（电力系统及其自动化专业论文）基于gsm和嵌入式系统的家居控制系统设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 a b s tr a c t a l o n gw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , a n dt h es y n c r e t i s mo f 3 c ( c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n c o n s u m e re l e c t r o n i c s ) h o m ea u t o m a t i o na n dh o m en e t w o r k i n ga r et h ef u t u r eo fs m a r th o m e t h ed i g i t a l h o m en e t w o r k i n gw i l lp r o v i d eu sm o r ec o m f o r t a b l ea n dc o n v e n i e n tl i v i n g e n v i r o n m e n t n o w ，h o wt oc h o o s et h er i g h tt e c h n o l o g ya n dm e t h o dt od e s i g na s y s t e ms u i to u rc o u n t r yi san e w t a s k t h i sa r t i c l ed e s c r i b e sar e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mf o rs m a r th o m eb a s e do nt h e g s ms h o r t m e s s a g e ，t h es y s t e m m o n i t o rh o u s e h o l da p p l i a n c e sa n dh o m e e n v i r o n m e n t h a r d w a r e s y s t e m i sc o n s t i t u t e d b y t h ea r mp l a t f o r ma n d s u b s y s t e m ，m a j o rs o f t w a r e p l a t f o r mb a s e do nl i n u x ，s u p p o r t e db yg r a p h i c a l i n t e r f a c ep r o g r a m , t h ec o n t r o lc o m m a n di ss e n tt os u b m o d u l eb yc l i c kt h et o u c h s c r e e no rd e c o d i n gt h es h o r tm e s s a g e ，t h es u b - m o d u l ef i n i s ht h ee x p l a n a t i o no f c o n t r o lc o m m a n di no r d e rt oc o n t r o lh o m ea p p l i a n c e sa n dc o l l e c ti n f o r m a t i o n f i r s tt h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h eh a r d w a r es y s t e m ，w h i c hi sd i v i d e di n t om a jo r m o d u l ea n ds u b m a s t e rm o d u l ei nt w op a r t s m a j o rm o d u l eu s e $ 3 c 2 4 4 0a st h e 。 c o r e ，a n dc o n n e c tw i t ht h eg s mm o d u l eb yt h er s 2 3 2s e r i a lp o r t s u b m o d u l eu s e a t 8 9 c 5 2a st h ec o r e ，i tc a ne x p l a i nc o n t r o lc o m m a n da n dc o l l e c th o m e i n f o r m a t i o n ，t h r o u g ht h er s 4 8 5b u sc o n n e c t e dw i t ht h em a j o rm o d u l e s e c o n dt h i sa r t i c l ed e s c r i b e sr e l a t e dk n o w l e d g eo fe m b e d d e do p e r a t i o n s y s t e m sa n db a s i cm e t h o d so fl i n u xm i g r a t i o n ；i to u t l i n e st h eb u i l d i n gp r o c e s so f d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，a n dd i s c u s s e st