（电路与系统专业论文）基于CortexM3内核的嵌入式网络终端的研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘璎 摘要 计算机和网络技术的发展，引发了测量与控制领域深刻的技术变革。测控系 统结构的开放性、网络化将是测控技术发展的主要潮流。大量相对独立的嵌入式 设备，如仪器仪表、数据采集、工业控制等系统也j 下逐步实现网络化。嵌入式网 络终端是一种实现网络智能化测控和管理的设备，将嵌入式处理器与以太网相结 合组成网络测控终端，进行信息采集、处理、传输与控制，是网络控制的理想解 决方案，可广泛应用于企业生产、智能家居和通信技术等市场领域。 本课题研究的信息采集与智能控制网络终端可应用于工业测控领域，例如生 产线的智能化管理等。终端采集识别生产线上产品标签的信息，信息经过处理后 既可以实现本地的自动存储、即时显示，还可通过网络传输到服务器的数据处理 中心，进行信息匹配、即时反馈和智能管理。 本课题研究的内容是以s t 公司最新推出的基于c o d e x m 3 内核的3 2 位高性 能嵌入式微处理器s t m 3 2 为核心，扩充由全硬件实现t c p i p 协议栈的网络接口 芯片w 5 1 0 0 的方案，搭建了测控网络终端的硬件平台。在深入研究t c p i p 协议 的基础上，设计并实现了嵌入式信息采集与智能控制的网络终端，完成了嵌入式 网络终端与上位机的网络通信和数据管理。 具体研究工作如下： ( 1 ) 深入学习了t c p i p 的原理与规范。掌握其电路拓扑结构及传输方式在 数据格式、数据包容量、总线访问限制等方面不同的特征。 ( 2 ) 对生产线上的产品信息条码识别系统和射频识别系统进行了深入的研 究，并给出了产品信息在线识别系统的设计方案。 ( 3 ) 用p r o t e ld x p 设计了嵌入式网络终端的原理图和p c b 板图，制板后进 行组装调试。实现了在没有操作系统的支持下，单芯片接入以太网的目标。为嵌 入式网络控制系统的后继开发提供了硬件平台。 ( 4 ) 对网络终端硬件平台的各个模块进行固件程序设计和调试。编写网络 终端作为c s 模式下客户端的应用程序，实现了信息采集、网络传输和控制。 ( 5 ) 编写了上位机作为c s 模式下服务器端的应用程序，实现了与终端的 网络通信和数据库的设计，提供了友好的人机界面，并实现了产品信息的管理和 可视化输出。 最后，对本课题研究内容进行了试验调试。结果表明，该系统运行稳定，能 够实现产品信息的采集、处理与网络控制。 关键词嵌入式网络终端；t c p i p ；c o d e x m 3 内核；s t m 3 2 ；w 5 1 0 0 a b q t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , t h er e s e a r c h a p p r o a c hh a sb e e np r o f o u n dc h a n g i n gi nt h ef i e l do fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1 a st h e m a i nt r e n do ft h ed e v e l o p m e n t ，m o r eo p e n i n ga n dn e t w o r k i n gf o r t h em o n i t o r i n ga n d c o n t r o ls y s t e mw i l lb et a k e nm o r es e r i o u s l yi nt h i sf i e l d al a r g en u m b e ro f r e l a t i v e l y - i n d e p e n d e n te m b e d d e dd e v i c e s ，s u c ha si n s t r u m e n t a t i o n ，d a t aa c q u i s i t i o n ， a n di n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m sa r ea l s ot oa p p r o a c ht h en e t w o r ks t e pb ys t e p e m b e d d e dn e t w o r kt e r m i n a li san e t w o r km o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n to fi n t e l l i g e n t d e v i c e s t h ec o m b i n a t i o no fe m b e d d e dp r o c e s s o r sw i t he t h e m e tc o m p o s e da m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ln e t w o r kt e r m i n a lf o ri n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n , p r o c e s s i n g , t r a n s m i s s i o na n dc o n t r 0 1 a n dt h i si sa ne x c e l l e n ts o l u t i o no fn e t w o r kc o n t r o l ，w h i c h c a nb ew i d e l yu s e di np r o d u c t i o n ，i n t e l l i g e n th o m e t e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o n s m a r k e t s t h er e s e a r c ho fi n f o r m a t i o na c q u i s i t i o na n di n t e l l i g e n tc o n t r o ln e t w o r kt e r m i n a l i nt h i sp a p e rc a nb eu s e di nt h ef i e l do fi n d u s t r i a lm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l ，s u c ha s t h ep r o d u c t i o nl i n eo fi n t e l l i g e f i tm a n a g e m e n t t h ei n f o r m a t i o no ft h ep r o d u c tl a b e l s o nt h et e r m i n a lc o l l e c ta n di d e n t i f yp r o d u c t i o nl i n e ，c a nb ep r o c e s s e da u t o m a t i c a l l yt o a c h i e v et h el o c a ls t o r a g e ，d i s p l a yi nr e a l t i m ea n dc a l la l s ob et r a n s m i t t e dt ot h es e r v e r d a t ap r o c e s s i n gc e n t e r so v e rt h en e t w o r k ，f o rp r o c e s s i n gi n f o r m a t i o nm a t c h i n g ，i n s t a n t f e e d b a c ka n d i n t e l l i g e n tm a n a g e m e n t t h ec o n t e n to ft h i sr e s e a r c hu s e dt h es t sn e w3 2 - b i t h i g h - p e r f o r m a n c e e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r s - - - s t m 3 2b a s e do nc o r t e x - m 3c o r e ，t oe x p a n df u l l h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no ft c p i pp r o t o c o ls t a c ko ft h en e t w o r ki n t e r f a c ec h i p w 510 0p r o g r a m sa n dt os t r u c t u r et h eh a r d w a r ep l a t f o r mo fm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l n e t w o r kt e r m i n a l t h o u g ht h ed e e p e rs t u d yo ft c p i pp r o t o c o l ，t h ea u t h o rd e s i g n e d a n dr e a l i z e dt h ee m b e d d e di n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n di n t e l l i g e n tc o n t r o ln e t w o r k t e r m i n a l s ；a n dc o m p l e t e dt h ee m b e d d e dn e t w o r kt e r m i n a l sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n a n dd a t am a n a g e m e n tw i t hp c s p e c i f i cs t u d yd i r e c t i o n si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) w