（电力系统及其自动化专业论文）嵌入式rtu与gprs通信模块的应用研究.pdf

a b s t r a c t r e c e n t l y , e m b e d e da r mm i c r o c o n t r o l l e rw i t ha b u n d a n ti n n e rc h i p r e s o u r c e s ，p o w e r f u lp e r f o r m a n c e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ， h i g n - p e r f o r m a n c ea n dl o w - p r i c eh a v eb e e nt h em a i ns t r e a ma n da b s o l u t e t r e n d sa n de m b e d e ds y s t e mb a s e do na r mh a r d w a r ec o r eh a saw i d e r a n g eo fa p p l i c a t i o np r o s p e c t a n dt h ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o nw i t h i n t e r a c tt h r o u g hw i r eo rw i r e l e s sm o d eh a sb e e na l s oaa b s o l u t et e n d a n c e t h ep a d e rm a i n l yr e s e a r c h e da n dd i s c u s s e dt h ee m b e d e dr t us y s t e ma n d h o wi tc o n n e c tw i t hi n t e m e tt h r o u g hg p i l sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h em a i n c o n t e n t so ft h er e s e a r c ha r e a sf o l l o w s ： d e s i g n e da n di m p l e m e n t e de m b e d e dr t uh a r d w a r ea n ds o f e w a r ed e s i g n t h eh a r d w a r ec o r ei sa r me m b e d e dm i c r o c o n t r o l l e rl p c 2 2 1 0w h i c hi s d e v e l o p e db yp h i l i p sc o m p a n y c 6 m p a r e dw i t h8b “s c mw h i c hi sa l s o u s e df o ra n a l o ga q u i s i t i o na n do u t p u t ，i tg r e a t l yi n c r e a s e dt h ea m o u n to f c e n t r e lo b j e c t sa n di m p r o v e dr e a l - t i m ep e r f o r m a n c e s o f e w a r ed e s i g ni s b a s e do ne m b e d e do p e r a t i o n s y s t e ma n dt h u si m p r o v e dt h es y s t e m r e l i a b i l i t y ag u i d e l i n et h a tu s i n gt h en e wd e v i c e sa n dn e we f f e - c t i v e m e t h o d st oi m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c ei sa l w a y sp r o p o s e d suha s ； c o n s i d e r i n gt h a tt h ea m o u n to ff i e l dd a t ab e e np r o c e s s e di sh u g ea n di t v a r i e sa l lt i m e sa n d8 0t h em e m o r ys t o r a g eu n i t so ft h ee m b e d e ds y s t e m c a nb ee a s i l yd i s a b l et ou s ea n dt h el i v et i m eo f t h e mc a nn o tm e e tt h el i r e e x p e c t a n c ya n dt h u sr e s u l ti nt h ef a i l u r eo ft h es y s t e m i nt h i sp a p e r , a l o o p q u e u em e t h o do fd o u b l el a y e ra d d r e s sm a