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基于嵌入式技术的传感器信号无线传输解决方案的研究 摘要 随着通信技术的发展，无线通信网络在工业数据传输中目益得到应 用。为提高远程监控的灵活性、实时性和经济性，本文研究了基于嵌入 式技术的传感器信号无线传输解决方案。本文利用现有的g p r s 网络资 源，发挥网络覆盖率高、传输特性好等优势，为桥梁远程监控系统提供 一种便捷的无线数据传输方式。 本文首先介绍了课题研究的背景和嵌入式操作系统及g p r s 的基本 理论。其次，根据实际的应用需求，对嵌入式操作系统晰n d o w sc e 进行 了探讨。根据操作系统图形表现效果，以及监测的实时性要求、监测系 统的硬件特性，对砌n d o w sc e 系统进行了裁减，定制了一个符合监测系 统需求的系统。 经过测试，系统性能稳定，为现有传感器信号传输提供了一种新型 的无线数据传输模式。这也必将成为工业控制及现场监测等领域的发展 趋势。 关键词：嵌入式操作系统数据传输移植g p r s 北京邮电大学硕上学位论文 s t u d yo fs o l u t i o no ft h es e n s o rs i g n a l w l r e l e s st r a n s m i s s i o nb a s e do ne m b e d d e d t e c h n o l o g y a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e mo fc o m m u n i c a t i o nt e c h r l o l o g mm o r ea 1 1 dm o r e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns v s t e 】 n sa r eu s o da sd a t at r 蜀m s m i s s i o ni ni n d u s t r i e s i no r d e rt om a k ei tm o r en e x i b l e 、r e a l - t i m ea n de c o n o l n i c a l as o l u t i o no f t h e s e n s o rs i 弘a lw i r e l e s s 仃a n s m i s s i o nb a s e do ne m b e d d e dt e c l l n o l o g yi s d e v e l o p e di nt h i st h e s i s b yu s i n ge x i s t i n gg p r sn e t 、) l ，o r kr e s o u r c e s ，t a k i n g t h e a d v 眦a g e o fw i d e c o v 舒n g ，g o o d仃a n s m i t t i n gc h a r a c t 耐s t i c s ， a c o n v e n i tw i r e l e s sd a t at 啪s m i s s i o nm e t h o dh 硒b e e np u tf o r w a r df o rb r i d g e l o n g d i s t a n c em o n i t o r i n g f i r s t l 弘t h cb a c k g r o u n do ft h i sp r o j e c t ，锄b e d d e do p e m t e ds y s t c ma n d g p r sb a s i ct h e o r i e sa r ei n t r o d u c e di nm i st h e s i s ，s e c o n d l ma c c o r d i n gt o p m c t i c a la p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t ，t h ep 印e rd i s c u s c sw i n d o w sc ea s a 锄b e d d e do p e m t c ds y s t 锄晰n d o w sc ei sa d o p t e d 锄dc u td o 、) l ，na c c o r d i n g t om eh a r d w a r cc h a m t e ra n dr 1 t i m er e i ir e 】m e l l to fm o n i t o r i n gs y s t e m ，a s w e n 嬲t h ee 仃e c to f o s s 鲫h i cr 印r e s c n t i o n t h et e s ts h o w st h a tt h es y s t e mi sm n n i n gs t a b l ya i l dr e a c ts e n s i t i v e l y t h i so f r e r sac o n v c n i e n tw i r e l e s sd a t at r a 【1 1 s m i s s i o nf o rp r e s e i l td