（电子科学与技术专业论文）基于arm9的嵌入式汽车导航与防盗系统的设计.pdf

a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd 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 ya n ds a t e l l i t en a v i g a t i o n t e c h n o l o g y ，v e h i c l ee m b e d d e dn a v i g a t i o ns y s t e mh a sb e c o m e t h ef o c u so fv e h i c l e i n d u s t r yd e v e l o p m e n t v e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e mi sak i n do fs y s t e mc o m b i n e dw i t h g l o b a lp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y ，c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n de m b e d d e dt e c h n o l o g y ， w h i c hc a ns u p p l yr e a l t i m ea n dr a p i dn a v i g a t i o np o s i t i o n i n gi n f o r m a t i o nf o rd r i v e r ，a n d i ti sa d a p tt oa u t o m a t i cp o s i t i o n i n go fv e h i c l ea n ds h i p i no u rc o u n t r y ，t h ec o n s u m p t i o n o fv e h i c l eb e c o m em o r ea n dm o r eh e a t e d ，t h en u m b e r so fp r i v a t ev e h i c l ea l s ob e c o m e l a r g e ra n dl a r g e r ，o nt h eo t h e rh a n d ，c a s eo fs t e a l i n gv e h i c l ek e e p su p ，w h i c hb r i n ga b o u t g i a n tl o s s s o ，a u t o m o b i l ep o s i t i o n i n ga n ds e c u r i t ya l s ob e c o m eag r e a tn e e do ft h e m a r k e t r e s e a r c ho nt h ea u t o m o b i l ei n t e l l i g e n ts y s t e mh a sa l l ；i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t h ed e v e l o p m e n to fg e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c ea n dg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m t e c h n o l o g ys u p p l yak i n do ft e c h n o l o g ys u p p o r tf o rt h ev e h i c l ep o s i t i o n i n ga n ds e c u r i t y g p sa st h em e a n so fp o s i t i o n i n ga n dg p r sa st h ew a yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ， b a s e do i la r m 9p r o c e s su n i ta n dl i n u xe m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ，t h i sd e s i g n d e v e l o p sa u t o m o b i l en a v i g a t i o na n ds e c u r i t ys y s t e mb a s e do na r m 9 d i f f e r e n tf r o m f o r m e rv e h i c l ee m b e d d e ds y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h ei n t e n d e df u n c t i o n , t h i sd e s i g n i n c l u d et w od i f f e r e n tf u n c t i o nm o d e l so fd r i v i n ga n ds e c u r i t y ，r e a l i z et h ej o i n to f