（电力电子与电力传动专业论文）基于嵌入式微处理器的传感网络节点的研究.pdf

西华大学硕+ 学化论文 t h er e s e a r c ho fs e n s o rn e t w o r kn o d e sb a s e do i l e m b e d d e dm p u m a i o ro fe l e c t r i cp o w e re l e c t r o na n dt r a n s m i s s i o n p o s t g r a d u a t e r ：l i ug a n g t u t o r ：l us h l 】n c h a l l g t h i sp a p e ri sm a i n l ya b o u tt h er e s e a r c ht h a tb a s e do nt h e3 2 - b i te m b e d d e dr i s c m i c r o p r o c e s s o rl p c 2 2 1 0a n dt h ee m b e d d e dr e a l - - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mp c o s - i ii n t h ed i g i t a lt e m p e r a t u r es e n s o rs y s t e m ，a n dd e s c r i b e st h ea p p l i c a t i o na n dr e a l i z a t i o n m e t h o d s i ti n t e g r a t e st h eh i 【g h c a p a b i l i t y , l o w - p o w e r e d3 2 - b i tr i s cs t r u c t u r e p r o c e s s o r so fa r mk e r n e l ，a n dp u b l i cs o u r c ec o d ee m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n g s y s t e mp c o s i i ，c o n s t r u c t si n t e g r a t i v eh a r d w a r eb a s e do nl p c 2 2 10 、s e n s o ra n dp c ， a n dt h e nt r a n s p l a n t se m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mp c o s - i it oa c h i e v et h e e x p l o i t a t i o no fd i g i t a lt e m p e r a m r es e n s o rs y s t e ma p p l i c a t i o n ， r e c e n t y e a r s ，w i t h t h e d e v e l o p m e n t o ft h ea d v a n c e d t e c t m o l o g y o f m i c r o p r o c e s s o r s ，m o r e a n dm o r ee m b e d d e ds y s t e m sa r eb u i l t b y e m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o r si n s t e a d o fc u r r e n c yp r o c e s s o r s t h ea r m p r o c e s s o ri s a3 2 - b i t e m b e d d e dr i s cm i c r o p r o c e s s o rw h i c hi s r e c o g n i z e dt h el e a d e ri n t h ef i e l d ，t h e s 6 f f w a r ep l a t f o r mc a nu s et h er e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mp c o s i i ，p c o s i ii s i n t e g r a t e dt r a n s p i a n t a b l ee n s o l i d i f i e dr e d u c i b l ea n dp r e - e m p t r e a l t i m em u l t i t a s k k e m e l ，a n dn o w i th a sb e e nu s e di nm o r et h a n4 0k i n d so f m i c r o p r o c e s s o r su p t h en o d eo ft h es e n s o rp l a t f o r mj sc o m p o s e do fs e n s o r 、m i c r o p r o c e s s o r 、 t r a n s c e i v e ra n du p p e r - m a c h i n ei nt h i sd e s i g n t h ed i s t r i b u t e dn o t ei sa b l et os e n s e v a r i o u si n f o r m a t i o n ，w h i c ht r a