（计算机应用技术专业论文）基于嵌入式系统的电场数据存储及以太网通信设计.pdf

e l e c t r i cf i e l dd a t as t o r a g ea n de t h e r n e tc o m m u n i c a t i o nd e s i g n b a s e do ne m b e d d e ds y s t e m ad i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e rd e g r e eo fc o m p u t e ra p p l i e d t e c h n o l o g y i nt h eg r a d u a t es c h o o lo fc h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e s b y s h ig u a n g z h i d i r e c t e db y p r o f e s s o rl i ub o c h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e s 0 5 ，2 0 1 0 4jjj-川川1 洲97 7 iiii_洲y 本 究成果 其他人 而大量 了明确 本人完全了解培养单位有关保留、使用学位论文的规定，即：培养单位有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；培养单位可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 日期： 摘要 摘要 随着i t 技术的快速发展，嵌入式系统与互联网已经无所不在，越来越深刻地影响着 我们工作和生活，而这两者的结合已经是一种必然，将嵌入式系统接入网络已经成为i t 领域研究和应用的热点。作为以应用为中心和计算机技术为基础的专用计算机系统，嵌入 式系统主要由底层硬件设备、实时操作系统以及应用程序三个部分组成，完成对其他设备 的控制、监视和管理。大气电场仪用于测量大气电场值，可用作易受静电及雷电危害的场 所安全监视的预警系统，也是监测大气与空间电环境的预警设备之一。本课题根据大气电 场仪网络通信的任务需求，开展了通信平台软硬件设计，完成本设备与客户端的电场数据 信息交换，实现了电场数据高速传输、大容量存储等功能。 本文首先介绍了课题背景并分析了嵌入式系统的国内外研究现状，在此基础上通过对 以往设计的研究和项目需求分析，提出了本课题的研究任务和设计方案。详细介绍了a r m 系统硬件的的设计及实现、pc o s 。i i 嵌入式操作系统的移植、a r m 底层硬件驱动设计、 嵌入式t c p i p 协议栈设计、嵌入式s d 卡文件系统设计以及s o c k e t 通讯设计。此外本文从 设备端和客户端的通信过程来验证了本设计的可行性和设备的性能。最后对设备未来在集 成化方面的发展进行了展望。 本论文提出的嵌入式系统方案具有很好的扩展性，可以根据不同的任务需求进行局部 设计，从而达到预期的目标。同时本方案具有传输速度快，运行稳定可靠，成本低等优点， 在远程传输和数据采集等领域具有广泛的应用前景。 关键词：嵌入式系统，a r m ，uc o s i i ，以太网 摘要 a b s t r a e t a b s t r a e t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi tt e c h n o l o g y , e m b e d d e ds y s t e ma n di n t e m e th a v eb e e n u b i q u i t o u st h a td e e p l yi m p a c to u rw o r ka n dl i f e ，t h ec o m b i n a t i o nb e t w e e nt h e mi s an e c e s s i t y t h ee m b e d d e ds y s t e ma c c e s s i n gt oi n t e r n e ti sb e c o m i n gah o t s p o ti nt h ei tr e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o nd o m a i n a s ad e d i c a t e dc o m p u t e rs y s t e mb a s e do na p p l