（计算机软件与理论专业论文）基于arm7的无线温度监控系统的下位机开发.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 温度监控系统是现代工业应用中一个典型的、应用极其广泛的系统。而对 于某些特定的场合由于监控中心与监控子站的通信距离较远、监控子站比较分 散，利用有线通信需铺设专门的通信线路，使得系统的造价很高。随着嵌入式 技术和网络技术的发展和应用，充分结合两种技术优势的远程数据采集终端正 在不断地被研究和开发。本文即是此背景下，综合以往远程数据监控终端的优 缺点，对基于a r m 的远程数据采集智能终端予以研究和实现。该终端在a r m 7 下用a d 模块进行数据采集并通过r s 2 3 2 进行传输、在l c d 上显示；在g p r s 接入方式下使用g p r s 无线数据传输模块通过g p r s 网络接入互联网；接入后 则可向远程控制中心发送用户终端据信息或者以短信方式将数据发送到相关管 理员的手机。本文研制的远程数据监控终端可广泛地应用包括温湿度、环保、 气象等数据远程采集场合。本文主要做了以下研究工作： 1 、对硬件资源进行了整合，使之具备了满足使用需求的最小系统硬件资源。 包括a d 转换器、开关量、l c d 液晶显示屏、按键和g p r s 通信模块等。 2 、运用多任务实时操作系统可以有效的组织多个任务的处理，本文对 g c o s i i 操作系统进行了移植，并在该操作系统里完成了温度监控系统的下位 机程序。 3 、设计了温度监控系统的串口通信协议。 4 、采用g p r s 通信方式，实现了用短信方式的人机互动。 5 、实现了l c d 图形显示和键盘输入控制的交互功能。 通过以上工作，建立了一个功能齐全，实时可靠，基于嵌入式系统的远程 温度监控系统。 关键字：a r m 7 ，t t c o s i i ，g p r s 无线模块，温度监控 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t e m p e r a t u r em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mi sac l a s s i ca n dw i d e l yu s e d a p p l i c a t i o ni nm o d e r ni n d u s t r y h o w e v e r , f o rs o m ec e r t a i ns p e c i a lo c c a s i o n s ，a st h e c o m m u n i c a t i o nd i s t a n c eb e t w e e nt h es u r v e i l l a n c ec e n t e ra n dt h es u r v e i l l a n c es u b s i t e s i ss of a ra n dt h es u r v e i l l a n c es u b s i t e sa r ed i s p e r s i v e ，t h ec o n s t r u c t i o nc o s tw i l lb es o 1 1 i g h t o p a v e t h e s p e c i a lc o m m u n i c a t i o nl i n e sa n de q u i p m e n tw i t hw i r e d c o m m u n i c a t i o n s w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n dt h ea p p l i c a t i o no fe m b e d d e dt e c h n o l o g y a n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r er e m o t ed a t aa c q u i s i t i o nt e r m i n a l sa r eb e i n g r e s e a r c h e da n dd e v e l o p e dw i t hf u l lc o m b i n a t i o no ft h o s et w ot e c h n o l o g y a g a i n s tt h e a b o v eb a c k g r o u n d ，t h ep a p e ri m p l e m e n t st h er e m o t ed a t aa c q u i s i t i o nt e r m i n a lb a s e d o na r m c o m p a r i n gt h em e r i ta n dd e m e r i to ft h ef o r m e rr e m o t ed a t aa c q u i s i t i o n t e r m i n a l s t h i st e r m i n a la c q u i r e sd a t af r o ma dc o n v e r t e r , a n dt r a n s m i t st h ed a t aw i t h r s 一2 3 2 ，d i s p l a yt h ed a t ao nl c db a s e do na r m 7 w i t ht h ea c c e s sf o r mo fg p r s ， t h eg p r sw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nm o d u l ec a na c c e s st h ei n t e r n e tt h r o u g ht h e g p r sn e t w o r k t h e nt h et e r m i n a lc a ns e n di n f o r m a t i o nt ot h es u r v e i l l a n c ec e n t e ro r t h em o b i l e p h o n eo ft h ei n t e r r e l a t e dm a n a g e rb ys h o r tm e s s a g e s t h er e m o t et e r m i n a l o fd a t am o n i t o r i n ga n dc o n t r o lw o u l db ew i d e l yu s e di nt h ed a t aa c q u i s i t i o no f t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ym o n i t o r i n g , e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dm e t e o r o l o g y t h i sp a p e re n c o m p a s s e ss e v e r a lm a j o rt o p i c s ： 1 t h ei n t e g r a t i o no fh a r d w a r er e s o u r c e ，i ti sa b l et of u l f i l lt h el e a s ts y s t e m h a r d w a r er e s o u r c er e q u i r e m e n t s ，i n c l u d i n ga d ，s w i t c h i n gv a l u e ，l c d ( l i q u i dc r y s t a l d i s p l a y ) ，k e y b o a r d ，g p r sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e 2 t a k i n gu s eo fm u l t i p l et a s kr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mc a na r r a n g et h et a s k s e f f e c t i v e l y , t h i sp r o j e c tt r a n s p l a n t st h eo p e r a t i n gs y s t e mi _ t c o s - i i ，a n di m p l e m e n t s t h ep r o g r a mo ft h es l a v e c o m p u t e ro ft h et e m p e r a t u r em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m i nl a c o s i i 3 t h i sp a p e rd e s i g n e dt h es e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lo ft h et e m p e r a t u r e m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m i i 武汉理工大学硕士学位论文 4 t h ep r o j e c tt a k e su s eo fg p r st oi m p l e m e n tt h eh u m a n - m a c h i n e i n t e r a c t i o n b ys h o r tm e s s a g e s 5 i ti m p l e m e n t st h eg r a p h i cd i s p l a yo fl c d ，a n dt h ei n t e r a c t i o nf u n c t i o no f k e y b o a r d f r o mt h ea b o v e ，t h ep r o j e c tb u i l d saf u l l f e a t u r e d ，r e a l t i m e ，r e l i a b l er e m o t e t e m p e r a t u r em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do i le m b e d d e ds y s t e m k e yw o r d s ：a r m 7 ， t c o s i i ，g p r sw i r e l e s sm o d e l ，t e m p e r a t u r em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。