（计算机科学与技术专业论文）基于pxa270的无线传感器网络汇聚节点设计与实现.pdf

西北工业大学硕士学位论文摘要 摘要 现代传感器技术、计算机技术和无线通信等技术的进步，推动了具有现代意 义的无线传感器网络的产生和发展。一个典型的无线传感器网络从硬件上通常包 括传感器节点、汇聚节点( 网关节点) 和管理节点。其中，汇聚节点用于将从各 个传感器节点得到的数据进行融合、以及负责与外界的通信，它是基于嵌入式系 统来实现的。 本文以建立一个实用的无线传感器网络汇聚节点为背景，结合国家自然科学 基金“感知任务适应性分配策略与实现机制研究”，深入研究了传感器网络的硬 件设计原则与节能机制，采用高速数字电路设计原理与嵌入式系统设计流程，设 计并实现了汇聚节点。论文主要分为三个部分： 1 系统的总体设计：在传感器网络的应用特点基础上，分析了汇聚节点的 功能需求与设计原则，讨论了嵌入式系统中软硬件协同设计的流程，从而确定了 实现一个功能完善的汇聚节点的概要设计。 2 系统的硬件实现：首先确定各个硬件模块的选型，并设计出电路原理图； 然后在分析高速数字电路设计中信号完整性和电磁兼容的基础上，设计出p c b 图；最后制作出样品并通过了硬件调试。 3 系统的软件实现：分析了一个通用嵌入式系统的软件系统构成，包括 b o o t l o a d e r 的完整实现、l i n u x 移植和驱动程序设计等，最后在汇聚节点的硬件 平台上进行了实现与测试。 关键词；无线传感器网络，汇聚节点，嵌入式系统，信号完整性，电磁兼容 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea d v a n c e so fm o d e ms e n s o rt e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n sp r o m o t et h em o d e r ns i g n i f i c a n c eo ft h eb i r t ha n dd e v e l o p m e n to f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s t y p i c a lw i r e l e s ss a l s o rn e t w o r kh a r d w a r eu s u a l l yi n c l u d e s s e n s o rn o d e s ，s i n kn o d e ( g a t e w a yn o d e ) a n dt a s km a n a g e rn o d e t h ef u n c t i o no fs i n k n o d ei si n t e g r a t i n gd a t af r o me a c hs e n s o rn o d ea n dc o m m u n i c a t i n gw i t ht h eo u t s i d e w o r l d i ti si m p l e m e n t e db a s e do nt h ee m b e d d e ds y s t e m b a s e do nh o wt oe s t a b l i s hap r a c t i c a lw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ks i n kn o d ea n dt h e n s f cp r o j e c to f r e s e a r c ho nt a s ka s s i g n m e n tp o l i c i e sa n di m p l e m e n t a t i o n m e c h a n i s m si nw i r e l e s s l - l s o rn e t w o r k ”，t h i st h e s i sf o c u s e so l lt h es e n s o rn e t w o r k h a r d w a r e d e s i g np r i n c i p l e sa n de n e r g y s a v i n gm e c h a n i s m , a n d d e s i g n sa n d i m p l e m e n t sas i n kn o d eu s i n gh i g h - s p e e dd i g i t a lc i r c u i td e s i g nt h e o r i e sa n de m b e d d e d s y s t e md e s i g np r o c e s s ，t h i st h e s i si sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ： 1 s y s t e mo u t l i n ed e s i g n ：t h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sa n dd e s i g np