（电路与系统专业论文）嵌入式智能排队叫号系统的设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 近年来，随着我国社会经济的持续快速发展，长时间的站立排队已成为金融机 构、电信、医院、政府办事大厅等场所的常见现象，以通信技术与计算机技术为基 础的智能排队管理系统也应运而生。因此，本文设计了一种基于嵌入式技术的智能 排队叫号系统，实现了嵌入式微处理器代替人工排队，具有语音叫号、l e d 显示屏 信息提示和远程票号查询等功能，较好的解决了排队系统中存在的几个实际问题。 本文首先分析了国内外排队技术发展现状，指出了在智能排队系统中采用嵌入 式技术的优势，剖析了一般排队叫号系统的业务需求和基本功能，采用软硬件协同 设计的方法，提出了排队叫号系统的整体设计方案。 其次，本文深入地研究了异步串行通信的基本原理，详细介绍了排队系统中采 用的r s 一4 8 5 通信网络及其配置等系列问题。给出了排队系统三个主要模块的硬件 设计方案，即基于$ 3 c 2 4 4 0 微处理器的排队主机及其外围串口、音频等接口电路， 基于l p c 2 1 3 8 微处理器的l e d 显示屏以及智能呼叫终端的电路，并对自行设计的p c b 板进行了说明。 再者，本文根据系统组网特点设计了r s 4 8 5 通信协议，实现了系统内各个模块 通信软件的设计。并对基于嵌入式l i n u x 操作系统的排队主机服务器软件的设计进 行了说明，主要完成了基于实时操作系统i _ t c o s i i 的l e d 显示屏以及智能呼叫终端 的软件设计，同时，深入研究了使用嵌入式中间件技术，对系统中r s 4 8 5 主从机的 通信模块软件进行统一的规范设计，提高了软件设讨的复用性和可维护性。 最后，分别对系统的硬件和软件设计与实现方法进行了说明，给出了系统基本 功能的测试方法和测试结果。总结了本文所做的工作和存在的问题，并对下一步系 统的功能扩展进行了展望。 本文设计的嵌入式智能排队叫号系统具有成本低，结构紧凑，可靠性高，功能 较完善，且可扩展性强等特点，具有较强的适用性和推广价值。 关键词：嵌入式系统；排队叫号系统；a r m si t c o s i i ；r s - 4 8 5 通信 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，埘t ht h er a p i da n dc o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fc h i n e s es o c i a l e c o n o m y , al o n g t i m eq u e u i n gh a sb e c o m eac o n l m o np h e n o m e n o ni nt h e f i n a n c i a l i n s t i t u t i o n s ，t e l e c o m m u n i c a t i o n s ，h o s p i t a l s ，g o v e r n m e n th a l l sa n do t h e rp l a c e s av a r i e t y o fq u e u i n gs y s t e m sb a s e do nc o m m u n i c a t i o na n dc o m p u t e rt e c h n o l o g ye m e r g es oa st o m a n i f e s tt h ep e o p l e o r i e n t e ds p r i ti nt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , an o v e li n t e l l i g e n tq u e u i n g a n dc a l l i n gs y s t e mw h i c hi sb a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g yi sd e s i g n e d i tr e a l i z e st h e e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o rt or e p l a c et h ea r t i f i c i a ll i n e ，s p e e c hc a l l i n ga n dl e d d i s p l a y i n f o r m a t i o n , a n di ts u p p o r t sd i s t a n c ee x c h a n g eq u e r y a n di th a ss o l v e daf e wa c t u a l p r o b l e m si nq u e u i n gs y s t e m f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h es t a t u so ft e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ta