（电路与系统专业论文）基于ARM的无线数据传输系统设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 无线数据传输是指终端和监控中心通过无线网络的方式进行数据通信。本文 以a r m 处理器$ 3 c 2 4 4 0 a 为核心搭建硬件平台，选用l i n u x 作为嵌入式操作系 统，实现了基于c d m a 网络的无线数据传输系统。 系统以a r m 9 2 0 t 微处理器芯片$ 3 c 2 4 4 0 a 和c d m a 模块q 2 4 3 8 f 为实现核 心。论文首先研究了基于s 3 c 2 4 4 0 a 微处理器的嵌入式系统硬件平台的架构，详 细分析了a r m 最小系统中各个功能组成模块；然后建立了嵌入式系统开发的 a r m 1 i n u x g e e 交叉编译环境，重点研究了b o o t l o a d e r 和l i n u x 内核的配置与编译， 并且在硬件平台上移植了l i n u x 操作系统。在a r m 嵌入式l i n u x 开发平台上， 研究了基于v i d e 0 4 l i n u x 的u s b 摄像头采集图像的解决方案，即在l i n u x 内核中 加载v i d e 0 4 l i n u x 模块，通过v 4 l 模块提供的编程接口，操作u s b 摄像头设备 文件d e v v i d e o o ，并且采用内存映射方式截取视频，完成了图像采集的软件设计。 此外，论文还研究了在l i n u x 环境下p p p 协议拨号上网的实现方法，即通过a t 指令初始化c d m a 模块，使之附在c d m a 网络上，通过编写脚本程序的方法建 立p p p 连接，获得网络运营商i s p 动态分配给数据传输终端的i p 地址，从而实现 了无线模块拨号上网功能。在无线终端通过p p p 拨号上网后，采用了客户端朋艮务 器端模式，运行套接字( s o c k e t ) 应用程序，将设备采集到的图像数据通过c d m a 网络后再经过i n t e m e t 传送到监控中心，实现了传输终端和监控中心之间的数据 的发送与接收。 论文研究和实现的基于a r m 嵌入式l i n u x 和c d m a 网络的无线数据传输系 统满足设计要求，达到了预期目标。终端内嵌t c p i p 协议，可以通过c d m a 网 络连接到互联网，数据传输实时性强，为用户提供透明的数据传输通道。相比于 传统的传输系统，它具有高可靠性、组网方便、可远程控制等特点，因此在电力 自动化、环保、交通监控等领域有着广泛的应用，特别适用于移动环境、难于布 线的场所和边远地区。 关键字：无线传输码分多址高级精简指令集计算机嵌入式操作系统 a b s t r a c t t h ew i r e l e s s d a t at r a n s m i s s i o nm e a n sc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt e r m i n a l a n d c o n t r o lc e n t e rt h r o u g hw i r e l e s sn e t w o r k s u s i n gt h ea r m 9m i c r o p r o c e s s o r $ 3 c 2 4 4 0 a 豁t h ec o r et ob u i l dt h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，c h o o s el i n u xa st h ee m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e m ，w eh a v er e a l i z e dw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mu s i n gc d m a s y s t e mu s ea r m 9 2 0 tm i c r o p r o c e s s o r $ 3 c 2 4 4 0 aa n dq 2 3 4 8 fw i r e l e s sm o d e ma s t h er e a l i z a t i o nb a s e p a p e rf i r s t l yd i s c u s st h ef r a m e w o r ko f $ 3 c 2 4 4 0 a b a s e de m b e d d e d s v s t e mh a r d w a r ep l a t f o r m ，t h e na n a l y s ef u n c t i o n a lm o d u l e sc o m p o s e do ft h es m a l l e s t s y s t e m ；t h e ne s t a b l i s ht h ea r m l i n u x g c cc r o s s c o m p i l e re n v i r o n m e n t ，m a i n l yc o n f i g a n dc o m p i l eb o o t l o a d e ra