（机械电子工程专业论文）基于arm的工厂监控无线终端的研究与应用.pdf

基于a r m 的工厂监控无线终端的研究与应用 摘要 嵌入式系统近年来随着其信息化、智能化、网络化的发展，被广 泛应用于信息家电、移动设备、网络设备和工控仿真的领域，成为继 i t 网络技术之后，又一个信息产业的主流。本设计使用的是a r m 9 嵌入式开发板。a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 公司的3 2 位r j s c 处理器有着高速度、低功耗、低成本、功能强、特有1 6 3 2 位双指令 集等诸多优异的性能。 随着生产业快速发展，工厂企业车间的不断增加，对厂房的管理 和设备的保护越来越受到重视。本论文主要阐述了监控系统中无线终 端的设计与研究，其中涉及到嵌入式网络浏览器在工厂监控设备中的 应用，本监控系统的采集设备如摄像头、仪表等将视频、图像、温度 等数据通过下位机上传至控制中心，控制中心将这些数据存储于网页 中，用户使用手持终端，以无线上网的方式，通过嵌入式浏览器登陆 网页，实现远程监控，达到实时监控的目的。 本论文第一章综合叙述嵌入式系统的基本概念。第二章阐述基于 $ 3 c 2 4 1 0 x 的嵌入式系统开发平台的基本架构及各个组成部分。第三 章介绍了监控系统无线终端的开发平台的设计。第四章主要阐述了 l c d 触摸屏校正程序的设计。第五章讲述了嵌入式浏览器的研究， m a k e f i l e 的编写与电机控制模块的设计。 关键词：嵌入式m i n i g u i 嵌入式浏览器触摸屏电机控制 t h 匝厂i r e l e sst e r m i n ai ，r e s e a r c ha n d d e s i g no ff a c t o r ym o n i t o rs y s t e m a b s t r a c t w k ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o n i z a t i o n ，i n t e l l i g e n t ，n e t w o r k ， e m b e d d e ds y s t e ma r ew i d e l yu s e di ni n f o r m a t i o na p p l i a n c e s ，m o b i l e d e v i c e s ，n e t w o r ke q u i p m e n ta n di n d u s t r i a la r e a so fs i m u l a t i o n f o l l o w i n g t h ed e v e l o p m e n to fi tn e t w o r kt e c h n o l o g y , i th a sb e c o m eam a i n s t r e a m i n f o r m a t i o ni n d u s t r y a r m 9e m b e d e dd e v e l o p m e n tb o a r da r eu s e di nt h i s d e s i g n a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) p r o v i d e s3 2 - b i te m b e d d e d r i s cm i c r o p r o c e s s o r sw i t hh i g hs p e e d ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n d s y s t e mc o s t ，h i 曲p e r f o r m a n c ea n ds p e c i f i ct h u m bi n s t r u m e n t s w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o f m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , t h e w o r k s h o p so ff a c t o r i e sa n de n t e r p r i s e sa r ei n c r e a s i n g ，s oi ts h o u l dt op a y m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ot h em a n a g e m e n ta n dp r o t e c t i o no fp l a n ta n d e q u i p m e n t t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e d t h e d e s i g n o ft h ew i r e l e s s t e r m i n a lm o n i t o r i n gs y s t e m i tr e l a t e dt ot h ea