（计算机软件与理论专业论文）基于internet的嵌入式远程监控系统的研究与设计.pdf

摘要 摘要 a r m 架构的嵌入式处理器和嵌入式l i l 3 u x 操作系统的完美结合，引发了 远程监控系统新的技术革命；由于其优异的性能和高的性价比，被广泛地应 用到各种电子产品的设计当中；并且越来越多的学者开始把这种技术应用到 工业控制中来。本课题采用3 2 位a r m 处理器- - $ 3 c 2 4 i o x 和嵌入式l i n u x 操 作系统为核心，设计、构建了通用型远程监控系统的软硬件平台，移植开发 了嵌入式w e b 服务器，通过客户端浏览器，用户可以远程监控，工业现场的 相关设备运行情况；同时引入了神经网络技术，在无人值守的情况下可以根 据检测情况自行发出控制命令，实现了监控系统的自动智能控制。 本课题开发出的通用监控平台，可以经过少量的修改，应用到绝大部分 具体的远程监控系统中，以此可以缩短产品的研发周期，降低研制成本。本 文的创新点是把神经网络控制技术应用到监控系统中，提高了系统的入工智 能。在设计上很好的考虑了嵌入式系统资源的有限性和客户端软件维护升级 的方便性，w e b 服务器端采用c g i 接口技术响应客户端的控制请求，系统 具有可靠、灵活和可扩展的特点。 关键词：l i n u x ，嵌入式系统，嵌入式应用开发 i l a b s t r a ct a b s t r a c t t h ep e r f e c tc o m b i n a t i o no fa r ma r c h i t e c t u r e se m b e d d e dp r o c e s s o ra n d e m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y r s t e ml e a d st ot h en e wt e c h n o l o g yr e v o l u t i o no ft h e r e m o t em o n i t o r i n gt r i g g er b e c a u s eo ft h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c ea n dh i g hc o s tw h i c h h a v eb e e nw i d e l ya p p l i e dt oav a r i e t yo fe l e c t r o n i cp r o d u c t sd e s i g n ；m o r ea n dm o r e s c h o l a r ss t a r tt op a ya t t e n t i o n st ot h i st e c h n o l o g ya p p l i e dt oi n d u s t r i a lc o n t r 0 1 u s i n g 3 2 - b i ta r mp r o c e s s o r - s 3 c 2 4l0 xa n de m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma st h ec o r e w ed e s i g na n dc o n s t r u c tah a r d w a r ea n ds o f i w a r ep l a t f o f i no fu n i v e r s a lr e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e m t r a n s p l a n tt h ee m b e d d e dw e bs e r v e r t h r o u g ht h ec l i e n te x p l o r e r , u s e r sc a nr e m o t em o n i t o rt h es c e n eo ft h ei n d u s t r i a le q u i p m e n to fo p e r a t i o n ；a tt h e s a m et i m e t h ei n t r o d u c t i o no fn e u r a ln e t w o r kt e c h n o l o g yt or e a l i z em o n i t o r i n g s y s t e mw h i c hc a ns e n do u tt h ec o n t r o lo r d e rb a s e do nt h ed e t e c t i n go fs i t u a t i o ni nt h e c a s eo fu n a t t e n d e d ，w h i c hr e a l i z e st h em o n i t o r i n gs y s t e mo fi n t e l l i g e n ta u t o m a t i c c o n t r 0 1 t h eb a s i co ft h er e m o t em o n i t o r i n gp l a t f o r mc a nb