（控制科学与工程专业论文）基于qt的gps车载导航系统.pdf

学术论文的主要创新点 近年来，无线通讯技术得到了飞速的发展，将无线通讯技术引用 在数据的实时传输以及应用于网络特别是无线网络的通讯联系上已 经成为当前信息领域的一大热点话题。随着物联网这个概念被提出以 及三网融合技术的出现，对数据通讯以及处理的质量和速度的要求被 提高到了更高的层面，更先进的基于无线网络的通讯技术的出现，使 得市场对应用于这些技术下的网络终端设备的需求越来越大，将无线 通讯技术应用于车载导航系统的设计上，不仅能大大提高出行的司机 对越来越复杂的交通网的效率，减少了出行时间，使得司机能更方便 更快捷的找到出行目的地，传统的导航系统实时性方面效果不是特别 好，同时人机界面的友好程度不是太高，因此本文采用了主频较高的 a r m 9 2 0 t 平台来开发，移植上l i n u x 系统，采用的是移植性比较好的 o t o p i a 软件来开发界面，以便使导航设备的人机界面更加友好，实 时性更加出色，同时a r m 9 平台的技术比较成熟，这样使得设计更加 简单，维护和升级起来比较方便。 本文的主要创新点如下： 一、采用了s a m s u n g 公司的a r m 9 的9 2 0 t 架构的$ 3 c 2 4 1 0 芯片作 为主控芯片，应用面广，成本低，维护方便，同时运行的是l i n u x 系 统，实时性比较好，使得汽车在行使过程中的数据更新能更加快捷。 $ 3 c 2 4 1 0 芯片+ l i n u x 组合很好地支持串口通讯和l c d 显示，本文基于 此，将导航模块添加到系统中，通过编写相应的串口驱动以及l c d 驱 动，当开机时直接对编写了设备驱动的导航设备进行读写数据进行通 讯，并由l c d 显示出来，很好地将系统的实时性发挥出来，操作方便 快捷。 二、采用了移植性较好的o t o p i a 嵌入式界面设计软件，人机界 面友好，可移植性强，本文通过设计封装一个串口通讯类，通过应用 软件层的调用，同底层驱动进行通讯，将采集到的数据通过l c d 显示 出来，以达到实时显示的效果，同时可移植性好，可以移植到其他的 平台上，所要做的只是添加对o t o p i a 系统的支持的库的移植，移植 和维护方便。 嵌入式车 计算机技术综 理信息等服务 率有极其重要 本文针对 和嵌入式l i n u x 系统相结合，设计基于嵌入式l i n u x 的车载导航系统的方案，在 a r m 9 平台上移植嵌入式l i n u x 操作系统，然后基于此平台实现车载导航系统。 论文首先简要介绍了车载导航系统的基本原理及其在国内外的现状与发展 前景，并描述了本文研发的主要工作；然后根据车载定位导航系统的要求设计系 统架构：在对嵌入式l i n u x 操作系统进行较为深入研究的基础上，详细介绍了 b o o t l o a d e r 、l i n u x 内核和设备驱动程序的开发过程，完成了u b o o t 移植、设备驱 动程序的编写和内核的编译。由于嵌入式g u i 程序设计是实现良好的人机交互界 面的重要途径，因此对这部分内容的研发情况也进行了相当篇幅的介绍。 本文所研发的嵌入式车载导航系统经实验室调试，结果表明基本实现了设计 要求，且运行稳定可靠，具有一定的推广应用价值。 关键词：嵌入式系统；车载导航；q t e m b e d d e d ；a r m 9 处理器；设备驱动 f i r s t l y , t h ep a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e dt h ef u n d a m e n t a lo ft h ev e h i c l en a v i g a t i o n s y s t e ma n di t ss t a t u sq u oa n dp r o s p e c td o m e s t i co ra b r o a d ，d e s c r i b e dt h ea u t h o r s m a i nw o r k t h e n , a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h i ss y s t e m , w ed e s i g n e dt h e s y s t e m a t i cs o l u t i o n o nt h eb a s i so ft h ed e e pu n d e r s t a n d i n go ft h ee m b e d d e dl i n u x s y s t e m , w ei n t r o d u c e dt h ed e t a i l so fu - b o o t , d e v i c ed r i v e r sa n dk e r n e l b e s i d e s ， e m b e d d e dg u ii sa ni m p o r t a n tm e t h o r dt or e a l i z et h ei n t e