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a r md i s 系统软件设计反其网络应用开发 摘要 本课题在传统d i s ( 数字信息系统) 的基础上，以a r m 7 t d m i 系列微处 理器s 3 c 4 4 b o x 为核心。设计了基于手持式应用的a r md i s 。文章围绕a r m d i s 核心部件的设计展开讨论，研究了仪器系统的硬件构成，并在此基础上编写 了底层驱动函数和应用程序。通过分析a r md i s 的应用前景，阐明了其网络化 的重要性，由此提出了a r md i s 两种组网模式及实现方案。 该课题从a r md i s 的应用需求出发，利用嵌入式系统设计的方法，设计了 硬件电路，并介绍了a r m d i s 的软件开发流程，详细阐述了系统启动程序、驱 动函数和应用程序编写流程和方法，并通过两个典型的测量实例来验证。 论文主要是针对a r md i s 的网络化研究，考虑到在操作系统下搭建网络的 方便性，我们从斗c l i n u x 操作系统角度分析研究了仪器系统的移植过程、移植方 法。 根据a r m d i s 的自身特点和使用方式，设计了两种组网方式；基于以太网 技术组建局域网和基于g p r s 技术组建无线网。文章详细阐述了各种组网方式原 理、硬件图，以及在t t c l i n u x 下如何编程实现，最终得出实验结果，确定网络模 型。本文所述的a r md i s 网络模型简单易实现，具有一定的指导意义。 关键词：a r m d i s ，网络化，以太网，g p r s a r md i s 系统软件设计及其网络应用开发 a b s t r a c t t h i st h e s i sd e s i g n st h ee q u i p m e n tn a m e da r md i sf o rh a n d h o l da p p l i c a t i o nb a s e d o nt r a d i t i o n a ld i s w h i c hi sf o rt h ec o r eo fa r m 7 r d m is c r i e sm i c r o p r o c e s s o r - - s 3 c 4 4 b o x t h ep a r a g r a p hb e g i n sw i t ht h ed e s i g no f a r md i s sc e n t r a lc o m p o n e n t s ， r e s e a r c h e st h eh a r d w a r es t r u c t r r e , t h e nc o m p l e t ed e v i c ed r i v e ra n da p p l i c a t i o n p r o g r a m a n a l y s e t h e f o r e g r o u n do ft h ea r md i s sa p p l i c a t i o n , i l l u s t r a t e t h e i m p o r t a n t a n o 。o fi t sn e t w o r k , t h e np r o p o s et w om o d e sa n dp r o j e c t so fa r m d i s s n e t w o r k , t h et h e s i ss t a r t sw i t ht h ea r md i s sr e q u i r e m e n t u s e st h ed e s i g nm e t h o do ft h e e m b e d d e ds y s t e m ，d e s i g n si t sc i r c u i ta n di n t r o d u c e st h ep r o c e d u r ef o rs o f t w a r e e x p l o i t a t i n n t h e nt h ep a r a g r a p he x p a t i a t e st h ef l o w sa n dm e t h o d so f b o o t l o a d e r 、 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 s , w h i c ha r ev a l i d a t e db yt w ot y p i c a le x a m p l e s t h i st e x tm a i n l yi n v e s t i g a t e sa r md i s sn e t w o r k , c o n s i d e r i n gt h ec o n v e n i e n c eo f b u i l d i n g n e tw i t ht h e o p e r a t i o ns y s t e m , w ea n a l y z e