（机械电子工程专业论文）嵌入式的数字家庭监控系统.pdf

l r 4 j l 2 - 业大学颁上论文摘要 摘要 本文根据监控系统的发展现状，提出了个基于以太网的嵌入式数字家庭监 摔系统的设计方案，并初步比较完整的完成了该监控系统的开发。系统采用嵌入 式现场监控器进行数据采集，并通过计算机网络将环境信息和报警信息上传给监 捧中心客户端，完成数据处理和存储，当有报警信息上传的时候，监控中心能通 过监控数据库及时发送控制命令。现场监控器由数据采集卡和网络通讯# 组成， 现场控制卡负责接收监控中心发出的控制命令，它们都是由一块5 l 单片机控制， 其软件开发都是使用了c 5 1 和5 1 汇编程序。 嵌入式数字家庭监控系统的功能和特点主要有：数据采集功能，。采集监控 现场各种数据，按用户需要，采集范围内的温度、湿度、火情等数据信息；异常 报警功能，对采集到的数据进行现场分析，发现异常迅速报警；网络通讯功能， 系统将采集到的环境信息和报警信息通过e t l 把m e t 传给监控中心：监控数据存储 功能，主要存储各种环境参数和报警信息，包括现场存储和数据库存储；获取实 时监控数据功能，除了从觋场直接获取监控数据外，还可以通过计算机网络从监 控中心的服务器获得监控数据；监控系统的用户配置功能，用户可以按照需要配 置j | i 【控对象以满足不同用户的需要；监控中心对现场控制的功能，在出现异常报 警不能立即赶往现场，可以先发送控制命令暂时缓解现场的紧急情况的恶化或者 是根据用户需要提前发送控制命令。 奉系统与一般监控系统相比，主要特点是现场监控设备能直接卜网，而系 统又利用l re t h e r n e t 作为监控信息的网络传输信道，并采用了廉价的5 1 系列单 片机作为现场监控设备的m c u , 以及使用了源代码公开的uc o s i i 实时内核 最为现场监控设备的软件平台，使系统具备了较高的性价比。同时本系统具有设 备简单、成本低的特点，可以直接应用家庭的家电及丰富的互联网资源达到远程 监控的目的，对于智能小区、数字家庭、无人机房、基站等都有较高的应用价值。 文章最后展望了监控系统技术的发展空间，对后期完善提出了一些意见。 关键词： 监控系统 嵌入式系统 以太嘲单片机 数字家庭 西北工业大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ea r c h i t e c t u r eo fm o n i t o rs y s t e mb a s e do ne t h e m e tw a sb r o u g h t f o r w a r d ，a c c o r d i n gt h ea r c h i t e c t u r e ，t h ea u t h o rd e v e l o p e dam o n i t o rs y s t e m t h e s y s t e mu s e sm o n i t o r i n ge q u i p m e mt oc o l l e c ti n f o r m a t i o na tm o n i t o r i n gs c e n e ，a n d t h e nt h ed a t ai ss e n tt ot h em o n i t o r i n gc e n t e rt ob ep r o c e s s e da n ds t o r e d w h e nt h e r e h a sw a r m n g s ，t h em o n i t o r i n gc e n t e rw o u l ds e n dc o n t r o lc o m m a n db ym o n i t o r i n g d a t a b a s ei nt i m et h em o n i t o r i n ge q u i p m e n tc o n s i s t so fd a t ac o l l e c t i n gc a r da n d n e t w o r kc o m m u n i c a t i n gc a r d l o c a lc o n t r o l l e rc a r d t a k ec h a r g eo fi n c e p t i n gt h e c o n t r o lc o m m a n df r o mm o n i t o r i n gc e n t e r t h e ya l ea l lc o n t r o l l e db ys i n g l e e h i p s ，c 5 1 a n d5la s s e m b l ew e r eu s e dt od e v e l o pt h ec o n t r o l l i n gs o f t w a r e t h ef a m i l ym o n i t o rs y s t e mb a s e do ne t h e r n e th a st h ef o l l o w i n gm a i n l yf u n c t i o n s a n dc h a r a e t e r