a u t o m o b i l en a v i g a t i o na n ds e c u r i t y b a s e do na b o v ei d e a ，t h i sd e s i g nf i r s t l ya n a l y z et h ec o n d i t i o no fr e s e a r c ho n a u t o m o b i l ee m b e d d e dn a v i g a t i o na n ds e c u r i t ys y s t e ma n di t sd e v e l o p m e n ti nn a t i o n a l w i d ea n df o r e i g nc o u n t r y ，i na d d i t i o n , m a k ea n a l y s i so nb a s i ct h e o r yo fe m b e d d e d t e c h n o l o g y , g p sa n dg p r s a n dt h e n ，p u tf o r w a r d st h eg e n e r a ld e s i g np r o g r a mo ft h e s y s t e m ，i n t r o d u c et h ec o m p o s i t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，d e s c r i b ei t sc o n c r e t e d e s i g na n dr e a l i z a t i o ni nd e t a i l ，a n a l y z et h ek e yt e c h n o l o g y ，a l s og i v et h es o l u t i o no f i t a tl a s t ，m a k et e s ta n da d j u s ta g a i n s tt h i ss y s t e m ，t h er e s u l tp r o v e st h a tt h ed e s i g n e d s y s t e mi nt h i sp a p e rw o r ks t e a d i l y , c a l lr e a l i z et h ef u n c t i o no fa u t o m o b i l en a v i g a t i o n a n ds e c u r i t ya n da c h i e v et h ef i x e do b j e c t k e yw o r d s ：a r m 9 ；l i n u x lg p r ssg p s 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文 = = 基王盥窆的邀惑遗奎曼魃皇随姿丕统的逡盐：。 除论文中已经注明引用的内容外，对论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。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体 已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于： 保密口在年解密后适用本授权书。 不保密日( 请在以上方框内打“4 ) 基于a r m 9 的嵌入式汽车导航与防盗系统的设计 第1 章绪论 1 1 论文背景及意义 随着我国经济的高速发展以及人民生活水平的提高，我国的汽车保有量在未 来很长一段时间内将持续上涨。交通运输行业作为国家重点扶持的基础产业得到 了快速高效的发展，遍布全国的高等级公路网络的建设，方便快捷的城市公共交 通体系的建成，都显现出一番蓬勃的繁荣景象。与此同时，城市建设规模日益扩 大，高速公路网络不断延伸，城市的车辆，驾驶员及交通流量大幅度增长，这对 公安交通管理部门和交通运输部门的管理提出了更新、更高的要求。另外，对于 各种车辆的行驶安全以及公路交通的畅通等问题，也逐渐成为当前所面临的急需 解决的重要课题。对于上述等问题，必须找到一个行之有效的解决方案。由此， 我们发现，只要知道汽车在某一时刻的有效位置，就可以找到解决相关问题的方 法。车载智能终端是嵌入式技术、g p s 技术、g i s 技术和g p r s 通讯技术相结合 的产物，能够实现定位、监控和导航等功能，对智能交通的研究和发展具有重要 意义【1 1 ，能有效地解决以上所提到的问题。 随着计算机技术和卫星导航技术的飞速发展，汽车嵌入式导航系统已经成为 汽车工业发展的焦点。随着网络技术的发展和智能交通系统的完善，车辆导航定 位系统与无线网络技术的结合将空间信息和网络资源有机联合起来，使得车辆导 航定位系统具有更加广阔的发展空间。 近几年随着我国汽车消费热度日益加温，同时，汽车偷盗案件也居高不下， 造成了巨大经济损失。由于社会治安状况的现实性，车辆被盗、被抢事件时有发 生。据统计，全球每年被盗汽车数量多达近百万辆，但是能够追回的仅占2 0 ， 虽然大部分的车辆都购买了保险，但车辆一旦被盗、被抢，都不可避免的给车主 造成财产损失，同时也可能对司机和乘员造成人身伤害。现今网络防盗系统应用 最广泛的是g p s 卫星监控系统，可以对车辆进行2 4 小时不问断、高精度的监控。 