（计算机应用技术专业论文）基于无线传感网络的家庭安防系统.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着生活水平的提高和科技的发展，人们对家居的要求的越来越高，做为 智能家居的一个重要组成部分，家庭安防已经受到人们普遍的重视，但是目前 的解决大多存在一定的不足，难以达到人们对安全、方便、舒适的要求，本设 计采用高性能的嵌入式a r m 处理器做为监控平台，搭配低功耗的无线z i g b e e 模块构建了一个多功能的无线家庭安防系统。 本文首先分析了家庭系统的需求，利用实验室提供的$ 3 c 2 4 1 0 核心板制作 了基于$ 3 c 2 4 1 0 处理器的嵌入式硬件监控平台，考虑到人机交互和网络在家庭 系统的重要性，监控平台主要包括了网卡、l c d 、u s b 等外围设备，使用p r o t e l d x p 绘制原理图和p c b ，在硬件平台焊接、调试成功后，开始搭建嵌入式开发 环境，包括建立交叉编译环境、移植b o o t l o a d e r 、配置内核、根文件系统等。 接着开始完成硬件平台上的相关应用程序，为了用户在家里和远程观察家 庭各个部分的信息如温度、气体、门窗等，应用程序主要包括两个部分，第一 是l c d 显示，分析了l c d 的工作原理，编写了基于l i n u x 下l c d 驱动程序， 和应用程序；第二编是视频监控部分，通过u s b 口连接基于o v 5 1 1 芯片组的 摄像头实现了视频的采集程序，把视频数据压缩成j p e g 文件，可以保存到磁 盘上，然后通过s o c k e t 编程实现了视频数据的传输，并在p c 端使用v c + + 6 0 编写了视频显示界面，使用户可以远程监控和存储图片。 最后分析了z i g b e e 无线模块在家庭网络中的应用，简述了z i g b e e 协议栈 的结构和各个层次的功能，完成了简单的传感器信息的采集，并通过串口编程 在监控平台接收，处理信息后通过g p r s 发送给用户的手机上。 关键词：嵌入式系统；z ig b e e ：l c d ；视频采集；j p e g ；s o c k e t 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y , p e o p l eh a v e i n c r e a s i n g l yr e q u i r e m e n tt ot h eh o m el i f e ，a s a l li m p o r t a n tp a r to ft h ei n t e l l i g e n t h o m e ，t h ef a m i l ys e c u r i t yh a sb e e no b s e r v e dw i d e l ya t t e n t i o n ，b u tt h e r ea r es t i l l s o m ed e f a u l t si nt h ec u r r e n ts o l u t i o n s ，t h e r ea r es o m ed i f f i c u l tt om e e t i n gp e o p l e s s a f e t y ，c o n v e n i e n c ea n dc o m f o r tr e q u i r e m e n t s t h ed e s i g na d o p t sh i g h p e r f o r m a n c e e m b e d d e da r m p r o c e s s o ra s am o n i t o r i n gp l a t f o r m ，w i t hl o w - p o w e rw i r e l e s s z i g b e em o d u l eb u i l dam u l t i p u r p o s ew i r e l e s sh o m es e c u r i t ys y s t e m s f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y s i sn e e d so ft h ef a m i l ys y s t e m ，m a k i n gt h eu s eo f l a b o r a t o r y - p r o d u c e d $ 3 c 2 4 1 0b o a r d sa c h i e v ee m b e d d e dh a r d w a r ep l a t f o r m w h i c h w a sb a s e do n $ 3 c 2 4 1 0p r o c e s s o r , t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ei m p o r t a n c eo ft h e h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o na n dn e t w o r k i n gi nt h ef a m i l ys y s t e m ，t h ep l a t f o r m i n c l u d e sn e tc a r & l c d ，u s b ，a n do t h e