（计算机应用技术专业论文）无人职守基站远程监控系统的设计与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 我国近海渔业安全救助通信网由于诸多原因停止运行已有数年，近海渔业安全救助 通信网关系到广大渔民的生命财产安全，也是近海渔业日常通信重要平台，因此恢复和 升级改造的要求十分迫切。论文结合近海渔业安全救助通信网升级改造项目的实际需 求，借鉴国内外相关经验和技术，设计并实现了近海渔业安全救助通信网无人职守基站 远程监控系统。基于此系统，近海渔业安全救助通信网升级改造项目得以成功实施。 论文在项目要求的基础上，参考当前嵌入式与远程监控的理论和技术，根据客户机 朋务器模型实现了系统总体设计。系统主要由控制中心客户端、通信网络、基站服务端 以及近海渔船电台四部分组成，客户端与服务端基站控制器通过计算机网络进行通信来 实现对基站设备的远程监控，基站设备与渔船通过无线电波通信，进而实现对渔船的监 控以及与渔船的通信。论文重点阐述了服务端基站嵌入式控制器的软硬件设计与实现， 对控制中心客户端软件的设计和实现也进行了必要的阐述。 根据嵌入式系统工程理论，针对应用需求构建了服务端的系统软硬件支持平台，依 次完成了基站控制器硬件电路的设计与实现、启动引导程序的移植、l i n u x 内核的定制、 根文件系统的构建以及基站控制器扩展电路驱动程序的设计和实现。 根掘系统分析与设计，实现了服务器软件与客户端的应用层软件。其中针对系统存 在多个客户端的情况，利用多线程和s o c k e t 套接字等技术设计并实现了基于四级优先级 别控制权限的分配方案以及相应的控制信息通信；针对设备控制信息的传输，设计并实 现了相应的封装协议，保证了信息的可靠传输；针对音频通信的要求，实现了服务端和 客户端音频数据的实时采集和播放，根据音频数据网络实时传输的需要合理地设计并实 现了音频数据压缩解压方案；构建了相应的模拟测试环境，测试结果表明系统运行良好， 取得了预定的效果。 关键词：嵌入式系统；客户机服务器模型；l i n u x ；驱动程序；远程监控 大连理工大学硕士学位论文 t h e d e s i g na n di m p l e m e n t o fr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mf o r u n s u p e r v i s e db a s es t a t i o n a b s t r a c t n es a f es a l v a g ei ni n s h o r ef i s h e r yc o m m u n i c a t i o nn e th a ss t o p p e df o rs e v e r a ly e a r s f o rv a r i o u sr e a s o n s ，b u ti tc o n c e r n st h es a f e t yo fn u m e r o u sp i s c a t o r i a ll i v e sa n dp r o p e r t i e s ，a t t h es a m et i m e ，i ti sav e r yi m p o r t a n tp l a t f o r mo fi n s h o r ef i s h e r yd a i l yc o m m u n i c a t i o n ，a n dt h e d e m a n dt h a tr e c o v e rt h es a f es a l v a g ei ni n s h o r ef i s h e r yc o m m u n i c a t i o nn e ti sv e r yu r g e n t t h ep r o m o t i o na n dt r a n s f o r m a t i o ni sv e r yu r g e n tt o o a i m i n ga tt h ed e m a n da b o u tt h ep r o j e c t o fp r o m o t i o na n dt r a n s f o r m a t i o nf o rn es a f es a l v a g ei ni n s h o r ef i s h e r yc o m m u n i c a t i o nn e t d e s i g na n di m p l e m e n tt h er e m o t ec o n t r o ls y s t e mo fu n s u p e r v i s e db a s es t a t i o nf o r t h es a f e s a l v a g ei ni n s h o r ef i s h e r yc o m m u n i c a t i o nn e tb ys t u d y i n gt h ec o r r e l a t i o ne x p e r i e n c ea n d t e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d