（计算机科学与技术专业论文）amr中继器无线通信技术研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的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 含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 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了谢意。 签名：翌主虽握日期：丝! ：互：2 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：曹午蚕握导师( 签名，l 球a 岛期易f 、厂z 摘要 随着微控制单元和通信技术的发展，无线通信技术在人们生活中的地位越 来越重要。将嵌入式l i n u x 操作系统和3 2 位的a r m 9 处理器相结合的解决方案， 也已成为嵌入式领域中更好的选择。而将无线通信技术整合到该解决方案中， 可以应用到更多的行业中，如：自动抄表系统。 l i n u x 操作系统具有开放源代码、资源丰富、易于移植、免费等特点，通过 适当的裁剪可以移植到本系统中使用的a r m 硬件平台，并在操作系统的基础上 开发应用程序。a r m 硬件平台是目前使用最为广泛的嵌入式处理器架构，在智 能手机、平板电脑等消费电子类产品中已经被广泛使用。本文采用的是以 a r m 9 2 0 t 为c p u 核的$ 3 c 2 4 4 0 开发平台。该开发平台具有丰富的外围资源， 4 3 3 m h z 的处理频率，非常适合运行嵌入式l i n u x 操作系统。 在无线通信方面，长距离无线通信主要采用g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e ) 技术，而在短距离无线通信方面，采用的是z i g b e e 通信技术。z i g b e e 技术作为一种低复杂度、低功耗、低数据传输率、高可靠性的新型短距离无线 通信技术，在智能家居、工业自动化、无线抄表以及无线传感器网络等领域具 有非常广阔的发展前景。 本文是在“公共事业网络表系统 项目的基础之上进行研究 首先，构建了嵌入式开发平台。配置交叉编译器、远程调试器等，移植嵌 入操作系统的引导程序u b o o t ，移植嵌入式l i n u x 到a r m 9 硬件平台，利用 b u s y b o x 构建嵌入式根文件系统。 其次，对短距离无线通信技术z i g b e e 的协议栈体系结构和帧结构进行了深 入的研究，对协议栈中各层的功能、结构模型以及帧结构进行了分析。 最后，在嵌入式平台上，利用l i n u x 下串口操作g p r s 模块实现远程通信； 利用t i 公司的z i g b e e 协议栈z s t a c k 开发了下行通信，并给出了组网和软件设 计的细节。 关键字：嵌入式l i n u x ，a r m ，z i g b e e ，无线通信，g p r s a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f ( m i c r oc o n t r o lu n i t ) m c ua n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yi sp l a y i n g a l li n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t r o l ei no u rl i f e t h ec o m b i n a t i o no fe m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma n d3 2 - b i t a r m 9 p r o c e s s o ra r eab e n e rc h o i c ei nt h ee m b e d d e ds y s t e ma r e a t h ew i r l e s s c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yi n t e g r a t i o nt ot h i ss o l u t i o nc a nb ea p p l e dt om o r es e c t o r s ， s u c ha sa u t o m a c t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m s l i n u xo p e r a t i n gs y s t e mi so n eo ft h em o s tp r o m i n e n to p e r a t es y s t e m sw h i c hi s f r e e ，a n do p e ns o u f c g ，t r a n s p l a n t l i n u xc a i lb ee a s i l yp o r t e dt ot h ea r mh a r d w a r e p l a t f o r m t h r o u g ha p p r o p r i a t et a i l o r i n g a tp r e s e n t ，a r mp l a t f o r mi st h em o s t p o p u l a re m b e d d e dp r o c e s s o rs t r u c t u r e , a n dh a sb e e nw i d e l yu s e di ni n t e l l i g e n tm o b i l e p h o n e s ，t a b l e tp ca n do t h e rc o n s u m e re l e c t r o n i cp r o d u c t s i nt h i st h e s i s ，w es l e c t e da s 3 c 2 4 4 0h a r d w a r ep l a t f o r mw i t haa r m 9 2 0 tc p u t h i sp l a t f o r mh a saw e a l t h yo f p e r i p h e r a lr e s o u r c e s ，a n di so f4 3 3 m h zp r o c e s s i n gf r e q u e n c y , s oi ti sa p p r o p r i a t et o n l l la ne m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，f o rl o n gd i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，i su s e d i nt h e ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) g p r s ，a n dz i g b e ef o rt h es h o r tr a n gw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s z i g b e et e c h n o l o g yh a sf e a t u r e sl i k el o wc o m p l e x i t y , l o wp o w e r c o n s u m p t i o n , l o wd a t ar a t e ，s a f ea n dr e l i a b l e ，s oi th a sv e r yb r o a dp r o s p e c t sf o r d e v e l o p m e n ti n t h ef i l e do fs m a r th o m e , i n d e s t r i a la u t o m a t i o n , w i r e l e s sm e t e r r e a d i n g ，w r i e l e s ss e n s o rn e t w o r k se t e t h i st h e s i sp r e s e n t st h ew o r ko r i g i n a t e df r o map r a c t i c a lr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r o j e c to f p u b l i cs e r v i c en e t w o r k e dm e t e rs y s t e m ” f i r s t l y , t h ee m b e d d e dd e v e l o p m e n tp l a t f o r mi sc o n s t r u c t e d c r o s s c o m p i l e ra n d r e m o t ed e b u g g i n ga r ec r e a t e d i t sb o o t l o a d e ru b o o ta n de m b e d d e dl i n u xk e r n e la r e p o r t e dt oa r m 9 h a r d w a r ep l a t f o r m e m b e d d e dr o o tf i l e s y s t e mi sc r e a t e db yu s i n g b u s y b o x s e c n o d e l y , t h i sp a p e rs t u d