r f a c eo fh u m a n - c o m p u t e r i n t e r a c t i o n ，t h i sp a r to fc o n t e n ti sa l s oi n c l u d e d t h ee x p e r i m e n t ss t a t e st h a te m b e d d e dv e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e mh a sr e a c h e d t h ed e m a n do fd e s i g n ，h a sv a l u e so fa p p l i c a t i o na n dp o p u l a r i z a t i o n k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；v e h i c l en a v i g a t i o n ；q t e m b o d d e d ；a r m 9p r o c e s s o r ；, d e v i c e d r i v e r 第一章 1 1 1 2 1 3 1 4 第二章 2 1 2 2 2 3 第三章 3 1 3 2 3 3 3 4 第四章车载g p s 嵌入式开发环境的建立2 3 4 1 硬件开发板2 3 4 2 嵌入式l i n u x 开发环境搭建2 5 4 3u - b o o t 移植2 7 4 4 网卡驱动移植3 4 4 5n a n d f l a s h 驱动移植3 9 4 6 制作和部署1 i n u x 文件系统4 1 4 6 1b o s y b o x 制作文件系统4 1 4 6 2 制作r a m d i s k 文件系统4 5 4 6 3 制作c r a m f s 文件系统镜像和部署4 5 4 6 4 制作j f f s 2 文件系统镜像和部署4 5 4 7l c d 驱动移植4 6 第五章嵌入式系统图形开发4 9 5 1 常用的几种嵌入式g u i 图形开发软件4 9 5 1 1m i c r o w i n d o w s 4 9 5 1 2t i n y x 4 9 5 1 3o p e n g u i 4 9 5 1 4m i n i g u i 5 0 5 1 5q t e m b e d d e d 5 0 5 2q t 的特点和应用领域5 l 5 2 1q t 的特点5 1 5 2 2q t 的应用领域5 2 5 3q t 开发详细介绍5 2 5 3 1q t e m b e d d e d 架构5 2 5 3 2q t e m b e d d e d 窗口系统5 2 5 3 3q t e m b e d d e d 信号和插槽机制5 3 5 4q t 的安装和使用5 4 5 4 1q t 的安装5 4 5 4 2q t 的使用5 6 第六章g p s 模块实现5 9 6 1g p s 的组成5 9 6 2g p s 的主要特点6 0 6 36 p s 的定位原理6 l 6 3 1 伪距的概念及伪距测量6 l 6 3 2 单点定位6 2 6 3 3 精密单点定位6 3 6 46 p s 信号接收及处理6 3 6 4 1n m e a - 0 1 8 3 标准6 3 6 4 2 从串口读取g p s 数据6 4 6 4 2 1 串口设置6 4 6 4 2 2g p s 信息的处理6 6 第七章g p r s 模块实现7 l 7 1g p r s 简介7 1 7 2g p r s 模块实现7 2 7 2 1g p r s 模块简介和设计流程7 2 7 2 2g p r s 模块收发短信实现一7 4 第八章结论及展望7 9 8 1 结论7 9 8 2 展望8 0 参考文献8 l 攻读硕士学位期间发表的学术论文和参加科研情况8 3 致谢8 5 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 当前，以具有无线通讯功能的个人数字助理p d a 、手持个人电脑h p c 、交互 式网络信息家电、车载多媒体系统为代表的新一轮智能型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 r ) 合一的类p c 嵌入式系统与技术进入了一个崭新的智能 化、网络化的发展阶段，类p c 嵌入式系统与产品的嵌入式操作系统及其应用软 件也同时得到了空前的发展与繁荣n 1 。同时，社会经济的发展以及私家车市场日 益火爆，交通路网通过能力已经远远满足不了交通量增长的需要，尤其凸显在中 国的各个大中型城市，于是交通拥挤和阻塞现象日趋严重，交通污染和事故的问 题也日益明显；所以为了解决上面的问题，大幅度地提高道路的通行能力和服务 质量，对公路规划和建设上也提出了更高的要求的，道路和立体交通桥梁的建设 随处可见，道路的建设使得交通拥挤问题得到一定程度的解决，但是，在改善交 通环境的同时，对行人和司机对道路的熟悉程度也造成一定的麻烦，为了让行人 和司机能更快更方便的找到目的地，使出行变得更加人性化和智能化，于是提出 了智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m b p i t s ) 堙1 。 