a t ac o l l e c t i n g s y s t 锄t l l i ss h o w st l l a t “i st h et 砌l di nt h ef i e l do fi n d u s 仃i a lc o n 仃0 la n dl i v e m o n i t o r i n g k e yw o r d s ：伽b e d d e d 叩e n i n gs y s t 锄 d a t a的n s m i s s i o n t 啪s p l a mg p r s 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：鲎盥 日期： 娜7 z 翻 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学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邮电大学。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磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，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遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 鲎鳇壶鸯日期：圣箜z ：至：至呈 导师签名：盘舡磐 日期： 丝i ：兰：j 北京邮电大学顾j j 学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 数据采集是获取信息的基本手段。数据采集技术作为信息科学的一个重要分支， 是以传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术。 而现场采集的传感器信号通过无线方式传输出去，与传统的数据采集系统相比，具有 不受地理环境、气候、时问的影响等优势。借助无线传输手段，更具有工程造价和人 力资源成本低，传输数据不受地域的影响，可靠性高，免维护等优点。通信、计算机 等技术的飞速发展，特别是远程传输手段的多元化和技术水平的提高。 近年来，随着科学技术的发展，尤其是通信技术、计算机技术和传感器技术的发 展，将远程采集技术应用予桥梁健康监测领域，使人们对桥梁的实时远程自动监测成 为可能。桥梁远程髓测系统涉及传感器、结构力学、计算机、通信等多学科多领域， 是国际上的前沿热点研究领域。国外从2 0 世纪8 0 年代开始了这方面的研究，已取得 了一些成果并在实际中得到应用。在我国，目前已有一些科研机构在进行这方面的研 究，也取得了一些成果。桥梁工程在国民经济和社会生活中的作用越来越重要。2 0 世纪中叶以来，桥梁工程技术的飞跃发展，修建大跨、特大跨度桥梁越来越多，人们 对大型桥梁的安全性、耐久性与正常使用功能同渐关注。近年来国内外许多桥梁都建 立了监测系统。桥梁检测技术作为桥梁工程的一个基础性研究方向，历来是国内外学 者关注的热点“。1 。 从某种意义上讲桥梁检测技术，特别是借助于现代化高技术的检测手段的无损检 测技术，代表了桥梁检测技术的最新发展方向，也是桥梁健康状况监测这一大型综合 智能型决策系统设计的关键所在。 合理评价桥梁的健康状况，必须正确认识桥梁在不同环境下的结构特性和较为准 确的桥梁状况数据。现有的桥梁健康监测系统大多采用有线监测系统，常用传统的电 缆实现传感器和中心采集单元的通讯。有线监测系统普遍存在着安装造价高、环境对 传输信号的影响较大等缺点，也给后期的数据处理带来麻烦。这些弊端对桥梁结构检 测技术提出了新的更高的要求。而无线监测系统就克服了有线监测的固有缺点，确保 了低廉的造价和安装费用，并使传感器之间的通讯可靠。桥梁无线监测是指利用无线 网络和信息融合等技术，使用无线传感系统替代传统有线传感系统，实现传感器和中 北京 | | ；l u 人学坝l 学位论文 心数据采集系统之间的直接通讯。无线监测系统网络布设比有线监测系统灵活，是桥 梁健康监测的一个发展方向。 l 。2 国内外研究现状 目前，国内外的许多大学及研究机构都在积极投入人力、财力研制丌发针对桥梁 或其他土木工程的安全监测系统。其中包括研究使用先进方法来测量土木工程的一些 指标，如位移，应变等。仪器设备的发展使得测量变得相对简单而且使得处理数据的 速度变得很快甚至可以达到实时处理”。 随着因特网的迅猛发展，人们对数据业务的需求快速增长，再加上信息化智能化 建设需要越来越多的设备进行数据通信，而第二代移动通信系统所能提供的数据业务 能力有限，这就迫使下一代移动通信系统的开发。 g p r s 是基于g s m 系统的无线分组交换技术，提供端到端的广域的无线m 连接。 它充分利用共享无线信道，实现数据终端的高速、远程接入。g p r s 允许用户在端到 端分组模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源，从而提供了 一种高效、低成本的无线分组数据业务。其主要特色是可以提供高达1 7 1 2k b p s 的分 组数据传送速率，用户永远在线且按流量计费，迅速降低了服务成本。 国际上如美国、欧洲等发达国家在g p r s 无线数据应用方面己经非常普及。