b a s e do n t h es y s t e m ，t h ep r o i e c to fp r o m o t i o na n d t r a n s f o r m a t i o nf o r1 n h es a f es a l v a g ei ni n s h o r ef i s h e r yc o m m u n i c a t i o nn e ti ss u c c e s s f u l l y i m p l e m e n t e d 1 r h ei n t e g r a t e dd e s i g no ft h es y s t e mi si m p l e m e n t e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h e p r o j e c ta n dt h ec l i e n t s e r v e rm o d e ，a tt h es a m et i m e ，t h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fe m b e d d e d a n dr e m o t ec o n t r o li su s e dt o o t h es y s t e m m a i n l yc o n s i s tw i t hf o u rp a r t s ，s u c ha sb a s es t a t i o n s e r v e r 、c o n t r o lc e n t e rc l i e n t 、c o m m u n i c a t i o nn e ta n di n s h o r ef i s h i n gv e s s e l t h m u i g ht h e c o m m u n i c a t i o no nt h ec o m p u t e rn e t w o r kb e t w e e nt h ec l i e n ta n ds e r v e r , t h ec l i e n tc a l l c o n t r o lt h ed e v i c eo fb a s es t a t i o n t h ed e v i c e so fb a s es t a t i o nc o m m u n i c a t ew i t hi n s h o r e f i s h i n gv e s s e lb yr a d i ow a v e ，s ot h ec l i e n tc a nm o n i t o rt h ef i s h i n gv e s s e la n dc o m m u n i c a t e w i t ht h ef i s h i n gv e s s e l t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c et h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fe m b e d d e d r e m o t eb a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ss o f t w a r ea n dh a r d w a r ef o rs e r v e r , a tt h es a m et i m e ，t h e d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fc l i e n ts o f t w a r ef o rc o n t r o lc e n t e ri si n t r o d u c et o o a c c o r d i n gt ot h ee m b e d d e ds y s t e me n g i n e e r i n g st h e o r y ，c o m p l e t et h ed e s i g na n d r e a l i z a t i o no ft h eh a r d w a r ec i r c u i t a la b o u tb a s es t a t i o nc o n t r o l l e r 、t h et r a n s p l a n t a t i o no f b o o t s t r a pp r o g r a m 、t h ec u s t o m i z a t i o no fl i n u xk e m e l 、t h ec o n s t r u c t i o no fr o o tf i l es y s t e m a n dt h ed e s i g na n dr e a l i z eo ft h ec o r r e s p o n d i n gd r i v e rp r o g r a mf o rt h eb a s es t a t i o nc o n t r o l l e r e x t