可是车主要享受网络防盗系统服务必须支付近万元的设备购买费和每月不菲的系 统服务费，而且在某种程度上容易暴露个人去向的隐私，因此，开发一种廉价且 第1 章绪论 能实现远程监控，基于非公共基站的无线汽车防盗系统是汽车防盗系统有潜力的 发展方向【2 1 。 现有的导航系统中，有基于a r m 7 平台的导航与防盗系统，有基于a r m 9 平 台的汽车导航定位系统，有基于d s p 处理器、肛c o sj i 操作系统和g s m 短信息的 g p s 汽车定位与防盗系统，这些系统都较好的实现了其功能。本设计与现有的同 类系统相比采用了性能较优的a r m 9 处理器，以满足现代高速度大数据的要求， 并且把汽车定位和防盗功能结合起来，设计了一种基于g p r s 通讯平台和g p s 卫 星定位的汽车防盗系统，实现汽车定位与防盗功能的结合。 有了这个系统我们就能够随时随地了解汽车的状况，不管离车多远都可以立 即知道汽车的情况和汽车的位置，汽车一旦发生什么情况用户都能够立即接到警 示。该系统运用于私家车可以进行位置跟踪、防盗、反劫，保障人车生命财产安 全，经济效益显著，具有很强的市场竞争力，投资实施该项目具有实际的社会意 义和经济意义。 1 2 国内外发展现状 ( 1 ) g p s 车辆定位导航系统国内外发展现状 近几年，通过引进、联合和自主研发相结合的方式，我国g p s 车载导航整体 技术水平有了很大提高。在导航电子地图和导航应用软件方面的技术水平已接近 和达到了国际发达国家的水平，导航专业技术公司和产业队伍不断壮大，我国的 导航产业呈现出厚积勃发的趋势【3 】。但是，国内的g p s 车辆导航起步和发展都比 较晚，开始于8 0 年代末期，其应用主要是集中在车辆的监控调度系统方面。目前 具有定开发能力的公司如大通公司、京惠达公司、图原公司等也主要是进行这 方面的工作，其主要的特征是代理国外的产品或基于单板机或笔记本以及p c 机的 操作系统和开发平台进行开发，因此成本较高，使用、携带不够方便。另一方面， 由于这些系统并不是专门为车辆定位导航系统设计的，因此相对来说效率较低。 国内也有部分厂商和研究单位推出了一些车载导航定位系统，但要么由于技术简 2 基于a r m 9 的嵌入式汽车导航与防盗系统的设计 单，定位精度不够，要么由于成本昂贵，不能为一般用户所承受，因而不能在实 际车载系统中得到广泛的应用。 车载g p s 是汽车电子的标志性产品。从2 0 0 7 到2 0 1 0 年，中国车载g p s 市场 年销量增长率将超过5 0 ，增长速度超过汽车市场。然而，目前我国车载g p s 的 安装率仅为2 ，远远低于日本等发达国家的5 9 的水平。随着我国私人汽车保有 量的增长和汽车电子产业的发展，中国车载g p s 市场容量将不断增长，我国g p s 车载行业还处在发展初期。由于中国相关政策法规和标准制定的不确定性和价格 等原因，车载g p s 系统尚未形成大的卖点，市场有待进一步开发。目前市场中， 中国厂商已占据一席之地，凯立德、城际高科、灵图三强所占据的市场份额超过 7 0 。车载导航系统越来越成为我国汽车电子市场发展的热点之一，国内不少企业 纷纷投入到车载导航系统产品的生产和研发中。估计在2 0 0 8 到2 0 1 0 年我国车载 导航系统市场将有一个飞跃性的发展，预计2 0 0 9 年汽车g p s 导航系统终端市场的 销售额将突破1 0 0 亿元。中国车载g p s 市场进入一个崭新的发展时期，日趋规模 化的市场将保持快速的发展态势。 在国外，汽车导航系统发展得相当成熟，成为大众的一个生活辅助工具，乃 至必需品。便携式g p s 导航仪( p o r t a b l en a v i g a t i o nd e v i c e ，孙) 已经进入成熟期， 市场“井喷已经出现。2 0 0 6 年全球p n d 产品出货量超过1 9 0 0 万台，比上年增 长1 0 2 1 。预计到2 0 1 0 年全球市场规模将高达7 3 0 0 多万台。 国际市场上则以日本汽车电子市场在世界上表现比较突出，汽车导航仪非常 精致、好用 4 1 。在日本的一些豪华轿车上，导航系统已不再是选装，而成为了标准 设备。例如丰田公司的w i n d o m ，日产公司的c i n a ，本田公司的l e g e n d ，此外， 还有一些进口轿车，如奔驰公司的s 级轿车，宝马公司的新7 系列和5 系列轿车 都装备有这种电子导航系统。三菱汽车公司更是将其作为标准设备，把导航系统 装在了中级轿车g a l a n t 上。由予汽车导航系统扩展到更多的车型，因此在车内装 饰设计中，在仪表板上预先留出一块1 5 c m 左右的视频显示屏幕的位置，已成为常 规。美国福特公司的g p s 系统只有汽车收音机大小，它与收音机，电话集装在一 起，显示屏位于中央，为司机指示方向并提供声音指示，但不显示地图，通过全 第1 章绪论 球定位卫星的信号来确定轿车的位置【5 1 。这种服务系统只要驾驶员把目的地输入车 上的电脑后，即可计算出最短的路线，然后在屏幕上用图像和声音引导驾驶员开 向目的地。 ( 2 ) 汽车防盗技术的国内外发展现状 全世界每年汽车销售量达5 0 0 0 多万辆，保有量己超过4 亿辆。在用的车辆越 多，被盗的汽车也越来越多，汽车防盗成为一个重要的社会问题。防盗技术已经 与安全、环保、节能一起被列为汽车技术发展的四大课题。随着汽车电子技术的 发展，汽车防盗设备按其结构与功能可分四大类：机械类、电子式、芯片式和网 络式，其中电子式是目前应用最为广泛的汽车防盗设备。尤其是随着微电子技术 的进步，汽车防盗技术己向着自动化、智能化方向发展。 国内不少厂商通过引进国外先进技术开发了汽车电子防盗系统。