（计算机应用技术专业论文）基于arm的自主移动的嵌入式系统研究与开发.pdf

摘要 摘要 随着计算机技术的发展，嵌入式系统已成为计算机领域一个重要组成部分，并 成为近年来新兴的研究热点。通过嵌入式软件操作，通过传感器感知，通过网络与 你交流，2 1 世纪嵌入式系统将无所不在，它将为人类生产带来革命性的发展，实现 “p c se v e r y w h e r e ”的生活梦想。 a r m 体系的处理器是目前嵌入式系统中使用最广泛的处理器。它采用了r i s c 技术，具有寻址方式简单，寄存器多，指令长度固定等特点，使得它的处理速度快， 执行效率高。由于l i n u x 对于a r m 技术的支持，具有内核可裁减，代码开放的特 点，把l i n u x 应用到嵌入式系统中，能充分发挥a r m 和l i a u x 的优势。 自主移动机器人融合了嵌入式技术、传感器技术、路径规划、人工智能、自动 控制等多种技术，近年来一直吸引着众多学者的注意。智能机器人的应用领域包括 自动驾驶、未知区域的探索、核电站的维护、无人工厂中的产品运输等等，智能机 器人控制技术的发展将对人们的生产和生活产生深远影响。 本文首先说明了所构建的基于a r m 的自主移动的嵌入式系统的总体结构，然 后进行了系统的硬件设计，接着针对系统的硬件说明了如何修改、配备和移植相应 的u c l i n u x 内核的方法和技术，最终开发设计出一个基于a r m 的自主移动的嵌入 式系统原型。然后进一步对自主移动的智能体系统的路径规划和避障算法进行了研 究，并给出了路径规划算法的仿真试验及结果，最后进行了总结与展望。 关键词：嵌入式系统；u c l i n u x ；a r m ；路径规划；栅格法 广东工业大学工学硕士学位论文 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 rt e c h n o l o g y , e m b e d d e ds y s t e m ，b e i n gt h e c e n t e ro fi n t e r e s ti nt h er i s i n gr e s e a r c hi nr e c e n ty e a r s ，h a sb e e nb e c o m i n ga n i m p o d a n tc o m p o n e n t i nt h i s f i e l d o p e r a t e db y e m b e d d e d a p p l i c a t i o n s ， a p p e m e i v e db ys e n s o r s ，c o m m u n i c a t e dt h r o u g hn e t w o r k ，e m b e d d e dp r o d u c t i n o s w i l lb ee v e r y w h e r ei nt h e2 1 毗c e n t u r y i tw i l lb r i n gad r a m a t i cd e v e l o p m e n tf o ru s a n dh e l pu sr e a l i z et h ed r e a mo f “p c se v e r y w h e r e ” n o w a d a y st h ec p uo fa r m a r c h i t e c t u r ei su s e db r o a d l yi nt h ee m b e d d e d s y s t e m i t u s e dt h er i s ct e c h n o l o g ya n do w n e dt h ec h a r a c t e ro f s i m p l e a d d r e s s i n gm e t h o d ，l a r g er e g i s t e ra n df i x e dl e n g t hi n s t r u c t i o n a l lo ft h i sm a k e i t p r o c e s sq u i c k l ya n de f f i c i e n t l y b e c a u s el i n u xh a st h ec h a r a c t e ro fs u p p o d i n g a r mt e c h n o l o g y ，r e d u c ek e r n e la n do p e nr e s o u r c ec o d e ，l i n u xi su s e di n t o e m b e d d e ds y s t e ma n dc a ne x e r ta d v a n t a g eo fa r ma n dl i n u x c u r r e n tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fa u t o d r i v i n gr o b o th a v ea t t r a c t e dt h e a t t e n t i o no fal o to fr e s e a r c h e r sb e c a u s ei th a sc l o s er e l a t i o nt om a n y t e c h n o l o g i e s s u c ha se m b e d t e c h n o l o g y , s e n s o rt e c h n o l o