（信号与信息处理专业论文）实现准实时数据语音多机通信的嵌入式平台系统.pdf

摘要 摘要 当前嵌入式技术的应用正以飞快的速度扩展到各个领域，嵌入式技术本身也 得以长足得发展，其中嵌入式操作系统的发展尤为突出，出现了一些优秀的开放 源代码的操作系统，如l i n u x 、v x w o r k s 、u c o s i i 等。u c o s i i 以其精简的内核 和高实时性以及可靠性、裁剪性在工业控制领域将大有所为。同时随着网络技术 的发展，i n t e r n e t 以成为重要的基础信息设施，越来越多的工控设备需要直接接入 i n t e m e t 。 本课题源于8 3 5 改研究所合作项目，将原x x 防空火炮系统进行改制，将各 仓之间、火炮之间的数据和语音通讯使用无线有线系统分割开来，减少作战人员 作战时的心理压力，增强防空火炮在现代化战争中的作用。文本采用微处理器 m c u + 网路接口芯片+ 语音专用处理芯片，通过网络协议的定制和嵌入式操作系 统的裁减和移植，构建一个基于i n t e m e t 的嵌入式应用平台。研究低成本的语音 数据采集、设备控制、实时数据传输系统。 论文从软件平台和硬件平台两方面出发，详细的论述了一个基于u c o s h 和 u l p 的嵌入式以太网系统开发平台的设计过程，整个平台系统设计采用了大多数 嵌入式系统设备开发的体系结构。设计的思路是由上而下，即先设计系统，再划 分任务最后再编写任务流程图，直至最终的编程实现。 在基于a t m e g a l 2 8 的硬件平台之上，实现了u c o s i i 和嵌入式t c p i p 协议 栈u l p 的合成和移植，并对硬件通讯协议和关键接口函数进行了详细的介绍。同 时在u c o s i i 上设计各个软件模块，实现多任务的调度。软件上还扩展了 b o o t l o a d e r 和看门狗功能，提高系统开发的简易性和安全性。 本课题经过数月的软硬件设计和调试，已实现最初的设计目标。构造出了实 验硬件平台和一个多任务多协议的准实时系统框架。基于该平台，开发者可以不 必深入了解u c o s 1 i 实时操作系统就可以方便的创建一个嵌入式网络控制系统， 并能在平台上开发其它的应用任务，为以后的研究提供了参考并奠定了基础。 关键字：u c o s i i ，嵌入式操作系统，t c p i p 协议栈，语音传输 a b s t r a ( 玎 a b s t r a c t n o w a d a y se m b e d d e da p p l i c a t i o no ft e c h n o l o g ye x p a n d sq u i c k l yt om a n yf i e l d s e m b e d d e dt e c h n o l o g ya l s og e t sg r e a td e v e l o p m e n ta m o n gw h i c ht h ed e v e l o p m e n to f e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi sv e r yo u t s t a n d i n g , s o m ee x c e l l e n te m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e mw i t ho p e ns o u r c ec o d e sh a sa p p e a r e d , s u c ha sl i n u x ，v x w o r k sa n du c o s i i u c o s 1 1w i l lg e te x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do fi n d u s t r i a lc o n t r o lb e c a u s e o fi t s h i 曲r e a l - t i m eq u a l i t ya n dd e p e n d a b i l i t ys i m p l i f i e dk e r n e l a tt h es a m et i m e , w i t ht h e d e v e l o p m e n to fn e t w o r ke r a , i n t e n e tb e e a l t l e t h em o s ti m p o r t m e n tf o u n d a t i o n a l i n f o r m a t i o