（计算机系统结构专业论文）基于uclinux的公用设施收费系统的设计与实现.pdf

、 ；1 j 口d。口_1 at h e s i sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri nc o m p u t e r a r c h i t e c t u r e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fb i l l i n gs y s t e mf o rp u b l i c f a c i l i t yb a s e do nu c l i n u x b yw a n gk u n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl ij i n g j i a o n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 m 8 删2舢7舢44 舢8洲1 舢y 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志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谢 意。 学位论文作者签名：壬仲 e l 期：加。夕- 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即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 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年d一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：壬仲 导师签名：墨掀。 签字e t期：矽叻- 7 签字日期：妒彦7 ， 东北大学硕士学位论文摘要 基于u c l i n u x 的公用设施收费系统的设计与实现 摘要 本课题针对公用设施难以准确计费的问题提出了一种新颖的解决方案。在无需对原 有设备电路进行改造的前提下，使用摄像头采集电表读数，并对其进行数字识别，然后 通过一种新兴的短距离无线通讯技术z i g b e e 技术进行系统数据传输，构建成一个公 用设施收费系统。 本课题使用f r e e s c a l e 提供的m 5 2 5 3 e v b 开发板连接u s b 摄像头采集电表读数，在 其上运行u c l i n u x 操作系统，使用模式识别方法对电表读数进行识别。使用f r e e s c a l e 提 供的m 5 2 2 3 3 d e m o 开发板以及m c l 3 1 9 2 u 无线收发器进行z i g b e e 无线数据传输。 一 本课题的工作是对公用设施收费系统进行总体设计，着重进行了u c l i n u x 操作系统 的移植，l i n u x 内核u s b 部分的修改，u s b 摄像头驱动程序的开发，数字识别程序的设 计，以及z i g b e e 无线传输模块的开发。 本系统最显著的特点是无需更换现有设备以及布设额外线路，针对分散的局部个体 提出了一种新颖的计费方案，可以广泛应用于公用设施计费领域。同时，系统设计时定 义了明确的模块接口，便于后续升级扩展。 关键词：u c l i n u x ；u s b 摄像头；数字识别；z i g b e e 一一 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fb i l l i n gs y s t e mf o rp u b l i cf a c i l i t y b a s e do nu c l i n u x a bs t r a c t t h i sp a p e rp r o v i d e san e 、vs o l u t i o nf o rt h eb i l l i n gs y s t e mf o rp u b l i cf a c i l i t y , w h i c hi s u s u a l l yd i f f i c u l tt ob ea c c 删e w i t h o u tc h a n g i n gt h ec i r c u i to fe l e c t r i cd e v i c e s ，t h i sp a p e r a p p l i e sc a m e r a sf o rr e a d i n gd i g i t so fe l e c t r i cm e t e r s ，t h e nr e c o g n i z e st h o