（计算机应用技术专业论文）基于arm的家庭安防网关平台底层构建.pdf

摘要 随着信息产业和集成电路技术的进步，嵌入式应用领域得到了蓬勃和快速的 发展。嵌入式应用开发的重要特点是满足应用门类的多样化需求，嵌入式应用的 多样化主要体现在目标机硬件平台的多样化，而硬件平台的多样化则对嵌入式系 统平台的底层构建提出了严格要求，因此不同硬件平台底层构建研究是嵌入式开 发中的一个重要问题。 嵌入式软硬件平台的底层构建主要涉及以下几个部分： 1 、嵌入式开发环境构建，涉及交叉编译环境、交叉调试环境等： 2 、嵌入式硬件平台构建，涉及硬件平台选型、地址分配等： 3 、u b o o t 移植，涉及u b o o t 启动分析、移植分析等； 4 、嵌入式操作系统移植，涉及u c l i n u x 内核结构、移植分析等； 5 、驱动程序的开发，涉及硬件分析、l i n u x 下驱动分析等； 与此同时，安全防范系统作为现代化的安全警卫手段，近年来正越来越多地 进入各个行业的各种应用领域，智能家居已经成为高科技发展必然的趋势。另外， 运营商宽带网络缺乏新的利润增长点，在已有的宽带网络上开发新的业务迫在眉 睫。基于a r m 的家庭安防网关与局端设备相结合，配备无线报警信号自学习型编 解码收发模块，完全解决了上述两个问题。 本文以多媒体综合报警系统项目中的终端产品x x x 型家庭安防网关为依托， 以开发流程为主线，就a r m + u c l i n u x 嵌入式平台给出了以上五个嵌入式开发过 程中底层平台构建的关键技术解决方案。正文中将依次介绍项目概述、目标硬件 平台分析、交叉开发环境构建以及u - b o o t 的移植、u c l i n u x 的移植和具体驱动程 序的开发。 关键词：嵌入式操作系统，$ 3 c 4 5 1 0 ，u b o o t ，u c l i n u x ，交叉开发环境 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s so ft e c h n o l o g ya b o u ti n f o r m a t i o na n di n t e g r a t ec i r c u i t , t h e r ei s f a s tr e n o v a t i o ni n v o l v e di ne m b e d d e da p p l i c a t i o n t h ei m p o r t a n tc h a r a c t e ro fe m b e d d e d d e v e l o p m e n ti st om e e tt h ed e m a n do fd i v e r s ea p p l i c a t i o n s t h ed i v e r s i t yo fe m b e d d e d a p p l i c a t i o ni sa s s o c i a t e dw i t ht h ed i v e r s i t yo fh a r e w a r ep l a t f o r mw h i c ha d v a n c e st h e s t r i c td e m a n df o rt h eb o t t o md e s i g no fe m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m s oi nt h ee m b e d d e d d e v e l o p m e n t ，i ti si m p o r t a n tt om a k er e s e a r c ho nt h eb o t t o md e s i g nt e c h n o l o g yo f s y s t e ms o f t w a r ew i t hd i v e s r eh a r d w a r ep l a t f o r m s t h eb o t t o md e s i g no ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ef o rt h ee m b e d d e dp l a t f o r m m a i n l yr e l a t e st ot h ef o l l o w i n gp a r t s ： 1 d e s i g no fe m b e d d e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ti n v o l v i n gc r o s s c o m p i l a t i o n e n v i r o n m e n t ，c r o a s - d e b u g g i n ge n v i r o n m e n t 2 d e s i g no ft h ee m b e d d e dh a r d w a r ep