i t ht h ed e e p e rs t u d yo ft c p i pp r i n c i p l ea n dn o r m s ，m a s t e rd i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i c so ft c p i pc i r c u i tt o p o l o g ya n dt r a n s m i s s i o ni nt h ea r e a so fd a t af o r m a t , d a t ap a c k e tc a p a c i t ya n d b u sr e s t r i c t i n g a c c e s sa r et ob em a s t e r e d ( 2 ) t h r o u g ht h ed e e p e rr e s e a r c ho fb a rc o d ei d e n t i f i c a t i o ns y s t e ma n dr a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o ns y s t e mo fp r o d u c t i o nl i n ep r o d u c ti n f o r m a t i o n , ad e s i g no f p r o d u c ti n f o r m a t i o no n l i n ei d e n t i f i c a t i o ns y s t e mi st ob eg i v e n ( 3 ) d e s i g n i n gt h ep c bb o a r da n ds c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ee m b e d d e dn e t w o r k t e r m i n a lw i t hp r o t e ld x p , d os y s t e md e b u g g i n ga f t e rf i n i s h i n gt h ep r o d u c t i o no np c b 1 1 i 北京tq p 人学丁号：帧t 学1 t 论更 b o a r d as i n g l e - c h i pm e t h o df o re t h e r n e ta c c e s sw i t h o u tt h es u p p o r to ft h eo p e r a t i n g s y s t e mi sc o n f i r m e d ，f r o mw h i c hp r o v i d e saf o l l o w - o nd e v e l o p m e n to ft h ee m b e d d e d p l a t f o r mf o rf u t u r ee m b e d d e dn e t w o r kc o n t r o l l e r ( 4 ) d e s i g na n dd e b u gt h ef i r m w a r ef o rt h ev a r i o u sm o d u l e so ft h en e t w o r k t e r m i n a lh a r d w a r ep l a t f o r m t op r o g r a mt h ea p p l i c a t i o no ft h en e t w o r kt e r m i n a la sa c sm o d ec l i e n t ，i tc a nr e a l i z et h ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n ，n e t w o r kt r a n s m i s s i o na n d c o n t r 0 1 ( 5 ) p r o g r a ma p p l i c a t i o no ft h ep ca sc sm o d es e r v e r , r e a l i z et h en e t w o r k c o m m u n i c a t i o nw i t ht h et e r m i n a l sa n dd a t a b a s ed e s i g na n dp r o v i d eaf r i e n d l y i n t e r f a c ea n da p r o d u c ti n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ta n dv i s u a l i z a t i o no u t p u t f i n a l l y , t h er e s e a r c h i n gs y s t e mh a sb e e nd e b u g g e db yt h ea u t h o r a n dt h r o u g h t h ee x p e r i m e n t a t i o nr e s u l t sa