（机械电子工程专业论文）嵌入式uhfrfid网络数据服务器的研究.pdf

t w o r kd a t as e r v e r at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to f t h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo f j i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y ，2 0 1 0 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：基煎整 日期：坦! ：国 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将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、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：g 挑v 导师签名 、一， 一i o 期：矽p ! 墨! j 广 济南人学硕十学位论文 目录 目录i 摘要i i i a b s t r a c l - v 第一章绪 论一i 1 1 引言1 1 2 课题的意义和目的2 1 3 国内外研究现状3 1 4 小结4 第二章嵌入式系统简介5 2 1 嵌入式系统结构5 2 1 1 嵌入式系统硬件平台5 2 1 2 嵌入式操作系统7 2 1 2 1 常见的一些嵌入式操作系统8 2 1 3 嵌入式系统应用程序1 0 2 2 小结1 1 第三章嵌入式i j h f - r f i d 网络数据服务器硬件设计1 3 3 1 硬件总体方案设计1 3 3 2 硬件电路设计1 4 3 2 1 嵌入式控制模块1 4 3 2 1 1 嵌入式微处理器$ 3 c 2 4 1 0 a 简介1 4 3 2 1 2 嵌入式控制模块电路设计1 4 3 3 小结2 3 第四章嵌入式系统开发平台搭建2 5 4 1 宿主机交叉编译环境的搭建2 5 4 1 1 安装虚拟机软件2 6 l 嵌入式u t l f - r f i d 网络数据服务器的研e 4 1 2 创建虚拟机2 6 4 1 3 安装l i n u x 2 7 4 1 4 安装交叉编译器2 8 4 2 嵌入式图形用户界面开发平台搭建2 8 4 2 1g u i 开发工具的选择2 9 4 2 2g u i 开发平台搭建过程2 9 4 3 开发环境通讯方式配置3 2 4 4 小结3 4 第五章嵌入式u h f - r f i d 网络数据服务器的软件设计3 5 5 1 总体设计3 5 5 2 人机交互模块3 6 5 3 网络操作模块3 7 5 4 数据库操作模块4 1 5 5i o 通信模块4 2 5 6 小结4 4 第六章结论与展望4 5 6 1 结论4 5 6 2 展望4 6 参考文献4 7 致谢5 l 附录a 攻读学位其间发表论文与获奖情况5 3 附录b 部分程序代码5 5 i i 济南大学硕上学位论文 摘要 在工业现场的生产线中，由于现场数据量较大，要想使整个生产过程快速准确的 响应在原料供应链上，必须在生产过程的控制上实现信息化，同时需要将所有的控制 节点组网，以满足实时查询数据、跟踪生产状况的需求。而且在物品的配送物流管理 上，需要成功的整合所有的供应活动，削减配送环节，为整个供应链提供统一的信息 管理。我们遵循企业自动化生产和信息化管理的要求和发展趋势，在制造业生产需求 不断发展的大背景下，提出了在制造业中引入先进的嵌入式u h f r f i d 网络数据服务 器的技术方案，解决生产过程中的信息管理、制造执行、质量控制、跟踪和追溯、仓 储量可视化等问题，以提高企业的核心竞争力。 本课题所研究的嵌入式u h f r f i d 网络数据服务器采用三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 a 作 为核心处理器，使用嵌入式l i n u x 作为嵌入式操作系统，采用b e r k e l e yd b 来存储和 管理数据，并实现了人机交互界面。 本论文主要从以下几个部分开展研究工作： ( 1 ) 对课题的产生背景和研究意义以及该课题目前在国内的研究现状作了简要 介绍。 ( 2 ) 根据课题的使用目的、使用场合、技术要求等，对嵌入式u h f r f i d 网络数 据服务器的硬件系统进行电路原理图设计和部分主要元器件的选型。 ( 3 ) 搭建嵌入式系统开发平台以及用户界面程序的开发平台。采用宿主机和目标 板的开发模式，在宿主机上安装了交叉编译器、q t e m b e d d e d 、q t o p i a 、b e r k e l e yd b 等在嵌入式应用软件开发中所必需的开发工具。 ( 4 ) 应用软件的开发，使用q t e m b e d d e d 开发设计了嵌入式u h f r f i d 网络数据 服务器的用户应用界面，通过编写相应的功能程序实现了网络数据的接收和发送、网 络故障节点的检测、故障恢复后的数据重发、串口和c a n 总线的操作、b e r k e l e yd b 数据库的操作等功能。 通过对嵌入式u h f r f i d 网络数据服务器的研究开发，实现了数据的高速存取， 故障检测，故障时间段数据重发等，同时整个局域网中各个服务器节点数据库中的数 据均保持一致性，即每个服务器节点均持有全网数据，大大降低了节点间数据交换复 杂程度。同时可为信息管理系统及时提供有效的工业现场数据，对工业现场中的各个 设备及时做出正确的技术状态判断。 i i i 嵌入式u l i f r f i d 网络数据服务器的研究 论文最后对本课题进行总结，并结合课题的实际研究过程，针对不足之处提出了 改进意见，指出了下一步工作的重点，并做出进一步的展望。 关键词：射频识别技术；伯克利数据库；a i 蝴；嵌入式l i n u x i v a b s t r a c t l i lt h ep r o c e s so fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o nl i n e ，b e c a u s et h es c e n ed a t aq u a n t i t yi sb i g ，i n t l l ew h o l e p r o d u c t i o np 瑚e s ss c h e d u l i n gn e e d sr e s p o n s eq u i c k l ya n da c c u r a t e l y i nr a wm a t e r i a ls u p p l yc h 咖 w h i c hm u s tb ei n f o m a t i o n e do ne n t e r p r i s em a n a g e m e n to ft h ep r o d u c t i v ep r o c e s s c o n t r o l ，i t n e e d st o n e t w o r ka l l 山ec o n t r o ln o d e ，t om e e tt h er e a l t i m ei n q u i r yd a t aa n d f o l l o wt h ed e m a n do ft h ep r o d u c t i o n s t a t ei nt h ed i s t r i b u t i o no fm a t e r i a l so ft h el o g i s t i c sm a n a g e m e n t ，i tn e e d s t oi n t e g r a t ea l ls u p p l ya c t i v i t y s u c c e s s f u l l y ，r e d u c ea l l o c a ：c e sa n dd i s p a t c h e st h el i n k ，p r o v i d eu n i f i c a t e di n f o r m a t i o nm a n a g e m e mf o r t l l ee n t i r es u p p l yc h a i n w ef o l l o wt h ee n t e r p r i s ea u t o m a t e dp r o d u c t i o na n dt h er e q u e s t sa n dt r e n d s o t t h ei n f o m l a t i o n i z e dm a i l a g e m e n t ，i nt h eb i gb a c k g r o u n do fm a n u f a c t u r i n g i n d u s t r yp r o d u c t i o nd e m a n d d e v e l o p si n c r e a s i n 舀y w ep u t f o r w a r dat e c h n i c a lp r o g r a ma b o u ti n t r o d u c i n g a d v a n c e de m b e d d e d u h f r f i dn e t w o r kd a t as e r v e r si nt h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , t os o l u t eq u e s t i o n sa b o u tp r o d u c t i o n p r o c e s s si n 】b 眦a t i o nm a n a g e m e n t ，m a n u f a c t u r ee x e c u