i n s t r u m e n t s r e p o r t i n g p r o c e s s c e p o r t i n gm e t h o df r o mt h ea n g l eo f “c l i n u x b a s e do nt h ea r md i s sc h a r a c t e r i s t i ca n du s i n gm o d e ，w eh a v ed e s i g n e dt w o n e t w o r km e t h o d s ：l a nb a s e do ne t h e m e ta n dw i r e l e s sn e tb a s e d0 1 1g p r s 1 1 蝣t e 斌 p a r t i c u l a r l ye x p a t i a t e se v e r yn e t w o r k st h e o r ya n dd r c u i t , a n dh o w t op r o g r a mu n d e r “c l i n u x ，w ec a l c u l a t et h et e s tr e s u l ta n de o n f l r mt h en e t w o r km o d ei nt h ee n d t h e n e t w o r km o d e sd e s c r i b e di nt h et e x tc a l lb ec a r r i e do u te a s i l ya n dw e i g ht og u i d a n c e 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：二薹 自盛 日期：埠主：胚 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文 的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据 库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论 文在解密后适用本规定。 作者签名：盔越 日 期：刁盈：s ： 墅 a r md 1 s 系统软件设计及其两络应用开发 第一章前言 1 1d i s 的应用背景及意义 从信息化的发展历程来看，一个国家或区域的信息化将经历信息产业化，产业信息化， 经济信息化和社会信息化这样一个过程。教育信息化作为产业信息化的重中之重，将为其他 产业的信息化提供智力基础和人才基础。 传统的教学实验缺乏自动采集、处理大量数据的功能，很难与多媒体电脑连接，也不能 方便地在室外测定；在教学理念上主要以演示实验、验证、定性实验为主，难以培养学生自 主地、定量地搜集和处理信息的能力以及进行研究性学习的创造能力。目前，国家正对初高 中教学实施课程改革，加大了实验课的比重，希望通过一系列有效的措施，将过去的验证性 实验改为探究性实验，为学生开创了一个培养创新意识和创新能力的开放性创作室，深受同 学们的欢迎和喜爱，能使学生对综合实验有了比较清楚、正确的认识，学生的实验设计能力、 实验操作能力、创新意识均有明显提高。借鉴外国成功的教学经验，目前在我国的一些地区 的实验教学中，建立了d i s 实验室。 d i s 实验室，即数字信息系统实验室i 咖ii n f o r m a t i o ns y s t e ml a b o r a t o r y ) ，简称 d i s l a b 。它由“传感器+ 数据采集器+ 实验软件包( 教材专用软件、通用扩展软件) + 计 算机”构成的新型实验系统。d i s 数字化信息系统，主要适用于教育系统的物理、化学、生 物以及相关探究性实验。d i s 数字实验室系统采用国内外最新的技术，实现了数据采集、测 量、分析数据的有效结合，既能很好地支持学校的常规教学实验，又能支持高层次研究开发。 为教师和学生提供一个演示和探究性实验的系统平台，是目前市场上最先进的数字化实验教 学及分析系统，具备非常广阔的市场应用前景。“1 d i s ( d i g i t a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是d i s l a b ( 数字化信息系统实验室) 的简称，包含传 感器、数据采集器和数据处理软件，基于p c 平台使用，构成了完善的数字化实验体系，在 真实实验的基础上实现了新课标要求的“信息技术与学科教学的全面整合”，能够完成初高 中阶段所有定性研究和定量测量实验，填补了多项实验空白，大幅度提高了实验精度和实验 效率，性价比优良，在培养学生使用信息技术工具进行探索研究和自主学习方面做出了突出 贡献。嘲 传统的d i s 都要和p c 配合使用，不仅成本较高，而且使用不便。因此我们对原系统 进行了改进，利用a r m 体系结构，设计了手持式的a r md i s 系统。