（计算机应用技术专业论文）基于gprs网络的嵌入式手持终端设计与研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文以燃气表的远程维修为研究背景，提出了基于g p r s 网络的嵌入式解决 方案，论述了基于g p r s 网络的嵌入式手持终端的设计与实现及对相关技术的研 究。文章以嵌入式手持终端的设计为主线，详细讨论了嵌入式手持终端的硬件 系统设计和软件系统设计。通过合理的体系结构设计一进行适当的硬件软件划 分、硬件系统上预留表标准的数据采集接口、特别是在软件体系结构上合理运 用实时设计模式，设计一个良好的软件体系结构，本手持终端可以方便地部署 其它类型的业务，从而扩大基于g p r s 网络的嵌入式手持终端的应用领域。 全文共分为7 章。 第1 章首先介绍课题的研究背景、目的、意义和研究内容，分析国内外嵌 入式手持终端的研究现状，给出课题研究的总体思路和技术路线。 在第2 章，基于课题研究的需要，介绍g p r s 网络通信及其特点、数据传输 平台、g p r s 网络的应用及组网方案和通信实现。 第3 章论述嵌入式系统的设计流程，给出嵌入式手持终端的功能插述，分 析嵌入式手持终端的软硬件划分问题，并给出系统的硬件结构图和软件结构图。 第4 章为硬件系统设计与实现，论述嵌入式处理器的选型原则，存储系统 f 1 a s h 和s d r a m 的设计，人机交互接口键盘、触摸屏、l c d 的设计，数据采 集接口一串口和u s b 的设计。 第5 章为软件系统设计与实现，论述软件体系结构方面采用了哪些实时设 计模式，c o s i i 的移植，各硬件模块的驱动设计，嵌入式g u i 的移植、嵌入 式t c p i p 协议栈的移植，应用层业务逻辑的实现，并给出应用层的代码结构示 例。 第6 章分析系统存在的不足之处和可能实现方法的建议。 第7 章总结本课题完成的情况，指出本人所作的具体工作以及研究工作的 创新点。 关键词： g p r s ，手持终端，“c o s i i ，软件体系结构，实时设计模式 亟望堡三查堂堡主堂垡笙壅 a b s t r a c t b a s e do nt h eb a c k g r o u n do fg a sm e t e rr e m o t er e p a i r i n g ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r d as o l u t i o nw a y t h ee m b e d d e dt e c h n o l o g yb a s e do ng p r sc o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e r d i s c u s s e sd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fe m b e d d e dh a n d h o l dt e r m i n a l a sw e l la s t e c h n o l o g y i n v o l v e d t 1 1 i s p a p e r f o c u so nt h e s y s t e md e s i g no ft h e e m b e d d e d h a n d h o l d ，a d d r e s s e st h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n i nd e t a i l b yr e a s o n a b l e s y s t e ma r c h i t e c t u r ed e s i g n ，i e ，t h ea p p r o p r i a t ep a r t i t i o no fh a r d w a r e s o f t w a r e ，t h e p r e s e r v i n go f s t a n d a r dd a t ag a t h e r i n gi n t e r f a c e ，e s p e c i a l l yt h ew e l l d e s i g n e ds o f t w a r e a r c h i t e c t u r e ，o t h e rs e r v i c ec a r lb ec o n v e n i e n t l yd e p l o y e do nt h i sh a n d h o l dt e r m i n a l ， t h u so u rr e s e a c hw o r k e x p a n d s t h e a p p l i c a t i o n a r e ao f e m b e d d e dh a n d h o l dt e r m i n a l t h i s p a p e r i sd e v i d e di n t os e v e n c h a p t e r s t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d t h er e s e a r c hp u