硕士学位论文-基于ARM 和GPRS的远程环境监测系统.doc

华中科技大学硕 士 学 位 论 文基于ARM和GPRS的远程环境监测系统学位申请人：学科专业 ：模式识别与智能系统指导教师 ： 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、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。本人授权华中科技大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密 ，在 年解密后适用本授权书。本论文属于 不保密 。（ 请在以上方框内打“” ）学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文摘 要我国近些年来，科技迅猛发展，工业化程度不断提高，人民的生活水平日新月异，但与此同时，自然生态环境却遭到了越来越严重的破坏，不断出现的酸雨、沙尘暴、水污染等现象，给人们的生产生活带来了严重影响。在这种情况下，政府部门已经决心要扭转环境恶化趋势，加大污染物排放的监测和控制力度，努力改善自然生态环境。环境监测是环保工作的源头，实时准确的环境数据是采取各种控制和处罚措施的基础，也是人们生产生活的重要参考依据。因此，环境监测仪器及系统是否能够保持稳定、高效的运行，就直接关系到环保工作能否真正有效的开展。目前，我国环境监测工作开展的力度和范围还远远不能满足要求，主要原因是国内的环境监测仪器及系统的自动化、智能化和网络化程度不高，而国外的环境监测仪器及系统又存在价格昂贵、操作和维护困难的问题。因此，我国的环境监测工作，还基本处于人工为主，仪器为辅的状态，这样的工作方式执行效率低下、执行范围有限，环保部门难以有效的开展工作，人民群众更是难以通过有效的途径获得自己关心的环境数据。针对这一问题，本文给出了一种基于ARM和GPRS远程环境监测系统，它利用GPRS网络的高覆盖率和高可靠性，很好的解决了数据传输的问题。从而使得相对较分散的各个环境监测点，能够组成一个有机的智能化的监测网络。利用此网络，我们就可以获取大量有效的数据。在此基础之上，本系统还采用了B/S服务器结构，对收集来的数据进行发布，这样不仅有利于环保部门进行数据交流和分析，也能为其他人员提供数据服务。关键词：环境监测 嵌入式系统 ARM GPRS WebAbstractRecently, in our country, science and technology develop quickly, the stand of industrialization and living has great improvement. At the same time, the environment was seriously destroyed, the nature calamities happen ever and agah, such as acid rain, sandstorm, water pollution and so on. In this situation, the government decides to change the trend of environment worsening, and controls the emission of contamination more strictly. The work of environment monitoring is the source of environment protecting. These data from the environment monitoring are the foundation of control and punishment, also are the important reference of production and living. So, to confirm the work of enviroment process fluently, the enviroment monitor and system must be high effectively and stably run. At the present, in our country, the work of environment monitoring can not meet the need of market. The main reason is that the domestic monitor and system is on the low level in the automatization, intelligence and network, and the overseas enviroment monitor and system is very expensive and maintenance difficult. Our