n a l y s i s ，t h ed e v e l o p m e n to fas t a b i l i t ys y s t e mw h i c hi s e n a b l e sp r o d u c ti n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n ，p r o c e s s i n ga n dn e t w o r kc o n t r o li sc o n f i r m e d k e yw o r d se m b e d d e dn e t w o r kt e r m i n a l ，t c p i p , c o r t e x - m 3c o r e ，s t m 3 2 ，w 5 10 0 ； 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得北京工业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 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：避日期：鳓 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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：泰重监导师签名：趁炮嗍丝! 翌：丝：三 镐1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 计算机和网络技术的发展，引发了控制领域深刻的技术变革。控制系统结构 向网络化、开放性方向发展将是控制系统技术发展的主要潮流。同时，随着 i n t e m e t 遍及世界的每一个角落，通过i n t e r n e t 技术实现信息共享，对控制系统 产生了深远的影响。基于分组交换技术的通信性能、质量和可靠性的稳步提高， 使得过去大量的相对独立的单片机嵌入式设备，如：仪器仪表、数据采集和显示、 工业自动化等控制系统也正逐步实现网络化。当前，在工业控制领域网络控制技 术快速发展。网络控制要求测控系统必须具备两方面的功能：一方面要在现场完 成复杂的测控任务，通常一些任务具有一定的实时性的要求；另一方面要求测控 系统能够与某一类型的控制网相连，实现远程监控【l 】。 一切的生产活动都离不开信息，信息采集管理系统依赖于管理科学和技术科 学的发展而形成【2 】。在科技高速发展的今天，劳动生产率得到了极大的提高，产 品数量和种类越来越多，产品身上承载的关于生产、储存和管理等方面的信息量 越来越大。在产品管理方面，原有的人工统计、分类、管理的方法，不仅消耗大 量的人力、物力资源，而且在速度、准确性和数据管理上已难以满足当前的要求， 也还没有实现完全的机械控制。随着计算机技术、嵌入式技术、信息技术和网络 技术的发展，由嵌入式智能网络终端和计算机负责采集、传输、管理产品信息成 为可能。智能终端的介入可以大大提高产品信息采集和传输的速度、准确性和稳 定性，配合运行在计算机上的大型管理软件，为产品信息的管理提供了高效、可 靠和方便的方法。 a r m 嵌入式处理器的成本低廉，有着较好的性能，因此被广泛地应用于企 业生产、汽车电子、家庭网络、通信技术和智能机器人等市场领域。将a r m 与 以太网相结合是进行工业信息采集、处理、传输与控制的理想解决方案。如何将 嵌入式系统与以太网连接起来，实现远距离的信息获取和控制功能，核心是使嵌 入式系统本身实现t c p i p 网络通信协议。 通过硬件或软件方式将网络协议嵌入到微控制器中，微控制器将终端采集到 的信号通过以太网传送给计算机，计算机在远程对微控制器进行控制，这就是嵌 入式网络终端。将嵌入式网络终端应用于工业控制领，实现人机接口、通信、数 据处理等功能在网络上的分布是现在嵌入式系统发展的趋势。 s t 公司最新出品的s t m 3 2 系列3 2 位微控制器基于突破性的a r m c o r t e x m 3 内核，这是一款专为嵌入式应用而开发的内核。s t m 3 2 系列产品得益 北京r q k 大学- r 学帧t 掌1 t 论文 于c o r t e x m 3 在架构上进行的多项改进，包括提升性能的同时又提高了代码密度 的t h u m b 2 指令集，大幅度提高的中断响应，而且所有新功能都同时具有业界 最优的功耗水平。s t m 3 2 系列产品的目的是为m c u 用户提供新的自由度，在结 合了高性能、低功耗和低电压特性的同时保持了高度的集成性能和简易的丌发特 性。芯片的推出为嵌入式网络终端的硬件平台的设计提供了很好的支持，也带来 了创新的空间。 1 2 工业控制系统的发展 在上世纪六十年代，数字计算机进入控制领域，产生了第一代控制系统 c c s ( 计算机集中控制系统1 。在c c s 中，传统的模拟仪表被更先进的数字计算机 取代，这样就能够使用更为先进的控制技术，使自动控制发生了质的飞跃。但其 直接面向控制对象，并未形成控制网络体系，而且其可靠性也很低【3 】。 真j 下意义的工业控制网络体系是七十年代出现的第二代计算机控制系统 d c s ( 集散控制系统1 。它的特点是“集中管理，分散控制”，不会因为某个局部的 不可靠而造成对整个系统的损害。