基于ARM的网络传感器硬件设计.doc

基于ARM的网络传感器硬件设计摘要网络传感器是传感器发展的一个重要方向。网络传感器与一般的传感器不同，它能够将经典的传感器输出信号经过变换后通过网络接口传送到网络中。选择合适的 MCU、网络接口、数据采集装置和嵌入式操作系统、嵌入式协议栈，可实现低功耗和微小体积的网络传感器。作为嵌入式网络服务器，要能运行嵌入式操作系统和嵌入式 TCP/ IP 协议栈。同时还要满足低功耗，较强的处理能力和较快的速度等要求。在简要介绍网络传感器概念和特点的基础上，提出用低功耗的Philip ARM7TDMI核的LPC2104作为微控制器，以RS-232作为网络接口的网络温度传感器的设计，完成设备的硬件检测和通信状态(基本RS-232通信、SLIP网络接口协议通信、Modem方式通信)及开关检测，并随着操作系统的启动而运行。在软件上采用嵌入式C/ OSII。关键词 ARM/嵌入式系统/网络传感器/C/ OSII1 绪论1.1 嵌入式系统嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可剪裁，系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗要求非常严格的专用计算机系统。嵌入式系统不同于一般的系统，它具有其它应用所不具有的一些特性1：体积小。在智能化设备、仪器仪表、信息家电等应用场合，出于对产品的体积、成本等因素的考虑，一般要求将计算机控制部分安装在系统内部，并且要求所占用的空间尽可能地小。良好的性能价格比。嵌入式系统要求开发周期短，性能优越，良好的性能价格比是在市场上取得优势的关键，这也是嵌入式系统设计的目标之一。存储容量小。嵌入式系统中一般没有硬盘等设备，而以ROM，FLASH memory 作为存储介质，由于FLASH memory的价格一般比较昂贵，并且嵌入式应用要求其体积尽可能小。实时性比较强。嵌入式系统，一般作为应用的关键部分，时间特性要求非常严格。在一些应用系统中，超过了一定的时限，即使得出了所需的结果，但效果和没有得出结果是一样的，对应用系统没有作用甚至是有害的。1.2 嵌入式系统概况嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件”。1.2.1 嵌入式处理器嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备以下特点1：对实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，很强的存储区保护功能，这是由于嵌入式系统的软件结构己模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。可扩展的处理器结构，以能迅速地扩展出满足应用的高性能的嵌入式微处理器。嵌入式微处理器的功耗必须很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，功耗只能为m W甚至u W级。1.2.2 嵌入式操作系统及应用现状嵌入式操作系统作为嵌入式系统的核心，其应用也越来越广泛，尤其在手持设备、信息家电领域更加突出2。但嵌入式系统以及嵌入式软件设计技术仍旧处于起步阶段，仍旧未能形成一套完整、有效、通用的开发方法和规范。嵌入式系统的实时多任务操作系统(RTOS)日趋成熟，并且已成为嵌入式系统的热点。嵌入式操作系统通常包括与硬件相关的底层驱动程序、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。据统计仅用于信息电器的嵌入式操作系统就有40多种。目前比较成熟的商品化嵌入式操作系统主要有LambdaTOOL/DeltaOS，VxWorks，pSOS、Neculeus PLUS、Windows CE，Ecos、QNX、palmOS、Epoc、ucLinux、CMX，Hopen，LynxOS，OSE，RTXC，VRTX，pencil等等，其中有一些是公开源码的，便于移植。嵌入式应用系统的特点，决定了这些嵌入式操作系统具有如下的应用特点：体积小，高性能，良好的容错性和可靠性易于隔离系统中出现的各种错误系统结构更加灵活分布式计算和并行计算的良好支持良好的可扩展性和可剪裁性操作系统的结构更加模块化支持多任务的嵌入式TCP/IP网络组件，适用于内存要求较小、可靠性要求较高的网络应用。嵌入式应用的复杂化使嵌入式操作系统的作用更加突出，但现有的嵌入式操作系统或在性能方面，或者在体积、或者在对系统的软硬件的支持方面，不能更好的满足应用需求。嵌入式操作系统的微核心思想，在应用中获得了巨大的成功，但同时随着应用的复杂化，微内核的体积越来越大，如何改善微内核操作系统的性能和效率己经成为当今嵌入式操作系统的一大热点。目前有两种观点，一种观点认为：在微内核结构操作系统中大多采用了客户/服务器模式，而客户访问服务器提供的服务是通过通信来实现，这一通信过程需要核心参与，引入了大量进出核心的过程，同时也导致了频繁进行下文切换和数据拷贝，这带来了较大的额外开销，影响了系统性能。由此看来，微内核操作系统性能不好的根源在于微内核方法是微内核思想或微内核技术本身所固有的缺点。另一种观点认为：微内核思想本身没有什么问题，问题的关键在于受传统操作系统内核实现的影响，实现微内核操作系统时所采用的具体结构和技术不合理。