n s m i tp r o c e s s e dd a t e st oh o s tc o m p u t e r , t h e nt h eh o s t d e a l sw i t ht h ed a t e sa n dd i s p l a y sc o r r e s p o n d l y , w h i c hi sa l s oc o m m u n i c a t e dw i t h o t h e rn o d e sa tt h es a m et i m e k e y w o r d ：e m b e d d e ds y s t e m ，a r m 、s e n s o rn o d e 、p c o s 1 1 i i 西华大学硕士学位论文 申明 本人申明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行韵研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此申明。 作者签名：纠刚 j l 导师签名：勒够 搠年5 月尸日 刃汐7 年月j 日 两华大学硕+ 学位论文 1 绪论 1 1 传感器网络的发展、应用现状和未来展望 早在上世纪7 0 年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控 制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学 科的的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处 理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器 网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于 传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并 使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。虽然无线传感器网络的大规模 商业应用，由于技术等方面的制约还有待时目【2 】。 目前传感器网络的应用主要集中在以下领域： l 环境的监测和保护 随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来 越多，传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避 免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。 2 医疗护理 传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。罗彻斯特大学的科学 家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征 兆( 血压、脉搏和呼吸) 、睡觉姿势以及每天2 4 小时的活动状况。英特尔公司 也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。该技术是做为探讨应对老龄化社会 的技术项目c e n t e rf o r a g m gs e r v i c e st e c h n o l o g i e s ( c a s t ) 的一个环节开发的。 该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮 助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将 各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。而且还可以减轻护理 人员的负担。英特尔主管预防性健康保险研究的董事e r i cd i s h m a n 称，”在开发 家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域”。 3 军事领域 两华大学硕+ 学位论文 由于传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣 的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控 兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。美国国防部远景计划研 究局已投资几千万美元，帮助大学进行”智能尘埃”传感器技术的研发。哈伯研 究公司总裁阿尔门丁格预测：智能尘埃式传感器及有关的技术销售将从2 0 0 4 年 的1 0 0 0 万美元增加到2 0 1 0 年的几十亿美元。 4 其他用途 t 传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的工业环境如井矿、 核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为车 辆监控的有力工具。此外和还可以在工业自动化生产线等诸多领域，英特尔正 在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由4 0 台机器上的2 1 0 个传感器组 成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。它可以大幅降低检 查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高 效率，并延长设备的使用时间。 