e n d e dc i r c u i ts t e pb ys t e p a c c o r d i n gt 0t h ea n a l y s i sa n dd e s i g no ft h es y s t e m t h es o f t w a r eo ft h es e r v e ra n dc l i e n t a r ei m p l e m e n t e d a i m i n ga tt h ec o n d i t i o nw h i c he x i s tm u l t ic l i e n t si nt h es y s t e m , t h e d i s t r i b u t i o no fc o n t r o lp r i v i l e g ei si m p l e m e n t e db yu s i n gm u l t i - t h r e a da n ds o c k e tt e c h n o l o g y a i m i n ga tt h ee q u i p m e n tc o n t r o l l i n gi n f o r m a t i o n st r a n s m i s s i o n ，t h ec o r r e s p o n d i n gp a c k a g i n g i i i 无人职守基站远程监控系统的设计与实现 p r o t o c o lf o r t h ec o n t r o l l i n gi n f o r m a t i o n i sd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e d a i m i n ga tt h er e a l t i m e c o m m u n i c a t i o no fa u d i od a t a , t h ea u d i od a t a sr e a l - t i m ec o l l e c t i n ga n dp l a y i n gi nt h es e r v e r a n dc i l e n ta r ei m p l e m e n t e d ，a tt h es a m et i m e ，as c h e m ea b o u ta u d i od a t ac o m p r e s s i o na n d d e c o m p r e s s i o ni sr e a s o n a b l yd e s i g n e da n di m p l e m e n t e da c c o r d i n gt ot h en e e d so ft h ea u d i o d a t at r a n s m i s s i o no nn e t w o r k ak i n do fs i m u l a t i o nt e s t i n ge n v i r o n m e n ti s d e s i g n e d t h e r e s u l to ft e s t i n gs h o wt h a tt h es y s t e m sp e r f o r m a n c ei s v e r yg o o da n dt h er e s u ri s p r e d e t e r m i n e d k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；c l i e n t s e r v e rm o d e l ；l i n u x ；d r i v e rp r o g r a m ：r e m o t c m o n i t o r i n g i v 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： 粹日期：竺盟车灿 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掂、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 趔哇 导师签名：4 盔 吐年旦月卫日 大连理工大学硕士学位论文 引言 2 1 世纪是国际公认的“海洋世纪”，完善对海洋的管理和利用对我国有举足轻重的 作用，因而加快渔业管理现代化步伐、改善渔业通信手段、加强和完善渔业安全的要求 十分迫切。近海渔业安全救助通信网是海洋渔业短波安全通信网、超短波( 近海) 渔业通 信网、渔业船舶船位监测网和c d m a 公众移动通信网“四网合一”的海洋渔业安全通 信网的重要组成部分。近海渔业安全救助通信网升级改造项目主要针对1 9 9 6 年农业部 投资建设的1 2 1 座全国近海渔业安全救助通信网岸台进行重新规划，调整布局，更新通 信设备，恢复和完善超短波渔业通信网，解决近海渔船的安全通信和日常通信。 总体来看，我国的近海渔业安全救助通信网经历了如下几个阶段。 改革开放以前，沿海渔业生产方式是集体生产，渔业通信方式主要依靠渔业生产部 门和管理机构设立的“生产指挥调度网”。