（测试计量技术及仪器专业论文）基于nios的gsm短信报警平台的设计.pdf

嬲螋 河北科技大学学位论文原创性声明 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。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。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 一 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：数欲 2 年朗沙日 指导教师签名：函稀旧 2 矶年箩月汕日 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 叻保密。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 敬白父 指导教师签名： 年月 日 确l 粥 年月日 摘要 摘要 随着移动通信事业的飞速发展，移动通信技术应用领域的不断扩大，g s m 短 信息收发系统终端的设计与应用倍受关注。设计实现了t c 3 5 i 与n i o s 微处理器进 行串行通信的电路，搭建了一个g s m 短信息的收发平台。收发平台可以完成短消息 收发、语音数据呼叫、与p c 机进行串行通信等功能；具有功耗低、体积小、液晶显 示、实现简单等优点；并能实现对短信息状态的检测与控制。收发平台已应用在报 警平台设计中。实践证明系统具有工作稳定、操作简单、通信成本低、信道利用率 高、系统容量大、业务种类多、保密性能好、抗干扰能力强等特点，具有广阔的市 场前景。 报警平台以a l t e r a 公司的c y c l o n e 系列f p g a e p 2 c 5 为核心，在其外围扩展 f l a s h 、s r a m 、a d 、d a 、键盘、l e d 显示、l c d 显示、串口通信、v g a 接口、 p s 2 接口和u s b 接口等器件，使其成为_ 个完整的嵌入式系统，系统采用模块化设 计，各个模块之间可以自由组合，使得该开发板的灵活性和可扩展性大大提高。同 时开发板所提供的丰富的接口模块，供人机交互和器件间通信使用，方便了开发者 的设计和系统的嵌入，采用嵌入n i o s 核的f p g a 作为信息处理和控制核心，用于 完成对g p s 数据、短消息等数据的处理以及对各模块的控制功能，其开发效率与可 靠性很高，结构紧凑、资源占用少；通信模块采用了成熟的工业级s i e m e n s t c 3 5 模 块，采用a t 指令进行控制，实现短消息的收发以及短消息内容提取等功能；此外， 在f p g a 上还扩展了红外报警监测、数据存储器等功能模块，以及其他外部模块接 口，使得报警系统功能更为丰富。软件开发过程中采用模块化方法，分别设计了报 警数据数据采集、短消息收发等应用软件模块；并对系统功能进行细化，由各软件 模块搭建系统功能模块，完成系统软件工程设计。 关键词报警平台； 嵌入式系统；n i o s ；f p g a ；g s m a b s t r a c t w i t ht h er o c k e t i n gd e v e l o p m e n to ft h em o b i l e c o m m u n i c a t i o np r o j e c ta n d e x p e n d so f a p p l i c a t i o nf i e l do fm o b i l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，m o r ea n dm o r ep e o p l e a r ep a y i n g a t t e n t i o n st ot h ed e s i g na n da p p l ic a t i o no f g s ms m s o fs e n d i n ga n dr e c e i v i n gt e r m i n a l d e v i c e t h ed e s i g na d o p t st h e n e w e s tg s mo fs e n d i n ga n dr e c e i v i n gm o d u l et c 3 5 io f s i e m e n sc o m p a n y i td e s i g n sac i r c u i to f c o m m t m i c a t i o nb e t w e e nt c 3 5 i a n dm c u ；m a k e s o u tas y s t e mo fs e n d i n ga n dr e c e i v i n go fg s m s m s t h es y s t e mc a l ls e n da n dr e c e i v e s m s 。