s ed i g i t s i m a g e ，a n d t r a n s f e r sd a t aw i t han o v a ls h o r t d i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i n gt e c h n i q u e ，z i g b e e ，t o c o n s t r u c tab i l l i n gs y s t e mf o rp u b l i cf a c i l i t y t h i sp a p e ru s e sm 5 2 5 3 e v bd e v e l o p m e n tb o a r d ，p r o v i d e db yf r e e s c a l e ，t oc o n n e c tu s b c a n l e r at or e a dd i g i t so fe l e c t r i cm e t e r s ，r u n su c l i n u xo ni t , a n da p p l i e sp a t t e r n r e c o g n i z i n g m e t h o dt or e c o g n i z ed i g i t s m 5 2 2 3 3 d e m od e v e l o p m e n tb o a r da n dm c l 3 1 9 2 uw i r e l e s s t r a n s c e i v e ri sa p p l i e df o rw i r e l e s sd a t at r a n s f e r r i n g t h i sp a p e ri st h eo v e r a l ld e s i g nf o rt h eb i l l i n gs y s t e mo fp u b l i cf a c i l i t y , a n df o c u so nt h e t r a n s p l a n t i n go fu c l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ，p a t c h i n gt h ec o d eo fu s bc o r e ，d e v e l o p i n gu s b c a m e r ad r i v e r s ，d i g i t a li m a g ep a t t e r n - r e c o g n i z i n g ，a n dd e v e l o p i n gz i g b e ew i r e l e s sm o d u l e t h eo u t s t a n d i n gc h a r a c t e n s t i eo ft h i ss y s t e mi sn on e e do fc h a n g i n ge l e c t r i cc i r c u i t i t f o c u s e so nf o c a ls p o t s ，a n dc o u l db ew i d e l yu s e df o rt h eb i l l i n gs y s t e mf o rp u b l i cf a c i l i t y m e a n w h i l e ，t h es y s t e m i cd e s i g nd e f i n e sac l e a ri n t e r f a c ep a t t e r n , w h i c hc o n t r i b u t e st of u r t h e r e x t e n d i n ga n du p g r a d i n g k e yw o r d s ：u c l i n u x ；u s bc a m e r a ；d i g i t - r e c o g n i z i n g ；z i g b e e 一一 东北大学硕士学位论文 目录 目录 声明i 中文摘要 a b s t r a c t 二i n 第1 章绪论1 1 1 课题提出背景一1 1 2 现有计费方式介绍及可行性分析1 1 2 1 人工值守方式：- ：1 1 2 2 计时刷卡方式1 1 2 3 计费电表方式1 1 3 课题的主要研究内容及意义2 1 4 论文组织结构- 2 囊 第2 章系统分析及相关技术介绍5 2 1 问题分析及方案选取5 2 1 1 电表读数的获取5 2 1 2 电表读数的识别6 2 1 3 无线传输方式的选取一7 2 。