从微内核操作系统的发展过程来看，后一种观点更合理。所以微内核结构还是要采用，问题的关键是研制与开发系统的过程中，采用什么体系结构，如何消除对系统性能造成不利影响的因素。1.2.3 嵌入式系统应用软件嵌入式应用软件是嵌入式应用系统的核心，一般地，嵌入式系统应用软件和嵌入式操作系统一起，固化在只读存储器中，而不是以磁盘为载体，不可以随意更换，所以嵌入式系统的应用软件生命周期也和嵌入式产品一样长。应用软件代码要求高质量、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。为此要求程序编写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。随着嵌入式系统应用复杂性的不断提高，嵌入式软件在系统中所占的比重不断增加，软件开发已经成为开发嵌入式系统的重要制约因素，良好的软件体系结构和合适的开发方法，对于系统开发的成功具有重大的意义。目前，嵌入式应用软件的设计技术还处于起步阶段，没有形成一套完整、有效的开发和设计方法。但嵌入式软件的设计越来越多地基于嵌入式操作系统进行开发，嵌入式软件设计与嵌入式操作系统的紧密结合是嵌入式应用系统发展的一个重要特点。 1.2.4 嵌入式网络接口发展现状嵌入式系统目前多应用于家用市场、工业市场、商业市场、通讯市场和国防市场，应用嵌入式操作系统的产品形态丰富多样，产品市场潜力巨大。特别是在互联网应用、无线通讯产品、蓝牙等相关技术等方面应用广泛3。嵌入式系统广泛地应用于国民经济和国防各个领域，发展非常迅速。嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上PDA、移动计算设备。电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备。嵌入式系统的市场增长为每年18%，大约是信息技术产业市场平均增长率的两倍。目前世界上大约有2亿台通用计算机，而嵌入式微处理器有大约60亿个。嵌入式系统产业是二十一世纪信息产业新的经济增长点，是计算机市场的重要组成部分。嵌入式系统在工业方面应用主要是工业自动化仪表与医疗仪器等，用于对象参数检测及控制，一般是在专用局域网内进行数据处理。随着嵌入式系统的广泛应用，信息交换、资源共享机会增多，单纯个网行为无法满足现代控制技术发展需要。统计数字表明，目前全球85%的网络采用以太网技术。以太网技术的优势是成本低、灵活，在接入领域使用以太网技术作为产品开发平台已经成为一个必然的发展趋势，有一统天下之势。以前用以太网技术开发的相关产品，主要应用于企业环境。在大型企业自动化系统中，上层企业管理层和生产监控层一般采用的都是以太网和PC机，而在下层车间现场都是采用现场总线和单片机测控设备。上下两层的沟通，通常采用工业控制机加以太网卡，再加上PC机插槽上的接口卡和并行打印口EPP接口卡来实现。这种连接方式成本高，开发周期长，不能很好地满足商业应用领域或企业客户业务与网络融合更加紧密的需要。以太网的存在又给嵌入式系统提供了一个广泛发展的空间。特别是在工业技术领域，由于工业自动化系统正向分布化、智能化的实时控制方面发展，要求企业从现场控制层到管理层能实现全面的无缝信息集成，但目前的现场总线尚不能满足这些要求。多种现场总线互不兼容，不同公司的控制器之间不能相互实现高速的实时数据传输，因此急需寻求工业总线与以太网沟通方法。目前国内、外已经开发出一些相关的嵌入式以太网控制器，如惠普公司的102Base T以太网接口，NET silicon 公司应用 NET+ARM体系，还有一些带有以太网接口的智能仪表、嵌入式智能控制器终端等，将网络功能嵌入终端设备中，使其可直接通过网络进行网络通信、数据交换。但多数以太网产品多是利用相关以太网接口芯片与微处理器相结合，或是构成单一功能的工业控制模块，虽然简化了网络结构，降低了安装、维护的难度和成本，提高通信信道利用率，可只是与以太网构成简单通讯，其可靠性、实用性、实时性并不很理想，对工业控制网与以太网相互间数据通讯存在的数据安全性问题研究较少。随着微电子技术的快速发展，嵌入式系统芯片功能更加强大，特别是SOC（System on Chip）将成趋势，这不仅能降低成本，缩小产品体积，还将增强产品的可靠性。同时，软件硬件的紧密结合，嵌入式软件与硬件界线更加模糊，嵌入式软件时常以硬件形态存在，这种方式可提高实时性，增强可维护性。因此无论是在企业网还是在电信网中，嵌入式以太网产品将会更加适应用户的需求。1.3 课题的提出及本文主要工作1.3.1 课题的提出随着信息技术的飞速发展，特别是互联网的迅速普及，3C（计算机、通讯、消费电子）合一的加速，数字化时代已经来临，嵌入式系统技术的应用日益广泛。嵌入式系统具有系统内核小、专用性强、系统精简、高实时性的操作系统软件等特点，使得其在工业过程控制、交通管理、信息家电及机器人系统等研究生产领域中得到广泛应用。而在这些应用中，为了实现多个嵌入式微处理器之间的信息交流，大多利用CAN、RS-232、RS-485等总线将微处理器组网，这种网络的通信距离比较有限，有关的通信协议也比较少，并且一般是孤立于Internet以外的4。随着嵌入式应用的普及，利用嵌入式技术解决联网问题日益引人关注。在信息化进程中，如何实现资源共享已经是几乎所有电气设备需要解决的技术问题。