（控制科学与工程专业论文）基于arm9及gprs的警用车载读写系统的设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 现今警务工作越来越要求时效性和机动性，而如何满足警务人员在“移动” 工作中对犯罪嫌疑人信息有效的获取，是实现警务工作信息化、智能化和科技 强警的重要发展方向。本文针对警车上警务人员获取犯罪嫌疑人信息手段的不 足，运用嵌入式技术和移动通讯技术，设计了一种基于g p r s 及a r m 9 的警用 车载罪犯信息查询系统，该系统能够实时、快捷、经济地查询出详细的犯罪嫌 疑人信息，并能及时的与指挥中心保持信息沟通，为警务人员提供了实时、可 移动的信息库和强有力的信息源。 论文首先在分析了车载终端的发展现状和技术特点的基础上，完成了警用 车载读写系统的软硬件总体方案的设计并分析了系统的工作原理，给出了系统 各模块的详细电路设计，包括最小系统硬件电路、人机交互电路、串口和u s b 主机接口电路、g p r s 模块连接电路，重点介绍了车载电源电路的设计。 其次，给出了构建基于$ 3 c 2 4 1 0 和l i n u x 嵌入式软件开发平台的详细方法 步骤，建立了系统上层运用软件运行所需的必要软件环境。主要包括：交叉编 译环境的搭建、基于u - b o o t 的引导代码的配置和移植、文件系统的制作；重点 研究了基于本系统硬件平台的l i n u x 内核的剪裁和移植及u s b 主机驱动的相关 配置；并对该平台和u s bh o s t 接口进行了简要测试。 随后，在深入研究了l i n u x 设备驱动程序开发流程后，详细介绍了g p r s 驱 动的开发，在此基础上建立了m i n i g u i 开发环境，利用m i n i g u l 开发工具完成 了警用车载读写系统图形用户界面的设计以及系统应用软件的开发。接着，深 入研究了l i n u x 下u 盘文件读写和检索的原理和过程，实现了车载罪犯信息查 询功能；编写了l i n u x 的p p p 脚本完成自动拨号连接，并采用s o c k e t 网络编 程实现g p r s 无线罪犯信息数据的传输；利用a t 命令完成了g p r s 语音通讯的 开发。 最后，简要说明了警用车载读写系统运行流程，进行了罪犯嫌疑人信息查 询功能的测试。另外，总结和归纳了系统的特点及论文的研究工作，提出了系 统存在的问题和改进方案，并就车载读写系统进一步开发和优化提出了建议。 关键词：警用车载设备，罪犯信息，嵌入式l i n u x ，g p r s ，u s b 主机 武汉理工大学硕士学位论文 a b s tr a c t n o w a d a y st h ep o l i c es e r v i c ew o r ki si n c r e a s i n g l yd e m a n d i n gt i m e l i n e s sa n d m o b i l i t y , s oh o wt os a t i s f yt h ep o l i c eo f f i c e r si nt h e ”m o b i l e ”w o r ki no b t a i n i n gt h e s u s p e c t si n f o r m a t i o ne f f e c t i v e l y , i st h ei m p o r t a n td e v e l o p m e n td i r e c t i o nt oa c h i e v e t h ep o l i c es e r v i c ew o r ki n f o r m a t i o n i z a t i o n ，i n t e l l e c t u a l i z e da n ds t r e n g t h e n i n gp o l i c e b y s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y c o n s i d e r i n gt h ed e f i c i e n c yo ft h eo b t a i n i n gt h e i n f o r m a t i o no fs u s p e c t so np o l i c ev e h i c l e ，t h i sp 印e rd e s i g n e das u s p e c t s i n f o r m a t i o n s e a r c h i n gs y s t e mf o rp o l i c ev e h i c l eb a s e do na r m 9a n dg p r s ，u s i n gt h ee m b e d d e d t e c h n o l o g ya n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y a n db yu s i n gt h i sd e v i c e ，t h e p o l i c eo nt h ev e h i c l ec o u l dc h e c ko u td e t a i l e ds u s p e c ti