（电工理论与新技术专业论文）基于arm和ucosⅡ的火灾报警系统研究.pdf

硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n g w i t ht h eu r b a n h i g h r is e c o n s t r u c t i o n 。s d e v e l o p m e n t ， t h e c o n s t r u c t i o nf i r es e c u r i t yb r i n g st o p e o p l e sa t t e n t i o nm o r ea n dm o r e t h e f i r ea l a r ms y s t e mi sa n i m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h eb u i l d i n ga u t o m a t i c s y s t e m ， i tu s e s av a r i e t yo fd e t e c t o r st od e t e c tt h ef i r e ，c a r r i e so nt h e p r o m p ta c c u r a t ew a r n i n gt of i r e so c c u r r e n c e ，a n dc o n t r o l sa l lk i n d so ff i r e e x t i n g u i s h i n ge q u i p m e n tt oc a r r yo nt h ea u t o m a t i cf i r ef i g h t i n ga n dt oi s r e l a t e dt h ee q u i p m e n tt oc a r r yo nt h el i n k a g ec o n t r 0 1 t h et r a d i t i o n a lf i r e a l a r ms y s t e mu s e st h ec o m p u t e rc e n t e rp r o c e s s i n gm o d e ，e a c hc o n t r o lc e n t e r p r o c e s s e s2 0 0 0t o8 0 0 0s u r v e yu n i t si n f o r m a t i o n ，t h ep r o m o t i o no ft h e s y s t e m sr e a l - t i m ep e r f 6 r m a n c ea n dt h es t a b i l i t yf a l lu n d e rt h ec o n t r o l c e n t e rd a t a - h a n d “n gc a p a c i t ya n dt h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns p e e dl i m i t b a s e do nt h i ss t a t u sq u o ，t h i sp a p e rp r o p o s e db a s e do nt h ea r mw i t ht h e u c o s - i in e t w o r kf i r ea l a r ms y s t e m c o n t r o lc e n t e r sd a t ap r o c e s s i n gd u t y w i l lh a n do v e rb ye a c hc o n t r o lu n i t ， i n t r o d u c e st h ee m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e mt oc a r r yo nt h em a n a g e m e n tt ot h ed u t y ，s i m u l t a n e o u s l yj n l r o d u c e s t h et c p i pp r o t o c o ls t a c kt or e a l i z et h en e t w o r kf u n c t i o n ，a n dc a r r i e so nt h e i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nu s i n gi n t e r n e t t h i s p a p e r h a s d e s i g n e db a s e d o nt h ea r mc o n t r o lu n i th a r d w a r e pj a t f 6 r m ，a n dh a sc a f r j e do nt h eh a r d w a r em o d u l et e s t a r ma st h el e a d e ro f 3 2 - b i tr i s cc h i p ，w i t hh i g hp e r f o r m a n c ea n de f f e c t i v e n e s s ，a n di t sl o w e r c o s t ，i sv e r ys u i t a b l ei nt a k e si ns y s t e m 。