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基于嵌入式和g p r s 的自动抄表系统的研究 学科：计算机应用技术 摘要 随着人民生活水平的提高，用电户的不断增加使供电部门抄表工作量大幅增长。传统 的人工抄表由于存在诸多弊端已经越来越不能适应现代化管理的需要。自动抄表系统因其 效率高、差错率小等优点应运而生，它不仅可以代替烦琐的手工劳动，更为以后能提供更 多优质的服务奠定了基础。 本无线自动抄表系统，以c 8 0 5 1 f 0 2 0 和$ 3 c 2 4 1 0 芯片作为采集器和集中器的核心处 理器来构建硬件平台，以嵌入式l i n u x 系统作为软件开发平台，上层采用g p r s 无线通信 方式，下层通过n r f 9 0 5 无线模块传输数据，具有容量大、可移植性强、性能高效等优点。 文中首先分析了国内外自动抄表行业的现状，指出了其优缺点，提出了基于嵌入式和 g p r s 的自动抄表系统，对该系统的发展和应用前景进行了综述。基于课题研究的需要， 本文还对嵌入式系统、嵌入式操作系统、g p r s 和a r m 等相关技术作了介绍。根据系统 功能的需要，本文对$ 3 c 2 4 1 0 处理器芯片的外围硬件进行了扩展设计，包括外围存储、 l c d 、键盘、n r f 9 0 5 通信和g p r s 通信模块等，使系统具备了满足使用的最小系统硬件 资源。为实现运用多任务操作系统有效组织处理并行任务的目的，本系统在设计时将嵌入 式l i n u x 操作系统移植到$ 3 c 2 4 1 0 上。在软件设计部分，本系统实现了包括协议和s p i 接口n r f 9 0 5 无线通信；完成了g p r s 驱动程序、模块的初始化，并针对p p p 协议实现了 p p p 拨号，将g p r s 模块连接到i n t e m e t 网络进行通信。 通过以上设计，建立了一个功能齐全，实时可靠，基于嵌入式和g p r s 的无线自动抄 表系统。 关键词：自动抄表；g p r s ；r 时9 0 5 ；嵌入式系统 处 男 考r、1砑 小7，嬲锄 争 ： 字字签签师生教究导研指 r e s e a r c ho fa u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m b a s e do ne m b e d d e ds y s t e ma n dg p r s d i s c i p l i n e ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y s t u d e n ts i g n a t u r e ：i h e 朋汤。乒n 孑 s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ：锣死) 蜘矿切 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d ，t h ea d d i t i o no fe l e c t r i c i t yu s e r sc a u s e s t h ep o w e rs u p p l yd e p a r t m e n t sm e t e rr e a d i n gw o r k l o a d g r o w i n gl a r g e l y t h et r a d i t i o n a l a r t i f i c i a lm e t e r i n gi sn o tg o i n gt om e e tt h en e e do fm o d e mm a n a g e m e n td u et oi t sv a r i o u s d e f e c t s t h e r e f o r e ，t h ea u t o m a t i cm e t e r i n gs y s t e ma r i s e s 谢mt h ea d v a n t a g e so fh i g he f f i c i e n c y a n df e w e rm i s t a k e s i tc a nn o to n l yr e p l a c et h et e d i o u sm a n u a lw o r k , b u tp r o m i s em o r e h i g h - q u a l i t ys e r v i c e sa f t e r w a r d s t h ew i r e l e s sa u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e mu s e sc 8 0 51f 0 2 0a n d $ 3 c 2 410c h i p sa s c o l l e c t o r sa n dc o n c e n t r i cc o r ep r o c e s s o r st oc o n s t r u c tt h eh a r d w a r ep l a t f o r m t h ee m b e d d e d l i n u xi sc h o s e na st h ep l a t f o r m t h eu pl a y e ru s e sg 