但缺点很明显，主从式的结构造成主机负荷过 重，效率低下；其次它是一种数字一模拟混合系统，传输可靠性差，成本高；再 加上各厂家的d c s 自成标准，通讯协议封闭，极大的制约了系统的集成与应用。 到了八十年代出现的f c s ( 现场总线控制系统1 ，是目前应用较为广泛的一种 系统控制结构。其特点可以简单概括为：信号传输、全数字控制功能、全分散标 准统一、全开放等。但也存在着不少问题，比如标准繁多，难以统一，其次是系 统集成问题。技术方面的瓶颈则凸现为：当总线电缆截断时，整个系统有可能瘫 痪；总线组态参数过分复杂。 进入九十年代以来，以太网在工业控制系统中得到了前所未有的应用。相比 于前面所提的控制系统，t c p i p 协议的开放性使得网络在工控领域通讯这一关 键环节具有无可比拟的优越性。它以传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等 方面的优势，支持几乎所有流行的网络协议而被广泛采用。在目前的工业控制领 域，以太网的应用己经成为热点，并以飞快的速度向前发展【4 j 。 1 3 嵌入式网络终端的发展 1 3 1 嵌入式系统的定义及发展趋势 嵌入式系统的出现至今已经有3 0 多年的历史。嵌入式系统并没有一个统一 的定义，各个国家和领域对其都有自己的定义。目前国内普遍被认同的定义是： 第1 帚绪论 以应用为中心、以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，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。它一般由嵌入式微处理 器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于 实现对其他设备的控制、监视或管理等功能【5 】o 目前，嵌入式系统已经广泛渗透到人们的工作、生活中。近几年来，国内外 嵌入式技术的应用越来越广泛。信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大 的发展机遇。未来嵌入式系统的几大发展趋势： ( 1 ) 嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌 入式软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。提供 友好的多媒体人机界面。 ( 2 ) 精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。 ( 3 ) 随着因特网技术的成熟、带宽的提高，网络化、信息化的要求日益提 高，使得以往单一功能的设备功能不再单一，结构更加复杂。将嵌入式设备与以 太网相结合，嵌入式设备与嵌入式设备之间，或与p c 机之间通过以太网进行通 讯。这是一个正在迅速发展的阶段。可以这么说，嵌入式设备与以太网的结合将 代表嵌入式系统的未来。 1 3 2 嵌入式网络终端的研究现状 信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，为嵌入式市场 展现了美好的f j 景；发展迅猛的互联网，推动着网络终端的普及和创新。通过硬 件或软件方式将网络协议嵌入到微控制器中，微控制器在终端将采集到的信号通 过以太网传送给计算机，计算机在远程对微控制器进行控制，这就是嵌入式网络 终端。嵌入式网络终端一方面负责基于以太网通过t c p i p 协议栈与上位机进行 网络通信，另一方面负责对现场信息的采集和处理，如图1 1 。与基于串口、c a n 总线等简单的网络接口的嵌入式系统相比较，基于以太网的嵌入式系统在数据传 输的速度上具有明显的优势。以太网的速率为1 0 m b s 、1 0 0 m b s ，而串口的传输 速度一般在9 6 0 0 波特率，c a n 总线的最大速度为1 m b p s 。所以嵌入式系统接入 以太网实现t c p i p 协议栈进行通信将大大提高数据的传输速度。 北京t q k 人学t 学硕t 学化论文 图1 - ip c 与嵌入式网络终端构成的网络系统 f i g u r e1 - in e ts y s t e mg r o u p e db yp ca n de m b e d d e dn e t w o r kt e r m i n a l s 如何将嵌入式系统与i n t e m e t 连接起来，实现远距离的信息获取、传输和控 制功能，核心是使嵌入式系统本身实现t c p i p 网络通信协议。目前国内外有关 嵌入式网络终端的开发应用可大致分为以下几类【6 1 ： ( 1 ) e m i t 技术：e m i t ( e m b e d d e dm i c r oi n t e r n e t w o r k i n gt e c h n o l o g y ) 是由美 国e m w a r e 公司推出的一套成熟、完善的实现微控制器与i n t e m e t 相连的解决方 案。e m i t 采用桌面计算机或高性能的嵌入式处理器作为网关，称为e m g a t e w a y ， 上面支持t c p 口协议并运行h t t p 服务程序，形成一个用户可以通过网络浏览 器进行远程访问的服务器。