sc o n t f o lu n i t ，a n dh a sg u a r a n t e e d s y s t e m sd a t a - h a n d “n gc a p a c i t ya n df i r ew a r n i n gr e a l t i m ef r o mt h e h a r d w a r e i n s o f t w a r e ，t h i sp a p e rt r a n s p l a n tu c o s - i ia st h es y s t e ms o f t w a r e p l a t f b r m ， p r e p a r e d t os t a r ta n dt r a n s p l a n t r e l a t e dc o d e ，a n dh a sd o n ea t r a n s p l a n tt e s t i n g u c o s - l la sa no p e n s o u r c 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 m ，t h ek e r n e jh a sav e r yc o n c i s ea n de x c e l l e n tr e a l - t i m ep e r f 6 r m a n c e a n dr e l i a b i l i t y ，a st h eo p e r a t i n gs y s t e mp l a t f b r mo fc o n t r o lu n i tf 6 rt h e m a n a g e m e n ta n ds c h e d u l i n gt a s k s ，h a sg u a r a n t e e ds y s t e m ss t a b i l i t ya n dt h e r e l i a b i l i t yf r o mt h es o f t w a r e f i n a i i y ， t h i s p a p e r h a sr e a l i z e dt h en e t w o i k p r o t o c o i s t a c kl w i p 基于a r m 和u c ，o s 的火灾报警系统研究 t r a n s p l a n t i nt h ea r ma n du c o s - i i f o u n d a t i o n ， h a sc a r r i e do nt h e c o m p u t e rc o m m u n i c a t i o nt e s t t h r o u g ht h et r a n s p l a n t a t i o n ，t h ec o n t r o lu n i t c o u l dc o m p l e t et h ei n f b r m a t i o n st r a n s m is s i o na n dc o n t r o lt h r o u g hi n t e r n e t ， e n h a n c e dt h en e t w o r ke x t e n s i o na n dt h et o u g h n e s s ，a n ds i m u l t a n e o u s l yg o t r i do ft h ep r i v a t en e t w o r kt r a n s m i s s i o ns p e e da n dt h es c o p el i m i t i n t h i sp a p e r ，t h es y s t e mh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i s t r i b u t i o no f i n t e l l i g e n c e ，an u m b e ro fe m b e d d e dc o n t r o lu n i t sh a v es u bs t i t u t e df b rt h e c o n t r o lc e n t e rf i r ei n f 6 r m a t i o n p f o c e s s i n g ， r e d u c e dt h ec e n t e rd a t a p r o c e s s i n gp r e s s u r ea n dt h en e t w o r ks e r v i c ep r e s s u r e ，t h ep a r a l l e ln e t w o r k a r c h i t e c t u r ee n h a n c e d s y s t e m ss t a b i l i t y ， t h ei n d i v i d u a lc o n t r o lu n i t b r e a k d o w nw 订ln o tc a u s eo v e r a l ls y s t e m 。