该系统继承原系统的 优点，并且携带方便，适用于户外使用：简洁的人机交互界面使操作更为方便 a r m 体系结构主要有以下优点： ( 1 ) a r m 体系结构目前被公认为是业界领先的3 2 位嵌入式r i s c 微处理器结构， a r m 处理器，不论是在p d a ，s t b , d v d 等消费类电子产品中，还是在g p s ，航空， 勘探，测量等军方产品中都得到了广泛的应用 ( 2 ) 选择a r m 7 $ 3 c 4 4 b o x 作为微控制器，其主频达到6 6 m ，更重要的是，在手 持式仪器设计中，显示电路极为重要，s 3 c 4 4 b o x 内置了l c d 驱动模块，这 大大简化了我们的硬件电路设计。 ( 3 ) s 3 c 4 4 b o x 提供了丰富的接口资源，只需配上相应的模块( 例如网络模块， g p r s 模块等) ，就能实现在现有系统的基础上添加功能，为系统的进一步开 发和升级提供了可能。 a r md i s 系统软件设计及其网络应用开发 a p 眦d i s 系统独创的手持式主机设计不仅方便了广大学生的实验操作，还为学校节约 了大量资金：另外提供多种数据传输方式( u s b 传输、以太网传输、无线网络传输) ，让用 户彻底摆脱系统集成、布线等烦恼；完全自主研发，开放的接口，可以做到度身定制因您而 变；手持主机傻瓜式设计的全中文菜单式操作，易学易用，无需为必须接受大量复杂的培训 才能操纵设备而担心”4 另外a r md i s 系统中强大的数字化实验室管理和数据分析软件首 次把管理的概念带入实验室中，提出全新的数字化实验室的概念，不仅真正意义上实现了学 生与教师的互动。方便教师对学生的指导，更是让老师轻点鼠标就可以实现对整个实验室的 控制。而且我们的管理平台还可以升级为数字化实验考试系统。我们采用开放的平台和开放 的架构，具有趣好的可扩充性，可以通过软件升级来满足用户未来不断增长的各种需求。”1 a r md i s 主要特点： l 、系统模块化 整个系统由各个模块组成，可以灵活配置，符合各种需求 2 ，开放支持任何可测量的物理量 开放的接口可以接开发的各种传感器。提供了对测量范围和测量精度的拓展性。可扩展 的传感器种类可多达几百种。一台学生终端可以同时连接四路传感器，可适应复杂的实验。 3 、具备强大的数据处理能力 系统有比较强大的运算能力，对于一些简单的统计和计算处理任务可以实时完成。 4 、具有强大图形显示能力 手持式主机内置3 2 0 m 2 4 0 m m 液晶显示，可以以图形或数字方式实时显示测量中的各 种信息。 5 、具有自动控制和反馈功能，可以协助完成复杂实验 可以编程设定自动控制功能，辅助用户完成一些复杂的自动半自动控制试验。 6 、支持系统在线升级 系统软件可以支持远程升级，充分保持技术领先能力。 2 a r md i s 系统软件设计及其网络应用开发 l 一l 一 圈1 一ld i s 系统框圈 1 2a p , gd i s 系统的网络化 当今时代，以i n t e m e t 为代表的计算机网络的迅速发展及相关技术的日益完善，突破了 传统通信方式的时空限制和地域障碍，使更大范围内的通信变得十分容易，i n t e m e t 拥有的 硬件和软件资源正在越来越多的领域中得到应用，比如电子商务、网上教学、远程医疗、远 程数据采集与控制、高档测量仪器设备资源的远程实时调用，远程设备故障诊断等等。“1 利用现有i n t e m e t 资源而不需建立专门的拓扑网络，使组建测控网络、企业内部网络以 及它们与i n t e m e t 的互联都十分方便，这就为测控网络的普遍建立和广泛应用铺平了道路。 传统的嵌入式系统只能实现简单的测量，对数据的传输、与外界的信息交互考虑较少 将网络技术引入到嵌入式系统中，有以下优点： 1 传统仪器设备充当着网络中独立节点的角色，信息可跨越网络传输至所及的任何领域， 实时、动态( 包括远程) 的在线测控成为现实； 2 网络化能节约大量现场布线、扩大测控系统所及地域范围，使系统扩充和维护都极大便 利； 3 测控网络由传统的集中模式转变为分布模式，成为具有开放性、可互操作性、分散性的 测控网络： 4 测控网络的功能将远远大于系统中各独立个体功能的总和，使测控系统的功能显著增强， 应用领域及范围明显扩大； 5 测控技术及仪器仪表领域，微机化仪器的联网，高档测量仪器设备以及测量信息的地区 性、全国性乃至全球性资源共享，各等级计量标准跨地域实施直接的数字化溯源比对， 远程数据采集与测控，远程设备故障诊断。 3 a r md i s 系统软件设计及其网络应用开发 传统的d i s 系统只能把数据传到p c 进行处理，然后由p c 通过网络实现数据的共享。 因此。d i s 的联网还是通过p c 机的联网模式来实现的，d i s 设备只是充当着网络中独立节 点的角色。这样组网的缺点是p c 在这个网络中成了最重要的环节，数据的存储和传输都依 赖于它，而d i s 只处于从属地位。 a r md i s 系统是手持式仪器，实验结果可通过系统自行分析得出，不必通过p c 处理， 大大提高了系统的利用率。作为手持式测量终端，数据交互就显得极为重要。例如，在开始 实验时，教师可通过网络把实验要求、步骤等传送给学生；学生可把实验结果实时上传到教 师机，教师和学生之间在第一时间实现数据的实时共享，提高了教学质量。