2 相关技术介绍1 0 2 2 1u c l i n u x 操作系统1 0 2 2 2u s b 协议简介1 0 2 2 3 模式识别的模板匹配方法1 4 2 2 4s m a c 简介1 5 第3 章系统总体设计1 7 3 1 系统总体设计1 7 3 2 硬件结构1 9 3 2 1m 5 2 5 3 e 、，b 开发板1 9 3 2 2u s b 摄像头一2 2 3 2 3m 5 2 2 3 3 d e m o 开发板2 3 3 2 4m c l 3 1 9 2 uz i g b e o 收发器2 4 一一 东北大学硕士学位论文目录 3 2 5 硬件连接2 5 第4 章系统软件实现2 7 4 1u c l i n u x 在m 5 2 5 3 e v b 上的移植2 7 4 2u s b 控制器驱动程序的实现2 8 4 2 1m c f 5 2 5 3u s b 控制器介绍2 8 4 2 2 与标准e h c i 规范驱动的区别2 9 4 2 3 控制器驱动实现3 0 4 3 摄像头驱动程序的实现3 2 4 3 1v 4 l 框架3 2 4 3 2 摄像头驱动程序实现3 4 4 4 图像采集程序的实现3 6 4 5 数字识别模块详细设计3 7 4 5 1 图像预处理3 7 4 5 2 图像分割3 9 4 5 3 特征抽取4 0 4 5 4 模板匹配4 0 4 6z i g b e e 传输模块详细设计4 1 4 6 1m c l 3 1 9 2 详细功能描述4 2 4 6 2s m a c 具体实现：。4 3 第5 章系统测试4 7 5 1u c l i n u x 下u s b 摄像头驱动测试4 7 5 1 1u s bh o s t 驱动4 7 5 1 2u s b 摄像头驱动4 7 5 2 图像采集程序测试5 0 5 3 数字识别模块测试5 1 5 4s m a c 传输模块测试5 2 第6 章结束语5 3 参考文献5 5 致谢5 9 发表论文情况6 1 一v 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 课题提出背景 第1 章绪论 随着社会的进步，越来越多的公共场所开始为公众提供各种电器设备，例如，学校 等场所为人群提供微波炉，医院在病房内安装电视等娱乐设施等等。在为大众提供便利 的同时，也给管理部门带来了诸多困难：由于无法对设备使用产生的电能进行准确计量， 很容易引起设备的滥用，从而导致严重的资源浪费、设备损坏甚至造成事故；同时，由 于无法控制设备的使用情况，几乎所有能接触到设备的人都可以使用，从而可能导致设 备的未授权使用，产生额外的开销。既要最大限度地便利人们的日常生活，又要节省开 销，杜绝浪费，这一矛盾在在医院、学校等场所尤为突出。笔者通过对有关管理部门的 走访，发现管理部门倾向于对公共场所的电器设备进行收费管理，一方面可以降低运营 成本，另一方面可以更好地进行设备维护以及管理。 1 2 现有计费方式介绍及可行性分析 目前，国内外有几种较普遍的计费方式，现进行简要介绍。 1 2 1 人工值守方式 人工值守方式通过安排专门的工作人员看护公用电器，并进行指导、收费等操作， 人力成本高，无法进行统一管理。 1 2 2 计时刷卡方式 计时刷卡方式通过在电器电源处安装i c 卡刷卡器，使用者持有效i c 卡刷卡后，电 源接通，根据使用时间扣除i c 卡余额。该方式无需专门人员干预，成本较低；然而， 将使用时间作为计费的依据有其弊端：不同的设备功率不同，即使是同一台设备，同一 次使用过程中也可能发生功率变化。因此，单纯将时间作为计费依据不能对费用进行准 确计量，可能会引起纠纷或资源浪费。 1 2 3 计费电表方式 为了克服计时刷卡方式的弊端，可以将电器线路上的普通电表更换为带有计费功能 一】一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 的电表，通过i c 卡预付费电表、有线抄表或无线抄表实现对用电量的准确计量。 采用先付费后使用方式的i c 卡预付费表对管理部门较为有利，不需要现场抄表， 解决了部分人工抄表的问题，节省了人力成本。然而作为公共场所设施的计费，每个使 用者都可以接触到电表显然是不实际的。 有线抄表控制系统充分利用电话网络、电力网络、有线电视网络或者r s 4 8 5 总线 网，不但完全具备i c 卡表的优点，还可以实现i c 卡表无法实现的功能。可实现实时抄 表、实时监测、实时控制，抄表速度快，人员少，准确率高。 但是，有线抄表系统涉及布管线问题，需要预先设计，施工周期长，工程安装及后 期维护成本较高，后续升级不方便。尤其是涉及到数量少且分散的个体，单独铺设线路 实际操作意义不大。 无线抄表是指采用近距离无线通信和计算机网络自动读取和处理数据，每只表将状 态等信息传送至数据采集器。采用无线抄表技术，不仅能节约人力资源，而且无需架设 专用电缆，节省了投资。