r p o s ea n d r e s e a r c hc o n t e n t t h ec u r r e n t t e c h n o l o g y i s a n a l y z e d t h e r e s e a r c h p l a n a n d t e c h n o l o g yw a y sf o l l o w e d a r eg i v a na sw e l l t h es e c o n d c h a p t e r i n t r o d u c e st h eg p r sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yb r i e f l y , a n d a l a n a l i z e s 也eg p r sd a t at r a n s f e r r i n gp l a t f o r m a l s ot h i sc h a p t e rd i s c u s s e st h ew a yt o b u i l dt h ea p p l i c a t i o nn e t w o r ko fg p r sa n dt h em e t h o dt o i m p l e m e n tt h eg p r s c o m m u n i c a t i o ni nae m b e d d e d s y s t e m i nt l l et h i r dc h a p t e r , t h ed e s i g nm e t h o do fe m b e d d e ds y s t e mi sa d d r e s s e di n d e t a i l i nt h i sc h a p t e r , t h ep a r t i t i o nb e t w e e nh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sd i s c u s s e d t h e h a r d w a r es y s t e ma r c h i t e c h t u r eb l o c k d i a g r a ma n ds o f t w a r es y s t e ma r c i t e c h t u r eb l o c k d i a g r a m a r e p r e s e n t e d t 1 1 ef o u r t hc h a p t e r m a i n l yf o c u s e s o nh a r d w a r e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n t h i s c h a p t e rd i s c u s s e st h ec h o o s i n go fm i c r o p r o c e s s o r , t h ed e s i g no f t h em e m o r y s y s t e m ， t h ed e s i g no f m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n d d e s i g n o f d a t a g a t h e r i n gi n t e r f a c e t h ef i f t hc h a p t e rd e m o s t r a t e sh o wt o d e s i g na n di m p l e m e n ts o f t w a r es y s t e m n l es o t w a r ea r c h i t e t u r ed e s i g n p a t t e r ni sd i s c u s s e d 1 1 l i sc h a p t e rs h o w sh o w t od r i v e t h eh a r d w a r e ，h o wt ot r a n s p l a n tt h e0 c 0 s i i ，t h ee m b e d d e dg u ia n de m b e d d e d t c p 佃s t a c kt ot h e t a r g e tp l a t f o r m a tt h ee n do f t h ef i f mc h a p t e ra a p p l i c a t i o nm o d e l 1 sg i v e n t h es i x t h c h a p t e rp o i n t s o u tt h e p r o b l e m so fc u r r e n tw o r ka n dt 1 1 ef u t u r e r e s e a r c h t h es e n v e n t hc h a p t e rs u m m e s u p t h ew h o l e w o r k 。