（通信与信息系统专业论文）基于以太网的嵌入式闸机监控系统的研究与实现.pdf

摘要 本课题受江苏省高新技术企业常州科晶电子有限公司委托进行研究。 随着计算机网络应用的日益普遍，许多场合( 如图书馆等) 对信息化管理要求的 不断提高，如何设计一种支持多种身份识别方式、运行稳定的网络化闸机监控系统将 很有意义。本课题在综合利用了计算机技术、网络通信技术和嵌入式系统技术的基础 上，对基于以太网的嵌入式闸机监控系统进行了深入研究。 论文研究了闸机监控系统的相关内容，分析了闸机监控系统的用户需求，提出了 一种基于以太网的嵌入式闸机监控系统的设计方案，设计了嵌入式闸机控制器硬件平 台、嵌入式闸机控制器软件系统和闸机监控系统服务器软件，并对系统的功能和性能 进行了测试。嵌入式闸机控制器的硬件设计了以a r m 7 微处理器为核心且具备以太网 通信能力和支持多种读卡设备功能的处理电路，其软件系统在移植了u c l i n u x 操作系 统基础上实现了j f f s 2 文件系统、s q l i t e 嵌入式数据库系统以及相关的设备驱动程序 和控制程序。闸机监控系统服务器软件的设计以网络通信和数据库编程技术为基础， 实现了闸机监控、设备管理等重要功能。该系统以c s 结构为模型，构成了一个运行 稳定、可扩展性强的分布式控制系统。经测试本系统各项性能指标均达到或超过原设 计指标，且用户反映良好。 论文涉及到计算机、网络通信、嵌入式操作系统、电路设计等多方面内容。本文 的创新之处在于提出了一种基于三级数据库的身份验证机制，极大地提高了系统运行 的可靠性。本系统中基于以太网的通信方案有效利用了网络资源，节约了成本，实时 更新的三级数据库以及分布式的控制方式确保了系统稳定运行，因此具有一定的实用 价值和推广价值，对其他嵌入式系统设计也有一定的参考价值。 关键词：闸机系统；u c l i n u x ；以太网；嵌入式系统：监控：数据库 a b s t r a c t t h i sp r o j e c ti sd e v o l v e db yc h a n g z h o uk e j i n ge l e c t o n i cc o ，l t d ( h i g h - t e c hc o m p a n y o f j i a n g s up r o v i n c e ) w i t ht h em o r ea n dm o r ep o p u l a ra p p l i c a t i o no fc o m p u t e rn e t w o r k , t h er e q u i r e m e n t so f i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n th a v eb e e ne n h a n c e d ，a n di t sm e a n i n g f u lo fh o wt od e s i g nak i n d o fs u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mo fd o o re n t r yb a s e do ne t h e m e tw h i c hc a ns u p p o r t m u l t i - m e t h o do fi d e n t i f i c a t i o n sa n dw o r ks t e a d i l y b a s e do nt h eu s i n go ft h et e c h n o l o g yo f c o m p u t e r , n e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n de m b e d d e ds y s t e m ，t h ee m b e d d e ds u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e mo f d o o re n t r yi ss t u d i e dd e e p l y i nt h ep a p e r , t h er e l a t e dc o n t e n ta b o u tt h es y s t e mi ss t u d i e d ，a n dt h eu s e r s r e q u i r e m e n t s a r ea n a l y z e d ，a n dan e wd e s i g nb a s e do ne t h e r n e ti sp r o m o t t e d t h es u p e r v i s o r yc o n t r o l s o f t w a r eo fs e r v e ra n dt h eh a r d w a r ea n ds o f t - w a r eo f d o o re n t r yc o n t r o l l e ra r ei m p l e m e n t e d a n dt e s t e d i nt h eh a r d w a r ed e s i g n ，t h ea r