（模式识别与智能系统专业论文）基于arm的远程数据采集终端的研究及实现.pdf

摘要 随着嵌入式技术和网络技术的发展和应用，充分结合两种技术优 势的远程数据采集终端正在不断地被研究和开发。本文即是此背景 下，综合以往远程数据采集终端的优缺点，对基于a r m 的远程数据采 集智能终端予以研究和实现，该终端具备g p r s 和i n t e r n e t 两种接入方 式。可通过r s 2 3 2 或a d 模块采集用户终端设备数据信息；在g p r s 接入 方式下使用g p r s 无线数据终端通过g p r s 网络接入互联网，在i n t e r n e t 接入方式下则直接接入互联网；接入后则可向远程控制中心上传用户 终端据信息。本文研制的远程数据采集终端可广泛地应用包括环保数 据采集在内的多种数据远程采集场合。 本文主要做了以下研究工作： l 、对硬件资源进行了外围扩展，对s 3 c 4 4 8 0 x 处理器芯片的外围硬件 进行了扩展设计，使之具备了满足使用需求的最小系统硬件资源。包 括外围存储、l c d 、键盘、以太网卡和g p r s 通信模块等。 2 、运用多任务操作系统可以有效的组织并行任务的处理，本文对| i e o s - i i 操作系统进行了移植，对原有uc o s i i 操作系统的抢占式调 度机制进行了改造，使之成为整体抢占，局部轮询的调度机制；使之 较好地满足了实际要求。 3 、无论采用g p r s 方式还是i n t e r n e t 方式，设备终端与i n t e r n e t 实现 通信都必须具备相应的协议。本文实现了t c p i p 有关网络协议栈的建 立，对协议进行了简化设计，实现了两种方式的接入，满足了嵌入式 终端的要求。 ，4 、为了使终端具备较好的人机交互能力，构建了嵌入式图形界面，实 现了l c d 图形显示和键盘输入控制的交互功能。 通过以上工作，建立了一个功能齐全，实时可靠，基于嵌入式系 统的远程数据采集终端。 关键词数据采集，实时操作系统，a r m 7 ，i tc o s i i ，嵌入式t c p i p w i t ht h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n o fe m b e d d e ds y s t e m t e c h n o l o g ya n dg p r sn e t w o r kt e c h n i q u e , r e m o t ed a t aa c q u i s i t i o n t e r m i n a lw h i c hc o m b i n e st w ok i n d so fa d v a n t a g e sw e l li s b e i n g r e s e a r c h e da n de x p l o i t e dc e a s d e s s l y u n d e rt h i sb a c k g r o u n d , t l l et h e s i s d o e sr e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o na b o u tr e m o t ed a t aa c q u i s i t i o nt e r m i n a lf o r g p r sb a s e do na r mt h r o u g hc o l l i g a t i n gp r e s e n to n e sm e r i t sa n d s h o r t c o m i n g s 硼1 ct e m i m a lc a nw o r ki ng p r so ri n t e r n e tm e t h o d t h ct e r m i n a lc o l l e c t su s e rt e r m i n a ls e r v i c e d a t ai n f o r m a t i o nb vr s 2 3 2 o ra da n du p l o a d st h ed a t at or g l n o t cc o n t r o lc e n t r eb yg p r sa n d i n t e r n e t n e t w o r k , s e q u e n t i a l l y r e a l i z er e m o t e d a t at r a n s m i s s i o n f u n c t i o n t h et e r m i n a lm a yb ea p p l i c a t e dw i d e l yi nm u l t i p l i c a t ef i e l d s i n c l u d i n ge n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n t h ep a p e rd o e st h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r km a i n l y ： 1 