l a t f o r m , i n v o l v e sh a r d w a r ep l a t f o r m s e l e c t i o n ，a d d r e s sa l l o c a t i o n 3 d e s i g n o fu b o o t t r a n s p l a n t a t i o n , i n c l u d i n g s t a r t p r o c e d u r ea n a l y s i s ， t r a n s p l a n t a t i o na n a l y s i s 4 d e s i g no ft h ep o r t a b i l i t yo fe m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ，m a i n l ya b o u tk e r n e l s t r u c t u r ea n a l y s i sa n dt r a n s p l a n t a t i o na n a l y s i s 5 d e s i g no ft h ed r i v e r , m a i n l ya b o u th a r d w a r ea n a l y s i sa n dl i n u xd r i v e r d e v e l o p m e n t m e a n w h i l e ，i nr e c e n ty e a r s , t h es e c u r i t yg u a r da sam o d e ms e c u r i t ys y s t e m m e a n s ，m o r ea n dm o r ea r ee n t e r i n gt h ef i e l df o rav a r i e t yo fa p p l i c a t i o n si nv a r i o u s i n d u s t r i e s s m a r th o m eh a sb e d x ) m ea l li n e v i t a b l el t e n di nh i 曲- t e c hd e v e l o p m e n t i n a d d i t i o n ，t h el a c ko fn e wb r o a d b a n dn e t w o r kp r o f i tg r o w t hi nt h eb r o a d b a n dn e t w o r k h a sd e v e l o p e dn e wb u s i n e s si m m i n e n t s e c u r i t yg a t e w a yo fa r m - b a s e de q u i p m e n t c o m b i n e dw i t hw i r e l e s sa l a r ms i g n a lc o d i n gt r a n s c e i v e rm o d u l ei s f u l l yc a p a b l eo f a b s t r a c t r e s o l v i n gt h e s et w oi s s u e s b a s e dx x x s e c u r i t yg a t e w a y , a c c o r d i n g t ot h ed e v e l o p m e n to r d e r , t h ep a p e rg i v e s t h ek e yt e c h n i c a ls o l u t i o n sf o ra b o v ef o u re m b e d d e dd e v e l o p m e n tp r o c e s s t h ep a t e rw i l li n t r o d u c et h ef o l l o w i n gc o n t e n t ss t e pb y s t e p ： s u m m a r i z a t i o no ft h ep r o j e c t i o n a n a l y s i so f t h eh a r d w a r ep l a t f o r m c r o s s - d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tc o n s t r u c t i o n t r a n s p l a n t i o no f t h eu - b o o ta n du c l i n u x s p e c i f i cd r i v e rd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：e m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e