（精密仪器及机械专业论文）基于ARM的分布式远程多参数环境监测系统设计.pdf

摘要 摘要 随着我国经济发展，社会进步和人们环保意识的提高，环境质量的问题越来 越为公众所注意。但是我国环境监测的发展还远不能满足环境监测的要求，监测 仪器的质量参差不齐、功能不全。如何进一步提高监测水平，多元化监测手段， 以及对环境污染状况做出科学的评价是当前环境监测工作面临的首要问题。 本文致力于一种分布式远程多参数环境监测系统的设计，综合运用嵌入式技 术、传感器技术、自动检测技术、通信技术、网络技术和微型计算机技术，实现 对多种环境参数的低成本分布式监测管理。本文研究的内容主要包括： 1 分析了当前国内环境监测仪器发展的现状，针对当前的情况，提出了一 种分布式远程多参数环境监测系统的设计方案。按照方案的设计，该系统主要由 监测主机、监测分机和远程监测系统p c 机组成。 2 对分布式远程多参数环境监测系统的硬件设计作了研究。监测主机采用 了基于a r m 7 t d m i 内核的s 3 c 4 4 b o x 作为核心芯片，完成了f l a s h 存储模块、s d r a m 模块、u a r t 模块和以太网模块的设计。选用的芯片都具有体积小、功耗低的特点， 适合嵌入式产品的应用。 3 对分布式远程多参数环境监测系统的软件设计作了研究。监测主机移植 了嵌入式操作系统u c l i n u x ，移植了j f f s 2 文件系统，并针对主机硬件进行了驱动 程序和应用程序的开发。监测分机的参数采集程序的编写按照模块化设计，并针 对无线数传电台编写了通信程序。 4 构建了基于b o a 嵌入式服务器的远程监测系统。将b o a 移植在监测主机 上，使用b o a + c g i 的形式实现了监测的网络化和远程化。 本系统具有良好的扩展性和灵活性的特点。无线模块的运用大大提高了参数 监测的覆盖范围，w e b 服务器的使用实现了系统网络化。经过分模块调试和系统 联调，本系统初步了实现预期的功能。 关键词：环境监测仪；删；u c l i n u x ；w e b 服务器 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y , a d v a n c e m e n to ft h es o c i e t ya n di m p r o v e m e n t o fp e o p l e se n v i r o n m e n tp r o t e c t i o nc o n s c i o u s n e s s ，t h ep r o b l e mo fe n v i r o n m e n t q u a l i t yi sm o r ea n dm o r ec o n c e r n e db yt h ep u b l i c h o w e v e r , t h ed e v e l o p m e n to f e n v i r o n m e n td e t e c t i n gc a nn o tm e e tt h ee n v i r o n m e n td e t e c t i n gr e q u i r e m e n t s ，m o s to f t h e mh a sl o wq u a l i t ya n dl e s sf u n c t i o n s t h em a j o rp r o b l e m st h a te n v i r o n m e n t d e t e c t i n gf a c e da r eh o w t oi m p r o v et h ep r e c i s i o no fp a r a m e t e r s ，m u l t i p l ed e t e c t i n g t e c h n o l o g i e s ，a n dh o wt om a k ec o r r e c ta s s e s s m e n tt oe n v i r o n m e n tp o l l u t i o ns t a t u s t h et h e s i st r yt od e s i g nad i s t r i b u t e dl o n gd i s t a n c em u l t i - p a r a m e t e rd e t e c t i n g s y s t e m w er e a l i z ed i s t r i b u t e dl o n gd i s t a n c em u l t i p a r a m e t e rd e t e c t i n gs y s t e mw i t h l o wc o s t ，b yu s i n ge m b e d d e ds y s t e m ，s e n s o r ，a u t o d e t e c t i n g ，c o m m u n i c a t i o n ， n e t w o r ka n dm i c r o c o m p u t e rt e c h n o l o g i e s t