i s t i e s ：d a t ac o l l e c t i o i l s ，c o l l e c tt h em o n i t o rd a m so fm o n i t o r1 0 c a l ，s u c h a st e m p e r a t u r e 、h u m i d i t y 、f i r e ；w a r n i n gw h e nh a sa b n o r m i t yc i r c s ，a n a l y s et h e c o l l e c t i o nd a t a w a n la tt h es a m et i m ei ff i n ds o m ea b n o r m i t y ；n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n ，s y s t e mc a np a s s t h ec o l l e c t i o ne n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o n sa n d w a r n i n gi n f o r m a t i o n st om o n i t o rc e n t e rb ye t h e m e t ；s t o r a g em o n i t o rd a t a , m a i n l y s t o r ee n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r sa n dw a r n i n gi n f o e m a t i o n si n c l u d i n gs t o r ei nl o c a l e a n d d a t a b a s e ；g e tr e a l t i m em o n i t o rd a t a ，i 1 b e rc a ng e tt h em o n i t o rd a t an o to n l yb y l o c a l eb a tf r o mt h es e r v e ri nm o n i t o rc e n t e r ；u s e rs e t u pt h e m s e l v s u s e r sc a ns e t u p m o n i t o ro 场e c ta c c o r d i n gt ot h e i rr e q u i r e ；s e n dc o n t r o lo r d e r , w h e nh a sa b n o r m i t yt h e s y s t e mc a ns e n do r d e rt oa v o i dd e t e r i o r a t i o n ，o rs e n do r d e ri na d v a n c e dt os a t i s f yb s e r r e q u i r e t h em a i nc h a r a c t e r i s t i ci sc o r m e t i o nw i t hn e t w o r kd i r e c t l y n 惦s y s t e mu s e e t h e m e ta st r a n s m i s s i o nc h a n n e l ，u s ec h e a p51s i n g l e c h i p sa sm c u ，a n dp c o s - i i r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mi st h ec o n t r o l l i n gs o f t w a r e ，a tt h es & i n et i m e ，t h es y s t e m w i t hs i m p l es t r u c t u r ea n dc h e a p ，c a r ld i r e c t l yu s eh o m e w i r i n ga n da b u n d a n c ei n t e m e t r e s o u r c e i th a sg r e a tv a l u ei nu s cf o re q u i p m e n tr o o m ，d e p o t ，i n t e l l i g e n tv i l l a g ea n d f a m i l y i nt h ee n d ，t h et h e s i sc o n c l u d e st h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma n dg i v e ss o m e a d v i c eo ff u r t h e rd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ： m o n i t o rs y s t e m e m b e d e ds y s t e m e t h e m e t s i n g l e c h i p d i g i t a lf a m i l y i i 西北工业人学硕士论文第章绪论 第一章绪论 现代信息社会的发展步伐正在加快，在线即时控制成为现实牛产中获得 高效益的最基本手段。