h ec o d em o d i f i e s ，k e r n e lc u t o f f , k e r n e l c o n f i g u r ea n dm i g r a t i o no fl i n u x 2 6 1 3 ；t h e ni td e s c r i b e st h ep r o c e s so fb u i l d i n g r o o tf i l es y s t e m t h es o f t w a r ed e s i g nd e s c r i b e st h ep r o c e s so fa p p li c a t i o np r o g r a m b a s eo ne m b e d d e ds y s t e m s ，t h a t sb u i l d i n gq td e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ti nt h e p l a t f o r m o fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ew h i c hi s m e n t i o n e d ，a n dd e v e l o p i n gt h e a p p l i c a t i o nb a s e do nq t t h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h ep r o c e s so fm e s s a g ed e c o d i n g a n de n c o d i n g ，a n dg i v e st h ef l o wc h a r to fm u l t i - t h r e a d s u b - m o d u l eu s i n gc l a n g u a g e ，g i v e si t ss o f t w a r ef l o wc h a r t a tl a s t ，t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h er e s u l t so fd e b u g g i n ga n da n a l y s i sw i t h h o m ec o n t r o ls y s t e m ，a n ds u p p l i e dt h es o l u t i o no fq u e s t i o n si nt h ed e b u g 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；a r m ；l i n u x ：q t ；g s m 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究 工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，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，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法 律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、将g s m 模块与a r m 9 相结合，充分利用了a r m 9 处理器和l i n u x 多任务的优越性。即通过接收g s m 短信将控制命令发送至a r m 9 处理器 和l i n u x 系统，运行程序，对家居环境进行远程控制。同时，a r m 9 又 将采集到的数据通过g s m 短信方式发送。 2 、图形界面程序的设计。即设计、移植由q t 编写的图形界面程序， 并进行基于串口的通信应用程序设计，通过图形界面实行远程监控功 能。 多科 西南交通大学曲南父迥大字 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， 同意学校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。本人授权西南交通大学可以将本论文 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 或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密面使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：珊 日期：护9 6 乡 指导老师签名： 日期： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 选题背景 第1 章绪论 进入2 1 世纪以后，借助网络和信息技术的发展，信息家电己越来越多地 出现在人们的生活之中，而这一切的发展最终目的都是为了方便人们的生活。 伴随着科学技术的进步，出现了智能家居。 智能家居，或称智能住宅，在英文中常用s m a r th o m e ，它是一个开放的、 使用了多项高新技术的智能化、人本化的集成型家居系统。它是利用先进的 计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术，将与家居生活有关的各种子系 统有机地结合在一起，然后通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全他1 。