m 7m c ui s i t sc o r e ，a n dt h ec a p a b i l i t yo f e t h e m e tc o m m u n i c a t i o na n dm u l t i m e t h o do fi d e n t i f i c a t i o n si sr e a l i z e d t h es o f t w a r eo f d o o re n t r yc o n t r o l l e ri sc o m p o s e do fe m b e d d e du c l i n u xo p e r a t i o ns y s t e m ，j f f s 2f i l e s y s t e m ，e m b e d d e dd a t a b a s en a m e ds q l i t e ，d r i v e r sa n da p p l i c a t i o np r o g r a m t h e s u p e r v i s o r yc o n t r o ls o f t w a r eo fs e r v e rb a s e do nd a t a b a s ea n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nh a s t h ef u n c t i o n so fc o n t r o la n dd e v i c e sm a n a g e m e n t t h es y s t e mb a s e do nc sm o d e li sak i n d o fs t e a d ya n de x p a n d a b l ed i s t r i b u t e ds y s t e m ，a n dp e r f o r mw e l lb yt e s t t h ef i e l d so ft h ep a p e ri n v o l v ec o m p u t e r , n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，e m b e d d e do p e r a t i o n s y s t e ma n dc i r c u i td e s i g na n ds oo n t h ei n n o v a t i o no ft h et h e s i si st h es c h e m eo f v e r i f i c a t i o nw i t ht h r e e l e v e ld a t a b a s ew h i c hi su s e f u lt ot h es t a b i l i z a t i o no ft h es y s t e m ，a n d t h eb u i l d i n gc o s to ft h es y s t e mc a nb es a v e do w i n gt oe t h e m e tc o m m u n i c a t i o n ，s oi tt a k e s o nh i g hp r a c t i c a lv a l u ea n de x t e n d i n gs i g n i f i c a n c e ，a n dh a sr e f e r e n c e dv a l u et ot h ed e s i g no f o t h e re m b e d d e ds y s t e m s k e yw o r d s ：d o o re n t r ys y s t e m ；u c l i n u x ；e t h e m e t ；e m b e d d e ds y s t e m ；s u p e r v i s o r ya n d c o n t r o l ；d a t a b a s e 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个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。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 知捧z 月z 7 日 i 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 孕擎 “年月订日 河海大学硕士论立基十以太嘲的嵌 式闸机监挂系统的研究与设计 第一章绪论 1 1 嵌入式闸机监控系统研究背景及意义 本课题受江苏省高新技术企业常州科晶电子有限公司委托进行研究和开发。 本文中涉及的闸机是指以控制人员进出为目的，具各身份和人数识别功能，以扇 门、翼门或滚轧为控制对象的专用设备。嵌入式闸机监控系统就是在此基础上融合了 计算机技术、通信技术、自动化技术、电子技术等而形成的一整套软硬件系统，是解 决出入【j 安全防范管理的有效措施，并随着硬件成本的不断下降和软件功能日渐丰富 而广泛应用于轨道交通和游乐场所的检票系统、企事业单位的考勤系统、公共部门的 人员进出控制系统等。 