yd e e p l yp r o t o c o l s t a c ka r c h i t e c t u r ea n df r a m e s t r u c t u r ei sc a r r i e do u t e a c hl a y e ro ft h ep r o t o c o ls t a c kf u n c t i o n s ，s t r u c t u r em o d e l a n df r a m es t r u c t u r ei sa n a l y z e d f i n a l l y ，i nt h ee m b e d d e dp l a t f o r m ，t h i ss y s t e mo p e r a t eg p r sm o d u l eb ys e r i a l i i p o r ti n t h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e mf o rr e m o t ec o m m u n i c a t i o n i nt h ed o w n l i n k c o m m u n i c a t i o np a r t ，t h es y s t e mu s ez s t a c k ，w h i c hi st i sp r o t o c o ls t a c k n e t w o r k s t r u c t u r ea n ds o f t w a r ed e s i g na r eg i v e ni nd e t a i l k e y w o r d s ：e m b e d d e dl i n u x ，a r m ，z i g b e e ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，g p r s i i i 日习 第1 章绪论l 1 1 课题研究的背景1 1 2 课题的国内外研究现状2 1 2 1 自动抄表系统研究现状2 1 2 2 嵌入式l i n u x 的发展状况3 1 3 自动抄表系统的技术支持4 1 4 课题研究的目的与意义5 1 5 论文研究的主要内容6 第2 章系统软硬件平台的分析与建立。8 2 1 嵌入式系统的硬件平台8 2 1 1 嵌入式a r m 处理器的体系结构8 2 1 2 嵌入式处理器s 3 c 2 4 4 0 9 2 1 3z i g b e e 无线射频芯片1 l 2 1 4g p r s 通信模块l3 2 2 嵌入式软件平台的建立1 3 2 2 1 建立交叉编译环境1 4 2 2 2 嵌入式g d b 远程调试环境1 5 2 2 3b o o t l o a d e l 的分析与移植1 7 2 2 4l i n u x 内核的移植2 l 2 2 5 构建y a f f s 2 根文件系统。2 4 2 3a r m 中继器上下行无线技术分析2 7 2 3 1 上行无线通信技术分析2 7 2 3 2 下行无线通信方式2 8 第3 章z i g b e e 无线通信技术的研究3 2 3 1 z i g b e e 技术概述3 2 3 1 1 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准与z i g b e e 协议的关系3 2 3 1 2 z i g b e e 协议栈。3 3 3 2z i g l 3 e e 物理层( p h y ) 研究3 6 3 2 1 物理层协议3 6 3 2 2 物理层协议数据结构3 9 3 3 z i g b e e 的m a c 层协议4 0 i v 3 3 1z i g b e e 的m a c 协议模型4 0 3 3 2m a c 层的帧结构4 1 3 3 3m a c 层的帧类型4 3 3 4z i g b e e 的网络层4 6 3 4 1z i g b e e 的体系结构4 6 3 4 2z i g , b e e 网络层模型4 7 3 4 3 网络层帧结构。4 8 3 5z i g , b e e 应用层。5 0 3 6 本章小结5 1 第4 章z i g b e e 在自动抄表系统中的应用5 2 4 1 中继器的上行通信方式设计。5 3 4 2 下行通信的设计5 6 4 2 1z s t a c k 概述5 6 4 2 2z s t a c k 的运行机制5 8 4 2 3 系统中数据的发送方式6 1 4 3 实验数据分析6 5 第5 章总结和展望6 9 5 1 总结6 9 5 2 展望7 0 致 射7 l 参考文献7 2 攻读硕士学位期间发表的论文和参加科研项目情况7 5 v 武汉理工人学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 随着微电子技术的发展，可以把更多的微处理器嵌入到各种小型的仪表设 备上，并且在各种仪表设备上加入无线通信芯片，就可以实现远程操作仪表， 并且完成数据的采集【l l 。