因此，d i s 系统 的网络化为实验室的教师提供了有效的实验室管理、教学方案与方法：使得学生在真实的实 验环境中利用最少的时间，掌握基本的实验操作技能，并在此基础上能进行一些力所能及的 创造性、开发性的实验研究。 圈斟 图l 一2d i s 在教学课程中的应用 蝌同 l j a r md i s 系统的手持式也决定了其组网方式的多样化。此时系统在网络中不仅仅是从 属地位，也可以当作主机服务器来访问。用户可以通过有线网访问d i s ，也可通过无线网络 实现数据的传输，真正实现了脱离p c 的数据共享。另外，各a r md i s 系统之间构成一个 网状的网络，彼此之问也可互相访问。 如图1 - 3 所示，整个网络系统以a r md i s 系统为核心，通过与p c 的连接可组成有线 网络，适用于实验室中教师机与学生机、实验室之间的数据共享，并可通过有线网络远程访 问到测量结果；各a r md i s 之间可以通过g p r s 组建的无线网来进行数据通信，适用于户 外工作和远程测量 4 习，j童磊 眨0 a r md i s 系统软件设计及其网络应用开发 一圈 弋矽 无线网 1 3 本课题所做工作 图i - - 3a r m d i s 系统的组网框图 线网 本课题围绕嵌入式仪器a r md i s 的设计展开讨论，对系统从硬件到软件、从无操作系 统到嵌入式操作系统c l i n u x 、从底层驱动到上层应用傲了详细的分析研究；针对d i s 系统 的网络化应用，通过以太网和g p r s 无线组网两种方式做了较为深入的研究。 所做的工作主要包括： 1 选择a r m 7 系列微处理器s 3 c 4 4 b o x 作为硬件设计核心部分，结合系统的功能组 建外围电路，搭建系统环境； 2 针对无操作系统的d i s 系统，选择合适的软件架构，编写应用程序；通过对数字量 和某化学实验的测量原理和方法来验证程序； 3 实现d i s 系统t j | c l i n u x 操作系统的移植。包括内核裁剪、b o o t l o a d e r 定制及软硬件 测试与相互验证： 4 对t t c l i n u x 下的嵌入式w e b s e r v e r 的实现方案进行了深入研究，并成功实现b o a 组 网，利用c g i 和x m l 技术实现动态网页的交互； 5 利用g p r s 原理和p p p 协议，探讨在p c l i n u x 下如何实现无线组网，以及通过s o c k e t 编程实现数据传输的可行性； 6 基于以上关键技术，在a r md i s 系统上实践，构建了实验室模型，为该仪器进一 步研制奠定了基础； a r md i s 系统软件设计及其网络应用开发 1 4 本文内容安排 第一章前言介绍了d i s 系统的背景及应用意义，通过对传统的d i s 系统的分析。 指出了利用a r m 体系设计手持式a r md i s 系统的优势；并针对d i s 系统的应用领 域，阐明了a r m d i s 系统组网的必要性； 第二章介绍了a r md i s 系统的硬件和软件，阐述了a r md i s 系统的硬件结构， 设计的原理、方法和注意点；详细介绍了无操作系统下嵌入式软件的设计方法，设计 了a r md i s 系统的软件结构，并针对两个典型性的应用，结合程序代码，作了详细 的分析； 第三章阐述了系统移植和系统启动过程。系统移植以介绍b o o t l o a d e r 的定制和系 统配置为主，并结合代码分析了系统的启动过程； 第四章着眼于a r md i s 系统有线组网，重点实现了嵌入式w e b s e r v e r 。在分析和 比较各种方案的优缺点后，选择b o a s e r v c r 作为解决方案，详细叙述在t t c l i n u x 环境下 的实现过程；并通过c g i ( 通用网关接口) 和x m l ( 可扩展标记语言) 技术实现动态 网页的交互； 第五章利用g p r s 实现系统的无线组网。阐述了p p p 协议，并利用其在u c l 诬 下通过g p r s 模块进行拨号上网：并利用t c p i p 协议和s o c k e t 编程设计程序，分析 了无线数据传输的可行性； 6 a r md i s 系统软件设计及其网络应用开发 第二章a r md i s 系统的硬件和软件设计 设计一个系统，一个好的设计方法是十分重要的。我们将分析嵌入式系统软硬件设计的 常规流程，通过这一过程，可以达到两个目的：首先，我们将会在深入研究嵌入式系统设计 之前了解这一工作的步骤；第二，这一过程将使我们可以对所涉及的方法论本身进行一些思 考，从中确定a r md i s 系统的设计方法。 a r m d i s 系统包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器臌处理器、存储器及外设器件 和输入输出端口等。软件部分包括操作系统软件( 要求实时和多任务操作) 和应用程序部分。 有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制著系统的运作和行为：而操作系统控 制着应用程序编程与硬件的交互作用本章主要分析了无操作系统的a r md i s 系统的应用 程序。