改革开放以后，渔业生产方式逐步转变成个 人、家庭生产，原有的“生产指挥调度网”职能逐步弱化，渐渐消亡。但渔业生产船舶 数量巨大、船况复杂、小型船舶多，因此安全形势非常严峻。面对这种情况，农业部于 1 9 9 5 年1 1 月丌始建设“近海渔业安全救助通信网”( 简称“安全网”) ，1 9 9 7 年建成。 “安全网”在全幽沿海地区共有基站1 2 1 个，理论上可以为海岸线5 0 海罩以内的渔船 提供安全通信保障、气象与海况预报及紧急警报等服务。“安全网”统一使用3 3 0 0 m h z 呼叫频道，采用9 0 一a 岸台和9 0 一c 电台无线电通信系统。船、岸台具有单机全频段多信 道、双频道职守、优先自动求救、无中心选择空闲信道进行选呼、群呼、全呼、记忆扫 描接收等功制”。在“安全网”开通初期，“安全网”在近海渔业安全生产中发挥了较 大作用。但由于管理和维护困难，再加上“安全网”没有充分和国际水上安全通信标准 接轨，安全网的作用逐步弱化，大部分基本停运。 为了扭转这一局面，2 0 0 2 年以后各地相关部门开始探索新的途径解决近海渔船的安 全通信问题，做了大量研究和探索工作。主要有两个方向：一是借鉴日本和韩国等海洋 经济发达国家的经验和移动通信运营商合作，通过先进的远距离超远距离移动基站覆盖 技术完成近海5 0 - 1 0 0 海里以内的通信，控制中心的系统将兼容其通信系统传来的报警 数据。二是借助短波和超短波技术，辅以网络技术的应用，利用网络通信功能通过控制 中心远程监控无人职守基站1 2 】。 对于和移动通信运营商合作这个方向有不少的便利条件。 首先是当前移动通信终端，即手机现在十分普及，并且成本也不高。 同时移动通信网络比较完善，移动通信运营商先进的远距离，超远距离移动基站覆盖 技术完全可以实现近海5 0 - 1 0 0 海里以内的通信【3 1 。 无人职守基站远程监控系统的设计与实现 这些便利条件对项目建设节省不少的成本，包括项目设备费用以及设备维护费用。 但是也不能完全满足近海渔业安全救助通信网的功能和要求，主要体现为如下几点： ( 1 ) 利用移动通信网络，可以一定程度上解决通信问题，但是渔业相关部门利用移 动通信网络集中监控渔船的难度大，可操作性不强，可行性低，对渔业相关部门组织安 全救助工作造成不便。 ( 2 ) 利用移动通信网络通信，增加了渔民的通信费用，渔民的活动范围不确定，这 样通话费用将对渔民造成一定的负担，同时对渔船原有的通信设备也是一种浪费。 ( 3 ) 利用移动通信网络通信需要移动通信运营商的合作，这样系统得复杂度提高 了，对系统的稳定性也是一个考验。同时系统的日常管理和维护需要多个部门的协调配 合，在人为上也将造成定的困难。 ( 4 ) 不利系统的保密性和安全性。 针对这些问题，确定以已有近海渔业安全救助通信网为基础，主要以第二个方向为 主，自主研发设计相关设备，如基站控制器和有无线转接器等，更新一些通信设备，如 基站天线等，结合计算机网络技术，包括d d n 专线、a d s l 以及无线局域网等，对近 海渔业安全救助通信网进行全面的升级和改造。同时也与移动通信运营商进行合作，如 利用沿海移动网络的基站安装近海渔业安全救助通信网的基站设备以节约成本和缩短 工程时间，利用中国移动公司或者中国联通公司的移动网络的基站来实现将部分渔船的 通话转接到市话网络，即渔船可以和手机或座机通话。这样增加了系统得灵活性以及用 户的方便性，同时也不会增加太多的用户通信成本【4 1 。 升级和改造后的近海渔业安全救助通信网中，无人职守基站的远程监控是系统的关 键部分，论文对此进行了详细的阐述。在对系统进行了充分的研究和分析后，确定了系 统的软硬件设计方案。以基站控制器为核心，结合嵌入式技术、监控技术、计算机网络 通信技术以及多媒体音频实时传输技术等，成功地设计并实现了无人职守基站远程监控 系统。基站控制器的软硬件设计和实现是系统的重点，控制器的嵌入式处理器采用比较 先进的a r m 9 处理器，控制器软件开发基于开源且功能强大的l i n u x 操作系统【5 】。在无 人职守基站的远程监控系统中，操作人员通过客户端控制软件把控制命令等数据发送给 基站控制器并从控制器获得基站设备的现场工作信息，进而实现对基站设备的控制以及 对近海渔船的监控1 6 l 。同时，客户端与基站控制器进行实时音频数据传输，实现了控制 中心与渔船的通话功能。另外，实时音频数据传输也用于控制中心发布海况气象等信息 以及组织海难救援等工作。服务端控制器软件运行环境是l i n u x ，稳定性与可靠性的要 求比较严格，对资源的使用要求也比较严格。客户端软件运行环境是w i n d o w s ，采用图 大连理工大学硕士学位论文 形化交互界面，方便用户使用。客户端软件与控制器软件联系密切，首先设计并实现了 服务端软件，结合服务端和w i n d o w s 软件开发方法和特点设计和实现了客户端软件。 论文从系统的底层硬件、底层软件直至上层应用软件逐步对近海渔业安全救助通信 网基站远程监控系统的设计与实现进行了较为详细的论述，全文大致分为如下几个部 分： ( 1 ) 系统总体结构分析。对系统的需求和系统建成后的功能和特点进行了充分的 分析，在此基础上完成了系统的设计，包括系统结构的设计和解决方案的确定。 ( 2 ) 基站控制器硬件系统设计。