其 内涵就是：在具有个性化的住宅家庭中，将多元网络信息、多样化的自动控制 及节能环保等功能，整合到一体化的家庭智能信息、管理与自动化控制平台 上阳1 。它就是将家庭内部与信息相关的通信设备、家用电器和家庭保安装置， 通过家庭内部联网技术连接到一个家庭智能化系统上，进行集中的监视、控 制或家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。智能 家居是以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系 统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境1 。 许多原来单一的家电产品如电视、音响、电饭煲都已融入了系统化的信息家 电系统中，如所谓“电视”可能就是智能家居系统中显示终端和音响系统的 某些部分功能1 。 与智能家居的含义近似的还有家庭自动化( h o m ea u t o m a t i o n ) 、电子家 庭( e l e c t r o n i ch o m e 、e - h o m e ) 、数字家园( d i g i t a lf a m i l y ) 、家庭网络 ( h o m en e t n e t w o r k sf o rh o m e ) 、网络家居( n e t w o r kh o m e ) 、智能家庭建 筑( i n t e l l i g e n th o m e b u i l d i n g ) 、在香港、台湾等地区还有数码家庭、数 码家居等称法。 家居智能化技术起源于美国，最具代表性的是x - l o 技术，通过x 一1 0 通信 协议，网络系统中的各个设备便可实现资源的共享。因其布线简单、功能灵 活，扩展容易而被人们广泛接受和应用。自动化的家居不再是一幢被动的建 筑，相反，成了帮助主人尽量利用时间的工具，使家庭更为舒适、安全、高 效和节能。 我们在选择一个系统的同时，要切实考虑的主要是：系统的稳定性、系 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 统的安全性、功能的实用性、后期的维护和扩展、外观的高度艺术和操作的 人性化哺1 。为人类提供一个舒适、便捷、高效的生活环境。如何建立一个高效 率、低成本的家居系统已成为当前社会一个热点问题。以往的家庭智能终端 绝大多数是由单片机控制，随着新功能的不断增加和性能的不断提升，将处 理能力大大增强的具有网络功能的嵌入式操作系统和单片机的控制软件程序 作了相应的调整，使之有机地结合成完整的嵌入式系统，采用嵌入式系统的 家居控制系统是智能家居一个新的研究方向。基于以上考虑，本课题研究建 立一个采用g s m ( g 1 0 b a ls y s t e mf o rm o b il ec o m m u n i c a t i o i l s 全球移动通 讯系统) 短消息和嵌入式系统相结合的方式实现对家居环境进行远程监控， 实现家居智能化。 1 2 国内外发展现状 自从1 9 8 4 年世界上第一幢智能建筑在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、 澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。 智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用 1 。微软公司2 0 0 0 年推出的软硬合一的“微软之家 ，为未来家庭重新包装了“网络化”的定义， 提供了整套的软硬件解决方案，所有房间全部用宽带网互联，并用家庭电话 线网络标准把电话设备( 包括可视电话系统) 联结起来，不能用电话线联结的 则用无线网络联结，覆盖了家庭所有可能的通讯盲点，胡锦涛主席于2 0 0 6 年 4 月访美期间参观了该豪宅埔。 国内的家居系统发展始于上个世纪九十年代末，从人们最初的梦想，到 今天真实的走进我们的生活，经历了一个艰难的过程。伴随国内经济的快速 发展，尤其是近几年房地产业的繁荣，国民对住宅环境的要求日益提高，智 能化家居的概念已为人们所逐步了解并接受。家居智能化系统的水平往往成 为评价一个楼盘或别墅档次的重要依据旧1 。2 0 0 0 年是智能家居在中国的一个概 念年，相当一部分居民已经接受了智能家居这个概念。2 0 0 1 年是各个科研机 构和公司从规划到实际研究和开发的关键一年。如同以往相类似产品在我国 的发展过程一样，有些机构和公司开始引进一些国外的系统和产品，在一些 豪华的公寓和住宅中已经看到了它们的踪迹。2 0 0 2 年2 0 0 3 年中，有相当一 部分高档和中档的住宅小区和私人住宅，将在控制和管理上实现一般意义上 的智能化，宽带网已经进入一般居民的住宅和小区，为智能家庭网络功能的 完善佐以一定的条件。到2 0 0 3 2 0 0 4 年，我国自行研制的系统已经较为成熟， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 并有能力与国外的系统和产品相抗衡。2 0 0 5 年 - - - 2 0 0 7 年，我国在智能家居技 术领域与欧美国家的差距并不大，估计仅滞后2 - - - , 3 年，我国全面普及智能家 庭网络系统和产品，即开始走进普通居民的家居中。在这个时期，整个市场 将是以我国自行研究和开发的系统和产品为主；国外的产品将在高档系统产 品占有一席之地。 在从事建筑智能化行业推广工作的过程中，会发现这样一个有趣的现象： 很多大力提倡建筑智能化、家庭智能化的专家学者，很多长期从事智能化设计 或工程的企业主管，他们的家中大部分没有标准意义上的家居智能系统。