（测试计量技术及仪器专业论文）基于arm的网络水文站.pdf

摘要 基于a r m 的网络水文站 作者简介：叶秋红，男，生于1 9 8 2 年4 月，师从于成都稿! 等大学方同秀高工、陆坤 教授，于2 0 0 7 年6 月获硕士学位。 摘要 由于现代电子技术、传感技术、通信技术和计算机技术的迅速发展，自动化检测 成为一个广泛的热门研究内容。水文监测技术也从传统的人工检测向自动化检测转 变，水文自动化检测不仅能够及时准确的传输数据，还能节约大量的人力物力资源、 保障检测人员的人身安全。 本文研究的网络文水站采集的水文数据包括：水位，水流量，挟沙量主要水文检 测数据。传感器将水文数据送到控制系统，系统将模拟信号转换为数字信号并存储， 最后以访问系统w e b 页的形式显示出来。由于系统采用i n t e r n e t 传送数据，所以可 以克服监测点分散，分布范围广的问题，尤其可以减少抄、传数据的人力和物力的耗 费。所有水文数据可以逐级上传，保证水利检测部门及时反应、决策。监测点设计成 专用模块，无需专人看守，极大的提高了自动化监测能力。 系统采用l p c 2 2 1 4 作为核心处理芯片，采用实时操作系统uc o s i i 并在上面实 现一个t c p i p 协议栈来完成以太网的设计。系统使用一个1 0 m 的以太网接口芯片 r t l 8 0 1 9 接入到i n t e m e t ，最终完成网络水文站的功能。为了增强系统的可靠性，系 统还增加了u s b 接口，以方便在网络出现故障的时候数据转移备份。在p c o s i i 嵌 入式操作系统平台上开发软件，绝大部分软件采用了标准的a n s ic 语言编写，软件 的可移植性强。 关键词：网络水文站，a r m ，pc 0 s - i i ，u s b 接口 成都理i ：人学硕十学何论文 a r m b a s e dn e t w o r ko fh y d r o m e t r i cs t a t i o n a b s t r a c t b e c a u s eo ft h em o d e me l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，s e n s o rt e c h n o l o g y ，c o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g ya r er a p i dd e v e l o p m e n t a u t o m a t i cd e t e c t i o nr e s e a r c h b e c o m ei n t oaw i d er a n g eo f p o p u l a rc o n t e n t h y d r o l o g i c a lm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yf r o mt h e t r a d i t i o n a lm a n u a lt e s t i n gt oa u t o m a t e dt e s t i n gc h a n g e sa u t o m a t i cd e t e c t i o nc a nn o to n l y t i m e l ya n da c c u r a t eh y d r o l o g i c a ld a t at r a n s m i s s i o n , b u ta l s os a v eal o to fh u m a np h y s i c a l r e s o u r c e s ，p r o t e c tt h ep e r s o n a ls a f e t yt e s t i n g i nt h i sp a p e r ，t h en e t w o r ko f h y d r o l o g i c a ls l a t i o nc o l l e c t i n gh y d r o l o g i cd a t an e t w o r k i n c l u d e ：w a t e r , w a t e rf l o w , t h ev o l u m eo fs e d i m e n tm a i nh y d r ot e s t i n gd a t 扎s e n s o r sw i l l h y d r o l o g i c a ld a t at oc o n t r o ls y s t e m , t h es y s t e mw i l lb ec o n v e r t e dt od i g i t a ls i g n a l s ，a n a l o g s i g n a l sa n ds t o r e d ，w e bs y s t e mi nt h ef o r mo fv i s i t st ot h ef i n a ls h o w s i n c et h es y s t e m u s e si n t e