无线通信可以迅速建立起通信链路，工程周期大大缩短，此外， 相比有线系统具有更好的扩展性，便于后期维护升级【l 】o 虽然解决了准确计量的问题，但是计费电表方式会引起额外的布线以及电表更换问 题，尤其是后者，更换现有的数量少且分散的电表，实际操作可能会遇到困难。 1 3 课题的主要研究内容及意义 本文提出了一套新颖的公用设施计费系统：在无法更换电表等计量设施的情况下， 通过在计量设施外部架设摄像头对用电量进行采集识别，作为计费系统的依据；通过安 装在公用设施端的射频卡读卡器读取识别后的电表读数并控制设备电源；同时，为了避 免额外布线，采用了一种新型短距离无线通信技术z i 曲e e 技术传输计费系统的数 据。从而实现了在不改装现有电气线路的前提下完成计费、控制等功能。 本系统最显著的特点是无需更换现有设备以及布设额外线路，针对分散的局部个体 提出了一种新颖的计费方案，可以广泛应用于公用设施计费领域。同时，系统设计时定 义了明确的模块接口，便于后续升级扩展。 1 4 论文组织结构 本文着重介绍电表数字的采集识别以及z i g b e e 数据传输功能的设计与实现。全文 共六章。 一2 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论，提出课题的研究背景，并对现有的几种计费方案做简要介绍。 第2 章系统分析及相关技术介绍，分析课题的实际问题并选择解决方案，并对相 关技术进行简要介绍。 ： 第3 章系统总体设计，进行系统总体架构设计，并介绍系统使用到的硬件及其连 接方式等。 第4 章系统软件实现，详细说明了u s b 摄像头的u c l i n u x 驱动程序、图像采集、 图像识别以及z i g , b e e 无线传输模块的实现。 第5 章系统测试，简要介绍了系统开发、使用的软硬件环境，并对图像采集识别、 z i e 筘e e 无线传输模块进行测试。 第6 章结束语，总结本课题所做的工作，系统存在的不足以及下一步需要进行的 改进工作。 一3 一 - - 4 - 东北大学硕士学位论文 笫2 章系统分析及相关技术介绍 第2 章系统分析及相关技术介绍 2 1 问题分析及方案选取 本文主要解决三个问题： ( 1 ) 如何在不更换原有电表的基础上获取电表读数； ( 2 ) 用何种方法识别采集到的电表读数； ( 3 ) ! t l ：l 何在不铺设专用线路的基础上进行计费数据的传输。 2 1 1 电表读数的获取 本系统通过在电表外部架设摄像头来采集电表的读数。目前，市面上常见的摄像头 有两种接口：模拟视频似叻接1 ：2 1 以及u s b 接1 2 1 。 a v 接口的摄像头输出的视频信号除了包含图像信号外，还包含行同步信号、行消 隐信号、场同步信号、场消隐信号、槽脉冲信号、前均衡脉冲以及后均衡脉冲等，需要 通过专用的视频分离芯片( 如l m l s 8 1 ) 对视频信号进行同步分离，从而获得所需的视频 图像信号，同时可以根据需要对同步信号进行时序逻辑控制【2 1 。 以靴正制式黑白电视信号为例，扫描方式为隔行扫描，场周期为2 0 m s ，每场3 1 2 5 行，行周期为6 4 坶，行消隐期宽度为2 5 行，场同步脉冲宽度为2 5 个行周期，行消隐 期宽度为1 2 p a ，行同步脉冲宽度为4 7 9 a 。提取出图像信号后，可以通过a d 转换器将 模拟量转换为数字量进行处理【3 】o u s b 接口的摄像头通常用作计算机设备的视频输入设备，除包含镜头和图像传感器 之外，还需要一颗转换芯片( 如s o n i xs n 9 c 1 0 1 ) 读取图像传感器的数据并将其发送到计 算机。 本文使用的m 5 2 5 3 e v b 开发板上提供了完整的u s b 接口电路，其处理器m c f 5 2 5 3 集成了遵循u s b 2 0o t g 规范的u s b 控制器，无需连接外围控制器就可以直接连接u s b 接口的摄像头，因此，本文使用u s b 摄像头作为采集电表读数的设备。软件环境方面， 使用u c l i n u x 作为计数采集识别部分的操作系统，实现u s b 摄像头在u c l i n u x 下的驱动 程序。 一5 一 东北大学硕士学位论文 第2 章系统分析及相关技术介绍 2 1 - 2 电表读数的识别 对采集到的电表读数图像进行识别主要有4 个步骤【4 】： ( 1 ) 图像预处理，对获得的图像信息进行去噪、矫正等处理，以提高后期识别正确率。 ( 2 ) 图像分割，从图像中找到要识别的物体，并对其进行分割。 ( 3 ) 图像特征抽取，对原始数据进行变换，得到最能反映分类本质的特征，提取分割 出的物体特征，并对参数进行计算。 