a c c o m p l i s h e dp e r i p h e r i ch a r d w a r er e s o u r c e se x p a n s i o n s 3 c 4 4 8 0 x m i c r o p r o c e s s o rh a sd e m a n d i n gm i n i m u mh a r d w a r er e s o u r c es u c ha s p e r i p h e r i cm e m e r y , l c d ，k e y b o a r d ，n e t w o r kc a r d ，g p r sm o d u l e 2 u s i n gm u l t i t a s ko p e r a t i n gs y s t e mm a ye f f e c t i v e l yo r g a n i z ea n d h a n d l ep a r a l l e l 切s k s s ot h et h e s i st r a n s p l a n tpc o s - i io p e r a t i n gi n t ot h e t e r m i n a la n dp r o m o t ei t ss c h e d u l i n gm e c h a n i s m a sar e s u l tt h e s c h e d u l i n gm e c h a n i s ms a t i s f e st h ea c t u a ld e m a n d i n g s 3 t h ec o r r e s p o n d e n c eb e t w e e ng p r st e r m i n a la n di n t e r n e tm u s t h a v es o m er e l a t e d 卫c 】叭pp r o t o c a l s t h ep a p e rr e a l i z e sa n ds i m p l e st h e s e n e t w o r kp r o t o c a l s a n dt h ep a p e rr e a l i z e st w om e t h o d s 4 i no r d e rt h a tl e tt h et e r m i n a lh a dg o o dh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n f u n c t i o n , t h et h e s i se s t a b l i s hag r a p h i c a li n t e r f a c e sa n dd e s i g nl c d s h a r d w a r ei n t e r f a c ea n dt h ek e y b o a r d si n p u tf u n c t i o n i nc o n c l u s i o n ，t h ep a p e ra c c o m p l i s h e st h ed e s i g nw o r kf o rr e m o t e d a t aa c q u i s i t i o nt e r m i n a lb a s e do na r me m b e d d e dp l a t f o h nw h i c hi s r e a l t i m ea n dr e l i a b l ea n dw h i c hf u n c t i o ni sw e l l f o u n d k e yw o r d sd a t ac o l l e c t i o n ，r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，a r m 7 ， i t c o s - i i ，e m b e d d e dt c p i p n 原创性声明 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。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名： 囱萄日期：幽年上月血日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，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，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名 鱼叠导师签名翌查盘日期：! 盟年月日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 在实际应用中，往往有大量分布广泛的现场数据需要被远程采集传输，如何 建立起实用性强、覆盖面广、灵活性好的远程数据采集系统，满足各方面对监测 信息的需求，成为一个重要的问题。比如在环保系统中，常常需要对众多的污染 排放点进行实时监测，大部分监测数据需要实时发送到管理中心的后端服务器进 行处理。