sc o l l a p s e ，b a s e do nt h i sm e n t a l i t y t oe s t a b l i s hac o m p l e t eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f 6 r mo ft h ef i r ea l a r m s y s t e m k e y w o r d s ：f i r ea l a r ma n dl i n k a g ec o n t r o ls y s t e m ；e m b e d d e ds y s t e m ；a r m ； u c o s - i i ：l w i p i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 伽磬斗 1 日期：唧年j 月苫日 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。 本人授权湖南大学可以将本学位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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 作者签名： 导师签名： l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：知7 年 日期。1 年 ，月珊日 f 月乡。日 硕i j 学位论文 1 1 火灾报警系统概述 第1 章绪论 以传感器技术、计算机技术和电子通信技术等为基础的火灾报警系统，是现代 消防自动化工程的核心内容之一。它既能对火灾发生进行早期探测和自动报警， 又能根据火情位置及时输出联动控制信号，启动相应的消防设施，进行灭火。对 于各类高层建筑、宾馆、商场、医院等重要部门，设置安装火灾自动报警控制系 统是必不可少的消防措施【卜2 1 。 随着电子技术迅速发展和计算机软件技术在消防技术中的大量应用，火灾自动 报警系统的结构、形式越来越灵活多样，有智能型、全总线型以及综合型等1 3 。4 j 。 1 1 1 火灾自动报警控制系统的发展 火灾自动报警系统的发展已经历了五代产品，第一代从1 9 世纪4 0 年代到2 0 世纪4 0 年代，以感温火灾探测技术为代表，包括定温探测器和差温探测器等，它 的造价比较低，且误报率低，但其灵敏度较低，探测火灾的速度比较慢，发生漏 报的机率偏高。第二代从2 0 世纪5 0 年代到7 0 年代，以感烟火灾探测技术为代表， 包括离子感烟探测器和光电感烟探测器等，实现了火灾的早期报警，它对火灾响 应速度比第一代产品快得多，自问世以来，一直在火灾自动报警系统中占统治地 位。直到今天这种探测器在全世界范围内仍占据探测器的9 0 左右。这两代系统 都以多线制为主。第三代从2 0 世纪8 0 年代初开始至今，以总线制火灾报警系统 为代表，包括四总线系统、二总线系统等；第四代从2 0 世纪8 0 年代后期开始至 今，以智能火灾报警系统为代表，包括集中智能、分布智能及人工智能神经网络 等；第五代自2 0 世纪9 0 年代以来，以无线火灾报警系统等为代表1 5 j 。 第一代和第二代火灾自动报警系统的优点是不要很复杂的火灾信号探测装置 便可完成一定的火情探测，能对火灾进行早期探测和报警，系统性能简单便于了 解，成本费用低廉，系统可靠性高，误报率可做到l 。第一代和第二代火灾自动 报警系统的缺点是开关量火灾探测器报警判断方式缺乏科学性。因为开关量火灾 探测器的火灾判断依据仅仅是根据所探测的某个火灾现象参数是否超过其自身设 定值来确定是否报警，无法排除环境和其他的干扰因素。 第三代、第四代和第五代火灾自动报警系统是随着火灾自动探测报警技术的不 断发展，从简单的机电式发展到用微处理机技术的智能化系统，而且智能化系统 也由初级向高级发展。它们有几种主要形式，即“可寻址开关量报警系统”、“模拟 量探测报警系统”和“多功能火灾智能报警系统”等。 基于a r m 和u c o s i i 的火灾报警系统研究 可以看出，火灾自动报警控制系统的发展前两个阶段主要在传感探测方面展 开，而后三个阶段则在数据的处理与传输方面进行。 1 1 2 火灾报警系统的构成 在当前的消防报警系统中，建筑火灾监控系统由火灾探测器、区域火灾报警控 制器、集中火灾报警控制器或通用火灾报警控制器，以及联动与控制模块、消防 联动控制设备等组成【引。火灾探测器是对火灾现象进行有效探测的核心，火灾探 测器与火灾控制器的有机配合是火灾监控系统设计的关键，火灾报警控制器是火 灾信息数据处理、火灾识别、报警判断和设备控制的核心，最终通过消防联动控 制设备实施对消防设备及系统的联动控制和灭火操作。 火灾探测部分主要由探测器组成，是火灾自动报警系统的检测元件，它将火灾 发生初期所产生的烟、热、光转变成电信号，然后送入报警系统。 报警控制部分由各种类型报警器组成，它主要将收到的报警信号显示和传递， 并对自动消防装置发出控制信号。前两个部分可构成独立单纯的火灾自动报警系 统。 联动控制部分由一系列控制系统组成，如报警、灭火、照明、防烟排烟、广播 和消防通信等等。联动控制部分其自身是不能独立构成一个自动的控制系统的， 因为它必须根据来自火灾报警系统的火警数据，经过分析处理后，方能发出相应 的联动控制信号。整体框图如图1 1 所示。 