i t s 是一种实时、高效的交通运输综合管理和控制系统，它的主要目标就是 要充分地利用现有的交通资源，达到现有交通资源效益最大化：i t s 包含对交通 指挥系统的控制，以及对把车辆作为一个个体，将其与道路结合起来，根据对反 馈回的道路实时信息进行一定的算法处理，设计出合理的交通通行方案然后通过 无线信号发送给控制个体，对社会许多领域都将产生积极的影响，具有积极的社 会经济意义。根据国家“十五 发展规划，根据国家先优先发展东部沿海地区并 且带动中西部经济发展的政策，在东部沿海经济区发展起来，在西部大开发被列 入了国家政策中并加以执行的今天，连接东西部的交通变得尤为重要，作为连接 枢纽，道路建设被提到了一个很高的高度，为实现局部领域的突破和跨越式发展， 我国特将包括卫星应用在内的十项重大高新技术工程列为重点发展项目。以车载 导航系统定位终端为控制核心设备的车载导航定位系统( g p s ) 正是符合国家发 展需要的先进技术的产物口1 。g p s 导航系统是以全球2 4 颗定位人造卫星为基础， 向全球各地全天候地提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系 统。它由三部分构成，一是地面控制部分，由主控站、地面天线、监测站及通讯 辅助系统组成。二是空间部分，由2 4 颗卫星组成，分布在6 个轨道平面。三是 天津工业大学硕士学位论文 机和卫星天线组成。现在民用的定位精度可达1 0 米 嵌入式车载导航系统是集卫星定位技术( g p s ) 、地理信息系统( g i s ) 、嵌入式 技术、通信技术等为一体的综合应用系统；随着g p s 技术、多媒体应用、l c d 显 示技术的日趋成熟，卫星通讯技术的发展，汽车导航、防盗系统在高端汽车中已 经实现，而在普通汽车中实现，也是指日可待了h 1 。车载导航系统中包含了很多 前卫而且实用的技术，如：g p s 技术、g p r s 技术、g u i 开发技术、传感器技术、 多媒体功能应用技术、驱动编写技术、系统构建技术、嵌入式操作系统应用开发 技术、数据库技术等等。 1 2 国内外研究现状 在过去的十几年中，车辆定位和导航以及与智能交通系统有关的技术在世界 范围内取得迅猛发展，而如何实现各类车辆的协调控制、有效指挥和管理已经成 为交通运输和安全管理部门面临的一个非常重要问题。根据统计资料显示，西方 发达国家由于公路堵塞和车辆被盗而造成的经济损失十分惊人；所以为了满足运 输效率和安全保障的需要，各国都相继展开了对车辆定位导航系统的研究。 1 2 1 国外研究现状 在日本，智能交通系统始于1 9 7 1 年的c a c s 计划；8 0 年代，日本的汽车市 场推出一种自主导航系统，从此以后的数年中各种各样的智能交通系统出现在市 场；到9 0 年代已经有多达1 ，2 0 0 ，0 0 0 台的导航系统卖给用户。目前，日本几 乎所有的汽车生产厂家都参与了这项技术，仅近几年投入市场的新系统就有3 0 多个。 在美国，继6 0 年代末期及7 0 年代初期提出和开发的导航系统之后，一种称 为n a v i g a t o r 的汽车自主导航系统于8 0 年代中期投放市场；到了9 0 年代，美国进 行了许多智能交通系统的实验陆1 。同时，2 0 0 7 年在美国拉斯维加斯举行的c e s 大 展上，国际大公司微软表示m s n 将会提供包括更多方面的信息更新来源，包括 交通状况、天气情况和预告、油料价格、电影放映时间、g p s 定位，而这些内容 都可通过一个n f 故g a r m i n6 8 0 的设备提供，使得导航技术脱离开交通工具，运用 在各人方面。同时在美国还有一些产商专门为老人和小孩制作了追踪器，也是基 于g p s 的导航终端，小巧可以佩戴在身上的任何地方，同时具有一个手持式接收 器组成，在接收器上有个显示屏，通过这个显示屏使用者可以随时了解当前佩 戴者所处的位置，充分利用了网络资源，同手机相连的话还可以由手机终端来获 第一章绪论 取携带者的位置信息，这样就可以对老人或孩子的出行放心了。 1 2 2 国内研究现状 从2 0 0 8 年开始，中国g p s 整体产业呈现高速发展的事态，复合增长率达到 3 4 3 ，这主要是因为g p s 产业在我国汽车产业呈高速发展的态势，二是手机产 业的高速发展和技术的不断演进。目前占有率比较大的还是p n d 市场，整体规模 达到2 2 0 4 5 亿，整个g p s 产业里面占4 2 ，c a g r1 3 4 。增长速度最快还是 g p s 手机。 2 0 0 8 年被人们称为中国的“3 g 元年”。众所周知，目前在国内通信领域，最 火的就是试运行的t d s c d m a 3 g 标准。作为新一代的通信技术，3 g 带给人 们非常多的期许。3 g 牌照的全面发放，也成了人们共同关注的焦点。其实在国 内的车载导航领域也在经历着一场蜕变，第三代p n d 类导航产品的应运而生，已 经把人们带进了全新的导航时代。 