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 ) w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h el o wl a y e rt r a n s m i t sd a t ab yn r f 9 0 5w i r e l e s sm o d u l e ，h a s c a p a c i t yg r e a t , a d v a n t a g et h a tp e r f o r m a n c ei sh i g h - e f f i c i e n t 、7 l ，i ms t r o n gp o r t a b i l i t y t h ep a p e r a n a l y z e sf i r s t l yt h ec u r r e n ts i t u a t i o n so fd o m e s t i ca n da b r o a da u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gi n d u s t r y ， p o i n t i n go u ti t sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，p r o p o s i n gt h ee m b e d d e d - b a s e dg p r sa u t o m a t i c m e t e rr e a d i n gs y s t e m , g i v i n gt h es u m m a r yo ft h ep r o s p e c t so ft h i ss y s t e m t h e nb a s e do nt h e r e q u i r e m e n to ft h ep r o j e c tm s e a r c h ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h em i m e dt e c h n o l o g i e s ，s u c ha s e m b e d d e ds y s t e m , e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m , g p r sn e t w o r k , a rma n ds oo n d e s i g n p e r i p h e r a l h a r d w a r ea c c o r d i n gt ot h ed e m a n d ，$ 3 c 2 4 1 0m i c r o p r o c e s s o rh a sd e m a n d i n g m i n i m u m h a r d w a r e r e s o l r c e s u c h 鹊p e r i p h e r a l m e m e r y ，l c d ，k e y b o a r d ，n r f 9 0 5 c o m m u n i c a t i o n , g p r sa n ds oo n u s i n gm u l t i t a s ko p e r a t i n gs y s t e mm a ye f f e c t i v e l yo r g a n i z e a n dh a n d l ep a r a l l e lt a s k s ，s ol i n u xo p e r a t i n gi st r a n s p l a n t e dt ot h e $ 3 c 2 410b o a r d c o n s i d e r i n g t os o f t w a r ed e s i g n , i ta c h i e v e sn r f 9 0 5w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，i n c l u d i n gp r o t o c o l sa n ds p i i n t e r f a c e ，c o m p l e t i n gp r o g r a mo fg p r sd r i v e ra n di n i t i a l i z a t i o no ft h em o d u l e ，p p pp r o t o c o li s u s e dt or e a l i z ep p p d i a l ，c o m p l e t i n gg p r sm o d u l e ，c o n n e c t i n gt ot h ei n t e m e tc o m m u n i c a t i o n s n e t w o r k t h ed e s i g nw o r ko fa u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e me m b e d d e d b a s e dg p r sw h i c hi s r e a l - t i m e ，r e l i a b l ea n df u l l f e a t u r e da l ea c c o m p f i s h e d k e yw o r d s ：a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ；g p r s ；n r f 9 0 5 ；e m b e d d e ds y s t e m 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。