l 区 i火灾探测器 区域火灾 火灾报警装置 i 手动火灾 i 报警 集 控制器 中- i火警电话 l 报警按钮 | 一 火 一i 二，、胃t 目 灾 l 火灾事故广播 报 火灾事故照明 警 n 区 控 i 火灾探测器 l 制 - l 联动控制装置 区域火灾 中 l 手动火灾 l 报警 心 一 l 固定灭火系统 控制器一 一i控制装置 l 报警按钮 l 7 图1 1 火灾报警系统框图 1 1 3 国内火灾报警系统存在的问题 随着电子技术与通信技术的发展，火灾报警系统逐渐由第一代的多线制系统结 构发展为总线制结构，同时集中智能系统结构向分布智能系统结构发展。在分布 2 硕j 二学位论文 智能系统中，将集中智能型系统中对火灾探测信息的基本处理、环境补偿、探头 报脏和故障判断等功能由火灾报警控制器返还给现场真正的火灾探测器，从而免 去火灾报警控制器大量的信号处理负担，使之能够从容地实现上级管理功能，如 系统巡检、火灾参数算法运算、消防设备监控、联网通信等，提高了系统巡检速 度、稳定性和可靠性。但同时这对火灾探测器的设计提出了更高的要求，必须采 用专用集成电路设计技术来降低成本，提高系统的性价比，比较先进的技术产品 有德国的e f - f e f fm s r 型火灾探测器及其系统，美国e d w a r d ss i g a 系列多重复合火灾 探测器及其e s t 3 系统等【卜3 1 。 国内的火灾探测报警系统研究起步较晚，早期系统一般采用的是探测器本身不 对火灾情况进行判断，在系统中探测器主要完成对现场烟雾、光线、温度等物理 参数的检测，传感器获取的信号通过总线送到火灾控制单元中，由系统主机进行 分析判断【7 j 。经实践证明这种方式有很大的缺陷，主要原因一方面是因为在一个 实际应用的建筑物系统中各种探测器所处的环境相互之间相差较大，每个探测器 本身在天或一年中不同的时刻相差较大，探测器的环境参数可以在系统开始运转 之前分别设置( 目前大多数厂家的产品采用) ，但每个位置处环境参数本身的变化及 变化的随机性给系统进行数据分析处理带来无法克服的困难；另一方面是因为模 拟信号在传输过程中容易受到外界各种干扰因素的影响，从而造成误报，也不符 合现代楼宇自动化网络数字传输的要求【8 】。 针对专用集成电路芯片设计的难度，国内火灾探测器一般采用了微处理器c p u 直接嵌入探测器中，使之具有环境监测能力和自适应算法，减轻了火灾监控中心 的数据处理和通信压力。但随着系统规模的增长，探测单元的增加，监控中心的 数据处理能力与速度渐渐跟不上工程上的要求与技术的发展，在兼顾火灾探测及 时性和报警可靠性上受到越来越大的压力。 1 1 4 论文研究的意义 本课题研究的是一种基于a r m 和嵌入式操作系统u c o s i i 的网络型火灾探测 报警系统，它具有快速处理大量数据的能力，丰富的人机交互界面和外设接口， 是根据分布式智能火灾报警的发展趋势进行研究的。根据建筑火灾发生的特点， 将火灾发生时的温、烟、光等信息及各种外界环境参数送入火灾控制器，控制器 根据其获得的数据及内部的火灾判定算法，判断火灾是否存在。该系统在处理火 灾信息具有很多优点： 1 、具有快速处理大量数据的能力，a r m 的处理能力保证了它可以实时监测环 境的细微变化，对环境参数的变化实现自动补偿，对各种干扰进行自动处理； 2 、极高的可靠性，u c o s i i 是通过了联邦航空局( f a a ) 商用航行器认证的 实时内核，证明它的稳定性与可靠性可在任何应用中使用，它可以为火灾报警系 3 犟_ j 二a r m 和u c 0 s i l 的火灾报警系统研究 统提供可靠的平台； 3 、采用网络结构使之具有良好的适应性和可扩展性； 4 、具有远程登陆功能，对火灾报警控制器的运行情况可随时进行查阅； 5 、低功耗； 6 、优秀的性价比。 1 2 嵌入式系统 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用 于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统1 9 j 。 它是随着微电子技术和计算机技术的发展，微控制芯片功能越来越强大，而嵌入 微控制芯片的设备和系统越来越多而逐渐与通用的计算机系统分离出现的。按嵌 入式系统的构架来说，它可以分为四个部分( 如图1 2 所示) ：处理器、存储器、输 入输出( i o ) 单元、软件( 由于多数嵌入式设备的应用软件与操作系统是紧密结 合的，故在此不加以区分) ，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能l l 们。 图1 2 嵌入式系统组成结构 1 2 1 嵌入式系统 由于嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，所以其分类也可以从硬件和软件 进行划分。 从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的核心的部 分，而目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1 0 0 0 种，流行体系结 构包括m c u ，m p u 等3 0 多个系列。鉴于嵌入式系统广阔的发展前景，很多半导 体制造商都大规模生产嵌入式处理器，并且公司自主设计处理器也已经成为了未 来嵌入式领域的一大趋势【1 1 啪】，其中从单片机、d s p 到f p g a 有着各式各样的品 种，速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低。