（计算机应用技术专业论文）基于zigbee的列车检修系统手持机软件的研究与设计.pdf

摘要 为了提高列车故障检修效率，改变目前各铁路列检所落后的人工 作业方式，本文开发了一种基于z i g b e e 技术的列车检修系统，设计 了手持机的应用软件。列检系统由前端数据采集部分( 手持机) 和处 理传送部分( 路由器和通信基站) 以及末端的数据接收处理部分( p c 上位机和货车管理信息系统( h m i s ) ) 组成，核心处理器采用j n 5 1 2 1 模块，组网方式为m e s h 型通信网络结构。检车员可以在现场利用手 持机录入货车检修信息，再通过基站传送到上位机p c 端进行处理， 集中录入到h m i s 系统中。 本文采用规范与创新相结合的嵌入式系统开发流程，首先充分调 查研究了现场检车的业务流程，在此基础上分析了列车检修系统的功 能需求，确定了系统总体方案，然后在参考了常规的嵌入式软件系统 开发模式和设计方法的基础上，根据本系统的实现环境，采用事件驱 动模型设计了软件系统的总体构架，同时使用d a r t s 软件设计方法来 对系统中的任务进行了规划，并在此基础上应用有限状态机理论完成 了关键任务模块的设计与实现。最后本文还遵循相关软件测试原理和 方法对应用软件部分和数据通信部分进行了测试与分析，确保了系统 的可行性及可靠性。 目前，z i g b e e 技术主要应用于短距离无线传感器网络方面，传 送的都是少量的传感器节点自动采集到的数据。而本文中是在较小的 区域内、慢速移动的p d a 设备上使用z i g b e e 技术传输现场人工采集 和处理过的大量文字数据，因此，它是z i g b e e 技术的一种新应用， 对于各种需要工作人员现场采集数据的场合都具有一定的参考价值。 关键词z i g b e e ，列检，无线通信，数据采集 a bs t r a c t t oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h et r a i ne x a m i n e ，a n dc h a n g et h e c u r r e n tl a g g i n gw o r km e t h o di ne a c hs t a t i o n ，at r a i ne x a m i n es o f t w a r e s y s t e mb a s e do nz i g b e et e c h n o l o g yi sd e s i g n e di nt h i st h e s i s t h ew h o l e s y s t e mi sc o m p o s e do ft h ed a t ac o l l e c t i n gp a r ta n dt h ed a t ad e l i v e r i n gp a r t i nt h ef r o n ta n dt h ed a t aa c c e p t i n ga n dp r o c e s s i n gp a r ti nt h ee n d i t sc o r e p r o c e s s o ra d o p tj n 5 121m o l d ，a n di t sn e t w o r ks t r u c t u r ea d o p tm e s h t h ee x a m i n e rc a nm a k eu s eo ft h eh o l dm a c h i n eo nt h es p o tt or e c o r dt h e i n f o r m a t i o no ft h et r a i ne x a m i n a t i o n ，a n dd e l i v e rt h ei n f o r m a t i o nt h r o u g h t h et r a n s i ts t a t i o nt op cw h i c hp r o c e s si ta n dt h e nr e c o r di ti n t oh m i s f o l l o w e dw i t ht h en o r m a la n di n n o v a t i o n a le m b e d d e ds y s t e m d e v e l o p m e n tp r o c e s s ，t h i st h e s i sf i r s t l yi n v e s t i g a t e dt h ee x a m i n ep r o c e s s o nt h es p o t ，a f t e ra n a l y s i n gt h ef u n c t i o nr e q u e s to ft h et r a i ne x a m i n e s y s t e mi tm a d eo u t t h ee n t i r es y s t e ms c h e m e ，t h e ni nm a k i n gr e f e r e n c et o t h en o r m a ld e v e l o p m e n tm o d ea n dd e s i g nm e t h o do ft h ee m b e d d e d s o f t w a r es y s t e m ，w ea d o p t e de v e n t - d r i v e