（精密仪器及机械专业论文）基于GPRS的嵌入式系统智能协议处理器.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 以往大型监控系统中，采集设备种类繁多、不同设备通信协议差别大、传输方式单 一，延缓了控制中心对各设备的访问速度、限制了监控系统的灵活性和通用性。为解决这 一现状，本文开发了一种基于g p r s 技术的智能协议处理器。 作者在深入学习了嵌入式l i n u x 系统和a r m 处理器的基础上，重点研究了如何在 嵌入式l i n u x 平台上基于a r m 处理器，利用g s m 网络实现无线数据传输、多协议归一 化、数据处理智能化等智能协议处理器的关键技术问题，实现了智能协议处理器的要求和 功能，对提高控制中心获取采集数据的效率、支持多类型接口和多类型通信协议、简化控 制中心管理任务和传输协议、远程数据无线传输等多方面性能具有重要意义。 关键词：监控系统，协议转换，嵌入式l i n u x ，g p r s ，g s m ，a r m 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t i nt h ep r e v i o u sl a r g e s c a l es u p e r v i s i o ns y s t e m s ，t h e r ea r es u c hp r o b l e m st h a tt h ed a t a a c q u i s i t i o na p p l i a n c e sa r ev a r i o u s ，a n dt h ep r o t o c o l sa r ed i f f e r e n ti nd i s s i m i l a re q u i p m e n t s w h i l et h et r a n s m i s s i o nm o d ei ss i n g l e t h e s ep r o b l e m sd on o to n l yd e l a yt h ea c c e s ss p e e d b e t w e e nt h ec o n t r o lc e n t e ra n de a c he q u i p m e n t , b u ta l s ol i m i tt h ef l e x i b i l i t ya n dt h e c o m p a t i b i l i t yo ft h es u p e r v i s i o ns y s t e m s t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，a ni m e l l i g e n tp r o t o c o l p r o c e s s o rb a s e do ng p r s i ss t u d i e da n dd e v e l o p e di nt h i sp a p e r h a v i n gc o m p r e h e n d e de m b e d d e ds y s t e ma n da r mm i c r o p r o c e s s o r , t h i sp a p e re m p h a s i s o nh o wt or e a l i z es o m ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m so ft h i si n t e l l i g e n tp r o t o c o lp r o c e s s o rt h r o u g h g s mn e t w o r kb ya r m m i c r o p r o c e s s o r0 1 1t h ee m b e d d e dl i n u xp l a t f o r m ，s u c ha sw i r e l e s sd a t a t r a n s m i s s i o nb yg s mn e t w o r k ，m u l t i p r o t o c o ln o r m a l i z a t i o n ，d a t ap r o c e s s i n gi n t e l l i g e n t i z i n g ， a n ds oo n t h ei n t e l l i g e n tp r o t o c o lp r o c e s s o r sr e q u i r e m e n ta n df u n c t i o ni sa l s or e a l i z e di n t h i sp a p e r , w h i c hi si m p o r t a n tt or a i s et h ee f f i c i e n c yo fa c q u i s i t i n gc o l l e c t e dd a t ab yc o n t r o l c e n t e r , t os u p p o r tt h em u l t i c l a s si n t e r f a c e sa n dp r o t o c o l s ，t os i m