嵌入式核心板是控制器的核心部分，在嵌入式核 心板的基础上设计和实现了控制器核心电路和扩展电路川。 ( 3 ) 控制器l i n u x 系统构建。首先实现控制器启动引导软件的移植，在此基础上 为控制器定制了l i n u x 内核以及根文件系统【”。 ( 4 ) 控制器设备驱动程序丌发。针对系统特定的外围电路设备，设计并实现了相 应的驱动程序凡 ( 5 ) 系统应用层软件设计。结合系统设计和应用的特点，首先实现了系统服务器 端即控制器的应用软件，然后结合服务端软件实现了客户端的应用软件，保证了控制信 息与基站设备现场工作信息的安全与_ f 确传输，同时还实现了获得的现场信息的人性化 显示以及音频数掘的实时网络传输【1 0 】。 一3 一 无人职守基站远程监控系统的设计与实现 1系统分析与总体设计 首先根据实际需要，对系统应具备的主要功能和特点进行分析，由此构建系统的总 体结构，并对系统关键部分服务端嵌入式控制器系统层次进行了划分。 1 1 系统功能与总体结构 1 1 1 系统功能分析 无人职守基站远程监控系统是近海渔业安全救助通信网升级改造的关键部分，针对 项目要求，系统需要完成的主要功能如下： ( 1 ) 对基站9 0 - - a 电台以及u p s 电源等设备的远程控制； ( 2 ) 对基站设备的供电的控制； ( 3 ) 通过基站9 0 - a 电台与船台通信，实现对渔船的监控以及与渔船通话等功能； ( 4 ) 通过基站9 0 a 电台向船台广播信息，如发布天气、新闻以及突发海难事件等； ( 5 ) 基站设备死机后的自恢复，保证系统的可靠性和稳定性； ( 6 ) 其它，比如渔船遇险报警以及救援组织等功能。 其中对基站设备的远程监控是系统核心，其它功能大部分基于这一功能来实现。因 此，在无人职守基站需要有一个智能设备来控制各种基站设备，可以使用微机或者单片 机等。在控制中心，使用微机通过数据链路与无人职守基站的设备控制装置相连，控制 中心计算机软件模拟近海渔业安全救助通信网基站设备的控制面板，操作人员通过此软 件远程控制基站设备、获取渔船信息以及同船台通话等，控制中心和基站均有多个。 1 1 2 系统结构与组成 根据以上功能分析，确定建成后的近海渔业安全救助通信网无人职守基站远程监控 系统模型如图1 1 所示。 系统主要由控制中心、无人职守基站、数据链路以及船台等部分组成。控制中心由 高到低分全国、省、市和海区四个级别。全国级的使用极少，海区级使用频繁。省、市 两级偶尔使用。无人职守基站是各级控制中心与船台通信的枢纽。基站与船台通过无线 电波通信，而基站控制器与控制中心通过数据链路通信。 控制中心与基站控制器的通信是实现远程监控基站以及与渔船实现通讯的关键。可 以选择的通信方式有许多，比如使用利用移动通信技术或者使用卫星通信技术实现控制 中心与基站控制器的通信，但这样成本太高，也增加了系统的复杂度，影响系统的稳定 性。考虑到大部分基站与海区控制中心距离较近，可以组建局域网，在网线不方便到达 一4 大连理工大学硕士学位论文 的网段，采用无线局域网技术解决网络连接的问题，局域网通过路由器连接到i n t e r n e t 。 高级别的控制中心距离基站较远，通过i n t e r n e t 与控制器通信【1 1 1 。 图1 1 系统模型 f i g 1 1 m o d e lo fs y s t e m 1 1 3 系统软件设计概述 系统软件采用c s 结构，即客户朋艮务器结构，其中控制中心为客户端，基站控制器 为服务端。客户端软件和服务端软件通信，服务软件代理操作人员控制基站设备。在系 统中，控制中心向控制器发出控制和查询等命令，由控制器把控制和查询命令传达给基 站设备，从而实现远程控制基站设备以及获取基站工作状态、近海渔船船位、船台通信 状态等。控制中心与控制器进行音频通信来实现与船台的通话以及发布消息。为了确保 控制准确无误，需要为控制中心计算机与基站控制器之间的数据传送制定一个合适的封 装协议，协议制定以安全、简便和实用为原则。 服务端控制器的工作环境比较苛刻，专用于基站来控制基站设备以及与客户端通 信，适合使用嵌入式技术实现。由于嵌入式系统的资源一般比较少，同时服务端对工作 稳定性和可靠性要求也很高，因此服务端软件结构应尽可能简洁，功能在满足需求的情 况下应尽可能少。服务端l i n u x 操作系统根据需要应进行最大可能的精减，应用软件基 于嵌入式l i n u x ，其设计和实现时均应尽可能进行优化。 一5 一 无人职守基站远程监控系统的设计与实现 近海渔业安全救助通信网控制中心软件作为系统的客户端，运行在p c 机上。相对 服务端控制器而言，p c 机系统资源丰富，比如齐全的外围硬件设备、强大的操作系统 以及丰富的软件资源，这样在p c 机上开发应用软件就不用过多地考虑底层的问题。同 时p c 机软件开发环境和工具也有很多选择，比如基于w i n d o w s 环境的软件开发工具如 v c + + 6 0 、v c n e t 等。控制中心软件使用v c + + 6 0 进行开发【1 2 1 。 1 2 基站控制器系统设计和层次划分 由于工作环境和应用特点等因素，基站控制器使用嵌入式系统技术设计和实现。