g y , p a t hp l a n n i n g ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e a n da u t o m a t i cc o n t r 0 1 i t sp o s s i b l ea p p l i c a t i o n si n c l u d ea u t o m a t i cf r e e w a y d r i v i n g ， e x p l o r a t i o no fu n k n o w n r e g i o n s ，s e r v i c e a n dm a i n t e n a n c ei nn u c l e a rp o w e r s t a t i o n ， p r o d u c tt r a n s f e r i na u t o m a t i o nf a c t o r ya n de t c t h e d e v e l o p m e n t o fi tw i l l i m m e n s e l y i n f l u e n c eh u m a n p r o d u c t i o na n d l i f e t h i sp a p e rd i s c u s st h es t r u c t u r eo ft h ee m b e d d e d s y s t e mf i r s t l y ，t h e nd e s i g n s h a r d w a r eo ft h es y s t e m ，a tt h ef o l l o w i n g ，t h ep a p e rs h o w sh o wt om o d i f yk e r n e l c o n f i g u r ep r o g r a m o fu c l i n u xt om a k ei ts u p p o r ts 3 c 4 4 b o x p r o c e s s 0 5a f t e rt h i s ， i t a c c o m p l i s ht h ew o r ko fu c i i n u xk e r n e lr e d u c ef o ra r ms t r u c t u r ea n dk e r n e l r e c o m p i l et or e a l i z et r a n s p l a n to fu c l i n u xs y s t e mb a s e do nt h eh a r d w a r e i nt h e e n dt h ep a p e rd o e ss o m er e s e a r c ho nt h em e t h o do fp a t hp l a n n i n gi nas t a t i c e n v i r o n m e n ta n d g e t sa ne m u l a t i o n a lr e s u l t k e y w o r d s ：e m b e d d e d s y s t e m ；u c l i n u x ；a r m ；p a t hp l a n n i n g ；g r i dm e t h o d 帮一章绪论 1 1 嵌入式系统 第一章绪论 1 1 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统。i e e e ( 国际电气和电子 工程师协会) 对嵌入式系统的定义为：嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助 操作机器和设备的装置”。国内普遍认同的嵌入式系统定义为：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【2 1 。 嵌入式系统主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用 户应用软件等部分组成。嵌入式系统的最大特点是其所具有的目的性或针对性， 即每一套嵌入式系统的开发设计都有其特殊的应用场合与特定功能，这也是嵌入 式系统与通用的计算机系统最主要的区别 3 。 1 1 2 嵌入式系统发展现状 随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术在上世纪末以来获得 了广阔的发展空间。进入2 0 世纪9 0 年代，特别是进入2 1 世纪后，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，而数字技术的核心就是嵌入式系统技术；在个人领域中， 嵌入式产品将主要是作为个人移动的数据处理和通信软件；对于企业专用解决方 案，如物流管理、条码扫描、移动信息采集等，这种小型手持嵌入式系统将发挥 巨大的作用：自动控制领域，不仅可以用于a t m 机、自动售货机、工业控制等专 用设备，和移动通信设备、g p s 、娱乐等相结合，嵌入式系统同样可以发挥巨大的 作用 4 】，在家庭应用和娱乐上，宠物机器人、清扫机器人、除草机器人等在日韩 和欧美国家得到了广泛的应用【5 1 。 j “东工业大学工学硕士学位论文 全球嵌入式系统的市场潜力巨大，并以3 8 的平均速度增长。正在发展中的 中国市场势头更猛f 6 】。预计在未来5 1 0 年，仅移动计算设备和信息家电2 项，国 内对嵌入式系统的需求容量至少可达1 5 2 亿套，整个嵌入式软件市场金额可达 7 0 0 亿元。