ea p p l i y e di nt h em o s to f s p e c i f i cr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e ma f t e rl e s sa m e n d m e n t w h i c hc a ns h o r tt h e d e v e l o p m e n tc y c l ea n dr e d u c ed e v e l o p m e n tc o s t s i nt h i sp a p e lt h ei n n o v a t i o ni st h a t t h en e u r a ln e t w o r kc o n t r o lt e c h n o l o g yi sa p p l i e dt or e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m s w h i c hi m p r o v e sa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c es y s t e m c o n s i d e r i n gt h el i m i t a t i o no ft h ee m b e d d e ds y s t e mr e s o u r c ea n dt h ef a c i l i t yo ft h e c l i e n ts o f t w a r eu p d a t i n g ，c g ii sa d o p t e do ns e r v e rs i d et h es y s t e mh a st h ec h a r a c t e r s o fc r e d i b i l i t y , f a c i l i t ya n de x t e n s i o n 。 k e yw o r d s ：l i n u x ；e m b e d d e ds y s t e m s ；e m b e d d e da p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特另z j j j n 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 为获得直昌太堂或其他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己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：孑学瓦签字日期：2 。侈年7 z 月z o e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 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 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：磊 学妖 导师签名： ，峭 签字日期：2 5 年j 、月沏日 签字日期：渺湃2 1 , 9 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景与意义 i n t e r n e t 技术的飞速发展，使得将嵌入式设备接入i n t e r n e t 成为可能。 在i n t e r n e t 环境下，如何对远程嵌入式设备进行实时监控，受到业界广大专 家学者的普遍关注。1 9 9 7 年，美国航空航天管理局g l e n n 研究中心开发了一个 名为t e m p e s t 的实时w e b 服务器软件。该软件成功地将w o r l dw i d ew e b 技术应 用于嵌入式系统，并使得实时监控远程嵌入式设备成为可能。2 0 0 4 年，日本 n t tc o m m u n i c a t i o n s 给出了下一代i n t e r n e t 的定义：i p v 6 + m 2 m - x ( m a c h i n et o m a c h i n e f o ra n y t h i n g i p l a c e it i m e ) + n e t w o r k e da p p l l a n c e 。希望通过在 n e t w o r k e da p p l i a n c e 间建立安全、简单、低成本的实时连接，促进i p v 6 在信 息家电领域的发展。通过w i n s o c k 网络编程，在a c t i v e x 控件与服务器端软件 之间建立t c p 网络连接，完成对被控设备的监控。a c t i v e x 控件仅能运行于 m i c r o s o f t 公司开发的i n t e r n e te x p l o r e r 浏览器及w i n d o w s 系列操作系统， 系统可移植性较差。另外，a c t i v e x 控件可以任意访问客户端本地资源( 如： 文件系统) ，客户端系统的安全性受到极大的挑战妲1 。 i n t e r n e t 和自动控制技术的结合，给控制技术带来了飞速的发展。