卫星导航技术的发展趋势主要表现在三方面：一是卫星导航的多系统并存， 使系统可用性得以提高，应用领域将更广阔；二是多元组合导航技术正在得到推 广应用，主要有g p s 与移动通信基站定位、陀螺、航位推算技术等的组合应用： 三是卫星导航与无线通信等其它高技术相结合，如g p s 接收机嵌入到蜂窝电话、 便携式p c 、p d a 和手表等通信、安全和消费类电子产品中，从根本上促进了i t 技术的整体发展，。 中国g p s 导航系统市场的发展潜力非常巨大，在未来的数年内，中国将成为 全球最大的车载g p s 市场，由于导航卫星、车载导航设备商业化应用环境以及卫 星导航应用标准的成熟，车载导航系统将被消费者更加广泛地接受，产品价格也 会逐步下降，市场规模将不断扩大。 1 3 研究意义 从国际民用市场应用范围及发展趋势来看，世界各国都在广泛开展车载导航 定位系统的应用研究并且对于该产品的技术研制、开发与生产，日本、欧洲与美 国等国已走在世界的前列。相较于美国、日本以及欧洲等经济发达国家，无一不 是国内交通系统高度发达的国家，作为带动经济发展的重要因素，中国，作为一 个经济快速发展的国家，急需打破区域经济垄断的局限，以适应国家发展战略， 这就对我国的道路建设提出了高要求，同时也对我国智能导航设备的研究和发展 提出了新的目标，到目前为止，日本、欧美等国都已有1 0 余年的研究发展历程： 但是相对于欧美、日本等国家，我国对g p s 车辆导航系统的研究起步较晚，仅 天津工业大学硕士学位论文 仅是在9 0 年代初国内若干研究所、高校和一些公司才进行了这方面的研究，但 目前还没有成熟的产品。目前在g p s 车辆导航系统在国内有很多产品投入应用， 但是对系统的应用仍然存在许多问题，主要体现在系统功能实现、通信可靠性和 终端稳定性等问题，以及在中西部的山或者丘陵比较多的地区，如何在山地或者 隧道等信号无法正常通讯的地区进行导航。对g p s 车辆导航系统的研究涉及很 多方面的内容，包括通信体制研究、车载电子设备研究等，这些研究内容都具有 非常大的工程应用价值和社会经济效益，关于导航设备的深入研究，对我国的电 子、软件以及网络行业具有跨时代的意义。未来的车载导航市场将有一个可以预 见的良好前景，因此我国必须在较短的时间内集中精力开发出具有自主知识产权 的智能交通系统尤其是导航应用系统并实现其产业化，这对于提高我国在车载导 航应用中自主创新能力以及电子、通讯和软件行业的竞争力同样有着非常重要的 意义。虽然现在市场上已经存在了多种多样的车载导航系统，但是却是良莠不齐。 有些价格比较便宜的导航系统质量却不好而且不能实现用户的基本需要，而且在 操作上不够智能化；而有些功能多且实用的车载导航系统却售价不菲。因此基于 以上原因，本嵌入式车载导航系统的设计主要考虑在能够实现车载导航系统的基 本功能的前提下尽最大可能来降低开发成本，设计精美且便于用户操作的系统界 面，并且提高系统的稳定性和智能化，弥补现有g p s 车载导航系统市场的不足。 1 4 研究内容和章节安排 1 4 1 研究内容 嵌入式车载导航系统是集g p s 全球定位技术、g p r s 移动通信技术和电子地 图g i s 技术为一体，利用g p s 定位的具有全天候、高精度、实时性好的特点同 时可以实时准确地跟踪车辆位置的系统。利用g i s 的技术可以将车辆的定位信息 显示在电子地图的背景上，这样就可以使用户得到自己的准确位置，并且获取自 己附近的道路情况。本文研究和设计的基于q t e 的嵌入式g p s g p r s 车载导航 系统主要是利用全球定位系统来实现对车辆的实时自主定位的功能的，同时与地 理信息系统相结合配合城市电子地图，实时的为车辆提供导航信息。由于现在市 场上的车载导航系统多种多样、良莠不齐，功能多且实用的车载导航系统的售价 不菲。因此基于以上原因，本嵌入式车载导航系统的设计主要考虑能够实现车载 导航系统的基本功能，并且出于控制成本的考虑采用高性价比的a r m $ 3 c 2 4 1 0 芯片来作为主要控制芯片；在选择了合适的硬件平台之后，软件平台的操作系统 采用现在做嵌入式开发最为流行的l i n u x 系统来作为软件开发平台；之后，出于 简单实用并且界面华丽的考虑，图形开发的软件使用奇趣公司的q t 来作为图形 第一章绪论 界面的开发工具，目的就是提供一种成本低并且实用的车载导航系统。本课题的 车载导航系统内容比较繁多，所以要先进行合理的规划，做嵌入式系统的开发最 主要的就是需要根据系统的功能来选择或者设计能满足开发要求的硬件平台( 本 文的硬件主要采用优龙公司提供的f s 2 4 1 0 开发板) ；选择好合理的硬件开发平台 后软件平台的选取也是至关重要的，尤其是操作系统的选择( 本文的操作系统使 用l i n u x ) ；然后用于显示界面的图形开发界面选择q t ，通过上述合理的选择来 达到功能实用并且可以缩短开发周期的系统。 1 4 2 章节安排 本文主要分为以下几个部分： 第一章介绍了本论文的课题研究背景和意义，国内外车载导航系统的最新 现状，最后给出了课题研究所做的主要工作和论文的章节安排。 