在传统的工控领域，大量的测控设备，如仪器仪表、数据采集和显示设备、过程控制设备等，面临更紧迫的联网需求。因此在工业化进程中，为解决工业现场信息共享问题，研究实用的网络接口显得尤为重要。为有效地解决工业控制系统与互联网接口问题提出了此研究课题。1.3.2 本论文主要研究内容网络传感器与一般的传感器不同，它能够将经典的传感器输出信号经过变换后通过网络接口传送到网络中。像经典传感器一样把要采集的物理量变为电信号，包括电流、电压频率及数字量；经过数据采集模块转变为微控制器处理，同时运行嵌入式操作系统和嵌入式 TCP/ IP能够接收的数字量，由微控制器对所采集数据进行协议栈；由网络接口将网络传感器接入网络，实现传感器的网上数据共享。本论文主要研究完成以下几个方面内容工作：1、把要采集的物理量变为电信号，把经过以低功耗的Philip ARM7TDMI 核的微控制器LPC2104数据采集的数据，包括电流、电压频率及数字量进行处理。2、运行嵌入式操作系统和嵌入式 TCP/ IP能够接收的数字量，由微控制器对所采集数据进行协议栈。3、由网络接口将网络传感器接入网络，实现传感器的网上数据共享。2 ARM处理器概述2.1 ARM简介ARM（Advanced RISC Machines）5，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1991年ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用ARM技术知识产权（IP）核的微处理器，即我们通常所说的ARM微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75以上的市场份额，ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM公司的授权，因此既使得ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。2.2 ARM微处理器的应用领域及特点2.2.1 ARM微处理器的应用领域到目前为止，ARM微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域2：1、工业控制领域：作为32的RISC架构，基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8位/16位微控制器提出了挑战。2、无线通讯领域：目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM技术，ARM以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。3、网络应用：随着宽带技术的推广，采用ARM技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。此外，ARM在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对DSP的应用领域提出了挑战。4、消费类电子产品：ARM技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。5、成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM技术。手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术。除此以外，ARM微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更加广泛的应用。2.2.2 ARM微处理器的特点采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点：1、体积小、低功耗、低成本、高性能。2、支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件。3、大量使用寄存器，指令执行速度更快。4、大多数数据操作都在寄存器中完成。5、寻址方式灵活简单，执行效率高。6、指令长度固定。2.3 ARM微处理器分类ARM微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于ARM体系结构的处理器，除了具有ARM体系结构的共同特点以外，每一个系列的ARM微处理器都有各自的特点和应用领域5。 ARM7系列 ARM9系列 ARM9E系列 ARM10系列 ARM10E系列 SecurCore系列 Inter的Xscale Inter的Strong ARM其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10为4个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。SecurCore系列专门为安全要求较高的应用而设计。目前非常流行的ARM芯核有ARM7TDMI，Strong ARM，ARM720T，ARMgTDMI，ARM922T，ARM940T，ARM946T，ARM966T，ARM10TDMI等，自V5以后，ARM公司提供PICCOLO DSP的芯核给芯片设计者，用于设计ARMDSP的SOC（System on Chip）结构的芯片。