对事物发展状况的及时了解是即时控制的前提，利用 网络来r 解现场不失为一种好的办法。 随着科技的进步及对生活质量要求的不断提高，人们对家电的选择和使 用，已经从只关心家电的单项功能转向追求家电品位和控制的便捷性。现代 家庭中使用了越来越多的电器设备如t 电冰箱、洗衣机、微波炉、空调机、 电热水器等大大方便了人们的日常生活。在办公室下作的人们，希望在合适 的时候能够获得诸如家里的电冰箱中是否有足够的食品供其到家时享用；或 者自动化的供暖冷却系统则能够在主人回来之前对房间的温度进行测量并 调节；自动他的照明灯和c d 播放机能够在主人剐进家门的时刻开启。 信息技术和网络化技术的发展，为家用电器居家环境集中控制和远程遥 控提供了可能。将信息技术与家电控制技术相融合，在很大程度上实现家庭 生活的信息化和自动化，满足人们舒适、快节奏的生活需要，当家庭采用了 监控系统之后，各种电子设备就能够在几乎无需过问的情况下进行操作。事 实上，任何的电气电子设备和个人的日常安排都可实现自动化，这样人们就 可以少花一些时间去处理家中的琐事，而把更多的时间放在重要的事情上， 提高牛活质量。近年来，国际学术界已意识到互联网不能只停留在信息管理 这种单一层面，而必须深入到控制及家庭之中，所以美国著名的网络公司 e c h e l o n ( 埃旌朗公司) 提出了“b rj n g i n gt h ej n t e r n e tt ol i f e ”，即“把 互联网带入生活中”的口号。 鉴于这种数字化家庭的发展趋势，远程监控作为一种理想的有效的而且 快捷方便的实现途径已被广泛采用。 西北工业人学硕士论文 第一章绪论 1 1 监控系统的发展过程 最初，由于通信技术的制约和信号处理能力的限制，大部分监控系统采 用的是模拟的方式，从信号的采集，传输到显示，都足以模拟方式进行。系 统通过不同的传感器将监控信号收集起来，然后通过专门线路及中继设备将 信号传送到监控中心。监控中心将从四方汇总来的监控信号显示出来，有的 还要进行监控信号的实时存储。目前，一些商场、超巾- 和楼宇还在使用这类 的监控系统。 但是，模拟信号本身的缺陷限制了这类监控系统的应用及发展前景。首 先，需要为系统铺设专门的传输线路，成本高昂，而且线路的利用率偏低； 其次，模拟信号传输易受干扰，工作不稳定，而且难以恢复，尤其是对于远 距离传输更是如此。因此，只适用于数控点比较密集的区域；最后，模拟系 统的开放性较低，且扩展性较差，难以满足用户不断提出的新要求。相对模 拟技术来说，数字技术可以较好地克服这些缺陷。而且随着微电子技术韵不 断进步，以及数字信号处理技术的发展和广泛应用，使得数字设备功能越来 越强，速度越来越快，体积越来越小，且价格越来越低，因而各行各业都掀 起r 数字化热潮。 秉承了数字化的优势，监控系统也向全数字化的方向发展。一方面，先 进的数字通信技术扩大了系统的监控范围，也保证了监控信号远距传输的可 靠性；另方面，微处理器的采用提高了系统的智能化程度，使得系统适用 于无人值守的环境，扩大了监控系统的应用范围。 近年来，计算机网络技术不断提高，随之而来的是网络应用的迅速普及。 目前，计算机网络已遍布世界，i n t e r n e t 更是广泛地进入了人们的生活。一 方面，无论是在工作单位还是在家中，人们都可以方便地接入i n t e r n e t ；另 一方面，基于网络的各种应用和服务层出不穷。因而，网络化是目前数字监 控系统的主要发展方向。 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 1 2 监控系统的发展现状 目前，监控系统的主要应用范围为距离在数百米到数千米的局域嘲。如工 厂车间、无人机房、仓库、超市商场和小区楼宇等的监控方面，监控系统都 得到r 越来越广泛的应用。另外，随着移动电话的普及，各地移动基站的数 目迅猛增加，对远程监控系统的需求也越来越大。 如今，社会上普遍使用的监控系统主要有以下几种： 1 开关面板控制的监控系统 这种监控系统是全模拟式的，在监控现场分别安装各种传感器，以及摄像 机和拾音器等信息采集设备。监控信号经电缆传到监控中心后，通过1 二作人 ?j 员将信号接到相应的显示仪器和扬声器进行现场情况的显示和输出。 这种监控系统的控制核心为监控中心的控制面板，系统每一个动作对应 于操作恧板的一个按钮，当监控点比较少时，这种方式比较适合；但是，当 ? 监控点较多时，系统任务剧增，控制面板庞大，操作麻烦。 、 2 以微处理器为控制核心的监控系统 这种监控系统部分采用了数字技术。系统采用单片机等微处理器将控制 监控现场的指令传送给解码器，由解码器解码，并控制现场监控设备进行数 据采集等动作。 3 以p c 机为控制核心的监控系统 随着计算机技术的发展和p c 机的普及，大部分新开发的监控系统都采用 了p c 机作为控制核心或监控终端。