th o m ea n d a b r o a d ，t h ea d v a n t a g eo fe m b e d d e dt e c h n o l o g yi ni n t e l l i g e n tq u e u i n gs y s t e m si sp o i n t e d o u t ，a n dt h eb u s i n e s sr e q u i r e m e n t sa n db a s i cf u n c t i o n so ft h eg e n e r a lq u e u i n ga n dc a l l i n g s y s t e ma r ei l l u s t r a t e d t h eo v e r a l ld e s i g no ft h eq u e u i n gs y s t e mi sb a s e do nt h ec o - d e s i g n a p p r o a c ho f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e s e c o n d l y , t h i sp a p e rh a ss t u d i e dt h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo fa s y n c h r o n o u ss e r i a l c o m m u n i c a t i o nd e e p l y , a n dt h es e r i a lp r o b l e m si nt h eq u e u i n gs y s t e ms u c ha st h e c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r ko fr s 一4 8 5a n di t sc o n f i g u r a t i o na l ei n t r o d u c e di nd e t a i l t h r e e m a j o rm o d u l e so ft h eq u e u i n gs y s t e mi nt h eh a r d w a r ed e s i g na r ep o i n t e do u t ，t h a tc o n t a i n t h eq u e u eh o s tb a s e do n $ 3 c 2 4 4 0 m i c r o p r o c e s s o ra n dt h ei n t e r f a c ec i r c u i t sc o n s i s t so f i t s o u t s i d es e r i a l sa n dt h ea u d i o ，t h eh a r d w a r ed e s i g no fo p e r a t i o nt e r m i n a la n dt h el e d d i s p l a ys c r e e nw h i c ha r eb a s e do nl p c 2 13 8m i c r o p r o c e s s o r , a n dt h ep c bb o a r dw h i c hi s s e l f - d e s i g n e di si l l u s t r a t e d m o r e o v e r , r s - 4 8 5c o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so f t h en e t w o r k d e p l o y m e n ti nt h i sp a p e r , a n d t h ed e s i g n i n go f e a c hm o d u l e c o m m u n i c a t i o ns o t t w a r ei ns y s t e mi sc o m p l e t e d i nt h ep a p e r , t h ed e s i g no fq u e u eh o s t s e r v e rs o f t w a r eb a s e do ne m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e mi sd e s c r i b e d ，a n dt h em a i n w o r ki st h ed e s i g n i n go fl e dd i s p l a ys o f t w a r eb a s e do nr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m l c o s i ia n dt h es o f t w a r ed e s i g n i n go fo p e r a t i o nt e r m i n a l b e s i d e s ，t h ep a p e rm a k e sa f u r t h e