由于监测点分散，分布范围广，而且大多设置在环境较恶劣的地区，通 过传统的有线网络方式传送数据往往事倍功半，需要采用现代远程监测技术来解 决这个问题。传统的有线网络方式是非实时非在线监控方式；而现代远程监测技 术是实时在线监测方式，借助于计算机、互联网通信技术，监测者可以依靠安装 在现场的各种传感器及设备，远隔千里便可随时了解现场生产与设备情况，对生 产现场进行监测m 近年来，随着电子技术，通信技术，计算机技术的发展，全球日益信息化， 嵌入式系统以其体积小、功耗低、使用方便等特点，广泛应用于各种工业、民用 的计算机系统中。嵌入式系统的发展至今已有3 0 多年的历史，嵌入式技术也经历 了几个发展阶段：即以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时还具有监 测、指示相配合的功能；以嵌入式c p u 为基础，以简单操作系统为核心的嵌入式 系统；以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统；以i n t e r n e t 接入为标志的嵌入式 系统。近年来，嵌入式系统的发展甚是迅速，不仅已经进入到社会经济、军事、 交通、通信等相关行业，而且深入到家电、娱乐、艺术、消费类电子、社会文化 等各个领域。随着i n t e r n e t 网的普及，嵌入式系统与i n t e r n e t 技术的融合前景更 加乐观，并且已经出现大量的可接入i n t e r n e t 的嵌入式产品，目前消费电子、计 算机、通信一体化趋势更加明显，嵌入式技术成为社会的一个热点，成为人们日 常生活不可缺少的一部分“ 另一方面，随着g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e 通用分组无线业务) 网络的产生和在国内的逐步普及，g p r s 网络技术也正逐步走向成熟，流量计费、 组网简单、易于维护的特点得到了广泛的认可。g p r s 是通用分组无线业务的简称， g p r s 允许用户在分组交换模式下发送和接收数据，从而提供了一种高效、低成本 的无线分组数据业务。分组交换的基本过程是把数据先分成若干个小的数据包， 可通过不同的路由，以存储转发的接力方式传送到目的端，而组装成完整的数据。 分组交换基本上不是实时系统，延时也不固定，但可以使不同的数据传输“共用” 传输带宽：有数据时占用带宽，无数据时不占用，从而分享资源。相对g s m 无线 硕士学位论文第一章绪论 系统中基于电路交换的端到端独占式连接，g p r s 突破了g s m 网只能提供电路交换 的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实 现分组交换，从而灵活运用无线信道，实现信道多用户的共享，从而极大地提高 了无线资源的利用率。同时g p r s 采用与g s m 相同的频段、频带宽度、突发结构、 无线调制标准、跳频规则以及相同的t d 姒帧结构。因此，在g s m 系统的基础上构建 g p r s 系统时，g s m 系统中的绝大部分部件都不需要做硬件改动，只需要引入三个主 要组件，这三个主要组件是s g s n ( g p r s 业务支持节点) 、s g s n ( g p r s 网关支持节 点) 和p c u ( 分组控制单元) ，s g s n ，s g s n 有时有合称为g s n ( g p r s 支持节点) ；同时 对g s m 系统中的相关部件进行软件升级。这种改造的投入相对来说并不大，但得 到的用户数据速率却相当可观。这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户 数据速率却相当可观嘲瑚啪。 我国自从2 0 0 2 年中国移动g p r s 商用化以后，g p r s 网络覆盖面积越来越广；中 国的g p r s 网络是目前世界最大的移动通信网络，覆盖全国的网络成为一种可持续 利用和开发的资源，利用g p r s 网络实现远程数据采集传送成为可能。这类监控的 通信方式是依托遍布全球的g p r s 网络，它的最大特点是打破了距离的限制，从而 可以实现全国乃至全球漫游监控。这类监控系统主要是利用g p r s 数据业务实现与 i n t e r n e t 进行通信。g p r s 技术传输速度快，永远在线，用g p r s 技术实现的监控系 统，实时性强，安全可靠，按流量计费，比短消息更经济、合理。利用g p r s 进行 远程监控，既避免了开发新的频率资源，又开辟了远程监控的新领域。该系统具 有网络覆盖范围广，系统抗干扰能力强，通信速度快，通信误码率低等优点，并 且完全利用g p r s 移动通信网络，建设和运行成本低。随着g p r s 网络技术的不断发 展，构筑在g p r s 网上的远程无线测控系统必然能与移动通信技术的发展同步，因 而具有广阔的前景。随着g p r s 技术的兴起与普及，嵌入式系统通过g p r s 方式与 i n t e r n e t 融合已经成为一种趋势。 