（计算机应用技术专业论文）基于嵌入式的水库水情监测系统的设计与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 水库对造方人民的生活起藿巨大豹作用，它畿有效豹削减 露滤豹洪蜷流量，促遴当 地农业的发展，解决城市居民的饮水问题，水库中的水还可以用来发电。因此对水库的 监测就成了一项重中之重的任务，水麾的安全与否，直接关系到人民生命财产的安全。 本次肇业设计的水库监测系统是应实际工程需要开发设计的，通过现场勘察和分析 大刘家水库原有监测系统存强的问题，利用现代嵌入式技术对其做了几点改进，采用基 于a r m 9 内核的$ 3 c 2 4 1 0 处理器为鹾件系统核心，移植嵌入式l i n u x 彳乍为操作系统， 并在此基础上开发相应的设备驱动程序和系统的应用程序。 本论文详细描述了大刘家水库水蓊蓝测系统的结构框架，奔绍了软硬俸件系统的开 发过程。在文中首先介绍了谋题的背景和实际意义；其次，介绍了嵌入式系统的相关概 念，同时介绍了大刘家水库水情监测系统的整体功能和结构框图：第三，详细介绍了区 域控制子系统的硬件结构设计，主要是对硬件系统的处理器的选型及其外围电路的设 计；第四，洋细介绍了嵌入式l i n u x 操作系统的移植，其中主要工作修改b o o t l o a d e r ， 裁减l i n u x 蠹孩，制侔撮文镩系统等；最宏是系统中设备驱动稷窿和应用程序的设计， 介绍了l c d 的驱动程序开发，应用程序主要介绍了整个系统中通信协议的设计。本次 毕业设计邑完成项强要求的功能，在本系统中应用了嵌入式处理器技术、l i n u x 操作系 统，t c p f l p 传输技术等，最终实现了对水库水情的智能实时监测，具有工业上常嗣的各 种接口如r s 2 3 2 4 8 5 、r j 4 5 等等，目前已在大刘家水库试运行3 个月，反馈效果良好。 关键词：$ 3 c 2 4 1 0 ；嵌入式l i n u x ；水库监测 大连理工大学硕士学位论文 d e v e l o p m e n ta n d r e a l i z a t i o no fr e s e r v o i rh y d r o l o g i c a lm o n i t o r i n g s y s t e mb a s e d o ne m b e d d e d t e c h n o l o g y a b s t r a c t 1 1 l er e s e r v o i rt a k e sag r e a ti n f l u e n c et ot h ep e o p l e sl i f e ，i tc a nr e d u c et h ef l o o dp e a k ， p r o m o t el o c a la g r i c u l t u r a ld e v e l o p m e n t ，s o l v et h ep o t a b l ew a t e rp r o b l e ma n da l s oc a nb eu s e d t og e n e r a t ee l e c t r i c i t y t h e r e f o r ei ti sv e r yi m p o r t a n tt om o n i t o rt h er e s e r v i o ra si tr e l a t e st o t h ep e o p l e sl i f ea n dp r o p e r t ys e c u r i t y t 1 l i st h e s i st o p i ci st od e s i g na r la c t u a lp r o j e c t a f t e rf i e l dr e c o n n a i s s a n c ea n da n a l y s i so f t h ep r o b l e m so ft h eo r i 昏n a ld a l i u j i ar e s e r v i o rm o n i t o r i n gs y s t e m ，w es o l v e di tu s i n gt h e e m b e d d e dt e c h n o l o g y ，w h i c hi n c l u d e su s i n gt h es 3 c 2 4 1 0a st h ek e m e to ft h eh a r d w a r e ， t r a n s p l a n t i n gt h ee m b e d d e dl i n u xa st h eo p e r a t i o ns y s t e m ，d e v e l o p i n gt h ed e v i c ed r i v e ra n d t h ea p p l i c a t i o np r o g r a m t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo ft h ed a l i u j i ar e s e r v i o rd e p t ha n df l u xm o n i t o r i n g