p o i n t so u tt h es p e c i f i cw o r k i h a v eu n d e r t a k e n ，a n di n d i c a t e st h ei r m o v a t i v e a s l ：l e c t so f o u rr e s e a r c h k e yw o r d s ：g p r s ，h a n d h o l dt e r m i n a l ，此o s i i ，s o f t w a r ea r c h i t e c t u r e r e a l t i m ed e s i g n p a t t e r n 1 i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题目的、意义、研究内容 本课题的一个实际研究背景是i c 卡燃气表的远程现场维修问题。i c 卡燃气 表在使用过程中会发生故障，燃气用户往往要求维修人员迅速、及时地解决问 题。维修过程中涉及到维修现场与燃气运营公司数据库服务器中的数据交换。 为保证i c 卡燃气表内数据与燃气运营中心的数据库服务器中数据逻辑正确性， 维修人员首先必须到燃气运营中心向数据库服务器报告i c 卡燃气表的标志信息 ( 用户编号i d ) 以及当前的一些数据( 如已使用燃气量) ，然后数据库服务器查 询到该i c 卡燃气表的相关信息( 用户编号i d ，总购气量，最近一次购气量等) 后，经过计算( 依据相关的业务规则) ，得出维修数据( 如补气量等) ，重新写 用户卡( 即燃气用户用来充值的i c 卡) ，维修人员拿到这张重新写的用户卡后 再返回维修现场。在以前的维修过程中，维修人员往往要在维修现场与数据库 服务器所在地之间来回往返，维修过程耗时耗力，工作效率极其低下。 本课题研究的目的旨在解决通过无线方式进行实时数据通信的问题，我们 选择了基于g p r s 网络的嵌入式解决方案。基于g p r s 网络的嵌入式手持终端有 两个方面的主要作用：一方面是其本身作为一种智能终端，具备一定的信息处 理能力，能够实现一些既定的应用；另一方面是能够成为企业高端信息系统向 移动方向的延伸，即在移动过程中从后台数据库读取数据、帮助进行移动中的 业务处理。随着各行各业对数据实时移动通信要求的不断提高，对于数据通信 的前端一手持式数据采集终端的需求越来越大。由于基于g p r s 网络的嵌入式终 端具有结构紧凑、体积小、功耗低、移动范围广、通讯质量高，且通讯费用低 廉的特点，使得该终端可以广泛地适用于远程数据传输、远程工业控制、移动 售卡( 充值) 、销售和物流配送业务、环境监测、交通稽查、军事、以及电子商 务等领域，可以在很大程度上改变落后的工作方式，促进社会和经济的发展。 本课题的研究内容如下： 1 无线通信的实现方式。 2 嵌入式系统的总体分析与设计，硬软件划分。 3 硬件系统的设计。 武汉理工大学硕士学位论文 4 软件系统的设计 1 2 国内外研究现状分析 从嵌入式手持终端的整体研究来看，欧美发达国家嵌入式技术起步较早， 因此其产品较为成熟，功能较为完善，交互性能好。如：s y m b o l s p t 一1 8 0 0 数据 采集器、i n t e r m e c - 7 0 0 工业无线终端设备等。但大多不是通用型终端，即不便 根据特定行业的特定需要，将无线数据交换功能和外部数据采集硬件( 如i c 卡 读写器、条形码扫描器等) 有效整合，形成另一行业的数据采集无线p o s 系统。 且由于行业保护和知识产权等因素，其价格较为昂贵，不利于中小企业的定制 开发和使用。而对于中国，嵌入式技术方兴未艾，已有不少公司从事该类产品 的开发，如深圳港盈科技的i c 卡p o s 、深圳华楷科技的手持点菜、抄表系统等。 这些手持终端都是针对其特定领域设计的，而且目前这类产品覆盖的应用领域 也比较少，这就为其它的开发商寻找新的应用领域，开发适合新的镢域用手持 终端提供了广阔的天地。预计在近、二年内将有更多的专用手持终端面世， 同样，由于行业保护、知识产权和技术方面的原因，开发商一般不愿或不能开 放自己的产品，让其它用户能方便地在其上布置新的应用。 嵌入式手持终端系统的组成涉及到以下几个部分：处理器、存储器、输入 输出以及与硬件紧密结合的软件部分。这几部分的技术发展趋势如下： 处理器的发展：国际上公认的通用嵌入式处理器有三大类：m c u 、d s p 和m p u 。 随着处理速度的要求越来越高，处理数据也越来越复杂，出现了双核与多核处 理器。处理器i p ( 知识产权) 、可编程、d s c 也成为嵌入式处理器发展的主要方 向。 存储器技术的发展：手持终端目前的存储器除了有只读存储器( r o m ) 来存 储程序外，还有闪存( f l a s hm e m o r y ) 来支持动态升级。在r a m 方面一般采用d r a m ， 虽然它比s r a m 慢，而且需要周期性的刷新，但是d r a m 的功耗低，价格便宜， 同体积的芯片存储容量大。 输入输出技术的发展：手持终端的输入方式有键盘输入和触摸屏方式。键 盘输入是一种比较简单的方式；触摸屏输入主要依靠用户使用手和笔完成输入， 市面上目前用得较多的是电阻式触摸屏。显示技术方面，t f tl c d 和o l e d 正逐 渐发展成为手持终端中的主流显示技术。 2 武汉理工大学硕士学位论文 软件技术的发展：嵌入式系统软件技术的发展主要体现在如下几个部分， 嵌入式操作系统、嵌入式图形用户界面以及嵌入式t c p i p 协议栈等。