p p i n gi sp r e s e n t e ds o t h a tt h e r ec a nb en ni n c r e a s e ds t o r a g eu n i tl i v et i m ei nas e r i a le 2 p r 0 ：m w i t hm a s ss t o r a g ec a p a c i t y i s p l 5 8 1c h i pi sa d o p t e da n dh i g n s p e e du s b i n t e r f a c ei sd e s i g n e da n ds oi tm a d et h ei n t e r f a c et r a n s m i s s i o ns p e e d r e a c h e d1 2 5 mb y t e s ，a n di tw a sc o m p a t i b l ew i t hd m a t r a n s m i s s i o n ，s o i tc a nb ee a s i l yc o n n e c t e dw i t hm a s ss t o r a g ed e v i c e s r e s e a r c h e da n d i m p l e m e n t e dt h ec o n n e c t i o nb e t w e e ne m b e d e dr t ua n dg p r sm o d u l e a n di t sc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n w h e ng p r sc o m m t m i c a t i o nm o d u l ei s r e f e r r i n gt o , w i t hm u t u r et e c h n i q u ea n dw i d e l ya p p l i c a t i o n ，w i s m o m o d u l ed e v e l o p e db yw a v ec o m p a n yi sa d o p t e d t w ok e yp r o b l e m sa r e r e s o l v e dw h i l ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o nw a si m p l e m e n t i n g o n ei sh o w n t h ee m b e d e dr t uc o n n e c tw i t h ( 诤r sm o d u l e t h eo t h e ri sh o wt o i m p l a nt h er e a l - t i m eo p e r a t i o ns y s t e mi n t ot h ee m b e d e d 姗t h e n i m p l a n u i pi n t ot h e p c o s i i a n ds oi m p l e m e n tp r o t o c o ls t a c k r e s e a r c h e da n d p r o p o s e d h o wt o i m p r o v e e m b e d e d s y s t e m c o m m u n i c a t i o ns a l t yp e r f o r m a n c e i no r d e rt oi m p r o v ee m b e d e dr t u s y s t e mi t s e l fs a r yp e r f o r m a n c e ，as i m p l ea n de f f e c t i v em e t h o di sa d o p t e d a n dt h a ti s u t i l i z i n g ae n c r y p a b l em e m o r yc h i pa t 8 8 s c l 6 1 6a n d e n c r y p t i n gt h eh a r d w a r ec i r c u i ta n di m p o r t a n td a t as h u o u l eb ea c c e s s e d t h r o u g ha u t h e n t i c a t i o na n ds ot h es y s t e m ss a f yp e r f o r m a n c ew a sg r e a t l y e n h a n c e d a tt h es a m et i m e ，an e t w o r ks a l t ys t r u c t u r ei sp r o p o s e db a s e d o nc r y p t o g r a p h i cp r o t o c o lo f c r y p t o g r a p h ya n dc r y p t o g r a p h i ca l g o r i t h m k e yw o r d se m b e d e d r t u ，l p c 2 2 1 0 ，1 1 c o s i i ，g p r s i i i 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，除了论文中特另m j j n 以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人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者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论文中作了明确的说明。 