ne s t a b l i s h m e n t ，s om o r ea n dm o r ed e v i c e sn e e dt ob ec o n n e c t e di ni n t e m e t t h i st h e s i sc o m e sf r o m8 3 5p r o j e c tc o o p e r a t i o n 、柝mi n s t i t u t e t h ed e s i g nc h a n g e t h ef o r m e rx xa i rd e f e n s ea r t i l l e r ys y s t e m s ，d i v i d ev o i c ec o m m u n i c a t i o n sa n dd a t a s b e t w e e nt h ev a r i o u sc a b i n sa n da r t i l l e r yw i t hw i r e l e s s c a b l es y s t e m st or e d u c es t a f f s p s y c h o l o g i c a lp r e s s u r ea n de n h a n c ea i rd e f e n s ea r t i l l e r yi nt h er o l eo fam o d e r n w a l t t h i st h e s i sc o n s t r u c ta ni n t e r n e t - b a s e dp l a t f o 肌f o re m b e d d e da p p l i c a t i o n sf r o m a d o p t i n gm i c r o p r o c e s s o rm c u + n e t w o r ki n t e r f a c ec h i p + v o c o d e rc h i p ，c u s t o m i z i n g n e t w o r kp r o t o c o l s ，c u t t i n ga n dr e p l a n t i n ge m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m r e s e a r c ho na l o w - c o s tv o i c ea n dd a t ac o l l e c t i o n ，d e v i c ec o n t r o l ，r e a l - t i m ed a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m t h i st h e s i sb e g i n sw i mt h ed e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e # a t f o r m t h ed e s i g n p r o c e s so fe m b e d d e dc o n t r o ld e v e l o p m e n tp l a t f o r mb a s e do nu c o s - i ia n du l pi s d i s c u s s e di nd e t a i l b a s e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mo fa t m e g a l 2 8 ，t h et h e s i sa c h i e v et h eu c o s 一1 1 a n de m b e d d e dt c p i pp r o t o c o ls t a c ku i ps y n t h e s i sa n dt r a n s p l a n t a t i o n , d e s c r i b e h a r d w a r ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa n dk e yi n t e r f a c ef u n c t i o ni nd e t a i l s i m u l t a n e i t y , v a r i o u ss o f t w a r em o d u l e si sd e s i g n e do nt h ee m b e d d e ds y s t e mp l a t f o r mw h i c ha