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谢意。 签名：逖日舻幽! ! ! 兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：蠡缝导师签名 ( 注：此页内容装订在 确谢： v 寸扉雨、 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题背景、目的及意义 监控系统是系统地对人( 或设备) 进行监督、控制的一系列设备，是许多重要 场所诸如电力、邮电、银行、油田、煤矿、交通、路灯、安防、商场、环境监 测等需要信息广泛交流企业的生产与管理的必备系统【i 】。 在实际应用中，往往有大量分布广泛的现场数据需要被远程采集传输，如 何建立起实用性强、覆盖面广、灵活性好的远程数据采集系统，满足各方面对 监测信息的需求，成为一个重要的问题。比如，对于某个需要对温度进行监测 和控制的监控点，可以通过监控系统实现远程数据调用，对各种机器进行远程 控制等。为了更加方便和迅速，无线监控系统在无人时能很便捷的知道一些数 据或者报警信息等，需要时能自动向监视人员发出警告或者其他信息。 随着社会的进步和工业技术的发展，人们越来越重视温度因素，许多产品 对温度范围要求严格，温度的检测和控制是一个经典的课题，生活中的各个领 域里经常需要检测和控制某一特定环境的温度，使之能够稳定在一定的温度范 围之内。这就要求系统对温度的检测具有足够的精度和实时性，控制要有足够 的精度，并且尽可能具有较低的成本，这样的产品才具有实用价值。目前普遍 存在的温度检测系统大都是人工守在p c 机前观察，一旦人离开监控系统现场， 就没有及时的信息传递，不利于工作人员离开现场后系统产生的报警等实时数 据的接收。不利于工业控制者根据温度变化及时做出相应的决定。在这样的形 式下，开发一种能够用手机短信的形式控制和接收温度的实时信息，可以及时 得到受控点的温度信息并做出相应的处理。 本课题是针对一些对温度进行监视的地方实现管理上的自动化、网络化及 有时“无人值守 这样的要求提出来的。 1 2 国内外研究现状分析 目前国内外出现的远程温度监控系统有有线网络监控和无线网络监控两种 武汉理工大学硕士学位论文 远程监测模式。有线网络监测方式是上位机通过串口( r s 2 3 2 或r s - 4 8 5 网络) 采集到下位机的温度数据通过调制解调器或i n t e f n c t 传到中心站。现有的无线远 程监控系统采用无线通信技术，分为利用专用无线收发设备建立无线局域网和 利用现有可借用的无线通信网络( g s m g p r s 、c d m a 移动网等) 。 现有的专用无线技术网络有、a n 厂w n 压a x ，b l u e t o o t l l z i g b e e 等，这种设计 实现方式结构简单，且无须向网络运营商付费，利用专网，安全性高。无线传 输以微波作传输媒体，根据调制方式的不同，可分为扩展频谱方式和窄带调制 方式两种。扩展频谱方式系统的抗干扰能力和安全性高，对其它电子设备的干 扰小。窄带调制方式占用频带少，频带利用率高；通常选择专用频段，需要申 请；相邻频道间影响大，通信质量、通信可靠性无法保耐2 1 。采用专用无线收发 设备建立无线局域网的无线收发设备一般是无线m o d e m 。无线m o d e m 与监 测站和控制中心之间采用r s 一2 3 2 通信。其中在无线网两端的有线网络是可取舍 的，可以是以太网、令牌环网或点对点网络等本地局域网，也可以是城域网， 甚至是i n t e r n e t 网络，但使用时须考虑安全性和费用问题。 可以借用的无线网络主要有：全球数字移动电话系统( g s m ，g l o b a ls y s t e m f o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 、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 o s e r v i c e ) 、采用码分多址( c d m a ，c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术的移动网、 蜂窝式数字分组数据( c d p d ，c e l l u l a rd i 西t a lp a c k e td a t a ) 系统等。为使监控中心 与监测站间的无线通信能利用现有的网络，对于特定的无线网络需用相应的接 入设备。这类设备市面上有现成的产品可供选择。