作者签名：盐挝 日期：a 町年f 月2 f 日 关于论文使用授权的说明 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，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的 全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学 校可以根据国家和湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者酶硷蜘师魏雠瞧叩年譬月可日 生直塞堂亟堂僮论室 蓥二童绪论 第一章绪论 1 1 嵌入式系统的发展现状和发展趋势 1 1 1 嵌入式系统定义 嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁 剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系 统“1 。嵌入式系统的最大特点是其所具有的目的性或针对性，即每一套嵌入式系 统的开发设计都有其特殊的应用场合与特定功能，这也是嵌入式系统与通用的计 算机系统最主要的区别。另外，嵌入式技术与实时性有着天然的联系：由于嵌入 式系统是为特定的目的而设计的，且常常受到空间、成本、存储、带宽等条件的 限制，因此，它必须最大限度地在硬件上和软件上“量身定做”以提高效率，这 样的结果最终导致了实时性的增强。 1 1 2 嵌入式系统发展现状 随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术也将获得广阔的发展 空间。美国著名未来学家葛洛庞帝1 9 9 9 年1 月访华时预言，4 5 年后嵌入式智能 ( 电脑) 工具将是p c 和因特网之后最伟大的发明脚。 进入2 1 世纪以来，嵌入式技术全面展开，目前已成为通信和消费类产品的 共同发展方向。在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术。在广播电视领域， 美国已经开始由模拟电视向数字电视的转变，欧洲d v b ( 数字电视广播) 技术 已在全球大多数国家推广。在个人领域中，嵌入式产品将主要是作为个人移动的 数据处理和通信软件。由于嵌入式设备具有自然的人机交互界面，g u i 屏幕为中 心的多媒体界面给人很大的亲和力。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮 件以及彩色图形、图像已取得初步成效。 今天嵌入式系统带来的工业产值已超过了一万亿美元。来自2 0 0 5 年美国嵌 入式系统大会( e m b e d d e ds y s t e mc o n f e r e n c e ) 的报告指出，此前5 年仅基于嵌 入式计算机系统的全数字电视产品，就已经在美国产生一个每年1 5 0 0 亿美元的 新市场。基于r t o s 的e m b e d d e d i n t e m e t 成为一个技术新热点。 嵌入式技术的迅速发展不仅使之成为当前微电子技术与计算机技术中的一 个重要分支，同时也使计算机的分类从以前的巨型机、大型机、小型机、微机之 分变为通用计算机与嵌入式系统之分。嵌入式的应用更是遍及金融、航天、电信、 网络、信息家电、医疗、工业控制、军事等各个领域，以致有些学者断言，嵌入 t 虫直太堂亟堂焦i 金塞 簋二童绪论 式技术将成为后p c 时代的主宰。 1 1 3 嵌入式系统发展趋势 以信息家电为代表的互联网时代嵌入式产品，不仅为嵌入式市场展现了美好 前景，注入了新的生命；同时也对嵌入式系统技术，特别是软件技术提出新的挑 战。1 。这主要包括：支持日趋增长的功能密度、灵活的网络联接、轻便的移动应 用和多媒体的信息处理，此外，当然还需对付更加激烈的市场竞争。 ( 1 ) 嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持 随着因特网技术的成熟、带宽的提高，i c p 和a s p 在网上提供的信息内容 日趋丰富、应用项目多种多样，像电话手机、电话座机及电冰箱、微波炉等嵌入 式电子设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。为了满足应用功能的升级， 设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如3 2 位、6 4 位r i s c 芯片或信号处 理器d s p 增强处理能力；同时还采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术 来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。 目前，国外商品化的嵌入式实时操作系统，已进入我国市场的有w i n d r i v e r 、 m i c r o s o f t 、q n x 和n u c l e a r 等产品。