h er e s e a r c hp o i n to ft h i st h e s i sm a n l y i n c l u d e ： 1 a n a l y z i n gt h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so fn a t i o n a le n v i r o n m e n td e t e c t i n g ， g i v i n gan e wd e s i g np r o j e c to fd i s t r i b u t e dl o n gd i s t a n c em u l t i p a r a m e t e rd e t e c t i n g s y s t e m a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n i n g ，t h es y s t e mi sm a i n l yc o n s i s to fh o s te q u i p m e n t ， a s s i s t a n te q u i p m e n ta n dt e l e d e t e c t i n gp c 2 c o m p l e t et h eh a r d w a r ed e s i g n i n ga b o u t t h ed i s t r i b u t e dl o n gd i s t a n c e m u l t i - p a r a m e t e rd e t e c t i n gs y s t e m t h eh o s te q u i p m e n tu s es 3 c 4 4 b o xa sc o r ec h i p w h i c hb a s e do na r m 7 t d m ik e r n e l ，d e s i g n i n gf l a s hs t o r a g em o d u l e ，s d r a m m o d u l e ，u a r tm o d u l ea n de t h e m e tm o d u l e a l lo ft h em a i nc h i p sa r es m a l ls c a l e a n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，w h i c ha r ef i tf o rt h ea p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e m p r o d u c t i o n 3 c o m p l e t et h es o f t w a r ed e s i g n i n ga b o u tt h ed i s t r i b u t e dl o n gd i s t a n c e m u l t i - p a r a m e t e rd e t e c t i n gs y s t e m t h eh o s te q u i p m e n tt r a n s p l a n t se m b e d d e ds y s t e m u c l i n u xa n dj f f s 2f i l es y s t e m ，d e v e l o p i n gt h ed e v i c ep r o g r a m sa n da p p l i c a t i o n p r o g r a m s t h ea s s i s t a n te q u i p m e n t u s ed a t ac o l l e c t i n gp r o g r a m st o g a t h e rt h e e n v i r o n m e n tp a r a m e t e r s ，t h ep r o g r a mf o rt e l e c o m m u n i c a t i o nw a sa l s od e s i g n e d 4 b u i l dt h el o n gd i s t a n c ed e t e c t i n gs y s t e mb a s e do nb o ae m b e d d e ds e r v e r t h e 基于a r m 的分布式远程多参数环境监测系统设计 h o s te q u i p m e n tt r a n s p l a n t sb o ae m b e d d e ds e r v e r w er e a l i z et h en e t w o r k l i z a t i o na n d l o n gd i s t a n c eo fd e t e c t i n gb yu s i n gb o aa n dc g is t r u c t u r e t h es y s t e md e v e l o p e dc h a r a c t e r i s t i