i c a t i o na n dc o m p u t e r t e c h n o l o g y , e m b e d d e ds y s t e mm a i n l yc o n s i s t so fb o t t o mh a r d w a r ed e v i c e s ，r e a l t i m eo p e r a t i n g s y s t e ma n da p p l i c a t i o np r o g r a mw h i c hc o m p l e t e sc o n t r o l l i n g ，m o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n tt o o t h e rd e v i c e s a t m o s p h e r i ce l e c t r i cf i e l di n s t r u m e n ti su s e dt om e a s u r et h ea t m o s p h e r i ce l e c t r i c f i e l d ，w h i c hc a nb eu s e da sw a r n i n gs y s t e mi nt h ep l a c ev u l n e r a b l et o s t a t i ce l e c t r i c i t ya n d l i g h t n i n g h a z a r da n da s w a r n i n g d e v i c e t om o n i t o rt h ea i ra n d s p a c e e l e c t r i c e n v i r o n m e n t a c c o r d i n gt ot h ec o m m u n i c a t i o nr e q u i r e m e n t so fe l e c t r i cf i e l di n s t r u m e n t ，t h i s t o p i cd e v e l o p s a n ds t u d i e so n d e s i g n o f s o f t w a r e ，s o l v e si n f o r m a t i o ne x c h a n g eb e t w e e n h i g h s p e e d ，l a r g ec a p a c i t ys t o r a g e c o m m u n i c a t i o np l a t f o r mi nh a r d w a r ea n d t h ed e v i c ea n dc l i e n t ，r e a l i z e st h ef u n c t i o no f f i r s t ，t h eb a c k g r o u n do ft h i sp r o j e c ta n dt h eg l o b a lr e s e a r c ho fe m b e d d e ds y s t e ma r e i n t r o d u c e d ，b a s e do nw h i c ht h et h e s i sa n a l y z e st h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so ft h i sp r o j e c ta n d b r i n g sf o r w a r dt h er e s e a r c ht a s ka n dm e t h o d t h e n ，t h et h e s i sd e t a i l e d l yd i s c u s s e st h ea r m m i n i m u ms y s t e mh a r d w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n ，t h et r a n s p l a n tp r o c e s s o f 肛c o s - i io p e r a t i n gs y s t e m ，a r mb o t t o mh a r d w a r ed r i v e rd e s i g n ，e m b e d d e dt c p i pp r o t o c o l s t a c kd e s i g n ，e m b e d d e ds dc a