此外，RAM芯片还获得了许多实时操作系统(Real Time Operating System)供应商的支持，比较知名的有：Windows CE、Linux、pSOS、Vxworks，Nucleus、EPOC、C/OS、BeOS等。在ARM内核中有四个功能模块可供生产厂商根据不同用户的不同要求来配置生产9。这四个模块分别用T、D、M和I来表示。T：表示Thumb该内核可从16位指令集扩充到32位ARM指令集。D：表示Debug，该内核中放置了用于调试的结构，通常它为一个边界扫描链JTAG，可使CPU进入调试模式，从而可方便地进行断点设置、单步调试。M：表示Multiplier，是8位乘法器。I：表示EmbeddedICE LosiC，用于实现断点观测及变量观测的逻辑电路部分，其中的TAP控制器可接入到边界扫描链。ARM7采用ARMV4T（Newrnan）结构，分为三级流水，空间统一的指令与数据Cache，平均功耗为0.6mWMHz，时钟速度为66MHz，每条指令平均执行1.9个时钟周期。其中的ARM710，ARM720和ARM740为内带Cache的ARM核。ARM7TDMI（Thumb）：这是公司授权用户最多的一项产品，ARM7指令集同Thumb扩展组合在一起，以减少内存容量和系统成本。同时，它还利用嵌入式ICE调试技术来简化系统设计，并用一个DSP增强扩展来改进性能。ARM7系列微处理器为低功耗的32位RISC处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。ARM7微处理器系列具有如下特点：1、具有嵌入式ICERT逻辑，调试开发方便。2、极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。3、能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构。4、代码密度高并兼容16位的Thumb指令集。5、对操作系统的支持广泛，包括Windows CE、Linux、Palm OS等。6、指令系统与ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，便于用户的产品升级换代。7、主频最高可达130MIPS，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。ARM9采用ARMV4T（Harvard）结构，五级流水处理以及分离的Cache结构，平均功耗为0.7mWMHz。时钟速度为120MHz200MHz，每条指令平均执行1.5个时钟周期。与ARM7系列相似，其中的ARM920、ARM940和ARM9E均为含Cache的CPU核。性能为132MIPS（120MHZ时钟，3.3V供）或220MIPS（200MHZ时钟）。ARM9同时配备Thumb扩展、调试和Harvard总线。在生产工艺相同的情况下，性能可ARM7TDMI的两倍之多。ARM9系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。ARM9E系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理器内核提供了微控制器、DSP、Java应用系统的解决方案，极大的减少了芯片的面积和系统的复杂程度。ARM9E系列微处理器提供了增强的DSP处理能力，很适合于那些需要同时使用DSP和微控制器的应用场合。ARM9E系列微处理器包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S三种类型，以适用于不同的应用场合。ARM10采用ARMVST结构，六级流水处理，指令与数据分离的Cache结构。平均功耗为1000mw，时钟速度为300MHZ，每条指令平均执行1.2个周期，其中ARM1020为带Cache的版本。ARM10TDMI：与所有ARM核在二进制级代码兼容，内带高速32X16MAC预留DSP处理器接口。其中的VFP10（矢量浮点单元）为七级流水结构。ARM1020T：ARM10TDMI32KID CaChesMMU结构，300MHZ时钟，功耗为1W（2.0V供电）。指令Cache和数据Cache分别为32K，宽度为64bits。能够技术多种商用操作系统。适用于下一代高性能手持式因特网设备及数字式消费类应用。ARM10E系列微处理器具有高性能、低功耗的特点，由于采用了新的体系结构，与同等的ARM9器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近50%，同时，ARM10E系列微处理器采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。ARM10E系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。ARM10E系列微处理器包含ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S三种类型，以适用于不同的应用场合。