ca sg o o de x p a n s i b i l i t ya n d f l e x i b i l i t y b y u s i n gw i r e l e s sm o d u l e ，t h er a n g eo fd e t e c t i n gh a sg r e a ti m p r o v e d w e bs e r v e rr e a l i z e t h es y s t e mn e t w o r k l i z a t i o n t h ea n t i c i p a t e df u n c t i o nb e i n gr e a l i z e db ym o d u l ed e b u g a n ds y s t e md e b u g k e yw o r d s ：e n v i r o n m e n td e t e c ti n s t r u m e n t , a r m ，u c l i n u x ，w e bs e r v e r 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ：扔丰华 川年占月1 日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦 门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸 质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“4 ) 作者签名：栖音午 导师签名：吃跏 日期：唧年乡月j e 1 日期：1 年多月。e l 第一章绪论 1 1课题来源 第一章绪论 本课题为2 0 0 5 厦门大学科技创新项目。该项目主要目的是自主设计、研制 出一种分布式远程多参数环境监测系统，综合运用嵌入式技术、传感器技术、自 动检测技术、通信技术、网络技术和微型计算机技术，实现对多种环境参数的分 布式监测管理与低成本测量。该系统可应用于小区家居环境监测或恶劣环境的多 点参数采集等场合。 1 2 研究的背景与意义 随着我国经济发展、社会进步和人们环保意识的提高，环境质量的问题越来 越为公众所注意。据统计，我国生产环境监测仪器的企业共有上百家，随着环保 的发展，一些企业形成了一定的技术能力与生产规模，对我国环境监测起了很大 的作用。例如我国的烟尘采样器，t s p 采样器，油份测定仪等环境监测仪，在质 量上不亚于世界发达国家的制造水平。我国开发研制的各种原理的污水流量计， 污水等比例采样器，烟气采样器，烟气测定仪等，在国内占有很大的比例。在烟 尘在线监测仪、烟气在线监测仪、c o d 在线监测仪以及氨氮在线监测仪等方面， 结合国家污染物总量控制监测要求，国内的一些厂家加快了研制进度，大量的国 产在线监测仪器已经投入市场。 尽管经过长足发展，国产监测仪器的研制取得了很大的成绩，但应该看到， 我国监测仪器的发展还远不能满足环境监测的要求，监测仪器的质量参差不齐、 功能不全，主要表现在： 1 监测仪器生产滞后环境保护要求的监测任务，往往因监测仪器跟不上， 或监测仪器还达不到要求而影响监测工作的展开。 2 我国生产的环境监测仪器由于受资金、技术等因素限制，总体上处在仪 器低水平，重复较严重，产品质量一致性差，大型、高技术型仪器占有率较低， 生产效益不高的状态。 3 监测仪器的生产主要靠无序的市场机制调节，造成监测仪器生产不均衡， 基于a r m 的分布式远程多参数环境监测系统设计 发展缓慢。 当今的环境监测对监测仪器的需求有了新的要求，主要表现在： l 、仪器种类有待增加。我国已开展的监测内容相当有限，估计不足1 2 ，其 原因之一就是缺乏相应的监测仪器，只有加快开发、研制各种监测仪器的步伐， 才有利于监测工作向深度与广度发展。 2 、监测的水平有待提高。从监测仪器产品角度，要求其性能质量进一步提 高，采样类仪器应进一步提高精度与可靠性。从市场角度，环境监测需求量大的 仪器有四大类型：一是通用的实验室分析仪器( 如光学类仪器和色谱类仪器) ： 二是专用的监测仪器，特别是大气污染源和水质污染源的在线连续自动监测仪器 系统：三是便携式的监测仪器和采样器；四是环境质量的自动监测仪器。这些在 我国均是较薄弱的，应该重点加强研制生产，并注意知识与技术的创新。 未来环境监测的发展趋势仍将以目前的人工采样和实验室分析为主，但对重 点区域的环境质量和重点污染源的监测将向自动化、智能化和网络化监测方向发 展，随着各种电子技术和通信技术的应用，环境质量检测和评价将从传统的耗时、 费力和昂贵的实验室分析中走出来，更多地使用分布式采集的直读仪器进行现场 实时检测，并通过网络对整个监测过程进行远程控n t l 1 。 1 3分布式远程监测方法的提出及其实现模式 由上节对我国环境监测现状的论述，可以得知，环境监测水平的提高要从监 测仪器制造和监测方式改进两个方面着手。现有的环境监测设备大多检测参数较 单一，监测覆盖面小，设备安放不方便，并且环境监测站点大部分都安装在野外、 机房、企业排污点等无人值守的地方，设备的运行状态需要工作人员定期到现场 进行检查，这样不仅浪费大量的人力及物力，而且因为采用定期检查而无法实时 得到设备的运行状态，一旦设备出现故障，必须等到工作人员到达现场时才能发 现，势必造成一些不必要的工作失误。