防盗器的电 子密码就是开启防盗器的钥匙，它一方面记载着防盗器的身份码，区别各个防盗 器的不同；另一方面，它又包含着防盗的功能指令码、资料码，负责开启或关闭 防盗器，控制完成防盗器的一切功能旧。如爱丽舍应答式电子防盗系统是在b o s c h m p 5 2 电喷系统的基础上增加了一套电子防盗系统，用于锁止和解锁发动机电脑， 从而来实现车辆的防盗功能，当插入一把带有应答器的正确钥匙并打到“m 位时， 系统自动完成对码、解锁发动机电脑，否则发动机电脑处于闭锁状态，切断对发 动机点火和喷油的控制，使其无法起动。 中国科学院等科研单位在汽车防盗设备领域获得了不少科研成果，如中国科 学院研究生院开发的远程遥控防盗报警器，用于汽车、摩托车的防盗，是可以遥 控远程车辆自动熄火的新型报警器，最远遥控距离为5 0 公里。该报警除具备其它 报警器的功能外，还有与众不同的三大特点：能在车主无力阻止车辆被盗劫后， 在汽车驶离5 0 公里以内，即l 到1 5 小时内遥控车辆自动熄灭；即使罪犯将车内 的报警器破坏，也无法再次启动车辆；车辆被盗劫后，自动发出无线电信号。 国外汽车防盗技术经历了机械式、电子电路式和无线电方式的发展过程。采 用无线电防盗反劫技术在国外已有1 0 年的历史，美国超过1 5 个城市建立了无线 4 基丁二a r m 9 的嵌入式汽车导航与防盗系统的设计 电定位跟踪系统，兼有车辆防盗反劫及调度管理功能，使数十万辆汽车受益。目 前，美国正计划在全国各大城市都建立防盗反劫报警系统，并实现全国漫游。 近年来，随着嵌入式技术的发展、无线网络技术尤其是g p r s 的日益成熟， 成为了推动g p s 产品在汽车定位跟踪、防盗领域内迅速普及的主要因素【刀。车载 g p s g p r s 定位跟踪、防盗系统就是通过g p r s 网络，在汽车和车主之间建立连接。 车主通过发送短消息指令给车载定位系统，从而可以得到汽车位置、速度、航向 等信息，使得车主随时可以了解汽车的安全状况。汽车也可以在遭受入侵或者被 移动等情况时，及时向车主反馈信息，防止汽车被窃、被损坏等事件的发生。 1 3 论文研究内容 嵌入式车载导航和防盗系统是集g p s 全球定位技术、嵌入式技术和g p r s 移 动通信等技术为一体的综合性系统。因此，根据车载定位系统的要求，根据现在 市场上出现的电子整机产品，参考相关的功能、性能、价格和实现难易程度等因 素，对本系统从硬件、软件两方面进行设计。硬件设计上主要根据系统要完成的 功能以及处理器的性能来选择器件和搭建电路，软件设计上主要阐述软件的实现 过程，论文的研究内容主要包括： ( 1 ) 硬件系统设计 以a r m 9 处理器为核心构建硬件平台，并根据系统的功能需求加入专用模块， 如g p s 数据采集模块，无线通信模块m c 3 5 i 等。这些专用模块通过r s 2 3 2 串口与 a m r 9 处理器相连接，以实现硬件系统的搭建。 ( 2 ) 软件系统设计 本设计选择嵌入式l i n u x 作为软件运行的平台。嵌入式l i n u x 是将l i n u x 内核 移植到$ 3 c 2 4 1 0 平台上的版本，它支持多任务，具有完备的t c p i p 协议栈，在嵌 入式领域内具有广泛的应用。嵌入式l i n u x 操作系统不仅可使软件的开发更加灵 活，也能使整个系统的可靠性得到提高。 根据系统中所具有的各个功能模块的运行情况和具体设计的定位和防盗两种 系统工作模式，开发了相应的软件来驱动系统稳定运行。 5 第1 章绪论 1 4 论文结构安排 全文共分为六章，具体章节安排如下： 第1 章绪论主要介绍了本课题的研究背景意义、国内外研究状况，并对本文 的研究内容做了一个简要的论述，最后简要说明了本文的结构安排。 第2 章描述了嵌入式系统的发展历史、特点及其概况。包括嵌入式系统的概 念、特点，并从嵌入式系统硬件、软件等各个方面，研究了当前该领域的最基本 的技术。 第3 章介绍了系统的总体设计思想。首先给出了系统的总体设计方案，然后 详细介绍了系统硬件平台的搭建，最后论述了系统所要实现的功能。 第4 章研究系统的软件设计与实现，给出实现方案，系统软件设计方案，g p s 数据的接收与处理，g p r s 模块软件的设计等。 第5 章系统的调试与测试，主要是完成对系统软硬件的调试与系统功能的测 试。 第6 章对论文现有的工作进行总结，并对今后的工作做了展望。 6 基于a r m 9 的嵌入式汽车导航与防j ； f 系统的设计 第2 章嵌入式系统概述 2 1 嵌入式系统的发展历史 在2 0 世纪7 0 年代微处理器出现后，应用其小型、廉价、高集成化的特点， 将其嵌入到某一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制。由此，就诞生了嵌 入式系统。经过三十多年的发展，嵌入式系统技术日臻完善，对其应用也不断上 升到新的台阶。尤其在最近几年嵌入式系统十分风靡，广泛应用于日常生活、消 费电子以及工业生产领域【8 】。 作为一个系统，往往是在硬件和软件交替发展的双螺旋的支撑下逐渐趋于稳 定和成熟，嵌入式系统也不例外。 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、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更 佳的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。这些装置已经初步具备了嵌入式的 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，还谈 不上“系统 的概念。 