7 1 盯 2 1 嵌入式系统的设计方法 2 1 1 嵌入式系统设计过程 良好的设计方法可以方便系统设计中各成员之间相互交流，通过定义全面的设计过程， 团队里的每一个成员可以更好地理解各自所要做的工作、可以从其他成员处得到的东西。 图2 1 汇总了嵌入式系统设计的主要步骤。我们将采用自顶向下的方法，从对系统最 抽象的描述开始，一步一步地推进到细节内容。 自顶向下 设计 需求 上 规格说明 上 体系结构 上 构件 上 系统集成 圈2 - 1 嵌入式系统设计步骤 ( 1 ) 需求 在设计一个系统之前t 必须清楚我们在设计什么。在设计的最初阶段，我们截取这些信 息，以此来设计系统的体系结构和构件。这一阶段的任务通常通过两种过程来实现：首先， 从客户那里收集系统的非形式描述，这叫做需求；对需求进行提炼，以得到系统的规格说明， 这些规格说明里包含了我们进行系统结构设计所需要的足够信息。 7 a r md i s 系统软件设计及其网络应用开发 a r md i s 是提供给学生的实验装置，因此首先需要考虑的是如何实现数据采集，以及 如何外接传感器；其次考廖配以何种c p u 来搭建基本系统；最后设计相应的外围器件构成 整个系统。 ( 2 )规格说明 规格说明起到客户和生产者之间的合同的作用，精确地反映客户的需求并且作为设计时 必须明确遵循的要求。规格说明应该足够明晰，以便别人可以验证它是否符合系统需求并且 完全满足客户的期望。 a r md i s 不仅沿袭了传统的测量方法，更重要的特点是其手持式设计，还需考虑到用 户操作的方便性，如操作是否方便、界面是否清晰合理等 ( 3 )体系结构设计 规格说明不讲系统如何做，而只讲系统做什么。描述系统如何实现功能是体系结构的目 的。体系结构是系统整体结构的一个计划，而后用于设计搭建整个体系结构的构件。不仅所 需求的功能要体现，而且必须符合成本、速度、功率和其它非功能上的约束。 a r md i s 从结构上考虑分为基本系统、测量、人机交互( 键盘、l c d ) 、u s b 通讯等 模块。 ( 4 ) 设计硬件构件和软件构件 构件设计使得构件与体系结构和规格说明一致。 在确定a r md i s 结构体系的前提下，选择合适的芯片描建硬件电路，并确定如何设计 软件结构。 ( 5 )系统集成 只有建立构件后才能将它们合并到一个能运转的系统，在系统集成中通常可以发现错 误，在设计过程中加入适当的调试工具能简化系统集成中的问题。 2 1 2 系统设计的形式化方法( 1 j m l 语言) 我们按不同层次的抽象完成了许多不同的设计任务，用图表概念化这些任务通常是很 有帮助的。有一种可以用来获得所有这些设计任务的可视化语言：统一建模语言( u m l ) 。呲 对于设计过程中的多层抽象很有用。因为堋l 促使设计中逐步求精和逐渐在设计中加入细节 而不是在每一个新的抽象层次上重新考虑设计，所以u 札是非常有用的。 u m l 是面向对象的建模语言。选择界面是面向对象设计中非常重要的决策，正确的界面 必须提供访闯对象状态的方法和更新状态的方法。对象的界面必须通用，以充分利用它的性 能。 u 虬是一种语言而不是一种方法，它独立于任何一种开发过程，但支持过程开发。u 札 开发过程采用用例驱动，是以体系的开发为中心的迭代、递增的过程，是嵌入式软件的理想 过程。u 壮提供了面向对象的软件开发技术，它可对任何静态结构和动态行为的系统进行建 模，并适用于系统开发的不同阶段，因此。在嵌入式系统设计中使用u m l 建模可以起到事半 功倍的效果。建模步骤如图2 2 所示。”“” 图2 - 2 基于u m l 的系统建模步骤 3 糠序譬 技恋田 a r md i s 系统软件设计及其网络应用开发 2 2a 蹦d i s ( 仪器系统) 的硬件结构 硬件设计上。对于核心电路部分要傲的工作就是在熟悉器件性能的基础上给出一个正 确、合适的接口电路。对于扩展部分的设计根据仪器用的总线( s p i 、i 2 c ) 情况来确定电路。 手持式设备的最大特点就是携带方便，灵活测量，不太受地理位置的限制。因此，体积 小、携带方便、测量方法简单、功耗低是手持式仪器必须具各的优势。 手持式设备中，如果对系统频率的要求不是很高，应尽量选用串行设备，一方面器件体 积较小，同时硬件连线也较少，有利于印刷电路板的绘制。通常用的串行总线有1 2 c 和s p i 两种。除去片选线，他们只用到两线和三线。如果c p 有相应的1 2 c 和s p i 控制器就可以和 器件直接相连，如果没有也只需要用到两三个i o 口来模拟1 2 c 或s p i 协议，电路实现比较 简单。a 贼1 ) i s 系统在a d 测量部分和人机交互部分都使用了s p i 总线，在传感器识别电路 使用的是i 总线。 在硬件设计中，还需注意以下几个准则： ( 1 ) 在设计超低功耗系统时，要对电源电压、时钟频率以及静态功耗进行控制。这 就形成了电源宜低不宜高、时钟宜慢不宜快、系统( 器件) 宜静不宜动的“三相 宜”原则。 