n dl i n u xk e r n e l ；u p o nt h ea r m e m b e d d e dl i n u xd e v e l o p m e n t p l a t f o 册，t h ep a p e rs t u d yt h eu s bc a m e r ai m a g ea c q u i s i t i o n s o l u t i o n sb a s e do n v i d e 0 4 l i m l x ，t h a ti s ，t h r o u g hl o a d i n gv i d e 0 4 l i n u xm o d u l et ot h el i n u xk e r n e l ，u s i n g t h ep r o g r a m m i n gi n t e r f a c ev 4 lm o d u l ep r o v i d e d o p e r a t eu s bc a m e r ad e v i c e f i l e d e v v i d e 0 0 ，a n da d o p tm e m o r ym a p p i n gm e t h o dt o r e a l i z et h ei n t e r c e p t i o no fv i d e o ， c o m p l e t es o f t w a r ed e s i g no fi m a g ea c q u i s i t i o n f u r t h e rm o r e ，t h ep a p e ra l s op r e p a r e p p pd i a l u pp r o g r a mb a s e do nt h ea g r e e m e n tw i t ht h ec d m a n e t w o r ku n d e rl i n u x e n v i r o n m e n t u s ea tc o m m a n d si n i t i a l i z i n gc d m am o d u l e ，t h r o u g hd e v e l o p i n gs c r i p t p r o c e d u r et os e tu pp p pc o n n e c t i o n ，a n dt h u s t h ew i r e l e s sm o d u l ea c h i e v e sd i a l - u p f u n c t i o n f i n a l l y , r e a l i z es e n d i n ga n dr e c e i v i n gd a t ab a s e do ns o c k e tp r o g r a m m i n g u s i n gc l i e n t s e r v e rm o d e l ，b yr u n n i n gt h es o c k e ta p p l i c a t i o n ，t r a n s p o r ti m a g e d a t af r o m t h ec d m an e t w o r kt oi n t e r n e ta n dt h e ns e n ti tt ot h em o n i t o r i n gc e n t e l t h ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do na r me m b e d d e dl i n u xa n d c d m ai l e t w o r k sm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n da c h i e v e st h ed e s i r e do b j e c t i v e t h e t e m l i n a le m b e d d e di nt c p i ps t a c k ，c a nc o n n e c tt ot h ei n t e m e tt h r o u g hc d m a n e t w o r k i tp r o v i d e st h et r a n s p a r e n td a t a t r a n s m i s s i o nc h a n n e lf o ru s e r sa n dh a v ea w i d er a n g eo f a p p l i c a t i o n si np o w e ra u t o m a t i o n ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，t r a n s p o r t a t i o nm o n i t o r i n g a n do t h e ra r e a s ；p a r t i c u l a r l ya p p l i c a b l et ot h em o b i l ee n v i r o n m e n t ，w i r e l e s ss i t e sa n d r e m o t ea r e a s k e y w