c h i e v e m u l t i - t a s ks c h e d u l i n g s o f t w a r ea l s oe x p a n df u n c t i o n ss u c ha sb o o t l o a d e ra n d w a t c h d o gt oi m p r o v et h es i m p l i c i t ya n ds e c u r i t y k e y w o r d s ：u c o s - i i ，e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，t c p i pp r o t o c o ls t a c k , v o i c et r a n s m i s s i o n 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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：红丞鱼：日期：鼬缉丁月亏。日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：趣i 厶丑导师签名：j 壶阻 日期：呜辉f 月如日 第六章嵌入式系统软件开发 静默状态才能处理；静默命令，被认可的前提是发出的分机必须是与分机正在通 讯中的目的机。所以在控制通讯动作前，必须检查本机的通讯状态。 通讯状态包括静默态、连接态、通讯态、断开态。连接态和断开态是由通讯 态到静默态的过渡状态，通过适当的按键命令或数据包命令可以完成状态的转变。 控制面板发出命令控制本机工作状态也必须查看其通讯状态，防止非法控制。 如：正在通讯的分机不能发出连接命令。为了防止命令包丢失，通讯采用三次握 手方式。 语音通信包的处理流程如图6 4 所示。 6 4b o o t l o a d e r 开发 a t m e g a l 2 8 具备引导加载支持的用户程序自编程功能( i n - s y s t e mp r o g r a m m i n g b yo n - c h i pb o o tp r o g r a m ) ，它提供了一个真正的由m c u 本身自动下载和更新( 采 用读写同时”r e a d - w h i l e - w r i t e ”进行的方式) 程序代码的系统程序自编程更新的机 制。利用a v r 的这个功能，可以实现在应用编程( i a p ) 以及实现系统程序的远 程自动更新的应用。 i a p 的本质就是，m c u 可以灵活地运行一个常驻f l a s h 的引导加载程序( b o o t l o a d e rp r o g r a m ) ，实现对用户应用程序的在线自编程更新。引导加载程序的设计 可以使用任何的可用的数据接口和相关的协议读取代码，或者从程序存储器中读 取代码，然后将代码写入( 编程) 到f l a s h 存储器中。 引导加载程序有能力读写整个f l a s h 存储器，包括引导加载程序所在的引导加 载区本身。引导加载程序还可以对自身进行更新修改，甚至可以将自身删除，使 系统的自编程能力消失。引导加载程序区的大小可以由芯片的熔丝位设置，该段 程序区还提供两组锁定位，以便用户选择对该段程序区的不同级别的保护。 b o o t l o a d e r 程序可以配合w i n d o w s 中的超级终端程序，采用x m o d e m 传输协 议，通过r s 2 3 2 接口下载更新用户的应用程序。 6 4 1 基本设计思想 1 b o o tl o a d e r 程序的设计要点 b o o tl o a d e r 程序的设计是实现l a p 的关键，它必须能过通过一个通信接口， 采用某种协议正确的接收数据，再将完整的数据写入到用户程序区中。本例b o o t l o a d e r 程序的设计要点有： 5 5 电子科技大学硕士学位论文 采用a t m e g a l 2 8 的u s a r t 口实现与p c 之间的简易r s 2 3 2 三线通信； 采用x m o d e m 通信协议完成与p c 机之间的数据交换： 用户程序更新完成后自动转入用户程序执行； b o o tl o a d e r 程序采用c 语言内嵌a v r 汇编方式编写，阅读理解方便，可移 植性强，代码小于l k 字( 最大4 k ) 。 2 x m o d e m 通信协议 x m o d e m 协议是一种使用拨号调制解调器的个人计算机通信中广泛使用的异 步文件运输协议。这种协议以1 2 8 字节块的形式传输数据，并且每个块都使用一 个校验和过程来进行错误检测。