t i o n ，q u a l i t y c o n t r o l ，t r a c k a n db a c k w a r d ， w a r c h o u s i n gq u a n t i t yv i s u a l i z a t i o na n d s oo n ，i no r d e rt oe n h a n c et h ec o r ec o m p e t i t i v e n e s s0 fm e e n t e r p r i s e t h i st o p i cs t u d i e st h ee m b e d d e du h f r f i dn e t w o r kd a t a s e r v e ru s e st r i s t a rc o 叩o r a t i o n s $ 3 c 2 410 aa st h ec o r ep r o c e s s o r , u s e se m b e d d e dl i n u x 弱t h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，u s b e r k e i c yd b t os a v ea n dm a n a g ed a t a , a n dh a sr e a l i z e dp a r t i a lm a n 。m a c h i n ei n t e r a c t i o ni n t e r f k e t h i sp a p e rm a i n l yf r o mt h ef o l l o w i n gs e v e r a lp a r tt od e v e l o pr e s e a r c hw o r k ： ( 1 ) i tm a k e sb r i e fi n t r o d u c t i o na b o u t t h ep r o d u c t i o nb a c k g r o u n da n dt h er e s e 鲫c hs i g n i f i c a n c ea 5 w e l la sr e s e a r c hs i t u a t i o ni nt h ep r e s e n td o m e s t i co f t h i st o p i c ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ei n t e n d e du s e ，t h eu s es i t u a t i o n ，t h es p e c i f i c a t i o n o ft h et o p i ca n ds oo n ，t 0t h e e m b e d d e du h f - r f i dn 咖o r kd a t as e r v e r sh a r d w a r es y s t e mc a r r yo nt h ee l e c t r i c c i r c u i ts c h e m a t i c d i a g r a md e s i g na n ds e l e c tt h ep r i m a r yp a r tc o m p o n e n t s ( 3 ) b u i l d sd e v e l o p m e n tp l a t f o r mo ft h ee m b e d d e ds y s t e m 鹤w e l l a st h eu s e ri n t e r f a c ep r o c e d u r e u s i n gt h eh o s tm a c h i n ea n d t h eg o a lb o a r d sd e v e l o p m e n tp a t t e mt oi n s t a l ld e v e l o p m e n tt o o ls u c ha st h e o v e r l a p p i n gc o m p i l e r q t e m b e d d e d ，q t o p i a ，b e r k e l e yd b o nt h eh o s tm a c h i n ew h i c ha r en e e d e di nt h e e m b e d d e da p p l i c a t i o ns o f t w a r ed e v e l o p m e n t ( 4 ) a p p l i c a t i o ns o f f w a r e sd e v e l o p m e n t ，u s et h eq t e m b e d d e d t od e v e l o pa n dd e s i g nt h ee m b e d d e d v 嵌入式u h f r