（控制理论与控制工程专业论文）远程数据采集系统的开发和应用.pdf

摘要 远程数据采集系统的开发和应用 摘要 工业现场实时数据的有效性和安全性已经越来越被整个工控行业所 重视，而g p r s 通讯协议以其无线传输，不受工业现场实地环境的影响， 费用低等优势广泛的在工业现场得到应用。采取嵌入式设备作为现场采集 设备，g p r s 通讯协议作为现场采集数据传输协议可以有效的提高工业现 场工作执行的效率。 论文介绍了嵌入式设备的相关内容，其中包括嵌入式系统的基本原理 和嵌入式系统，相关外嵌模块的选型规则，嵌入式系统裁剪的方法，相关 软件的设计原理及嵌入硬件的方法，g p r s 和m o d b u s 通讯协议的原理 和数据格式。数据采集服务器端和数据管理服务器端的设计原理，操作说 明和实际设备配置。 实际现场运行的结果验证了系统硬件，软件和服务器端运行的可执行 性，表明工业现场的基于g p r s 的嵌入式设备可以高效的完成现场数据的 采集和传输任务，服务器端可以合理有效的调配管理所有的现场设备，实 现集中管理和分散控制，提高了工业现场的安全性，该方案具有较好的应 用价值。 关键词：嵌入式系统，a r m ，g p r s ，多线程，数据库 a b s l r a c t t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fr e m o t e da t aa c q u i s i t i o ns y s t e m a b s t r a c t t h ee f f i c a c ya n ds a f e t yo fi n d u s t r i a lr e a l t i m ed a t ah a sb e e ni n c r e a s i n g l y p a y i n ga t t e n t i o nt ot h ee n t i r e i n d u s t r i a ls e c t o r f o ri t sw i r e l e s st r a n s m i s s i o n ， f r o mt h ef i e l do fi n d u s t r i a le n v i r o n m e n t a li m p a c ta n d l o wc o s t ，g p r s c o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sw i d e l yu s e di nt h ei n d u s t r i a lf i e l d t h ee m b e d d e d d e v i c e su s e di nt h ei n d u s t r i a lf i e l da sac o l l e c t i o nd e v i c e , w h i l eg p r s c o m m u n i c a t i o np r o t o c o la sat r a n s p o r tp r o t o c o l s i t ed a t ac o l l e c t i o nc a n e f f e c t i v e l ye n h a n c et h ei n d u s t r i a le f f i c i e n c yo ft h ei m p l e m e n t a t i o no ff i e l d w o r k t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h er e l e v a n c eo fe m b e d d e dd e v i c e s ，i n c l u d i n gt h e b a s i cp r i n c i p l e so fe m b e d d e ds y s t e m sa n de m b e d d e ds y s t e m s ，t h es e l e c t i o n r u l e sf o rt h ee x t e r n a lm o d u l e s ，t h em e t h o do fc u t t i n ge m b e d d e ds y s t e m s t h e d e s i g np r i n c i p l eo ft h em e t h o df o rr e l a t e ds o f t w a r ea n de m b e d d e dh a r d w a r e ， l 北京化- t 大学硕上学位论文 t h ep r i n c i p l ea n dd a t af o r m a to ft h eg p r sa n dm o d b u sc o m m u n i c a t i o n p r o t o c 0 1 t h ep r i n c i p l eo fd e s i g n i n gs e r v e r - s i t ef o rd a t ac o l l e c t i o na n dd a t a m a n a g e m e n t ，t h eo p e r a t i n gi n s t r u c t i o n sa n dt h ea c t u a ld e v i c ec o n f i g u r a t i