rr e s e a r c ho nu s i n ge m b e d d e dm i d d l e w a r et e c h n o l o g yt ol e tc o m m u n i c a t i o n m o d u l eo fr s 4 8 5m a s t e r - s l a v em a c h i n ei ns y s t e md ot h eu n i f i e ds t a n d a r dd e s i g n , w h i c h i m p r o v e st h er e u s a b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t yo fs o f t w a r ed e s i g n i n g f i n a l l y , i nt h ep a p e r , t h ed e s i g n i n ga n d r e a l i z a t i o nm e t h o do ft h es y s t e m sh 鲫d w a r e a n ds o f t w a r ea r ee x p l a i n e d ，a n dt h et e s t i n gm e t h o da n dr e s u l t so ft h es y s t e m sb a s i c f u n c t i o n sa r eg i v e n b e s i d e s ，t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ew o r kt h a th a sb e e nd o n ea n dt h e p r o b l e m st h a te x i s t ，a n dt h ef u n c t i o no f t h es y s t e mt ot h en e x ts t e pi sd i s c u s s e d t h i se m b e d d e di n t e l l i g e n tq u e u es y s t e md i s c u s s e di nt h i sp a p e rh a sf e a t u r e so fl o w c o s t ，c o m p a c ts t r u c t u r e ，h i g hr e l i a b i l i t y , p e f f e c tf u n c t i o n , a n de x p a n d a b i l i t ye t c ，a n di th a s a s t r o n ga p p l i c a b i l i t ya n dg r e a tv a l u et op r o m o t e k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；q u e u i n ga n dc a l l i n gs y s t e m ；a r m ；t t c o s i i ：r s - 4 8 5 c o m m u n i c a t i o n s 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：均篆 日期： 学位论文版权使用授权书 翻j 日 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，即：学校有权保留并向国 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。本人授权华中师 范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。同意华中师范大学可以用不同方式在不同媒 体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 本人已经认真阅读“c a l l s 高校学位论文全文数据库发布章程 ，同意将本人的 学位论文提交“c a l l s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。圃童诠塞握交卮进厦! 旦圭玺；旦二生；旦三生筮查! 作者签名：恼旅 日期：旃多月日 ， ，日 、坟月|彬 红雩挑军 师期 导日 磊细一 蛳“ ：罗一 叛呷 者期 作日 一 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i $ 1 1 课题背景 第一章绪论 近年来，随着我国社会经济的持续快速发展，资金流动加快，服务行业的不断 增加，加之我国政府正在努力构建和谐社会、服务型政府，大量的用户越来越频繁 的光顾金融系统、电信、医疗、政府办事大厅等服务部门，时代的发展给这些服务 型行业提出新的服务理念，也给这些行业和部门带来了巨大的压力。 伴随着经济全球化的大浪潮，各行各业之间的竞争逐渐加剧、每个服务行业业 务量在不断增长，业务种类也日益增多，排队等候已成为人们经常面临的实际问题。 