目前嵌入式处理器的寻址 空间可以从6 4 k b 到4 g b ，处理速度最快可以达到2 0 0 0m i p s ，封装从8 个引脚到 4 硕i j 学佗论文 1 4 4 个引脚不等。 嵌入式系统的核心是嵌入式处理器。任何微处理器m p u 或微控制器m c u ( 即 常称的单片机) 都可以作为嵌入式系统的核。对于新型的嵌入式系统的核，要求处 理速度快、存储容量大、i o 功能强、功率损耗低及实时响应快等。嵌入式处理器 一般就具备以下4 个特点【1 7 】： ( 1 ) 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应 时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。 ( 2 ) 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模 块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区 保护功能，同时也有利于软件诊断。 ( 3 ) 可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入 式微处理器。 ( 4 ) 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算 和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有m w 甚至u w 级。 嵌入式外围设备是除了中心控制部件以外完成存储、通信、保护、调试、显示 等辅助功能的其它部件，根据外围设备的功能可以分为以下几类： ( 1 ) 存储单元：静态易失型存储器( r a m 、s r a m ) 、动态存储器( d r a m ) 、非 易失型存储器( r o m 、e p r o m 、e e p r o m 、f l a s h ) 。其中f l a s h ( 闪存) 因为可擦 写次数多、存储速度快、容量大及价格便宜等优点在嵌入式系统中得到广泛的应 用。 ( 2 ) 接口单元：几乎现存的所有接口在嵌入式领域中都有应用。在嵌入式系 统中应用比较广泛的接口有r s 2 3 2 ( 串口) 、s p i ( 串行外设接口) 、1 2 c ( i n t e r - i n t e g r a t e d c i r c u i t ) 、u s b ( 通用串行接口) 、e t h e r n e t ( 以太网接口) 和u a i 汀( 通用异步接收发送 装置) 。 ( 3 ) 显示单元：c r t 、l c d 和触摸屏等外围显示设备。 嵌入式系统中的外围单元可能集成在片内，也可以根据需要加入系统，必需根 据应用而进行选择。 1 2 2a i 蝴技术 a r m 公司于1 9 9 0 年1 1 月在英国剑桥成立，是专门从事基于r i s c 技术芯片 设计开发的公司，作为嵌入式r i s c 处理器的知识产权i p 供应商，本身不直接从 事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体 生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据各自不同的应用领域， 在处理器核的基础上进行再设计，嵌入各种外围和处理部件，从而形成自己的 5 基于a r m 和u c o s i i 的火灾报警系统研究 a r m 微处理器芯片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用a r m 公司的授权，如a t m e l 、p h i l i p s 、i n t e l 、s a l l s u n g 、s h a r p 等，因此既使得a r m 技 术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品 更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力【1 7 。19 1 。 a r m 处理器的三大特点是：耗电少功能强、1 6 位3 2 位双指令集和众多合作 伙伴。 a r m 商品模式的强大之处在于它在世界范围有超过1 0 0 个的合作伙伴 ( p a n n e r s ) 。a r m 是设计公司，本身不生产芯片。采用转让许可证制度，由合作 伙伴生产芯片。 当前a r m 体系结构的扩充包括： t h u m b1 6 位指令集，为了改善代码密度； d s pd s p 应用的算术运算指令集： j a z e l l e r 允许直接执行j a v a 字节码。 a r m 处理器系列提供的解决方案有： 无线、消费类电子和图像应用的开放平台； 存储、自动化、工业和网络应用的嵌入式实时系统； 智能卡和s i m 卡的安全应用。 a r m 处理器本身是3 2 位设计，但也配备1 6 位指令集。一般来讲存储器比等 价3 2 位代码节省达3 5 ，然而保留了3 2 位系统的所有优势2 0 1 。 1 3 嵌入式操作系统 随着嵌入式应用的日益广泛，程序设计也越来越复杂，这就需要一个操作系统 来对其进行管理和控制。