（电力电子与电力传动专业论文）智能家电控制器的虚拟实现.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t i no r d e rt oa c h i e v ec o m m o nh o u s e h o l da p p l i a n c e sr e m o t ec o n t r o l s ，w h i c ha r en o t i n f o r m a t i o na p p l i a n c e ，w en e e dt od e s i g nad e v i c e ，t h a ti s ，t h ea p p l i a n c ec o n t r o l l e r w i t he m b e d d e dt e c h n o l o g y d e v e l o p i n g ，嬲w e l l a st h e p o p u l a r i t yo fm o b i l e c o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n t , t h ec o n d i t i o n st or e m o t ec o n t r o lh o m ea p p l i a n c e sh a v e g r a d u a l l ym a t u r e d i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g no ft h ew i r e l e s sc o n t r o l l e r sf o rh o m e a p p l i a n c e ，b a s e da r m 9p r o c e s s o rc h i pa n dm o b i l es h o r tm e s s a g es e r v i c e ，i s i n t r o d u c e d i nh a r d w a r ed e s i g n , t h em e s s a g et r a n s c e i v e rc i r c u i ta n di n f r a r e dr e m o t ec o n t r o l c i r c u i ta r e d e s i g n e d , b a s e do nt h es e r i a lp o r to f $ 3 c 2 4 10c h i p i nt h em e s s a g e t r a n s c e i v e rc i r c u i t , c o n t r o l l e ro fh o m ea p p l i a n c ei sc o n n e c t e di n t ot h em o b i l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kt h r o u g hs i e m e n st c 3 5 im o d u l ea n ds i mc a r d ，t os e tt h e r e l e v a n tp a r a m e t e r s ，c o n t r o lh o m ea p p l i a n c e sr u n n i n gs t a t ea n ds e n tt h er e s u l t st ot h e u s e rs i d ei nt h ef o r mo fs m st e x tm e s s a g e s ；i n f r a r e dr e m o t ec o n t r o lc i r c u i t sf u n c t i o n i st or e c e i v et h ec o n t r o lp a r a m e t e r sp a s s e dt ot h ea p p l i a n c e s ，w h i c ha c h i e v et h ec o n t r o l o fa p p l i a n c e s i nt h i sp a p e r , h o m ea p p l i a n c e s 嬲a i rc o n t r o l l e r sw e r em o n i t o r e d , s ot h e t e m p e r a t u r em e a s u r i n gs y s t e mi sd e s i g n e dt od e t e c ta i r - c o n d i t i o n i n gw o r ks t a t e i ns o f t w a r ed e s i g n , u s i n ge m b e d d e dl i n u x 嬲t h eo p e r a t i n gs y s t e m ，t h el i n u x k e r n e lt a i l o r i n ga n dt r a n s p l a n t a t i o n , t h er o o tf i l es y s t e mm a k i n g ，g r a p h i c a li n t e r f a c e t r a n s p l a n t a t i o nw e r ec o m p l e t e d , a n dt r a n s p l a n t a t i o no f t h eb o o tl o a d e rw a