在国外， 远程控制技术的应用，比较普及，日本最大的缝纫机制造企业美洲虎国际公司 推出了名为“n u o t t o ”的网络缝纫机。该机附有三种“比加超 图案电脑光碟， 可插入与缝纫机相连的任天堂“g a m e b o y ”袖珍游戏机内，然后下载卡通图像， 用户按一个按钮，就能把这些图像绣在衣物上。国内嵌入式远程监控技术，正 处于刚刚进入到快速成长期，海尔公司推出了系列网络家电，主要包括网络微 波炉、网络冰箱、网络洗衣机、网络空调、网络热水器、网络洗碗机、网络摄 像机、可视电话、便携式笔记本电脑、自动窗帘等十几个门类近百个品种。这 些网络家电可以接入互联网进行远程控制、远程查询、网上购物、网上升级、 集中管理、远程维护等等十分便利的功能。另外，基于i n t e r n e t 的远程测控将 使机器人完成更多更复杂的任务，如深海探测、井下作业和空问探测方面取得 更大的进展口川。 但是国内的嵌入式远程监控技术仍然存在一些不足的地方，目前的远程嵌 入式监控系统较多采用r s - 4 8 5 或者r s 一2 3 2 现场总线技术、u s b 接口技术、蓝牙 第一章绪论 技术构建底层设备网络。这些方式构建的网络连接不能保证实时性控制瞄3 ；同时 国内嵌入式监控系统很少把神经网络技术与远程监控结合起来；目前远程监控 技术迫切需要一定的人工智能，为此本论文综合现有的嵌入式远程监控技术， 引入了神经网络技术，增强远程监控系统的自主控制能力。 本论文所选课题来源于导师的一个江西省科技厅的科技攻关的研发项目。课 题根据实际需要，设计出相应的硬件，根据硬件配置与服务要求，设计相应的 软件。本人在这个项目中主要从事核心板软件平台的构建、数据采集系统的设 计以及采集硬件驱动程序的设计。 1 2 论文主要内容 ： 第一章绪论介绍论文的研究背景，研究思路以及文章的组织结构； 第二章远程监控系统的整体设计主要分析整个系统的模块构成，以及各个模 块的概要设计工作。 第三章远程监控系统的硬件设计对系统的硬件平台进行详细的说明与分析， 并给出了具体的设计方案。 第四章系统核心板软件平台的构建介绍嵌入式操作系统的启动过程，对引导 程序进行分析与移植；同时对l i n u x 系统进行分析与移植。 第五章硬件驱动程序的设计介绍数据监控板用到的主要芯片，并对：芷：片的性 能进行分析，结合应用需要，设计出适合的驱动程序，供应用软件的调用。 第六章应用软件的配置设计构建w e b 服务器，设计浏览界面；介绍神经网络 技术以及系统主要用到的神经网络模型，并设计出一个简单的自动控制的前馈 神经网络模型，并应用的嵌入式w e b 远程自动控制系统中； 第七章结束语总结了论文存在的不足和需要进一步改进的技术问题，同时提 出了对系统功能扩展的展望。 致谢 。 参考文献 攻读学位期间发表的论文 2 第二章远程监控系统的整体设计 第二章远程监控系统的整体设计 2 1系统硬件的总体设计 、 在硬件设计上，具有较强的通用性、经济性，可以经过较小的改动实现对 不同系统的支持；本系统的硬件设备分为两个部分设计，第一部分是远程监控 系统的核心板设计；第二部分就是终端输入输出控制板设计。两个部分功能相 对独立，但是第二部分的设计需要第一部分提供设计基础； 2 1 1 系统核心板硬件设计 “ 嵌入式核心板作为远程监控系统的主控部分，需要协调控制系统各个部分 的工作，通常它应具备如下的主要功能： 1 配置高性能的嵌入式处理器及其外围电路，具有系统的核心处理功能； 2 具有网络通信功能，并配置串行通信接口作为辅助通信手段： 3 具u s b 主机接口，提供更多路径通信，同时提供系统数据的转存等功能， 为今后的开发提供服务支持； 4 具有与测控电路板的接口电路，可方便地完成对测控电路板的控制； 5 提供多种硬件调试接口，为调试整个控系统的各项功能提供支持。 综合以上的要求，嵌入式核心板的总体设计框图如图2 1 所示，按功能可以 分为6 个模块。 数据输入输 r _ ，)c = = d 存储模块 出控制模块 处理器及 g = = d j t a g 调试模块 外围电路 c = = d 串口通信模块 i 网络通信模块 g 剖u s b 模块 图2 - 1 核心板模块设计图 第二章远程监控系统的整体设计 山于嵌入式核心板需要完成远程监控系统的全部控制功能，因此通常中央 处理器需要具有强大的算术和逻辑运算能力。出于通用性设计考虑，要求被选 用的中央处理器具有较多的片上资源和较强的扩展性。山此，选用a r m 体系结 构的嵌入式处理器作为通用测控系统的中央处理器芯片。山f 实验室已经有了 三星公司a r m 9 内核的高性能、3 2 位处理器$ 3 c 2 4 1 0 x 的应用经验：$ 3 c 2 4 1 0 x 处理器，能够为嵌入式操作系统的应用，提供良好的支持1 6 j 。 网络接口模块提供客户端与主机问的网络通信，为了保证通信的质鳋，选 用a x 8 8 7 9 6 网卡；在蛀初丌发阶段。嵌入式核心板使用博创科技公司的试验箱 代替，在试验箱中提供了设计要求的基本硬件 配罱设备简介 c p u a r m 9 2 0 t 结构内棱；三星$ 3 c 2 4 1 0 x 工作频率2 0 3 m h z f l a s hs a m s u n gk 9 f 1 2 0 86 4 mn a n d s d r a m i t y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 a 1 一h3 2 m 2 = 6 4 m 网卡a x 8 8 7 9 61 0 1 0 0 m 自适应 酬2 - 2 阱创公川i 虬入武试验箝 21 2 核心板块$ 3 0 2 4 1 0 x 主要性能 , 。