p p l i c a t i o no ft h ef a c t o r y m o n i t o rs y s t e m t h ec o l l e c t i n ge q u i p m e n to ft h i sm o n i t o rs y s t e m ，s u c ha s c a m e r a s ，i n s t r u m e n t s ，c o l l e c tv i d e o ，i m a g e s ，t e m p e r a t u r e a n do t h e r d a t a ，a n dt h e nt r a n s l a t et h e s ed a t at ot h ec o n t r o lc e n t e r c o n t r o lc e n t e rw i l l s t o r et h o s ed a t ao nw e bp a g e s u s e r sc a l lu s et h ee m b e d d e db r o w s e ro f h a n d h e l dd e v i c e sl a n dt h ep a g e sb yt h ew a yo fw i r e l e s si n t e m e ta c c e s s i n t h i s w a y , w e c a na c h i e v er e a l t i m e m o n i t o r i n ga n dr e m o t e m o n i t o r p u r p o s e s f i r s t l y , t h i sp a p e re x p o u n d st h ec o n c e p t i o n so f t h ee m b e d d e ds y s t e m s e c o n d l yi n t r o d u c et h eb a s i cc o n f i g u r a t i o no ft h ee m b e d d e ds y s t e m w h i c hb a s e do nt h es a m s u n gs 3 c 2 410 x t h i r d l y , i n t r o d u c e dt h em o n i t o r s y s t e md e v e l o p m e n tp l a t f o r mf o rw i r e l e s st e r m i n a ld e s i g n f o u r t h l y , f o c u s e so nt h ed e s i g no fc o r r e c t i o np r o c e d u r e so ft h el c dt o u c h s c r e e n f i f t h l y , d e s c r i b e st h er e s e a r c ho fe m b e d d e db r o w s e r , h o wt ow r i t e t h em a k e f i l ea n dt h ed e s i g no ft h em o t o rc o n t r o lm o d u l e k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e mm i n i g u ie m b e d d e db r o w s e r t o u c hs c r e e nm o t o rc o n t r o l 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：区丝日期：2 竺丝兰：z 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：暹2 墨日期：乏里丝兰：2 导师签名；习复妻i 扛日期：二2 蝉芝：么圣 l ， 基于a r m 的工厂监控系统无线终端的府用与研究北京邮电大学硕士论文 1 1 工厂监控系统概述 1 1 1 工厂监控系统的定义 第一章绪论 随着生产业快速发展，工厂企业车间的不断增加，对厂房的管理和设备的保 护越来越受到重视，如何在加强对厂房的监控的同时不影响生产者的情绪，并且 能对厂房设备进行全面的保护是每个管理者都十分关注的问题。厂房监控系统的 发展方向与应用主要有如下几个方面： 防止生产者在工作时间做与工作无关的事情，提高生产效率。 防止厂房的设备和产品被偷窃。 防止厂房危险事件的发生，以及对突发事件迅速解决。 为现场发生的事件保留证据。 1 1 2 工厂监控系统的发展趋势 现今在企业内部环境的安全防范系统中，最为直接有效的方式就是闭路电视 监控，其具有直观、实时的特点，可把企业内部环境的具体情况真实地呈现于管 理人员面前，方便管理，同时具有具有操作简便、保存图像时间长等特点。 视频监控的发展趋势有如下几个特点【l 】： 监控的智能化 智能化是视频监控技术发展比较高级的层次。