美国 著名的m u f i i t e c h 系统公司是广域网( w a n ) 技术相关设备的主要提供者，在嵌入式无 线m o d e m 市场里在全球处于主导地位，有着3 0 年的m o d e m 设计和生产经验， 在业界提供了品种最全质量最好的m o d e m ，在2 0 0 3 年m u m - t e c h 开始进军嵌入式 无线接入设备市场。在当年的嵌入式系统展览上，m u f i i t 砒就展示了一种新的 s o c k e t m o d e m 和m o d e m m o d u l e 模块，这些模块同时使用7g s m i g p r s 以及c d m a 技术，可以在全球的蜂窝通信网络上进行数据和语音通信，这些新的m o d e m 可以 被集成到其它的0 e m 设备中或者针对特定的应用系统中。 我国自从2 0 0 2 年中国移动g p r s 商用化以后，国内各大小企业都加入了无线数 据应用解决方案的行业中，针对特定的行业出现了各种各样的无线接入产品， 如在 交通系统，通过在高速路和市郊区主干道上架设照相器材和摄像头等监控设备，并连 接一台g p r s 通信终端，即可实现交通管理部门对道路及车流量状况和超速、闯红 灯等违章行为的及时监督和查处。出租车和公交车公司对于旗下的数千车辆的监控和 调度，也有赖于g p r s 网络的支持。g p r s 监控调度系统综合利用g p r s 网络、计 算机网络、全球卫星定位( g p s ) 、无线通信、地理信息系统( g i s ) 等多学科技术，与 2 北京邮电大学硕j ：学位论文 调度指挥工作特点紧密结合，建设基于g p s 位置服务的公交车辆指挥调度中心，为 出租公司和公交公司提供实时可靠的监控调度手段。电力部门依托g p r s 网络或s m s 短消息系统，将工业和民用电表采集的电力系统数据实时传递到地、市、省级的集中 监控中心，以实现对电力监测设备的统一监控和分布式管理。这项应用充分发挥了 g p r s 网络在覆盖和数据传输方面的优势，同时也为电力系统提供了简单高效的通信 传输手段。尽管如此，但就我国整体来说，无线接入产品占的市场份额还远没有其它 发达国家高，如移动p o s 终端在美国占有6 0 的市场份额，而在中国这个数据还不 到l o ”“。 中国目前拥有全世界最大的移动通信网络，覆盖全国的g p r s 网络已成为一种可 持续利用和开发的资源。相信在不远的将来，被移动信息化武装起来的智能政府、智 能交通、智能商业、智能家庭会陆续呈现在我们面前，溶入生活中的每一个角落。 1 3 本课题的主要工作 本论文正是为了满足各个行业的信息化需求而设计了基于移动通信网络的无线 数据传输解决方案。它特别适用于间断性的、突发性的和频繁的、少量的数据传输。 该方案从系统功能上分为两部分：现场下位机负责数据采集及控制g p r s 模块进行数 据的无线发送和上位机( p c ) 通过固定h t 咖e t 接收数据。本论文搭建了一个通用的 基于网络的嵌入式远程无线数据传输系统架构，对嵌入式操作系统w i n d o w sc e 进行 了研究，并基于s a m s u n gs 3 c 2 4 l o 芯片成功移植了嵌入式操作系统、m n d o w sc e ， 以及相应的应用程序开发。 北京邮i u 人学硕f 学位论立 第二章嵌入式操作系统与嵌入式处理器 嵌入式系统主要包括可裁剪的硬件、嵌入式操作系统以及在此操作系统上的专用 软件，其中硬件中最主要的就是嵌入式的处理器，因此我们有必要了解一下嵌入式处 理器和嵌入式操作系统。 2 1 嵌入式系统 嵌入式系统被定义为：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬 件可裁剪，适应于应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计 算机系统。它一般由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统和用户应用程序 四部分组成。 2 1 1 嵌入式系统的优点 为什么要采用嵌入式系统? 除产品体积、成本等因素的考虑，选择嵌入式还有性 能上的原因：它与通用计算机不同，其硬件和软件主要考虑的是高效率地设计，量体 裁衣，去除冗余，在同样的硅片面积上实现了更高的性能，这样在处理器的选择上也 使其更具竞争力。此外，因为嵌入式系统和具体应用是有机结合的，它的升级换代与 具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品具有较长的生命周期。嵌入式系统中的软件， 一般都固化在只读存储器中，而不是以磁盘为载体，可以随意更换，所以嵌入式系统 的应用软件生命周期也和嵌入式产品一样长。 2 1 2 嵌入式处理器 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备4 个特点“- 5 1 ： ( 1 ) 对实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时 间，从而使内部的代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限度： ( 2 ) 具有功能很强的存储区保护功能，这是由于嵌入式系统的软件结构己模块 化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功 能，同时也有利于软件诊断： ( 3 ) 可扩展的处理器结构，以能迅速地扩展出满足应用的高性能的嵌入式微处理 器： ( 4 ) 嵌入式微处理器的功耗必须很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和 4 北京邮电大学硕i 二学位论文 通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此功耗只能为m w 甚至w w 级。