未来展望 传感器网络有着十分广泛的应用前景，它不仅在工业、农业、军事、环境、 医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来还将在许多新兴领域体现其优 越性，如家用、保健、交通等领域。我们可以大胆的预见，将来传感器网络将 无处不在，将完全融入我们的生活。比如微型传感器网最终可能将家用电器、 个人电脑和其他日常用品同互联网相连，实现远距离跟踪，家庭采用无线传感 器网络负责安全调控、节电等1 6 j 。 1 2 本设计研究目的和意义 技术发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。而作为信息获取最 重要和最基本的技术传感器技术，也得到了极大的发展。传感器信息获取 技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，并将会带 来一场信息革命。传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、 城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等 许多重要领域都有潜在的实用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高 2 两华大学硕士学位论文 度重视，被认为是对2 1 世纪产生巨大影响力的技术之一。 传感器网络有着巨大的应用前景，建筑在各类传感网络节点平台上的、面 向海陆空全方位应用需求的各类研究项目更是层出不穷。传感器网络节点为一 个微型化的嵌人式系统，构成了传感器网络的基础层支持平台目前国内外已经 出现了许多种网络节点的设计，它们在实现原理上是相似的，只是分别采用了 不同的微处理器或者不同的操作系统以及由其决定的通信或协议方式。 1 3 本设计的功能选择和组织框架 目前传感器网络节点的设计大多是以超低功耗单片机为核心，植入所需的 程序控制并利用其中的部分功能，结合外围传感器和收发及电源模块实现数据 的采集、传输、处理，其开发大多基于a r m ，8 0 c 5 1 ，p i c 等嵌入式系统。 一个典型的传感器网络的体系构建包括分布式传感器节点、接收发送器、 互联网和用户界面等。其中，传感器网络节点的基本组成和功能包括如下几个 单元：传感单元( 由传感器和模数转换功能模块组成) 、处理单元( 由嵌入式系统 构成，包括c p u 、存储器、嵌入式操作系统等) 、通信单元、以及电源部分。此 外，可以选择的其它功能单元包括：定位系统、移动系统以及电源自供电系统， 如图所示。本设计不包含定位系统和移动系统。 一i 荔广一磊磊i 一 f i 9 1 1t h es t r u c to f s e n s o rn e t w o r k 图1 1 传感器网络节点结构 3 两华大学硕+ 学位论文 1 4 本论文的主要研究工作和实现目标 本文是在基于3 2 位a r m 微处理器l p c 2 2 1 0 和嵌入式实时操作系统p c o s i i 上进行嵌入式数字温度传感系统的设计开发，可实现多点检测、显示和传送。 通过将嵌入式实时操作系统l a c o s i i 移植到a r m 7 微处理器上，并对其进行软 件功能的扩充和硬件扩展，实现了一个基本完整的嵌入式实时操作系统，具体 工作如下： 1 组建硬件电路，包括a r m 7 的存储器扩展、显示、与传感器的连接、各 种外界接口。 2 将实时操作系统p c o s i i 移植到硬件平台，包括l a c o s i i 系统配置和基 于l p c 2 2 1 0 硬件平台参数的修改。 3 用户软件部分实现l a c o s i i 下的驱动和多任务编程，涉及中断响应与处 理、时钟与电源管理等等，完成各个代码的编写与实现。 4 完成最终的调试工作，使其达到设计要求。 5 对于本文在设计过程中的总结和展望。 4 两华大学硕十学位论文 2 系统的构建 2 1 嵌入式系统的简介 2 1 1 嵌入式系统的概念 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，适 应应用系统对功能、可靠性、成本、体积及功耗严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算 机系统。术语“嵌入式”反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整的部分， 称为嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统u 】。 嵌入式系统一般指非p c 系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或 器材。它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应于应用系统且对功能、可靠 性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。简单的说，嵌入 式系统集系统应用软件与硬件于一体，具有软件代码短、高度自动化、响应速 度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌入式系统是将先进的计 算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合的产物p j 。 嵌入式系统的硬件部分包括处理器、存储器、外设器件和i o 端口图形控 制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容 量的存储介质，而大多使用e p r o m 、e e p r o m 或闪存作为存储介质。