m a k eac a l la n dc o m m u n i c a t ew i t hp c t h es y s t e mh a sm a n y a d v a n t a g e ss u c ha s 1 0 wd o w e r 1 0 s i n g ，s m a l ls i z e ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，s i m p l ym a k i n ga n ds o o n t h es y s t e m a l s oc a l ld e t e c ta n dc o n t r o lt h es t a t eo fs m s t h ew a t c h i n ga n dt h em a n a g e m e n ts y s t e m o f 仃世i ch a v eu s e di tn o w i ti sc l e a r 也a t - t h es y s t e mw o r k ss t a b i l y ，o p e r a t e ss i m p l y ，c o s t s l i t t l e ，m a k e sg o o du s eo fc h a n n e l ，w i t hl a r g ec o n t e n t ，m a n yk i n d s o f s e r v i c e s , k e e p i n g ? s e c r e t ，a n t i - ja m m i n ga n d ag o o dm a r tf u t u r e t h ed e v e l o p m e n tb o a r di sb a s e do na l t e r ac y c l o n ed e v i c e e p 2 c 5 ，t h eb o a r de x t e n d s s e v e r a jp e r i p h e r a ld e v i c e ss u c ha s ，f l a s h ，s r a m ，a d ，d a ，l e d ，l c d ，k e y b c a r d ，s e r i a l p o r t ，v g ai n t e r f a c e ，p s 2i n t e r f a c e ，u s bi n t e r f a c ea n ds oo n a ut h ed e v i c e sc o n s t i t u t e a l l i i l t e g r a t e de m b e d e dd e v e l o p m e n ts y s t e m t h ed e v e l o p m e n tb o a r do f f e r s b sp l e n t yo f i 1 1 t e i f i a c e st om e e tt h en e e do ft h ed e v i c ec o m m u n i c a t i o na n d t h ei n t e r c o m m u n i o nb e t w e e n h u m a na n dc o m p u t e r ，w h i c hm a k e st h ed e s i g na n dt h ee m b e d d i n go ft h es y s t e mm o r e e a s i e r t h en i o sd e v e l o p m e n tb o a r dc a nm e e tt h en e e do fs c i e n t i f i cr e s e a r c h e r sa n d o t h e r c o l l e g er e s e a r c h e r s t h i sm o n i t o r i n gp l a t f o r ms y s t e mu s e sf p g ae m b e d d e dw i t hc o r e 8 0 5 1a s i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n ga n dc o n t r o lc e n t e r ，t oc o m p l e t e t h ed a t ap r o c e s s i n gs u c h a sw a r m n m g i i d - 0 n n a t i o n , s h o r tm e s