sr e s e a r c h e d ； i nt h i sp a p e r , h o m ea p p l i a n c e sc a nb ec o n t r o l l e db ys e l e c t i n gd i f f e r e n tp a r a m e t e r so r t h ep r e s e tp a r a m e t e r s ，o nh u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c e ，w h i c hp r o g r a m m e dt h r o u g h m i n i g u ip r o g r a m m i n gl a n g u a g e ；i nt h i sp a p e r ，t h es h o r tm e s s a g ec o k ea n dr e l a t e d a tc o m m a n dw e r ei n t r o d u c e d ，i no r d e rt oa c h i e v es h o r tm a s s a g et r a n s c e i v e r t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ea p p l i a n c ec o n t r o l l e rd e s i g np r o c e s s ，a n de x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h ed e v i c ea c h i e v e sac e r t a i nd e g r e eo fs u p e r v i s o r yf i m c t i o n i nt h i s p a p e r ，a no r d i n a r yh o u s e h o l de l e c t r i c a la p p l i a n c er e m o t ec o n t r o ls y s t e mc a nh e r e a l i z e d ，w h i c hn o tn e e dt h en e t w o r kr o l l o u ta n dt h ed e s i g ng a t e w a y s ，b yt h es i m p l e c o n t r o lm e t h o d , l o wc o s t , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , t h a ti s ，t h r o u g hc e l lp h o n et e x t m e s s a g e s f i g u r e 3 4 】t a b l e 【9 】9r e f e r e n c e 7 6 】 i i i 安徽理r 1 ：大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：h o m ea p p l i a n c e sc o n t r o l l e r , s h o r tm e s s a g es e r v i c e s ，e m b e d d e ds y s t e m s c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t n 911 i v 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以外， 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 塞徵理王太堂一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已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 月上日 本学位论文作者完全了解塞邀堡王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞徵堡王太堂。学校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。本人授权安徽理工大学 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 论文在解密后适用本授权书) 学位论文 导师签名 字日期d 踟罗年莎月日 字日期州年月厂日 引言 引言 随着人们生活水平的不断提高，人们对生活的舒适度有了更高的要求。现如 今各种家电已经普及到人们的家庭中，因此家电的性能对人们生活的舒适度有着 直接的影响。随着网络技术与通信技术的发展，尤其是移动通信设备的普及，使 人们对家电的智能控制的要求也随之增长，同时也为实现家电远程智能控制提供 了条件。但很多普通家电却不具备智能控制所需的条件，为了实现对普通家电的 智能控制，需要设计一个中间设备智能家电控制器。 人们对家电的智能控制经历了一系列的发展过程。首先是对家电提出智能的 要求，因此信息家电产业的产生并兴起于2 0 世纪九十年代，并通过家庭网关的设 计，可以实现通过网络对信息家电的远程控制；接着，从简单的可视对讲到远程 抄表，智能家居系统成为对家电及家居设备智能控制的新的阶段；如今，随着嵌 入式处理性能的不断提高，智能家居产品则侧重与智能家居室内配套产品的完善 与健全以及更大范围的系统整合。