l i n u x 在嵌入式中的应用已日益普及，2 0 0 0 年1 2 的用户使用e m b e d d e d l i n u x 系统进行开发工作，2 0 0 1 年这个数据上升至2 7 ，到2 0 0 3 年达到5 2 ，在 过去的2 0 0 4 年，更是得到了迅速的发展。 1 1 3 嵌入式系统发展趋势 据统计。嵌入式处理器的数量占分散处理器的9 4 ，而p c 机用的处理器只占 6 。用市场观点来看，p c 已经从高速增长进入到平稳发展时期，其年增长率由上 世纪9 0 年代中期的3 5 逐年下降，单纯由p c 机带领电子产业蒸蒸日上的时代已 经成为历史，根据p c 时代的概念，美国b u s i n e s sw e e k 杂志提出了“后p c 时代” 的概念【”。 根据美国嵌入式系统专业杂志r t c 报道，2 1 世纪初的十年中，全球嵌入式系 统市场需求量具有比p c 市场大1 0 至1 0 0 倍的商机。通过嵌入式软件操作，通过 传感器感知。通过网络与你交流，2 1 世纪嵌入式系统将无所不在，它将为人类生 产带来革命性的发展，实现“p c se v e r y w h e r e ”的生活梦想。嵌入式系统几乎包 括了生活中的所有电器设备，如掌上p d a 、移动计算设备、蜂窝式电话、微波炉、 数码相机、安全系统、自动售货机、工业自动化仪表与医疗仪器等。此外，在制 造工业、过程控制、军事装备等各大领域嵌入式系统都有着广阔的应用空间 8 】。 由于日本拥有先进的制造技术，在自主控制机器人方面，日本走在了世界的 前列。在国内，哈工大、浙江大学在这方面也做出了突出的研究。哈尔滨工业大 学将于2 0 0 5 年年底前交付家庭机器人第一台样机【9 】，浙江大学研制的第一个具有 自主知识产权的自主吸尘机器人也于前一段时间面世【1 0 】。联合国2 0 0 4 年1 0 月2 0 日公布的世界机器人技术年度调查报告预计，家用机器人的数量将在未来3 年间 上涨6 倍，而且价格将随着应用普及大幅下降【1 1 1 。 嵌入式系统的发展趋势主要体现在以下四个方面1 2 】： 1 嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持 随着因特网技术的成熟、带宽的提高，i c p 和a s p 在网k 提供的信息内容日趋 丰富、应用项目多种多样，像电话手机、电话座机及电冰箱、微波炉等嵌入式电 2 第一章绪论 子设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。为了满足应用功能的升级，设计 师们。方面采用更强大的嵌入式处理器女f f 3 2 位、6 4 位r i s c 芯片或信号处理器d s p 增强处理能力；同时还采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能 复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。 目前，国外商品化的嵌入式实时操作系统，已进入我国市场的有w i n d r i v e r 、 m g 的v x w o r k s 、q n x 公司的q n x 、p a l mo s 、w i n c e 、嵌入式l i n u x 、l y n x 、u c o s 和n u c l e a r 等产品。我国自主开发的嵌入式系统软件产品如科银( c o r e t e k ) 公司的嵌入式软件 开发平台d e l t a s y s t e m ，此外，中科院也推出了h o p e n 嵌入式操作系统。 2 网络互联成为必然趋势 为适应嵌入式分布处理结构和上网需求，面向2 1 世纪的嵌入式系统要求配备 标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入设备必需配有通信接 口，相应需要t c p i p 协议簇软件支持；由于家用电器相互关联( 如防盗报警、灯光 能源控制、影视设备和信息终端交换信息) 及实验现场仪器的协调工作等要求，新 一代嵌入式设备还需具备i e e e l 3 9 4 ，u s b ，c a n ，b l u e t o o t h 或i r d a 通信接口，同时 也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持应用软件的特 定编程模式，如w e b 或无线w e b 编程模式，还需要相应的浏览器，如h t m l ，w m l 等。 3 支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本 为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能限制、内存 容量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求。如，选用最 佳的编程模型和不断改进算法，采用j a v a 编程模式，优化编译器性能。因此，既 要软件人员有丰富经验，更需要发展先进嵌入式软件技术，如j a v a ，w e b 和w a p 等。 4 提供精巧的多媒体人机界面 嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要因素之一是它们与使用者之间 的亲和力，自然的人机交互界面。人们与信息终端交互要求以g l r l 屏幕为中心的 多媒体界面。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像 已取得初步成效。