据不完 全统计，目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 种，流行的体系结构有 3 0 多个系列。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越束越多的公司有 自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从6 4 k b 到1 6 m b ，处理速度 为o 1 2 0 0 0 m i p s ，常用封装8 1 4 4 个引脚。 其中，单片机、d s p 、a r m 等为大家所常用。由于大量采用新技术，更改内部 系统结构( 一般为哈佛结构) ，使用流水线技术，提高处理器的并行处理能力，提供在 线仿真( 一般用j 1 a g 接口) ，同时在片中还集成大量外设接口，大大增强了系统的功 能和减小了硬件平台的体积。低端的8 位的单片机，芯片内部集成的功能越来越多， 封装越来越小，系统时钟频率已有很大提高，而在高端3 2 位c p u 中除了我们都熟悉 的x 8 6 系列，就是a r m 和d s p 在我国应用最为广泛。 表2 1 几种典型的处理器的比较 比较项目 处理器芯片 参数、性能、经济等 单片机 l 、4 、8 、1 6 、3 2 总线结构d s p1 6 、3 2 a r m3 2 单片机几十k 至几百m 系统时钟 d s p2 0 m 1 1 g a r m2 0 m 7 0 0 m 单片机小 内部存储器容量 d s p 小 a r m大 单片机 u c 0 s i i 支持操作系统 d s pu c o s a r m 很多 单片机 一般 功耗 d s p 低 a r m 低 单片机便宜 经济 d s p 一般 a r m较贵 2 2a 砌u 微处理器简介 近年来，随着微电子技术、计算机技术、通信以及网络技术的发展，作为嵌入 式系统核心的嵌入式微处理器必须应对嵌入式应用面临的挑战，a r m ( a d v 锄c e d 北京邮i u 人学坝i 。学位论文 r i s cm a c h i n e s ) 嵌入式微处理器，以其完整的体系结构发展系列，极小的体积、极低 的功耗、极低的成本、极高的性能，及时根据嵌入的对象的不同进行功能上的扩展的 优势，在众多种类的嵌入式微处理器中脱颖而出1 。 2 2 1 嵌入式应用面临的挑战 ( 1 ) 性能与内核速度之间的矛盾 更高的性能意味着更高的内核速度，但是：内核与存储器之间的速度存在一条鸿 沟；系统性能受限于慢速系统组件；连线长度限制了能以内核速度访问片上内存的大小： 接插连接技术影响了高速跟踪的实现；0 1 3 “m 及以下工艺条件下，发生软件错误的 风险大。 ( 2 ) 复杂的系统带来的问题 更复杂的系统意味着内存开销的增加，可预测性方面面临更大的压力，更复杂的 总线模型。可靠性及应用水平越来越高和网络连接已是一种明显的走向，所集成的部 件越来越多，在某种意义上可以说是万用机了，功耗要求越来越低，和模拟电路结合 更加紧密。 2 2 2 a r m 嵌入式微处理器的出现及发展现状 ( 1 ) a r m 公司的发展 1 9 9 0 年1 1 月，a r m 成立于英国，原名a d v a i l c e d r i s c m a c h i n e 有限公司，是苹 果电脑、a c o m 电脑集团和v l s it c c h n o l o 时的合资企业。a c o m 曾推出世界上第一 个商用单芯片r i s c 处理器，a r m 成功地研制了首个低成本r i s c 架构，迅速在市场 上崭露头角。1 9 9 1 年，a r m 推出首个嵌入式r i s c 核止卜_ 一a r m 6 n 4 系列微处理器 后，v l s i 率先获得授权。一年后，夏普和g e cp l e s s c y 也成为授权用户。1 9 9 3 年， 德州仪器和c i r n l sl o 西c 也签署了授权协议。从此，a r m 公司的知识产权和授权用户 都急剧扩大。这一年，n i f ( n i p p o ni n v e s t n l 咖a n df i n 锄c e ) 成为股东后，a r m 公司开 始向全球扩展，1 9 9 8 年4 月，a r m 公司在伦敦证券交易所和纳斯达克交易所上市。 a r m 公司现己发展成为一家全球大公司。 ( 2 ) a r m 微处理器系列的发展 首个a r m 芯片是在1 9 8 5 年由a c o m 计算机公司设计的，采用的是典型3 2 位 r i s c 体系结构。其指令拥有4 位的寄存器地址域，可以访问r o r 1 5 这1 6 个寄存器。 使用了标准的、固定长度的3 2 位指令格式，所有的a r m 指令都使用了4 位的条件 码来决定该指令是否执行，这种方式可以解决一些条件分支问题。