o n t h ea c t u a lr e s u l t so fr u n n i n gt h es i t eh a sb e e nv e r i f i e dt h e s y s t e m h a r d w a r e ，s o f t w a r ea n ds e r v e r - s i d ea r ee x e c u t a b l et or u n ，a n ds h o w e dt h a tt h e g p r s b a s e de m b e d d e dd e v i c e sw o r k e di nt h ei n d u s t r i a lf i e l dc a nb e c o s t e f f e c t i v ec o m p l e t i o no ff i e l dd a t ac o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o nt a s k s ， s e r v e r - s i d ec a nc o n d u c tar e a s o n a b l ea n de f f e c t i v em a n a g e m e n t ，a c h i e v i n g t h ec e n t r a l i z e dm a n a g e m e n ta n dd e c e n t r a l i z e dc o n t r o l ，i m p r o v et h es a f e t yo f t h ei n d u s t r i a lf i e l d ，a n dt h ec a s eh a sg o o da p p l i c a t i o nv a l u e k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m s ，a r m ，g p r s ，m u l t i - t h r e a d e d ，d a t a b a s 北京化工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：立立塞墨一 日期：爿b 一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 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北京化工大 学。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 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在2 年解密后适用本 授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权 书。 作者签名：刭塞星 导师签名：吾柱 吼上半l 日期： ! 望：互墅一 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景 第一章绪论 随着工业自动化的迅猛发展，控制精度在逐步提高，控制流程也越发复杂。随之 对现场采集数据安全性，实时性要求也在不断提高，高质量强实时性的数据对整个控 制流程已经起到了至关重要的作用。数据传输一旦出现微小的滞后就有可能造成无法 挽回的灾难，由此数据的安全，实时传输也成为了当前控制和通信领域研究的重点。 近年来，现代通讯技术随着计算机技术的成熟也得到了飞跃的发展，g p r s 移动 通讯技术逐渐成熟起来，g p r s 在原有的g s m 网络中引入分组交换能力的基础上， 提供了实时的i n t e r n e t 连接，提高了数据传输的速率。将基于g p r s 技术的无线通信 系统用于现场采集数据的回传服务器，可以实现大数据量的高速传输，保证数据的实 时性，对于自动化行业的实时监控有重要的意义。 本数据远传采集系统运用了通用分组无线业务( g p r s ) 和嵌入式设备等当前先 进的网络和嵌入式技术。该系统由数据采集终端和中心服务器两大部分组成。数据采 集终端使用嵌入式设备远程终端单元( r t u ) 作为现场实时采集数据模块，同时该设备 包含相应的g p r s 模块向服务器端发送数据，已实现工业现场的数据采集和无线网络 传送；中心服务器为基于s o c k e t 的t c p 服务器，监听数据采集终端发送的数据，数 据收取后写入s q l - s e r v e r 数据库。管理端通过数据库来提取数据，使得数据接收 服务器不肩负数据整理的任务，从而达到高效执行的目的。 本文依次描述了嵌入式系统的相关介绍，远程终端单元( r t u ) 的硬件选型，操作 系统的裁剪和软件的实现，m o d b u s 协议，g p r s 模块的设计和实现，服务器端的构架 设计实现和相关设备选型。 1 2 嵌入式系统概述 1 2 1 嵌入式系统简介 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m s ) 是根据实际应用的要求，将操作系统和功能软件 集成于计算机硬件系统之中，从而实现软件与硬件一体化的计算机系统。