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 2 嵌入式a r m 微处理器 1 2 1a r m 简介 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认 为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一。种技术的名字。1 9 9 1 年a r m 公司成 立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权，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1 3 】【14 1 。 目前，采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器，已遍及工业控制、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，基于a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s e 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。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。 a r m 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于a r m 体系结构的处 理器，除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每一个系列的a r m 微处理器都有 各自的特点和应用领域。 a r m 处理器当前有5 个产品系列：a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m i o 和s e c u r c o r e 。 进一步的产品来自于合作伙伴，例如i n t e lx c c a l e 微体系结构和s t r o n g a r m 产品。 其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m i o 为4 个通用处理器系列，每一个系列提供一 套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。s e c u r c o r e 系列专门为安全要求 较高的应用而设计。 1 2 2 a r m 微处理器的特点 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 1 、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 4 第一章绪论 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； 5 、寻址方式灵活简单，执行效率高； 6 、指令长度固定。 a r m 还提供了两个前沿特性一嵌入式i c e r t 逻辑和嵌入式跟踪宏核系列， 用以辅助带深嵌入式处理器核的、高集成的s o c 器件的调试。 1 2 3a r m 微处理器的应用领域 到目前为止，a r m 微处理器的应用几乎已经深入到各个领域叫j ： 1 、工业控制领域：作为3 2 位的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片不 但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐濒向低端微控制器应用 领域扩展，a r m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控制器提出 了挑战。 2 、无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术，a r m 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 3 、机器人领域：自主移动机器人技术包含了多种技术，其中重要的一个就 是嵌入式技术。特别是在小型机器人上，由于其体积小、功耗小、功能强，嵌入 式处理器同样得到了广泛的应用。 4 、网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步获得 竞争优势。此外，a r m 在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对d s p 的应用领域提出了挑战。 5 、消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和 游戏机中得到广泛采用。 6 、成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技 术。手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术。 除此以外，a r m 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得 更加广泛的应用。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 3 路径规划技术现状 路径规划是移动机器人研究中的一个基本而且重要的问题。