但是，首个嵌入式 r l s c 核心一a r m 6 刑系列微处理器还只有2 6 位的地址空间。 2 2 3a r m 嵌入式微处理器的竞争优势 ( 1 ) 采用了r i s c 结构与t h u m b 指令集的扩充 6 北京邮电人学硕：卜学位论文 首个被设计的a r m 处理器芯片采用的加载储体系结构是典型的r i s c 结构。 a r m 体系结构继承了r i s c 结构中的加载存储体系结构、固定长犯位指令和三地址 指令格式。大量使用寄存器，指令执行速度更快，大多数数据操作都在寄存器完成。 a r m 体系结构v 4 t 及以上版本定义了称为皿u m b 的1 6 位指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件。髓啪b 体系的扩充使得在8 位1 6 位系统价格下可得到3 2 位系统性能， 能获得比通常的8 位1 6 位c i s c 爪i s c 控制器有更好的代码密度，是传统的3 2 位体 系结构代码大小的一部分。例如a r m 9 系列，代码密度提高了3 5 。这意味着程序 存储器可以更小，因而降低了成本。 ( 2 ) a r m 片上调试特性 a r m 还提供了两个前沿特性嵌入式e i c r t ( e m b c d d e dbc i r c u i t r c a lt i m e ) 逻辑和嵌入式跟踪宏单元，用以辅助带有嵌入式处理器核的、高集成的s o c 器件的 调试；a r m 业界领先的跟踪解决方案一嵌入式跟踪宏单元e 1 m ( e m b e d d c d1 h c e m a c r o c c l l ) ，被设计成驻留在刖t m 处理器上，用以监控内部总线，并能以内核速度 无妨碍地跟踪指令和数据的访问。e m b e d d c de i c r t 逻辑由2 个实时观察点单元：3 个 独立的寄存器：调试控制寄存器、调试状态寄存器、中止状态寄存器：调试通信通道 d c c ( d e b u g c o m m u l l i c a t i o n c h a i l i l e l ) 组成。可访问内核总线，控制内核调试状态，可 访问内核i d 寄存器，可访问d c c ，可以编成1 个或2 个观察点单元来暂停内核程序 的执行。e t m 由跟踪端口和触发装置两部分组成。能完成指令跟踪，即捕获间接的 跳转；数据跟踪，即捕获数据和地址的读、写；过滤以保留捕获的数据；在f i f o 中压缩 数据与缓冲：通过跟踪端口将数据送至片外。嵌入式跟踪缓冲e t b ( e m b c d d e dt r a c e b u 侬帆m ) 是可选的片上e t m 数据缓冲，高时钟频率下的捕获，通过j t a g ( j o i n t t e s t a c t i o n g r o u p ) 端口将数据送至片外，j t a 。g 调试接口配置了e m b e d d e de i c 宏单元、嵌 入式跟踪宏单元，可以访问芯片扫描链。 ( 3 ) a r m 针对嵌入式应用挑战的新技术 a r m 体系结构的j a z e l l e 扩充 j 配d l e 技术是移动平台的最佳解决方案，快速b y t e c o d e 执行、低功耗、低成本、 能够进行快速可靠的产品整合。能支持j a z e i l e 技术的a r m 处理器内核包 括：a r m 7 e j s ，a r m 9 2 6 e j s ，a r m l 0 2 6 e j s 和a r m l1 3 6 e j s 。j a z d l e 技术能提供在 虚拟机下工作的j t e k ( j a z d l e t e c h n o l o g y e n a b l i n g 酗t ) j a z e i l e 技术适用于中、低端：乱 具有一致的性能，最佳响应与最佳功耗利用率；b 能够改进虚拟机整体性能的加速；c 能够与许多j a v a 虚拟机兼容；d 随着程序变得更复杂，而无需额外的资源需求。与高 端的d a c 技术：乱动态的性能变化，内存需求增多；b 更加难以实现与测试；c 增加可执 7 北京邮f u 大学顿i 。学位论文 行文件的体积；d 代码缓冲随着程序的膨胀而扩大互相补充。a r m 的j a v a 目标是在 删体系结构上给合作伙伴提供高质量、领先的解决方案，满足高性能低功耗与低 成本的最优组合。 a r m 内核技术采用n 砌b 2 指令集 t h 啪b 一2 指令集是专门针对代码密度、功耗、性能与系统成本要求而设计的。 t l l 啪b - 2 内核技术在e p f 0 3 上发布，它混合了1 6 位、3 2 位指令集，比t h 啪b 指令 快2 5 ，比a r m 代码小2 6 。t h u m b 2 内核技术最大化了c a c h e 和紧祸合内存储 器的用途，性能分析中包含了e e m b c 基准。 a r m 体系结构扩充的1 h s t z o n c 技术 a r m t r u s t z o n e 技术是针对c p u 安全性的架构而扩展的。t r l l s t z o n e 技术是a 蹦 内核的新的安全模式：a 将硬件与软件系统区分为敏感与非敏感区b 将易受到安全攻 击的区域减少到一个点( t h es o c w cm o n i t o r ) ；c 减少安全代码大小到一个可控的范围 内，以获得程序最大的稳定性。