嵌 入式系统以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁减，满足对功能、可靠性、 成本、体积和功耗等有严格要求的应用系统【”】。随着应用要求的提高，越来越多嵌入式 系统应用中要求支持网络和多任务，引入操作系统较好地实现了这些功能。l i n u x 操作 系统免费、开源、高度模块化以及可裁减性，在嵌入式领域使用广洌1 4 j 。根据嵌入式系 统开发的特点，控制器系统设计划分为四个层次，如表1 1 所示。 表1 1 基站控制器功能模块层次 t a b l 1f u n c t i o nm o d u l el e v e l so f b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r 层次 功能模块 应用层 与控制中心通信蒿雾渊黧麦嚣裂警命令的任务向 系统层l i n u x 基本系统命令、设置脚本、网络协议栈、系统库，音频支持库等 内核与驱动层l i n u x 内核，v i v i ，i i t d 驱动、电源管理驱动、指示灯驱动、音频驱动 硬件层 8 3 以4 1 怠i 雾娑苫娑吲骂裟麓鬟雾_ 差娄蔷竺量譬南耄鬈电路 ( 1 ) 系统硬件层 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，其运算速度和处理效率至关重要。本系统要实 现实时音频的采集、压缩、播放，音频数据、控制信息网络传输以及串口通信，要求处 理器的处理速度较高，支持m m u 单元。针对这些要求，选择基于a r m 内核、功耗和 成本都较低的3 2 位嵌入式处理器s 3 c 2 4 1 0 。 ( 2 ) i a n u x 内核与驱动层 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 内核由启动引导程序加载并启动，内核是l i n u x 系统的核心部分，其功能包括对进 程调度以及对内存、设备、文件等进行管理等，为系统层和应用层提供充分的支持。 l i n u x 高度模块化，支持大量的设备驱动模块，如m t d 驱动、串口、网络、音频 驱动等。l i n u x 内核针对不同嵌入式处理器提供常用的设备如f l a s h 存储设备、串口、 网卡等驱动程序模块。针对特定应用，编写与应用相关的驱动程序以使用特定设备。 ( 3 ) l i n u x 系统层 系统层包括系统基本应用程序( m o u n t ，m k n o d 等) 、启动配置脚本、网络协议栈、系 统库等，能较好地支持简化的s h e l l 、系统调用以及应用层程序等的需要。 ( 4 ) 控制器应用层 系统软件是应用软件的支撑，而应用层软件则是实现系统功能的部分。控制器应用 层软件作为系统的服务端，其中包括音频采集、处理以及播放模块，控制信息网络通信 模块，语音传输网络通信模块，设备控制与查询串口通信模块等1 1 5 】。 无人职守基站远程监控系统的设计与实现 2 基站控制器硬件设计与实现 基站控制器采用核心板+ 扩展板的设计模式。基于核心板和应用的要求，设计并实 现扩展板【1 6 】。 2 1 控制器和微处理器简介 2 1 1 控制器简介 控制器硬件框图如图2 1 所示。其中音频接口电路用于支持控制中心和船台的通话 功能，串口接口用于支持基站设备的控制，网络接口用于支持控制中心和控制器的数据 通信，复位电路用于系统的自恢复启动( 采用看门狗、5 1 单片机定时器以及5 1 单片机结 合特定音频信号三种方式实现) ，指示灯电路用于显示控制器工作状态，设备电源控制 电路用于关闭和开启基站设备。 图2 1 控制器硬件框图 f i g 2 1 f r a m eo f c o n t r o l l e r sh a r d w a r e 2 1 2 微处理器$ 3 0 2 4 1 0 简介 $ 3 c 2 4 1 0 是韩国三星电子公司推出的一款基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位r i s c 嵌 入式微处理器，工作频率达到2 0 3 m h z ，完全可以运行l i n u x 、w i n d o w sc e 等操作系 统以及进行较为复杂的信息处理。$ 3 c 2 4 1 0 资源丰富，如集成了s d r a m 控制器、n a n d f l a s h 控制器、3 个通道的u a r l4 个通道的d m a 、4 个具有p w m 功能的计时器和一 个内部时钟。$ 3 c 2 4 1 0 还有丰富的外部接口，如1 2 c 、i z s 、s p i 等接口。 2 2 控制器核心板 控制器核心电路采用北京博创公司的2 4 1 0 开发平台核心板，由s 3 c 2 4 1 0 、s d r a m 、 n a n df l a s h 、晶振以及电源等构成。核心板采用两片1 6 m 1 6 b i t 的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 8 一 大连理工大学硕士学位论文 s d r a m ，3 2 b i t 宽度，共6 4 m b 。s 3 c 2 4 1 0 通过片内的s d r a m 控制器来管理s d m w ， s d r a m 挂接在b a n k 6 上。