如各种家电控制模块、智能开关、各类传感器 的开发与制造等。因此智能家电控制器，适应了市场发展的需求。 现在市场上的家电控制器，大多是通过电话网络进行远程控制或是通过p d a 实现对家电进行远程控制。本文应用现阶段流行的a r m 9 系列微处理器芯片、短消 息通信模块和嵌入式l i n u x 操作系统，进行了家电控制器的软硬件设计。本文对 家电的远程智能控制提出了新的方案，并完整的展现了嵌入式系统应用开发全过 程，为嵌入式系统开发提供了较好的学习案例。 1 绪论 l绪论 1 1 智能家电控制器的前景及重要性 随着科学技术的迅速发展，人们生活水平的不断提高，人们对生活的舒适程 度要求越来越高，家用电器作为每个家庭不可缺少的设备，它的性能直接影响家 庭智能化的程度，因此人们已经不再满足单一功能的家用电器，而是对家用电器 的功能和智能化水平提出越来越高的要求。 通信技术和网络技术的发展，为家用电器居家环境集中控制和远程调控提供 了可能性，信息家电孕育而生。信息家电( i n f o r m a t i o na p p l i a n c e ) 是近年来提出的 一个新概念，它是一种智能家电，其含义是将计算机数字化技术、现代通信技术 融入传统的家用电器之中，使之智能化并具有网络信息终端的功能，可以主动的 发布、获取和处理相关信息，从而使传统家庭信息化与现代信息社会“信息高速 公路通信网络紧密相连，为数字处理和网络技术更广泛的深入家庭生活而设计 的新型家用电器产品【l 】。信息家电与传统家电主要区别就在于，信息家电能够与 网络交换信息，并具有智能信息处理的功能。由于信息家电与网络技术密切结合， 因此信息家电可以使人们的生活更舒适、方便。例如，一台称为信息家电的电冰 箱，它就是可以接入i n t e r a c t 的“智能”电冰箱，当它内部的储存食物不足时，可以 通过网络向商场或超市发出采购信息。如果商场或超市有物品购送的服务，那就 可以足不出户的享受信息化带来的便捷了。但由于信息家电的安装成本过高、配 套服务不同步、大多数家庭若想实现上述服务需要对原有普通传统家电进行置换 等原因，因此信息家电在我国普及尚需时日。 为实现对传统家电的智能化控制，就要由一个中间设备即智能家电控制器。 本文所设计的是家电控制器是面向家庭的消费群体的，它为广大家庭用户提供一 个对传统家用电器进行管理控制的智能平台。拥有一台智能家电控制器，则不需 要有专门的信息家电也不需要铺设家庭网络，就可以使你的家居生活实现智能化。 1 2 智能家电控制器的发展现状 1 2 1 国外发展现状 1 9 7 7 年美国华纳电缆通讯公司开发了最早期的q u b e ( 库贝) 交互电视系统， 它在有线电视基础上提供按次收费的家庭购物和m t v 等节目，每个库贝用户的电视 机上都有一个机项盒，供用户输入选择、接收、拒绝等控制信息，这是早期的信 3 安徽理工大学硕十学位论文 息家电产品。 自1 9 8 4 年在美国诞生第一座智能大厦以来，智能建筑在全世界范围内迅速发 展，引起了住宅建筑本身智能型、舒适性的革命性变化，并且带动了家用电器的 操作控制智能化，初步产生了信息家电产业。 1 9 8 9 年美国的v a n d e rm e y 开始研究如何对家庭实现自动化，经过近几年许 多公司和研究者的努力家庭自动化已初步形成一定的模式。目前主要集中在发达 国家和地区如：西欧的e h se i bb a t i b u s 、美国的c e b u sb a c n e t s m a r t h o u s e l o n w o r k s 等等。各种系统都有自己的特色各有利弊，尚没有统一的标准，但总体 发展趋势是由集中控制到分布控制普遍采用总线形式。 1 9 9 8 年5 月新加坡举办的9 8 亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会上，通 过在场内模拟未来之家推出了新加坡模式的家庭智能化系统。它的系统功能包括： 三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能家电控制功能、有 线电视接入、电话接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、 宽带网接入和系统软件配置等。 1 9 9 9 年3 月8 日，比尔盖茨在深圳宣布了“维纳斯 计划，将机顶盒引入 了国内市场。接着，中科院北京软件工程研制中心针对“维纳斯”计划推出了一 个“女蜗”计划，一时臼j 信息家电风起云涌，成为世人瞩目的焦点。 2 0 0 1 年3 月，e c h o n e t 联盟举行的“e c h o n e t 开发成果展览会 上，松 下电器产业和松下产业机器展示了支持e c h o n e t ，数据传输速度为9 6 0 0 b p s 的 专用m o d e m 以及供用户操作家电产品的控制器。e c h o n e t 代表了日本为利用照明 线路传输数据、实现家电产品网络化的标志。 目前，高端的智能家居产品厂家以美国a b b 、德国莫顿、美国g e 、美国 h o n e y w e l l 、奥洲奇胜等为代表1 2 1 。 1 2 2 国内发展现状 中科院北京软件工程研制中心针对“维纳斯 计划推出了一个“女蜗 计划， 使信息家电在我国风起云涌。目前，我国居住环境多以住宅小区式为主，所以智能 家居发展的重点主要集中在安防监控的方面，而且国内的智能家居产品应用技术 基本上都是从先进的发达国家引进的，由国内自主开发的技术不多，由于昂贵的 技术专利费等因素，导致生产成本较高1 2 j 。 2 0 0 0 年9 月，北京召开了“2 1 世纪中国信息家电及通讯网络产品发展趋势研 讨会，在会上，信息家电专家指出，信息家电趋势看好，潜力巨大。 