p l i f yt h em a n a g et a s k so ft h e c o n t r o lc e n t e ra n dt r a n s m i s s i o np r o t o c o l s ，t ot r a n s m i tr e m o t er a d i od a t a ，a n ds oo n k e y w o r d s ： s u p e r v i s i o ns y s t e m ，p r o t o c o lc o n v e r s i o n ，e m b e d d e dl i n u x ，g p r s ，g s m ，a r m 第1 i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特另哇加l ；之标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用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谢意 学位论文题目： 蕉土q 塑鲍蓝厶惑歪红蟹熊：l 茎这盐理墨 学位论文作者签名： 荔西k日期：竹年，1 月j ；日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅：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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目： 基i ! 坠曲蛊盛丞统蟹缝怂毯笈翌墨 学位论文作者签名：盔亟 作者指导教师签名 日期：”中年”月巧日 日期：a w 年i f 月哆日 国防科学技术人学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 课题介绍 1 1 1 产生背景 随着我们国家社会、经济的飞速发展，对远程环境监控系统的要求骤然增加【lj ，因此， 远程环境监控系统在很多行业和领域都得到广泛应用，包括供水、供电、供气、供热、石 油、铁路、环保、矿山、交通、工厂等领域。这些领域中大多设备投资高、对运行环境要 求严格。并且由于恶劣的环境可能对这些设备造成巨大的损害，因此必须实时监控这些要 害部门的环境参数。然而目前对这些要害部门的安全、环境的监测监控主要是依靠人工值 守，缺乏先进的监控手段，各级主管部门难以及时了解设备的运行情况、环境参数等。并 且一旦值班人员疏忽，极易造成事故，正常秩序中断、系统瘫痪、设备损坏，甚至火灾、 水淹、盗警等重大灾害造成重大经济损失、甚至是不良的社会影响。 远程环境监控系统主要是对机房或机站等部门的电源、空调、蓄电池组、高低压配电 等多种设备的运行参数及物理环境参量( 如：温度、湿度、火警、盗警) 等进行遥测和遥 控，实时监测其运行参数、诊断和处理故障、记录和分析各种数据，从而实现机房或机站 少人或无人值守，并由对设备进行集中监控和集中维护的计算机系统控制。我国科技和经 济的飞速发展，对各部门的维护管理提出了更高的要求，传统方式的分散维护和监控方式 浪费人力物力，可靠性差，机房或机站设备的高质量管理和维护人员的素质、数量之间的 矛盾日益突出，因此“远程数据采集与环境监控管理系统”( 本文以下简称监控系统) 便 应运而生。 1 1 2 监控系统的总体结构 从管理结构上看，该监控系统采用两级结构【2j ：监控机( 也称为监控中一i i , ) ( s c s u p e r v i s i o nc e n t e r ) 、交换局或基站监控单元( s u - s u p e r v i s i o nu n i t ) 。监控系统的 总体结构见图1 1 。 髓控中心( s c ) ，一般设在一个本地网的网管中心并受网管中心管理。 监控单元( s u ) ，一般是一台完成数据采集功能的台式计算机( 又名前置机或监控 主机) ，位于监控端局，负责对各端局内的各个监控模块进行管理。 监控模块( s m s u p e r v i s i o nm o d u l e ) ，他可能是远程数据采集与环境监控管理系统中 安装的采集器，也可以是该系统要监控的智能设备。 监控中心负责整个监控网络内所有的交换局或基站的智能设备和机房环境等的馓控 和管理。s u 只负责对某一具体移动交换局或基站内的智能设备和机房环境设备进行数据 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 采集和控制。监控中心与监控单元之间通过数据通信网( d c n d a t ac o m m u n i c a t i o nn e t ， 一般有w a n 、d d n 、拨号电话线、专线、x 2 5 、帧中继等) 交换监控信息。通过监控单 元，监控中心可获取所有交换局或基站的智能设备和机房环境的运行数据，并可对监控单 元所属设备进行遥控、遥调。监控中心的另一任务就是对这些数据进行归纳总结，以获取 所有被监控设备的宏观运行数据，并运行分析，为维护、管理及决策提供依据，并可通过 接口向省监控中心传送相应监控信息。 图1 1 监控系统总体结构 1 1 3 监控系统的基本组成 监控系统从逻辑上可划分为采集子系统、传输子系统和软件予系统三部分。 1 1 3 1 采集子系统 管理层 采集层 远程 监控单元和监控模块一起成为采集子系统。