f i d 网络数据服务器的研究 u h f - r f i dn e t w o r kd a t as e r v e r su s e ra p p l i c a t i o ni n t e r f a c e ，i tr e a l i z e sm a n yf u n c t i o n ss u c h 嬲n e t w o r k d a t a sr e c e i v ea n dt r a n s m i s s i o n ，t h en e t w o r kb r e a k d o w nn o d e se x a m i n a t i o n ，t h eb r e a k d o w nr e s t o r e dt h e d a t ar e p r o d u c t i o n ，t h es e r i a lp o r ta n dt h ec a nb u s - so p e r a t i o n ，b e r k e l e yd bd a t a b a s e so p e r a t i o n b yw r i t i n gc o r r e s p o n d i n gf u n c t i o n a lp r o c e d u r e s t h r o u g ht h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ee m b e d d e du h f - r f i dn e t w o r kd a t as e r v e r , i th a s r e a l i z e dt h ed a t a sh i g h - s p e e da c c e s s ，t h ef a i l u r ed e t e c t i o n ，t h eb r e a k d o w ns e c t i o nd a t ar e p r o d u c t i o na n d s oo n s i m u l t a n e o u s l y , i ne a c hs e r v e rn o d ed a t a b a s e sd a t aa r ea l lk e p tu n i f o r m i t yo ft h ee n t i r el o c a la r e a n e t w o r k ，t h a ti st os a ye a c hs e r v e rn o d eh a st h ee n t i r en e td a t aw h a tr e d u c e dt h ed a t ae x c h a n g ec o m p l e x d e g r e eg r e a t l yb e t w e e nt h en o d e s s i m u l t a n e o u s l y , i tp r o v i d e st h ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mw i t h t h ee f f e c t i v ei n d u s t r ys c e n ed a t at i m e l ya n dm a k e st h ec o r r e c tt e c h n i c a lc o n d i t i o nj u d g m e n tp r o m p t l yf o r t h ei n d u s t r ys c e n e se q u i p m e n t s t h ep a p e rs u m m a r i z e df i n a l l ya b o u tt h i st o p i ca n dp r o p o s e dt h eh a r v e s ta n dt h ei n s u f f i c i e n c y , m e a n w h i l e ，t ot h ed e f e c t sp r o p o s e ds o m ei m p r o v e do p i n i o n sc o m b i n e dw i t ht h et o p i c st h ea c t u a l r e s e a r c hp r o c e s s ，p o i n t e do u tt h ek e yw o r ko ft h en e x ts t e p ，a n dm a k ef u r t h e rf o r e c a s t k e yw o r d s ：r f i d ；b e r k e l e yd b ；a r m ；e m b e d d e dl i n u x v l 第一章绪论弟一早三百。 下匕 1 1 引言 随着我国国民经济的持续、稳定、高速的发展，我国已经成为世界上的制造业大 国。