4 l 绪论 2 0 0 0 年9 月7 日至8 只，国家经贸委2 0 0 0 年国家技术创新重点专项计划“家 庭信息化网络技术体系研究及产品开发项目工作会议在长虹顺利召开1 3 1 。 2 0 0 1 年，清华同方开发了以“智能家居集中控制器 为核心的智能控制管理 系统，加载上一个社区物业管理及综合信息服务平台，称之为“e - h o m e 数字家园。 科龙研制的“现代家居信息服务及智能集散控制系统 在京通过专家鉴定【3 1 。 2 0 0 3 年，联想、海尔、海信、长虹相继退出信息家电产品或计划。 2 0 0 5 年6 月信息产业部颁布了家庭网络平台( 简称e 家佳标准) 和信 息设备资源共享协同服务( 简称闪联标准) 1 0 版两个系列标准，这两个标准 已成为国家推荐性行业标准。闪联标准偏重于高速网络的互联互通，而e 家佳标 准则偏重于家庭家电控制的互联互通。但该项标准并不是所有生产行业所遵循的 统一标准。 2 0 0 6 年是家居智能防范到智能家居跃进的转折点，市场明显地表现为从普通 的可视对讲向高端的安防系统及家居智能逐步发展过来的特点。 2 0 0 6 年1 2 月1 日起实_ 旌建筑及住宅社区数字化技术应用标准，它贯穿 了三个数字化应用目标的结合，即数字城市、数字社区、数字家庭。建立数字社 区是从中间贯穿上下两个方面的延伸，数字社区是数字城市的中间节点，同是也 是数字家庭的一个中间节点【4 】。 2 0 0 7 年，三星开始在中、韩两国同时推出其智能家居系统，通过机顶盒和网 络，将家居自动化控制、信息家电、安防设备以及娱乐和信息中心这四部分集成 一个全面的，面向宽带互联网的家居控制网络。2 0 0 7 年，我国智能家居侧重与网 络的构建暨i p 网络联网技术的广泛应运。 2 0 0 8 年的智能家居产品则侧重与智能家居室内配套产品的完善与健全以及 更大范围的系统整合。如各种家电控制模块、智能开关、各类传感器的开发与制 造等【5 1 。 1 3 几种智能家居控制方案的比较 1 3 1 智能家居的基本功能 智能家居就是由计算机、通信控制技术( 3 c ) ，建立一个由家庭安全防护系统、 网络服务系统和家庭自动化系统组成的家庭中和服务与管理集成系统，从而实现 全面的安全防护、遍历的通讯网络以及舒适的居住环境的家庭住宅【6 1 。智能家居 是i t 技术、网络技术、控制技术向传统家电产业渗透发展的必然结果。智能家居 5 安徽理：【大学硕十学位论文 的基本目标是为人们提供一个舒适、安全、方便和高效率的生活环境，所以它所 要实现的主要功能有： 1 通过对外接口，实现远程控制和信息交换，如：电话线、有线电视电缆、 照明先、双绞线和无线通信等方式。 2 对普通家电，如：空调、洗衣机、灯光、防盗系统、电动窗帘、温度和 湿度控制器的检测和控制。 3 通过网络实现对外部世界之间信息的沟通，如通过计算机对所缺物品的 订购等等。 1 3 2 智能家居的控制方案的比较 1 - 基于p c 网关和专用网组成的智能家居控制方案：此技术采用专用网络( 如 r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，c a n 总线等) 把一批单片机及嵌入式统连接在一起，然后再将该专 用网络连接到一台p c 机上，该p c 作为网关将专用网上的信息转换为t c p i p 协 议数据包，然后发送到网上实现信息共享。此方案存在如下缺点：需要依赖p c 机 作网关进行协议转换，在多个单片机系统分散的情况下，专用络布线及为不便。 需要在p c 机上安装专门的协议转换软件，该软件通常由专门的三方软件商提供， 费用较高。 2 基于高档片上机和i p 网络组成的智能家居控制方案：对于嵌入式系统接 入i n t e m e t ，o s i o m 公司研发的n e t + a r m 的系统机级芯片s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 的方案较为正统。使用s o c 技术设计的系统，就是把整个应用电子系统全部集成 在一个芯片中。它使用下列网络协议：t c p 、u d p 、r a r p 、i c m p ；还有下列关 于i n t e m e t 网的高层软件协议：i i t p 、s m t p 、f t p 。其缺点是其成本较高。 3 信息家电组网与i n t e m e t 网络组成的智能家居控制方案：以信息家电为 前提，将各种信息家电通过家庭总线技术连接到一起，组成功能强大的智能化的 智能家电控制平台，并介入i n t e m e t 。其中信息家电的组网可选择电力线、电话线、 蓝牙、无线组网等。其缺点是对组网的家用电器必须是信息家电，虽然信息家电 产业发展的如火如荼，但目前国内外对信息家电技术的研究正处于起步阶段，推 出的产品大都是概念性产品；信息家电的组网的网关设计比较复杂。 4 基于3 2 位嵌入式设备和无线网络家电控制器的智能家居控制方案：3 2 位的嵌入式系统可按上述s o c 一样的思路，在实时操作系统和函数的支持下实现 i n t e m e t 接入。由于3 2 位的嵌入式系统自身资源一般较为丰富，运行速度较 高，而且又有强大的嵌入式实时操作系统和函数的支持，因此3 2 的嵌入式系 6 1 绪论 统接入i n t e m e t 是很容易的。它的缺点是：高档单片机价格较高，开发周期较长： 并需要购买昂贵的r t o s 开发软件，对开发人员的开发能力要求较高。在这里，我 们选用3 2 位嵌入式芯片$ 3 c 2 4 1 0 ，配合l i n u x 操作系统，选用g s m 无线网络为通 信网。