本监控系统的监控单元由前置机( 智能 协议处理器) 承担，他是采集数据处理和分发的中心，包括监控命令的上承下达、监控数 掘( 告警数据、实时监测数据等) 的分析、处理等。监控单元包括采集器和智能设备，主 要承担数据的采集、预处理与上位机( 即前置机) 通信的任务，同时具备接受控制命令并 接受控制命令并汇设备实施控制操作的能力。 本文设计的智能协议处理器是监控系统采集子系统的重要组成部分，这一点在下 小节将着重介绍。 1 1 3 2 传输子系统 监控系统计算机按广域网进行连接。常采用的传输资源有：公共电话网( p s t n ) 、 数字数据网( d d n ) 、数字公务信道或其他透明通信串口等。本监控系统中采用的是全球 移动通信网( g s m ) 的通用分组无线业务( g p r s ) 传输数据。采用广域网的优点是系统 扩展容易，对不同的端局实旌时不需修改端局的数目及端局的测点配置等数据。监控系统 以智能协议处理器为界线，智能协议处理器以下为计算机间的直接通信，或专用总线方式 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 通信：以上部分是基于t c p i p 协议的广域网。 1 1 3 3 软件子系统 软件系统包括系统软件和应用软件。系统软件主要指支撑应用软件运行的平台环 境，主要有操作系统、数据库管理系统。应用软件包括前置机软件、配置软件、数据管理 软件、系统调测软件等。 1 1 4 采集子系统结构分析 1 1 4 1 监控对象 ( 1 ) 被监控信号 被监控信号有非电量信号和电量信号。对于非电量信号( 例如：温度、湿度等) ， 应通过传感器把非电量信号变成电量信号后接入数据采集设备：对于各类不能直接测量的 电量信号( 例如电流、电压) 则通过变送器将其变换到适合采集器要求的输入信号范围后 按入数据采集设备。 信号有模拟量，也有数字量。模拟量是指那些随时问连续变换的量，需采用模，数 ( a d ) 转换设备转换为数字量后才适合计算机采集；数字量指具有确定的几种状态的量， 最典型的是仅有“0 ”和“1 ”的两种状态的开关量，这样的量计算机一般可直接测量。 ( 2 ) 被监控设备 被监控的设备按本身的特性可分为智能设备和非智能设备。 智能设备多种多样，在通信企业使用越来越多，如智能空调、智能油机、智能u p s 、 智能电镀表、智能高频开关电源、智能飞风机等都是智能设备。 智能设备的基本特征是： 本身能采集信号，例如采集工作电压、电源、熔丝状态等： 能对信号进行处理，例如可根据信号产生告警信息、智能开关电源测得电池电 压下降到一定值后自动断开非重要电路等； 具有智能接口，一般都是串行接口，能与计算机直接通信。 根据智能设备的协议，就可以开发出设备的驱动程序，因此，如果在监控系统中接 入某种智能设备，一定需要智能设备的厂家提供完整的协议文本。 非智能设备，本身不具备数据采集和处理能力，无智能接口，因此，对于非智能设 备，必须经过专门的信号采集器使其智能化再接入监控系统。 1 1 4 2 处理设备 ( 1 ) 采集器 随着监控系统经过多年的发展，采集器也由通用采集器p m c 一2 和p m c 3 、电池 测量仪b m s 1 、基站采集器b m c p e c 等发展到一体化采集器i d a ，种类繁多，需根据具 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 体的应用场合选择。 ( 2 ) 智能设备的协议处理器 智能设备的接入是监控系统中非常重要的方面，不同的智能设备的接1 2 1 方式、通信 协议各不相同，他们往往不能接在同一串行总线上，协议处理器的设计就是为了解决这- 难题而设计的。 对通信中的协议处理器的要求主要包括通信接口和通信协议两个方面。 通信接1 3 是指接1 5 1 标准，计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送通过不同 的总线相连，可以采用串行通讯和并行通讯二种方式1 3 1 。由于串行通讯方式具有使用线路 少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。在串行 通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。 r s 一2 3 2 是最为普遍的串行通信方式，r s 2 3 2 一c 的2 5 条引线中大部分是很少使用的， 在计算机与终端通讯中一般只使用3 - 9 条引线，r s 一2 3 2 c 最常用的9 条引线的信号。 在r s 一2 3 2 一c 的基础上，不断出现了一些新的接口标准，r s 4 8 5 就是其中之一。与 r s 一2 3 2 相比它具有接口信号电平、传输速率高、抗噪声干扰性好等优点，另外r s 一4 8 5 接 口在总线上是允许连接多达1 2 8 个收发器，即具有多站能力，这样用户可以利用单一的 r s 一4 8 5 接口方便地建立起设备网络。r s 4 8 5 也是被使用的串口通信方式。 通信协议是指管理实体之蚓交换数据的一组规则，主要是关于交换数据的格式。要 求智能协议处理器能转换智能设备的通信协议，且转换后的通信协议符合电总的规范；能 实现智能设备与监控系统问的隔离；能自动采集智能设备的数据，当接受到来自上位机聚 集指令时可立即送出采集数掘，从而提高采集的响应速度。 