m e tt r a n s m i s s i o no fd a t a , w ec a no v e r c o m et h em o n i t o r i n gp o i n t ss p r e a da n d w i d e r a n g i n gi s s u e s i np a r t i c u l a r c a nr e d u c ec o p i e dd o w nt h ec o s to fm a n p o w e ra n d m a t e r i a ld a t a a l lh y d r o l o g i c a ld a t ac a nb et r a n s f e r r e dg r a d u a l l y ，w a t e rt e s t i n gd e p a r t m e n t t oe n s u r et i m e l yr e s p o n s et ot h ed e c i s i o n - m a k i n g s p e c i a lm o d u l e sa r ed e s i g n e dt om o n i t o r ， w i t h o u ts p e c i a lg u a r d ，g r e a t l yi m p r o v e st h ea u t o m a t i cm o n i t o r i n gc a p a b i l i t i e s l p c 2 2 1 4i st h ec o r ep r o c e s s o rc h i po ft h i ss y s t e m r e a l - t i m eo so p e r a t i n gs y s t e m a n dt h er o o f w a st oa c h i e v eac o m p l e t ee t h e m e tt c pd e s i g n ，1 1 l es y s t e mu s e sa ne t h e m e t i n t e r f a c ec h i pr t l 8 0 1 91 0 ma c c e s st ot h ei n t e r a c t f i n a lc o m p l e t i o no ft h ef u n c t i o n a l n e t w o r kh y d r o m e t r i cs t a t i o n t oe n h a n c es y s t e mr e l i a b i l i t y ，t h es y s t e ma l s oi n c r e a s e dt h e u s bi n t e r f a c e i ff a i l u r eo ft h en e t w o r kt of a c i l i t a t et h et r a n s f e ro fd a t ab a c k u p o s o p e r a t i n gs y s t e mw a se m b e d d e di nt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m m o s ts o f t w a r ea r e a d o p t e d t h es t a n d a r da n s ic l a n g u a g e ，i ti n c r e a s et h es o f t w a r ep o r t a b i l i t y k e y w o r d s ：n e t w o r ko f h y d r o l o g i c a ls t a t i o n , a r m ，uc o s i i , u s bi n t e r f a c e l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得成都理工大学或其他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。 学位论文作者导师签名：_ 矛司季 学位论文作者签名：切寸彳火丢乏7 砷年厂月参日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛酆堡王太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权盛壑堡王盔堂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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：叶秋钮 如。7 年，月硝日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 选题依据与研究意义 由于国外信息化产业起步早，所以水文数据采集系统自动化水平较之我国也比较 高。