countrys environment monitoring work basically was done by manpower. The efficency of work is very low and the scope of application is very limited. In the view of these questions, this article has produced a kind of long-distance environment monitoring system based on ARM and GPRS. GPRS network has the advantage in the aspect of coverage fraction and reliability. It can well settle the question of data transmission. So every dispersible environment monitoring points can be composed into an intelligence monitoring network. Using this network, we can gain a lot of efficent data. Above this foundation, this system used B/S structure to issue these data. Through the IE, the department of environment can get and analyse these data and the people can obtain the information service.Keyword：Environment Monitor Embedded System ARM GPRS Web目 录摘 要IAbstractII1绪论11.1环境监测概述11.2国外研究现状11.3国内研究现状21.4本文主要研究内容32系统特点及总体构架52.1远程环境监测系统的特点52.2远程环境监测系统的总体构架82.3本章小结93系统组成及嵌入式系统硬件实现113.1系统体系结构113.2上位机和下位机113.3嵌入式系统硬件实现123.4本章小节214嵌入式系统软件的实现234.1应用程序的开发调试234.2串行通讯程序264.3网络通讯程序304.4uClinux下的键盘程序414.5uClinux下液晶程序424.6本章小节455上下位机通信技术475.1基于GPRS的无线数据传输475.2上位机通信技术495.3本章小节506结束语和展望51致 谢53参考文献54附录157571 绪论1.1 环境监测概述环境保护是一个世界性的课题，已经得到了世界范围的广泛共识和重视。环境的好坏不仅关系到社会经济的可持续发展，而且直接影响到人类生活质量的高低。然而，只要有工业生产，就不可避免的会造成各种各样的环境问题。在这样的情况下，我们只能尽自己最大的努力去限制对环境的污染，使环境污染保持在环境能够承载的范围之内，不至于造成对人类生存环境的根本性破坏。环境监测是环境保护的信息的来源，环境监测获得的各种数据，是评测一个地区环境优劣和制定各种环境保护法规、政策的重要依据。而嵌入式技术、通信技术和计算机网络技术的迅速发展为环境监测提供了良好的平台，在此平台之上，我们能够构建出功能强大、界面友好、接口丰富、智能化、网络化的环境监测系统，提供比以前更为及时有效的环境监测手段。1.2 国外研究现状欧美以及日本等发达国家，对环境监测的研究工作开展的较早，通过巨额的资金投入，现在已经取得了非常显著的成绩，拥有了一大批科研成果和专利技术，在环境监测工作中发挥着重要作用。美国1990年通过了新的清洁空气法，重点控制189种空气有毒污染物，并计划在其后的10-20年内，要建立这些污染物的监测方法。现在已经研究开发出了富里埃红外光谱(FTIR)测定醛、酮类及有关化合物的定性、定量软件，建立了光谱差减定量数据库，以及大气毒物FTIR光谱自动差减软件。这些成果为最终实现固定污染源大气毒物FTIR光谱连续自动监测奠定了基础。 英国森戈集团研制了Ambirak空气质量自动监测系统。该系统提供多种可供选择的监测设备和内部分析模块，用户可以根据需要进行选择，远端主机可实现对系统的远程控制和通讯功能，具有完备的系统记录和诊断功能，能够自动生成数据报表、标定报告、审查报告和事件报告。挪威ENSYS公司主要致力于水资源管理和空气质量环境等环境监测信息系统的研究和开发，并且在许多国家建立了区域级和国家级的环境监测网络，对相关的环境数据实现了分级的收集、存储、处理、管理、分析、显示和发布。在日本，对生活污水的监测和处理系统已经达到了相当高的水平，系统中所使用的装置有800万台以上，1/3的生活污水得到了合理处理，富士、日立、松下等大型企业为系统的研究、开发和生产提供了有利的保证。