综上所述，随着嵌入式开发技术和g p r s 网络技术的发展和成熟使得远程数据 采集设备终端通过g p r s 无线网络进行i n t e r n e t 网络数据传输成为可以选择的远 程数据采集的通信手段之一人们会发现，具备无线通讯的嵌入式样终端产品将 大量呈现在我们的面前，融入生活中的每一个角落。所以开发出性价比高的g p r s 设备终端有着重要的意义。例如在环保监测系统中，污染源监测设备可将采集到 的污染数据和告警信息通过g p r s 网络及时发送到环保监测部门，实现对捧污单位 或个人的及时管理，可以大大提高环保部门的工作效率。 1 2 研究现状 目前国内外出现了有线网络和无线网络两种远程监测模式。有线网络监测方 2 硕士学位论文第一章绪论 式主要采用i n t e r n e t 互联网完成远程数据传输嘲。它将现场各个采样点通过通信 线将其连成网，根据通信方式的不同，可以有以太网、光纤网等等；这种方式也 是现在广为使用的方式由于数字信号远程传输的保真度高，不受时间和空间影 响，因此监测结论可靠性高，可以实现真正意义上的实时在线远程监测。但是这 种方式在网络铺设上投资巨大，而且受距离限制，各数据点之间的距离越远铺网 的投资就要上升，主要适用于i n t e r n e t 网络普及的地区。无线网络远程监控采用 无线通信技术，在g p r s 网络产生以前需要自己单独构建无线网，要自己进行网络 构建包括传输设备、中继站、传输协议制定，工作量比较大，同时抗电磁干扰能 力差，容易产生信号失真。g p r s 网络普及后，这些问题均得到很好的解决。 国内外目前g p r s 远程终端数据采集终端主要采用“低端单片机+ g p r s 模块” 的模式实现，此方案的优点是硬件成本较低，但因为硬件功能比较有限，在协议 的开发和支持上都有一定难度，因此只能实现少量的应用功能。随着高性能嵌入 式处理器的出现及其价格成本的逐步降低，“高性能嵌入式微处理器+ g p r s 模 块”的模式应运而生，此方案虽然硬件成本稍高，但由于高性能嵌入式微处理功 能已经越来越强大，基本上达到了通用微处理的标准，在今后将有逐步取代单片 机的趋势该方案实现的终端系统的组成涉及到以下几个部分：处理器、存储器、 g p r s 模块、数据采集部分以及与硬件紧密结合的软件部分嘲。这几部分的技术发 展现状如下： 处理器的发展：通用3 2 位的高性能嵌入式微处理器已经成为主流。其处理速 度越来越高，硬件性能得到大力提高；并且高性能嵌入式微处理器大都集成 了相当多的端口硬件资源，硬件的扩展和设计大大的简化。目前比较有影响 的3 2 位嵌入式微处理器有a r m 公司的a r m ，c o m p a q 公司的a l p h a , i b m 公司的 p o w e r p c ，h p 公司的p a - r i s c 等而a r m 处理器具有高性能、低功耗、低成本等 显著优点，已成为目前3 2 位嵌入式微处理器中应用最为广泛的一个系列。 存储器技术的发展：目前的存储器除了有只读存储器( r o m ) 来存储程序外，还 有闪存( f l a s hm e m o r y ) 来支持动态升级。在r a m 方面一般采用d r a m ，虽然它比 s r a m 慢，而且需要周期性的刷新，但是d r a m 的功耗低，价格便宜，同体积的 芯片存储容量大。 g p r s 模块：目前g p r s 模块的研发公司很多，如西门子懈系列、摩托罗拉等。 大都和微处理器集成在一块板上，方便耐用；少数做成单独模块，方便系统 集成开发时使用。 数据采集部分：数据采集主要提供了供智能仪表使用的r s 一2 3 2 、r s 一4 8 5 等串 口 软件部分：嵌入式系统软件主要包括嵌入式操作系统和嵌入式t c p i p 协议栈 硕士学位论文 第一章绪论 等。嵌入式操作系统方面，嵌入式高性能嵌入式微处理器有足够的能力支持 嵌入式操作系统的运行，具备任务的并发处理潜力，因此嵌入式软件系统大 都采用操作系统作为软件平台。国内外很多科研机构和软件厂商对其进行了 研究，也推出了很多性能较好的产品。商业化的产品如美国风河公司研发的 v x w o r k s 、微软的w i n d o w sc e ，开源项目的有著名的有l i n u x 、适合学习研究 的有i lc o s i i 等。嵌入式t c p i p 协议栈方面，微处理器的硬件性能能够支 持更加复杂更加丰富的通信协议实现，因此该方案中的通信协议相对单片机 中的通信协议功能更强大些，可靠性更高。 目前国内外对该方案的实施还存在一些不足之处：更多的是侧重于g p r s 传输 通道的建立，高性能嵌入式处理器的优越性能并没有得到较大的体现；人机交互 功能缺少；数据采集方式较为单一，偏重于智能仪表的串口信号采集；只存在g p r s 方式的数据传输方式，在i n t e r n e t 普遍适用的环境下不合算；g p r s 模块和微处理 器集成在一块板上，不利于二次开发或代码的移植、升级和维护。 1 3 课题目标 本课题旨在设计实现一个具有有线和无线两种通信方式的数据采集终端； 当现场i n t e r n e t 网络使用便利的情况下使用有线方式以节省通信费用，否则采 用g p r s 无线方式。因此本课题采用了“高性能嵌入式微处理器+ g p r s 模块”设 计远程数据采集方案。