学校有权保留送( 提) 交的学位论文，并对学位论文进行二次文献加工供其他读者查阅和借阅；学校可以在网络 上公布学位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学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：中妁驾 匆万 日期：2 卵7 年午月? 罗i a 6 1 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位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的地 方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果。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了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：申妁驾 竺三狮签耋：匀够n 日期：函口9 筝斗日么弓日 1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景及意义 自动抄表( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ，简称a m r ) 是指采用通信、计算机等技术，通 过专用设备对各种仪表( 如水表、电表、气表等) 进行自动采集和处理表计数据【l 】。现代 生活中，电表的抄录和收费，是城市生活的一个大问题。人工入室抄表，扰民不说，还可 能给居民带来不安全因素；对于电力公司来说，派人上门抄表也无形中耗费了大量人力资 源和时间。近年来，信息化社会在逐步改变人们的生活方式与工作习惯的同时，也对一些 传统的理念提出了挑战。随着科技的进步、人民生活水平的提高，远程抄收系统成为小区 “智能化建设 中的一个重要部分。智能化小区具有安全自动化、通信自动化，管理自动 化三大特征。体现智能化小区管理自动化特征的电表的自动抄收作为必备的导入项目之 一。自动抄表改变了以往人工抄表的服务方式，避免了因人工抄表所造成的错抄、漏抄、 估抄、工作效率低、存在安全隐患等弊端，既节省了人力物力，也提高了安全性。 1 2 国内研究状况 抄表系统在中国发展已有1 5 年左右的时间，目前已经广泛应用于物业公司、自来水 公司、煤气公司、供电公司、企业内部、学校宿舍的计量收费管理。1 5 年的时间里，抄 表系统经历了从无到有，规模从小到大，从不可靠到可靠，从单一的方式到多种方式的进 步。逐步由一个时尚的产品演变成为主流的产品，并正在演变成为必需品。 目前，国内普遍采用的自动抄表的三种方式：i c 卡自动抄表、电力载波自动抄表、远 程自动抄表方式 2 1 。 i c 卡自动抄表方式：智能卡自动抄表技术源于国外，它是将用户信息存入卡中，利用 微机技术、i c 卡技术进行数据管理的方法。该方式有着自身的优点：1 ) 采用预付费方式， 避免纠纷。2 ) 无需敷设管线及线路维护。3 ) 限量消费，节约能源。但该方式也有以下很 多的弱点：1 ) 技术不成熟，主要表现在经常出现误报警，如用户i c 卡中尚有足够用量的 情况下，表也会产生报警，并且停止供应。2 ) 利用i c 卡预付费这种方式，造成先买单后 吃饭的问题，缺少人性化，且只适用于散户，不便于集中物业管理。3 ) 用户不能及时了 解自己的消费情况。等等问题。 电力载波方式：是把水表、电表、气表的数据通过采集终端设备将数据调制后，通过 电力线传递，在接收端解调还原成数字信号，在同一台配电变压器供电范围内统一编址， 并由采集器巡回读写的处理方法。优点：利用电力线传输，无需敷设线路节省资源。缺点： 1 ) 电网在传输数据过程中，经常受到无线电信号、电磁信号、脉冲信号的干扰，导致传 输数据错码、丢码。2 ) 家甩电器启动瞬时电压极大，产生许多脉冲信号，这些干扰信号 西安工业大学硕士学位论文 叠加在电网上，造成数据与原表的误差。3 ) 传输距离有限 3 , 4 1 。 远程抄表方式：利用电子技术和传感器技术制造出具有远传功能的智能仪表或是对传 统电表、水表、气表加以改进，使其成为远传仪表，再在室外安装一套计算系统，将每一 个计量表传感器传出的数据送到该表的采集器进行保存、处理，最后通过网络总线与计算 机相连。缺点：1 ) 系统计量准确性低、可靠性差。1 ) 传输距离受限。 1 3 国外研究状况 美国在a r m 技术的发展方面一直都走在前列，于1 9 8 6 年就成立了自动抄表研究协会 a m r a ( a u t o m a t i o n m e t e r r e a d i n g a s s o c i a t i o n ) ，每一年半左右开一次国际性年会，每次 年会都有专题报道，旨在进一步发展和推广a m r 技术。