r i n c i p l e so f s i n kn o d ei sa n a l y z e d , w h i c hi sb a s e do nt h ea p p l i c a t i o no ft h es e n s o r n e t w o r ka n dd i s c u s st h ee m b e d d e ds y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o - d e s i g n p r o c e s s t h e n , a l lo u t l i n ed e s i g no f s i n kn o d e si sc r e a t e da c c o r d i n g l y 2 s y s t e mh a r d w a r e ：a l lt h eh a r d w a r em o d u l es e l e c t i o na n dd e s i g nc i r c u i t d i a g r a m 撒i d e n t i f i e df i r s t l y t h e nb a s e do ns i g n a li n t e g r i t ya n de m c i na h i g h - s p e e dd i g l t a lc i r c u i t , p c bi sd e s i g n e d f i n a l l ys a m p l e s 撇p r o d u c e d w h i c hc 锄g e tt h r o u g ht h eh a r d w a r ed e b u g g i n g 3 s y s t e ms o f t w a r e ：g e n e r a le m b e d d e ds y s t e ms o f l w a r ec o m p o n e n t s ，w h i c h i n c l u d et h ei m p l e m e n to fb o o tl o a d e ra n dl i n u xi r a u s p l a n t a f i o na n dd r i v e r d e s i g n , a r ca n a l y z e d t h e s ec o m p o n e n t sa r ei m p l e m e n t e da n dt e s t e do ns i n k n o d e k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) ，s i n kn o d e ，e m b e d d e ds y s t e m , s i g n a l i n t e g r i t y ( s i ) ，e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) - i i i 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，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西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：j 趋 如7 丰3 月哆日 指导教师签名 哆年岁月；日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名j 趋 乒刁年岁月哆日 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 1 1 1 无线传感器网络概念 第一章绪论 众多具有通信、计算能力的传感器通过无线连接的方式，相互协作，与外界 环境进行交互，共同完成某些特定的任务，称为无线传感器网络【i j ( w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k ) 。无线传感器网络综合了传感器技术、分布式处理技术、嵌入 式计算技术和无线通信技术，能够协作地进行实时监测、感知和采集各种环境或 监测对象的信息，并对其进行加工处理，然后传送给需要这些信息的用户。无线 传感器网络具有鲁棒性高、准确性高、灵活性高以及智能化强等优点一 与传统的传感器相比，无线传感器网络易于部署，传感器节点的位置不需要 事先确定或精心设计，可以随意放置，部署和维护成本低，且具有较高的灵活性； 无线传感器网络通常由大量廉价的节点组成，可放置在监测区域范围内，从而获 得较高的精度，具有较高的性价比；无线传感器网络具有大量的冗余节点，即使 有一部分节点失效，也不会影响整个系统的功能，因而具有较好的健壮性；无线 传感器网络的节点本身具有计算能力，可以相互合作，从而完成传统传感器网络 所不能完成的任务【z j 。 传感器、监测对象和用户是构成无线传感器网络的3 个基本要素；有线或无 线网络是传感器之间、传感器与用户之间的通信方式，它用于在传感器与用户之 间建立有效的通信；协作地感知、采集、处理和发布信息是无线传感器网络的基 本功能；一组功能有限的传感器通过协作方式来完成大规模的感知任务是传感器 网络的重要特点。