但是目前处于研究热点的“高性能嵌入式微处理器+ g p r s 模块”的数据采集方案又存在上节中所提到的一些不足和缺点。本课题即是针 对这些问题进行了详细研究，利用g p r s 技术、i n t e r n e t 技术和嵌入式技术， 在基于a 刚微处理器与i lc o s - i i 操作系统的平台上设计一个嵌入式多功能无 线数据采集传输终端，该终端具备r s 一2 3 2 串口和a d 模块两种数据采集方式， 并且同时实现了i n t e r n e t 方式和g p r s 方式接入i n t e r n e t 的解决方案。不仅具 备较好的人机交互功能，同时g p r s 模块自身为一独立单元，便于终端代码的移 植和向高端系统应用升级；便于灵活地实现复杂的信号处理和分析算法、数据 传输解压算法，更加便于数据采集与远程监测的实现。 本文所设计的远程数据采集系统的思路如下：由于智能化现场仪表已经普 及，l l s 一2 3 2 通信标准广泛采用，本文使用r s 一2 3 2 数据采集方式；同时保留了 传统的a d 采集方式。a r m 嵌入式处理器通过r 2 3 2 串口或a d 模块采集数据， 使用串口驱动g p r s 无线通信模块经过g p r s 无线网或者使用以太网卡直接连接 到i n t e r n e t 实现数据传输，最终上传至i n t e r n e t 网络的服务器。 4 硕士学位论文第一章绪论 采用3 p r s 方式 采用l n t e r n e t 方式 田1 一lg p r s 通信系统结构 本文的远程数据采集终端由嵌入式处理器、g p i l s 模块及以太网卡构成，如 图1 - i 所示。嵌入式处理器采用当今运用普遍的基于a 蹦核r i s c 结构的s a m s u n g s 3 c 4 4 b o x 微处理器，本身自带r s - 2 3 2 串口控制器和a d 模块；同时a r m 内核 支持多任务操作系统，有利于多任务的并行处理，这里我们采用实时嵌入式操 作系统pc o s - i i ，该操作系统因内核代码精简，运行实时，源码公开，便于移 植非常适合现场级的微处理器运行。数据终端在g p r s 模式下利用s i m e n s 的 粥3 5 作为g p r s 通讯模块进行基于g p r s 网络的移动数据通信用于建立数据采集 终端i n t e l i n e t 服务器的g p r s 链路连接，删处理器通过自身的r s 一2 3 2 与g p r s 模块通信，实现设置驱动g p r s 模块的功能。数据终端在i n t e r n e t 模式下通过 以太网卡直接与互连网通信。为了便于现场的维护和实地校对，本文实现了l c d 和键盘模块负责人机交互功能。 在嵌入式系统的设计中，硬件部分和软件部分是系统设计的重要两个部分。 本文的软件部分设计包括系统的初始化，操作系统的移植，t c p i p 协议栈在 嵌入式系统中的实现，嵌入式图形界面的构建，以及应用程序的开发。所有软 件开发工作均在a r m 公司提供的a d s l 2 版本开发平台上完成，除硬件系统的初 始化的全部和操作系统移植的局部使用了a r m 汇编语言外，其他部分均使用的 c 语言完成的开发工作。 应用程序 标准接口函数( a p l l u c o s - i i 操作系统 ( 附加同络协议，围形界面) 硬件抽象层( h a l ) 硬件( h a r d w a r e ) 图1 - 2 应用程序层次结构 5 硕士学位论文 第一章绪论 应用程序设计是指在操作系统的基础上，按照操作系统的规格和要求编制实 现具体应用功能的程序模块的设计过程“”。本文应用程序在i ic o s - i i 操作系统 的基础上实现，包括完成数据采集部分、l c d 实时显示刷新模块、键盘中断处理 模块、g p r s 数据收发模块、t c p i p 协议。图1 - 2 是软件的层次模型。 系统的最核心应用程序是基于t c p i p 协议的g p r s 数据收发软件模块的开发， 设计的难点是：a r m 7 微处理器容量小，而网络通信协议又相当的复杂。在系统的 设计中，根据硬件设备的容量，在软件上对协议做了最大程度的舍弃。本设计先 在p c 机上用c 语言实现无线通信模块的串口驱动和p p p ，u d p ，i p 、i c m p 等协议程 序的模块。然后将代码移植到a r m 7 微处理器s 3 c 4 4 b o x 上，其编程语言是c 语言， 可以实现基于a r m 的嵌入式g p r s 数据采集模块接入i n t e r n e t ，最终完成数据的传 送与接收，完成实现无线传输的功能。 1 4 本文内容 第一章绪论 本章介绍了课题的背景、研究现状和本文主要工作。 第二章系统硬件设计及系统初始化 本章对系统的硬件开发平台做了简要的介绍，对a 删微处理器结构和特点做了 详细描述，综合各种因素，本文选用了三星公司的s 3 c 4 4 b o x 处理器芯片。对 s 3 c 4 4 b o x 处理器芯片的外围存储进行了扩展设计；对l c d 硬件接口进行了硬件设 计；对键盘硬件引入了中断键盘设计的概念；对s 3 c 4 4 b o x 处理器芯片自身具有的， 用于数据采集的串口和a d 转换模块进行了说明。