（通信与信息系统专业论文）面向小家电的无线网关设计与实施.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 嵌入式系统是一种以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可剪裁， 适应对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。随着计 算机软硬件技术的迅速发展，嵌入式系统技术日趋成熟和完善，其可靠性高、 性能强、功耗低等优点促使它在工业控制、交通管理、环境检测等众多领域中 获得了广泛的应用。随着这一发展，新一代微控制器在各方面性能上都有长足 的进步，嵌入式处理器更加适合家电网关平台的开发。其稳定性高，没有对资 源的过多占用，没有其他不相关硬件的干扰，从而使系统很纯粹地用于所需的 加工控制；嵌入式微处理器的集成度高，片上集成多种功能模块，网络支持进 一步完善，集成了更多种类的网络接口；微控制器和处理器开发手段和调试平 台越来越完善，嵌入式实时操作系统的广泛应用，对微控制系统的开发提供了 良好的任务管理平台和底层驱动平台，这为上层软件模块的可靠简便开发和管 理提供了有力的保证。 本文在研究嵌入式系统理论和无线家电网关平台理论的基础上，提出了基于 嵌入式、开放性、网络化的无线家电网关体系结构，并给出了软硬件体系结构的 设计。硬件结构以a r m 及s t c 单片机构建系统的主控平台，以t i 公司的c c 2 5 0 0 作为射频通信的硬件介质，配以系统所需的外围模块。软件系统以源代码公开的 j _ t c o s i i 实时嵌入式操作系统为核心，网络协议栈采用开源的嵌入式t c p i p 协议 栈l w i p 协议开发系统所需的应用软件，将i _ t c o s i i 实时嵌入式操作系统和l w i p 协议栈扩展为一个完整、应用的嵌入式无线家电网关系统。 深入研究通过g c o s i i 实时嵌入式操作系统在硬件平台上的移植及其占先 式内核的任务调度原理，根据任务的要求赋予不同的优先级和调度时间，保证 任务的执行效率和实时性。在此基础上，研究了嵌入式t c p i p 网络协议栈l w i p 协议及其在“c o s i i 上的移植，开发出了一个实用的嵌入式w e b 系统，让用户 能通过浏览网页的方式控制家电设备，在无线节点方面，根据无线射频传输的 特点及功率方面的考虑，提出了基于r s s i 为标准的差错重传协议，进一步降低 射频通信的功耗以及提高数据的准确性。 武汉理工大学硕士学位论文 本系统克服了当前网络家电平台的缺陷，实现了系统的实时调度，提高了 系统的可靠性和稳定性，实现了系统的多种网络支持，符合无线家电网关系统 模块化、柔性化和网络化的发展需要。 关键词：嵌入式系统；g c o s i i ：a r m ；c c 2 5 0 0 ；小家电 i i 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t e m b e d d e d s y s t e mi sak i n do fs p e c i a la p p l i c a t i o n - o r i e n t e dc o m p u t e rs y s t e m i ti s b a s e do nc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dc a r l m e e tt h es t r i c tr e q u i r e m e n to ff u n c t i o n , r e l i a b i l i t y , c o s t ，v o l u m e ，a n dp o w e rc o n s u m p t i o nb ya d j u s t i n gi t sh a r d w a r ea n d s o f t w a r e w i t l lr a p i dd e v e l o p m e n to fh a r d w a r et e c h n o l o g ya n ds o f t w a r et e c h n o l o g y o ft h ec o m p u t e r , e m b e d d e d - s y s t e mt e c h n o l o g yi sg e t t i n gm o r er e l i a b l ea n dp e r f e c t s t e pb ys t e p a tp r e s e n t , e m b e d d e ds y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d ss u c h a si n d u s t r i a lc o n t r o l ，t r a f f i cc o n t r o l ，a n d e t c ，b e c a u s eo fi t sh i g hr e l i a b i l i t y , h i g h p e r f o r m a n c ea n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o na n ds oo n a st h i sd e v e l o p m e n t ，t h en e w m c uh a sg r e a