我国水文自动化检测系统经过近三十年的发展，在现代电子技术、传感技术、通 信技术和计算机技术等众多技术的支持下也已经取得了重大的发展。回顾不同的历史 时期，我们所建的各种系统采集的数据，为防汛和水利调度的决策提供了依据和参考， 发挥了相当大的社会经济效益。近年来可持续性发展的要求和水资源的不足，则对水 位、水流量、水污染等监测的实时性提出了更高的要求。 在水文监测系统中，需要对众多的水位点进行实时监测。特别是洪汛时期，如果 采用传统的人工读取方式，有两大弊病： 第一：数据采集的时间间隔将是不确定的，如果数据没有及时报给控制部门，将 对抗洪抢险工作极为不利，甚至带来非常巨大的损失。 第- - ：检测地段一般都是比较危险的，特别是在非常时期，很可能给数据采集人 员带来生命危险。 所以，开发出一种远程无人控制采集系统，不仅能带来人力、物力的节约，更能 及时、实时的了解水文数据，以利于对防洪、抗洪、抢险、救灾工作的指挥决策发挥 更重要的作用。 在网络比较普及的今天，把水文工作站组建成一个网络系统，其意义与作用是不 言而喻的。网络的四通八达也在客观上使网络水文站的建设变为可能，便于i n t e r n e t 的直接访问。如果没有条件的地方也可以通过电话线拨号上网的方式接入网络，方便 网络统一规范管理每个监测点的数据。 近年我国也从国外引进了水位、雨量自动监测设备，重要用于水情报讯，其存储 容量小，功能较为专一，在水文资源信息的监测、存储、处理方面与水文资料整编规 范的要求存在较大的差距，无法满足水文资料整编刊印的要求。同时由于国外技术上 的优势，也造成了监测成本的提高。 基于上述现状，我们必须加快水文资源信息技术创新，努力发展适合我国水文行 业水资源自动监测的新技术，增强水文信息服务能力，提高水文数据信息采集的自动 化和现代化。同时，我们可以看到结合先进的综合网络监控管理系统的水文监测将会 是未来水文监测控制管理的必然趋势。 1 2 国内外研究现状以及发展方向 欧美国家都较早的开始水文自动化的研究，其中以美国的研究和应用最为成功， 可以说美国在流域管理方面代表了国际的发展方向。美国地质调查局( u s g s ) 是美国 成都理l 大学硕十学位论文 资源管理和信息整合的国家机构，同时收集整理全球相关资源信息，全美几乎所有的 江河、湖泊的水文、水质信息等资料都可以从国际互联网网上看到他们的数据管理情 况。能够及时的应对各种自然情况，给我们提供了一个很好的参考方向。 欧洲发达国家的河流监测自动化、半自动化监测网络已经基本完善，其监测网络 主要由国家或区域固定监测站、地面雷达网、遥感卫星等组成。这些技术都充分利用 了现代的自动化技术，为更好的管理和监测河流情况提供了有力的保障。 我国已经编制了涵盖水文站网的规划、流量测验、泥沙测验、水质监测、蒸发观 测、水文资料整编、水文仪器设备、水文情况预报及水资源水质分析评价等2 5 0 多项 技术标准( 其中，国际标准4 项，国家缴标准物质5 1 项，国家标准3 0 多项，水利行 业标准1 7 0 多项) ，形成了比较完整的水文标准技术体系，基本满足了水文业务的需 要，有力的推动了水文事业的发展。 现在全国大约有6 0 家都建立了实时水情、江河水情日报、水库水情日报等水文 监测的i n t e r n e t 联网。这些更说明了水文数据信息已经朝着实时监测、传输的方向 发展，使得集中监测变为可能。 1 3 课题来源及研究成果特色 根据国家8 6 3 计划对水文工作的要求：当代水文工作者必须要完成水文自动化数 据的采集，以及数据的实时性传输。本论文正是在这种背景下得到启发而设计研制的。 本论文研究的网络水文站主要有如下特点： 1 ) 结合现代最先进的电子技术，引用功能强大的微处理器a r m 傲为系统核心处 理芯片； 2 ) 硬件设计方面充分考虑了性价比，扩展了f l a s h 和一个u s b 接口，增强了系 统的可靠性； 3 ) 采用了嵌入式操作系统，充分展现了系统实时多任务调度的实时性，并且大 部分软件采用a n s ic 标准语言编写，程序便于移植； 4 ) 在pc 0 s i i 上实现了t c p i p 协议栈； 5 ) 实现动态w e b 服务器，只要给系统配备一个i p 地址并接入到i n t e r n e t 上， 用i n t e r n e te x p l o r e r 就可以远程网络访问、控制数据。 2 第2 章系统方案的选择 第2 章系统方案的选择 本文设计的是基于a r m 的网络水文站，监测的水文数据主要有河水的水位、水的 流速以及挟沙量。本系统主要设计了a r m 为核心的硬件系统和用于在i n t e r n e t 上传 输数据的t c p i p 协议栈。 2 1传感器选择 挟沙量测量：拟选用上海美希测量技术设备有限公司的s d m i i 型超声测沙 仪。 