根据i e e e ( 国际电机工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器 北京化工大学硕士学位论文 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 ，0 1 a s s i s tt h eo p e r a t i o n o fe q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 【1 4 1 。 嵌入式系统出现于6 0 年代晚期，如今已被广泛的应用于工业制造、过程控制、 通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等众多领域。 目前嵌入式系统的应用已经得到了广泛的发展：每年在全球范围内生产的计算机系统 核心c p u ，其中超过8 0 应用于各类专用性很强的嵌入式系统。 嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。7 0 年代单片机的出现，使得汽车、 家电、工业机器、通信装置可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能：更易 用、更快、更便宜。这些装置已经具备了嵌入式的应用特点，但是这时的应用只 是使用8 位的芯片，执行一些单线程的程序，并没有“系统”的概念【5 6 j 。 从8 0 年代早期开始，嵌入式系统的开发商开始用商业级的“操作系统”编写嵌 入式应用软件，这使得可以获取更短的开发周期，更低的开发资金和更高的开发 效率，这时的操作系统是一个实时核，这个实时核包含了许多传统操作系统的特 征，包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。 这些操作系统的出现，使得应用开发人员得以从小范围的开发解放出来，同时也 促使嵌入式有了更为广阔的应用空间。 9 0 年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，实时核逐渐发 展为实时多任务操作系统( r t o s ) ，并作为一种软件平台逐步成为目前国际嵌入 式系统的主流。各大嵌入式开发商开始大力发展自己的嵌入式操作系统【7 8 】。 在中国嵌入式系统领域，比较认同的嵌入式系统概念是：嵌入式系统是以应 用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗有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【9 , 1 0 。 1 2 2 嵌入式系统结构 嵌入式计算机系统主要由四部分组成： ( 1 ) 硬件层 硬件层由嵌入式微处理器、存储器、通用设备接口和i 0 接口等组成，其中存储 器可以是f l a s h 、s d r a m 、r o m 等，通用设备接口包含a d ( 模数转换接口) ，d a ( 数模转换接口) 等，i o 接口包括r s 2 3 2 接口( 串行通信接口) 、e t h e m e t ( 以太 网接口) 、u s b ( 通用串行总线接口) 、音频接口、v g a ( 视频输出接口) 、1 2 c ( 两 2 第一章绪论 线式串行总线) 、s p i ( 串行外围设备接口) 和i r d a ( 红外线接口) 等。硬件层作为 整个嵌入式操作系统和应用程序运行的硬件平台，硬件平台的多样性是嵌入式系统一 个主要特点和发展模式，不同的应用通常有不同的硬件环境【1 1 1 。 ( 2 ) 硬件抽象层 经过不断的发展，嵌入式系统的由最初的3 层结构发展成为一种4 层结构。这个 新增加的中间层次叫硬件抽象层( h a r d w a r ea b s t r a c tl a y e r , h a l ) ，也叫板级支持包 ( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ，b s p ) ，是一个介于硬件层与软件层之间的中间层次。硬件 抽象层是：将硬件的差别与操作系统其他部分隔离开来的软件层次，通过采用硬件抽 象技术使得操作系统可以对同种类的不同系列的硬件采用统一的操作手段进行控制。 可见，提出硬件抽象层的目的是通过建立向上的接口规范，实现硬件相关和硬件无关 的两部分程序代码的隔离，对硬件无关部分屏蔽具体硬件的差异，即通过硬件抽象层 可为上层软件提供一个没有硬件特性的接口。硬件抽象层的引入大大推动了嵌入式操 作系统的通用化。 ( 3 ) 系统软件层 软件层是由嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，简称e o s ) 、文件系 统、图形用户接口( g u i ) 、网络系统及通用组件模块组成。e o s 是嵌入式应用软件 的基础和开发平台，用于完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能。具有内核 精简、可配置、与高层应用紧密关联等特点。 ( 4 ) 应用软件层 应用软件层由基于嵌入式操作系统开发的应用程序组成，利用操作系统提供的机 制和相应的接口完成对被控对象的控制功能。应用软件层是面向被控对象和用户的， 因此需要提供一个友好的人机界面供用户操作【1 2 】。 图1 1 即为嵌入式系统总体结构图。 