SecurCore系列微处理器专为安全需要而设计，提供了完善的32位RISC技术的安全解决方案，因此，SecurCore系列微处理器除了具有ARM体系结构的低功耗、高性能的特点外，还具有其独特的优势，即提供了对安全解决方案的支持。SecurCore系列微处理器主要应用于一些对安全性要求较高的应用产品及应用系统，如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。SecurCore系列微处理器包含SecurCore SC100、SecurCore SC110、SecurCore SC200和SecurCore SC210四种类型，以适用于不同的应用场合。Inter Strong ARM SA-1100 处理器是采用ARM体系结构高度集成的32位RISC微处理器。它融合了Inter公司的设计和处理技术以及ARM体系结构的电源效率，采用在软件上兼容ARMv4体系结构、同时采用具有Intel技术优点的体系结构。Intel Strong ARM 处理器是便携式通讯产品和消费类电子产品的理想选择，已成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品。Xscale处理器是基于ARMv5TE体系结构的解决方案，是一款全性能、高性价比、低功耗的处理器。它支持16位的Thumb指令和DSP指令集，已使用在数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。Xscale处理器是Inter目前主要推广的一款ARM微处理器。2.4 ARM微处理器结构2.4.1 RISC体系结构传统的CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）结构有其固有的缺点，即随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集，为支持这些新增的指令，计算机的体系结构会越来越复杂，然而，在CISC指令集的各种指令中，其使用频率却相差悬殊，大约有20的指令会被反复使用，占整个程序代码的80。而余下的80的指令却不经常使用，在程序设计中只占20，显然，这种结构是不太合理的7。基于以上的不合理性，1979年美国加州大学伯克利分校提出了RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机）的概念，RISC并非只是简单地去减少指令，而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度上。RISC结构优先选取使用频最高的简单指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻地方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等措施来达到上述目的。到目前为止，RISC体系结构也还没有严格的定义，一般认为，RISC体系结构应具有如下特点8：1、采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式有23种。2、使用单周期指令，便于流水线操作执行。3、大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载/ 存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。除此以外，ARM体系结构还采用了一些特别的技术，在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积，并降低功耗：1、所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效率。2、可用加载/存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率。3、可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。4、在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。当然，和CISC架构相比较，尽管RISC架构有上述的优点，但决不能认为RISC架构就可以取代CISC架构，事实上，RISC和CISC各有优势，而且界限并不那么明显。现代的CPU往往采用CISC的外围，内部加入了RISC的特性，如超长指令集CPU就是融合了RISC和CISC的优势，成为未来的CPU发展方向之一。2.4.2 ARM微处理器的寄存器结构ARM处理器共有37个寄存器，被分为若干个组（BANK），这些寄存器包括： 31个通用寄存器，包括程序计数器（PC指针），均为32位的寄存器。 6个状态寄存器，用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态，均为32位，目前只使用了其中的一部分。同时，ARM处理器又有7种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下均有一组相应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器包括15个通用寄存器（R0R14）、一至二个状态寄存器和程序计数器。