究其 原因，可能有以下几个方面： ( 1 ) 自身需求不明确或不急迫。 ( 2 ) 产品不成熟、误报、误动作多。 ( 3 ) 系统操作过于复杂，学习过程缓慢。 ( 4 ) 系统功能无法凸显主人个性。 ( 5 ) 购置过程复杂，无法象家电一样随意购买或更换。 ( 6 ) 价格偏贵。 ( 7 ) 法律关系一个尚未引起重视的问题。 出现这一现象，显示了巨大市场前景面前行业基础工作的不成熟：标准化 工作滞后，行业割据严重，智能家居的概念停留在较浅的层面上，用户个性化 的真实需求被掩盖。另外，智能系统产品链中的社会化服务滞后，也是造成目 前状况的一个重要原因引。 国内曾有人采用g s m 模块和单片机相结合实现了家居设施的遥控检测1 ， 但随着控制设备的增加，单片机在数据处理能力上已经显得力不从心，因此 有必要引入3 2 位的嵌入式系统。 同时，使用g s m 模块发送控制信号的方法在国内也有广泛应用，如通过 短消息发送报警信号n 别，利用短消息发送采集到的温度3 3 等。但都是采用单 片机作为控制中心，相对于a r m 来说运算和负载能力都有限，它越来越难以 满足人们对家居生活逐渐提高的要求。 1 3 研究意义及主要内容 本论文主要目的是利用g s m 模块和嵌入式系统相结合的平台，实现通过 手机短信和触摸屏查询家居环境的温度，控制室内家用设备的功能，建立一 个对家居环境进行远程监控、实现家居智能化的系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 根据具体的研究情况，本论文的主要内容如下： 1 、介绍了l i n u x 2 6 1 3 内核裁减、配置和移植方法以及根文件系统的创 建过程； 2 、分析了g s m 模块a t 指令结构及其处理方法、g s m 短信协议数据单元 ( p d u ，p r o t o c o ld a t au n i t ) 的编码和解码原理，利用q t 开发了解码和编码 的后台程序； 3 、详细说明了q t 界面开发过程，设计了基于l i n u x 运行的图形界面， 通过信号与槽模式实现了界面和后台程序的通信。 4 、完成了子模块的硬件电路设计，用c 语言编写了子模块程序，并给出 了软件设计流程图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章硬件平台 本系统中使用a r m 9 作为主控模块，它相对其他芯片如单片机具有更快的 运行速度、更多的扩展空间、更加便利的图形界面开发等特点，同时a r m 9 芯 片带有m m u ，能够有效地运行l i n u x 操作系统。采用b e n q 公司的m 2 2 芯片作 为本系统中的g s m 模块，该模块能够完全满足设计的需要，其价格行对同类 其他产品更加便宜，同时还内置有t c p i p 协议，可以连接w a p 网络，为以后 留下了更多的扩展空间。系统中采用触摸屏是为了方便用户在主卧室内通过 点击触摸屏控制其他房间内的子模块工作，同时也增加了除短消息以外的控 制手段。由于r s 4 8 5 网络的布线成本低、软件开发容易、传输距离远等特点， 因此系统采用r s 4 8 5 网络作为主控模块和子模块之间的网络传输方式。 系统设计总体框架如图2 - 1 所示： p c 串口0 a r m 9 数据总线 显示器 机微处理器 ( 液晶屏) 图2 - 1 系统总体框架图 在本系统中涉及的主要设备如下： ( 1 ) a r m 9 开发板。主控模块，用于运行操作系统和应用程序。 ( 2 ) n e c3 5 寸液晶屏。触摸屏，用于显示图形界面。 ( 3 ) b e n qm 2 2g p r s 模块。该模块通过g s m 网络接收和发送短消息。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 4 ) s t c8 9 c 5 2 r c 单片机电路板。子模块，用于解释r 8 4 8 5 总线上控制 命令，完成信息采集和对设备的控制。 2 1 a r m 硬件平台概述 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可 以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字4 j 。 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，该公司设计了大量高性能、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、成本低和功耗 低的特点。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，采 用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器， 已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类 产品市场，基于a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面n 引。 a r m 是基于精简指令集的一种计算机体系结构实现，a r m 系列的处理器当 前有a r m 7 、a r m 9 、a r m i o 以及s t r o n ga r m 等多个产品，此外a r m 公司的合作 伙伴，如i n t e l 也提供基于x s c a l e 微体系结构的相关处理器产品。