嵌入式 系统的软件部分，包括处理器系统软件和应用软件。为了提高执行速度和系统 可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不 是存贮于磁盘等载体中。在多任务嵌入式系统中，对重要性不同的任务进行统 筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键，单纯的提高处理器速度是 没有效率且无法完成的，这种任务调度只能由优化系统软件来完成，因此系统 软件的高实时性是嵌入式系统的基本要求 4 1 。 2 1 2 嵌入式系统的发展 虽然嵌入式系统是近几年才开始真正风靡起来的，但事实上嵌入式这个概 5 两华大学硕士学位论文 念却很早就已经存在了，从上个世纪7 0 年代单片机的出现到今天各种嵌入式微 处理器、微控制器的广泛应用，嵌入式系统少说也有了近3 0 年的历史。纵观嵌 入式系统的发展历程，大致经历了以下四个阶段忙j ： 1 无操作系统阶段 嵌入式系统最初的应用是基于单片机的，大多以可编程控制器的形式出现， 具有监测、伺服、设备指示等功能，通常应用于各类工业控制和飞机、导弹等 武器装备中，一般没有操作系统的支持，只能通过汇编语言对系统进行直接控 制，运行结束后再清除内存。这些装置虽然已经初步具备了嵌入式的应用特点， 但仅仅只是使用8 位的c p u 芯片来执行一些单线程的程序，因此严格地说还谈 不上”系统”的概念。这一阶段嵌入式系统的主要特点是：系统结构和功能相对 单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系 统使用简便、价格低廉，因而曾经在工业控制领域中得到了非常广泛的应用， 但却无法满足现今对执行效率、存储容量都有较高要求的信息家电等场合的需 要。 2 简单操作系统阶段 2 0 世纪8 0 年代，随着微电子工艺水平的提高，i c 制造商开始把嵌入式应 用中所需要的微处理器、f o 接口、串行接口以及r a m 、r o m 等部件统统集成 到一片v l s i 中，制造出面向i o 设计的微控制器，并一举成为嵌入式系统领域 中异军突起的新秀。与此同时，嵌入式系统的程序员也开始基于一些简单的”操 作系统”开发嵌入式应用软件，大大缩短了开发周期、提高了开发效率。这一阶 段嵌入式系统的主要特点是：出现了大量高可靠性、低功耗的嵌入式c p u ( 如 p o w e rp c 等) ，各种简单的嵌入式操作系统开始出现并得到迅速发展。此时的 嵌入式操作系统虽然还比较简单，但已经初步具有了一定的兼容性和扩展性， 内核精巧且效率高，主要用来控制系统负载以及监控应用程序的运行【1 6 1 。 3 实时操作系统阶段 2 0 世纪9 0 年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大需 求的牵引下，嵌入式系统进一步飞速发展，而面向实时信号处理算法的d s p 产 品则向着高速度、高精度、低功耗的方向发展。随着硬件实时性要求的提高， 嵌入式系统的软件规模也不断扩大，逐渐形成了实时多任务操作系统( 1 u o s ) ， 并开始成为嵌入式系统的主流。这一阶段嵌入式系统的主要特点是：操作系统 6 两华大学硕十学位沦文 的实时性得到了很大改善，已经能够运行在各种不同类型的微处理器上，具有 高度的模块化和扩展性。此时的嵌入式操作系统已经具备了文件和目录管理、 设备管理、多任务、网络、图形用户界面( g u i ) 等功能，并提供了大量的应 用程序接口( a p i ) ，从而使得应用软件的开发变得更加简单。 4 面向i n t e m e t 阶段 2 l 世纪无疑将是一个网络的时代，将嵌入式系统应用到各种网络环境中去 的呼声自然也越来越高。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e m e t 之外，随着 i n t e m e t 的进一步发展，以及i n t e m e t 技术与信息家电、工业控制技术等的结合 日益紧密，嵌入式设备与i n t e m e t 的结合才是嵌入式技术的真正未来。 2 1 3 嵌入式系统的特点 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点嘲【7 】【8 】： 1 嵌入式系统通常是面向特定应用的，嵌入式c p u 与通用型的最大不同就 是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、 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，移动能力大大增强，跟网络 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 具体应用相结合后的产物。这一点就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。 3 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力 争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选 择更具有竞争力。 