系统通过p c 机将控制指令送给现场监控 ：_ 设备，指示瑷场监控设备完成数据采集等任务，现场监控设备则将现场的监 控信息转换为数字信号，并传给监控中心的计算机完成数据的显示和处理。 一 4 基于计算机网络的监控系统 这种监控系统是在前一种监控系统的基础上发展而来的，由于监控系统 的通信粟用了计算机网络，使得系统的开放性和组网灵活性得到了大大的增 强。 西北工业大学硕_ 上论文第一章绪论 1 3 基于计算机网络的数字家庭监控系统 p c 机介入监控领域后，监控系统也普遍地采用了计算机通信技术。但是 最初仍然需要为监控系统进行专门的布线，以实现现场监控设备和监控主机 的连接，这在一定程度上限制了它的应用和推广。一方面，专门铺设线路必 然增加系统的整体成本；另方面，使用专用网络也会限制组网的灵活性， 给监控网络的扩展带来不便。而且，传统的计算机监控网络常用r s 2 3 2 4 8 5 总线，其最大传输距离一般为5 0 1 0 0 0 米，这使得监控系统的管理范围仍然 较为狭小。 随着计算机网络技术的发展，监控系统开始利用i n t e r n e t 技术实现家庭 网络化。这样一来，可以免去了专门的布线，节省了成本；其次，可以利用 无处不在的计算机网络灵活地组建用户的监控网络，并让监控网络的覆蔷范 围和深度随着计算视网络灼前进步伐，向更广、更深发展。 目前，不少开发商已着手予基于计算机网络的监控系统开发，并开始陆 续推出其相关产品。它们普遍采用了嵌入式技术、i n t e v n e t 技术、w e b 技术 等当今流行技术，产品在功能上大同小异，区别主要在于现场监控嚣接入 t c p i p 网络的方式上。 总体l 讲，监控设备网络化的方案可分为两大类，一类是直接在监控器 上实现t c p i p ，使之直接连上i n t e r n e t ：另一类是使监控器经过通信转换后 通过公共的t c p i p 转接口( 或称网关g a t e w a y ) 与i n t e r n e t 相连。 前一类的典型代表是在监控器中采用w i n dr i v e rs y s t e m 公司的v x w o r k s 及p s o s 操作系统。由于t c p 、i p 协议的复杂性及系统实时性的要求，8 位、 1 6 位的单片机很难满足该系统的要求。后一类的实现方案则有多种。第一种 是用专用芯片来完成监控嚣的单片机与网关间的协议转换。其典型代表为武 汉力源公司的w e b c h i p 芯片。第二种是用代理协议来完成单片机与网关间的 协议转换。其典型代表是中国单片机公共实验室基于e m i t 软件提出的 ， b o l - i s ，f 方案。还有种方案是在监控器与网关之间的通信采用r s 一2 3 2 等“轻 重量级”协议，而后通过网关接入i n t e r n e t 。 显然，后一类方案对我们来说并不理想。由于监控器连入t c p i p 网络时 西北j ：业人学硕士论文 第一章绪论 需要通过专用网关完成协议转换，使得系统结构变得相对复杂，而且增加了 软硬件开销，不利于实际应用与推，“。尤其是当被监控对象少而且非常分散 时，系统就非常不适用了。 而前一类方案就好多了，无论监控对象在哪，只要有i n t e r n e t 或 i n t r a n e t ，监控器就可以像p c 机一样“即插即用”。但是采用较为昂贵的商 用嵌入式操作系统和高档的1 6 、3 2 位单片机，同样使系统的整体成本不菲， 限制了系统的推广范围。 为此，我们开发r 一套性价比较高的监控系统。与一般的监控系统相比， 本系统的主要特点是现场监控设备能真接上网，而由于e t h e r n e t 是全球应用 最广的一种局域网技术，且一般都基于t c p i p 协议，易于与i n t e r n e t 实现 无缝连接，所以现场监控器的网络通信接口采用的就是e t h e r n e t 接l 1 。系统 利用了e t h e r n e t 和i n t e r n e t i n t r a n e t 作为监控信息的网络传输信道，并且 采用了廉价的5 l 系列单片机作为现场监控设备的m c u ，以及使用源码公开的 uc o s 一1 1 实时内核作为现场监控设备的软件平台，从而确保了该系统具有较 高的性价比，而且uc o s 1 1 的使用也为系统今后的二次开发带来了方便。 整个系统由多入完成。作者主要负责现场控制卡的软件和硬件设计，此 外还对j 二位机的监控界面傲了一些补充。在下文中，作者将对该系统的研究 与开发作进一步的介绍。 1 4 论文的结构安捧 论文的结构安排如下： 第一章：绪论。简单介绍监控系统的发展历史以及它的发展现状。针对 基于计算机网络的数字家庭监控系统提出了两种基本方案，并做以比较，确 定最终方案。 第：章：系统介绍。介绍系统所具备的功能，并对hc o s 一1 t 实时操作系 统做 r 简介。 第三章：硬件设计。介绍了系统中各个硬件的设计。包括单片机扩展电 路的设计、复位电路的设计、网络通讯卡与现场控制苦之间的硬件连接以及 p 列工业大学硕士论文 第一章绪论 驱动部分电路的设计。 第四章：软件设计。介绍了系统的软件开发流程。包括现场控制卡的软 件开发，和监控数据库介绍。 第五章：系统调试。包括硬件调试、软件调试和v i s u a lc + + 程序的调试。 