, i m s l j n g 公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器$ 3 c 2 e 1 1 0 ，为手持设备和般类型 应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。为了降低整个 系统的成本5 3 c 2 t t l 0 提供了以下丰富的内部改蔷：分丌的1 6 k b 的指令c a c h e 第二章远程监控系统的整体设计 和1 6 k b 数据c a c h e ，m m u 虚拟存储器管理，l c d 控制器( 支持s t n & t f t ) ，4 通道 d m a ，4 通道p m w 定时器，f o 端口，r t c ，8 通道l o 位a d c 和触摸屏接口， l c dl c d g o n t 。d m a i 图2 - 3 $ 3 c 2 4 1 0 x 芯片内部模块示意图 i i c b u s 接口，u s b 主机，u s b 设备，s d 主卡& m m c 卡接口，2 通道的 5 第二章远程监控系统的整体设计 s p i 以及内部p l l 时钟倍频器。 $ 3 c 2 4 1 0 采用了a r m 9 2 0 t 内核，0 1 8 u m 工艺的c m o s 标准宏单元和存储 器单元。它的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感 的应用。同样它还采用了一种叫做a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u s a r c h i t e c t u r e ( a m b a ) 新型总线结构。 $ 3 c 2 4 1 0 的显著特性是它的c p u 核心，是由a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ( a r m ) 公司设计的1 6 3 2 位a r m 9 2 0 tr i s c 处理器。a r m 9 2 0 t 实现了m m u ，a m b a b u s 和h a r v a r d 高速缓冲体系结构。这一体系结构具有独立的1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e ，每个都是由8 字常的行( 1 i n e 构成) 。通过提供一系列完整的 系统外围设备，$ 3 c 2 4 1 0 大大减少了整个系统的成本，消除了为系统配置额外期 间的需要。$ 3 c 2 4 1 0 x 的内部结构结构图如2 3 所示。 2 1 3 监控模块硬件设计 数据监控模块的主要功能是接收响应主机的控制信息，并能把采集到的信 息返回到主机 图2 4 数据监控板设计框图 核心板与监控板间的通信采用总线通信，接口采用，总线扩展接口；通常 分为几个模块，传感器采集电路设计，电源设计等，数据监控板提供如下功能： ( 1 ) 8 路温湿度数据采集； ( 2 ) 8 路数字量输出控制； 6 第二章远程监控系统的整体设计 ( 3 ) 8 路模拟量输出控制； 设计了用于远程监控系统的数据采集电路板，该测控电路板总体设计框图 如图2 4 所示。 2 2 远程监控系统软件的总体设计 嵌入式核心板作为远程监控控系统的主控板，硬件设计相对固定，通常不 需要根据不同的应用项目重新设计。嵌入式核心板上提供的大容量程序和数据 处理器，被用来存储、运行系统的全部软件。根据以上的硬件特点，在远程监 控系统的软件设计，为了能够实现较强的通用性和可移植性，确定以嵌入式 l i n u x 操作系统为核心，设计配置适合于远程监控系统的通用软件平台。 远程监控系统的应用软件，根据应用系统的功能要求进行丌发。应用软件的 开发工作即根据需求，按照嵌入式l i n u x 下的应用软件规范，编写相应的源代 码文件，应用软件设计包含w e b 服务器模块的构建、神经网络技术模块的设计 两部分内容。 2 2 1系统核心板软件平台的构建 平台的核心是嵌入式l i n u x 操作系统内核以及基本引导程序v i v i 。嵌入式 l i n u x 操作系统的内核以及基本引导程序的配置只与嵌入式核心板的硬件设计 有关。主要包含l i n u x 内核修改与移植，引导程序的修改与移植两部分；具体 步骤如下。 ( 1 ) 引导程序v i v i 的相关配置、修改与移植； ( 2 ) 根据嵌入式核心板的硬件配置，修改部分内核的源程序； ( 3 ) 根据嵌入式核心板的硬件配置以及监控系统对外界提供的服务，配置 l i n u x 内核的功能模块； ( 4 ) 在嵌入式核心板硬件上进行1i n u x 操作系统内核移植。 2 。2 。2 远程监控系统硬件驱动软件的设计 嵌入式l i n u x 操作系统通过硬件设备驱动程序屏蔽了具体硬件的细节，使 得应用软件开发人员能够通过操作统一格式的设备文件的方式，进行与硬件相 关的应用程序开发，实现了监控平台的通用性。