由于视频监控的数据量非常 大，而用户真正需要的信息只是少部分，或者说真正需要监视的只是发生概率很 少的某些事件，如何通过海量数据获取有价值的信息或者说如何从目视解释变为 机器自动解释是视频监控技术发展的一个新方向。因为能把视频监控从静态的、 事后取证变成动态的、实时预防和告警对用户来说显得更加重要。实际上现有的 监控系统都配置有如自动位移侦测、昼夜自适应切换存储、预警设置( 如可疑人 基于a r m 的工厂监控系统无线终端的应用与研究北京邮电火学硕士论文 物照片、指纹等) 等一些低级形式的智能化功能。随着技术的发展，全智能的监 控系统将要求事发前能够识别并作出正确的判断，为人们提供最为有效、及时的 快速反应措施。 监控的无线化 无线化包括两方面内容：一是监控中心的移动，通常情况下，被监控对象或 是摄像机往往是固定的。而作为监控系统的使用者( 监控中心) 则可以是动态的， 当公司领导出差在外，需了解公司生产情况时，可使用笔记本随时随地访问摄像 机的疋获取信息。二是视频监控网络的无线化，随着无线宽带网络发展，基于 3 g 的无线监控应用备受关注。当监控点分散且与监控中心距离较远，或被监控 对象不固定( 如出租车、运钞车等) 时，利用传统有线网络的视频监控对象往往 成本高且难以实现，而基于多种无线传输手段的移动视频监控实现了不可替代的 优势。 监控的碑化 视频网络、口t v 等都是网络快速发展的重要应用。随着i n t e r a c t 技术的发展， 基于p 的视频监控更能为人们所接受，网络摄像机把压缩的视频信息通过 t c p i p 协议，采用流媒体技术实现视频在网上的多路复用传输，拥有授权的用 户可以随时访问互联网，实现对整个监控系统的指挥、调度、存储、授权控制等 功能。鉴于口v 6 在服务质量、网络性能、安全性改善提高一级i p v 6 对下一代 i n t e r n e t 网络的影响，基于口的视频监控将会成为主流。 随着国民经济的不断发展和改革的进一步深入，特别是我国加入世贸组织以 后，企业采用高科技的管理方式在全国范围内已日趋普遍化，在安全防范方面也 不例外。利用现代科技力量，为企业提供一个安全、舒适的生产、生活空间，已 被企业管理者所认可。 工厂监控主要是指对工厂或者车间进行多方面的实时管理，安全维护与控 制。通过对多方面的数据采集如：主要通道处的视频，重要设备车间的温度和耗 电量，车间的生产量等。这样通过对多方面的监控实现维护工厂安全，提高生产 效率的目的。 1 1 3 工厂监控系统的组成 本论文主要阐述嵌入式网络浏览器在工厂监控设备中的应用，采集设备如摄 像头、仪表等将视频、图像、温度等数据通过下位机上传至控制中心，控制中心 将这些数据存储于网页中，用户使用手持终端通过嵌入式浏览器登陆网页，实现 远程监控，达到实时监控的目的。如图1 1 所示。 2 基于a r m 的工厂监控系统无线终端的应用与研究 t 京邮电人学硕十论文 鬈一 ，= ：= 国一 囤i - 1 系统流程圈 监控中心用于数据接受，处理以及控制功能的实现。监控中心即控制台，也 可以称之为上位机，其发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相 应时序信号直接控制相应设备。下位机不时读取设备状态数据( 一般模拟量) ， 转化成数字信号反馈给上位机。 下位机是直接控制设备获取设备状况的的计算机，一般为嵌入式系统。它的 主要功能是收集由监控终端采集来的数据，将数据结果进行处理，然后发送给上 位机；同时实时接受上位机发送的指令，对监控设备进行控制。 便携式无线终端实现远程监控。针对监控系统发展趋势的无线化，我们计划 设计一个手持无线终端，其具有无线上网功能，通过嵌入式洲览器，登陆控制中 心的网页，随时得到监控数据，并发送控制指令。 1 2 便携式无线终端的设计 为了便于远程监控，所以我们的远程监控系统配有无线手持终端，其主要采 用的是嵌入式系统，在该操作系统中我们移植了无线网卡驱动，实现了无线上网， 然后移植了嵌入式浏览器，通过嵌入式浏览器可以登陆监控中心的网页检查监控 数据r 实现远程监控。而且我们在终端中移植了应用程序，如电机控制系统，通 过对电机的控制实现对摄像头转动角度的调整。本论文内容的主要针对无线终端 丌发平台的搭建，嵌入式浏览器的研究与移植以及电机控制程序的设计，而无线 网卡驱动的移植不是本论文的主要内容。 任何嵌入式系统都包括硬件和软件两个方面。硬件包括微处理器、存储器、 端口和图形控制器等。软件系统包括操作系统软件和应用软件，应用软件控 制着嵌入式系统的运作和行为，而操作系统则为应用程序提供必要的底层支持， 它一般是通过提供应用编程接口( a p i ) 来实现的。 基于a r m 的工厂监控系统无线终端的应用与研究北京邮电大学硕士论文 因为嵌入式系统实面向应用、产品和用户的，所以不可能不研究应用特性以 开发出一个如p c 般通用的嵌入式系统。在嵌入式系统中，具体的应用将决定对 硬件和软件的需求，如芯片、存储器、i o 扩展和操作系统、应用程序编制等。 和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件软件都必须高效率的设计，量体裁衣，去 除冗余，尽量以最小的系统、最低的成本去实现目标功能，这样的产品才有竞争 力。