特别是在嵌入式大型应用中，为了使嵌入式开发更方便、 快捷，就需要具备相应的管理存储器分配、中断处理、任务间通信、定时器响应 以及提供多任务处理等功能的稳定、安全的软件模块集合，使用嵌入式操作系统 可以有效的提高这些系统的开发效率1 9 j 。 作为嵌入式系统( 包括硬、软件系统) 极为重要的组成部分的嵌入式操作系统， 通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图 形界面、标准化浏览器等【2 。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如 能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙 的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应 用程序。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相 关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点【2 2 j ： 1 编码体积小：适合在嵌入式系统的有限存储空间中运行； 2 面向应用，可裁剪和移植：由于嵌入式操作系统要面向各种不同的硬件平 6 硕上学位论文 台，必须消除这种硬件带来的差异性，同时由应用的不需求不同进行裁剪可进一 步缩小编码体积、有效地运行，故此类o s 也可称为特定应用操作系统 a s o s ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i co p e r a t i n gs y s t e m ) ； 3 实时性强：这是工业控制应用中的常见要求，因此，嵌入式操作系统绝大 多数是实时多任务操作系统r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) ： 4 可靠性高：嵌入式系统应该可以无需人工干预而独立运行，并处理各类异 常事件，有一定的故障处理能力。 嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能复 杂、系统庞大的应用中显得愈来愈重要皿3 1 。 ( 1 ) 嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性。在工业控制系统中，要求系 统起不能崩溃，而且还要有一定自愈能力。这就要求在硬件设计方面提高系统的 可靠性和抗干扰性的同时，也应在软件设计方面提高系统的抗干扰性，尽可能地 减少安全漏洞和不可靠的隐患。前后台系统软件设计在遇到强干扰时，容易使得 运行的程序产生异常、出错、跑飞，甚至死循环，造成了系统的崩溃。而实时操 作系统管理的系统，这种干扰可能只是引起若干进程中的一个被破坏，可以通过 系统运行的系统监控进程对其进行修复，这个系统监视进程用来监视各进程运行 状况，遇到异常情况时可采取一些利于系统稳定可靠的措施。 ( 2 ) 嵌入式实时操作系统提高了开发效率，缩短了开发周期。在嵌入式实时 操作系统环境下，开发一个复杂的应用程序，通常可以按照软件工程中的解耦原 则将整个程序分解为多个任务模块。每个任务模块的调试、修改几乎不影响其他 模块。商业软件一般都提供了良好的多任务调试环境。 ( 3 ) 嵌入式实时操作系统充分发挥了3 2 位以上c p u 的多任务潜力。3 2 位以 上c p u 比8 、1 6 位c p u 快，另外它本来是为运行多用户、多任务操作系统而设 计的，特别适于运行多任务实时系统。如果还是采用以前的前后台方式，则无法 发挥3 2 位c p u 的优势。从某种意义上说，没有操作系统的计算机( 裸机) 是没 有用的。在嵌入式应用中，只有把c p u 嵌入到系统中，同时又把操作系统嵌入进 去，才是真正的计算机嵌入式应用。本文采用u c o s i i 实时操作系统。 1 4 论文研究的内容 本论文主要研究在一块基于l p c 2 2 1 0 微处理器的开发板上移植u c o s i i 操作 系统，实现嵌入式t c p i p 协议栈，使之与中央控制室通过以太网通信，以实现中 央控制室可实时查询各监控位置状态，并作出相应的处理措施的火灾自动报警和 控制自动灭火系统。 1 、介绍火灾报警的发展现状以及不足，提出新的火灾报警设计方案，介绍嵌 入式系统。先从总体上阐述嵌入式系统的发展和特点，然后分析了嵌入式系统与 7 基十a r m 和u c 0 s i l 的火灾报警系统研究 火灾报警技术相结合的发展趋势； 2 、研究a r m 处理器的体系结构，寄存器组织及基于a r m 7 t d m i 的l p c 2 2 1 0 芯片，对常用模块如键盘模块、外部存储器模块、l c d 显示模块、网络通信模块 进行设计； 3 、分析u c o s i i 实时内核。通过对u c o s i i 内核源代码的分析和研究，进一 步分析u c o s i i 初始化过程及通信机制，着重论述u c o s i i 内核在a r m 7 t d m i 内核3 2 位微处理器上的移植实现，u c o s i i 操作系统的基于a r m 7 t d m i ( l p c 2 2 1 0 ) 系统启动代码的设计与实现，使用a r m 的汇编语言和c 来完成； 4 、分析t c p i p 协议，实现t c p i p 协议栈。