在我国加入世界贸易组织以后，纷纷流入我国的外资又主要集中投向制造业，根 据有关部门预测，我国有可能在2 0 1 5 年前后，成为世界制造中心【l j 。我国的加工制 造企业面临着很大的机遇，同时也面临着巨大的挑战。 面对强大的国际竞争对手，我国的加工制造企业必须通过提高产品质量，降低生 产成本，提高生产效率，提高企业的管理水平来增强自身的竞争能力，以达到在激烈 的市场竞争中取得商机的目的。因此，企业对从供应、采购、生产、运输、仓储到销 售的一个完整的企业供应链的每个过程都要进行精确的管理和准确的控制【2 】。企业对 这一完整供应链进行精确的管理和准确的控制的前提是过程相关信息数据的准确和 实时的采集【3 l 。但是，目前的数据采集方法费时费力，且有时不能做到非常的精确， 无法为管理系统、制造执行系统等提供准确和实时的数据【4 】，对企业供应链管理的精 确性和实时性造成一定程度的影响。 现在，用户对保障自身权益的意识逐渐增强，一旦企业售出的产品在质量上出现 问题，给用户造成损失，那么生产厂家势必会面临着产品召回以及赔偿等问题。但是 现有的手段并不能在出现质量问题后及时的获取相关产品的生产信息，无法及时有效 的对出现问题的环节进行整顿以降低厂方损失。 随着计算机信息技术和超大规模集成电路技术的发展，以及芯片微型化封装技术 的日益成熟，射频识别技术( r f i d ) 越来越受到人们的关注，r f i d 技术不仅可以增强 企业对供应链的管理能力【5 j ，而且在其他许多的领域都有良好的表现，如物流管理， 零售管理，交通，生产线自动化，仓储管理等诸多行业【卵】。2 0 0 6 年6 月9 日，中华 人民共和国科学技术部等十五部委联合发布的中国射频识别( r f i d ) 技术政策白 皮书中明确指出【8 】：“营造良好的投资环境，鼓励企业在r f i d 领域投资、生产，推 动建设r f i d 产业基地，支持企业采用r f i d 技术和产品。 中国快速增长的经济和市 场为r f i d 的发展提供了肥沃的土壤。有行业数据显示，中国在r f i d 领域的地位不断 上升，并有望成为世界第三大市场【9 1 。 另一方面，随着计算机技术和微电子技术的迅速发展，嵌入式系统已经广泛应用 嵌入式u h f - r f i d 网络数据服务器1 勺硼 冗 于工业控制领域。并且近些年网络技术的快速发展，使得传统的工业控制领域开始向 网络化的方向转变，将嵌入式系统和工业以太网在工业控制领域相结合，形成一种适 用于工业现场的嵌入式网络控制设备，实现工业控制系统网络化，并最终达到管控一 体化的最终目标【l o l 。这将会是未来工业控制领域的流行趋势。 本课题正是在上述背景下，为实现工业现场数据管理的迅速化、精确化和网络化， 提出将射频技术、嵌入式系统以及工业以太网相结合，研究适用与工业现场的嵌入式 网络数据服务器。其主要内容是设计以高性能的a r m 处理器为核心，以嵌入式l i n u x 为操作系统，包含网络接口、串口、c a n 总线等工业现场常用的接口的网络节点服 务器，在节点数据服务器内建有嵌入式数据库，并带有串行通信，网络通行，数据库 操作功能程序，能够在工业现场进行大量的数据处理，并且可以方便的接入到工业现 场的以太网络中，与现有的管理系统形成一个完整的管理和监控平台。 1 2 课题的意义和目的 在工业制造流程的生产线中，由于现场数据量大，整个生产过程调度中需要快速 准确的响应在原料供应链上，必须实现信息化的企业管理在生产过程控制上，需要将 所有的控制节点组网，以满足实时查询数据、跟踪生产状况的需求在物品的配送的物 流管理上，需要成功的整合所有的供应活动，削减配送环节，为整个供应链提供统一 的信息管理。 我们遵循企业自动化生产和信息化管理的要求和发展趋势，在制造业生产需求不 断发展的大背景下，提出了在制造业中引入先进的嵌入式u h f r f i d 网络数据服务器 的技术方案，解决生产过程中的信息管理、制造执行、质量控制、跟踪和追溯、仓储 量可视化等问题，以提高企业的核心竞争力。 根据r f i d 的发展趋势，在制造业的应用主要表现在产品级物流管理及工业生产 过程自动化控制中。无论r f i d 应用于哪个环节，嵌入式u h f r f i d 网络数据服务器 都是r f i d 技术应用于工业制造中的关键技术所在。嵌入式u h f r f i d 网络数据服务 器是以嵌入式技术为基础，集成射频模块，用于工业网络控制的智能装置。将嵌入式 u h f r f i d 网络数据服务器应用于制造业，可以提高供应链运行效率、增加分销透明 度、实现生产过程中的自动控制网络的信息集成，同时，从根本上解决产品防伪、追 踪、监控的问题，完善制造企业的生产管理模式和提高企业竞争力。 