闸机监控系统的应用相当广泛，从戒备森严的五角大楼到一般的智能大厦都可以 看到了它的应用。首先，磁卡、条形码等身份识别技术的发展极大地推动了闸机监控 系统的发展。目前，磁卡、条形码、纸卡、o c r 、o m r 、i c 卡及r f 卡等数据载体己 广泛应用于工厂自动化、安全保卫、物流管理等行业【1 1 。其次，闸机监控系统所具备 的安全防范和人员管理功能极好地满足了相关行业的需求。例如，某企业采用该系统 后不仅可以杜绝外来闲杂人员进出，还可以根据工作需要设置不同权限禁止企业员工 串岗，也可以结合软件功能进行员工考勤，提高企业管理水平。 由于不同的应用场合往往有着不同的府用需求，所以针对某个特殊场合闸机监控 系统往往需要专门设计以更好地实现其主次功能，本课题主要以高校图书馆为具体应 用场合。高等院校图书馆是师生获取知识的殿堂，闸机监控系统可以控制人员进出， 加强安全管理，提高图书馆管理效率，记录读者来访信息，为图书馆决策提供科学依 据。 1 2 闸机监控系统的研究现状 目前，国内外对闸机监控系统的研究主要涉及以下三个方面的内容：身份识别技 术、通信及控制技术、嵌入式数据管理技术。 身份识别技术的研究主要包括以下几个方面： 1 ) 密码识别 通过键盘输入密码是照原始的方式，该方式实现简单，缺点是安全性不高，当用 户密码遗忘时会造成很多不便，且由于密码输入需要一定时间，影响了流通速度，但 该方式可以和其他方式组合应用，增强安全性1 2 j 。 该方式可以和其他方式组合应用，增强安全性1 2 j 。 河海大学硕士论文基于以太网的嵌入式闸机监控系统的研究与设计 2 ) 卡片识别 卡片识别方式种类繁多，主要有磁卡式、条码卡式、i c 卡式以及射频卡式。 当磁卡在读卡器中运动时，根据电磁感应定律，可分别记录或传输数据。利用这 个原理就可以用磁卡中记录的信息作为身份识别的依据，缺点是卡片与设备之间有磨 损，寿命较短，卡片用以被复制，且信息易受外界磁场干扰而丢失，致使卡片失效【3 l 。 条码技术是一种广泛应用于商业、邮政、图书管理、仓储、工业生产过程控制等 领域的自动识别技术，具有输入速度快、准确度高、成本低、可靠性强等优点，在当 今的自动识别技术中占有重要的地位。条码是由一组规则排列的条、空以及对应的字 符组成的标记，这些条和空组成的数据表达一定的信息。条码卡也存在易被复制的缺 点【4 l 。 i c 卡( i n t e g r a t e dc i r c u i tc a r d ) 将具有存储、加密及数据处理功能的集成电路芯片模 块封装于和信用卡尺寸一样大小的塑料卡片基中，便构成了i c 卡【副。i c 卡以其具有防 磁、防静电、抗破坏性和耐用性强，防伪性能好，存储数据安全性高，数据存储容量 大，技术规范成熟等特点受愈来愈多用户的青睐【6 】【”。目前，闸机监控系统中大量使 用了i c 卡作为身份识别载体。 射频卡采用了一种非接触式的自动识别技术，可识别高速运动物体并可同时识别 多个标签，操作快捷方便1 8 】【9 】。射频卡作为一支安防领域的新军正在异军突起，制约 其发展是每张射频卡的成本还较高，在技术上还需在在强化自检功能收发应答制、周 期巡检制、定时报告制等技术上作进一步的研究和改进，并且应解决因电池电量不足 引起的低电压预警和故障中断等问题1 1 0 】。 3 ) 生物识别 生物识另l j ( b i o m e t r i c ) 是当前这一领域研究的一大热点，主要有指纹识别、语音识 别、虹膜识别和人脸识别等l l l j 。 指纹识别是利用数字化的算法在指纹图像上找到并比对指纹的特征。每个特征点 都有大约七个特征，人十个手指最少产生4 9 0 0 个独立可测量的特征【1 2 】。每个指头平 均有一百个特征点，但是发现5 1 0 个相同即可断定这两枚指纹是出于同一个指头所 遗留下的【l ”。由于每个人指纹的唯一性，因此指纹识别方法也在门禁监控系统中得到 应用，但由于要事先采集指纹特征库而使该技术的应用受到限制。 语音识别过程主要包括语音信号的预处理、特征提取、模式匹配几个部分【1 4 】。语 音识别系统得益于廉价的硬件设备，但语音识别还是有一些缺点的：语音随时间而变 化，语音也会由于伤风、嗓音沙哑、情绪压力或是青春期而变化【1 5 1 。语音识别系统比 指纹识别系统有着较高的误识率，因此语音识别通常需要和其他识别技术配合使用。 人脸识别技术是一项融合了数字图像处理和模式识别的较为复杂的技术，人体面 貌的识别过程，一般分三步：首先建立人体面貌的面像档案，其次获取当前的人体面 像，即用摄像机捕捉的当前出入人员的面像或取照片输入，并将当前的面像文件生成 面纹编码，最后用当前的面纹编码与档案库存的比对 1 6 1 。该技术主要面向一些高端应 河海大学硕士论文基于以太网的嵌入式闸机监控系统的研究与设计 用，例如机场海关等。 通信及控制技术主要包括： 1 ) 集中控制技术 该技术在闸机监控系统中使用扩展i o 板使监控计算机和闸机控制器直接相连， 该技术的优点是系统响应较快，缺点是系统扩展性能较差，且当监控计算机出现故障 后整个系统将瘫痪i 】”。 2 ) 分布式控制技术 所谓分布式系统是指一个硬件或者软件组件分布在网络计算机上，仅仅通过消息 传递进行通信和动作协调的系统。分布式系统具有下列特征：组件的并发性、缺乏全 局时钟、组件故障的独立性【i 引。