最早的单片机是i n t e l 公司的8 0 4 8 ，它出现在1 9 7 6 年。m o t o r o l a 同时推出了 6 8 h c 0 5 ，z i l o g 公司推出了z 8 0 系列，这些早期的单片机均含有2 5 6 字节的r a m 、 4 k 的r o m 、4 个8 位并口、1 个全双工串行口、两个1 6 位定时器。之后在8 0 年 代初，i n t e l 又进一步完善了8 0 4 8 ，在它的基础上研制成功了8 0 5 1 ，这在单片机的 历史上是值得纪念的一页，迄今为止，5 1 系列的单片机仍然是最为成功的单片机 芯片，在各种产品中有着非常广泛的应用。 从8 0 年代早期开始，嵌入式系统的程序员开始用商业级的“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，“嵌入式系统 真正出现了。确切点说，这个时候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。其中比较著名的有r e a d ys y s t e m 公 司的v r t x 、i n t e g r a t e ds y s t e mi n c o r p o r a t i o n ( i s i ) 的p s o s 和i m g 的v x w o r k s 、q n x 7 第2 章嵌入式系统概述 公司的q n x 等。这些嵌入式操作系统都具有嵌入式的典型特点：它们均采用优先 抢占式的调度，响应的时间很短，任务执行的时间可以确定；系统内核很小，具 有可裁剪、可扩充和可移植性，可以移植到各种处理器上；较强的实时和可靠性， 适合嵌入式应用。这些嵌入式实时多任务操作系统的出现，使得应用开发人员得 以从小范围的开发中解放出来，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 e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，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。这时候更多的公司看到了嵌入式系统 的广阔发展前景，开始大力发展自己的嵌入式操作系统。除了上面的几家老牌公 司以外，还出现了p a l mo s ，w i n c e ，嵌入式l i n u x ，l y n x ，n u c l e u x ，以及国内 的h o p e n ，d e l t ao s 等嵌入式操作系统。随着嵌入式技术的发展前景日益广阔，相 信会有更多的嵌入式操作系统软件出现。 2 2 嵌入式系统的定义 根据国际电气电子工程师协会( i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ， i e e e ) 的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、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 fp l a n t s ) 。这主要是从应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系统是 软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。 不过上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓，目前国内一个普遍被认 同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适用于应 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【9 】。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【1 0 1 。 在这个定义上，可从几方面来理解嵌入式系统： 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，不能独立于应用自行发展， 否则便会失去市场。它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势。 8 基于a r m 9 的嵌入式汽车导航与防盗系统的设计 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。 嵌入式系统是将计算机技术、电子技术和材料技术与各个行业的具体应用相 结合后的产物，是一门综合技术学科【1 1 1 。这一点就决定了它必然是二个技术密集、 资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。所以，介入嵌入式系统行业， 必须有一个正确的定位。例如p a l m 之所以在p d a 领域占有7 0 以上的市场，就 是因为其立足于个人电子消费品，着重发展图形界面和多任务管理；而风河的 v x w o r k s 之所以在火星车上得以应用，则是因为其高实时性和高可靠性。 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 靠性、成本、体积等要求。所以，如果能建立相对通用的软硬件基础，然后在其 上开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。