在国外，环境监测仪器的已经达到了较高的专业化水平，环境监测正向着系统化、智能化和网络化的方向发展。1.3 国内研究现状环境监测工作在我国启动较晚，但是随着环境压力的不断增大，我国对环境监测的重视程度也越来越高，并提出了建设“金环工程”，实现“数字环保”的发展方向，重点在加快环境信息系统建设，实行信息资源共享机制，建立环境事故应急监控和重大环境突发事件预警体系12。目前一些大学、科研院所和企业相续开展了环境监测系统技术的研究，取得了不少成果。锦州阳光科技发展有线公司开发的TRM-ZS1农业气象生态环境监测系统可对地面生态环境及多种气象要素（温度、湿度、风速、风向、气压、雨量、太阳辐射、土壤湿度、CO2等）进行定时自动采集，计算，处理，显示，存储，通讯和打印，提高了观测效率，减轻了观测人员的劳动强度。通过RS232接口与微机有线相连，进行数据通讯。厦门宇能电力科技有限公司结合厦门环保局现有环境监测站点的实际情况及本公司研发的GSM短信息无线远程监控系统给出一种基于GSM短信息的远程环境监测站运行状态监控系统。该系统利用GSM短信息系统，不需建立端到端业务通道，占用信道资源少，可以在任何时候发送或接收信息的特点，为远程环境监测系统提供了一个简单、投入少、可靠的解决方案。国家在长江三峡设立了三峡工程生态和环境监测信息管理中心，大量采集了相关环境数据和样本，然后在实验室进行仔细研究，积累了许多生态与环境监测和实验数据，基本形成了水库蓄水前的本底资料，并且将继续监测蓄水后对三峡环境带来的变化情况。为了加大监测力度，遥感监测和信息系统建设目前正在进行。已有的信息网，具有1：50000的生态环境监测的数据正射影像图，其中处理数据有80G，成果数据有7.5G。国内环境监测工作虽然取得了一些成绩和进展，但仍然存在不少的问题，主要体现在远程环境网络建设方面。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，设备的运行状态必须靠工作人员定期到现场进行检查，这样一但设备出现故障，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。环境监测数据的收集方式，也一般是专用仪器在各个监测点进行数据采集，然后人工到这些监测点去抄取数据，条件较好的地方则采用专线、数传电台或短信的方式把监测点的数据传输到监控中心的电脑上。然而，这些方法都存在很大的缺点：人工抄取方式即不方便也浪费人力物力；专线方式投入很大，对于偏远地区更是难以实现；数传电台需要向专门的管理部门申请传输频率，并且受天气和地理条件的影响很大；短信方式，传输的信息量有限，延时较大，而且按信息条数计费，费用较高。另外一个问题是各个环保部门之间信息相互孤立，缺乏有效的信息通路，对环境状况的没有整体的把握。 1.4 本文主要研究内容国内远程环境监测系统的研究，还处于探索和起步阶段，一些科研机构和企业已经有了一些有价值的研究成果和设计方案，但是由于设计成本高、系统结构不合理、数据传输性能有限等因素的制约，不能很好的适应当前远程环境监测的要求。特别是数据不能有效的传输和信息不能有效的交互，是制约我国远程环境监测系统发展的瓶颈。作者在充分消化国内外环境监测技术的基础上，针对目前国内对远程环境监测系统的要求，结合自身在嵌入式系统和移动通信网络知识方面的优势，研制了基于ARM和GPRS的远程环境监测系统。本系统，采用ARM微处理器、uClinux嵌入式操作系统和无线数据传输模块，设计了性能稳定、价格适中、操作安装方便的远程环境数据传输仪器，在此基础之上，利用GPRS网络把各分散的监测点与环保部门的电脑有机的连接在一起，并通过Internet把环保部门组织成一个统一的环境监测网络。系统能为各环保部门提供有效的远程环境监测手段，保证设备状态及环境数据的实时准确的传输。同时，也能为各环保部门之间提供有效的信息交流通道，使环保系统成为一个整体，为进一步分析环境数据，制定环保政策和采取环保措施提供了更为科学的依据。系统采用模块化的结构设计，使数据采集与数据传输相分离，使数据存储显示与信息交互相分离，同一套系统，不需改动或只需微小改动就可以应用于水质、烟尘、烟气、噪音、空气质量等各种环境监测系统，具有非常广泛的适用性。本文主要从以下几个方面对该系统进行描述。(1) 系统特点及总体构架。环境监测系统是以数据的流向为核心的，因此本文从环境数据处理的各个阶段出发，分析了远程环境监测系统的特点，并给除了本文所设计系统的总体构架。(2) 系统组成及嵌入式系统硬件实现。按照系统的体系结构，描述了系统的各个组成部分，并重点介绍了嵌入式系统硬件的实现。(3) 嵌入式系统软件的实现。本系统的嵌入式软件部分，是在uClinux环境支持下开发的，从系统功能来看，串口通讯和网络通讯是应用软件实现的关键部分。(4) 上下位机通信技术。通信技术是本系统的关键技术，重点对GPRS技术和Web服务器技术进行了阐述。2 系统特点及总体构架2.1 远程环境监测系统的特点本远程环境监测系统根据功能可以分为三大部分：一是数据的采集和暂存，二是数据的传输，三是数据保存、处理和发布。