g n u 工具链、目前已经能够支持x 8 6 、a r m 、m i p s 、p o w e r p c 等多种处理器。在课题中，正是使用g n u 工具链作为开发环境的工具。 开发环境建立后，就可以着手进行软件开发了。经过研究查证目前嵌入式应 用开发的其它产品的开发特点，软件开发的工作有以下几步。 ( 1 ) 设计b 0 0 t l o a d e r 程序 b o o t l o a d e r ( 引导装载器) 是用于初始化目标板硬件，给嵌入式操作系统提 供板上硬件资源信息，并进一步装载、引导嵌入式操作系统运行的固件。在嵌入 式系统开发过程中，b o o t l o a d e r 的编写往往是设计的主要难点。目前，b o o t l o a d e r 的开发通常都是基于一些开源的b o o t l o a d e r ( 如v i v i 、u b o o t 、b l o b 、a r m b o o t 、 r e d b o o t 等) 而设计，它们在设计思路上有许多相通之处。在课题中，选用的是 比较流行的v i v i 引导程序。它是一款专门针对a r m 9 处理器而设计的b o o t l o a d e r ， 它操作简便，同时提供了完备的命令体系“”。 v i v i 作为一种b o o t l o a d e r ，其运行过程分成两个阶段。第一阶段的代码在 v i v i a r c h s 3 c 2 4 1 0 h e a d s 中定义，大小不超过1 0k b ，它包括从系统上电后在 0 x o o o 0 0 0 0 0 地址开始执行的部分。这部分代码运行在f 1 a s h 中，它包括对s 3 c 2 4 1 0 的一些寄存器、时钟等的初始化并跳转到第二阶段执行。第二阶段的代码在 v i v i i n i t i i l a i n c 中，主要进行一些开发板初始化、内存映射和内存管理单元 初始化等工作，最后会跳转到b o o t - o r - v i v i ( ) 函数中，接收命令并进行处理。 需要注意的是在f l a s h 中执行完内存映射后，会将v i v i 代码拷贝到s d r a m 中执 行。 ( 2 ) 移植开发嵌入式操作系统 初次开发时，通常得到的嵌入式操作系统是官方提供的通用源代码包，开发 者必须针对硬件系统的实际应用情况对内核进行修改，同时裁剪掉不需要的冗余 代码后再进行编译生成映象文件。 正确合理的定制内核，对于提高系统运行速度、节约用户内存空间、减少系 统的漏洞从而增加系统的稳定性和安全性非常有用。 ( 3 ) 设计操作系统下的驱动程序 1 4 西北工业大学硕士学位论文第二章z 睡b 无线通信的系统设计 嵌入式操作系统的内核，只提供了通用硬件的驱动程序，如果用户需要增加 自己的硬件，要让硬件工作，则需要在内核中加入自己的驱动程序，驱动程序的 好坏与否，关系到整个系统运行的稳定性，可靠性。 ( 4 ) 设计操作系统下的应用软件 操作系统定制并完成编译、把通过烧结工具烧结到f l a s h 中后，就可以被解 压到s d r a m 中运行，此时的环境对开发者来说，就像面对一台简易的p c 机。以 l i n u x 为例，此时通过开发计算机的超级终端就可以向这平台发送l i n u x 指令， 此硬件平台会把结果返回到超级终端上。 通俗地说，操作系统环境下应用软件的设计目标，就是设法使得用户的应用 程序文件最终存放于操作系统的某个目录下，并能够被正确运行。 2 4 2 系统节点的软件设计思路 因为在开发过程中，采用了模块化设计，把基本的节点电路与传感器分开设 计，这样在进行软件设计时只需改动少量采集信号部分的代码，就能完成节点的 功能的变动。节点软件只需要编写一个主任务函数以及一个中断函数。主函数负 责节点的初始化、传感器的初始化、以及把采集的数据进行数据打包；中断函数 负责数据的采集。无线通信系统节点的控制单元为8 位的a v r 单片机，它与一般 的单片机开发相同，在a v r 单片机的开发环境i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 中编写 应用程序，通过软、硬件调试，进行程序的验证，调试通过的程序编译成二进制 文件，然后通过下载工具，把程序烧写进a v r 单片机中。 2 5 小结 本章主要介绍z i g b e e 无线通信应用的总体设计。首先对整个系统的框架做 了阐述，对z i g b e e 网络应用通信基础一一z i g b e e 协议，进行了分析，随后分别 阐述了系统的协调器、节点的硬件功能模块设计，以及它们软件开发设计的思 路。 西北工业大学硕士学位论文 第三章z i g b 无线通信a r m 硬件平台的设计 第三章z ig b e e 无线通信系统硬件电路设计 3 1 系统协调器的外围电路设计 主电路是运行协调器所必须的最基本电路，这部分电路设计包括c p u 电源、 时钟、复位电路等”1 。 