4 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品 同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 5 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储 器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 6 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不 能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 7 两华大学硕士学位论文 2 2 嵌入式a r m 硬件平台 a r m 硬件平台功能框图如图2 1 所示，其中主要包括了外部存储器电路、 以太两接口电路、j t a g 接口、r s 2 3 2 审口电路等等。 f i 9 2 1f u n c t i o nf r a m e w o r ko f h a r d w a r ef l a t 图2 1 硬件平台功能框图 2 2 1 嵌入式微处理器l p c 2 2 1 0 介绍 l p c 2 2 1 0 微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入跟踪的3 2 1 6 位 a r m 7 t d m i s r m c p u 。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式 将代码规模降低超过3 0 ，而性能的损失却很小。 由于l p c 2 2 1 0 的1 4 4 脚封装、极低的功耗、2 个3 2 位定时器、8 路1 0 位 a d c 、p w m 通道输出以及多达9 个外部中断管脚使它们特别适用于工业控制、 医疗系统、访问控制和电子收款机( p o s ) 。通过配置总线，l p c 2 2 1 0 最多可提供 7 6 个g p i o 。由于内置了宽范围的串行通信接口，l p c 2 2 1 0 也非常适合于通信 网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的应用。 1 l p c 2 2 1 0 具有以下主要特性特性1 7 3 ： 1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s 微控制器，l q f p l 4 4 和t f b g a l 4 4 封装。 1 6 k b 片内静态r a m 。 s 西华大学顾十学位论文 串行b o o t 装载程序通过u a r t o 来实现在系统下载和编程。 e m b e d d e d i c e r t 和嵌入式跟踪接口使用片内r e a l m o n i t o r 软件对任务进 行实时调试并支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。 4 8 路l o 位a d 转换器，转换时间低至2 a 4b ts 。 2 个3 2 位定时器( l p c 2 2 2 0 也具有外部事件计数器) 带4 路捕获和4 路比 较通道、 p w m 单元( 6 路输出) 、实时时钟( r t c ) 和看门狗。 多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、高速1 2 c 总线( 4 0 0 k b i t s ) 和2 个s p i 接口。 向量中断控制器( v i c ) ，可配置优先级和向量地址。 通过外部存储器接口可将存储器配置成4 组，每组的容量高达1 6 m b ，数 据宽度为8 1 6 3 2 位。 多达7 6 个通用i o 口( 可承受5 v 电压) 。可使用9 个边沿或电平触发的外 部中断管脚。 通过可编程的片内锁相环( p l l ) 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率， 设置时间为1 0 0 ps 。 带外部晶体的片内振荡器频率范围：1 3 0m h z ，外部振荡器的频率高 达5 0 m h z 。 2 个低功耗模式：空闲和掉电。 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。 可通过个别使0 k 禁止外部功能来优化功耗。 双电源： - - c p u 操作电压范围：1 6 5 v 1 9 5v o 8v 0 1 5v ) 一比i 操作电压范围：3 。o 3 ，6 v ( 3 3 v 1 0 ) ，i 0 口可承受5 v 电压。 2 l p c 2 2 1 0 主要功能介绍： 1 ) 片内静态r a m 片内静态r a m 可用作代码或数据的存储。s r a m 支持8 位、1 6 位和3 2 位 访问。l p c 2 2 1 0 具有1 6 k b 的静态r a m 。 2 ) 存储器映射 l p c 2 2 1 0 的存储器映射包含几个不同的区域，如图2 2 所示： 9 堕兰查兰竺主兰堡堡茎 此外，c p u 的中断向量可以被重新映射到位于片内引导装载程序、外部存 储器b a n k 0 或者片内静态r a m 中f 9 】。