rp e r i p h e r a l e q u i p m e n t ，t h e n d r a w n s c h e m a t i ca n dp c bw i t hp r o t e ld x p ，a f t e rt h e w e l d i n g ，d e b u g g i n g ，s t r u c t u r e s e 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 t ，i n c l u d i n gt h ee s t a b l i s h m e n to fc r o s s - c o m p i l e r e n v i r o n m e n t ，t r a n s p l a n tb o o t l o a d e r , c o n f i g u r i n gl i n u xc o r e ，r o o tf i l es y s t e m t h e nc o m p l e t et h er e l e v a n ta p p l i c a t i o n so ft h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，i no r d e rt o o b s e r v et h ev a r i o u sp a r t so ft h ef a m i l yi n f o r m a t i o ns u c ha st e m p e r a t u r e ，g a sf o ru s e r , a p p l i c a t i o n s i n c l u d et w op a r t s ，t h ef i r s ti sl c dd i s p l a y , a n a l y s i st h ew o r k i n g p r i n c i p l eo ft h el c d ，p r o g r a ml c dd r i v e r su n d e rt h el i n u x ，a n da p p l i c a t i o n p r o c e d u r e s ；t h es e c o n di sv i d e os u r v e i l l a n c e ，c o m p l e t ev i d e oc o l l e c t i o nv i at h eu s b 6 0 n n e c t e dt h ec a m e r ab a s e do n0 v 5 1 1 ，c o m p r e s s i o nt h ev i d e od a t a ，t h ej p e gf i l e s c a nb es a v e do nd i s k ，t r a n s m i tt h ev i d e od a t at h r o u g hs o c k e tp r o g r a m m i n g ，a n d c o m p l e t et h ed i s p l a yi n t e r f a c ew i t hv c + + 6 0i nt h ep c ，s ot h a tu s e r s c a n m o n i t o r i n ga n ds t o r a g ep i c t u r er e m o t e l y f i n a l l y , t h ep a p e ra n a l y s i st h ea p p l i c a t i o no ft h ez i g b e ew i r e l e s sm o d u l ei n t h eh o m en e t w o r k i n g ，d e p i c t i o nt h es t r u c t u r ea n df u n c t i o na ta l ll e v e l so ft h ez i g b e e p r o t o c o ls t a c k , c o m p l e t e a s i m p l e s e n s o ri n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n , a n ds e n d i n f o r m a t i o nt h r o u g ht h es e r i a lp o r tp r o g r a m m i n gt om o n i t o r i n gp l a t f o r m k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m s ：z i g b e e ：l c d ：v i d e oc o ii e c t i o n ：j p e g ；s o c k e t 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 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，同意学校 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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密曰，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 