第六章：结束语。对系统的总结以及展望。 西北工业大学硕士论文第二章系统介绍 第二章系统介绍 2 1 系统总体设计方案 根据前面所述，对各个解决方案研究及分析后确定以下系统总体设计方案： 将采用上、下位机的方式组建监控系统。下位机工作于监控现场，采用5 1 系列 单片机控制；上位机则用于监控中心，使用一台p c 机。单片机通过各种传感器， 采集数据，通过以太网卡控制芯片实现的网络接口将监控数据传给异地的p c 机， p c 机的远程监控端接收监控信息并存储，然后进行相应处理并发出相应的报警 信息。间时，p c 机也可以向单片机发送指令，控制单片机的监控行为。控制命 令发出去以后，负责现场控制的单片机接受命令，经过信息处理以后再执行。 具体在软件的实现研究中，嵌入式实时操作系统选用nc o s - i i ，把 “c o s 一微操作系统移植到5 1 单片机上，再在此操作系统内核上根据需求创 建自己的任务。在p c 机监控中心，开发一个监控信息数据库。p c 机通过网络接 收到的监控信息存储到数据库中，同时p c 机可以通过所获监控信息，了解监控 现场的情况，并发出相应的命令来控制单片机的监控行为。 2 2 系统具备功能 由于监控系统的用户是一般的家庭用户或小区物业管理中心工作人员。不可 能要求他们花费很多的时间了解系统的应用和操作。因此，系统应该结构简单， 连接方便，可以“即插即用”：同时，应用界面友好，操作简单、方便，不易出 错。 根据以 ：分析并考虑到一般监控系统应该具有的功能，确定了本系统应该具 有的功能和特点如下： 1 数据采集功能：采集监控现场的各种监控数据，按用户需要，采集范围 可包括温度、湿度、火情、盗情等数据信息。 2 异常报警功能：对采集的数据进行现场分析，发现异常时，迅速报警。 西北工业大学颁【：论文 第二章系统介绍 3 网络通讯功能：系统可以将采集到的环境信息和报警信息通过e t b e r n e t 和i n t c r n e t i n t r a n ec 传给监控中心。 4 监控数据存储功能：按照用户的设箕，存储各种环境参数和报警信息， 包括现场存储和数据库存储。分别指报警信息和环境信息在现场监控设备内和监 控中心的数据库中的存储。其中现场监控设备内只存储报警信息，_ 旦系统发生 故障，协助完成系统的故障分析。 5 获取实时监控数据：除了在监控中心可以直接获取现场的监控数据外， 用户应该还可以通过计算机网络从监控中心的服务器获得监控数据。 8 监控系统的用户配置。用户可以按照需要配置监控对象，满足不同的用 户的需要。比如说，原来系统某一通道是进行温度监控的，现在只要更换传感器 变送器，并简单地修改系统设置。就可以改成湿度、电流等其它参数的监控通 道；也可以修改设置，禁用该通道。 7 数据管理功能：用户可以根据其权限，对监控中心数据库中的数据进行 查看、添加、删除、修改等管理。 8 监控中心发送命令的功能：按照用户需要，在出现报警信息而不能立即赶 到现场时发送命令，可以暂时消除紧急状况的恶化；或者是根据用户需要提翦发 送命令，可以更方便的享受生活。例如想让房间先降温，就可以在监控中心发送 让空调打开的命令，回到家就可以享受凉爽的温度。 2 3 现场监控器 现场监控器有数据采集和网络通讯两大功能，现场监控器分为数据采集管和 网络通讯卡馕部分，各由一块单片机控制。 数据采集卡是实现现场数据采集的功能模块。该模块一边连接各种传感器 变送嚣，采集现场数据；另一边连接网络通讯卡，并上传环境信息和报警信息。 在连接传感器变送嚣和报警嚣方面，数据采集卡提供兰种类型的输入通道：模 拟信号、开关信号、无线编码信号。模拟信号如温度、湿度等传感器变送器， 它们的输出通常是在某一连续范围内的电压值。开关信号则是指状态只有“0 ” 和“i ”的变最，它们来自于烟雾、水浸、门磁等传感器报警器。无线编码信号 则是考虑到目前市面上存在大量的无线报警器，如无线烟雾报警器、无线门磁、 西北t ：业大学硕上沦文第章系统介绍 无线震动报警器等等，这些报警器的报警信号都是通过无线编码输出的，此外， 该模块上还配肯r s 一2 3 2 通讯接口，可用于连接提供肯r s 一2 3 2 接口的变送器；也 可以通过r s 一2 3 2 4 8 5 转接头，连接多个采用r s - 4 8 5 接口输出的变送器。 网络通讯及控制 的主要功能是实现现场监控器与监控中心的通讯，将数据 采集卡传来的环境信息和报警信息传给监控中心服务器，另外在监控器启动时， 由它来对各数据采集卡进行初始化，如决定使用哪些通道，模拟通道报警门槛的 大小等等。它的实现的办法是直接在监控器上加载t c p 7 i p 协议，使之直接连i ： n t e r n e t 。考虑到系统褴体成本问题，选用源码公开的c o s 一1 i 操作系统的实 时内核，并对其进行扩展，根据系统需要加入精简的t c p i p 协议。在网络接u 上采用以太网网卡控制芯片，使监控器可以直接连入e t h e r n e t 。 2 4 监控服务器 监控服务器位于监控中心，一般为一台普通的 ) c 机。服务器通过 l n l e r n e l i n t r a n e t 连接现场监控器，并用t c p 、u d p 等掷议实现通讯连接。