o r d s ：w i r e l e s st r a n s m i s s i o n c d m aa r me m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：同期 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解话安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位沦文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名： 导师签名：主2 壅鍪 导师签名： 盏2 焦2 叁 同期 同期上挚址 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 无线数据传输是指本地计算机和传输终端通过无线网络的方式来进行数据通 信。无线数据传输系统是计算机技术、信息技术、网络技术在数据传输系统中充 分利用的产物。通过无线传输系统，人们可以获取远端设备的运行情况及各种参 数指标，从而实现远程管理、远程控制等等。 传统的数据传输系统大多采用r s 2 3 2 、r s 4 8 5 或有线m o d e m 的通信方式， 虽然经济实用，但是由于是采用有线的数据传输方式，在很大程度上限制了应用 场合的拓展。无线传输系统有着传统的传输系统所不具备的优点，通过无线传输 系统，可以实现现场数据的实时采集和存储，从而为远程故障诊断提供必要的数 据资料，技术人员无须亲临现场就可以监视并控制生产系统和现场设备的运行状 态和参数。当现场地理位置比较偏僻或气候条件比较恶劣时，这一点就显得尤为 重要了。 目前，各行业对数据无线传输的要求越来越高，如以公共事业为例，在电力 行业远程控制及抄表，水处理行业水压及水流数据的无线传输，温度监控，环境 监控收集等诸多方面有大量数据需要无线传输。通过无线网络进行数据采集，是 目前最为先进和便捷的手段。采用无线的方式来进行数据传输的需求也就随之日 益迫切。 1 2 国内外研究现状和发展方向 最近十几年来，随着人们对无线业务需求的迅猛增长，无线通信技术得到了 突飞猛进的发展。据资料统计，目前全球的无线通信业务正在以4 0 的速度增长， 而我国的移动通信网用户已超过两亿。鉴于如此大的市场潜力，移动通信具有广 阔的发展前景。 长期以来，无线通信研究的主要目标是增加用户容量、提高数据传输速率、 改善信道的可靠性。用户容量是一个无线系统能同时服务的用户的数量；提高数 据传输速率可以使得用户享受更新的业务，比如多媒体传输、宽带i n t e m e t 接入 等，改善信道的可靠性可以降低误码率、减少掉线概率。阻碍这些目标实现的主 要障碍是信道衰落、干扰、频率选择性失真等，虽然可以通过增加使用的频段和 服务区的基站数量来减少这些有害的影响，但是这些方法都增加了系统的成本。 基于a r m 的无线数据传输系统设计与实现 码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 是一项新的无线接入技术， 通过为每个用户分配一个特定码，使多个无线用户在同一时刻可以共享同一频带。 这项技术有效地利用了有限的频谱资源，并能在时变的无线信道上保持稳定地通 信。 通信技术经历了从无线到有线、从模拟到数字两次巨大变革。短短几十年， 无线通信经历了从第一代到第三代的重大变革。1 9 9 2 年，国际电信联盟( i t u ) 的 世界无线电管理委员会( w a r c ) 建议全球所有国家的无线通信系统统一使用 2 0 0 0 m h z 处的频带。这个到1 9 9 5 年又被称为国际移动电信2 0 0 0 ( i m t - 2 0 0 0 ) 。目 前，国际电信联盟己经确定w c d m a ( 扩频速率为3 8 4 m c p s ) ，c d m a 2 0 0 0 ( 扩频速 率依载波数目而变) 和t d s c d m a ( 扩频速率为1 2 8 m c p s ) 为三大主流标准。 远程传输主要包括：基于有线的远程传输( 包括架设光缆、电缆或租用电信 专线、基于公用电话网远程传输、专用线路的远程传输) 、基于无线的远程传输( 主 要是建立专用无线数据传输系统) 。表1 1 对几种常见的数据传输方式进行了简单 的比较。 表1 1 有线与无线数据传输方式的比较 传输技术施t 难度施：l 周期价格维护成本可靠性 d d n 比较难 长 极高高较高 i s d n 比较难长高高较高 p s t n比较难长一般局一般 s m s易短低低一般 g p r s易短低低较高 c d m a易短低低高 目前，专线方式和电话线的远程传输应用比较广泛，主要是这两者初期建设 的时间短，且在短时应用期间费用小，线路的维护费也比较低。随着传输系统规 模的不断扩大，现场环境越来越复杂，需要传输的目标形式也越来越多样化，对 驱动器和用户接口的需求越来越高，同时传输系统的结构也变得越来越分散化。 目前的远程传输系统由于结构复杂、分布距离远，而且要求集成网络中的不同平 台，这些问题都是有线的方式难以解决的。随着计算机硬件成本的降低、功能的 日益强大，远程传输系统已开始倾向于使用计算机网络系统。 目前，计算机网络的传输介质基本上是有线介质，由电缆和光缆构成的有线 网络有其本质的缺陷：布线、改线工程量大；线路容易损坏；网络中的各站点不 可移动。