（机械电子工程专业论文）基于嵌入式linux人体生理参数监控系统的设计与实现.pdf

基于嵌入式lif i u x 人体生理参数监控系统的设计与现实 摘要 l i n u x 是开放源码的操作系统，具有内核小、功能强、运行稳定、系统健壮的特点。该 操作系统可根据具体应用进行裁减，并且支持多达数十种c p u 芯片；它有大量且不断增加 的开发工具，这些工具为嵌入式系统的开发提供了良好的开发环境。因此l i n u x 可以很好 的充当嵌入式系统的开发平台。 人体生理参数监控系统能够及时、准确处理和传输用户的生理参数，这些年来，随着 人们对于自身健康状况关注力度的加大，引起了生理参数监控仪器的开发热潮。 本文设计了基于嵌入式l i n u x 的人体生理参数监控系统，实现了对生理参数采集、加 密处理、远距离实时传输和解密等功能。系统硬件平台基于三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 处理器， 使用l i n u x 2 4 1 8 作为操作系统，g s m 无线通信模块采用的是西门子公司的t c 5 i 。 本文根据生理参数的特点和用户信息，结合传输方式制定出短信的传输格式。介绍了 系统所用的关键技术，设计了短信收发程序和d e s 加密程序。实现短信收发程序的主要工 作有：l i n u x 串口通信程序的编写、短信编码方式的研究、7 b i t 编解码程序的实现、8 b i t 编解码程序的实现、u c s 2 编解码程序的实现、p d u 串编解码程序的实现、短信发送程序 的实现以及短信接收程序的实现等。实现d e s 算法过程中的主要工作有：密码学的研究、 d e s 算法原理的研究、d e s 算法子密钥的选择、d e s 算法改进与实现。 关键词：嵌入式l i n u x ；生理参数；g s m 短信息；p d u ；d e s 算法 h u 【a np h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r sm o n i t o r i n g s y s t e mb a s e do ne m b e d e dl i n u x a b s t r a c t l i n u xi sao p e n - s o u r c e do p e r a t i o ns y s t e m 、i mt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs m a l lk e r n e l ，s t r o n g f u n c t i o n ，s t a b l eo p e r a t i o na n dr o b u s ts y s t e m i tc a nb ec u s t o m i z e da c c o r d i n gt oa p p l i c a t i o na n d s u p p o r t su pt ot e n so fc p uc h i p s i th a sal a r g en u m b e ro fd e v e l o p m e n tt o o l sa n dt h en u m b e rh a s b e e ni n c r e a s i n g t h e s et o o l sp r o v i d ea g o o dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tf o re m b e d d e ds y s t e m s o l i n u xc a na c ta sag o o dd e v e l o p m e n tp l a t f o r mf o re m b e d d e de q u i p m e n t h u m a n p h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r sm o n i t o r i n gs y s t e mc a np r o c e s sa n dt r a n s p o r t u s e r s p h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r st i m e l ya n da c c u r a t e l y i nr e c e n ty e a r s ，a sp e o p l ec o n c e r nm o r ea b o u t t h e i ro w nh e a l t h ，m a n yc o m p a n y sb e g i nt od e v e l o ph u m a n p h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r sm o n i t o r i n g s y s t e m t h i s p a p e rd e s i g n s ah u m a np h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r