在银行、医院、电信、税务、工商等营业大厅里，前拥后挤、杂乱无章的排队等候， 已是司空见惯的现象，很多窗口也因而秩序混乱，为保护用户隐私而设置的“1 米 线 也形同虚设。一方面客户因为长时间的站立排队透支体力和精力而疲惫不堪， 另一方面工作人员也为长时间遭受众多客户的围绕而不胜其烦，影响了服务质量。 因此，改善服务质量、树立良好的企业形象，解决客户劳累的排队现象、创造人性 化服务环境已成为急需解决的问题【l j 。 长时间的站立排队使用户疲惫和厌烦，用户渴望尊重隐私，期望“个性化服 务”，只排一个队，只接受“一对一服务”。对服务部门来讲，使用排队机是提高 服务质量，提升服务形象，吸引顾客的有利措施。随着信息技术的突飞猛进，智能 排队管理系统应运而生。智能排队管理系统是一种综合运用计算机技术、网络技术、 多媒体技术、通信控制技术等的高新技术产品，此系统完全模拟人群的排队过程， 实现了计算机系统代替客户进行排队的过程1 2 】。使用排队系统后，用户在票号机上 取票后，在休息区舒适地等待，听到呼叫后才去对应的窗口办理事务，服务人员面 对一个安静的环境，面对一个客户，可以专心办理业务，提高了工作效率。 嵌入式系统因具有成本低、可靠性高、结构紧凑等特点，被应用于很多领域。 本文是根据武汉市科技攻关计划项目“嵌入式智能窗口网络管理平台的开发”( 项 目编号：2 0 0 8 1 0 3 2 1 1 3 2 ) 而提出的，采用嵌入式技术研制智能排队叫号管理系统， 解决排队系统中的一些常见问题。 1 1 1 摊队技术发展现状 排队技术的应用是体现了科技以人为本的需要，是全社会文明发展的产物，也 是人类文明发展的必然趋势。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 排队技术最早出现在欧美等西方国家，开始的排队系统仅限于工作人员的人工 呼叫，随着现代技术的不断发展特别是计算机技术的应用，使排队技术的发展也突 飞猛进，目前已具备多种功能如乐音提示、语音合成呼叫( v o i c e c a l l i n g ) ；呼叫终 端( o p e r a t i o n t e r m i n a l ) ；以柜台显示( c o u n t e r d i s p l a y ) 和综合显示( m a i nd i s p l a y ) 为主的各种数码管显示、l c d 显示、l e d 显示、p d p 显示；号码发放也由取号机 自动打印( t i c k e td i s p e n s e r ) 至l j 触摸屏查询取号、按键取号、特殊识别取号等等1 3 】。排 队技术产品的出现彻底改变了以前许多需要长时间排队场所的无序模式，也被越来 越多的行业所采用，以提高管理水平和自身竞争力。 在我国，排队产品概念的引进时间也不长，特别是在中国加入w t o 以后，大 批国人走出国门，将很多优秀和先进的服务方法、理念带回国内。“排队技术刀也 随之被引进国内，并在我国特有的高速经济发展的环境里得到迅速的普及和应用。 客户对排队系统的使用也逐渐习惯，并乐于接受1 3 1 。我国的排队技术产品也经由1 9 9 8 铀0 0 1 年的起步期、2 0 0 1 - - - 2 0 0 3 年的发展期、到现阶段的高速发展期，市场也 逐渐成熟，逐渐生产出多种适应我国国情的排队系统产品，并具有应用领域广、工 作流程复杂、综合技术要求高的等特点1 4 1 。 随着计算机技术与通信技术、电子技术等飞速发展，智能排队系统的功能与结 构也日益完善和丰富。目前，市场上的智能排队系统除了已经实现最基本的功能， 如自动根据客户选择的服务类型打印票号、通过计算机自动分流排队、呼叫与保留 重呼等，还发展了许多增值功能，如w e b 上网、员工安排计划、预约管理、高端 客户识别、窗口业务分析、员工业务考核等，同时具有延伸和扩展功能【2 j ，其服务 功能也由单纯的优化服务环境和客户秩序管理，渐渐渗透到使用者的服务系统管理 之中，成为使用机构行之有效的辅助管理与服务手段，比如可与相关的行业软件及 数据库连接，便于对各个窗口服务情况进行统计管理。在排队系统的组网形式方面， 随着计算机技术与通信技术的飞速发展，智能排队管理系统已在有线方式的基础上 发展到了无线排队系统，无线方式较之有线方式具有不受环境影响、安装调试方便、 系统稳定可靠等优点，缺点是成本较高。 我国是一个人口大国，随着经济发展速度的加快，大量的用户越来越多的光顾 金融、电信、医疗、政府办事大厅等场所，使得窗口服务的快捷和舒适越来越被人 们所重视。随着精神文明与物质文明的进一步提高，电子排队技术必将为更多的用 户所接受，并由日常工作中的辅助设备逐渐成为必备的设施之一，人们期待低成本、 功能完善、可靠性高的排队管理系统来使工作和生活变得轻松、和谐。 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 2 嵌入式技术在捧队系统中的应用 排队管理系统集现代计算机、通信和电子技术为一体，是提高窗口服务行业的 办公效率，解除顾客排队等候问题的有利工具。目前排队系统的核心结构主要存在 有单片机、p c 式、嵌入式三种结构形式，其特点各异。 基于单片机结构的智能排队管理系统形式简单，能够实现基本的功能，可以满 足简单的排队需求，优点是成本较低，不足之处是接口电路复杂，体积大，价格昂 贵f 5 j ，属于排队系统的早期产品，可扩展功能十分有限。 