通信协议处理器一般位于智能设备和监控中心主机之问，它要与智能设备和局站中 心主机两者连接，其通信接口要与两者相匹配。即通信协议处理器至少要有两个通信接口， 一个与智能设备的接口相同，另一个与局站中心监控主机的接口相同。 1 1 4 3 智能协议处理器 市面上更多的是一些简单的协议接口转换器，作为网络传输介质问的中央节点，克 服介质单一通道的缺陷，并提升网络传输能力，比如以集线器为中心的网络，不仅扩展传 输距离，而且当网络系统中某条线路或某节点出现故障时，不会影晌网上其他节点的证常 工作，提高了整个网络的可扩展性和工作可靠性。 而智能协议处理器是一种针对性很强的专用设备，国内外有一些厂家根据特定的自 己应用场合设计生产了自己协议处理器。比如现在得到广泛使用的艾默生( e m e r s o n ) 公司生产的o c e 智能协议处理器可将不同接口方式( 主要是r s 4 8 5 4 2 2 2 3 2 ) 的智能 设备协议转换为符合电总规范的统一协议格式，再通过串口实现与上位机的通信。但由于 其过强的专用性反而限制了其扩展性，因而不能适应现在多种总线并存的需求。 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 在课题的研制过程中，为了适应实际应用的需求，我们必须进一步扩展监控管理系 统的功能，使其每一个基站能管理数量更多、种类更丰富的智能设备；并具有更强的控制 管理和数据处理能力；还要针对数据采集和监控信号远程传输的特点，选择一种更为便利 的远程数据传输方式。现在市面上的各种协议处理器已远远不能满足我们的要求。经过 的讨论和研究，我们决定自主开发一种新型的协议处理器基于g p r s 的嵌入式系统智 能协议处理器。图1 2 表示的是一个使用该智能协议处理器的远程环境监控系统的结构图。 黜忡心凰 计嚣 协议处理器 g p r s j协议处理器 智能垃备 智能设备 图1 2 远程监控管理系统组成结构 能设备 经过研究和讨论，针对数据采集和监控信号远程传输的特点，我们提出利用嵌入式 系统构建自己的监控单元智能协议处理器( 即监控单元) 。抛弃传统的利用台式计算 机作为监控单元的模式，充分利用现在市面上的高性能低成本的微处理器，将嵌入式系统 应用到协议处理器中。这一方案可以大大提升系统的数据处理和智能化管理能力，又可以 降低整套设备的成本，增加系统的灵活性。另外，我们选择g p r s 技术接入i n t e m e t 作为 传输的手段，可利用现有的全球移动电话网( g s m ) ，既减少布线降低成本，又可提高传 输可靠性和传输效率。我们经过反复讨论和验证，确定该智能协议处理器完全能满足我们 课题研制的需要，并具有进一步扩展性能的巨大潜力，有很大的发展前途。 1 1 5 智能协议处理器设计 1 1 5 1 智能协议处理器硬件选型 要设计出低成本、高性能的系统，在设计的初级阶段就必须根据实际需求，对系统方 案仔细考虑，并对芯片的选型和各功能单元的设计进行选择和取舍。 首先是主处理芯片的选择。我们选用r i s c 架构的a r m 处理器。a r m 处理器具有体 积小、低功耗、低成本、高性能等特点：它能支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指 第5 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件；a r m 处理器大量使用寄存器，指令长度固定，指 令执行速度更快；且大多数数据操作都在寄存器中完成，寻址方式灵活简单，执行效率 高；另外，a r m 处理器可在同一条数据处理器指令中既包含算术逻辑处理单元处理又包 含移位处理：l o a d s t o r e 指令可以批量传输数据，从而提高数据传输的效率。a r m 处理 器如此出众的特性，使之成为我们系统的首选。 而为了使系统更具智能化和应用处理能力，在处理芯片上嵌入操作系统是必要的。现 阶段，嵌入式操作系统主要有p a l mo s ，w i n d o w sc e ，e p o c ，l i n u x c e ，q n x ，e c o s ， l y n x 等。高端嵌入式系统要求许多高级的功能，如图形用户界面和网络支持。很多高 端r t o s ( 实时操作系统) 供应商已经提供了这些功能，但其高昂的价格也令一般人难以 接受。微软的w i n d o w sc e 也有此类功能，却不具备大多数嵌入式系统要求的实时性能， 而且难以移植。现在需要的是一个便宜、成熟并且提供高端嵌入式系统所必须特性的操 作系统，嵌入式l i n u x 操作系统以价格低廉、功能强大又易于移植而正在被广泛采用， 成为新兴的力量，所以，我们最终转向了嵌入式l i n u x 。 监控系统的数据传输通道，分有线和无线方式。有线方式主要有r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、 r s 4 2 2 、电流环等几种标准。r s 2 3 2 用于短距离通讯，点对点、全双工；r s 4 8 5 用于中 等距离通讯，点对多点、半双工。r s 2 3 2 、r s 4 8 5 是本智能协议处理与智能设备主要的连 接方式。另外，红外数据传输和c a n 总线的应用，也是本系统下一步的扩展内容。 智能协议处理器与控制中心的通信采用无线传输方式。