n f o r m a t i o ne c o n o m i c a l l y , f a s t a n dl e a lt i m e a n da l s oc o u l dm a i n t a i nt h ei n f o r m a t i o nc o m m u n i c a t i o nw i t ht h e e o n t r o lc e n t e r t h i ss y s t e mp r o v i d e sar e a l t i m ea n dm o b i l ec r i m i n a ld a t a b a s ea n dt h e p o w e r f u li n f o r i l l a t i o ns o u r c ef o rt h ep o l i c eo m e e l s f i r s t l y , a f t e ra n a l y z i n gt h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fv e h i c l et e r m i n a l sa n dt h e t e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s t h i sp a p e rp r o p o s e dt h ep o l i c ev e h i c l ec r i m i n a li n f o r m a t i o n l e f e r r a ls y s t e m ss o f t w a r ea n dh a r d w a r eo v e r a l lp r o j e c td e s i g na n dt h ep r i n c i p l eo f w o r k t h e nt h ed e t a i l e dc i r c u i td e s i g n so fe a c hf u n c t i o nm o d u l ea r eg i v e n ， i n c l u d i n gt h em i n i m u ms y s t e mo fh a r d w a r e ，h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o nc i r c u i t ，t h e s e r i a lp o r ta n du s bh o s ti n t e r f a c ec i r c u i t ，t h ec o n n e c t e dc i r c u i to fg p r sm o d u l e ， f o c u s i n go nt h ed e s i g n i n go ft h ev e h i c l ep o w e rs u p p l yc i r c u i t t h e nt h ed e t a i l e dm e t h o do fc o n s t r u c t i n gp l a t f o r mf o re m b e d d e ds o f t w a r e d e v e l o p m e n tb a s e do ns 3 c 2 4 10a n dt h el i n u xi sg i v e no u t a tt h es a m et i m e ，t h e n e c e s s a r ys o f t w a r ee n v i r o n m e n tw h i c ht i l ea p p l i c a t i o ns o f t w a r em o v e m e n tn e e d sw a s e s t a b l i s h e d m a i n l yi n c l u d i n g ：t h ec r o s sc o m p i l i n ge n v i r o n m e n t sc o n s t r u c t i o n , t h e c o n f i g u r a t i o na n dt r a n s p l a n t a t i o no fb o o t l o a d e ro nu - b o o t ，f i l es y s t e m sm a n u f a c t u r e ， f o c u s i n go nt h et a i l o r i n ga n dt r a n s p l a n t a t i o no ft h el i n u xk e r n e l b a s e do nt h i s h a r d w a r ep l a t f o r i l la n dt h eu s bh o s td r i v e r - r e l a t e dc o n f i g u r a t i o n a n dt h eb r i e ft e s tt o t h i sp l a t f o r i l la n du s bh o s ti n t e r f a c eh a sb e e nc