因此系统的特点也可以从这三个方面进行描述。2.1.1 数据采集和暂存的特点这一部分是所有环境监测系统，乃至所有的监测系统都具有。它的特点在监测领域具有普遍意义。因此，为了突出本系统的特点，此部分特点只在下面做简要介绍。数据的采集和暂存，主要过程是通过专用的传感和变送装置对水质、烟尘、烟气、噪音、空气质量等环境参数进行检测，并转化为可以被计算机处理的电信号(电压、电流、频率等)，再由CPU对电信号进行二次处理转化为符合一定标准的数据形势，并存储在存储芯片中，以供保存和分析使用。传感和变送装置的设计非常的专业化，且设计必须达到国家的相关标准规定，一般都由专业的厂家来设计、生产和标定，并提供相应的电信号输出标准和度量值。因此，在设计远程环境监测系统时，通常不自己设计传感和变送装置，而是根据需求情况在市场上选择符合要求的装置，我们需要做的是根据装置的参数说明，在CPU板上设计与之相适应的接口，然后通过获得的信号转化为易于识读的环境数据。之所以，把这一部分的数据存储称为暂存，是因为通常应用在现场的数据采集装置都是嵌入式系统，他们的存储器容量是有限的，因此，不能做为数据长期存储的场所，必须通过有效的通信方式传到存储容量更大的PC机或服务器中去。2.1.2 数据传输的特点这一部分是体现远程环境监测系统与其它监测系统不同点的关键之处，也是本章阐述的重点。环境监测点通常较为分散，且地理环境和实际条件各异，例如：一个城市的地下水监测点会遍布整个城市，一条河流的污水排放监测点也会遍布整个流域的排污口等等。因此，环境监测通常与远程数据传输紧密的联系在一起。目前采取的数据传输手段主要为：有线方式和无线方式两种。(1) 有线方式。有线方式又可以大致分为两种：专用有线传输方式和公用有线传输方式。专用有线传输方式是指通过RS485、RS232等方式来传输数据，这种方式的优点是软硬件设计简单，能够较好的满足近距离的数据传输要求；同时，它的缺点也非常明显，需要传输双方事先约定通信规则，传输速率不高，传输距离有限。公用有线传输方式，是指通过modem拨号或ADSL等方式连上Internet网络，再进行数据的传输，这种方式的优点是连接方式通用，能与Internet网络中的任意一台主机进行通信，数据传输稳定、快速；缺点是对监测点的要求较高，必须要有电话线或宽带连接。(2) 无线方式。目前采用的无线传输方式有，数传电台和SMS短信等方式。数传电台是通过在监测点与监测中心之间架设无线电台来实现数据的点对点传输，这种方式的优点是传输时延小，频率一旦申请，可以长期独占使用；缺点是受天气和地理条件等自然因素影响较大，适用范围受到较大限制，并且传输距离也受到一定限制。SMS短信方式是近些年来才兴起的一种远程数据传输方式，它的优点是利用已有的高覆盖率的移动通信网络进行数据传输，无须单独申请无线通信频率，可以随时随地的进行数据传输；缺点是传输数据量有限，传输时延不稳定，在通信高峰期有时还会出现数据包丢失或顺序混乱的问题。从上面的分析可以看到，有线数据传输方式和数传电台的无线传输方式，对监测点所具有的传输条件要求都比较苛刻，而环境监测点的条件又往往比较简陋、地理环境诧异也比较大，所以这些方式都不适应环境监测的需求。SMS短信方式，虽然承载于移动通信网络之上，解决了监测点分散、条件诧异大的问题，但是它的传输实时性不高，传输速率低，数据包容量有限等问题，也从很大程度上限制了它在远程环境监测领域的发展。近几年来，承载于移动通信网络之上的GPRS技术的出现，为远程数据通信提供了新的解决方案，GPRS技术已经被应用于电力监控3、自动抄表4、水文监测5、工业控制、自动售货、门禁安保、无线定位等多种领域，在实际应用中发现是现有技术条件下较好的无线远程数据传输解决方案。本文把GPRS技术应用于远程环境监测系统，同样取得了令人满意的结果。GPRS是通用分组无线业务（General Packet Radio Service）的简称，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。GPRS在传统的GSM网络中引入了3个新的组件：PCU（Packet Control Unit ，分组控制单元），SGSN（Serving GPRS Support Node ，GPRS服务支持节点）和GGSN（Gateway GPRS Support Node ，GPRS网关支持节点）。新增各组件的功能及工作过程请参阅参考文献6。与上述其它数据通信方式相比，GPRS有许多优点：(1) 与有线方式相比，GPRS方式具有组网方便快捷的优点，省去了布线的困扰，节省了资金，提高了工作效率；(2) 与数传电台相比，GPRS方式具有覆盖范围广，受天气情况和地理条件限制小等优点，并且还省去了传输频率申请的麻烦；(3) 与SMS短信方式相比，GPRS方式具有传输时延小、按流量计费等优点，并且通过GPRS方式，可以使设备通过串口连接上Internet网络，与公网范围内的任意一台主机进行通信。