基于p c 机的结构形式是现在市场上的主流产品，即由8 位c p u 构成的主机板 通过r s 2 3 2 接口与加装有触摸屏的p c 机在线通信配合使用。此传统模式占用p c 机 仅用于实现触摸屏触摸取号的功能及使用频率较少的系统管理功能 6 1 ，这种结构方 式的优点是可以方便与所服务领域主体业务进行兼容性设计，实现数据共享，不足 之处是其制造成本和开发成本都很高，且系统结构显得松散与落后。 嵌入式系统在国内一个普遍的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础， 软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专 用计算机系统f 7 】。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及 用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 目前，基于嵌入式结构形式的智能排队管理系统尚处于起步阶段，但较之前两种结 构形式具有明显的优势，主要具有以下一些优点： 第一，大多数商用的嵌入式系统都设计成专用任务的低成本的产品，从而简化 了系统设计，降低了成本，为此我们选用了基于a r m 技术的嵌入式系统结构，其成 本低廉，并且具有极强的处理能力和丰富的资源，能够很好的满足排队管理系统的 要求1 8 j ； 第二，嵌入式系统大都具有结构紧凑，可靠性高的特点，嵌入式排队系统的主 要模块选型为基于a r m 的处理器，在其内部的各个模块之间可以选用r s - 4 8 5 、c a n 总线或者无线通信等多种组网方案，简单方便，稳定可靠； 第三，采用嵌入式技术可以很方便的开发出具有自主知识产权的产品。只有掌 握核心技术，开发出具有全部自主知识产权的产品才能够根据不同行业用户、不同 要求进行个性化的修改，才能适应中国排队的特点开发出经得起市场考验的产品； 第四，嵌入式系统大多采用免费或者开源的操作系统，能够完全适应实时多任 务需要。 目前多数基于p c 架构的排队主机使用计算机开发都是基于w i n d o w s 下开发， 这样做的好处是开发时间和开发成本低，这些在w i n d o w s 平台上运行的排队系统， 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 大多忽略或者淡化了w i n d o w s 操作系统的价格，这无形中就存在版权纠纷的风险， 且在实际使用中由于每天须开关机，容易造成系统不稳定而形成故障 9 1 。 采用基于嵌入式技术设计的智能排队管理系统，可以选用性价比较高的a r m 微处理器芯片或者嵌入式工控机主板进行硬件设计，使用嵌入式l i n u x 操作系统或 实时多任务操作系统g c o s i i 进行应用软件的设计，使得系统不仅成本低、稳定可 靠，免除了频繁开关机造成的系统崩溃之忧，而嵌入式系统越来越多的应用软件开 发支持和强大网络功能也为系统下一步的功能扩展打下了基础，具有极好的应用前 景，值得进一步深入研究。 1 2 本文讨论的主要内容 本文基于嵌入式技术解决了排队叫号系统的若干问题，主要是对整个项目设计 方案进行了规划，确定了系统中主要模块的设计与实现方案，并对各个功能模块的 硬件、软件设计与实现进行了比较完整的描述，为以后进一步研究做好基础性工作。 本文主要进行了以下几个方面的工作。 第一章介绍了国内外智能排队系统的发展现状，以及嵌入式技术在排队系统中 的应用。 第二章分析了常见排队叫号系统的功能需求和工作原理，并详细研究了排队系 统的一般工作流程，制订了切实可行的系统组网方案以及软、硬件协同设计方案。 第三章系统的介绍了嵌入式排队叫号系统的硬件设计方案。首先对系统选用 r s 一4 8 5 通信组网方案的串行通信原理进行了必要的说明，接着主要研究了系统的三 个主要组成模块：基于嵌入式微处理器的排队服务主机、l e d 显示条屏及智能呼叫 终端的硬件设计方案，最后说明了本文自行设计p c b 板的原则及注意事项。 第网章是对嵌入式排队系统每个模块的软件设计进行了说明，重点研究了 r s 4 8 5 通信协议软件的设计、基于嵌入式实时操作系统弘c o s i i 的l e d 条屏软件 设计、智能呼叫终端的软件设计，并对基于嵌入式操作系统l i n u x 的排队服务主机 软件设计进行了说明。 第五章对系统的硬件实现和软件实现分别给予了说明，并介绍了系统软硬件集 成测试方法和结果。 最后，对本文所做的工作进行了总结，并对下一步系统的功能扩展进行了展望。 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第二章系统需求分析与整体设计 智能排队叫号系统是提高窗口服务行业的办公效率，解决顾客排队等候问题的 有利工具。本文设计的嵌入式智能排队叫号系统基本完全模拟人群排队过程，通过 取号、进队、排队等待、叫号服务等功能代替人们站队，实现机器自动代替人排队 的过程。可以适用于银行、工商、税务、医院等窗口比较繁忙的地方。 2 1 系统基本功钱和工作原理 本文设计的嵌入式智能排队叫号系统，是武汉市科技攻关项目“嵌入式智能窗 口网络管理平台的开发实现 的前期工作部分，仅满足一般排队系统常见的业务需 要和实现基本的功能。