技术参数： 型号：s d m - i i 型 测量原理：超声幅度衰减 测量范围：含沙量2 8 0 0 9 l 密度( 浓度) ；1 0 0 1 1 5 0 9 c m 3 分辨率：0 5 9 l 重复精度：0 5 9 l ( 2 5 0 9 l 范围) ，1 ( 5 0 8 0 0 范围) 测量周期：1 毫秒 保护等级：i p 6 8 输出信号：r s 2 3 2 输出或4 “2 0 m a 或模拟电压输出 电源：a c 2 2 0 v 或d c 2 4 v ( 内置2 4 v 可充电电池，持续工作8 小时) ( 若用蓄电池可工作一个月以上) 功耗： 2 2 w 安装方法：悬吊式或按现场条件固定 外形尺寸：悬缆直径3 2 m m ，西1 5 0 m m ，高3 6 0 m m 水位测量：唐山市冀东自动化仪表厂的s o n i c 超声波液位计，它是目前世界 体积最细小的同类型产品。 性能特点： 1 、非接触式测量，运行稳定可靠：超声波传感器安装于料仓、液罐上方，不 直接接触物料， 克服了其它型号液( 物) 位计直接接触物料和由此而带来的弊端。 2 、强大通讯功能：仪表配备r s 4 8 5 串行接口，向上位机传输测量数据，以集 中控制和自动化管理。 3 、低功耗、上下限报警：主机功耗小于5 w ，继电器触点输出上下限报警信 号。 成都理i ：人学硕十学位论文 4 、测量周期短、测量精度高。小盲区、抗干扰能力强。 技术参数 显示：主机2 1 6 l c d 背光显示液( 物) 位高度 量程：3m 、5 m 、8m 、1 0m 、1 5m 、3 0m 、4 0i n 盲区及开角：盲区o 3 - 0 8m ( 与量程有关) ，开角小于1 2 度 测量精度：0 2 5 m 分辨率：l m m 测量周期：小于0 2 秒( 根据不同要求调整) 信号输出：4 - 2 0 m a ( 光隔离) ，负载小于7 5 0 q ，r s 4 8 5 继电器触点容量：a c 2 5 0 v ，7 a 。上下限报警输出。 环境温度：( 仪表) 一2 5 。c 5 0 c ：( 传感器) 一2 5 8 0 环境湿度；相对湿度小于8 5 功耗：小于5 w 。 防护等级：i p 6 5 ( 一体式) ：i p 6 7 ( 分体式传感器) 电源：a c 2 2 0 v 1 5 5 0 i z 或2 4 v d c 流速测量：拟采用北京金紫光科技发展有限公司的朋k t l 一l w g y 型涡轮流量传 感器，是涡轮流量计系列中的基本产品，装在测量管道上可将管道中低粘度 液体的流动状态转化成电脉冲信号。 技术参数： 环境温度：- 2 0 + 5 5 相对湿度：5 9 5 防爆类别：e x di ib t 5 介质温度：- 2 0 + 1 2 0 精确度：0 5 供电电源：1 2 2 4 v d c 输出信号：v 。，5 v ( 三线制) ，i o l 3 ai 。l i m a ( 2 4 v d c 供电，二线制，负 载电阻r l ：2 0 0 3 0 0 q ) 公称通径，流量范围，公称压力( 见表1 ) 传输距离：不超过1 k m 表l ：公称压力数据对照表 埝称通径( d n m m )流帚范喇( 一h )公称压力( 肝a ) 1 50 6 4 1 6 2 51 2 1 2 ：403 3 06 3 4 第2 章系统方案的选择 5 05 5 0 2 5 8 01 6 1 0 0 i 0 02 5 1 6 0 l1 5 05 0 3 0 0 |2 0 01 0 0 6 0 0 2 5 01 6 0 1 0 0 0 ； 3 0 02 5 0 1 6 0 0 2 5 ；4 0 0 4 0 0 2 5 0 0 5 0 06 0 0 4 0 0 0 2 2系统传输协议选择 二十一世纪，i n t e r n e t 已经变成覆盖全世界的计算机网络，再加上网络技术的日 臻成熟，因特网已经逐渐成为时代的主要信息载体，得到了广泛的应用。i n t e r n e t 是采用基于开放系统的网络参考t c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r n e t p r o t o c 0 1 ) 模型。t c p i p 与开放系统互联模型i s o ( 0 p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 不 同，它只有四层：应用层、传输层、网络互联层和网络链路层。 i n t e r n e t 得到快速的发展和广泛的应用不仅得益于采用了国际通用标准的 t c p i p 协议，更重要的是c s ( c l l e n t s e r v e r ) 技术的实现。目前基于浏览器的客户 端服务器的通信方式比c s 结构更为有效。在客户端服务器工作模式下，用户只需 要在客户端装有通用的浏览器，就可以向网络上的某一w e b 服务器提出请求。w e b 服 务器对用户身份进行验证后，接收用户的请求，执行相应的扩展应用程序，实现用户 对数据查询、更改、更新等功能，把运行结果提交给w e b 服务器。w e b 服务器利用h t t p 协议把运行结果通过主页形式传送到客户端，客户机接收传来的主页文件，并把它显 示在w e b 浏览器上。 所以本文设计出一种基于a r m 的嵌入式服务器，选择t c p i p 协议，能够在 i n t e r n e t 上传输基于h t t p 协议的网页，完成客户端对该嵌入式设备的数据读取和控 制。以此构成一个无需专人看守的网络水文站，完成设计功能。 