嵌入式技术和网络通信技术作为分布式控制技术的重 要内容在闸机监控系统中得到应用，增强了系统的扩展性和稳定性。对于嵌入式系统 一般的解释就是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁减、适应于应用 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鲥1 9 1 。网络通信 技术的发展使各行各业原有的工作模式发生了革命性的变化，在本领域中工业以太网 将成为一大亮点。所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网( 即i e e e , 8 0 2 3 标准) 兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可 互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要【2 0 1 。 随着嵌入式系统的发展，嵌入式数据管理技术也成为当前研究的一大热点。总的 来说可以分为两大方向。一个方向是开发者完全自己编程实现数据的存储、检索、删 除、插入等操作，适用于数据操作量不大的场合，优点是程序所占空间较少，缺点是 有可能代码效率不高以及内存使用上的安全隐患。另一个方向就是使用嵌入式数据库 系统，随着移动通信技术的进步和人们对移动数据处理和管理需求的不断提高，与各 种智能设备紧密结合的嵌入式移动数据库技术已经得到了学术界、工业界、军事领域、 民用部门等各方面的重视1 2 “。嵌入式数据库系统在其并发控制协议、事务调度策略、 数据组织、扩展编程等方面提供了较好的支持，用户可以轻松地建立基于表、视图、 存储过程、触发器等的操作1 2 2 。缺点是代码体积对于嵌入式系统来说略显庞大。 1 3 课题研究的主要内容 本课题以高校图书馆闸机监控系统为研究背景，主要研究以下几方面内容： 1 ) 嵌入式闸机控制器控制策略 在地铁等场合的闸机中大量使用了滚轧，使得一次有效的刷卡只能通过一个人， 控制方案通常也很简单，但缺点是人员通行速度受限，且不能批量通行。本设计中使 用了扇门，实现了人流的批量通行，有效避免了人流高峰时的拥堵现象，相应的控制 方案也较为复杂。所以该部分内容主要是深入了解闸机控制的实际需求，分析可能出 现的各种情况并提出解决方案，例如如何判别非法者尾随进入通道并将之拒之l q # l - 、 河海大学硕士论文基于以太网的嵌入式闸机监控系统的研究与设计 如何防止因携带雨伞等而发生误动作。 2 ) 嵌入式闸机控制器硬件设计 嵌入式闸机控制器硬件设计中主要是研究如何构建以s a m s u n g 公司基于a r m 7 核 的$ 3 c 4 5 1 0 b 微处理器为核心的硬件电路，同时还要考虑如何支持多种身份识别设备、 如何实现以太网连接方案、如何接收传感器输入信号并控制执行机构等。 3 ) 嵌入式闸机控制器软件设计 该部分研究如何构建基于u c l i n u x 嵌入式操作系统的软件开发环境，并在此基础 上建立j f f s 2 文件系统，开发显示模块的驱动程序，研究嵌入式数据库在本系统的扩 展应用，按照控制策略编写应用程序。 4 ) 闸机监控系统服务器程序设计 服务器程序设计首先要在需求分析的基础上定义合理的数据库库表结构，建立服 务器程序与闸机控制器软件的握手机制以及交互的命令，实现网络通信并按照要求操 作数据库。 l ，4 课题研究的关键问题 本课题要解决的关键问题是：如何利用光电传感器感测通道内的通行人数，解决 非法者尾随的问题，并能形成一套适合现场运行需求的合理的控制策略，另一个关键 点是如何在资源受限的嵌入式闸机控制器中对数万条数据记录进行存储、插入、删除、 检索等操作，以及如何维护嵌入式闸机监控系统中用户信息的一致性。 1 5 论文的组织 本文内容共分六章。第一章是绪论，简要介绍了课题的研究背景、意义、现状以 及主要研究内容等；第二章在需求分析的基础上提出了嵌入式闸机监控系统的总体设 计；第三章是关于嵌入式闸机控制器的硬件设计；第四章介绍了嵌入式闸机控制器软 件开发环境和文件系统的建立、嵌入式数据库的应用、系统驱动程序的编写以及应用 程序的实现。第五章阐述了闸机监控系统服务器软件的开发过程和相关数据库的操作。 第六章对照需求分析和具体指标对嵌入式闸机监控系统的重要性能进行的测试。第七 章对本课题的研究进行了总结并展望了下一步的研究工作。 本章小结 本章介绍了基于以太网的嵌入式闸机监控系统的应用背景、研究现状以及本课题 研究的主要内容，并提出了研究的关键技术问题。 河海大学硕士论文 基于以太网的嵌入式闸机监控系统的研究与设计 第二章嵌入式闸机监控系统总体设计 目前国内市场上有许多种闸机监控系统，但闸机监控系统的性能质量良莠不齐， 因此设计一种稳定可靠、功能齐全、性能良好、经济实惠的闸机监控系统不仅有一定 的学术意义也同样具有一定的市场价值。本章在进行详细的需求分析后提出了嵌入式 闸机监控系统的总体设计方案。 2 1 需求分析与性能指标要求 本课题研究的嵌入式闸机监控系统以高校图书馆为应用背景，相关技术可推广应 用到其他场合。 