下面对一般排队叫号系统的功能和工作原理作以分析。 2 1 1 排队系统的基本功畿 ( 1 ) 客户可以根据自己的需要选择服务类型，从号票打印机抽取一张打印票 号，到指定的休息等候区等待。 ( 2 ) 工作人员服务完毕后按下智能呼叫终端上的呼叫按钮，系统会自动根据 当前服务类型的排队状况通过l e d 显示屏和语音信息提醒顾客接受服务。 ( 3 ) 系统具有叫号、重呼、清除、暂停等功能。 ( 4 ) 工作人员可实时查看等待人数、正在服务号码。 ( 5 ) 用户可以远程登陆排队系统，对排队状况进行实时查询。 2 1 2 工作原理 集排队系统服务主机与取号机一体的嵌入式排队叫号主机服务器设置在服务 大厅，客户进入大厅，选择自己需要的服务类别，从票号打印机抽取一张打印票号， 票号上有服务类型、排队票号、当前等待人数、时间等信息，然后到相应的休息区 等待。每个服务窗口配备有一个智能呼叫终端和一个l e d 显示屏，分别通过串口 与排队主机组网，多个窗口的呼叫终端通过通信网络连接到嵌入式排队主机服务 器。当窗口的工作人员开始进行客户服务时，首先通过呼叫终端发送呼叫请求命令， 排队服务主机实时轮询每个呼叫终端的呼叫信息，并根据查询的结果处理相应的排 队队列，响应请求，给呼叫终端和l e d 显示屏分配服务号，并驱动语音呼叫系统 给出语音提示：“请xxx 号顾客到xx 号窗口 ，其他功能也参照此例实现。此外， 用户还可以通过以太网远程登陆排队服务器实时查询服务大厅的排队状况。 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 2 排队系统工作流程 2 2 1 数据处理流程 如图2 1 所示，排队系统基本流程图以所要处理的排队信息为主体，从客户在 发号机上按下按键后产生的一条记录开始，给出了数据处理的整个流程【l o l 。 图2 1 系统工作流程图 排队系统涉及工作人员与客户双方，可以简单的将整个工作流程分成两个具体 流程：客户工作流程和工作人员工作流程。 2 2 2 客户工作流程 顾客到达服务大厅后，先到排队发号机上选择自己需要的服务类型，得到自己 的服务票号后，到相应的休息位置等候语音呼叫，同时关注相关l e d 条屏和语音呼 叫系统的信息指示，当被叫到自己的票号时，根据语音提示和l e o 条屏显示信息到 相应窗口办事。 2 2 3 工作人员工作流程 工作人员到达指定的窗口后，即可看到呼叫终端上显示的本窗口的最大等待人 数，待准备好服务客户时按下“呼叫”键开始工作，每服务完一个客户后就按“呼 叫 键呼叫下一位顾客，当所呼叫客户在规定时间内不到时可以按“重呼”键再次 呼叫客户，当工作人员因故暂停服务时，可以按下呼叫终端的“暂停”按键。 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e ，s i s 2 3 系统整体设计 本文参照大多数嵌入式系统所遵循的软件和硬件协同设计的方法和特点，即软 硬件设计是并行且交叉的，两者互相支持、互相提供开发的平台。可以设计出整个 系统的逻辑结构如图2 2 所示，整个系统主要由嵌入式硬件设备、通信线路、管理 软件与通信软件等各个功能模块软件组成，其中嵌入式硬件设备包含排队服务主机 和每个服务窗口配置的智能呼叫终端和l e d 显示屏。 系统的硬件环境主要由嵌入式排队主机、通信网络、智能呼叫终端、l e d 显示 条屏、语音设备、打印机等构成。由于最后两者都是技术成熟的设备，所以整个硬 件设计的重点是嵌入式排队主机、智能呼叫终端、l e d 条屏以及通信网络的设计。 考虑到通信线路的可靠性、稳定性、以及开发成本、技术可行性，整个系统内部的 通信采用异步串口通信r $ 4 8 5 总线通信方式。 图2 2 系统逻辑框图 与硬件设计相对应，整个软件系统分为嵌入式排队主机服务器、智能呼叫终端、 l e d 显示屏三个主要部分，每个部分均包含根据事先约定的通信协议设计的通信软 件。因为整个系统涉及嵌入式硬件较多，功能较为复杂，这里采用了分工协作开发 的模式来完成软件设计。 嵌入式排队主机服务器软件部分包括五个模块：管理软件模块，负责协调整个 系统的正常工作；串行通信软件模块，负责主机与呼叫终端、l e d 条屏的通信；打 印机驱动软件模块和语音呼叫软件模块；以及与以太网通信软件模块。智能呼叫终 端软件部分由l e d 数码管实时显示模块和通信模块软件组成。l e d 显示屏软件由主 7 程序信息显示模块和串r = 通信中问件模块组成。 在开发工具的选择上，除了建立相应的交义编译环境外，排队服务器主机选择 了丌源的嵌入式操作系统l i n u x 作为开发平台，不仅可毗方便的开发多功能的应用 软件，也为下一步系统进行功能扩展、丌发强大的通信软件打下了基础。l e d 显示 屏采用嵌入式实时操作系统l t c o s i i 作为开发平台，保证了软件的稳定运行，同时 满足了下一步研制集中显示屏时功能扩展的需求。在开发语言的选择上，采用了功 能强大的 髓入式c 语言进行系统开发，使得软件具有较强的移植性和易读性。 2 3 1 硬件概要设计 整个系统硬什由嵌入式排队主机、智能呼叫终端( 以下简称呼叫终端) 、l e d 显示条屏、通信网络、语音设备、微型热敏打印机等构成。图23 为嵌入式有线排 队系统不意图。