我国自主开发的嵌入式系统软件产品如科银 ( c o r e t e k ) 公司的嵌入式软件开发平台d e l t a s y s t e m ，它不仅包括d e l t a c o r e 嵌入式 实时操作系统，而且还包括l a m d a t o o l s 交叉开发工具套件、测试工具、应用组件 等；此外，中科院也推出了h o p e n 嵌入式操作系统。 ( 2 ) 联网成为必然趋势 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向2 l 世纪的嵌入式系统要 求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入设备必需配有 通信接口，相应需要t c p i p 协议簇软件支持；由于家用电器相互关联( i n 防盗报 警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息) 及实验现场仪器的协调工作 等要求，新一代嵌入式设备还需具备i e e e l 3 9 4 、u s b 、c a n 、b l u e t o o t h 或i r d a 通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支 持应用软件的特定编程模式，如w e b 或无线w e b 编程模式，还需要相应的浏览 器，如h t m l 、w m l 等。 ( 3 ) 支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本 为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内存 容量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求。如，选用最 佳的编程模型和不断改进算法，采用j a v a 编程模式，优化编译器性能。因此， 既要软件人员有丰富经验，更需要发展先进嵌入式软件技术，如j a v a 、w e b 和 w a p 等。 2 生直太堂亟堂焦监塞蓥二重缝途 ( 4 ) 提供精巧的多媒体人机界面1 3 嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要因素之一是它们与使用者之间 的亲和力，自然的人机交互界面，如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通过习 惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。人们与信息终端交互要求以g u i 屏幕为中心的 多媒体界面。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像 已取得初步成效。目前一些先进的p d a 在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息 语音发布，但离掌式语言同声翻译还有很大距离。 1 2 $ 0 a d a 系统概述 本论文来源于自来水供水调度监控系统的工程项目，它属于s c a d a 系统， 首先我们简单介绍一下s c a d a 系统。s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 系统，即监测监控及数据采集系统，是以计算机为基础的监测控制 与调度管理自动化系统，它可以实时采集现场数据，对工业现场进行本地或远程 的自动控制，对工艺流程进行全面、实时的监视，并为生产、调度和管理提供必 要的数据。 s c a d a 系统主要应用于水利、石油、供电等行业中，用于地理环境恶劣无 人值守的环境下进行远程控制。 s c a d a 系统的主要结构包括远程控制单元r t u 、通讯网络及中心站。 ( 1 ) r t u ：主要作用是进行数据采集及本地控制，进行本地控制时作为系统中 一个独立的工作站，这时r t u 可以独立的完成连锁控制、包括前馈控制、反馈控 制、p i d 等工业上常用的控制调节功能；进行数据采集时作为一远程数据通讯单 元，完成或响应本站与中心站或其它站的通讯和遥控任务。 传统的r t u 多采用单片机，它的固有的缺点是硬件资源不够丰富，对于采集 信号量比较大的场合如模拟数字信号输入输出达至t j 3 2 路，应用单片机来处理显得 有些吃力且由于它本身运算速度不够快而造成海量数据的处理速度较慢，控制实 时性较差。在本系统的设计中，用a r m 芯片来代替传统的单片机，一方面提高了 现场数据采集和控制对象的数量，另一方面也极大地提高了控制系统的实时性。 ( 2 ) 系统的通讯网络：主要用于r t u 与中心站通讯及与其它r t u 通讯。通讯 链路种类有多种，如：无线、有线、微波、光纤等。在本系统中采用无线g p r s 通讯。 ( 3 ) 中心站：中心站是一个局域网，可包含多个工作站和支持网络功能的 设备，以完成不同的工作。它通过中心站软件管理系统数据库，每个工作站通过 组态画面监测现场站点，下发控制命令进行控制，并完成工况图、统计曲线、报 3 生直太堂亟堂僮j 金塞箍二童绪j 金 表等绘图软件的标准功能唧。 综上所述，s c a d a 系统具有以下功能： ( 1 ) 数据采集 ( 2 ) 本地和远程控制 ( 3 ) 多种通讯介质联接 ( 4 ) 易于重新配置 ( 5 ) 本地和远程诊断 系统结构如下图所示。 