s a g ea n d s oo n ，a sw e l la st h ec o n t r o lo fo t h e rm o d u l eo ft h e p l a t f o m l ；i t s d e v e l o p m e n ti sh i g he f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y ，a n di t ss t r u c t u r e i sc o m p a c ta n d o c c u p i e sl e s sr e s o u r c e s ；c o m m u n i c a t i o nm o d u l eu t i l i z i n g am a t u r ei n d u s t r i a ls i e m e n s t c 35i n o d u l e w h i c h i sc o n t r o l l e db ya ti n s t r u c t i o ns e t ，t o r e a l i z et h ef u n c t i o no t s h o r t m e s s a g es e n d i n ga n dr e c e i v i n ga n ds h o r tm e s s a g ec o n t e n tr e a d i n g i na d d i t i o n ，t h e f p g aa l s ob ee x t e n d e di n f r a r e da l a r m ，d a t am e m o r y a n do t h e rf u n c t i o nm o d u l e s ，a sw e l la s o t h e rp e r i p h e r a lm o d u l ei n t e r f a c e s ，t om a k et h ep l a t f o r ms y s t e mh a sm o r ef u n c t i o n i nt h e p r o c e s so fs o f t w a r e l l a b s 仃a c t ：= = _ 目i l = ；= = = = = = = = 目_ _ = = = j = = = l 目= = = = = = = = = = = = _ _ i _ = i _ _ _ i 目= = = = = = = = = = = = = = = k e y w o r dw a r n i n gs y s t e m ；s o p c ；n i o s ；f p g a ；g s m ； i i i 河北科技大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t ? i i 第1 章绪论1 1 1g s m 系统概述”1 1 2s o p c 系统概述2 1 3国内外现状及发展趋势2 1 4 课题的研究内容4 1 5 论文结构安排4 第2 章n i o s 系统硬件平台设计6 2 1 嵌入式系统6 2 1 1 嵌入式系统的特点6 2 1 2 片上系统和可编程片上系统7 2 2n i o s 嵌入式处理器8 2 2 1n i o s 嵌入式处理器特性8 2 2 2n i o s 嵌入式处理器系统组件9 2 2 3a v a l o n 交换结构总线l o 2 3 系统设计目标1 2 2 4 系统设计原理”1 2 2 5 开发板组件与理论分析1 4 2 6 开发板电路设计原理图与p c b 布线图1 6 2 7f p g a ：e p 2 c 5 t 1 4 4 q c 2 4 0 c 8 的特性和电路设计1 7 2 7 1 特性和封装1 9 2 7 2 引脚说明1 9 2 7 3 工作条件j 1 9 2 8串行配置器件：e p c s l 的特性和电路设计“1 9 2 8 1 c y c l o n ef p g a 的配置1 9 2 8 2串行配置器件：e p c s l e p c s 4 2 1 2 8 3e p c s l 的电路设计2 2 2 9s r a m ：i d t 7 1 v 0 1 6 的特性和电路设计“2 3 2 9 1 器件特性”2 3 i v 目录 2 9 2i d t 7 1 v 0 1 6 工作方式”2 3 2 9 3i d t 7 1 v 0 1 6 的电路设计2 4 2 1 0f l a s h ：a m 2 9 l v 8 0 0 b 的特性和电路设计2 6 2 1 0 1器件特性2 6 2 1 0 2 器件工作方式描述2 7 2 1 0 3a m 2 9 l v 8 0 0 总线操作2 8 2 1 0 4a m 2 9 l v 8 0 0 的电路设计“2 