应用软件层 系统软件层 硬件抽象层 硬件层 应用程序与操作系统 操作系统与硬件抽象层的接口 硬件抽象层与硬件的接口 图1 - 1 嵌入式系统结构 f i g u r e1 - 1t h es t r u c t u r eo fe m b e d d e ds y s t e m s 3 北京化工大学硕士学位论文 1 2 3 嵌入式操作系统 操作系统( o p e r a t i n gs y s t e m ，简称o s ) 是一管理电脑硬件与软件资源的程序， 同时也是计算机系统的内核与基础。操作系统负责处理诸如管理与配置内存、决定系 统资源供需的优先次序、控制输入与输出设备、操作网络与管理文件系统等基本事务。 操作系统具有管理计算机系统的全部硬件资源，软件资源以及数据资源；控制程序运行； 改善人机界面；为其它应用软件提供支持等功能，使计算机系统所有资源最大限度地 发挥作用，为用户提供方便的、有效的、友善的服务界面。操作系统是一个庞大的管 理控制程序，以下是操作系统所具有的管理功能：进程与处理机管理、作业管理、存储 管理、设备管理、文件管理【1 3 l 。 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统( 包 括硬、软件系统1 极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内 核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。嵌入式操作系统具有通 用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化， 使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、 工具集以及应用程序。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、 硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点，综上 所述嵌入式操作系统可以被视为通用操作系统根据实际需求进行相应裁剪后的一个 子集。 嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两种：商用型和免费型。商用型的操 作系统功能稳定、可靠、有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵，当前主流 的商用型嵌入式操作系统有如下几种：v x w o r k s ，p s o s ，p a l mo s ，q n x ，n u c l e u s 。 免费型的操作系统在价格方面具有优势，目前主要有嵌入式l i n u x 和pc o s ，但稳定 性与服务性存在挑战。 嵌入式操作系统根据应用场合的不同分为实时操作系统和非实时操作系统。实时 操作系统和分时操作系统有着明显的区别。对于非实时操作系统，软件的执行在时间 上的要求并不严格，时间上的延迟或者时序上的错误，一般不会造成灾难性的后果， 典型的非实时操作系统有w i n d o wc e 、p a l mo s 等。实时操作系统是指具有实时性， 能支持实时控制系统工作的操作系统。应用在实时系统中的操作系统在实时性上有严 格的性能指标。比较典型的实时操作系统有w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s ，它是当前市 场占有率最高的嵌入式操作系统，还有“c o s 、q n x 系统软件公司的q n x 等。 嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展经历了4 个比较明显的阶段： 第一阶段是无操作系统的嵌入算法阶段，是以单芯片为核心的可编程控制器形式 的系统，同时具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。 4 第一章绪论 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。 第三阶段是通用的嵌入式实时操作系统阶段，是以嵌入式操作系统为核心的嵌入 式系统。 第四阶段是以基于i n t c r n c t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。 目前嵌入式实时操作系统已经在嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能复 杂、系统庞大的应用中显得愈来愈重要【i 6 】。 1 2 4 基于g p r s 模块的嵌入式系统 设备网络化、信息化的要求随着i n t c r n c t 技术的成熟、带宽的提高而日益突出， 使得以往单一功能的工业现场设备的功能不再单一，结构更加复杂。这就要求芯片设 计厂商在芯片上集成更多的功能，为了满足应用功能的升级，设计师们一方面采用更 强大的嵌入式处理器如3 2 位、“位r i s c 芯片或信号处理器d s p 增强处理能力，同 时增加功能接口，如u s b ，扩展总线类型，如c a nb u s ，加强对多媒体、图形等的 处理，无线网络通信，逐步实施片上系统( s o c ) 的概念。 当前的工业现场中的嵌入式设备主要以总线的形式传输实时采集的数据，这种有 线通信技术作为传统方法，系统的稳定性很好，但铺线工程量大，容易被人为损坏。 随着我国移动通信技术的发展和日臻成熟，完全可以利用g p r s 移动网络系统中提供 的无线i p ，在g p r s 服务网络平台上构建数据远传采集系统。