接入g s m 网络的通信模块有 西门子的t c 3 5 i ，接入g p r s 可用西门子的m c 3 5g p r s 模块，接入c d m a 网 络的在市场上也有很多c d m a 模块，遵循c d p d ( c e l i u l a rd i g i t a lp a c k e td a t a 蜂 窝数字分组数据) 方式的无线调制解调器( m o d e m ) 也有很多。利用可以借用的网 络组建无线远程监控系统中，无线接入模块产品一般都提供有r s 2 3 2 作为外通 信接口，有些天线是内置的。利用现有的网络覆盖面广和可漫游等特点，使监 测站和控制中心的位置不受距离的限制；但由于利用公网，就要涉及到通信费 用，在网络繁忙阶段实时性也会有所下降2 | 。 国内外目前g p r s 远程数据采集终端主要采用“单片机+ g p r s 模块 的模 式实现。此方案的优点是硬件成本较低，但因为硬件功能比较有限，在协议的 开发和支持上都有一定难度，因此只能实现少量的应用功能。随着高性能嵌入 式处理器的出现及其价格成本的逐步降低，“高性能嵌入式微处理器+ g p r s 模 2 武汉理工大学硕士学位论文 块 的模式应运而生，此方案虽然硬件成本稍高，但由于高性能嵌入式微处理 功能已经越来越强大，基本上达到了通用微处理的标准，在今后将有逐步取代 单片机的趋势。该方案实现的终端系统的组成涉及到以下几个部分：处理器、 存储器、g p r s 模块、数据采集部分以及与硬件紧密结合的软件部分。这几部分 的技术发展现状如下： 处理器的发展：目前嵌入式处理器有4 类：嵌入式微控制器( m i c r oc o n t r o l l e r u n i t ，m c u ) 、嵌入式d s p 处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , d s p ) 、嵌入式微处理器 ( m i c r o p r o c e s s o ru n i t , m p u ) 、嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) t 3 1 。嵌入式 微控制器的典型代表是单片机，它是目前嵌入式系统工业的主流，而近两年通 用3 2 位的高性能嵌入式微处理器已经成为主流。其处理速度越来越高，硬件性 能得到大力提高。并且高性能嵌入式微处理器大都集成了相当多的端口硬件资 源，硬件的扩展和设计大大的简化。目前最有影响的3 2 位嵌入式微处理器有 a r m 公司( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) 的a r m ，a r m 处理器具有高性能低功耗、 低成本等显著优点，已成为目前3 2 位嵌入式微处理器中应用最为广泛的一个系 列。嵌入式d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，d s p 处理器对系统 结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法，编译效率较高，指令 执行速度也较高。在数字滤波、f f t 、谱分析等方面d s p 算法正在大量进入嵌 入式领域。 存储器技术的发展：目前的存储器除了有只读存储器( r o m ) 来存储程序外， 还有闪存( f l a s hm e m o r y ) 来支持动态升级。在r a m 方面一般采用d r a m ，虽 然它比s r a m 慢，而且需要周期性的刷新，但是d r a m 的功耗低，价格便宜， 同体积的芯片存储容量大。f l a s hm e m o r y 是一类非易失性存储器。 n v m f n o n v o l a t i l em e m o r y ) 即使在供电电源关闭后仍能保持片内信息，与 e p r o m 相比较，闪速存储器具有明显的优势在系统电可擦除和可重复编 程，与e e p r o m 相比较，闪速存储器具有成本低、密度大的特剧4 1 。其独特的 性能使其广泛地运用于各个领域，包括嵌入式系统，如p c 及外设、电信交换机、 蜂窝电话、网络互联设备、仪器仪表和汽车器件，同时还包括新兴的语音、图 像、数据存储类产品，如数字相机、数字录音机和个人数字助理( p d a ) 。 g p r s 模块：是在g s m 基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输 方式，与原有的g s m 比较，g p r s 在数据业务的承载和支持上具有明显的优势 p j 。目前g p r s 模块的研发公司很多，如西门子m c 系列、摩托罗拉等。大部分 武汉理工大学硕士学位论文 和微处理器集成在一块板上，方便耐用；少数做成单独模块，方便系统集成开 发时使用。国内目前做g p r s 模块的公司也出现了很多，但其通信模块内核都 采用的是西门子m c 3 5 等，具有代表性的有深圳宏电技术股份有限公司、厦门 桑荣科技有限公司等。 数据采集部分：目前许多工业应用使用的数据采集的通信方式主要是 r s 2 3 2 、r s 一4 8 5 等串口。 软件部分：嵌入式系统软件主要包括嵌入式操作系统和嵌入式t c p i p 协议 栈等。 嵌入式操作系统方面：由于高性能嵌入式微处理器有足够的能力支持嵌入 式操作系统的运行，具备任务的并发处理潜力，因此嵌入式软件系统大都采用 操作系统作为软件平台。