， 4 o g b 3 7 5 g b 3 5 g b 3 0 g b 2 o g b 1 o g b o o g b a h b 外设 v p b 外设 保留地址空间 外部存储器b a n k 3 外部存储器b a n k 2 外部存储器b a n k l 外部存储器b a n k o b o o t 块 ( 片内r o m 存储器重新映射) ，保留地址空间 1 6 k 字节片内静态r a m 保留地址空间 o x f f f ff f f f o x e 0 0 00 0 0 0 0 ；i e f f ff f f f 0 x e 0 0 00 0 0 0 0 x d f f ff f f f 0 x 8 4 0 00 0 0 0 o x 8 3 f ff f f f 0 x 8 3 0 00 0 0 0 o x 8 2 f ff f f f 0 x 8 2 0 00 0 0 0 0 x 8 1 f ff f f f 0 x 8 1 0 00 0 0 0 0 x 8 0 f ff f f f o x 8 0 0 00 0 0 0 o x 7 f f ff f f f o x 7 f f fe 0 0 0 0 x 7 f f fd f f f 0 x 4 0 0 10 0 0 0 0 x 4 0 0 03 f f f o x 4 0 0 00 0 0 0 0 x 3 f f ff f f f o x o 0 0 0o o o o f i 9 2 2l p c 2 2 1 0m e m o r ym a p 图2 2l p c 2 2 1 0 存储器映射【1 2 】 3 ) 外部存储器控制器 外部静态存储器控制器是一个为系统总线和外部存储器器件提供接口功能 l o 西华大学硕士学位论文 的模块，它可以同时支持4 个可单独配置的存储器组工作( 每个存储器组的容 量为1 6 m 字节，带有字节定位使能控制) 。同时，每个存储器组都支持s r a m 、 r o m 和f l a s he p r o m 存储器或一些外部_ i o 器件。每个存储器组的总线宽度 为8 、1 6 或3 2 位。 2 2 2 外部存储器电路 嵌入式a r m 硬件平台外部存储器电路扩展了2 m 字节的n o rf l a s h ( 芯 片型号为s s t 3 9 v f l 6 0 ) 、8 m 字节p s r a m ( 芯片型号m t 4 5 w 4 m w l 6 ) 、1 6 m 字节的n a n df l a s h ( 芯片型号为k 9 f 2 8 0 8 u o c ) 。其中n o rf l a s h 用来存 储启动程序或者固化代码；p s r a m 用来在线调试程序；n a n df l a s h 用来存 储操作系统和应用程序【l5 1 。 ( 1 ) 系统存储器电路 本系统扩展了2 m 字节n o rf l a s h ( 芯片型号为s s t 3 9 v f l 6 0 ) 、8 m 字节 p s r a m ( 芯片型号为m t 4 5 w 4 m w l 6 ) ，电路如图2 3 所示。为了方便程序调试 及最终代码固化，使用了l p c 2 2 1 0 外部存储器接口b a n k 0 和b a n k l 的地址空间， s s t 3 9 v f l 6 0 的片选信号为fn c s o ，此信号是由l p c 2 2 1 0 的c s 0 和a 2 2 、a 2 3 译码得到，其访问地址为0 x 8 0 0 0 0 0 0 0 0 x 8 0 1 f f f f f ，即l p c 2 2 1 0 的b a n k 0 存 储块空间。因为l p c 2 2 1 0 的b a n k 0 可以用来引导程序运行，所以当系统启动后 就可以运行固化到f l a s h 中的程序。m t 4 5 w 4 m w l 6 的片选信号为n c s l ，其 访问地址为0 x 8 1 0 0 0 0 0 0 0 0 x 8 1 7 f f f f f ，即l p c 2 2 1 0 的b a n k l 存储块空间。 由于s s t 3 9 v f l 6 0 和m t 4 5 w 4 m w l 6 都是1 6 位总线接口，所以使用l p c 2 2 1 0 的地址总线a 1 - a 2 3 与它们相连( 使用1 6 位总线时，l p c 2 2 1 0 的a 0 引脚没有 使用) 。为了能够对m t 4 5 w 4 m w l 6 的字单元进行单独的字节操作( 如高8 位 或低8 位操作) ，要将l p c 2 2 1 0 的b l s 0 、b l s l 引脚分别连接到m t 4 5 w 4 m w l 6 的u b # 、l b # 引脚。图2 3 中的e m cb u s 端口表明是与l p c 2 2 1 0 的e m c 总线接口连接。 另外，s s t 3 9 v f l 6 0 的第1 2 、1 4 引脚均接有1 0 k q 的上拉电阻，这样做主 要是为了兼容s s t 3 9 v f l 6 0 1 ，即此芯片可以直接使用s s t 3 9 v f l 6 0 i 代替。 m t 4 5 w 4 m w l 6 引脚只有4 8 个引脚，为了能够兼容使用1 6 m 字节的p s r a m ， 1 l 两华大学硕士学位论文 增加了j 1 j 4 引脚【3 3 1 。 在使用p c o s - i i 操作系统时，n o rf l a s hs s t 3 9 v f l 6 0 用来存放 b o o t l o a d e r 程序，以便于加载并引导存放在n a n df l a s hk 9 f 2 8 0 8 u o c 中的 p c o s i i 操作系统。 f i g 2 3m e m o r i z e rc i r c u i to fs y s t e m 图2 3 系统存储器电路 ( 2 ) n a n df l a s h 存储器电路 本系统还扩展了1 6 m 字节n a n df l a s h ( 芯片型号为k 9 f 2 8 0 8 u o c ) ，由 于对k 9 f 2 8 0 8 u o c 芯片操作有特定的时序要求，所以使用了一个可编辑逻辑器 件a t f l 6 l v 8 产生合适的片选信号( fn c s ) 、读使能信号( fn o e ) 和写使能 信号( fn w e ) ，电路如图2 4 所示。 k 9 f 2 8 0 8 u o c 的f 0 0 - f 0 7 引脚直接与l p c 2 2 1 0 的d o d 7 相连，通过数据 总线发送地址、命令、和数据。