远程监控系统硬件设备驱动程 序的开发，既与嵌入式核心板上的硬件设备相关，也与数据采集电路板上的硬 7 第二章远程监控系统的整体设计 件设备有关系。主要是根据硬件设备数据手册提供的操作方式，编写嵌入式 l i n u x 下的驱动程序源代码文件，并在硬件平台上进行调试。 2 2 3 w e b 服务器的配置 构建完成软件平台后，在远程监控系统的硬件平台上生成了一个完整的嵌 入式l i n u x 环境。根据系统要求，实现用户与系统的远程交互，就需要搭建w e b 服务器，同时也要设计客户浏览窗口。系统采用b o a 服务器移植，并编写相关 的c g i 程序实现与系统的远程通信。 2 2 4 自动控制软件的设计 控制系统中常用的算法有最小二乘法，神经网络控制算法。最小二乘法由 a m 勉选焦和c f 直堑于1 9 世纪初分别独立提出。例如要从一组实验数据( x i ， y i ) ( i = l ，2 ，m ) 中，寻找自变量x 与因变量y 之间的函数关系y = f ( x ) 。 由于观测数据往往不准确，因率不要求y = f ( x ) 经过所有数据点，而只焉求所 在所有给定点x i 上的偏差r ；= f ( x 。) - - y 。( i = 1 ，2 ，m ) 的平方和身上f 达 到最小。f ( x ) 的函数类型往往与实验的物理背景以及数据的实际分布有关， 它一般含有某些待定参数。如果f ( x ) 是所有待定参数的线性函数，那么相应 的问题称为线性最小二乘问题，否则称为非线性最小二乘问题。最小二乘法还 是实验数据参数估计的重要工具。这是因为这种方法比其他方法更容易理解， 即使在其他方法失效的情况下，用最d , - 乘法还能提供解答，而且从统计学的 观点分析，用该方法求得各项估计具有最优统计特征，因此这一方法也是系统 识别的重要基础。线性最小二乘问题可以借助多元微分学知识通过求解法方程 组得到解答。求解非线性最小二乘问题比较困难，一般要用线性化方法或最优 化方法才行。 神经网络算法具有良好的非线性，但也存在学习速度慢，需要训练，而且 算法逼近的结果取决于训练的能力；本课题希望建立一个通用的控制器，选择 神经网络算法进行控制。 采用前馈网络模型设计出自动控制软件，并进行调试；神经网络技术的加 入，是本系统的一大创新点，同时也是本系统设计的难点。运用神经网络技术 实现系统的无人自动控制的设计，实现对输入与输出的自动映射，达到真正的 无人值守控制； 8 第三章系统硬件结构设计 第三章系统硬件结构设计 3 1系统硬件模块划分 监控系统需要具有通用性，初步设计的硬件应该包括八路数据的采集功能， 八路数字量的输出控制，八路模拟量的输出控制，所以硬件系统被划分为以下 三大功能模块： ( 1 )8 路数据采集模块 能对8 路数据进行采集与控制，并分别将它们采集到的数据传送给处理器； ( 2 )8 路数字量输出控制模块 能对8 路数字量的输出进行控制，并能稳定的锁存输出状态； ( 3 )8 路模拟量输出控制模块 能对8 路模拟量的输出进行控制，并能稳定的锁存输出状态。 总体电路框图如图3 - i 所示： 图3 - 1 总体电路框图 3 2 芯片的选型及模块的详细设计 3 2 1 8 路数据采集模块 数据采集所对应的目标，通常是来自传感器，传感器类型众多，但提供的 数据类型分为数字型数据和模拟型数据；该模块首先需要选择的芯片就是温湿 9 第三章系统硬件结构设计 度传感器。传感器选择的是瑞士s e n s i r i o n 公司生产的具有i2 c 总线接口的单片 全校准数字式相对湿度和温度传感器s h t i o 阿引。 s h t x x 系列单芯片传感器是一款含有己校准数字信号输出的温湿度复合传 感器。它应用专利的工业c o m s 过程微加工技术，确保产品具有极高的可靠性与 卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温 元件，并与一个1 4 位的a d 转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝 连接。因此，该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等 优点。每个s h t x x 传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以 程序的形式储存在o t p 内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这 些校准系数。两线制串行接口和内部基准电压，使系统集成变得简易快捷。超 小的体积、极低的功耗，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选 则。与s h t i o 功能相似的其它度传感器有d s l 8 8 2 0 ，d s l 8 8 2 0 具有独特的一线接 口，只需要一条口线通信，多点能力，简化了分布式温度传感应用。无需外部 元件。可用数据总线供电，用户可定义的非易失性温度报警设置应用范围包 括恒温控制，工业系统，消费电子产品温度计，或任何热敏感系统。因为每一 个d s l 8 8 2 0 的包含一个独特的序号，多个d s l 8 b 2 0 s 可以同时存在于一条总线。 