sm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do n e m b e d d e dl i n u x t h ef u n c t i o n so ft h es y s t e mi n c l u d et h ea c q u i s i t i o n ，e n c r y p t i o na n dr e a l - t i m e t r a n s m i s s i o no fp h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r s t h es y s t e mi sb a s e do n $ 3 c 2 410a n dt c 35 ig s m m o d u l e ，w h i c hi sr e s p e c t i v e l yp r o d u c e db ys a m s u n ga n ds i e m e n s t h eo p e r a t i o ns y s t e mi s e e m b e d e dl i n u x t h i sp a p e rd e s i g n st h et r a n s m i s s i o nf r o m a to fp h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r sa c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so f p h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r sa n dt h et r a n s m i s s i o nm o d e t h e ni ti n t r o d u c e st h ek e y t e c h n o l o g i e s ：t h ei m p l e m e n t a t i o no f t h es h o r tm e s s a g es e r v i c ea n dd e s a l g o r i t h m i nt h e r e a l i z a t i o no fs m ss e n d i n ga n dr e c e i v i n gp r o g r a m s ，t h em a i nw o r ki n c l u d e sl i n u xs e r i a lp o r t c o m m u n i c a t i o np r o g r a m m i n g ，7 b i te n c o d i n ga n dd e c o d i n gp r o c e s s i n g ，8 b i te n c o d i n ga n d d e c o d i n gp r o c e s s i n g ，u c s 2e n c o d i n ga n dd e c o d i n gp r o c e s s i n g ，p d us t r i n gp r o c e s s i n g ，a n dt h e i m p l e m e n t a t i o no fs m ss e n d i n ga n dr e c e i v i n g i nt h er e a l i z a t i o no fd e sa l g o r i t h m ，t h em a i n w o r ki n c l u d e st h es t u d yo fc r y p t o g r a p h y ，t h es t u d yo fd e sa l g o r i t h mp r i n c i p l e ，t h ec h o i c eo f d e s a l g o r i t h ms u b - k e y s ，t h ei m p r o v e m e n ta n di m p l e m e n t a t i o no fd e sa l g o r i t h m k e yw o r d s ：e m b e d d e dl i n u x ；p h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r s ；g s ms h o r tm e s s a g e ； p d u ( p r o t o c o ld a t au n i t ) ；d e sa l g o r i t h m n 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工作所取 得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 马磁参日期：a 。尸年矗月膨日 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解北京服装学院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服装学院。