2 1主控制器芯片选择 a r m 是3 2 位处理器，相对8 位的单片机在处理速度上，尤其是复杂指令的处理速 度上占有明显优势。a r m 7 是目前较低端的a r m 核，具有很高的性能且功耗很低，主要 应用领域为工业控制、i n t e r n e t 设备、网络和调制解调器设备、移动电话等等，它包 括了a r m 7 t d m i 处理器核和在此基础上发展起来的a r m 7 1 0 t 7 2 0 t 7 4 0 t 等，其中 a r m t t d m i 处理器核在对价位和功耗要求较高的系统中应用广泛。 成都理i ：大学硕士学位论文 a r m 7 t d m i 内部采用3 级流水线结构，即耿指、译码、执行，如图2 1 所示，它 的典型处理速度是0 9 m i p s 删z 的指令速度，高速的处理能力可以胜任绝大多数的复 杂应用。 a r j t h u m b p c p c p c - 4 p c 一2 p c 8 p c 4 指令从存储器巾墩出 对指令使用的寄存器进行译鹤 胶鸯存器细中读出寄存嚣执行移能 和a l u 擞作奇存器筠幽到奇存器组 图2 1a 跚7 t d m i 的指令流水线 本系统中我们采用的主控芯片是p h i l i p s 公司生产的l p c 2 2 1 4 ，它是a r m 7 t d m i 内核，该芯片是一款性价比很高的芯片，尤其要强调的是它具有非常丰富的片内资源： 1 6 k b 的片内静态r a m ； 2 5 6 k b 的片内f l a s h 程序存储器； 8 通道的1 0 位a d 转换器，转换时间低至2 4 4 微秒； 外部3 2 位的总线： 最高片内p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ，锁相环) 可实现6 0 m h z 的c p u 操作频率： 存储器接口可配置4 组存储器，每组容量均可高达1 6 m b ； 多个串行接口，包括2 个u a r t 、高速( 4 0 0 k b p s ) i 接口和2 个s p i 接口； 支持在系统编程( i s p ) 和在应用中编程( i a p ) ； 2 个3 2 位定时器、实时时钟和看门狗； 1 1 2 个通用i o 日； 有空闲和掉电两种低功耗模式( 更节电，有利于制作便携式仪器) 双电源： c p u 操作电压范围：1 6 5 1 9 5 v ( 1 8 x ( 1 8 3 ) ) ； i o 口操作电压范围：3 0 3 6 v ( 3 3 ( 1 1 0 ) ) 。 l p c 2 2 1 4 的结构框图如图2 2 所示： 6 薰 第2 章系统方案的选择 图2 2l p c 2 2 1 4 的结构框图 7 成都理i ：大学硕十学位论文 2 4 以太网芯片的选择 本系统选用的以太网接口芯片为r t l 8 0 1 9 ，它是高度集成以太网控制器，它的兼 容适配器能够兼容即插即用的n e 2 0 0 0 。这种兼容适配器具有全双向和功率可降的特 性。并有三级功率降低控制特性，r t l 8 0 1 9 a s 是对网络设备g r e e np c 理想的选择。 全双向功能能够模拟双绞线到全双向以太网交换机的传播和接收。这个特性不仅增加 了i o m 到2 0 m 的带宽容量，而且避免了由于以太网信道争夺特性导致的读出多路存取 协议的问题。为了特殊的应用而不使用即插即用功能的兼容设备，r t l 8 0 1 9 a s 支持 j u m p e r 和j u m p e r l e s s 选项。 为了提供完全的即插即用方案，r t l 8 0 1 9 a s 在集成的i o b a s e t 收发器、b n c 和a u i 接 口之自j 提供了自动检测功能。此外，提供8 路的中断请求和1 6 条基本i o 地址总线，这些 选项为宝贵的资源配置提供了很强的灵活性。 r t l 8 0 1 9 a s 支持1 6 k ，3 2 k ，和6 4 k 字节b r o m ( b o o tr o m ) 和闪存接口。它仍然提供页 面模式功能，这种功能支持在只有1 6 k 字节的系统内存空间中，操作达4 m 字节的b r o m 此外，当b r o m 程序被加载之后，b r o m 的无用命令可以用来释放b r o m 的内存空问来供其 它系统使用。 r t l 8 0 1 9 a s 内部具有1 6 ks r a m ，它不仅设计来提供很多的友好功能，而且还节约使 用了s r a m 存储资源。 r t l 8 0 1 9 具有十分强大和完善的功能，芯片引脚如下图2 3 所示： 图2 - 3 ：r t l 8 0 1 9 管脚幽 8 第2 章系统方案的选择 2 5接口芯片的选择 本系统采用u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线) 接口与p c 机进行数据 交换。与传统的i s a 、p c i 、e p p 等接口相比，i s a 插口需要打开机箱操作，而且计算 机的高频信号对系统会造成一定的影响；p c i 接口规范复杂；串口传输距离较远传输 协议简单，但是传输速度不高；e p p 口传输速度较快但传输距离很短，不超过1 米， 这给数据传输带来了不少麻烦。