nm o d e lt od e s i g nt h et o t a l f r a m eo ft h es o f t w a r es y s t e ma c c o r d i n gt ot h ee n v i r o n m e n t i nt h e m e a n t i m ew em a d eu s eo ft h es o f t w a r ed e s i g nm e t h o do ft h ed a r t st o p a r t i t i o nt h et a s ki nt h es y s t e ma n dt h e nc o m p l e t e dt h ed e t a i l e dd e s i g n a n dr e a l i z a t i o no fp i v o t a lt a s km o l db a s e do nt h et h e o r yo ff i n i t es t a t e m a c h i n e f i n a l l yt h e t h e s i ss t i l la b i d e db yr e l a t e ds o f t w a r e t e s t i n g p r i n c i p l ea n dm e t h o dt ot e s ta n da n a l y z ea p p l y i n gs o f t w a r ep a r t sa n dd a t a c o m m u n i c a t i o np a r t sa n di n s u r e dt h ep o s s i b i l i t ya n dc r e d i b i l i t yo ft h e s y s t e m c u r r e n t l y ，t h ez i g b e et e c h n o l o g yi sm a i n l ya p p l i e di nw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r ka n dd e l i v e r e dl i t t l ed a t at h a ta u t o m a t i c a l l yc o l l e c t e db ys e n s o r n o d e b u tt h i st h e s i sa p p l yz i g b e et e c h n o l o g yi ns m a l ld i s t r i c ta n dw i t h s l o w l ym o v i n gp d ae q u i p m e n t st od e l i v e rl o t so f l i t e r a ld a t ac o l l e c t e do n t h es p o t t h e r e f o r e ，i ti san e wk i n do fa p p l i c a t i o no fz i g b e et e c h n o l o g y ， a n dh a v ec o n s i d e r a b l er e f e r e n c ev a l u et ot h ec i r c u m s t a n c e st h a td e m a n d s t a f fm e m b e rc o l l e c td a t ao nt h es c e n e k e yw o r d s z i g b e e ，t r a i ne x a m i n e ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ， d a t ac o l l e c t i o n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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，也不包含为获得中 南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志 对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：毒蝉 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，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 采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 作者签名：骅导 硕士学位论文第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 本课题来源于国家自然科学基金项目( n o 6 0 7 7 6 8 3 4 ) “基于车载无线传感器 网络列车运行安全信息科学监测关键技术研究。 近年来，无线网络成为工控领域中迅速发展的热点之一，也是工业自动化产 品未来的新增长点。对于嵌入式系统应用，往往需要相互间的通信，以交换测量 数据和控制指令。目前采用的方式多是有线连接，包括点对点或总线方式，如 r s 4 8 5 、c a n 、m o d b u s 等。