它的任务是在具 有障碍物的环境中，按照一定的评价标准，寻找一条从起始状态( 包括位置及姿态) 到达目标状态( 包括位置及姿态) 的无碰撞路径。 自2 0 世纪7 0 年代开始研究以来，己相继提出了多种路径规划的方法。路径 规划的分类方法有多种，但最常见的是在层次上分为两种，一种是基于环境信息 的全局路径规划；另一种是基于传感器信息的局部路径规划。后者的环境是未知 或局部未知的，即障碍物的尺寸、形状和位置等信息，必须通过传感器获取。全 局路径规划的方法主要有：可视图法、和环境空间法。其中环境空间法又可以分 为自由空间法和栅格法。局部路径规划的方法主要有：人工势场法、遗传算法、 神经网络算法等。 近年来，移动机器人路径规划技术受到了广泛的关注。除了科研机构的努力 之外，国内外频繁举行的足球机器人比赛大大的促进了机器人技术的普及，加快 了路径规划技术的研究。2 0 0 3 年底和2 0 0 4 年初分别登上火星的猎兔犬2 号、勇 气号和机遇号，它们的路径规划技术代表着当今世界移动机器人路径规划技术的 最高水平。在国内，清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学等高校在这方面的研 究工作比较突出，相继研制出了具有自主知识产权的产品，但与国外相比，还存 在着一定的差距。 1 4 课题提出意义和主要完成的工作 1 4 1 课题提出意义 基于上述观点，研究设计基于a r m 处理器的嵌入式系统，系统充分利用t a r 处理器高性能、低功耗、低成本的优点，扩展了平台的通用接1 2 1 ，进行了基于a r m 的智能小车的软硬件设计，并且进行了路径规划和避障算法的初步研究。同时， 本系统的构建为在a r m 方面的后续研究提供了试验平台，为以后的工作奠定了坚实 的基础。 6 第一章绪论 1 4 2 主要完成的工作 围绕上述目标，本课题做了以下工作： 1 、研制嵌入式系统硬件开发平台 我们以优龙的嵌入式l i n u x 开发套件为参照，根据系统的具体要求对硬件进 行定制，设计了一个基于s a m s u n g 公司a 跚7 系列的s 3 c 4 4 b o x 嵌入式微处理器的 自主移动小车，为其配置了2 m 字节的f l a s h 和6 4 m 字节的s d r a m 。并向外扩展了 电源复位、串口、键盘l e d 、u s b 、r f 等一系列的功能模块。 2 、对u c l i n u x 进行板级移植 针对我们的硬件开发平台，对u c l i n u x 的系统启动代码、烧写下载程序等进 行修改，对内核重新进行配置，加载所需的功能模块，卸载不需要的模块，精简 内核，并对内核进行重新编译。 3 、u c l i n u x 的系统研究和应用程序程开发 深入研究u c l i n u x 的烧写机制、编译机制、系统启动机制和中断机制，并编 写相应的应用程序。 4 、软硬件裁剪 以上述硬件系统为原型，针对自主移动小车的特点，给出一个基于本硬件系 统的具体化的软硬件裁剪技术和实现方法，以及控制该智能小车实现自主导航的 路径规划和避障算法，并进行了算法的仿真试验。 7 广东工业大学工学硕士学位论文 2 1 功能需求 第二章系统总体设计 嵌入式系统的构架可以分成四个部分：处理器、存储器、输入输出和软件。 图2 1 嵌入式系统构架 f i g u r e2 - 1e m b e d d e ds y s t e ms t r u c t u r e 首先，嵌入式系统最核心的部分就是嵌入式处理器了。目前，世界上具有嵌 入式功能特点的处理器己经超过t l o o o 多种，3 0 多个系列。不同的处理器有其不 同的功能和优势。但是低成本、低功耗、高性能是嵌入式系统应用的特殊要求。 目前主要的嵌入式处理器类型有p o w e r p c ，x 8 6 ，m i p s ，a r m s t r o n ga r m 系列等。 其次，存储器也是构建嵌入式系统的重要部分。虽然存储器的选择依赖于处 理器的选择，但是就功能需求来说，需要考虑容量大的，性能稳定的存储器。就 f l a s h 来说，还需要考虑f l a s h 的擦除软件操作是否方便。 再次，要结合实际情况和处理器的功能，确定系统外围设备。 本系统是一个完整的嵌入式系统，根据实际的应用需要以下接口： r s2 3 2 串行接口 目前r s 一2 3 2 是p c 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口，r s 一2 3 2 被定义 为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。系统需要通过串口下载程 序和进行串行通信。 u s b 接口 第二章系统总体设计 u s b 接口以其方便、传输速率高等优点逐渐成为计算机行业的外设接口标准。 嵌入式设备要与p c 机进行高速通信，那么u s b 接口当然是理想的选择。同时本系统 的u s b 接口主要是用来外接u s b 网卡，也可以外接u s b 存储设备。 键盘 键盘是常用的输入输出设备，以充分发挥系统功能，同时可以用于现场调试。 直流电机接口 作为一个能够移动的硬件平台，此部分用来驱动直流电机。 喇叭和发光二极管 作为最简单的交互方式和报警方式，系统加入了必要的喇叭和发光二极管以 和外界通讯，以及指示系统的工作状态。 无线收发模块接口 作为无线传输方式的另一种选择，系统配备了无线收发模块。 最后，本系统需要嵌入式操作系统的支持。