t r l l s tz o n e 在硬件层面上为带缓冲的处理器提供更高 的安全性，跟踪和清除缓冲当中的安全数据，以免受到安全攻击；为存储器提供硬件 保护。1 m s t z o n e 技术提供了一种在o s 中集成安全特征方法。这种方法为第三方创 造了一个安全应用市场，提高和简化了安全设计，增加了设计可复用性，节约了开发 时间。 a r m 新的系统级功能 a 针对高带宽利用率的a m b 从互联： b 针对低功耗的i e m ( i nt d i g e n t en e 啊ma n a g e r ) 技术： i e m 是一项令人激动的技术，它动态的控制a r m 处理器与其它片上组件使之运 行在能耗率最高的水平上同时保证良好的用户体验。i e m 增加了电池的寿命：a 在传统 的功耗控制方法上增加性能比例控制硬件，可以减少静态和动态功耗；b 在一个最终产 品中i e m 技术将提供超过2 5 的电池寿命。i e m 的操作：通过控制动态电压与频率的 硬件与软件能源管理方案，i e m 软件与操作系统内核连接并收集数据，多种软件负载 的策略类别，能够做出未来性能需求的预测，设置合适的操作点( 电压与频率) 。 ( 4 ) 更多的第三方支持 知识产权( i p ) 是新经济最热门、最令人凯觑的商品。因为知识产权是同新月异的 微处理器技术的核心。而a i l m 率先推出3 2 位r i s c 微处理器芯片系统( s o c ) 知识产 权授权概念，通过出售芯片技术授权，而非生产或销售芯片，建立了新型的微处理设 计、生产、销售商业模式。a r m 知识产权授权用户众多，其中包括世界顶级的半导 体和系统公司，由于a r m 在所有合作中保持了结构一致，因此全世界采用a r m 技 北京邮电人学硕上学位论文 术的解决方案完全兼容，主要的半导体公司伙伴有安捷伦、英特尔、三星、飞利浦、 摩托罗拉等：操作系统伙伴有微软公司、w i n d r i v 甄s u n m i c r o s y s t e i i l s 等5 0 多家；开发工 具伙伴有g 嗍1 h i l l ss o 舢y a r e w i n d 硒v e r 等3 0 多家。这些公司通过使用a r m 低价高 性能的i p 核技术，能够研制出满足不同需求的微控制器，外围设备和系统芯片。 2 2 4a i t m 处理器展望 a r m 提供了一种嵌入式应用有效地解决方案，以其成熟的结构标准，有效地3 2 位r i s c 结构，优秀的代码密度，可能的低成本，执行高度稳定等特性，为所有主流 市场所认可，在2 0 0 2 年，a r m 嵌入式微处理器系列市场占有率达到了7 9 5 ，成为 世界上销量最大的3 2 位微处理器。可以预见，在将来的一段时问内，a r m 仍将主宰 3 2 位微处理器市场。 9 北京邮i u 人学坝l 。学位论文 第三章g p r s 通信技术简介 g p r s ( g e n e m lp a c k e tr a d i os e i c e ) 是通用分组无线业务，是由英国b tc e l l n e t 公 司早在1 9 9 3 年提出的。它是在现有的g s m 网络基础上增加些硬件设备并同时对 原有网络软件进行升级，形成了一个新的网络，提供端到端的、广域的无线i p 连接， 特别适用于问断性的、突发性的和频繁的、少量的数据传输。它以分组交换技术为基 础，用户通过g p r s 可以在移动状态下使用各种高速数据业务，如收发e - m a i l 、进行 i n t 锄e t 浏览、城市供水监控、公交车辆调度等。 3 1g p r s 网络总体结构 g p r s 网络是在现有g s m 网络中增加g g s n ( g p r s 网关支持节点) 和s g s n ( g p r s 服务支持节点) 来实现的，使得用户能够在端到端分组方式下发送和接收 数据。其系统结构如图2 1 所示。 计算机 蜂寓电话 图3 - 1 g p r s 系统结构 图中，笔记本电脑通过串行连接到g p r s 蜂窝电话上，g p r s 蜂窝电话与g s m 基 站( b t s ) 通信。g p r s 数据分组从基站发送到s g s n ，s g s n 按照g t p ( g p r st u 曲e l i l l g p r o t o c 0 1 ) 协议与g g s n 进行通信；g g s n 对分组数据进行相应的处理，再发送到目的 网络，如因特网或x 2 5 网络。反之，来自因特网标识有移动台地址的i p 包，由g g s n 接收，再转发到s g s n ，继而传送到移动台上。 需要补充说明的是，在使用g p r s 业务之前，用户首先要通过g p r s 附着过程 ( a t t a c h ) 将自己的信息登记在s g s n 中。附着过程结束后，s g s n 建立了移动台的信息， 并对移动台作移动性管理，尽可能地获得移动台的位置信息。移动台如果要访问外部 数据网，需要发起p d p 上下文激活过程，通过此过程使移动台到g g s n 建立一条逻辑 1 0 北京邮电人学硕士学位论文 通路，从而可以访问外部数据网。 在g p r s 网络结构中，s g s n 是其中的一个节点，通过帧中继与b t s 相连。s g s n 的主要作用是记录移动台的当前位置信息，并且在移动台和g g s n 之间完成移动分组 数据的发送和接收。 