由于l i n u x 内核代码开源且大小可剪裁，适合做成较小存储空间的操作系 统，便于移植到嵌入式芯片中；又由于g s m 手机的普及，用这种方案制作家电 控制器，可实现智能家居基本功能的要求。 1 4 研究背景 目前，许多人都在进行智能家电控制器的研究和设计，并提出如下几种设计 思路。 1 家电控制器由三部分网络( 家庭网络、g p r s 网络和i n t e m e t ) 和两个主要 传输实体( 家庭网关和i n t e m e t 上的控制中心服务器) 构成。以家庭网关作为控制 平台将家庭内部的信息家电组织成家庭网络，家庭网关与信息家电之间通过蓝牙 接口模块建立无线连接，家庭网关利用g p r s 网络无线接入互联网，与i n t e m e t 上 的控制中心服务器建立连接，以实现信息家电的远程控制，操作系统采用l i n u x 系统 7 1 。 2 由p d a 设备构成家电控制器，p d a 设备通过i n t e m e t 联接家庭网关，从而 实现对家用电器的控制。其中p d a 上的操作系统是p e n b e xo s ，用p e n b e xs d k 进行控制功能软件的开发，其中p e n b e x 属于第三方软硬件开发。 3 由嵌入式芯片构成的智能家电控制器，但该智能家电控制器仅相当于一个 拥有图形控制界面的万能遥控器。嵌入式芯片如$ 3 c 4 4 8 0 编程使其解析各家电的 控制规律，从而实现对各种家电的控制。 4 肢体控制智能家电控制器，根据相关环境内是否有人体活动的相关信息及 电器设备的原始工作状态，自动控制用电器具的功能状态或自动控制用电器具的 功能状态的转换。 综合参考以上设计思路，本文设计的智能家电控制器的方案是：以嵌入式 删9 芯片s 3 c 2 4 1 0 为控制主体模块，以s i m 卡和短消息模块为远程无线控制模 块，以自学习红外收发模块为家用电器的运行控制模块。 1 5 本文研究的内容 本文所设计的智能家电控制器是集现代微电子技术、信息技术、精密机器加 工技术和传感技术等科学理论于一身的高自动化技术。无线控制技术“嫁接 于 一7 一 安徽理t 大学硕士学位论文 家电控制器后，使家电会“思考”、“分析 ，使人们觉得自己的手无形地延长 了，生活舒适度、办事效率大幅度提高。本文所研究的内容如下： 1 智能家电控制器的硬件电路设计：l c d 显示模块及驱动、家电控制信号 的产生模块、家电运行状态信号的接收模块、短信无线收发模块。 2 智能家电控制器的软件设计：控制界面的m i n i g u i 编程。 3 嵌入式l i n u x 操作系统的移植：v i v i 的移植、内核的剪裁与移植、文件 系统的制作与图形界面的移植。 1 6 ，j 、结 本章通过翻阅大量的参考资料，整理出了智能家电控制器的国内外发展现状、 给出了本文的研究背景并对被论文的研究内容经行了简要的介绍。 8 2 嵌入式系统 2 嵌入式系统 智能家电控制器使用简单、方便、具有较高的实时性，这一切都离不开嵌入 式技术对它的支持。而嵌入式技术在智能家电控制器的设计过程中应用就是通过 嵌入式c p u 芯片及固化在其中的操作系统体现的，在该系统中运行相应的应用程 序，从而实现家电控制器的智能化。 2 1 嵌入式系统简介 2 1 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。目前嵌入式系统已经渗透到我们生 活中的每个角落，工业、服务业、消费电子等领域。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。根据i e e e ( 国际电机工程师协会) 的定 义是【8 l ：“嵌入式系统是控制或监视机器、装置或者辅助装置、机器和设备运行的 装置 ( 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 fe q u i p m e n t , m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。在我国较为认可的定义为：“嵌入式系统就是以应用为中心、 以计算机技术为基础、软硬件可剪裁、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”1 9 1 。广义地说，一个嵌入式系统是一个有 特定功能或用途的计算机软、硬件的集合体。狭义的嵌入式系统仅指装入另一设 备并控制该设备的专用计算机系统，包括目标机与宿主机两部分，其中的目标机 是一种功能单一、处于从属地位的计算机系统。因此，一个完整的嵌入式系统包 括硬件和软件两个部分，有机地结合软、硬件就可构成一个专门的、完成特定功 能的系统，而且它的软硬件可剪裁，适用于对功能、体积、成本、可靠性、功耗 有严格要求的计算机系统中。嵌入式系统发展的最高形式片上系统( s o c ) 是这 些技术的集大成者。 从嵌入式系统定义中可以看出，嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应 用的，它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势。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，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用；嵌入式系统是将先进的计算 机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点 就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系 统；嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可 9 安徽理- 1 ：大学硕十学位论文 靠性、成本、体积等要求。