所有的a r m 处理器都共享a r m 通用的基础体系结构，所以开发者在不同的a r m 处理器上 做操作系统移植时，将可以节省工作量，这无疑将大大降低软件开发成本。 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： ( 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能； ( 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件； ( 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快； ( 4 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成； ( 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高； ( 6 ) 指令长度固定。 目前a r m 微处理器包括a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ，a r m i o e ，s e c u r c o r e ，x s c a l e ， s t r o n g a r m 等几个系列鉴于当前电子市场上的情况，在此主要讨论一下a r m 7 与a r m 9 这两种主流处理器的特点及应用领域。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 a r m 7 微处理器系列 a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位和 功耗要求较高的消费类应用。a r m 7 微处理器系列具有如下特点： ( 1 ) 具有嵌入式i c e r t 逻辑，调试开发方便。 ( 2 ) 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。 ( 3 ) 能够提供o 9 m i p s 姗z 的三级流水线结构。 ( 4 ) 兼容1 6 位的t h u m b 指令集。 ( 5 ) 对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等。 ( 6 ) 指令系统与a r m 9 系列、a r m 9 e 系列和a r m l o e 系列兼容，便于用 户的产品升级换代。 ( 7 ) 主频最高可达1 3 0 m h z ，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂 应用。 a r m 7 系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、i n t e r n e t 设备、网络 和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。a r m 7 系列微处理 器包括如下几种类型的核：a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i s 、a r m 7 2 0 t 、a r m 7 e j 。其中， a r m 7 t m d i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器，属低端a r m 处理器 核。 2 a r m 9 特点 相对于a r m 7 ，a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的 性能，具有以下特点： ( 1 ) 5 级整数流水线，指令执行效率更高； ( 2 ) 提供1 1 m i p s m h z 的哈佛结构； ( 3 ) 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集； ( 4 ) 支持3 2 位的高速a m b a 总线接口； ( 5 ) 全性能的m m u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入 式操作系统： ( 6 ) m p u 支持实时操作系统； ( 7 ) 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。 a r m 9 系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、 高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。a r m 9 系列微处理器包含a r m 9 2 0 t 、 a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 三种类型。 由此可见，a r m 9 对于l i n u x 操作系统的支持性完全能够满足本系统中图 形界面设计和编程的需要。因此，本系统采用的核心微处理器是s a m s u n g $ 3 c 2 4 4 0 ( 采用a r m 9 2 0 t 内核，运行频率可达4 0 0 m h z ) 。