嵌入式操 作系统是嵌入式软件系统的核心，国内外很多科研机构和软件厂商对其进行了 研究，也推出了很多性能较好的产品，商业化的产品如美国风河公司 ( w i n d r i v e r ) 的v x w o r k s ，微软的w i n d o w sc e ，开源项目的有著名的有l i n u x ， 适合学习研究的有灿c o s i i 等。嵌入式图形用户界面方面，国外有m i c r o w i n d o w ， 此g u i ，o p e n g u i ，q t e m b e d d e d 以及紧缩的x - w i n d o w s 系统，国内有m i n i g u l 等。 嵌入式t c p i p 协议栈方面，比较成熟的有l w l p ，i p ，以及阢i p 等。 对于整个嵌入式系统的设计，目前比较倾向于采取一种称之为硬软件协同 的设计方法，这种设计方法能使整个嵌入式系统软硬件达到组合最佳状态。 1 3 课题研究的总体思路和技术开发路线 通过充分调研并翻阅大量技术资料，针对课题要求拟定了以下的研究总体 思路及技术开发路线。 研究总体思路： 1 了解g p r s 网络通信技术及其应用场合。 2 学习和了解嵌入式系统设计开发方法。 3 对于硬件部分，先分析市场上一些嵌入式系统厂家提供的d e m o 板的硬 件系统，学习、了解各芯片的功能，然后针对课题需要，对d e m o 板电 路进行裁剪，设计出硬件系统( 包括设计、预留标准的数据采集接口) 。 4 软件部分，设计个合理的软件体系结构，使得软件系统在应用层易于 扩展和替换，在系统层易于扩展和伸缩，整个软件系统易于维护。 技术开发路线： 1 在得出系统模型的基础上，进行软、硬件功能的合理分划。 2 以嵌入式处理器为核心，选好嵌入式处理器，充分利用嵌入式处理器提 供的资源，进行系统硬件设计，设计出一个嵌入式手持终端的通用硬件平 台。 3 该通用硬件平台上，构建具备实时内核以及嵌入式图形用户界面和嵌入 式t c p i p 协议栈的通用嵌入式软件平台。 4 该通用嵌入式软硬件平台上部署武汉市燃气集团的燃气表远程维修业 武汉理工大学硕士学位论文 务，利用g p r s 网络进行数据传输，完成整个嵌入式手持终端的设计和 调试。 5 通过把手持终端应用到燃气表远程维修这项科研课题中，进一步改进设 计中存在的问题，完善其功能；进一步研究在软件体系结构上如何优化 设计，使该终端如何更具通用性，以方便部署不同的应用。 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 g p r s 介绍 第2 章 p r 8 通信技术 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的英文简称， 是在现有g s m 系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为g s m 用户提供分组 形式的数据业务。g p r s 采用与g s m 同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突 发结构、同样的跳频规则以及同样的t d m a 帧结构，这种新的分组数据信道与当 前的电路交换的话音业务信道极其相似。因此，现有的基站子系统( b s s ) 从一 开始就可提供全面的g p r s 覆盏。g p r s 允许用户在端到端分组转移模式下发送和 接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低 成本的无线分组数据业务。g p r s 特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量 的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。使用g p r s 技术实现数据分组发送 和接收，用户永远在线且按流量计费，大大降低了系统的营运成本。“1 g p r s 是g s mp h a s e2 + 引入的非常重要的内容之一，与g s m 电路交换相比， g p r s 非常重要的优点是引入了分组交换能力，利用g p r s 进行数据传输具有：“永 远在线”、 “流量计费”、m 陕捷登录”、“高速传输”、“自如切换”等优点。“1 ( 1 ) 接入范围广 g p r s 是在现有的6 s m 网络上升级，可充分利用全国范围的电信网络，可以 方便、快速、低成本的为用户数据终端提供远程接入网络的部署。 ( 2 ) 高速传输 传输速率高，数据传输速度可以达到5 7 6 k b p s ，最高可以达到1 1 5 k b p s 一 1 7 0 k b p s ，是常用有线m o d e m 理想速率的两倍，是当前g s m 网络中电路数据交换 业务速度的几十倍，下一代g p r s 业务的速度甚至可以达到3 8 4 k b p s ，完全可以 满足用户应用需求。 ( 3 ) 快捷登陆 接入时间短，g p r s 接入等待时间短，可快速建立连接，平均耗时为两秒。 ( 4 ) 永远在线 提供实时在线功能。“实时在线”，或叫“永远在线”即用户随时与网络保 武汉理工大学硕士学位论文 持联系，即使没有数据传输，终端还是一直与网络保持联系，这将使访问服务 变得非常简单、快速。 ( 5 ) 按流量计费 用户只有在发送或者接收数据期间才占用无线资源，用户可以一直在线， 计费方式是按照用户接收和发送数据包的数量，没有数据流量传输时，用户即 使挂在网上也是不收费的。 ( 6 ) 切换自如 用户在进行数据传输时，不影响语音信号的接收。数据业务和语音业务的 切换有两种方式：自动和手动，具体形式依据不同终端而定。 g p r s 的这些优点也是本系统采用g p r s 网络通信方式的原因。 2 2g p r s 数据传输平台嘲 g p r s 传输平台理论带宽可达1 7 2 k p b s ，实际应用带宽大约在4 0 一1 0 0 k p b s ， g p r s 传输平台由分层的协议组构成，用于用户信息和其它相关信息( 如流程控 制、错误检测、错误修正等) 的传输。通过g b 接口，g p r s 传输平台不依赖于底 层的无线通信平台而独立存在，这样做，系统能很方便地从g p r s 平台升级至r j 3 g 平台。g p r s 传输平台如图2 - 1 所示。 图中 瑾妇五口a 撼瞰。嚣i 抖x 罄 。璺哆 5 n d c 室册 s n d 四o 霄 mu 嚣卫净臁t q m ，球 砒d 墨蜉一 b 嚣呻即 译 眦b 鲫 m c 琊墉 一 u 螂船+ o s m ”。o s ml 岫一l l b 抽l l l i 精譬u m丑鹤 舶 瓣甜 o h g g 矾啦 图2 - 1g p r s 传输平台 武汉理工大学硕士学位论文 g t p ：g p r s 隧道协议( g p r st u n n e l l i n gp r o t o c o l ，g t p ) 规范g p r s 主干网的 支持节点( g g s n 和s g s n ，g g s n 即g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ，g p r s 网关支持 节点。s g s n 即s e r v i c eg p r ss u p p o r tn o d e ，g p r s 服务支持节点) 之间的用户 数据和网络控制信号的传输，所有的分组数据报( x 2 5 或i p ) 的协议数据单元 ( p r o t o c o ld a t au n i t ，p d u ) 都会被g t p 封装。 t c p u d p ：t c p 协议用于在需要可靠数据连接的时候( 如x 2 5 网络) g p r s 主 干网上运送g t p 协议数据单元，u p d 协议用于在不需要可靠数据连接的时候( 如 i p 网络) 在g p r s 主干网上运送g t p 协议数据单元。t c p 对丢失或被破坏的g t p 协议 数据单元提供流程控制和保护，而p d u 对被破坏的g t p 协议数据单元提供保护。 i p ：i p 协议是g p r s 主干网协议，用于用户数据和控制信号的路由指示。g p r s 主干网目前采用i p v 4 协议。 s n d c p ：子网支持集中协议( s u b n e t w o r kd e p e n d e n tc o n v e r g e n c e p r o t o c 0 1 ， s n d c p ) 层提供其他网络协议的透明传输以及数据的压缩，还提供网络标识 ( n e t w o r ks e r v i c ea c c e s sp o i n ti d e n t i f i e r ，n s a p i ) ) 和网络终端之间的对 应。 l l c ：逻辑连接控制( l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) 层提供一个高可靠的密码逻 辑连接。l l c 层的存在，使通信不依赖于底层的无线通信协议，这样就可以只对 当前的网络子系统进行较小的改动而实现g p r s 无线通信，以及便于升级到3 g 网 络。 r e l a y ：在b s s 中，中继器( r e l a y ) 实现l l e 协议数据单元在u m 和g b 接口之 间的转发；在s g s n 中，中继器实现分组数据报协议数据单元在g b 和g n 接口之间 的转发。 b s s g p ：基站系统g p r s 协议( b a s es t a r i o ns y s t y mg p r sp r o t o c o l ，b s s g p ) 层实现b s s 和s g s n 之间路由和其它信息的传送。 n s ：网络服务( n e t w o r ks e r v i c e ) 层在b s s 和s g s n 之间建立帧中继( f r a m e r e l a y ) 连接来传送b s s g p 协议数据单元。 r l c m a c ：本层包含两个功能：无线连接控制( r l c ) 功能提供一个可靠连 接的无线方案；媒体访问控制( m a c ) 功能控制无线频道的访问信号( 如请求和 应答) 的流程并且把l l c 帧映射n g s m 物理通道上。 g s mr f ：g s m 无线通道。 在g p r s 数据传输平台上，移动工作站m s ( 包括终端设备t e 和移动终端舭) 7 武汉理j i ：大学硕士学位论文 通过u m 接口连接至u b s s ，b s s 并b s g s n 通过g n 接口连接。