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电子版，允许学位论文被查阅、借阅和复印； 学校可以将学位论文的全部或部分内容公开或编入有关数据库进行检索，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适用本授权书。 学位论文作者签名：7 旁砑冬 导师签名与手 日期：乎。吵年店月膨日 日期：a 。o 尸年膪月日 北京服装学院硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m s ) 是指以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件 可裁剪、适应对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统，是将应用 程序和操作系统与计算机硬件集成在一起的系统。随着嵌入式系统在工业控制和智能家电 领域得到广泛的应用，控制逻辑和功能变得越来越复杂。因此，简单的嵌入式系统已经不 能满足这种需求，为了解决这种问题，越来越多的人倾向于使用完整的操作系统。在各种 嵌入式操作系统中，l i n u x 凭借其开放源代码和免费使用的特性以及架构清晰、平台支持广 泛、网络支持强劲的优点，得到广泛采用。 嵌入式l i n u x 是对标准l i n u x 经过小型化裁减处理之后，能够固化在容量只有几m b 字节 的存储芯片中，适合特定嵌入式应用场合的专用l i n u x 操作系统，具有内核小、功能强、运 行稳定、效率高、良好的网络支持等特点，并且支持多种硬件平台。它有大量的不断增加 的开发工具，这些工具为嵌入式系统的开发提供了良好的环境。 这些年来，随着人们对于自身健康状况关注力度的加大，引起了生理参数监控仪器的 开发热潮。以嵌入式微处理器为核心，基于嵌入式操作系统的应用程序开发，以及如何及 时、准确、安全地完成对人体生理参数的监控，是此类仪器当前研究的热点。本文设计了 基于嵌入式l i n u x 的人体生理参数监控系统，该系统具有对用户的生理参数( 如温度、脉搏 等) 进行数据处理、加密、实时传输和解密等功能。 1 - 2 课题研究目的与意义 由于社会的发展，人们的生活节奏和生活方式发生了巨大的变化，目前我国出现了这 样一种社会现象：人的寿命越来越长，生活越来越独立。也就是说，越来越多的老人选择 了独居。老年人本来就身体不好，行动不便，儿女又不在身边，在这样的情况下，老年人 的健康和就医成为问题。 为了使单独居住的老年人得到完善的、良好的身体监护。医护人员利用手持的便携式 医疗设备( p d a ) ，定期为待在家中或集中居住在小区的老年人进行必要的生理参数检测， 同时使不在老人身边的子女们及时的、便捷的、经济的得到这些生理参数信息，这就是该 课题要研究的目的和意义。 1 3 主要工作 本课题的主要工作是设计与实现一套基于嵌入式l i n u x 的人体生理参数监控系统。在 第1 章绪论 实现过程中具体的工作内容如下： 选择基于a r m 架构的$ 3 c 2 4 1 0 芯片作为处理器，并由此构建一套支持生理参数 加密和传输功能的硬件系统。 选择嵌入式l i n u x 作为本课题的操作系统，并构建软件开发环境。 分析生理参数和用户信息，制定生理参数的传输格式与传输方式。 分析短信协议、研究短信息编码格式、实现生理参数的传输功能。 根据制定的数据传输格式，对d e s 算法进行改进，实现生理参数的加密功能。 1 4 论文的组织结构 本文设计了基于嵌入式l i n u x 的人体生理参数监控系统，全文内容按照以下顺序分为 7 章论述，各章内容如下： 第一章介绍了课题的技术背景，课题的研究目的、课题的主要工作和论文的组织结构。 第二章对人体生理参数的特点进行了分析、制定了生理参数传输格式、介绍了短信息的 相关协议。 第三章介绍了系统开发平台的设计方案，包括硬件平台、软件开发环境、交叉编译器等。 第四章介绍了生理参数传输的实现机制，包括串口通信的原理、l i n u x 下串口通信程序的 编写和a t 指令的原理以及a t 指令在课题中的使用方法。 第五章对生理参数传输功能进行了研究与实现，包括短信编码方式、p d u 编码格式、短 信控制命令、短信收发程序等。 第六章介绍- r ；o n 密系统的组成、d e s 算法的原理和实现及用d e s 对人体生理参数进行加 密时做的改进等。 第七章总结了系统设计过程中遇到的困难和经验。 2 北京服装学院硕士学位论文 第2 章生理参数传输格式与短消息 在人体生理参数监控系统中，需要实现生理参数的加密、传输等功能，尤其在传输过 程中，需要针对生理参数的特点与传输方式来确定其传输的格式，常见的人体生理参数包 括体温、呼吸、脉搏、血压等。在传输过程中，由这些参数加上必要的用户信息，构成传 输内容。首先对常见的生理参数进行分析。 2 1 生理参数传输格式的制定 常见生理参数的取值范围及其代表症状介绍如下： 体温：正常人的体温是3 6 度到3 7 度，一天的体温略有波动，但一般不超过l 度。 发热可分为：低热3 7 4 度3 8 度，中度发热为3 8 1 度3 9 度，高热为3 9 1 度4 1 度， 超高热为4 1 度。