在所有的寄存器中，有些是在7种处理器模式下共用的同一个物理寄存器，而有些寄存器则是在不同的处理器模式下有不同的物理寄存器。关于ARM处理器的寄存器结构，在后面的相关章节将会详细描述。2.4.3 ARM微处理器的指令结构ARM微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集5：ARM指令集和Thumb指令集。其中，ARM指令为32位的长度，Thumb指令为16位长度。Thumb指令集为ARM指令集的功能子集，但与等价的ARM代码相比较，可节省3040以上的存储空间，同时具备32位代码的所有优点。3 RS-232接口3.1 RS-232定义计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。RS-232-C接口（又称EIA RS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数，它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准” 。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。（1）接口的信号内容实际上RS-232-C的25条引线中有许多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般只使用39条引线。RS-232-C最常用的9条引线的信号内容见表1所示。（2）接口的电气特性在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑“1”，-5 -15V；逻辑“0” +5 +15V。噪声容限为2V。即要求接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”，高到-3V的信号作为逻辑“1”。（3）接口的物理结构RS-232-C接口连接器一般使用型号为DB-25的25芯插头座，通常插头在DCE端，插座在DTE端。一些设备与PC机连接的RS-232-C接口，因为不使用对方的传送控制信号，只需三条接口线，即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。所以采用DB-9的9芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。（4）传输电缆长度由RS-232-C标准规定在码元畸变小于4%的情况下，传输电缆长度应为50英尺，其实这个4%的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有99%的用户是按码元畸变10-20%的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过50英尺，曾规定允许码元畸变为10%而得出表2的结果。其中1号电缆为屏蔽电缆，型号为DECP.NO.9107723内有三对双绞线，每对由22# AWG组成，其外覆以屏蔽网。2号电缆为不带屏蔽的电缆。型号为DECP.NO.9105856-04是22#AWG的四芯电缆。表1 RS-232接口引脚定义25芯 9芯 信号方向来自 缩写 描述名2 3 PC TXD 发送数据3 2 调制解调器 RXD 接收数据4 7 PC RTS 请求发送5 8 调制解调器 CTS 允许发送6 6 调制解调器 DSR 通讯设备准备好7 5 GND 信号地8 1 调制解调器 CD 载波检测20 4 PC DTR 数据终端准备好22 9 调制解调器 RI 响铃指示器表2 DTE DCE设备信号线电流方向图9芯 25芯 25芯 9芯DTE DTE DCE DCE3 2 2 3 2 3 3 27 4 4 78 5 5 86 6 6 65 7 7 51 8 8 14 20 20 49 22 22 9RS-232就是串口，电脑机箱后方的9芯插座，旁边一般有 |O|O| 样标识。RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。3.2 RS-232接口定义及连线图1 RS-232接口电路图RS-232接口又称之为RS-232口、串口、异步口或一个COM（通信）口。“RS-232”是其最明确的名称。在计算机世界中，大量的接口是串口或异步口，但并不一定符合RS-232标准，但我们也通常认为它是RS-232口。严格地讲RS-232接口是DTE（数据终端设备）和DCE（数据通信设备）之间的一个接口，DTE包括计算机、终端、串口打印机等设备。DCE通常只有调制解调器（MODEM）和某些交换机COM口是DCE。标准指出DTE应该拥有一个插头（针输出），DCE拥有一个插座（孔输出）。这经常被制造商忽视（如：WYSE终端就是孔输出DTE串口）但影响不大，只要搞清楚DCE、DTE就行了，然后按照标准接线图接线就不会错了。RS-232接口电路如图1所示。