解决这一问题的关键是如何才能够把现场 设备的工作状态实时地反映给工作人员f 嘲。所以，设计一种能够集多点、多参数 环境参数采集和远程监控为一体的监测系统有十分重大的现实意义，本文正是为 此做了大量的研究工作。 随着现代通信技术，特别是因特网( i n t e m e t ) 技术的发展，分布式远程监测 2 第一章绪论 才真正步入快速的发展阶段。i n t e r n e t 技术使得采集信息交换在全世界范围内有 了实现的可能。即使在小范围，应用了宽带通信线路和无线传输设备，也使大容 量的数据交互和远程环境参数采集成为现实。 本课题致力于研制一种分布式多参数环境监测仪，监测仪主要由数据采集分 机和主控机2 个部分组成。数据采集分机和主控机之间通过无线数传通信，以此 达到多点的分布式采集。主控机上移植w e b 服务器，由b o a 配合c g i 通过i n t e r a c t 远程控制主控机，实现监测的远程化和网络化。 1 。4 本论文的主要内容和特点 本论文将嵌入式系统的设计思想运用到环境监测，完成一种分布式远程多参 数环境监测系统的设计。论文全面论述了嵌入式环境监测系统的研制，包括工作 原理、硬件和软件方面的设计，既有理论，但更主要是侧重于应用，尤其偏向于 新技术的应用。 在第一章，叙述了本课题立项的依据和研究的背景。 第二章介绍了分布式远程多参数环境监测系统的功能、系统架构、性能特点 和嵌入式系统的技术概况。 第三章介绍了监测系统主机的功能及具体的软硬件设计和实现。主机的主 要功能是接收及存储分机采集的环境参数，并为远端计算机提供w e b 服 务，使主机系统能够被远程操控。 第四章介绍了监测系统分机的功能及具体的软硬件设计和实现。重点阐述了 传感器调理电路，模数转换电路的软硬件设计。 第五章介绍了远程监测系统的设计。提出了b o aw e b 服务器结合c g i 编程 的设计方案。 第六章为系统调试过程介绍。 第七章为结论和展望。 基于a r m 的分布式远程多参数环境监测系统设计 第二章监测系统总体设计 2 1 系统设计思想。1 监测系统设计思想须遵循以下几点：1 、扩充性，即监测系统须采用模块化 设计方案，可对任意模块进行扩充和重组。2 、稳定性，即监测系统应能每天2 4 小时不间断运行，并能提供足够的冗余，做到运行时动态升级和切换。3 、分布 性，即能提供对环境参数的多点监测。4 、准确性，即监测系统应提供准确的数 据采集。5 、网络性，即监测系统能够依托网络进行远程监控。6 、最小限度投资， 即监测系统须考虑结构的完整性，合理性和可行性，又必须考虑投资的经济性。 2 2 系统功能及特点 分布式远程多参数环境监测系统是计算机技术和现代通信技术紧密结合的 产物。该系统是集参数采集、参数存储、无线通信、远程网络控制为一体的网络 监测系统。其功能特点如下： 1 ) 集中监测指定地区的多个环境参数，包括温度、气压、湿度和粉尘度。 2 ) 通过若干分机可以实现对指定区域的分布式多点参数采集。分机体积 小，便于安放。 3 ) 主机核心芯片采用高性能嵌入式a r m 芯片，主频可达6 6 m h z 。使用 u c l i n u x 嵌入式操作系统管理主机软件资源，实现系统软件工作的多进程、多任 务。 4 ) 主机和分机间采用无线数传电台进行无线通信。无线通信使得分机的安 放更加的便捷，使系统的应用较少受到地形等因素的影响。 5 ) 主机上移植了b o a 嵌入式w e b 服务器，使得主机可以在接入因特网时 被远程访问和操控。远端p c 机可以通过w e b 形式访问主机，实现环境参数的实 时查询、统计及打印的功能。 6 ) 系统具有良好的扩展性和灵活性。分机可以扩展需要采集的环境参数种 类，一台分机最大可以扩展到8 种环境参数。同时也可以扩展分机的个数，最大 可以实现多达2 5 6 点的环境参数监测。 4 第二章监测系统总体设计 2 3 系统组网结构 由于是自行组网，故采用“监控中心一一监测仪主机一一监测仪分机 三级 分布式组网，其网络结构如图2 一l 所示。利用远端p c 主机设立一个监控中心，通 过i n t e r n e t 访问监测仪主机上的w e b 服务器，读取主机存储环境参数。主机通过 无线数传电台和各分机无线通信最多可挂2 5 6 个分机进行多点参数监测。 2 3 1 分机架构设计 图2 一l ：系统组网结构 多参数环境监测系统分机的主要功能是将各传感器采集的环境参数模拟量 转化为数字量，然后通过无线数传模块将环境参数传输给环境监测主机，采集的 环境参数包括温度、湿度、气压和粉尘度四种。使用多分机对应一主机的形式， 可以实现在一定范围内的无线采集环境参数。 基于a r m 的分布式远程多参数环境监测系统设计 多参数环境监测系统分机主要包括传感器及信号调理电路模块、单片机采集 电路模块和无线通信模块。核, l , c p u 采用a t 8 9 c 5 2 ，模数转换芯片为a d c 0 8 0 9 ， 模数转换后的8 位数字量通过单片机a t 8 9 c 5 2 的p o d 输入，处理过的数据通过串 口发送到无线数传模块，由无线数传模块发送给主机。