一般体温每升高l 度，脉搏每分钟增加1 0 2 0 次，基础代谢增加 1 3 。 呼吸：正常人平静呼吸频率为1 6 2 0 次分钟，呼吸与脉搏的比例一般为l ：4 ，即 呼吸一次心跳4 次。如果呼吸频率超过2 4 次分钟，则表示呼吸过速，呼吸过速多 见于强体力运动、发热、贫血、心里衰竭等。呼吸过缓呼吸频率低于1 2 次分钟。 脉搏：成人安静状况下脉率是6 0 1 0 0 次分钟，成人男性脉率是6 0 8 0 次分钟，成 人女性脉率7 0 9 0 次分钟，初生婴儿脉率是1 4 0 次分钟，活动、饭后、精神兴奋 时脉率可大于1 0 0 次分钟，发烧、心肌炎等情况下心率会增加。脉率减慢( 小于 6 0 次分钟) 多见于睡眠及某些疾病，如颅内压增高、高血压、缓慢性心律失常、 甲状腺功能减退等。 血压：血压指血液对动脉血管壁的侧压力。测量血压，需要测收缩压( 高压) 和舒张 压( 低压) ，以m m h g ( 毫米汞柱) 或k p a ( 千帕) 表示。按国际标准1 8 岁以上成年人正 常血压分为三个等级，理想血压：8 0 1 2 0 m m h g ( 1 1 1 6 k p a ) ，正常血压： 8 5 1 3 0 m m h g ( 1 1 1 7 k p a ) ，正常偏高：收缩压( 1 3 0 1 3 9 m m h g ) ( 1 7 1 9 k p a ) 。 根据上面的介绍可以得出采集到的生理参数的范围，这些参数在计算机内保存及 传输格过程中，既可以用整数或浮点数表示，也可以用字符串的形式表示，详细分析 如下： 体温：整数位最多到十位，精确度保证到小数点后1 位，在设计其格式时，如果 采用浮点数( f l o a t ) 表示则至少需要4 个字节。如果用字符串表示，可以用3 个字节， 前2 个字节表示整数位的十位和个位，第3 个字节表示小数位。 呼吸：为整数，以次分钟为单位，每分钟呼吸次数最大不到一百，如果用整型数 1 第2 章生理参数传输格式与短消息 表示需要4 个字节，用字符串表示需要2 个字节。十位和个位各占用一个字节。 脉搏：为整数，以次分钟为单位，每分钟搏动次数最多不到2 0 0 ，如果用整型数 表示需要4 个字节，用字符串表示需要用3 个字节。百位、十位、个位各占用1 个字节。 血压：为整数，以毫米汞柱为单位，需要测量高压和低压各一次，高压和低压测 量数据最多不到3 0 0 ，如果用整型数表示，高压和低压各占用4 个字节，共需要8 个字节，如果用字符串表示，高压和低压各占用3 个字节，共需要用6 个字节。 系统中采用用户的身份证作为用户身份的唯一确定标识，如4 2 1 0 0 3 1 9 8 4 1 0 0 1 1 0 1 2 ，用 字符串表示，共占用1 8 字节，数据采集时间以年月日时分秒的格式表示，如2 0 0 9 0 8 0 7 1 0 1 2 1 2 ， 用字符串表示，共占用1 4 字节。可以得出两种传输格式的对照图如下： 整型数或浮点数表示 数掳；采集时间 身份证( 1 8 字节) ( 年月日日分秒共1 4 字节) 温度( 4 字节)脉搏( 4 - 7 - - 节)血捱( 8 字节)呼吸( 8 字节) 温度( 4 字节)脉搏( 4 字节)血压( 8 字节)呼吸( 8 字节) 字符串表示 数援；采集时间 身份证( 1 8 字节) ( 年月口班分秒共1 4 字节) 温度( 3 字节) 脉搏( 3 字节)血压( 6 字节)呼吸( 2 字节) 温度3 字节)脉搏( 3 字节)血压( 6 字节)呼吸( 2 字节) 图1 两种生理参数传输格式 从图1 可以看出，用字符串型的传输格式更节省空间，而且本系统拟采用短信息的形 式对生理参数进行传输( 后面介绍) ，而在将生理参数编码成g s m 模块可以识别的信息串时 需要以a s c i i 码的形式进行编码，所以系统中采用字符串型的表示方式作为生理参数的传 输格式。 在本系统中，需要实现生理参数的远程传输，短信息能够实现这一功能，通过短信息 形式传输生理参数具有如下优点： ( 1 ) 短信息开通方便、收费低廉、使用方便、应用广泛。 4 北京服装学院硕士学位论文 ( 2 ) 短消息使用g s m 网络传输，技术成熟、稳定、而且支持远距离传输。 ( 3 ) 短消息对普通的a s c i i 码采用7 - b i t 编码，每条7 - b i t 编码的短信用户数据部分可以 包含1 6 0 个字节，这样一次可以发送用户多次采集的生理参数，节省费用。 下面就对短信息做相关介绍。 2 2 短信息的分类 短消息是移动运营商提供给移动用户相互收发短文本信息的一种基本业务。广义上的 短信息从技术和功能上可以分为三类，即s m s ( 短文本信息) 、e m s ( 增强型短信) 和m m s ( 多媒体短信) ，狭义上的短信息就是指s m s 。本文在没有特别说明的情况下，短信息指 s m s 。 2 2 1s m s ( 短信息业务s h o r t m e s s a g e s e r v i c e ) s m s 是最早的短信业务，是现在普及率最高的一种短信业务，s m s 短信业务是g s m 通讯网络标准的一部分，随着通讯技术和通讯网的发展升级，s m s 也已经成为2 5 g 通讯 网络( 如g p r s 网络) 的标准服务之一。通过它，移动电话之间可以相互收发短消息，短 消息的内容可以是文本、数字或二进制非文本数据( 用于铃声或l o g o 等) 。