随着GPRS技术的发展，它在中低速率数据传输系统上的优势日渐凸现，在数据采集和监控、移动办公、调度和定位等方面都具有很好的应用前景。2.1.3 数据保存、处理和发布的特点环境数据的保存、处理和发布具有长期性、多样性和直观性的特点。所谓长期性是指，环境变化往往是一个渐变的过程，因此，从单独的某一阶段的数据一般很难分析出环境变化的趋势，但是如果某一段数据丢失了同样会影响对整个环境变化趋势的判断，这就需要对环境数据有一个长期的、完整的保存。所谓多样性是指，对环境的监测往往是多方位的，例如有对温度、湿度、风速、风向、光照等常规参数的监测，也有对二氧化碳浓度、含氧量、悬浮颗粒物含量等特殊环境参数的监测。这就需要我们具有一个能够适应多种数据结构的、灵活的数据组织结构，并且能够针对不同的数据类型进行相应的处理。数据库技术为数据的保存、查询和处理提供了保障，有了数据库做支持，我们在程序设计时，就可以把主要精力集中在功能的实现方面，而把相关的数据组织、存储、索引等任务交由数据库来处理。环境监测系统还有一点不同于别的监测系统的特点：由于环境与我们的日常生产生活密切相关，因此，关心环境数据的人员不仅只有专业人员，还有许多非专业的人员，对环境数据也相当关心。考虑到这一因素，环境数据的发布就成为了一种必要，而环境数据的直观性则是环境数据发布时必须考虑的问题，只有直观的数据才能较好的达到环境数据发布的目的。考虑到环境监测系统中数据保存、处理和发布的上述特点，本系统在这一部分采用了B/S结构来设计。所谓B/S结构就是浏览器/服务器(Web服务器和数据库服务器)结构，它是三层C/S结构的一种，其中：表示层是浏览器，客户端根据某资源的URL向Web服务器提出服务请求，Web服务器把数据文件传送给客户，而客户端由HTML负责表示逻辑；服务端的Web服务器，通常使用CGI、ISAPI、ASP、SP等技术访问数据库进行数据查询或处理；数据层是负责各种数据处理的数据库服务器。按B/S结构设计的系统，大大简化了客户端电脑载荷，减轻了系统维护与升级的成本和工作量，降低了用户的总体成本。以目前的技术看，建立B/S结构的网络应用，并通过Internet/Intranet模式进行数据库的应用，相对易于把握、成本也是较低的。B/S结构的服务器模式能实现不同的人员，从不同的地点，以不同的接入方式(比如LAN、WAN、Internet/Intranet等)访问和操作共同的数据库，并能有效地保护数据平台和管理访问权限，服务器数据库也很安全。27 2.2 远程环境监测系统的总体构架按照所处的位置来划分，远程环境监测系统可以分为：下位机部分和上位机部分。进一步按照功能来细分，下位机部分包括三个部分：(1) 数据采集部分：包括水质、烟尘、烟气、噪音、空气质量等各种环境参数的检测和变送；(2) 数据处理和存储部分：将采集来的信号转换为计算机和操作人员可识别的数据量，并存储在存储芯片中；(3) 数据传输部分：将存储在芯片中的环境数据，根据上位机部分的请求或者以主动上报的方式，传送给上位机。上位机部分包括以下两个部分：(1) 数据中转服务器：与下位机进行数据通信，并且把下位机的相关配置信息、设备状态信息和环境数据信息存储到数据库中；(2) 数据库服务器：有机的组织各种数据信息，为数据中转服务器和Web服务器提供服务；(3) Web服务器：为环保部门之间提供数据交互手段，对外进行数据发布，达到信息共享的目的。系统整体框图如下：图2-1 远程环境监测系统整体框架图2.3 本章小结远程环境监测系统有着区别于其它监测系统的特殊之处，例如：监测数据复杂多样、监测点分散、监测点地理位置和地形条件各异、需要对各监测点数据进行整体处理和分析、需要向外界发布信息等。针对监测数据复杂多样的特点，本系统采用模块化设计思想，按照功能把系统分成了许多小的模块，各模块之间利用一定的接口相连，这样对于整个系统来说即利于裁减和增加功能，也利于升级和维护。针对监测点分散、各监测点地理位置和地形条件各异的特点，本系统采用了GPRS无线数据传输方式，增强了系统的适应能力，为环境数据的收集提供了快速有效的解决方案。采用的B/S服务器构架，使得各个孤立的环保监测系统连成了一个整体，能够为决策部门提供更加完善的数据支持，也能为公众提供公开、及时的环境信息服务。3 系统组成及嵌入式系统硬件实现3.1 系统体系结构本远程环境监测系统从总体上看是采用的分布式系统体系结构。目前分布式系统是计算机监控系统主要的发展方向。本系统的分布式结构是指在整个系统中不存在一个所谓的中心处理系统，而是由许多分布在各个地方的环境监测系统组成，它们处于相对平等和独立的地位；同时，各个环境监测系统之间又是有联系的，它们通过Internet网络相连，能够进行信息的交互。本系统，在各个单独的环境监测系统内部又是采用的主从式的体系结构。监控中心的计算机作为主机，各个环境监测点的监测仪器作为从机。从机分别与主机相连接，并把采集到的数据经过简单处理之后都上传给主机。主机负责监控从机的运行状态和配置从机的系统参数。