如果接收方关于一个块的校验和与它在发送方的 校验和相同时，接收方就向发送方发送一个认可字节。下面简要说明该协议的主 要特点，有关x m o d e n 的完整的协议请参考参考文献。 1 ) x m o d e m 的控制字符： 0 1 h 、 0 4 h 、 0 6 h 、 1 5 h 、 l8 h 、 la h 。 2 ) x m o d e m 传输数据块格式：” 。其中 为起始字节； 为数据块编 号字节，每次加一； 是前一字节的反码；接下来是长度为 1 2 8 字节的数据块；最后的 是1 2 8 字节数据的c r c 校验码，长度 为2 个字节。 3 ) 接收端收到一个数据块并校验正确时，回送 ；接收错误回送 ； 而回送 表示要发送端停止发送。 4 ) 发送端收到 后，可继续发送下一个数据块( p a c k n o + 1 ) ；而收n 则可再次重发上一个数据块。 5 ) 发送端发送 表示全部数据发送完成。如果最后需要发送的数据不足 1 2 8 个字节，用 填满一个数据块。 6 ) 控制字符”c 有特殊的作用，当发送端收到”c ”控制字符时，它会重新开始 以c r c 校验方式发送数据块( p a c k n o = 1 ) 。 7 ) 每发送一个新的数据块 加l ，加到o x f f 后下一个数据块的 为零。 8 ) 校验方式采用1 6 位c r c 校验( x a l 6 + x a l 2 + x a 5 + 1 ) 。 第六章嵌入式系统软件开发 6 4 2b o o t l o a d e r 设计 b o o t l o a d e r 代码需要初始化硬件资源计时器o 和u s a r t 0 ，编写f l a s h 页烧 写程序，然后开始烧写b i n 文件。代码下载完后，将中断向量地址迁移回应用程 序区的头部，并执行强行跳转指令 j m p0 x 0 0 0 0 ”，从f l a s h 的0 x 0 0 0 0 处执行用户 的应用程序。 b o o t l o a d e r 程序占用并驻留在f l a s h 的最高i k 字空间内，因此实际的应用程 序空间为6 3 k 字( 1 2 6 k 字节) ，所以用户编写的应用程序不得超出1 2 6 k 字节。 b o o t l o a d e r 代码下载的具体操作如下： 1 配置a t m e g a l 2 8 芯片的熔丝位，修改b o o t l o a d e r 大小为1 k ，设定芯片上 电从b o o t l o a d e r 区的起始地址( 0 x f c 0 0 h ) 处开始运行； 2 下载b o o t l o a d e r 程序的h e x 文件： 3 配置b l b l 2 和b l b i l 熔丝位，对b o o t l o a d e r 区进行安全锁定； 以上对芯片熔丝位的配置以及b o o t l o a d e r 程序的下载，需要由i s p 、或j t a g 、 或并行方式实现。 以上步骤完成后，就可以使用b o o t l o a d e r 来下载应用程序，并自动转入执行 刚更新的用户应用程序，最基本的开发环境就简化成：p c + r s 2 3 2 电缆+ 目标板。 6 4 3 代码链接问题 程序编译编译后，链接选项决定了代码的启动地址。一般情况下，m c u 都是 x 0 0 0 0 h 开始执行代码程序，所以代码烧写的时候也是从0 x 0 0 0 0 h 开始烧写。但 当启动地址不是0 x 0 0 0 0 h 时，有三个地方就需要修改： 1 链接时，代码起始选项决定了代码的基地址，是整个程序的开始的地方； 2 烧写时，烧写地址必须与软件地址一直。 3 m c u 的启动地址必须是软件起始地址，否则无法启动。 以上是由于运行地址变化引起的，当代码的下载地址与运行地址不一致时， 情况将更为复杂，如：l i n u x 项目中，代码下载到n a n df l a s h 中，而运行地址是 s d r a m 的0 x 3 0 8 0 0 0 0 0 h 中。b o o t l o a d e r 只需要注意以上3 点即可。 6 5 看门狗 电磁干扰、电压不稳或程序b u g 都可能导致程序跑飞，为了防止程序跑飞， 5 7 电子科技大学硕士学位论文 加入看门狗，对m c u 进行复位。看门狗定时器的初始状态是禁止的，可以没有 限制地通过置位w d e 来使能它。如果没有及时复位定时器，一旦时间超过复位 周期，a t m e g a l 2 8 就复位。 看门狗定时器由独立的1 m h z 片内振荡器驱动，可以通过修改特定寄存器来 变定时器溢出周期及禁止( 已经使能的) 看门狗定时器。 