第二章首先介绍嵌入式系统基本概念和定义，然后介绍了嵌入式系统的组 成主要分为嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统和应用软件等几大部分并 且依次对它们进行详细的介绍，最后介绍了嵌入式系统的应用领域及发展的趋 势。 第三章主要介绍的是l i n u x 系统的发展概述、发行版本，并且深入的分析 了l i n u x 作为嵌入式操作系统的优势；然后逐步介绍了l i n u x 系统的安装方法， 包括虚拟机v m w a r e 和u b u n t u 的安装。 第四章介绍了车载g p s 嵌入式开发环境的建立。首先先介绍了本课题所使 用的硬件环境，然后具体介绍了嵌入式l i n u x 开发环境的搭建，主要就是关于交 叉工具链的制作；然后花重点篇幅介绍了u b o o t 的移植、网卡驱动的移植、 n a n d f l a s h 驱动的移植和l c d 驱动的移植；最后详细介绍了如何制作和部署l i n u x 文件系统。 第五章主要介绍嵌入式系统的图形开发；首先介绍常用的几种嵌入式g u i 图形开发软件，通过比较它们的优缺点最终决定本课题的图形开发界面工具采用 q t 进行开发；然后介绍q t 的特点和应用的领域；再次，介绍了q t 开发中的 详细技术原理，包括架构、窗1 3 系统和q t 的核心信号与槽：最后详细介绍 了q t 的安装和使用。 第六章介绍了g p s 模块的实现；首先介绍了g p s 的组成、主要特点；然 后详细介绍了g p s 的不同定位原理；然后分析了g p s 中n m e a - 0 1 8 3 标准的数 据格式；最后结合使用的硬件环境和图形开发界面介绍了串口驱动的编写和封装 的方法以及g p s 信息的处理方法。 第七章介绍了g p r s 模块的实现；首先介绍g p r s 的定义和工作原理；然 天津工业大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统简介 第二章嵌入式系统简介 2 1 嵌入式系统的定义 在2 0 世纪7 0 年代后，计算机由于在信息处理方面表现出了惊人的速度后， 被广泛地用于一些更加繁杂的逻辑分析和数学运算中，之后计算机被更为广泛地 用于计算机仿真、通信、工业控制等更加繁杂的领域，并且发挥了极大地作用。 这些领域的应用与单纯的高速海量计算要求不同，主要表现在：( 1 ) 需要控制的 对象更为具体；( 2 ) 不再作为通常的计算机来使用，而是经过对一些不需要功能 的裁剪来嵌入到具体特定的应用系统中；( 3 ) 能够在一些环境更为复杂和恶劣的 工业控制现场稳定无误的运行；( 4 ) 应用更为灵活，而且由于特定的要求使得体 积相比传统的计算机有很大的缩小；( 5 ) 更加重视和外部数据等信息的交互来提 高控制功能，增加了输出比较、输入捕捉、外部引脚的中断、a d 采集等功能1 。 基于上面的分析可以知道：既要计算机可以处理大量复杂运算，并且还要尽可能 的保证计算的准确无误，更为甚者还要求在一些恶劣的工业现场能够正常工作的 计算机的要求是不可能同时实现的。因此人们提出了开发更为小巧并且针对特定 功能的计算机，于是单片机、a r m 、d s p 、f p g a 等微控制器就此产生。但是如 果这两种计算机类型都仍然被称为计算机会造成混淆，因此把能在一定的时间内 进行大量数学运算的计算机称为通用计算机系统，而把针对某些特定控制对象， 体积经过裁剪大大减小并最终嵌入到满足特定要求的应用系统中的计算机系统 称为“嵌入式计算机系统”、“嵌入式计算机”或“嵌入式系统”。由此可以看出 嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。 国内也可以定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪， 从而能够适应实际应用中对功能、成本、体积、可靠性和功耗等严格要求的专用 计算机系统。 2 2 嵌入式系统的组成 嵌入式系统通常是由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统和应用软件 等几个大部分组成的。 天津工业大学硕士学位论文 2 2 1 嵌入式处理器 嵌入式系统的硬件核心是各种类型的嵌入式处理器，有上千种之多，广泛应 用在工业控制、无线通信、网络控制、家用电器、汽车控制、国防军事等领域， 如手机的c p u 就是嵌入式处理器。嵌入式处理器有多种计算机体系结构，不外 乎复杂指令集计算机( c i s c c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 、精简指令集计 算机( r i s c r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 或这两种技术的融合体；结合应 用特点，一般又可以细分为嵌入式微处理器( e m p u ) 、微控制器( m c u ) 、数字 信号处理器( d s p ) 和片上系统( s o c ) 。 