当 系统启动后，服务器与各现场监控器建立连接，开始搜集监控数据。正常情况下， 服务器先对收集到的环境信息进行数据处理，然后按t 作人员的设定存入监控中 心的数据库，并把数据变化显示在充当服务器的p c 机的显示器上。当监控现场 出现异常情况时，服务器将收到来自于相关监控器的报警数据。这时，服务器同 样是先把报警信息存入数据库，然后在显示器上显示报警，同时通过计算机的声 酱输出设备发出报警声音，提醒工作人员。另外，服务器程序还应从数据库中调 出该监控器的相关信息，如出事点地址( 监控器安装地址) 、负责工作人员信息 等，从而帮助工作人员及时安排故障处理。 可见，监控服务器除了与监控嚣进行网络通讯外，主要的任务就是对数据库 进行操作。数据库中不但有监控器的网络信息、配置信息等数据，还应存有用户 及工作人员的个人信息。 2 。5 现场控制器 现场控制器有接收上位机发送命令的功能。该模块是由一块单片机控制。它 西北工业大学硕土论文第二章系统介绍 与网络通讯卡连接，当现场有报警时，上位机可以直接发出命令，这时现场控制 器接收从上位机发出的控制命令，并把命令传给电机，使电机收到信号后有所动 作。而且在现场无报警情况，上：位机也可主动访闽，根据具体需求发送控制命令， 控制现场情况。此外，该模块e 还配有r s - 2 3 2 通讯接| ：j ，可用f 连接提供有 r s 一2 3 2 接口的变送器。 2 6t xc o s - i i 实时操作系统简介 由于数据采集卡和网络通讯卡的软件开发都是在t 3 c o s i i 的环境下进行 的，f 威简要介绍一下uc o s 1 1 实时操作系统。uc o s t i 是个源代码完全公开 的实时嵌入式操作系统，源代码绝大部分用c 语言编写，可移植性强，系统功 能可根据需要裁减，是采用占先式实时内核多任务操作系统。 使用uc o s i i 开发单片机控制软件，首先熟悉了pc o s i i 这个操作系统， 并且完成它在m c s 5 1 徼处理器上的移植，然后在uc o s 1 i 上开始设计多任务 f 任务y n t t 应用程序1 ，即单片机所要完成的功能，都是在uc o s h 的任务中实 现的。 uc o s 1 i 是个代码完全公开的实时嵌入式操作系统，源代码绝大部分用c 语言编写，只有少数与c p u 相关的部分代码才使用汇编编写，可移植性强，与 微处理器硬件相关的那部分是用汇编写得，使得uc o s 1 1 便于移植：使用u c o s i i 时可以根据用户需要只使用应用程序，这样就减少所需空间；uc o s i i 总是运行就绪条件f 优先级最高的任务，并可以管理多达6 4 个任务，除去8 个 留给系统，应用程序最多可以有5 6 个任务；uc o s i i 允许每个任务有不同的栈 空间，以便压低应用系统对r a m 的要求。正是因为1 1c o s - i i 实时操作系统有 如此多优点，对c 编译器也提出了一定要求，选择了德国k e f l 公司的功能强大 的单片机c 语言集成开发环境，保证了工作的顺利进行。图2 1 显示uc o s i i 软、硬件体系结构，指明了操作系统移植需要完成的工作是改写三个文件，即改 写文件o s c p u h 、o sc p u a a s m 和o sc p u 二c c 。其中o sc p u h 定义了 与处理器相关的变量，宏和类型定义。o sc p u - a f a s m 中有几个汇编语言函数 和中断服务程序，o s s u m h i e ) 位d y o 、o s c t x s w ( ) 、o s i n t c t x s w ( ) 是与任务切换相 关的函数。 西北工业大学硕上论文第二章系统介绍 应用程序软件 u c o s i i 设置 ( 与c p u 无关的代码) o sc o r e cu c o si i c u c o s ii 设置 o s 螂j o x cu c o st i h ( 与应用相关的代码) o s 川瑚c 0 s f g h o sq c i n c l u d e h o ss 跏c o st a s k c o st i i l e c u c o s - i i 移植( 与c p u 相关的代码) o sc p u h 。 、 一 o sc p ua a s m 0 sc p uc c 一 一 一一一一一一一一一一皇啦一一一一一一，一 图2 - ipc o s i i 硬件和软件体系结构 o s t i c l d s r ( ) 时钟节拍中断服务函数，用以实现时间的延时和期满功能； s e r y _ i s r o串行中断服务程序。0 邺p uc c 里面主要包含两个函数， o s t a s k s t l d n i t ( ) 完成任务堆栈结构的初始化，t i m e t i c k c o n f i g ( ) 设置m c s 一5 1 的时 钟r o 的工作方式，t o 是uc o s i i 用来实现时钟节拍。其余函数主要是为了实 现在切换别的工作前要做的一些准备工作。 一个任务看上去像是一个c 语言函数，它通常是一个无限循环，决不会返 回，返回参数必须定义为v o i d 。