国内外很多科研机构和软件厂商对其进行了研究，也 推出了很多性能较好的产品。商业化的产品如美国风河公司( w i n dr i v e rs y s t e m ) 研发的v x w o r k s 、q n x 公司的q n x 、p a l m 公司的p m m o s 、微软的w i n d o w s c e ， 国内科银京成( c o r e t e k ) 公司的d e l t a s y s t e m 、北京凯思软件集团的h o p e no s ， 以及由摩托罗拉、西门子、诺基亚等几家大型移动通讯设备商共同出资组建的 一个合资公司，专门研发手机操作系统s y m b i a n 等【6 】。开源项目的有著名的 l i n u x 、适合学习研究的有p c o s i i 等。嵌入式t c p 口协议栈方面，微处理器 的硬件性能能够支持更加复杂更加丰富的通信协议实现，因此该方案中的通信 协议相对单片机中的通信协议功能更强大些，可靠性更高。 1 3 无线监控系统的发展前景 无线监控系统的发展前景非常广阔，这依赖于各种相关技术的发展，其中 主要是嵌入式系统技术、通信技术和计算机网络技术。 进入2 0 世纪9 0 年代，嵌入式技术全面展开，目前己成为通信和消费类产 品的共同发展方向。嵌入式系统可以用于a t m 机、自动售货机、工业控制等专 用设备和移动通信设备、g p s 、娱乐等的相互结合。所有上述产品中，都离不开 嵌入式系统技术。 随着通信和网络技术的发展，移动无线通信早已成为现实。用g p r s 技术 实现的监控系统，实时性强，安全可靠，按流量计费，特别适用于间断的、突 发性的和频繁的、少量的数据传输。而且系统具有网络覆盖范围广，抗干扰能 4 武汉理工大学硕士学位论文 力强，通信速度快，通信误码率低等优点，并且完全利用g s m 和g p r s 移动通 信网络，其建设和运行成本低。随着g p r s 网络技术的不断发展，构建在g p r s 网上的远程无线监控系统必然能与移动通信技术的发展同步，因而具有广阔的 前景【7 】【引。 事实上，近两年来国内和国外的无线监控系统都在突飞猛进的发展，覆盖 到各行各业，细d , n 每个人都需要装上一个远程的无线医疗监控系统，虽然有 些市场还没有形成规模，而且不易量化，但是它的增长却是勿庸置疑的。例如： 在弗吉尼亚大学，某项目组创建的初创公司h o m eg u a r d i a n 正在开发一款由地面 感应器制成的监测器，而无需使用绑在身上的设备来检测病人。在澳大利亚， 悉尼技术大学计算机系统系的信息技术讲师p e t e rl e i j d e k k e r s 和v a l e r i eg a y 正在 开发一款名为“p e r s o n a lh e a l t hm o n i t o r 的移动心率测速监控系统【9 】，德国i c e 高 速铁路综合调度系统等等，这些系统都是通过无线感应器收集到的信息被传输 到智能手机上，然后那些信息再以文字短信息的方式被远程发送到保健服务中 心或者病人的医生以及医护人员处。在国内有些公司如译唐科技、广通数字等 公司开发出了无线抄表系统，很多物流公司如顺风快递、申通快递等都是使用 的无线手持终端来进行信息的传输。总的来讲，很多无线通信手持终端的商业 产品已经相继登陆市场，无线传输的监控系统正越来越迅速的普及。 1 4 论文主要内容 在前期充分调研和对a r m 嵌入式微处理器及g p r s 网络技术进行深入研究 的基础上，结合嵌入式实时操作系统提出无线温度监控系统的解决方案。本论 文的内容分为以下几个章节。 第一章：引言 该章介绍了课题的背景、研究现状、发展前景和本文主要工作。 第二章：系统的总体设计 该章对系统的硬件开发平台做了简要的介绍，对a r m 7 微处理器结构和特 点做了详细描述，本文选用了p h i l i p 公司的l p c 2 1 3 8 作为处理器芯片。对 l p c 2 1 3 8 处理器芯片的外围设备进行了扩展设计；对l c d 和按键硬件接口进行 了硬件设计；对用于数据采集的a d 转换模块进行了说明。同时完成了用于 g p r s 通讯的模块的选型。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章：i _ t c o s i i 操作系统的移植 该章对j t c o s i i 操作系统进行了概述性说明；分析了p c o s i i 的内核结构 和系统功能；实现了p c o s i i 操作系统在l p c 2 1 3 8 微处理器上的移植。 第四章：g s m 通信模块的接入 该章实现了g s m 无线通信模块的接入；介绍了g s m 网络的s m s 服务；分 析了g s m0 7 0 7 标准中的a t 命令；分析了短消息的发送和接收的格式和编码。 完成了通过短消息对远程终端的数据获取和终端设备的控制。 第五章：数据采集的设计与实现 该章主要完成了温度数据采集的设计方式和实现方法，介绍了本系统下位 机软件的开发和调试环境；完成了下位机软件的总体结构的设计：完成了远程 终端的液晶显示设计和按键控制的设计，实现了嵌入式终端的图形界面功能和 采集数据的实时显示使得终端也具备了良好的人机交互功能，有利于现场维护、 校对和调试；制定了数据采集的串口通信协议并按照协议完成了数据的上下位 机的串口通信；实现了温度数据的a d 转换；同时也简单介绍了本系统的上位 机的串口通信和短消息的发送和接收处理等。 