2 2 1 1 嵌入式微处理器( e m p u ) e m p u ( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ) 是由通用计算机中的中央处理单元 ( c p u ) 演变而来的，增强在电磁兼容、耐用性和工作温度等方面的性能。一方 面，如p o w e rp c 或x 8 6 装配在专门设计的电路板上，电路板上包括r o m 、r a m 、 w a t c h d o g 和总线接口等电路，成为嵌入式硬件系统，其典型产品有p c i 0 4 。其指 令系统与原m p u c p u 兼容，因此c 语言作为其开发工具，具有体积小、质量轻、 成本低和高可靠性。另一方面，以a r m 或m i p s 微处理器内核设计e m p u ，a r m 微处理器内核有a r m 7 、a r m 9 9 e 、a r m l 0 e 、a r m l l 和s e c u r c o r e 共6 种，如 f r e e s c a l e 公司的龙珠系列i m x 处理器，s a m s u n g 公司的$ 3 c 系统a r m 处理器，i n t e l 公司的s t r o n g a r m 系统和x s c a l e 系统等，片上集成了各种功能模块，如w a t c h d o g 、 d m a c 、p w m 、u a r t 、u s b 接口、l c d 接口、通用定时器和s p i 等；而m i p s 公 司有m i p s 3 2 和m i p s 6 4 两种基本体系结构的微处器理内核，广泛应用在佳能的 数字相机、索尼的数字电视与娱乐系统、先锋的d v d 刻录机、摩托罗拉的数字 机顶盒、思科的网络路由器以及惠普的激光打印机等产品中阳1 。 2 2 1 2 微控制器( m c u ) 微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ) 俗称单片机，它是将c p u 、r o m 、r a m 、 g p i o 、w a t c h d o g 、p w m 、通用定时器、u a r t 、a d c 、s p i 、i i c 和c a n 控制 器等封装在一块集成芯片里，采用a s m ( 汇编) 或c 语言作为其编程语言的。 为了适应不同应用要求可以通过增减外围功能模块使一个系列的m c u 具有多种 衍生产品。随着m c u 各种功能的齐全，片上r a m 和r o m 容量扩大，故不再 需要使用总线扩展外围设备。m c u 在家用电器和工业控制的实时控制系统中应 用非常广泛，产品非常丰富。目前常用的m c u 有m c s 5 1 9 6 系列、m i c r o c h i p 公司的p i c l 2 1 6 1 8 系列、a t m e l 公司的a t 8 9 c a v r 系列、1 r i 公司的m s p 4 3 0 f 系列、f r e e s c a l e 公司的m c 6 8 h c 0 8 1 2 系列、i n f i n e o n 公司的c 1 6 6 1 6 7 系列等产 品。 第二章嵌入式系统简介 2 2 1 3d s p d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 的体系结构进行了特殊设计以适应数字滤波、 图像处理、频谱分析、语音分析和电机控制等数字信号处理领域高实时、高速、 高可靠性的要求；d s p 的集成芯片上也嵌入了多种功能模块，是具有非常高速的 运算能力的m c u 。嵌入式d s p 发展来源于两个方面，一方面从d s p 核扩展功 能模块发展而来，如1 1 公司的t 1 3 2 0 系列d s p 和f r e e s c a l e 公司的d s p 5 6 0 0 系 列；另一方面，在通用单片机基础上增加d s p 的协处理器，如i n t e l 公司的m c s 2 9 6 系列和l n f i n e o n 公司的t r i c o r e 系列等产品。 2 2 1 4s o c s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 是一种高度固件化和集成化的计算机系统集成技术， 为用户提供一种以“软核”为中心的嵌入式处理器设计和开发方法，目前正在朝 着片上可编程系统s o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ) 发展以获得“量身定 做的嵌入式处理器。s o p c 技术是硅片技术和e d a 技术发展的结果，各种软核 如c p u 、w a t c h d o g 、p w m 、中断控制器、定时器等成为s o c 库的标准元件，在 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 上通常都使用v h d l ( v e r y h i g h s p e e d i n t e g r a t e d c i r c u i th a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 语言来设计自己的嵌入式处 理器产品。 