如下： ： v o i dy o u r t a s k ( v o i d 脚) f o r ( ；) 产用户代码+ o s s e m p e n d o ； 系统调用等待信号量等功能+ o s t i m e d l y 0 ； 严系统调用延时程序等功能+ ， 幸用户代码 西北工业大学颀士论文 第二章系统介绍 】 uc o s i i 可以管理多达6 4 个任务，系统保留使用g 个( o 5 四个优先级最高 的和o sl o w e s tp r i o - 3 到o sl o w e s tp r i o 四个优先级最低的1 ，用户可 以使用最多5 6 个应用任务。每个任务必须有不同的任务优先级优先级号越低， 优先级就越高。 为实现各个任务之间的通信以及数据共享的，hc o s i i 提供了三种方法： 信号最、邮箱和消息队列。系统采用了信号量作为任务间通信的手段。接下来简 单介绍一fuc o s i i 中信号量的用法。 uc 0 s 1 1 中信号量有两部分组成：一个是1 6 位无符号整数( 0 - - r 6 5 5 3 5 ) 信号 量的计数值；另_ 个是由等待该信号量的任务组成的等待任务表。要使pc o s ，i i 支持信号量，应将o sc f g h 头文件中的o ss e me n 开关量常数置成1 。使用 信号量之前先要建立信号量，用o s s e m c r e “t e ( ) 函数，参数是要给信号量置的初 值。pc o s i i 提供了5 个对信号量进行操作的函数o s s e m c r e a t e o ，o s s e m p e n d ( ) o s s e m p o s t ( ) ，o s s e r r m c c c p t ( ) , o s s e m q u e r y o 。它们之间关系如下图。 o s s e m c r e a t e0 图2 2 任务、中断服务程序和信号量之间的关系 o s s e m p e n d o 等待一个信号量。若信号量当前可用( 信号量的计数值大于o ) ， 将信号量计数值减l ，然后程序返回，继续往下执行；若此时信号量无效，则调 用o s s e m p e n d o 的任务要进入睡眠状态等待另一个任务或中断服务程序发出该 信号量。o s s e m p e n d o 允许用户定义一个等待时间作为它的参数，参数若为0 ， 表示一宜等待下去。 o s s e m p o s t o 的作用是发送一个信号量，o s s e m a c c e p t ( ) 是无等待的请求一个 阿- f t ：e 业大学硕士论文 第二章系统介绍 信号量，当信号量无效时，只是简单的返回而不会让该任务进入睡眠状态，不同 于o s s e m p e n d 0 。o s s 锄q t l e r y ( ) 奁询一个信号量的强前状态，得到当前该信号 景的等待任务列表和计数值。 系统的开发没有使用到uc o s i i 的邮箱和消息队列功能，原因在与信号量 足以实现任务间通信，并且减少的目标代码的长度，使得软件更小巧。 西北工业大学硕士论文第三章硬件设汁 第三章硬件设计 通过上一章系统的总体介绍，我们已经知道系统的犬体框架：现场监控器通 过传感器变送器从现场获得各种监控数据，并将数据传给监控中心，监控中心 的p c 机接收到数据后若是正常情况对信息进行数据处理，并存入监控中心的数 据库；若监控现场出现异常情况，报警数据会先被存入数据库，然后在显示器显 示发生异常的详细报警信息。这时就可以根据信息发送相应的控制命令，远程控 制现场。另外，当监控中心想要主动查询现场情况时或是直接发送控制命令，也 可以通过p c 机发送指令，现场控制器负责接收，并执行指令。 对于现场监控器和现场控制器都是分别由各自的单片机来组成，现场控制器 的硬件设计与现场监控器硬件设计一样，都是包含了单片机最小系统的扩展，再 加上各自的功能模块。下图3 一l 中是现场控制卡的硬件框图。另外再附上数据采 集卡和网络通讯卡的硬件框图，如图3 2 和图3 3 所示。 网络通讯卡 。 图3 一l 现场控制卡的硬件框图 罩离 ! 。 耍i ! 三些查堂堡主垒壅一笙三童堡堡堡生 r a mk 乇缱报警信号 泉集电路 网络通讯卡 l 一? 、j 厂 ，7 二7 ；i 一。 ，r ，r 一 嚣影 ；爿一k 苫0 2 ”i m r s 2 接口 图3 - 2 数据采集卡硬件框图 数据采集卡 _ 。7 l 一1 传蓐o 、r 一| 蹙避b 。 传撼器， o 变送b 图3 - 3 网络通讯带的硬件框图 1 5 路 电 电 一 一 集 集 一 采一 采 一 一 号 ，l 开 哑 砸 懈 _f|l 西北工业大学硕士沦文 第三章硬件设计 本次毕业设计中，系统硬件设计丰要包括两部分内容：一是单片机系统的扩 展部分设计，生要是系统存储器的扩展，存储器扩展指e p r o m 、r a m 的扩展等。 二是功能模块的设计，包括通信功能模块、电机驱动模块。 3 1 单片机系统的扩展 3 1 1 系统存储器的扩展 本系统使用的单片机为w i n b o n d 公司的7 8 e 5 8 b 单片机。