无线传感器网络中的部分节点或全部节点可以移动，它的拓扑 结构也会随着节点的移动而动态地发生变化【3 j 。节点间以a dh o c 方式进行通信， 每个节点都能够充当路由器的角色，并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复 连接的能力。 1 1 2 无线传感器网络结构 典型的传感器网络结构如图卜1 所示，传感器网络系统通常包括传感器节点 ( s e n s o rn o d e ) 、汇聚节点( s i n kn o d e ) 和管理节点( m a n a g e rn o d e ) 。大量传感 器节点随机地部署在监测区域( s e n o rf i e l d ) 内部或附近，通过自组织方式构成 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 网络。传感器节点监测到的数据沿着其它传感器节点以逐跳方式地进行传输，在 传输过程中监测数据可能会被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后 通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对无线传感器网络进行配 置、管理、发布监测及控制任务以及收集监测数据 4 1 。无线传感器网络通常是一 个由传感器节点( s e n s o rn o d e ) 、汇聚节点( s i n kn o d e ) 和管理节点( m a n a g e rn o d e ) 构成的三级网络系统1 4 j 。 图卜1 传感器网络体系结构 传感器节点通常是一个微型的单片机系统，它的处理能力、存储能力和通信 能力相对较弱，采用能量有限的电池供电【”。从网络功能上看，每个传感器节点 具有传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了收集本地信息并对之进行数据 处理外，还要对来自其它节点的数据进行存储、管理和融合，同时通过与其它节 点协作完成一些特定任务。 汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力比较强，它连接在传感器网络与 互联网之间，实现两种协议栈之间的通信协议转换，发布管理节点的监测任务， 并把收集的数据转发到外部网络上。 管理节点用来对无线传感器网络进行配置与管理，发布监测任务以及收集监 测到的数据。 1 1 3 无线传感器网络硬件平台设计 无线传感器网络具有很强的应用相关性，在不同应用背景下需要采用不同的 网络模型、软件系统和硬件平台。可以说无线传感器网络是在具体的应用背景下， 以一定网络模型组织的一组传感器节点的集合。从无线传感器网络的体系结构图 可以看出，传感器节点和汇聚节点总是不可缺少的。由于无线传感器网络的应用 特点，决定了在硬件平台设计时需要注意以下几方面i l 5 “7 1 ： 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 微型化 节点体积上应该足够小，做到保证不会影响目标系统本身的特性，或者影响 可以忽略不计。软件方面，要求所有模块应该尽量简化，没有冗余，对不同的应 用系统有不同的软件代码。从操作系统到各种硬件设备的驱动模块，乃至应用程 序模块都需要经过仔细设计。 2 扩展性和灵活性 传感器节点和汇聚节点需要有统一完整的外部接口，在需要添加新的硬件部 件时可以在上面直接叠加，而不需要重新开发。同时，节点可以按照功能拆分为 多个组件，组件之间可以通过标准接口自由组合。在不同应用条件下，进行不同 的选择，这样就不必为每个应用单独开发全新的硬件系统。软件的扩展性体现在 软件不需要额外的设备就可以自动升级，最简单的方法是通过无线接口直接进行 软件下载和升级。软件模块同样要做到组件化和可配置。软件模块独立并且有标 准的模块接口，这样不同的应用系统可以根据自身需要，配置出满足要求的最小 系统。 3 稳定性和安全性 硬件的稳定性要求硬件的各个部件能够在一定的外部环境变化范围内正常 工作。在给定的温度、湿度、压力等外部条件下，处理器模块、无线通信模块、 电源模块要能保证正常工作。另外，硬件在恶劣环境下要能稳定工作，一方面系 统在恶劣条件下自身不会损坏，另一方面还要能获得准确真实的参数信息。稳定 性还需要在软件上得到保证。一方面软件模块要保证其逻辑上的完整性和正确 性，即本身不存在缺陷；另一方面软件在硬件出现问题时能及时感知并采取积极 应对措施，如重新启动。另外，对敏感数据需要以密文形式存储和传送，并要有 完整性保护，以防止外界因素影响数据。 4 低成本 低成本是硬件设计的基本要求。只有做到成本低廉，才能大规模布置在目标 区域，才能体现无线传感器网络的各种优点。低成本对硬件的各个部件都提出了 严格的要求，供电模块不能使用复杂昂贵的方案，各个器件也必须是低功耗的。 从技术角度看，无线传感器网络硬件随同下列技术进步而发展：采用功耗更 低、体积更小的处理器；更有效的通信技术；更高的集成度；更有效的传感器系 统。 