r df i l es y s t e md e s i g n ，a n ds o c k e tc o m m u n i c a t i o nd e s i g n i n a d d i t i o n ，c o m m u n i c a t i o np r o c e s sb e t w e e nd e v i c ea n dc l i e n tc a nv e r i f yt h ef e a s i b i l i t ya n d p e r f o r m a n c eo fd e v i c e f i n a l l y , ap r o s p e c t i o na b o u tt h ed e v e l o p m e n to ft h ed e v i c ei ni n t e g r a t i o n i sg i v e n e m b e d d e ds y s t e ms c h e m ed e s i g n e db yt h et h e s i sh a sg o o de x p a n d a b i l i t y c o n s e q u e n t l yi t c a nb em o d i f i e dt oa c h i e v eo t h e re x p e c t e do b j e c t i v e s t h ed e s i g nh a sa na d v a n t a g eo fh i g h s p e e d ， l o w - l o s ta n ds t a b i l i t yw h i c hh a si m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ef o r f u t u r ep r a c t i c a le n g i n e e r a p p l i c a t i o ni nr e m o t et r a n s m i s s i o na n d d a t aa c q u i s i t i o nf i e l d k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，a r m ，uc o s i i ，e t h e r n e t i i a b s t r a c t i i i 目录 目录 l 绪论1 1 1 课题研究背景l 1 2 嵌入式系统概述2 1 2 1 嵌入式系统简介2 1 - 2 2 嵌入式系统的构成2 1 3i n t e r n e t 技术在嵌入式系统中的应用4 1 3 1 嵌入式i n t e r n e t 技术的背景和意义4 1 3 2 嵌入式系统接入i n t e r n e t 的方案5 1 4 嵌入式系统的开发流程6 1 4 1 嵌入式开发考虑的因素6 1 4 2 嵌入式系统开发的基本流程7 1 5 论文的研究意义和研究内容9 1 5 1 论文的研究意义9 1 5 2 论文的研究内容9 2 系统总体设计方案1 0 2 1 系统需求1 0 2 2 总体结构设计1 0 2 3 硬件总体设计概述1 1 2 4 软件总体设计概述1 2 3a r m 硬件平台设计1 5 3 1 微控制器l p c 2 3 6 8 简介1 5 3 1 1 微控制器l p c 2 3 6 8 概述1 5 3 1 2 微控制器l p c 2 3 6 8 结构1 6 3 2 最小系统各接口模块设计1 7 3 2 1 电源模块1 7 3 2 2 复位模块1 8 3 2 3 时钟模块1 9 3 2 4j t a g 调试模块2 0 3 3r s 2 3 2 接口电路设计2 1 3 4 以太网接口电路设计2 2 3 4 1 网络物理层芯片d p 8 3 8 4 8 概述2 2 3 4 2 接口电路设计2 3 目录 3 5s d 卡接口电路设计2 4 3 6 硬件实现流程小结2 5 系统软件设计2 7 4 1 集成开发环境介绍2 7 4 2r t c o s - i i 操作系统的移植2 7 4 2 1r t c o s - i i 操作系统简介2 7 4 2 2r t c o s - i i 关键代码移植2 8 4 3 系统启动3 2 4 4 串口驱动设计3 3 4 5 嵌入式t c p i p 协议栈设计3 7 4 5 1t c p i p 模型及各层简介3 7 4 5 2t c p i p 封装及工作原理3 8 4 5 3 嵌入式t c p i p 设计方案3 9 4 5 4 嵌入式t c p i p 网络接口层设计4 