指导老师签名：彳勿玉武 日期：一q 厂占f ( 夕 屯 名 ， 劐 利，作 | ；吵 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，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 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 随着科学的发展、技术的进步和人们生活水平的不断提高，促使人们在 家庭住宅的观念上逐步发生变化，先进的新型高科技产品悄然无声地进入现 代家庭之中，人们的日常生活不断步入全新时代。科学技术给人们带来了巨 大效益。然而，伴随着高科技产品的应用【l j ，相应地也带来了一系列不安全 因素，如煤气管道、热水器、家用桑那房的使用以及其他许多大容量的家用 电器的使用，都明显地增加了发生火灾的可能性、触电的不安全性以及煤气 中毒、爆炸的危险等；社会上还有不法分子在活动，行凶、盗窃等违法犯罪 活动还时有发生，严重地扰乱了人们正常的生活，给社会带来不安定因素。 人们不仅需要宽敞、豪华的住宅，同时也希望有一个安全、便利的生活空间， 因此，作为智能小区控制系统重要组成部分的家庭安防系统的研究就更具有 迫切意义了1 2 1 。 1 1 国内外智能家居安防现状 经过多年的发展，智能小区家居智能化系统越来越成熟，功能越来越完 善，安防报警系统已成为智能小区家居智能化重要组成部分。因此必须建立 一个稳定、可靠、易操作的安防报警系统。稳定、可靠是指有警必报，无警 不会误报。易操作是指家庭成员可以对一些防盗点进行方便的撤布防操作。 要达到稳定、可靠，必须做好硬件和软件设计，要达到易操作必须在设计观 念上有所突破i 删。 1 1 1 国外研究现状 自从世界上第一幢智能建筑1 9 8 4 年在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、 澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。 智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用。1 9 9 8 年5 月新加 坡举办的“9 8 亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上，通过在场内模拟 “未来之家，推出了新加坡模式的家庭智能化系统。它的系统功能包括三表 抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、 有线电视接入、电话接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布 线箱、宽带网接入和统软件配置等，这种“未来之家”家庭智能化系统，市 场真正启动尚需时日。目前在新加坡也有近3 0 个社区( 住宅小区) 近5 0 0 0 户 的家庭采用了“家庭智能化系统 ，美国已有近四万户家庭安装了这一类的“家 庭智能化系统，将会有更多的住宅安装上这一类高科技智能化系统产品。目 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 前美国有一种占据市场主流的产品x 1 0 ，销售已超过1 亿个，设计户型为单 体别墅，应用多为旧房改造，仅在美国便有超过4 0 0 万个家庭在使用，但这 些产品技术限制较多，并不适合在我国原样照搬使用应用。 三星公司从今年春节后，开始在中、韩两国同时推出其智能家居系统， 通过机顶盒和网络，将家居自动化控制、信息家电、安防设备以及娱乐和信 息中心这四部分集成一个全面的，面向宽带互联网的家居控制网络。根据美 国该行业的专业顾问公司p a r k s 的统计资料显示，1 9 9 5 年美国一个家庭要 安装家庭自动化设备的平均费用在7 0 0 0 至9 0 0 0 美元之间。1 9 9 5 年美国家庭 已使用先进家庭自动化设备的比率为o 3 3 ，看来市场真正启动尚需时日。 预计这五年内，家庭自动化的市场年平均增长率为8 。p a r k s 公司的资料 亦显示，到2 0 0 4 年家庭网络市场总额可达5 7 亿美元。由于智能家居的诱人 前景和巨大市场，尽管国外市场真正启动也尚需时日，但并未能阻止企业去 争食智能家居市场。虽然每家公司的策略各不相同，但它们都坚持同样的信 念：山那边遍地是金。i b m 公司的迈克尔凯罗斯克说：“这是个不容i b m 公 司忽视的市场机会“，在网络经济时代的大潮中，智能社区的安防建设显得 越来越重要，国外的许多大公司已进入到该领域中。i b m 公司与建筑商合作， 为用户提供装备先进的安防系统的智能化住宅。美国联邦政府和以i b m ， a t & t 等大型r r 企业为首，投资4 0 0 0 亿美元，为全国5 0 0 万个小区和9 0 0 0 万个家庭提供全面的小区和家庭的安全防护和信息服务【5 1 。 1 1 2 国内研究现状 近两年来，安防行业又有了进一步的发展。在我国已加入r i 0 的形势一 下，积极探讨安防行业的发展问题，对于维护社会治安稳定，促进经济的繁 荣，保障人民生活的幸福，具有非常重要而深远的意义。 