一则s m s 信息 最多可达1 6 0 个字节( 7 b i t 编码字符) ，与大约1 秒钟的语音呼叫所占用的空间相当，故而 其通讯费用十分低廉。 s m s 有两大特点【l 】： 第一是存储转发机制，即s m s 传送数据包的工作由移动网络中的短信中心而不是终端 用户来完成，如果用户不在服务区内，短信就被存储在短信中心，等用户出现之后再转发 给他。 第二是传递确认机制，在电路交换数据环境中，连接是端到端的，所以用户能够知道 连接是否完成，以及数据传递的情况。 s m s 以简单方便的使用功能受到大众的欢迎，却始终是属于第一代的无线数据服务， 在内容和应用方面存在技术标准的限制。具体限制如下： 第一，消息格式单一，只能支持简单文本。 第二，消息结构不灵活，g s m0 3 4 0 标准定义的s m s 协议数据单元( p d u ) 结构不够 灵活，数据编码方案、源地址、协议标识符及其他首部域都是固定的，不利于新业务的扩 展，3 g 将对这些弊端进行改进和完善。 第三，采用的信令信道速率低。信令信道的资源是很宝贵的，它要完成许多“份内”的 任务，如定位手机、管理呼叫等，如果短消息业务流量太大，整个移动网络的通信性能就 第2 章生理参数传输格式与短消息 会大打折扣，有些运营商已经对性能恶化表示出了担心。 第四，存储转发机制效率低。在s m s 中，每一条短消息从发送到接收，都要经过短 消息中心的存储和转发，通信效率自然会受到影响，并且还增加了短消息中心的处理负荷。 现有短消息以支持短文本为主。生理参数属于文本信息，本文只对短文本类型短信进 行了研究。 2 2 2e m s ( 增强型短信e n h a n c e d - m e s s a g e s e r v i c e ) e m s 是s m s 增强版本，是s m s 向m m s 的过度版本。e m s 的优势除了可以像s m s 那样发送文本短信之外，还可发简单的图像、声音和动画等信息，仍然可以运行在原有s m s 运行的网络上，发送途径和操作也没有差别。 e m s 也使用信令信道，通过短信中心存储和转发短信，实现原理也比较相似，无须对 基础网络进行升级。从s m s 向e m s 的升级是透明的，实施e m s 对现有的短信中心几乎 没有任何影响。 e m s 能够将简单音调、图片、声音、动画、文本集成到一起，然后在e m s 手机上显 示，例如，当短信中出现感叹号时演奏相关的音调，或者把简单的黑白图片和文本及声音 效果同时展示出来。 2 2 3m m s ( 多媒体短信息m u l t i - m e d i a - m e s s a g e ) m m s 在概念上与s m s 和e m s 非常相似，可以理解为是s m s 向多媒体的演进。但与 s m s 和e m s 不同的是，m m s 对于信息内容的大小或复杂性几乎没有任何限制。m m s 不 但可以传输文字短信，还可以传送图像、影像和音频，因此，m m s 带来最大的变化是各 运营商可发展更多元化的移动通信服务。m m s 既可收发多媒体短信，还可以收发包含附 件的邮件等。而从用户角度来看，多媒体应用将是吸引他们使用的关键。 2 3s m s 的网络参考模型 短消息业务允许移动台和蜂窝系统之间、蜂窝系统与能发送和选择接收短消息的外部 设备之间进行短的字母数字消息交换。外部设备可以是一部音频电话、一个数据终端或短 消息输入系统。s m s 具有消息输入特性、管理特性和消息传输能力。这些特性分布在蜂窝 系统和s m s 消息中心( m c ) 之间，这两者共同构成s m s 系统。 图2 给出了s m s 的网络参考模型。基站包括收发信机设备、m c 。模型中的m c 单元 代表了一般的s m sm c 功能。t e 是直接或间接连接到m c 的话音或数据设备。m c 可以 包括在b s 中或与b s 一起放置。 6 北京服装学院硕士学位论文 图2s m s 的网络参考模型 2 4s m s 的协议栈层次 s m s 的协议栈分为四层：应用层( s m a l ) 、传输层( s m t l ) 、转发层( s m r l ) 和链接 层m - l l ) 。 应用层协议是在短信息实体中实现，通常是一个发送、接收和翻译短信息的程序。 传输层中，信息就一个包含了诸如发送方、接受方、接收时间等的b y t e 序列。转 发层允许信息在不同的网络元素中传输。当消息要传送的下一个元素不可达时， 但前消息所在网络元素会临时储存该消息。 转发层，m s c 除了通常的交换功能，还要另外两个功能。第一个功能是s m s 网 关功能( s m s g m s c ) ，即从s m s c 取回短信息，然后查询h r l 获取路由信息， 接着把短信息传送到接受方网络。第二个功能是s m s 交互工作( s m s i w m s c ) 由从移动网络获取短信息并提交给s m s c 。 链接层允许信息在物理层上传送。为保护信息，该层处理了低水平的信道错误。 图3 描述了s m s 传输协议栈的层次【3 】 7 第2 章生理参数传输格式与短消息 曰匿 因 图3s i s 传输协议栈的层次 2 5 短信的传输结构和流程 接收方收到的短信息可能由文本或者其他元素组成，比如图片或者歌曲等。