8 2 1 1 底板概述一2 8 2 1 2 高速a d ：t l c 5 5 4 0 31 2 1 3 高速d a ：d a c 9 0 8 “3 3 2 1 4 低速a d ：m c p 3 2 0 2 3 4 2 1 5 低j 惠d a ：d a c 7 5 1 2 3 6 2 1 6l e d 数码管及键盘管理器件：z l g 7 2 8 9 a 3 7 2 1 7图形l c d 液晶显示屏：h d 6 1 2 0 2 “3 9 2 1 8红外热释电传感器电路设计叶撵”4 1 2 1 9本章小结! 4 3 第3 章n i o s 核的开发与调试4 4 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 3 8 3 9 第4 章 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 q u a r t u si i 及其开发流程4 4 s o p cb u i l d e r ”4 5 g e r m s 监控二_ 4 6 片内r a m 、r o m 调试4 7 g e r m s 监控调试5 2 扩展s r a m 调试5 7 扩展f l a s h 调试5 9 e p c s l 调试6 2 本章小结”6 3 g s m 短消息模块设计 短信收发模块t c 3 5 i a t 指令6 7 p d u 6 9 数据通信电路的设计”7 0 s i m 卡电路的设计7 1 t c 3 5 i 的硬件电路设计7 3 本章小结”7 3 n 河北科技大学硕士学位论文 第5 章短信平台的软件设计与调试”7 5 5 1 基于n i o s 核的程序设计”7 5 5 2 上位机软件的程序设计”7 9 5 3降低功耗的措施8 0 5 3 1 电源电压8 0 5 3 2 时钟频率8 0 5 3 3 低功耗软件控制”8 1 5 3 4t c 3 5 1 的睡眠模式8 2 5 4a t 指令发送p d u 短信实例详解8 2 5 5 系统调试”8 6 5 6 本章小结8 6 结论8 8 附录1 ：系统p c b 图8 9 附录2 ：短信报警程序- 9 0 参考文献”9 6 攻读硕士学位期间发表论文9 9 致谢10 0 个人简历1 0 1 v i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1g s m 系统概述 g s m 系统是目前基于时分多址技术的移动通讯体制中比较成熟、完善、应用最 广泛的一种系统。目前己建成的覆盖全国的g s m 数字蜂窝移动通信网，是我国公众 移动通信网的主要方式。主要提供语音、短信息、数据等多种业务。基于g s m 短消 息功能可以做成传输各种检测、监控数据信号和控制命令的数据通信系统，能广泛 用于远程监控、定位导航、个人通信终端等领域。由于公众g s m 网络在全球范围内 实现了联网和漫游，建立上述系统无须再组建专用通信网络，所以具有实时传输数 据功能的短消息应用将得到迅速普及。 短消息业务连接简单、费用低廉、覆盖范围广、实现方便，它通过无线控制信 道进行传输，经过短消息中心完成存储和转发功能，每条消息的信息量为1 4 0 b i t 。在 短消息的可靠传递基础上，g s m 专业调制解调器的出现给g s m 的发展注入了新的 活力。单片机与手机一般采用串行异步通信接口，具有红外和通信电缆两种连接方 式，通信速度可设定，通常为1 9 2 0 0 b p s 。采用红外接口的优点是单片机系统与手机 电气隔离，相互不干扰，接口各自独立，使用方便；缺点是通信距离较短，方向性 对接口相对位置有要求。采用电缆连接时，数据传输的可靠性较好；其主要缺点是 接口的电气参数不兼容，设计不当时会对手机的通信质量产生影响。 g s m 的短信息业务s m s 利用信令信道传输，这是g s m 通信网所特有的。它不 用拨号建立连接，把要发的信息加上目的地址发送到短信息服务中心，经短消息服 务中心完成存储后再发送给最终的信宿。所以当目的g s m 终端没开机时信息不会丢 失。每个短消息的信息量限制为1 6 0 字节，与前两种接线方式相比具有明显的优势。 g s m 系统由于其性能优异，应用范围很广；可以用于空中交通管理、大地精密 测量、摄影测量、监测地壳运动、火山活动、野外调查和勘探的定位、地面沉降； 也可用于民用，如建筑、汽车、旅行探险、狩猎等方面。但是如何将定位数据传递 到监控中心一直是相应系统关注的焦点。目前，移动子系统和监控中心子系统之间 往往通过短消息方式传送数据。这种方式采用通常的无线g s m 发送接收设备就能实 现短消息的传送，实现简单，具有通信成本低、频谱利用率高、系统容量大、业务 种类多、保密性能好、抗干扰能力强、国际自动漫游等优点，它利用信令信道传输， 不用拨号建立连接，直接把要发的信息加上目的地址发送到短消息服务中心，由短 消息服务中心再发给最终的信宿，是目前应用最广泛的通信方案。 