结合三相宜原则，对硬件及软件设计时要注意以下四个问题： 微处理器i c l j 的选择 i c 器件的选择 供电管理硬件设计 系统低功耗的运行管理 ( 2 ) 低电源电压和低时钟频率都对单片机的选择有很大的影响，再加上各种单片本 身所具有的低功耗特性，选择合适的单片机对降低整个系统的功耗大有益处。 ( 3 ) 作为一个完整的电路系统，如果要整个系统的功耗都得以降低，单靠单片机本 身并不能完成，其外围元器件的选择也相当重要。在模拟电路方面，在满足其 性能要求的同时，尽量选用与单片机工作电源相匹配的低电源产品以及专为低 功耗系统设计的器件 ( 4 ) 芯片之间的互连要保证数据的无误传输，在这方面，高速的差分信号线具有速 率高，好布线，信号完整性好等特点。 ( 5 ) p c i 3 设计中要做到目的明确。对于重要的信号线要非常严格的要求布线的长度 和处理的环路，而对于低速和不重要的信号线就可以放在稍低的布线优先级上。 重要的部分包括：电源的分割；内存的时钟线，控制线和数据线的长度要求； 高速差分线的布线等等。 作为一个手持式仪器，嵌入式c p t l 和存储介质( s i ) p , a m 、f l a s h 等) 是基础部分也是核 心部分，扩展部分包括人机接口电路、a d 测量电路、i j s 8 接口部分、电源模块等。a 眦d i s 系统的硬件组成由图2 3 所示。硬件电路板分为上下两块，上层板为系统( 核心) 电路板。 下层为电源板。“7 1 8 1 1 9 1 9 a r m d i s 系统软件设计及其网络应用开发 圈2 - - 3d i s a r m 系统硬件结构框图 2 2 1 基本系统( 核心) 电路设计 传统的d i s 系统大多采用单片机或低速的r i s cc p u 作为其核心的处理器，一般是8 位 或1 6 位的，内存只有几k ，外部可存储器的容量也只有l 一巍，再加上c p u 的主频不高，进 行大量数据运算时需要很长的等待时间。随着信号处理和i c 技术的不断反展，早期的d i s 系统已经无法满足现在的需求，运算速度快、数据存储容量大、体积小、图像色彩丰富、耗 能低等特性才是手持式仪器的发展方向。 a r md i s 系统的基本系统是整个硬件平台的基础和控制中心，负责软件代码的存储和指 令的执行，主要由c p u ( s 3 c 4 4 b o x ) 、一片删b y t e s 的s d r a w ( 1 i y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g ) 、4 mb y t e s f l a s h ( 2 8 f 3 2 0 8 3 ) 组成。“”“”基本系统设计质量的优劣直接决定了驱动程序的开发，嵌入 式操作系统移植等后续工作能否顺利开展，因此该部分设计是整个系统硬件设计的重要部 分。 2 2 2 扩展电路设计 核心系统设计完毕后，就应该考虑对系统进行外围扩展，以丰富系统功能。”1a r md i s 系统的扩展电路包括： 人机对话接口电路：键盘及l c d 显示： 数据采集电路：模拟量测量和数字量测量： u s b 接口电路：通过u s b 将数据传至p c ( 联机工作模式) 2 2 2 1 人机对话接口电路 人机交互是手持式系统必不可少的。主要包括l c d 和矩阵键盘两部分，一方面利用l c d 显示运行结果和必要的提示信息，另一方面采用按键实现用户指令输入，从而达到进一步的 a r md i s 系统软件设计及其网络应用开发 交互。 s 3 c 4 4 b o x 处理器集成了l c d 控制器、支持4 位单扫描、4 位双扫描和8 位单扫描方式； 数据的传输采用嗍a 方式，以达到最小延迟：支持单色、4 级灰度和1 6 级灰度l c d ，在彩色 l c d 上，可以支持2 5 6 种色彩( s t n 液晶) 。“本仪器采用的l c d 是s h a r p 的l m 3 2 0 1 9 t 2 显 示屏，是3 2 0 2 4 0 点阵的，并且支持1 6 级灰度显示，工作电压为2 2 v 。c p u 的l c d 控制器用 来实现传输显示数据及产生必要的控制信号：v f i 矾m e 、v l i n e 、v c l i 【和v m ，还有显示数据 的数据信号v d 0 - v i ) 7 。这些信号通过两片7 4 h c 2 4 5 的驱动，然后和液晶屏相连接。i 上d 采用 的是3 3 v 的冷阴极l e d 背光，大大降低了电路的功耗。 0 1 4 5 2 是数码管显示驱动和键盘扫描控制芯片，它内置时钟振荡电路，可以动态驱动8 位数码管或者6 4 位l e d 。同时还可以进行6 4 键的键盘扫描 c h 4 5 2 可以级联的4 线串行接 口( s p i ) 或者2 线串行接口( i i c ) 与单片机等进行数据交换，内置去抖动电路。“”我们 采用的是s p i 方式，仪器共设计有1 7 个按键，可用于选择多种测量，以及对显示图形等进 行控制、切换等。在键盘扫描期间，d i g 7 - d i g 0g 脚用于列扫描输出。s e g 3 - s e g o 引脚都带 有内部下拉电阻，用于行扫描输入。当启用键盘扫描功能后，d o b t 引脚的功能由串行接口 的数据输出变为键盘中断输出以及按键数据输出。 