对于操作系统的选择有几个方面： 是否支持目标硬件平台 可移植性要求 支持多任务并具有实时性 开发工具的支持程度 源代码还是目标代码 许可 2 2 功能规划 根据以上的需求，考虑到应用的领域、成本闯题和开发的难易程度等因素， 我们采用集成了a r m 7 t d m ic p u 核的嵌入式处理器。 系统需扩展2 mn o rf l a s h + 1 6 mn a n df l a s h ，用于存放所有的指令代码和参 变量；扩展8 m b y t e 的同步动态数据存储器( s d r 州) ，用于存放数据和运行程序；扩 展u s b 模块，扩展外部存储设备和组建无线局域网络；扩展r s 2 3 2 口，下载程序用 于调试：扩展键盘和l e d 显示，用于调试和现场显示操作；扩展电机接口，以驱动 电机，另外还有复位电路( r e s e t ) ，实时时钟( c l o c k ) 模块等。系统的功能结构如 图2 2 ： 9 广东工业大学工学硕士学位论文 图2 - 2 系统结构框图 各部分基本功能描述如下： 串行接口电路用于调试时的程序下载及s 3 c 4 4 b o x 系统与其他应用系统 的短距离双向串行通讯； 复位电路可完成系统上电复位和在系统工作时用户按键复位； 电源电路为5 v 到3 3 v 和5 v 到2 5 v 的d c d c 转换器，给s 3 c 4 4 b o x 及其 他需要3 3 v 和2 5 v 电源的外围电路供电； 1 0 m h z 有源晶振为系统提供工作时钟，通过片内p l l 电路倍频为6 6 m h z 作 为微处理器的工作时钟； f l a s h 存储器可存放己调试好的用户应用程序、嵌入式操作系统或其他在 系统掉电后需要保存的用户数据等； s i ) r a m 存储器作为系统运行时的主要区域，系统及用户数据、堆栈均位于 s d r a m 存储器中； j t a g 接口可对芯片内部的所有部件迸行访问，通过该接口可对系统进行 调试、编程等； u s b 接口可挂网卡组建局域网络或连接i n t e r n e t ，也可扩展外部存储设备： 无线收发模块完成多个自主系统问的通信功能。 1 0 第二章系统总体设计 操作系统采用u c l i n u x ，u c l i n u x 从l i n u x2 0 2 4 内核派生而来，沿袭了主流 l i n u x 的绝大部分特性。它是专门针对没有m m u 的c p u ，并且为嵌入式系统做了 许多小型化的工作。适用于没有虚拟内存或内存管理单元( m m u ) 的处理器。它通 常用于具有很少内存或f l a s h 的嵌入式系统。u c l i n u x 是为了支持没有m m u 的处理 器而对标准l i n u x 做出的修正。它保留了操作系统的所有特性，为硬件平台更好的 运行各种程序提供了保证。在g n u 通用公共许可证( g n ug p l ) 的保证下，运行 u c l i n u x 操作系统的用户可以使用几乎所有的l i n u x a p i 函数，不会因为没有m m u 而受到影响。出于u c l i n u x 在标准的l i n u x 基础上进行了适当的裁剪和优化，形成 了一个高度优化的、代码紧凑的嵌入式l i n u x ，虽然它的体积很小，u c l i n u x 仍然 保留了l i n u x 的大多数的优点：稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、完备的对 各种文件系统的支持、以及标准丰富的a p i 等【l ”。 2 3 设计原则及扩展性 具体在硬件功能模块的设计中，为了使设计合理，确保测量的精度，以获得 最佳的设计效果，应该注意以下几个设计原则： 一、用最新或是功能更完善的芯片 功能强的芯片能够达到更高的精度和可靠性，可大大简化系统的电路设计， 并能使系统的精度和可靠性得到了保证。通过正确选用高性能的接口控制芯片， 能提高系统的可靠性，并使设计留有余地，为以后的升级提供方便。 二、电路设计上应该留有余地，以考虑将来扩展和修改的需要 因为软件的升级比硬件要方便得多，而且往往只要修改或添加软件中数据处 理的模式或算法，就可以大幅度地提高系统的功能。因此，应该在硬件设计时尽 可能地留有余地，以便将来的修改和扩充。例如在f l a s h ，s d r a i 等芯片的选取上， 即考虑了现在的实际要求，又在价格允许的范围内，选取了较大容量的型号，留 有较大的存储空间，考虑到了以后添加数据的方便。 三、以软件代硬件 原则上，在实时性允许的条件下，能够用软件完成的功能，就不用硬件，这 样不仅仅节省了成本，而且也提高了系统的可靠性。在实时性能够保证的情况下， 用软件代替硬件是很合算的。 广东工业大学工学硕士学位论文 四、仔细讲究布局布线 为了得到更高的精度和提高系统的可靠性和抗干扰能力，首先在电路布局时 应该尽量考虑电源和地的划分。在四层板中，其中有单独的电源层和地层。但是 由于存在着多种电源，例如3 3 v 、2 5 v 、5 y 。所以布局时应该尽量把相同电源的 器件放在一起，以便于电源层不同电源之间的划分。同时，在地层也要进行块划 分。其次由于是s d r a m 的工作频率比较高，在布局的时候就要进行仿真，防止各种 干扰，如g r o u n db o u n c e ，c r o s s t a l k ，r e f l e c t i o n 等，并注意终端匹配，保证信号 的完整性。最后，各个芯片都要加去耦电容，最大限度地降低干扰。 2 4 小结 本章对自主移动的嵌入式系统的总体结构进行了规划，对各个模块进行了功 能上的划分和定义，并给出了系统的设计原则。 第三章系统硬件设计 第三章系统硬件设计 3 1 系统主要硬件选型 3 1 1 微处理器的选型 a r m 微处理器有着众多优点，但是，由于a r m 微处理器有多达十几种的内 核结构，几十个芯片生产厂家，以及千变万化的内部功能配置组合，以适应不同 的应用领域。