随着无线网络通信技术的发展，在一些不便于或需要 消除有线连接的场合，无线通信技术便有了它的用武之地。显而易见，在配置、 安装、修改和扩展等方面，无线网络的成本都低于有线网络。特别是通过无线网 络可以很方便地接入移动设备，大大提高工作人员的工作效率和精确性。 目前，市场上已有多家公司推出应用于近距离通信的r f 芯片产品，如工作 在2 4 g h z 的n r f 2 4 e 1 ( n o r d i c ) 、c c l 0 2 0 2 5 0 0 ( c h i p c o n ) ，工作在3 0 0 4 5 0 m h z 的m a x 7 0 4 4 7 0 3 3 ( m a x i m ) 等。不少嵌入式应用也采用了这类技术，但它们大部 分只提供解决无线通信的射频通道，没有标准规范( 或采用自己的专用标准) 来 制定m a c 层、链路层和网络层的通信协议，不具备兼容性；对通信的控制软件完 全依赖目标系统设计，由用户自己完成，不仅额外增加了工作量，而且编制代码 的可靠性、效率都较低，对组网应用更可能存在问题；不同厂家的产品不具备互 操作能力，不具有通用性【i j 。 对于可用于现场设备层的无线短程网，现在采用的主流协议是才问世不久的 i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e t 2 1 ，它比同样属于无线短程网的i e e e8 0 2 1 5 1 蓝牙【3 】【4 】【5 】 更具广泛的应用前景。这主要是基于以下三个原因1 6 j ：( 1 ) z i g b e e 的应用开发门 槛远低于蓝牙，其最复杂的网络协调器节点的软件开发工作量仅为蓝牙节点开发 的1 0 ，其最简单的r f d 节点的软件开发工作量仅为蓝牙的2 ；( 2 ) z i g b e e 的功 耗远低于蓝牙，这是因为就发射的频宽比来讲，z i g b e e 为o 0 1 ，蓝牙为0 9 9 ， 即z i g b e e 的发射时间只占其周期的1 ，而蓝牙却占9 9 ；( 3 ) z i g b e e 的网络节 点容量远多于蓝牙。 目前，国内已有很多人开始关注z i g b e e 这门新技术，并开始涉足z i g b e e 技术的开发工作，有不少公司已经将这一技术应用在家庭自动化、家庭安全、工 业与环境控制及个人医疗照护等方面【7 】【引。在这里，我们希望可以在较小的区域 内、慢速移动的设备上使用z i g b e e 技术传输终端采集和处理过的数据。 基于这个设想，我们设计了这个列车检修系统。其意义如下： 硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 铁路货车是铁路运输的重要设备，货车运用维修工作是铁路运输的重 要组成部分。做好货车运用维修管理工作，是保证行车安全，加速车辆周转，完 成铁路运输的重要基础。列检所对车辆的检查和维修是货车检修的第一道关，利 用计算机网络、移动设备提高列检作业效率，将是加强信息化建设的的重要途径 之一。本系统采用移动p d a 设备采集检车信息，应用最新无线通信技术z i g b e e 组网并与h m i s ( 货车信息管理系统) 进行无缝接入，从而可以改变h m i s 信息集 中录入的方式，并能做到实时提交检修情况信息，同时逐步用电子存储方式取代 检车员的工作簿，实现更加现代化的管理方式。 ( 2 ) h m i s 运用子系统投入运用后的现场数据采集，目前主要还是由作业者 人工记在检车员工作手册上，部分记录则集中到几个录入点，由专人在计算机上 录入，实际上增加了人工，并且是重复劳动，信息传递速率也不高。有必要将录 入工作还原到工作现场上去。而且，工作人员的检车信息实时记录到数据库中， 可以方便的进行查询、统计，实时地指导现场工作。这是优化数据采集的需要。 ( 3 ) 信息采集后，必须得到回应。包括： 1 ) 作业进度的及时反馈，使值班员能够及时采取调控措施进行作业考核。 2 ) 作业层面对行政指令的反馈( 接收、执行确认) ，实现管理者与作业者 的远距离沟通。 这是完善信息交互的需要。 1 2zig b e e 技术 1 2 1z ig b e e 技术概述 z i g b e e 标准定义了一种网络协议，这种协议能够确保无线设备在低成本、 低功耗和低数据速率网络中的互操作性【9 l ，它的基础是i e e e8 0 2 1 5 4 。i e e e 8 0 2 1 5 4 是一个新兴的无线通讯协议，是i e e e 确定的低速个人区域网络 ( p e r s o n a la r e an e t w o r k ) 标准1 1 0 】l l l 】。这个标准定义了“物理层”( p h y s i c a ll a y e r p h y ) 和“介质访问层”( m e d i u ma c c e s sl a y e rm a c ) 。物理层规范确定无线网络 的工作频段以及该频段上传输数据的基准传输率，介质访问层规范定义了在同一 区域工作的多个8 0 2 1 5 4 无线信号如何共享空中频段【1 2 】【1 3 】。但是，仅仅定义物 理层和介质访问层并不能完全解决问题。因为没有统一的使用规范，不同厂家生 产出的设备存在兼容性问题。于是z i g b e e 联盟应运而生：众多设备生产厂家联合 在一起，推出一套标准化平台一z i g b e e 。z i g b e e 从i e e e8 0 2 1 5 4 标准开始 着手，定义了允许不同厂商制造的设备相互兼容的应用纲要【1 4 】【1 5 】。 