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，但是由于微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利的进行。 实际上，嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结合在一起的 具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，而且有时很难以给它下一个准 确的定义。简单地说，就是系统的应用软件与系统的硬件一体化。广义上可以认 为，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统【12 1 。现在人们讲 嵌入式系统时，某种程度上指近些年比较热的具有操作系统的嵌入式系统，本设 计在进行分析和展望时，也沿用这一观点。 一般而言，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( i o ) 和软件( 由于多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都是紧密结合的，在这 里我们对其不加区分，这也是嵌入式系统和w i n d o w s 系统的最大区别) 。 2 。3 嵌入式系统的特点 这些年来掀起了嵌入式系统应用热潮的原因主要有几个方面：一是芯片技术 的发展，使得单个芯片具有更强的处理能力，而且使集成多种接口已经成为可能， 众多芯片生产厂商已经将注意力集中在这方面。另一方面的原因就是应用的需要， 9 第2 章嵌入式系统概述 由于对产品可靠性、成本、更新换代要求的提高，使得嵌入式系统逐渐从纯硬件 实现和使用通用计算机实现的应用中脱颖而出，成为近年来令人关注的焦点。 从上面的定义，我们可以看出嵌入式系统的几个重要特征： ( 1 ) 系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相 对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如e n e a 公司的o s e 分布式系 统，内核只有5 k ，与w i n d o w s 的内核简直没有可比性。 ( 2 ) 专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常 紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也 需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要 对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的 “升级 是完全两个概念。 ( 3 ) 系统精简。系统的内核很小，具有可裁剪性，可扩充性和可移植性，可以 移植到各种处理器上【1 3 】。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分， 不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利 于实现系统安全。 ( 4 ) 高实时性的系统软件是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固态存储， 以提高速度；软件代码要求高质量和高可靠性。 ( 5 ) 嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式 系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任 务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配r t o s 开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软 件质量。 ( 6 ) 嵌入式系统开发需要开发工具和环境。由于其本身不具备自举开发能力， 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，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬 件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有宿主机和目标板 l o 基于a r m 9 的嵌入式汽车导航与防盗系统的设计 的概念，宿主机用于程序的开发，目标板作为最后的执行机，开发时需要交替结 合进行。 2 4 嵌入式系统的组成 一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，嵌入式计 算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件 层组成。执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命 令，执行所规定的操作或任务【1 4 1 。执行装置可以很简单，如手机上的一个微小型 的电机，当手机处于震动接收状态时打开；也可以很复杂，如s o n y 智能机器狗， 上面集成了多个微小型控制电机和多种传感器，从而可以执行各种复杂的动作和 感受各种状态信息。 