g i 是g g s n ( g a t e w a yg p r s s u p p o r tn o d e ，g g s n ) 与其它分组数据网络( 如i p 网络或x 2 5 网络) 的接口，这里 只讨论与i n t e r n e t 网络的连接。 从图2 1 中可以发现，在g p r s 信道中支持所有的基于i p 协议的其他协议，包 括t c p u d p 协议以及其上层的h t t p 、f t p 等协议。在i p 协议的底层，能运行其它 不同的协议，如l 2 、p p p 等，由于p p p 协议得到广泛的支持，目前大多数g p r s 无 线数据模块支持p p p 协议。 终端设备t e 可以在i p 协议的上层选用t c p 或u d p 协议，所用的i p 数据报都能 通过g p r s 信道( g p r sb e a r e r ) 传送到i n t e r n e t 网络中。 2 3g p r s 网络的应用 以g p r s 为基础的五项数据系统有着很广泛的应用，g p r s 网主要为用户提供 突发性的数据业务，g p r s 可以分为面向个人用户的横向应用和面向集团用户的 纵向应用两种。5 1 对于横向应用，g p r s 可以提供网上冲浪，e m a i l ，文件传输，数据库查询， 增强型短消息等业务。 对于纵向应用，g p r s 可以提供以下几种应用： 运输业：车辆及智能调度； 金融、证券和商业：无线p o s 、无线a t m 、自动售货机、流动银行等； o p t m 业务可以完美的支持股市动态、天气预报、交通信息的实时发布； 公共安全业：随时随地接入远程数据库； 遥测、遥感、遥控：如气象、水文系统收集数据，对灾害进行遥测和报警， 远程操作； 提供v p n ( 虚拟专用网) 业务，使企业员工能够随时随地的与总部保持联系，降 低公司建设自己的广域网的费用。 武汉理工大学硕士学位论文 2 4g p r s 的组网方案及通信实现 2 4 1 组网方案 使用固定i p 地址或向中国移动申请数据专线作为上位机( 后台数据库服务 器) ，实现多点对一点的通信连接，如图2 - 2 所示，g p r s 手持终端通过p p p 拨号 登陆g p r s 网络，获得移动子网i p 地址。后台数据库服务器主动接入i n t e r n e t 上并保持s o c k e t 监听状态，g p r s 手持终端机建立s o c k e t 并向后台数据库服务 器发起连接请求，这样后台数据库服务器在保持s o c k e t 连接的情况下，就可以 实现与g p r s 手持终端终端的通信。该方案具有组网简单等优点，适合大用户使 用。 图2 - 2 g p r s 组网方案示意图 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 2 通信实现 要实现手持终端与连接在i n t e r n e t 上的数据库服务器之间的通信，需要它 们都采用相同的协议( t c p i p 协议) 和工作在相同的网络层面上，考虑到嵌入 式系统的特点，本系统用了系统开销较小的l w i p 协议来实现g p r s 通信。主机发 送的t c p 数据报经g p r s 通道传送给g p r s 通信模块，g p r s 通信模块负责对数据报 进行解析，解析后的数据按照一定的波特率串行传送给m c u 。数据的分解过程 ( d e m u l t i p l y ) 见图2 3 。 图2 - sg p r s 通信网络分层结构图咖 在图2 3 中，g g s n 表示g p r s 网关支持节点，是g p r s 无线数据网络和其它 类网络( 比如i n t e r n e t 或专有网络) 的一个接口。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章嵌入式系统的设计 3 1 嵌入式系统的设计阶段 如图3 一l 所示，嵌入式系统设计一般由5 个阶段构成：需求分析、体系结构 设计、硬件软件设计、系统集成和系统测试。各个阶段之间往往要求不断的反 复和修改，直至完成最终设计目标。 图3 - i 嵌入式系统设计阶段 我们从系统的需求分析开始，系统的需求一般分为功能需求和非功能性需 求。功能性需求指的是系统需要做什么，亦即系统的基本功能，可以通过画用 例图来捕获系统的功能性需求；非功能性需求，即所谓服务质量q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 需求，指的是要达到功能侧面怎样做才好，包括性能、成本、体积、 功耗、可复用性、可移植性、可维护性、可扩展性、开发时间工作量、安全性、 武汉理工大学硕士学 ! i ) = 论文 可靠性、保密性等等。 体系结构设计描述系统如何实现所需的功能和非功能性需求，包括对硬 件、软件的功能划分以及系统的软件、硬件选型等。体系结构设计的难题是在 满足功能性需求的同时，必须优化非功能性需求的许多或全部。要达到优化目 的，需要对q o s 的各方面加以权衡和取舍，如某些系统可扩展性、可靠性、安 全性可能最关键，而保密性相对差一点。在另一些系统中，上市时间和可移植 性可能最重要。由于体系结构设计中存在优化问题，所以，我们通常会选择实 时和嵌入式领域的设计模式来进行设计工作。 