1 4 5 5 嵌入式t c p i p 网际层设计4 3 4 5 6 嵌入式t c p i p 传输层设计4 7 4 5 7 嵌入式t c p i ps o c k e t 通信5 0 4 6 嵌入式s d 卡文件系统设计5 2 4 6 1f a t 文件系统简介5 2 4 6 2s d 卡文件系统的设计5 4 4 6 3s d 卡文件系统的移植5 5 、 调试与验证5 9 5 1 设备调试5 9 5 2 设备验证6 l 5 2 1 串口及s d 卡文件系统验证6 l 5 2 2 以太网传送数据验证6 3 6 总结和展望6 8 参考文献6 9 发表文章目录7 1 电路板实物图7 2 致谢7 3 v 图目录 图目录 图表1 1 嵌入式系统的软硬件各部分的组成结构3 图表1 2 嵌入式系统接入网络模型 5 图表1 3 嵌入式系统开发的具体流程8 图表2 一l 嵌入式远程监控系统总体框图1 1 图表2 2a r m 硬件系统结构框图1 2 图表2 3 软件系统架构1 3 图表2 4 系统运行框架图一1 4 图表3 1l p c 2 3 6 8 的结构图1 6 图表3 2 最小系统框图1 7 图表3 3 电源电路原理图1 8 图表3 4 复位电路原理图1 8 图表3 5c p u 的时钟结构1 9 图表3 - 6 无源晶振连接图1 9 图表3 7j t a g 调试框图2 0 图表3 。8j t a g 电路原理图一2 1 图表3 - 9r s 2 3 2 电路原理图2 2 图表3 1 0 以太网接口硬件结构图2 2 图表3 1 1l p c 2 3 6 8 与d p 8 3 8 4 8 引脚连接2 3 图表3 一1 2 以太网接口原理图2 4 图表3 1 3s d 卡接口电路原理图2 5 图表3 1 4p c b 制版图一2 6 图表4 1i t c o s i i 软硬件体系结构图。2 8 图表4 2 启动代码流程图3 3 图表4 3u a r t 寄存器功能框图3 4 图表4 4u a r t 模式寄存器功能图3 4 图表4 5t c p i p 分层工作原理3 9 图表4 6 协议栈层次结构4 0 图表4 7 网络通讯发送数据流程图4 0 图表4 8 初始化函数流程图4 1 图表4 9d p 8 3 8 4 8 接收流程图4 2 v i 图目录 图表4 1 0d p 8 3 8 4 8 发送流程图4 3 图表4 1 1i p 报发送函数流程图4 4 图表4 1 2i p 协议接收流程图4 5 图表4 1 3a r p 协议流程图4 6 图表4 1 4i c m p 协议流程图4 7 图表4 1 5t c p 建立连接4 8 图表4 1 6t c p 终止连接4 8 图表4 1 7 面向连接的套接字系统调用时序图5 1 图表4 1 8f a t 3 2 文件系统结构图5 3 图表4 1 9s d 卡记录数据流程图5 5 图表4 2 0f a t f sm o d u l e 层次结构5 6 图表4 2 1t i n y f a t f s 用户接1 ：3 函数5 7 图表5 1h f l a s h 检测l p c 2 3 6 8 芯片6 0 图表5 2h f l a s h 擦除l p c 2 3 6 8 芯片6 0 图表5 3h f l a s h 烧写l p c 2 3 6 8 芯片6 l 图表5 4 串口调试助手收发数据6 2 图表5 5s d 卡中所记录文件6 2 图表5 6s d 卡数据显示6 3 图表5 7p c 机p i n g 嵌入式设备6 4 图表5 8 建立s o c k e t 通讯6 4 图表5 - 9t c p 传输过程6 5 图表5 1 0 网络接口层数据包6 5 图表5 1 l 网际层数据包6 6 图表5 。1 2 传输层数据包6 6 图表5 1 3 电场数据负载6 7 v i i 表目录 表目录 表格3 1p l l 寄存器2 0 表格3 - 2r s 2 3 2 引脚定义一2 l 表格3 3m i i 方式选择2 3 表格3 4s d 卡引脚功能介绍2 5 表格4 1t c p i p 层。3 7 表格4 2f a t 3 2 上d b r 各部分划分5 3 v i i i 表目录 i x 绪论 1 1 课题研究背景 1 绪论 大气电场强度是大气电学的基本参数，电云层、雷电都会使大气电场发生很大的变化， 在飞行器穿越强电场区域时，有可能遭到雷击或诱发闪电，造成飞行器直接损坏或间接损 伤。为了避免或减少雷电给人类造成的伤害和损失，对大气电场的测量是十分必要的【l l 。 大气电场仪是用来测量大气电场及其变化的设备。大气电场仪分为地面电场仪和空中 电场仪，它是利用导体在电场中产生感应电荷的原理来测量电场的。