其优点是网络覆盖范围 广、永久在线、自由切换、数据带宽宽、适应性强、性价比高，这些特点非常适合那 些有突发数据流量的监控场合。 基于上述说明，本文提出了一种基于g p r s 网络和a r m 微处理器的嵌入式数据远 传采集，嵌入式设备作为现场数据采集设备，实时采集监控现场的数据，并将实时信 息通过g p r s 网络传输至监控系统服务器，同时监控系统服务器还可以通过i n t c r n c t 远 程控制现场设备的操作【1 7 , 1 8 】。 1 3 国内外研究现状 当前嵌入式控制器的应用几乎无处不在，嵌入控制器因其体积小、可靠性高、 功能强、灵活方便等许多优点，其应用已深入到工业、农业、教育、国防、科研以及 日常生活等各个领域，对各行各业的技术改造、产品更新换代、加速自动化化进程、提 高生产率等方面起到了极其重要的推动作用。 在制造工业、过程控制、网络、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、 军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。 5 北京化工大学硕士学位论文 而g p r s 自从1 9 9 8 年的c e b i t 展览会上由爱立信做了全球第一个演示发展至今 天，该技术已经越来越接近现实，并在全球呈现出如下趋势：全球几乎所有的g s m 运营商都在实施g p r s ，运营商、系统供货商、终端提供商和应用开发商对于g p r s 的认可。g p r s 终端已经逐步推向市场。 当前基于g p r s 模块的嵌入式设备已经广泛应用在水质检测，矿山开采等高危险 环境，不容易进行系统布线的环境当中去，无线传输，投入小，实时准确性搞的特点， 基于g p r s 模块的嵌入式设备已经越来越被广泛的研究和使用。 当今世界，工业控制已从单机控制走向集中监控、集散控制。在进入网络时代的今天， 工业控制器连网也为网络管理提供了方便。m o d b u s 协议作为工业控制器的网络协议 中的一种。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络( 例如以太网) 和其它设 备之间可以进行通信。它的开放性、可扩充性和标准化使它成为一个通用工业标准。 有了它，不同厂商生产的控制设备可以简单可靠地连成工业网络，进行系统的集中监 控，从而使它成为最流行的协议之一。m o d b u s 有着广泛的应用基础。在实际应用中， 可以使用r s 2 3 2 r s4 8 5 4 2 2 ，m o d e r n 加电话线、甚至t c p i p 来联网。所以，m o d b m 的传输介质种类较多，可以根据传输距离来选择【l 踞o 】。 1 4 本课题的研究内容及意义 本课题基于嵌入式设备作为现场采集模块，通过串口将现场数据采集到嵌入式 设备中，并通过嵌入式设备内嵌的r t u 单元同中央服务器进行数据交换。嵌入式设 备本身也具有控制机制，当接收到中央服务器的操作指令后可以自动完成相应的操 作，以此实现分散采集数据，集中进行管理的模式。 本文的描述重点为： 1 嵌入式设备的基本原理，对嵌入系统硬件和嵌入式操作系统的起源，发展进 行简要描述； 2 对本课题所选用的嵌入式设备的选型和设计进行详细描述。 3 数据通信的传输模式，主要对基于g p r s 传输协议的r t u 模块设计和数据传 输协议，原理进行详细描述。 4 现场数据采集的方式，简述了m o d b u s 协议的相关原理和系统实现。 5 服务器端的数据整合和控制操作，论述服务器端接收数据和对数据处理的基 本模式。 6 尚未完成的任务和展望。 本课题的研究基于嵌入式设备结合无线数据传输协议，改进了以前嵌入式主 要以数据有线传输的方式，对嵌入式设备的改进有一定的帮助。对工业现场实时 6 第一章绪论 数据采集和管理提供了一些途径。同时该课题作为实际项目的设计方案已经得到 了一定的应用。 1 5 创新点 g p r s 通讯协议作为全球非常流行的无线数据传输协议已经得到广泛的发展， 本课题将g p r s 通讯协议同嵌入式设备结合，同时利用l i n u x 操作系统强大的网络 功能，实现现场采集数据传输的无线化，无地域化，从而取代了以往主要以串口，总 线作为数据传输的媒介，符合当前数据通讯的潮流，节省了工业现场投资的资本，并 提高了数据传输的效率。多线程操作保证各个现场嵌入式设备独立工作，互不干扰。 服务器端集中监控各个设备的工作状况，实现了分散管理，集中控制的集散控制系统。 中央数据服务器实现了数据采集和数据管理分离，减少了由于同时间对不同任务的操 作影响的服务器端效率。数据采集和数据管理服务器通过对同一个数据库的操作实现 了数据的共享，保证数据管理服务器管理的数据皆为实时更新的数据。同时本系统还 提出了数据库备份的相应方案以实现对历史数据的存档。在数据传输过程中添加的数 据安全环节，实现在数据传输过程中传输的数据皆为密文，以防止数据在网络传输过 程中被监听和修改。通过对安全算法( 对称，非对称，杂凑值) 的实现，保证了现场 采集数据的完整性和安全性。 本课题作为一套完整的解决方案，涉及了客户端和服务器端的各个环节，并在 工业现场中已经得到了初步应用。 7 第二章智能终端设计 第二章智能终端设计 本系统终端采用a r m 嵌入式系统，标准l i n u x 系统。根据实际需求调整外围接 口即可。应用开发采用l i n u x 下的标准c ，支持t c p i p 协议，多线程和系统事件能够 灵活的进行调整，满足具体的要求。 