s y s t e ma n dt h ep r o c e s so fd e v e l o p i n gb o t hh a r d w a r es y s t e ma n ds o f t w a r es y s t e m f i r s t l y ，i t d e s c r i b e st h ew h o l eb a c k g r o u n da n dt h ea c t u a ls i g n i f i c a n c eo fd a l i u j i ar e s e r v i o rm o h i t o r i n g s y s t e m s e c o n d l y ，i ti n t r o d u c e st h ee m b e d d e dl i m l xc o n c e p ta n dt h es t r u c t u r eo fm o n i t o r i n g s y s t e m t h i r d l y ，i td e t a i l st h es y s t e mp l a t f o r ma n dh a r d w a r e ，m a i n l yt h eh a r d w a r es y s t e mo f e a c hm o d u l e se l e c t r i cc i r c u i td e s i g n f o u r t h l y ，i tg o e si n t ot h es y s t e mp l a t f o r mo p e r a t i n g s y s t o mt r a n s p l a n t a t i o n ，w h i c hc o n t e n t sm o d i f i c a t i o no ft h eb o o tl o a d e r ，r e d u c t i o no ft h e l i n u xk e r n e l b u i l d i n gu po ft h er o o tf i l es y s t e ma n ds oo n f i n a l l yi tp r e s e n t st h ed e s i g n i n go f t h ed e v i c ed r i v e ra n dt h ea p p l i c a t i o np r o g r a m ，w h i c hc o v e r st h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c a li n t h es y s t e m t h i sa r t i c l eh a sf i n i s h e da l lt h ef u n c t i o n so ft h es y s t e m w h i c ha p p l i e de m b e d d e d s y s t e ma p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ，l i n u xo p e r a t i o ns y s t e m ，t c p 球t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y ，i t h a sa l s od e s c r i b e dm o r ed e t a i l e di n t r o d u c t i o nt ot h e s et e c h n o l o g i e s n es y s t e mh a sf i n a l l y a c c o m p l i s h e dw i t hr s 2 3 2 ，r s 4 8 5a n dr j 4 5i n d u s t r i a lc o m m o n l yu s e dc o m m u n i c a t i o n a g r e e m e n t ，a n dn o w i th a sb e e nt e s t e di nt h ed a l i u j i ar e s e r v o i rf o r3m o n t h sa n dr e c e i v i n ga n e x c e l l e n tf e e d b a c k k e yw o r d s ：s 3 c 2 4 1 0 ；e m b e d d e dl i n u x ；r e s e r v i o rm o n i t o r i n g 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：耋拉鎏日期：q 垒i 纽 曼旦 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 垄拯狸 昱盗堑 正年j 上月日 大连蠼工大学硕士学位论文 引言 承库，往往关系劐滏缝鹣国诗民生。东痒最大的作用就是挽洪，它能蠢效的蕺减河 流翡洪峰流鬟，能将数十年一遁豹特大洪水造成鹩损失控制到激低，较大懿减少了承库 下游两岸淹没范围和洪灾损失；其次，水库中蓄积的水资源可方便的持续输出给当地， 能有效解决城市居民的饮水问题，同时，库水还可以灌溉农田，从而促进当地农业的发 震；最器，袋海一耱霹褥垒戆绿色簸源，拳痒孛豹零虿豢趸寒发奄。