这一部分之所以不采用分布式的体系结构，是因为环境监测仪器是采用嵌入式系统设计的，它的成本相对较低，但是资源相对有限，因此把大量的数据交给资源更为丰富的计算机来处理更为合适。另外，各监测点也不需要关心其它监测点的运行及数据情况，因此也没有必要把宝贵的资源浪费在分布式系统的实现上。3.2 上位机和下位机本远程环境监测系统由计算机(数据中转服务器、数据库服务器、Web服务器)和环境监测仪(嵌入式ARM微处理器系统)组成，一个计算机与多个环境监测仪相连，实现主从式的数据通信。计算机负责对监测仪进行监测、管理和控制，处于管理层次的上层，因此称为上位机。环境监测仪在计算机的控制下，负责对环境数据进行采集和传输，处于管理层次的下层，因此称为下位机。(1) 上位机本系统的上位机系统又可以分为数据中转服务器、数据库服务器和Web服务器。数据中转服务器负责与环境监测仪器的数据交互；数据库服务器负责存取和管理各种系统数据和环境数据；Web服务器负责与外界的数据交互。上位机系统采用性能较好的PC(Intel PIV以上配置)机来实现，数据中转服务器、数据库服务器和Web服务器可以分别在不同的PC上实现，也可以在同一台PC上实现，但是考虑到对性能的影响，一般把数据中转服务器和数据库服务器放在不同的PC上来实现。(2) 下位机负责现场环境数据的采集、暂存和传输，它可独立于上位机系统工作，但是数据存储容量有限，如果长时间不能把数据传输给上位机，原来的数据将有被覆盖的危险。每个下位机都有自己的液晶显示和键盘系统，可以在现场进行观测和调试，但是一般情况下只有在仪器安装时会用到，安装调试好以后，采用上位机进行远程观测和配置更为方面。本章下面的内容，将对下位机系统(即嵌入式系统)的硬件实现做详细的说明。3.3 嵌入式系统硬件实现按照功能划分，本文所实现的嵌入式系统硬件平台由以下几部分组成：嵌入式微处理器、数据采集模块、GPRS通讯模块、存储器单元、串口通讯电路、电源模块、看门狗电路以及JTAG接口。硬件框图如图3-1所示。图3-1 嵌入式系统硬件结构整体框图3.3.1 嵌入式微处理器嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式微处理器按照一次所取指令的位数可以分为8位、16位、32位等类型的微处理器；按照指令结构可以分为复杂指令集计算机(CISC)结构的微处理器和精简指令集计算机(RISC)结构的微处理器。现在，种类最多、应用最广的微处理器仍然是基于CISC技术的8位的51系列的微处理器，基于51设计的嵌入式系统，具有设计简单、运行稳定、环境适应能力强等特点，但是51系列的微处理器由于处理速度和资源有限，只能用来做一些简单的数据处理和控制工作，对于相对复杂的系统而言由于处理能力有限，很难达到满意的效果。本远程环境监测系统中的下位机系统，要实现数据的采集、存储和传输等多项功能，所需的处理速度和存储容量都相对较高，特别是基于GPRS的无线数据传输，需要有TCP/IP协议栈的支持，而协议栈的运行需要占用较多的系统资源。因此在本系统中，没有采用51系列的微处理器，而是选择了基于RISC技术的32位的ARM微处理器。ARM处理器具有小体积、低功耗、成本低、高性能；16位/32位双指令集；在全球拥有众多合作伙伴等特点。应用ARM微处理，再配以合适的嵌入式操作系统支持，完全可以满足远程环境监测系统的需要。但是，由于ARM微处理器有多达十几种的内核结构，几十个芯片生产厂家，以及千变万化的内部功能配置组合，也给开发人员在选择方案时带来一定的困难。以下从应用的角度出发，对本系统在选择ARM微处理器时所考虑的主要问题做一些简要的探讨。(1) ARM微处理器内核的选择ARM微处理器包含有一系列的内核结构，以适应不同的应用领域，如果希望使用WinCE或标准Linux等操作系统以减少软件开发时间，就需要选择ARM720T以上带有MMU (Memory Management Unit)功能的ARM芯片，ARM720T、ARM920T、ARM922T、ARM946T、Strong -ARM都带有MMU功能。而ARM7TDMI则没有MMU，不支持Windows CE和标准Linux，但目前有uClinux等不需要MMU支持的操作系统可运行于ARM7TDMI硬件平台之上，uClinux已经成功移植到多种不带MMU的微处理器平台上，并在稳定性和其它方面都有上佳表现。从节约成本和实现功能两个方面来考虑，本远程环境监测系统使用暂用资源较少的uClinux操作系统就能够满足需求，因此考虑采用ARM7TDMI内核的ARM微处理器。(2) 系统的工作频率系统的工作频率在很大程度上决定了ARM微处理器的处理能力。ARM7系列微处理器的典型处理速度为0.9MIPS/MHz，常见的ARM7芯片系统主时钟为20MHz133MHz, ARM9系列微处理器的典型处理速度为1.1MIPS/MHz，常见的ARM9的系统主时钟频率为100MHz233MHz, ARM10最高可以达到700MHz。不同芯片对时钟的处理不同，有的芯片只需要一个主时钟频率，有的芯片内部时钟控制器可以分别为ARM核和USB, UART, DSP,音频等功能部件提供不同频率的时钟。