如果希望使用w i n c e 或l i n u x 等操作系统以减少软件开发时间，就 需要选择a r m 7 2 0 t 以上带有m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 功能的a r m 芯片， a r m 7 2 0 t 、s t r o n ga r m 、a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 、a r m 9 4 6 t 都带有m m u 功能。而a r m 7 t d m i 没有m m u ，不支持w i n d o w sc e 和大部分的l i n u x ，但目前有u c l i n u x 等少数几种 l i n u x 不需要的支持。 在通用处理器系列中，a r i v l 7 系列处理器是低功耗的3 2 位r i s c 处理器，适 合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用，主要应用领域为：工业控制、i n t e m e t 设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。a r m 7 系 列处理器支持1 6 位的t h u m b 指令集，使用t h u m b 指令集可以以1 6 位的系统开 销得到3 2 位的系统性能。 a r m 7 微处理器系列具有如下特点： 具有嵌入式i c e - - r t 逻辑，调试开发方便。 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。 能够提供0 9 m i p s m h z 的三级流水线结构。 代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集。 对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w s c e 、l i n u x 、p a l mo s 等。 指令系统与a r m 9 系列、a r m 9 e 系列和a r m l 0 e 系列兼容，便于用 户的产品升级换代。 主频最高可达1 3 0 m i p s ，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂 应用。 广东工业大学工学硕士学位论文 几乎所有著名半导体公司( 如i n t e l 、t i 、s a m s u n g 、m o t o r o l a 、p h i l i p s 、a t m e l 、 a l c a t e l 、i n t e r s i l 、c i r r u sl o g i c 等) 都提供基于a r m 核、满足不同领域应用的芯 片。国内常用的a r m 芯片供应商主要有一一下几家：s a r a s u n g 、a t m e l 、h y n i x 、 m o t o r o l a 和c i r r u s l o g i c 。 可以说s a r a s u n g 的a r m 芯片是国内目前用的最多的a r m 芯片，很多学习 a r m 的人都是从s a m s u n g 芯片开始的。其应用领域很广，主要是民用产品，包 括手持设备、网络应用、打印机产品等。其中最常用的是$ 3 c 4 5 1 0 和$ 3 c 4 4 8 0 这2 款。$ 3 c 4 5 1 0 内部集成了以太网控制器，适用于网关、路由器、h u b 交换机 等。$ 3 c 4 4 8 0 内部集成了l c d 控制器，适用于手持设备。 s a m s u n g 公司的4 4 8 0 和4 5 1 0 芯片在国内应用都非常广泛，市场上各个嵌入 式公司也推出了大量针对4 5 1 0 的开发板和教学平台，但是三星已经决定停产 $ 4 c 4 5 1 0 这款网络芯片，取而代之的是$ 3 c 2 5 1 0 ，而若使用2 5 1 0 芯片，对于制版 的工艺、技术和费用都要比使用a r m 7 的芯片高出很多。根据自己的能力和实验 室的设备情况，决定选择s a m s u n g 的s 3 c 4 4 b o x 。s 3 c 4 4 b o x 是一款高性能的1 6 3 2 位r i s c 微处理器。它采用的是a r m 7 t d m i 核、0 2 5 u mc m o s 工艺，1 6 0 - q f p 封装， 6 6 m h z 的主频，片上集成的功能如下1 8 】： 带有8 k b 的c a c h e ； l c d 控制器，并带有一个专门的d m a 通道： 2 个带握手协议的u a r t ，1 个s i o ； 2 个通用d m a 通道和2 个带外部请求引脚的d m a 通道； 外部扩充存储器控制器( 片选逻辑和f p e d o ，s d r a m 控制器) ； 7 1 个通用可编程l o 端口，8 个i 0 中断源； 具有日历功能的实时时钟； 8 路的1 0 位a d c ； 1 个i i c 总线控制器； 1 个i i s 总线控制器； 5 路p i n m 定时器和一个内部定时器； 看门狗定时器； p l l 时钟发生器。 1 4 第三章系统硬件设计 3 1 2f l a s h 选型 f l a s h 存储器是一种可在系统( i n s y s t e m ) 进行电擦写，掉电后信息不丢失的 存储器。