目前的嵌入式系统的核心往往是一个只有几k 到几十 k 微内核，需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减。 2 1 2 嵌入式系统的特点 1 嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式c p u 与通用型的最大不同就是 嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积 小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部， 从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越 来越紧密1 9 1 。 2 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业 的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、 高度分散、不断创新的知识集成系统。 3 嵌入式系统的规模可变性，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设 计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能 在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力【1 0 l 。 4 嵌入式系统的功能特定性。嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起， 它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具 有较长的生命周期【1 1 】。 5 嵌入式系统的实时性和稳定性。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入 式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等 载体中。 6 嵌入式系统具有专门的开发工具和丌发环境。嵌入式系统本身不具备自 主开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的， 必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 2 1 3 嵌入式系统中常用的概念 1 嵌入式处理器： 嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。范围极其广阔，从 最初的4 位处理器，目前仍在大规模应用的8 位单片机，到最新的受到广泛青睐 的3 2 位，6 4 位嵌入式c p u 。 2 实时操作系统( r e a lt u n eo p e r a t i n gs y s t e m ) ： 1 0 2 嵌入式系统 嵌入式系统目前最主要的组成部分。实时系统的定义为：“一个能够在指定时 间或者确定的时间内，完成系统功能和对外部或内部、同步或异步时间做出相应 的系统 【1 1 1 。根据操作系统的工作特性，实时是指物理进程的真实时间。实时操 作系统具有实时性，能从硬件方面支持实时控制系统工作的操作系统。其中实时 性是第一要求，需要调度一切可利用的资源完成实时控制任务，其次才着眼于提 高计算机系统的使用效率，重要特点是要满足对时间的限制和要求1 8 i 。 3 分时操作系统： 对于分时操作系统，软件的执行在时间上的要求，并不严格，时间上的错误， 一般不会造成灾难性的后果。目前分时系统的强项在于多任务的管理，而实时操 作系统的重要特点是具有系统的可确定性，即系统能对运行情况的最好和最坏等 的情况能做出精确的估计【1 1 1 。 4 多任务操作系统： 系统支持多任务管理和任务间的同步和通信，传统的单片机系统和d o s 系统 等对多任务支持的功能很弱，而目前的w m d o w s 是典型的多任务操作系统。在嵌 入式应用领域中，多任务是一个普遍的要求。 2 1 4 嵌入式系统的发展趋势 嵌入式系统发展至今已经有3 0 多年的历史，经历了以单芯片为核心的可编程 控制器系统，以嵌入式处理器为基础，以简单操作系统为核心的嵌入式系统，以 嵌入式处理器为基础，以复杂的嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统和具丰富网 络功能的嵌入式系统。在进入2 0 世纪9 0 年代，嵌入式技术全面展开，目前已成 为通信和消费类产品的共同发展方向。在通信领域，数字技术正在全面取代模拟 技术；在广播电视领域，美国已开始由模拟电视向数字电视转变，欧洲的d v b ( 数字电视广播) 技术已在全球大多数国家推广，数字音频广播( d a b ) 也已进 入商品化试播阶段。现在嵌入式系统正处于高速发展阶段，未来的几年里，这种 发展和竞争将会越来越激烈。v e n t u r ed e v e l o p m e n t 公司在2 0 0 3 年初预测，嵌入式 操作系统、捆绑工具及相关服务的市场到2 0 0 7 年将超越1 0 亿美元，其中亚太地 区的增长最快。该公司还预测，非捆绑嵌入式软件开发工具的市场将达到5 2 5 2 亿美元，年复合增长率为9 5 l l 引。 