g g s n 通过基于口协议的g p r s 骨干网连接到s g s n ，是连接g p r s 网络和外部分 组交换网( 如因特网和局域网) 的网关。g g s n 主要是接收移动台发送的数据，选路到 相应的外部网络，或接收外部网络的数据，根据其地址选择g p r s 网内的传输通道， 传给相应的s g s n 。 在s g s n 和g g s n 之间，利用g p r s 隧道协议( g t p ) 对i p 或x 2 5 分组进行封装，实现 二者之间的数据传输。 当运行g p r s 业务时可能涉及到任何其他网络，这时就产生了网络互通的需求。 g p r s 网络通过g i 参考点和( 岫接口实现同其他网络的互通。图3 2 给出了g p r s 网 络结构的接入与参考点的简图。 r 参考点 u _ 6 i 参考点 图3 - 2g p r s 总体结构及接八接口和参考点 如图所示，g g s n 到外部网络是通过g i 参考点( 各参考点定义见附录3 ) 连通的， 而其他g p r s 网络是通过( 岫接口连通的。另外，从移动台( m s ) 端到g p r s 网络有 两个接入点，u m 接口用于无线通信接入而r 参考点用于信息的产生或接收。 对于具有g p r s 业务功能的移动终端，由于它本身具有g s m 和g p r s 业务运营 商提供的地址，这样，分组公共数据网的终端利用数据网识别码即可向g p r s 终端直 接发送数据“”“。 3 2g p r s 的主要特点 与g s m 电路交换相比，g p r s 非常重要的优点是引入了分组交换能力，利用 g p r s 进行数据传输具有：“永远在线”、“流量计费”、“快捷登录”、“高速传输”等优点。 ( 1 ) 接入范围广 北京邮i u 人学顾1 学位论文 g p r s 是在现有的g s m 网络上升级，可充分利用全国范围的电信网络，可以方 便、快速、低成本的为用户数据终端提供远程接入网络的部署。 ( 2 ) 高速传输 传输速率高，数据传输速度可以达到5 7 6 k b p s ，最高可以达到1 1 5 k b p s 1 7 0 k b p s ， 是常用有线m o d 锄理想速率的两倍，是当前g s m 网络中电路数据交换业务速度的 几十倍。 ( 3 ) 快捷登录 接入时间短，g p r s 接入等待时间短，可快速建立连接，平均耗时为两秒。 ( 4 ) 永远在线 提供实时在线功能。“实时在线”，或叫“永远在线”即用户随时与网络保持联系， 即使没有数据传输，终端还是一直与网络保持联系，这将使访问服务变得非常简单、 快速。 ( 5 ) 按流量计费 用户只有在发送或者接收数据期间才占用无线资源，用户可以一直在线，计费方 式是按照用户接收和发送数据包的数量，没有数据流量传输时，用户即使挂在网上也 是不收费的。 3 3 g p r s 的应用 g p r s 是一组新的g s m 承载业务，在有g p r s 承载业务支持的标准化网络协议 的基础上，g p r s 可提供以下一系列交互式业务： 点对点无连接型网络业务( p t p c l n s ) 点对点面向连接的数据业务( p 1 甲- c o n s ) 点对多点业务( p t m ) 还能支持用户终端业务、补充业务、g s m 短消息业务和各种g p r s 电信业务。 总之，g p r s 可提供网上冲浪、e - m a i l 、文件传输、数据库查询、增强型短消息 等业务；可应用于运输业、金融、证券、商业和公共安全业；p 1 m 业务支持股市动 态、天气预报、交通信息等实时发布；另外，还能提供种类繁多、功能强大的以g p r s 承载业务为基础的网络应用业务和基于w a p 的各种应用。 北京邮电大学硕上学位论文 第四章系统方案的总体设计及硬件选型 该无线传输解决方案应用于对桥梁检测传感器数据的采集传输，提供一套便捷的 无线通信方式，将桥梁的健康信息，及时有效的发送到上位机( p c ) 。系统从功能 上分为两部分：现场下位机负责数据采集及控制g p r s 模块进行数据的无线发送和上 位机( p c ) 通过固定i n t e m e t 接收数据。 其结构如图4 1 所示。 图4 1 系统固定i p 方式结构图 系统硬件平台各功能模块如图4 2 所示。 主机 4 。ls 3 c 2 4 l o 开发板 图4 1 2 硬件平台各功能模块 由器 s a m 咖玛公司推出的l6 3 2 位r j s c 处理器s 3 c 2 4 lo ，为手持设备和一般类型应用 提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。为了降低整个系统的成本， s 3 c 2 4 1 0 提供了一下丰富的内部设备：分开的1 6 k b 的指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e ， 北京邮l 也人学颂i 学位论文 m m u 虚拟存储管理，l c d 控制器( 支持s t n & t f t ) ，支持n a n df l a s h 系统引 导，系统管理器( 片选逻辑和s d r a m 控制器) ，3 通道u a r t ，4 通道d m a ，4 通 道p w m 定时器，i 0 端口，r t c ，8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口，i i c b u s 接口， u s b 主机，u s b 设备，s d 至卡& m m c 卡接口，2 通道的s p i 以及内部p l l 时钟倍 频器。 