由于ARM7与ARM9及以上的微处理器价格差别较大，而ARM7系列的处理能力已经能够满足本系统的需求，因此考虑采用ARM7系列的微处理器。(3) 芯片内存储器的容量大多数的ARM微处理器片内存储器的容量都不太大，需要用户在设计系统时外扩存储器，但也有部分芯片具有相对较大的片内存储空间，如ATMEL的AT91F40162就具有高达2MB的片内程序存储空间，在设计时可考虑选用这种类型以简化系统的设计。本系统，考虑到系统成本和灵活性，仍然采用外扩存储器的模式。(4) 片内外围电路的选择除ARM微处理器核以外，几乎所有的ARM芯片均根据各自不同的应用领域，扩展了相关功能模块，并集成在芯片之中，称之为片内外围电路：如USB接口、IIS接口、 LCD控制器、键盘接口、RTC、ADC和DAC、 DSP协处理器等。设计者应分析系统的需求，尽可能采用片内外围电路完成所需的功能，这样既可简化系统的设计，同时提高系统的可靠性。在本系统中，只需考虑拥有LCD控制器、键盘接口、UART接口、ADC功能的ARM微处理器即可。 根据以上分析，本系统的嵌入式系统硬件平台的微处理器采用了Samsung公司的基于ARM7TDMI内核的S3C44B0X微处理器39，该微处理器是三星公司专为PDA和一般应用开发提供的高性价比和高性能的解决方案，采用0.25um CMOS工艺制造，其主频最高可达66MHz。该芯片在ARM7TDMI内核基础上扩展了一系列完整的通用逻辑单元，可减少外围器件以降低系统总成本。S3C44B0X的系统框图如图3-2所示。集成的片上功能主要有：l 带8KB缓存；l 扩展内存控制器(FP/FDO/SDRAM控制，片选逻辑)；l 5个PWM定时器及1个内部定时器；l 2个带DMA和中断的UART；l 71个通用I/O口，8个外部中断源；l 看门狗定时器；l 带有一个专用DMA通道的LCD控制器；l 2个通用的DMA通道，一个带外部请求管脚的DMA通道；l 1个多主机IIC总线控制器；l 8个10位ADC；l 带PLL的片上时钟发生器。图3-2 S3C44B0X系统框图使用S3C44B0X设计嵌入式系统时，必须注意以下几个方面：(1) 确定CPU大小端工作模式CPU工作模式的选择是通过ENDIAN引脚来确定的。ENDIAN引脚为高则系统是大端模式，为低则为小端模式。本文选择小端工作模式，将ENDIAN引脚通过10K欧姆电阻拉低实现。(2) 确定启动Flash的数据总线宽度在系统复位时，S3C44B0X访问0x0地址。因此，在基于S3C44B0X的嵌入式系统中，保存应用程序映像的Flash起始地址必须为0x0，而Flash的数据总线宽度是通过配置OM1:0端口来确定的，根据OM1:0的数值确定Flash的数据总线宽度，如表4-1所示。本文所采用的Flash数据总线为16位，OM1:0被配置成01。表3-1 OM1:0与启动Flash数据总线的对应关系OM1:0Flash的数据总线宽度008位0116位1032位11测试模式(3) 确定时钟模式微处理器的时钟工作模式是通过OM3:2引脚来确定的，其对应关系如表4-2所示。表3-2 OM3:2与系统时钟模式的对应关系OM3:2 时钟模式00晶振，PLL可用01外部，PLL可用10测试模式11测试模式PLL(Phase-Locked-Loop锁相环)的输出时钟频率计算公式为：Fpllo= (m * Fin)/(p*2s)其中，Fpllo：时钟输出频率Fin ： 时钟输入频率通过对变量m, p和s的不同设置可由相同的晶振输入生成不同的时钟频率输出。本文采用11.0592MHz的外部晶振输入，通过PLL倍频得到55MHz的MCLK供微处理器工作。本文中各个参数取值如表3-3所示：表3-3 PLL计算公式中的参数取值参数值Fin11.0592MHzFpllo55.296MHzm50p5s1(4) 对于未使用的引脚必须将其置高或置低，不能将其浮空。3.3.2 GPRS通讯模块GPRS通讯模块的选择对整个系统的实现相当重要，它为下位机与上位机之间建立通讯链路，实现数据通信提供了可靠保证。GPRS模块的运行稳定性直接关系到整个系统的的稳定性。现在，使用较多有Vawcom、MC35i、SIM100、G20等GPRS模块，其中前两者是不带协议栈的GPRS模块，后两者带有TCP/IP协议栈。由于本系统，已经在ARM中移植了uClinux操作系统，而uClinux操作系统带有完整的TCP/IP协议栈，因此没有必要再选择带有协议栈的GPRS模块。而MC35i在各种应用系统中，运行稳定性表现良好，因此本系统也选用了MC35i模块。MC35i是西门子公司推出的GPRS通讯模块，支持语音通讯，具有GPRS，USSD和CSD三种数据传输方式以及SMS和FAX功能。模块具有体积小、重量轻、功耗低等特点。MC35的工作电压为3.34.8V，典型电压为4.2V。最大工作电流为2A。模块可以工作在EGSM900和GSM1800两个频段。工作于EGSM900时功耗为2W，工作于GSM1800时功耗为1W。