图1 - 1s c a d a 系统结构示意图 1 3 嵌入式r t u 的发展现状及其通信 1 3 1 嵌入式r t u 的发展现状 目前r 1 u 系统可以基于单片机、也可以基于p l c ( 可编程序逻辑控制器) ， 甚至可以是i p c ( 工业控制型计算机) 构成。不同构成的终端机在造价上存在着 很大的差异。在s c a d a 系统中，设计者在满足功能需要的静提下总是选用价格 尽可能低的产品，故基于单片机的r t u 最为常见的。例如湖南华博科技开发有 限公司在多个自来水自动化控制系统项目中，采用的都是基于单片机的r t u 系 统。该公司先后自主研发了两代r 1 u 系统，比如第二代r 1 哪系统是使用华邦公 司的w ? 8 e 5 4 为系统的c p u ，该c p u 为1 6 k 程序存储器，2 5 6 字节内部r a w ，设计 用来最大采集8 路模拟量信号，经c p u 处理后，最大输出四路模拟量电流信号。该 系统的a d 芯片( 即模数转换芯片) 采用t l c 0 8 3 8 该芯片，为8 路8 位的模数转换 芯片。数模转换芯片采用t l c 5 6 2 0 ，该芯片是4 路8 位电压输出的模数转换器。 可以看出，此r t u 系统对于采集量不多，对采集数据的精度要求不很高的场合是 可以满足需求的。但是单片机的片内资源都比较有限，尤其i o 口数量也有限， 对于输入输出的数字量或开关量比较多的场合，我们多考虑采用p c l 来实现现场 数据采集和控制，p l c 对的数字量处理功能比较强，而且控制对象的数量非常大， 4 主虚太望亟堂僮趁室簋= 童绻论 小型p l c 可以处理几十个点数，大的可以达到上千点数。但是用p l c 作为r t u 相 对单片机来说成本是很高的。 1 3 2 嵌入式r t u 的通信 数据通信网络是s c a d a 系统中嵌入式r t u 与主站之间的信息传输通道。目前， 自来水供水调度监控系统中采用的数据通信可简单分为有线和无线两大类，其中 有线通信主要包括架设光缆、电缆或租用电信电话线、x 2 5 、d d n 、a d s l 等，而 无线则包括超短波通信、扩频通信、卫星通信、g s m 短信g p r s 通信等。 在城市供水调度监控系统中，由于各管网监控点分布范围广、数量多、距离 远，个别点还地处偏僻，因此架设光缆、铺设电缆难度大、不切合实际，向电信 部门租用专用电话线又要申请很多电话线，而且有些监控点线路难以到达，况且 采用电话线路时需要等待漫长的电话拨号过程，速度慢，运营成本较高，总之监 控系统采用有线通信方式建设周期长、工作难度大、运行费用高，不便于大规模 使用；与之相比，无线通信方式则显得非常灵活，它具有投资较少、建设周期短、 运行维护简单、性价比高等优点。在监控系统中，无线通信方式主要包括“1 ：超 短波( 2 3 0 m h z ) 无线数传、扩频、卫星通信、g s m 数字蜂窝通信系统等，其中卫 星通信由于通信费用昂贵，只在一些特殊的领域下使用，未得以普及；而扩频通 信技术虽然速率高，但只能在视距范围内传输，应用也受到限制。采用超短波数 传电台作为传输信道具有组网灵活、扩展容易、维修方便、运行费用低等优点， 但由于系统工作于2 3 0 眦z 且多采用普通间接调制的数传电台，这就造成系统易 受外界干扰、通信速率低、误码率高、数据传送量不大、信号覆盖范围小等缺点。 1 4g p r s 通信 g p r s 是通用分组无线业务的英文简称，是一种新的分组数据承载业务。基于 g p r s 的无线网络的通信，在核心网络引入分组交换平刽”( g s n ) ，在s g s n 和 g g s n 采用分组交换平台方式，定义了基于t c p i p 的g t p 协议方式来承载高层 数据：通过g g s n ，实现了与标准i n t c m e t 网的无缝连接，在g g s n 可实现与外部 i p 网络的透明与非透明的连接；以灵活的方式与g s m 语音业务共存在无线与网 络( 如g s 接口) ，采用了灵活的策略，实现数据与话音业务共存。以g p r s 为基 础的无线数据系统越来越得到广泛的应用，g p r s 使互联网进入无线领域，一直 延伸到手掌上。除了支持传统的互联网应用，g p r s 也可使无线终端支持b 2 b 、 b 2 c 的电子商务和电子支付、股票交易、银行转帐等应用。g p r s 同样可以用于 公司内部网( i n l l r a n e t ) ，基于i p 的远程l a n 接入，使无线终端l a n 的延伸。 5 虫直友堂亟堂僮论毫 筮= 童绪论 目前，g s m 网络经过电信部门的多年建设，覆盖范围不断扩大，已成为成熟、 稳定、可靠的通信网络，特别是中国移动新推出的g p r s 数据业务。g s m g p r s 系统 可提供广域的无线i p 连接。在移动通信公司的g p r s 业务平台上构建自来水供水调 度监控系统，实现管网监控点的无线数据传输具有可充分利用现有网络，缩短建 设周期，降低建设成本的优点，而且设备安装方便、维护简单。 基于g p r s 无线通信网络的系统具备如下特点 s l ： l 、良好的实时响应与处理能力。与短消息服务比较，由于g p r s 具有实时在 线特性，系统无时延，系统能够同时实时收取、处理多个所有监测点的各种数 据，无需轮巡就可以同步监测点的时钟可很好的满足系统对数据采集和传输实时 性的要求。 