tp r o g r e s si ne v e r yp e r f o r m a n c ea n de m b e d d e dp r o c e s s o ri sm o r e s u i t a b l et od e v e l o p m e n to fh o m ea p p l i a n c e sg a t e w a yp l a t f o r m i th a sg r e a ts t a b i l i t y , a n di td o e sn o tn e e de x c e s s i v er e s o u r c ea n di sn o td i s t u r b e db yr e l a t eh a r d w a r e s o t h es y s t e mm e e t sn e e d so fp r o c e s sc o n t r 0 1 t h ee m b e d d e dm c ui sh i g h l yi n t e g r a t e d a n dt h e r ea r em a n yk i n d so ff u n c t i o n so nt h ec h i p t h en e t w o r kf u n c t i o nh a sb e e n i m p r o v e da n da l s ot h e r ea r em a n yk i n d so fi n t e r f a c e si n t e g r a t e d t h ed e v e l o p i n g m e a n sa n dt e s t i n gp l a t f o r ma r em o r ea n dm o r ep e r f e c t t h ew i d e l yu s eo fr t o s p r o v i d e sm c ud e v e l o p m e n tw i t l lg o o dp l a t f o r mo ft a s km a n a g e m e n ta n db o t t o m d r i v e ，a n da l s og u a r a n t e e st h es t e a d ya n dc o n v e n i e n td e v e l o p m e n ta n dm a n a g e m e n t o fa p p l ys o f t w a r e a ne m b e d d e d ，o p e n i n ga n dl a t t i c i n gn u m e r i c a lc o n t r o ls t r u c t u r eb a s e do nt h e r e s e a r c ho ft h et h e o r yo fe m b e d d e ds y s t e ma n df l e x i b l ee m b e d d e dw i r e l e s sh o m e a p p l i a n c e sg a t e w a yp l a t f o r ma n dd e s c r i b e st h es t r u c t u r ed e s i g ni nh a r d w a r ea n d s o f t w a r ei sb r o u g h tf o r w a r d t h ek e r n e lo fh a r d w a r ei sb a s e do na r m + s t c m c u s y s t e mt of o r mt h em a i nc o n t r o lp l a t f o r m ，u s i n gt h ec c 2 5 0 0p r o d u c e db yt it od ot h e r fc o m m t m i c a t i o n s a n di ta l s oe q u i p p e dw i 也t h er e q u i r e dp e r i p h e r a lm o d u l e st o e x t e n di t s e l ft oo n ew h o l eh a r d w a r es y s t e m t h es o f t w a r ei sb a s e do np c o s i i r e a l - t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，t r a n s p l a n t i n gt h el w i pt ou c o s i ia n dt h e r e q u i r e da p p l i c a t i o ns o f t w a r en e e d st ob ed e v e l o p e ds oa st ot u r np c o s - - i ir e a l - - t i m e i i i 武汉理工大学硕士学位论文 e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma n dl w i ps t a c ki n t oo n ep r a c t i c a le m b e d d e dh o m e a p p l i a n c e sg a t e