2 1 智能终端硬件 2 1 1a r m 处理器简介 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，是对一类微处理器的通称，也是一个公司的名 字。1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的 公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司 生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处 理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微 处理器芯片进入市场【2 1 1 。 a r m 公司从成立至今，已经占据了7 5 的市场份额，如今，采用a r m 技术知 识产权( i p ) 核的微处理器，已遍及工业控制、海量存储、消费类电子产品、通信系统、 网络系统、无线系统等各类产品市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用 a r m 公司的授权，因此既使得a r m 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持， 又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点【捌： l 、体积小、低功耗、低成本、高性能。 2 、支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件。 3 、大量使用寄存器，指令执行速度更快。 4 、大多数数据操作都在寄存器中完成。 s 、寻址方式灵活简单，执行效率高。 6 、指令长度固定。 a r m 微处理器系列主要特点及其主要应用领域如表2 1 所示【矧。 9 北京化工人学硕上学位论文 表2 - 1a r m 处理器系列 t a b l e2 - 1a r m p r o c e s s o rf a m i l y 型号主要特点 a r m 7 低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。 a r m 9 在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能，主要应用于无线设备、仪器仪表、安 全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。包含a r m 9 2 0 t ， a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 三种类型，以适用于不同的应用场合。 a r 1 9 e综合处理器，使用单一的处理器内核提供了微控制器、d s p ，j a v a 应用系统的解决方 案，极大的减少了芯片的面积和系统的复杂程度。主要应用于下一代无线设备、数 字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。 a i u 讧1 0 e 高性能、低功耗，由于采用了新的体系结构，与同等的a r m 9 器件相比较，在同样 的时钟频率下，性能提高了近5 0 ，同时，采用了两种先进的节能方式，使其功耗 极低。主要应用于下一代无线设备、数字消费品、工业控制、信息系统等领域。 s e c u r c o r e 专为安全需要而设计，提供了对安全解决方案的支持。主要应用于一些对安全性要 求较高的应用产品及应用系统，如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认 证系统等领域。 s t r o n g a r m 融合了h l t e l 公司的设计和处理技术，采用在软件上兼容a r m y 4 体系结构，同时采 用具有i l l t e l 技术有点的体系结构。主要应用于便携式通讯产品等。 2 1 2 系统的核心处理器 本系统所采用的嵌入式设备远程终端单元( r t u ) 使用a r m 9 嵌入式系统，系 统的核心是3 2 位a r m 9 2 0 t 处理器$ 3 c 2 4 1 0 ，$ 3 c 2 4 1 0 处理器是s a m s u n g 公司基 于a r m 公司的a r m 9 2 0 t 处理器核，采用o 1 8 u m 制造工艺的3 2 位微控制器。 1 0 第二章智能终端设计 该处理器拥有：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 ，m m u ，支持 t f t 的l c d 控制器，n a n d 闪存控制器，3 路u a r t ，4 路d m a ，4 路带p w m 的t i m e r ，i o 口，r t c ，8 路1 0 位a d c ，t o u c hs c r e e n 接口，i i c b u s 接口， i i s b u s 接口，2 个u s b 主机，1 个u s b 设备，s d 主机和m m c 接口，2 路s p i 。 $ 3 c 2 4 1 0 处理器最高可运行在2 0 3 m h z 。 $ 3 c 2 4 1 0 芯片集成了大量的功能单元，包括： ( 1 ) 内部1 8 v ，存储器3 3 v ，外部i 0 3 3 v ，1 6 k b 数据c a c h e ，1 6 k b 指令 c a c h e ，m m u 。