当云中发生电荷分离 时，地面电场将发生相应的变化，其强度与云中电荷的积累量和分布有关，因此通过测量 地面大气电场的变化，可以反演出高空云层电场的变化，对发生雷击的危险性做出一定的 预报。如要扩大测量范围，提高测量精度，就必须组成大气电场仪网工作。空中电场仪是 利用气球、飞机或火箭等作载体，携带测电场的仪器穿越云层直接测量空中电场的变化， 主要用于短期监测。大气电场仪可对局部地区潜在的雷暴活动及静电电击危险发出报警， 可用作气象、航天、航空、电力、油库、弹药库、工矿及森林防火、露天体育场地等易受 静电及雷电危害的场所安全监视的预警系统，也是监测大气与空间电环境和风沙带电情况 的预警设备之一。将电场仪测量的电场数据传送到计算机由专用软件分析处理，可以对局 部地区潜在的雷暴活动及静电电击的危险性做出短期预报。 目前，我国大气电场仪主要有k d y 型旋转式电场仪、微火箭电场仪、双球式电场仪 等几种。大气电场仪预报系统技术性能如下【2 l ： 1 ) 直接探测以测站为中心半径1 0 到2 0 公里水平距离范围内大气电场数据； 2 ) 预报时间为1 0 分钟到1 小时； 3 ) 系统展开工作后，可瞬时完成数据采集工作，探测数据精度满足各项技术指标； 4 ) 系统具有高可靠性，连续工作时间不少于6 个月； 5 ) 设有报警线，当电场数据超过报警线时，会发出声光报警。报警线可根据当地的 电场平均值作调整。 传统的野外电场数据采集需要人员到现场采集，采用这种方式一般信息反馈较慢。在 一些地形复杂、气候恶劣或人们不能时刻停留的地方，现场信息采集十分困难，同时采集 人员的生命安全难以得到保障。通过小型嵌入式设备传输电场数据，到远程客户端控制和 显示，可靠性高且成本少，将会得到广泛的应用。本课题将根据大气电场仪网络通信的任 务需求，开展了通信平台软硬件设计，完成本设备与客户端的电场数据信息交换。 绪论 1 2 嵌入式系统概述 1 2 1 嵌入式系统简介 嵌入式系统定义为“以面向应用为中心，软件、硬件可裁剪的完成特定功能的计算设 备，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系 统 。 进入2 1 世纪后，在新一轮通信技术、工业技术、汽车电子、消费电子、生物和医疗 仪器、军事和航天设备等行业巨大智能化、数字化、集成化装备市场的需求下，全球的嵌 入式软件及系统产业得到了飞速发展，可以说已经广泛地应用到人类生活的方方面面。据 统计，2 0 0 4 年全球嵌入式系统产品的产值已达到2 0 0 0 亿美元，2 0 0 5 年全球m c u 的市场 达到1 2 5 亿美元，估计全世界嵌入式系统产品的潜在市场将超过1 0 0 0 0 亿美元。 由于我国具有雄厚的制造业基础，与传统的制造业结合，嵌入式系统有着巨大的市场 空间。同时，基于嵌入式系统的应用开发和技术创新，将推动新产品、新产业的诞生。目 前，我国嵌入式系统应用产品的经济总量超过1 5 0 0 亿元。发展嵌入式系统产业，将成为 我国信息产业增长由粗放型向节约型转变，实现可持续发展的重要途径 3 1 1 4 1 。 嵌入式系统要完成复杂的功能，已经不可能像普通单片机一样，直接从底层开始编写 所有程序，必须采用底层的操作系统，在此基础上来完成复杂的应用程序设计。但由于嵌 入式系统自身资源的限制，嵌入式操作系统不可能像p c 机的操作系统一样庞大。同时， 嵌入式操作系统还必须是实时多任务操作系统，由于嵌入式处理器的种类繁多，嵌入式操 作系统还必须支持多种不同处理器体系结构的众多处理器。目前，国际上嵌入式系统的主 流是实时多任务操作系统( r e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e m ，r t o s ) 。r t o s 是嵌入式应用软件 的基础和开发平台，是一段嵌入在目标代码中的软件，用户的其他应用程序都建立在r t o s 之上。商品化的嵌入式操作系统在2 0 世纪7 0 年代后期才出现，到2 0 世纪末，成熟的商 品化操作系统已经十分丰富，如u c l i n u x 、v x w o r k s 、uc o s i i 、n u c l e a r 。大部分嵌入式 操作系统价格昂贵，因此市面上比较看好源代码公开的uc o s i i 、u c l i n u x 。 本论文的设计使用l ac o s i i 操作系统。作为源代码免费公开、结构小巧、具有可剥 夺内核的实时操作系统，l ac o s i i 的内核提供任务调度与管理、内存管理、中断服务和 时间管理的功能，最多可管理6 4 个任务。