目前，在相关的系统中往往使用手机模块( 摩托罗拉、西门子等均有相应的产 河北科技大学硕士学位论文 品) 来实现与短消息中心的联系。主要原因在于：使用手机模块利于系统集成，成 本较低，方便于用户的二次开发，在偏远地区、海岛等架设通信线路困难或不经济 的地方，工程服务设施也可以自由灵活地设置，不再受地形条件的限制。而使用手 机虽然也可以实现相应功能，但是需要外加数据线，成本相当高。总之，g s m 模块 价格低廉、应用广泛，有着诱人的应用前景。 目前，国内已经开始使用的g s m 模块有f a l c o m 的a 2 d 系列、w a v e c o m e 的 w m 0 2 系列、西门子的t c 3 5 系列、爱立信的d m l 0 d m 2 0 系列、中兴的z x g m l 8 系列等，而且这些模块的功能、用法差别不大。其中西门子的t c 3 5 系列模块性价比 很高，并且已经有国内的无线电设备入网证。所以本设计选用的是西门子t c 3 5 系列 的t c 3 5 i 。这是西门子推出的最新的无线模块，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。t c 3 5 i 与g s m2 2 + 兼容、双频( g s m 9 0 0 g s m l 8 0 0 ) 、r s 2 3 2 数据口、符合e t s i 标准g s m 0 7 0 7 和g s m 0 7 0 5 ，且易于升级为g p r s 模块。该模块 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。 1 2s o p c 系统概述 嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统，包括硬件和软件两大部分。 硬件包括处理器、存储器、输入输出接口和外部设备等，软件包括系统软件和应用 软件，嵌入式系统的系统软件和应用软件紧密结合。 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，有硬核和软核之分。常用的嵌入式处理器 硬核有a r m 、m i p s 、p o w e r p c 、i n t e lx 8 6 和m o t o r o l a6 8 0 0 0 等；a l t e r a 公司开发的 n i o s 是1 6 3 2 位嵌入式处理器软核。和硬核相比，软核的使用灵活方便。 n i o s 嵌入式处理器是可配置的通用r i s c 处理器，可以很容易地与用户逻辑相结 合，集成到a l t e r af p g a 器件中。n i o s 具有1 6 位指令系统，用户可选择1 6 位或3 2 位数据宽度和可灵活配置的标准外围设备及软件库。n i o s 系统将处理器、存储器、 输入输出接口和其他i p 核灵活地集成到s o p c 设计中。 1 3 国内外现状及发展趋势 1 9 8 4 年世界上第一座智能大厦在美国诞生，很快掀起一股“智能建筑 热潮。 在短短的十几年中美国、日本、欧洲的几万座智能大厦纷纷建成。美国1 9 8 6 年成立 了“智能建筑协会”，其会员横跨1 7 个国家，并宣布1 9 9 5 年以后要大幅度增加智 能型大楼的比例。日本建设省1 9 8 5 年成立了国家智能建筑专业委员会，对智能建筑 的发展给予政策上的支持，使日本在智能建筑上成为发展非常快的国家。据统计， 日本新建的建筑物中6 0 以上是智能型的。进入9 0 年，英国、法国、加拿大、瑞典 等国家都相继建成一批有自己特色的智能建筑。 2 第1 章绪论 现代安防监控系统已有了新的概念，通常称为安全自动化s a s ( s e e u r i t y a u t o m a t i o ns y s t e m ) ，并与防火自动化系统f a s ( f i r ea u t o m a t i o ns y s t e m ) 共同构成智 能建筑系统最底层的系统。目前国外发达国家己逐渐形成一个集安防、消防、医疗 救护为一体的安全保障行业。安全技术防范行业真正形成行业规模是在第二次产业 革命中，即1 9 5 0 年1 9 7 1 年，首先在美国、英国等国家形成像d e m c o ( 安定宝) 、 v i c o n ( 维康) 、c h u b o ( 集宝) 、a m e r i c a ( a d ) 等。6 0 年代视频图像技术、7 0 年代 计算机数字技术、8 0 年代生物识别技术以及9 0 年代国际互联网技术的应用，使安防 行业得到快速发展。 8 0 年代日本正处于住宅建造过剩，房产市场清淡时期，日本政府抓住了智能住 宅的概念，推动房地产的振兴。