安徽理：r 人学硕士学位论文 2 2 嵌入式微处理器 2 2 1嵌入式微处理器的分类 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，目前，据不完全统计， 全世界嵌入式处理器的品种总数已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 多个系 列。根据其发展现状来看可以分成下面几类： 1 m p u ( m i c r op r o c e s s o ru n i 0 嵌入式微处理器：嵌入式微处理器就是和计算 机的微处理器对应的c p u 它的特征是具有3 2 位以上的处理器，具有较高的性能， 当然其价格也相应较高。其指令系统与原m p u c p u 兼容，以嵌入式c 语言为开 发工具。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应 用有关的母版功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用 的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本一样，但在工作 温度、抗电磁干扰、可靠性等方面都做了各种增强。与工控计算机相比，嵌入式 微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处 理器类型有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 一4 0 0 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m s t r o n g a r m 系列等。主要应用于多媒体、p d a 、移动通信等存储容量较大、对实时性要求不太 高的实时处理系统中【8 1 。 2 m c u ( m i c o rc o n t r o l l e ru n i t ) 嵌入式微控制器：嵌入式微控制器又称单片 机，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。编程语言是汇编语言和嵌入式c 语言。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成 r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时器、计数器、w a t c h d o g 、i o 、串 行口、脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s h r a m 、e e p r o m 等各种必要功能和外设。 和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使 功耗和成本下降、可靠性提耐”】。m c u 追求的目标是整体、小型、廉价，不提倡 用总线扩展外围设备。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片外 设资源一般比较丰富，适合于控制应用，因此称为微控制器。嵌入式微控制器比 较有代表性的通用系列包括8 0 5 1 、p 5 1 x a 、m c s 2 5 1 、m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 、c 1 6 6 1 6 7 、 m c 6 8 h c 0 5 11 1 2 1 6 、6 8 3 0 0 等。 3 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 ) - s p 的理论算法在7 0 年代就 已经出现，但是由于专门的d s p 处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过 m p u 等由分立元件实现。d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系 统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令的执行速度。 1 2 2 嵌入式系统 在数字滤波、f f t 、谱分析等各种仪器上d s p 获得了大规模的应用n 4 1 。嵌入式d s p 处理器代表性的产品是t e x a si n s t r u m e n t s 的t m s 3 2 0 系列和m o t o r o l a的 d s p 5 6 0 0 系列。前者包括用于控制的c 2 0 0 0 系列，用于移动通信的c 5 0 0 0 系列， 以及性能更高的c 6 0 0 0 系列和c 8 0 0 0 系列；后者目前已经发展称为d s p 5 6 0 0 0 ， d s p 5 6 1 0 0 ，d s p 5 6 2 0 0 0 和ds p 5 6 3 0 0 等几个不同系列的处理器。 4 嵌入式片上机系统( s o t ) - 随着e d i 的推广和v l s i 设计的普及化，以及 半导体工艺的迅速发展，可以在一个硅片上实现一个更为复杂的系统，这就是嵌 入式片上系统( s o c ) 。各种通用处理器内核将作为嵌入式片上系统设计公司的标准 库，s o c 最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作 系统的代码模块。s o c 为现代电子工程师提供了一个快捷而且经济的系统设计方 法，可以大大地缩短应用系统设计开发周期，使那些传统观念上认为高性能、高 复杂度、高成本的嵌入式结构，能够通过低成本的单片芯片实现。