本文就是在这种技术的基础上，开发和设计了一种中继 器，利用该中继器可以完成远程无线抄表的功能，以及数据的及时通信。 在传统的手动抄表方式中，需要抄表人员进入用户中用笔记录仪表数据。 这种抄表方式具有较大的局限性，当表具数量过多、位置过于分散时，手动抄 表要耗费较多的人力和物力，而且效率低下。随着计算机、网络、无线通信技 术的综合发展，诞生了一种自动抄表( a _ m r ，a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ) 技术， 简称为a m r ，是指采用通信、计算机等技术，通过专用设备对各种仪表( 如水 表、电表、气表等) 进行自动采集和处理表计数据，从而实现对仪表的远程管 理和操作 2 1 。 国内现有的自动抄表系统大多都是采用有线的通信方式，也就是r s 4 8 5 技 术，基于有线的抄表系统有其自身的优势，例如：信号的干扰小，传输的距离 不受空间的限制。但是其自身的劣势更加阻碍在这一领域的应用，有线的抄表 系统需要铺设物理线路，铺设物理线路的难度较大，同时加大了政府、企业的 资金投入。另一种通信方式电力载波通信，由于其抗干扰的能力差，通信的稳 定性下降，因此在这种要求数据的准确度较高的通信中，其应用也受到了一定 的限制。 鉴于以上两种自动抄表方式的存在的缺陷，本文设计了一种基于无线技术的 自动抄表系统，在这种方式中数据通信采用的技术发生的改变，在上行通信基 于g p r s 、s m s ( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) 通信，下行通信基于z i g b e e 技术的无线 自动抄表系统，这是一种比较新颖而且在实际应用中比较容易实现技术。z i g b e e 技术属于无线传感器网络中的一部分，它具有低功耗、低复杂度、近距离、高 安全性、低数据传输率、低成本等特点。z i g b e e 技术工作在免通讯许可证的频 段，因此可以节省通信成本；具有自动组网，自主路由功能，同时提高了网络 通信的稳定性。这些关键的特点都符合无线抄表系统的要求，也正好弥补了其 武汉理下大学硕士学位论文 它无线通信技术的劣势。 使用这种通信方式的中继器，可以解决传统自动抄表方式的种种缺陷，例如 可以节省人力、物力，不需要架设物理线路，数据传输的及时性更高。对目前 的公共事业网络表系统具有较大的改进，也可以创造一定的社会价值。 1 2 课题的国内外研究现状 1 2 1 自动抄表系统研究现状 自动抄表系统开始应用于2 0 世纪7 0 年代，其最早是应用于对电能表的远程 无线管理。在国外，电力载波技术开始于2 0 世纪3 0 年代，经过几十年的发展， 在现实中得到了广泛的应用。这也是国外进行自动抄表的主要技术方案，而在 无线抄表方面国外更多的是采用g p r s 技术，g p r s 方式只需要在管理中心和集 中器加载无线通信模块，不需要重新组建网络，通信的速度较快，且不需要太 多精力维护。但g p r s 的技术也存在通信费用较高，通信的实时性较差等情况。 我国研究远程无线抄表技术晚于国外。直到9 0 年代后期，国内许多研究机 构、大学、企业才开始对远程抄表技术的进行研究，并有若干种远程抄表方式 出现。近年来，国内远程自动抄表技术发展速度较快，并形成了多种远程抄表 方式并存的局面。由于国外的自动抄表系统出现的较早，其技术已经相当的普 及和成熟。而在国内的自动抄表系统中，由于大都采用传统的无线通信方式， 存在通讯费用过高，稳定性差，抗干扰能力弱等问题。 在全球无线抄表技术的应用已经成为未来的趋势，也成为了当今研究的一 个热点课题。在国内的无线抄表中，大部分的解决方案采用的是低频i s m 频段的 专用协议无线自组网技术，主要包括9 1 5 m h z ，8 6 8 m h z ，4 3 3 m h z 频段。采用这 种方式的自动抄表系统其鲁棒性较差，在要求稳定性较高的自动抄表系统中， 显然不太适合。j i i i z i g b e e 具有较高的鲁棒性，而且可以自主路由，可以传输更远 的距离。 z i g b e e 是属于无线传感器网络，因此国内的大部分研究都是基于无线传感器 网络领域，而很少把其应用到无线抄表自动系统中。但是z i g b e e 的低功耗、自组 织网，自主路由等特点也非常符合无线自动抄表领域。国内还有一部分研究是 在z i g b e e 的物理层和媒体接入层的基础上，开发其自己z i g b e e 上层协议，然后， 使用单片机和无线射频芯片组成中继器。由于采用单片机作为中继，其自身的 2 武汉理工大学硕士学位论文 可扩展性有限，不能运行复杂的操作系统，无法实现复杂的功能，也不利于系 统的可扩展性。而采用a r m 平台和l i n u x 操作系统可以解决上述两个问题，并且 采用z s t a c k 协议栈其稳定性更高，并且可以实现不同厂家的z i g b e e 设备之间的 相互通信。 