第六章：结论与展望 该章对课题作了综述性的结论，总结了本课题做的工作、在无线监控领域 的地位和作用，和对无线监控系统的未来发展的展望。 6 武汉理i 。大学硕t 学位论文 第2 章系统的总体设计 本文主要完成的是无线温度监控系统的下位机丌发，本章对系统的整体构 架、硬件开发平台做了简要的介绍，对a r m 7 微处理器结构和特点做了详细描 述。对l p c 2 1 3 8 处理器芯片的外围设各进行了扩展设计；介绍了本系统终端的 关键部件：对l c d 液晶显示屏和按键的硬件接口进行了硬件设计：对用于数据 采集的a d 转换模块进行了说叫。可时完成了用于g p r s 通讯的模块的选型。 2 1 无线温度监控系统的总体设计 陶2 - 1 无线温度监控系统模型 武汉理工大学硕士学位论文 由于本系统只涉及到g p r s 网络中的短消息业务，只需用到g s m 模块即可【1 0 l ， 目前的g p r s 模块一般是指带有g p r s 功能的g s m 模块，可以利用g p r s 网进行 数据通信。总体上是各个温度采集模块将数据通过r s - - 4 8 5 传到监测站，监测站存 储实时温度到数据库，监测站能通过g s m 模块能发送温度数据或者报警等信息。 系统的总体架构如图2 1 所示。 2 2 系统硬件设计 本课题的硬件系统的设计，包括嵌入式微处理器的设计选型，外围存储器扩展 设计，键盘、l c d 等人机交互接口的设计，a d 转换、开关量的设计选型，同时 完成硬件资源的驱动程序的编写，并且分析a r m 7 嵌入式系统启动引导程序的工 作机理。 整个远程终端主要有j w s l - 2 a t 温湿度传感器，以p h i l i p 公司的l p c 2 1 3 8 为 a r m 7 微处理器的开发板，3 2 0 2 4 0 点阵l c d 显示屏，g s m 模块s a r 0 3 1 0 ，电源 等几部分组成。图2 2 即为本系统的硬件平台框架图。 图2 2 监控系统远程终端硬件平台整体框图 2 2 1 嵌入式微处理器的选型 用于嵌入式设备的处理器必须高度紧凑、低功耗、低成本。针对每一类应 用来说，开发者对处理器选择都是多种多样的，在嵌入式系统的开发过程中， 流行着许多处理器核，诸如a r m s t r o n g a r m ，m i p s ，p o w e r p c 等，它们都以 各自的特点分别应用在不同的场合。 常见的微处理器有5 l 系列处理器、d s p 、a r m 结构的嵌入式3 2 位处理器 武汉理工大学硕士学位论文 等。其中基于a r m 结构的处理器因其小体积、低功耗、低成本、高性能因而应 用很广，广泛应用在手持设备、移动通信设备、汽车、工业控制、多媒体数字 消费类产品领域等。目前a r m 处理器的种类比较多，分为a r m 7 、a r m 9 、 a r m 9 e 、a r m l 0 、a r m l l 等l l ，a r m 公司向全球各大半导体厂商供应知识产 权及转让设计许可，合作厂商购买到a r m 微处理器核后，根据不同的生产领域， 加入各式各样的外围电路，从而生产出不同品牌的a r m 微处理器。如三星公司 的$ 3 c 4 5 1 0 b ，s 3 c 4 4 b o x ，$ 3 c 2 4 1 0 等，p h i l i p 公司的l p c 2 1 3 x 系列和l p c 2 1 4 x 系列等。其中a r m 7 的性价比较高，本系统设计时，主要从性价比、片上资源、 处理能力等方面考虑，选择p h i l i p 公司的l p c 2 1 3 8 作为现场终端的微处理器。 2 2 2a r m 7 体系结构 a r m 7 系列微处理器为低功耗的 c o m p u t e r 精简指令集计算机) 处理器， 3 2 位r i s c ( r e d u c e di n s t r u m e n t ss e t 适合于对价位和功耗要求较高的应用。 a r m 7 系列一般包括a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i s 、a r m 7 2 0 t 、a r m 7 e j 几种 内核。a r m 7 t d m i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器之一【1 2 】，主要 应用于工业控制、i n t e r n e t 设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒 体和嵌入式应用。本系统使用的l p c 2 1 3 8 也属于a r m 7 t d m i 型的。t d m i 的基 本含义如下： o t 支持1 6 位压缩指令集t h u m b ； o d 支持片上d e b u g ； o m 内嵌硬件乘法器( m u l t i p l i e r ) ； i 嵌入式i c e ，支持片上断点和调试点。 a r m 7 t d m i 使用流水线以提高处理器指令的流动速度。流水线允许几个操 作同时进行，以及处理和存储系统连续操作。