1 2 本文的主要任务 本课题来源于国家自然科学基金项目6 0 5 7 3 1 6 1 ( 感知任务适应性分配策略 与实现机制研究) 目的是构建无线传感器网络试验与应用的软硬件平台。研究 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 的主要内容有：无线传感器网络硬件设计需求，嵌入式系统软、硬件设计与实现 和高速数字电路设计的相关理论。根据研究内容，本论文的结构安排如下： 第一章：绪论 第二章：汇聚节点总体设计 第三章：汇聚节点硬件的原理设计 第四章：汇聚节点的p c b 设计、实现与硬件调试 第五章：汇聚节点的系统软件实现 第六章：总结与展望 西北工业大学硕士学位论文第二章汇聚节点总体设计 第二章汇聚节点总体设计 2 1 嵌入式系统设计 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 应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统 网。从组成上看，嵌入式系统分为嵌入式硬件系统和嵌入式软件系统两部分。 嵌入式硬件系统主要由中央处理器及相关支撑硬件和外围电路组成。其中， 处理器是硬件系统的核心。嵌入式软件系统通常划分为嵌入式操作系统和应用软 件两部分。在一些复杂的系统中，为了简化应用程序的开发，还提供了中间层【9 l 。 操作系统处于上层软件与嵌入式硬件系统中间，在整个嵌入式系统中起着至 关重要的作用。它负责控制与管理嵌入式硬件系统，将硬件的复杂性隐藏起来， 为上层软件设计提供一个统一易用的应用程序编程接口，以降低应用软件开发的 复杂性。同时，作为嵌入式系统软硬件资源的管理者，它负责软硬件资源的调度 与分配，保证系统资源能得到有效合理的利用1 9 】。 一个复杂的嵌入式系统开发不仅包括嵌入式硬件系统的开发，也包括应用软 件的开发，以及嵌入式操作系统的移植。嵌入式系统设计过程与一般的工程设计 方法基本相同，都有需求分析、系统设计、系统实现以及测试等流程。为了加快 嵌入式系统的开发，通常会采用软硬件并行设计的方法i i 哪如图2 - - i ： 图2 - - l 嵌入式系统开发流程 嵌入式系统项目的需求分析主要就是根据应用需求，确定需要解决的问题及 西北工业大学硕士学位论文 第二章”汇聚节点总体设计 需要达到的目标，并将这些应用需求转变为嵌入式的系统需求，确定该嵌入式系 统在性能、存储容量和所需外设等方面的限制条件。 确定需求分析后，接下来的工作就是根据需求分析得出的设计限制条件选择 系统的软硬件平台，确定整个系统的方案。实际上，软件平台与硬件平台联系十 分紧密，它们的选择相互影响，相互制约，所以，在软硬件平台的选择过程中应 综合考虑这两方面的因素。在硬件平台选择中，处理器的选取是最重要的，它是 嵌入式系统的核心部件。选择一款合适的处理器对实现用户需求，提高系统性能， 降低系统成本和缩短开发周期都是十分重要的。通常在选择处理器时需要综合考 虑所选的处理器性能、是否集成了合适的外围设备、处理器的功耗、封装等技术 指标以及是否有良好的软件支持等。在软件平台的选择中，主要是选择一个合适 的嵌入式操作系统，这就需要根据应用需求综合考虑硬件条件、开发人员的技能、 可用的开发工具等各方面因素进行选择【l l 】。 在选定嵌入式软硬件平台并确定系统的总体方案后，接下来的工作就是系统 的开发设计阶段。对于小规模的系统，设计工作常采用串行的设计方法，即先完 成硬件的开发，再完成软件的开发。但在规模稍大的嵌入式系统设计中，为了加 快项目的开发速度，通常将系统的各个组成部分( 如硬件平台、嵌入式操作系统 和应用软件) 细分为多个模块，采用模块化的并行设计流程完成软硬件系统的设 计开发工作【1 0 1 。 2 2 ；e 聚节点功能的需求分析 从无线传感器网络体系结构图1 1 中可以看出，汇聚节点的功能就是负责 对其临近节点采集的数据进行分析、汇总和预处理。通过汇聚节点的预处理，可 以将网络中多个传感器节点采集的数据压缩为一个数据包，然后传送给基站，从 而有效减少信息的传输次数，节省网络的带刘n 。用户通过它实现对无线传感器 网络的管理，而无线传感器网络也才能把数据远程传送到用户手中。因此，汇聚 节点具有和簇内及簇外通信的功能，是一个功能强大的嵌入式系统，有足够的能 量供给、大容量的内存与较强的计算能力。汇聚节点的硬件部分主要由中央处理 器、存储模块、簇内连接( 射频收发) 模块、簇外连接( 通信) 模块和电源模块 五部分组成。其结构框图如下： 西北工业大学硕士学位论文 第二章汇聚节点总体设计 图2 - 2 汇聚节点结构框图 中央处理单元是系统的核心，主要用来处理从传感器节点采集到的数据以及 完成一些控制功能，在无线传感器网络中，数据收发要比数据处理消耗大得多的 能量，一般先将数据进行处理后，再进行传送，因此对处理器计算能力要求很高。 汇聚节点还需要配备大容量的f l a s h 存储器来安装应用程序和保存数据，以及 s d r a m 存储器来运行程序。为了将采集到的数据传输到互连网或霄肼上，汇聚节 点还配备有g p r s 通信单元和无线网卡，用户可以通过普通p c 或g p r s 手机终端 来观测传感器收集到的数据，即图中的簇外连接部分。