如何确定合适的特征空间是设计模式识别系统的一个十分重要的问题，对特征空间 进行优化有两种基本方法：一种是特征选择，如果所选用的特征空间能使同类物体分布 具有紧致性，可以为分类器设计成功提供良好的基础；另一种是特征的组合优化，通过 一种映射变换改造原特征空间，构造一个新的精简的特征空间。 对数字的识别特征提取可以有多种方法，有的分析从框架的左边框到数字之间的距 离变化反映的不同数字的不同形状，这可以用来作为数字分类的依据，另外一种方法是 在每个数字图形上提取特征值，定义一个n x n 模板，本系统定义一个5 x 5 模板，将 每个样品的宽度和高度5 等分，对每一份内灰度值为2 5 5 的像素个数进行统计，然后除 以每一份的面积总数，即可得到特征初值，将特征值大于2 0 对应的模板置l ，取得该 数字对应的模板。 ( 4 ) 图像分类，根据提取的特征值，采用模式识别的方法进行分类。 已知若干个样品的类别以及特征，机器首先要知道每个样品的形状特征，对分类问 题需要建立样品库，根据这些样品库建立判别函数，这一过程由机器实现，称为学习过 程，然后对一个未知的新对象分析其特征，决定它属于哪一类。 模式识别有多种方法：模板匹配法，判别函数法，神经网络分类法，基于规则推理 法等等。 模板匹配法将待分类样品与标准模板进行比较，根据与模板的匹配程度确定待测样 品的分类。模板匹配法最明显的缺陷是计算量大，存储量大，每个样品都要与每个模板 计算一次相似度，因此在模板数量很大时，计算量也很大。 设计判别函数的形式有两种方法：基于概率统计的分类法以及判别函数分类法。基 于概率统计的分类法主要有基于最小错误率的贝叶斯决策、基于最小风险的贝叶斯决 策。贝叶斯分类器可以用一般的形式给出数学上严格的分析证明：在给出某些变量的条 件下，能使分类所造成的平均损失最小，或分类决策的风险最小。判别分类器不依赖于 一6 一 东北大学硕士学位论文第2 章系统分析及相关技术介绍 条件概率密度，可以理解为通过几何的方法，将特征空间分解为对应于不同类别的子空 间。 神经网络可以看作从输入空间到输出空间的一个非线性映射，它通过调整权重和阈 值来“学习”或发现变量间的关系，实现对事物的分类。由于神经网络是一种对数据分 布无任何要求的非线性技术，能有效解决非正态分布、非线性的评价问题，因而受到广 泛的应用。 通过样本训练集构建推理规则进行模式分类的方法主要有：决策树和粗糙集理论。 决策树学习是以实例为基础的归纳学习算法，它着眼于从一组无次序、无规则的实例中 推理出决策树表示形式的分类规则。粗糙集理论反映了认知过程在非确定、非模型信息 处理方面的机制和特点，是一种有效的非单调推理工具。 数字识别过程如图2 1 所示。 像 一 兀 图 像 图2 1 数孚识别沉程图 f i g 2 1f l o wc h a r to fd i g 砌i d e n t i f i c a t i o n 本系统应用模式识别进行电表读数的识别，由于样本集很小，故采用模板匹配法作 为图像分类方法。 2 1 3 无线传输方式的选取 为了避免为数据传输布设额外的线路，本系统采用无线通信的方式对数据进行传 输。目前有下列几种短距离无线通信技术【5 】： ( 1 ) 红外技术 通过波长为8 5 0 r i m 的红外光传输数据，该技术直线传输、易受遮拦，只支持点对点 连接，通信距离为1 - 3 米，最大传输速率可达1 6 m b p s 。 ( 2 ) i e e e8 0 2 11 x 1 9 9 7 年6 月，i e e e 推出了第一代w l a n 标准，定义了物理层和媒介访问控制子层 的技术规范，允许w l a n 无线设备制造商在一定范围内建立互操作网络设备。1 9 9 9 年 提出的i e e e8 0 2 1 l a 工作频段为5 g h z ，采用正交频分复用技术，提供8 个信道，数据 一7 一 东北大学硕士学位论文 第2 章系统分析及相关技术介绍 传输速率可达5 4 m b p s ，距离可达1 0 0 米。1 9 9 9 年正式批准的i e e e8 0 2 1 l b 标准工作频 率为2 4g h z ，采用直接序列扩频技术，数据传输率可达l l m b p s 。此外，还有i e e e 8 0 2 1 l e ，i e e e8 0 2 1 l f 等协议【6 】。 ( 3 ) 家庭无线电射频技术( h o m e r f ) 1 9 9 8 年h o m e r f 工作组制定的共享无线接入协议( s w a p ) 是h o m e r f 无线网络的基 础，也工作在2 4 g h zi s m 频段，距离约为5 0 米，传输速率为1 或2 m b p s 。由于h o m e r f 技术没有公开，只有几十家企业支持，在抗干扰方面尚有欠缺，没有广泛的应用前景1 7 , 8 , 9 1 。 ( 4 ) 蓝牙技术 蓝牙技术是由e r i c s s o n ，m m ，i n t e l ，n o k i a 以及t o s h i b a 公司推出的一种短距离无 线通信技术，也工作在2 4 g h zi s m 频段，采用快速跳频扩频技术，最新的2 0 版本的 蓝牙协议最大数据传输率可达3 m b p s ，在最大发射功率( 1 0 0 r o w , 2 0 d b m ，c l a s s l ) 时，传 输距离可达1 0 0 米。具有较好的抗干扰能力，收发器体积小，功耗较低t 1 0 , n l 。 ( 5 ) z i g b e e 技术一 z i g b e e 技术是一种新型的低功耗短距离无线传输技术，广泛应用于家庭自动化、工 业控制等领域。由i e e e8 0 2 1 5 4 定义的p h y 和m a c 作为z i g b e e 协议的底层，上层则 由z i g b e 圮联盟来完成，该标准定义了三个物理层标准：8 6 8 m h z ，9 1 5 m _ h z 以及2 4 g h z ， 传输速率分别为2 0 k b p s ，4 0 k b p s 以及2 5 0 k b p s ，网络容量大。作为新一代无线通信技术， z i g b e e 具有功耗低、成本低等特点，特别适用于数据传输量不大的低成本组网【1 2 1 。 飞思卡尔半导体作为z i g b e e 联盟的重要成员之一，提供了一套全面的z i g b e e 解决 方案，包括射频芯片、微控制器、传感器、参考设计、协议栈软件以及开发工具，为 z i g b e e 协议的发展做出了重要贡献。 由于蓝牙网络的设备必须频繁的向网络报告从而维持同步，所以不能轻易的进入 “睡眠 模式，相比之下，z i g b e e 具有很低的待机电流。w i f i 是一种w l a n 标准，它 要求网络上的设备几乎一直保持活动状态，保持高速率数据传输的同时，要耗费更多的 电能。另外，由于提供了m e s h 网络支持以及更小的内存需求，z i g b e e 更适用于那些要 求低功耗、低成本的应用。例如，在事件驱动的安防系统应用中，如果传感器每6 0 秒 发送一次数据并且每天有1 0 次事件警报，在两节a a 电池的电量支撑下，使用z i g b e e 技术的传感器可以工作3 5 5 9 天( 9 8 年) ，而使用蓝牙技术只能支撑1 0 0 天。本系统主要 传输电表读数以及控制命令，无需连续数据传输，z i g , b e e 技术完全可以满足本系统的要 求t 1 3 , 1 4 1 。 一8 一 东北大学硕士学位论文 第2 章系统分析及相关技术介绍 作为一种轻量级的无线网络，i e e e8 0 2 1 5 4 标准定义了m a c 层和p h y 层。z i g b e e 技术完全遵照i e e e8 0 2 1 5 4 协议并且增加了逻辑网络、安全以及应用软件，从而提供 了可以覆盖大面积网络、可扩展网络以及避免单点故障的静态动态星型、簇树型以及 m e s h 网络结构【1 5 】。 完整的z i g b e e 协议栈模型如图2 2 所示。 安全服务 提供者 应用层( a p e ) z i g b e e 设 备对象 ( z d o ) 应用支持子层( a p s ) 网络层( m v k ) f i g 2 2a r c h i t e c t u r eo fz i g , b e es t a c k 在z i g b e e 协议中，i e e e8 0 2 1 5 4 定义了m a c 和p h y 层，z i g b e e 联盟在其基础上 定义了a p s 以及n w k 层，应用对象由最终制造商提供。 飞思卡尔针对不同的应用场景提出了多种z i g b e e 解决方案：低端针对特定通信应 用，符合i e e e8 0 2 1 5 4p h y 层规范的s m a c ；中端符合m a c 层规范，有上层或应用 服务的8 0 2 1 5 4 网络；高端完全符合m 髓8 0 2 1 5 4 标准并拥有完整z i g b e e 软件协议栈 的完整z i g , b e e 网络。网络模型和应用越复杂，需要的内存开销、m c u 性能以及成本就 越大。针对本系统数据传输量小，网络模型简单的特点，选用s m a c 作为解决方案。 硬件选择方面，本系统使用飞思卡尔提供的m c l 3 1 9 2 u 作为z i g b e e 收发器，该收 发器是一款低成本的兼容z i g b e e 协议的演示开发模块，使用m c l 3 1 9 2 作为收发芯片， 并且在电路板上印刷了“f ”形天线，收发器通过s p i 接口与m c u 连接。m 5 2 2 3 3 d e m o 开发板是为m c f 5 2 2 3 3 微控制器设计的一款全功能、高性价比的开发板。开发板上集成 了b d m 模块，便于嵌入式应用的开发与调试。