k 9 f 2 8 0 8 u o c 的c l e 、a l e 引脚分别连接到 l p c 2 2 1 0 的a 2 0 、a 1 9 ，这样就可以通过不同的地址来区别对k 9 f 2 8 0 8 u o c 的 命令、地址和数据操作。为了能够兼容使用1 6 位总线接口的n a n d f l a s h 芯 片，电路上将l p c 2 2 1 0 的d 8 d 1 5 也连接到此元件的相应管脚。 两华大学硕士学位论文 】刚n a n d 月_ h f i g2 4c i r c u i to f n a n df l a s ha n ds y s t e m c o d i n g 图2 4n a n df l a s h 及系统译码电路 2 2 3 以太网接口电路 以太网接口电路如图2 5 所示。 l p c 2 2 1 0 具有外部总线接口，所以电路设计为1 6 位总线方式对r t l 8 0 1 9 a s 进行访问，即数据总线d 0 d 1 5 与芯片的s d 0 s d l 5 连接，由于r t l 8 0 1 9 a s 工作电压是5 v 而l p c 2 2 1 0 的i o 电压是3 3 v ，所以在总线上串接保护电阻。 r t l 8 0 1 9 a s 芯片工作在跳线模式，其基地址为0 x 3 0 0 ，所以电路上s a 6 、 s a 7 、s a l 0 s a l 9 均接地，s a 8 、s a 9 接电源。s a 5 与片选信号i on c s l 连接， 因此，其地址为0 x 8 3 0 0 0 0 0 0 0 x 8 3 0 0 0 0 1 f 。 两华大学硕+ 学位论文 f i g2 5i n t e r f a c ec i r c u i to f e t h e m e t 图2 5 以太网接口电路 2 2 4 传感器与系统的连接 d s l 8 8 2 0 是美国d a l l a s 半导体公司的新一代数字式温度传感器，它具有独 特的单总线接口方式，即允许在一条信号线上挂接多个数字式传感器，从而使 测温装置与各传感器的接口变得十分简单，克服了模拟式传感器与微机接口时 需要的a d 转换器及其他复杂外围电路的缺点，由它组成的温度测控系统非常 方便，而且成本低、体积小、抗干扰性好、可靠性高【3 4 1 1 3 5 】。 1 d s l 8 8 2 0 基本特性 单线接口，只有一根信号线与c p u 连接 不需要备份电源，可通过信号线供电，电压范围3 3 5 v 传送串行数据，不需要外部元件 温度测量范围从一5 5 + 1 2 5 c ，一1 0 。c + 8 5 时测量精度为0 5 1 4 两华大学硕十学位论文 用户可自设定非易失性的报警上下限值 报警搜索命令可以识别哪片d s l 8 8 2 0 温度超限 通过编程可实现9 1 2 位的数字值读数方式 在9 3 7 5 m s 和7 5 0 m s 内将温度值转化9 位和1 2 位的数字量 零功耗等待 现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干 扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，如环境控制、设备和过程控制 2 d s l 8 8 2 0 的测温原理 d s l 8 8 2 0 与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实 际要求通过简雏的编程实现9 1 2 位的数字值读数方式。可以分别在9 3 7 5m s 和7 5 0i n s 内完成9 位和1 2 位的数字量，并且从d s l 8 8 2 0 读出的信息或写入 d s l 8 8 2 0 的信息仅需要一根口线( 单线接口) 读写，温度变换功率来源于数据总 线，总线本身也可以向所挂接的d s l 8 8 2 0 供电，而无需额外电源。d s l 8 8 2 0 只有一个数据输入输出口，属于单总线专用芯片之一，每个d s l 8 8 2 0 在出厂时 都已具有唯一的6 4 位序列号，这就是它的寻址方式，因此一条总线上可以同时 挂接多个d s l 8 8 2 0 而不会出现混乱现象。另外用户还可自设定非易失性温度报 警上下限值t h 和t l ( 掉电后依然保存) 。d s l 8 8 2 0 在完成温度变换后，所测 温度值将自动与储存在t h 和t l 内的触发值相比较，如果测温结果高于t h 或 低于t l ，d s l 8 8 2 0 内部的报警标志就会被置位，表示温度超出了测温范围，同 时还有报警搜索命令识别出温度超限的d s l 8 8 2 0 蚓。 d s l 8 8 2 0 的测温原理如图所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影 响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器2 。高温度系数晶振随温度变 化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为计数器1 的脉冲输入。计数器2 和 温度寄存器被预置在一5 5 所对应的一个基数值。计数器2 对低温度系数晶振 产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器2 的预置值减到0 时，温度寄存器的 值将加1 ，计数器2 的预置将重新被装入，计数器2 重新开始对低温度系数晶振 产生脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器1 计数到0 时，停止温度寄存器 值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修 正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器2 的预置值闭。 