它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多 由板卡完成的任务集成到芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移 动能力大大增强，与网络的结合也越来越紧密【2 1 。 1 2 1 嵌入式系统硬件的组成 嵌入式系统的硬件是嵌入式系统软件环境运行的基础，它提供了嵌入式系统 软件运行的物理平台和通信接口。它通常包括嵌入式处理器和嵌入式外围设备两 大部分。 ( 1 ) 嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与通用处理器的最大 不同点在于嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中。它通常把通用 c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋 于小型化，并且有高效率、高可靠性等特征【3 1 。 嵌入式处理器的种类繁多、数量庞大。目前全世界嵌入式处理器的品种总量 已经超过1 0 0 0 种，流行的体系结构有三十几个系列。a r m 、p o w e r p c 、m c 6 8 0 0 、 e d s p 等使用得最为广泛。而其中目前以a r m 的应用最为广泛。面前，按照比 较流行的分类方法，嵌入式处理器可以分为四类，即： 嵌入式微处理器( e m b e x i d e , dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 其中，a r m 属于嵌入式微处理器一类。 ( 2 ) 嵌入式外围设备 这里所说的嵌入式外围设备，指在一个嵌入式硬件系统中，除了中心控制部 件( m c u ，d s p ，e m p u ，s o c ) 以外的完成存储、通信、保护、调试、显示等 辅助功能的其他部件。根据外围设备的功能可分为以下三类，即： 存储器类型：静态易失型存储器( r a m ，s r a m ) 、动态存储器- ( d r a m ) 、 非易失型存储器( r o m ，e p r o m ，e e p r o m ，f l a s h ) 。其中，f l a s h 因为 可以擦写多次，存储速度快，容量大，价格便宜在嵌入式领域应用广泛。 4 基于a r m 的工厂监控系统无线终端的应用与研究北京邮电大学硕士论文 接口类型：目前存在的所有接口在嵌入式领域都应有广泛，如r s 2 3 2 ( 串 口) 、i r d a ( 红外线接口) 、s p i ( 串行外围设备接口) 、1 2 c ( 现场总线待定) 、 u s b ( 通用串行接口) 、e t h e m e t ( 以太接口) 和普通并口。 显示类型：c r t ，l c d 和触摸屏等外围设备降5 1 。 1 2 2 嵌入式系统软件的组成 软件是嵌入式系统的灵魂。一般包括b o o tl o a d e r 、嵌入式操作系统、嵌入 式文件系统和应用程序。其中，嵌入式操作系统决定了系统的性能。一般而言， 嵌入式软件具有如下特点： 嵌入式软件的研发与硬件紧密相关。由于嵌入式软件的开发是针对具有硬 件平台进行的，它往往牵扯硬件驱动方面的一些软硬结合部分，这就是要求开发 人员必须具备相关的硬件知识。 软件代码要求高效率和高可靠性。由于嵌入式系统中软件运行空间有限， 内存空间非常宝贵，在软件的编程过程中必须时刻考虑软件的运行效率，同时选 用高质量的编译工具。在实时系统中，处理器必须严格处理异步发生的各种任务， 这对程序的算法设计提出了更高的要求。另外，嵌入式软件系统还应该有异常处 理、快速复位等算法。 软件一般固化在f l a s h 或r o m 中。为了提高执行速度和系统的可靠性， 同时缩短系统复位时间，一般在嵌入式软件调试好后，会下载固化到目标板中的 f l a s h 或r o m 中。目标板启动时，再运行其中的代码，而不是像p c 那样从硬 盘存储器中读取程序 6 - 7 1 。 下面分别介绍一下嵌入式软件的各个组成部分。 ( 1 ) b o o t l o a d e r b o o tl o a d e r 是系统加电后运行的第一段代码。一般它在系统启动时运行非 常短的时间，但对于嵌入式系统来说，这是一个非常重要的组成部分。它的作用 相当于p c 机加电启动时运行的b i o s 。 ( 2 ) 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是整个嵌入式软件的核心。它的性能在某种程度上决定了整 个嵌入式系统的性能。目前，嵌入式操作系统的类型很多，如v x w o r k s 操作系 统，w i n c e 操作系统，v r t x 操作系统，p s o s 操作系统，嵌入式l i n u x 操作系 统等等。其中以面向l i n u x 的嵌入式l i n u x 操作系统( 本篇讨论的就是这种操作 系统) 的应用最为广泛，而嵌入式l i n u x 操作系统的版本也不在少数，如i 玎一 l i n u x r t a i 、e m b e d i x 、b l u ec a tl i n u x 和h a r dh a tl i n u x 等等，它们都有一个共 同的特点：强调处理事件的实时性。 