2 1 1 系统需解决的主要问题 当前高校图书馆闸机监控系统在应用中普遍存在如下突出问题： 1 ) 网络支持功能不强 目前闸机监控系统主要采用r s 2 3 2 或r s 4 8 5 通信方式组成控制网络，该方式不仅 需要专门布线，而且存在组网方式不灵活、传输速率低、可扩展性差等缺点；还有部 分系统采用工控机附加i o 接口板进行直接控制，增加了系统成本。 2 ) 嵌入式数据管理功能较弱 嵌入式数据管理功能较弱主要表现在如下几点：首先是能够存储的数据量不能满 足图书馆的需求；其次数据的存储、插入、检索、删除等操作效率不高，影响系统快 速运行。 3 ) 用户信息难以实时更新 当用户信息发生变更( 例如图书馆增加或删除了部分读者信息) 时，闸机监控系 统数据库不能及时更新，或者需要手动更新，增加了系统维护的工作量，也给信息发 生变更的图书馆读者的正常工作和学习带来麻烦。 2 1 2 系统功能目标 1 ) 支持多种身份识别方式，包括磁卡、3 9 码卡、i c 卡、r f 卡、指纹识别等。 2 ) 能准确判别非法进入。判别非法进入情况并迅速报警是该系统的一个重要功 能。 3 ) 实现本地数据库。当以太网出现故障或者监控服务器宕机时，就必须依靠闸机 控制器的本地数据库开确保系统仍能正常工作并记录来访人员的有关信息。 河海大学硕士论文 基于以太网的嵌入式闸机监控系统的研究与设计 4 ) 实现功能完善的监控服务器程序。该程序要能实现对闸机设备的管理、人员进 出的控制以及人员信息的及时更新。 2 1 3 系统性能指标 表2 1 系统性能指标 技术指标指标内容 噪音指标 监控程序 、 、 0 n 耍亚卜 圄 、，一 型客户端 ，t c p i p 图书馆 嵌入式数据库i 、，。一一 m ss q l o r a c l e 数据库 、。_ 。_ _ - 。_ _ 。_ _ 。_ 。_ 。_ _ _ _ 一1v s e r v e r2 0 0 0 面 、 信息管理程序 】 本章小结 图2 2 嵌入式闸机监控系统功能模块图 本章在对基于以太网的嵌入式闸机监控系统详细需求分析的基础上提出包括数据 库管理、网络通信和实时控制等方面的系统总体设计方案。 河海大学硕士论文 基于以太网的嵌入式闸机监控系统的研究与设计 第三章嵌入式闸机控制器硬件设计 3 1 嵌入式闸机控制器硬件总体设计 3 1 1 设计原则 为保证系统的稳定运行和扩展，嵌入式闸机控制器硬件设计应遵循如下几条原则： 1 ) 硬件电路可能采用标准化、模块化设计； 2 ) 硬件结构和软件方案应统筹考虑，这两部分的设计是互相关联、密不可分的， 硬件的处理能力和存储容量能满足软件运行的需要； 3 ) 输入输出口适当留有余地，便于进行二次开发。 3 1 2 嵌入式闸机控制器硬件总体结构 根据以上设计原则以及功能要求设计了嵌入式闸机控制器硬件，本章将介绍以 a r m 7 处理器为核心的电路设计，主要包括存储器接口、以太网通信接1 1 1 、读卡器接 口、显示器接口等模块的电路设计。嵌入式闸机控制器硬件总体结构如图3 1 所示。 图3 1 嵌入式闸机控制器硬件总体结构图 河海大学硕士论文 基于以太蚓的嵌入式闸机监控系统的研究与设计 3 2 主电路设计 3 2 1c p u 及实时时钟电路 s a m s u n g 公司的$ 3 c 4 5 1 0 b 是基于以太网应用系统的高性价比1 6 3 2 位r i s c 微控 制器，最适合用于对价格及功耗敏感的应用场合【2 3 1 。其主要片内外围功能模块包括： 2 个带缓冲描述符( b u f f e rd e s c r i p t o r ) 的h d l c 通道 2 个u a r t 通道 2 个g d m a 通道 2 个3 2 位定时器 1 8 个可编程的i o 口 片内的逻辑控制电路包括： 中断控制器 d r a m s d r a m 控制器 r o m s r a m 和f l a s h 控制器 系统管理器 一个内部3 2 位系统总线仲裁器 一个外部存储器控制器 $ 3 c 4 5 1 0 b 支持基于j t a g 接口的调试方案，系统管理器支持r o m s r a m 、 f l a s h 、d r a m 和外部o 以8 1 6 3 2 位的方式操作，自带总线请求，应答引脚的外部 总线控制器，支持e d o 常规或s d r a m 存储器，访问周期可以编程设定( o 7 个等 待周期) ，还拥有高性价比的从存储器到外围的d m a 接口。 该芯片输入频率范围为1 0 4 0 m h z ，工作电压为3 3 v ，偏差不超过士5 ，工作温 度范围是0 7 0 。c ，最高工作频率5 0 m h z ，采用2 0 8 脚q f p 封装形式。 c 2 0 2 2 图3 2 实时时钟接口电路图 由于$ 3 c 4 5 1 0 b 片内没有实时时钟( r t c ) ，所以需要外扩，本系统中采用一款低 功耗的c m o s 实时时钟日历接e l 芯片p c f 8 5 8 3 。该芯片内嵌2 5 6 字节的s r a m ，通 过i i c 接口与$ 3 c 4 5 1 0 b 进行数据通信。 河海大学硕士论文基于以太网的嵌入式闸机监控系统的研究与设计 实时时钟接口电路如图3 2 所示。图中微调电容c 2 01 和c 2 02 的容值可以调整 时钟精度，容值增大时时钟变慢，反之则时钟变快。