特别是要把两个相距遥远的远程控制站点接入网络时，如果采用电话线 路做传输媒体时，具有速率低、误码率高和线路可靠性差的问题；而铺设专用通 讯线路时，有布线施工难度大、费用多、耗时长等不足。这些问题都不同程度地 第一章绪论 制约着远程传输的需求。而计算机无线局域网具有无需布线、安装周期短、后期 维护容易、网络用户容易迁移和增加的特点，所以弥补有线网络缺陷最迅速和最 有效的方法是采用计算机无线通信网络。 利用网络进行远程数据传输始于上世纪8 0 年代初，特别是随着网络宽带的发 展和稳定性提高，通过网络进行远程数据传输越来越现实可行。基于网络的远程 数据传输系统是以计算机为核心，结合多媒体编程技术、计算机网络通信技术以 及自动控制技术构建的传输系统。其优点就是体现在远距离传输方面，适用于银 行、邮电、电力、水电、教育、交通、公安、大型公共设施、大型仓库及军事基 地等场所。 在国外对无线网络及嵌入式系统的研究已达到很高的水平，例如美国航空公 司( a m e r i c a n a i r l i n e s ) 于1 9 9 5 年在达拉斯采用一套名为a i r d a t a 的无线办理登机手 续系统，该系统由s a b r e 公司开发，采用a t & t 的c d p d 无线移动数据通讯网 络。通过此系统，航空公司不必有固定的c h e c k i n 柜台，旅客也不必在柜台前大 排长龙，通过c d p d ( 蜂窝数字分组数据网) 网络，航空公司地勤人员可以在机场 内的任何地方为旅客办理登机手续，资料来回处理时间仅需2 至6 秒，如此航空 公司可以为旅客提供更高品质的服务，节省固定柜台的昂贵租金，同时旅客的满 意度也大幅提高，公司的形象也有所提升。 国内现在无线网络及嵌入式系统的设计也初有成果，例如合肥华恒科技有限 公司开发的金融电子p o s 终端设备，该设备采用3 2 位嵌入式微处理器，利用该 处理器内部集成的1 0 0 m 以太网接口以及两个串口，外加另行扩展的l c d 接口、 i d e 接口的逻辑芯片，构成了一个功能丰富完善、结构紧凑、成本远远低于工控 机的p o s 机终端设备。 1 3 本文主要工作及内容安排 本文主要研究基于a r m 嵌入式l i n u x 和c d m a 网络的无线数据传输系统的 设计与实现，主要研究内容如下： 1 掌握无线数据传输系统的工作原理，分析现有的无线数据传输方式，确定 系统方案； 2 学习a r m 9 处理器s 3 c 2 4 4 0 a ，熟悉其主要功能及所用接口，合理地扩展 外围模块，搭建以$ 3 c 2 4 4 0 a 为核心的嵌入式硬件平台，熟悉q 2 4 3 8 f s l 无线模块 的结构功能，了解q 2 4 3 8 f 的a 一9 j 指令； 3 建立嵌入式系统开发的交叉编译环境，配置和编译嵌入式l i n u x 操作系统 的b o o t l o a d e r 和内核； 4 学习嵌入式l i n u x 操作系统下图像采集原理，实现基于v i d e 0 4 l i n u x 的u s b 4 基- j - a r m 的无线数据传输系统设计与实现 摄像头图像采集； 5 熟悉c d m a u 2 l 原理，深入研究p p p ! l i j 协议的连接过程，利用a i m 处理器 控制c d m a 模块q 2 4 3 8 f 完成p p p u 3 协议的协商过程，附着到c d m a 网络，采 用s o c k e t 编程实现终端与监控中心之间数据的发送与接收。 论文共分为六章。第一章为绪论，阐述了无线传输系统的概念和特点，分析 了无线传输技术国内外研究现状和发展方向，并介绍了本文的主要研究内容及论 文安排；第二章为系统方案设计，阐述了c d m a 的概念和特点，概述了嵌入式系 统的概念、特点及应用，介绍了无线传输系统的实现方案及组成结构；第三章为 系统开发平台的搭建，介绍了a r m 9 最小系统的组成，分析了系统硬件平台的各 个功能模块，并且建立了嵌入式系统开发的交叉编译环境，配置和编译了嵌入式 l i n u x 操作系统的b o o t l o a d e r 和内核；第四章为图像采集模块的设计，介绍了在 l i n u x 系统下基于v i d e 0 4 l i n u x 的u s b 摄像头采集图像的解决方案；第五章为无 线传输系统的实现，介绍了基于c d m a 网络数据传输的软件实现，研究了在嵌 入式l i n u x 环境下p p p 协议拨号上网的实现，还研究了采用s o c k e t 编程实现终端 和监控中心之间数据的发送和接收的解决方案；第六章对本文的主要工作进行了 总结，并对未来的发展进行了展望。 第二章系统方案设计 第二章系统方案设计 2 1c d m a 技术概述 2 1 1c d m a1 x 技术介绍 随着通信技术的不断成熟以及用户对通信质量越来越高的要求，现有的g s m 网络将不可避免地向w c d m a ( 宽带码分多址) 演变，而这个演变的过程估计需要 若干年。c d m a 网络以其覆盖范围广、使用费用低、技术完善、安全可靠性高等 优点，当之无愧地成为这类业务信息化中的重要资源。