5 基于a r m 的工厂监控系统无线终端的应用与研究 北京邮电大学硕士论文 ( 3 ) 嵌入式文件系统 大家知道，l i n u x 操作系统可以支持多种文件系统，嵌入式的文件系统的结 构与l i n u x 文件系统的结构类似，所以，可使用的嵌入式文件系统的种类泛多， 目前常用的有e x t 2 、c r a m f s 、j f f s 2 、n f t l 、n f s 和r a m 磁盘文件系统等。 嵌入式应用的要求不同，决定了使用嵌入式文件系统的不同，为了选择各种类型 的文件系统，一般会考察文件系统的如下几个特性： 可写入，即文件系统是否可以被写入。 可更新，即系统重启后，文件系统是否能保持重启前的更改。 掉电可靠性，即文件系统在发生掉电的时候是否可以恢复原数据。 可压缩，即文件系统内容是否可被压缩。 r a m 启动，即在挂载文件系统前，内容是否先从存储器中提取到r a m 中。 ( 4 ) 应用程序 嵌入式系统往往是针对具体的应用而设计的，各种应用对输入设备的要求也 各不相同。有时可能只需要一个标准的p c 键盘开关，有时需要一个小键盘，有 时需要一个开关。开发者只能根据具体的情况进行设计。 1 3 嵌入式浏览器的发展 现今常见的桌面浏览器有微软的i n t e r n e te x p l o r e r 、网景的n e t s c a p e 、开放源 码的m o z i l l a 、以及o p e r a 等。这些桌面型浏览器功能参差不齐，但大多能实现基 本的浏览功能，其中i e 与n e t s c a p e 对h t m l 页面的显示效果均堪称完美。 与完美的浏览效果，功能丰富，支持多种媒体格式和视音频插件等优点形成 对立的是，这些浏览器庞大的体积和对机器配置的高要求。这也是桌面浏览器和 嵌入式浏览器最大的区别。 桌面型浏览器是基于通用的操作系统，用于桌面电脑如p c 机、m a c 机等。 而嵌入式浏览器通常基于专用系统。如i n t e m e te x p l o r e rf o rw i n c e ，是i e 的 w i n d o w sc e 版，这意味着用户为了使用它，必须选用基于w i n c e 平台的产品。 随着嵌入式市场的迅速崛起，作为嵌入式系统中最重要的应用软件之一的嵌 入式浏览器也逐渐受到重视并形成了一个新的研究热点。嵌入式浏览器是针对专 门系统设计，为用户提供网页浏览功能的系统，广泛应用于各种信息电器和便携 式网络终端中，具有体积小、耗资小、速度快和实时性强等特点。嵌入式浏览器 主要应用于手持终端和信息家电，如掌上电脑、3 g 手机、网络机顶盒、具有网 络功能的家电，如可上网电冰箱等，另外在军事等领域也有一定的应用需求【8 10 1 。 6 基于a r m 的t 厂监控系统无线终端的应用与研究 北京邮电大学硕士论文 第二章无线终端开发环境的研究 2 1 平台选择的原则 开发平台的选择主要从四个方面考虑，即先进性、结构开放性、实时性和可 靠性： 先进性：用最新或是功能更完善的芯片，达到更高的精度和可靠性，使系 统的精度和可靠性得到了保证；运用先进的面向对象程序设计技术和软件功能模 块方法，保证系统最大限度地适应技术发展和业务发展的变化。 结构开放性：应用开发平台接口开放化、网络设计标准化，采用开放性和 标准化协议，保证网络互连简单易行；并使设计留有余地，为以后的升级提供了 方便。 实时性：监控系统严格要求业务数据必须能够进行实时的交互数据传送。 可靠性：须满足业务数据在其中进行稳定可靠的传输、显示，不会因为外 界的干扰而错误的位置信息。 、。 整个开发平台的分为硬件和软件两个部分。硬件采用核心板加扩展板的结构 方式，核心板主要包括处理器、存储器，其他部分如输入输出设备、u s b 口、 网口、串口等放置在扩展板上；软件包括b o o tl o a d e r 、操作系统( o s ) 、文件 系统和g u i 应用程序等。具体的结构如图2 1 所示。 7 基于a r m 的- t 厂监控系统无线终端的应用与研究北京邮电大学硕士论文 应 1 j 挫膨 文竹乐绕 i 蹦彤j j 广琏j l j 群序接n 通汛j j 块 l h m x 系统 i 毁笛冁功牲垮 g p t o l j t a o f l s h i s d r a m t l m 融u r t c l 啪l s 3 c 2 4 i o x f m l c 姗 以太辫 电镧话理 r 隧研1 l l c d i d c u 盯 王 主 王 扩艘电辫 人桃受垃拔ul c d 触糖厢，键盘、鼠杯网络 2 2 开发环境的硬件 图2 - 1 开发平台系统架构 嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器为核心，配置必要的外围接口电路。 2 2 1 嵌入式处理器 随着嵌入式系统不断深入到人们生活中的各个领域，嵌入式处理器得到了前 所未有的飞速发展。目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器品种总量超过1 5 0 0 多种，流行体系结构有5 0 多个系列。它具有体积小、重量轻、成本低、可靠性 高等优点。