（DTE、DCE 引脚定义相同）RS-232接口针脚定义共两种，如下所示：1、25针的接口定义：Pin 1 Protective Ground Pin 2 Transmit Data Pin 3 Received Data Pin 4 Request To Send Pin 5 Clear To SendPin 6 Data Set Ready Pin 7 Signal Ground Pin 8 Received Line Signal Detector (Data Carrier Detect)Pin 20 Data Terminal Ready Pin 22 Ring Indicator 2、9针接口针脚定义Pin 1 Received Line Signal Detector(Data Carrier Detect) Pin 2 Received Data Pin 3 Transmit Data Pin 4 Data Terminal Ready Pin 5 Signal Ground Pin 6 Data Set Ready Pin 7 Request To Send Pin 8 Clear To Send Pin 9 Ring Indicator3.3 RS-232-C接口标准详解串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有几种。但都是在 RS-232标准的基础上经过改进而形成的。所以，以RS-232-C为主来讨论。RS-232-C标准是美国EIA(电子工业联合会）与BELL等公司一起开发的1969年公布的通信协议。它适合于数据传输速率在020000b/s范围内的通信。这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电器特性都作了明确规定。由于通行设备厂商都生产与RS-232-C制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。 在讨论RS-232-C接口标准的内容之前，先说明两点： 首先，RS-232-C标准最初是远程通信连接数据终端设备DTE(Data Terminal Equipment)与数据通信设备DCE（Data Communication Equipment)而制定的。因此这个标准的制定，并未考虑计算机系统的应用要求。但目前它又广泛地被借来用于计算机（更准确的说，是计算机接口）与终端或外设之间的近端连接标准。显然，这个标准的有些规定及和计算机系统是不一致的，甚至是相矛盾的。有了对这种背景的了解，我们对RS-232-C标准与计算机不兼容的地方就不难理解了。 其次，RS-232-C标准中所提到的“发送”和“接收”，都是站在DTE立场上，而不是站在DCE的立场来定义的。由于在计算机系统中，往往是CPU和I/O设备之间传送信息，两者都是DTE，因此双方都能发送和接收。 3.4 总结以往，PC与智能设备通讯多借助RS-232、RS485、以太网等方式，主要取决于设备的接口规范。但RS-232、RS485只能代表通讯的物理介质层和链路层，如果要实现数据的双向访问，就必须自己编写通讯应用程序，但这种程序多数都不能符合ISO/OSI的规范，只能实现较单一的功能，适用于单一设备类型，程序不具备通用性。在RS-232或RS485设备联成的设备网中，如果设备数量超过2台，就必须使用RS485做通讯介质，RS485网的设备间要想互通信息只有通过“主（Master）”设备中转才能实现，这个主设备通常是PC，而这种设备网中只允许存在一个主设备，其余全部是从（Slave）设备。而现场总线技术是以ISO/OSI模型为基础的，具有完整的软件支持系统，能够解决总线控制、冲突检测、链路维护等问题。4 传感器4.1 概论随着科学技术的发展，数字化、智能化、网络化、信源压缩已成为发展的趋势。传感技术与通信技术、计算机技术相互结合而构成网络化智能传感技术，为传感技术的发展开辟了一个新方向，并以精度高、可靠性好、能够与计算机通信等特点，在过程控制中将得到很广泛的应用。但是，传统的智能传感器已远远不能满足现代化的需求，因此，开发高可靠性、多功能的网络化智能传感器成为人们关注的热点。“网络化智能传感器”即在智能传感技术上融合通信技术和计算机技术，使传感器具备自检、自校、自诊断及网络通信功能，从而实现信息的“采集”、“传输”和“处理”真正统一协调，是一种新型智能传感器。目前，随着计算机网络技术、现场总线技术和通信技术的迅速发展，网络化测控已成为测控领域的必然趋势。网络传感器作为现场级的数字化传感器，在现场总线系统(FCS)中得到了广泛的应用，如，控制局域网(CAN)、局部操作网络(Lon Works)、基金会现场总线(FF)等。但是，由于诸多的控制网络在内部结构、通信接口、协议等方面均有所差异，就某个现场总线中使用的传感器必须符合该总线的标准，从而给系统的扩展、维护、相互间的通信等带来不利的影响。为了解决传感器与各种网络相连的问题，IEEE组织通过了IEEE1451.2标准，该标准是在控制网络和传感器之间定义一个标准接口，使传感器的选择和网络的选择分开，实现真正意义上的即插即用。网络传感器的研究过去一直受限于硬件平台而发展缓慢。随着半导体技术、通信技术、微电子技术和微机械技术的不断进步，低功耗、低价格、多功能的传感器网络系统得到了快速发展，使得制作微小、有弹性、低功耗的传感器节点成为现实。4.2 网络传感器传感器网络被认为是影响人类未来生活的十大新兴技术之一，它是计算机技术 通信技术和传感器网络技术相结合的产物。传感器网络是由大量的传感器节点组成的，它们能够协作地实时监测，感知和采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理。