c d m a1 x 是在现有c d m a i s9 5 系统上发展出来的一种新的承载业务，是c d m a2 0 0 0 的第一阶段( 速率高 于i s9 5 ，低于2 m b s ) ，可支持3 0 8 k b s 的数据传输，网络部分引入分组交换，可 支持移动i p 业务，其目的是为c d m a 用户提供分组形式的数据业务。 从概念上说，c d m a 是c o d e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s 的缩写，全称为码分多 址，是一种比较先进的数字接口技术。c d m a 源于军用抗干扰系统，且信号占用 整个频段，几乎是普通窄带调制效率的7 倍，具有很强的保密性能。c d m a1 x 是一个相对成熟的技术，同时有较好升级演化功能，在c d m a1 x 基础上容易升 级到c d m a 2 0 0 0 e v - d o 体制，将具有峰值速率更高的数据通道。 c d m a1 x 无线通信网络具有许多优势，主要是空中无线接口、核心网信令 协议的标准非常严格、完整，而且与i n t e m e t 实现互连互通。在第一阶段c d m a1 x 可为我们终端提供较高速率( 最高速率可达1 5 3 6 k b p s ) 和可变速率( 实际速率在 8 0 - - 一1 2 0 k b p s ) 的数据信息，便于终端设备在较自由的时间和地点接入网络。 采用c d m a1 x 技术可以利用现有的c d m a 网络轻易地实现高速数据无线传 输。c d m a1 x 将是通向3 g 的一个重要里程碑。 对于无线网络的设计而言，由于c d m a1 x 在移动数据业务方面的能力较2 g 的9 5 a 有质的提升，在无线接入方面增加了f f c h r f c h 和f s c h r s c h 等逻辑 信道以及分组控制功能实体( p c f ) 设备，通过转发无线子系统与p d s n 之间的消 息和数据来承载数据业务。 c d m a1 x 理论带宽可达3 0 0 k b s ，目前的实际应用带宽大约在1 0 0 k b s 左右 ( 双向对称传输) 。在此信道上提供t c p i p 连接，可以用于i n t e r n e t 连接、数据传 输等应用。 c d m a2 0 0 01 x 网络主要由b t s ( 基站收发信机) 、b s c ( 基站控制器) 和 p c f ( 分组控制功能) 、p d s n ( 分组数据服务器) 等节点组成。 6 基于a r m 的无线数据传输系统设计与实现 2 1 2c d m a1 x 与g p r s 比较 c d m a 2 0 0 01 x 与g p r s 技术虽然都是在原有二代( 2 g ) 的基础上进行增强， 但两种技术在以下技术和应用上有所不同。g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的缩写，是在g s m 基础上发展起来的一种分组交换的数据 承载和传输方式。 c d m a1 x 是第三代标准，即c d m a 2 0 0 01 x 和3 x ( 1 x 代表其载波一倍于 i s 9 5 a 的带宽，3 x 代表其载波三倍于i s 9 5 a 的带宽) ，3 x 又分为下行直接扩谱和 三载波两种方式，后来直接扩谱c d m a 2 0 0 0 部分与w c d m a 进行了融合。c d m a 1 x 是指c d m a2 0 0 0 的第一阶段( 速率高于i s 9 5 ，低于2 m b i t s ) ，可支持数据传 输、网络部份引入分组交换，支持移动i p 业务。是在现有c d m ai s 9 5 系统上发 展出来的一种新的承载业务，目的是为c d m a 用户提供分组i p 形式的数据业务。 c d m a 2 0 0 01 x 系统在空中接口方面完全向下兼容i s9 5 系统。在核心网络方 面，c d m a 2 0 0 01 x 系统继续使用i s9 5 系统的核心网作为其电路域来处理电路型 业务，如话音业务和电路型数据业务，同时在系统中新增加分组域设备( p d s n 和 p c f ) 来处理分组数据业务。因此在建设c d m a 2 0 0 01 x 系统时，原有的i s9 5 的 网络设备可以继续使用，只要新增加分组域设备即可。在基站方面，由于i s9 5 与1 x 的兼容性，可以做到仅更新信道板，并将系统软件升级，即可将i s9 5 基站 升级为c d m a1 x 基站。联通在c d m a 网络建设中就采用了这种升级方案。由于 c d m a 2 0 0 01 x 系统具有良好的兼容性，因此现在已有多家厂商可以提供c d m a 1 x 的商用设备。实际测试结果表明，对于话音业务，1 x 系统的容量是i s9 5 系 统的1 6 倍。 g p r s 作为第二代移动通信技术g s m 向第三代移动通信( 3 g ) 的过渡技术， 是一种基于g s m 的移动分组数据业务，面向用户提供移动分组的i p 或者x 2 5 连接。g p r s 和g s m 共用相同的基站和频谱资源，只是在现有的g s m 网络基础 上增加了一些硬件设备和软件升级。 在分组数据业务g p r s 下，所有的移动用户共享无线资源，并且每个用户只 在有业务数据传送时才动态地申请和占用无线资源，因此采用分组数据方式可以 做到“永远在线”。g p r s 的峰值速率为1 1 5 2k b s ，c d m a1 x 系统的峰值速率 为1 5 3 6 k b s ，因此与电路型数据业务相比，分组数据业务更适用于支持移动 i n t e m e t 业务。