邮电省与通产省于1 9 8 6 年组织日本的机械工业协会 与电波技术协会共同组建h b s 标准委员会，这里h b s 是指家庭总线系统( h o m eb u s s y s t e m ) 19 9 8 年初成立了“日本住宅信息化推荐协会”。从而进一步促进了日本智 能住宅的发展。当时提出对住宅区内所有住宅的信息管理采用超级家庭总线技术 ( s h b s ，s u p e r h o m eb u s s y s t e m ) 。1 9 9 0 年前后，日本建立了一个高水平示范性 的智能住宅区，美国、新加坡也都建有基于e i 的智能化住宅系统( h i s ) 及其通信标准 一家庭总线( h d s ，h o m ed i s t r u d u t i o ns y s t e m ) 的智能化住宅。 我国从1 9 9 7 年初开始制定小康住宅电气设计( 标准) 导则( 讨论稿) ，在“导则” 中规定了小康住宅小区电气设计总体上应满足以下的要求：高度的安全性，舒适的 生活环境，便利的通信方式，综合的信息服务，智能化家庭系统。同时也对小康住 宅与小区建设在安全防范、家庭设备自动化和通信与网络配置等方面提出了三级设 计标准，即第一级为“理想目标”，第二级为“普及目标”，第二级为“最低目标”。 在我国，小区安全防范报警系统己成为智能小区中实现安全管理的重要系统， 根据我国建设部的规定，主要包括电视监控、防盗报警、求助求救、煤气泄漏报警、 消防报警等内容。该系统是一种比较完善的安全防范系统，通过在可视对讲的基础 上，不断扩展主机功能，增设室内各探测器的比较信号。室内分机有多个探测器接 口，可接收烟雾探测器、温度探测器、红外及微波探测器、煤气泄漏探测器等传来 的报警信号。我国智能建筑的建设始于1 9 9 0 年，北京的发展大厦可谓是我国智能建 筑的雏形，随后建成了北京燕莎中心、上海商城、广州世贸中心、南京禄口机场等 一批具有一定智能化的建筑。 我国智能住宅与智能小区虽然起步比较晚，但发展速度却很快。以北京、深圳、 上海、广州等较发达的城市为龙头在近几年内形成了一股智能化住宅热。目前，公 安部、建设部均要求智能住宅小区必须具有安防系统。可以预见，智能住宅、智能 小区将成为2 1 世纪建筑业的发展主流。特别是在我国，随着人们生活水平的日益提 高，住宅小区是否智能化，安防系统是否完备、可靠将成为评价住宅小区的重要指 3 辫：， 河北科技大学硕士学位论文 标。 本文所要介绍的g s m 短信报警平台，正是在智能住宅蓬勃发展的背景下为了满 足用户对安全的强烈要求而设计并开发的。本文提出一种基于公用g s m 网络的智能 住宅安全监控系统的设计思想并加以实现。该系统利用成熟的g s m 网络技术传输报 警信号。 1 4 课题的研究内容 短信收发系统的核心是西门子的g s m 模块t c 3 5 i ，它主要由g s m 基带处理器、 g s m 射频模块、供电模块( a s i c ) 、闪存、z i f 连接器、天线接口六部分组成。搭建 出与t c 3 5 i 协调工作的外围电路，是整个系统稳定工作的关键。本设计通过两种途 径进行设计：一是通过c h 3 4 1 实现计算机和t c 3 5 i 的通信，单片机a t 8 9 c 2 0 5 1 负 责t c 3 5 i 的启动和网络状态检测，最终形成一种带u s b 接口的无线m o d e m ；二是通 过单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 和t c 3 5 i 进行串行通信，同时负责t c 3 5 i 的启动和网络状态 检测，最终形成一种手持式的短信收发设备。设计结果表明这两种设计途径都成功 的制作出了具有短信收发功能的收发平台，工作稳定，扩展性强。 本设计以g s m 网络作为数据无线传输网络，可以开发出多种前景极其乐观的各 类应用。典型的应用有：变电站、电表、水库或环保监测点等监测数据的无线传输 和无线自动警报；远程无线控制高压线路断电器、防洪拦阻系统或其它机电系统的 启动和关闭：控制和监测香烟、食品和饮料自动售货机的运行状态和存货水平等。 这里选用g s m 模块t c 3 5 i ，给出其与p c 机的通信电路；同时，也给出与n i o s 核 制成一款无线m o d e m ，与p c 机协同收发短信，在p c 和应用系统之间以此m o d e m 和g s m 网络为纽带，实现远地数据的传输平台。其工作模式如图1 1 所示： 图卜1 短信收发系统的工作模式框图 f i g 1 - im e s s a g i n gs y s t e m sw o r kp a t t e r nd i a g r a m 1 5 论文结构安排 根据完成的工作，本文的内容安排如下： 4 第1 章绪论 第1 章主要介绍了目前报警平台的现状和本文的主要工作。 第2 章主要对硬件结构和设计方法进行了介绍。