本课题所设计的嵌入式u h f r f i d 网络数据服务器采用的分布式管理的模式，网 络中每个数据服务器节点均建立一个包含全网数据的数据库，采用网络广播协议，使 2 济南大学硕上学位论文 分布整个网络的全部数据服务器节点中的数据在短时间能同时更新，网络当中的每一 个数据服务器节点中的数据库均包含了全网的动态数据，与该数据服务器节点相连的 其他智能设备在进行数据通信时，只需与本数据服务器中的数据库进行数据交换即可 完成与全网的数据通信，免除过多的网络通信及编程，实现了网络的高速响应，更大 限度的保证系统在工业现场的运行的可靠性。由于全网中的每个网络数据服务器节点 都拥有不同的i p 地址，可实现每个节点的即插即用和任意增减，网络中数据服务器 节点的个数以及通讯距离非常容易扩展，可满足工业现场的需求。 1 3 国内外研究现状 射频识别技术在国外发展时间较长。在2 0 世纪5 0 年代，国外的研究机构已经开 始在实验室对r f i d 技术进行应用研究；在2 0 世纪6 0 年代，r f i d 技术理论已经相 对成熟，并开始商业使用【l l 】； 目前，国外著名厂商及研究机构，如德州仪器、飞利浦等，纷纷加大对射频识别 技术的研发和应用，且研发重点已经从原来的低频、高频技术产品转向超高频和微波 产品及相关技术的研究。发达国家在多种频段都实现了标签芯片的批量生产，模拟前 端多采用了低功耗技术，无源超高频标签的工作距离可以达到一米以上，功耗可以做 到几个微瓦，批量成本接近十美分。因此可以说r f i d 技术在国外已经相当成熟。 澳大利亚将r f i d 产品用于澳机场旅客行李的管理。欧共体宣布1 9 9 7 年开始生 产的新车型必须具有基于r f i d 技术的防盗系统，瑞士国家铁路局在瑞士的全部旅客 列车上安装r f i d 自动识别系统，调度员可以实时的掌握火车运行情况；韩国在汉城 的6 0 0 辆公共汽车上安装r f i d 系统用于电子月票，还计划将这套系统推广到铁路和 其它城市；德国汉莎航空公司试用非接触的射频卡作为飞机票，改变了传统的机票购 销方式，简化了机场入关的手续【1 3 】。2 0 0 3 年，沃尔玛宣布它将要要求它的前1 0 0 名 供货商在2 0 0 5 年1 月份之前在所有的货箱和货盘上面贴上r f i d 标签1 1 4 】；德国b m w 公司将射频识别系统应用在汽车生产流水线的生产过程控制中；m o t o r o l a ， s g s t h o m s o n 等集成电路制造商采用了r f i d 自动识别工序控制系统，即在超净车间 里利用r f i d 系统来控制生产线上的零件流向等f 1 5 】。 国内在r f i d 技术的应用方面起步较晚，但已有较大的进步，在国内的应用和研 究都取得了较多的成果。 目前在我国r f i d 技术应用比较成熟的项目有：中国第二代居民身份证，基于 i s o i e c1 4 4 4 3 b 标准的1 3 5 6 m h z 电子标签，该项目可以说是国内乃至国际上最大 3 嵌入式u i q f r f i d 网络数据服务器的形f 究 的r f i d 应用的项目之一。教育部学生购票优惠卡，基于i s o i e c1 5 6 9 3 标准的 1 3 5 6 m h z 电子标签；以及各个学校的校园卡系统。深圳在车流量很大的皇岗海关、 文锦渡海关，使用了u h f 频段的r f i d 系统来提高通关效率。铁道部铁路车号自动 识别，使用基于e p c c l a s s 0 标准的u h f 电子标签。此外，许多城市都在建设和应 用r f i d 技术进行着高速公路的不停车收费管理系统。 国内对r f i d 读写器以及控制器同样已经开展了相应的研究工作，中国海洋大学 的姜兆宁等，使用a r m 体系平台和l i n u x 操作系统，提出了生产线r f i d 终端读写 器的设计方案【1 6 1 ；华北电力大学计算机科学与技术学院的芦东听、李强等以及东南大 学仪器科学与工程系的周伟，李宏生等，分别对r f i d 读写器以及r f i d 的基带模块 以及嵌入式处理器在r f i d 中的应用做了相应的研究1 1 7 - 1 8 1 ；华南理工大学的吴泽海， 赖声礼等，在其发表的文章中对u h f 频段的读写器的关键技术做了研究，并设计一 种基于d s p 的9 1 5 m h z 、输出功率可调的r f i d 读写器f 1 9 】。广州工业大学的刘学钢， 程良伦等对嵌入式r f i d 网络控制器的中的r f i d 部分的关键技术做了部分研究工作， 并对嵌入式r f i d 网络控制器在工业现场的应用以及发展前景做了介绍。 综上所述，r f i d 技术在国外的应用已经相当的成熟，在国内虽然起步较晚，当 同样有了较大的发展。但对于将嵌入式系统和r f i d 技术相结合并使用在工业现场的 研究尚在起步阶段，有着比较大的发展空间。 1 4 ，j 、结 本章对课题的背景、目的和意义、以及国内外的研究现状做了介绍。通过以上的 说明我们可以看到，将嵌入式技术和r f i d 技术相结合并将其运用到工业现场，对工 业现场的生产数据进行管理，将会是一个非常又发展前景的研究方向。 