但另一方面，由于在分组业务下，多个移动用户共享一定的无线资 源，因此尽管分组业务可以有较高的峰值业务速率，但在用户进行数据传送期间 内的平均业务速率仍然较低，而平均业务速率与峰值业务速率的比值也成为衡量 系统技术的一项重要指标。从近年来的试验来看，g p r s 的平均业务速率可以达 第- 二章系统方案设计 7 到2 0 - - 一4 0 k b s ，c d m a1 x 的平均业务速率为8 0 - - 1 0 0 k b s 。相比较而言，c d m a1 x 的数据通信能力好，技术较g p r s 技术成熟。 c d m a 2 0 0 01 x 占用的是全新的8 0 0 m 频段，频率资源丰富。g p r s 采用的是 g s m 的9 0 0 m 频段。g s m 的频率资源在很多地区本来就很缺乏，导致g p r s 的 频率资源进一步的匮乏，从而限制了g p r s 的数据用户数量。 c d m a 2 0 0 0 是由窄带c d m a ( c d m ai s 9 5 ) 技术发展而来的宽带c d m a 技 术，由美国主推。c d m a 2 0 0 01 x 被称为2 5 代移动通信技术。c d m a 2 0 0 03 x 与 c d m a 2 0 0 01 x 的主要区别在于应用了多路载波技术，通过采用三载波使带宽提 高。目前中国联通正在采用这一方案向3 g 过渡，已建成了c d m a1 x 网络。 在本无线通信系统中采用c d m a1 x 网络进行数据传输，可以大大的降低通 信系统的一次性投资，而且减少了工程实施中调试通信系统的时间，降低了通信 系统的维护费用。尤其对于面广、点稀的应用系统( 如大面积使用) ，这种通信方 式具有很好的实用性。 2 2 1 嵌入式系统的定义 2 2 嵌入式系统简介 所谓嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) ，实际上是“嵌入式计算机系统”的简称， 它是相对于通用计算机系统而言的。在有些系统里也有计算机，但是计算机是作 为某个专用系统中的一个部件而存在的，像这样“嵌入”到更大、专用的系统中 的计算机系统，称之为“嵌入式计算机”，“嵌入式计算机系统”或“嵌入式系统”。 在同常生活中，早已存在许多嵌入式系统的应用，如天天必用的移动电话、 戴在手腕上的电子表、烹调用的微波炉、办公室罩的打印机、汽车里的供油喷射 系统、防锁死刹车系统( a b s ) ，以及现在流行的个人数字助理( p d a ) 、数码相机、 数码摄像机等等，它们内部都有一个中央处理器c p u 。 嵌入式系统无处不在，从家庭的洗衣机、电冰箱、小汽车，到办公室的远程 会议系统等，都属于可以使用嵌入式技术进行开发和改造的产品。嵌入式系统本 身是一个相对模糊的定义。一个手持的m p 3 和一个p c i 0 4 的微型工业计算机都 可以认为是嵌入式系统。 根据电气工程师协会( i e e ) 的定义，嵌入式系统是用来控制或监控机器、装 置或工厂等大规模系统的设备。可以看出此定义是从应用上来考虑的。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。 国内一般定义为：以计算机技术为基础，软硬件可以裁剪，从而能够适应实 基于a r m 的无线数据传输系统设计与实现 际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统在应用数量上远远超过了各种通用计算机。一台通用计算机的外 部设备中就包含了5 1 0 个嵌入式微处理器，键盘、硬盘、显示卡、m o d e m 、网 卡、声卡、打印机、扫描仪、数码相机、集线器等，均是由嵌入式处理器进行控 制的。在制造工业、过程控制、通信、仪器、仪表、汽车、船舶、航空航天、军 事装置、消费类产品等方面，嵌入式系统都有用武之地。 美国汽车大王福特公司的高级经理曾宣称：“福特出售的计算能力已超过 了i b m 。”由此可以想象嵌入式计算机工业的规模和广度。美国著名未来学家尼 葛洛庞帝在1 9 9 9 年1 月访华时曾预言“四五年以后，嵌入式智能电脑将是继p c 和因特网之后最伟大的发明”。 2 2 2 嵌入式系统的组成 嵌入式系统通常由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统和应用软件等 部分组成。 1 嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与通用处理器的最大 不同点在于其大多工作在为特定用户群设计的系统中。它通常把通用计算机中许 多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化， 并具有高效率、高可靠性等特征。 大的硬件厂商会推出自己的嵌入式处理器，因而现今市面上有1 0 0 0 多种嵌入 式处理器芯片，其中使用最广泛的有a r m ，m i p s ，p o w e r p c ，m c 6 8 0 0 0 等。 2 外围设备 外围设备是指在一个嵌入式系统中，除了嵌入式处理器以外用于完成存储、 通信、调试、显示等辅助功能的其他部件。