在构建嵌入式操作系统平台后， 基于u c o s i i 的各种系统服务接口来完成t c p i p 协议栈的建设，将嵌入式t c p i p 协议栈l w i p 无缝连接到u c o s i i ，实现u c o s i i 的网络功能。主要工作是编译 常量的设置，数据类型的定义，与操作系统相关函数修改，以及网卡设备的初始 化和驱动程序的编写； 5 、对系统进行调试，分别对硬件模块、软件模块和网络模块进行测试，确定 系统各部分的功能。 8 硕士学位论文 第2 章系统总体结构 基于a r m 和u c o s i i 的火灾报警控制系统由火灾探测单元、火灾报警控制单 元和与i n t e m e t 的通讯网络组成，火灾探测单元完成对各类传感器探测信号的采 集、变换和传输，在火灾初期，将燃烧产生的烟雾、热量和光辐射等物理量，通 过感温、感烟和感光等火灾探测器变成电信号，传输到火灾报警控制单元；火灾 报警控制单元负责接收、处理、存储、显示和传递火灾报警信号，并发出控制信 号和具有其它辅助功能；通讯单元完成与i n t e m e t 的联网通信，使火灾报警控制器 之间能够通过i n t e m e t 交换数据和信息，实现火灾报警系统的层次功能设定、数据 调用管理和网络服务等功能。 2 1 系统的整体架构 本系统由以下几部分组成： ( 1 ) 火灾探测单元 1 火灾探测单元由用来响应其附近区域由火灾产生的物理或化学现象的探测器 件组成。根据结构造型、火灾参数、使用环境、动作时刻、安装方式的不同，可 以分为多种种类，而根据不同的探测器件组合，其探测方法可以分为空气离化探 测、光电探测、热( 温度) 探测、火焰( 光) 探测、可燃气体探测和复合式火灾探测多 种方法【2 - 3 1 ，如图2 1 所示。 图2 1 火灾探测的方法 不同的火灾探测器采集的信号不同，早期的探测器仅仅只是送出一个开关量信 号，误报率比较高，而且限制了火灾判定算法的发展，现在已逐渐被智能探测器 取代。智能探测器采集的模拟信号通过a d 转换后，再将数据采取编码传送的方 式，让多个探测单元挂载在总线上协同工作。具体探测器与探测方法的选择与监 9 皋1 ：a r m 和u c o s i i 的火灾报警系统研究 控要求和使用环境相关f 2 4 圆】。 ( 2 ) 火灾报警控制单元 火灾报警控制单元是系统的“大脑”，它要保证探测单元发送过来的数据能得到 迅速、正确的进行转换和处理，并以声光报警形式，指示火灾发生的具体部位， 以便及时采取有效的处理措施l 3 0 】。 火灾报警控制单元接收各探测单元传送的探测信号，根据相应的判定算法进行 处理。用户可以实时对各探测数据进行查询，各种信息可以显示输出在液晶屏上。 手动报警单元报警信号可直接送入控制单元。控制单元将判定的火灾信号送入总 控中心，同时启动区域声光报警，启动各类自动消防设备等。火灾发生的时间、 地点应同时记录在控制器单元和总控中心。 控制单元具有故障检测功能，当出现探测器回路断路、短路、探测器自身故障、 系统自身故障时，控制单元都应进行声、光报警，指示具体故障部位。 当控制单元根据探测信号判定出现火灾或接收到手动报警按钮等报警信号单 元发出报警信号时，控制单元能迅速、准确的处理报警信号，进行火灾声光报警， 指示具体火警部位和时间。这些火灾数据可被保持并记忆，不随火灾报警信号源 的消失而消失，同时能继续接受、处理其它火灾报警信号。 火灾报警信号优先于故障信号。控制单元报告故障时，如出现火灾信号，可以 自动切换到火灾声光报警状态。如果故障一直存在，只有在火情被排除，人工进 行火灾复位后，控制器才转换到故障报警状态。 ( 3 ) 网络通讯单元 控制单元之间是平行网络结构，它们通过i n t e r n e t 与总控中心相联结。总控中 心可以是区域监控中心，也可以是1 1 9 火灾报警中心。总控中心通过网络可以实 时监控各控制单元的火警情况，方便协调指挥，对火灾作出及时有效的反应。同 时，可以形成资源共享，实现各种信息的存储与管理，包括对控制单元的环境参 数修改、时间设置与同步等等。 网络通讯单元是系统十分关键的一环，用i n t e r n e t 取代专用网络的主要原因是 希望利用i n t e r n e t 的便利性，同时也是顺应嵌入式系统的网络化趋势，摆脱专用网 的诸多缺陷。 分布式、智能化、小型化的控制单元可以解决很多传统防火监控系统中的不足， 不再受到消防网络范围的限制，综合布线也可以摆脱如r s 4 8 5 总线1 2 0 0 米距离的 约束，而在成本上又有很高的优势，组网灵活，在网络中的节点由于平行性可以 视需要增加或减少，系统有很好的开放性与兼容性。 系统的整体结构如图2 2 所示： l o 硕i j 学位论殳 2 2 系统功能设计 图2 2 火灾报警系统总体结构 火灾监控系统是用来保护生命与财产安全的技术设施，因此从一些特殊场所如 生产与储存火药、炸药、弹药、火工品等场所外，其它场所都应该适用。不过具 体的监控方案应与建筑的基本情况相关，具体的探测器、控制算法及消防设备的 选用应切合建筑物的性质、规模、功能及平剖面情况【3 1 1 。 但对于系统整体平台而言，系统功能的实现过程是一致的，差别只是体现在具 体应用时的应用软件差别上。