处理器的内核移植相对容易，具有执行效率高、 可扩展性强、占用空间小和实时性能优良的优点。自推出以来，已经应用到成千上万的系 统中去。 1 2 2 嵌入式系统的构成 嵌入式系统是专用的计算机系统，同样也是由软件和硬件组成的。图1 1 整体地描述 了嵌入式系统的软硬件架构【5 1 6 1 。 2 绪论 图表1 - 1 嵌入式系统的软硬件各部分的组成结构 1 2 2 1 嵌入式系统硬件结构 嵌入式硬件结构如图1 1 下半部分所示，它以嵌入式微处理器为中心，由存储器、通 信模块、电源、交互设备等组成。在实际应用中，嵌入式系统配置比较简单，除了微处理 器和必需的外围电路，其它部分都可以根据需要和成本进行剪裁和定制。 嵌入式系统的硬件核心是嵌入式微处理器，当需要提高芯片的信息处理能力时，外接 d s p 处理器是比较常用的方法，以此进行高性能信号处理。 伴随着微电子技术和应用技术的不断发展以及纳米芯片加工工艺技术的发展，以微处 理器为核心的集成各种功能的s o c 系统芯片逐渐成为嵌入式系统的重点。这些s o c 芯片内 置了大量的外围u s b 、u a r t 、以太网、a d d a 等功能模块，更加满足了使用者的需求。 1 2 2 2 嵌入式系统软件结构 设计一个简单的应用程序，可以不使用操作系统，但在设计较为复杂的程序时，必须 需要一个操作系统( o s ) 来管理和控制内存、多个任务的协调调度。如果使用操作系统， 软件结构可分为三个部分：设备驱动、实时操作系统和应用程序。 1 ) 设备驱动 绪论 驱动程序不仅要实现设备的基本函数功能，如初始化、中断响应、发送、接收等，使 设备的基本功能可使实现，还应该有完备的错误处理能力。驱动层程序是嵌入式系统中不 可缺少的部分，使用外部设备的时候都需要硬件驱动程序的支持，它为更高层软件提供了 交互的接口。高层软件与设备的内部配置操作无关，只需调用底层驱动提供的接口即可。 2 ) 实时操作系统r t o s r t o s 是一个标准的内核，将c p u 时间、中断、i o 、定时器等资源都包装起来，留 给用户一个标准的a p i ，并根据各个任务的优先级，合理地在不同任务之间分配c p u 资源。 这样一来，基于r t o s 上的c 语言程序具有极大地可移植性。几乎所有的r t o s 都提供线 程，大多数系统软件都提供把i o 包装成r e a d ( ) 、w r i t e ( ) 、o p e n ( ) 和c l o s e ( ) - - 类函数的服务。 同时，在r t o s 基础上可以编写出各种硬件驱动程序、专家库函数、行业库函数、产品库 函数和通用性的应用程序，可以作为产品销售，促进行业内的知识产权交流。通常内核中 必需的基本部件是进程管理、进程问通信、内存管理部分，其他部件如文件系统、驱动程 序、网络协议等都需要根据用户要求进行配置，并以相关的方式实现。 3 ) 应用程序 实际的嵌入式系统应用程序建立在系统的主任务( m a i nt a s k ) 基础之上。如果操作系 统提供了标准的a p i 函数，用户应用程序主要通过调用系统的a p i 函数对系统进行操作， 完成用户应用功能开发。这样可以加快用户应用程序的开发，统一应用程序开发标准。在 用户的应用程序中，也可创建自己的任务。任务之间的协调主要依赖于系统的消息队列。 1 3i n t e r n e t 技术在嵌入式系统中的应用 1 3 1 嵌入式i n t e r n e t 技术的背景和意义 由于i n t e r n e t 技术的渗透，嵌入式系统正变得越来越智能化并具有越来越好的网络特 性，同时w e b 技术的飞速发展，给嵌入式系统进入i n t e r n e t 提供了绝佳的途径。嵌入式 i n t e r n e t 技术是设备接入技术和网络互连技术的结合体。它主要解决了通过网络和嵌入式技 术实现从不同的物理区域对接入到i n t e m e t 的设备进行监控、诊断、管理等操作，使用户 对接入到i n t e r n e t 上的各种设备或其它类型的子网具有远程监控能力。i n t e r n e t 通信协议对 计算机系统的c p u 速度、存储器容量等的要求比较高，用于p c 系统不存在任何困难，但 是用于自身资源有限的嵌入式系统就必须根据需要有所取舍，合理选择通信协议和处理方 案。利用m c u 实现嵌入式互联网方案的技术难点是：如何利用单片机本身有限的资源对 信息进行t c p i p 协议处理，使之变成可以在互联网上传输的i p 数据包。嵌入式i n t e m e t 技术就是要最大限度地利用嵌入式系统资源，根据t c p i p 协议对网络数据信息进行高效 的处理。 