w a ys y s t e m o nt h eb a s i so fi n d e p t hr e s e a r c ho nt h ec o n t e n t sh o wt ot r a n s p l a n tp c o s - i ir e a l t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi n t oh a r d w a r ep l a t f o r ma n dh o wt a s k sr u ni nt h e p r e e m p t i v e k e r n e l o f t c o s - i i r e a l t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，t h e m a n a g e m e n tt a s k sa r ea s s i g n e d 、析mr e a s o n a n dt h e nt h e i rp r i o r i t i e sa n ds c h e d u l e d t i m ea r ea l s oa s s i g n e da c c o r d i n gt ot h en e e do fs y s t e ms ot h a te f f i c i e n c yo fp r o g r a m a n dr e a lt i m er e q u i r e m e n to ft a s kc a l lb eo p t i m i z e d t h ep a p e ra n a l y z e dt h e t r a n s p l a n t i o no fl w i pw h i c hi sa e m b e d d e dt c p i ps t a c kt ot h eu c o s i i b a s et h e s e w o r k s ，d e v e l o p i n gae m b e d d e dw e b s e r v e rs y s t e m t h er e m o t ee l e c t r i ca p p l i a n c e sc a n b ec o n t r o l l e db yw e bb r o w s i n g i nt h ew i r e l e s sn o d e ，t h ep a p e rr e a l i z e saa r qe r r o r p r o t o c o lb yt h er s s if o rt h ep o w e ra n de f f i c i e n c y t h es y s t e mc o u l do v e r c o m ed e f e c t so fc u r r e n th o m ea p p l i a n c e ss y s t e ma n d r e a l i z er e a l t i m er e s e r v o i ro p e r a t i o nb ym o d u l a r i z ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o t h v a r e a n ds u p p o r to fp c o s i i a l s oi ti m p r o v e st h er e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t ya n di tc o u l d h a v em a n yk i n d so fn e t w o r ks u p p o g ，w h i c hi sa c c o r d 、v i t ht h ed e v e l o p m e n to f m o d u l a r i z a t i o n ，f l e x i b i l i t ya n dl a t t i c i n g k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；l x c o s i i ；a r m ；c c 2 5 0 0 ；s m a l la p p l i a n c e s i v 独创性声明 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 武汉理工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 明并表示了谢意。 签名：虚肇e l 期：丝2 ：三兰 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 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电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 徽埔雌名融硼砷压 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 集成化、模块化、网络化和通用型开放式闭环控制模式已逐渐成为未来家 电网关系统体系结构发展方向。目前，基于通用p c 的开放式网关技术已经发展 到了一个很高的水平，但它也存在一些无法回避的问题。