我国安防行业是随着社会主义市场经济的发展而逐步成长起来的，改革 开放以来，在国民经济迅速发展，人民生活水平日益提高的推动下，安防行 业出现了一个蓬勃发展的势头。尤其九五期间，我国住宅产业异军突起，极 大地促进了安防行业扩大产业规模。1 9 9 8 年起年产值近1 0 亿元的大型安防 企业集团土市公司不断涌现。迄今，己有专营或兼营的从业单位数干家，产 品种类发展到1 0 余类，1 0 0 多个品种，从业人员数万人。1 9 9 9 年初，统计部 门针对7 类安防产品生产企业进行3 步统计，其中入侵探测器1 3 家，防盗报 警控制器7 4 家，汽车防盗报警器2 2 家，楼宇对讲1 0 4 家，防盗安全门1 3 6 6 家，防盗保险柜2 4 5 家，机械防盗锁4 2 家，其它类1 2 4 家。象盼盼、美心、 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 视得安、立林等品牌企业的市场份额不断扩大，从一定程度上改变了我国安 防产业的小而全的落后局面，激发了安防行业的活力。最近几年统计数字显 示：中国安防产品行业平均以1 5 一3 0 的年增长率迅速成长【7 1 。 目前，安防产品在市场结构方面呈现三个特点：第一是地区分布不均衡。 北京、上海、江苏、浙江、广东和山东六个省市的安防企业占4 3 左右。第 二是安防产品差别程度不大，国内安防产品企业，生产同类产品的差异性不 大。这意味着产品容易替代，垄断程度低。第三是在市场进入障碍上呈现弱 势。安防产品是境外企业争相进入的热点，进入障碍的高低，影响着市场内 已有企业优势的大小。境外安防产品的成熟程度比中国至少早2 0 一3 0 年，就 电视监控设备而言，在中国市场上日本产品占有率为4 5 ，美国产品2 5 ，台 湾产品2 0 。安防产品在市场方面特点：第一是价格竞争不力。由于卖方众 多，市场透明度较差，价格定位使企业间相互受到制约，形成了国外产品价 位高出国内产品的1 - 3 倍的局面。第二是产品开发不平衡。在1 9 0 0 多家企业 生户的7 类产品中，防盗类的企业占6 5 ，而入侵探测器企业只占0 5 。第 三是产品销售不畅。销售组织在围绕扩大市场份额，增加利润，为企业开辟 渠道，建立大规模的销售及其信息网络方面，受到现有企业规模、外来经营 产品和企业类型等因素的多方面影响1 8 。1 。 1 2 本设计的主要内容、目标和实现方法 本设计的家庭无线传感器网络采用z i g b e e 技术，是一种近年来才兴起的 无线网络通信技术标准，成本低，功耗低是其突出优势。其网络容量大，数 据交换量小，传输速率要求不高。在通信时，它的连接时间短，可以大大减 少通信数据碰撞的概率。在网络安全方面，它对所传输的数据信息进行加密 处理，安全性高。因此，它完全满足家庭传感器组网的要求。 本系统包括嵌入式监控平台和z i g b e e 网络两个部分，系统结构框图如图 1 - 1 所示，下面分别对两个部分进行介绍： 1 、z i g b e e 网络模块：z i g b e e 网络模块分为主节点和设备节点两个部分， 其中设备节点可以摆放在门、窗、厨房等位置，通过挂载红外传感器、气体 传感器、门磁开关传感器、温度传感器等来采集家庭信息，如果发生盗贼侵 入、有毒气体、火灾等情况，设备节点采集信息并通过无线方式发送到主节 点；主节点的作用是建立网络并为设备分配网络地址等，并把接收到的设备 节点信息通过串口1 发送到a r m 监控平台，由监控平台处理； 2 、a r m 监控平台：监控平台接收z i g b e e 主节点信息，如果发现异常情 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 况，监控平台可以通过串口0 连接的g p r s 模块发送报警短信或者拨打报警 电话进行报警，也可以启动蜂鸣器报警；同时监控平台带有u s b 接口可以连 接摄像头，负责家庭视频信息采集和发送，如果家里有老弱病残等，用户可 以在远程开启客户端，监控家庭里的情况，监控平台的l c d 模块可以实时显 示家庭信息，方便用户在家庭内查看家里各个位置的信息。 红外传感器 l i z 日b e e 设备节点 温度传感器 l l z k j b e e 设备节点 i 气体堡感器 l lz k j b e e 设备节点l 陋 同 i 一 图1 - 1 系统结构框图 由以上的分析，本论文共分为6 章，各个章节的主要内容如下： 1 、分析家庭安防系统各个模块的主要功能，做需求分析为建立硬件平台 做准备； 2 、使用p r o t e ld x p 软件制作$ 3 c 2 4 1 0 硬件监控平台，包括画原理图和 p c b ，并焊接、调试硬件的各个模块； 3 、搭建嵌入式开发环境、移植u b o o t 、编译内核等； 4 、分析l c d 的工作原理，编写l i n u x 下的l c d 驱动程序和应用程序： 5 、编写l i n u x 下视频采集、压缩和传输程序，在p c 端接收显示； 6 、分析z i g b e 圯协议栈，实现z i g b e e 采集温度，串口接收程序，监控平 台控制g p r s 收发程序； 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章监控平台硬件设计 硬件p c b $ i j 作使用的是澳大利亚a l t i u m ( 奥腾) 公司的基于w i n d o w s 2 0 0 0 和w i n d o w sx p 操作系统的e d a 设计软件p r o t e ld x p , p r o t e ld x p 是著名电子 线路设计软件p r o t e l 的最新版本，是一个完全一体化的电子产品开发系统， 它将设计流程、集成化p c b 设计、可编程逻辑器件和基于处理器设计的嵌入 式软件开发功能整合在一起，是目前使用最广泛的e d a 软件之一【1 2 】。 