本系统选取该开发板控制m c l 3 1 9 2 u 收 发器。 一9 一 东北大学硕士学位论文第2 章系统分析瓦相关技术介绍 2 2 相关技术介绍 2 2 j 1u c l i n u x 操作系统 u c l i n u x 从完整的l i n u x 内核派生而来，沿袭了l i n u x 的绝大部分特性。它专门针对 没有内存管理单元( m m u ) 的c p u ，并且为嵌入式系统做了许多小型化的工作，通常用 于具有少量内存或h a s h 的嵌入式操作系统【1 6 】。由于经过了裁剪和优化，它形成了一个 高度优化，代码紧凑的嵌入式l i n u x 。u c l i n u x 具有体积小、稳定、良好的移植性、优秀 的网络功能、完备的对各种文件系统的支持，以及丰富的a p i 函数等优点。u c l i n u x 与 l i n u x 在兼容性方面表现出色，u c l i n u x 除了不能实现f o r k 0 夕b ，其余的a p i 函数与标准 l i n u x 完全相同【1 7 1 。在g n u 通用许可证的保证下，运行u c l i n u x 操作系统的用户可以使 用几乎所有的l i n u xa p i 函数。 最初的u c l i n u x 基于2 0 3 3 版本的l i n u x 内核，由d j e f fd i o n n e 和k e n n e t h a l b a n o w s k i 在m o t o r o l a 的d r a g o n b a l l 系列嵌入式6 8 k 处理器上实现，之后开发者将其 扩展到了更新的内核以及更新的微处理器架构上。1 9 9 9 年，u c l i n u x 开始支持c o l d f i r e 系列微处理器。l i n u x 内核从2 5 4 6 版本开始将一部分处理器架构的大部分u c l i n u x 代 码整合到了内核的开发主线中。u c l i n u x 支持多种架构及其基础上的产品，例如网络路 由器，d v d 或m p 3 播放器，v 0 p 电话或网关等等【1 8 1 。 2 2 2u s b 协议简介 u s b 起初设计用来取代连接计算机和外围设备的低速总线并口、串口以及键盘 鼠标使用的p s 2 口，随着越来越多的设备使用u s b 接口，u s b 接口已经非常普遍。1 9 9 6 年，u s b l 0 规范提出，定义了低速( 1 5m b i t s ) 和全速( 1 2m b i t s ) 两种传输速率，随后提 出的u s b l 1 规范对其进行了修正。2 0 0 0 年4 月，u s b 2 0 规范提出，增加了了高速( 4 8 0 m b 州曲传输速率以及其他的扩展【1 9 1 。2 0 0 7 年9 月1 8 日，p a tg e l s i n g e 在i n t e l 开发者论 坛( i d f ) 上展示了u s b3 0 ，达到了4 8g b i t l s 的传输速率【2 0 1 。此外，使用w i m 础a m b o f d m u w b 的无线u s b 也被提出，在3 米范围内可以达到4 8 0 m b i t s ，1 0 米范围 内可达1 1 0m b i t s 2 1 1 。 1 9 9 5 年提出的u h c i 规范描述了主控制器软件驱动与主控制器硬件之间的软硬件 接口，包含两部分：主控制器驱动程序( h c d ) 以及主控制器( h c ) ，h c d 软件负责维护 一1 0 一 东北大学硕士学位论文第2 章系统分析及相关技术介绍 u s b 通讯的调度。h c d 是系统软件的一部分，通常由操作系统提供。h c 在系统内存与 u s b 设备之间交换数据。1 9 9 9 年提出的e h c i 规范描述了u s b2 0 主控制器的寄存器级 接口。图2 3 为u s b 系统框图。 系统软件 。 硬件 l 、一 客户驱动程序 i i通用总线驱动程序( u s b 。) ii i 协调控制器驱动程序 e h c d ii i 协调控制器 e h c i t 1 u s b 设备 图2 3u s b 系统框图 。 f i g 2 3s t r u c t u r eo fu s bs y s t e m 许多便携设备受益于通过u s b 接口与设备通讯，但是标准的u s b 协议很难做到这 一点。具体而言，u s b 通讯只能发生在主机和外设之间，然而，一个设备要成为p c 主， 机，必须具各以下特点： ( 1 ) 存储有大量设备的驱动程序； 知， ( 2 ) 有提供大电流的能力； ( 3 ) 具备“a 型连接器。 许多便携设备同时具备上述特点是不实际的，而且在很多情况下，为了实现这些设 备特定功能的通讯，上述要求是没有必要的。 