无线方式主要用于地理区域分 散、敷设通讯电缆困难、传输的数据包较小的场合，这些特点正适合远程分布式监控系统 的情况和要求，较常被采用。无线传输设备主要有无线调制解调器加电台组成，直接通讯 距离与地形和电台的功率有关；另外无线传输设备还有原装数传电台和数传模块，在有些 特殊场合也有采用，但由于价格和其它原因，相对采用较少。在本文中，利用的是现有的 g s m 网络，采用通用分组无线业务( g p r s ) 进行数据传输。g p r s 是一种改进g s m 网 数据传输方式的标准。利用g p r s 技术接入i n t e m e t 具有永远在线、按流量计费、快捷登 陆、高速传输的特点，适用于不连续的非周期性( 突发) 的数据传送，突发出现的时间间 隔远大于突发数据的平均传输时延、频繁发送的小数据量业务( 如小于5 0 0 字节的数据， 允许每分钟发送几次) 、不频繁发送的大数据量业务，如允许每小时传送几次千字节的数 据等场合。 1 1 5 2 智能协议处理器软件设计 系统软件的编写主要由汇编代码和c 语言结合编写，纯粹用汇编代码编写的嵌入 式软件不太现实，除了编写困难外，调试和维护困难也是汇编代码的难题。编程语言。最好 锁定高级语言。考虑到通用性、可移植性程度、执行效率、可维护性等多方面因素，我们 的编程语苦的主要选择c 语言。c 语言具有广泛的库程序支持，目前在嵌入式系统中是 笫6 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 应用最广泛的编程语言，在将来很长一段时间内仍将在嵌入式系统应用领域占重要地位。 c + + 是一种面向对象的编程语言，目前在嵌入式系统设计也得到了广泛的应用，与c 相比， c + + 的目标代码显得比较庞大和复杂，不利于在嵌入式系统中应用。 协议处理器的最主要功能可以概括为数据的采集、处理、上报。协议处理器在运行 时，一方面要根据智能设备的配置情况通过各个串行接口查询( 总线方式) 或接受( 单点 方式，设备数据可自动上送) 各个设备的运行数据，同时要对接收到的数据进行分析处理， 定时或当控制中心轮巡时上报数据，并且要随时对控制中心发来的控制命令发出相应。分 析系统设计的需要，我们拟定的智能协议处理器在软件设计上主要包括任务管理和协议转 换两大部分。 其中，任务管理包括：通讯参数设置；调试命令；配置命令下发；控制命令识别、响 应；定期上报；串口扫描；异常处理等。 协议转换、数据处理任务包括：解析数据协议；获取设备数量；获取各通道地址和数 据；通道数据采集、处理；采集数据闽值比较：文件下载、上传：读取文件、校验；文件 分类存储、读取；文件错误判定、处理等。 1 2 本文结构安排 本文的各章的内容安排如下： 第一章，本文绪论。以一定的应用背景为基础，引出课题来源，提出课题设计的实际意 义和基本设计方案，并介绍论文的结构安排。 第二章，智能协议处理器的硬件电路，主要包括系统的主要处理芯片及其外围电路的设 计，还有0 p r s 模块m c 3 5 t 的介绍。 第三章， 从物理层、数据链路层和应用层的角度分析智能协议处理器的结构。其中着重 介绍了基于数据链路层数据传输过程的协议转换。 第四章，智能协议处理的软件设计，对系统软件设计的各组成部分的设计方法和关键技 术作了较为详细的介绍。为了达到直观易懂、条理清晰、更具说服力的效果， 文中多处引用了代码和流程图。本章主要包括基于a r m 的b s p 设计、l i n u x 下的串口编程、利用m c 3 5 t 发送短消息和拨号上网、协议处理器的协议定义 和任务管理等内容。 第五章，结论和展望。 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章智能协议处理器的物理结构 下图是协议处理器的硬件结构框图。整个系统以a r m 处理器h m s 3 0 c 7 2 0 2 为中心， 辅助以外围电路，完成设计功能。外围电路主要包括接1 5 1 电路、存储、显示、控制、g p r s 模块等几方面。 厂磊订 圃 计算机髓络 圈巨困匡 聚集设备数据输入 图2 ，l系统硬件结构框蚓 f l a $ h s d r a m l 程序存储器ll 数据存储器l 丌t t 旦j l r 卜一j g p r s 模块l h 1 眦册j 2 1a r m 微处理器 孤m s 3 0 c 7 2 0 2 g p r s 网络 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性 能的r i s c 处理器。采用该技术的芯片具有性能高、成本低和能耗省的特点，适用于多种 领域，比如嵌入控制、消费教育类多媒体、d s p 和移动式应用等。智能协议处理器的主 处理芯片就是一款a r m 处理器h m s 3 0 c 7 2 0 2 2 1 ih m s 3 0 c 7 2 0 2 的器件特性 h m s 3 0 c 7 2 0 2 1 5 】是一款高性能低功耗的3 2 位r i s c 微处理器，主要由a r m 7 2 0 t 内 核和其他一些外围接口器件组成，支持8 k 的数据与指令c a c h e 、支持段式和页式存储的 蔓薹 国防科学技术人学研究生院学位论文 m m u 、写缓冲器及a m b a 接口。h m s 3 0 c 7 2 0 2 采用0 2 5 u m 低功耗c m o s 工艺，片内电 压2 5 v ，i o 支持3 3 v 电压，采用了2 5 6 管脚q f p b g a 封装。