3 1 。1 电源电路 在设计系统电源电路之前对s 3 c 2 4 1 0 x 的电源引脚进行分析：v d d a l i v e 引脚 给处理器复位模块和端口寄存器提供1 8 v 电压；v d d i 和v d d i a r m 为处理器内核 提供1 8 v 电压；、r d d i - m p l l 为1 4 p l l 提供1 8 v 模拟电源和数字电源；v d d i u p l l 为u p l l 提供1 8 v 模拟电源和数字电源；v d d o p 和v d d m o p 分别为处理器端口和 处理器存储器端口提供3 3 v 电压；v d d a - a d c 为处理器内的a d c 系统提供3 3 v 电压；v d d r t c 为时钟电路提供1 8 v 电压，该电压在系统掉电后仍需要维持”1 。 图3 1 系统电源电路 由此可见，在该系统中，需要使用3 3 v 和1 8 v 的直流稳压电源。为简化系 统电源电路设计，要求整个系统的输入电压为高质量的5 v 直流稳压电源。、，d d 3 3 v 提供给v d d m o p 、v d d i o 、v 叩a d c 和v c c 引脚，v d d l 8 v 提供给v d d i ，v d d r t c 提供 给v 叩r t c 引脚。5 v 输入电压经过d c d c 转换器可以完成5 v 到3 3 v 和1 8 v 的 电压转换。系统中r t c ( 实时时钟) 所需要电压由1 8 v 电源和后备电源共同提 1 6 西北工业大学硕士学位论文 第三辛z i g b e c 无线通信a r m 硬件平台的设计 供。电路如图3 1 所示 3 1 2 系统复位电路 在系统中，复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复 位功能。复位电路可以由简单的r c 电路构成，也可以使用其它的相对比较复杂， 但功能更完善的电路。本系统使用较为简单的r c 复位电路，经使用证明，其复 位逻辑是可靠的。复位电路如下图3 2 所示。 图3 2 系统的复位电路 该复位电路的工作原理如下：在系统上电时，通过电阻r 1 0 8 向电容c 1 6 2 充电，当c 1 6 2 两端的电压未达到高电平的门限电压时，r e s e t 端输出为高电平， 系统处于复位状态；当c 1 6 2 两端的电压达到高电平的门限电压时，r e s e t 端输 出为低电平，系统进入正常工作状态。 3 1 。3 系统时钟电路 s 3 c 2 4 1 0 x 微处理器的主时钟可以由外部时钟电源提供，也可以由外部振荡 器提供，采用那种方式通过引脚o m 3 ：2 来进行选择“”。 侧 3 ：2 = 0 0 肘，m p l l 和u p l l 的时钟均选择外部振荡器，如图3 5 中( a ) 所示； 0 m 3 ：2 = 1 1 时，m p l l 和u p l l 的时钟均选择外部时钟源，如果3 5 中( b ) 所示。 1 7 西北工业大学硕上学位论文 第二三章z i g b e e 无线通信a r m 硬件平台的设计 剖。藩譬辩筹 蒜。秘一。j “j 嚣 掣粤己箨# 。# 半：。一譬 离 糍蓑糍舞；臣 e 舶c 斗酬咄 ；：一l 攒 崮；。李离申q 撂| ；。 。趣jj 囊 黧 “。a * 寸l 未至；墓差+ 一 i 叠尊”渤漆： 莲三三警篷 兰兰罄 鞭： 二= 二一”q 十* 臻了珂兰熏 = 豢# 嚣= = =“t 一一p 三鬻量x i ” _ * 一了雕# 兰霉专土 兰接涟娲； r p “汁 x 一。| ； 互：。i | 上“ 。l 。i 工；疆燃j 哗珊骶v 严摹了r r ”t 删可硝x 一4 舻邺钟苴! 图3 3 系统时钟的选择 该系统中选用o m 3 ：2 均接地的方式，即采用外部振荡器提供系统时钟。外 部振荡器由1 2 删z 晶振和2 个1 5 p f 的微调电容组成。振荡电路输出接到s 3 c 2 4 1 0 x 微处理器的x t i p l l 脚，输入由x t o p l l 提供。1 2 姗z 的晶振频率经过s 3 c 2 4 1 0 x 片内的p l l 电路倍频后，最高可以达到2 0 3 姗z 。由于片内的p l l 电路兼由频率 放大和信号提纯的功能，因此，系统可以以较低的外部时钟信号获得较高的工作 频率，从而降低高速开关时钟所造成的高频噪音。系统所需的r t c 时钟采用相同 的方式，如图3 4 所示。 鐾三拦麓三：= w h 弘t h 弭 翠 j = = ；= 强= 玎玎n：i = _ jl 要“可玎耳f f 弭。j 曩可7 0 2 雹 j 二。； j ? l ；苷| j = ：锚誊强l 簪：。：强二：鞲j t f * 。x