同时完成了用于i n t e r n e t 通信 的以太网卡接口的设计；完成了用于g p r s 通讯的模块的选型。最后完成了硬件资 源的驱动程序的编写，并且分析了a r m 嵌入式系统启动引导程序的工作机理。 第三章“c o s ii 操作系统的修改和移植 对pc o s i i 操作系统进行了概述性说明；对原有e o s - i i 操作系统的抢 占式调度机制进行了修改，使之成为整体抢占，局部轮询的调度机制：即不同优 先级的任务实现抢占方式，而同一优先级的多个子任务实行轮询调度方式；最 后实现了改进后的pc o s i i 操作系统的移植。 第四章终端网络接入的研究与实现 本章实现了适合嵌入式的t c p i p 协议栈，为i c o s - i i 操作系统提供了网络 通信所必须的协议，包括：a r p 、i p 、u d p 、i c l h p 和p p p 协议；可以满足i n t e r n e t 和g p r s 两种远程采集方式的通信需要。着重对g p r s 远程采集方式进行了研究和实 现；对设计中所涉及到的g p r s 设备终端的通信原理进行了分析：对g p r s 方式的接 入问题给予了研究和实现；同时采用短信和g p r s 服务并存的方案解决了动态i p 6 硕士学位论文第一章绪论 服务器与g p r s 终端的连接问题 第五章数据采集与人机交互界面的设计与实现 本章主要实现了数据采集终端的两种数据采集方式，一种是串口方式，通 过在内存中开辟一个环行缓冲区，使用读和写两个信号量实现串口收发方的同 步，提高了采集的效率，确保了数据的平稳传送另一种是a d 方式，保留该 传统方式使本文的数据采集终端能采集各种类型的信号，更好地适应各种不同 现场环境。同时本章通过移植的方式完成了嵌入式终端的图形界面功能，实现 了采集数据的实时显示；同时实现7 中断式键盘的设计，并对其工作原理进行 了详细分析。通过上述工作，嵌入式终端具备了良好的人机交互功能，有利于 现场的维护、调试和校对。 第六章结论与展望 本章对课题作了综述性的结论与展望。 7 硕士学位论文第二章系统硬件设计及其系统初始化 第二章系统硬件设计及系统初始化 本章完成了硬件系统的设计，包括嵌入式处理器的设计选型，外围存储器 扩展设计，键盘、l c d 等人机交互接口的设计，以太网卡的接口设计，g p r s 模 块的设计选型；同时完成硬件资源的驱动程序的编写，并且分析a r m 嵌入式系 统启动引导程序的工作机理 2 1 硬件总体架构 系统的硬件设计包括以下几个方面：嵌入式处理器、外围存储器扩展设计、 键盘、l c d 等人机交互接口的设计、以太网卡的接口设计、g p r s 模块的设计选型。 硬件平台整体框图如图2 - 1 所示： 图2 - 1 硬件平台整体框图 对于产品的开发，嵌入式硬件开发首先要考虑的是嵌入式处理器的选型。从 价格和稳定性方面来选用集成度高的芯片。a r m 公司提供了一系列内核、体系扩 展、微处理器和系统芯片方案以及内部功能配置组合，例如：带m 埘单元，内部 集成了以太网卡，内置存储单元等n 1 1 。本文设计将选择三星的s 3 c 4 4 b o x 处理器， 并且对其进行扩展设计。 外围存储器扩展设计在嵌入式系统设计中是非常重要的，虽然现在部分处理 器都自带存储器，但都容量过小，不能满足现在日益追求功能齐全的嵌入式系统 设计。适当的容量选取是非常有必要的，容量选择过大会造成存储器成本的增加 和资源的浪费。 键盘和l c d 图形显示等人机交互接口可以实现嵌入式系统更好的与用户进行 信息的交互，便于用户对嵌入式系统的操作。 本文的终端采用g p r s 和i n t e r n e t 两种方式接入网络。采用g p r s 模块，是 用来实现与g p r s 网络连接的功能模块，选用g p r s 模块应该充分考虑到其与嵌 硕士学位论文第二章系统硬件设计及其系统初始化 入式微处理器的硬件连接问题，选型不当将造成硬件成本的上升甚至是无法连 接；后者采用以太网卡，用来实现与i n t e 刚e t 网络的连接通信 2 2 微处理器选型 用于嵌入式设备的处理器必须高度紧凑、低功耗、低成本针对每一类应用 来说，开发者对处理器选择都是多种多样的，在嵌入式系统的开发过程中，流行 着许多处理器核，诸如a r m s t r o n g a r m ，m i p s ，p o w e rp c 等，它们都以各自的特点 分别应用在不同的场合。由于嵌入式系统设计的差异性极大，设计者在选择处理 器时要考虑的主要因素有t 夺处理器的处理速度 一个处理器的性能主要取决时钟频率，内部寄存器的大小等。根据不同的应 用场合选取合适的处理速度。 处理器的功耗 嵌入式微处理器要求高性能、低功耗，尤其远程数据采集系统的功耗必须足 够的低。 处理器的软件支持工具 仅有一个处理器，没有较好的软件开发工具的支持，也是不行的，因此选择 合适的软件开发工具对系统的实现会起到很好的作用“”。 处理器是否内置调试工具 处理器如果内置调试工具可以大大大的缩小调试周期，降低调试的难度。 除此以外还需考虑与处理器配套的支持芯片，如d 姒控制器，内存管理器， 中断控制器，串口、时钟等的配套。 从上述原则出发，本文选用了三星公司的s 3 c 4 4 b o x 处理器芯片。