汇聚节点同时可以叠加与 传感器节点相同的射频收发模块，用于接收传感器节点发送的数据和向传感器节 点发送数据，这个叠加是通过一个d b 5 1 接口来实现的，即图中的簇内连接部分 汇聚节点对电源要求很高，除了c p u 需要的不同电压外，还要单独提供c f 卡的 电源，特别是g p r s 模块启动时需要大的瞬时电流，所以应从硬件和软件上同时 来实现和控制各路电源的供应，以达到有效的节能。 从以上分析可以看出，汇聚节点从功能上应满足如下要求【“4 l ： 1 处理器的性能需求：汇聚节点需要对大量传感器节点收集的数据进行分 析汇总( 数据融合) ，并进行加工处理，还要处理管理节点传送过来的数 据，这就要求处理器有较高的处理速度，来满足无线传感器网络的实时 性要求。 2 通信方式需求：汇聚节点既要和传感器节点通信，又要与外部网络通信， 它应该有簇内通信和簇外通信双重功能。和簇内通信采用与节点相同的 通信的方式，而与簇外通信可以选择有线网络、无线网络和g p r s 方式。 要使通信做到有效、可靠，应保证汇聚节点的通信方式是多样化，并且 是稳定的，不受环境影响或影响很小。 3 功耗需求：汇聚节点能量的消耗主要集中在对数据进行处理和传送数据。 在其他情况下，应该尽量使汇聚节点处于睡眠或空闲状态，以节约能量， 西北工业大学硕士学位论文第二章汇聚节点总体设计 同时汇聚节点布置好后是相对固定的，且工作时间较长，这要求它本身 能长时间工作而不需要外续能量。 此外，汇聚节点还应有很好的扩展性和很强的抗干扰性，从而满足不同应用 系统的需求和环境的影响。 2 3 汇聚节点的概要设计 2 3 1 处理器的选型 处理器是节点的计算核心，所有的设备控制、任务调度、能量计算和功能协 调、通信协议转换、数据整合和数据转储都需要在这个模块的支持下完成，所以 处理器的选择在设计中是至关重要的。嵌入式处理器具有体积小、重量轻、成本 低及可靠性高等特点，常用处理器有p o w e r p c ，m i p s 和a r m 等。作为一种r i s c 结构的处理器，a r m 占据了约7 0 的市场。我们从a r m 系列中选择一款合适的来 作为汇聚节点的中央处理器。a r m 处理器选择主要从以下几方面来考虑【9 1 2 1 3 】： ( 1 ) a 蹦微处理器内核的结构 a r m 微处理器包含一系列的内核结构，以适应不同的应用领域，用户如果希 望使用w i n c e 或标准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 跚7 2 0 t 以上带有姗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 蹦7 2 0 t 、 a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 、a r m 9 4 6 t 、s t r o n g - a 蹦都带有眦u 功能。而a r m 7 t d m i 则没 有舢，不支持w i n d o w sc e 和标准l i n u x ，但目前有u c l i n u x 等不需要舢支 持的操作系统可运行于a r m 7 t d m i 硬件平台之上。 ( 2 ) 系统的工作频率 系统的工作频率在很大程度上决定了a r m 微处理器的处理能力。a r m 7 系列 微处理器的典型处理速度为0 9 m i p s 删z ，常见的a r m 7 芯片系统主时钟为 2 0 m h z - 1 3 3 姗z ，a r m 9 系列微处理器的典型处理速度为i i m i p s 删z ，常见的a r m 9 的系统主时钟频率为i o o m h z 一2 3 3 旧z ，a r m l 0 最高可以达到7 0 0 删z 。不同芯片 对时钟的处理不同，有的芯片只需要一个主时钟频率，有的芯片内部时钟控制器 可以分别为a 蹦核和u s b 、u a r t 、d s p 、音频等功能部件提供不同频率的时钟。 ( 3 ) 芯片内存储器的容量 大多数的a r m 微处理器片内存储器的容量都不太大，需要用户在设计系统时 外扩存储器，但有些芯片具有相对较大的片内存储空间，如i n t e l 的 p x a 2 7 l p ) ( a 2 7 2 就具有高达3 2 6 4 m b 的片内程序存储空间用户在设计时可选用 这种类型c p u ，以简化系统的设计。 西北工业大学硕士学位论文 第二章汇聚节点总体设计 ( 4 ) 片内的外围电路 除a 跚微处理器核以外，几乎所有的a r m 芯片均根据各自不同的应用领域， 扩展了相关功能模块，并集成在芯片之中，我们称之为片内外围电路，如u s b 接口、i i s 接口、l c d 控制器、r t c 、a d c 和d a c 、d s p 协处理器等，设计者应根 据系统的需求，尽可能采用片内外围电路完成所需的功能，这样既可简化系统的 设计，同时又提高了系统的可靠性。 从对汇聚节点功能分析结果考虑，处理器应该具有较高的工作频率及大容量 的片内存储器以满足快速处理功能；要具有大量的i 0 接口，满足扩展性要求； 片内集成众多外设控制器，实现外设连接而不增加其他外部控制器；要具有很好 的电源管理功能，达到最小的功耗控制【1 4 1 。综合以上几点，我们选择了i n t e l 公司的x s c a l e 架构的p x a 2 7 0 作为中央处理器。 