a r r i e d a f t e rr e s e a r c h i n gt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fl i n u xd e v i c ed r i v e r , t h ed e t a i l e d d e v e l o p m e n to ft h eg p r s d r i v e ni si n t r o d u c e d ，o nt h eb a s i so ft h ed r i v e r , t h e m i n i g u ld e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ti sb u i l t ，a n dt h et h e s i sd e s i g n e dt h eg r a p h i c a l u s e ri n t e r f a c e ( g u i ) o ft h er e a d w r i t es y s t e mf o rp o l i c ev e h i c l eu s i n gd e v e l o p m e n t t o o l s _ m i n i g u i a sw e l la st h ed e v e l o p m e n to ft h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e t h e nt h e c r i m i n a li n f o r m a t i o nr e t r i e v a lf u n c t i o n sw a sr e a l i z e da f t e rr e s e a r c h i n gt h ed e t a i l e d p r i n c i p l ea n dt h ep r o c e s so fup l a t ed o c u m e n tr e a d - w r i t e ；t h er e a l i z a t i o no f t h eg p r s w i r e l e s sc r i m i n a lm e s s a g ed a t at r a n s m i s s i o na f t e rt h e i m p l e m e n t a t i o no fp p p 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 a u t o m a t i cd i a l i n gc o n n e c t i o nu n d e r l i n u xa n dt h en e t w o r kp r o g r a m m i n go fs o c k e t t h ed e v e l o p m e n to fg p r sv o i c ec o m m u n i c a t i o ni sc o m p l e t e du s i n ga tc o m m a n d f i n a l l y , t h eo p e r a t i o np r o c e s so ft h er e a d w r i t es y s t e mf o rp o l i c ev e h i c l ei s b r i e f l yd e s c r i p t e d a n dt h et e s to ft h ec r i m i n a ls u s p e c ti n f o r m a t i o ni n q u i r yf u n c t i o ni s a l s oc a r r i e do u t a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e ma n dt h et h e s i sw o r ki s s u m m a r i z e d ，t h es y s t e mp r o b l e m sa n dt h ei m p r o v e m e n tp r o g r a ma r ea l s op r o p o s e d a sw e l la sp r o p o s i n gs o m es u g g e s t i o no nf u r t h e rd e v e l o pa n ds y s t e mo p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：p o l i c ev e h i c l ed e v i c e ，s u s p e c ti n f o r m a t i o n ，e m b e d d e dl i n u x ，g p r s ， u s bh o s t 1 1 1 独创性声明 本人声明，所望交的论文是本人在导师指导卜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的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使h 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。 