排队主机与智能呼叫终端、l e d 条屏之问采用异步串行通信r s m 8 5 总线方式实现数据传输，此外，排队主机还设计有以太网接n 电路，方便系统与外 部其他系统连接，进行功能扩展。 主机与各模块通信设计概要如下： 嵌入式排队主机( 一) 智能呼叫终端：采用r s4 8 5 标准，半双工通信。 嵌入式排队e 机 l e d 条屏：采用r s4 8 5 标准，半双工通信。 嵌入式排队主机 微型热敏打印机：r s2 3 2 币工通信。 嵌入式排队主机 功放及扬声器：1 1 s 音频接口总线。 嵌入式排队书机 以太网： 图23 嵌入式有线排队系统示意图 呼叫： ( 1 ) 嵌入式排队主机 排队主机服务器采用三星公司嵌入式微处理器s 3 c 2 4 4 0 作为主控芯片，主频达 4 0 0 m h z ，主存储芯片选用s d r a m ，主要负责存储和管理系统运行时所有的相关数 据，主机微处理器的i 0 口外接按键4 个，用于客户选择服务类型。主机根据每个 顾客所选择的服务类型生成对应的排队队列，并驱动打印机实时打印出排队票号； 还负责定时查询每个呼叫终端的按键请求信息：响应每个呼叫终端的按键查询请 求，根据每个呼叫终端的按键请求信息实时更新对应l e d 条屏和呼叫终端的显示 内容，同时启动语音呼叫系统呼叫客户。 ( 2 ) 智能呼叫终端 呼叫终端是每个窗口工作人员用来与j ! 机进行信息交互的设备。本设计中采用 自行设计的物理呼叫终端，采用a t d e l 公司的8 位微处理器a t 8 9 c 2 0 5 l 作为主控制 芯片，主要负责响应主机的查询，并将呼叫终端的按键信息实时传送给主机，i 钔 根据主机响应的数据及时更新l e d 数码管显示内容。该呼叫终端包括四个按键和5 图24 智能呼叫终端外观图 个l e d 数码管，四个按键分别为呼l i t i 、重呼、清除、暂停，为避免工作人员操作 失误，这里约定先按下清除键后再按其他三个按键的任何一个执行相应操作。5 个 l e d 数码管分别用2 个显示当前等待人数、3 个显示正在服务号，呼叫终端的外观 图参照图24 。 ( 3 ) l e d 显示条屏 异步通信l e d 条屏是用于实时显示提示信息的一种较为直观的方式，在很多领 域都得到了广泛的使月j ，本设计中采川了基于a r m 7 t d m is 内核的3 2 位微处理器 l p c 2 1 3 8 作为其控制系统的主控：酣：，采用的1 6 x 1 6 汉字点阵具有字问级联并可以 适度扩展的特点，由于本设计仅涉及窗口终端的信息显示条屏这里用四个汉字即 可完全满足显示窗口呼叫信息的需要。l e d 条屏通过主控芯片的串口接收从主机服 图25l e d 显示条屏外观图 务器发送来的数据帧，这里讨论了l e d 条屏的硬件设计与实现。 ( 4 ) 语音呼叫系统 排队系统中，在将呼叫信息内容通过娃示系统传递给等候者视觉的间时再将 呼叫的信息内容以语音的形式传播给排队者，达到双重提示的作用。语音呼叫系统 主要由主机音频驱动部分和外置功放、扬声器、音频连接线等组成，当主机服务器 启动语音呼叫系统时插放提示语音或音乐。 ( 5 ) 微型打印机 微型打印机通过串口与主机服务器连接，当客户选拌服务类型的按键后，主机 驱动打印机实时打印出客广的票号信息。 2 3 2 软件概要设计 实时件是嵌入式系统的一个重要特征，许多嵌入式系统要求具有实时处理的能 力，这种寅时性主要是靠软件层米体现的ii 。奉文介绍的智能排队系统采用了嵌入 式操作系统l i n u x 米作为主机服务器软件开发，运行的平台，呼叫终端的软件设计 采了基r 中断处理的前后台系统，在l e d 显示屏的殴计中则采川了嵌入式实时 操作系统i t c o s 一1 i 作为，l ：发平台，保证，整个系统的实时性、可靠性。 ( 1 ) 嵌入式排队服务器j ：机模块 该模块m 系统管理软件部分、捕获按键信息与打印帆驱动部分、与呼叫终端和 l e d 屏通信部分、语音呼叫部分与以太网通信部分等组成。 系统管理软件部分：主要负责协调整个主机系统的正常工作。 捕获按键信息与打印机驱动部分：实时捕获客户的按键信息，按照客户选择的 业务种类排列顺序并打印出票号，票号有对应的服务类型、排队号码等基本信息。 系统在打印票号的同时，自动将客广的票号信息分配到相庸的队列中排队。 与呼叫终端和l e d 屏通信部分：服务器软件定时查询每个呼叫终端的按键信 息，包括服务类型、按键值等。如果该呼叫终端按键值为“呼叫”，则为其分配正 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 在服务号、最大等待号，同时将按键值与正在服务号发送给与之对应的l e d 显示 屏，并启动语音系统播放语音提示信息；如果按键值为“重呼”，则仅仅启动语音 系统播放语音提示信息；如果按键值为“暂停”，则将此按键值发送给l e d 显示屏， 使之显示“暂停服务 。 语音呼叫部分：提前将要播放的语音片段录制为w a v 文件，在服务器中编写 特定的应用程序，当启动语音呼叫后，使用音频播放程序播放语音：“请xxx 号 顾客到xx 号窗口 。 与以太网通信部分：在主机上设计嵌入式网关，客户可以远程登录排队主机实 时查询排队状况。