看门狗定时器复位代码放置在g c o s i i 的时钟中断里。时钟中断为2 0 m s 一 次，看门狗定时器为5 6 2 m s 。 6 6 小结 本章从操作系统i i c o s i i 的启动、任务调度、中断管理以及网络通信几个方 面详细介绍了嵌入式平台的软件系统，并阐述了对系统响应时间的一些考虑。另 外，较为详细地叙述了用户语音控制流程、看门狗和b o o t l o a d 开发。 5 8 第七章结论 第七章结论 1 以太网测试环境 如图所示，在测试过程中，使用一台p c 机( c e l e r o n1 7 0 g h z ，2 5 6 m 内存) 作为测试机，通过r t l 8 1 3 9 百兆以太网卡连接到百兆交换机进行测试。8 个分机 连接到交换机，串口可以连接到p c 机串口打印调试数据。 图7 1 以太网测试框图 p c 测试机使用的测试软件软件是 t c p & u d p 测试工具”，如图7 2 所示。可 以发送、接收数据包，工作方式由服务器和客户端两种选择。软件能设置发送包 的大小( 0 - - i 以是文件或者文本框中的任意数据) 、发送周期，并能显示发送和接 收的数据量( 单位为b 吼e ) 。 2 以太网测试方法 针对本文设计、实现嵌入式t c p i p 协议栈共3 项测试，具体测试内容如下： 1 ) 用于测试以太网数据传输的稳定性。开发板全负荷工作的同时，p c 机向 开发板发送数据，开发板收到后回发相同的数据，全双工工作。由于分机 的最高流量为1 4 9 6 0 b p s ，所以p c 机的发送周期设为1 0 m s ，包的大小设 为2 0 b y t e ，发送速率= 1 0 0 x 2 0 x 8 = 1 6 0 0 0 b p s 。以半个小时为一个时间单 位，测试是否有丢包情况。 2 ) 测试以太网的最大传输速率。p c 机向开发板发送数据包，开发板收到后 回发相同数据。包的大小不变设置为i k ，变化的是发送的周期，由此来 测定以太网最能承受多大的传输速度。 电子科技大学硕士学位论文 3 ) 测试模拟环境下的u d p 掉包率。模拟工作环境，8 个分机、通过2 个交换 机进行u d p 通讯，测试以太网通讯的掉包率。分机两两为一组建立通讯， 并将发包数、收包数打印到串口，测试其中各组掉包情况。包大小恒为 1 0 0 b y t e ，周期为1 0 m s ，以2 个小时为一个时间单位。 图7 2 p c 机测试软件 2 测试结果及分析 1 ) 测试方法1 结果及分析 如图所示发送的周期为1 0 m s ，数据是任意的大小为2 0 b 的数据包。半小时 发送的数据量在3 7 0 0 k b 左右浮动，发送的数据包和接受的数据包数量都是相同 的。这就说明发出去的包都发送成功，接收的包也都接收成功( 否则数量应该不 一致) ，这时以太网工作是稳定。测试结果如图7 3 所示。 2 ) 测试方法2 结果及分析 发送的是一个大小为1 k 的仅t 文件，内容任意。经过测试当发送周期 = 3 4 m s 时，没有出现丢包情况。当发送周期小于3 4 m s ，网络开始出现丢包情况，接受的 包要比发送的包每秒少几十个包，周期越短丢包情况越严重。由此推算网络最大 的传输速度：【1 3 4 x 1 k x 8 - - 2 3 5 2 0 0 0 b p s = 2 3 5 2 m b p s 。 3 ) 测试方法3 结果及分析 第七章结论 丢包率是指在吞吐量范围内，测试所丢失数据包占所发送数据包的比率。丢包 率与数据包长度以及包发送频率相关。主要是由于路由抖动、大量路由造成。本 系统只有两个1 0 0 m 带宽的交换机，不存在路由，所以u d p 包丢包情况较为良好， 延时也很少。统计8 个分机的发送、接收情况分析，大概1 0 0 0 0 个包回丢失1 个数据 包，丢失率为0 0 1 ，在系统的容忍范围内。 图7 3 测试方法1 结果 6 l 电子科技大学硕士学位论文 第八章总结 利用功能强大但并不昂贵的m c u 和嵌入式实时操作系统以及裁减的t c p i p 协议开发新的基于网络的嵌入式产品己经成为一种普遍的快速开发模式。本文建 立了一个多任务多协议的基本框架，降低了对嵌入式开发人员在计算机理论和操 作系统知识的要求，从而使嵌入式软件开发更加简易方便。基于该平台，本文设 计了一个通讯网络，由8 个分机组成，实现实时数据与语音数据的传输，对实时 性有一定的要求。本文针对嵌入式实时系统i t c o s i i 的移植和裁减进行了研究， 并对各个软件模块( 包括以太网模块) 的指标、优化、完善与实现进行了讨论， 以满足系统设计的要求。 。 