而随着嵌入式技术的 发展和不断成熟，嵌入式技术在家电网关领域内的应用越来越广泛，它将成为 未来小家电网关系统开发的一种趋势。嵌入式处理器更加适合家电网关领域的 开发，其稳定性高，没有对资源的过多占用，没有其他不相关硬件的干扰，从 而使系统很纯粹地用于所需的加工控制；嵌入式微处理器的集成度高，片上集 成多种功能模块，网络支持进一步完善，集成了更多种类的网络接口；微控制 器和处理器开发手段和调试平台越来越完善；嵌入式实时操作系统r t o s ( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 的广泛应用，对于微控制系统的开发提供了良好的任务管 理平台和底层驱动平台，这为上层软件模块的可靠简便开发和管理提供了有力 的保证。 本文旨在研究面向小家电的无线智能家居平刽1 。3 】，并基于嵌入式技术开发 能满足不同需求的高性能无线家居系统。 考虑到我国无线家居系统当前的具体情况，研制一个拥有自主知识产权的 嵌入式无线智能家居系统，一套高性能的嵌入式智能家居硬件体系架构，对于 提高我国中高档家居系统的技术水平具有十分重要的意义：所研制的无线智能 家居系统的专用控制器是基于嵌入式系统技术开发的，同时融合了多种先进嵌 入式计算机软硬件技术，可使系统具有性能强、开放性好、软件升级方便等优 点，为进一步研究无线家居技术的完全开放和智能化控制提供了很好的基础和 前提条件；所研制的家居系统由于便于裁剪，扩展性和可移植性好，可方便地 进行移植、开发其它家居控制系统，因而具有推广应用的实用价值。 1 2 相关领域国内外研究现状 家电行业的发展始于2 0 世纪末至7 0 年代初，主要是机械控制和电气控制 武汉理工大学硕士学位论文 式家电。从2 0 世纪7 0 年代末开始，由于电子技术的发展，家电的控制方式进 入了电子控制方式。8 0 年代微处理器在各个领域得到应用，出现了微电脑控制 家电，随着计算机、信息和网络技术的迅猛发展，人们期望家电在跨过了机电 控制，电子控制和智能控制等技术台阶后，能够发展成为通过网络获取知识， 交换信息，协同工作的新一代家电一信息家电，向人们提供前所未有的强大功 能。 ( 1 ) 国外智能家居发展现状 智能化住宅小区在发展国家起步较早，始于2 0 世纪8 0 年代，装备有各种 通信、家电、安保等设施，通过总线技术应用计算机和信息技术，实现监视、 控制与管理等智能功能。 美国和日本都已对住宅小区智能化系统制定了技术标准，按照技术标准进 行智能化住宅建设。应用于智能化居住小区的基础产品，在发达国家已形成系 列。美国、意大利、西班牙等国的产品，相当一部分已通过国际质量认证，在 国际市场上占据优势。智能化居住小区的基础是家庭综合布线系统。美国朗讯 公司、西蒙公司、奥地利公司、丽特公司等已拥有家电综合布线系统的成熟产 品，而目前其家庭布线系统的价格却是昂过的。 目前市场上已出现的智能信息家电和智能家居类产品主要有：n e y w e l l 公 司的智能家居产品，s t a r g a t e 的家居智能化系统( j d s 公司出品) 。 ( 2 ) 国内智能家居发展现状 1 9 9 9 年建设部住宅产业中心颁布了全国智能化住宅小区系统示范工程建 设要与技术导则( 试行稿) ，导则规范了智能化住宅小区建设中的目标与原 则，2 0 0 0 年起，用五年左右的时间，组织实施全国智能化住宅小区系统示范工 程，以此带动和促进我国智能化住宅小区建设。其总体目标是：通过采用现代信 息传输技术、网络技术和信息集成技术，进行精密设计，优化集成，精心建设 示范工程，提高住宅高新技术的含量和居住环境的水平，以适应2 1 世纪现代居 住生活的需要。 自2 0 0 0 年以来，国内一些企业开始研究网络家电，并且相继推出了自己的 产品。但是没有统一的标准，各厂家采用的技术差异很大较大。为避免重蹈d v d 产品的覆辙，国家有关部门希望加快形成有自主知识产权的网络家电技术体系。 我国的职能家居相对于国外起步较晚，尚未形成一定的国家标准，主要采用国 外的技术和产品，但也有些公司推出了自己的产品，如清华同方的e h o m e 数字 2 武汉理工大学硕士学位论文 家园，海尔的“e 家庭”和科龙的“现代家具信息服务集散控制系统”等。 1 3 本文的主要研究工作 针对当前面向小家电无线网关系统在经济性，实时性和可靠性等方面所存 在的问题，建立一种以嵌入式微控制器a r m 和c c 2 5 0 0 为基础，基于u c o s i i 4 】 ( 实时操作系统) 和l w i p 5 1 的网关系统的设计方案，并使家电网关系统具备网 络化支持功能，能满足不同监控需求，便于根据实际需求进行功能扩展和剪裁， 提高网关系统的实时性和可靠性。本文给出了该基于嵌入式、开放性、网络化 无线网关系统的硬件和软件体系结构，并对系统各个功能模块的实现方法和过 程作了详细阐述。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章面向小家电的无线网关的总体设计 2 1 嵌入式系统设计方法 2 1 1 嵌入式系统 随着社会的日益信息化，计算机和网络已经全面渗透到日常生活的每一个 角落。嵌入式系统是当今最热门的概念之一。目前国内一个普遍被认同的定义 是：以应用为中心，计算机技术为基础，软、硬件可剪裁，适应应用系统对功 能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的定 义可以从以下几个方面来理解： ( 1 ) 嵌入式系统1 6 j 通常是面向特定应用的，因此嵌入式c p u 与通用c p u 最 大的不同就是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，如a r m 系 列多用于手机中，m o t o r o l a 的龙珠系列用于中档p d a 中，p o w e r p c 用于网络设 备中。