u s b 虽然其软硬件实现相对复杂，但是它传输速度快， 有低功耗模式( 待机时自动启动省电模式，有利于便携式仪器的野外使用) ，支持热 插拔，而且是由于它是当前盛行的传输接口，基本所有的p c 机都有方便插拔的u s b 接口，因此权衡利弊后，我们采用了u s b 接口。 在本系统中u s b 芯片采用的是p d i u s b d l 2 ( 以下简称d 1 2 ) ，其内部结构框图如图 2 - 4 所示。d 1 2 是一款性价比很高的u s b 器件，符合u s b i 1 版总线规范，可与微控制 器或微处理器实现高速并行接口，具有以下特性： 集成了s i e ( s e r i a li n t e r f a c ee n g i n e ，串行接口引擎) 、f i f o 存储器、收 发器及电压调整器； 接口数据传输速度最高可达2 船s ； 完全自治的d m a ( 直接内存存取) 操作； 批量模式和同步模式下均可实现i m b s 的数据传输速率； 挂起时可以控制l a z y c l o c k 输出； 采用g o o d l i n k 技术的连接指示器，通信时l e d 闪烁，便于调试； 可编程时钟频率输出； 内部上电复位和低电压复位电路； 片内高于8 k v 的静电防护电路，简化了外部电路，降低了成本； 双电源操作( 3 3 v 或5 v 电源) ，范围为3 6 5 5 v 。 上游端吼锁柑环 謇pl ”一蹦 x 还 d + + d - ： - ll 对钟设复 i 存储器管理 棱拟h朔i l i p s j v i 錾元 收发器l串行接u 引擎 l电压调祭器 弗 f 和d 1 | l a i 接1 1 图2 - 4 ：d 1 2 内部结构框图 9 成都理i ：人学硕十学位论文 2 6 操作系统选择 目前的嵌入式操作系统大多具有实时性的特点，即嵌入式实时操作系统( r e a l t i m eo v e r a t i n gs y s t e m ，r t o s ) ，它们都具有反应速度快、自动化和智能化程度高的 特点。比较典型的嵌入式实时操作系统主要可分为商用型和免费型两大类。 商用型嵌入式实时操作系统包括有w i n d o w s c e 、v x w o r k s 、p s o s 等等，它们的功 能稳定、可靠性高，而且提供图形用户界面和网络支持等嵌入式系统扩展的高级功能， 但是价格都比较昂贵，且源代码封闭，因此每个系统上的应用软件与其他系统都无法 兼容。另外，由于这种封闭性还导致了商业型嵌入式系统对各种设备的支持方面存在 很大问题，使得基于这些操作系统的软件移植变得很困难。 免费型操作系统虽然没有成型的扩展功能，如前所说的图形用户界面等，但同样 为用户保留了标准的应用程序接口( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ，a p i ) ， 而且源代码公开、具有操作系统的基本功能模块。因此权衡利弊之后我们决定选用免 费型操作系统。 免费型的操作系统主要有hc o s i i 和l i n u x 。我们在本论文中采用了pc o s i i 操作系统，主要考虑了两方面。 ( 1 ) uc o s i i 更适合小型控制系统，最小内核可编译至2 k b ，uc 0 s i i 内核 所提供任务调度与管理、时间管理、任务间同步与通信、内存管理和中断服务等功能 足以满足本系统的要求。而l i n u x 更适合于具有网络功能的系统，移植l i n u x 需要具 有至少几百l ( b 以上的外部r o m 和r a m ，因此用嵌入式l i n u x 做开发，不太容易把系统 做小。 ( 2 ) 本系统希望所引入的嵌入式操作系统具有较好的实时性能，而l i n u x 没有 内存管理单元( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ，m m u ) ，本身并不具备实时性能，虽然可以 通过增加一个实时内核来或者利用它开放的代码从整体上改造l i n u x 的办法来实现实 时性，但是这个过程对于编程者而言意味着更多时间的付出或者更多的编程经验。现 在也有一些l i n u x 核可以支持实时系统但实时性能比起uc o s i i 还是稍逊一筹， 而且pc o s i i 其后期版本已经通过了美国航空航天局的认证。 总之，pc 0 s i i 内核是针对实时系统的要求设计实现的，相对简单，可以满足 较高的实时性要求；而l i n u x 则在结构上继承了标准l i n u x 的多任务实现方式，仅针 对嵌入式处理器特点进行改良，结构上复杂的多。因此在本系统中我们选择了“c o s i i 操作系统。 具体的讲pc o s i i 具有以下特点“”： ( 1 ) 公开源代码 uc o s i i 的全部源代码可通过购买其作者编写的pc o s i i 书籍获得，且源 代码带有详尽的注解。如果不用于商用，那么它的源代码基本上是免费的。 1 0 第2 章系统方案的选择 ( 2 ) 可移植性 绝大部分uc o s i i 源码采用了移植性很强的a n s ic 编写，只有和微处理器硬 件相关的那部分代码是用汇编语言编写，这样汇编语言所占的比例已经压到最低限 度，使得uc o s i i 可以非常方便的移植到其它微处理器上。