嵌入式i n t e r n e t 技术的出现时间比较晚，但是发展速度却很快，从底层硬件技术到顶 4 绪论 层软件所提供的解决方案，都在产生着巨大的进步。随着p c 机时代的到来，2 1 世纪将是 嵌入式i n t e m e t 的时代。美国贝尔实验室总裁a r u nn e t r a v a l i 的一批科学家对此做出了预测： 嵌入式i n t e m e t “将会产生比p c 机时代多成百上千倍的瘦服务器和超级嵌入式瘦服务器。 这些瘦服务器将与我们所能想到的各种物理信息、生物信息相联接，通过i n t e r n e t 网自动 地、实时地、方便地、简单地提供给需要这些信息的对象” 7 1 。国内外许多研究机构和国 际标准化组织都致力于嵌入式i n t e m e t 的研究，如s w e d i s hi n s t i t u d eo fc o m p u t e rs c i e n c e ， e m b e d d e ds y s t e m sc o n f e r e n c e ，嵌入式i n t e m e t 联盟，中国单片机公共实验室，全国嵌入式 系统学术交流会等，这些机构对嵌入式i n t e r n e t 技术的推广和进步发挥了巨大作用。图1 2 为嵌入式系统接入网络的模型。 楼 字 控 制 家 庭 自 动 控 制 寻 呼 机 图表1 - 2 嵌入式系统授入网络模型 如果嵌入式系统能够连接到i n t e m e t ，我们就可以将所有设备的信号都通过网络来传 送，而且还可以做到通过网络充分共享多种设备，随时查看嵌入式设备的情况，并指挥运 转这些设备，从而方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何地方。可以预言，嵌入式 设备与i n t e r n e t 的结合代表着嵌入式系统和网络技术的真正未来。 1 3 2 嵌入式系统接入i n t e m e t 的方案 目前嵌入式系统接入i n t e m e t 主要有如下四种方案【8 】9 1 ： 1 ) 低端微处理器直接接入i n t e r n e t 此方案实现低端微处理器直接与i n t e r n e t 相互连接，通过在微处理器硬件结构中添加 网络接口硬件，增加相应的软件支持，并采用相应的接口方案而实现的。由于存在速度慢 和内存小的缺点，使目前存在的很多低端处理器支持t c p i p 协议变得不可能。但可以根 据此类系统较为简单的需求简化t c p i p 协议，比如在设备端和客户端之间传送少量的数 5 绪论 和命令就可以采用u d p 协议而不是t c p 协议。此方案成本低，但是不能满足有复杂功 的通信需求。 2 ) p c 机作为网关 此方案是将嵌入式设备与p c 机通过总线技术连接在一起，该p c 作为网关将总线上的 息转换为t c p i p 协议数据包，客户端可以通过此网关访问嵌入式系统。这种方案可以 低对嵌入式系统的要求，使用范围广泛，可充分利用已经大量存在的低端嵌入式产品， 提供使用i n t e r n e t 进行信息交互的手段，有利于设备远程访问和实时监控。但同时总会 要一台p c 机连接分散的各种终端设备，增加了成本。 3 ) 固化t c p i p 协议栈的芯片 此方案是使用一个硬件协议栈芯片同嵌入式处理器连接，协议栈芯片主要完成t c p i p 议的打包工作，将网络数据包进行硬件处理，软件只需要增加一段和协议栈芯片通信的 口程序即可，完成网络通讯只是占用很少的系统资源。此方案具有开发周期短、系统成 低的优点。因此对于开发小型廉价的信息终端产品是比较好的选择。其缺点是系统的硬 成本比较高，而且由于使用的是固化的硬件协议栈，扩展和裁剪不灵活。典型的代表包 w i z n e t 公司的w 5 3 0 0 和s e i k oi n s t r u m e n t 公司的$ 7 6 0 0 a 。 4 ) 微处理器和嵌入式操作系统 此方案采用3 2 位的m c u ，在r t o s 平台上进行软件开发，在嵌入式系统中实现t c p i p 议栈处理。3 2 位的m c u 具有较强的计算处理能力，有足够的能力和资源运行实时操作 统并完成很多复杂的功能。根据系统性能要求选择合理的微处理器和操作系统，对于提 系统开发效率可以发挥巨大的作用。目前，随着微处理器价格不断降低，利用r t o s 开 嵌入式应用系统已经逐渐成为潮流，l i n u x 也在向这个领域进军。 本课题根据通信稳定性、速度及软硬件成本等各因素，采用了微处理器和嵌入式操作 统( 1 ac o s i i ) ，即第四种方案。 