只对采集温度来说d s l 8 8 2 0 更适合应用予本系统上，因其电气接口更为简单， 并且不需要另外设计片选电路，系统需要做的是温湿度采集，s h t i o 是目前很少 实现了片内集成温湿度采集的传感器芯片。 虽然s h t i o 是基于i i c 总线，但它并不是严格的遵循于i 工c 的传输协议， 首先它的传输开始信号就与i i c 传输协议不同，其次它虽然支持i i c 的地址码， 但只支持0 0 0 码，也就是说无法通过地址码对其进行片选，基于以上两点原因， 8 路温湿度数据采集模块需要解决以下两个问题： 1 需要设计出一种符合s h t l 0 传输协议的非标准i i c 传输方式； 2 需要设计一个片选电路来对8 片s h t i o 进行片选。 对于第一个问题的解决办法是放弃使用$ 3 c 2 4 1 0 上的i i c 系列寄存器，转 而使用两个通用i o 口来模拟i i c 总线的传输，这样的话便可以随意改变传输 中的相关协议。第二个问题可以通过锁存8 片s h t i o 的数据线来对其进行片选。 使用c d 4 0 5 l 这个芯片，其基本功能是一个单刀八掷开关，它能通过译码来选择 八条数据线中的一条并与其进行双向通信，这正好符合要求。以上两个问题在 逻辑上都已经解决砷儿州。模块的电路图初步设计如图3 - 2 所示： 1 0 第二章系统硬件结构设计 图3 2 八路温湿度采集模块 3 2 。28 路数字量控制模块 由于s h t l 0 使用的是串行总线，其外围电路设计的简单，可以自行设计基 于串行总线的外设，在设计数字量控制模块时使用的是7 4 l s l 6 4 移位寄存器， 它是一个8 位的串入并出寄存器，使用十分方便，但7 4 l s l 6 4 并没有输出锁存， 在移位传送数据的过程中每串入1 位数据，8 路并出口的状态都会发生改变，所 以在7 4 l s l 6 4 的8 输出线上另加一片7 3 l s 5 7 3 用于锁存7 4 l s l 6 4 的输出，在编 写驱动时每向7 4 l s l 6 4 传输完8 位数据时使能7 4 l s 5 7 3 的数据选通引脚，将数 据锁存在7 4 l s 5 7 3 的输出引脚，这样便能稳定的改变8 路数字量输出状态。模 块的电路图初步设计如图3 3 所示： = ： u 4 一 j 和 o c u 3 c 132 2 a q o 43 i d l q b q 1 54 2 d 2 q 5 7 3o e f g l q 2 6 5 3 d 3 q 1 6 4d a t a q 3 i o 6 4 d 4 q 1 6 3s c k8 q l l ：二 7 5 d 5 q i 6 4c l e a r jc l k q 5 1 2 二二 8 6 d 6 q 。9 ，、 一 q 6 1 3 一9 7 d 7 q m r q 7 8 d 8 q 7 4 l s l 6 47 4 h c 5 7 3 图3 - 3 八路数字量输出模块 第三章系统硬f ， ：结构设计 3 2 38 路模拟量控制模块 模拟量的输出需要使用d a 转换芯片。所选用的d a 转换芯片为a d i 公司 生产的a d 5 3 0 8 a d 5 3 0 8 是一款基于s p i 总线的逐次比较型8 位d a 转换芯片， 单片可进行8 路d a 转换，电压输出，具有双参考电压，转换时i 日j6 微秒，超 低功耗，5 v 电压供电时，芯片自身使用电流为1 2 2 m a ，最大可承受约l o o m a 的 电流输出。工作环境- 4 0 、1 0 5 摄氏度。采用t s s o p 超小封装，非常适用于大规模 集成电路的设计。由于：签片所产生的热量极小，对温湿度传感器的工作环境温 度干扰极小。 a d 5 3 0 8 较之传统的d a 转换芯片d a c 0 8 3 2 用有着巨大的优势，a d 5 3 0 8 每路 d a 转换的价格约为5 元，而d a c 0 8 3 2 由于是单路输出每路d a 转换需要1 0 元。 同时a d 5 3 0 8 位电压输出，而d a c 0 8 3 2 为电流输出，需外接运算放大器才能产生 电压输出。a d 5 3 0 8 的体积仅为d a c 0 8 3 2 的2 0 分之一，面积约为d a c 0 8 3 2 的6 分 之一。 a d 5 3 0 8 无需其他辅助芯片，只需将数据线和时钟线接入总线即可。 模块的电路图初步设计如图3 - 4 所示： 图3 - 4 八路模拟量输出模块 3 3 芯片的整合 c d 4 0 5 1 作用是对数据线信号进行锁存，把信号送s h l o 芯片实现对其控制。 