$ 3 c 2 4 4 0 有如下片内 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 资源： ( 1 ) 外部存储控制器( s d i 础c o n t r o la n dc h i ps e l e c tl o g i c ) ； ( 2 ) l c d 控制器( 带有d m a 功能) ，8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口； ( 3 ) 4 通道d m a ，带有外部d m a 请求引脚； ( 4 ) 3 通道u a r t ( i r d a l 0 ，1 6 一b y t et xf i f o ，a n d1 6 一b y t er xf i f o ) ， 2 通道s p i ： ( 5 ) 多主i i c 总线和i i s 总线控制器； ( 6 ) s d 接口v 1 0 和多媒体卡协议v 2 1 1 ； ( 7 ) 2 个u s bh o s t 口，1 个u s bd e v i c e 口( 支持v 1 1 ) ； ( 8 ) 4 通道p w m 定时器和单通道内部定时器； ( 9 ) 有看门狗w a t c h d o g ，实时时钟r t c ，锁相环( p p l ) 片内时钟发生器； ( 1 0 ) 共有1 1 7 位通用i o 口，2 4 个外部中断源。 3 开发板资源 本课题采用的开发板是友善之臂公司的q q 2 4 4 0 v 3 ，它是基于三星公司的 $ 3 c 2 4 4 0 a 处理器的开发平台。其外观及功能如下所示： ( 1 ) c p u 处理器 - s a m s u n g $ 3 c 2 4 4 0 a ，主频4 0 0 m h z ，最高5 3 3 m h z ( 2 ) s d r a m 内存 一板上6 4 船s d r a m - 3 2 b i t 数据总线 - s d r a m 时钟频率高达i o o m h z ( 3 ) f l a s h 存储 一板上6 4 m bn a n df l a s h ，掉电非易失 一板上2 m bn o rf l a s h ，掉电非易失 ( 4 ) l c d 显示 一板上集成4 线电阻式触摸屏接口，可以直接连接四线电阻触摸屏 一支持黑白、4 级灰度、1 6 级灰度、2 5 6 色、4 0 9 6 色s t n 液晶屏，尺寸从3 5 寸到1 2 1 寸，屏幕分辨率可以达到1 0 2 4 x 7 6 8 象素； 一支持黑白、4 级灰度、1 6 级灰度、2 5 6 色、6 4 k 色、真彩色t f t 液晶屏， 尺寸从3 5 寸到1 2 1 寸，屏幕分辨率可以达到1 0 2 4 x 7 6 8 象素； 一板上引出一个1 2 v 电源接口，可以为大尺寸t f t 液晶的1 2 vc c f l 背光模 块( i n v e r t i n g ) 供电。 ( 5 ) 接口和资源 一1 个1 0 m 以太网r j - 4 5 接口( 采用c s 8 9 0 0 网络芯片) 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 一3 个串行口 一1 个u s bh o s t 一1 个u s bs l a v eb 型接口 一1 个s d 卡存储接口 一1 路立体声音频输出接口，一路麦克风接口； 一1 个2 o m m 间距2 0 针标准j t a g 接口 一4 个u s e rl e d s 一4 个u s e rb u tt o n s 一1 个p w m 控制蜂鸣器 一1 个可调电阻，用于a d 模数转换测试 一1 个i i c 总线a t 2 4 c 0 8 芯片，用于i i c 总线测试 一1 个2 0 p i n 摄像头接口 一板载实时时钟电池 一电源接口( 1 2 v ) ，带电源开关和指示灯 ( 6 ) 系统时钟源 - 1 2 m 无源晶振 ( 7 ) 实时时钟 一内部实时时钟( 带后备锂电池) ( 8 ) 扩展接口 一1 个3 4 p i n2 o m m g p i o 接口 一1 个4 4 p i n2 o m m 系统总线接口n 5 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图2 - 2 开发板外观 3 开发板存储资源 $ 3 c 2 4 4 0 将系统的存储空间分成8 组( b a n k ) ，每组支持的最大值为1 2 8 船， 一共最大支持1 6 b 。b a n k o 到b a n k 5 的开始地址是固定的，用于r o m 或s r a l i 。b a n k 6 和b a n k 7 用于r o m 、s r a i l 或s o r a m ，这两个组可编程且大小相同。b a n k 7 的开始 地址是b a n k 6 的结束地址。$ 3 c 2 4 4 0 采用n c , c s 7 ：0 8 个通用片选信号选择这些 组。因此，$ 3 c 2 4 4 0 支持两种启动模式： 一从n a n df l a s h 启动 一从外部n g c s o 片选的n o rf l a s h 启动 所以在这两种启动模式下，各片选的存储空间分配是不同的，这两种启动 模式的存储分配如图2 3 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 b o o ti n t e r n a l s r a m1 4 k b l s r o m s d r a m l n g c s 7 s r o m ，s d r a m i n g c s 6 ) s r o m i n g c s 5 ) s r o m l n g c s 4 ) s r o m l n g c s 3 ) s r o m i n g c s 2 j s r o m l n g c s l ) s r o m l n g c s 0 ) 佣1 1 ：o 】- 【u i n 口n a n d m f o r b o o t r o m 】 图2 - 3 $ 3 c 2 4 4 0 存储结构图1 1 驯 在开发板上，b a n k o 接的是2 m b 的n o rf l a s h ，b a n k l 接的是6 4 m b 的n a n d f l a s h 。