l5 两华大学硕士学位论文 i 9 2 6d s l 8 8 2 0t e m p e r a t u r em e a s u r ep r i n c i p i u m 图2 6 d s l 8 8 2 0 测温原理 3 连接方式 d s l 8 8 2 0 有两种连接方式：三绫制方式和寄生电源方式闻 三绫制方式是将传感器的三端v d d 、d q 、g n d 分别接至电源、数据线和 地线上，此时应注意将三线焊接牢固，另外也可用两个端口，即接收口与发送 口分开，这样读写操作就分开了，不会出现信号竞争的问题。 寄生电源方式，将d s i s b 2 0 的v d d 与g n d 连在一起，若v d d 脱开未接 好，传感器将只送+ 8 5 0 的温度值。 本设计采用寄生电源供电方式，只需要将d s l 8 8 2 0 的信号线与处理器的一 位双向端口相连，由于d s l 8 8 2 0 存在独特寄生电源供电方式，可实现远距离测 温时引线的节省，此时v d d 接地即可，但是被测温度超过1 0 0 时，最好不使 用寄生电源供电，此时采用外部电源供电 3 2 1 。 如果主机不知道d s l 8 8 2 0 由何种方式供电，可通过发出跳过r o m 命令和 读电源命令来鉴别供电方式，如果是寄生电源供电，d s l 8 8 2 0 在数据线上送回 “0 ”，如果是外部电源供电，则送回“1 ” 4 选用g p i o 口 在本设计中，我们采用l p c 2 2 1 0 的g p i o 口作为数据的输入输出，因为g p i o 作为通用i ( 3 口具有如下的特性3 0 】： 1 单独位的方向控制，即每一个i o 口线可单独设置为输入偷出模式； 2 单独控制i o 口输出的置位或清零； 1 6 西华大学硕十学位论文 3 所有的i o 在复位后默认为输入； g p i o 包括p 0 ( p 0 o p o 3 1 ) ，p 1 ( 1 1 6 一p 1 3 1 ) 端口，此外，还包括另外 两个端口，p 2 和p 3 ，这两个端口与外部存储器总线复用，只有在不用作外部存 储器总线时( 通过p i n s e l 2 寄存器实现) ，才可以作为g p i o 使用j 本设计选用 p o 7 口与传感器相连。 表2 1g p i o 寄存器 名称地址描述 1 0 p i n0 x e 0 0 2 8 0 0 0引脚值寄存器，引脚当前状态都从该寄存器读出 i o s e t0 x e 0 0 2 8 0 0 4输出置位寄存器，只能写l ，对应引脚输出高电平 i o c l r0 x e 0 0 2 8 0 0 8输出清零寄存器，只能写l ，对应引脚输出低电平 i o d i r0 x e 0 0 2 8 0 0 c方向控制寄存器，控制每个i o 方向 表2 2g p i o 输出置位寄存嚣i o s e t l 位描述复位值 3 1 ：0输出置位，b i t 0 - - b i t 3 1 分别对应p + o p + 3 1o 表2 3g p i o 输出清零寄存器i o c l r l 位描述复位值 | 3 1 ：0 输出清零，b i t 0 - - b i t 3 1 分别对应p + o p t 3 1 o 表2 4g p i o 方向控制寄存器i o d i r 位描述复位值 3 l ：0方向控制位( o 一输入，1 = 输出) ，b i t 0 - - b i t 3 1 分别o 对应p + o p 3 1 表2 5 引脚功能选择寄存器p i n s e l 2 两华大学硕士学位论文 | 5 ：4 引脚p 2 2 7 p 2 1 6 ，o 】【或1 1 = p 2 7 一p 2 1 6 ，1 0 =b o o t 1 ：0 d 2 7 ：1 6 2 3 本设计对嵌入式操作系统的选择 2 3 1 嵌入式操作系统的特点 与传统的计算机操作系统相比，嵌入式操作系统具有以下特点【1 8 拇】： ( 1 ) 体积小。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘 那样大容量的存储介质，而大多使用闪存( f l a s hm e m o r y ) 作为存储介质。这 就要求嵌入式操作系统只能运行在有限的内存中，不能使用虚拟内存，中断的 使用也受到限制。因此，嵌入式操作系统必须结构紧凑，体积微小。 ( 2 ) 实时性。大多数嵌入式系统都是实时系统，而且多是强实时多任务系 统，要求相应的嵌入式操作系统也必须是实时操作系统( r t o s ) 。实时操作系统 作为操作系统的一个重要分支己成为研究的一个热点，主要探讨实时多任务调 度算法和可调度性、死锁解除等问题。 ( 3 ) 特殊的开发调试环境。提供完整的集成开发环境是每一个嵌入式系统 开发人员所期待的。一个完整的嵌入式系统集成开发环境一般需要提供的工具 是编译连接器、内核调试，足艮踪器和集成图形界面开发平台。其中的集成图形界 面开发平台包括编辑器、调试器、软件仿真器和监视器等。 2 3 2r l c 0 s i i 与l a c l i n u x 嵌入式操作系统的对比 嵌入式操作系统不同于一般意义的计算机操作系统，它有占用空间小、执 行效率高、方便进行个性化定制和软件要求固化存储等特点。国外嵌入式操作 系统已经曰趋成熟，主要有v x w o r k 、q n x 、p a l m o s 、w i n d o w sc e 、p c o s i i 、 l i n u x 等，但这些嵌入式操作系统一般都用于商业用途，如果用于般用途会提 高产品成本从而失去了竞争力2 0 】 2 l 】。 那么v c o