除内核采 用a 蹦体系外，s 3 c 4 4 8 0 x 还提供了丰富的硬件资源，其中包括：8 k b c a c h e 、外 部存储控制器、l c d 控制器、2 通道u a r t 、4 通道d 姒、系统管理器( 芯片选择 逻辑、f p e d 0 s d r a i i 控制器) 、6 通道带p 删的定时器、i o 口、r t c 、8 通道 1 2 位a d c 、i i c i i s 总线接口、同步s i o 接口和成对时钟的p l l 及其用于在线 调试的j t a g 电路单元。三星的s 3 c 4 4 b o x1 6 3 2 位r i s c 处理器为嵌入式系统 提供了一个低成本高性能的解决方案“3 m “1 。 2 3 外围存储器接口 三星公司的s 3 c 4 4 b o x 是3 2 位的a 姗系列c p u ，它不含内部存储器，需要外接存 储器。硬件开发平台必须对存储器单元进行扩展，因此采用2 m 字节的f l a s h 和8 m 字节的s d r a m ，前者用于保存程序代码，后者用于做运行程序的内存。 9 硕士学位论文 第二章系统硬件设计及其系统初始化 s 3 c 4 4 8 0 x 存储系统具有8 个存储体地址空间段( b a n k o b a n k 7 ) ，每个存储体 地址空间段大小为3 2 m b ，总共的地址空间可达2 5 6 m b 。所有存储体的数据总线宽 度均可进行改变( 8 位1 6 位3 2 位) ，且支持数据存储的大小端选择。8 个存储体 中，b a n k o “b a n k 5 可支持r 伽、s r a m ；b a n k 6 、b a n k 7 可支持r o i u i 、s r a m 和f p e d o s d r a m 等。 在系统复位时，s 3 c 4 4 b o x 首先访问b a n k o 的第一个单元，起始地址为o x o ，开 始进行系统自举。系统自举完成以后，便从硬盘中将系统文件和用户应用程序复 制到r a m 内存中执行。因此，在s 3 c 4 4 b o x 的嵌入式系统中，保存应用程序映像的 f l a s h 起始地址必须为o x o 。系统内存采用s d r , 删芯片，只有b a n k 6 h a n k 7 能支持 s d r a m ，故本文将f l a s h 接到b a n k o 处，起始地址o x 0 0 0 0 0 0 0 0 ；s d r a m 接在b a n k 6 处，起始地址为o x o c 0 0 0 0 0 0 。 外接存储器分为8 位、1 6 位、3 2 位存储器。8 位存储器速度较慢，但价位低； 3 2 位存储器速度最快，但价位最高；1 6 位存储器性价比较为理想，因此目前3 2 位的a r m 系列c p u 一般都选用1 6 位存储器作为片外存储器。 c c i a d d 蜓2 i ：i l d l 口 删d a t a | 5 qw 肌t 5 研 l “ 图2 - 2 存储器的扩展电路示意图 f l a s h 的数据总线宽度必须在系统启动前确定，可以通过c p u 的0 l l 1 ：o 引脚 来确定，删 1 ：o 的数值决定了f l a s h 的数据总线宽度。本文所采用的f l a s h 数据 总线为1 6 ，伽 1 ：o = 0 1 。3 2 位的c p u 数据存储格式为每个字四个字节，如果字的 四个字节地址由高到低则为为大端格式，反之为小端数据格式。本文选择小端工 作模式，将e n d i a n 引脚设置为0 实现的。而其他的b a n k 的配置，以及读写周期等 信息是靠b a n k o 内部的代码配置相应的寄存器来实现的。由于c p u 是3 2 位的，f l a s h 是1 6 位的，故硬件连接时c p u 地址线的最低位必须舍弃，从倒数第2 根连上f l a s h 的最低位，其他引脚依次即可“。 i o 硕士学位论文第二章系统硬件设计及其系统初始化 图2 - 3f l a s h 存储嚣的扩展电路原理图 s d r a m 存储器的扩展方式与f l a s h 存储器的扩展方式基本相似。s d r a m 存储器 的数据总线宽度可以在系统启动后通过配置寄存控制器决定。由于c p u 是3 2 位的 ，s d r a m 存储器是1 6 位的，故硬件连接时c p u 地址线的最低位必须舍弃，从倒数第 2 根连上s d r a h i 存储器的最低位，其他引脚依次即可下面是s d r a m 存储器的扩展 电路原理图，由于s d r a m 存储器是同步动态r a m ，所以与f l a s h 存储器的扩展电路 原理图相比，多了一些用于同步控制的逻辑控制信号“” 图2 - 4s d r a m 存储器的扩展电路原理图 l l 硕士学位论文 第二章系统硬件设计及其系统初始化 2 4l c d 接口 系统需要建立一个图形界面系统，而s 3 c 4 4 b o x 有一个内置l c d 控制器，它 可以支持规格为每像素2 位( 4 级灰度) 或每像素4 位( 1 6 级灰度) 的黑白l c d ； 也可以支持每像素8 位( 2 5 6 级颜色) 的彩色l c d 屏。