目前比较有影响的嵌入式r i s c 处理器产品主要：m o t o r o l a 公司的 6 8 0 0 0 c o l d f i r e 、i b m 公司的p o w e rp c 、m i p s 公司的m m s 、s u n 公司的s p a r e 和a r m 公司的a r m 系列等。本节主要介绍设计中使用的a r m 处理器。 a r m 系列处理器是英国先进r i s c 机器公司( a d v a n c er i s cm a c h i n e s ， a r m ) 的产品。a r m 公司自1 9 9 0 年正式成立以来，在3 2 位r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ) c p u 开发领域不断取得突破，其结构己经从v 3 发展到 v 6 。由于a r m 公司自成立以来，一直以i p ( i n t e l l i g e n c ep a t e n t ) 提供者的身份向 各大半导体制造商出售知识产权，而自己从不介入芯片的生产销售，加上其设计 的芯核具有功耗低，成本低等显著优点，因此获得众多的半导体厂家和整机厂商 的大力支持，在3 2 位嵌入式应用领域获得了巨大的成功。2 0 0 1 年度里a r m 占 基于a r m 的工厂监控系统无线终端的应用与研究北京邮电大学硕士论文 据了整个3 2 位、6 4 位嵌入式微处理器市场的7 5 ；在2 0 0 2 年度里，占据了整 个3 2 位、6 4 位嵌入式微处理器市场的7 9 5 。在低功耗，低成本的嵌入式应用 领域确立了市场领导地位。目前，8 0 以上的g s m 手机、9 9 的c d m a 手机以 及将来的w c d m a 、t d s c d m a 手机都采用的是基于a r m 核心的处理器。全 球设计、生产a r m 芯片的半导体公司将近2 0 0 多个，国际大公司已经超过5 0 多家，国内中兴、华为东南大学、上海集成电路设计中心、中芯国际、大唐等公 司已经购买a r m 公司的芯片核心技术授权协议，用于通讯专用芯片的设计【l l 】。 此外，a r m 芯片还获得了许多实时操作系统供应商的支持，比较知名的有： w i n d o w sc e 、u c l i n u x 、p s o s 、v x w o r k s 、n u c l e u s 、e p o c 、uc o s 、b e o s 、 p a l mo s 、q 【等。自v 5 以后，a r m 公司提供p i c c o l od s p 的芯核给芯片 设计者，用于设计a r m + d s p 的s o c ( s y s t e m o n c h i p ) 结构的芯片。 a r m 微处理器核技术广泛用于便携式通信产品、手持计算、多媒体和嵌入 式解决方案等领域，以成为r i s c 标准。目前基于a r m 核的处理器有以下几类： a r m 7 家族； a r m 9 家族； a r m 9 e 家族： a r m i o e 家族； a r m l l 家族； s e c u r c o r e 家族； o p t i m o d e 数据引擎内核； m p c o r e 多处理器家族； i n t d 公司的s 仃o n g a r m d ( s e a l e 。 其中重点介绍a r m 9 微处理器系列。该系列处理器在高性能和低功耗特性 方面提供最佳的性能。具有以下特点： 5 级整数流水线，指令执行效率更高； 提供1 1 m l p s m h z 的哈佛结构； 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集； 支持3 2 位的高速a m b a 总线接口； 全性能的i v l n i u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入式操作系统； m p u 支持实时操作系统； 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。 a r m 9 系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、 高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。 a r m 9 系列微处理器包含a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 三种类型， 以适用于不同的应用场合。 基于上述原因，针对课题需求，设计中选用的是s a m s u n g 公司的s 3 c 2 4 1 0 x 处理器。它是一款基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位r i s c 嵌入式微处理器，运行 频率为2 0 3 m h z ，主要面向手持式设备以及高性价比、低功耗的应用。a r m 9 2 0 t 9 基于a r m 的工厂监控系统无线终端的应用与研究北京邮电大学硕士论文 核由a r m 9 t d m i 、存储管理单元( m m u ) 和高速缓存三部分组成。