传感器节点是组成无线传感器网络的基本单位,是构成无线传感器网络的基础平台。节点不仅完成采集信息 融合并传送数据的功能，节点中的电源模块还负责节点的驱动，是决定网络生存期的关键因素。网络传感器与一般的传感器不同，网络传感器系统由现场网络环境、各个现场传感器节点的网络驱动模块NCAP、传感器接口模块STIM以及相应的NCAP与STIM之间的接口三部分组成。STIM主要由电子数据表单、传感器接口、现场传感器、功能模块、TII接口以及STIM核心控制器模块等组成。网络传感器能够将经典的传感器输出信号经过变换后通过网络接口传送到网络中6。网络传感器工作原理：像经典传感器一样把要采集的物理量变为电信号，包括电流、电压频率及数字量；经过数据采集模块转变为微控制器处理，同时运行嵌入式操作系统和嵌入式TCP/IP能够接收的数字量，由微控制器对所采集数据进行协议栈；由网络接口将网络传感器接入网络，实现传感器的网上数据共享。图2是一种典型的网络传感器硬件结构图。图2 网络传感器硬件结构图传感模块：传感模块将各种物理量转换为电量，主要由具体的传感单元来实现，如温湿度传感单元、光敏传感单元及气敏传感单元等，其输出包括模拟量、数字量、开关量等。信号处理模块：信号处理模块以微处理器为核心，主要完成A/D转换、数字信号处理（如数字滤波、非线性补偿、自诊断）和数据输出调度（选择数据远程输出还是本地输出等）。网络接口模块：网络接口模块用来实现本地数据的远程传送及接收远程控制命令等。实现网络接口的方式一般有两种：软件方式和硬件方式。软件方式是开发者将TCP/IP协议嵌入到特定的芯片中；硬件方式是直接使用已经嵌入了TCP/IP协议的芯片。网络传感器是集传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及通信技术、分布式信息处理技术于一身的资源受限的嵌入式设备，是“普适计算”在微型嵌入式领域的一种重要应用模式。4.3 应用特点网络传感器应用有其自身的特点，主要有以下几个方面：小尺寸和低功耗、并发密集操作、有限的物理并行性和控制层次、多样化的设计和使用。一方面，传感器资源极其有限，给底层嵌入式程序设计带来较大的限制；另一方面，传感器上运行的应用程序和系统内核通常是紧密结合在一起的，且运行时需要的任务数量、执行时间、执行结果以及内存消耗等是可以较好预计的。此外，传感器种类繁多，针对不同应用场合需要不同种类的传感器；在军事应用、空间探索等特定应用场合下，更是需要大量的不同种类的传感器协同合作来完成特定应用事件。因而传感器上运行的软件系统如果能够具备相对较好的灵活性、可配置性和可重用性，将能更好地满足应用需求。4.4 总结随着科学技术的发展，数字化、智能化、网络化、信源压缩已成为发展的趋势。传感技术与通信技术、计算机技术相互结合而构成网络化智能传感技术，为传感技术的发展开辟了一个新方向，传感器种类繁多，针对不同应用场合需要不同种类的传感器，而网络传感器是传感器发展的一个重要方向，是智能传感技术和计算机通信技术相结合而提出的一个全新概念。所以，网络传感器的设计是适应社会科技迅速发展的需求的，选择合适的MCU、网络接口、数据采集装置和嵌入式操作系统、嵌入式协议栈，可实现低功耗和微小体积的网络传感器。5 系统设计5.1 硬件设计网络传感器的设计要满足高可靠、低功耗、低成本等要求，这都直接决定于其通信模块的技术实现，作为一个全新的研究方向，对网络传感器通信模块实现技术的研究有着十分重要的现实意义。本文采用ARM体系结构微处理器、嵌入式实时操作系统C/OS-核、轻量级TCP/IP网络协议栈lwIP等嵌入式组件技术，提出了一种基于Internet技术的嵌入式Web传感器网络通信模块的实现方案12。嵌入式网络传感器结构如图3所示。图 3 嵌入式网络传感器结构5.1.1 微控制器的选择作为嵌入式网络服务器，要能运行嵌入式操作系统和嵌入式TCP/ IP协议栈。同时还要满足低功耗，较强的处理能力和较快的速度等要求。嵌入式开发的硬件平台的选择主要是嵌入式处理器的选择11。目前常见的嵌入式处理器有ARM、Dragon Ball、Power PC等。Power PC价格较高，主要应用于高端嵌入式系统中；Dragon Ball虽然价格较低，但是处理速度也低，主要应用于PDA；ARM系列处理器在各种嵌入式处理器中，不但价格低廉，而且功耗超低、处理速度快，应用前景广泛，比较适合网络传感器需求17。在本方案的硬件系统中，选用低功耗的Philip ARM7TDMI 核的L PC2104 作为系统的微控制器。LPC2104是一款高性能的32位RISC体系结构的微处理器。支持双UART，其中一个具备完全的调制解调器接口。由于具有大的缓冲区规模和强大的处理能力，它非常适用于通信网关、协议转换器、软件调制解调器、低端的图像处理。非常小的尺寸（7mm7mm）和极低的功耗，也使它非常适用于嵌入式应用。LPC2104的基本特性：ARM7TDMI2S处理器，128 K片内Flash程序存储器，带ISP和IAP功能，Flash编程时间1ms，可编程512字节，扇区擦除和整片擦除只需400ms，最多可达64K静态RAM，向量中断控制器，仿真跟踪模块支持实时跟踪，标准ARM测试/调试接口兼容现有工具，双UART，其中一个带有完全的调制解调器接口，高速I2C串行接口400kb/ s，SPI串行