研究生签名：垄，叁鎏日期丝鲤：矽 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 随着警务工作信息化和数字化的不断发展，针对目前各种刑事犯罪案件的 剧增和危害社会治安事件的不断发生，为了更加强有力地打击和缉拿罪犯以及 维护社会稳定，公安警务人员对犯罪嫌疑人全面信息的实时掌握是非常必要的， 特别是如何解决警车上警务人员在“移动 的工作状态对犯罪嫌疑人信息的掌 握显得尤为关键。显然，传统的利用车载电台、打印纸质等获取信息手段不能 满足当今对信息的实时性、信息量的需求。 而本系统采用嵌入式技术开发的移动罪犯信息库、利用无线通信技术连接 指挥中心获取最新信息等手段能够为警务人员提供实时、丰富的犯罪嫌疑人的 相关信息，极大地方便警务人员迅速、准确的排查犯罪嫌疑人，为社会治安和 保障人民生命财产提供了有力的科技支持。同时可以节省建立及维护独立的车 载电台费用和减少无线通信带来的资费，因而本系统具有很强的社会和经济价 值，符合科技强警的国际发展趋势。 1 2 国内外研究现状 传统上以及如今一些落后地区只能提前利用打印机打印出相关罪犯信息， 然后分发给警务人员，这样不仅罪犯信息量不足，而且浪费大量的纸张，更加 不利的是若有突发事件在外面执勤的警务人员需要了解犯罪嫌疑人信息就无能 为力了。 而在国外或国内经济发达地区，警车上可以利用自己建立的车载电台，实 时的跟指挥中心联系，了解犯罪嫌疑人信息。但缺点是警车上的人员不能掌握 详细信息，特别是犯罪嫌疑人外貌图像，另外建立维护自己的车载电台需要大 量的人力、物力，因而这种获取犯罪嫌疑人信息手段既不经济也不实用。 本系统所使用的嵌入式技术特别是u s b 主机技术、以及g p r s 无线通信技术 随着新世纪国内通信网络大力建设以及汽车行业的发展，在车载设备以及其它 武汉理工大学硕士学位论文 领域得到了长足发展，但在警车上的用来检索犯罪嫌疑人信息的产品在现今市 场上还未出现。不过类似产品在交通警察进行交通执法中已经开发使用，如河 南省新乡市公安局为警务督察支队装配的警务通手机，干警们利用它可以随时 随地查询全市的所有警车的详细信息i l j ，这为他们现场督察工作提供了装备，提 高了警车管理工作的效率，但这毕竟只是查询有限的警车信息，运用范围窄， 并且警务通手机显示的信息有限：另外如上海理工大学的乐燕芬等人开发的交 警车辆违章管理系统【2 l ，通过该系统能够查询车辆和驾驶员的各种详细业务信 息，也可以向服务器更新相关信息，同时交警可以对违章驾驶员现场缴费，这 方便了交警的事务处理。但该系统的缺点是电源供电能力有限，不能利用警车 进行长时间供电，限制了仪器的使用时间，另外该终端查询的所有信息都需要 通过g p r s 无线传输得到，这大大增加了运用成本。而本文开发的车载系统不仅 可以完成上述功能，而且解决了电源长时间供电问题，更利用u s b 主机接口技 术把要查询的信息库存储在u 盘当中，查询时直接读取u 盘中的相关信息而不 必都要无线上网查询，这节省了不少通讯费用。 目前警车上的其他运用还有指挥中心利用g p s 和g i s 技术来实时监测和指 挥警用车辆【3 l ，这种系统的主要工作还在于指挥中心的上位机的应用软件开发。 另外还有利用微波技术来传输现场语音和图像到指挥中心【4 】，该系统方便指挥中 心的指挥人员实时了解现场信息，有利于及时做出指挥决定和警力装备调度。 本系统所用的g p r s 无线通信技术在各领域应用的范围比较广，目前在车载 系统上的主要运用是与g p s 定位技术结合的方案实现车辆电子地图导航、短信 息报警、车辆黑匣子等功能。 本系统设计的u s b 主机接口，目前绝大多数都集成在各种类型的通用计算 机上，而在嵌入式系统上集成的比较少，在普通车辆上的运用如车载播放器、 汽车行驶记录仪等，用到了u s b 主机技术，但这些设计是基于a r m 7 等低端处理 器，没有集成u s b 主机功能，需要外加u s b 接口控制芯片、编写大量驱动代码， 这使得产品开发周期长，而且可能运行不是很稳定。而随着性能更强、功能更 丰富的控制器广泛运用，价格也更加低廉，这些控制器很容易移植操作系统及 各种成熟的驱动，极大地减少了开发周期和成本。 基于上述目前国内外所开发系统的现状，以及警车运行环境和实际功能需 要，开发设计了带有u s bh o s t 功能的车载读写系统，该系统解决了获取犯罪嫌 疑人信息量有限的问题和供电时间的不足。另外增加了g p r s 模块，可以实时更 2 武汉理工大学硕士学位论文 新所需犯罪嫌疑人的信息。本方案不仅能够满足警务人员的各种功能需求，更 重要的是运用成本低廉、可扩展性好。 1 3 论文的研究内容与结构 基于当前警务工作信息化的需要，以及科技强警的发展趋势，充分利用嵌 入式技术和无线通信技术，为公安干警提供一种快捷、经济的科技装备。本文 将主要围绕如下几个方面进行研究工作： ( 1 ) 基于a r m 9 控制器的警用车载终端硬件电路设计。