2 4 1 嵌入式系统的硬件层 硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器、通用设备接口和i o 接口( a d 、d a 、 i o 等) 。在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构 成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在r o m 中。 ( 1 ) 嵌入式微处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。目前市场上种类较多，常用的有： 嵌入式微控制器、嵌入式d s p 处理器、嵌入式片上系统1 5 1 。嵌入式微处理器与通 用c p u 最大的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专用设计的系 统中，它将通用c p u 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 系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。 嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯诺依曼体系w o nn e u m a r m ) 或哈佛 ( h a r v a r d ) 体系结构；指令系统可以选用精简指令系统( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ，m s c ) 和复杂指令系统( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，c i s c ) 。c i s c 计算机在通道中只包含最有用的指令，确保数据通道快速执行每一条指令，从而 提高了执行效率并使c p u 硬件结构设计变得更为简单。 第2 章嵌入式系统概述 嵌入式微处理器有各种不同的体系，目前主流的嵌入式处理器体系中主要有： 8 0 5 1 体系结构、a r m 体系结构、m i p s 体系结构、p o w e r p c 、d s p 、i n t e l x 8 6 等1 6 1 。 即使在同一体系中也可能具有不同的时钟频率和数据总线宽度，或集成了不同的 外设和接口。据不完全统计，目前全世界嵌入式微处理器已经超过1 0 0 0 多种，体 系结构有3 0 多个系列，其中主流的体系有a r m 、m i p s 、p o w e r p c 、x 8 6 和s h 等。 但与全球p c 市场不同的是，没有一种嵌入式微处理器可以主导市场，仅以3 2 位 的产品而言，就有1 0 0 种以上的嵌入式微处理器。嵌入式微处理器的选择是根据 具体的应用而决定的。 ( 2 ) 存储器 嵌入式系统需要存储器来存放和执行代码。嵌入式系统的存储器包含c a c h e 、 主存和辅助存储器。 c a c h e c a c h e 即高速缓冲存储器，是位于c p u 与主存之间一种容量较小，但速度很 高的存储器【1 刀。存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。在 需要进行数据读取操作时，微处理器尽可能的从c a c h e 中读取数据，而不是从主 存中读取，这样就大大改善了系统的性能，提高了微处理器和主存之间的数据传 输速率。c a c h e 的主要目标就是：减小存储器( 如主存和辅助存储器) 给微处理器内 核造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快，实时性更强。 在嵌入式系统中c a c h e 全部集成在嵌入式微处理器内，可分为数据c a c h e 、指 令c a c h e 或混合c a c h e ，c a c h e 的大小依不同处理器而定。般中高档的嵌入式微 处理器才会把c a c h e 集成进去。 主存 主存是嵌入式微处理器能直接访问的寄存器，用来存放系统和用户的程序及 数据。它可以位于微处理器的内部或外部，其容量为2 5 6 k b 到1 g b ，根据具体的 应用而定，一般片内存储器容量小，速度快，片外存储器容量大。 常用作主存的存储器有： r o m 类n o rf l a s h 、e p r o m 和p r o m 等。 1 2 基于a r m 9 的嵌入式汽车导航与防盗系统的设计 r a m 类s r a m 、d r a m 和s d r a m 等。 其中n o rf l a s h 凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜 等优点，在嵌入式领域内得到了广泛应用。 辅助存储器 辅助存储器用来存放大数据量的程序代码或信息，它的容量大、但读取速度 与主存相比就慢的很多，用来长期保存用户的信息。 嵌入式系统中常用的外存有：硬盘、n a n df l a s h 、c f 卡、m m c 和s d 卡等。 ( 3 ) 通用设备接口和i 0 接口 嵌入式系统和外界交互需要一定形式的通用设备接口，如a d 、d a 、i o 等， 外设通过和片外其他设备的传感器连接来实现微处理器的输入输出功能。每个外 设通常都只有单一的功能，它可以在芯片外也可以内置芯片中。外设的种类很多， 可从一个简单的串行通信设备到非常复杂的8 0 2 1 1 无线设备。 