m ，$ 3 c 4 5 1 0 ，u - b o o t ，u c l i n u x ， c r o s s d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t m 图表索日 图表索引 图且录索引 图1 - 1 嵌入式系统组成1 图1 2 嵌入式平台硬件体系结构4 图2 - 1 综合报警系统应用拓扑1 3 图3 - 1x x x 型家庭安防网关电路框图1 7 图3 - 2 $ 3 c 4 5 1 0 b 地址空间2 1 图4 1 开发环境2 8 图4 2a r m t t d m i 调试结构3 3 图们a r m 7 t d m i 的内核结构3 4 图4 _ 4j t a g 调试环境3 7 图5 - 1s 姗s 流程图5 7 图5 2 内存映象过程图7 l 图5 3u a i n l j ) 【界面7 2 图6 1 液晶外观7 4 图6 - 2t g l 2 2 3 2 c 硬件框图7 5 图6 3 “= d 初始化流程图7 7 图6 - 4 写数据字流程图7 7 图6 5 写控制字流程图7 8 表目录索引 表2 - 1 安防报警网关配套设备1 5 表3 - 1 地址空间分配1 9 表5 1 唧r r u h r s c 接口函数5 9 表5 2c p u c 的接口函数6 0 表5 3s e r l 气l c 接口函数6 0 图表索； 表5 4 表5 5 表5 6 表5 7 表6 1 表6 2 s 3 c 4 5 1 0e t h e r c 接口函数6 1 s n d s l o o c 接口函数6 2 m e m s e t u e s 接口函数6 2 f l a s h c 接口函数。6 2 端口复用表7 6 函数功能表7 9 i x 独创性声明 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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 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 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 日期护乃争腑 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名 翩签名：道塑 日期：刃芦7 年矸月支珀 j 第一章引言 1 1 嵌入式系统概述 第一章引言 随着现代计算机技术的飞速发展和互联网技术的广泛应用，从p c 时代过渡到 了以个人数字助理、手持个人电脑和信息家电为代表的3 c ( 计算机、通信、消费电 子、一体的后p c 时代。后p c 时代里，嵌入式系统扮演了越来越重要的角色，被广 泛应用于安防产品、信息电器、移动计算机设备、网络设备和工控仿真等领域。 嵌入式系统的开发也成为近年r r 行业的技术热点。 嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器 微处理器、存储器及外设器件和f o 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统 软件( o s ) ( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。有时，也将嵌入式开发环 境以及调试环境作为嵌入式系统构成软件的一部分。图1 - 1 描述了嵌入式系统的组 成【1 1 。 图1 - 1 嵌入式系统组成 电子科技大学硕士学位论文 1 2 嵌入式系统软件平台 1 2 1 嵌入式操作系统概述 嵌入式操作系统是嵌入式系统极为重要的组成部分，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。x x x 型家庭安防网关暂时没有提供图形界面与标准化浏览器。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。 1 2 2 嵌入式操作系统的特点 与其他类型的操作系统相比，嵌入式操作系统具有以下一些特点( 2 】o ( 1 ) 体积小。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那 样大容量的存储介质，而大多使用闪存( f l a s hm e m o r y ) 作为存储介质。这就要求 嵌入式操作系统只能运行在有限的内存中，不能使用虚拟内存，中断的使用也受 到限制。因此，嵌入式操作系统必须结构紧凑，体积微小。 ( 2 ) 实时性。大多数嵌入式系统都是实时系统，而且多是强实时多任务系统， 要求相应的嵌入式操作系统也必须是实时操作系统( r t o s ) 。 ( 3 ) 可靠性。一般来说，嵌入式系统一旦开始运行就不需要人的过多干预。 在这种条件下，要求嵌入式操作系统具有较高的稳定性和可靠性。 ( 4 ) 特殊的开发调试环境。提供完整的集成开发环境是每一个嵌入式系统开 发人员所期待的。一个完整的嵌入式系统的集成开发环境一般需要提供的工具是 编译连接器、内核调试跟踪器和集成图形界面开发平台。其中的集成图形界面开 发平台包括编辑器、调试器、软件仿真器和监视器等。本次x x x 型家庭安防网关 项目采用g n u 工具链以及j t a g 调试代理b d l 2 0 0 0 进行底层平台的开发与调试。 事实上，经过测试，也可通过科银京成的l a m b d a t o o l 及其调试代理进行底层平 台的开发与调试。 2 第一章引言 1 2 3 嵌入式操作系统的组成 实时操作系统是能够根据实际应用环境的要求对内核进行剪裁和重配置的操 作系统。它的组成根据其面向的实际应用领域的不同而有所不同。但一般都包括 以下几个重要组成部分：实时内核、实时网络组件、文件系统和图形接口等。 ( 1 ) 实时内核 实时内核一般都是多任务的。它主要实现任务管理、定时器管理、存储器管 理、任务间通讯与同步、中断管理等功能。 ( 2 ) 实时网络组件 实时网络组件一般都实现了链路层的a r p r a r p 协议、p p p 及s l i p 协议， 网络层的理协议，传输层的t c p 和u d p 协议，应用层的协议则根据实际应用 的需要实现相应的协议。 ( 3 ) 文件系统 非常简单的嵌入式应用中可以不需要文件系统的支持，但对于比较复杂的文 件操作应用来说，文件系统是必不可少的。它也是可剪裁的。 ( 4 ) 图形接口 在p d a 等实际应用领域，需要友善的用户界面。图形接口提供了生成应用程 序图形界面( g u i ) 的功能接口，为用户提供文字和图形以及中英文的显示和输入， 它同样是可剪裁的。 在上面的几个部分中，实时内核与硬件平台的关系比较密切如中断管理，定 时器管理等，这些直接与处理器特性有关，因此在内核移植过程都需考虑。其他 的部分如网络组件，文件系统，图形接口组件等有可能需要硬件平台上一些外设 的支持，在移植中必须提供这些外设驱动的支持包。 1 3 嵌入式系统硬件平台 整个嵌入式系统的开发涉及两方面：硬件部分与软件部分。硬件部分提供整 个系统开发可见的或可触摸的“实体”，而软件部分相当于这个“实体”内部的功 能逻辑。嵌入式系统的开发对硬件要求非常高，这与其他类型系统的开发有所不 3 电子科技大学硕士学位论文 同。许多嵌入式的开发都是针对具体的应用，针对项目中特定的硬件资源，如微 处理器、f l a s h 、外围接口等。这样程序员就需要熟悉系统中的硬件资源，比如 涉及到一些底层编程，就需要知道系统处理器提供的指令集；要对外设驱动，就 需了解外设的控制逻辑；要对f l a s h 编程，就需要知道f l a s h 编程的指令系列 和流程等。下面各小节详细介绍了嵌入式系统硬件平台部分。 1 3 1 硬件平台概述 在前面的嵌入式应用特点介绍中可知目前的嵌入式硬件平台有很多种类，要 使嵌入式操作系统对这些硬件平台都有良好的支持性，有必要了解这些硬件平台 的体系。一个目标硬件平台主要分三部分：处理器核心，芯片内的外围电路，板 级外围电路。它的体系框图如图1 2 ： 图1 - 2 嵌入式平台硬件体系结构 处理器核心指的是整个芯片的核心电路即c p u 的内核，如本次项目所采用的 三星s 3 c a 5 1 0 b 处理器的内核。芯片内的外围电路指的是封装在芯片内的一些电路 如看门狗电路，定时器分频电路等。板级外围电路就是与处理器芯片交互的外围 电路，通常这些电路是根据处理器的特性和具体的应用而定制的外围电路。将一 个嵌入式操作系统由一个硬件平台移植到另外的硬件平台，必须正确设置和初始 化以上三个部分。对于s 3 c a 5 1 0 1 3 的各个控制寄存器以及存储器等的介绍请见第三 章。 1 3 2 嵌入式处理器 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，嵌入式处理器通过数据 4 第一章引言 线、地址线和控制信号线等与各种接口：如r s 2 3 2 接口、u s b 接口、l c d 接口等 相连。新一代嵌入式设备还需具备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。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越 多的公司有自己的处理器设计部门，如a r m 、i n t e l 、w i n b o n d 、m o t o r o l a 、 a r m 、s e i k oe p s o n 等公司，比如用户熟知a r m 公司的a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 e 系列、s e c u r c o r e 系列、i n t e r 的x s c a l e 、i n t e l 的s t r o n g a r m 等。 