2 3 2 操作系统的选择 作为嵌入式系统重要组成部分的嵌入式操作系统，包括与硬件相关的设备驱 动程序，系统内核，应用软件等。嵌入式操作系统除了具有通用操作系统的基本 特点，如能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、相关工 具集以及应用程序，方便用户的使用与应用程序的开发外，还应在实时性，硬件 相关性，软件固态化以及应用的专用性等方面有较为突出的特点嘲。随着嵌入式 系统功能和结构的多样化和复杂化，传统的前后台控制程序已经不能很好地满足 系统的需要，需要引入嵌入式操作系统( e o s ) 对系统软、硬件资源进行合理、 高效的分配和管理。 目前世界上约有2 0 0 余种嵌入式操作系统可以选择，常见的有v x w o r k s 、 p s o s 、q n x 、w i n d o w s c e 和嵌入式l i n u x 等。下面是几种具有代表性的嵌入式操 作系统的比较： ( 1 ) v x w o r k s 1 习 v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种嵌入式 实时操作系统( i 玎o s ) ，是t o r n a d o 嵌入式开发环境的关键组成部分。良好的持 续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，使v x w o r k s 在嵌人式实时 操作系统领域占据了一席之地。 v x w o r k s 具有可裁剪微内核结构、高效的任务管理、灵活的任务通讯、微秒 级的中断处理、支持p o s i x1 0 0 3 i b 实时扩展标准、支持多种物理介质及标准完 整的t c p i p 网络协议等。 由于操作系统本身以及开发环境都是专有的，价格一般都比较高，而且不提 西北工业大学硕士学位论文 第= 章汇聚节点总体设计 供源代码，只提供二进制代码。由于它们都是专用操作系统，需要专门的技术人 员掌握开发技术和维护，所以软件的开发和维护成本都非常高。支持的硬件数量 有限。 ( 2 ) w i n d o w sc e i l 6 w i n d o w sc e 是微软开发的一个开放的、可升级的3 2 位嵌入式操作系统，为 建立针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作 系统平台，它能在多种处理器体系结构上运行，并且通常适用于那些对内存占用 空间具有一定限制的设备。它是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整 优先权、多任务的操作系统。它的模块化设计允许它对从掌上电脑到专用的工业 控制器的用户电子设备进行定制，w i n d o w sc e 的基本内核需要至少2 0 0 k 8 的r 伽。 由于嵌入式产品对体积、成本等方面有较严格的要求，所以处理器部分占用空间 应尽可能的小，系统的可用内存和外存数量也要受限制，而嵌入式操作系统就运 行在有限的内存( 一般在r o m 或快闪存储器) 中，因此就对操作系统的规模、效 率等提出了较高的要求。 从技术角度上讲，w i n d o w sc e 作为嵌入式操作系统有很多的缺陷：没有开 放源代码，使应用开发人员很难实现产品的定制；在效率、功耗方面的表现并不 出色，而且和w i n d o w s 一样占用过多的系统内存，应用程序庞大，版权许可费也 是厂商不得不考虑的因素。 ( 3 ) 嵌入式l i n u x l i n u x 是嵌入式操作系统的一个新成员，其最大的特点是源代码公开并且遵 循g p l 协议，在各种嵌入式l i n u x 迅速发展的状况下，l i n u x 逐渐形成了可与 w i n d o w sc e 等e o s 进行抗衡的局面。目前正在开发的嵌入式系统中，4 9 9 6 的项目 选择l i n u x 作为嵌入式操作系统。l i n u x 现已成为嵌入式操作的理想选择。 由于其源代码公开，人们可以任意修改，以满足自己的应用，并且查错也很 容易。遵从g p l ，无须为每例应用交纳许可证费，有大量的应用软件可用，可以 稍加修改后应用于用户自己的系统。有大量免费的优秀的开发工具，有庞大的开 发人员群体，无需专门的人才，只要懂u n i x l i n u x 和c 语言即可。随着l i n u x 在中国的普及，这类人才越来越多，所以软件的开发和维护成本很低。l i n u x 具 有优秀的网络功能，这在i n t e r n e t 时代尤其重要，它的内核精悍，运行所需资 源少，十分适合嵌入式应用。 l i n u x 支持的硬件数量庞大。嵌入式l i n u x 和普通l i n u x 并无本质区别，p c 上用到的硬件，嵌入式l i n u x 几乎都支持。而且各种硬件的驱动程序源代码都可 以得到，为用户专有硬件的驱动程序开发带来了很大方便。 ( 4 ) i i c o s i i ( 1 7 l 西北工业大学硕士学位论文 第二章汇聚节点总体设计 i ic 0 s 一是著名的源代码公开的实时内核，是专为嵌入式应用设计的， 可用于8 位，1 6 位和3 2 位单片机或数字信号处理器( d s p ) 。