目前，市场上近距离无线通信技术主要有无线局域网w i f i 、蓝牙和一些专 2 硕+ 学位论文第一章绪论 用标准( 如a d - h o c 网等) 的产品。一些大公司为开拓市场和应用领域，也在积 极研究和制定一些新的无线组网通信技术标准，如无线u s b 、超宽带通信i w b 和 w i m a x 等【1 6 】【1 7 1 。相对于其它无线通信技术而言z i g b e e 的特点突出，尤其在低功 耗、低成本上。主要有以下几个方面【1 8 】【1 9 】【2 0 j ： 低功耗。由于工作周期很短、收发信息功耗较低，并且采用了休眠模式， z i g b e e 技术可以确保2 节五号电池支持长达6 个月到2 年左右的使用时间，甚 至更长。这是z i g b e e 的突出优势。与其相比，蓝牙只能工作数周、w i f i 只能工 作数小时。 低成本。通过大幅简化协议( 不到蓝牙的i 1 0 ) ，降低了对通信控制器的 要求，模块价格低廉，而且z i g b e e 免协议专利费。 短时延。z i g b e e 针对时延敏感的应用作了优化，通信时延和从休眠状态 激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为3 0m s ，休眠激活时延典型值是 1 5 m s ，活动设备信道接入时延为1 5m s ，进一步节省了电能。与其相比，蓝牙需 要3 1 0 s ，w i f i 需要3 s 。 近距离。传输范围一般介于1 0 - 一1 0 0 m 之间，在增加r f 发射功率后，亦可 增加到1 - - 一3 k m 。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接 力，传输距离将可以更远。 高容量。z i g b e e 可采用星形、树形和网状网络结构，一个主节点最多可 管理2 5 4 个子节点，同时主节点还可由上一层网络节点管理，1 个区域内最多可 以同时存在1 0 0 个z i g b e e 网络。从理论上讲，其连接的节点可达6 5 0 0 0 多个。 安全。z i g b e e 提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清 单( a c l ) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准( a e s 一1 2 8 ) 的对称密码， 对于各个应用可以灵活确定其安全属性。 可靠。采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用 时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。m a c 层采用了完全确认的数据传输机制， 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。 z i g b e e 技术对传感器有着很好的支持，可以在单芯片内实现传感器数据的 采集、处理、传输。以往，即使是为了采集传输门窗关闭状态这样的简单信号， 最起码也需要一个8 位单片机外加无线传输模块来搭建一个最小系统。而在今 天，内藏c p u 的z i g b e e 芯片可以使这些东西都集中在单个芯片内。不仅如此， 像嵌入式操作系统、t c p i p 协议栈以及功能多样的应用程序，以及面向传感器 领域的多通道a d d a 转换器、多种外围接v 1 等等都可以集成在内1 2 1 1 。 基于以上优势，z i g b e e 不仅向终端消费者提供了价格低廉、操作简单的 z i g b e e 产品，同时也为产品开发商提供了低开发成本、高开发效率的一站式解 硕士学位论文 第一章绪论 决方案。因此，在面向价格及功耗敏感而速率要求不高的通信网络终端方面， z i g b e e 技术具有自己独到的优势。 1 2 2zig b e e 协议栈 z i g b e e 协议栈构建在i e e e8 0 2 1 5 4 标准基础之上，i e e e8 0 2 1 5 4 标准定义 了m a c 和p h y 层的协议标准。m a c 和p h y 层定义了射频以及相邻的网络设备之间的通 讯标准，而z i g b e e 协议栈则定义了网络层，应用层和安全服务层的标准【2 2 1 。图 卜1 表示了z i g b e e 协议的层次架构。越向下越贴近硬件越向上越贴近软件本身和 应用。 图i - iz i g b e e 协议栈架构图 每个z i g b e e 节点最多可提供2 4 0 个应用。a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i n t e r f a c e s ( a p i s ) 提供了有助于z i g b e e 网络节点应用开发的a p i ，包括 a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n ta p i 、a p p l i c a t i o nf r a m e w o r k ( a f ) a p i s 、z i g b e e d e v i c ep r o f i l e ( z d p ) a p i s 、b a s i co p e r a t i n gs y s t e m ( b o s ) a p i ，用于注 册用户任务、应用和b o s 之间控制事件消息、产生中断及内存管理。 