a r m 7 t d m i 使用3 级流水线，因 此，指令的执行分3 个阶段：取指、译码和执行，通常在执行一条指令的同时 就对下一条指令经行译码，并将第三条指令从存储器中取出【1 3 】。 l p c 2 1 3 8 的结构方框图如图2 3 所示。l p c 2 1 3 8 包含一个支持仿真的 a r m 7 t d m i - sc p u 、与片内存储器控制器接口的a r m 7 局部总线、与中断控制 器接口的a m b a 高性能总线( a h b ，a d v a n c e dh i g hp e r f o r m a n c eb u s ) 和连接片内 外设功能的v l s i 外设总线( v p b ，v l s ip e r i p h e r a lb u s ) 。片内外设与器件管脚的 连接由管脚连接模块控制。该模块必须由软件进行控制以符合外设功能与管脚 9 在特定应用中的需求。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 3l p c 2 1 3 8 的结构方框图【1 4 】 l o 武汉理工大学硕士学位论文 l p c 2 1 3 8 含有5 1 2 1 0 3 的f l a s h 存储器系统，该存储器可用作代码和数据 的存储。对f l a s h 存储器的编程可通过几种方法来实现：通过内置的串行j t a g 接口，通过在系统编程( i s p ) 和u a r t 0 ，或通过在应用编程( t a p ) 。使用在应用编 程的应用程序也可以在应用程序运行时对f l a s h 进行擦除和或编程，这样就为 数据存储和现场固件的升级都带来了极大的灵活性。如果l p c 2 1 3 8 使用了片内 引导装载程序( b o o t l o a d e r ) ，5 1 2 k b 的f l a s h 存储器可用来存放用户代码。 片内静态r a m ( s r a m ) 可用作代码和或数据的存储，支持8 位、1 6 位和 3 2 位的访问。l p c 2 1 3 8 含有3 2 k b 的静态r a m 。 l p c 2 1 3 8s r a m 是一个字节寻址的存储器。对存储器进行字和半字访问时 将忽略地址对准，访问被寻址的自然对准值( 因此，对存储器进行字访问时将 忽略地址位0 和1 ，半字访问时将忽略地址位0 ) 。因此，有效的读写操作要求 半字数据访问的地址线0 为0 ( 地址以0 、2 、4 、6 、8 、a 、c 和e 结尾) ，字数 据访问的地址线0 和1 都为0 ( 地址以0 、4 、8 和c 结尾) 。该原则同样用于片 外和片内存储器。s r a m 控制器包含一个回写缓冲区，它用于防止c p u 在连续 的写操作时停止运行。回写缓冲区总是保存着软件发送到s r a m 的最后一个字 节。该数据只有在软件请求下一次写操作时才写入s r a m ( 数据只有在软件执 行另外一次写操作时被写入s 洲) 。如果发生芯片复位，实际的s r a m 内容将 不会反映最近一次的写请求( 即：在一次“热”芯片复位后，s r a m 不会反映 最后一次写入的内容) 。任何在复位后检查s r a m 内容的程序都必须注意这一 点。通过对一个单元执行两次相同的写操作可保证复位后数据的写入。或者也 可通过在进入空闲或掉电模式前执行虚写( d u m m yw r i t e ) 操作来保证最后的数据 在复位后被真正写入到s r a m 1 5 】。 2 3 无线监控系统终端的关键部件 2 3 1l c d 接口 系统需要建立一个图形界面系统，液晶作为一种显示器件，以其特有的优 势广泛应用于仪器设备中。本课题选用一款j r d 3 2 0 2 4 0 b ( 3 2 0 2 4 0p i x e l ) 液晶显 示模块来显示系统所要求的一些信息。j r d 3 2 0 2 4 0 b 典型工作电压为3 3 v ，可编 程调节液晶的对比度。l c d 控制器可以通过编程支持不同l c d 显示屏的要求， 武汉理工大学硕士学位论文 例如行和列像素数，数据总线宽度，接口时序和刷新频率等。l c d 控制器的主 要的工作，是将系统存储器中的显示缓冲区中的图像数据传送到外部l c d 驱动 器，并产生必须的l c d 控制信号。j r d 3 2 0 2 4 0 b 的内部控制器r a 8 8 3 5 可以很 方便实现对液晶显示的控制1 6 1 。 图2 4 是液晶显示模块的接口原理图： 2 3 2 按键 图2 4 液晶显示模块的接口原理图 按键输入作为最常用的输入设备。传统按键的结构通常有两种形式：线性 式和矩阵式。在不同的场合下，这两种按键均得到了广泛的应用。线性键盘由 若干个独立的按键组成，每个按键的一端与微机的一个i o 口相连。有多少个键 就要有多少根连线与微机的i o 口相连，因此，只适用于按键少的场合。矩阵按 键按n 行m 列排列，每个按键占据行列的一个交点，需要的i o 口数目是n + m ， 容许的最大按键数是n m t l 7 1 。由于本系统涉及到的按键处理的内容不多，采用 线性式按键，按键模块的接口原理图如图2 5 所示： 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 按键的识别主要靠软件来实现，需要编写键盘扫描程序。 