pc o s i i 可以在绝 大多数微处理器、微控制器、数字信号处理器上运行。 ( 3 ) 可固化 i lc o s i i 是为嵌入式应用而设计的，也就是说只要我们具备了固化手段，l l c 0 s i i 就可以嵌入到硬件系统中，成为系统的一部分。 ( 4 ) 可裁剪 可以根据系统应用的需要剪裁功能。这样可以减少产品中的uc o s i i 所需的存 储空间( r a m 和r o m ) ，这种可裁剪性是靠条件编译实现的。只要在用户的应用程序中 定义哪些| lc 0 s i i 中的功能是应用程序需要的就可以了。这样做减少了操作系统所 占的空间，使得uc o s i i 最小可达到2 k b 。 ( 5 ) 可剥夺性 pc o s i i 是完全可剥夺型的实时内核。可剥夺型内核也称为占先式内核，它是 指最高优先级的任务一旦就绪，马上就能得到c p u 的使用权。这意味着uc 0 s i i 总是运行就绪条件下优先级最高的任务。 ( 6 ) 多任务 uc 0 s i i 可以管理6 4 个任务，每个任务可以赋以不同的优先级，也就是说i l c 0 s i i 是基于优先级的多任务操作系统。 ( 7 ) 时间可确定性 全部pc o s i i 的函数调用与服务的执行时间具有其可确定性，也就是说，u c o s i i 系统服务的执行时间不依赖于应用程序任务的多少。 ( 8 ) 任务栈 每个任务有自己单独的栈，pc 0 s i i 允许每个任务有不同的栈空间，以便压低 应用程序对r a m 的需求。 ( 9 ) 系统服务 | ic o s i i 提供很多系统服务，例如邮箱、消息队列、信号量、块大小固定的内 存的申请与释放、时间相关函数等。 ( 1 0 ) 中断管理 中断可以使正在执行的任务暂时挂起。如果优先级更高的任务被该中断唤醒，则 高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行，中断嵌套层数可达2 5 5 层。 ( 1 1 ) 稳定性和可靠性强 hc o s i i 在航空领域的应用中得到了美国联邦航空管理局认证。 成都理i ：人学硕十学何论文 第3 章系统硬件设计 本系统硬件包括传感器信号调理电路、a r m 主控制器部分、以太网控制器 r t l s 0 1 9 、j t a g 接口以及用来进行数据备份用的u s b 接口。其硬件框图如图3 - 1 所 示。 茎篡悔量传感群 i ” j 坷8 l p c 2 2 1 4 处理器 ( a r m 7 t d m t s ) 图3 - 1 ：系统原理框图 r t l 8 0 1 9 以 太附摔制瓣 r j 4 5 以太 嘲椿l j 其工作过程为：水文数据通过三路传感器输出毫伏级的模拟信号，经过信号调理 电路之后，三路信号变成稳定的模拟信号输入主控芯片l p c 2 2 1 4 ，l p c 2 2 1 4 将这三路 模拟信号转换为数字信号，并存储在扩展的f l a s h 中。将嵌入式操作系统pc 0 s i i 移植在l p c 2 2 1 4 系统中，并在操作系统上实现t c p i p 协议，在此基础上实现用户 应用程序层的h t t p 协议，所传输的网页存储在f l a s h 中。其中用户可以通过访问 该w e b 服务器获取该服务器的p a g e 页，并且可以在p a g e 页里面选择采集数据的 不同的时自j 自j 隔，控制数据的存储间隔。为了避免网络故障带来的数据丢失，系统还 提供了一个u s b 接口，用来转移存储在f l a s h 中的数据。 下面对各个硬件电路进行详细说明。 3 1信号调理电路 本电路选用共模抑制比很高的三运放构成的测量放大电路，能够很好的提高 信号的质量。前级采用同相放大器，可获得很高的输入阻抗，后级采用差动放大 器可以获得很高的共模抑制比，增强了电路的抗干扰能力。如图3 2 所示： 根据测量放大器电路可得到增益：a f ：( 1 + 墨t 里) 一r r ；1 0 r兄 1 2 第3 章系统硬件设计 3 2a r m 主控系统 图3 2 ：信号调理原理图 本部分将介绍基于a r m 的控制系统，包括了其基本支撑电路，即时钟、复位电路 和调试用j t a g 接口和以太网控制器r t l 8 0 1 9 、u s b 接口。 3 2 1 时钟与复位电路设计 时钟电路如图3 - 3 所示，晶振采用的是1 1 0 5 9 2 删z 。 复位信号的可靠性和稳定性对微控制器的正常工作有重大的影响，本系统中复位 芯片选用了s p 7 0 8 s ，其主要特点如下： 2 9 3 v 高精度低电压监控器，符合l p c 2 2 1 4 对复位门槛值的要求范围( 3 o 3 6 v ) ： 复位脉冲宽度：2 0 0 m m 独立的看门狗定时器，溢出周期为1 6 s ； 最大电源电流为4 0 pa ； 支持开关式t t l c m o s 手动复位输入； 下降至1 v 时产生复位信号； r e s e t 输出支持高低两种电平方式； 内嵌v 。干扰抑止电路； 引脚兼容性强。 