到9 0 年代中期美国的自动抄表技 术应用已成规模，美国匹兹堡市的d u q u e s n e 电灯公耵：1 9 9 8 年已实现在其供电的8 0 0 k i n 2 区域内5 6 6 0 0 0 个电能表上安装自动抄表系统；对西雅图和奥林匹供电的p s e 公司约有1 5 0 万个电能表，1 9 9 9 年已完成8 3 0 0 0 0 单元自动抄表装置的安装。欧盟各国都有自动抄表实施 的报告，例如：英国1 9 9 8 年就已经实现对大约9 万用户的电量进行数据采集；比利时在1 9 9 7 年就已对3 0 0 0 用户自动抄表。此外，拉美和日本也有自动抄表方面的应用【5 , 6 1 。 目前，国外发达国家和地区应用的远程抄表技术，主要有以下三种方式：集中抄表( 电 表出户，集中在楼宇) ；电力载波传输以及f t t b + l a n 传输。但这三种方案都有其自身的 缺陷，如集中抄表只解决了不用入户的问题；电力载波传输的数据传输可靠性较差； f t t b + l a n 传输的缺陷在于投资费用太高，因此普及程度根本达不到远程抄表系统的要 求。 1 4 主要研究内容 课题内容主要分为硬件和软件两大部分，在硬件上主要是基于a r m 平台的嵌入式数 据集中模块的硬件实现，在这一部分涉及到硬件功能设计、g p r s 模块和微处理器的选型 等。在软件上主要是b o o t l o a d e r 和l i n u x 内核的移植，设计g p r s 模块的驱动程序以及针 对协议进行编程，实现数据的通信，以及4 3 3 m h z 频道的短距离无线通信。 全文的结构如下： 第一章：简要分析了当前自动抄表系统国内外的研究现状，论证了设计无线自动抄表 系统的必要性。 第二章：给出了系统的整体结构，基于课题研究的需要，介绍了g p r s 、嵌入式系统、 嵌入式操作系统、a r m 等相关技术。 第三章：各模块的硬件设计，包括n r f 9 0 5 通信电路、g p r s 通信电路、外存储电路、 f l a s h 存储电路、r s - 4 8 5 串口电路、键盘电路和l c d 电路等。 第四章：实现l i n u x 操作系统在$ 3 c 2 4 1 0 板上的移植。对s p i 接口进行设置及编程， 实现n r f 9 0 5 短距离无线通信。g p r s 模块的驱动程序以及针对协议进行编程，实现数据 2 1 绪论 的通信。 第五章：对整个工作进行了总结，并提出对未来的工作展望。 1 5 本章小结 本章首先介绍自动抄表系统的现实意义，分析国内外目前几种自动抄表方式的优缺 点，提出了无线自动抄表系统的方案。即下层采用免费无线频道、上层采用g p r s 无线网 络实现数据传输。 3 西安工业大学硕十学位论文 2 1 系统整体结构 2 系统的整体结构及其关键技术 基于g p r s 无线网络抄表系统主要包括数据采集模块、数据集中模块，监测中心三部 分。数据采集模块安装在各监测点，负责采集相关数据，通过无线通信收发器将数据传送 给集中器模块；集中器模块安装在众多数据采集模块之间的一个合适位置，能够接收采集 模块所采集到的数据，通过g p r s 模块将数据传输给监测中心；远程监测中心设备是带有 网络通信的p c 机。系统结构如图2 1 所示。 2 2g p r s 网络原理 图2 1 系统结构图 2 2 1g p l 峪网络概述 通用分组无线业务( 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 ) 是在现在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、频带、突发结构、跳频规则以及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【丌。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 覆盖。在g s m 系统的基础上构建g p r s 系统时， 主要引入三个主要组件，s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) g p r s 服务支持结点， g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ) g p r s 网关支持结点，p c u 分组控制单元【引。 g p r s 业务，具有接入迅速、永远在线、流量计费等特点，在远程突发性数据实时传 4 詈 2 系统的整体结构及其关键技术 输中有不可比拟的优势，特别适合于频发小数据量的实时传输，因而g p r s 业务在某些行 业上有特殊的应用1 9 1 。 2 2 2g p r s 主要接口及相关协议 g p r s 网络的接口和参考点如图2 2 【l o l 所示。由图2 2 可以看出，g p r s 节点间的连接 接口很多，但在实际应用当中，最关键的是g p r s 无线网络接口u m 、g i 参考点和r 参 考点。g g s n 到外部分组网络是通过g i 参考点连通的，而其他g p r s 网络是通过g p 接 口连通的。m s 端到g p r s 网络有两个接入点，u m 接口用于无线通信接入，而r 参考点 用于信息的产生或接收【1 1 1 。 i ehr ) - - tm t 图2 2g p r s 网络的接口和参考点 接口 喜嘉冀瞽据 信令接口 1 ) 无线网络u m 接口 无线接u m 是移动台( m s ) 与基站( b t s ) 之间的连接接口，g p r s 中接口标准遵循g s m 系统的标准。