根据外围设备的功能可分为以下3 类： 存储器：静态易失性存储器( r a m s r a m ) 、动态存储器( d r a m ) 和非易失性 存储器( f l a s h ) 。其中，f l a s h 具有可以擦写次数多、存储速度快、容量大及价格 低等优点，在嵌入式领域得到了广泛的应用。 接口：应用最广泛的包括并口、r s 2 3 2 串口、i r d a 红外接口、s p i 串行外围 设备接口、1 2 c ( i n t e ri c ) 总线接1 ：3 、u s b 通用串行总线接口、e t h e m e t 网口等。 人机交互：l c d ，键盘和触摸屏等人机交互设备。 3 嵌入式操作系统 在大型嵌入式应用系统中，为了使嵌入式丌发更方便、快捷，需要具备一种 稳定、安全的软件模块集合，用以管理存储器分配、中断处理、任务间通信和定 时器响应， 以及提供多任务处理等，即嵌入式操作系统。嵌入式操作系统的引 第二章系统方案设计9 入大大提高了嵌入式系统的功能，方便了应用软件的设计，但同时也占用了宝贵 的嵌入式系统资源。一般在比较大型或需要多任务的应用场合才考虑使用嵌入式 操作系统。 嵌入式操作系统常常有实时要求，所以嵌入式操作系统往往又是“实时操作 系统”。早期的嵌入式系统几乎都用于控制目的，从而或多或少都有些实时要求， 所以从前“嵌入式操作系统 实际上是“实时操作系统 的代名词。近年来，由 于手持式计算机和掌上电脑等设备的出现，也有了许多不带实时要求的嵌入式系 统。另一方面，由于c p u 速度的提高，一些原先认为是“实时 的反应速度现在 已经很普遍了。这样，一些原先需要在“实时”操作系统上才能实现的应用，现 在已经不难在常规的操作系统上实现。在这样的背景下，“嵌入式实时操作系统” 和“实时操作系统 就成了不同的概念和名词。 4 应用软件 嵌入式系统的应用软件是针对特定的实际专业领域，基于相应的嵌入式硬件 平台，并能完成用户预期任务的计算机软件。用户的任务可能有时问和精度的要 求。有些应用软件需要嵌入式操作系统的支持，但在简单的应用场合下不需要专 门的操作系统。 由于嵌入式应用对成本十分敏感，因此，为减少系统成本，除了精简每个元 件单元的成本外，应尽可能地减少应用软件的资源消耗，尽可能地优化。 2 2 3 嵌入式系统的特点 嵌入式系统是应用于特定环境下、面对专业领域的应用系统，不同于通用计 算机系统的多样化和适应性。它与通用计算机系统相比具有以下特点： 1 嵌入式系统通常是面向特定应用的，一般都具有实时要求。嵌入式处理器 大多工作在特定用户群所设计的系统中。它通常具有低功耗、体积小、集成度高、 成本低等特点，从而使嵌入式系统的设计趋于小型化、专业化，也使移动能力大 大增强，与网络的耦合也越来越紧密。 2 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体工艺、电子技术和通信网络技 术与各领域的具体应用相结合的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、 资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 3 嵌入式系统与具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也与具体产品同 步进行。因此，嵌入式系统产品一旦进入市场，一般具有较长的生命周期。 4 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，在保证稳定、安全、可靠 的基础上量体裁衣，去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。这样， 才能最低限度地降低成本。在具体应用中，对处理器的选择决定了其市场竞争力。 l o基- j - a r m 的无线数据传输系统设计与实现 5 嵌入式系统常常还有减少功耗的要求。这方面是为了省电，因为嵌入式系 统往往以电池供电；另一方面是要减少发热量，因为嵌入式系统中没有风扇等排 热手段。 6 可靠性与稳定性对于嵌入式系统有着特别重要的意义，所以及时逻辑上的 系统结构相同，在物理组成上也会有所不同。同时，对所使用的元器件( 包括接 插件、电源) 的质量和可靠性要求都会比较高，因此元器件的平均无故障时间 m t b f ( m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e ) 成为关键的参数。此外，环境温度也使需要 重点考虑的问题。 7 嵌入式系统提供的功能以及面对的应用和过程都是预知、相对固定的，不 想通用计算机那样有很大的随意性。既然是专业系统，在编程方面就不需要那么 灵活，一般也不会用嵌入式系统作为开发应用软件的环境，在嵌入式系统上通常 也不会运行一些大型的软件。一般而言，嵌入式系统对c p u 计算能力的要求不像 通用计算机那么高。 8 许多嵌入式系统都有实时要求，需要有对外部事件迅速作出反应的能力， 特别是要在操作系统中有所反应，从而使嵌入式软件的开发与常软件开发有了显 著的区别。典型的嵌入式操作系统与常规的操作系统有着显著的区别，并因而成 为操作系统的一个重要分支和一个独特的研究方向。 9 嵌入式系统本身不具备自举开发能力。即使设计完成以后，用户通常也不 能对其中的程序功能进行修改，必须有一套交叉开发工具和环境才能进行开发。 