对于z i g b e e 协议栈基本工作原理中的相关概念阐述如下f 2 3 】f 2 4 】【2 5 j ： ( 1 ) p r o f il e ：每一个z i g b e e 的网络设备都应该使用一个p r o f il e ，它定义 了设备的应用场景，比如是家庭自动化( h c ) 或者是无限传感器网络( w s n ) ，另外 定义了设备的类型还有设备之间的信息交换规范。p r o f i l e 分为两种，一种是公 共的p r o f i l e ，这种p r o f il e 通常由某个组织发布，用于实现不同厂商生产的 z i g b e e 设备之间可以互相的通讯使用。私有的p r o f i l e 通常只是在公司内部或者 项目的内部的一个默认的标准。 4 硕+ 学位论文第一章绪论 ( 2 ) a p po b j ：这个概念的全名口q a p p l i c a t i o no b j e c t s ，这个概念目前是 一个纯概念范畴的东西，在j e n n i c 的开发中并没有看到这个概念的具体表现，目 前可以理解为凡是和一个应用的相关的操作和数据都可以算属于这个应用的 a p p li c a t i o no b j e c t ( 3 ) e n dp o i n t ：每一个a p po b j 连接一个e n dp o i n t ，e n dp o i n t 类似于端 口号的概念，他是一个数据交换的接口，在j e n n i c 开发中它表现为一个整形的数 值，设备之间的通讯实际上表现为e n dp o i n t 和e n dp o i n t 之间的数据交换。数据 在通过协议栈请求发送的时候都需要指定发往哪个e n dp o i n t 这里需要说明的是两个特殊的e n d p o i n t 定义。e n d p o i n t0 用于配置和管理 整个z i g b e e 设备，通过这个e n d p o i n t ，应用可以和z i g b e e 协议栈的其他层进行通 讯，进行相关的初始化和配置工作。和这个e n d p o i n t 接口的是z i g b e ed e v i c e o b j e c t ( z d o ) 。另外一个特殊的e n d p o i n t 是2 5 5 ，这个e n d p o i n t 用来向所有的 e n d p o i n t 进行广播。2 4 1 - 2 5 4 是保留的e n d p o i n t ，用户在自己的应用中不能使用。 ( 4 ) c l u s t e r = 通常我们翻译成“簇 。它定义了e n d p o i n t 和e n d p o i n t 之间 的数据交换格式。c l u s t e r 包含一系列有着逻辑含义的属性。通常p r o f il e 都会定 义自己的一系列c l u s t e r 。每一个e n d p o i n t 上都会定义自己发送和接收的 c l u s t e r ( 5 ) a p p l i c a t i o ns u p p o r ts u b l a y e r ：它提供了数据安全和绑定的功能。 绑定( b i n d i n g ) 就是将不同的但是兼容的设备进行匹配的一种能力，比如开关和 灯。 ( 6 ) s a p ：且p s e r v i c ea c c e s sp o i n t ，如果要翻译成中文的话一般叫作服务 访问接口，也就是数据或者管理的接口。不同层之间通过这些接口进行数据的交 换和管理。这又是一个纯概念上的含义，没有具体的表现形式和固定的实现形式。 每两个层之间都有自己的s a p 的实现方法。 ( 7 ) n e t w o r kl a y e r ：网络层完成了大部分的网络功能，包括网络的建立， 拓扑，设备的初始化以及它们之间的通讯，数据的通讯和路由等等。我们的应用 程序就是构建在这个层次之上的。z i g b e e 协议栈的主要工作内容就是实现网络 层的各种功能，并保证其标准性和兼容性。 1 2 3zig b e e 节点类型 z i g b e e 标准规定可以在一个单的网络中容纳6 5 5 3 5 个节点，所有的z i g b e e 网络节点都属于以下三种类型中的一种：c o o r d i n a t o r 、r o u t e r 、e n dd e v i c e 。 实际上以上所说的三种节点类型都是网络层的概念，它们决定了网络的拓扑形 式。节点类型的定义和节点在应用中所起到的功能并不相关，比如说一个z i g b e e 硕士学位论文 第一章绪论 网络节点不论他是c o o r d i n a t o r 、r o u t e r 还是e n d d e v i c e 它都可以运行相应的 程序。下面对这些节点的类型进行粗略的解释【2 6 】【2 7 】： ( 1 ) c o - o r d i n a t o r 不论z i g b e e 网络采用何种拓扑方式，网络中都需要有一个并且只能有一个 c o o r d i n a t o r 节点。在网络层上，c o - o r d i n a t o r 通常只在系统初始化的时候起 到重要的作用。在一些应用中网络初始化完成后，即便是关闭了c o - o r d i n a t o r 节点，网络仍然可以正常的工作。但是如果c o o r d i n a t o r 还负责提供路由路径， 比如说在星形网络的拓扑结构中，c o - o r d i n a t o r 就不能被关闭，而必须持续的 处于工作状态。