e m g a t e w a y 通过r s 2 3 2 、红外、射频等总线与多个 嵌入式设备相连接，每个嵌入式设备的应用程序中包含一个被称为e m m i c r o 的 独立通信任务。该任务负责监测设备中预先定义的各个变量，并将结果反馈到 e m g a t e w a y 中，同时它还可以解释e m g a t e w a y 的命令，修改设备中的变量或者 进行某种控制。e m i t 解决方案中还包括e m i t 应用接口服务技术，用户可以根 据需要开发客户端的浏览界面。e m i t 技术经过多年的发展已经在工业设备的网 络化中得到了广泛的应用，得到了包括m o t o r o l a ，a t & t ，h i t a c h i 等多家著名n 公司的支持。但该技术也存在着以下的缺点：e m i t 起步价位很高，e m g a t e w a y 网关的使用需要具有许可证，要缴纳相应的版税，在多个嵌入式设备分散的情况 下，网关和设备间的专用网络布线极为不便，通信的距离、速度都受到一定的限 制。因此它并不适合用在要求低成本接入的网络系统中。 ( 2 ) 采用8 位或1 6 位高性能的微处理器加精简t c p i p 协议栈：根据嵌入式 网络产品应用的特点，将标准的t c p i p 协议栈做较大幅度的简化，根据需要保 留其中基本的部分，这样就可以大幅度减少对系统资源的需求，从而可以在低成 本、小内存的系统中实现i n t e m e t 连接的功能，这样的方案的优点是廉价，便于 广泛应用。该方案的缺点是：基于8 位或1 6 位微处理器的单片机系统由于在处 理能力、r o m 和r a m 空间上的限制，有很多不能实现t c p i p 网络协议栈这样 复杂的功能。 第l 节绪论 曼曼皇曼蔓曼曼曼曼曼曼罡曼曼皇曼量曼曼舅曼鼍曼皇皇曼皇曼曼曼蔓曼曼詈曼曼曼皇量篡jm m ； 一m m _ 一_ _ m 一。蔓 ( 3 ) m c u 加硬件协议栈芯片：硬件协议栈芯片是一个独立于各种微控制器的 具有硬件实现网络协议功能的专用芯片，通过标准的输入输出接口，可以和大多 数的微控制器相连。这些微控制器可以通过硬件协议栈芯片执行由以太网远程传 来的命令，或是将数据交给硬件协议栈芯片通过以太网发送出去。典型的硬件协 议栈芯片有韩国w l z n e t 公司的w 5 1 0 0 芯片等。应用此技术很方便，不需要再通 过额外的网关，只需要增加一段和协议栈芯片通信的接口程序即可。因此，系统 软件开发比较简单，周期也较短。 ( 4 ) 支持以太网的嵌入式操作系统：随着以太网技术的发展，现在的嵌入式 操作系统已经逐渐向网络化发展。目前市场上已有许多这样的嵌入式操作系统， 如肛c l i n u x ，v x w o r k s ，r t l i i l l i x 等。它们自身附加的网络组件提供对以太网的 支持。这种方案的优点是：由于需要嵌入操作系统，因此选用的多为3 2 位微处 理器，如a r m 9 等，具有响应速度较快，r o m 和r a m 容量大等优点。但其缺 点也很明显：由于选用的是3 2 位微处理器，而且需要购买操作系统、网络组件 以及配套的开发软件等，因此其开发成本较高；其次，需要开发驱动程序和应用 程序，必要时还需要对操作系统进行裁减，因此对开发人员的要求较高，且丌发 周期也长。 综合研究，本设计采用m c u 加硬件协议栈芯片的方式，设计实现了嵌入式 网络终端，微处理器采用s t m 3 2 f 1 0 3 x ，网络芯片选择w 5 1 0 0 。二者通过s p i 接口进行连接。 将嵌入式网络终端应用于工业控制领域，采用基于c o r t e x m 3 内核的s t m 3 2 芯片作为微处理器，实现人机接口、通信、数据处理等功能在网络上的分布，同 时将一个系统划分为各个子系统，降低系统的复杂程度，改善系统性能，减少开 发周期与维护费用。但专门用于在生产线上采集产品信息的信息采集与处理的网 络终端要固定在生产线上，通过网络与数据服务器通信，而且设备要适应在低温、 高湿和电磁干扰环境下工作。综合以上因素考虑，目前市场上还没有满足这一特 定需要的合适的工业低成本方案。 1 4 研究目的及主要研究内容 本课题所研究的嵌入式网络终端系统旨在充分利用现有网络资源，实现集散 系统的信息的交互。在深入研究t c p i p 协议的基础上，设计了基于c o r t e x m 3 内核的嵌入式信息采集与智能控制的网络终端，完成了基于c s 模式的生产线信 息采集控制系统，包括作为客户端的网络终端的硬件设计和软件实现以及作为服 务器端的上位机网络通信和信息管理应用程序的实现。具体研究工作如下： 北京丁q p 人学t 学坝i 学1 遁论定 深入学习了t c p i p 总线的原理与规范。掌握其电拓扑结构及传输方式在数 据格式、数据包容量、总线访问限制等方面各自不同的特征。 对条码识别系统和射频识别系统进行了深入学习，给出了系统的设计方案。 进行了基于s t m 3 2 嵌入式网络终端硬件平台的设计。用p r o t e ld x p 进行了 原理图的设计和p c b 板的绘制，制板后进行焊接和调试。使得微控制器系统在 没有操作系统的支持下，实现了单芯片接入以太网的目的。为嵌入式网络控制的 后继开发提供了一个嵌入式平台。 设计生产线信息采集、处理、传输和控制的应用程序，对客户端和服务器端 的应用程序分别进行了设计和调试，应用程序提供了友好的人机界面，并实现了 采集结果的网络传输、管理和可视化输出。 