2 3 3 串口 l p c 2 1 3 8 具有2 个符合1 6 c 5 5 0 工业标准的异步串行m ( u a r t 通用异步收 发器) u a r t 0 和u a r t l 来提供两个独立的异步串行i o 端口。u a r t 0 和u a r t l 的发送器和接收器包含1 6 个字节的f i f o 数据缓冲区和移位寄存器，内置波特 率发生器。要被发送的数据，首先被写入f i f o 数据缓冲区，拷贝到发送移位寄 存器，然后它从数据输出端1 3 ( t x d n ) 依次被移位输出。被接收的数据也同样从 数据接收端i ( r x d n ) 移位输入到移位寄存器，然后拷贝到f i f o 中。接收器f i f o 触发点可为1 ，4 ，8 和1 4 字节f 1 5 】。 r s 2 3 2 标准采用的接口是9 芯或2 5 芯的d 型插头，要完成最基本的串行 通信功能，实际上本系统中只需要r x d 、t x d 和g n d 即可。l p c 2 1 3 8 包含使 能实现软件流控制的机制【1 8 】。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 4a d 转换器 由于本温度监控系统对温度的精确度要求比较高，所以没有采用l p c 2 1 3 8 里的内部a d 转化器，采用的a d 转换芯片是t c l 2 5 4 3 ，是精度为1 2 位的逐 次逼近式模数转换器。a d 引脚接口如图2 - 6 所示： t l v 2 5 4 3 c d w 温度 湿度 v c e e o c c l k d i n d o u t c e r e f + r e f 一 跗1 0 i n 9 + p 0 1 4 b p 0 4 b t o 6 b p 0 5 b p 0 7 b = 图2 - 6a d 转换器引脚接口 逐次逼近型a d 转换器进行a d 转换的过程好比用四个分别重8 9 ，4 9 ，2 9 ， 1 9 的砝码去秤重1 3 9 的物体，秤量顺序如表2 - l 所示： 表2 1逐次逼近称物过程 顺序砝码重量比较判别该砝码是否被保 留或除去 1 8 98 9 1 3 9 留 2 8 9 + 4 91 2 9 1 3 9 去 4 8 9 + 4 9 + l g1 3 9 = 1 3 9 留 在具体程序中，也是用到这样的思想来得到a d 转换后的结果。启动转换 后，首先把逐次逼近寄存器的最高位置l ，其他位置0 ，将其存储到逐次逼近寄 存器，然后经d a 转换后得到约为满量程输出一半的电压值。这个电压值在比 1 4 0 1 2 3 4 5 6 7 8 ) n 烈玳n n m 武汉理工大学硕士学位论文 较器中与输入信号进行比较。比较器的输出反馈到d a 转换器，并在下一次比 较前对其进行修正。即输入信号的取样值与d a 转换器的初始输出值相减，余 差被比较器量化，量化值再来指导控制逻辑是增加还是减少d a 转换器的输出； 然后，这个新的d a 转换器输出值再次从输入取样值中被减去，不断重复这个 过程，直至其精度达到要求为止。逐次逼近寄存器不断进行比较和移位操作， 直到完成l s b ( 最低有效位) 的转换【1 9 1 。这时逐次逼近寄存器的各位值均已确定， 逐次逼近转换完成。 2 3 5g s m 通信模块 s a r 0 3 1 0g s m 工业m o d e m 是一款基于移动2 gg s m 短消息平台、内嵌 s i e m e n st c 3 5 i 工业级通讯模块的终端。工业级标准设计，具有中英文短信、语 音等功能。支持标准a t 命令集【2 0 1 。提供r s 一2 3 2 标准接口，直接与用户设备连 接，实现短消息收发功能。具有标准的d b 9r s 2 3 2 接口。 内嵌的t c 3 5 i 模块与s i m 卡连接起来，通过r s 2 3 2 连上p c ，接入g p r s 网络。结构如图2 7 ： 图2 7 系统网络框架图 附录b 为g s m 通信模块s a r 0 3 1 0 的实物图。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章i - t c o s i i 操作系统的移植 g c o s i i 是用a n s i 的c 语言编写的一个源码公开的开放式的内核，包含 一小部分汇编语言代码，使之可以提供给不同架构的微处理器使用。它应用广 泛，适合小型控制系统，具有执行效率高、占用空间小、实施性能优良和可扩 展性强等特点。虽然i t c o s i i 可以在p c 机上开发和测试，但是可以很容易地 移植到不同架构的嵌入式微处理器上【2 1 1 。 至今，从8 位到“位，l a c o s i i 已经在4 0 多种不同架构的微处理器上使 用。已经在各个领域中使用i t c o s ，这些领域包括：照相机行业、航空业、医 疗器械、网络设备、自动提款机以及工业机器人等。 本章介绍了操作系统l a c o s i i 的内核结构、系统功能和在处理器l p c 2 1 3 8 上的移植。 3 i i _ t c o s i i 内核结构和系统功能 3 1 1 内核结构 j _ t c o s i i 的文件结构如图3 1 所示，分为四个部分，应用软件层位于最顶端， 由用户自行编写。与处理器无关的