o c u c w 。v c u ( v c u ( d c u ( ，1l。 v u 睢 v u 征 r 、 7 4 l 也4 5 j v mv m d i n - v f r a m e v f r a 6 e l c d 显示器c p u l o c h 4 5 2 5 4 自t 盘 11 d o u t 7 广 7 4 i c 2 4 5 么 v i v 0 7 v d 0d 7 2 2 2 2 数据采集电路 圈2 - 4人机交互电路 d l g 7 o l g o a 麟d i s 只需配有相应的传感器或探头，即能实现对各种不同参数的测量，例如电压、 温度、浓度等- 因此适用范围较广。仪器不仅能实现对模拟信号的采集。还能测量数字信号。 被测信号通过1 3 9 4 接口t 模拟量通过a d 转换芯片完成，数字量则经过光电耦合器送入c p i j 进行处理。 m a x l 2 4 6 是姒x i m 公司生产的高速4 通道1 z 位逐次逼近型a d 转换芯片，其内部具有 2 5 v 参考电源，组合了4 通道多路转换器、高带宽的采样保持器以及串行接口，采样速率 可达1 3 3 k s p s ，电源范围为2 7 v 至3 6 v ，其小尺寸、低功耗和节省电能的掉电工作方式使 其用于便携式系统非常理想。r a x l 2 4 6 的3 线串行接口兼容于s p i q s p i 和m i c r o w i r e 同步 串行标准，允许将4 个通道编程为单极性双极性和差动单端工作。“” 我们将m a x l 2 4 6 的c s 、s c l k ，d i n 、d o u t 、s s t r b 分别与c p u 的5 个i o 口相连。m a x l 2 4 6 a r m d i s 系统软件设计及其罔络应用开发 的信号跟踪输入电路有2 2 5 m h z 的带宽，因而高速变化的信号瞬态都能被准确地送至采样 保持电路中，使得利用下线技术测量高于转换速率的高频信号瞬态成为可能。当8 位控制 字的第五位在时钟下降沿被锁定输入d i n 之后，t h 开关置于跟踪采样位置，采样保持电 容的两端电位差跟随输入信号同步变化。当8 位控制字的第8 位在时钟下降沿被锁定输入 后，t n 开关下线断开，使跟踪保持电路( t h ) 进入保持状态。 以保证在模数转换的过程 中被采样的数据基本保持稳定不变。在转换结束时，t h 开关由保持位置切换回跟踪采样位 置状态。 从信号的跟踪采样到数据保持开始的时间为保持电容c h o l d 的充电过程函数。 为了获取准确的采样数据，必需保证一定的跟踪采样时间。 对于数字信号，先使被测信号通过一个光电耦合器件t l p 5 2 1 - 4 ，光电耦合器件作用是信 号隔离和电器绝缘，这样就可以将现场信息通过电一光一电方式与控制系统联接起来，进而 达到抑制干扰。由光电耦合器件输出的信号再经驱动芯片送入c p u 进行处理，就能得到相应 的数字量，如频率、脉宽等。 m a ) c 1 2 躬c p u d i n 趋 c h 0 一c sp e o 盯 铡7 4 h c z 恻光喘降 c i bs c l k p f 8 d 烈 p f 5 v ) dd o u tp f 7 。a d l 3 9 4 s 鲫i 【b p f 6 s i a l2 s c l i e f a 科 3 4 d 耐 c o m 1 2 v 56 1 2 v a g n dd g n d 78 i l 2 2 2 3u s b 接口电路 图2 _ 5 数据采集电路 a r m d i s 系统不仅支持在单机模式使用，还支持联机模式，即配合p c ，将测量数据通 过u s b 传至p c ，由p c 来处理数据并执行相关操作。在具体实现中选择了c h 3 7 5 ，该芯片 是u s b 总线通用接口芯片。c h 3 7 5 具有8 位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出， 可以方便地挂接到单片i , m c u 等控制器的系统总线上。 c h 3 7 5 芯片的r d # 和w r # 可以分别连接到a r m 的读、写选通输出引脚。c s # 由地址 译码电路驱动，用于当a r m 具有多个外围器件时进行设备选择。i n 硎输出的中断请求是低 电平有效，连接到a r m 的中断引脚( p g o ) ，a r m 可以使用中断方式获知中断请求。 当w r # 为高电平并且c s # 和r d # 及a 0 都为低电平时，c h 3 7 5 中的数据通过d 叮d o 输出；当r d # 为高电平并且c s # 和w r # 及a o 都为低电平时，d 叮d 0 上的数据被写入 c h 3 7 5 中；当r d # 为高电平并且c s # 和w r # 都为低电平而a o 为高电平时，d 7 d 0 上的 数据被作为命令码写入c h 3 7 5 芯片中。1 a r md i s 系统软件设计及其同络应用开发 附? 