其中m m u 可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的1 6 k b 地址和1 6 k b 数据高速c a c h e 组成。 s 3 c 2 4 l o x 的资源包括： 1 个l c d 控制器( 支持s t n 和t f r 带有触摸屏的液晶显示屏) ； s d r a m 控制器； 3 个通道的u a r t ； 4 个通道的d m a ； 4 个具有p w m 功能的计时器和1 个内部时钟； 8 通道的l o 位a d c ： 触摸屏接口； 1 2 s 总线接口； 2 个u s b 主机接口，1 个u s b 设备接口； 2 个s p i 接口； s d 接口和m m c 卡接口： 看门狗计数器； 1 1 7 位通用i o 口和2 4 位外部中断源； 8 通道l o 位a d 控制器。 2 2 2 存储器 存储器也是构建嵌入式系统的重要部分。虽然存储器的选择依赖于处理器的 选择，但是就功能需求来说，需要考虑容量大的，性能稳定的存储器。就f l a s h 来说，还需要考虑f l a s h 的擦除等软件操作是否方便。 本系统核心板包括8 m b l 6 位的n a n df l a s h 存储器和6 4 m b 3 2 位s d r a m 存 储器。其中n a n df l a s h 主要用于存放启动代码( b o o t l o a d e r ) 、l i n u x 内核、r a m d i s k 压缩映像和用户程序等等。f l a s h 存储器的数据宽度为1 6 位，映射到$ 3 c 2 4 1 0 a 的r o mb a n k 0 ，地址从0 x 0 m ) x 2 0 0 0 0 0 。而6 4 m b 的s d r a m 存储器则用于设 置程序堆栈和存放各种变量。它是由两片1 6 位数据宽度的s d r a m 存储器，通 过并联成为3 2 位数据宽度的s d r a m 存储系统，并映射到$ 3 c 2 4 1 0 a 的 s r o m s d r a mb a n k 6 ，地址范围是0 x 3 0 0 0 0 0 0 0 一 o x 3 3 f f f f f f 。$ 3 c 2 4 1 0 a 微 处理器内部的4 k b 一体化c a c h e s r a m ，通常被配置为c a c h e 以提高系统性能。 若要将其部分或全部用作高速的片内s r a m ，用户必须在应用程序中重新配置相 应的特殊功能寄存器【l 2 1 。 2 2 3 电源管理 嵌入式系统对功耗极为敏感。系统的功耗可以通过电源模式变换获得最好的 控制。核心板的工作电源为单一的3 3 w 0 5 a 直流电源，在基本板中，由于电源 1 0 基于a r m 的工厂监控系统无线终端的应用与研究北京邮电大学硕十论文 消耗功率较小，因此我们使用的是a m s l1 1 7 线性稳压芯片，使用基本板的上下 面铜箔作为散热面，并且使用5 w 1 a 直流电源供电。 美国a m s 公司的a m s l1 1 7 系列芯片是可调或固定输出1 8 、2 5 v 、3 3 v 、 5 v 的线性稳压芯片，输出电流为8 0 0 m a 。它可应用于电池充电、便携式掌上 笔记本电脑、便携式消费类装置、便携式仪器、s m p s 站及计算机系统接口终 端中作稳压电源。系统设计中使用的是5 v 输入，固定3 3 v 输出的电源稳压芯 片。 2 2 4 外围电路 本系统是一个完整的嵌入式系统，根据实际的应用需要以下通信接口： r s 2 3 2 串行接口：目前r s 2 3 2 是p c 机与通信工业中应用最广泛的一种 串行接口。r s 2 3 2 被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。 系统需要通过该串口下载程序，或者进行串行通信。 存储器类型：静态易失型存储器( r a m ，s r a m ) 、动态存储器( d r a m ) 、 非易失型存储器( r o m ，e p r o m ，e e p r o m ，f l a s h ) 。其中，f l a s h 因为 可以擦写多次，存储速度快，容量大，价格便宜在嵌入式领域应用广泛。 u s b ：u s b 接口以其方便、传输速率高等优点逐渐成为计算机行业的外 设接口标准。嵌入式设备要与p c 机进行高速通信，那么u s b 接口当然是理想 的选择。 以太网接口：在i n t e m e t 飞速发展的今天，网络己经渗透到了方方面面。1 7 在嵌入式系统方面，和网络的结合已经成为了嵌入式系统最新的研究方向。因此， 在本系统中，以太网接口是必不可少的。 ( 垦) l c d 触摸屏：键盘和液晶屏是常用的输入输出设备，结合各具特色的嵌 入式应用软件，可以把嵌入式系统的功能发挥的更强大，并且可以现场调试。 其他接口：因为本系统是一套完整的开发平台，因此还留有其他接口，如： 音频接口( i i s ) 、1 2 c 总线接口、s d 卡接口、i d e 接口等，但不作为论文的讨 论重点，只为以后扩展使用。 2 3 开发环境的软件 开发平台涉及的软件包括b o o tl o a d e r 、操作系统、文件系统和应用程序。 