7 4 l s l 6 4 串入并出位移寄存器，7 4 l s 5 7 3 用来锁存1 6 4 的端口信息；a d 5 3 0 8 在 模拟量输入输出端口提供d a 转换；芯片的片选引脚安排如表3 1 所示： 表3 - 1 芯片片选控制引脚分配 1 2 第二章系统慢仆结构蹬计 芯片种类片选控制 s i f t l 0 j | 互过使川c d 4 0 5 1 锁存数据线进行片选控制 c d 4 0 5 l 垴过其i n h 引脚进行片选控制 7 4 l s l 6 4 通过其c l e a r 引脚进行片选控制 7 4 l s 5 7 3通过其l e ( g ) 引脚进行片选控制 通过其s y n c 引脚进行片进控制 a 1 ) 5 3 0 8 3 4s 3 c 2 4 1 0 的l o 口的分配 表32 $ 3 c 2 4 1 0 的i 0 口的分配 g p l o f b 9串行总线的时钟线无 g p l 0b o c d 4 0 5 1 地址输 端a 3经5 7 3 锁存后接7 4 l s l 6 4 的c i ，e r g p i 钆c 6c d 4 0 5 1 地址输入端a 2经5 7 3 锁存后接数字蛐控制辑l 块的 7 4 l s 5 7 3 的o e ( g ) g p l 0 e l4 c d 4 0 5 1 地址输入端a l经5 7 3 锁存后接a i ) 5 3 0 8 的s y n c g p i o _ e 1 5c d 4 0 5 1 片选控制输 】n 1 1 i o 复儿 控制芯片7 4 l s 5 7 3 的o e ( g ) 电路板实物图如图3 - 5 所示 凹3 - 5i 乜路楹实物图 强 瓣i零意 第4 章系统核心板软件平台的构建 第四章系统核心板软件平台的构建 4 1远程监控系统目标板引导程序的定制 4 1 1 b o o t l o a d e r 引导程序 b o o t l o a d e r 就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小 程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环 境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。每 种不同的c p u 体系结构都有不同的b o o t l o a d e r 。有些b o o t l o a d e r 也支持多种体系 结构的c u p ，比如u b o o t 就同时支持a m r 体系结构和m i p s 体系结构。除了依赖于 c u p 的体系结构外，b o o t l o a d e r 实际上也依赖于具体的嵌入式板级设备的配置。 对于不同的板子需要有不同的引导程序n n 2 l 。 b o o t l o a d e r 的启动过程大多都是两个阶段：且p s t a g e l 和s t a g e 2 两部分。下面 对于具体的引导程序做一个分析。 4 1 2v iv i 引导程序 v i v i 是针对a r m 9 处理器设计的一款引导程序，它通常存储在 f l a s h ( o x o o x 4 0 0 0 0 0 ) 的开头地址空间中， v i v i 引导程序存放空间地址口砌n 4 1 如图4 - 1 所示。 从低地址到高地址方向 图4 - 1 嵌入式l i n u x 系统的f l a s h 分区示意图 v i v i 主要完成的任务有：( 1 ) 初始化c p u 速度、存储器、存储器配置寄存 器以及串口等硬件资源的配置；( 2 ) 建立内存空l 日j 的映射图，将系统的软硬件环 境带到合适的状态，为最终调用操作系统内核做准备；( 3 ) 装载操作系统影像 到内存中；( 4 ) 对f l a s h 进行编程，b o o t l o a d e r 可把下载的操作系统影像等数 据保存在f l a s h 中，以后启动可直接装载f l a s h 中的数据，不需要重新下载；( 5 ) 1 4 第4 章系统核心板软件平台的构建 设置相关寄存器和资源，跳转到操作系统所在空间，进行内核引导；( 6 ) 传递 系统启动参数，通过命令控制系统启动模式；( 7 ) 命令解析与输入输出控制。 v i v i 作为一种b o o t l o a d e r ，其运行过程分成两个阶段。第一阶段的代码在 v i v i a r c h s 3 c 2 4 1 0 h e a d s 中定义，它包括从系统上电后在o x 0 0 0 0 0 0 0 0 地址开 始执行的部分。这部分代码运行在n a n df l a s h 中，它包括对$ 3 c 2 4 1 0 的一些寄存 器、时钟等的初始化并跳转到第二阶段执行，主要用汇编语言实现，图4 2 给出 了第一阶段详细流程。 图4 2 汇编部分功能 第二阶段则常用c 语言来实现，主要进行一些开发板初始化、内存映射和 内存管理单元初始化等工作，最后会跳转到b o o t o r v i v i ( ) 函数中，接收命令 并进行处理，完成用x m o d e m 协议通过串口下载数据到内存及对f l a s h 的操作。 这样设计的代码具有更好的可读性和可移植性。在实现第一阶段到第二阶段跳 转中，u - b o o t 采用直接跳转，v i v i 使用了一个循环，这样设计避免了无法通过 m a i n ( ) 函数传递参数，同时也避免了无法处理m a i n ( ) 函数返回的情况。开发板 1 5 第4 章系统核心板软件平台的构建 的初始化工作由i n i t m a i n 中的b o a r d i n i t ( ) 函数来完成，接着调用 a r c h s 3 c 2 4 1 0 中的m e m _ m a p i n i t0 及m m u i n i t0 函数进行内存映射初始化和 内存管理单元初始化。