本设计硬件平台由a r m $ 3 c 2 4 1 0 核心板和底板构成，$ 3 c 2 4 1 0 核心板 由处理器、r a m 、f l a s h 、晶振等构成，并预留了丰富的接口例如总线接口、以 太网接口、u s b 接口等；底板包括u s b 口、网口、l c d 、串口等外围电路， 这些外围电路满足了家庭安防的需要，各个部分的电路原理图和在系统中的 作用后面会详细叙述，硬件总体框图如图2 - 1 所示【”j 。 图2 - 1 控制平台硬件框图 2 1 $ 3 0 2 4 10 核心板 设计中的核心板由我们实验室提供6 层板，核心板主要包括了a r m 9 2 0 t 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 内核、f l a s h 和r a m 等，下面主要介绍a r m 处理器的一些性能和结构。 2 1 1a r m 处理器介绍 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ，高级精简指令系统处理器) ，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。a r m 公司主要出售芯片设计技术的授权，提供微处理器知 识产权( i p ) 核，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 处理器核及其技术，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 微处理器芯片进入市场。例如：我国的中兴集成电路、大 唐电讯，以及国外的一些公司如p h i l i p s 、i n t e l 、s a m s u n g 等都推出了自己设 计的基于a r m 核的处理器。本文用到的芯片就是s a m s u n g 公司基于a r m 9 核设计的$ 3 c 2 4 1 0 x 处理器1 1 4 j 。 嵌入式系统的高速发展极大地推动了a r m 嵌入式微处理器的发展。 r i s c 以其硬件结构单纯、成本低、省电良好的优良特性受到了嵌入式系统的 青睐，尤其是3 2 位r i s c 处理器，而a r m 正是3 2 位r i s c 微处理器。a r m 体系结构的字长为3 2 位，它们都支持b y t e ( 8 位) 、h a l f w o r d ( 1 6 位) 和w o r d ( 3 2 位) 3 种数据类型。a r m 微处理器采用r i s c 架构，在此基础上发展了自己特 有的性能： 体积小、低功耗、低成本、高性能； 支持t h u m b ( 1 6 位) 触m ( 3 2 位) 双指令集，能b 很z 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； l o a d s t o r e 的体系结构在内存和寄存器之间传递数据； 寻址方式灵活简单，执行效率高； 指令长度固定。 所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令 的执行效率； 可用加载存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率； 可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理； 在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率； 在每条数据处理指令当中，都控制算术逻辑单元( 6 叫) 和移位器，使 a l u 和移位器获得最大的利用率： 自动递增和自动递减的寻址模式，以优化程序中的循环； 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 同时l o a d 和s t o r e 多条指令，以增加数据吞吐量； 2 1 2s 3 c 2 4 10 微处理器 核心板采用a r m 9 2 0 t 内核的$ 3 c 2 4 1 0 微处理器，$ 3 c 2 4 1 0 微处理器是 一款基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位的r i s c 嵌入式微处理器，主要面向手持 设备，以及高性价比、低功耗的应用，在包含a r m 9 2 0 t 内核的同时，增加 了丰富的外围资源1 1 5 。，其内部结构框图如图2 2 所示。 