s 3 c 2 4 1 0 采用了a r m 9 2 0 t 内核，o 1 8 啪工艺的c m o s 标准宏单元和存储器单 元。它的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适用于对低成本和功耗敏感的应用。 同样它还采用了一种叫做a d v a n c e dm i 伽c o n t m l l e fb u sa r c b i t e c t u r e ( a m b a ) 新型总线 结构。 通过提供一系列完整的系统外围设备，s 3 c 2 4 1 0 大大减少了整个系统的成本，消 除了为系统配置额外器件的需要“5 ”。 1 ) 核心板布局，如图4 _ 3 。 2 ) 底板布局，如图4 - 4 。 图4 3 核心板布局 1 4 l 拿拿 北京邮电人学硕士学位论文 图4 - 4 底板布局 3 ) 部分接口说明 a r s 一2 3 2 串行接口 目前r s 2 3 2 是p c 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口，r s 2 3 2 被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。系统需要通过该 串口下与机器人控制器进行串行通信。 b u s b 接口 u s b 接口以其方便、传输速率高等优点逐渐成为计算机行业的外设接口标 准。嵌入式设备要与p c 机进行高速通信，那么u s b 接口当然是理想的选择。 c 以太网接口 在矾t e r n e t 飞速发展的今天，网络己经渗透到了方方面面。在嵌入式系 统方面，和网络的结合己经成为嵌入式系统最新的研究方向。在本系统中，以 太网接口是与远端机进行通信的基础。 d 触摸显示屏 触摸显示屏是常用的输入输出设备，结合各具特色的嵌入式应用软件，可 以把嵌入式控制器的功能发挥更大，并且可以用于现场调试。 4 2g p r s 模块m 2 2 m 2 2 模块是b e n q 公司2 0 0 3 年末推出的新一代无线三频g s m g p r s 引擎。在 北京邮电人学硕i + 学位论文 业内被广泛应用，受到大多数工业用户的推崇。其具有以下特征： g s m g p r sc l 嬲s1 0 三频模块( e g s m9 0 0 d c s1 8 0 0 p c s1 9 0 0 m h z l 工作模式有省电模式、i d l e 、t a l k 、数据等模式 符合e t s l g s m p h a s e2 + 内嵌t c p i p 协议 - 通讯功能：支持g s m 语音、数据、传真、短消息及g p r s 数据传输等 软件支持标准a tc o m m a l l d ( 3 g p p2 7 0 7 2 7 0 5 ) 4 4p i n l c c 封装 尺寸：5 5 5x 4 0 x5 9 5 m m 4 3 上位机( p c ) 上位机监控软件用l a b “e w 丌发。该监控软件通过监听本机固定i p 上的某一指 定端口，来接收下位机向该端口发送的数据。 1 6 北京邮电大学顾 ：学位论文 第五章操作系统w i n d o w sc e 的分析与移植 5 1 、v i n d o w sc e 操作系统 w i n d o w sc e 操作系统是众多嵌入式操作系统的一种，作为嵌入式操作系统中的 一种，w i n d o w sc e 继承了嵌入式操作系统的特性，并继承了大部分w i n d o w s 操作系 统的使用特性，使之成为一个受欢迎的操作系统之一。这一节，首先介绍一般的嵌入 式操作系统，然后介绍w i n d o wc e 操作系统。 5 1 1 嵌入式操作系统的基本概念 嵌入式系统是与应用环境密切相关的。从应用范围角度嵌入式操作系统大致可以 分为通用型的嵌入式操作系统和专用型的嵌入式操作系统。比较典型的通用型的商业 嵌入式操作系统有w i i l d o w s c e ，v x w o r k s 和从l i n u x 发展出来的嵌入式“n u x ；专用型 的嵌入式操作系统有专门用于掌上电脑的p a l m o s 、主要用于移动电话的s y m b i a i l 等。 从操作系统的实时性能角度嵌入式操作系统还可以分为实时嵌入式操作系统和 一般嵌入式操作系统。实际上，由于嵌入式环境的需要，即使一般的嵌入式操作系统 也具有一定的实时功能。对于应用在军事武器、航空航天、交通运输以及工业控制等 特殊领域的嵌入式操作系统，要求其具有硬实时功能。丽一般应用在移动电话、掌上 电脑和日常娱乐的嵌入式操作系统，至少也应具有处理语音、视频影像等流媒体的软 实时功能。 从原理上看，嵌入式操作系统仍旧是一种操作系统，因此它具有操作系统的基本 功能，包括进程管理与处理器调度、存储管理、设备管理和中断处理等。但是，由于 嵌入式操作系统的硬件平台和应用环境与一般操作系统有很大的不同，所以嵌入式操 作系统又有不同于一般操作系统的特点。 一般而言，出于对使用环境和整体成本的考虑，嵌入式系统的硬件平台有如下 特点： ( 1 ) 系统资源有限：微处理器( 微控制器) 指令字长较短，多数微处理器( 微控制