m s 3 0 c 7 2 0 2 片上资源十 分丰富，具有极高的集成度，非常适用于嵌入式系统应用，现主要应用于p d a 、智能电 话、个人音频设备等场合。芯片h m s 3 0 c 7 2 0 2 支持的内外围设备包括： 多通道d m a ( 直接存储器存取) 3 个定时器和一个看门狗定时器 智能中断控制器 存储器控制器包括r o m ，f l a s h ，s r a m ，s d r a m 电源管理单元 l c d 控制器包括m o n o c o l o rs t n 和t f tl c d 实时时钟( 3 2 7 6 8 k h z 晶振1 红外通讯接口( 支持s i r ) 4 个串口( 兼容1 6 c 5 5 0 ) p s 2 外部键盘鼠标接口 2 通道p w m 接口 矩阵键盘控制接口( 8 8 ) 普通i ，o 口 m m c ，s m c 卡接口 2 个c a n 接口 u s b ( 从口) 接口 吲lh m s 3 0 c 7 2 0 2 芯片框图 片内a d c 接口模块( 可用于电池检测，音频输入，触摸屏) 片内d a c 接口模块( 8b i t 立体音频输出) 3 个p l l 时钟 j t a g 调试接口 2 1 2h m s 3 0 c 7 2 0 2 的内部结构1 6 1 2 1 2 1 h m s 3 0 c 7 2 0 2 的寄存器结构 a r m 处理器共有3 7 个寄存器，被分为若干个组( b a n k ) ，这些寄存器包括： 3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c 指针) ，均为3 2 位的寄存器。 6 个状态寄存器，用以标识c p u 的工作状态及程序的运行状态，均为3 2 位，目前 只使用了其中的一部分。 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 同时，a r m 处理器又有7 种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下均有一组相应 的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器包括1 5 个通用寄存器 ( r 0 r 1 4 ) 、一至二个状态寄存器和程序计数器。在所有的寄存器中，有些是在7 种处 理器模式下共用的同一个物理寄存器，而有些寄存器则是在不同的处理器模式下有不同的 物理寄存器。 2 1 2 2h m s 3 0 c 7 2 0 2 指令结构 a r m 微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集：a r m 指令集和t h u m b 指令 集。其中，a r m 指令为3 2 位的长度，t h u m b 指令为1 6 位长度。t h u m b 指令集为a r m 指令集的功能子集，但与等价的a r m 代码相比较，可节省3 0 4 0 以上的存储空问， 并同时具备3 2 位代码的所有优点。 2 1 2 3h m s 3 0 c 7 2 0 2 的异常中断 a r m 体系中的异常中断包括如下几点：复位中断、未定义的指令中断、软件中断、指 令预取中止、外部中断请求、快速中断请求。当多个异常中断同时发生时，可以根据各异 常中断的优先级选择响应最高的异常中断。 2 1 2 4h m s 3 0 c 7 2 0 2 的存储体系 a r m 体系使用单一的平板地址空间。该地址空间的大小为2 3 2 个8 位字节，这些字节 单元的地址是一个无符号的3 2 位数值，其取值范围为0 到2 3 2 一l 。各存储单元的地址可 以进行常规的整数运算。这些运算的结果进行2 3 2 取模。也就是说，运算结果发生上溢出 和f 溢出时，地址将会发生卷绕。 a r m 的地址空间可以看成是2 3 0 个3 2 位的字单元。这些字单元的地址可以被4 整除： 在a r m 版本4 以上，a r m 的地址空间也可以看成23 1 个1 6 位的字单元，这些字单元的 地址可以被2 整除。 在a r m 中，通常希望字单元的地址是字对齐的，半字单元是半字对齐的。如果存储 单元的地址没有遵循上述对齐规则，则成为非对齐的存储访问操作。此时指令的执行的结 果要么不可预知，要么地址值中最低两位被忽略，这是由各指令指定的。 2 2h m s 3 0 c 7 2 0 2 外围接口及其设置1 7 2 2 1 存储器接口及其设置 一个复杂的系统可能存在多种储存器类型的接口，h m s 3 0 c 7 2 0 2 接口支持s d r a m ， f l a s h ，s r a m ! 引。通常f l a s h 和s r a m 同属于静态储存器类型，可以根据数据宽度和地 址分配共用数据总线( d 0 ：3 l 】) 和地址总线( a 0 ：2 7 ) 。而s d r a m 因为有动态刷新和地 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 址线复用等特性，通常需配专用的储存器端口。在 h m s 3 0 c 7 2 0 2 中就配置了专门的的s d r a m 控制 器，因此就不需要外加s d r a m 控制芯片了，只要 采用合适的s d r a m 存储芯片与h m s 3 0 c 7 2 0 2 的专 用信号线相连即可。