主要包括外部存储器 ( s d r a m 、f l a s h ) 的扩展、处理器工作必要时钟和复位电路( 本文略) 、按键模块、 液晶模块( 带触摸屏) 、g p r s 模块连接等，其中关键的是电源电路的设计，因为 车载工作环境不稳定，如何把警车上提供的1 2 v 电压转换为系统所需的稳定电 源是系统正常工作的关键。 ( 2 ) 构建基于$ 3 c 2 4 1 0 和l i n u x 嵌入式软件开发平台，完成构建系统上层 运用软件运行所需的必要软件环境。嵌入式系统的开发，首要工作是建立一个 交叉的软件开发平台，针对车载终端硬件电路及处理器$ 3 c 2 4 1 0 的特点，通过 此平台搭建系统开发环境，包括基于m i n i g u i 的图形用户界面交叉开发环境建 立和b o o t l o a d e r ( u - b o o t ) 、l i n u xk e r n e l 、f i l e s y s t e r n 的配置与移植。 ( 3 ) u 盘文件检索的实现，即系统u s b 主机功能的实现。主要工作u s bh o s t 驱动的移植，包括u s b 主控制器驱动程序( h c d ) 、u s b 核心驱动程序( u s b d ) 、 u s b 设备类驱动( m a s ss t o r a g e 类) 的添加、配置和移植，这个关键任务在内 核移植时完成；同时还有对文件系统存储和管理文件数据的方式原理进行研究， 实现u 盘文件的检索和读写功能。 ( 4 ) g p r s 无线通信的实现。g p r s 模块与控制器是通过串口连接，系统通过 p p p 协议自动拨号连接指挥中心服务器、运用l i n u x 的s o c k e t 通信编程实现 t c p i p 协议的罪犯信息数据传输，并利用a t 命令完成语音通讯功能。 ( 5 ) 实现基于m i n i g u i 的图形用户界面设计。 本论文的主要内容安排如下： 第1 章：绪论。包括课题的研究意义、警用车载读写系统及相关技术国内 外研究现状、对本文的的主要工作和文章结构进行规划安排。 第2 章：系统总体设计及关键技术。首先对车载读写系统的总体结构进行 3 武汉理t 大学硕士学位论文 设计及其工作原理的说明，其次研究系统所涉及到的几个关键技术：嵌入式技 术、嵌入式u s bh o s t 的开发技术、g p r s 无线通信技术。 第3 章：系统硬件设计。设计车载读写系统的硬件整体结构，并介绍了系 统各外围电路，包括最小系统硬件电路、串口和u s b 主机接口电路、液晶触摸 屏、g p r s 模块电路等连接。 第4 章：嵌入式系统软件平台构建。主要介绍开发环境的建立以及l i n u x 内核的剪裁移植，另外还有b o o t l o a d e r 的分析和移植、文件系统的建立和移植。 并对该平台及u s b 主机功能进行测试。 第5 章：车载读写系统的应用软件设计。深入研究了l i n u x 设备驱动程序 开发流程后，详细介绍了g p r s 驱动的开发；完成m i n i g u i 图形界面交叉开发 环境搭建并进行了车载读写系统图形用户界面的设计，在此基础上开发了基于 m i n i g u i 的应用软件，包括研究u 盘文件读写和检索的详细原理和过程后实现 罪犯信息检索功能、完成l i n u x 的p p p 自动拨号连接及s o c k e t 编程实现g p i 峪 无线罪犯信息数据传输、g p r s 语音通讯的开发。最后对系统部分功能进行了简 要的测试。 第6 章：总结与展望。简要总结本课题的研究成果和主要工作，并对本系 统存在不足提出了改进想法，对系统的扩展性和扩展方向进行了说明和展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统总体设计及关键技术 警用车载读写系统设计是一个较复杂的工程，它涉及的知识和技术广泛， 核心关键技术有嵌入式、u s b 主机开发技术、g p r s 移动无线通信技术。在具体 的开发过程还包括硬件电路的设计和调试、嵌入式l i n u x 操作系统的剪裁和移 植、外部设备的驱动编写、用户图形界面的开发、应用软件的设计，最后还有 系统的整体调试。上述任何步骤出问题都将使系统不能成功运行，因此本系统 的开发设计不仅仅是各种知识的集成，更是一个综合的系统工程。 2 1 系统总体结构 车载系统软、硬件总体结构如图2 1 所示，硬件部分主要为a r m 9 内核控制 器$ 3 c 2 4 1 0 及各外部功能设备模块，其中g p r s 通信模块主要用来与远程指挥控 制中心服务器无线网络连接进行罪犯信息无线数据传输和语音通讯；电源模块 是把汽车上1 2 v 电源转换成系统所需电源；按键模块配合触摸屏用来输入关键 字搜索出所需罪犯信息以及完成人机交互功能；液晶模块可以显示罪犯图像等 信息；u 盘主要存储罪犯信息库。 软件部分主要是在处理器上运行有根据本系统硬件结构剪裁了的l in u x 操 作系统，特别是进行了u s bh o s t 的内核驱动配置；在底层中运行有各设备的驱 动程序，如g p r s 、液晶、键盘、触摸屏等设备模块的驱动；运用层中主要是利 用m i n i g u it 具设计的图形用户操作界面，以及基于m i n i g u i 设计的运用程序 实现罪犯信息检索查询、g p r s 无线数据传输更新罪犯信息、语音通讯；其他的 还包括嵌入式系统必不可少的根文件系统( r a m d i s k 、j f f s 2 ) 的配置移植、基 于本系统硬件资源的引导代码b o o t l o a d e r ( u - b o o t ) 的设计。