一般地，决定嵌入式处理器的应用环境的因素主要是集成的外部接口的 功能和处理速度。它通常都具有功耗低、体积小、集成度高等特点，能够把通 用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计 趋于小型化，提高可靠性，与网络的耦合也越来越紧密。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业 的具体应用相结合的产物。这一点决定了它必然是一个技术密集、资金密集、 高度分散、不断创新的知识集成系统。因此，嵌入式系统的开发和应用不容易 在市场上形成垄断。 ( 3 ) 嵌入式系统必须能够根据应用需求对软硬件进行剪裁，满足应用系统功 能、可靠性、成本、体积等要求。所以，如果能建立相对通用的软硬件基础， 然后在其上开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。目前的嵌 入式系统的核心往往是一个只有几k b 到几十k b 的微内核，需要根据实际的使 用进行功能扩展或剪裁。由于微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利地进 行。 一般而言，嵌入式系统的架构可以分为4 个部分：处理器、存储器、输 输出( i o ) 和软件( 由于多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都是紧密结合 4 武汉理工大学硕士学位论文 的，在这里对其不加区分) 。 从前面对嵌入式系统的定义可以看出嵌入式系统具有如下几个重要特征： ( 1 ) 系统内核小 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，所以内核 较之传统的操作系统要小的多。 ( 2 ) 适用性强 嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般 要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据 系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时，针对不同的任务，往往需要对系 统进行较大更改；程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升 级”是完全不同的概念 ( 3 ) 系统精简 嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显分别，不要求其功能的设 计及实现过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时有利于实现系统安全。 高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固化存储， 以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性f 刀。 嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式 系统的应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行；但是为了合理调度多 任务，利用系统资源、系统函数以及专家库函数接口，用户必须自行选配r t o s ( r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可 靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。由于嵌入式系统本身不具备 自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也不能对其中的程序功能进行修 改，因此必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基 于通用计算机上软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时 往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机， 开发时需要交替结合进行。 在进行嵌入式系统设计之前，首先需要了解一下嵌入式系统的结构。在不 同的应用场合，嵌入式系统呈现出的外观和形式各不相同。但通过对其内部结 构进行分析，可以发现，一个嵌入式系统一般都有嵌入式计算机系统和执行装 置组成，其中嵌入式计算机系统时整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、 5 武汉理工大学硕士学位论文 软件层和功能层组成。执行装置也称为被控对象，它可以接收嵌入式计算机系 统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。 目前提及的嵌入式系统一般指嵌入式计算机系统，下面对嵌入式计算机系 统的组成进行简要的描述。 ( 1 ) 硬件层 嵌入式系统的硬件层是以嵌入式处理器为中心，由存储器、i 0 设备、通信 模块以及电源等必要的辅助接口组成。嵌入式系统是量身定做的专用计算机应 用系统，又不同于普通计算机组成，在实际应用中的嵌入式系统硬件配置非常 精简，除了微处理器和基本的外围电路以外，其余的电路都可根据需要和成本 进行剪裁、定制，非常经济、可靠。 嵌入式系统硬件核心是嵌入式微处理器，有时为了提高系统的信息处理能 力，常外接d s p 和d s p 协处理器( 也可内部集成) ，以完成高性能信号处理。 随着计算机技术、微电子技术、应用技术的不断发展及纳米芯片加工工艺 技术的发展，以微处理器为核心的集成多种功能的s o c 系统芯片已成为嵌入式 系统的核心。在嵌入式系统设计中，要尽可能地选择能满足系统功能接口的s o c 芯片。这些s o c 集成了大量的外围u s b 、u a r t 、以太网、a d d a 、i i s 等功能 模块。 可编程片上系统s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) 结合了s o c 和p l d 、 f p g a 各自的技术优点，使系统具有可编程的功能，使可编程逻辑器件在嵌入式 应用中的完美体现，极大地提高了系统的在线升级、换代能力。 以s o c s o p c 为核心，用最少的外围部件和连接部件构成一个应用系统， 满足系统的功能需求，这也是嵌入式系统发展的一个方向。 因此，现代嵌入式系统设计是以处理器s o c s o p c 为核心来完成系统设计， 其外围接口包括存储设备、通信接口设备、扩展设备接口和辅助的机电设备( 电 源、连接器、传感器等) ，构成硬件系统。 ( 2 ) 中间层 硬件层与软件层之问为中间层，也称为硬件抽象层h a l ( h a r d w a r ea b s t r a c t l a y e r ) 或板级支持包b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ) ，它把系统软件与底层硬件部分 隔离，使得系统的底层设备驱动程序与硬件无关，一般应具有相关硬件的初始 化、数据的输入输出操作和硬件设备的配置等功能。b s p 具有以下两个特点： 硬件相关性：因为嵌入式实时系统的硬件环境具有应用相关性，所以，作 6 武汉理t 大学硕士学位论文 为高层软件与硬件之间的接口，b s p 必须为操作系统提供操作和控制具体硬件 的方法。 操作系统相关性：不同的操作系统具有各自的软件层次结构，因此，不同 的操作系统具有特定的硬件接口形式。 在实现上，b s p 是一个介于操作系统和底层硬件之间的软件层次，包括了 系统中大部分与硬件相关的软件模块。设计一个完整的b s p 需要完成两部分工 作：嵌入式系统初始化以及b s p 的功能和设计硬件相关的设备驱动。 系统初始化过程总是可以抽象为三个主要环节，按照自底而上、从硬件到 软件的次序依次为：片级初始化、板级初始化和系统级初始化。 片级初始化：主要完成c p u 的初始化，包括设置c p u 的核心寄存器和 控制寄存器，c p u 的核心工作模式以及c p u 的局部总线模式等。片级初始化把 c p u 从上电时的默认状态逐步设置成为系统要求的工作状态。这是一个纯硬件 的初始化过程。 板级初始化：完成c p u 以外的其他硬件设备的初始化。除此之外，还要 设置某些软件的数据结构和参数，为随后的系统初始化和应用程序的运行建立 硬件和软件环境。这是一个同时包含软硬件两部分在内的初始化过程。 系统级初始化：这是一个以软件初始化为主的过程，主要进行操作系统 初始化。b s p 将对c p u 的控制权转交给操作系统，由操作系统完成余下的初始 化操作，包括加载和初始化与硬件无关的设备驱动程序，建立系统内存区，加 载并初始化其他系统软件模块，比如网络系统、文件系统等；最后操作系统创 建应用程序环境并将控制转交给应用程序入口。 ( 3 ) 软件层 软件层由实时多任务操作系统( r t o s ) 、文件系统、图形用户接口( g d i ) 、 网络系统及通用组件模块组成。r t o s 是嵌入式应用软件的基础和开发平台。 r t o s 实际上是一段嵌入式目标代码中的程序，系统复位后首先执行，相当于用 户的主程序，用户的其他程序都建立在r t o s 之上。r t o s 是一个标准的内核， 它将c p u 时钟、中断、i o 、定时器等资源都封装起来，留给用户的是一个标准 的a p i 函数接口。 大多数r t o s 都是针对不同微处理器优化设计的高效实时多任务内核， r t o s 可以在不同微处理器上运行而为用户提供相同的a p i 接口。因此基于 r t o s 开发的应用程序具有非常好的可移植性。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 功能层 功能层由基于r t o s 开发的应用程序组成，用来完成对被控对象的控制功 能。功能层是面向被控对象和用户的，为方便用户操作，往往需要提供一个友 好的人机界面。 对于一些复杂的系统，在系统设计的初期阶段就要对系统的需求进行分析， 确定系统的功能，然后将系统的功能映射到整个系统的硬件、软件和执行装置 的设计过程中，称之为系统的功能实现【8 1 。 2 1 2 嵌入式系统的设计方法 嵌入式系统的设计一般有5 个阶段构成：需求分析、体系结构设计、硬件 软件设计、系统集成和系统测试。各个阶段之间往往要求不断的反复和修改， 直至完成最终设计目标。如图2 1 所示。 