， ( 2 ) 智能呼叫终端模块 由于智能呼叫终端采用了8 位微控制器a t 8 9 c 2 0 5 1 ，处理速度相对较慢，为使 其满足系统的实时性要求，这里采用了基于中断处理的前后台系统，将主程序轮询 按键和l e d 实时显示正在服务号和最大等待号作为后台程序，将串口接收中断程 序作为前台程序，以便及时响应排队主机的查询，满足系统工作需要，保证了较强 的实时性。呼叫终端在按下按键后，等待主机查询并分配服务号。 ( 3 ) l e d 显示屏模块 由于本设计的l e d 显示屏仅作为终端信息显示系统，也即营业柜台或窗口的 呼叫显示，显示的内容需要三种即可，当对应窗口工作人员按下“呼叫”按键时， l e d 屏显示“请x x x x 号”，提示客户：当工作人员按下“暂停按键时，l e d 条屏 显示“暂停服务 ；当主机服务器给当前窗口分配的服务号为o 时，l e d 条屏显示 “欢迎光临”。 为了今后研制多功能集中显示屏的需要，这罩在主控芯片上移植了嵌入式实时 操作系统g c o s i i 作为开发平台，为降低应用软件开发的复杂性，有效实现软件的 重用性，引入了嵌入式中间件技术，把串口驱动和s p i 总线模块作为中间件封装起 来【_ 7 1 ，这样就使应用程序的开发更加简单，运行更加稳定。 硕士学位论文 m a s t e r s 。l h e s i s 第三章系统硬件设计 3 1 串行通信及接口技术 3 1 1 串行通信的基本概念 终端与其他设备( 例如其他终端、计算机和外部设备) 通过数据传输进行通信。 数据可以通过两种方式进行传输：串行传输和并行传输。 并行传输的特点是：各数据位同时传送，传送速度快、效率高，但是有多少数 据就需要多少根数据线，因此传送的成本高。并行数据传送的距离通常小于3 0 m 。 串行通信是数据一位一位地进行传输而实现的通信。数据传送按位顺序进行， 最少只需一根传输线即可完成，节省传输线。与并行通信相比，串行通信还有较为 显著的优点：传输距离长，可达到数千公里；在长距离内串行数据传送速率会比并 行数据速率快，串行通信的通信时钟频率容易提高；串行通信的抗干扰能力十分强， 其信号间的互相干扰完全可以忽略1 1 1 j 。 一 o 0 发送端 1 接收端 1 o 1 并彳亍传输串行传输 图3 1 并行传输和串行传输 ( 1 ) 串行通信数据传送模式 串行通信数据通常是在二个站( 点对点) 之间进行传送，按照数据流的方向可 分成三种传送模式：单工、半双工、全双工。 单工形式的数据仅能沿着单一的方向传播。半双工形式使用同一根传输线，即 可发送数据又可接收数据，但不能同时发送和接收，在任何时刻只能由其中的一方 发送数据，另一方接收数据。全双工形式的数据分别由两根在两个不同的站点同时 发送和接收的传输线进行传送，通行双方都能在同一时刻进行发送和接收操作。 ( 2 ) 串行通信方式 串行通信在信息格式的约定上可以分为两种方式：同步通信和异步通信【1 2 l 。 在同步通信中，数据或字符开始处是用一个同步字符来指示的( 常约定为1 2 1 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 个) ，以实现发送端和接收端同步。一旦检测到约定同步字符，下面就连续、顺序 地发送和接收数据。同步传送格式如图所示。该方式要求接收和发送时钟严格保持 同步，在通信时通常要求有同步时钟信号。 1 。llmlli ll li 。 图3 2同步传送格式 在异步通信中，数据或字符是逐帧传送的。帧定义为一个字符完整通信的格式。 最常见的帧格式一般是先用一个起始位“o ”表示字符的开始，然后是5 - - - 8 位数据， 规定低位在前，高位在后。其后是奇偶校验位，最后是停止位，用以表示字符的结 束。从起始位开始到停止位结束，就构成完整的1 帧，下图所示为一种常见的1 1 位帧格式。 n 1 第n 个字符( 一串行帧) n + l i p lo d o d ld zd 3d 4d 5id 6 d 7 p1o d o i 起始位“0 ” 数据位( d o w d y ) 校验位停止位“1 ” 图3 3异步通信1 1 位帧格式 需要说明的是，每个字符传送时，必须前面加一起始位“0 ，起始位用来通知 接收端一个新字符的开始，通信线路在不发送字符的“空闲 状态，应保持高电平 为“l ”，接收端通过检测信号电平的跳变来判断新字符的到达，从而能够与发送端 保持同步；检验位有三种可能的选择，即奇、偶、无校验，用于判断字符传送的正 确性，一般检验位的产生和检查是由串行通信控制器内部自动产生，可以忽略；在 一帧的最后必须加上l 、1 5 或2 位停止位“l ”，用于表示一帧的结束。起始位和 停止位即是一帧数据收发的同步信号。此外，在异步通信中还必须注意的两个问题： 波特率【住l 波特率是指数据传送的速率，用位秒( b i t s ) 表示，在串行通信中称之为波特 率。例如，数据传送的速率为1 2 0 字符秒，每帧包括1 0 个数据位( 1 个起始位、8 个数据位、1 个停止位) ，则波特率为： 1 0 1 2 0 = 1 2 0 0 b s = 1 2 0 0 波特 硕士学位论文 m _ a s t e r st h e s i s 发送接收时钟 无论在同步还是异步方式中，所有通信设备都需要时钟信号，用来做计时参考， 控制数据的传输。该时钟信号通常由外部时钟电路产生。异步通信协议约定发送方 在时钟下降沿发送数据，