因此，可以参考国内外无线自动抄表的发展状况，开发出符合当今国情的 无线抄表系统。 1 2 2 嵌入式l in u x 的发展状况 计算机一般有硬件与软件两部分组成，操作系统o s ( o p e r a t i n gs y s t e m ) 是 配置在计算机硬件上的第一层软件，在整个的计算机系统中占据着重要的位置。 随着嵌入式处理器处理频率的提高，储存容量的增大，在嵌入式设备中运行复 杂度较高的嵌入式操作系统也就成为了可能，例如嵌入式l i n u x 操作系统。 目前，国外不少著名大学、研究机构和知名的公司都加入了研发嵌入式l i n u x 操作系统的行列，因此也出现了不少成熟的嵌入式l i n u x 操作系统，例如：u c l i n u x ， 支持硬实时的l i n u x r t - l i n u x r t a i 、e m b e d i x 等。e m b e d i x 是由嵌入式l i n u x 的著 名公司l u n e o 开发的，是根据嵌入式系统的应用特点重新开发的l i n u x 版本， e m b e d i x 提供了超过了2 5 种l i n u x 系统服务，并已经成功运行在了p o w e r p c 处理器 系列上；r t - l i n u x 是由美国新墨西哥州大学计算机科学系开发出来的，它具有开 放源代码，并且具有硬实时特点的多任务操作系统。u c l i n u x 表示m i c r o c o n t r o l l i n u x ，也就是“微控制器领域中的l i n u x 系统”，是一个完全符合g n u g p l 公约 的操作系统。u c l i n u x 是针对无m m u 微处理器设备开发的一款操作系统，它已经 被广泛的移植到了a r m 、m i p s 、c o l d f i r e 等体系结构的处理器上1 4 j 。 在国内市场上，l i n u x 操作系统也越来越受到重视，在2 0 1 0 年1 2 月1 6 日，两 大国产操作系统一民用的“中标l i n u x ”操作系统和解放军研制的“银河麒麟 操作系统宣布合并，并在以后开发军民两用的操作系统。这也标志着国家对基 础软件特别是操作系统这样的核心部分，已经给予了足够的重视。嵌入式l i n u x 操作系统蕴含着巨大的商业价值，如何在紧跟着国际上著名的嵌入式l i n u x 企业 的脚步，开发出拥有自主知识产权的高性能操作系统，也以成为当今国内的一 大研究热点。 3 武汉理工大学硕七学位论文 1 3 自动抄表系统的技术支持 在和服务器的通信方式中，经历了从有线到无线的变迁。由于当时国内的 无线通信技术发展比较落后，a r m 系统大多使用电力载波通信系统和无线电负 荷控制系统，但是随着g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 以及互联 网的发展，为现有的自动抄表系统提供了更多的可选择性。因此，基于现有的 g s m 移动通信系统发展起来的g p r s 以及s m s 都在自动抄表系统中得到了成熟 的应用，而随着n g n ( n e x tg e m e r a t i o n n e t w o r k , 下一代网络) 以及物联网的发 展，自动抄表系统通信方式也将得到进一步的发展。 下行和表具进行通信时，通常会设有一个中继器或者集中器，而中继器和 表具的通信采用近距离的无线通信，也就是称之为下行通信。这种通信方式要 求使用的通信技术传输距离较短，并且具有较低的功耗。在有线通信方面，各 种现场总线的通信已经发展较为成熟，并且在工业控制、自动化方面得到了广 泛的应用，并且获得了很多的肯定，但如果这些技术运用到自动抄表领域，仍 然存在着其自身无法弥补的劣势，如铺设物理线路、功耗、成本等问题仍然阻 碍其在自动秒表领域的进一步发展。而伴随着无线通信技术的发展，特别是r f ( r a d i of r e q u e n c y ) 射频芯片的发展，各种无线通信技术在自动抄表领域中得到 了快速发展，无线通信能够解决上述有线通信技术中存在的大多数问题，如无 需铺设物理线路、较低的功耗、低的数据传输率、低成本等，这些都以成为自 动抄表系统追逐的目标。另一方面，随着无线传感器网络( w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k w s n ) 技术的发展，将其应用到下行通信方式中，对于a m r 系统来说也成为了 一种具有实用价值的选择，特别是z i g b e e 技术的出现，为其提供了一种更好的方 式。虽然短距离的无线通信在信号的穿透力，抗干扰方面不如有线通信方式， 但这并不能阻碍无线通信技术在a m r 系统中的应用，基于z i g b e e 无线技术的抄 表系统，由于功耗低，传输稳定，抗干扰能力强等优势，必定会在未来的无线 自动抄表系统中占据更加重要的位置。 本课题主要涉及到无线自动抄表系统中的中继器部分的设计，其中包括软 件平台构建和实现，以及z i g b e e 无线通信子系统。