7 8 e 5 8 是一款 以8 0 5 1 为核心的单片机，它具有集成度高、指令功能强、运算速度快、f o 接口 功能强、可靠性高等优点，包含3 2 k 字节的片内f l a s h 电擦写程序存储器；4 k 字节附加r o m ：5 1 2 字节片内r a m ：三个1 6 位定时器计数器：一个串u 。该 芯片还包括8 个中断源，2 个中断优先级的中断资源。 3 2 k 字节的程序存储器对于系统来说已经足够了，所以没有扩展扩展外部程 序存储器，所以在硬件框图中不必添加外部r o m ，节省了系统开销，还可以省 却部分电路、连线，减少了干扰源。然而，7 8 e 5 8 b 只有5 1 2 字节的片内r a m ， 远远不能满足系统功能的要求，故采用了8 k 字节的静态r a m 6 2 6 4 做为外部数 据存储器。6 2 6 4 足8 k x 8 位的静态随机存储器芯片，它由单一+ 5 v 式供电，额定 功耗2 0 0 m w ，典型存取时间为2 0 0 n s 。有1 3 根地址线，为a 0 a 1 2 ，有两个片 选端( c s i 、c s 。) 在进行系统硬件设计时，首要闯题是确定硬件电路的总体方案，即为实现全 部功能所需要的所有硬件的电气连线原理图。f 图3 4 给出的是硬件连接原理 图。 西北工业大学硕士论文第三章硬件设计 图3 - 4 是现场控制卡单片机扩展数据存储器以及单片机外围电路的连线圈 m c s 一5 1 单片机访问外部程序存储器所用到的控制信号有：a 【e ，低8 位地址 4 锁存控制：p s e n ，外部程序存储器“读取”控制。在外部存储器取指期间，p 0 口 和p ，口的1 5 根i o 线输出地址码，其中p o 口作为分时复用地址数据线，它送 出程序计数器孛的低八位地址( p c l ) ，由a i ，e 信号选通地址锬存嚣7 4 l s 3 7 3 ，然 后变成浮置状态等待读出的指令码，而匕口输出的程序计数器中的离七位地址 ( p c h ) 保持不变。最后用p s e n 作为选通e p r o m 的信号将指令码读入单片机。 单片机访问外部数据存储器所用到的控制信号为w r 和r d 。p 0 口为r a m 的 分时复用地j a l 数据线，p 2 口的5 根线( a 。a ，2 ) 对r a m 进行页面寻址。在对 外部r a m 进行读写操作的期闯，c p u 产生r 脉信号。在c p u 对外部数据存储 器读周期中，p 2 口输出外部r a m 的高八位地址，r ot 2 分时传送低八位地址和数 据。当a l e 信号为高电平时，p o 口输出地址有效，a l e 的下降沿信号将此地址打 西北工业大学硕：b 论文第三章硬件设计 入外部地址锁存器中，接着p ol - q 变为输入方式，读信号r d 有效，选通r a m ，相 应存储单元的内容送到p o 口上，由c p u 读入到累加器。同样，对外部数据存储 器的写周期中，a l e 下信号为低电平时，w r 有效，选通r a m ，p o 口i _ ：相应存储单 元的内容由c i ，u 读入累加器。 3 1 2 复位电路设计 系统硬件复位电路( r e s e t 电路) 必须准确、可靠。为了使单片机能可靠的复 j 位，在设计复位电路时，通常使r e s e t 引脚保持两个机器时钟即l o m s 以上的高 电平。当r e s e t 引脚由高电平变为低电平后u 从地址o x 0 0 0 0 处开始执行程 序。h c u 初始复位不影响内部r a m 的状态，包括工作寄存器r o a r 7 。 常见的复位电路连接有以下几种。 上电复位如图3 - 5 ( a ) 所示。在通电瞬间，由于电容c 通过电阻r 充电， 在r e s e t 端出现正脉冲，单片机加电后自动复位。 电平方式开关复位电路和脉冲方式开关复位电路如图3 - 5 ( 6 ) 所示。 v c ci o 一 i 3 - 5 a ) v 3 5 ( b ) 图3 = 5 常见复位电路 本系统的复位电路采用了电平式开关复位与上电复位，另外复位引脚还与网 ， 络通讯卡上m c u 的一个i 7 0 口连接。使用这种复位电路，当该l l c u 中的程序在运 行过程中出现问题的时候，就可以通过网络通讯卡上的m c u 使之复位，重新恢复 正常工作。虽然这种复位电路干扰易串入复位端，但是一般不会造成单片机的错 误复位。复位电路如图3 - 6 所示，但要注意的是这种复位电路要与手动的开关复 西北业大学硕士论文第三章硬件设计 位电路隔离，以免复位功能失效，甚至短路。 3 2 接口实现 图3 - 6 复位电路 3 2 1r s 2 3 2 异步串行通信单元 i | 0 k 随着计算机及工业用p c 的普及，串行通信将成为向数控系统输入的主要方 法。随着计算机网络的不断发展，串行通信将发挥越来越大的作用。不仅可以传 送、接收数据或命令，也为系统调试提供了新韵途径。 设计这部分硬件单元，主要是为了系统调试的需要。在调试阶段，通过串行 通信端口，向计算机输出调试的结果，有利于观察系统运行的状态。另外一个目 ， 的是为了将来系统扩展的需要，可以方便的通过串行通信端 二】，向系统输入必要 的命令和信息。 本系统采用r s 2 3 2 最简单的全双工通信方式，只用r 三根线，即串行接收 r x d 、串行发送t x d 和接地