考虑到本次项目中的终端产品x x x 型家庭安防网关为家庭产品，需求量大， 成本敏感度高，故最终采用a r m 公司的$ 3 c 4 5 1 0 b 处理器芯片。 1 3 3 嵌入式外围设备 在这里所说的嵌入式外围设备，是指在一个嵌入式硬件系统中，除了中心控 制部件( m c u 、d s p 、e m p u 、s o c ) 以外的完成存储、通讯、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分为以下3 类； 存储器类型：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 以可擦写 次数多、存储速度快、容量大、价格便宜等优点在嵌入式领域得到广泛的应用。 接口类型：目前存在的大多数计算机接口在嵌入式领域中都有着其广泛的 应用，但是以下几种接口应用最为广泛，其包括r s 2 3 2 接口( 串口) 、i r d a ( 红 外线接口) 、s p i ( 串行外围设备接口) 、1 2 c ( 现场总线待定) 、u s b ( 通用串行接 口) 、e t h e m e t ( 以太接口) 和普通并口。 显示类型：c r t 、l c d 和触摸屏等外围显示设备。 1 4 嵌入式系统开发环境 整个嵌入式系统的开发离不开嵌入式系统的调试工具和优秀的开发平台，这 里指的嵌入式调试包括硬件调试、软件调试、模拟调试等。嵌入式开发平台包括 嵌入式操作系统和嵌入式开发工具，嵌入式开发工具包括嵌入式编译器，链接器， 5 电子科技大学硕士学位论文 调试器等。当嵌入式操作系统由一种硬件平台移植到另一种硬件平台，相应的嵌 入式开发工具也需要做相应的修改。假设移植前的硬件平台的处理器采用i n t e l x 8 6 ，移植后的目标平台是a r m t t d m i ，则嵌入式编译器必须重新配置支持a r m 的处理器。对于调试器而言，因为s 3 0 埒1 0 b 处理器支持j t a g 调试，则当用j t a g 调试时，调试器必须配置提供相应的调试信息。可见，嵌入式内核在不同硬件平 台的移植中，开发工具的配置是非常重要的，这些部分在第四章开发环境的搭 建中将详细地介绍。 对于嵌入式系统的开发，调试机制是非常重要的，下面简要介绍在嵌入式开 发中一些常见的调试机制。 1 4 1j t a g 仿真器 j 1 a g 仿真器也称为j t a g 调试器，是通过a r m 芯片的j t a g 边界扫描口进 行调试的设备。j t a g 仿真器连接比较方便，通过现有的j t a g 边界扫描口 与a r mc p u 核通信，属于完全非插入式( 即不使用片上资源) 调试，它无需目标存 储器，不占用目标系统的任何端口，而这些是驻留监控软件所必需的。另外，由 于j t a g 调试的目标程序是在目标板上执行，因而仿真更接近于目标硬件。使用集 成开发环境配合j t a g 仿真器进行开发是目前采用最多的一种调试方式。本次项目 中采用了b d l 2 0 0 0 作为j t a g 调试代理进行板级调试工作。 1 4 2 实时在线仿真系统 直到在计算机辅助设计非常发达的今天，实时在线仿真系统( i c e ) 仍是进行 嵌入式应用系统调试最有效的开发工具。i c e 通过实际执行，可以对应用程序进 行原理性检验，排除以人的思维难以发现的设计逻辑错误。i c e 的另一个主要功 能是在应用系统中仿真微控制器的实时执行，发现和排除由于硬件干扰等引起的 异常执行行为。此外，高级的i c e 带有完善的跟踪功能和逻辑分析，可以跟踪和 分析应用系统的实际状态变化、微控制器随状态的变换反应等。 1 4 3t a o n i t o r 调试 在嵌入式系统开发中，有一个很有特色的术语“m o n i t o r ”，它实际是一段监控 程序。这段监控程序主要完成接受宿主机传送过来的控制命令，然后对其解析， 6 第一章引言 并在目标机上执行，并把目标机的一些结果和状态反馈给宿主机。m o n i t o r 这种 调试中的监控功能可由监控程序来完成，也可由具体的硬件来完成，即将监控功 能用硬件来实现。使用硬件完成监控功能的这种调试尽管成本较高，但调试起来 比较可靠和稳定。如果用一段监控程序来监控，首先就需要将这段监控程序下载 到目标系统中，占用目标机资源，而且对监控程序所在的存储区进行保护。相对 而言，这种监控程序调试很方便，但在调试过程容易发生地址冲突，有时表现不 稳定( 有可能用户的程序将监控程序覆盖，从而影响监控程序的执行) 。 1 4 4 模拟调试 源程序模拟器是在广泛使用的、人机接口完备的工作平台上( 如小型机和p c ) ， 通过软件手段模拟目标程序在某种嵌入式处理器上执行的一种程序逻辑验证工 具。简单的模拟器可以通过指令解释方式逐条执行源程序、分配虚拟存储空间和 外设供程序员检查；高级的模拟器可以利用计算机的外部接口模拟出处理器的i o 电气信号。不同档次和功能模拟器工具价格差距很大。 1 5 嵌入式系统与家庭安防的结合 在科技日新月异的年代，用户已不再满足简单的普通家电设备，对于自我安 全保护的安防意识逐渐增强，而智能家居将提供满足用户的个性安防服务。