同样如果c o - o r d i a n t o r 在应用层提供一些服务，比如 c o o r d i n a t o rb i n d i n g ，c o o r d i n a t o r 也必须持续的处于工作状态。 c o o r d i n a t o r 在网络层的任务是： 1 ) 选择网络所使用的频率通道，通常应该是最安静的频率通道； 2 ) 创建网络； 3 ) 将其他节点加入网络； 4 ) c o o r d i n a t o r 通常还会提供信息路由，安全管理和其他的服务。 ( 2 ) r o u t e r r o u t e r 类型节点的主要功能是： 1 ) 在节点之间转发信息 2 ) 容许子节点通过他加入网络 需要注意的是通常r o u t e r 节点不能够休眠。 ( 3 ) e n dd e v i c e e n dd e v i c e 节点的主要任务就是发送和接收信息。通常一个e n dd e v i c e 节 点是电池供电的，并且当它不在数据收发状态的时候它通常都是处于休眠状态以 节省电能。e n dd e v i c e 节点不能够转发信息，也不能够让其他节点加入网络。 1 2 4z i g b e e 网络拓扑形式 z i g b e e 网络可以实现下面三种网络拓扑形式 2 8 】【2 9 j ： ( 1 ) 星形拓扑 这是最简单的一种拓扑形式，它包含一个c o - o r d i n a t o r 节点和一系列的e n d d e v i c e 节点。每一个e n dd e v i c e 节点只能和c o - o r d i n a t o r 节点进行通讯。如 果需要在两个e n dd e v i c e 节点之间进行通讯必须通过c o - o r d i n a t o r 节点进行信 息的转发。图卜2 表示了星形拓扑结构的示意图。 这种拓扑形式的缺点是节点之问的数据路由只有唯一的一个路径。 c o o r d i n a t o r 有可能成为整个网络的瓶颈。实现星形网络拓扑不需要使用 6 硕士学位论文 第一章绪论 z i g b e e 的网络层协议，因为本身i e e e8 0 2 1 5 4 的协议层就已经实现了星形拓 扑形式，但是这需要开发者在应用层作更多的工作，包括自己处理信息的转发。 e 图1 - 2 星形拓扑结构示意图 ( 2 ) 树形拓扑 树形拓扑包括一个c o - o r d i n a t o r 以及一系列的r o u t e r 和e n dd e v ic e 节点。 c o o r d i n a t o r 连接一系列的r o u t e r 和e n dd e v i c e ，他的子节点的r o u t e r 也可以连接一系列的r o u t e r 和e n dd e v i c e ，这样可以重复多个层级。树形拓扑 的结构如图卜3 所示。 e n d e 图i - 3 树形拓扑结构示意图 树形拓扑的特点如下： 1 ) c o - o r d i n a t o r 和r o u t e r 节点可以包含自己的子节点。 2 ) e n dd e v i c e 不能有自己的子节点。 3 ) 有同一个父节点的节点之间称为兄弟节点 4 ) 有同一个祖父节点的节点之间称为堂兄弟节点 树形拓扑中的通讯规则： 1 ) 每一个节点都只能和他的父节点和子节点之间通讯。 2 ) 如果需要从一个节点向另一个节点发送数据，那么信息将沿着树的路径 7 硕士学位论文 第一章绪论 向上传递到最近的祖先节点然后再向下传递到目标节点。 这种拓扑方式的缺点就是信息只有唯一的路由通道。另外信息的路由是由协 议栈层处理的，整个的路由过程对于应用层是完全透明的。 ( 3 ) m e s h 形拓扑( 网状拓扑) m e s h 形拓扑包含一个c o o r d i n a t o r 和一系列的r o u t e r 和e n dd e v i c e 。 网状网络拓扑具有更加灵活的信息路由规则，在可能的情况下，路由节点之 间可以直接的通讯。这种路由机制使得信息的通讯变得更有效率，而且意味这一 旦一个路由路径出现了问题，信息可以自动的沿着其他的路由路径进行传输。 网状拓扑的结构示意图见图卜4 。 图1 - 4 网状拓扑结构示意图 通常在支持网状网络的实现上，网络层会提供相应的路由探索功能，这一特 性使得网络层可以找到信息传输的最优化的路径。 需要指出的是，以上所提到的特性都是由网络层来实现，应用层不需要进行 任何的参与。 1 3 嵌入式系统的相关理论 1 3 1 嵌入式系统的特点 嵌入式系统【3 0 】【3 l 】【3 2 1 是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪， 功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。广而言之，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。嵌入式系统采 用“量体裁衣”的方式把所需的功能嵌入到各种应用系统中，它融合了计算机软 硬件技术、通信技术和半导体微电子技术，是信息技术i t ( i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ) 的最终产品。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操 作系统及用户应用程序等几部分组成。