由于整个系统只有p c f 8 5 8 3 用到 1 1 c 总线，所以a 0 引脚可以接地。p c f 8 5 8 3 的引脚s c l 、s d a 分别要外接一个上拉 电阻再与a r m 相连。为保证系统断电后实时时钟仍能正常工作，需外接一个3 3 v 的 锂电池。 3 2 2 存储器接口模块设计 $ 3 c 4 5 1 0 b 片内没有f l a s h 存储器以及足够的内存，需外扩s d r a m 和f l a s h 存储 器。 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 1 a s h 存储器，且具 有读写的属性，因此，s d r a m 在系统中主要用作程序的运行空间，数据及堆栈区。 当完成系统的初始化后，程序代码一般应调入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1 2 3 2 4 1 。 本系统中使用h y u n d a i 公司的h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 。h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 存储容量为4 组1 6 m b i t ( 8 m b ) ，工作电压为3 3 v ，常见封装为5 4 脚t s o p ，1 6 位数据宽度。 为了充分发挥3 2 位a r m 处理器的数据处理能力，本系统采用两片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 构成3 2 位共计1 6 m b 的内存，其接口电路如图3 3 所示。 地址线 1 4 低1 6 位数据线 高1 6 位数据线 u l o l| 硝1 6u 1 0 2i 爿1 6 地址线 a 1 3 ：0 l i ) q t c s u d q b i r a s c k ec a s c l kw e 图3 3s d r a m 存储器接口电路 两片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 作为一个整体配置到d r a m s d r a mb a l l k 0 d r a m s d r a m b a n k 3 的任一位置，一般配置到d r a m s d r a mb a n k 0 ，即将$ 3 c 4 5 1 0 b 的n s d c s ( p i n 8 9 ) 接至两片h y 5 7 v 6 41 6 2 0 的c s 端。 两片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的时钟信号输入c l k 端接$ 3 c 4 5 1 0 b 的s d c l k 端( p i n 7 7 ) ； 两片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的时钟使能信号c l e 端接$ 3 c 4 5 1 0 b 的c l e 端( p i n 9 7 ) ： 两片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的行地址锁存r a s 列地址锁存c a s 、写使能w e 端分别接 1 1 一一一一 0 j 龇出帅 洲 船佻佻m 删掣似 l l 河海大学硕士论文基于以太网的嵌入式闸机监控系统的研究与设计 $ 3 c 4 5 1 0 b 的n s d r a s 端( p i n 9 5 ) 、n s d c a s 端( p i n 9 6 ) 、n d w e 端( p i n 9 9 ) ： 两片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的地址线a l l a o 接$ 3 c 4 5 1 0 b 的地址总线a d d r a d d r ； 两片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的b a l 、b a 0 接$ 3 c 4 5 1 0 b 的地址总线a d d r 、 a d d r ； 高1 6 位片的数据总线d q l 5 d q 0 接$ 3 c 4 5 1 0 b 的数据总线的高1 6 位 x d a t a x d a t a ，低1 6 位片的数据总线d q l 5 d q 0 接$ 3 c 4 5 1 0 b 的数据 总线的低1 6 位x d a t a x d a t a ； 高1 6 位片的数据i o 屏蔽信号u d q m 、l d q m 分别接$ 3 c 4 5 1 0 b 的n w e b 、 n w e b ，低1 6 位片的u d q m 、l d q m 分别接$ 3 c 4 5 i o b 的n w e b 、n w e b 。 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。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。常用的f l a s h 为8 位或1 6 位的数据宽度，编 程电压为单3 3 v 1 2 3 11 2 5 。 