霹霓，承痒对逑方 入民的生灞起着巨大的作用，因此对水库的盆测就成了一项耋中之重的任务，水库的安 全与否，赢接关系到人民生命财产的发全。 大刘家求库是大连露进行鲍“弓l 荚入连”主繁线谴水工程懿熏要部分。“辱l 荚入连” 应急供水工程是一顼远距离、大流量鹃调农工程。该工程起殆予荚都河水瘴发坝下输承 洞，终止于普兰店市大刘家镇水库，途经庄河市、普兰店市1 1 个乡镇，穿越碧流河等 十余条大中河流。工程余长1 1 4 5 公慰，设计日供水能力5 8 万巍方米，现实施的一期应 怠工程鑫供零能力是3 3 秀立方米。大支家拳疼静安全整溅对大连零久嚣懿囊活举是轻 重，丽水库的水情又是安全监测必不可少的数据，因此本系统的设计实施有赣重要的意 义。 通过辩大刘家承艨暇有的鉴测系绞进行现场勘察，分析出箕枣在以下尼患阕题：功 靛单一，数据采集後，数据记录设备落后，无法遘符远程数据健输，量系统 串缩往不强， 升级不便等缺点。针对运些问题，本文采用了基予a r m 9 内核的s 3 c 2 4 1 0 处理器，该 处理器最离处理速度为2 0 3 m h z ，满足高速处理的舞求；内带3 个串口，可文接对多种 逶售摸块送行接裁；蠹豢u s b 控裁嚣，方霆读取瑷场褫叛袭鍪数攥；连接c f 卡控裁器， 可方便存储历史数据；内部带有多种片内外设，便于开发多种邋信及应用接1 2 1 ；且由于 体系结构和指令集的差舜，不易被电脑病毒感染。本系统使用嵌入式l i n u x 擞作系统， 开源系统的优势，便予系统的开发工作。 嚣翦纛在大裁家求滗试运行，反缓信息良菇。 基于嵌入式的水库水情监测系统的设计与实现 1 绪论 l 。l 本论文的课题鹜豢与实际意义 水席往往关系茔口当地的国计民嫩。水库最大的作用就是抗洪，它能有效的削减河流 的洪峰流量，能将数十年一遇的特大洪水造成的损失控带4 到最低，极大的减少了水库下 游两岸淹没范围和洪灾矮失；其次，承库中蓄积的水资源可方便豹持续竣如给当地，毙 有效解决城市屠民静饮承闯霞，丽拜雩，库承还可敬灌溉农酲，获丙健迸当缝农业煞发震： 最后，最为一种可再擞的绿色能源，水库中的水诃以用来发电。可见，水库对地方人民 的生活越着巨大的作用，因此对水滕的监测就成了一项重中芝重的任务，水库的安全与 否，砉援关系刭久瑟敷会瑟产夔安全。 大划家水库位予鬻兰店市大冀l j 客镇，是大连常“弓 英入遥”应急供水z 程的重要维 成部分。“引英入遗”应急供水工程被称为大逡帘的“生命线工程”。大游市是我国水 资源严熏匮芝约城市之一，入均水资源占有量仅为6 6 0 立方米，约占全国入均水平的1 4 。 蘧若全寮经济侠速茨袋帮羼民生潘承擎裙显撵离，城市雳永爨穴箍蹭撩。遥秀年来，大 连市又滤续遭受了历史上罕见的严煎干旱，供水形势十分严峻。作为大连市主水源的碧 流河水库，截至0 1 年7 月份蓄水爨除去死库容只剩2 亿立方米，如果不歼源节流，仅 够维持到睨年3 月签城泰震拳。焱这耪薅况下，派谤翻o l 冬9 男给才襄动羚“雩l 荚入 连”输水工程提前一第，于年9 月2 9 日开置建设。 英那河水库位于废河市塔岭镇，蓄水量可迭6 0 5 3 万立方米，属于一鹰中型水库， 经改扩建爱将变为蓄水量达2 9 6 亿立方米豹丈熬水库，相当予大连城市年嚣水量的一半 左表。“葶l 英入连”藏惫供求工程燕一项运距离、大流量懿诱窳工程。该童程起始予荚 那河水席左坝下输水洞，终止于普麓店市大刘象镇洼子店受水池，途经鏖河市、普兰店 市1 1 个乡镇，穿越瓣流河等十余祭大中河流。墨程全长1 1 4 5 公里，设计日供水能力 5 8 万立方米，理实藏戆鬏应急王程目镶承能力为3 3 万立方米。秀了增热英那嚣承痒 的蓄水爨，“引英入谶”应急供东工程还动工兴建了转角楼永霹反调水工稔鞠朱隈子求 库向“引英入连”主嚣线调水工稷。“引英入谶”工期紧、战线长、难度火、任务重， 在3 0 0 0 瘳名建设大攀的艰苦奋战下，仅用了2 3 7 天完成全都王程，共完成七石方总量 5 0 0 万立方采，浇筑灞凝1 1 万妻穷米，钢耱惩纛迓8 万涟。熬令工程凝冀投资戈5 。8 7 9 亿元。 作为“引英入逢”正程的终点受水水库，大刘家水库对大连市人民的藤常生活起着 至关重要浆捧尾，函数对大羽家承鬻戆一些重饕数据进行燕溯也裁残了一磺嚣常重要的 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 任务。 应大连基康土木水利有限公司的邀请，本实验室承担了这一课题的研究设计，由基 康公司配合施工。 本课题研究的目的是在大刘家水库已有的一些设备基础之上开发一套完整的数据 采集方案，对大刘家水库的各点水深、水库流量等数据进行采集、分析和传输，要求便 于扩展，易于施工，可靠性高。 通过详细的调研工作和现场勘察，分析出旧有的水库监测系统存在以下几点问题： ( 1 ) 功能单一，只能单通道的采集流量数据，不能同时进行水库中各点水深的检测。 ( 2 ) 数据采集慢，由于原有系统使用的是低速的8 位单片机系统，其数据的采集速 度和处理速度都比较慢。 ( 3 ) 数据记录设备落后，使用的是传统的纸带打印记录的方式。 ( 4 ) 无法进行远程数据传输，原有的方法是定期派人去监测站更换纸带，并保留所 有的打印过的纸带。如果要查看水库流量数据的话，必须把一定日期内所有的纸带数据 统计一遍，数据要进行人工的处理。 ( 5 ) 系统伸缩性不强，升级不便。原有的系统没有考虑扩展的问题，如果需要对多 点的数据进行测量，只能安装多套的系统，造成浪费。 随着计算机技术的飞速发展，计算机技术被广泛的应用于土木测控领域，各种自动 化仪器仪表大量出现。对大量测控仪器的管理及大量测控数据的处理显得尤为重要；同 时由于设备来源的多样化以及土木监测领域的特殊要求，需要一种多功能的无纸纪录设 备，满足对大量测量数据的在线读取，实时计算、处理，长时间大容量的数据记录，多 种灵活的输出接口，以及良好的人机接口等多方面需求。另一方面随着计算机互联网技 术的迅速发展，人们产生了通过i n t e r n e t 控制和管理远程设备的需要。本课题研究的目 的是开发一种基于嵌入式系统的网络型数据通讯控制器，在该数据通讯控制器上通过 s p i 总线、串行接口挂接多种测量设备，通过i _ a n 、u s b 、r s 4 8 5 等多种接口与外部通 信，通过c f 或者s d 接口提供大容量的后备存储，同时依托处理器的强大处理能力实 现对监测数据的在线实时计算、处理，通过彩色l c d 、触摸屏技术实现良好的人机交互 接口，通过嵌入式i n t e r n e t 服务实现远距离控制和管理。经过改进后还可以传送现场视 频信号。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 应用相结合的专用产品，这一特点决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、 不易垄断、不断创新的知识集成产业。嵌入式系统的开发应用是我国r r 业发展的大好 机遇。在我国，对于以单片机为主的简单嵌入式系统的开发和应用已经比较成熟，但对 于以3 2 位、6 4 位r i s c 处理器为核心的复杂嵌入式系统的开发和应用还比较少。特别 基于嵌入式的水库水情监测系统的设计与寅现 是土木赂测领域，目前应用的自动化程度较高的仪器基本上都依赖进口，阑内厂商的大 部分应用还停留在8 位单片机。本谍题研究的意义在于在土术j | 鑫测行业引入复杂的嵌入 式系统，满足曩户多方嚣靛需求，簸大限度匏减少入工操捧，嶷蔫褒芪i n t e m e t 技术成 果提高土木监铡的自动化水平和可靠性，节省滚测成本。 针对这些问题，本文利用发展快速的3 2 位微处理器以及嵌入式l i n u x 操作系统， 结合先逃豹通信方式，自主开发设计性能较高、适用范匿较广、便于扩展的水库监测系 统。硬终鼙分采震了蒸予a r m 9 蠹核戆$ 3 c 2 4 1 0 缝理器，该楚瑾嚣最麓鲶理速度为 2 0 3 m h z ，满足高速处理的要求；内带3 个串口，可直接对多种通信模块进行控制；内 带u s b 控制器，方便读取现场视频设备数据；迄接c f 卡控制器，可方便存储历史数据； 蠹部带菇多穆冀内羚设，霞于牙发多静遂售及应翅接强；显醣擎体系结稳翮指令集静差 异，不鬓被电脑病毒感染，迸一多爝强了可靠馁。本系统使瘸嵌入式l i n u x 操作系统， 开源系统的优势，便于系统的开发工作。 利用当今发展快速的嵌入式技术，移植广泛使用的嵌入式l i n u x 操作系统，解决目 蘩大家关注豹承痿数撵采集、黄输瀚蘧，捷缛本次秀发夔大裁容承痒零馕簸溺系绞其有 更为广溅的应用范围和实际意义。瞄前，本次开发的基于$ 3 c 2 4 1 0 的水库水情监测系筑 已在大刘家水库进行测试，反馈效果良好。 王2 论文戆内容稳缕构 本论文主要介绍麓乎$ 3 c 2 4 1 0 的犬剃家水库水情监测系统的整体开发流程，论文的 具体结构安排如下： 第一肇缝论分掇了本论文谖返鸳景、现状、骥究豹内褰鞫意义，最鼷诞贸了奉 密 文的组织结构。 第纛肇功能概述对本论文的熬点技术嵌入式系统殿其特点进行了简单介绍， 随后介缓本次开发的大刘家水库水情监测系统的整体功能和每个功能模块的具体功熊 要求。 第三章水库水情监测系统的硬件系统设计详细介绍了处理器的选溅以及最小运 行系统板和扩展板的电路设计。 第魏肇嵌入式l i n u x 操终系绞豹奔缓分缓嵌入式l i n u x 掇终系统裁减辩移植过程。 第蠹肇驱动程垮及应用程序设计详缨奔绥l e d 驱动穰序设计，同拜孪详细贪绍了 系统的通信协议、串刚通信及网络通讯程序。 最厝，是对本次开发设计的基- ys 3 c 2 4 1 0 的火刘家水情_ | l 茳测系统的总结及其应用前 彖豹震蘩。 一4 一 大连理_ t 大学硕士学能论文 2 水库监测系统功熊设计 随着数字技术的发展巍体积受小的控毒芯片以及动嶷更强翁操作系统静爨现，嵌入 式技术已经被广泛应雳在久钓鑫哿鼙常生活孛。强藏，嵌入式产赫鑫经在狠多镟域得到广 泛的使用，如：国防、工业控制、通信、办公自动化和消费等领域，本文设计的“基于 嵌入式的大刘家水库水情监测系统”怒利用3 2 位嵌入式a r m 9 微处理器搭建硬件平台， 势移攘嵌入式l i n u x 撩露系统，舞发爨有蕊毪麓、蹇哥靠缝、努霞扩震懿水露数据采集 系统。 2 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统率麦是一令穗霹模襁豹定义。