首先对a l t e r a 公司的e p 2 c 5 芯片进行简单介绍，然后对红外报警c o d e c ，存储器和串口电路等进行了分述。 第3 章是n i o s 嵌入式处理器程序的加载方法。对程序的动态加载方法进行了具 体介绍，并用流程图的方式进行了说明。 第4 章是g s m 短信报警模块设计。主要对采用实验的g s m 模块进行了介绍。 第5 章是报警平台的软件实现。对基于n i o s 的g s m 短信的发送和接受过程和 实现方法进行了介绍。 5 河北科技大学硕士学位论文 第2 章n i o s 系统硬件平台设计 嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统，包括硬件和软件两大部分。 硬件包括处理器、存储器、输入输出接口和外部设备等，软件包括系统软件和应用 软件，嵌入式系统的系统软件和应用软件紧密结合。 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，有硬核和软核之分。常用的嵌入式处理器 硬核有a r m 、m i p s 、p o w e r p c 、i n t e lx 8 6 和m o t o r o l a6 8 0 0 0 等；a l t e r a 公司开发的 n i o s 是1 6 3 2 位嵌入式处理器软核。和硬核相比，软核的使用灵活方便。 n i o s 嵌入式处理器是可配置的通用r i s c 处理器，可以很容易地与用户逻辑相结 合，集成到a l t e r af p g a 器件中。n i o s 具有1 6 位指令系统，用户可选择1 6 位或3 2 位数据宽度和可灵活配置的标准外围设备及软件库。n i o s 系统将处理器、存储器、 输入输出接口和其他i p 核灵活地集成到s o p c 设计中。 2 1 嵌入式系统 2 1 1嵌入式系统的特点 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，硬件和软件可裁剪，适应 应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等严格要求的专用计算机系统。 可以从以下几个方面来理解嵌入式系统的含义： 1 ) 嵌入式系统面向用户、面向产品和面向应用，必须与具体应用相结合才会 具有生命力，才更具有优势。嵌入式系统与应用紧密结合，具有很强的专用性。 2 )嵌入式系统将先进的半导体技术、计算机技术和电子技术以及各个行业的 具体应用相结合，是一个技术密集、资金密集和不断创新的知识集成系统。 3 ) 嵌入式系统必须根据应用需求对硬件和软件进行裁剪，以满足应用系统的 功能、可靠性、成本、体积和功耗等要求。比较好的发展模式是：首先建立相对通 用的硬件和软件基础，然后开发出适应各种需要的嵌入式系统。 同时还应该看到，嵌入式系统是一个外延极广的概念。凡是与产品结合在一起 的具有嵌入式特点的系统都可以称为嵌入式系统。 一般而言，嵌入式系统和通用计算机系统类似，由处理器、存储器、输入输出 接口和设备以及软件等部分组成。但作为专用计算机系统的嵌入式系统与通用计算 机系统相比，具有以下几个重要特征。 系统简练。由于嵌入式系统一般应用于小型电子装置，系统资源相对有限，所 以系统内核与传统的系统相比要小得多。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件 6 第2 章n i o s 系统硬件平台设计 的明显区分，不要求功能的设计和实现过于复杂，这既有利于控制系统成本，同时 也有利于保障系统安全。 专用性强。嵌入式系统的个性化很强，软件和硬件的结合非常紧密，般要针 对硬件进行软件的设计，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据硬件的变 化和增减对软件不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更 改，程序的编译下载也要同系统相结合。 实时操作系统支持。嵌入式系统的应用程序可以不需要操作系统的支持直接运 行，但为了合理地调度多任务，充分利用系统资源，用户必须自行选配实时操作系 统( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，r t o s ) 开发平台，这样才能保证程序执行的实时 性和可靠性，减少开发时间，保障软件质量。 专门开发工具支持。嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使在设计完成以 后用户通常也不能对程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 开发工具和环境一般基于通用计算机的软硬件设备、逻辑分析仪和示波器等。 