n a n dh a s h 芯片k 9 f 1 2 0 8 存储大小为“m 8 b i t ，与 s 3 c 2 4 1 0 的n a n dh a s h 控制器接口相连接。核心板用m i c 5 2 0 7 电源芯片将3 3v 电压 转换为两组1 8 v 电压供内核使用。核心板上还有上拉电阻、滤波电容以及主、辅时钟 晶振等。核心板是一个可运行最小a r m 9 系统，通过标准s i m m 插座与扩展板连接， 具有较好的通用性，可作为不同产品开发设计的基础。核心板如图2 2 所示。 图2 2 核心板 f i g 2 2 k e r n e lb o a r d 2 3 控制器扩展板 扩展电路板在系统设计中具有十分重要的意义，它是在核心板的基础上针对具体应 用的功能扩展，需要电源控制电路、指示灯电路、扩展音频电路、网卡以及串口等，同 时也为最小系统提供一定的支持，如为核心板提供工作电源。扩展板如图2 3 所示。 图2 3 扩展板 h g 2 3e x t e n d e db o a r d 2 3 1 系统供电电路 系统供电电路分为两个部分：为控制器自身的运行需要设计的5 v 直流供电电路和 基站设备2 2 0 v 交流供电电源控制电路。 一9 无人职守基站远程监控系统的设计与实现 控制器工作电压为5 v 直流电压，由市电经变压整流电路得到。5 v 直流电压再经 l m l 0 8 5 3 3 v 电路得到3 3 v 直流电压。控制器多数芯片使用3 3 v ，音频电路使用5 v 。 控制器电源模块如图2 4 所示。 图2 4 控制器电源电路 f i g 2 4p o w e r c i r c u i to fc o n t r o l l e r 基站设备工作需要的是2 2 0 v 交流电源，直接使用市电作为电源，但是需要通过控 制器与继电器开关来控制基站设备的电源的接通和切断。通过控制器s 3 c 2 4 1 0 处理器的 g p b 5 引脚输出高电平或者低电平来闭合继电器开关或者打开继电器开关，这样就可以 控制基站设备的电源的接通和切断，电路如图2 5 所示。 ：吖拦壁至垂捣霈输出 图2 5 设备电源控制框图 f i g 2 5 p o w e rc o n t r o l l i n gf r a m eo f d e v i c e 基站使用u p s 作为备用电源，u p s 设备通过r s 2 3 2 串口与控制器通信。 2 3 2 音频接口电路 f z s 总线是飞利浦公司为数字音频设备之间的音频数据传输制定的总线标准，广泛 应用于各种多媒体系统，其信号线主要包括如下三类。 ( 1 ) s c k ( c o n t i n u o u ss e r i a lc l o c k ) ，串行时钟，用于同步串行传输的数字音频数据； ( 2 ) w s ( w o r ds e l e c t ) ，声道选择，用于切换左右声道； ( 3 ) s d ( s e r i a ld a t a ) ，i 毽上串行传输的数字音频数据。 $ 3 c 2 4 1 0 处理器提供对1 2 s 总线接口的支持。$ 3 c 2 4 1 0 处理器的1 2 s 总线控制器中 与i 2 s 总线接口相关的寄存器有i i s c o n 控制寄存器，i i s m o d 模式寄存器，i i s p s r 分 频寄存器等。s 3 c 2 4 1 0 处理器的1 2 s 数据传送支持普通模式和d m a 模式。s 3 c 2 4 1 0 处 理器与1 2 s 相关的引脚线有如下5 根。 ( 1 ) 串行数据输入i i s d i ，对应1 2 s 总线中s d 信号，方向输入； ( 2 ) 串行数据输出i i s d o ，对应1 2 s 总线中s d 信号，方向输出； ( 3 ) 左右通道选择i l s l r c k ，对应1 2 s 总线中w s 信号，即采样时钟； 大连理 大学硕士学位论文 ( 4 ) 串行位时钟i i s c l k ，对应1 2 s 总线中s c k 信号； ( 5 ) 音频系统主时钟c o d e c l k ，一般设置为位采样频率的2 5 6 或3 8 4 倍。 c 0 d e c u ( 通过对s 3 c 2 4 1 0 处理器的系统时钟进行分频获得，同时i i s l r c k 和 i i s c l ，k 也是通过这个分频器获得的，在程序中对分频寄存器进行相应得设定便可以获 取满足1 2 s 总线要求的时钟，其中分频因子可以设为1 1 6 。$ 3 c 2 4 1 0 处理器的1 2 s 总线 控制器中有两个分频器，既分频器a 与分频器b ，它们由i i s p s r 寄存器来控制。i i s p s r 寄存器的0 到4 比特位控制分频控制器b ，5 到9 比特位控制分频控制器a 。 音频处理芯片采用飞利浦公司生产的u d a l 3 4 1 。音频处理芯片u d a l 3 4 1 可以对输 入的模拟音频信号进行编码，获得相应的数字音频数据并通过1 2 5 总线发送出去，同时 可以接受数字音频数据，解码生成模拟音频信号并通过输出到输出接口。音频处理芯片 u d a l 3 4 1 提供2 组音频信号输入线，1 组音频信号输出线，1 组i 2 s 总线接口信号线和 1 组l 3 总线接口。