1 0 通用计算机的开发人员通常是计算机科学或者计算机工程方面的专业人 士，而嵌入式系统开发人员却往往是各个应用领域的专家，这就要求嵌入式系统 所支持的开发工具易学、易用、可靠、高效。 归纳起来，嵌入式系统有以下几个特点： 软硬件一体化，集计算机技术、微电子技术、行业技术于一体； 需要操作系统支持，代码小，执行速度快； 专业紧凑，用途固定，成本敏感； 可靠性要求高； 多样性，应用广泛，种类繁多。 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合 才会具有生命力，才会更有优势。嵌入式系统具有很强的专业性，必须根据应用 需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。 2 2 4 嵌入式系统的应用 嵌入式系统【4 1 以应用为中心，强调体积和功能的可裁剪性，是以完成控制、 第二章系统方案设计 监视等功能为目的的专用系统。在嵌入式应用系统中，执行任务的软硬件都嵌入 在实际的设备环境中，通过专用的i o 接口和外界交换信息。它们执行的任务程 序一般不由用户编制。 嵌入式系统主要用于各种信号处理与控制，目前也在国防、国民经济及社会 生活各领域普遍应用。 军用：各种武器控制( 火炮控制、导弹控制、智能炸弹制导引爆装置) 、坦克、 舰艇、轰炸机等陆海空军用电子设备，雷达、电子对抗军事通信装备，野战指挥 作战专用设备等。从海湾战争到伊拉克战争中嵌入式系统都有广泛使用。我国嵌 入式计算机最早用于导弹控制。 家用：我国各种信息家电( 如数字电视机、机顶盒、数码相机、v c d 和d v d 音响设备、可视电话、家庭网络设备、洗衣机、电冰箱、智能玩具等) 广泛采用微 处理器、微控制器及嵌入式软件，e m i t ( 嵌入式i n t e r n e t 技术) 已用于社区对家用 电、水、煤气表远程抄表以及洗衣机遥控。 工业用：各种智能测量仪表、数控装置、可编程控制器、控制机、分布式控 制系统、现场总线仪表及控制系统、工业机器人、机电一体化机械设备、汽车电 子设备等，广泛采用微处理器和控制芯片升级、标准总线的模板及嵌入式计算机 系统级。 商用：各类收款机、p o s 系统、电子秤、条形码阅读机、商用终端、银行点 钞机、i c 卡输入设备、取款机、自动柜员机、自动服务终端、防盗系统和各种银 行专业设备等。 办公用：复印机、打印机、传真机、扫描仪、激光照排系统、安全监控设备、 手机、寻呼机、个人数字业务护理( p d a ) 、变频空调设备、通信终端、程控交换 机、网络设备、录音录像及电视会议设备、数字音频广播系统等。女娲h o p e n 嵌 入式软件已用于机顶盒、网络电视、电话、手机和p d a 等。 医疗电子设备：各种医疗电子仪器，如x 机、超声波诊断仪、计算机断层成 像系统、心脏起搏器、监护仪、辅助诊断系统和专家系统等。 2 3 1a r m 简介 2 3a r m 处理器概述 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认 为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1 9 9 1 年a r m 公司 成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用a r m 技术知识产 1 2 基丁a r m 的无线数据传输系统设计与实现 权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器，已遍及工业控制、消 费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于a r m 技 术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技 术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。 a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发公司，作为知识产权供应 商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可给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，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理芯片进入 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，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。 2 3 2a r m 的特点 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 体积小、低功耗、低成本、高性能； 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器 件； 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 大多数数据操作都在寄存器中完成； 寻址方式灵活简单，执行效率高； 指令长度固定。