对本课题研究内容进行了实验测试。实验表明，该系统运行稳定，能够实现 产品条码数据的采集、可靠网络传输、处理以及网络控制。 最后，通过进一步完善各个功能模块，进而完善基于c o r t e x m 3 嵌入式 s t m 3 2 信息采集智能网络终端硬件开发平台的设计。 1 5 论文的结构安排 论文的内容安排如下： 第一章介绍课题的背景及意义，研究现状，研究目标和内容安排以及论文的 结构。 第二章将介绍自动识别系统和网络传输。其中介绍了本系统中设计使用的条 码识别系统和射频识别系统。网络的数据传输部分从网络拓扑结构和t c p i p 网 络传输协议进行介绍。 第三章将介绍系统总体设计。 第四章将介绍嵌入式网络终端的硬件设计。 第五章将介绍嵌入式网络终端作为c s 模式下的客户端的软件设计。 第六章将介绍上位机产品信息管理系统的应用软件开发。详细介绍数据库的 设计和上位机作为服务器的软件实现。并对整个系统进行实验调试。 第3 审系统的总休设汁 第2 章自动识别技术与t c p f l p 协议 2 1 自动识别技术 2 1 1 自动识别技术概述 自动识别技术是将信息数据自动识读、自动输入计算机的重要方法和手段， 它是以计算机技术和通信技术为基础的综合性科学技术，是数据编码、数据采集、 数据标识、数据管理、数据传输等众多领域中的重要手段。 自动识别技术近几十年在全球范围内得到了迅猛发展，形成了包括条码识 别、磁识别、光学字符识别、射频识别、生物识别及图像识别等集计算机、光、 机电、通信技术为一体的高技术学科【8 】。 2 1 2 自动识别系统的构成 自动识别系统是一个以信息处理为主的技术系统，它的输入端是将被识别的 信息，输出端是已识别的信息。自动识别系统的输入信息分为特定格式信息和图 像图形格式信息两大类。特定格式信息：是采用规定的表现形式来表示规定的信 息，如条形码符号、i c 卡中的数据格式。图像图形格式信息：是指二维图像与 一维波形等信息，如二维图像所包含的文字、地图、照片、指纹与语音等一维波 形均属于这一类。一般的自动识别系统模型如下图所示： 获取处理识别 j 已识别信息 i 被识别信息l 信息信息信息 图2 - 1 自动识别系统模型 f i g u r e2 - 1a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nm o d e l 通过获取信息、处理信息和识别信息三个步骤将被识别信息转化为已识别信 息，不同的自动识别技术主要区别在于处理信息部分的不同。 2 1 3 两种识别技术的比较 条码技术是将已编码的条形码附着于目标物并使用专用的扫描读写器利用 光信号将信息由条形码传送到扫描读写器，而射频识别( r f i d ) 则使用专用的 - 7 - 北京t 、i k 人学t 学硕1 。学付论史 r f i d 读写器及专门的可附着于目标物的电子标签，利用r f 信号将信息由电子 标签传送至r f i d 读写器【9 1 。另外，射频识别标签具有可读写能力，对于需要频 繁改变数据内容的场合尤为适用。其技术对比如下表所示： 表2 - 1 两种识别技术对比 t a b l e2 一lc o m p a r i s o no fi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g i e s 相关因素条码识别 r f i d 典型的数据量b y t e s 1 1 0 0 1 6 6 4 k 数据密度低同 机器阅读可能性 好好 费用低一般 个人阅读性受制约不可能 受光遮盖影响 全失效 没影响 受方向位置影响很小没影响 从表中我们可以看出从各项指标上来看r f i d 比条码识别的各项指标更高一 些，但是在费用这项指标更重要一些，这就是条码识别和比r f i d 技术更普及的 原因，但是随着科技的发展，r f i d 技术逐渐降低费用，发展空间会越来越大， 正在渗透到人们生活和工作的各个领域。 2 2 条码识别系统 条码制作成本低廉，且条码识别器具有阅读性能好、价格低廉、普及广、技 术成熟等特点，通过条码识别技术可实现产品信息的采集，进而对数据进行管理。 条码系统由条码制作系统和条码识别系统组成。 2 2 1 条码技术及其应用与发展 条码技术是集光、机、电和计算机技术于一体的自动识别技术，解决了计算 机应用中数据采集的瓶颈，使信息快速准确的获取和传输。条码技术主要研究如 何将信息用条码来表示，如何将条码所表示的数据转换为计算机可识别的数据。 伴随高科技的飞速发展，国际经济迅速向一体化迈进，促进了信息开发和信 息服务产业的诞生和发展。计算机在性能上日臻完善，超大规模集成电路和超高 速计算机技术的突飞猛进，人们开始关注如何改变手工数据输入，使输入质量和 速度与其相匹配。条码自动识别技术就是在这样的环境下应运而生的，成为信息 数据自动识别、输入的重要方法和手段。作为自动识别技术之一的条码技术， 从4 0 年代进行研究开发，7 0 年代逐渐形成了规模，近3 0 年则取得了长足的发 篇3 市系统的总休设计 展。经过多年的研究和应用实践，条码技术已经发展成为较为成熟的实用技术， 具有操作简单、信息采集速度快、信息量大、可靠性高、成本低等优点，因而具 有广阔的发展前景。 