液晶控制器 圈 总线控制仲裁 j s b 主机控制器 a 器 中断控制器 h n a n d p , ；i 强 b 总 卜 电源管理 制器 线 存储器控制器 3 个串行口 1 2 c 总线 u s b 设备接口 a 卜 通用i o 口 p b 看 1 狗定时器 k 总 器 实时时钟 线 总线仲裁器 器 加 图2 - 2 $ 3 c 2 4 1 0 内部结构框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 主要的片内外围模块包括： 1 个l c d 控制器，支持s t n 和t 阿液晶显示屏； 外部存储器管理( s d r a m 控制器和芯片选择逻辑) ； 3 个通道的u a r t ； 4 个通道的d m a ，支持存储器和i o 之间的传输； 8 通道的1 0 位a d c ； 触摸屏接口； 、 i i s 总线接口； 、 2 个u s b 主机口，1 个u s b 设备口； 2 个s p i 接口； s d 卡接口和m m c 卡接口； 电源管理： 1 1 7 通用i o 口和2 4 位外部中断源； 1 6 位看门狗定时器； 片内p p l 时钟发生器； 1 8 v 内核供电，3 3 v 外部i o 供电。 2 2 底板电路设计 2 2 1l c d 接口电路硬件设计 根据家庭安防系统功能，本设计一款实际应用较多的1 2 8 6 4 点振型黑 白l c d 进行人机交互图形界面【1 6 1 ，不同厂家的产品通常会以x x x l 2 8 6 4 命 名，前面的x x x 为不同厂家的自编符号，点阵型液晶显示模块由1 2 8 x 6 4 点阵l c d 、背光源、i c 及p c b 板组成，其中背光源的作用是使l c d 模块可 在黑暗条件下使用，还能在普通条件下大大提高对比度，模块内含4 个l c 电路，分别控制左屏，右屏，控制行，和电源等其他工作。 1 2 8 6 4 液晶显示屏共1 2 8x6 4 点阵，即每行显示1 2 8 个点，每列显示6 4 个点，此种型号的液晶屏以中间间隔平均分为左屏和右屏分别进行显示，即 左屏6 4 6 4 点阵，右屏也是6 4 6 4 点阵，而且各自以独立的片选信号控制 选择。显示屏上的数据由显示数据随机存储器d d r a m 提供，d d r a m 每字 节中的每1 个b i t ，对应显示屏的1 个点。b i t 值为1 ，对应点显示，反之不显 示。 、 d d r a m 与显示屏的对应位置如图2 3 所示。每半屏显示数据共有5 1 2 字节的d d r a m ，分为8 个页来管理，这些页对应显示屏从上到下编号为0 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页： 7 页，每页6 4 字节，涵盖了半边显示屏的6 4 行6 4 列8 b i t 点阵数据。向 显示屏写数据实际上是向d d r a m 中写数据，d d r a m 地o 页和第0 列中的 字节数据唯一对应显示屏一行的8 个显示点。例如，向d d r a m 中第0 页的 第0 列写入数据1 0 0 0 0 0 1 0 b ，则显示屏左上角第o 列的8 个显示点中只有从 上到下的第2 和第8 个点显示。不同页和不同列d d r a m 的寻址，通过左半 屏和右半屏各自的页地址计数器和列地址计数器实现，因此对d d r a m 写显 示数据前，要先设置页地址和列地址。 3 f h 3 f h 第0 页 第 0 列 第 2 列 o o o 一_ q _ l l - o - 一。 o00o0oo ooooooo o d d r a m 第7 页 o o 左半屏 0 0 o oo oo oo 0 0 oo oo oo oo oo oo 0o oo oo oo oo oo oo z 。 暑三 。 oo 第 6 3 列 ooooo 0ooo0 ooooo 0oooo ooo0o o0ooo o0ooo ooo0o 图2 - 3 内部r a m 与显示屏对应关系 液晶显示器的主要编程部件如下： 1 、显示存储器d d r a m ：左右各5 1 2 字节，分成8 个页，其中每个页 6 4 个字节； 2 、页地址计数器：有效数据位3 位，用于选择0 - - - 7 页之一，需要左屏 和右屏分别设置，在d d r a m 读写过程中，值不变； 3 、列地址计数器：有效数据位6 位，之后在d d r a m 读写过程中，值 会自动增加1 ； 4 、行地址计数器：有效位6 位，用于对显示电路进行行同步测试时提供 起始行号并启动测试； o o 9 0 o 0 0 o 0 o o d o o o o 苫。骘 oo 0 o o 0 o o 0 0 0 o 0 0 0 o 0 0 0 o 0 o 0 0 0 o 0 o 0 0 o o 0 0 o o 0 0 o o 0 o 0 o o o o o 0 o o o 0 o o o o 0 o o 0 o o 0 0 0 o o 0 0 o o 0 o o o o 0 o 0 o o o o 0 0 o 0 0 o o 0 o o o 0 o o o o o 0 0 o o o 0 0 o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 5 、状态寄存器：有效数据位3 位，用于记录“忙 信号标志位( b f ) 、 复位标志位( r s t ) 。 液晶显示器的引脚相对简单，共有2 0 个引脚，包括8 位双向数据线，6 条控制线，及电源线，具体引脚功能如表2 - 1 所示。 