由于传输 层的限制，为传输方便，应用程序需要把短信息分成几个片组，每个分组称为“段”。只有 一个段的短信就是s m s 。 一个短信段就是一个由应用程序处理的元素。每个段都有一定的有效负荷大小。为了 传输大量数据，通常需要使用几个信息段来组合成一个串联信息。信息的串联在应用层实 现。串联信息一般是运营商和短信内容提供商使用。 北京服装学院硕士学位论文 第3 章软硬件开发环境及平台的构建 在构建系统所需要的软硬件平台时，需要综合考虑硬件和软件的性能要求，合理的选 择硬件资源和软件资源。本课题软件平台采用的是嵌入式l i n u x ，硬件中采用三星公司的 $ 3 c 2 4 1 0 作为c p u ，无线调制解调器是s i e m e n 公司生产的t c 3 5 i 模块。这些主流的硬件 对系统的稳定高效有保障。本章主要介绍系统的硬件平台和软件环境的构建。 3 1 硬件平台的建立 3 1 1 硬件平台总体架构 宿主机 x 8 6 l i n u x 2 4 1 8 串口 津口 串口1 j t a g 口 蒌i 剐鬻 s 3 c 2 4 1 0 ( a r m 9 2 0 t ) 硬件平台 g s m t c 3 5 i 图4 开发平台总框架图 开发平台的总框架图如图4 所示。其中硬件平台主要由两部分组成：主系统和通信子 系统。主系统的处理器采用的是三星公司$ 3 c 2 4 1 0 。其主频为2 0 0 m h z ，主系统内存由3 2 m b y t e 的f l a s h 和6 4 mb y t e 的s d r a m 构成，其高速和大容量的r a m 特性，为处理生理 参数这样的较大的数据包提供了便利：同时节省了外围器件，使得硬件结构简单化，提高 系统的可靠性，通信子系统采为西门子公司的t c 3 5 i ，是款高度集成的g s m 模块，内嵌 a t 指令集。 $ 3 c 2 4 1 0 作为监控系统的核心，具有较强的处理能力，同时兼具低功耗和高集成度的 特性。它内置了j t a g 调试接口、存储控制器、实时时钟和操作系统时钟、串口、并口、 蓝牙等通信接口、a c 9 7 接口、扩展卡接口、l c d 控制器、电源管理等模块。 在处理器的外围，相应的配有：6 4 m b y t e 的s d r a m ，3 2 m b y t e 的f l a s h ，t f t 式彩色 液晶屏，音频耳机和喇叭，以及r s 2 3 2 ，u s b 等扩展接口。 p c 机的并口与开发板的j t a g 口相连，利用j t a g 功能把程序映像下载到开发板上， p c 机的串口与开发板的串口1 相连，在开发时可以通过m 1 n i c o m 观察目标板的调试信 息和输入控制命令对系统进行调试，开发板的串口2 和g s m 模块相连。 o 第3 章软硬件开发环境及平台的构建 3 1 2 $ 3 c 2 4 1 0 处理器简介 $ 3 c 2 4 1 0 包含一个1 6 3 2 b i t 的r i s c ( a i 蝴9 2 0 t ) 的c p u 内核，独立的1 6 k b 指令和1 6 k b 数据的缓存( c a c h e ) ，用于虚拟内存管理的m m u 单元，l c d 控制器，非线性( n a n d ) f l a s h 的引导单元，系统管理器( 包括片选逻辑控制和s d r a m 控制器) ，2 个通道的异步 串( u a r t ) ，4 个通道的d m a ，4 4 通道的带脉宽调制( p w m ) 的定时器，输入输出端口， 实时时钟单元( r t c ) ，带有触摸屏接口的8 个通道的1 0 b i ta d c ，i i c 总线接口，i i s 总线 接口，u s b 的主机( h o s t ) 单元，u s b 的设备( d e v i c e ) 接口，s d 卡和m m c ( m u l t i m e d i a c a r d ) 卡接口，2 个通道的s p i 接口和锁相环( p l l ) 时钟发生单元。 $ 3 c 2 4 1 0 芯片内部结构图如图5 所示“1 ： 夺冷i竺i i _ 螂 卫 争= 厂_ 蛐 卫 蝴e 圈蔫鞠一 图5 $ 3 c 2 4 1 0 芯片内部结构图 系统的主系统和通信子系统在数据交换时需要用到的串口，所以这里将$ 3 c 2 4 1 0 的串 口做一下介绍。 $ 3 c 2 4 1 0 的u a r t 单元提供两个独立的异步串行i oi = 1 ( a s y n c h r o n o u ss e r i a li o ，s i o ) ， 每个通讯口均可工作在中断模式或d m a 模式，也即u a r t 能产生内部中断请求或d m a 请求在c p u 和串行i o 口之间传送数据。 $ 3 c 2 4 1 0 的u a r t 单元特性包括：波特率可编程、支持红外发送与接收、1 2 个停止位、 l n 北京服装学院硕士学位论文 5 、6 、7 或8 个数据位、奇偶校验。 每一个异步串行通讯口都具有独立的波特率发生器、发送器、接收器和控制单元。波 特率发生器可由片内系统时钟m c l k 驱动，或由外部时钟u c l k 驱动；发送器和接收器 都有独立的数据缓冲寄存器和数据移位器。 