成都理f ：人学硕十学位论文 复位电路采用了带手动复位的复位方式，具体电路如图3 4 所示。在需要时可以 选择手动复位，或者当电源电压低于2 9 3 v 时，复位芯片会进行低电压检测，给系统 发出复位信号。 图3 - 3 ：时钟电路 3 2 2t r l 8 0 1 9 网卡电路： 图3 - 4 ：复位电路 l p c 2 2 1 4 是总线开放的，所以电路设计为1 6 位总线方式对r t l 8 0 1 9 进行访问，即 数据总线d o d 1 5 与芯片的s d o s d l 6 相连，由于r t l 8 0 1 9 工作电源是5 v 而l p c 2 2 1 4 的i o 电压为3 3 v ，所以在总线上串接4 7 0 欧的保护电阻。 r t l 8 0 1 9 工作在跳线模式下，其基地址为o x 3 0 0 ，所以电路上s a 6 、s a 7 、s a l 0 s a l 9 均接地，s a 9 接电源。s a 8 与地址总线的a 2 2 相连，s a 5 与l p c 2 2 1 4 的外部存储 器b a n k 3 片选c s 3 相连，当s a 8 为1 ，s a 5 为0 时，选中r t l 8 0 1 9 芯片，其操作地址 即为：o x 8 3 4 0 0 0 0 0 o x 8 3 4 0 0 0 1 f 。 电路如图3 5 所示： 图3 - 5 ：r t l 8 0 1 9 网卡原理图 1 4 第3 章系统硬件设计 3 2 3u s b 接口电路设计 u s b 接口的硬件电路如图3 6 所示，网络标号如表3 - 1 所示。其中，当u s b - a 0 为 0 时，数据总线d o - - d 7 输出值为数据，当u s b _ a 0 为1 时，数据总线d o w d y 输出值为 命令。由硬件电路可以看出，d 1 2 占用的是l p c 2 2 1 4 的b a n k 2 部分，其数据地址为 0 x 8 2 0 0 0 0 0 0 ，命令地址为0 x 8 2 0 0 0 0 0 1 ；d 1 2 的中断信号输出接至l p c 2 2 1 4 的外部中断 2 ；发光二极管g o o d l i n k 将在正常通信时闪烁；时钟采用6 m h z 晶体，c 2 和c 3 分别为 6 8 p f 和2 2 p f ，以确保d 1 2 的正常的工作时钟；d + d _ 线分别串联一个磁珠，起到高频 滤波的作用，并各自串接1 8 q 的匹配电阻。 图3 6u s b 接口的硬件电路 表3 一l 网络标号的对麻关系 电路中的标号与控制芯片的连接关系功能 d 0 d 7 l p c 2 2 1 4 的d o - - d 7数据总线 o el p c 2 2 1 4 的o e 读允许信号( 低有效) w el p c 2 2 1 4 的w e 写允许信号( 低有效) u s br s t l p c 2 2 1 4 的p o 1 0 引脚u s b 的复位输入信号 u s bc s l p c 2 2 1 4 的c s 2 脚( p 3 2 5 )u s b 的片选信号 u s ba oc p l d 的5 1 脚( 普通i o 脚) u s b 的地址总线 u s bi n t l p c 2 2 1 4 的e i n t 2 引脚u s b 中断输出信号 u s bs u s p l p c 2 2 1 4 的p 0 1 3u s b 挂起输入信号 成都理l ：人学硕十学侮论文 3 2 4 其它接口电路设计 l p c 2 2 1 4 支持j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ，联合行动小组) 协议，通过这 个协议标准可以对具有j t a g 口芯片的硬件电路进行边界扫描和故障检测，本系统在 也引出了基本的j t a g 接口，来进行程序的仿真和调试。 另外，在系统中我们在硬件上使用了a r m 内部的串口u a r t o ，外部串口芯片采用 的是m a x 3 2 3 2 。此串口主要用于程序的在线升级下载，具体连接方式如图3 7 所示： 图3 7 ：串口电路图 3 3电源设计 l p c 2 2 1 4 需要使用两组电源：i o 口供电电源为+ 3 3 v ，内核及片内外设供电电源为 + 1 8 v 。本系统的电源电路如图3 8 所示。 图3 8 ：系统电源电路 1 6 第3 章系统硬件设计 电源的接口输入为+ 9 v 直流电源，二极管i n 5 8 1 9 是为了防止电源反接而设计的。 通过l m 7 8 0 5 将稳压至+ 5 v ，然后使用l d o 芯片( l o wd r o p o u tr e g u l a t o r ，低压差线 性稳压器) s p x l l 7 m 3 3 3 和s p x i l l 7 m 3 一i 8 分别得n + 3 3 v 和+ 1 8 v 的电源。s p x l l l 7 系列芯片具有很低的静态电流，输出电流大( 最大可达8 0 0 m a ) ，输出电压精度高，稳 定性高。 3 4 系统设计注意事项 由于l p c 2 2 1 4 的片内工作频率最高可达6 0 m h z ，如果设计不当可能会造成系