在n o rf l a s h 启动模式( 非n a n df l a s h 启动模式) 下，与n g c s o s h 连 的外部存储器n o rf l a s h 就被映射至i j n g c s o 片选的空间；在n a n df l a s h 启动模 式下，与n g c s l 相连的n a n df l a s h 上的前的4 k 内容就被映射至u n g c s o 片选的空 间制。启动模式的选择由开发板上的j l 跳线决定： j 1 接至u n o rf l a s h 标识一侧时，系统将从n o rf l a s h 启动； j 1 接到n a n df l a s h 标识一侧时，系统将从n a n df l a s h 启动。 b a n k 6 和b a n k 7 都是接的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 芯片，该芯片是4 组4 m b l 6 位的s d r a m ， 工作频率在i o o m h z ，2 个芯片组成了3 2 位6 4 m b 的s d r a m 。 2 2g s m 模块 g s m 全名为：g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i e a t i o n s ，中文名 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 为全球移动通讯系统，俗称”全球通”，是一种起源于欧洲的移动通信技 术标准，是第二代移动通信技术，其开发目的是让全球各地可以共同使 用一个移动电话网络标准，让用户使用一部手机就能行遍全球。g s m 系统 包括g s m9 0 0 ：9 0 0 m h z 、g s m l 8 0 0 ：1 8 0 0 m h z 及g s m l 9 0 0 ：1 9 0 0 m h z 等几 个频段。g s m 是一种广泛应用于欧洲及世界其他地方的数字移动电话系 统。g s m 使用的是时分多址的变体，并且它是目前三种数字无线电话技术 ( t d m a 、g s m 和c d m a ) 中使用最为广泛的一种。g s m 将资料数字化，并将 数据进行压缩，然后与其它的两个用户数据流一起从信道发送出去，另 外的两个用户数据流都有各自的时隙7 1 。 g s m 是一种多业务系统，可以依照用户的需要为用户提供各种形式的通 信。习惯上，人们把话音业务与数据业务区别开来：话音业务中，信息是话音， 而数据业务传送包括电文、图像、传真及计算机文件等在内的其它信息。除 了这些传统业务以外，g s m 还提供一些非传统的业务，如短消息业务8 l 。 g s m 可以提供2 种短信服务，一种是点对点短消息服务，该服务发送和接 受应处在呼叫状态或空闲状态时进行，由控制信道转送短消息；另一种短消 息服务是“广播短消息 ，即系统周期性的对蜂窝中所有的用户广播数据信息， 它也是在控制信道上传送9 j 。 本系统中主要利用的就是g s m 的短消息业务进行远程控制，短消息业务 适合实时性要求不高，数据量不大的数据通信。 目前市面上出现的主流g s m 模块主要有以下几种： ( 1 ) b e n o 公司的m 2 0 m 2 2 ( a ) m 3 2 ( a ) m 2 3 g 模块； ( 2 ) s i e m e n s 公司的t c 3 5 ( i ) m c 3 5 ( i ) 模块； ( 3 ) s o n ye r i c s s o n 公司的g r 4 7 g r 4 8 模块； ( 4 ) w a v e c o m 公司的q 2 3 0 3 a q 2 4 0 3 a q 2 4 0 6 模块； ( 5 ) s i m c o m 公司的s i m 3 0 0 模块。 相对于以上的各种模块，b e n q 公司的m 2 2 模块设计小巧、功耗很低，拥有 r s 2 3 2 接口，可以支持全双工和半双工2 种串口连接方；支持g s m g p r s 功能； 内置有t c p i p 协议，可以支持数据业务的透明和非透明传输；模块上自带天 线m m c x 接头；支持标准的a t 命令集；价格上比同类产品要便宜。 综上所述，鉴于功能和成本上的要求，本系统中采用b e n qm 2 2 模块作为 短消息的收发设备。 b e n om 2 2 的特性如下： 一支持频段：e g s m 9 0 0 d c s l 8 0 0 p c s l 9 0 0 m h z ； 一符合e t s ig s mp h a s e2 + ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 一支持s i m 接口： 一工作电压3 2 v 4 2 v ； 嗵讯功能：支持g s m 语音，数据，传真，短消息及g p r s 数据传输等 一软件支持标准a tc o m a n d ( 3 g p p2 7 0 7 2 7 0 5 ) ； 一尺寸：3 0 8 x 3 5 2 x 2 8 5 ( ) ； 一4 8p i nl c c 封装；“1 由于该模块的接口电路较为复杂，而且自己设计的可靠性不高，因此本 课题中采用的是现成的g s mm o d e m ，它可以支持短信收发、语音、传真、6 p r s 上网、数据传输等，如图2 4 所示。 