系统由若干分机组成，将 分机编号，这样就可以实现一定范围( 具体范围由无线数传的有效范围决定) 的 环境参数采集。 单片机的软件设计采用c 语言完成，采用k e i lc 5 1 作为分机系统的开发环 境，k e i l 提供包括c 编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真 调试在内的完整开发方案。c 语言具有功能丰富，表达能力强，使用灵活方便， 目标程序效率高等特点，同时c 语言可移植性好。整个分机软件设计是按模块 划分的，分模块进行各子程序的代码编写。 2 3 2 主机架构设计 主机的主要功能是接收及存储分机采集的环境参数，并为远端计算机 提供w e b 服务，使主机能够被远程操控。主机和分机间采用f c 2 0 1 e 无线 电台进行无线通信。主机硬件电路核心为基于a r m 7 t d m i 的a r m 芯片 s 3 c 4 4 b o x ，软件层移植了u c l i n u x 操作系统并建立了j f f s 2 文件系统来存 储接收到的环境参数。 多参数环境监测系统主机硬件电路主要由参数处理和存储模块、无线数 据传输模块和以太网接入模块三大部分组成。在本系统中采用目前广泛 使用的s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x 作为核心处理器，s 3 c 4 4 b o x 通过提供全 面的、通用的片上外设，大大减少了系统电路中除处理器以外的元器件配 置，从而使系统成本最小化，并且通过扩展外部s d r a m ，f l a s h ，以太网接口 芯片，无线数传模块及一些基本元件等完成主机硬件系统的设计。 主机软件系统采用u c l i n u x 作为核心来管理和维护系统的各种资源。 在u c l i n u x 上主要运行三个任务：串口读取和处理采集数据、j f f s 2 文件 存储系统、b o aw e b 服务器程序。其中读取和处理采集数据有实时性要求， 用中断处理程序实现。其余2 个任务则通过用户进程来实现。程序采用模 块化设计，自底向上分层实现。编译调试，最后下载到主板的f l a s h 芯片 6 第二章监测系统总体设计 上固化。 2 3 3 远端监控主机架构设计 多参数环境监测系统主机上移植嵌入式b o a 服务器，为环境监测系统提 供远程w e b 访问。我们可以在远程p c 机上通过w e b 访问监测主机上存储 的环境参数。远程用户请求的静态网页直接从文件系统中获取，动态监控 数据信息则通过调用接口应用程序c g i 获取后向客户端返回。 嵌入式w 曲服务器通过c g i 接口，可以在h t m l 文件或表格中运行代 码，供r a m 读写数据。h t m l 页面内容一般是通过存储r o m 中的压缩文 件，由快速运行的代码动态产生的。 2 4 嵌入式系统技术介绍及a r m 芯片 本文设计的分布式远程多参数环境监测系统是以嵌入式系统为基础的，系统 涉及了嵌入式系统的软件和硬件的研制，所以在设计前有必要对嵌入式系统进行 深入的研究。 2 4 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统是一种软硬一体化系统，操作系统和应用软件集成于计算机硬 件系统之中。具有高度自动化和响应速度快的特点，适于处理实时多任务。广泛 应用于信息电器、移动计算设备、网络设备、工业控制设备等多种电子产品中。 嵌入式系统定义比较多，常用的定义为： ( 1 ) 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、 适用于对系统功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 ( 2 ) 嵌入式系统是计算机的一种应用形式，通常指埋藏在宿主设备中的微处 理机系统，此类计算机一般不被设备使用者在意，亦称埋藏式计算机，典型机种 如微控制器、微处理器和d s p 等。内置这种计算机的系统威力大、反应速度快、 自动化程度高，用于实现对其它设备的控制、监视或管理等功能。用户不需知道 装置内计算机的存在，一般不能被用户编程，它有一些专用的i o 设备，对用户 7 基于a r m 的分布式远程多参数环境监测系统设计 的接口是应用专用的。 2 4 2 分布式远程多参数环境监测系统m c u 控制系统随 分布式远程多参数环境监测系统核心控制系统是建立在基于a r m 内核 的高性能芯片上。对a r m 系列芯片的探究有利于我们进行系统设计。 1 a r m 的由来 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、廉价、耗能低的r i s c 处理器、相关技术及软件。技 术具有性能高、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。 a r m 将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和o e m 厂商， 每个厂商得到的都是一套独一无二的a r m 相关技术及服务。