基于体系结构，对系统的硬件、软件进行详细设计。一些硬件可能是现 成的，比如c p b 、存储芯片或者一些数据采集模块等，同样，软件也有标准的模 块可以利用，如现有的r t o s 、g u i 、嵌入式t c p i p 协议栈等，利用这些现成的 构件，不仅可以加快我们的开发进度，还可以提高产品的可靠性和通用标准性。 然而，根据实际项目的需要，我们自己也要设计一些构件，如硬件方面一些电 路，软件方面某些定制的模块。 接下来的工作是把系统的软件、硬件集成在一起，进行调试，发现并改进 单元设计过程中的错误。 最后，对设计好的系统进行测试，看其是否满足预期的设计要求。 3 2 嵌入式手持终端的分析与设计 3 2 1 系统功能描述 当燃气用户家中的燃气表发故障时，维修人员使用该手持终端，首先获取 燃气表当前的状态信息( 以维修i c 卡为介质) ，然后把这些状态信息通过g p r s 网络传送给位于燃气运营中心的数据库服务器，数据库服务器通过计算，返回 正确的数据给手持终端，手持终端再把这些数据写回用户卡，用户卡把数据传 递给燃气表。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 通过以上分析，该手持终端必须具备以下功能： 1 g p r s 通信功能，以满足实时数据通信的需要。 2 i c 卡读写功能，以满足和燃气表交换信息的需要。 非功能性需求方面，有以下几点： 1 。作为手持设备，要求体积满足便于携带的要求。 2 系统功耗必须满足一定的待机时间。 3 必须有友好的人机界面，方便操作人员使用。 4 必须保证产品的生产成本。 该手持终端的系统模型示意图如图3 2 所示。 3 2 2 软硬件划分问题 图3 2 手持终端的系统模型示意图 在本系统中，存在着以下几个软硬件划分的问题： 1 通信协议实现问题。 该手持终端通过g p r s 网络传递数据，必须实现t c p i p 协议，以进行s o c k e t 通信。可供选择的方案有两个，一种是在硬件模块g p r sm o d e m 中实现t c p i p 协 议，另一种是在整个手持终端软件层，也就是r t o s 中实现。若在g p r sm o d e m 中 嵌入t c p i p 协议栈，实际上是在g p r sm o d e m 中再增加一个单片机系统，在单片 机的软件部分实现t c p i p 协议( 已有相关介绍，见文献) ，势必增加开发的工作 量，影响整个项目进度。当然，也可购买已实现t t c p i p 协议栈的g p r sm o d e m ， 如深圳倚天科技公司的e t p r o + + ，但是一般费用较高，造成整个手持终端的生 武汉理工大学硕士学位论文 产成本过高。而若在r t o s 中实现t c p i p 协议栈，可以利用目前一些比较成熟的 嵌入式t c p i p 协议模块，所作工作仅是移植而已。所以本手持终端选择在r t o s 中移植t c p i p 的方案。 2 i c 卡读写模块的实现问题。 i c 卡读写模块的实现，也有两种可供解决的方案，一种是利用嵌入式处理 器的i o 管脚，直接对i c 卡卡座进行控制，在软件部分实现i c 卡的读写驱动，来 实现i c 卡的读写功能。另一种方法是把i c 卡读写模块分离成一个单独的硬件模 块，在这个模块内部用一个单片机来驱动i c 卡的读写，然后通过手持终端的串 口与单片机的串口进行通信，来控制i c 卡的读写。考虑到该手持终端的将来的 通用性一具备标准的数据采集接口，我们选择了后者方案。 3 输入设备一键盘和触摸屏驱动的实现闫题。 在本系统中，键盘和触摸屏驱动的实现一般有两种方案：硬件实现一即利用 专门的键盘扫描芯片和触摸屏驱动芯片实现：软件实现一用软件实现键盘扫描算 法，以及用软件方法实现触摸屏的驱动。若采用专门驱动芯片的实现方案，一 方面在一定程度上会增加整个系统的成本，另一方面不利于系统硬件系统的整 合。由于我们使用的嵌入式处理器的功能比较强大，所以我们充分利用嵌入式 处理器提供的硬件资源，以软件方式实现两者的驱动。 3 2 。3 系统硬件结构框图 本手持终端拟采用基于a i 圳7 t d m i 核的s 3 c 4 4 b o x 作为嵌入式处理器，整个 硬件体系主要包括以下几个部分： 1 储存器系统 2 数据采集接口一u s b ，串口 3 j t a g 调试接口 4 人机接口一触摸屏，键盘，l c d 5 系统电源 6 实时时钟 整个硬件结构框图如图3 3 所示。 武汉理工火学硕士学位论文 图3 3 系统硬件结构框图 其中，2 m 线性f l a s h 中存放系统的可执行代码，8 ms d r a m 用作系统内存。 u s b 接口作为预留的标准数据采集接口。在系统中，有2 个u a r t 接口，一个用 作和g p r sm o d e m 的接口，另一个用作和i c 卡读写模块的接口。 3 2 4 系统软件结构框图 从一定意义上来讲，软件的作用是对硬件功能的扩充。在传统的单片机 系统设计中，对于软件系统常采用称之为前后台系统 ( f o r g r o u n d b a c k g r o u n d ) 或超循环系统( s u p e r l o o p ) 的设计方法。