表2 1 引脚功能 管脚号管脚电平功能 1v s s o v电源地 2v d d5 0 v逻辑电源 3应用时在v e e 和v 0 之间加一 个2 k 电阻 4d 仃h l数据、指令选择 5删h l 读、写选择 6e总片选，高电平有效 7 - 1 4d bh l 数据输入输出引脚 1 5c s lh l片选，低电平选择前6 4 列 1 6c s 2h l片选，低电平选择后6 4 列 1 7r s t肌 复位信号 1 8 v e e 1 0 vl c d 驱动电源 1 9b l+ 5 v背光电源 2 0 b l+ 5 v 背光电源 由表可以得出1 2 8 6 4 与$ 3 c 2 4 1 0 的连接图，其中片选采用a 3 、a 4 、a 5 三根地址线分别对应d i 、c s l 、c s 2 ，总片选使用n g c s 2 ，数据线使用低8 位数据线，7 4 h c 0 2 是或非门，7 4 h c 0 4 是反相器，原理图如图2 - 4 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 图2 - 4 l c d 电路原理图 由此得到电路的各个口地址，如表2 2 所示。 表2 - 2 电路的各个口地址 操作a 6a 5 a 4最终的口地址 向左屏写指令 1 000 x l o 0 0 0 0 4 0 向右屏写指令o100 x 1 0 0 00 0 2 0 读写左屏数据l010 x l 0 0 00 0 5 0 读写右屏数据0110 x l 0 0 00 0 3 0 读状态寄存器 0o0 0 x l o o o0 0 0 0 2 2 2 系统电源电路 电路板中，核心板需要3 3 v 电源，底板除l c d 外需要3 3 v 电源，l c d 需要5 v 电源，所以要求系统输入高质量的5 v 直流稳压电源，再通过两片 l d o 芯片将5 v 电源转换为3 3 v 电源，分别给核心板和底板供电，电路原理 图如图2 5 所示【1 7 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 图2 - 5 系统的电源电路 图中5 v 电压经过j 2 8 接入电路板，经c 1 ，c 5 ，c 3 滤波后，由两片l d o 芯片u 1 ，u 2 稳压输出3 3 v 电源，其中b v d d 一路给底板供电，c v d d 一路 给核心板供电，核心板又有自己的l d o 芯片，再转换成1 8 v 电压为处理器 等供电。 2 2 3 系统复位电路 在系统中，复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按 键复位功能。复位电路可由简单的r c 电路构成，也可以使用其他相对复杂， 但功能相对完善的电路。本系统采用较简单的r c 复位电路，经使用证明， 其复位逻辑是可靠的，原理图如图2 - 6 所示。 v d d b o r j 血 1 3 1 2 1 1 1 0 9 l n r s t 图2 - 6 系统的复位电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 该复位电路的原理如下：在系统上电时，通过电阻r 1 0 1 向电容c 1 0 6 充 电，当c 1 0 6 两端的电压未达到高电平的门限电压时，l n r s t 输出低电平， 系统处于复位状态，当c 1 0 6 两端的电压达到高电平的门限电压时，l n r s t 输出高电平，系统处于正常工作状态。两极非门电路用于去抖动和波形整形， 通过调整电阻和电容的大小，可以调整复位时间。 2 2 4 外扩接口电路设计 系统外扩了一些接口如数据线、地址线等，可以以后扩展用，也可以做 为调试接口，本设计的液晶屏就因为之前的设计错误，后来用了扩展口，系 统电路图如图2 7 所示。 c 7 _ , 6 0 1 c z 6 0 2 图2 - 7 外扩接口电路 2 2 5 串行接口电路设计 本设计使用两个串口，串行通信是计算机系统中常用的通信机制之一， 串行通信的数据是按位进行传输的，与按字节的传输的并行通信相比，串行 通信使用的传输线少，通过串行接口，数据发送方将并行的数据转换成具有 一定格式的、按照二进制数据位排列的数据，并顺序的将它们送到传输线上。 数据接受方的串行接口按位串行接收数据，再将它们转换成并行数据传送给 计算机。 目前国际上通用的串行通信接口标准是由电子工业协会制定的r s 2 3 2 标准，r s 一2 3 2 标准采用9 芯插头，引脚定义如表2 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 表2 - 39 芯d 型插头信号描述 引脚 名称 功能描述 1d c d 数据载波检测 2r x d 数据接收 3 t x d 数据发送 4 d t r 数据终端准备好 5g n d 地 6d s r数据设备准备好 7r 髑请求发送 8清除发送 9r l振铃指示 要完成基本的串行通信功斛1 8 1 ，实际上只需要r x d 、t x d 和g n d 即可， 但由于r s 2 3 2 定义的高、低信号与$ 3 c 2 4 1 0 系统的i v t n ，信号完全不同， i m ，的“1 对应2 3 3 v 电平，“o 对应o o 4 v 电平，而r s 2 3 2 采用 负逻辑方式，“1 ”对应5 1 5 v 电平，“0 对应+ 5 + 1 5 v 电平，显然，两 者要通信要经过信号电平的转换，目前最常用的电平转换芯片是m a x 3 2 3 2 ， 电路原理图如图2 8 所示。 图2 - 8 r s 2 3 2 串e l 电路 2 2 6 网络接口电路设计 网卡芯片采用的是d m 9 0 0 0 ，d m 9 0 0 0 是一块全集成的单片快速m a c 控 制器，带通用处理器接口，4 k 双字节d r a m ，提供1 0 1 0 0 m b p s 的以太网接 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 入，支持媒体独立接口( m m i ) 。