本系统中应用的f l a s h 存储器是s s t 3 9 v f l 6 0 。h y 2 9 l v l 6 0 的单片存储容量为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 封装或4 8 脚f b g a 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。 h y 2 9 l v l 6 0 仅需3 v 电压即可完成在系统的编程与擦除操作，通过对其内部的命令寄 存器写入标准的命令序列，可对f l a s h 进行编程( 烧写) 、整片擦除、按扇区擦除以及 其他操作。 由于a r m 微处理器的体系结构支持8 位1 6 位3 2 位的存储器系统，对应的可以构 建8 位的f l a s h 存储器系统、1 6 位的f l a s h 存储器系统或3 2 位的f l a s h 存储器系统。 3 2 位的存储器系统具有较高的性能，而1 6 位的存储器系统则在成本及功耗方面占有 优势，所以本系统中采用1 6 位存储器系统。 图3 4 为由一片s s t 3 9 v f l 6 0 构成1 6 位2 m bf l a s h 存储器系统的电路示意图。 u 1 0 3 地址线。 肚鹫 一 k 一 、 “1 9 ：0 o d 5 ：0 2 0 厂j 再而 旦塑垦 o e #r e s e t # l h i , d o e , 一 圃 c e #r y m y # 、， 7、 v c ( 囹 w e # b y n 擤 3 3 s s t 3 9 v f1 6 0 图3 4 f l a s h 存储器接口电路示意图 在应用中应将存有程序代码的f l a s h 存储器配置到r o m s r a m ，f l a s h b a n k 0 ，即 河海大学硕士论文基于以太网的嵌入式闸机监控系统的研究与设计 将$ 3 c 4 5 1 0 b 的n r c s ( p i n 7 5 ) 接至s s t 3 9 v f l 6 0 的c e # 端；将s s t 3 9 v f l 6 0 的 r e s e t # 端接系统复位信号；将o e # 端接$ 3 c 4 5 1 0 b 的n o e ( p i r t 7 2 ) ；w e # 端 $ 3 c 4 5 1 0 b 的n w b e ( p i n l 0 0 ) ；b y t e # 上拉，使s s t 3 9 v f l 6 0 工作在字模式( 1 6 位数据宽度) ；r y b y # 指示s s t 3 9 v f l 6 0 编程或擦除操作的工作状态，但其工作状态 也可通过查询片内的相关寄存器来判断，因此可将该引脚悬空；地址总线 a 1 9 a 0 1 与$ 3 c 4 5 1 0 b 的地址总线【a d d r l 9 a d d r 明相连；1 6 位数据总线【d q l 5 d i q o 】与 $ 3 c 4 5 1 0 b 的低1 6 位数据总线 x d a t a l 5 - x d a t a 0 相连。此时还应将$ 3 c 4 5 1 0 b 的 b o s i z e 1 ：0 1 置为1 0 ，选择r o m s p a m f l a s hb a n k 0 为1 6 位工作方式。 3 3 网络通信接口模块 3 3 1 以太网控制器硬件结构 以太网接口电路主要由m a c 控制器和物理层接口( p h y s i c a ll a y e r ，p h y ) 两大 部分构成。 图3 5r t l 8 2 0 1 接口电路图 $ 3 c 4 5 1 0 b 内嵌一个以太网控制器，支持媒体独立接1 3 ( m e d i ai n d e p e n d e n t i n t e r f a c e ，v i i i ) 和带缓冲d m a 接口( b u f f e r e d d m a i n t e r f a c e ，b d i ) ，可在半双工或 全双工模式下提供1 0 m 1 0 0 m b p s 的以太网接入。在半双工模式下，控制器支持 c s m a c d 协议，在全双工模式下支持i e e e 8 0 2 3m a c 控制层协议。$ 3 c 4 5 1 0 b 以太 网控制器的主要特点是：为设备联入以太网提供廉价的解决方案，带猝发模式的 1 3 河海火学硕士论文基于以太网的嵌入式闸机监控系统的研究与设计 b d m a 引擎以及b d m a 发送，接收缓冲( 均为2 5 6 字节) ，支持媒体独立接口( m i d 或7 线制接口，支持特定情况下的长数据包模式和用于快速测试的短数据包模式，并 且支持填充生成，数据更易于传输并减少传输时间。 $ 3 c 4 5 1 0 b 要完成以太网通信还需要外接一片物理层芯片以提供以太网的接入通 道。常用的单口1 0 m 1 0 0 m b p s 高速以太网物理层接口器件主要有r t l 8 2 0 1 、d m 9 1 6 1 等，均提供m i i 接口和传统7 线制网络接口，可方便的与$ 3 c 4 5 1 0 b 接口。在该系统 中，使用r t l 8 2 0 1 作为以太网的物理层接口幽j 。 