其中i i s 总线接口线包括时钟输入b c k 、字选择输入d a t a i 、数据 输出d a t a o 和音频系统时钟s y s c l k 信号线。l 3 总线接口包括微处理器接口数据 l 3 d a t a 、微处理器接口模式l 3 m o d e 、微处理器接口时钟l 3 c l o c k 三根信号线。 $ 3 c 2 4 1 0 的1 2 s 接口引脚与u d a l 3 4 1 相应引脚连接，如图2 6 所示，框中引脚与 $ 3 c 2 4 1 0 的相应引脚连接。l i n ei n 和m i ci n 输入音频信号，p h o n e ，输出音频信号。 函 蔓 图2 6 音频输入与输出电路原理图 f i g 2 6 s c h e m a t i co f a u d i oi na n da u d i oo u t 无人职守基站远程监控系统的设计与实现 2 3 3 异步串行接口t l a r t 电路 $ 3 c 2 4 1 0 处理器支持3 个独立的异步串行通信接口u a r t ，每一个接口都可以基于 中断模式或者基于d m a 模式下工作，也就是说每个u a r t 都可以产生一个中断或者 d m a 请求来在c p u 与u a r t 之间传送数据。每个u a r t 波特率可编程，数据宽度为5 ， 6 ，7 ，或8 位，一个或两个停止位，一个奇偶校验位。每个u a r t 通过t x d n 引脚发送 串行数据给与其相连的外设，通过r x d n 引脚接受与其相连的外设送来的串行数据。 $ 3 c 2 4 1 0 的u a r t 接口通过m a x 3 2 2 2 进行电平转换，然后采用d b 9 标准接口用来与 外设连接。$ 3 c 2 4 1 0 的u a r t 的电平转换电路和设备转接口d b 9 接口如图2 7 所示。 c 1 0啪 m 越嚣2 c1v c o ( t l d 口t i r 1 ， 置：0 e e o zt ： 曼：r ：o c 图2 7 电平转换和d b 9 接口 f i g 2 7 e l e c t r i c a ll e v e lc o l l v e r t i n ga n dd b 9i n t e r f a c e 2 3 4 指示灯电路 在对基站控制器进行调试的时候，需要一个界面来显示控制器的工作状态。同时有 不能增加系统的复杂性，使用发光二极管的的暗与亮来输出相应的运行状态。使用 s 3 c 2 4 1 0 处理器的i o 引脚g p b 4 、g p b 3 、g p b 2 、g p b l 、g p b 0 来控制五个发光二极 管，每个发光二极管的发光状态对应基站控制器一种操作的状态。$ 3 c 2 4 1 0 处理器的i o 引脚输出电平的高低可以控制其发光或者不发光，即显示控制器处于什么样的工作状况 下【1 7 1 。 2 3 5 以太网接口电路 控制器的网络接口电路采用以太网控制器a x 8 8 7 9 6 ，a x 8 8 7 9 6 是由台湾a s i x 公司 推出的款n e 2 0 0 0 兼容的快速以太网控制器。其内部集成有1 0 1 0 0m 自适应的物理层收 发器和8 k * 1 6 位的s r a m ，支持m c s 5 1 系列，8 0 1 8 6 系列以及m c 6 8 k 系列等多种c p u 总线类型并且提供了i e e e s 0 2 3 u 兼容的媒体独立接口m i i ( m e d i ai n d e p e n d e n t i n t e r - f a c e ) ，c p u 可以通过总线或m i i 两种连接方式实现对a x8 8 7 9 6 的操作。方便开 大连理工大学硕士学位论文 发人员对硬件的选型和设计过程。a x 8 8 7 9 6 的地址总线s a 9 ：0 与数据总线s d 1 5 ：0 分 别与c p u 的地址数据总线相连。c p u 通过姻读写n e 2 0 0 0 寄存器来控制a x 8 8 7 9 6 的 工作状态，通过远程d m af i f o s 与a x 8 8 7 9 6 的内部缓存s r a m 进行数据交换。s r a m 与m a c 核之间进行l o c a ld m a 将数据发送至m a c 层，再经由内部的p h y 层发送至 r j 4 5 接口，或者经过m 1 1 接口送至外部的物理层芯片。s e e p r o m 接口可以用来连接串 行e e p r o m 。e e p r o m 可用于存储m a c 地址，供a x 8 8 7 9 6 每次初始化时读取。a x 8 8 7 9 6 芯片的内部结构如图2 8 所示【墙】。 图2 8a x 8 8 7 9 6 芯片的内部结构 f i g 2 8 i n t e r n a ls t r u c to f a x 8 8 7 9 6c h i p $ 3 c 2 4 1 0 与芯片a x 8 8 7 9 6 的相应总线接口相连接，是系统网络通信功能实现的基 础。以太网控制芯片a x 8 8 7 9 6 基于n e 2 0 0 0 以太网控制器规范，a x 8 8 7 9 6 上运行由芯片 生产公司提供的程序，这个程序也满足n e