数字 家居远程安防终端设备及系统，将使智能家居中所有安防设备通过统一的安防终 端得到有效控制。远程安防终端设备首先必须具有对传感设备和信息采集设备的 控制能力，其次需要能够及时的将安防信息通过日益强大的信息网络传递给用户 和相关职能部门。故安防终端必须具有统一接口、智能控制、网络数据传输一体 化的功能。通过上面几个小节的分析可以得知，嵌入式系统技术具有执行效率高、 占用空间小、实时性能优良和可扩展性能等优点，这些都是安防终端所需要的。 而嵌入式系统相对低廉的价格使得嵌入式家庭安防网关可以胜任智能家居中安全 卫士的角色。 7 电子科技大学硕士学位论文 1 6 安防系统国内外发展现状与趋势 现有的家庭安防报警系统可以分为联网型和单户型两大类。联网型就是以小 区为中心组成社区型的防盗报警中心，小区的治安和管理由专门的物业部门来处 理，业主减少了后顾之忧。这也是各大商家争取的业务重点，因为其覆盖面大， 用户多，方便推广，主要应用于新建小区，用户观念便于接受。单户型是当整个 小区在安防报警方面没有形成统一意见，有的用户不愿意安装，那么希望安装安 防报警系统的用户，就可以采用单户型结构，单户型系统也具有相当大的市场份 额，这主要取决于用户的自身素质和经济能力。 总体来讲，目前产品以单户型为主，且是典型的“拼凑型系统”。例如，门 磁报警、烟感、可燃气体检测等需要分布布防，不但设备繁多，并且不容易做到 集中控制；而有些厂家虽然提供集中控制的安防产品，可以同时对多种潜在危险 进行布防，但是又无法将整个社区或者楼宇连接起来，同样无法大规模集中控制。 1 6 1 国内行业现状 1 、深圳康帕斯( c o m p a s s ) 家庭智能集中控制器h s c - 0 2 家庭智能化系统是智能化社区的核心单元，主要由家庭智能集中控制器 ( h s c ) 、数字三表、各种安防传感器、智能家电及网络线路组成，其中h s c 是 家庭智能化系统的核心部分，该公司的h s c 产品是基于计算机网络技术的家庭住 宅智能化管理控制器，其工作原理是收集所有的家庭智能化系统中的功能元件和 传感器传来的信息，并根据不同情况进行处理。用户则可以通过过对h s c 下达指 令，来控制各个功能元件和家用电器。如发生意外( 火警、盗警、紧急求助等) ， 它将迅速作出反应，向你和社区管理处报警，将由意外造成的损失减至最小。该 公司产品虽然可以满足集中布防的需要，但是所需硬件均需国外引进，只是开发 上层简单应用而已，没有自己的核心技术。 2 、长虹、海尔 白色家电与黑色家电巨头近年来也参与到安防领域，但是产品线及其有限。 海尔仅仅推出了煤气报警器，长虹推出的产品主要是录像监控系统。由于各个行 业技术壁垒与销售模式存在着根本的差异，它们的产品能否在安防行业内占有一 席之地还有待考证。 8 第一章引言 3 、浪唯智能科技 相关产品有无线拨号报警主机& n b s p ，家庭防盗报警器l w 2 0 0 0 - 3 s ，该公司 产品大部分均为o e m 国外相关产品，且不能有机组合成一个安防整体，需要分别 部署。 1 6 2 国外行业现状 1 、泰科公司 该公司旗下的d s c 公司是世界领先的电子报警供应商，成立于1 9 7 9 年。d s c 已经全世界超过一百个国家提供产品和服务。d s c 生产超过5 0 个型号的火警和 安防探测设备，每个型号都代表着最高水平质量、性能和长期的可靠性。该公司 产品线丰富，产品成熟，完全可满足大型社区的需要。 2 、瑞朗r l - s z 2 0 0 5 瑞朗公司的无线安防报警主机可直接通过电话网络、移动通信网络建立起远 程监控，接听报警电话。配置不同的无线探测器：如人体热释电红外线探测、烟 雾、可燃气体探测等。该产品缺点是不能集中管理整个小区的所有用户，只能单 户布防。 3 、m a x i c o m m a x i c o mp l c 系统采用电力线作为通信总线，无需额外布线，用“即插即用” 的方式连接到房间任何地方的电源插座上即可开始工作，并能监控相关的设备， 真正做到“智能控制、随心所欲”。通过该系统，住户可主便的从户外利用电话、手 机或通过i n t e r n e t 上网控制空调、电视、电动窗帘、煤气阀、照明开关、插座 等，而且在室内亦可方便的用墙面开关或万用遥控器对灯光、家电设备进行操控。 同瑞朗r s s z 2 0 0 5 一样，该产品也无法实现社区集中布防。 1 6 3 安防系统发展趋势以及本次项目的意义 为了适应中国加入w t o t b t ( 技术性贸易壁垒协议) 的要求，目前防盗报 警产品均需过过3 c 认证。而由众多厂家推出的新产品观察，不难发现防盗报警产 品的技术发展趋势： 更稳定可靠：如探测器需可抗r f i e m i 、防雷电等，以适应恶劣气候； 9 电子科技大学硕士学位论文 更多样的功能：如探测器可调频、防遮挡、防喷盖、防破坏等； 更精美、小巧的外观：以符合品味日益提高的室内装潢需求； 更智能化的设计：方便地设撤防，人性化的操作界面： 更强大的联网功能； 更方便的扩展性。 