3 1 3g s m 模块简介 西门子公司的t c 3 5 i 无线模块，功能上与t c 3 5 兼容，设计紧凑，大大缩小了用户产 品的体积。模块集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的a t 命令接口，为数据、语 音、短消息和传真提供快速、可靠、安全的传输，方便用户的应用开发及设计。 t c 3 5 i 无线模块数据输入输出接口是一个串行异步收发器，符合i t u tr s 2 3 2 接口标 准。它有固定的参数：8 位数据位和无停止位，无校验位，波特率在3 0 0 b p s 1 6 2 k b p s 之间 可选，硬件握手信号用r t s o c t s o ，软件流量控制用x o n x o f f ，c m o s 电平。 t c 3 5 i 提供的命令接口符合g s m 0 7 0 5 和g s m 0 7 0 7 规范。g s m 0 7 0 7 中定义的a t c o m m a n d 接口，提供了一种移动平台与数据终端设备之间的通用接口；g s m 0 7 0 5 对短消 息作了详细的规定。在短消息模块收到网络发来的短消息时，能够通过串口发送指示消息， 数据终端设备可以向g s m 模块发送各种命令。 3 2 软件开发环境的构建 3 2 1 嵌入式l i n u x 简介 嵌入式l i n u x 是从l i n u x 衍变而来的嵌入式操作系统。将l i n u x 作为一个嵌入式操作 系有许多的优点： 系统稳定，功能强大，支持多种硬件平台。 它可以非常稳定地运行在许多种体系结构的处理器上。最新的l i n u x 内核支持 i n t e lx 8 6 、m o t o r o l a i b mp o w e r p c 、a r m 、s u p e r h 等微处理器体系结构，具有良 好的移植性。 模块化可裁减特性非常适合嵌入式系统的要求。 自由软件可以有效降低开发成本。 文档完善，支持渠道众多。 强大的网络功能，完全适用移动互连的嵌入式设备发展趋势。 整个嵌入式l i n u x 操作系统的结构如图6 所示 第3 章软硬件开发环境及平台的构建 ( 程- ) ( 秘) u ( 酗) 系统调用接口 彳p彳产彳p彳产彳p 逞乡j 乡辽乡逞乡 弓 进程管理内存管理文件系统设备控制网络 文件和目 t t y 和设备 并发多任务虚拟内存网络连接 录：v f s 访问 l 文竹系统网络子系统 体系结构代码内存管理器字符设备 块设备 i 网络设备驱动 南 害存 尚岛嘉 图6l i n u x 操作系统结构图 它包含四个方面：用户进程、系统调用接口、l i n u x 内核、硬件控制器。下面分别作 一下描述。 用户进程 用户应用程序是运用在l i n u x 操作系统最高层的一个所有的软件集合。当一个用户程 序在操作系统之上时，它就是操作系统的一个进程。终端不同，程序的集合会有所变化， 但是一般来讲，对于基本的系统，总会有一些如文字处理、文件处理等程序。 系统调用接口 为了在应用程序中实现特定的任务，可以通过系统调用来调用系统内核中特定的功能 函数，以实现特定的任务。一般认为，这些调用和服务也是操作系统内核的一部分，内核 的编程接口也属于这一部分。系统调用本身也是有若干条指令组成的过程，但与一般过程 不同的是：系统调用运行在内核模式，而一般的进程运行在用户模式。 l i n u x 内核 l i n u x 内核是整个l i n u x 系统的灵魂，l i n u x 内核负责整个系统的内存管理，进程调度和 文件管理。l i n u x 内核的容量并不大，并且大小可以裁减，这个特性对于嵌入式是非常有好 处的。合理的编译内核是构建一个好的嵌入式系统的关键。 l i n u x 内核的功能大致分成如下几个部分： 北京服装学院硕士学位论文 进程管理：进程管理功能负责创建和撤销进程以及处理他们和外部世界的连接。 不同进程之间的通信是整个系统的基本功能，因此也由内核处理。除此之外，控制进程如 何共享c p u 资源的调度程序也是进程管理的一部分。概括的说，内核的进程管理活动就是 在单个或多个c p u 上实现多进程的抽象。 内存管理：内存是计算机的主要资源之一，用来管理内存的策略是决定系统性能 的一个关键因素。内核在有限的可用资源上为每个进程都创建了一个虚拟寻址空间。内核 的不同部分在和内存管理子系统交互时使用一套相同的系统调用。 文件系统：l i n u x 在很大程度上依赖于文件系统的概念，l i n u x 中的每个对象几乎都 是可以被视为文件的。内核在没有结构硬件上构造结构化的文件系统。所构造的文件系统 在整个系统中广泛使用。另外，l i n u x 支持多种文件系统类型，即在物理介质上组织的结构 不同。 设备控制：几乎每个系统操作最终都会映射到物理设备上。除了处理器，内存以 及其他很有限的的几个实体外，所有的设备控制操作都由与被控制设备相关的代码完成。 这段代码叫做设备驱动程序，内核必须为系统中的每件外设嵌入相应的驱动程序。 网络功能：网络功能也必须由操作系统来管理，因为大部分网络操作都和具体的 进程无关。在每个进程处理这些数据之前，数据报必须已经被收集、标识、和分发。系统 负责在应用程序和网络之间传递数据。另外，所有的路由和地址解析问题都由内核处理。 