在这 样的软件系统中，应用程序是一个无限的循环，循环中调用相应的函数完成 相应的操作，这部分可以看成后台行为( b a c k g r o u n d ) 。中断服务程序处理异 步事件，这部分可以看成前台行为( f o r g r o u n d ) 。这样的前后台系统有以下 几个缺点： 1 处理信息的及时性比较差。因为中断服务程序提供的信息一直要等到后 台程序运行到处理这个信息时，才能得到处理。 2 应用软件直接作用于硬件层上，软件系统结构性比较差，不便于应用软 件的扩展。 3 编写出来的软件不具备复用性。 4 当应用比较复杂，不利于把应用分解成若干个独立的子任务。 武汉理工大学硕士学位论文 由于以上原因，我们采取了基于嵌入式操作系统r t o s 的设计。r t o s 为上层 软件提供一个功能强大的虚拟机，给用户一个方便、高效、安全的工作环境。 在r t o s 的支持下，不仅可以解决实时| 生问题，我们还可以将复杂的应用程序分 解成若干个独立的任务，使应用程序结构清晰，便于扩展，具有良好的可复用 性。当然，使用r t o s 必定会增加系统额外的开销，这些额外的开销是r o m r a m 的 增加及2 一4 的c p u 开销，然而，我们的硬件资源( r o m r a m ，c p u 速度) 足够丰富， 对于整个系统来讲，使用r t o s 肯定利大于弊。 结合我们的硬件系统结构，我们的软件系统结构如图3 4 所示。 严格地说，图形用户界面( g u i ) 模块和嵌入式t c p i p 协议栈模块不是嵌 入式搡作系统的必要组成部分，在这里我们模仿传统的p c 机操作系统的构成方 法( 如w i n d o w s 操作系统内部包含g u i 芹n t c p i p 协议栈) ，把它们都纳入操作系统 的范畴之内( 在后文的讨论当中，我们将看到这种划分的合理之处) ，这样，我 们可以把操作系统层看作是可供用户调用的a p i 函数的集合，它对用户程序而言 屏蔽了底层硬件的细节。 图3 4 软件系统结构框图 1 6 层 武汉理工大学硕士学位论文 应用层由若干个独立的、并发执行的用户任务构成，这些任务通过使用 操作系统提供的服务，相互协作来完成复杂的应用。 r t o s 内核主要完成任务的调度和同步，并为设备驱动和g u i ，t c p i p 协议 栈等模块提供信号量、邮箱、消息队列等服务。g u i 和t c p i p 协议栈在聃0 s 内 核的支持下工作，并向应用层提供服务。设备驱动程序是连接底层的硬件和 上层的a p i 函数的纽带，有了驱动程序模块，就可以把操作系统的a p i 函数和 底层的硬件分离开来。任何一个硬件的改变、删除或者添加，只需要随之改 变、删除或者添加给操作系统的相应驱动程序就可以了，并不会影响至t j a p i 函 数的功能，更不会影响到用户的应用程序。 在操作系统部分，我们采取一种基于构件的开发方式。 我们选择了此o s l i 作为r t o s ，基于以下几点考虑，首先，o s - i i 公 开源代码，且代码结构清晰，紧凑、协调，可裁剪、特别适合学习研究，也 便于移植；其二，性能稳定可靠，完全满足我们手持终端的性能要求；其三， 从成本上加以考虑，商用实时内核一般价格都比较昂贵。 对于g u i ，我们选择了pc g o i ，它由纯c 代码写成，层次结构清晰，便于 阅读；提供了丰富的图形功能，提供触摸屏和键盘驱动等接口，方便我们的 移植和应用。 对于嵌入式t c p i p 协议栈，我们选择了l w i p 。l w i p 是瑞士计算机科学院 ( s w e d i s hi n s t i t u t eo fc o m p u t e rs c i e n c e ) 的a d a md u n k e l s 等开发的一套 用于嵌入式系统的开放源代码t c p i p 协议栈，l w l pt c p i p 实现的重点是在保 持t c p 协议主要功能的基础上减少对r a m 的占用，一般它只需要几十k 的r a m 和 4 0 k 左右的r o m 就可以运行，这使l w i p 协议栈适合在低端嵌入式系统中使用。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章硬件系统设计与实现 硬件系统的设计包括嵌入式处理器的选型、存储系统设计、人机接口设计、 数据采集接口设计。硬件系统的设计思路是：选好嵌入式处理器，充分利用嵌 入式处理器的存储系统特性来设计存储系统，充分利用嵌入式处理器提供的硬 件资源，来设计人机交互接口。本手持终端的硬件系统设计还要考虑到其应用 的扩展性，对于数据采集接口，尽可能设计成标准数据接口，如串口，u s b 接 口。 4 1 嵌入式处理器 4 1 。1 嵌入式处理器的选择 对于嵌入式处理器的选择首先是处理器内核的选择。在一个嵌入式系统中使用 什么样的处理器内核主要取决于应用的领域、用户的需求、成本、开发的难易 程度等。表4 - 1 列出了几种常见的处理器内核。 表4 - 1 几种常见的处理器内核 处理器核主要性能及应用 a r m s t r o n g a r m 小体积、低功耗、高性能。应用于移动通信、手 持设备、多媒体数字产品 m i p s高性能、高档次，覆盖从3 2 位到6 4 位处理器。 应用于便携式计算系统、便携式通信设备、数字 消费产品、办公自动化设备及工业控制领域。 p o