入式系统的开发流程 嵌入式系统运行于特定的实际环境，此实际环境又面向确定的应用领域，功能相对单 一，需要完成预期要实现的功能，同时还需要软硬件协同设计。出于对系统实现成本的考 虑，在选择应用系统的器件，各种器件通常只需满足要求即可，而区别于通用p c 系统， 留出许多资源给用户。因此嵌入式系统的开发必然有其自身的很多特点。 1 4 1 嵌入式开发考虑的因素 嵌入式系统是以实际应用为主要考虑对象的计算机系统，嵌入式的特点就是可配置， 功能可靠，成本低，体积小，功耗低，实用性强。因此，嵌入式系统受功能和具体应用环 6 绪论 境的约束，其开发流程就不同于一般的通用计算机系统。在嵌入式系统设计开发时必须考 虑以下因素：功能可靠实用，便于升级；实时并发处理，及时响应；体积符合要求，结构 紧凑；接口符合规范，易于操作；配置精简稳定，维护便利：功耗管理严格，成本低廉。 1 4 2 嵌入式系统开发的基本流程 嵌入式系统需要将硬件、软件、开发人员等因素结合起来。嵌入式系统开发的最大特 点是任何一个嵌入式产品都是软硬件设计的共同体，是软硬件的集成开发。由于嵌入式开 发是面向具体应用的，因此嵌入式开发的方法和流程各有不同。具体流程如图1 3 所示i l o 】。 1 ) 系统定义和需求分析 确定系统开发最终需要达到的总目标、系统实现的可行性、系统开发所采用的策略， 估计系统完成所需的资源和成本，制定工程进度安排计划。需求分析应确定目标系统要具 备哪些功能，需要经过充分的研究和论证，得出确定的系统实现逻辑模型，以便使设计开 发人员能够确定最终的设计目标。由此确定的系统逻辑模型是以后设计和实现的目标系统 的基础，必须能够准确、完整地体现出的设计目标。 2 ) 设计方案的初步确定 包括整个系统设计的设计文档和说明文档，具体包括以下文档：系统总体设计、系统 功能描述、操作系统选择和开发环境选择、硬件器件的选择、软硬件协同设计。以上文档 的确立要使用系统流程图，估计每一种方案的成本和效益，描述每一种可能的系统组成， 在充分比较各种方案优劣的条件下，选择较好的系统方案并且制定出该方案的详细计划。 3 ) 设计方案评审论证 在系统开始软硬件协同设计之前，需要最后确定设计方案与需求之间的合理性，并对 设计方案的准确性、稳定性、可修改性等多个方面进行整体评估，以保证系统进行具体的 实施阶段。 4 ) 初步方案的实施 本阶段是整个设计过程中的基本环节，它决定了以后软硬件设计的方向与目标，通常 需要反复比较才能最后决定。划分的结果对系统的性能和成本有着较大的影响，对软硬件 的设计工作量往往会有很大的影响，尤其是影响软件的设计与实现。划分完系统的软硬件 结构之后，就可立即进行软硬件设计与系统实施方案。 5 ) 软硬件集成测试 将测试完成的软件加载到制作好的硬件设备中，进行系统的综合测试，验证系统功能 是否能准确无误地实现。由于本阶段的工作是整个开发过程中难度最大的，所以需要相应 的辅助工具支持，才能确保系统的正常稳定运行。 6 ) 系统性能测试及可靠性测试 验证测试所完成的系统性能是否满足任务书的性能指标要求。若满足，则可将软件程 序固化在目标硬件设备中；若不满足，则需要回到初始阶段再次进行系统方案的制定。 7 绪论 图表1 3 嵌入式系统开发的具体流程 8 绪论 1 5 论文的研究意义和研究内容 1 5 1 论文的研究意义 本课题根据大气电场仪网络通信的任务需求，开展了通信平台软硬件设计，完成本设 备与客户端的电场数据信息交换，实现了电场数据高速传输、大容量存储以及设备端监视 等功能。通过使用有线以太网传输，使前端基于a r m 的电场采集系统中存储的大气电场 仪相关数据传送至远程客户端，由客户端软件进行接收处理，从而实现a r m 设备和客户 端的有线传输，实现对多站点进行远程监测的功能。 目前主流的电场数据传输方式是g p r s 无线和串口。g p r s 无线传输模式缺点是相对 于有线来说，无线需要按数据量收费，如果数据量大则收费很高，无线网络并不能保持网 络顺畅性，有时会出现接收不到数据的情况，传输速度慢，最关键的是无线通信的安全性 无法保证，数据很容易被窃取。而对于上位机下位机传输所采用的传统串口方式，不能实 现单个中心监控多终端的功能，且无法实现组网，传输距离短，传输速度慢。 采用有线以太网传输方式保证了数据的传输速度和网络的稳定性，采用小型a r m 嵌 入式设备取代p c 机，节约了电场仪到客户端间传输的成本，无人智能化的操作节省了人 力物力，能够解决条件恶劣地区电场数据采集的实际困难，能方便地实现组网监测，在环 境不好的区域尤其适用。本设计采用大容量s d 卡在设备端保存电场数据文件，以防出现 意外情况导致网络中断而产生的数据丢失。因此本研究具有很好的实用性。