利用这种合 伙关系，a r m 很快成为许多全球性r i s c 标准的缔造者。目前，总共有3 0 家半导体公司与a r m 签订了硬件技术使用许可协议，其中包括i n t e l 、i b m 、 l g 半导体、n e c 、s o n y 、菲利浦和国民半导体这样的大公司。至于软件 系统的合伙人，则包括微软、升阳和m r i 等一系列知名公司。 2 a r m 内核1 ( 1 ) a r m 7 系列 a r m 7 采用a r m v 4 t ( n e w m a n ) 结构，分为三级流水，空间统一的指 令和数据c a c h e ，平均功耗为0 6 m w m h z ，时钟速度是6 6 m h z ，每条指令平 均执行1 9 个时钟周期。其中的a r m 7 10 。a r m 7 2 0 和a r m 7 4 0 为内带c a c h e 的a r m 核。a r m 7 t d m i ( t h u m b ) ，这是公司授权用户最多的一项产品， a r m 7 指令集同t h u m b 扩展组合在一起，以减少内存容量和系统成本。同 时，它还利用嵌入式i c e 调试技术来简化系统设计，并利用一个d s p 增强 扩展来改善性能。a r m 7 小型，快速，低功耗，成r i s c 内核，用于移动 通信。该产品的典型用途是数字蜂窝电话和硬盘驱动器。 ( 2 ) a r m 9 系列 a r m 9 采用a r m v 4 t ( h a r v a r d ) 结构，五级流水处理，指令与数据分离 的c a c h e 结构，平均功耗为0 7 m w m h z ，时钟速度是1 2 0 2 0 0 m h z ，每条 8 第二章监测系统总体设计 指令平均执行1 5 个时钟周期。与a r m 7 系列相似，其中的a r m 9 2 0 ， a r m 9 4 0 和a r m 9 e 均为含有c a c h e 的a r m 核，性能为1 3 2 m i p s ( 1 2 0 m h z 时钟，3 3 供电) 或2 2 0 m i p s ( 2 0 0 m h z 时钟) 。a r m 9 同时配备t h u m b 扩 展、调试核h a r v a r d 总线，在生产工艺相同的情况下，性能是a r m 7 t d m i 的两倍多，常用与信息家电和机顶盒。 ( 3 ) a r m l 0 系列 a r m l 0 采用a r m v 5 t 结构，六级流水处理，指令与数据分开的c a c h e 结构，时钟速度是3 0 0 m h z ，每条指令平均执行1 2 个时钟周期，其中的 a r m l 0 2 0 为内带c a c h e 的版本。 ( 4 ) s t r o n g a r m s t r o n g a r m 是融合了i n t e l 公司的设计和处理技术的a r m 体系结构。 s t r o n g a r m 处理器采用了a r m v 4 t 的五级流水设计。目前有s a l l 0 、 s a l l 0 0 以及s a l l l 0 等三个版本。 5 x s c a l e i n t e lx s c a l e 微体系结构是一种全性能、高性价比、低功耗且基于 a r m v 5 t e 体系结构，它支持l6 位t h u m b 指令和d s p 扩充。目前用的比 较多的是x s c a l ep x a 2 5 0 和x s c a l e8 0 2 0 0 8 0 3 1 2 。 3 a r m 7 t d m l a r m 7 t d m i 是a r m 7 处理器系列成员之一，是目前应用最广的3 2 位高性能嵌入式r i s c 处理器。a r m 7 t d m i 命名定义如下： a r m 7c p u 核系列 t1 6 位压缩指令集t h u m b d 在片调试( d e b u g ) 支持，允许处理器响应调试请求暂停 m 增强型乘法器( m u l t i p l i e r ) ，与以前处理器相比性能更高，产生6 4 位结果 i嵌入式i c e 硬件提供片上断点和调试支持 ( 1 ) 指令流水线 a r m 7 t d m i 使用流水线以提高处理器指令的流动速度。流水线允许 几个操作同时进行，以及处理和存储系统连续操作。a r m 7 t d m i 使用3 9 基于a r m 的分布式远程多参数环境监测系统设计 级流水线，因此，指令的执行分为3 个阶段：取指、译码和执行。当正常 操作时，在执行一条指令期间，其后续的一个指令进行译码，且第3 个指 令从存储器中取指令。 ( 2 ) 存储器访问 a r m 7 t d m i 核是冯诺伊曼体系结构，使用统一3 2 位数据总线指令和 数据。只有加载、存储和交换指令可以访问存储器中的数据。数据位数可 以是8 位、1 6 位和3 2 位。1 6 位也称为半字，它必须是2 字节边界对准， 而3 2 位是字它必须4 字节边界对准。 ( 3 ) 存储器接口 a r m 7 t d m i 的存储器接口被设计在使用存储器最少的情况下实现其 潜能。速度的关键控制信号是流水作业的，以允许在标准功耗逻辑下实现 系统功能。