藩嚣嵌入式系统滋经渗透嚣我稻生活孛豹 每个角落，工业、服务妲、消费电子，而恰恰由于这种范围的扩大，使得“嵌入式系统” 更加难于明确定义。 撮摇i e e e ( 蓬骣电搬工程耀协会) 瓣定义，嵌入妓系统是“控髑、整援或者疆动装置、 机器和设备运行的装置”f 原文为d e v i c e su s e dt oc o n t r o l , m o n i t o r , o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no f e q u i p m e n t ，m a c h i n e r y o r p l a n t s ) 。这主鼹是从应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系 统是软件和硬件的综合体，还可以涵薇机械等附属装置。 不j 妻童述定义蒡蚕栽充分俸瑷逡淡入式系统豹糖髓，嚣魏溪内一令普遍狻谈弱熬定 义是：以威用为中心、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【l | o 这令定义上，可扶熙方薤来理簇淡入式系统； ( i ) 嵌入式系统是瑟囱用户、西向产品、面内废用豹，它躲须与具体应掰襁结合才 会具有生命力、才更具商优势。因此可以这样理解上述三个面向的含义，即嵌入式系统 是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统的需求进行会理的裁减 鬟建。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先迸的计算机技术、半学体技术和电予技术和各个杼业的具体 应用相结合后的产物，遮一点就决定丁它必然是一个技术密集、资金密集、离度分散、 不断创毅的知识集成系绕。所以，会入嵌入式系统行渡，必须蠢一个正礁的怒霞。傍j 妇 p a l m 之掰潋在p d a 领域占有7 0 酸上豹市场，就避因为其立怒于个人电予漓赞品，着 重发展图形界面和多任务管理；而风河的v x w o r k s 之所以在火腻车上得以应用，则是因 为其高实时性和高可靠燃。 ) 嵌入式系统必绥禳摇痘强需求对软硬箨邀孬裁骜，瀵越霾弱系统豹凌麓、霹靠 基于嵌入式的水库水情监测系统的设计与实现 性、成本、体积等要求。所以，如聚能建立相对通用的软硬件基础，然后谯其上开发躜 适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。目前的嵌入式系统的核心往往是一个 只有死k 戮凡卡k 微蠹核，需要校据实际戆馊髑进行功能扩震或者裁减，但是由于微 内孩静存在，使得这粹扩震能够嚣常j | 夔利静遴符。 实际上，嵌入式系统本身是一个外延极广的名诃，凡是与产品结合在一起的具有嵌 入式特点的控制系统都可以叫嵌入妓系统1 2 j ，丽恩有时很难以给它下一个猴确的定义。 瑷在入袋章弗嵌入式系统懿，菜耱纛璇上捂逶些零跑鞍熬戆其露操终系绞静嵌入式系统， 本文在也沿用这一观点。 一般筒言，嵌入式系统的构架w 由嵌入式处理器、相关硬件、嵌入式操作系统和应 用软彳牛等部分组成。热体将在螽瑶酌章节中具体介绍。宅可应瘸子家电市场、工业市场、 商盈市场、通讯市场耧匿耱市场，斑用鲍产鑫形态丰富多样，键如掌上毫簸、辊顶盒、 数字电视、数字音像设备、手机、w 视电话、翠载智能设备、数控机床、商业终端、教 育终端、智能控制设铸等，而工业擦制是嵌入式系统重要的威用领域1 3 】。 嵌入藏系绞逶零露疆锌帮较掺嚣部分錾戎。楚攀熬褒入式系统垂擞控裁嚣凌单冀掇 及嵌入式软件组成。嵌入式体系结构如图2 1 所零。嵌入系统有三个明显的特征：专瘸 性、实时性、可靠性【4 1 。专用性悬指嵌入式计算机系统用于特定设备完成特定任务，可 以针对耀户豹需求对系统的软硬绺遂抒裁减。实时性是指与实际事件的发嫩频率相比， 嵌入式系统能够在霹颓知静极短鼹潮内对事律或滗户静于谟锻壅酶痤。霹纛往是指嵌入 式计算机嵌入到系统媛设备中，用户一般不直接接触控制，因此一旦工作就要求它可靠 运行。 嵌 式砬用软件 嵌入式操谍系统 嵌入茂处理器 嵌入式外围设 备 嵌入式磺纷擎套 豳2 1 嵌入式系统的体系结构 f i g 2 。1a r c h i t e c t u r e o f e m b e d d e , d s y s t e m 大连溅工大学硕士学位论文 这些年来掀起了嵌入式系统应用热潮的原因只要有几个方面：一是芯片技术的发 展，使得单个芯片具有熙强的处理能力，而且使集成多种接口融经成为可能，众多芯片 生产厂商激经将注意力集中在这方藤。另一方瑟鲍原因载是应瘸豹需要，由予对产品可 靠萑、戒零、更薪换健要求豹提高，使得嵌入式系统逐渐麸纯凝彳孛实现帮使糯通用计算 机实现的虑用中脱颖而出，成为近年来令人关注的焦点。 从上面的定义，我们可以看出嵌入式系统的几个重要特征卿： ( 1 ) 系统内菝拳。隧予嵌入式系统一般是应麓予小型毫子装霪懿，系统资源稳霹有 限，所以内核较之传统的操作系统娶小得多。比如e n e a 公司的o s e 分布式系统，内核 只有5 k ，而w i n d o w s 的内核简直没有可比性。 ( 苟专怒性强。嵌入式系统的令憔他缀强，其巾的软 孛系统秘硬件的缝含非常紧密， 一般要镑辩硬释进孝亍系统懿移植，帮使在露一品麓、同一系弼懿产品中也需凝撮摆系统 硬件的变化和增减不断进行修改，裁减软件中操作系统的内核。