3 2 2l i n u x 图形用户界面 图形用户界面( g r a p h i c su s e ri n t e r f a c e ) 极大地方便了用户的使用，用户不再需要死记硬 背大量的命令，而可以通过窗口、菜单方便地操作。它的主要特征有三点： w i m p 。其中，w ( w i n d o w s ) 指窗口，是用户或系统的一个工作区域。一个屏幕 上可以有多个窗口。i ( i c o n s ) 指图图标，是形象化的图形标志，易于人们隐喻和理解。m ( m e n u ) 指菜单，可供用户选择的功能提示。p ( p o i n t i n gd e v i c e s ) 指鼠标等，便于用户 直接对屏幕对象进行操作。 用户模型。g u i 采用了不少d e s k t o p 桌面办公的隐喻，让使用者共享一个直观的界 面框架。由于人们熟悉办公桌的情况，因而对计算机显示的图标的含义容易理解，诸如： 文件夹、收件箱、画笔、工作簿、钥匙及时钟等。 直接操作。过去的界面不仅需要记忆大量命令，而且需要指定操作对象的位置， 如行号、空格数、x 及y 的坐标等。采用g u i 后，用户可直接对屏幕上的对象进行操作，如 拖动、删除、插入以及放大和旋转等。用户执行操作后，屏幕能立即给出反馈信息或结果。 第3 章软硬件开发环境及平台的构建 用视、点( 鼠标) 代替了记、击( 键盘) ，给用户带来了方便。 通常所见的g u i 都是位于p c 机上的，但是在p c 上g u i 并不适合嵌入式系统。嵌入 式设备有严格的资源要求( 比如十分有限的存储空间) 。同时嵌入式系统经常有一些特殊 的要求，而普通的p c 上的图形窗口系统是不能满足这些要求的。比如特殊的外观效果，要提 供给用户的函数，提高装载速度，特殊的底层图形或输入设备。由此可见嵌入式系统必定 要有自己的g u i 。 本课题选用基于q t 的q t o p i a 作为开发的g u i ，下面就对q t 做相关介绍。 q t 是一个跨平台的图形用户界面库，由挪威t r o l l t e c h 公司出品，它的目的是提供开发 应用程序用户界面部分所需要的一切。它提供给应用程序开发者建立友好图形用户界面所 需的所用功能。q t 是完全面向对象的，很容易扩展的，并且允许真正地组件编程的g u i 开 发工具。 q t x 11 和q t e ( q te m b e d d e d ) 是它其中的两个版本。q t x 11 是基于xw i n d o w s 系统 的q t 版本，k d e 便是基于它来构建的。为了适用于嵌入式系统，将q t x 1 l 进行了裁减，发 布t q t e ( q te m b e d d e d ) 版本。q t e 直接基于l i n u x q b 的f r a m e b u f f e r 设备，删除y q t x 11 中一些对资源要求很高的类实现。所以，基于q t e 实现的应用，不作修改重新编译后，就 可以在q t r x l l 上运行，而反过来便不可以。 q t e m b e d d e d 是著名的q t 库开放商开发的面向嵌入式系统的q t 版本。这个版本的主要 特点是可移植性较好，许多基于q t 的xw i n d o w 程序可以非常方便地移植到嵌入式系统中。 q t e m b e d d e d 提供了一种类型安全的被称之为信号与插槽的真正的组件化编程机制，这 种机制和以前的回调函数有所不同。q t e m b e d d e d 还提供了一个通用的w i d g e t s 类，这个类 可以很容易的被子类化为客户自己的组件或是对话框。针对一些通用的任务，q t 还预先为 客户定制了象消息框和向导这样的对话框。 运行q t e m b e d d e d 所需的系统资源可以很小，相对x 窗口下的嵌入解决方案而言， q t e m b e d d e d 只要求一个较小的存储空间( f l a s h ) 和内存。q t e m b e d d e d 可以运行在不同的 处理器上部署的l i n u x 系统，只要这个系统有一个线性地址的缓冲帧。可以选择不编译 q t e m b e d d e d 某些不需要的功能，从而大大减小了它的内存占有量。 q t o p i a 是t r o l l t e c h 为采用嵌入式l i n u x 操作系统的消费电子设备而开发的综合应用平 台，q t o p i a 包含完整的应用层、灵活的用户界面、窗1 2 操作系统、应用程序的启动程序以 及开发框架。 t r o l l t e c h 提供三大q t o p i a 版本：q t o p i a 手机版、q t o p i ap d a 版和q t o p i a 消费电子产品平 1 4 北京服装学院硕+ 学位论文 刽9 j ： q t o p i a 手机版：t r o l l t e c h 面向嵌入式l i n u x 的q t o p i a 手机版( q t o p i ap h o n e ) 是q t o p i a 的一 个自定义版本，用于内存有限的智能手机和功能手机。它的用户界面可自定义内存占用量 低。q t o p i a 手机版有两个版本的键盘驱动和手写笔驱动。 q t o p i ap d a 版：q t o p i ap d a 版q t o p i ap d