对于火情信息其判断过程是： ( 1 ) 火灾报警控制器存储各种火灾和正常状态下火的特征值数据，具体应用 时可通过i n t e r n e t 从总控中心下载； ( 2 ) 火灾探测器提取应用环境基本信息和火灾特性参数及信号变化趋势信息； ( 3 ) 火灾探测器实现火灾现场有效信号连续采集并完成变量数字化( a d 转 换) ： ( 4 ) 火灾报警控制单元接受探测器输出数据，进行火灾判断与数据处理，提 基于a r m 和u c o s i i 的火灾报警系统研究 取火灾特征信息，进行多级类比分析和智能化火灾探测算法运算； ( 5 ) 判别真实火灾与虚假火灾，输出正确的火警信息； ( 6 ) 与总控中心通信，通报火灾信息。 同时控制单元要接受各类其它的功能要求，如输出显示、手动报警、故障提示、 状态查询、声光报警等等。 2 3 火灾报警控制单元的结构 火灾报警控制单元是整个系统的核心。采用a r m 微处理器作为处理单元，本 文以一片l p c 2 2 1 0 为例。网卡采用r t l 8 0 1 9 a s ，作为系统的硬件平台。软件平台 采用u c o s i i 操作系统配合l w i p 网络协议栈，整体系统如图2 3 所示： 三三叵臣三亘 图2 3 火灾报警控制单元结构 应用程序与具体的应用环境相关，可根据具体的的被探测单元、探测环境编写 与选择使用。这种模块化的思路可以对不同的环境有良好的适应能力，同时将应 用程序的编写从硬件中解脱出来，加快了系统的开发速度。 1 2 形 f j 学f 口论文 第3 章火灾报警系统的硬件平台 本章将详细讨论基于l p c 2 2 1 0 的硬件平台，所描述的内容是基于l p c 2 2 l o 进 行应用设计的，介绍了l p c 2 2 1 0 的功能结构，论述其在火灾报警控制中的应用； 详细研究了各硬件系统单元电路的具体实现及系统的初始化，以及对硬件电路的 测试。 3 1 火灾报警控制单元的硬件结构 火灾报警系统的硬件主要包括作为控制单元的l p c 2 2 1 0 及其所必须的电源电 路、时钟电路、复位电路、外部存储单元电路，以及作为扩展的键盘及l e d 显示 电路、串口及j t a g 调试接口电路、以太网接口电路、图形液晶模块接口电路。 整体框架图如图3 1 所示： 八 i 火灾探测单元 二二令蚓眦8 啪a s 啪陪一 g 刮 s m m i n t e ：门1 e t a i u 垤| 啪陪一 牟刮f l a s h v l p c 2 2 l o u s 嗾口陪令 矾g 接口 键盘 o= = 二刮输出声光报警 图3 1 火灾报警控制单元框图 鉴于a r m 微处理器的众多优点，随着国内外嵌入式应用领域的逐步发展， a r m 微处理器必然会获得广泛的重视和应用。但是，由于a r m 微处理器有多达 十几种的内核结构，几十个芯片生产厂家，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 芯片做一些对比研究是 十分必要的。 从前面所介绍的内容可知，a r m 微处理器包含一系列的内核结构，以适应不 同的应用领域，用户如果希望使用w i n c e 或标准l i n u x 等操作系统以减少软件开 发时间，就需要选择a r m 7 2 0 t 以上带有m m u ( m e m o r ) ，m a n a g e m e n tu n i t ) 功能 基于a r m 和u c ，o s 1 l 的火灾报警系统研究 的a r m 芯片，a r m 7 2 0 t 、a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 、a r m 9 4 6 t 、s t r o n g a r m 都带 有m m u 功能。而a r m 7 t d m i 系列没有m m u ，不支持w i n d o w s c e 和标准l i n u x ， 只有u c o s i i 等不需要m m u 支持的操作系统可运行于a r m 7 t d m i 硬件平台之 上。 本系统选用n x p 公司的l p c 2 2 1o 作为中央处理单元。l p c 2 2 lo 采用的是 a r m 7 t d m i 内核，是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的16 3 2 位 a r m 7 t d m i s 的微控制器，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3 列。作为3 2 位微处理器，它具有3 2 位的地址总线与数据总线， 能提供2 3 2 ( 4 g b ) 的海量寻址空间，具有高速的运算能力。其主要性能特点为： 1 、体积小、低功耗、高性能、低成本； 2 、三段流水线和冯诺依曼结构，提供o 9 m i p s m h z 的处理速度； 3 、指令长度固定，代码密度很高，兼容1 6 位微处理器，支持t h u m b a r m 双指令集，兼容8 1 6 位系统； 4 、寻址灵活，效率高； 5 、丰富的片内外设和i o 口； 6 、优秀的调试机制： 7 、大量内部寄存器，使大量数据操作都在寄存器内完成，极大的提升了处理 速度。 火灾报警控制单元以l p c 2 2 1 0 处理器为核心，外部扩展存储单元和i n t e r n e t 接口，对探测器信号进行处理，同时实现网络功能。 3 1 1 电源 电源为整个系统提供能量，是嵌入式系统工作的基础。l p c 2 2 1 0 微控制器要使 用两组电源，i o 口供电电源为3 3 v ，内核及片内外设供电电源为1 8 v ，同