3 3 2 以太网通信接口电路 由于$ 3 c 4 5 1 0 b 片内的m a c 控制器和r t l 8 2 0 1 都带有m i i 接口，相互连接十分 方便。r t l 8 2 0 1 接口电路如图3 5 所示。 本应用中信号的发送和接收端应通过网络隔离变压器和r j 4 5 接口接入传输媒体， 其电路连接如图3 6 所示。 图3 6 网络变压器及r j 4 5 电路连接图 3 4 读卡器接口模块 一般来说，磁卡、3 9 码卡、i c 卡等类型的读卡器都提供了r s 2 3 2 或者r s 4 8 5 方 式的通信连接，因此本模块设计了r s 2 3 2 和r s 4 8 5 接口电路。 本应用中选用3 3 v 供电的m a x 3 2 2 1 作为r s 2 3 2 芯片，选用了3 3 v 供电的s p 3 4 8 1 作为r s 4 8 5 接口芯片，其电路连接如图3 7 所示。 由于闸机控制器只要接一个读卡器，所l 三i 增加一个跨接器j p l 0 来选通r s 2 3 2 或 者r s 4 8 5 通信。 河海大学硕士论文 基于以太网的嵌入式闸机监控系统的研究与设计 3 5 传感器接口模块 图3 7 读卡器接口电路图 传感器接口模块主要是接收光电信号。光电传感器由一个发送器和一个接收器组 成，分别安装于通道两侧，发送器发出光束，当通道内无人通过时，接收器的输出信 号为低电平，当有人通过时，光束被阻断，接收器的信号输出为高电平。利用这个原 理就可以感测通道内是否有人以及人处在通道内的位置。 图3 8 显示了光电传感器信号输入处理电路。光电传感器为5 v 供电，为了电平匹 配以及防止信号干扰，在输入电路中增加了光耦p 5 2 i 。 r 5 al k 图3 8 光电传感器信号输入处理电路 河海大学硕士论文基于以太网的嵌入式闸机监控系统的研究与设计 3 6 继电器控制模块 v 5 图3 9 继电器控制模块电路连接 继电器控制模块的主要功能有两个：一个是接收c p u 发出的开关门信号( 开门为 低电平，关门为高电平) 并控制电机的正反转；另一个是接收电机限位开关信号，当 电机旋转到位时切断电机电源。其电路设计如图3 9 所示。 该电路工作原理是当m 1 端输入低电平时光耦u 1 驱动三极管q 1 导通，从而在继电器 j i d i a n q i 3 的1 、2 两端形成2 4 v 电压，此时继电器的公共触点与常闭触点断开，与常 开触点吸合。如果在触点间加上2 2 0 v 交流电就可以控制交流电机的正反转。限位开 关的工作原理和开关门原理类似。 3 7 液晶显示模块 图3 1 0j m l 6 0 3 2 b 液晶显示模块实物图 本系统的显示需求主要是文字信息，所以选用了j m l 6 0 3 2 b 汉字图形点阵液晶显示 模块。该模块可显示汉字及图形，内置8 1 9 2 个中文汉字( 1 6 x 1 6 点阵) 、1 2 8 个字符 河海大学硕士论文基于以太网的嵌入式闸机监控系统的研究与设计 ( 8 x 1 6 点阵) 及6 4 x 2 5 6 点阵显示r a m ( g d r a m ) ，实物如图3 1 0 所示。 该模块供电电压为3 3 v + 5 v ，连接模式有8 位、4 位并行或3 位串行。为了节约 c p u 的i o 口，本系统采用3 位串行模式。串行连接时需将第1 5 脚( 并，串行接口选 择) 脚接地，另外需要的三根信号线分别是第4 脚c s ( 串行的片选信号) 、s i d 第5 脚( 串行的数据信号) 、c l k 第6 脚( 串行的时钟信号) 。串行连接的时序图如图3 1 1 所示。 串行数据传送共分三个字节完成： 第字节：串口控制一格式1 1 1 l i a b c a 为数据传送方向控制：h 表示数据从l c d 到m c u ，l 表示数据从 m c u 到l c d b 为数据类型选择：h 表示数据是显示数据，l 表示数据是控制指令 c 固定为0 l234 5 67 e91 01 11 2 坤1 41 51 6h 埔i 92 02 l 姐2 32 s z 。 殂：幽：! 田田：厂 产1 蚓曰。归爿啪_ j 图3 1 1 液晶模块串行连接的时序图 第二字节：( 并行) 8 位数据的高4 位一格式d d d d 0 0 0 0 第三字节：( 并行) 8 位数据的低4 位一格式0 0 0 0 d d d d 本章小结 本章介绍了嵌入式闸机控制器的硬件设计，对实时时钟电路、存储模块电路、读 卡器接口电路和输入输出电路等作了详细的说明。 河海大学硕士论文基于以太网的嵌入式闹机监控系统的研究与设计 第四章嵌入式闸机控制器软件设计 嵌入式闸机控制系统的软件设计的主要内容是在嵌入式操作系统u c l i n u x 的平台 上实现j f f s 2 文件系统和嵌入式数据库，并编写相应的数据库操作程序、网络通信程 序以及系统控制程序。本章将对详细阐述以上内容的实现机理。 4 1u c l i n u x 操作系统分析 u c l i n u x 是针对控制领域的嵌入式l i n u x 操作系统，它从l i n u x 2 0 2 4 26 内核派生而 来，继承了主流l i n u x 的绝大部分特性。适合不具备内存管理单元( m m u ) 的微处理器， 没有m m u 支持是u c l i n u x 与主流l i n l l 】【的基本差异1 2