目前嵌入式系统中常用的通用设备接口有a d 、d a ，i o 接口、r s 2 3 2 接口、 以太网接口( e t h e m e ti n t e r f a c e ) 、u s b 、音频接口、v g a 视频输出接口、1 2 c ( i n t e r - i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 总线、串行外设接i ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ，s p i ) 和红外 线接i ( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ，i r d a ) 等。 2 4 2 嵌入式系统的中间层 硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层( h a r d w a r ea b s t r a c tl a y e r ， h a l ) 或板级支持包( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ，b s p ) ，它将系统上层软件与底层硬件 分离开来，使系统的底层驱动程序与硬件无关，上层软件开发人员无需关心底层 硬件的具体情况，根据b s p 层提供的接口即可进行开发。该层一般包含相关底层 硬件的初始化、数据的输入输出操作和硬件设备的配置功能。b s p 具有以下两个 特点。 硬件相关性：因为嵌入式实时系统的硬件环境具有应用相关性，而作为上层 软件与硬件平台之间的接口，b s p 需要为操作系统提供操作和控制具体硬件的方 法。 第2 章嵌入式系统概述 操作系统相关性：不同的操作系统具有各自的软件层次结构，因此，不同的 操作系统具有特定的硬件接口形式。 实际上，b s p 是一个介于操作系统和底层硬件之间的软件层次，包括了系统 中大部分与硬件联系紧密的软件模块。设计一个完整的b s p 需要完成两部分工作： 嵌入式系统的硬件初始化以及b s p 功能，设计硬件相关的设备驱动。 ( 1 ) 嵌入式系统硬件初始化 系统初始化过程可以分为3 个主要环节，按照自底向上、从硬件到软件的次 序依次为：片级初始化、板级初始化和系统级初始化。 片级初始化。完成嵌入式微处理器的初始化，包括设置嵌入式微处理器的 核心寄存器和控制寄存器、嵌入式微处理器核心工作模式和嵌入式微处理器的局 部总线模式等。片级初始化把嵌入式微处理器从上电时的默认状态逐步设置成系 统所要求的工作状态。这是一个纯硬件的初始化过程。 板级初始化。完成嵌入式微处理器以外的其他硬件设备的初始化。另外， 还需设置某些软件的数据结构和参数，为随后的系统级初始化和应用程序的运行 建立硬件和软件环境。这是一个同时包含软硬件两部分在内的初始化过程。 系统初始化。该初始化过程以软件初始化为主，主要进行操作系统的初始 化。b s p 将对嵌入式微处理器的控制权转交给嵌入式操作系统，由操作系统完成 余下的初始化操作，包含加载和初始化与硬件无关的设备驱动程序，建立系统内 存区，加载并初始化其他系统软件模块，如网络系统、文件系统等。最后，操作 系统创建应用程序环境，并将控制权交给应用程序的入口。 ( 2 ) 硬件相关的设备驱动程序 b s p 的另一个主要功能是硬件相关的设备驱动。硬件相关的设备驱动程序的 初始化通常是一个从高到低的过程。尽管b s p 中包含硬件相关的设备驱动程序， 但是这些设备驱动程序通常不直接由b s p 使用，而是在系统初始化过程中由b s p 将他们与操作系统中通用的设备驱动程序关联起来，并在随后的应用中由通用的 设备驱动程序调用，实现对硬件设备的操作。与硬件相关的驱动程序是b s p 设计 与开发中另一个非常关键的环节。 1 4 基- pa r m 9 的嵌入式汽车导航与防盗系统的设计 2 4 3 嵌入式系统的软件层 系统软件层由实时多任务操作系统( r t o s ) 、文件系统、图形用户接口 ( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ，g u d 、网络系统及通用组件模块组成。r t o s 是嵌入式 应用软件的基础和开发平台。r t o s 实际上是一段嵌入式目标代码中的程序，系统 复位后首先执行，相当于用户的主程序，用户的其他应用程序都建立在r t o s 之 上。r t o s 是一个标准的内核，它将c p u 时钟、中断、i o 、定时器等资源都封装 起来，留给用户的是一个标准的a p i 函数接口。 大多数r t o s 都是针对不同微处理器优化设计的高效实时多任务内核，r t o s 可以在不同微处理器上运行而为用户提供相同的a p i 接口。因此基于r t o s 开发 的应用程序具有非常好的可移植性。 2 5 本章小结 本章主要介绍了嵌入式系统的发展历史，讲述了嵌入式系统的定义和特点， 从硬件层、中间层、系统软件层等方面简单介绍了嵌入式系统的组成，为后续章 节的设计工作奠定了理论基础。 1 5 第3 章系统总体设计与硬件平台搭建 第3 章系统总体设计与硬件平台搭建 3 1 系统总体设计方案 鉴于嵌入式技术、无线通信技术和g p s 技术的发展，本系统以a r m 9 处理器 为主控模块，并植入嵌入式l i n u x 操作系统，通过g p s 提供定位信息、通过g p r s 用户可在端到端分组交换模式下发送和接收数据、以及通过l c d 模块进行信息的 综合显示，利用以上器件开发了车载定位与报警系统，并选择了当今生活中不可 或缺的通信工具手机，作为防盗报警的接收器。车主驾车时可以方便地了解 自己所在的地理位置，而在车辆