嵌入式片上系 统可以分为通用和专用两类，通用系列包括i n f m e o n 的t r i c o r c ，m o t o r o l a 的 m c o r e ，某些a r m 系列器件等；专用嵌入式片上系统一般专用于某个或某类系 统中，如p h i l i p s 的s m a r t x a 。 2 2 2a r m 系列处理器的介绍 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 是采用高端r i s c 架构的计算机。它既是一个 公司名称，也可以认为是一类技术的名称，或者是一类处理器的总称i l 别。1 9 9 1 年 a r m 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片技术。目前，采用a r m 技术知识产权 ( i p ) 核的微处理器，即通常所说的a r m 微处理器，它已经广泛应用于工业控制、 消费电子、通信系统、网络系统、无线系统等各个领域。基于a r m 技术的微处 理器约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额。 1 a r m 处理器的特点 由于a r m 处理器属于r i s c 处理器，所以它具备r i s c 处理器的特性，同时 它还有一些通用r i s c 处理器所没有的特性。a r m 处理器架构的特点有u 6 】： 1 ) 指令长度固定。 2 ) 支持t h u m b a r m 双指令集，能很好地兼容8 位1 6 位器件。 3 ) 寻址方式灵活简单，所有的寻址只由寄存器的内容和指令域决定，并且 在这个基础上，增加了多寄存器的加载和存储指令，使数据的执行效率高。 4 1 大量使用寄存器，指令执行速度快。 5 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能。 一1 3 安徽理工大学硕士学位论文 2 a r m 微处理器系列 在a r m 处理器内核中有多个功能模块可供生产厂商根据不同用户的不同的 要求来配置生产。这些模块分别用t 、d 、m 、i 、e 、j 、s 等来表示，这些模块 一般从处理器的内核版本上可以区分出来。其中字母t 表示支持t h u m b 指令，说 明内核可以从1 6 位指令集扩充到3 2 位指令集；字母d 表示支持d e b u g ，说明该 内核中放置了用于调试的结构，通常它为一个边乔扫描链j t a g ，可以使c p u 进 入调试模式；字母m 表示m u l t i p l i e r ，说明处理器内部带有8 位乘法器；字母i 表示e m b e d d e di c el o g i c ，用于实现断点观测及变量观测的逻辑电路部分；字母 e 表示d s pe n h a n c e m e n t ，即增加了前导零处理和饱和运算等一些常用的d s p 运 算指令；字母j 表示j a z e l l ed b x ( d i r e c tb y t e c o d ee x e c u t i o n ) ，这是a r m 公司退出 的j a v a 加速解决方案，是一项专门针对j a v a 指令执行的硬件功能；字母s 表示 可综合的软核s o f t c o r c 引。 a r m 微处理器有a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 e 系列、 s e c u r c o r e 系列、i n t e l 改进型系列等，每个系列都有其自身的特点和应用领域， 总结如表1 所示。 表1a r m 微处理器系列的特点及应用领域 t a b l e lt h ef e a t u r e s 锄a p p l i c a t i o nf i e l d so f a r ms e r i e s 体系结构内核性能常用器件应用领域 a r a r m v 4 ta r m 7 t d m i 平均功耗s 3 c 4 4 b o 多媒体、嵌 m 7 ( 冯诺依 a r m 7 t d m i s 0 6 m w ，m h zx 、 入式设备 系列 曼) a i 讣，1 7 e j s 主频6 6 ms 3 c 4 5 1 0 a r m 7 2 0 th za t 9 l f r 4 0 1 6 2 a ra r m v 4 ta r m 9 2 0 t 平均功耗 s 3 c 2 5 1 0 无线设备、 m 9 ( 哈佛) a r m 9 2 2 t 0 7 m w m h ze p 9 3 1 2 仪器仪表、 系列 a r m 9 4 0 主频1 2 帖 机顶盒 2 0 0 m h z a ra r m v 4 ta r m 9 2 6 e j s ， 主频最高s t r 9 x 系 数码领域、 m 9 e ( 哈佛) a r m 9 4 6 e s 3 0 0 m h z 列图像处理 系列a r m 9 6 6 e s 支持d s p 指令8 8 e 6 2 1 8 1 4 2 嵌入式系统 表1( 续) a r m l oa r m v 5 ta r m l 0 2 0 e 平均功耗高性能手持 e 系列a r m l 0 2 2 彤 l0 0 0 m w ，m h 因特网设备、 a r m l0 2 6 e j s z 高性能打印 主频最高机 4 0 0m h z s e c u r c oa r m v 4 ts e c u r c o r e 保护单元、软内银行系统、网 f c 系列 s c l 0