这些控制信号方便了许多片内和片外存储器技术支持快速突发 ( b r u s t ) 访问模式的开发。a r m 7 t d m i 有4 种存储器周期的基本类型： 空闲周期、非顺序周期、顺序周期和协处理器传送周期。 ( 4 ) 嵌入式i c e r t 逻辑 嵌入式i c e r t 逻辑为a r m 7 t d m i 核提供了集成的在片调试支持。 可以使用嵌入式i c e r t 逻辑来编写断点或观察断点出现的条件。嵌入式 i c e - r t 逻辑包含调试通信( d c c ，d e b u gc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l ) ，它用于 在目标和宿主调试器之间传递信息。嵌入式i c e r t 逻辑通过j t a g ( j o i n t t e s ta c t i o ng r o u p ) 测试访问口进行控制。a r m 7 t d m i 有2 个指令集，3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集。 分布式远程多参数环境监测系统主机采用了基于a r m 7 t d m i 内核的处理 芯片s 3 c 4 4 b o x ，该芯片成为了整个系统的运作核心，在第三章里对其进行了详 细介绍，这里不再介绍。 1 0 第三章多参数环境监测系统主机设计 第三章多参数环境监测系统主机设计 主机的主要功能是接收及存储分机采集的环境参数，并为远端计算机 提供w e b 服务，使主机系统能够被远程操控。主机和分机间采用f c 2 0 1 e 无线电台进行无线通信。主机硬件电路核心为基于a r m 7 t d m i 内核的芯 片s 3 c 4 4 b o x ，软件层移植了u c l i n u x 操作系统并建立了j f f s 2 文件系统 来存储接收到的环境参数。本主机整体架构如图3 1 所示： 图3 1 ：主机整体架构图 本章按照主机硬件层和主机软件层两大部分阐述设计过程。 3 1主机硬件层实现 多参数环境监测系统主机部分主要由参数处理和存储模块、无线数据 传输模块和以太网接入模块三大部分组成。在本系统中采用目前广泛使用 的s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x 作为核心处理器，通过扩展外部 s d r a m ，f l a s h ，以太网接口芯片，无线数传模块及一些基本元件等完成主机 硬件系统的设计。主机硬件总体框图如图3 2 所示 基于a r m 的分布式远程多参数环境监测系统设计 图3 - 2 ：主机硬件总体框架图 3 1 1 核心处理器s 3 c 4 4 b o x 模块 主机核心c p u 为s 3 c 4 4 b o x 处理器，深入了解s 3 c 4 4 b o x 的内部结构 及其工作方式对理解系统工作原理，对使用该处理器进行软硬件设计有着 重大意义。 1 s 3 c 4 4 b o x 简介 s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器s 3 c 4 4 b o x ，为手持式设备 和一般类型的应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。为了降 低成本，s 3 c 4 4 b o x 提供了丰富的内置部件，包括：8 k b c a c h e ，内部s r a m ， l c d 控制器，带自动握手的2 通道u a r t ，4 通道d m a ，外部存储器控制 器( 片选逻辑，f p e d o s d r a m 控制器) ，带有p w m 功能的5 通道定时 器，i o 端口，r t c ，8 通道1 0 位a d c ，1 2 c 总线接口，1 2 s 总线接口，同 步s i o 接口和p l l 倍频器。其内部结构如图3 3 所示f 甜。 s 3 c 4 4 b o x 采用了a r m 7 t d m i 内核，0 2 5 u m 工艺的c m o s 标准宏单 元和存储编译器。它的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适合于对成 本和功耗敏感的应用。同样，s 3 c 4 4 b o x 还采用了一种新的总线结构，即 1 2 第三章多参数环境监测系统主机设计 s a m b a i i ( - - 星a r mc p u 嵌入式微处理器总线结构) 。 s 3 c 4 4 b o x 的杰出特性是它的c p u 内核，是由a r m 公司设计的l6 3 2 位a r m 7 t d m ir i s c 处理器( 6 6 m h z ) 。a r m 7 t d m i 体系结构的特点是、 它集成了t h u m b 代码压缩器、片上的i c e 断点调试支持和一个3 2 位的硬 件乘法器。 图3 3 - s 3 c 4 4 8 0 x 内部结构 s 3 c 4 4 b o x 通过提供全面的、通用的片上外设，大大减少了系统电路 中除处理器以外的元器件配置，从而使系统成本最小化。 2 。