傣统需求分析：、 规格说明书 体系结构设计 f 执行装置设计硬件设计软件设计 系统集成 系统测试 0 产品 图2 - 1嵌入式系统设计过程 ( 1 ) 系统需求分析 确定设计任务和设计目标，并提炼出设计规格说明书，作为正式设计指导 和验收的标准。系统的需求一般分功能性需求和非功能性需求两方面。功能性 需求是系统的基本功能，如输入输出信号、操作方式等；非功能需求包括系统 性能、成本、功耗、体积、重量等因素。 ( 2 ) 体系结构设计 8 武汉理工大学硕士学位论文 描述系统如何实现所述的功能和非功能需求，包括对硬件、软件和执行装 置的功能划分以及系统的软件、硬件选型等。一个好的体系结构是设计成功与 否的关键。 ( 3 ) 硬件软件设计 基于体系结构，对系统的软件、硬件进行详细设计。为了缩短产品开发周 期，设计往往是并行的。应该说，嵌入式系统设计的工作大部分都集中在软件 设计上，采用面向对象技术、软件组件技术、模块化设计是现代软件工程经常 采用的方法。 ( 4 ) 系统集成 把系统的软件、硬件和执行装置集成在一起，进行调试，发现并改进单元 设计过程中的错误。 ( 5 ) 系统测试 对设计好的系统进行测试，看其是否满足规格说明书中给定的功能要求。 针对系统的不同的复杂程度，目前有一些常用的系统设计方法，如瀑布设 计方法、自顶向下的设计方法、自下向上的设计方法、螺旋设计方法、逐步细 化设计方法和并行设计方法等，根据设计对象复杂程度的不同，可以灵活地选 择不同的系统设计方法。 2 2 基于a r m + c c 2 5 0 0 嵌入式无线网关结构设计 因该嵌入式无线网关是基于a r m 和c c 2 5 0 0 构建的，故先对a r m 微处理 器和c c 2 5 0 0 射频芯片两个部分分别介绍，其中包括它们在该系统中的主要功 能；然后给出嵌入式无线网关结构图。 ( 1 ) 删微处理器 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 公司是全球领先的1 6 3 2 位r i s c 微处理器 知识产权设计供应商。它己成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式 解决方案的r i s c 标准。小体积、低功耗、低成本而高性能，1 6 3 2 位双指令集 及全球众多的合作伙伴是其三大特点。虽然a r m 微处理器有多达十几种的内核 结构、几十个芯片生产厂家和众多的功能组合，但这也给在确定方案时带来了 一定的困难。客观上讲，嵌入式系统一般都是量身打造的。开发人员必须根据 客户需求选择合适的软硬件平台，否则要么无法完成所要求的功能，要么就会 造成资源的浪费1 9 , 1 0 j 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 在本系统中，a r m 作为主控单元，运行i t c o s 嵌入式操作系统，1 w i p 网络 协议栈程序，w e b 服务器程序以及与s i n k 节点的串口通信程序模块。w e b 服务 器提供w e b 页面给远程i n t e m e t 用户操控目标家电，并回显家电状态，用户的操 作命令通过串口传递给s i n k 节点，以及接收s i n k 节点通过串口传递过来的状态 信息。 ( 2 ) s i n k 节点的介绍 s i n k 节点采用s t c l 2 l e 5 4 1 2 0 a d 单片机( 一种增强型的5 1 单片机) + c c 2 5 0 0 射频芯片的硬件方案。单片机与c c 2 5 0 0 通过s p i 接口连接，鉴于5 1 单片机的 普遍性和通用性，下面只对c c 2 5 0 0 做介绍： c c 2 5 0 0 模块工作在物理层，实现频率选择、载波产生和监听、调制解调、数 据收发等功能。c c 2 5 0 0 是c h i p c o n 公司的一款工作在2 4g h z 频段的l 强半双 工收发芯片，该芯片的传输速率最高可达5 0 0k b i t s ，输出功率可调最高可达1r a w , 具有低功耗、低电压等特性。c c 2 5 0 0 芯片提供标准的s p i 接口，可以方便地进行 配置与数据传输。 本系统中，s i n k 节点通过串口和网关主控c p u a r m 通信并通过射频方式传 递用户的命令到无线自组织网络中，以及射频接收家电的状态。 ( 3 ) 嵌入式无线网关结构 在此提出的嵌入式体系结构图如图2 2 所示。 图2 2 嵌入式无线网关硬件实现方案 本系统中，a r m 主要任务是实现人机交互，完成命令的输入、帧格式的转 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 变，以及状态信息的反馈。而由s t c 单片机和c c 2 5 0 0 组成的s i n k 节点则负 责与无线自组织网络【l l - 1 3 1 通信以及接收射频数据并反馈给a r m 。 关于a r m 主控单元和s i n k 节点单元的具体功能及其实现将在后续章节中 详细介绍。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章面向小家电的无线网关硬件设计 网关的最大功能之一就是进行协议，无线网关连接的是两种不同的异构网 络，对外是互联网，对内是无线自组网络，要想能用浏览网页的方式控制家电， 则需要将这些控制信息的帧转换成无线自组织网络的帧格式，同样要想家电的 状态能通过网页显示给用户看到，则需要把无线帧格式转换成i p 帧格式，这就 是网关的协议转换功能。