整个软件系统都与 硬件电路相依存，且内部各模块相互配合才能高效稳定的实现系统功能。 武汉理工大学硕士学位论文 r 硬- 年面芬一i 2 2 系统工作原理 图2 - 1 车载读写系统总体框图 车载读写系统主要工作是从存有罪犯信息库的u 盘里检索并读出所需的详 细信息，首先利用按键或者触摸屏输入查询关键字，如犯罪嫌疑人的姓名，若u 盘信息库中有该人的信息，则系统就能在液晶上显示相关罪犯的信息，包括犯 罪嫌疑人的图像、体形特征、作案记录等信息，这些信息能够很好的方便警务 人员识别犯罪嫌疑人。若u 盘中没有相应犯罪嫌疑人信息，系统会提示并建议 警务人员通过本系统g p r s 网络无线通信向指挥中心查询并保存在u 盘当中。 当然，若u 盘里存储相关犯罪嫌疑人的信息需要更新，也可以利用该功能与指 挥中心进行无线数据传输获取并更新相关犯罪嫌疑人信息。 同时，若指挥中心需要向警车上的警务人员下达命令或者警务人员需要向 6 武汉理工大学硕士学位论文 上级汇报情况以及请求支援，都可以利用系统的g p r s 语音通讯功能来完成双方 信息沟通。 2 3 系统关键技术 警用车载读写系统涉及到车辆、通信、计算机等领域，而其中要解决的关 键技术是嵌入式技术、u s b 主机开发技术、g p r s 无线通信技术，这些技术的解 决是系统成功开发的关键。 2 3 1 嵌入式技术 警用车载读写系统根本上是一个嵌入式系统，它是软件和硬件的完美结合 体，它一般包含嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统及用户的应 用程序4 个部分。国内一般定义嵌入式系统为：“以应用为中心，以计算机技术 为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗 有严格需求的专用计算机系统。未来嵌入式系统必然朝着网络化、微功耗、低 成本方向发展。”1 5 j 由于嵌入式系统是应用于特定环境下的专用系统，相对于通用的p c 机和其 它数字产品，利用嵌入式技术的产品具有自身的特点，根据上述的定义可以得 出嵌入式系统的如下几个显著特点1 6 1 ： ( 1 ) 专用性强 嵌入式系统有其特殊的应用场合和特定功能，且其使用的c p u 也是为特定 用户群设计的；每个嵌入式系统的开发是与某一具体运用紧密结合的，开发完 成后不支持用户修改软件功能，因而嵌入式系统开发过程中必须根据实际应用 需求对软硬件进行合理的剪裁利用。 ( 2 ) 高实时性高可靠性 实时性是嵌入式系统的基本要求，需要对外部的异步事件迅速做出反应的 能力，特别是在操作系统中有所反应。因而这就需要有实时性的操作系统，软 件要求固化存储在处理器内部存空间或者存储器芯片中、代码要求高质量高可 靠性，以提高速度。 ( 3 ) 低功耗 7 武汉理工大学硕士学位论文 嵌入式系统多用于便携式设备，往往是电池供电，低功耗可以省电；另一 方面嵌入式系统中通常没有风扇等排热手段，所以低功耗可减少发热量，使系 统安全稳定运行。 2 3 2u s bh o s t 开发技术 在嵌入式系统中集成u s b 主机功能是当今消费类嵌入式产品的热点和增长 点，因为它方便系统移动数据交互和存储，提高数据交换的移动性和便捷性， 扩展了系统的运用范围，丰富了系统的功能。对于u s b 主机接口的开发，包括 硬件和软件的开发，其硬件电路设计并不复杂，特别是集成了u s b 主机控制器 的处理器( 如本系统的t j s b 主机控制器集成在$ 3 c 2 4 1 0 控制器中) 更为简单， 其电路只要连接外部u s b 接口的两根数据线( d + ，d - ) ，因此系统的主要开发任 务都在u s b 主机协议软件的编写上。本文针对操作系统l i n u x 下的嵌入式u s b 主机接口开发来介绍。 目前u s b 主机接口的工业标准主要有三种【7 1 ：1 ) 通用式主机控制器接口 ( u n i v e r s a lh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ，简写为u h c i ) ，由i n t e l 公司提出；2 ) 开放 式主机控制器接i ：l ( o p e nh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ，简写为o h c i 或o p e nh c l ) ， 由c o m p a q 等公司提出；3 ) 增强式主机控制器接1 ：3 ( e n h a n c e dh o s tc o n t r o l l e r i n t e r f a c e ，简写为e h c i ，由i n t e l 公司提出。前两种接口标准遵循u s b 协议1 1 ， 而第三种标准u s b 协议2 0 版本，目前嵌入式l i n u x 操作系统支持u h c i 和o h c i 两种协议，本系统在内核配置中选择较为常用的o h c i 协议栈。嵌入式u s b 系 统跟p c 类似需要三个部分构成：嵌入式主控器( h c ) 、带o h c i 协议的嵌入式 操作系统( l i n u x ) 和u s b 专用驱动。