为了实现这些需求有限的便携u s b 应用，o n t h e g o 作为u s b2 0 规范的补充被 开发出来，它允许便携设备充当一个受限的u s b 主机的角色，而不用满足作为u s b 主 机的所有要求。这项补充的目标是定义一个对u s b2 0 规范修改的最小集，从而实现便 携u s b 应用。o t g 的主要改变是为外围设备定义了一个“d u a l r o l e ”，当接入另外一 个外围设备时该设备会成为一个低功耗u s b 主机。大多数支持o t g 的外围设备都有一 个m i n i a b 接口，根据不同接口的连接，设备可以成为外设端或主机端。如果连接两个 “d u a l r o l e ”，“错误的 一端可能初始化为主机端，这时，o t gh n p 协议使设备实现 “主机 与“设备”角色的自动转换【2 2 1 。2 6 9 版本的l i n u x 内核第一次实现了o t g ， 它支持1 1 的o m a p 处理器【2 3 1 。 一1 1 东北大学硕士学位论文 第2 章系统分析及相关技术介绍 m c f 5 2 5 3 的u s b 控制器提供了u s b2 0 接口，其寄存器和数据结构基于e h c i 规 范进行设计，并且支持o t g 规范。模块有三种基本操作模式：主、从、o t g 。操作模 式通过软件选择。主模式下，模块支持低速、全速以及高速u s b ；从模式下，只支持全 速和高速【冽。 u s b 驱动程序存在于不同的内核子系统与u s b 硬件控制器之间，u s b 内核为u s b 驱动提供了用于读取和控制u s b 硬件的接口，而不需要考虑不同的u s b 控制器类型。 图2 4 为u s b 驱动的逻辑层次。 用户空间 妙 一卜蝴 n 龌 c h a r 层1 1 r y 层 内核空间 u s b 设备驱动程序 i _ ，u s b 内核 。u s b 主控制器 介 硬件 图2 4u s b 驱动逻辑层次 f i g 2 4l o g i cs t r u c t u r eo fu s b d r i v e r s u s b 通讯中最基本的形式称为端点( e n d p o i n t ) ，与单向管道类似，端点只能单向传 输数据，从主计算机到设备方向的端点称为出端点，从设备到主计算机方向的端点称为 入端点。根据数据传输方式的不同，端点分为四类： ( 1 ) 控制( c o n t r o l ) 控制端点用于访问u s b 设备的不同部分，通常用于配置设备，读取设备信息，向 设备发送命令或者获取设备状态。这些端点一般比较小。每个u s b 设备都有一个称为 “e n d p o i n t0 的控制端点，用于设备连接时u s b 内核配置设备。u s b 协议通常为控制 端点的传输保留足够的带宽以保证其传输。 ( 2 ) 中断( i n t e r r u p t ) 。 u s b 主设备每隔固定的时间间隔向设备查询数据时，通常使用中断端点。这种形式 是u s b 键盘和鼠标的主要数据传输形式。也可以使用此形式向设备发送控制数据，但 是数据量一般较小。u s b 协议通常也为中断端点的传输保留足够的带宽以保证其传输。 一12 查：l 垦奎学硕士学位论文第2 章系统分析及相关技术介绍 ( 3 ) 批量( b u l k ) 批量端点用于传输大量的数据，比中断端点大，通常用于传输保证不丢失的数据。 u s b 协议不保证在特定的时间内对批量端点的传输，如果总线上没有足够的空间以发送 整个数据包，该数据包会被拆分成多次传输。打印机、存储设备以及网络设备通常使用 此端点。 ( 4 ) 同步( i s o c h r o n o u s ) 同步端点同样传输大量数据，但数据可能不被传输。通常用于可以容忍数据丢失但 要保证数据连通性的设备。实时数据采集设备，如音频、视频设备通常使用此端点。 u s b 摄像头图像数据的传输使用同步方式。 控制和批量端点一般用于异步数据传输。中断和同步端点是周期性的，即这些端点 用于固定时间间隔的连续性数据传输，u s b 内核将为其保留带宽。 u s b 端点组成接e l ( i n t e r f a c e s ) 。u s b 接口只处理一种u s b 逻辑连接，例如鼠标、 键盘或音频流连接。某些u s b 设备具有多个接口，例如，u s b 扩音器可能包含两个接 口：一个为按键的u s b 键盘，另一个为u s b 音频设备。由于一个u s b 接口代表一个 基本功能，每个u s b 驱动程序都控制一个接口，因此，对于上述u s b 扩音器，l i n u x 需要两个不同的驱动程序。 u s b 接口组成配置( c o n f i g u r a t i o n s ) 。一个u s b 设备可能含有多个配置，这样就可 以切换不同的设备状态。例如，