2 、远程仪器设备控制：由于采用g p r s 双向传输系统，监控中心可以反向 实现对仪器设备的时间校正、状态报告、开关以及其他监测、控制等功能； 3 、建设成本低：可充分利用现有g s m 网络，设备安装即接通，而采用超短 波通信时需要充分考虑现场环境，还需要配备天线铁架等附属设备。 4 、安装调试简单，建设周期短：利用现有成熟g s m 网络，系统投入运行时 基本不需要调试，安装简捷。采用超短波通信时安装调试工作量大，要先进行现 场信号测试，天线铁架架设，天线方向角度调试等工作。 5 、覆盖范围广。构建供水调度监控系统要求数据通信覆盖范围广，扩容无 限制，接入地点无限制，能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。 由于管网监控点数量众多，分布在全市范围内，部分管网监控点位于偏僻地区， 而且地理位置分散。采用超短波通讯方式，覆盖范围只有3 0 多公里；而采用g p r s 方式，理论上在无线g s m d g p r s 网络的覆盖范围之内，都可以实现监控。 6 、数据传输速率高。g p r s 网络传送速率理论上可达1 7 1 2 k b i t s ，实际应用 时数据传输速率在4 0 k b p s 左右，而目前一般的超短波数传电台传送速率多为 2 4 k b i t s 或更低。 7 、系统的传输容量大。监控中心站要和每一个管网监控点实现实时连接。 由于管网监控点数量众多，系统要求能满足突发性数据传输的需要，而g p r s 技 术能很好地满足传输突发性数据的需要。 8 、通信费用低。由于g p r s 采用包月计费的方式，运营维护成本低，月通信 费用将在2 0 0 元之内。 1 5 论文提出的意义和主要研究内容 s c a d a 系统中r t u 的数量需求一般都比较大，如果r t u 都采用商业购买 6 生直占堂亟堂焦途童 簋= 重绻论 的方式，成本比较高，从而从整体上大大增加了$ c a d a 系统项目的成本开销。 为了节约成本，提高项目的投标竞争优势，我们采用自主研发r t l i 终端用于现 场数据的采集和本地控制。由以往的项目需要，我们公司已经相继研发了两代 r t u 的产品，其共同点都是采用8 位单片机做为处理器，而这种处理器的运算 速度都比较有限，应用于数据处理量大的场合实时性较差；更主要的是芯片本身 的i o 口也不够多，尤其对于数字量输入输出数目多的场合。 基于此，公司决定采用资源更丰富，处理速度更快的a r m 芯片作为微处理 器开发r t u ，来实现数据的采集和控制功能。系统充分利用a r m 处理器片内资 源丰富、性价比高、功耗低的优点，扩展了系统的通用接口，并且留有较大的存 储空间，采用g p r s 模块与r t u 无缝相接，实现了r t u 与中心站的通信，为 s c a d a 系统提供了经济，完善的解决方案。 本论文是在s c a d a 项目已经立项并开始设计的背景下提出来的，因此研究 开发嵌入式r t u 并实现其与中心站的通信，具有相当实际的意义。论文主要讨 论了基于a r m 处理器的嵌入式数据采集系统的软硬件设计，以及如何实现 g p r s 数据通信。首先，我们从系统应用需求的角度详细阐述了本系统应该具备 的功能；其次，根据功能要求进行功能划分，把整个系统划分为数据采集系统和 g p r s 通讯模块两大块，并且给出了其主要部分的软硬件设计和实现方法。再次， 提出了通信系统中加强通信安全的方法。最后，对本系统的研发工作作出总结并 作出了展望。 7 虫直太空亟堂焦途塞箍三童丕统盥焦递进 第二章系统总体设计 2 1 功能需求 嵌入式r t u 系统的构架可以分成四个部分：处理器，存储器，输入输出和 软件。 首先。嵌入式r 1 u 系统最核心的部分就是嵌入式处理器了。目前，世界上 具有嵌入式功能特点的处理器已经超过了1 0 0 0 种，3 0 多个系列。不同的处理器 有其不同的功能和优势。但是低成本，低功耗，高性能是嵌入式系统应用的特殊 要求。目前主要的嵌入式处理器类型有p o w e r p c ，x 8 6 ，m i p s ，a r m s t r o n g a l w 系列等1 9 l 。 其次，存储器也是构建嵌入式r t u 系统的重要部分。本系统就需要f l a s h 和s d r a m 。虽然存储器的选择依赖于处理器的选择，但是就功能需要来说，需 要考虑容量大的，性能稳定的存储器。就f l a s h 来说。还需要考虑f l a s h 的 擦赊等软件操作是否方便。 再次。要结合实际情况和处理器的功能，确定系统外围设备。本系统是一个 完整的嵌入式系统，根据实际的应用需要以下通信接口及a d ( 模拟数字转换) 和d a ( 数字模拟转换) 接口及数字量输入输出部分。 i r s 一2 3 2 串行接口 目前r s - 2 3 2 是p c 和通信工业中应用最广泛的一种串行接口。r s 2 3 2 被定 义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。系统需要通过该串口下 载程序或者进行串行通信。系统的传输速率要求是9 6 0 0 b p s , 而该串口能最高支持 1 5 2 0 0 b p s ，满足系统通讯速率的需求。 2 4 8 5 接口 该r t u 应用在s c a d a 系统中，它与中心站的通信距离大都在几十米至一 千米的范围内，这正符合r s 4 8 5 收发器的通信距离的限定。