完成的主要工作包括： 1 ) 分析嵌入式操作系统的技术指标，根据需求提出系统总体方案，完成操作 系统和芯片的选型； 2 ) 对嵌入式实时操作系统 i c o s i i 以及以太网协议栈u i p 进行了研究和讨 论，并进行了优化和移植； 3 ) 在嵌入式操作系统平台上，设计相关任务的软件模块： 4 ) 围绕嵌入式系统进行外围软件开发，如b o o t l o a d c r 以及看门狗的开发， 提高系统开发的简易性和安全性。 本课题涉及操作系统、以太网协议等软件设计和硬件设计，设计范围较广， 由于时间和水平所限，所做的工作还有待进一步完善和扩展：修改以太网协议栈， 支持网页形式进行用户软件升级、指标修改和代码下载；修改路由寻址，支持对 外网的访问，用于远程操控；功能扩展后可以考虑使用a r m 来实现更加复杂的 功能。 致谢 致谢 本论文是在我的导师刘钊教授的悉心指导下完成。刘老师严谨的治学态度， 丰富的阅历以及对科研工作的执着追求，都给我留下了很深的印象。在整个作课 题的过程中，刘老师不时给予我热情的鼓励和实验设施上的大力支持，这是我的 课题顺利完成的保障。值此论文成稿之际，我谨向我的导师刘钊教授致以衷心的 感谢! 同时，我还要感谢我周围的朋友们一吴士奇、成苗、王良军、梅平、吕超英。 他们不仅在学习中给了我很大的帮助，还为我带来了融洽的环境、多彩的生活。 我从他们身上学到了很多受益终生的东西。 特别要感谢我亲爱的父亲、母亲和我的姐姐。这些年的大学生活离不开他们 默默的支持，他们无私的爱是我前进的动力。 毕业在即，回首往事，感慨万千。最后忠心感谢所有关心我、支持我的亲人、 老师、朋友们，好人一生平安1 6 3 电子科技大学硕士学位论文 参考文献 【i 】吕京建，肖海桥等面向二十一世纪的嵌入式系统综述广东：电子质量，2 0 0 1 【2 】2 j e a nj l a b r o s s e 嵌入式实时操作系统l lc o s - h ( 第2 版) 邵贝贝译北京：北京航空 航天大学出版社, 2 0 0 3 【3 】 d a n lp b o 玎& m a r c oc e s a t i 深入理解l i n u x 内核陈莉君等译北京：中国 电力出版社，2 0 0 7 【4 】 陈冬云a t m e g a l 2 8 单片机原理与开发指导北京：机械工业出版社, 2 0 0 5 【5 】 佟长福a v r 单片机g c c 程序设计北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 6 【6 】d v s ic o r p o r a t i o n a m b e 一2 0 0 0 x mv o c o d e rc h i pu s e r sm a n u a lv e r s i o n3 0 2 0 0 4 f 7 】y u - - c h u n g w a n g ，k w e i j 蛳e n h a n c i n gt h er e a l 一缸ec a p a b i l i t yo ft h el i n u x k e r n e l r e a l - - t i m ec o m p u t i n gs y s t e m sa n da p p l i c a t i o n s ，1 9 9 8 【8 】雷红卫，桑楠，熊光泽嵌入式实时系统中断管理技术研究北京：单片机与嵌入式系统 应用, 2 0 0 4 【9 】 罗蕾嵌入式实时操作系统及应用北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 5 【1 0 】m i c h a e lm s w i f l ，b r i a nn b e r s h a d , h e n r ym l e v y ；i m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t yo fc o m m o d i t y o p e r a t i n gs y s t e m s a c mt r a n s a c t i o n so nc o m p u t e rs y s t e m s ，2 0 0 5 11 】a t m e lc o r p o r a t i o n a v rm i c r o c o n t r o l l e r a t m e g a l 2 8d a t a s h e e t , 2 0 0 5 【1 2 】马潮高档8 位单片机a t m e g a l 2 8 原理与开发应用指南北京：北京航空航天大学出 版社, 2 0 0 4 1 3 】r e a l t e kc o r p o r a t i o n r t l s 0