与g s m 系统相同，在g p r s 系统的空中接口中，一个t d m a 帧分为8 个 时隙，每个时隙发送的信息称为一个”突发脉冲串”( b u r s t ) ，每个t d m a 帧的一个时隙构 成一个物理信道。物理信道被定义成不同的逻辑信道。与g s m 系统不同，在g p r s 系统 中，一个物理信道既可以定义为一个逻辑信道，也可以定义为一个逻辑信道的一部分，即 一个逻辑信道可以由一个或几个物理信道构成。m s 与b t s 之间需要传送大量的用户数 据和控制信令，不同种类的信息由不同的逻辑信道传送，逻辑信道映射到物理信道上。 物理层分为物理i 强层和物理链路层两个子层【1 2 1 。物理i u 层执行物理波形的调制和 解调功能，把物理链路层收到的比特序列调制成波形，或把接收的波形解调成物理链路层 所需要的比特序列。物理链路层提供在m s 和网络之间的物理信道上进行信息传输的服 务。这些功能包括数据单元成帧、数据编码、检测和纠正物理介质上传输错误。物理链路 层使用物理r f 层提供的服务。数据链路层包括r l c 和m a c 两个子层。r l c m a c 层提 供通过g p r s 无线接口传输信息的服务。这些功能包括后向纠错过程。m a c 层提供多个 西安工业大学硕十学位论文 m s 接入共享媒体的方法。r l c m a c 层使用物理链路层提供的服务，并向上层( l l c ) 提供 服务。 2 ) g i 参考点 g i 参考点是g g s n 与外部分组数据网络之间的接口参考点。由于g p r s 可以支持数 据网络，因此g i 参考点不是标准接口。该接口可以采用x 2 5 协议、x 7 5 协议或i p 协议 等接口方式。在疋网络中，子网之间的连接一般通过路由器进行，g g s n 就相当于一个 路由器，子网之间根据需要选择口路由协议。另外，根据i p 协议和网络的基本要求，可 以由运营商在g i 上配置防火墙，进行网络安全性管理；配置域外服务器可进行域外解析； 配置动态地址服务器可进m s 地址的分配；配置r a d i u s 服务器可进行用户接入鉴权等。 在本系统中，中央处理系统是接入i n t e m e t 网络的，所以g p r s 网络可看作是i n t e m e t 网 络上的一个通过一台路由器接入的局域网。处理中心也可以通过g p r s 模块接入g p r s 网，这样g p r s 终端和处理中心通信就好比在局域网内通信，不再使用g i 接口而按成使 用g p 接口州。 3 ) r 参考点 r 参考点是设备终端和移动终端之间的接口参考点，该点将设备和移动相连，在硬件 设计中需要着重考虑。 在工业应用设计中，r 参考点是用户使用a t 指令控制移动终端( m t ) 接入g p r s 网络的一个关键接口，用户附着和激活p d p 上下文是g p r s 系统最常用最基本的系统功 能。移动用户在传送数据时，首先需要建立数据帐户，附着g p r s 网络并登记位置和身份， 然后通过激活p d p 环境申请接入网络，系统根据接入申请信息中的a p n 信息进行处理， 比如通过d h c p 服务器进行用户地址分配及通过r a d i u s 服务器进行用户身份认证等，最 终使合法用户得到i p 地址，这样数据用户就可以在数据传送与接收时拥有独立的i p 地址。 在得到i p 地址后，用户可以建立数据连接，进行数据收发。 其它的接口或参考点说明见表2 1 0 4 1 。 6 2 系统的整体结构及其关键技术 表2 1g p r s 系统结构的接口说明 接口或 参考点 说明 。蚀 s g s n 和b s s 之间的接口，支持用户数据传输和信令传输，基于帧中继网络，提供流量控 ” 制，支持移动性管理和会话管理。 g n 接口 同一p l m n 中的两个g s n 之间的接口。支持用户数据和信令传输，支持移动性管理。 n 蚀n 不同p l m n 中的两个g s n 之间的接口。功能基本与g n 接口一样，并提供边界网关，防 ”p “ 火墙及不同p l m n 之间的互连功能。 g r 接口譬掣与肌r 之间的接口。这g s g n 提供了接入h l r 并获得用户管理数据和位置信息的 s g s n 与m s c v l r 之间的接口，支持它们配合工作，使s g s n 可以向m s c v l r 发送位 g s 接口 置信息，以实现移动性管理，并且可以接收来自m s c v l r 的寻呼消息，提高无线资源使 用效率。 n 位n g g s n 和h l r 之间的接口，是可选接口。通过该接口g g s n 从h l r 中获得m s 的位置， 。驭“ 完成网络发起的p d p 上下文激活。 g r 接口 s g s n 和e i r 之间的接口，用于鉴权m s 的i m e 信息。 g d 接口涨鬻筹黼曼娜j 舢拥脓乩髓溅响螂删燃觥凰以 2 2 3g p r s 传输平台 传输平台由一个分层协议结构组成，如图2 3 所示。其用于用户信息传输以及与此相 关的信息传输中的过程控制( 例如：流量控制、检错、纠错和错误恢复等) 。传输平台通过 底层无线接口和网络子系统( n s s p f 台连接，这种独立性是通过保留g b 接口来实现的。 