我国安防企业并不具备自主的核心技术开发能力，从而也无法掌握核心竞争 力，由此也导致众多制造商长期处于加工组装的模式中，大家的产品核心组件来 自为数不多的几家海外企业，最终生产出来的产品也就大同小异，相差无几。总 的来说，目前数字家居远程安防终端设备产品缺乏自主的核心技术积累，远程安 防终端设备系统尚未完全形成至成熟，远程安防终端设备产品与系统核心技术之 一的嵌入式软件技术，被国外产品占据大部分的市场。 另一方面，运营商宽带网络缺乏新的利润增长点，在已有的宽带网络上开发 新的业务迫在眉睫。故本次项目不但促进了国内安防市场的发展，使得国内厂家 可以拥有自主的核心竞争力，并且可以有机的同运营商宽带业务相结合，开拓了 运营商市场推广的一种新模式。 1 7 小结 本章首先分析了嵌入式开发的特点，嵌入式开发的硬件平台和软件平台。通 过上面的分析可知，嵌入式系统的开发是软硬件协同开发，它与硬件平台所采用 的开发环境有密切的关系。目前在嵌入式开发领域硬件平台呈现多样化，故嵌入 式操作系统也必须支持特定的硬件平台。另外，如何进行系统验证以及支持后续 驱动程序的开发等相关开发工作离不开好的开发环境和调试环境，可见讨论嵌入 式平台的底层搭建是有重要意义的。 在本章的后半部分介绍了家庭安防市场国内外发展现状以及发展趋势，由此 引出了研究具有自主知识产权的基于a r m 的家庭安防网关的重要性。而本论文所 依托项目x x x 型家庭安防网关的开发工作关键之一就在于底层平台搭建的成功与 否。 本论文的研究任务是： 第一章引言 开发环境以及调试环境的搭建； 硬件平台构建； u b o o t 的移植； 嵌入式操作系统u c l i n t l x 的移植； 图形点阵液晶的驱动开发； 1 8 论文结构 全文共分七章： 第一章通过分析嵌入式系统的特点以及进行嵌入式家庭安防网关研究的重要 意义指出了本论文的研究任务；第二章从总体上对多媒体综合报警系统整体方案 以及x x x 型家庭安防网关进行了介绍；第三章对x x x 型家庭安防网关硬件平台 进行了分析；第四章主要介绍了g d b 开发环境的配置以及j t a g 调试环境的搭建； 第五章分析了u b o o t 和u c l i n u x 向$ 3 c 4 5 1 0 的移植；第六章主要介绍了图形点阵 液晶模块的驱动开发；最后一章对本次项目进行了总结。 1 1 电子科技大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章多媒体综合报警系统总体介绍 安全防范系统作为现代化的安全警卫手段，近年来正越来越多地进入各个行 业的各种应用领域，在银行、邮电、住宅小区、保密部门等领域得到了广泛的应 用，因此智能家居已经成为高科技发展必然的趋势，为越来越多的人提供了更安 全、更舒适、更便捷的生活管理模式。另外，运营商宽带网络缺乏新的利润增长 点，在已有的宽带网络上开发新的业务迫在眉睫。经过与电信相关部门深入沟通， 认为开发电信安防综合报警系统一方面能够为智能家居提供功能强大的安防系 统，另一方面又为电信开发了新的宽带业务。多媒体综合报警系统设计时本着以 下设计原则，同时兼顾了操作简便，易于使用和维护等要求： 1 采用新技术，保持适当的技术趋前度； 2 在设备选型和配置上采用性能价格比好的产品，在软件上设计先进，符合 当前发展方向； 3 采用开放式结构，保证系统扩充和升级的灵活方便； 4 保证高度安全性和可靠性，使系统真正具有实现的价值； 5 保持系统兼容性，使各项管理系统充分融合，提高管理效率并减少重复投 资，节约成本； 6 最重要的是为电信的宽带增值业务服务提供新的亮点。 此设计方案中主要系统设备均选用了目前国际及国内市场上性能价格比兼佳 的产品来实现家居安全的智能化管理，此外，设计方案充分考虑了一般家庭的实 际情况，同时结合电信用户的特点，使之做到智能化管理。 2 3 多媒体综合报警系统体方案 多媒体综合报警系统可以对指定的家居( 或办公) 内区域进行定点防范，这 些区域内设置的探测点在布防时可以监测各种非法入侵情况、烟火报警情况、煤 第二章多媒体综合报警系统总体介绍 气泄露情况、居民紧急求助情况等，任何触发报警的事件都根据报警设置通过网 络将报警信息传输到报警管理中心。并可以通过短信网关将报警信息发给指定的 手机、小灵通等通讯设备，还并可将信息传达给1 1 0 、1 1 9 等职能单位的接警中心。 从而使居民、保安人员、消防或公安等职能部门可以及时得到报警信息并尽快赶 到报警现场，对区域安全防范将起到非常重要的作用。 综合报警系统由传感系统、家庭网关、网络应用服务器、软件终端等构成， 各个系统互为补充，共同实现终端用户的安全防护。根据房间布置的情况及要求， 本系统可对整个房间进行布点防范，采用先进的电脑联网报警方式。每户住宅只 需安装一套家庭网关以及感应探头。本设计方案按照估计平均数( 按三房两厅) 进行布点设置，即每户设置一至两个红外微波双鉴探测器、一个一氧化碳可燃气 体探测器、两个烟感探测器、一个门磁开关、一个遥控按钮。 综合报警系统拓扑如图2 1 所示： 图2 - 1 综合报警系统应用拓扑 每户家庭可直接通过上网完成日常的布撤防操作。