23 子模块 图2 - 46 s m 模块外观 于模块作为下位机负责采集数据，控制设备的开关等，它的核心芯片采 用的是s t c 公司的8 9 c 5 2 r c 。s t c 8 9 c 5 2 r c r o + 系列单片机是宏晶科技推出的新 一代抗干扰、高速、低功耗单片机，指令代码完全兼容传统8 0 5 1 单片机，具有 可靠性高、非易失性存储、功耗低、价格低廉、无法解密等优点”。 子模块主要的目的是接受来自主控模块的控制，同时对；o 口进行读写， 因此主要分成三个硬件部分：串口通信电路、温度检测显示电路以及开关控 制电路。 子模块上的开关控制电路相对来说比较简单，是由单片机的i o 接三极 管直接驱动继电器，通过继电器控制2 2 0 v 家用设备，其电路如图2 - 5 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 3 1 串口通信电路 图2 5 开关控制电路 串口电路是a r m 开发板与单片机通信的接口电路，a r m 就是通过串行通讯 向单片机发送指令，以控制单片机完成数据的远距离传输。在本设计中，一 共设计了2 个串行接口，分别是r s 一2 3 2 接口和r s - 4 8 5 接口，由于8 9 c 5 2 r c 只有一个串口，因此2 种接口在使用时只能选择一种，通过跳线来进行选择： 在刷新单片机程序时选择r s 一2 3 2 接口，在进行远距离通信时选择r s - 4 8 5 接 口，跳线电路部分如图2 - 6 所示。 s w s 阳工! 翌型 图2 - 6 串1 ：1 跳线电路 1 r s - 2 3 2 电路 r s - 2 3 2 是美国电子工业协会正式公布的串行总线标准，也是目前最常用 的串行接口标准，主要用来实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的 数据通讯。r s - 2 3 2 串行通讯是全双工的，可以同时接收和发送，其串行通讯 电路如图2 - 7 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 u 2v c c 1 5 g n dv c c 1 6 1 上 、l 62可 c a _ p c 柚d - i c a p hc a p l + - j c 5 二盎枢，31 、l u f c a p2 c a p i r t o u 丁1t i n l ! ! ， r t o u t 2t - i n 2 1 07 、2 3 孔墨d r 且i n l r o u r l 1 2 ； 9 2 3 2 r x d r r i n 2r - o u t 2 塑r232 2r232rxi)3 zi v 1 r x r 、7i i l 一i 4 l 一l 飞 j 吼 k z j z 图2 - 7r s 一2 3 2 通信电路 电路中采用的芯片是m a x 2 3 2 ，m a x 2 3 2 芯片是由美国m a x i m 公司生产 r s - 2 3 2 数据通讯接口芯片。其电源输入电流小，典型值为4 m a ，电平转换速度 快，典型值为1 2 v u s ，传输延时为1 3 u s ( t t l 到r s - 2 3 2 ) 和0 6 u s ( r s - 2 3 2 到t t l ) ，具有三态的输入输出门电路，可以进行双向的电平转换，即把t t l 电平转换成r s 一2 3 2 电平，也可以把r s - 2 3 2 电平转换成t t l 电平。外接电容 的大小会对传输的指标有一定的影响，通常情况下，选择的外接电容为l u f 心3 | 。 2 r s - 4 8 5 电路 r s 一4 8 5 相对于r s - 2 3 2 使用非常广泛，它具有以下特点： ( 1 ) r s 一4 8 5 的电气特性：逻辑“1 以两线间的电压差为+ ( 2 6 ) v 表 示；逻辑“0 以两线间的电压差为一( 2 6 ) v 表示。 ( 2 ) r s 一4 8 5 的最高数据传输速率为l o m b p s 。 ( 3 ) r s - 4 8 5 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力 增强，即抗噪声干扰性好。 ( 4 ) r s 一4 8 5 接口的最大传输距离实际上可达1 2 0 0 米左右，比r s 一2 3 2 一c 传输距离远很多。另外r s - 2 3 2 - c 接口在总线上只允许连接1 个收发器，即单 站能力，而r s - 4 8 5 接口在总线上允许连接多达1 2 8 个收发器，即具有多站能 力，这样用户可以利用单一的r s 一4 8 5 接口方便地建立起通信网络。 在目前的工控网络中，r s 一4 8 5 系列组建网络方便，价格便宜，通信距离 和传输速度都能够满足用户的需要。同时r s - 4 8 5 相对于r s 一2 3 2 来说，有通 信距离远传输速率高等优点，因此在本设计中采用了r s - 4 8 5 来作为分布式控 制系统的串行通信电路，其原理图如2 - 8 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 j r 图2 - 8r s - 4 8 5 原理图 在该电路中可以选择p 2 6 对发送和接收状态进行切换，或者可以通过跳 线选择自动模式。在自动模式下，发送和接收状态可以根据总线上的数据自 动进行切换。 2 3 2 温度测量与显示电路 测量温度的关键是温度传感器。随着技术飞速发展，传感器已进入第三 代数字传感器。本测温系统采用的d s l 8 8