利用AT指令进行控制。MC35i具有40脚的ZIF接口，主要有电源接口、标准RS232双向串口、SIM 3V接口和模拟语音接口等。MC35的接线简图如图3-3所示。图3-3 MC35i接线简图本文采用三线制(RXD/TXD/GND)的方式连接MC35i与S3C44B0X。对于标准RS232中未使用的引脚，如果为输出引脚则悬空，如果为输入引脚则通过10K欧姆电阻上拉。/IGT引脚用于启动GPRS引擎模块，为下降沿使能。/IGT引脚与S3C44B0X通用端口相连，利用软件启动MC35。MC35i的硬件接口资料可以参见文献40，AT指令接口资料可以参见文献41。3.3.3 存储器单元硬件开发平台上对存储器单元进行了扩展，使用了1M字节的Flash和512K字节的SRAM，前者用于保存程序映像和系统配置参数，而后者用于调试和运行程序。本文所采用的Flash为SST公司的SST39VF800A芯片42，这是512K*16位CMOS工艺制造的多用途Flash(MPF)存储器，工作电源电压为2.7至3.6V。擦写周期可达到100000次，数据保存时间超过100年。由于采用了SuperFlash技术，通过正常的工作电压就可以实现对Flash设备的编程，同时具有固定的擦写时间。采用的SRAM为ISSI公司的IS61LV25616芯片43。IS61LV25616为256K*l6位采用CMOS工艺的静态RAM，工作电源电压为3.3V，具有很高的访问速度。IS61LV25616与TTL电平兼容。通过CE低电平来选择芯片，OE引脚低电平为输出使能引脚，WE引脚低电平为写使能引脚，控制存储器的读写。通过UB和LB引脚可以实现对高低字节的访问。S3C44B0X具有8个外部存储区分组，前七个分组具有固定的起始地址，各个分组是通过片选信号来确定的。本文将Flash接到Bank0处，其起始地址为0x0, SRAM接在Bank1处，起始地址为0x02000000。存储器单元与微处理器的接口如图3-4所示。图3-4 存储器单元接口示意图需要注意的是，根据外接存储器的数据总线宽度不同， 其与S4C44B0X相应引脚对应关系也不相同，引脚关系对应表如表4-4所示。本文所使用的存储器数据总线皆为16位，因此存储器单元的A0引脚与S3C44B0X的A1引脚连接。表4-4 存储器引脚与S3C44B0X引脚对应关系表存储器地址S3C44B0X8位数据总线16位数据总线32位数据总线A0A0A1A2A1A1A2A3A2A2A3A4A3A3A4A53.3.4 串口通讯电路RS232是PC机与通信工业中应用广泛的一种串行接口，被美国电子工业协会定义为“在数据终端设备和数据通讯设备之间使用串行二进制数据交换的接口”。作为一种硬件协议，RS232被用于连接DTE(Data Terminal Equipment，数据终端设备)和DCE(Data Communications Equipment，数据通信设备)两种设备。GPRS模块通过RS232接口与微处理器进行通讯。利用电平转换芯片MAX3221实现了微处理器的TTL电平与RS232电平的转化。MAX3221能满足TIA/EIA-232-F和ITU v.28标准的要求，其工作电源电压为35.5V，具有一个驱动器和一个接收器，数据速率最多可达250kbit/s，该芯片具有静电保护功能和自动掉线特点。串口接线简图如图3-5所示。44图3-5 串口接线简图3.3.5 电源转换模块嵌入式系统硬件平台上需要使用3种电压，分别为4.2V、3.3V和2.5V。微处理器采用2.5V和3.3V双电平工作，MC35i模块典型工作电平为4.2V，MAX3221工作电平为3.3V。本系统采用宽电平输入，通过电源转换电路来实现多个电平输出。电源转换电路中主要由LM2596, TPS7133和TPS76325三个芯片组成454647。电源转换电路的接线简图如图3-6所示。图3-6 电源转换电路接线简图LM2596-ADJ为NS的降压型开关电源芯片，其输入电压最高可达40V，输出电压可调节，最大输出电流为3A。LM2596工作于150kHz，具有TTL电子开关功能，有较高的转换效率，并且有过热关断、限流保护功能。可以通过设置R1、R2的电阻值来实现LM2596-ADJ芯片的不同输出，输出电压与调节电阻的关系如下式所示：Vout = Vref * (1 + R2/R1)其中，Vout： 输出电压Vref： 参考电压，固定为1.23伏R1,R2：电压调节电阻本文需要实现LM2596-ADJ的4.2伏输出，因此选择Rl为1K，R2为2.4K。TPS7133和TPS76325均为TI的线性电源芯片，前者固定输出3.3V，后者固定输出2.5V，输入电压分别为3.7710V和3.19310V，在本系统中，两芯片均采用LM2596-ADJ的4.2V输出做输入电压。3.3.6 看门狗电路为保证系统的可靠运行，本系统采用了外接看门狗芯片TPS3705来提高系统可靠性48。TPS3705具有上电复位、手动复位和看门狗及电压比较功能。上电时