内置外部存储器控制器( s d r a m 控制和芯片选择逻辑) 。 ( 2 ) l c d 控制器，一个l c d 专业d m a 。 ( 3 ) 4 个带外部请求线的d m a 。 ( 4 ) 3 个通用异步串行端口( i r d a l 0 ，1 6 - b y t et xf i f oa n d1 6 b y t er xf i f o ) ， 2 通道s p i ( 5 ) 一个多主1 2 c 总线，一个1 2 s 总线控制器。 ( 6 ) s d 主接口版本1 0 和多媒体卡协议版本2 1 1 兼容。 ( 7 ) 两个u s bh o s t ，一个u s bd e v i c e ( v e r l 1 ) 。 ( 8 ) 4 个p w m 定时器和一个内部定时器。 ( 9 ) 看门狗定时器。 ( 1 0 ) 11 7 个通用i o 。 ( 11 ) 5 6 个中断源。 ( 1 2 ) 2 4 个外部中断。 ( 1 3 ) 电源控制模式：标准、慢速、休眠、掉电。 ( 1 4 ) 8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口。 ( 1 5 ) 带日历功能的实时时钟。 ( 1 6 ) 芯片内置p l l 。 ( 1 7 ) 设计用于手持设备和通用嵌入式系统。 ( 1 8 ) 1 6 3 2 位r i s c 体系结构，使用a r m 9 2 0 tc p u 核的强大指令集。 ( 1 9 ) 带m m u 的先进的体系结构支持w i n c e 、e p o c 3 2 、l i n u x 。 ( 2 0 ) 指令缓存( c a c h e ) 、数据缓存、写缓存和物理地址t a gr a m ，减小了 对主存储器带宽和性能的影响。 ( 2 1 ) a r m 9 2 0 tc p u 核支持a r m 调试的体系结构。 ( 2 2 ) 内部先进的位控制器总线( a m b a ) ( a m b a 2 0 ，a h b a p b ) 。 $ 3 c 2 4 1 0 芯片系统管理属性： ( 1 ) 小端大端支持 北京化工大学硕上学位论文 ( 2 ) 地址空间：每个b a n k l 2 8 m b ( 全部为1 g b ) 。 ( 3 ) 每个b a n k 可编程为8 1 6 3 2 位数据总线。 ( 4 ) b a n k 0 到b a n k 6 为固定起始地址。 ( 5 ) b a n k 7 可编程b a n k 起始地址和大小。 ( 6 ) 一共8 个存储器b a n k 。 ( 7 ) 前6 个存储器b a n k 用于r o m 、s r a m 和其它。 ( 8 ) 两个存储器b a n k 用于r o m 、s r a m 、和s d r a m ( 同步随机存储器) 。 ( 9 ) 支持等待信号用以扩展总线周期。 ( 1 0 ) 支持s d r a m 掉电模式下的自刷新。 ( 11 ) 支持不同类型的r o m 用于启动( n o r n a n df l a s h 、e e p r o m 和其它) 。 $ 3 c 2 4 1 0 芯片芯片封装 ( 1 ) 2 7 2 f b g a 封装 2 1 3 系统的数据存储单元 本方案采用了嵌入式l i n u x 操作系统。配置2 m bn o rf l a s h 所用芯片为 a m 2 9 l v l 6 0 d b 9 0 e c ，用于固化测试程序；配置6 4 m bs d r a m ，所用芯片为 k 4 s 5 6 1 6 3 2 。用于系统内存；配置6 4 m bn a n df l a s h ，用于固化l i n u x 内核、根文 件系统以及v i 等。 2 1 4 系统的外围扩展模块 根据工业现场数据采集需求及调试需求，外围扩展设计如下： u a r t 端口：分别为u d 姻0 、u a r t l 和u a r t 2 其中，u a r t 0 和u a r t l 为标 准5 针r s 2 3 2 c ，u a r t 2 为r s 4 8 5 ，u a r t 0 通常作为调试端口，u a r t l 为g p r s 通讯端口，u a r t 2 为数据采集端口。 自定义键盘与l c d 显示： $ 3 c 2 4 1 0 内部集成了l c d 控制器，可以支持t f t 或者c s t n 等各种规格的液晶 屏。在本设计中，将系统l c d 数据控制总线引出，通过和l c d 接口板结合使用。另 外，扩展出自定义键盘( 5 宰5 ) 接口，配合键盘板使用。如果用户不需要液晶，可以 用八段数码管代替，键盘可以根据需要进行裁剪。主控单元的结构如图2 1 所示。 1 2 第= 章智能终端设计 图2 - 1 主控单元的结构 f i g u r e 2 - 1 t h es 廿l l c m m o f c o n t r o l i t 硬件平台采用开放式架构设计，由核心板( 最小系统板) 和扩展板组合而成， 根据自身要求进行各种扩展。其中，核心板包括$ 3 c 2 4 1 0a r m 处理器 r a m ，n o r f l a s h n a n d f l a s h 。其他外围接口均由扩展板引出，如图2 - 2 。 