在嵌入式系统的软件开发过程中，采用c 语言将是最佳的选择。由于汇编语言 是非结构化的语言，不能胜任大型的结构化程序设计，必须采用更高级的c 语言进 行设计。 2 1 2 片上系统和可编程片上系统 随着半导体技术的不断发展，片上系统( s y s t e mo nac h i p ，s o c ) 成为嵌入式 应用领域的热门方向之一。s o c 最大的特点是成功实现了软硬件的无缝结合，直接 在处理器芯片内嵌入操作系统的代码模块。此外，s o c 有极高的综合性，在一个芯 片内部运用v h d l 等硬件描述语言可以实现复杂的系统。 用户使用s o c ，不需要再像传统的系统设计一样绘制庞大复杂的电路板，而只 需要使用相应的开发工具，将处理器、存储器和接口逻辑集成在一起，并开发相应 的软件，编译仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。 s o c 通常是专用集成电路( a s i c ) ，所以不为用户所熟知，而且其开发周期长， 生产成本高，产品不能进行修改。随着可编程逻辑器件( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ， p l d ) 的广泛应用，可编程片上系统( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ，s o p c ) 越来 越多地受到人们的关注。 s o p c 是在p l d 上实现s o c ，p l d 的可编程性使s o p c 的设计和实现非常方便。 用户可以灵活地进行系统硬件和软件设计，还可以在现场进行系统修改。p l d 性能 的不断提高，也使s o p c 的性能越来越高。 a l t e r a 是p l d 的大型生产商，生产的p l d 有c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e ，复杂可编程逻辑器件) 和f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，现场可编 程门阵列) 两大系列。c p l d 和f p g a 的结构有所不同，但功能差别不大，作为新产 河北科技大学硕士学位论文 品的f p g a 要比早期的c p l d 性能强大。 a l t e r a 的s o p c 嵌入式处理器( e m b e d d e dp r o c e s s o r ) 解决方案有两种：嵌入 a r m 9 2 2 t 硬核的e x c a l i b u r 器件和用于f p g a 的可配置n i o s 嵌入式处理器软核。 2 2 n i o s 嵌入式处理器 2 2 1 n i o s 嵌入式处理器特性 n i o s 嵌入式处理器是用户可配置的通用r i s c 嵌入式处理器，它是一个非常灵活 和强大的处理器。n i o s 处理器的易用和灵活已经使它成为世界上最流行的嵌入式处 理器。 嵌入式设计者利用s o p cb u i l d e r 系统开发工具能够很容易地创建自己的处理器 系统。s o p cb u i l d e r 可用于集成一个或多个可配置的带有许多标准外围设备的n i o s c p u ，并利用自动形成的a v a l o n 交换结构总线将这些系统连接在一起。 可配置n i o sc p u 是n i o s 处理器系统的核心，它能够被灵活配置而适用于各种 各样的应用。例如一个1 6 位n i o sc p u ，在片内r o m 中运行一个小程序，可以制作 成一个实际的序列发生器或控制器，并且能够代替固定编码的状态机。又如一个3 2 位n i o sc p u ，与外围设备、硬件加速单位和自定义指令一起，构成一个功能强大的 3 2 位嵌入式处理器系统。 n i o s 嵌入式处理器的独特性( 例如自定义指令和并行的多控制器a v a j o n 交换结 构总线) 使它不同于市场上其他的处理器软核。这些特性允许n i o s 用户通过用简单 的而非传统的方法加速和优化自己的设计。 3 2 位和1 6 位n i o s 嵌入式处理器典型配置的比较如表2 1 所示。 表2 1n i o s 嵌入式处理器典型配置比较 t a b 2 - 1n i o se m b e d d e dt y p i c a lp r o c e s s o r sc o n f i g u r a t i o n 特性3 2 位n i o s c p u1 6 位n i o s c p u 数据总线宽度b i t3 2 1 6 算术逻辑单元( a l u ) 宽度b i t3 2 1 6 内部寄存器宽度b i t 3 21 6 地址总线宽度b i t 3 21 6 指令长度b