h c 为u s b 主机系统的硬件部分，主要完 成如下工作【8 1 【9 1 ： ( 1 ) 处理主机和设备状态； ( 2 ) 数据串行并行化； ( 3 ) 产生帧； ( 4 ) 数据处理； ( 5 ) 协议引擎； ( 6 ) 远程唤醒； ( 7 ) 主机系统接口等。 8 武汉理工大学硕士学位论文 u s b 主机驱动是在l i n u x 内核中实现的，由u s b 主控制器驱动程序( h c d ) 、 u s b 核心驱动程序( u s b d ) 、u s b 设备类驱动三部分组成【8 l ，其软件结构如图2 - 2 所示，h c d i 、u h c i 、u s b d l 分别为各层软件之问的软件接口，且上层与下层通信 只能调用它们之间的软件接口来实现。图中可以看出u s b 主控制器驱动程序 ( h o s tc o n t r o l l e rd r i v e r ，简写为h c d ) 位于u s b 软件协议栈最底层负责硬件驱 动，是直接跟u s b 主机控制器硬件打交道，向下负责管理和检测h c ：h c d 向上 仅对u s b 核心驱动程序提供了一个软件接口【7 】，为其提供硬件和在u s b 上数据传 输的一种抽象。在l i n u x 内核下的o h c i 协议中具体实现上述功能方式为：o h c i 利用h c 的操作寄存器以及其指针指定到的h c 通信域两个通道来完成h c 与h c d 问的信息通信；另外o h c i 使用端点描述( e d ) 和传输描述( t d ) 对数据抽象实 现数据的传输，其中e d 描述的是u s b 设备一个端点所有的传输数据，并且所有 的e d 连接在一起，而t d 描述的才是最终在u s b 总线上传输的数据包，并且同 一个设备端点的t d 挂载一起 1 0 1 。在l i n u x 开发实现h c d 通信通道时，不需要修 改内核太多的代码，只需把o h c i h 文件下的寄存器地址改为系统u s b 主机控制 器的寄存器地址即可。 、 ( 功能层 ) 图2 2u s b 主机系统软件结构 u s b d 部分是整个u s b 主机驱动的核心，在l i n u x 中被称为u s b 内核，它为 客户端驱动程序层( 功能层) 和主机控制器驱动层提供接口函数，具体主要实 9 武汉理工大学硕士学位论文 现的功能有：维护u s b 设备的配置、加载和卸载、客户端驱动程序的安装和卸 载等操作、h c 的管理、协议控制命令集和数据传输的管理、提供应用程序访问 的u s b 系统的文件接口等。其中u s bh u b 的驱动程序包含在u s b d 层。 u s b 设备类驱动是最终与应用程序交互的软件模块，其主要实现的功能有： 访问特定的u s b 设备、为应用程序提供访问接口等。l i n u x 内核支持的u s b 设备 类有：u s b 打印机设备类( p r i n t e rc l a s s ) 、通信设备类( c o m m u n i c a t i o nd e v i c e c l a s s ) 、h i d 设备类( h u m a nd e v i c ec l a s s ) 、存储设备类( m a s ss t o r a g e ) 、语 音设备类( a u d i od e v i c ec l a s s ) 等。本系统的犯罪嫌疑人信息存储在u 盘当 中，所以需要添加的设备类驱动是m a s ss t o r a g e 类。 2 3 - 3g p r s 无线通信技术 ( 1 ) g p r s 概述 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称。g p r s 是介于第二代( 数字通信，如g s m ) 和第三代( 分组型的移动业务) 之间的一种 通信技术通常称为2 5 g ，是在现有g s m 网基础上建立起来的，共用相同的基站【1 1 1 i l 列，采用相同的调制方式和无线信道传输速率。因而不需要改动现有的硬件， 而只需增加部分硬件设备和升级相应的软件模块。这可看作g p r s 系统是g s m 电 路交换系统的业务扩充，利用g s m 原有资源来实现语音功能，而利用g p r s 实现 无线分组数据或接入i n t e r n e t 。相对原来g s m 的拨号方式的电路交换数据传送 方式，g p r s 具有“永远在线 、“流量计费 和“高速”等优点1 6 j 。 1 ) 传输速率高 g p r s 采用分组交换技术，优化了对无线资源和网络资源的利用，g p r s 无线 信道分配方式灵活，目前g p r s 可为每用户提供最高可达1 7 1 2 k b p s 的数据传输 速率，是当前g s m 网9 6 k b s 的数据传输速率所无法比拟的。 2 ) 资源利用率高，价格便宜 与g s m 不同，g p r s 用户只有在发送和接受数据期间才占用无线信道，这使 得多个用户高效地共享同一无线信道，提高了资源利用率，也使得用户能够以 传输的数据量而不是连接的时间为基准付费，降低每个用户的服务成本。 