图2 - 2 嵌入式系统的实物酗 f i g u r e2 - 2 p h y s i c 柏m a p o f e m b e d d e ds y s t e m s 北京化工大学硕十学位论文 2 2 智能终端操作系统 2 2 1 嵌入式l i n u x 操作系统 嵌入式l i n u x 是以l i n u x 为基础的嵌入式作业系统，它被广泛应用在移动电 话、个人数字助理( p d a ) 、媒体播放器、消费性电子产品以及航空航天等领域中。 嵌入式l i n u x 系统就是利用l i n u x 其自身的许多特点，把它应用到嵌入式系统里。 l i n u x 做嵌入式的优势，首先，l i n u x 是开放源代码的，不存在黑箱技术，遍 布全球的众多l i n u x 爱好者又是l i n u x 开发者的强大技术支持；其次，l i n u x 的内 核小、效率高，内核的更新速度很快，l i n u x 是可以定制的，其系统内核最小只有约 1 3 4 k b 。第三，l i n u x 是免费的o s ，在价格上极具竞争力。l i n u x 还有着嵌入式 操作系统所需要的很多特色，突出的就是l i n u x 适应于多种c p u 和多种硬件平台， 是一个跨平台的系统。到目前为止，它可以支持二三十种c p u 。而且性能稳定， 裁剪性很好，开发和使用都很容易。很多c p u 包括家电业芯片，都开始做l i n u x 的平台移植工作。移植的速度远远超过j a v a 的开发环境。也就是说，如果今天用 l i n u x 环境开发产品，那么将来换c p u 就不会遇到困扰。同时，l i n u x 内核的结 构在网络方面是非常完整的，l i n u x 对网络中最常用的t c p i p 协议有最完备的支 持。提供了包括十兆、百兆、千兆的以太网络，以及无线网络，t o k e rr i n g ( 令牌 环网) 、光纤甚至卫星的支持，所以l i n u x 很适于做信息家电的开发【2 4 ，2 5 1 。 使用l i n u x 为的是来开发无线连接产品的开发者越来越多。l i n u x 在快速增长 的无线连接应用主场中有一个非常重要的优势，就是有足够快的开发速度。这是 因为l i n u x 有很多工具。因此，我们要在嵌入式系统中使用l i n u x 操作系统。 l i n u x 的大小适合嵌入式操作系统l i n u x 固有的模块性，适应性和可配置 性，使得这很容易做到。另外，l i n u x 源码的实用性和成千上万的程序员热切其 望它用于无数的嵌入式应用软件中，导致很多嵌入式l i n u x 的出现，包括1 2 6 1 ： e m b e d i x ，e t l i n u x ，l e m ，l i n u xr o u t e rp r o je c t ，l o a f ，u c l i n u x ，m u l i n u x ， t h i n l i n u x ，f i r e p l u g ，l i n u x 和p i z z a b o xl i n u x 。 2 2 2 嵌入式l i n u x 开发环境 为了实现基于嵌入式l i n u x 的应用系统的开发，需要建立一个完备的l i n u x 开发环 境。基于嵌入式l i n u x 操作系统的应用开发环境一般是由目标系统硬件开发板和宿主p c 机所构成【2 7 1 。目标硬件开发板用于运行操作系统和系统应用软件，而目标板所用到的 第二章智能终端设计 操作系统的内核编译、应用程序的开发和调试则需要通过宿主p c 机来完成。双方之间 通过串口，并口或以太网接口建立连接关系。 首先，在宿主机上安装标准l i n u x 操作系统( r e d h a t9 0 版本) ，确保计算机的网 卡驱动、网络通讯配置正常。第二，宿主机上要安装交叉编译器。交叉编译就是在一 个平台上生成可以在另一个平台上执行的代码。由于在目标板上无法安装编译器，因 此要借助于宿主机，在宿主机上对即将运行在目标机上的应用程序进行编译，生成可 在目标机上运行的代码格式。本系统采用交叉编译器工具a r m - l i n u x g c c 2 9 5 3 。 本系统采用n f s 方式对嵌入式l i n u x 的应用程序进行开发，需要对宿主机烈f s 服 务器) 和目标板( $ 3 c 2 4 1 0 系统) 进行设置，步骤如下： ( 1 ) 修改配置文件e t c e x p o r t s ，如下： 枷咖f s19 2 16 8 o 木( 1 w ，s y n c ，n o r o o t _ s q u a s h ) 含义是允许i p 地址范围在1 9 2 1 6 8 0 的计算机以读写的权限来访问l l o m 咖f s 目录。 1 1 0 m 咖瓜也称为服务器输出共享目录。 ( 2 ) 接着执行如下命令，启动端口映射： 群e t c r c d i n i t d p o r t m a ps t a r t ( 3 ) 执行如下命令启动n f s 服务，此时n f s 会激活守护进程，然后就开始监听c l i e n t 端的请求： 撑a c r c d i n i t d n f ss t a r t 对目标板进行设置，步骤如下： ( 1 ) 内核需要支持n f s ，进入内核源码目录，m a k em 锄u c o n f i g e n a b l e ： f i l es y s t e m s - n e t w o r kf i l es y s t e m s - n f sf i l es y s t e ms u p p o r t p r o v i d en f s v 3c l i e n ts u p p o r t 配置完后，重新