它在原版本l lc 0 s 的基础上做了重大改进与升级，并有了近十年的使用实践，有许多成功应用该实 时内核的实例它的主要特点如下： 公开源代码，很容易就能把操作系统移植到各个不同的硬件平台上； 可移植性强，绝大部分源代码是用c 语言写的，便于移植到其他微处理器上； 可裁剪性好，有选择的使用需要的系统服务，以减少存储空间； 完全是抢先式的实时内核，总是运行就绪条件下优先级最高的任务； 多任务，可管理6 4 个任务，任务的优先级必须是不同的，不支持时间片轮 转调度法； 由于i jc o s 一仅是一个实时内核，这就意味着它不像其他实时系统那样 提供给用户一些a p i 函数接口，还有很多工作需要用户自己去完成。 嵌入式操作系统对硬件的支持程度、可裁剪性、可移植性、以及可靠性和稳 定性成为评价它性能的标准。怎样选择一个合适的嵌入式操作系统，可以从以下 几点进行考虑嗍： 操作系统提供的开发工具。 操作系统向硬件接口移植的难度。操作系统移植是一个重要的问题，是 关系到整个系统能否按期完工的一个关键因素。因此，要选择那些可移植性好的 操作系统，避免因操作系统难以移植而带来种种困难，从而加速系统的开发进度。 操作系统的内存要求。 开发人员是否熟悉此操作系统及其提供的a p i ，是否提供硬件的驱动程 序。 在这些方面，l i n u x 具有得天独厚的优势： 1 它是一种源码开放的操作系统； 2 它的内核小、功能强大、运行稳定、系统健壮、效率高； 3 它不仅支持x 8 6 系列的c p u ，还支持其他数十种c p u 芯片； 4 有大量的开发工具可供选择； 5 在网络方面具有完整的实现： 6 在实时方面，l i n u x 2 6 内核对进程调度做了较大改进，采用一种新的0 ( 1 ) 调度算法，解决了先前版本调度程序的不足，还引入了内核抢占技术， 只要重新调度是安全的，内核就可以在任何时候抢占正在执行的任务 s l 。 由于l i n u x 这些优秀的表现，一般在选择嵌入式操作系统时，都会把它作为 首选加以考虑。汇聚节点的操作系统是通过对l i n u x 2 6 1 0 加以移植来实现的。 西北工业大学硕士学位论文 第二章汇聚节点总体设计 2 3 3 汇聚节点的设计方案 根据嵌入式系统的设计流程，和前面对汇聚节点功能的需求分析，在选择了 合适的中央处理器、嵌入式操作系统后，可以得出汇聚节点的具体设计方案，下 图是详细的软、硬件框图。后面几章将按照此框图来具体设计和实现。 2 4 本章小结 图2 3 汇聚节点的详细设计框图 本章在分析嵌入式系统开发流程的基础上，结合汇聚节点的功能需求，按照 对处理器的需求确定以p x a 2 7 0 作为汇聚节点的处理器，在比较几种常用的嵌入 式操作系统后，选择l i n u x 作为汇聚节点的操作系统，最后确定出一个完整的设 计框图。 西北工业大学硕士学位论文 第三章汇聚节点硬件的原理设计 第三章汇聚节点硬件的原理设计 3 1p x a 2 7 0 处理器概述 i n t e l 的x s c a l e 核采用a i o , t v 5 t e 架构的处理器核，它是i n t e l 公司继 s t r o n g r r m 之后推出的新一代处理器核。x s c a l e 核可以组合众多的外设来提供 a s s p ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i cs t a n d a r dp r o d u c t s ) 的产品应用。p x a 2 7 0 处理器 在x s c a l e 微架构基础上，提高了处理媒体的效率，优化了处理器的功耗，同时 添加了众多针对移动终端设备设计的新功能。其结构框图如图3 - - 1 所示1 1 3 嘲。 l c o 图3 1p x a 2 7 0 结构框图 它的主要特性有： 主频最高可以达到6 2 4 m h z 。 o i n t e lw i r e l e s s 删x 指令集和扩展单指令多数据流指令s s e 可以提供高 西北工业大学硕士学位论文 第三章汇聚节点硬件的原理设计 性能，低功耗的多媒体、3 d 游戏和视频等应用加速。 电源管理。支持多种运行模式复位模式、空闲模式、深度空闲模式、 运行模式、等待模式、睡眠模式和深度睡眠模式。 无线s p e e d s t e p 电源管理技术可以根据c p u 的性能要求动态调节功耗，可 以动态调节c p u 的电压和频率来节省电源。 2 5 6 k b 的片内r a m 。 内置l c d 控制器。支持2 4 色双屏显示，支持两个o v e r l a y s 窗口和一个硬 件光标，内部集成7 通道d m a 。 内部集成众多外设，如u s bh o s t 控制器、p c m c i a s d m m c 卡控制器、1 2 c 接口、串口、a c 9 7 控制器、实时时钟、p w m 控制器、s s p 串行接口等。 i n t e lo u i c kc a p t u r e 技术可以支持高达4 0 0 万象素的摄像头支持快速 预览模式、高质量图片捕捉模式和快速动画捕捉模式。 3 2 系统基本外围扩展 3 2 1 电源电路 ( 1 ) 汇聚节点的系统供电： 外部供电采用通过2 2 0 v a c ，5 0 h z 到+ 5 v d c 的适配器来供电。