并且r s 4 8 5 相比 r s - 4 2 2 ，增强了多点，双向通信能力，因此，在本系统中，4 8 5 接口也是需要的。 3 u s b 接口 u s b 接口因其方便，传输速率高等优点已经逐渐成为计算机行业的外设接 口标准。嵌入式砌m 要与p c 机进行高速通信，u s b 接口当然是理想的选择。 4 a d 转换器 系统的功能之一是要实现模拟量的采集，其采集后的数据必须经过a d 转 换之后才能交由m c u 来处理，故此a d 转换器是需要的。 8 生直太望亟堂僮诠室 噩三重丕筮总笠超盐 5 d ，a 转换器 系统的控制对象包括对阀门的开合大小，电机转速快慢的控制，这需要输出 模拟量电流或电压来迸行大小控制。故d a 转换模块也是需要的。 6 数字量输入输出 嵌入式r t u 系统的功能之一是要采集即输入一定的数字量( 或开关量) ，也 需要输出一定的数字量( 开关量) ，所以数字量输入输出部分也是需要的。 7 键盘和液晶显示屏 键盘和液晶屏是常用的输入输出设备，结合各具特色的嵌入式应用软件，可 以把嵌入式r t u 的功能发挥更大，并且可以用于现场调试和手动操作。 8 g p r s 模块 嵌入式系统和中心站或p c 通过串行接口构成多微机系统广泛应用于工业控 制，环境监测等场合，这些系统大多采用r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 或是有线m o d e m 的通 信方式，虽然很经济实用，但是有线数据传输方式很大程度上限制了其使用的场 合。 此嵌入式r ：i u 和中心站通讯是在环境恶劣，不宜铺设有线的场合，故此嵌 入式r t u 与中心站的通信是通过无线g p r s 传输的，为了支持此种g p r s 无线 通讯的功能，本系统中必须加入g p r s 模块。 最后，本系统需要嵌入式操作系统的支持。对于操作系统的选择有几个方面： ( 1 ) 是否支持目标硬件平台 ( 2 ) 可移植性要求 ( 3 ) 支持多任务并具有实时性 ( 4 ) 开发工具的支持程度 ( 5 ) 源代码还是目标代码 ( 6 ) 许可 2 2 功畿规划 根据以上应用的需求，考虑到应用的领域，成本问题和开发的难易程度等因 素，我们采用了p h i l l i p s 公司推出的3 2 位高性能嵌入式处理器l p c 2 2 1 0 ，它集 成了a r m 7 t d m ic p u 核，可高达6 0 m h z 的c p u 操作频率，并且以低功耗为目 的进行了优化。 系统需要扩展1 6 k 闪存( f l a s h ) ，用于存放所有的指令和参变量；扩展 2 5 6 k x1 6 b i t 的同步动态数据存储器( s d r a m ) ，用于存放数据和运行程序；扩 展u s b 模块，与u s b 接口的外设进行通信；扩展r s 2 3 2 口，下载程序用于调试； 9 虫直太堂砸堂僮i 金童箍三童丞统盥佳遮让 扩展刖d 转换和d a 转换模块，进行模拟量采集和数字量的模拟输出；扩展数 字量输入输出电路，进行数字量输入和输出；扩展g p r s 模块，进行基于g p r s 网络的无线数据通信；扩展r s 4 8 5 通信模块，与g p r s 模块进行通信；扩展液 晶显示器和键盘，用于数据输出显示和现场输入操作：另外还有复位电路 ( r e s e t ) ，实时时钟( c l o c k ) 模块等。本系统的结构图如下图2 1 所示。 图2 - 1 系统的结构框图 系统的软件平台采用嵌入式pc o s i i 操作系统。它已经被成功地移植到了 a r m 处理器上，可以支持许多种基于a r m 的系统。其内核是源代码开放的， 且不象嵌入式l i n u x ，它支持没有m m u 的处理器，此种嵌入式r t u 属于小型控 制系统，它可充分利用| ic o s i i 小巧且实时性强的优势。 2 3 设计原则 具体在硬件电路的设计中，为了使设计合理，确保测量的精度，以获得最佳 的设计效果，应该注意以下几个设计原则： ( 1 ) 在满足功能要求i ； 提下选用性价比较优的芯片 1 0 空直太堂亟堂焦j 金塞箍三童丕统簋馇超让 功能强的芯片提高了系统的可靠性和精度，同时也提高了成本，我们在选用 芯片时，从系统功能要求出发，在满足系统功能要求的前提下尽量选择性价比较 优的芯片。例如在选择d a 转换器时，因为串行接口转换器能够满足实时性要 求而价格又比并行转换器要低很多，所以选用串行的d a 转换器。 ( 2 ) 电路设计上应该留有余地，以考虑将来扩展和修改的需要 因为软件的升级比硬件要方便得多，而且往往只要修改或添加软件中数据处 理的模式或算法，就可以大幅度地提高系统的功能。因此，应该在硬件设计时尽 可能地留有余地，。以便将来的修改和扩充。例如在f l a s h ，s d r a m 等芯片的 选取上，即考虑了现在的实际需要，又在价格允许的范围内，选取了较大容量的 型号，留有较大的存储空间，考虑到了以后添加数据的方便。 ( 3 ) 以软件代硬件 原则上，在实时性允许的条件下，能够用软件完成的功能，就不用硬件，这 样不仅仅节省了成本，而且也提高了系统的可靠性。在实时性能够保证的情况下， 用软件代替硬件是很合算的。 ( 4 ) 选用h c m o s 工艺芯片，以降低功耗 嵌入式r t u 系统应用的工业现场环境非常苛刻，所以尽量选用h c m o s 工 艺的低功耗的芯片，有利于减少自身发热，同时减轻电源负担，增加系统的无故 障使用时间，这也是提高系统可靠性的措施之一。 