4 济南大学硕上学位论文 第二章嵌入式系统简介 嵌入式系统是一种以应用为中心，以计算机技术为基础但使用该系统的人一般并 未意识到该系统是基于计算机的，且软硬件均可裁剪，并适用于对功能、可靠性、成 本、功耗、体积等有较高要求的场合的专用计算机系统【2 0 】。1 2 l 】。 嵌入式系统已经成为计算机科学的一个重要分支，也是计算机科学中最为活跃的 研究领域之一。嵌入式系统具有非常广阔的市场前景，目前已在工业控制、航空航天、 信息家电、电子商务、机器人、交通管理等众多领域中得到广泛使用。 2 1 嵌入式系统结构 嵌入式系统一般由3 个部分组成：嵌入式系统硬件平台、嵌入式操作系统和嵌入 式系统应用程序。嵌入式系统硬件平台为各种嵌入式器件、设备，嵌入式操作系统是 指在嵌入式硬件平台上运行的操作系统，而嵌入式系统应用程序是指运行于嵌入式操 作系统中，用于完成特定功能，实现特定目的的嵌入式应用程序。 2 1 1 嵌入式系统硬件平台 嵌入式硬件平台是嵌入式操作系统和嵌入式应用程序运行的硬件平台。不同的应 用目的，实现不同的功能，通常会有不同的硬件配置环境。嵌入式系统硬件平台通常 应包括嵌入式处理器、存储器以及外围辅助模块这三个部分。 2 1 1 1 嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式硬件平台也是整个嵌入式系统的核心部件。目前，市场上 的嵌入式处理器的品种繁多，可适用于不同的场合，不同的应用，不同的目的。根据 功能、结构以及应用方向等因素，可将常用嵌入式处理器分为嵌入式微控制器、嵌入 式微处理器、嵌入式数字信号处理器和嵌入式片上系统【2 2 1 。 ( 1 ) 嵌入式微控制器 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 ) ，它并不是为完成某一个逻辑功能设 计的芯片，而是把一个计算机系统集成到这个芯片上。它具有体积小，质量轻，价格 便宜，片上资源丰富等优点，目前已在玩具、家电、汽车、机械、航空航天等日常生 活以及工业控制领域中得到广泛的应用，目前嵌入式微处理器约占市场份额的7 0 。 其最具代表性的5 1 系列的单片机。 5 嵌入式u h f r f i d 网络数据服务器的研究 ( 2 ) 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 是由通用计算机中的 c p u 演化而来。但与通用计算机的c p u 所不同的是，它只保留了与嵌入式应用紧密 相关的功能硬件，并且为了适应嵌入式应用的特殊场合，嵌入式微处理器在工作温度、 抗电磁干扰、可靠性等方面都比通用计算机的c u p 增强了不少。嵌入式微处理器与 工业控制计算机相比，具有体积小。重量轻、成本低、可靠性高、功耗低等优点。目 前嵌入式处理器的高端产品有：a d v a n e e d r i s c m a c h i n e s 公司的a r m 、s i l i e o n g r a p h i e s 公司的m i p s 、i b m 和m o t o r o l a 的p o w e r p c 、i n t e l 的x 8 6 和1 9 6 0 芯片、a m d 的 a m 3 8 6 e m 、h i t a e h i 的s h 刚s c 芯片。 ( 3 ) 嵌入式数据字信号处理器 嵌入式数字信号处理器( 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 ) 在系统结构和 指令算法方面进行了特殊设计，具有较高的编译效率和指令执行速度，是专门用于数 字信号处理的微处理器。目前，嵌入式数字信号处理器已得到快速的发展和广泛的应 用，比如智能化系统中的智能算法一般需要较大的运算量，而嵌入式数字信号处理器 具有较高的指令执行速度的优势，因此在智能化系统中的应用更为广泛。嵌入式数字 信号处理器比较有代表性的产品是t e x a si n s t r u m e n t s 公司的t m s 3 2 0 系列和m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 0 0 0 系列。 ( 4 ) 嵌入式片上系统 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) ，是将一个复杂的系统集成到一个硅片上 来实现，是追求产品系统最大包容的集成器件，也是目前嵌入式系统应用领域的研究 热点之一。s o c 与传统的系统设计的不同点在于用户只需用标准的v h d l 等硬件描 述语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器标准即可实现一个复杂的 系统。嵌入式片上系统不仅有体积小、功耗低等优点，而且在可靠性和设计效率上与 其他嵌入式处理器相比都有了较大的提高。 2 1 1 2 存储器及外围辅助模块 一个完整的嵌入式硬件平台仅仅有嵌入式处理器是不够的，还必须有存储器以及 完成相应功能的外围设备的辅助才能够完成用户所要求的功能，实现设计的目的。 