家庭内部无线自组织网络负责无线数据的传送，以及 最终通过控制节点把命令传递给目标家电设备和状态的反馈。 3 1 无线网关的硬件设计 家庭网关应采用廉价的嵌入式c p u ，但是若采用8 位，1 6 位单片机，由于 速度慢且资源有限，不能实现复杂的控制，所以效果不理想。因此本文采用 $ 3 c 4 4 8 0 作为主c p u 。网卡采用r t l 8 0 1 9 ，s i n k 节点采用s t c l 2 l e 5 4 1 0 a d 单 片机+ c c 2 5 0 0 射频芯片的硬件方案。 3 2r t l 8 0 1 9 的介绍 r t l 8 0 1 9 a s 是由台湾r e a l t e k 公司生产的以太网控制器，其性能优良、价格 低廉，在市场上1 0 m b p s 网卡中占有相当的比例。它符合e t h e m e ti i 与i e e e 8 0 2 ( 1 0 b a s e 5 ，1 0 b a s e 2 ，1 0 b a s e t ) 标准，1 0 0 脚的p q f p 封装，采用全双工收发 并可同时达到1 0 m b p s 的速率，支持8 1 6 位数据总线，8 个中断申请线以及1 6 个i o 基地址选择等。内置1 6 k b 的s r a m ，支持1 6 k 、3 2 k 、6 4 k 字节的b r o m ， 支持f l a s hm e n o r y ，和页访问方式，最大支持4 m 字节，还支持在运行完 b r o m 后释放内存，以供系统其它程序的运行。另外它还有1 k b 的e 2 p r o m 9 3 4 6 ，可以用它来进行数据存储，而不用再外接单独的e 2 p r o m 。因此，这里 选择r t l 8 0 1 9 a s 作为数据处理和存储芯片，原理图如图3 1 所示。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图3 1r t l 8 0 1 9 原理图 3 2 1r t l 8 0 1 9 a s 发送和接收数据包的原理 r t l 8 0 1 9 a s 内部可分为远程d m a 接口、本地d m a 接口、m a c ( 介质访 问控制) 逻辑数据编解码逻辑和其他端口。其中m a c 逻辑能通过以下的过程来 实现以太网数据包的发送和接收：当单片机向网络发送数据时，先将一帧数据 通过远程d m a 通道送到r t l 8 0 1 9 a s 中的发送缓冲区，然后发出传送命令，当 r t l 8 0 1 9 a s 完成了上一帧的发送后，再开始下一帧的发送。r t l 8 0 1 9 a s 接收数据 时，首先把接收到的数据通过m a c 比较和c r c 校验，然后由f i f o 存到接收缓 冲区，收满一帧后，以中断或寄存器标志的方式通知主处理器。在r t l 8 0 1 9 a s 中f i f o 即对收发数据作1 6 字节的缓冲以减少对本地d m a 请求的频率。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 3 。2 2 内部r a m 地址空间分配 r t l s 0 1 9 a s 内部有两块r a m 区，一块1 6 k 字节地址为0 x 4 0 0 0 - - - - - o x 7 f f f ， 一块3 2 字节地址为o x o o o _ o x o o l f 。r a m 按页存储，每页2 5 6 字节，一般将 r a m 的前1 2 页( 即o x 4 0 0 0 - 加x 4 b f f ) 存储区作为发送缓冲区，后5 2 页( 即 o x 4 c 0 0 - “7 f f f ) 存储区作为接收缓冲。第0 页，只有3 2 字节，地址为 0 x o o o o “0 0 1 f 用于存储以太网物理地址。 3 2 3 o 地址分配 r t l 8 0 1 9 a s 具有3 2 个输入输出地址，地址偏移量为0 0 h l f h ，其中 o o h - 卸f h 共1 6 个地址为寄存器地址；寄存器分为4 页p a g e o 一删g e 3 。 r t l 8 0 1 9 a s 通过c r ( 命令寄存器) 中的p s l 、p s o 位来选择要访问的页。远程 d m a 地址包括1 0 h 1 7 h 都可以用来做远程d m a 端口，但只用其中的一个 就可以了。复位端口包括1 8 1 f h 共8 个地址用于r t l 8 0 1 9 a s 复位。 3 3 无线节点硬件设计 s i n k 节点通过射频方式和无线自组织网络通信，采用的方案是 s t c l 2 l e 5 4 1 0 a d 的单片机和2 4 g 的c c 2 5 0 0 射频芯片，c c 2 5 0 0 与单片机采用 4 线制的s p i 总线连接，单片机是主，c c 2 5 0 0 是从，c c 2 5 0 0 的g d 0 0 和g d 0 2 用来作为数据到来和发送的电平跳变标志，故将g d 0 0 与单片机的外部中断线连 接，以此来产生外部中断。s t c 单片机原理图如图3 2 ，c c 2 5 0 0 原理图如图3 3 。 芎 图3 - 2s t c l 2 l e 5 4 1 0 a d 原理图 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 图3 3c c 2 5 0 0 原理图 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章网关