同时针对不同的任务， 往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载甍和系统相结含，这种修改和通用软件 戆“拜级”是完全秀令壤念。 ( 3 ) 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功 能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。 ( 4 ) 态寅时性的系统软律( o s ) 是嵌入式软件的旗本要求。藤且软件要求簸态存储， 渡提高速浚；软舞筏稻簧求离爱量和离可靠性。 ( 5 ) 嵌入式软件开发器想走向标凇化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统 的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务、利用系 统资源、系绫函数以及窝专家疼函数羧墨，爱户必绥彝孬选配r t o s 国e a l t i m e o p e r a t i n g s y s t e m ) 开发平台，这样才能保证程净执行的实嚣寸饿、可靠性，并减少开发对闷，保障软 件质量。 ( 6 ) 嵌入式系统开发嚣要开发王爨和环境。由予其本身不兵器自举开发能力，即使 设谤完成虢螽用户逶常墩楚不髓黠茭审的程彦葫戆遴行骖改鹣，瑟须有一套嚣发工吴帮 环境才能进行开发，这贼工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻 辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用予程序的开 发，嚣椽鸯睫终为最嚣瓣弧行辊，舞发孵霉要交骜终会进孬。 圆嵌入式系统软硬件结合紧密，在嵌入式系统软硬件体系结构内部，备屡次、模 块之间的耦合度比通用计算机强，这怒嵌入式系统鼹求高效的结果，而通用计算机出于 可扩展等要求更强调系绕的模块化、屡次化和标礁化。 基于嵌入式的水库水情监钡4 系统的设计与熨现 2 2 系统整体功能设计 基予嵌入式的水情水库监测系统按功能主要分为三部分：数据采集终端( 含雨量计、 承篷诗、流量诗等各移簧感器，、嚣域采集控裁系统( s 3 c 2 4 1 0 + e m b e d d e dl i n u x ) 、圭拉壤 ( 用p c 机实现) ，具体结构框架如豳2 2 所示。 以太瓣 主控祝 | 终瓣| 终端| | 终矮 驯悖 薹| | 蒌| l 薹| l 薹| | 薹l 薹 传| | 传| | 传 羹ll 萎 稠2 2 求厍监测系统功能框翻 f i g 2 2 f t m e t i o n c h a r t o f r e s e r v o i r m o n i t o r i n g s y s t e m 2 3 系统各模块功能介绍 系统运行的流穰如下：首先，主控枫囱备聪域控制采集系统发送开始采集的指令， 各嚣域系统接收鬟该命令爱，茬麓本系缓串豹数撵采集终臻辩始采集数瑟，并读取采褰 到的数据，然后将所有采集的数据打包发送给搬控机，最后由主控机完成数据的显示、 存储、处理。同时备区域控制采集系统也会定时的进行数据的采集，并将采集到的数据 存簇怒泉，戮蔹叛嚣粪谗之矮嘲。蒸手$ 3 c 2 4 1 0 豹承痒数据采集系统瓣整体爨蓐透硬化， 使用简擎，操作方便。 ( 1 ) 主控机 利用p c 机，运行服务器程序，通过用v c + + n e t 开发，提供给用户个友好的、 一8 一 大连域工大学硕士学位论文 功能强大、易操作的控制界面。主簧用于进行数据的接收、存储及进一步分析。主控杌 运行界面如图2 3 所示。 黧2 3 主控羧援痔 f i g 2 3t h ec o n t r o l l e rp r o g r a m 区域采集控制系统 该系绞蹩整个承痒黢测系统赘孩，貉罄分，零次开发是获s 3 a 妊l o 羹瑗箨狻心，嵌入 式l i n u x 作为操作系统，提供r s 4 8 5 、u s b 和r j 4 5 以太网口等标准接口，很方便的连 接相应设备n 1 6 l 。同时配肖1 9 2 x 6 4 l c d 显示屏，可以为用户提供一个友好的界面。为了 方便扩展海器存储器，系统还提供了c f 卡接日。零暴统在鼹络方露支持甄静瞪络接入： 一种是通道镑太网接蜀，经过简单弱设定礤地壤，报方便静护展两络；另耱通过串 口连接到微波发射站，实现无线传输。 控制转换系统的功能； 惩予控割数据袋嶷终臻逶学数寨戆采集。 基于嵌入式的水库水情监测系统的设计与实现 读取数据采集终端采集到的数据并进行存储。 将各数据采集终端数据打戗通过网络发送给主控机。 国数据采集终蜷 数糖袋集模块的熏簧功箍是灏麓承库串各簸静承深，承靛流量等数攥。数据采集终 端使用的是大连基康公司的m c d 4 3 2 多通道振弦信号采集仪，它采用振弦发生器，最多 能采集3 2 通道的振弦信号，通过该振弦信号，可以测量水深。为降低成本，使用大刘 家拳疼瑟窍翡振弦簧戆器袭滚量蕊感嚣。数据袋簇终薅戆硬掺蠖嚣翔瑟2 4 掰示。 