生直盔堂亟堂位i 金塞星三童b 丛处理噩霆甚握住丕缝拯渣 第三章a r m 处理器及其操作系统概述 3 1a r m 核概述 a r m 公司自1 9 9 0 年正式成立以来，在3 2 位r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r c p u 开发领域不断取得突破，其结构已经从v 3 发展到v 6 。由于a r m 公司自成立以来，一直以i p ( i n t e l l i g e n c ep r o p e r t y ) 提供者的身份向各大半导体制 造商出售知识产权，而自己从不介入芯片的生产销售，如上其设计的芯核具有功 耗低、成本低等显著优点，因此获得众多的半导体厂家和整机厂商的大力支持， 在3 2 位嵌入式应用领域获得了巨大的成功，目前已经占有7 5 以上的3 2 位r i s c 嵌入式产品市场【儿】。在低功耗、低成本的嵌入式应用领域确立了市场领导地位。 现在设计、生产a r m 芯片的国际大公司已经超过5 0 多家，国内中兴通讯和华 为通讯等公司也已经购买a r m 公司的芯核用于通讯专用芯片的设计。 随着国内嵌入式应用领域的发展，a r m 芯片必然会获得广泛的重视和应用。 但是，由于a r m 芯片有多达十几种的芯核结构，7 0 多家芯片生产厂家，以及千 变万化的内部功能配置组合，给开发人员在选择方案时带来一定的困难。所以， 对a r m 芯片做一对比研究是十分必要的。 目前非常流行的a r m 芯核有a r m t d m i ，s t r o n g a r m ，a r m 9 e s ， s t r o n g a r m 和a r m l 0 系列。 微处理器核是a r m 技术的重中之中，目前面向市场的有a r m 7 。a r m 9 ， a r m 9 e s ，s t r o n g a r m 和a r m l 0 系列。自v 5 以后，a r m 公司提供p i c c o l o d s p 的芯核给芯片设计者，用于a r m + d s p 的s o c ( s y s t e m o i lc h i p ) 结构的芯 片。此外，a r m 芯片还获得了许多实时操作系统( r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ) 供应商的支持，比较知名的有：w i n d o w $ c e 、l i n u x 、| lc o s i i 、v x w o r k s 、 n u c l e u s 、e p o c 等。 在a r m 内核中有四个功能模块可供生产厂商根据不同用户的不同要求来配 置生产。这四个模块分别用t ，d ，m 和i 来表示 1 2 j 。 t ；支持1 6 为压缩指令集t h u m b 。 d ：支持片上d e b u g 。 m ：内嵌硬件乘法器( m u l t i p l i e r ) 。 i ：嵌入式i c e ，支持片上断点和除错点。 一、a r m 7 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，空间统一的指令与 1 2 生直盔堂亟堂僮盈奎签三童基丛矬壅避霆芸握佳丕统攫述 数据c a c h e ，平均功耗为0 6 m w m h z ，时钟速度为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 1 0 ，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i c e 调试技术来简化系统设计，并用d s p 增强扩展来改进性能。a r m 7 小型、快速、 低功耗、集成式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。 二、a r m 9 a r m 9 采用a r m v 4 t ( h a r v a r d ) 结构，五级流水处理以及分离的c a c h e 结 构，平均功耗为o 7 m w m h z ，时钟速度为6 6 m h z ，每条指令平均执行1 9 个时钟 周期。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 为内带c a c h e 的 c p u 核。性能为1 3 2 m i p s ( 1 2 0m h z 时钟，3 3 v 供) 或2 2 0 m i p s ( 2 0 0m h z 时 钟) 。a r m 9 同时t h u m b 扩展，调试和h a r v a r d 总线。在生产工艺相同的情况下， 性能是m l m 7 t d m i 的两倍之多。常用于连网和顶置盒。 三、a r m l o a r m l 0 采用a r m v 5 t 结构，六级流水处理，指令与数据分离的c a c h e 结 构，平均功耗为1 0 0 0 m w ，时钟速度为3 0 0 m h z ，每条指令平均执行1 2 个时钟 周期。其中a r m l 0 2 0 为带c a c h e 的版本。a r m l 0 t d m i 与所有a r m 核在二进 制级代码兼容，内带高速3 2 x 1 6 m a c ，预留d s p 协处理器接口。其中的v f p l 0 ( 矢量浮点单元) 为七级流水结构。a r m l 0 2 0 t ，a r m l 0 1 m e + 3 2 k i