a p p l i - i - c a t i o n i 工p x 2 5 i p x 2 5 i- r e l 嘭 g t p s l i d c p s m ) c i g t p l l c 切) p u b p t c p l l c - t c p 甩c r e l 日s s g p i p r l c 彳s s g p i p 肌虻 阿络罔络l 2 服务 服务 l 2 l g s 疆i c fg s m 鼯l l b i s l l b i sl 1 l l i 1 ) g p r s 隧道协议( g t p ) 图2 3 传输平台协议结构 7 西安工业大学硕士学位论文 g p r s 骨干网中g s n 间的用户数据和信令利用g t p 进行隧道传输。所有的点对点p d p 协议数据单元( p d u ) 将由g t p 协议进行封装。g t p 是g p r s 骨干网中g s n 节点之间的互 联协议，它是为g n 接1 3 和g p 接口定义的协议。在g s m 0 9 6 0 中对g t p 作了规范。 2 ) t c p 在g p r s 骨干网中需要一个可靠的数据链路( 如x 2 5 ) 进行g y pp d u 的传输时，所用 的传输协议是t c p 协仪。如果不要求一个可靠的数据链路( 如口) ，就使用u d p 协议来承 载g t pp d u 。t c p 提供流量控制功能和防止g t pp d u 丢失或破坏的功能。u d p 提供防 护g t pp d u 受到破坏的功能。 3 ) i p 协议 这是g p r s 骨干网络协议，用以用户数据和控制信令的选路。g p r s 骨干网最初是建 立在m v 4 协议基础上的，随着i p v 6 的广泛使用，g p r s 会最终采用i p v 6 协议。 4 ) 子网相关融合协议( s n a c p ) 这个传输功能将网络级特性映射到底层网络特性中去。它的主要作用是完成传送数据 的分组、打包，确定t c p i p 地址和加密方式。在s n d c 层，移动台和s g s n 之间传送的 数据被分割为一个或多个s n d c 数据包单元。s n d c 数据包单元生成后被放置到l l c 帧 内。 5 ) 逻辑链路控制( l l c ) l l c 是一种基于高速数据链路规程h d l c 的无线链路协议，能够提供高可靠的加密 逻辑链路。l l c 层负责从高层s n d c 层的s n d c 数据单元上形成l l c 地址、帧字段，从 而生成完整的l l c 帧。另外，l l c 可以实现一点对多点的寻址和数据帧的重发控制。l l c 独立于底层无线接口协议，这是为了在引入其他可选择的g p r s 无线解决方案时，对网络 子系统n s s 的改动程度最小。 6 ) 中继转发( r e l a y ) 在b s s 中，这项功能中继转发u r n 和g b 接口间的l l cp d u ，在s g s n n 中，这项 功能是转发g b 和g n 接口间的p d pp d u 。 7 ) g p r s 基站系统协议( b s s g p ) 这个层用来传输在b s s 和s g s n 之间与选路服务质量有关的信息。b s s g p 没有纠错 功能。 8 ) 网络服务( n s ) 这个层传输b s s g pp d u 。n s 以b s s 和s g s n 之间的帧中继连接为基础，而且有多 跳功能，并能横贯有帧中继交换节点的网络。 9 ) 无线链路控制( r l c ) 介质访问控制( m a c ) 这个层具有两个功能：一是无线链路控制功能，它能提供一条独立于无线解决方案的 可靠链路。二是介质访问控制功能，它的主要作用是定义和分配空中接口的g p r s 逻辑信 8 2 系统的整体结构及其关键技术 道，使得这些信道能被不同的移动台共享。m a c 除了控制着信令传输所用无线信道外， 还将l l c 帧映射到g s m 物理信道中去。 l o ) g s mr f u m 接口的物理层为射频接口部分，而逻辑链路层则负责提供空中接口的各种逻辑信 道。g s m 空中接口的载频带宽为2 0 0 k h z ，一个载频分为8 个物理信道。如果8 个物理信 道都分配为传送g p r s 数据，则原始数据速率可达2 0 0 k b i t s 。考虑前向纠错码的开销，最 终的数据速率可达6 4 k b i t s 左右。 2 3 嵌入式系统概述 2 3 1 嵌入式系统定义及特点 嵌入式系统被定义为：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。嵌入式系统 是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物， 这一点就决定了他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。 嵌入式计算机的外部设备中就包含了多个嵌入式微处理器，如键盘、硬盘、显示器、网卡、 声卡等均是由嵌入式处理器控制的。 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点【1 6 】： 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用，嵌入式c p u 与通用型的最大不同就是嵌入式 c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高 等特点，能够把通用c p u 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，移动能力大大增强，跟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、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应 用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、高度分散、不断创新的知识 集成系统。 