近几年来，随着计算机、通信、消费电子 硕士学位论文 第一章绪论 的一体化趋势日益明显，嵌入式技术已成为一个研究热点。它的定义可从以下几 个方面来理解【3 4 】【3 5 】： ( 1 ) 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用 相结合才会具有生命力，才更具有优势。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术以及各行 业的具体应用相结合的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、 高度分散、不断创新的知识集成系统。 ( 3 ) 嵌入式系统必须能够根据应用需求对软硬件进行裁减，满足应用系统 的功能、可靠性、成本、体积等要求。 嵌入式系统主要分为两个部分：嵌入式硬件部分和嵌入式软件部分。嵌入式 硬件部分主要由嵌入式处理器、嵌入式外围设备等构成；嵌入式软件部分主要由 嵌入式操作系统，嵌入式开发调试环境和嵌入式应用软件构成【3 3 1 。它具有以下 几个特征： ( 1 ) 微内核。由于嵌入式系统一般应用于小型电子装置、系统资源相对有 限，所以内核较之传统p c 机上的操作系统要小得多。比如美国高通公司开发的 嵌入式操作系统r e x ，内核不到5 k b ，而w i n d o w s 的内核则要大好几个数量级。 ( 2 ) 软件要求固化存储，以提高速度。 ( 3 ) 简单的嵌入式系统的应用程序可以在没有操作系统的支持下直接在芯 片上运行，但是功能复杂、实时性强、要求高可靠的嵌入式系统就要使用多任务 的操作系统，这样才能保证程序逻辑执行的实时性、可靠性，并减少开发时间， 保障软件质量。 ( 4 ) 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。 ( 5 ) 多样化，广泛化。嵌入式系统己广泛应用到社会的各个领域，如信息 家电、工业控制、通信和智能终端等。嵌入式应用的多样化主要体现在嵌入式设 备主控芯片和外围设备的多样化。目前嵌入式设备的主控芯片类型包括四类：微 控制器、嵌入式处理器、d s p 处理器和片上系统s o c 。就嵌入式处理器而言有很 多系列，如：3 8 6 e x 、p o w e r p c 、m p c 系列、m i p s 、a r m 等。嵌入式外围设备种 类繁多，而且不同的嵌入式应用有不同的外部设备，为了支持这些不同的外部设 备就必须有这些不同设备的b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ) 。 ( 6 ) 面向特定应用。嵌入式系统通常是面向特定应用的，嵌入式c p u 与通 用型的最大不同就是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中。它通 常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完 成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大 大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。 9 硕士学位论文第一章绪论 ( 7 ) 软件重用性。嵌入式系统应用最早是基于单片机的简单控制应用，因 为单片机上的资源有限性，因此在程序上采用的是前后台的控制设计。但这种程 序设计方式己经不能满足特定和复杂的嵌入式应用，现在很多嵌入式应用都引入 了嵌入式操作系统，利用嵌入式操作系统提供的特有的机制来满足嵌入式一些特 定的应用。如多任务运行、实时控制和可靠冗余处理。因此需要在嵌入式操作系 统之上提供一个抽象层以提供给应用软件一致的接口，保证应用软件的可移植 性。同时随着嵌入式硬件平台的多样化，也需要提供硬件抽象层以保证高层软件 组件的可重用性。 1 3 2 嵌入式系统的开发模式 整个嵌入式系统的开发涉及两方面【3 6 】【3 7 l ：硬件部分与软件部分。硬件部分 提供整个系统开发可见的或可触摸的“实体 ，而软件部分相当于这个“实体” 内部的功能逻辑。嵌入式系统的开发对硬件要求非常高，这与其他类型系统的开 发有所不同。许多嵌入式的开发都是针对具体的应用，针对项目中特定的硬件资 源，如：微处理器、f l a s h 、外围接口等。这样程序员就需要熟悉系统中的硬件 资源，比如涉及到一些底层编程，就需要知道系统处理器提供的指令集；要编写 外设驱动，就需了解外设的控制逻辑；要对f l a s h 编程，就需要知道f l a s h 编 程的指令系列和流程等。 嵌入式应用是完全面向功能的。在以往的应用中，往往注重硬件的开发和设 计，而在目前越来越复杂的应用面前，嵌入式操作系统就变得越来越重要了，成 为嵌入式开发的核心【3 引。在嵌入式系统开发过程中，一般采用并行的开发方法： 在完成对产品的需求分析和设计后，并行开发软件和硬件【3 9 1 。在软件开发方面， 可以采用软件仿真和交叉编译的方法，完成软件的开发工作；而硬件的开发可以 在特定的开发器上进行。在开发的中后期，一般先要在仿真系统上实现开发目标 的所有功能，并进行测试；然后在硬件开发团队开发的试验板上，加载相应的软 件来验证开发目标的功能并进行测试；在发现问题时，检查并确认是硬件部分还 是软件部分的问题；单方修改或双方修改后，再进行回归测试，直至软硬件之间 的配合效率和系统稳定性达到设计的目标。嵌入式应用开发体系如图1 - 5 所示。 