它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程( 烧 写) 、擦除等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而在各种嵌入 式系统中得到了广泛的应用。作为一种非易失性存储器，f l a s h 在系统中通常用于 存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。主要的生 产厂商为a t m e l 、a m d 、h y u n d a i 等，他们生产的同型器件一般具有相同的电 气特性和封装形式，可通用。 n o r 和n a n d 是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。i n t e l 于1 9 8 8 年首先开 发出n o rf l a s h 技术，彻底改变了原先i 扫e p r o m 和e e p r o m 一统天下的局面。紧接着 东芝公司于1 9 8 9 年发明了n a n df l a s h 结构，强调降低每比特的成本，更高的性能， 并且像磁盘一样可以通过接口轻松升级。 n o r 的特点是芯片内执行( n i p ，e x e c u t ei np l a c e ) ，这样应用程序可以直接 在f l a s h 闪存内运行，不必再把代码读到系统r a m 中。n o r 的传输效率很高，在1 4 m b 的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的 性能。 n a n d 结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的 速度也很快。应用n a n d 的困难在于f l a s h 的管理和需要特殊的系统接口。 根据以上分析，考虑到价格和特点，本系统采用了s s t 公司的s s t 3 9 v f l 6 0 的 n o rf l a s h 和s a m s u n g 公司的k 9 f 2 8 0 8 的n a n df l a s h 。 s s t 3 9 v f l 6 0 的单片存储容贯为1 6 m 位( 2 m 字节) ，工作电压为2 7 v 3 6 v ， 采用4 8 脚t s o p 封装，1 6 位数据宽度，可以以8 位( 字节模式) 或1 6 位( 字模式) 数据宽度的方式工作俐。 k 9 f 2 8 0 8 的单片存储容量为1 6 m 字节，工作电压为2 7 v 3 6 v ，采用4 8 脚t s o p 封装，1 6 位数据宽度，可以以8 位( 字节模式) 或1 6 位( 字模式) 数据宽度的方式 工作2 1 1 。 3 1 3s d r a m 选型 s d r a m ( s y n c h r o n o u sd r a m ) ：同步动态随机存储器。是一种新的d r a m 架构的 r 东工业大学工学硕士学位论文 技术；它运用晶片内的c l o c k 使输入及输出能同步进行。所谓c l o c k 同步是指记忆 体时钟与c p u 的时钟能同步存取资料。s d l a m 节省执行指令及数据传输的时闻，可 提升计算机效率。 与f l a s h 存储器相比较，s d r a m 不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度 大大高于f l a s h 存储器，且具有读写的属性，因此，s d r a i v i 在系统中主要用作 程序的运行空间，数据及堆栈区。当系统启动时，c p u 首先从复位地址0 x 0 处读 取启动代码，在完成系统的初始化后，程序代码一一般应调入s d r a m 中运行，以 提高系统的运行速度，同时，系统及用户堆栈、运行数据也都放在s d r a m 中。 s d r a m 具有单位空间存储容量大和价格便宜的优点，已广泛应用在各种嵌入 式系统中。目前常用的s d r a m 为8 位1 1 6 位的数据宽度，工作电压一般为3 3 v 。 主要的生产厂商为h y u n d a i 、w i n b o n d 等。他 f j 生产的同型器件一般具有相同 的电气特性和封装形式，可通用。 本系统采用h y u n d a ie l e c t r o n i c s 公司的h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g t 一7 型s d r a m ，4b a n k s i m x1 6 b i ts y n c h r o n o u sd r a m ，它的存储容量为4 组x1 6 m 位( 8 m 字节) ，工作 电压为3 3 v ，常见封装为5 4 脚t s o p ，兼容l ，v t t l 接口，支持自动刷新 ( a u t o r e f r e s h ) 和自刷新( s e l f - r e f r e s h ) ，1 6 位数据宽度口2 1 。也可用k 4 s 6 4 1 6 3 2 代替。 3 1 4 u s b 接口芯片选型 通用串行总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) ，是一种快速、灵活的总线接口。与 其它通信接口比较，u s b 接口的最大特点是易于使用，这也是u s b 的主要设计目 标。作为一种高速总线接口，u s b 适用于多种设备，比如数码相机、m p 3 播放 机、高速数据采集设备等。易于使用还表现在u s b 接口支持热插拔。并且所有的 配置过