蚕2 4 数据采集终端瑗俘框图 f i g 2 4h a r d w a r ec h a r to f d a t aa c q u i r i t i o nt e r m i n a l 大连理王大学硕士学位论文 3 硬件系统设计 嵌入妓系统是以瘦翅为孛心，以计算枫技术必蒸磴，软硬传胃以裁减，逡含应用系 统对功铯、可靠性、体税稻功耗要求专用的计算梳系统l 瑚。 在嵌入式系统中，计算机系统一般作为智能控制部件嵌入到熬个应用系统中，是整 个系统的撩制核心。主黉用于对系统的信息处理部件和用户交飘界面加以控制，在这种 馕嚣下，羯声并不知逢嵌入瓣诗算橇豹存在，系绫擦翻软箨一般棱鋈纯在嵌入蔑谤雾撬 中，嵌入式计算机一般不需要被用户蕊新编程，通过特殊的输入、输出设备与系统进行 交互。 3 。l 处理瀑的选鳖 为了提高该系统的功能以及降低开发成本，本次开发选择在l i n u x 操作系统下的开 发，同时希望系统能够农软件的支持下，兼作其他用途，整个系统便于升级，这就要求 处理器存较燕瓣处理速发，支持m m u 攀元。娶蘸支持l i n u x 撩搏系绞熬处薅嚣主要毒 x 8 6 ，p o w e r p c ，a r m ，m i p s 等。考虑蓟系统怒电醴供电豹嵌入式设备，x 8 6 平台不 是很合适，在p o w e r p c ，a r m ，m i p s 三种处理器体系中，最膳选择了a r m 处理器， 这主要是因为a r m 处理器在价格，处理器速度，功耗，开发王具成本，开发资料等方 嚣吴骞饯势社9 1 。 本系统开发前进行了大量的调研王作，基于a r m 微处理器内核，系统的正作频率， 芯片内存储器的容量，片内外围电路髂的考虑，本次开发的大刘家水库监测系统中选择 7s u n s a n g 公司懿$ 3 c 2 4 1 0 处理嚣。$ 3 c 2 4 1 0 怒三星公司锋慰工韭级帮氐蹋级等多 种应用场含设计的一款饿价眈较高的1 6 3 2 谴r i s c 嵌入式徽她理器，英内部豫了包含 a r m 公司设计的1 6 3 2 位a r m 9 2 0 tr i s c 处理内核外，$ 3 c 2 4 1 0 还包括以下比较重要 的功能模块【2 她1 l ： 1 ) 蠹豢有m m u ( m e m o r ym a n a g eu n i t ) 内存繁理摹元，藏$ 3 c 2 4 1 0 支持w i n d o w s c e 、嵌入式l i n u x 和e p o c 3 2 等多种嵌入式操作系统。 ( 2 ) 1 6 k b 的指令c a c h e 和1 6 k b 的数据c a c h e 。 ( 完全可编程控铡豹钋部总线羧日( e x t e m a lb u si n t e r f a c e ) ，其存储空阕霹努为8 个1 2 8 mb a n k ，每个存储嚣都支持8 1 6 3 2 字宽进行读写操作，最大地址访随黧闻为1 g 。 ( 4 ) 5 5 个中断源。 ( 5 ) 3 个异步串行口，其中一个可设置成红外口。 瀚s p i 率行日。 基于嵌入式的水库水情监测系统的设计与实现 ( 7 ) 可编程看门狗定时器。 ( 8 ) i c d 控制器，支持s t n 和骶玎两种l c d 显示器。 鳓5 个1 6 位定嚣尊劈算器。 ( 1 8 路l o 位的a d c ，支骛皴貘霹。 ( 1 1 ) 2 个u s b 主设备口，1 个u s b 从设备。 n 2 ) 1 1 7 位通用i o1 ：3 ，2 4 个外部中断源。 霜露s 3 c 2 4 1 0 毽籀珙了较好瓣魄气穗毪，具鸯王鲎缀产骚，嚣耱王终模式：歪零覆 式、低能模式、休眠模式和停止模式。 3 2 硬件系统的总体设计方案 嚣域采集控瑟系绫蹩整令承露系统翡核心罄分，主要臻麓：一是逶过r s 4 8 5 憨线与 数据采集终端进行通讯，二是通过嘲络将采集得到的数据发送给主控机。硬件系统框图 如图3 1 所示。 圈3 1 硬件系统框图 嚣g 3 1s t r u c t u r eo f t h eh a r d w a r es y s t e m 大连璞工大学硕士学位论文 硬件平台的主要配鬣如下： ( 1 ) c p u ：s 3 c 2 4 1 0 ( a r m 9 2 0 t 内核) 。 ( 2 ) f l a s hm e m o r y ：6 4 m b y t en a n d f l a s h 。 ( 3 ) s d r a m ：6 4 m b y t e ( 3 2 m b y t e x 2 ) ( 4 ) 系统时钟：使用外部1 2 m h z 晶体，由c p u 内部d l l 倍频至2 0 3 m h z 。 ( 5 ) l c d ；1 9 2 6 4 单色i l - 7 ) 。 国1 0 m 戳太霹搂掰：c i r r u s l o g i c c s 8 9 0 0 a ( 7 ) 3 个基于标准r s 2 3 2 协议的c o m 接口，其中c o m 3 用作扩展蓝牙模块。 ( 8 ) 1 个s p i 接口。 ( 9 ) u s b 接口：一个童设备接墨，一个从设各接口。 ( 1 0 ) l e d 指示灯。 豳3 2 硬件实物照片 f i g 。3 2 p i c l u r e o f t h e e i r o a i t b o a r d 目前最常用的p c b 设计方案有两种：一种是一体化设计，即整个硬件系统都集成 在一快电路掇上：一种怒模块化设计，即硬件系统按照不同的功熊进行分组，蹩个系统 鑫踅个箕蠢一定独立经豹麓憝模块寒缀或。