一旦发生非法侵入事件 ( 探测器、门磁、紧急按钮被触发) ，报警主机立即启动报警，并自动通过家中 电子科技大学硕士学位论文 的家庭网关向综合报警系统服务器发出报警信号。此时中心值班人员只需从电脑 屏幕上即能清楚地了解报警的具体部位及警情类型( 盗窃火险等) ，以便及时采 取相应的处理策略。 2 4x x x 型家庭安防网关 o 【型家庭安防网关是一个基于a r m4 - u c l i n u x 技术开发的安防系统的智 能终端产品。它配备无线报警信号自学习型编解码收发模块，收集各个设定的探 头发出的信号，并生成通讯消息发送到报警中心服务器。接收报警中心服务器和 用户的指令，进行设防、撤防、求救操作。 一期实现如下功能： 报警探头触发，启动报警： 用户通过遥控开关手动启动或关闭防盗报警功能； 向核心服务器( 第一期只部署应用服务器) 发出报警消息： 抛弃国外已经停止使用的固定编码电路，使用针对无线遥控安全系统而 开发的自学习编译码芯片，使报警探头不冲突干扰、不被破译； 未来通过部署安防报警通讯服务器、升级应用服务器业务功能、语音视 频媒体服务器，可扩展以下互动功能： 将报警消息发送到在线软件终端； 家庭网关与软件终端可以远程控制，进行报警、撤警、复位等控制； 可升级支持发送现场图片、视频( 需要家庭网关摄像头) ； 可扩展电话接口和扩音器，实现软件终端与报警现场通话、喊话 为x x x 型家庭安防网关采集安防数据的配套设备如表2 - 1 所示： 1 4 第二章多媒体综合报警系统总体介绍 表2 - 1 安防报警网关配套设备 名称功能 用于对煤气、天然气和液化石油气的泄漏及时监控， 可燃气泄漏报警探头( 无线) 并把报警信号加密编码传送到安防网关。 利用红外热释电传感器探测来自人体移动目标、所 远红外人体报警探头( 无线)发出的红外辐射，并把报警信号加密编码传送到安 防网关 探测器实时采集现场烟雾数据，并把报警信号加密 火灾报警探头( 无线) 编码传送到安防网关。 无线遥控按钮遥控设防、撤防。 用来探测门、窗、抽屉等是否被非法打开或移动， 门、窗门磁防范探头( 无线)由无线报警探头和磁铁固定条两部分组成，并把报 警信号加密编码传送到安防网关。 电子科技大学硕士学位论文 第三章目标系统硬件平台分析 3 1x x x 型家庭安防网关硬件平台简介 s n d s l 0 0 是s a m s u n g 公布的基于4 5 1 0 的一款评估板。x x x 型家庭安防网关 使用s a m s u n g 公司的$ 3 c 4 5 1 0 b ，并采用类似于s n d s l 0 0 的结构设计，只是外接 f l a s h 和s d r a m 与s n d s l 0 0 不同，这也是b o o t l o a d e r 和u c l i n u x 移植最关键的部 分。s 3 c 4 5 1 0 b 是基于以太网应用系统的高性价比1 6 ，3 2 位r i s c 微控制器，内含 一个由a r m 公司设计的1 6 3 2 位a r m 7 t d m ir i s c 处理器内核，a r m 7 t d m i 为 低功耗、高性能的1 6 ，3 2 核，最适合用于对价格及功耗敏感的应用场合。本章主要 就移植u b o o t 和u c l i n u x 涉及的硬件进行分析。 3 2x x x 型家庭安防网关原理框图及描述 x x x 型家庭安防网关硬件原理框图如图3 - 1 所示： 第三章目标系统硬件平台分析 图3 - 1x x x 型家庭安防网关电路框图 上图中，外置的a c d c 电源适配器将市电变换成直流，再经过d c 稳压滤波 给整个电路提供9 v 、5 v 和3 3 vd c 稳定工作电源。时钟电路为c p u 、r a m 和 d t m f 发生器芯片提供5 0 m 、2 5 m 、3 7 9 5 4 5 m h z 的工作时钟信号。产品核心是一 颗a r m 7 处理器，通过系统总线连接f l a s h 和s d r a m 。上电后，c p u 从f l a s h 中读取程序和配置数据进行初始化，s d r a m 为程序运行和数据处理提供临时存储 空间。c p u 复位电路在系统上电或电源异常又恢复时使c p u 自动复位，用户在必 要时可通过按后面板上的复位开关来使c p u 复位。c p u 控制广域以太网控制芯片， 通过一个i u 4 5 接口，连接互联网来处理数据。一个4 端口交换控制器，通过四个 i u 4 5 连接局域网集线器、交换机或连接电脑，直接进行数据交换或通过c p u 控 制与广域网连接进行数据处理。l c d 显示屏、配置键盘、d t m f 拨号发生器、无 线解码模块等外设通过i 0 口与a r m 7 相连。无线解码模块分析前端无线报警探 头送来的信息，c p u 通过i 0 口采集该信息进行处理。 3 2 1c p u 的选型 c p u 是系统的核心，采用韩国三星电子生产的s 3 c a 5 1 0 b - - 1 6 3 2 位