配置v i v i 时，如果选择n a n df l a s h 启动，则执行 m e n m _ m a p n a n d b o o t0 函数：如果使用n o rf l a s h 启动，就执行m e mm a p _ n o r0 函数，把v i v i 复制到r a m 中，主要代码为： s t a t i c v o i dc o p y v i v i t o r a m ( v o i d ) m e m c p y ( ( v o i d * ) v l v i r a m b a s e ，( v o i d * ) v i v i r o m b a s e ， v i v i r a m s i z e ) ) ： 其中v i v i r a m b a s e ，v i v i r o m b a s e ，v i v i r a m s i z e 的大小应根据开发板的 r a m 大小做修改。 在初始化m t d 设备中，需要对n a n df l a s h 空间进行分配，以便合理利用存 储空间，用到的函数在d r i v e r s m t d m a p s s 3 c 2 4 1 0 f l a s h c 文件中。 v i v i 通过i n i tb u i l t i n 函数提供了一些初始化内置命令，最后使用cmdso v i v i b o o to rv i v i ( ) 弓f 导内核。在l i n u x 内核的引导过程中l i b b o o tk e r n e l c 文件里 的b o o tk e r n e l ( ) 函数负责传递启动参数；然后退出v i v i 处理c a c h e ，最后v o i d c a l l l i n u x ( 1 0 n ga 0 ，l o n ga l ，l o n ga 2 ) 函数负责启动内核：到此，v i v i 的工作就结束 了。 4 1 3v ivi 的移植 ；： 首先修改v i v i 的m a k e f i l e ，需要修改的地方有三个： c r o s s c m p i l e l i n u x i n c l u d e d i r a r m g c c l i b s 根据系统，参照v i v i 里面的写法，修改这三个地方。修改后变成： c r o s s c m p i l e = o p t h o s t a r m v 4 l b i n a r m v 4 i u n k n o w n l i n u x g c c 拳编译 l i n u x i n c l u d ed i r = h o m e s u n k e r n e l i n c l u d e幸存放内核源码的目录 a r m g c c l i b s = o p t h o s v a r m v 4 i l i b g c c l i b a r m - l i n u x 2 9 5 3 编译引导程序需要用到内核头文件，应当把l i n u x2 4 1 8 内核源码包移到l i n u x 下。开始编译v i v i 。 修改a r c h s 3 c 2 410 s m d k 2 410 c m a k em e n u c o n f i g ，主要是去掉e c c 。 1 6 第4 章系统核心板软件平台的构建 启动l i n u x 后进入v i v i 所在的目录下：执行m a k ed i s c l e a n 清除之前的0 文 件，m a k em e n u c o n f l g 执行配置。可以添加所需要的指令。用s j f 通过j t a g 下 载v i v i 到f l a s h 的o x o 地址中。然后用超级终端来操作v i v i 。这样v i v i 就成功移 植到核心板中【1 5 】。 4 2 远程监控系统目标板的操作系统的定制 4 2 1l in u x 系统的特点 作为一个操作系统，l i n u x 几乎满足当今u n i x 操作系统的所有要求，具有 u n i x 操作系统的基本特征。l i n u x 的这些特点，很适合作为嵌入式操作系统 1 6 1 1 7 1 8 。 1 符合p o s i x1 0 0 3 1 标准 p o s i x1 0 0 3 1 标准定义了一个最小的u n i x 操作系统接口，任何操作系统只 有符合这一标准，才有可能运行u n i x 程序。考虑到u n i x 具有丰富的应用程序， 当今绝大多数操作系统都把满足p o s i x1 0 0 3 1 标准作为实现目标，l i n u x 也不 例外，它完全支持p o s i x1 0 0 3 1 标准。另外，为了使u n i xs y s t e mv 和b s d 上 的程序能直接在l i n u x 上运行，l i n u x 还增加了部分s y s t e mv 和b s d 的系统 接口，使l i n u x 成为一个完善的u n i x 程序开发系统。 2 支持多用户访问和多任务编程 l i n u x 是一个多用户操作系统，它允许多个用户同时访问系统而不会造成用 户之间的相互干扰。另外，l i n u x 还支持真正的多用户编程，一个用户可以创 建多个进程，并使各个进程协同工作来完成用户的需求 3 采用页式存储管理 页式存储管理使l