l c d 控制器可以通过编 程支持不同l c d 屏的要求，例如行和列像素数，数据总线宽度，接口时序和刷 新频率等。l c d 控制器的主要的工作，是将系统存储器中的显示缓冲区中的图 像数据传送到外部l c d 驱动器，并产生必须的l c d 控制信号。 l c d 控制器的主要特性： 支持s t n 型2 5 6 级色彩4 级灰度1 6 级灰度黑白l c d 屏； 支持3 种显示类型l c d 屏：4 位双扫描，4 j z 单扫描，8 位单扫描显示类型； 支持多种虚拟显示屏( 支持硬件方式的水平垂直滚动) ； 采用系统存储器作为显示缓冲区存储器； 专门的d m a 操作用于支持图像数据的获取； 支持多种屏幕大小： 典型的屏幕尺寸：6 4 0 4 8 0 ，3 2 0 x 2 4 0 ，2 0 4 8 2 0 4 8 ，1 0 2 4 4 0 9 6 最大虚拟屏幕大小( 彩色模式) ：4 0 9 6 1 0 2 4 ，2 0 4 8 2 0 4 8 ，1 0 2 4 x 4 0 6 9 夺支持低功耗模式( s l _ i d l e 模式) 1 、l c d 控制器结构 l c d 控制器的基本结构包括r e g b a n k 、l c d d m a ，v i d p r c s 和t i m e g e n 四大部分。 r e g b a n k 有1 8 个控制寄存器，通过对它们的配置，可以完成对整个l c d 控制器的控 制。l c d d m a 是l c d 控制器专用d m a ，在没有c p u 介入的情况下完成自动传输帧存储 器的数据到l c d 驱动器进行显示。v i d p r c s 负责从l c d d m a 接受数据，并在进行适当 的数据格式转换之后通过、，d 7 ：o 数据线把数据传送到l c d 控制器。在t i m e g e n 中 包含了可编程逻辑器件，针对不同l c d 对接口、速率和时钟的不同要求，可生成 不同的v f r a m ，v l i n e ，v c l k 和等外部控制信号。 v f r a m ：l c d 控制器和驱动器之间的帧同步信号，当控制器完成一帧的显示后 通知l c d ) $ 1 j 屏，从而使l c d 的显示指针指向第一个显示位置。 v l i n e ：它是l c d 控制器和驱动器之间的行同步信号。在控制器把一行数据传 送到驱动器之后，控制器发出这个信号，通知驱动器把数据送到液晶屏显示出来。 v c l k = 它是l c d 控制器和驱动器之间的像素同步传送脉冲，在它的上升沿l c d 传送数据。 v m ：它是l c d 驱动器用来改变行和列的交流电压从而决定开关l c d 上对应像素 点的信号。它的值由显示模式、l c d c o n i 和l c d c o n 2 寄存器里的值设定。 v f r a m e 和脉冲信号的产生是由l c d 控制寄存器里的水平和竖直参数所控制， 1 2 硕士学位论文 第二章系统硬件设计及其系统初始化 的。而这两个参数是s l c d 的尺寸和显示模式所决定的也就是说不同的l c d 决定 了不同的删e 和脉冲信号 2 、i j c d 接口硬件设计 本文系统采用的l m 0 5 7 q c i t 0 1 液晶模块是夏普公司生产的图形点阵2 5 6 色s t n 液晶模块，它的分辨率为3 2 0 2 4 0 。s 3 c 4 4 b o x 微处理器外围扩展l m 0 5 7 q c l t 0 1 液 晶模块的接口如图2 5 所示 2 5 键盘 图2 - 5 $ 3 c 4 4 b o x 与l m 0 5 7 q c l l 0 1 接口电路原理图 键盘输入作为最常用的输入设备仍有其不可替代的作用。传统键盘的结构通 常有两种形式：线性键盘和矩阵键盘。在不同的场合下，这两种键盘均得到了广 泛的应用。线性键盘由若干个独立的按键组成，每个按键的一端与微机的一个i o 口相连。有多少个键就要有多少根连线与微机的i o 口相连，因此，只适用于按 键少的场合。矩阵键盘的按键按n 行m 列排列，每个按键占据行列的一个交点，需 要的i o i a 数目是n + m ，容许的最大按键数是n m 。显然，矩阵键盘可以减少与微 机接口的连线数，简化结构，是一般微机常用的键盘结构。 但是传统的键盘有一个最大的缺陷，需要通过不断扫描i o 口来识别按键， 不仅耗费c p u 资源，同时实时性也不够好。在组成一个嵌入式系统的过程中，由 于通用的i o n 有限，而又需要大量的按键输入，这就要求一种新的键盘结构， 即用尽量少的i o 口实现尽可能多的键盘输入。经过分析，实际上用n + 1 个i 0 口， 辅以适当的接口电路，是可以实现n n 个按键的；并且由于该键盘技术采用了中 断方式，减少了扫描的工作量。本文的系统设计即是采用了这种键盘技术，现以 6 个端口实现5 5 的按键为例来叙述，参见图2 6 。 硕士学位论文第二章系统硬件设计及其系统初始化 porrorip o l 比p o i b胁r o r 5 b l i ：；童 扣鞋圭 卜亡= 卜_ 一 n - 呔s - 叫s 2 一s 3 一 - - - q s 5 - - - q ： ：。j s - - s - z s - ，彳s t s - s ：! ： ：。， is - s - ，