图3 2 给出了该系统设计中实 现多储存器接口的接口简图，并表明了地址总线、 数据总线和控制信号的详细接法。其中，f l a s h 、 s d r a m 及e p r o m 分别运行在3 2 位、1 6 位、8 位 模式。 本文使用了两片1 6 位1 6 m 的f l a s h 芯片 e 2 8 f 1 2 8 j 3 a 1 9 1 ，两片1 6 位8 m 的s d r a m 芯片 h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 t 1 ，两片8 位的s r a m 芯片 h y 6 2 v 8 4 0 0 a 】。一片8 位e p r o m 芯片 a m 2 9 f 0 4 0 1 1 孙。 2 2 2l c d 接口及其设置 图3 2 存储器接口简图框图 l c d 控制器属于先进系统总线a s b 的一部分，支持各种用户可程控的选项，包括显 示类型和大小、帧缓冲器、编码像点大小和输出数据宽度等。 从结构上讲，由于显示器模块中已经有显示存储器，显存中的每一个单元对应l c d 上的一个点，只要显存中的内容改变，显示结果便进行刷新，一般在系统运行时开辟疑示 内存，在需要刷新的时候由程序进行显示更新。 图3 3 典型的s t nl c d 接线图 图3 4 典型的t f tl c d 接线图 h m s 3 0 c 7 2 0 2 支持单色、伪彩的s t n 液晶显示和1 6 位的真彩色t f t 液晶显示1 1 3 】。 其中，s t n 单色液晶支持4 位或者8 位的数据线、1 5 级灰度、最高3 2 0 2 4 0 的分辨率；s t n 伪彩液晶支持8 位数据线、2 5 6 色、最高6 4 0 4 8 0 的分辨率；1 6 位真彩液晶支持6 4 0 x 4 8 0 的 第i 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 分辨率，支持5 位红色、5 位蓝色，6 位绿色，由于许鸯；t f t 液晶是1 8 位数据线，这样不 用的线应该接高或者接地。图3 3 和3 4 分别给出的了典型s t n 液晶：口t f t 液晶连接图。 由于有很多液晶需要通过逆变器产生很高的电压，这个电压会对液晶和触摸屏产生 很大的噪声干扰，因此逆变器周围的地线显得非常重要。h m s 3 0 c 7 2 0 2 支持背光使能，这 样可以减少功耗。 2 2 。3u a r t 接口及其设置 h m s 3 0 c 7 2 0 2 支持4 通道的通用全双工异步接收发送器( u a r t ) ，并支持1 6 c 5 5 0 的大部分功能。内部数据通过并行总线到达发送单元后，进入f i f o 队列，然后再通过发 送移相器经t x d n 引脚发送出去。但是为了与计算机通用串行口兼容，还需要使用电平转 换芯片，把3 3 v 的c m o s 电平转换成与普通串行口兼容的信号，然后用于与外设进行通 信。数据接收的过程刚好相反，外部串行信号需先经过电平转换芯片作电平转换，然后由 r x d n 进入接收移相器，然后转换后放到接受f i f o 对列中，最后到达数据总线，由c p u 进行处理。 因为r s 2 3 2 是p c 机与通信工业中应用最为广泛的一种串行接口，因此也成为首要 选择。r s 2 3 2 的机械接口有d b 9 、d b 2 5 两种形式，对于大多数设备来说，通常只用到 t x d 、r x d 、g n d 三个针脚。电平转换芯片使用的是m a x 3 2 4 4 1 “i 。 而r s 4 8 5 接口标准规定了它是平衡驱动和差分接收的电气接臼。这种电路结构可以 消除信号地线，从而在长距离的传送中明显地提高了数据传输速率。在1 9 2 k b p s 的速率 下，r s 4 8 5 接1 ：3 可以将数据传至1 2 0 0 m 的距离d 5 i 。本系统中r s 一4 8 5 模块的实现是利用 r s 4 8 5 收发器芯片m a x 4 8 5 1 蚓，采用二线制方式。 2 2 4 网口的设置 网络传输是现在最为重要的数据传输途径之，由于h m s 3 0 c 7 2 0 2 本身并没有以太 网控制模块，所以需要一个与之匹配的控制芯片，比如c s 8 9 0 0 ：1 7 1 。c s 8 9 0 0 是单芯片全 双工的以太网控制器，配合必要的数字和模拟电路合成了完整的以太网电路，其主要结构 包括i s a 总线接口、8 0 2 3 m a c 、b u f f e r 、串行e e p r o m 接口和带有1 0 b a s e - - t 和a u i 的模拟前端。c s 8 9 0 0 具有低功耗、高性能、低消耗低噪声等特点。 h m s 3 0 c 7 2 0 2 通过操作c s 8 9 0 0 的控制寄存器和读写c s 8 9 0 0 的内部数据寄存器，实 现与网络的链路层连接。有关c s 8 9 0 0 的具体电路连接和内部设置，可参考c s 8 9 0 0 的芯 片手册。另外，网络层和运输层的协议如a r p 、t c p 、u d p 等需要通过对h m s 3 0 c 7 2 0 2 的编程实现。 