l o 硕士学位论文第一章绪论 面向功能的硬件设计 硬件开发系统 特定的嵌入式芯片 嚣! j? ，一 ， 面向功能的软件设计 软件开发系统 。 特定的嵌入式o s 。， ，7* ： 图1 - 5 嵌入式应用开发体系示意图 嵌入式系统的软件开发不同于桌面应用程序的开发，嵌入式系统本身不具备 自主开发能力，一般都是通过交叉调试模式来开发，因此对于嵌入式开发工具也 有特殊的要求，特别对调试器部分。有很多硬件平台的目标处理器提供特殊的调 试模式，因此调试器必须提供对这些调试模式的支持。开发时往往有宿主机和目 标机的概念，宿主机用于程序逻辑的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需 要交替结合进行，来调试和下载代码。 嵌入式系统的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式处理器系统 软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同【删： ( 1 ) 软件要求固态化存储。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统 中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机内部，而不是存储于磁盘等载体中。 ( 2 ) 软件代码高质量、高可靠性。尽管半导体技术的发展使处理器速度不 断提高、片上存储器容量不断增加，但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的， 还存在实时性的要求。因此要求程序编码和编译工具的质量要高，以减少程序二 进制代码长度，提高执行速度。 ( 3 ) 系统软件( o s ) 的高实时性是基本要求。在多任务嵌入式系统中，对 重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关 键。单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效率的。这种任务调度只能由优 化编写的系统软件来完成，因此系统软件的高实时性是基本要求。 1 3 3 嵌入式系统软件的设计方法 嵌入式系统是以应用为中心的计算机系统，一般具有实时性、专用性( 很多硬 件设备根据应用定制) 和资源( c p u 、存储器等) 有限性等特点，反映到嵌入式软件 就是实时性、定制性、并行性和异步性，因而嵌入式软件的设计既具备一般计算 硕十学位论文 第一章绪论 机系统的软件设计共性，也具有其特殊性1 4 1 1 。因此嵌入式系统软件的设计方法需 要满足这些特性。 目前嵌入式系统软件的设计方法【4 2 】【4 3 1 包括结构化的软件设计方法、面向对 象的软件设计方法、和基于构件的软件设计方法，分别简述如下： ( 1 ) 结构化设计方法 结构化设计方法是目前嵌入式软件最成熟、使用最广泛的设计方法，它又分 成两类：单任务的结构化设计方法和多任务的结构化设计方法。 1 ) 单任务的结构化设计方法 嵌入式软件在逻辑上可以抽象成一个不断处理外部事件的过程，单任务的结 构化设计方法的主要思想就是按照结构化的设计原则分别设计好各个事件的处 理模块，然后在一个主循环中依次循环调用这些模块。这种设计方法具有软件结 构简单、运行效率高、占用资源少和可以不需要操作系统支持等优点。但是它也 有以下的缺点：事件处理之间无优先级并且不可抢占，一个紧急事件来临时，如 果处理该事件的模块刚被调用，则必须等到下一次循环才能被调用处理；事件处 理模块之间的互斥和同步原语操作需要用户自己来编程实现。单任务的结构化设 计方法比较适合于很简单的嵌入式系统，这些系统的硬件资源非常紧张，并且处 理的事件比较单一，如简单的单片机控制系统。 2 ) 多任务的结构化设计方法 多任务的结构化设计方法的基本思想仍然是先划分模块，然后进行模块综 合，与单任务的结构化设计方法不同之处在于这些并发模块并不是被集中在一个 主循环中，而是被分配到多个任务中，在实时操作系统的协调下执行。与单任务 的结构化设计方法相比，任务之间可以按优先级进行抢占，在设计时把紧急事件 的处理模块分配到高优先级的任务中，这样紧急事件就可以随时得到优先处理； 事件处理模块之间的通信、互斥和同步在实时操作系统提供的通信原语、同步互 斥原语基础上来完成，这样就减轻了应用程序开发人员的负担。然而，多任务的 结构化设计方法对系统硬件资源的要求比单任务的结构化设计方法高一些，并且 需要实时操作系统的支持。 ( 2 ) 面向对象设计方法 结构化的软件设计方法虽然获得了广泛的应用，但是设计出来的软件在扩展 性、维护性等方面仍存在着不足，主要原因在于结构化的设计方法将数据和在数 据上的操作分离开来，封装性和信息隐藏性不好。面向对象的设计方法将数据与 数据上的操作封装在对象这个实体中，对象外界不能直接对对象内部进行访问和 操作，只能通过消息的方式问接访问对象。面向对象方法符合人们的思考方式， 并使问题空间和解空间的结构更为接近，各个对象之间不需要了解对方内部细 1 2 硕士学位论文 第一章绪论 节，并且提供了继承、多态、重载等方式来提高软件的重用性；另外，在面向对 象设计方法中可以采用面向对象的应用程序框架的方式来捕捉大规模应用的设 计模式，提高了软件体系结构的重用性。 因此，面向对象设计方法能够使软件开发人员理解和管理更大更复杂的软 件，提高软件的扩展性、维护性和重用性。面向对象的嵌入式软件设计方法能够