存储器是嵌入式系统硬件平台的一个重要组成部分，在嵌入式系统硬件平台中常 用的存储器是f l a s h 存储器和s d r a m 。 f l a s h 存储器是一种非易失性存储设备，具有掉电保持数据的特性。f l a s h 存储器 6 济南大学硕士学位论文 的主要特点可整片或分扇区擦除和按字节编程，具有低功耗、高密度、擦写速度快等 优点。目前f l a s h 存储器可分为n o r 和n a n d 两种。n o rf l a s h 的设计目的是为了 满足程序代码的高速访问并且支持程序在芯片内部运行，因此，n o rf l a s h 可直接读 取芯片内存储的数据，应用程序也可直接在n o rf l a s h 内运行，不必再把代码读到系 统r a m 中去，但是n o rf l a s h 的写入和擦写速度较低。n a n df l a s h 的设计目的就 是为了数据存储应用，因此，具有较高的存储密度，而且写入和擦除速度较快，与 n o rf l a s h 相比n a n df l a s h 的生产过程较为简单，体积较小，不过在使用时它需要 复杂的i o 接口。 s d r a m 是高速的动态随机存取存储器，与f l a s h 相比，它不具有掉电数据保持 的特性，但它的存取速度远高于f l a s h 存储器，并且具有读写属性，而且s d r a m 具 有单位空间内存储容量大、价格便宜等优点。s d r a m 在嵌入式硬件平台中主要是作 为程序的运行空间，数据及堆栈区，相当于通用计算机中的内存的作用。在使用 s d r a m 时应当注意，它要求微处理器具有刷新控制逻辑或者在硬件系统平台中另外 加入刷新控制逻辑电路。 嵌入式硬件平台的主要外围辅助模块有为硬件平台提供能源的电源模块、为处理 器和其他部件提供时钟频率的系统时钟模块、串行接口模块、j t a g 调试接口模块、 a d 和d a 转换模块、1 2 c 总线接口模块等。这些外围辅助模块可按照设计的目的、 实现的功能、运行环境等条件进行增加或删减。 2 1 2 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，e o s ) 是嵌入式系统发展到一定阶 段的产物，它的出现大大提高了嵌入式系统的开发效率【2 3 】。嵌入式操作系统与通用计 算机相比较具有一下特点： ( 1 ) 良好的可移植性。由于嵌入式处理器品种繁多，更新换代的速度较快，因此 要求嵌入系操作系统具有良好的硬件适应能力，即良好的可移植性，通常的嵌入式操 作系统可支持多种开发平台。 ( 2 ) 体积小。通常嵌入式系统硬件平台所能提供的资源有限，大多使用f l a s h 存 储器作为存储介质，嵌入式操作系统只能运行在有限的内存当中，所以嵌入式操作系 统必须结构紧凑，体积微小，以适应嵌入式系统硬件平台的资源存储和运行空间的限 制。 ( 3 ) 可裁剪。由于嵌入式硬件平台需要根据应用的目的、场合等进行相应的增删， 7 嵌入式u i t f r f i d 网络数据服务器的研究 而嵌入式硬件平台所能提供的资源有限，因此，要求嵌入式操作系统的各个部分可以 进行相应的优化和删减，使嵌入式操作系统既能满足应用的功能需求，又能保证嵌入 式操作系统没有多余的功能模块1 2 4 1 。 ( 4 ) 实时性。嵌入式系统的应用非常广泛，多数的嵌入式系统的工作环境要求较 高的实时性，比如军事领域和航空航天领域的应用中，要求的响应时间在毫秒或微秒 的数量级上。因此，实时性是嵌入式操作系统的一个重要衡量指标2 5 1 。 2 1 2 1 常见的一些嵌入式操作系统 随着嵌入式系统的发展，国内外已有多种嵌入式操作系统问世。下面介绍一些常 见的嵌入式操作系统。 ( 1 ) 嵌入式l i n u x l 2 6 】 嵌入式l i n u x 是专用l i n u x 操作系统，它对标准l i n u x 经过裁剪处理之后，使其 自身的大小只有几k b 或者几m b ，以适用于特定嵌入式应用场合。目前，伴随着嵌 入式系统和l i n u x 的快速发展，嵌入式l i n u x 已经产生了多个版本。嵌入式l i n u x 又 可分为强实时的嵌入式l i n u x ( 女lr t - l i n u x ) 和一般的嵌入式l i n u x ( 女ll 上c l i n u x ) 版本。 r t l i n u x 是由美国墨西哥理工学院开发研制的，它并没有根据实时操作系统的特 性重写l i n u x 内核，而是通过设置所有的实时任务的优先级都高于通常的l i n u x 任务 优先级，以达到既兼容通常的l i n u x 任务又保证强实时性的目的。目前，r t - l i n u x 已 经广泛应用于航天飞机的空间数据采集以及科学仪器测控等领域。 l 上c l i n u x 是一个高度优化的、代码紧凑的嵌入式l i n u x ，它是针对目标处理器没有 存储管理单元