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，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，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。 4 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进 行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 5 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片 或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 6 ) 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是不能对其 中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 2 3 2 嵌入式系统的结构 嵌入式系统的结构包括硬件环境、嵌入式操作系统、嵌入式应用程序。 9 西安工业大学硕士学位论文 硬件环境是整个嵌入式操作系统和应用程序运行的硬件平台，不同的应用通常有不同 的硬件环境。硬件平台的多样性是嵌入式系统的一个主要特点。 嵌入式操作系统，完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能。具有内核比较精简、 可配置、与高层应用紧密关联等特点 1 7 , i s 】。嵌入式操作系统具有相对不变性。 嵌入式应用程序，运行于操作系统之上，利用操作系统提供的机制完成特定功能的嵌 入式应用。不同的系统需要设计不同的嵌入式应用程序。 2 3 3 操作系统概述 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统的重要 组成部分。嵌入时操作系统具有通用操作系统的基本特点，能够有效管理复杂的系统资源， 并且把硬件虚拟化。 从应用角度可分为通用型嵌入式操作系统和专用型嵌入式操作系统。常见的通用型嵌 入式操作系统有l i n u x 、v x w o r k s 、w i n d o w sc e n e t 等。常用的专用型嵌入式操作系统有 s m a r tp h o n e 、p o c k e tp c 、s y m b i a n 等。 几种常用的嵌入式操作系统的比较： 1 ) v x w o r k s v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种嵌入式实时操作 系统( r t o s ) ，是t o r n a d o 嵌入式开发环境的关键组成部分。良好的持续发展能力、高 性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域逐渐占据一席之地。 v x w o r k s 具有可裁剪微内核结构；高效的任务管理；灵活的任务间通讯；微秒级的 中断处理；支持p o s i x1 0 0 3 1 b 实时扩展标准；支持多种物理介质及标准的、完整的t c p f i p 网络协议等。 然而其价格昂贵。由于操作系统本身以及开发环境都是专有的，价格一般都比较高， 通常需花费1 0 万元人民币以上才能建起一个可用的开发环境，对每一个应用一般还要另 外收取版税。一般不通供源代码，只提供二进制代码。由于它们都是专用操作系统，需要 专门的技术人员掌握开发技术和维护，所以软件的开发和维护成本都非常高。支持的硬件 数量有限。 2 ) w i n d o w sc e w i n d o w sc e 与w i n d o w s 系列有较好的兼容性，无疑是w i n d o w sc e 推广的一大优势。 其中w i n c e 3 0 是一种针对小容量、移动式、智能化、3 2 位、了解设备的模块化实时嵌入 式操作系统。为建立针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富 的操作系统平台，它能在多种处理器体系结构上运行，并且通常适用于那些对内存占用空 间具有一定限制的设备。它是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多 任务的操作系统。它的模块化设计允许它对从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设 备进行定制。操作系统的基本内核需要至少2 0 0 k b 的r o m 。由于嵌入式产品的体积、成 本等方面有较严格的要求，所以处理器部分占用空间应尽可能的小。