2 2 2 外围设备 外围设备是指一个嵌入式系统中除处理器以外用于完成存储、通信、调试和 显示等功能的其他部件。根据外围设备的功能可以分为以下3 类： 外存储器：动态存储器( d r a m ) 、静态易失存储器( s r a m l 认m ) 和非易 失性的存储器( f l a s h ) 。由于其中的f l a s h 是由e p r o m 和e e p r o m 的制造技术 基础上发展而来的，其能够在供电电源关闭后仍能保证数据不丢失，而且在对其 进行擦除的时候不再需要特殊的高电压的情况下仍有很快的擦除速度，并且容量 比较大、价格比较低廉，因此在嵌入式系统开发的领域f l a s h 的使用是最为广泛 的。 接口：应用最广泛的有r s - 2 3 2 串口、r s - 4 8 5 串口、并口、s p i 串行外围设 备、s c i 设备、i i c 总线接口、u s b 总线接口、i r d a 红外接口、e t h e r n e t 网口等。 人机交互：主要是指l e d 、l c d 、触摸屏和键盘等人机交互设备。 2 2 3 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统的一个重要特性就是高度的实时性。所谓实时性就是可以在 天津工业大学硕士学位论文 确定的时间范围内响应某个事件。操作系统的实时性在某些领域是至关重要的， 如工业控制、航空航天等求实时性要求很高的领域。据调查，全世界的嵌入式操 作系统目前已经有1 0 0 多种。从2 0 世纪8 0 年代开始，出现了一些商用嵌入式操 作系统，大部分都是为了专门的系统而开发的。随着嵌入式领域的发展，各种不 同的嵌入式操作系统都相继问世了。有许多商用保密的嵌入式操作系统，同时也 有大量开放源码的嵌入式操作系统。其中著名的嵌入式操作系统有l i n u x 、u c o s 、w i n d o w sc e 、v x w o r k s 和q n x 等，下面分别进行介绍： ( 1 ) l i n u x l i n u x 是一个类似于u n i x 的操作系统，它起源于芬兰一个名为l i n u s t o r v a l d s 的业余爱好，它已经是目前最流行的一款开发源码的操作系统。l i n u x 从1 9 9 1 年问世到现在，短短的近二十年已发展成为一个功能强大、设计完善的 操作系统；l i n u x 系统不仅能够运行于p c 平台，还在嵌入式系统方面大显身手。 目前开发的嵌入式系统中，基本7 0 以上的项目选择l i n u x 作为嵌入式操作系统， 所以可以说l i n u x 现己成为嵌入式操作系统的理想选择。 ( 2 ) uc o s l ac o s 是一个典型的实时操作系统，它是由美国人j e a nj l a b r o s s e 于1 9 9 2 年 开始开发的，目前流行的是第二个版本( 即l ac o s i i ) 。它的特点是源代码的公 开的并且是用移植性很强的a n s ic 编写的，因此具有很好的可移植性；通过c 语 言源代码的编译和链接就可以下载和固化到特定的系统中，并且通过条件编译可 以使之具有很好的可裁剪性；内核是抢占式的实时内核，主要通过时间片轮询的 方式目前可以同时最多管理5 6 个任务旧1 。 ( 3 ) w i n d o w sc e 微软公司的w i n d o w sc e 操作系统主要是一个从整体上为有限资源的平台设 计的完整优先权、多线程多任务的操作系统。w i n d o w sc e 用模块化设计并允许 对从掌上电脑到专用的工控电子设备进行不同的定制。操作系统的基本内核需要 至少2 0 0 k b 的r o m ，作为一个可升级的3 2 位嵌入式操作系统，它是一个基于 掌上电脑类的操作系统。然而尽管如此用户的开发定制却不方便，因为受微软公 司的限制很多。 ( 4 ) v x w o r k s v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司设计开发一种实时操作系统，它以 卓越的实时性和良好的可靠性被广泛应用了在军事、通信、航空航天等高精尖技 术和实时性要求极高的领域中。v x w o r k s 是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、 市场占有率最高的操作系统，并且支持多种微处理器，如a r m 、x 8 6 、m c 6 8 0 0 0 、 m i p s 等处理器。其主要特点是：高性能实时微内核；与p o s i x 兼容；用户可以 第二章嵌入式系统简介 根据自己的需要自由配置而且同时具有友好的开发调试环境；但是其昂贵的价格 却使很多的厂商叹而观止。 ( 5 ) q n x g o r d o nb e l l 和d a nd o d g e 在1 9 8 0 年成立了q u a n t u ms o f t w a r es y s t e m s 公司， 他们根据大学时代的一些设想写出了一个能在i b mp c 上运行的名叫q u n i x ( q u i c ku n i x ) 的系统，直到a 1 & t 发律师函过来才把名字改成q n x ：q n x 是一个微内核实时操作系统，其核心仅提供4 种服务：进程调度、进程间通信、 中断处理和底层网络通信，其进程在独立的地址空间运行；并且所有其它o s 服 务，都实现为协作的用户进程，因此q n x 核心非常小巧( q n x 4 x 大约为1 2 k b ) 并且它的运行速度极快。q n x 具有独一无二的微内核实时平台，因此可以说是 目前x 8 6 平台上最好的嵌入式实时操作系统之一，q n x 的实时平台主要建立在 完全地址空间保护和微内核基础之上，而且由于其实时、可靠的特点，已经完成 到p o w e r p c 、m i p s 、a r m 等内核的移植，并且已经成为在国内广泛应用的嵌入 式实时操作系统。 嵌入式操作系统的选择是前期设计过程中的一项重要工作，这将影响到产品 后期的发布和软件的维护。首先，不管选用什么样的系统，都应该考虑操作系统 对硬件的支持，如果选择的系统不支持将来要使用的硬件平台，那这个系统是不 合适的；其次，要考虑的是开发调试用的工具，特别是对开销敏感和刚起步的企 业来说，开发工具往往在开发过程中起决定性的作用；最后，要考虑的问题是这 个系统能否满足应用要求。如果一个操作系统提供的a p i 很少，那么无论这个系 统有多么稳定，应用层很难进行二次开发，这显然不是开发人员希望看到的；由 此可见，选择一款既能满足应用需求，性价比又可达到最佳的实时操作系统，对 开发工作的顺利开展有非常重大的意义。基于以上论述，经过各方面的权衡，本 项目采用的系统是l i n u x ，本文将在后面的章节中详细介绍l i n u x 系统在嵌入式 开发中的使用。 2 2 4 应用软件 嵌入式应用软件和普通传统的软件开发是有很大区别的，嵌入式应用软件的 开发绝大多数情况下都是依赖于某一固定的硬件平台，针对特定应用领域来达到 不同用户特定要求的计算机软件。因为某些用户任务会考虑时间上和精度上的要 求，所以选择合乎要求的操作系统来支持嵌入式应用软件是十分必要的。嵌入式 应用软件要求要求很高的准确性、可靠性和稳定性等，同时用户在使用的时候还 应该对其进行尽可能的优化，从而用来达到减少对系统资源的消耗、降低硬件成 本的目的。嵌入式软件主要有以下特点： 天津工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 嵌入式软件应该具有独立特殊的实用性。嵌入式软件是为嵌入式系统 服务的，这就要求它与外部硬件和设备联系紧密；嵌入式系统以应用为中心，而 且作为应用系统来说就必须根据应用需求定向开发，面向产业、面向市场，需要 特定的行业经验。所以可以说每一种嵌入式软件都有其自己独特的实用价值和应 用环境。 ( 2 ) 嵌入式软件应该具有非常灵活的适用性。嵌入式软件通常可以被认为 是一种模块化的软件，它应该能非常方便灵活的运用到各种嵌入式系统中，而且 绝对不能够更改和破坏原有的系统特性和功能。首先它要尽可能的小，而不能占 用大量资源；其次要使用灵活，应尽量地对其进行优化配置，减小对系统的整体 继承性。 2 3 嵌入式系统的应用领域及发展趋势 嵌入式系统目前已在国防、国民经济和社会生活各种领域中被使用到，用于 军队、企业、实验室、办公室以及个人家庭等各种场所。主要有以下几种分类： ( 1 ) 军用；各种武器控制( 导弹控制、火炮控制、智能炸弹制导引爆装置) 、 舰艇、坦克、轰炸机等海陆空各种军用电子装备，电子对抗军事通信装备、雷达 以及野战指挥作战用各种专用设备等。 ( 2 ) 消费电子；我国各种信息家电产品，如数字电视机、机顶盒、v c d 、 d v d 、数码相机、音响设备、洗衣机、电冰箱、可视电话、家庭网络设备、智 能玩具等，广泛采用微处理器微控制器及嵌入式软件。随着市场的需求，传统 的手机已经逐渐发展成为融合了p d a 、娱乐和电子商务等特性的智能手机，我 国移动通信市场潜力巨大，发展前景看好。 ( 3 ) 工业控制；各种智能测量仪表、可编程控制器、控制机、数控装置、 现场总线仪表、分布式控制系统及控制系统、工业机器人、汽车电子设备、机电 一体化机械设备等，广泛采用微处理器控制器芯片级系统嵌入式计算机。 ( 4 ) 网络应用；因为i n t e m e t 的发展而产生了大量网络基础设施、终端设备、 接入设备的市场需求，这些设备中都大量的使用嵌入式系统。 ( 5 ) 其他；各类p o s 系统、收款机、条形码阅读机、电子秤、银行点钞机、 商用终端、i c 卡输入设备、取款机、自动柜员机、防盗系统、自动服务终端、 各种银行专业外围设备以及各种医疗电子仪器，也都无一不用到嵌入式系统。 嵌入式控制器的应用几乎无处不在：移动电话、家用电器、汽车都有它的踪 影；嵌入式控制器因其体积小、功能强、可靠性高、灵活方便等许多优点，它的 应用范围已经深入到工业、农业、教育、国防、科研以及日常生活等各个领域， 对各行 起到了 把一切 普遍进 计算”。 充满了 因”。 天津工业大