外部电源的连 接通过l e d 来显示。汇聚节点内部的电源设计主要包括以下部分；p x a 2 7 0 及其 相关外围供电设计、g p r s 模块供电部分、c f 卡供电部分等其它供电部分。在电 路设计过程中，过多的电压等级会给p c b 设计带来麻烦，对汇聚节点的电源进行 简化后，还需要五种电源，它们分别是： v c c - b a t t ：提供3 3 v ( 1 0 ) 电压。v c c _ b a t t 是由系统的3 3 v 主电源直接 提供的。3 3 v 电源除向存储器总线外的所有c m o si o 供电外；同时也向其它外 围器件供电。外围供电设计必须包含在3 3 v 电源设计范围内。在睡眠模式时， 3 3 v 仍然工作，只不过提供的功率很小。 m a i n _ p o w e r 提供3 3 v ( 1 0 ) 电压，c p u 需要的v c ci o 、v c cm e m 、 v c c _ u s i m 、v c c l c d 、v c c - b b 、v c c _ u s b 六路电源统一接m a i n p o w e r ( 3 3 v ) ， 由s y s e n 信号使能后送来，在睡眠模式时，m a i n p o w e r 仍然工作，只不过提 供的功率很小。 v c c _ c o r e ：提供1 3 v ( 1 0 ) 电压，v c c _ c o r e ，v c c _ r a m 接v c c _ c o r e 上， 由p w r _ e n 使能后送来。在睡眠模式时，v c c _ c o r e 停止工作，并接地。 v c c _ p l l ：提供i i v ( 1 0 ) 电压。向处理器内部的锁相环供电，为功能 西北工业大学硕士学位论文第三章汇聚节点硬件的原理设计 单元提供时钟。在睡眠模式时停止工作，且必须接地。 g s m 4 p 2 v ；提供4 2 v 电压，为g p r s 模块提供电源。 其中与c p u 相关的四种电源的比较如下表。 表3 一lc p u 相关的四种电源比较1 9 l ： 系统实际电源系统电源需求使能信号使用单元电压 v c cb a l 广rv c cb a l t无系统主电源 3 3 v m a i np w rb c ci os y s 硎 外部i o 3 3 v v c cl c ds y se nl c di o3 3 v v c cu s bs y se nu s bi 03 3 v v c c 删s y se n 存储器控制接口 3 3 v v c cb bs y se n 基带接口 3 3 v v c cu s i ms y se n u s i m 接口 3 3 v v c cc o r ev c cs r mp w re n内部s r a w 单元1 3 v v c cc o r ep w re n 其他内部单元 1 3 v v c cp l lv c c p l lp w re n锁相环1 1 v c p u 供电部分的具体实现是：通过m a x 8 8 6 9 来完成向c p u 核的供电及控制， 通过两片w a x 8 8 6 9 e u e - 3 3 完成向c p u 的i o 及存储器的供电及控$ 1 j e 2 0 l 。下面是 其中的m a i n _ p w r 供电原理图，其中m a x 8 8 6 9 的i 而i 接c p u 的s y s _ e n ； 图3 2m a i n - p o w e r 电路原理图 汇聚节点中c p u 电源部分主要输出控制信号说明见下表： 叠，|，霉 亩j e 工业大学碛士学位论文 第三章汇聚节点硬件的原理设计 表3 2c p u 主要电源输出信号【2 1 】： 输出信号说明 n v d d _ f a u l tn v d d _ f a u l t 用来告知处理器一个或者多个电压失调。处理器收到这个 信号后立即进入紧急睡眠模式，并把外部存储器设置为自动刷新模 式。至少应在l o o u s 之后，确保处理器s h u t d o w n 之后，才能再次进 入运行模式。n v d d _ f a u l t 低电平有效。 n r e s e ti n 处理器从电源控制器收到n r e s e t 指令后进行硬起动，执行时当前的 状态和数据将丢失当冷启动或者用户按下r e s t 按钮时将执行该指 令。n r e s e ti n 低电平有效。 s y se n 系统使能信号( 输出) ，连接到u 3 6 ( 舭x 8 8 6 9 第7 脚s h d n ) ，低电平有 效。 p i r re n 电源使能信号，连接到4 片f l a s h 的1 6 脚i l p ，以及v c c _ c o l l e 、 v c c _ s r a g 、v c c - p l l 的供电使能。 ( 2 ) 功耗考虑 集成器件的功耗主要决定于工作电压，外围开关状态及外围的负载情况。由 于该c p u 的功耗进行过优化，功耗主要决定于正在进行的操作及数据和频率对模 块的要求。设计时考虑的最大功耗就是所有单元都工作在最大功耗时的总功耗， 即：处理速度最大，电压最高，外围负载最大。因此，处理器的最大功耗应在以 下条件下计算【2 1 j ： 所有外围单元工作在最大频率和最大配置状态： 所有