基于a r m 的t 厂监控系统无线终端的应用与研究北京邮电大学硕士论文 2 3 1b o o tl o a d e r 选择 b o o tl o a d e r 是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程 序，可以初始化硬件设备、建立系统的内存空间映射图，从而将系统的软硬件环 境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。并且， b o o tl o a d e r 最终把操作系统内核映象加载到r a m 中，并将系统控制权传递给操 作系统。b o o tl o a d e r 的重要性可见一斑。这里开发平台应用的是由m i z ir e s e a r c h 开发的b o o tl o a d e r 一一v i 。 2 3 2 嵌入式操作系统选择 嵌入式操作系统是整个嵌入式软件的核心。它的性能在某种程度上决定了整 个嵌入式系统的性能。目前，嵌入式操作系统的类型很多，如v x w o r k _ s 操作系 统，w i n c e 操作系统，v r t x 操作系统，p s o s 操作系统，嵌入式l i n u x 操作系 统等等。其中以面向l i n u x 的嵌入式l i n u x 操作系统的应用最为广泛，而嵌入式 l i n u x 操作系统的版本也不在少数，如r t l i n u x r t a i 、e m b e d i x 、b l u ec a tl i n u x 和h a r dh a tl i n u x 等等，它们都有一个共同的特点：强调处理事件的实时性。 嵌入式l i n u x 操作系统是个和u n i x 相似、以核心为基础的、完全内存保护、 多任务多进程的操作系统。支持广泛的计算机硬件，包括m o t o r o l a ，x 8 6 ， a l p h a ，m i p s ，p p c ，a r m ，n e c 等厂商现有的大部分芯片。软件源码全部公 开，开发人员可以对操作系统修改和进行定制，而不必担心像m i e r o s o t 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，大家开发的东西大都相互 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 i 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 i x 用 户熟悉的完善的开发工具，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 系统上。l i n u x 系统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 e e 、g + + 等也可以很容易得到，不但成熟完善、 而且使用方便。 嵌入式操作系统是嵌入式应用软件的基础和开发平台，从用户的观点看，它 是用户与嵌入式硬件系统之间的接口，用户在操作系统的帮助下能够方便、快捷、 安全、可靠的操纵嵌入式系统硬件和运行自己的程序。考虑到易用性、成本、可 研究性，本课题中我们选择使用的嵌入式操作系统就是由m i z ir e s e a r c h 开发的 m i z il i n u x 操作系统，基于l i n u x 2 4 版本。 1 2 基于a r m 的工厂监控系统无线终端的应用与研究北京邮电大学硕士论文 2 3 3 嵌入式文件系统选择 l i n u x 操作系统可以支持多种文件系统，由于嵌入式文件系统的结构与l i n u x 文件系统的结构类似，所以可使用的嵌入式文件系统的种类泛多。目前常用的有 e x t 2 、c r a m f s 、j f f s 2 、n f t l 、n f s 和r a m 磁盘文件系统等。根据嵌入式 系统应用的不同要求，决定选择不同的嵌入式文件系统，一般会考虑嵌入式文件 系统的以下几个特性： 可写入，即文件系统是否可以被写入。 可更新，即系统重启后，文件系统是否能保持重启前的更改。 掉电可靠性，即文件系统在发生掉电的时候是否可以恢复原数据。 可压缩，即文件系统内容是否可被压缩。 r a m 启动，即在挂载文件系统前，其内容是否先从存储器中提取到r a m 中。 在嵌入式的环境下，内存和外存都需要节约使用。如果用r a m d i s k 方式 使用文件系统，那么在系统开始运行之后，首先要把外存上的映象文件解压缩到 内存中，构造出r a m d i s k 环境，才可以运行程序。但是它有很致命的弱点， 在正常情况下，同样的代码不仅在外存中占据了空间，而且还在内存中占用了更 大的空间，这违背了嵌入式环境下尽量节省资源的要求。使用c r a m f s 就是解 决这个问题的一种方式。 c r a m f s 是一个压缩的文件系统，它并不需要一次性地将文件系统中的所 有内容都解压缩到内存中，而只是在系统需要访问某个位置的数据时，立刻计算 出该数据在c r a m f s 中的位置，将其实时地解压到内存之中，然后通过对内存 的访问来获取文件系统中需要读取的数据。本课题中我们选择的文件系统就是这 种节省内存空间的文