州 y 一 c p u 1 瓣jc h 3 7 5 1 ：阻： p c r 一 n a o f r d #1二 w r 嚣i 图2 6u s b 接口电路 2 3a 脒d i s 系统的软件设计 开发嵌入式系统的软件通常分为下面两种开发形式 ( 1 ) 基于裸机的开发形式：开发的嵌入式系统的软件无须任何操作系统的支持，软件 的每一个代码都需要软件程序员进行开发，需要考虑众多的开发问题、系统的设计问题等。 早期的嵌入式系统的开发通常采用这种方式，因为当时嵌入式处理器的资源有限，开发语言 大多使用汇编语言。 另外，目前嵌入式系统开发采用裸机开发方式的大多是简单系统，如家用电器的简单控 制等，一般使用嵌入式微控制器，代码存储空间有限。 ( 2 ) 基于操作系统内核的开发方式：一般应用于复杂多功能的嵌入式系统的开发。根 据使用的操作系统的种类和功能的不同，又分为只使用操作系统的内核和使用完整的操作系 统两种情况。 对于小型的嵌入式系统应用，如不需要复杂的文件系统，人机接口也比较简单，可以基 于嵌入式操作系统内核进行开发。如果嵌入式系统属于复杂的应用，包含文件系统、图形化 的人机界面、设备驱动程序，通常使用完整的嵌入式操作系统进行开发。即使完整的嵌入式 操作系统，它们的各个组成部分也是模块化的，可以裁减。 本节主要讨论无操作系统的嵌入式系统软件设计方法，以及a r md i s 系统的软件结构 设计 2 3 1 无操作系统的嵌入式系统软件设计方法恤1 嵌入式系统有复杂和简单之分。通常代码量少的系统完成的功能有限，可以不使用嵌入 式操作系统，直接在裸机上开发，使用的开发工具可以是汇编语言和c 语言，根据系统的 存储器资源而定。1 2 3 1 i 前后台系统 不复杂的小系统可以设计成前后台系统，如图2 7 所示 1 3 a r md i s 系统软件设计及其网络应用开发 圈2 7 嵌入式系统前后台系统 应用程序是一个无限循环，巡回地执行多个事件，完成相应的操作。这一部分软件称为 后台，通常在主程序m a i n o 掀姗。中断服务程序处理异步事件，这一部分可以看成是前 台。后台可以称为任务级，前台可以称为中断级。强实时性的关键操作一定要用中断来实现 这种系统的实时性有一定的问题，中断服务程序提供的数据直到后台程序运行到该处理 这个数据时，才能得到处理。最坏情况下的任务级响应时间取决于整个循环的执行时间。因 为循环的执行时问不是常数，所以程序经过某一特定部分的准确时间是不能确定的。另外。 如果程序修改了，循环的时序和时间都会受到影响。 这种系筑的程序设计通常包括两大部分：主程序循环和中断服务程序。程序框架如下： h i n 0 i 硬件初始化吖 讹i l e ( 1 ) a c t i o n _ f 0 ： a c t i o n _ 2 0 ： - - a c t i o n _ n 0 ： l a c t i o n1 0 序执行动作1 a c t i o n _ 2 0 1 4 a r md i s 系统软件设计及其两络应用开发 a 执行动作2 * l a c t i o n _ n 0 a 执行动作n * i s r _ 1 0 a 中断i 的中断服务程序 i s l 2 0 f 宰中断2 的中断服务程日铒， 1 i s rn 0 a 中断n 的中断服务程序 很多低端的基于嵌入式微控制器的嵌入式产品采用前后端系统设计，例如微波炉、电话 机及玩具等。 2 3 1 2 中断( 事件) 驱动系统 对于省电系统的设计，可以采用中断驱动的程序设计方法。整个软件系统完全由中断服 务程序实现。 大多数嵌入式微控制器微处理器具有低功耗方式，通过执行相应的指令可以使处理器 进入低功耗方式，低功耗方式可以通过中断的发生退出。由于事件的发生是异步的，只有在 出现事件的时候，处理器进入运行，一旦处理时间结束，立刻进入低功耗状态，而没有主程 序的循环执行。 这种嵌入式软件的设计包括主程序和中断服务程序两部分：主程序只完成系统的初始 化，例如硬件的初始化，初始化完成后，执行低功耗指令进入低功耗方式。 每当外部事件发生，相应的中断服务程序激活，执行相关的处理，处理完成后，进入低 功耗状态。如果没有外部事件发生，系统一直处于低功耗状态 下面给出这种设计方法的一种程序框架： h i n o a t od 0 ：系统的初始化衫 w h i l e ( 1 ) f t e r j o - j o - e r ( ) ： i s r1 0 序其中的一个中断服务程序 1 5 a r md i s 系统软件设计及其网络应用开发 * t od o ：处理中断事件 2 3 - 1 3 巡回服务系统 如果嵌入式微处理器，嵌入式微控制器的中断源不多，那么采用中断驱动的程序设计方 法有一定的局限性，因为无法把所有的外部事件与中断源相关联。这时采用的解决方案有两 种。一种是使用中断控制器之类的扩展中断源芯片，进行中断扩展。这种方法一般不推荐使 用，因为扩展带来的问题很多：系统复杂、成本高、浪费处理器的其他资源如i o 引脚等。 另一种方法是采用软件的方法，软件设计成巡回服务系统。把对外部事件的处理由主循环完 成。这样的设计即使嵌入式微处理器没有中断源也可以完成软件的设计 下面给出软件的接口框架： m a i n 0 幸t od o ：系统初始化吖 w h i l e ( 1 ) ( a c t i o nl0 ：a 巡回检测事件l 并处理事件奉 a