2 2 2 条码类型 一个完整的条码符号是由两侧空白区、起始字符、数据字符、校验字符( 可 选) 和终止字符以及供人识读字符组成。 现在已知的世界上正在使用的条码就有2 5 0 种之多。通常条码可分为一维 条码和二维条码。一维条码按照应用可分为商品条码和物流条码。商品条码包括 e a n 码和u p c 码，物流条码包括1 2 8 码、i t f 码、3 9 码、库德巴码等。二维条 码可分为两大类型：一类是行排式二维条码；另一类是矩阵式二维条码。 商品条码是用来表示商品信息的一种手段，是商品标识代码的一种载体，是 由国际物品编码协会( e a n ) 和统一代码委员会( u c c ) 规定的、用于标识商品 的一组数字。商品标识代码包括e a n u c c 1 3 、e a n 舢c c 8 、u c c 1 2 三种代码 结构，厂商应根据需要选择申请适宜的代码结构，这样就能保证商品标识代码在 全世界范围内是惟一的、通用的、标准的，就能作为全球贸易中信息交换、资源 共享的关键字和“全球通用的商业语言 。 本设计采用u c c e a n 一1 2 8 条码，如图2 2 所示，它是由国际物品编码协会 ( e a n ) 和美国统一代码委员会( u c c ) 共同设计而成。它是一种连续型、非定 长、有含义的高密度、高可靠性、两种独立的校验方式的代码。u c c e a n 一1 2 8 条码有三种不同的字符集，分别为字符集a 、字符集b 和字符集c 。字符集a 包括所有标准的大写英文字母、数字字符、控制字符、特殊字符及辅助字符；字 符集b 包括所有标准的大写和小写英文字母、数字字符、特殊字符及辅助字符； 字符集c 包括0 0 - - 一9 9 的1 0 0 个数字以及辅助字符。因为字符集c 中的一个条码 字符表示两个数字字符，因此，使用该字符集表示数字信息可以比其他字符集信 息量增加一倍，即条码符号的密度提高一倍。这个字符集的交替使用可将1 2 8 个 a s c i i 码编码。 敷字符矗己扮档右酬宰白i 叉 左 图2 - 2u c c e a n 1 2 8 条码图 f i g u r e2 - 2u c c e a n 一1 2 8b a r c o d eg r a p h - 9 - 北京t q p 人学t 学硕十学1 矗论史 符号特点： ( 1 ) u c c e a n 1 2 8 条码有一个由字符s t a r ta ( b 或c ) 和字符f n c l 构成的 特殊的双字符起始符，即：s t a r t a ( b 或c ) + f n c l 。 ( 2 ) 符号中通常采用符号校验符。符号校验符不属于条码字符的一部分，也 区别于数据代码中的任何校验码。 ( 3 ) 符号可从左、右两个方向阅读。 ( 4 ) 符号的长度取决于需要编码的字符的个数，被编码的字符可从3 位到3 2 位( 含应用标识符) ，因此可自由规定条码图案的长度。 ( 5 ) 对于一个特定长度的u c c e a n 1 2 8 条码符号，符号的尺寸可随放大系 数的变化而变化。放大系数的具体数值可根据印刷条件和实际印刷质量确定。 2 2 3 条码制作系统 条码打印机和计算机组成条码制作系统。本系统使用z e b r a 8 8 8 1 f l r m 打印 机，通过计算机上z e b r a d e s i g n e r 条码标签设计软件来设计系统所需要的条码的 类型，并通过u s b 口输出到条码打印机，打印出所需的标签或卡片。打印最大 幅宽4 0 9 英寸，打印速度为1 0 4 m m s ，内存s r a m2 5 6 k b ，f l a s h5 1 2 k b 。 本设计采用的是u c c e a n 1 2 8 条码编码的c 类编码方式，根据国商品条码 规则将资料码设计成1 3 位，如图2 3 所示。条码第一部分为起始码。第二部分 是资料码，其中第一位( c o ) 到第四位( c 9 ) 代表了产品的生产批号，如产品 是2 0 0 9 年3 月1 6 同生产的第一批，则可设计成2 0 0 9 0 31 6 0 1 x x x ；接下来的三位 第十一位( c 1 0 ) 到第十三位( c 1 2 ) 代表了产品的种类。第三部分是校验码和 终止码。校验码由系统自动生成。用z e b r a d e s i g n e r 条码标签设计软件设计的条 码如图2 4 所示。 i 起始码 i c tq f al “ic 5 l c 6 i c 7 f c 8 f c 9 ic t 。i c t zf c l z 校验码i 终止码i 1 生产口期与批次7 l 产品种类 资料码 图2 - 3 条码位图 f i g u r e2 - 3b a r c o d eg r a p h 图2 4 设计的条码 f i g u r e2 - 4d e s i g n e db a r c o d e 1 0 笫3 章系统的总休设计 2 2 4 条码的识别 对条码符号的识读就是要借助一定的专用设备，将条码符号中含有的编码信 息转换成可识别的数字信息。从系统结构和功能上讲，条码识读系统是由扫描系 统、信号整形、译码三部分组成，如图2 5 所示。 扫描系统由光学系统及探测器即光电转换器件组成，它完成对条码符号的光 学扫描，并通过光电探测器，将条码条空图案的光信号转换成为电信号。信号整 形部分由信号放大、滤波、波形整形组成，它的功能在于将条码的光电扫描信号 处理成为标准