工作模式及寄存器分类n 幻 s 3 c 4 4 b o x 是基于a r m 7 t d m i 内核的处理器，从程序员的角度看， a r m 7 t d m i 内核可以工作在a r m 状态或t h u m b 状态下。其中在a r m 状 态下执行3 2 位字对齐的a r m 指令；在t h u m b 状态下执行1 6 位半字对齐 的t h u m b 指令。通过执行b x 指令及修改操作数寄存器的状态位( 位0 ) 1 3 基于a r m 的分布式远程多参数环境监测系统设计 来实现由a r m 状态到t h u m b 状态的切换，或者当处理器的异常状态处理 时( i r q ，f i q ，u n d e f ，a b o r t 及s w i 等) ，也会在2 种状态间切换。 基于a r m 7 t d m i 内核的s 3 c 4 4 b o x 处理器支持以下7 种操作模式。 用户模式( u s r )运行普通a r m 程序时的状态。 f i q 模式( f i q ) 用来支持数据传输和通道操作 i r q 模式( i r q )用来处理通用中断 超级用户模式( s v c )操作系统保护模式 异常模式( a b t )数据或预取指失败时进入 系统模式( s y s ) 是操作系统的特权用户模式 未定义模式( u n d )在未定义的指令被执行时进入 模式的改变可以通过软件来实现，也可能在外部中断或异常发生时自 动发生切换。大多数应用程序都工作在用户模式下，非用户模式都被称为 特权模式，用来服务于中断或异常，或者用于操作被保护的资源。 s 3 c 4 4 b o x 共有3 7 个3 2 位的寄存器：3 1 个通用寄存器，6 个状态寄 存器；但并不是所有的寄存器都能被一次性被访问。处理器的状态和操作 模式决定了那些寄存器对程序员是有效的。 a r m 状态寄存器集包含了1 6 个可直接操作的寄存器：r 0 到r 1 5 。除 了r 1 5 之外，其他1 5 个都是通用性的，可以用来保存数据或地址变量； 除此之外，还有第1 7 个寄存器c p s r ( 当前程序状态寄存器) 用来保存状 态信息。 t h u m b 状态寄存器集是a r m 状态寄存器集的一个子集。程序员可以 直接操作的寄存器有：8 个通用寄存器r 0 - - r 7 ，程序计数器p c ，堆栈指 针寄存器s p ，链接寄存器l r 和当前状态寄存器c p s r 。每个特权模式下 都有各自的堆栈指针寄存器、链接寄存器和程序状态寄存器( s p s r ) 。 t h u m b 状态寄存器与a r m 状态寄存器按照下面的方法关联。 t h u m b 状态下的r 0 - r 7 与a r m 状态下的r 0 - - r 7 是相同的。 t h u m b 状态下的c p s r 和s p s r 与a r m 状态下的c p s r 和s p s r 是相 同的。 t h u m b 状态下的s p 映射在a r m 状态下的r 1 3 。 1 4 第三章多参数环境监测系统主机设计 t h u m b 状态下的l r 映射在a r m 状态下的r 1 4 。 t h u m b 状态下的程序计数器p c 映射在a r m 状态下的程序计数器r 1 5 。 3 指令系统 s 3 c 4 4 b o x 处理器是基于精简指令集计算机( r i s c ) 原理设计的 a r m 7 t d m i 内核的处理器，具有3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令 集。a r m 指令集效率高，但是代码密度低；而t h u m b 指令集具有较高的 代码密度，却仍然保持了a r m 的大多数性能上的优势，它是a r m 指令集 的子集。a r m 程序和t h u m b 程序可以相互条件，而相互之间的状态切换 开销几乎可以忽略不计【13 1 。 a r m 指令集和t h u m b 指令集各有优点，若对系统的性能有较高的要 求，应使用3 2 位的存储系统和a r m 指令集，若对系统的成本及功耗有较 高要求，则应使用1 6 位的存储系统和t h u m b 指令集。当然，若两者结合 使用，充分发挥其各自的优点，会取得更好的效果。 3 1 2 主机电路组成 1 电源电路 本系统需要3 3 v 和2 5 v 的直流稳压电源。为了提高供电的稳定性和 可靠性，主机采用集成线型稳压电源对c p u 和外围电路供电。c p u 内核 工作需要的2 5 v 电源由l m l l l 7 2 5 产生。 ! 砂i ! ；一荆曲一r | li ”：芎3 v ；：；如d 砑 ? ”啦口蟮一：氛；：i ： ：； i ： r 嘴1 茚- ：l慝曩l p ：f t 警 。； 曩。 ；茹曩， ； k 一一篁 i 。 露二髻：啊- 霉? i 辩i ： = l 曲d! ， 妁船r ，【v ；：i ；：，。己l 【参i 。“ ”；一“；一： 。：p 蔼i e b 1 ；一。 誉蔗磐 _ - - c 1 ， ；一j ：；由。一! “ij ： 0 t 矗 3 。12 i 卜2 甲 一；“ 一再 “：翻g 。 i ： + b h ：l 一。l 一 1 ，删 + ；j y 砌 彳缚磋 ，h f ： _ t i - ，