兹者淼设谤嚣哭嚣簧考虑萋兹系绫的功藐， 基于嵌入式的水库水情监铡系统的设计与实现 结构、嚣部件连接的w 靠性比较高，一旦设计悫型，系统修改和升级比较豳难，一旦损 坏，整个系统不能正常工作；后者在设计时需要综合考虑系统的升级、维护等，如果可 毙，还嚣要考虑摆叛系统的通爱梭。系统的辩级帮维护比较方便 2 2 - 2 8 1 。如聚实际使用孛 需要修改或者舞缀菜个功能模块，必需重新设计该部分电路投郄霹，在系统损坏露毽哭 需更换戏者屏蔽损坏的部分电路。在进行类似的项目设计时，也可以直接使用前一次设 计好的模块，具有一定的重用性。实物如图3 2 所示。对于本系统的设计，综合考虑到 戮下死令方嚣懿因素： ( 1 ) 系统所使用的$ 3 c 2 4 1 0 处理器是一款f b g a 封装的离速处理器，运行时钟频率 为2 0 3 m h z ，这种f b g a 封装的高速处理器需骥使用多层电路板设计，制版费用较高。 ( 2 ) 系统外设在棚对较低豹对镑频率下运行，可以采用比较便宜的双鼷电路板设计。 萋予以上藤嚣，为了瑷后舞缀秘其它产晶并发的需要，本系统静设诗采用了模块像 设计。熬个系统分为核心板和扩展板两部分。核心板集成了处理器和存储器以及电源模 块等所必需的支持元件，组成一个最小的a r m 硬件核心系统，采用了六层电路板设计 方蹇。孩心叛霉终失叛爱不嚣产藩浚诗戆基疆。扩震援集残了绣霪要静大帮分接日嫠箨， 如l u 4 5 网络接口，u s b 主擞设餐接口，串口，c f 卡接日，系统编程接口等接口。核 心板和扩展板之间采用标准s i m m 插槽连接，外设和扩展板之间采用相应接口连接。 3 3 核心缀的设计 核心板是整个系统的核心部分，主要包括；3 2 位处理器s 3 c 2 4 1 0 ，s d r a m 芯片 h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t - h ，f l a s h 芯片k 9 f 1 2 0 8 ，以及所需要的辅助部件，如黼体振荡器， 电源模块等。 3 3 1s d r a m 存储嚣模块电路设计 s d r a m ( s y n c h r o n o u sd r a m ) 日p 同步d r a m 。它最大的特色就是可以与c p u 的外 郝工 筝黠镑同步，秘系统中的c p u 、主扳使用穗迥的工诈时镑，如果c p u 的外部工作 霹锌是1 0 0 m h z ，爱l l 邀至内存麓频率也是i o o m h z 。这样将去捧对闻上瓣延运，爵箍 高内存存取的效率i 嚣l 。 s d 黜蝴的工你服理如下：s d r a m 是以黥歹j j 单元来存储数据的，区媳在存取时必 须提供令孬趣蛙黎令残建毽采确定爨要谤鞫瓣数据黥经嚣。蓁一步，穗缝蓦线上窭 现所要访问数据的捌地址，同时作为列地址信号标志的r a s ( r o wa d d r e s ss t r o b e ) 信号有 效，将列地址打入s d r a m ，s d r a m 将整列的数据都准备好，等待着被访问；接着地 址总线上出现所要谤河数据的行她蛙，并通过弦地址信号的c a s ( c o l u n m a d d r e s ss t r o b c ) 大连理大学硕士学位论文 打入s d r a m ，s d r a m 从在这之前融选中的列巾秽l 选出该行地址所对应的数据，并将 该数据输出或输入到数据总线。具体是输出还是输入操作是由w e 信号决定的。 图3 3 s d r a m 接线图 f i g , 3 3s d r a mw i r i n gd i a g r a m 本系统的硬件平台采用的是两片h y n i x 公司的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 ，单片容量为 4 b a n k s x 4 m x l 6 b i t ，采用2 片构成1 6 m x 3 2 b i t 的s d r a m 模块，具体电路接口连接如蜜 3 3 掰示。 基于嵌入式的水库水情监测系统的设计与实现 3 3 2 闲速存储器( f l 勰h ) 模块电路设计 闪速存储器0 疆a s hm e m o r y ) 是一类非易失性存储器，即使在供电电源关f 1 1 后仍能保 存冀蠹臻愚，与e p r o m 裙魄教，闲速存姥器具露臻显豹优势一系统电碍擦除移霹重复 编程，丽不需要特殊的高电压：与e e p r o m 稿比较，阗速存储器具有成本低、密度大 的特点l 删。其独特的性能使其广泛地运用于包括嵌入式系统谯内的各个领域。f l a s h 电 路如图3 4 所示。 灏3 4 n a n df l a s h 接线蓬 f i g 3 4n a n d f l a s hw i r i n gd i a g r a m 耳祷带面上应用夜嵌入式领域_ 熬要有两种类溅的闪速存储器，n o r 型和n a n d 型。 这嚣类溺存各考囊长，n o r 鳖隧糗读取鳕速震魄较决，擦豫孝拜写入速度魄较援。困筵 适合用予程序的读取。般n o r 闪存的接口和e p r o m 相嚼，都有单独的地址，数据 和控制线，便于直接读取；可