3 ) 永远在线，轻松方便 提供实时在线功能，用户可以随时与网络保持联系，即使没有数据传输时， 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 终端进入一种“准休眠状态【1 2 1 ，释放无线频道给其他用户使用，但这时网络 与终端仍保持一种逻辑上的连接，这将使访问变的非常方便、快速。 g p r s 网络是在基于现有的g s m 网络基础之上，新增两个节点一s g s n 和 g g s n 而形成的移动分组数据网络。s g s n ( s e r v i n gg s n ，g p r s 服务支持节点) 的 主要作用是记录移动终端的当前位置信息，对用户身份识别和授权，并且在移 动终端和g g s n 之间完成移动分组数据的发送和接受：g g s n ( g a t e w a yg p r s s u p p o r t i n gn o d e ，g p r s 网关支持节点) 主要是起网关作用，实现和外部网络接 口、分组的转发和选路功能，并分组数据进行过滤( 1 2 l 。因此，g p r s 的基本功能 是在移动终端与计算机网络的路由器之间提供分组传递业务。系统网络结构如 图2 - 3 所示【d j 。 图2 3g p r s 网络结构 ( 2 ) g p r s 传输协议 移动终端连接到g p r s 网络和i n t e r n e t 进行数据传输是基于t c p i p 协议实 现的，本文依据g p r s 模块简要介绍系统实现t c p i p 参考模型的四个协议层： 物理层、链路层、网络层和传输层，其具体协议结构如图2 4 所示1 1 4 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 t c pu d p i p p i 甲协议 钎 妙串口 g p r s 模块 传输层 网络层 链路层 物理层 图2 - 4 车载读写系统t c p i p 协议层次结构 物理层为链路层提供一个传输数据的物理媒介，在本系统中g p r s 模块的串 口作为物理层，它们之间利用一套a t 命令来实现拨号登陆到g p r s 网络上，即 相当于a t 命令为物理层和链路层之间的软件接口。 由于系统g p r s 模块m 2 2 集成了p p p 协议，即利用p p p 协议把物理层改造成 链路层，通过它登拨号连接到g p r s 网，同时g p r s 网动态地分配给它临时i p 地址【1 4 1 。 网络层采用i p 协议，i p 协议利用p p p 拨号得到i p 地址接入到i n t e r n e t ， 即i n t e r n e t 把所有的车载终端与远程指挥中心连接在一起，相互进行数据通信。 在传输层本系统选择更可靠性更高的t c p 协议，具体实现通过s o c i c e t ( 套接 字) 网络编程来完成。 2 4 本章小结 本章首先提出了基于嵌入式和g p r s 的车载读写系统的总体结构设计，并 阐述了其工作原理。然后对本系统所涉及的几项关键技术进行了研究，包括嵌 入式技术、u s b 主机开发技术、g p r s 无线通信技术。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章系统硬件设计 3 1 硬件总体结构 警用车载读写系统的硬件系统主要是以具有丰富的外围接口和对嵌入式 l i n u x 系统的支持的a r m 9 处理器控制电路设计为主，并添加各外围模块电路， 为满足大容量的数据存储和操作系统的支持，c p u 需要扩展外部存储单元和有 关系统开发接口。根据系统功能需求，本系统存储单元由s d r a m 和f l a s h 组 成：作为车载设备，设计稳定可靠的电源电路是必要的，另外还有处理器工作 所需的时钟电路、复位电路( 这是较常见电路，本文不详细介绍) ；在功能模块 上，需要g p r s 模块来实现系统的无线数据传输和语音功能，此外，系统还需提 供u s b 主机接口，实现对u 盘进行文件读写；系统在开发阶段时需要调试接口 和数据传输口，包括串口、j t a g 调试接口和网络接口三大部分，串口用来打印 调试信息、j t a g 实现在线调试和烧写b o o t l o a d c r 、通过网口下载数据量的文件 速度快，这些借口在完成开发后可省去：系统还有触摸屏、l c d 和键盘组成的人 机交互模块。系统的硬件设计框图如图3 1 所示。 外扩存储器 f l a s h is d r a m 串口 c p u ( a r m 9 2 0 核) s 3 c 2 4 1 0 u s b l 3 1 1 垒鱼堡旦ll 皇叫l 堕垒堡旦 临时调试口 图3 - 1系统硬件结构图 雾一 巫匝匝 人机交互 武汉理工大学硕士学位论文 为了便于设计和对操作系统的支持，系统c p u 采用s a m s u n g 公司a r m 9 2 0 t 内核的$ 3 c 2 4 1 0 处理器，它是当前中国市场各种设计开发的系统中运用非常广 泛的处理器，软硬件设计开发资料丰富，而且该处理器集成有本系统需要的u s b 主机控制器【1 5 】，这减少了硬件电路的设计和驱动的特别编写，也提高了系统稳 定性。$ 3 c 2 4 1 0 使用5 级流水线哈佛结构具有高速( 最高可达2 0 3 m h z ) 处理能 力，片内集成了丰富的外围部件，节省了外围器件降低了开发总成本。