系统的可用内存和外 1 0 2 系统的整体结构及其关键技术 存数量也要受限制，而嵌入式操作系统就运行在有限的内存( 一般在r o m 或快闪存储器) 中，因此就对操作系统的规模、效率等提出了较高的要求。从技术角度上讲，w i n d o w sc e 作为嵌入式操作系统有很多的缺陷：没有开放源代码，使应用开发人员很难实现产品的定 制；在效率、功耗方面的表现并不出色，而且和w i n d o w s 一样占用过多的系统内存，运 用程序庞大；版权许可费也是厂商不得不考虑的因素。 3 ) 嵌入式l i n u x 这是嵌入式操作系统的一个新成员，其最大的特点是源代码公开并且遵循g p l 协议， 在近一年多以来成为研究热点，据i d g 预测嵌入式l i n u x 将占未来两年的嵌入式操作系 统份额的5 0 。 由于其源代码公开，人们可以任意修改，以满足自己的应用，并且查错也很容易。遵 从g p l ，无须为每例应用交纳许可证费。有大量的应用软件可用。其中大部分都遵从g p l ， 是开放源代码和免费的。可以稍加修改后应用于用户自己的系统。有大量的免费的优秀 的开发工具，且都遵从g p l ，是开放源代码的。有庞大的开发人员群体。无需专门的人 才，只要懂u n i x l i n u x 和c 语言即可。随着l i n u x 在中国的普及，这类人才越来越多。 所以软件的开发和维护成本很低。优秀的网络功能，这在i n t e m e t 时代尤其重要。稳定 这是l i n u x 本身具备的一个很大优点。内核精悍，运行所需资源少，十分适合嵌入式应用。 支持的硬件数量庞大。嵌入式l i n u x 和普通l i n u x 并无本质区别，p c 上用到的硬件 嵌入式l i n u x 几乎都支持。而且各种硬件的驱动程序源代码都可以得到，为用户编写自己 专有硬件的驱动程序带来很大方便。 在嵌入式系统上运行l i n u x 的一个缺点是l i n u x 体系提供实时性能需要添加实时软件 模块。而这些模块运行的内核空间正是操作系统实现调度策略、硬件中断异常和执行程序 的部分。由于这些实时软件模块是在内核空间运行的，因此代码错误可能会破坏操作系统 从而影响整个系统的可靠性，这对于实时应用将是一个非常严重的弱点。 4 ) 1 1c o s i i l ac o s i i 是著名的源代码公开的实时内核，是专为嵌入式应用设计的，可用于8 位， 1 6 位和3 2 位单片机或数字信号处理器( d s p ) 。它是在原版本uc o s 的基础上做了重大 改进与升级，并有了近十年的使用实践，有许多成功应用该实时内核的实例。它的主要特 点如下： 公开源代码，容易就能把操作系统移植到各个不同的硬件平台上； 可移植性，绝大部分源代码是用c 语言写的，便于移植到其他微处理器上； 可固化； 可裁剪性，有选择的使用需要的系统服务，以减少所需的存储空间； 占先式，完全是占先式的实时内核，即总在运行就绪条件下优先级最高的任务； 多任务，可管理6 4 个任务，任务的优先级必须是不同的，不支持时间片轮转调度法； 可确定性，函数调用与服务的执行时间具有其可确定性，不依赖于任务的多少； 西安工业大学硕士学位论文 实用性和可靠性，成功应用该实时内核的实例，是其实用性和可靠性的最好证据。 由于l ac o s i i 仅是一个实时内核，这就意味着它不像其他实时系统那样，提供给用 户的只是一些a p i 函数接口，还有很多工作需要用户自己去完成。 2 4 a r m 简介 a r m ( a d v a n c e d 融s cm a c h i n e s ) 是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性 能、廉价、耗能低的r i s c 处理器、相关技术及软件【1 9 】。技术具有性能高、成本低和能耗 少的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费类多媒体、d s p 和移动式应用等。 a r m 将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和o e m 厂商，每个厂商得到 的都是一套独一无二的a r m 相关技术及服务。利用这种合伙关系，a r m 很快成为许多 全球性r i s c 标准的缔造者。 2 4 1a r m 体系结构 a r m 处理器是第一个为商业用途而开发的r i s c 微处理器。a r m 所采用的体系结构， 对于当时的r s c 体系结构既有继承，又有抛弃，即完全根据实际设计的需要仔细研究， 没有机械照搬。a r m 的体系结构中采用了若干b e r k e l e yr i s c 处理器设计的特征，但也 放弃了其他若干特征。这些采用的特征有：l o a d s t o r e 体系结构、固定的3 2 位指令、地 址指令格式。在b e r k e l e yr i s c 设计采用的特征中被a r m 设计者放弃的r i s c 的技术特 征有寄存器窗i s l t 2 0 1 。 在早期的r i s c 中，由于b e r k e l e y 原型机中包含了寄存器窗口，使得寄存器窗口的机 制密切地伴随着r i s c 的概念，成为一般r i s c 的一大特征。b e r k e l e yr i s c 处理器的寄存 器堆中使用寄存器窗口，使得任何时候总有3 2 个寄存器是可见的。进程进入和退出都访 问新的一组寄存器，因此减少了因寄存器保存和恢复导致的处理器和存储器之间的数据拥 塞和时间