电路使用1 6 位总线方式，数据总线 d a t a 0 d a t a l 5 与芯片s d 0 s d l 5 相连，片选接n g c s 3 ，地址线与命令数 据使能端c m d 相连，所以对其进行操作时的地址是0 x 3 0 0 ( 地址端口) 和 0 x 3 0 4 ( 数据端口) ，电路原理图如图2 - 9 所示。 图2 - 9 网络接口电路 2 2 7 总线驱动接口电路设计 为了提高系统的可靠性，电路板采用了7 4 l v c 2 4 5 芯片对地址总线、数 据总线、片选和读写信号等进行驱动，由于总线上的频率比较高，所以在这 些信号的输出端接2 2 q 的小电阻( 一般高频时使用) ，这个电阻有两个作用， 第一是阻抗匹配。因为信号源的阻抗很低，跟信号线之间阻抗不匹配，串上 一个电阻后，可改善匹配情况，以减少反射，避免振荡等；第二是可以减少 信号边沿的陡峭程度，从而减少高频噪声以及过冲等。 因为串联的电阻，跟信号线的分布电容以及负载的输入电容等形成一个 裂瓣涨黧滋鼍 摧毽卫蜕 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 r c 电路，这样就会降低信号边沿的陡峭程度。如果一个信号的边沿非常陡 峭，含有大量的高频成分，将会辐射干扰，另外，也容易产生过冲。这样串 接小电阻能够使总线上的信号上下降变得较平滑，达到抑制e m i 的目的。 电路原理图如图2 1 0 所示。 图2 - 1 0 总线驱动电路图 2 2 8u s b 接口电路设计 u s b 是英文u n i v e r s a ls e r i a lb u s 的缩写，中文含义是“通用串行总线 。 它不是一种新的总线标准，而是应用在p c 领域的接口技术。u s b 具有传输 速度快( u s b l 1 是1 2 m b p s ，u s b 2 0 是4 8 0 m b p s ) ，使用方便，支持热插拔， 连接灵活，独立供电等优点，可以连接鼠标、键盘、打印机、扫描仪、摄像 头、闪存盘、m p 3 机、手机、数码相机、移动硬盘、u s b 网卡、a d s lm o d e m 、 c a b l em o d e m 等，几乎所有的外部设备。 $ 3 c 2 4 1 0 具有2 路u s b l 1 接口，对应芯片引脚d n 0 、d p 0 和d n l 、d p i ， 电路原理图如图2 1 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 图2 1 1u s b 接e l 电路 2 2 9 蜂鸣器和实时时钟接口电路设计 蜂鸣器使用p n p 三极管q 1 0 1 进行驱动控制，当e i n t 2 为低电平时， q l l 导通，蜂鸣器蜂鸣，当q 1 0 1 输出高电平时，q 1 0 1 截止，停止蜂鸣。 实时时钟r t c 器件是一种能提供日历时钟及数据存储等功能的专用集 成电路，常用作各种计算机系统的时钟信号源和参数设置存储电路。特别是 在各种嵌入式系统中用于记录事件发生的时间和相关信息，如通信工程、电 气自动化、工业控制等自动化程度高的领域中的无人职守环境。具有计时准 确、和体积小等特点，特别适用于以微控制器为核心的嵌入式系统。r t c 单元 能在系统电源关闭的情况下，通过备份电池来供电，耗电低电路图如图2 1 2 所 示。 l t l ci o w l 丑t 、，d 明甜 图2 1 2 蜂鸣器和实时时钟控制电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 2 2 10 硬件实物平台 硬件平台如图2 1 3 所示。 图2 1 3 硬件平台 2 0 ；0 5 。2 0 0 81 9 q 8 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 第3 章开发环境的建立和系统移植 要进行嵌入式l i n u x 软件开发首先是要构建一个完善的开发环境，基于 l i n u x 操作系统的应用开发环境一般是由目标硬件开发板和宿主p c 机所构 成。目标硬件系统主要用于运行嵌入式操作系统和应用软件，而这些软件的 开发，编译，调试、下载则需要通过宿主机来完成。首先建立好交叉编译环 境，还需要在开发板上移植启动代码，即b o o t l o a d e r ，用来初始化硬件系统 并加载移植的l i n u x 内核，最后是内核和根文件系统的移植。 3 1 开发环境的建立 3 1 1 交叉编译器配置 通常嵌入式系统的软件编译和执行是在两个不同平台上进行的。编译是 在宿主机，一般为桌面主机；执行是在目标端，即嵌入式系统的硬件平台。 一般是在宿主机上通过交叉编译器把源文件编译成目标平台上可执行的文 件，再通过串口、或者网络下载至目标平台上的f l a s h 或者其它存储介质， 然后由目标机来运行这些软件。这里所说的交叉编译器和一般的编译器功能 类似，都是把源代码通过编译器编译成目标文件，然后通过链接器、可重定 位器程序和定位器把目标文件重新定位成可执行文件，通过调试器下载到目 标系统中调试。和通用的编译器之间最大的差别就在于跨平台编译器编译出 来的可执行程序通常只能在特定c p u 所属平台上运行，所以一般来说每种 c p u 都对应有不同的跨平台编译器【1 引。 本设计使用g c c 交叉编