第1 2 页 国防科学技术入学研究生院学位论文 2 2 5j t a g 调试端口 a r m 架构的处理器内含嵌入式在线 仿真( e m b e d d e di c e ) 宏单元，为j t a g 调试提供相应的接口。j t a g 边界扫描 即i e e e i1 4 9 1 标准，主要应用于电路的边 界扫描测试和可编程芯片的在线编程1 1 8 l 。 j t a g 仿真器也称为j t a g 调试器， 是通过a r m 芯片上的j t a g 边界扫描口进 行调试的设备，属于完全非插入式( 不占 表2 1j t a g 调试接口的测试引脚 输入输出 管脚名称管脚描述 ( i o ) t c ki j t a g 时钟 t d ii j t a g 数据输入 t d oo j t a g 数据输f u n t r s t 1 j t a g 异步复仇输入 t m s【 j t a g 模式选择 用片上资源) 调试。j t a g 仿真器比较便宜，连接比较方便，它无需目标储存器，不占用 目标系统的任何端口，而且是通过普通的驻留监测所必须的信息。另外，j t a g 调试的目 标调试程序实在目标板上执行，仿真更接近目标硬件，因此仿真结果与真实的运行j ；i = 境 更为接近，所以，逐渐成为目前采用最多的一种调试方式。h m s 3 0 c 7 2 0 2 符合j t a g 的边 界扫描标准，只需5 根引脚( 见表2 1 ) 就可以实现在线仿真的功能。 由于h m s 3 0 c 7 2 0 2 中集成了这些j t a g 信号，因此引出这些信号线在电路板上的扩 展j 1 a 0 接口，即可与j t a g 调试器进行通信，方便系统的开发研究。 2 3 g p r s 模块 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 ) 1 9 1 是通用分组无线业务的简称，它是第2 5 代 移动通信系统，是g s m 向3 g 过渡的一个桥梁。g p r s 技术已成为一种更有效的远程数 据传输手段，它是在g s m 基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式。 2 3 1g p r s 与g s m 的比较 g p r s 与现有的g s m 语音系统最根本的区别是，g s m 是一种电路交换系统，而g p r s 是种分组交换系统。因此，g p r s 特别适用于酬断的、突发性的或频繁的、少量的数据 传输，也适用于偶尔的大数据量传输。这一特点正适合大多数移动互联的应用。 g p r s 采用与g s m 相同的频段、土匪结构、相同的无线调制标准、相同的跳频规则 以及相同的t d m a 帧结构，因此在g s m 基础上构建g p r s 系统时g s m 系统中的绝大部 分部件都不需要做硬件改动，只需软件升级。 由rg p r s 是g s m 系统中提供分组业务的一种方式，所以它能广泛应用于i p 域。其 移动终端通过g s m 网络提供的寻址方案和运营商的具体网间互通协议实现全球网问通 信。 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 。澜g g s “固i n t e r n e t 瀚。g 。 b s s”i 。i o 。! 扁7 罡 围”。 图3 5 g p r s 叠加在g s m 网上 2 3 2g p r s 的特点 与原有的g s m 比较，g p r s 在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势2 0 j ：通 过多个g s m 时隙的复用，支持的数据传输速率更高，理论峰值达1 1 5 k b s ；不同的婀络用 户共享同一组g p r s 信道，但只有当莱一个用户需要发送或接收数据时才会占用信道资 源。这样，通过多用户的业务复用，更有效地利用无线网络信道资源，特别适合突发性、 频繁的小流量数据传输，很好地适应数据业务的突发性特点：g p r s 计费方式更加灵活， 可以支持按数据流量来进行计费；与无线应用协议( w a p ) 技术不同，g p r s 能够随时为 用户提供透明的l p 通道，可直接访问i n t e m e t 中的所有站点和资源；采用信道复用技术， 每一个g p r s 用户都能够实现永远在线；另外，g p r s 还能支持在进行数据传输的同时进 行语音通话等等，而且相对于短消息等其它无线数据通信业务，g p r s 的价格优势比较明 显。目前，我国移动推出的g p r s 上网业务最高每干字节也只有3 分钱，而且用户可以根 据自己的需要，以月租、包月等多种形式进一步降低g p r s 通信的费用。 因此使用g p r s 实现远程数据的传送是非常经济实用的，特别是对于不易架设有线 网络的边远地区和可移动装置。 2 3 3g p r s 模块m c 3 5 t 目前，g p r s 模块一般是指带有g p r s 功能的g s m 模块，用于工业系统的g p r s 数 据传输模块不是很多，主要有西门子公司的m c 3 5 和m c 3 5 t ，爱立信推出的两款支持 g s m 9 0 0 g s m l 8 0 0 以及8 5 0 1 9 0 0 的双频模块g m 4 7 和g m 4 8 。另外还有w a v e c o m 公司的 w i s m o ，这一款覆盖g s m g p r s 所有四频( 8 5 0 9 0 0