随着微电子技术的发展，从1 6 位的8 0 5 1 单片机到现在的3 2 位a r m 处理器，更多高速度、低功耗、大存储容量 的微处理器和微控制器的出现，为a m r 系统中的中继器节点、集中器节点和终 端节点提供了更多的可选择性。在软件的实现方面，也以从单纯的i b m 的汇编语 4 武汉理工大学硕士学位论文 言，到以实时操作系统( p c o s i l ，v x w o 水，l i n u x ) 为基础的大型应用软件，可见， 所有这些通信技术、硬件平台、软件技术都可以支持开发出更加稳定和复杂的 a m r 系统。 在无线自动抄表系统中其中关键的一个部分就是集中器，集中器最主要的 作用就是连接服务器端和终端表具。集中器部分的开发属于嵌入式开发领域的 一部分。随着电子技术的发展，各种嵌入式设备已经渗透到了人们生活和工作 的方方面面。目前，嵌入式设备的使用数量已经超过了人们使用的p c 。 1 4 课题研究的目的与意义 本课题研究的目的在于，将在l i n u x 操作系统的基础上，把两种无线通信技 术结合起来，完成远程无线抄表系统。 公共事业网络表是武汉理工大学与武汉蓝焰自动化应用技术有限公司合作 研发的，中继器和上行服务器通信采用g p r s 或短信的方式，和下行表具的通 信采用短距离无线通信的方式。本课题主要是研究基于a r m 9 和嵌入式l i n u x 的中继器的无线通信方式，上行采用g p r s 或短信方式通信，下行采用z i g b o e 技术进行无线通信，以及在a r m 9 上构建嵌入式l i n u x 操作系统和开发环境。 其意义可大致概括为以下几点： 1 ) 随着微电子技术飞速发展，微处理器的性能快速提升，价格却在不断下 降，这样就使微处理器运行嵌入式l i n u x 成为可能。l i n u x 原来是应用在工作站和 服务器中，其稳定性和扩展性毋庸置疑。嵌入式l i n u x 虽然是l i n u x 的裁剪版，但 是仍然保持了l i n u x 诸多优势。例如广泛的硬件支持，强大的网络能力。所以， 在中继器上使用l i n u x 操作系统，可以更容易实现强大网络功能，也可以更容易 开发出人机交互界面，为以后系统的移植和扩展提供参考。 2 ) 通用分组无线业务( g p r s ) 是在现有的g s m 系统上发展出来的一种新的 承载业务，目的是为g s m 用户提供分组形式的数据业务。g p r s 无线数据终端 应用范围广泛，几乎所有远程数据传输业务都可以应用，并不受地理环境、气 候、时间限制且能进行存储和历史查询等诸多优点。因此，本课题研究在l i u n x 平台上实现g p r s 的远程数据传输具有一定的社会应用价值。 3 ) 在网络表系统中，数据通信是一个关键的环节。其通信的稳定性、通信 的及时性、通信的安全性在整个系统中占据着重要的地位。在具体的施工过程 中是否便捷，维护是否方便，这些都与系统中的通信环节密切相关。因此一个 5 武汉理工大学硕士学位论文 数据通信相对稳定，数据收发相对及时的组网方式是体现本系统社会价值的重 要方面。而在短距离无线通信领域，z i g b e e 技术是一种新兴的短距离无线通信 技术，和其它几种短距离无线通信技术相比，在功耗、抗干扰，通信距离等方 面都有明显的优势。把这种新兴的近距离无线通信技术和本系统中的通信子系 统结合起来，以其达到稳定及时的数据收发。 1 5 论文研究的主要内容 本课题以广州友善之臂公司制造的$ 3 c 2 4 4 0 为硬件平台，$ 3 c 2 4 4 0 是一款以 a r m 9 处理器为核心的开发板。在此基础上，完成了l i n u x 弓 导程序u b o o t 的移 植，l i n u x 2 6 3 2 2 内核的移植，还有l i n u x 下利用b u s y b o x i 具制作的嵌入式根文 件系统；以及利用t i 公司的c c 2 4 3 0 开发开台，完成y z i g b e e 无线通信子系统。 本论文的主要内容包括下面几个方面。 ( 1 ) 研究a r m 9 体系结构与编程，设计选择合适的硬件环境。本课题选择 的是友善之臂的m i n i 2 4 4 0 开发板，本开发板有充分的外围资源，并且配置了2 m b 的n o rf l a s h ，方便在开发阶段的调试。重点研究开发板上的d m 9 0 0 0 e p 网卡和 u a r t 操作和编程，以及n o r n a n df l a s h 的擦除、读写等操作。熟悉a d s 、i a r 等相关软件开发平台以及调试工具。 ( 2 ) 构建嵌入式l i n u x 交叉开发环境。由于一般的嵌入式设备资源有限， 处理器的处理速度远不如p c ，所以直接在嵌入式设备上调试开发具有较大的困 难，所以需要在p c 上建立能够开发出在嵌入式设备上运行的可执行程序，这就 需要建立交叉的开始环境，主要是构建交叉编译器a n i l l i n u x g c c ，远程调试器 f l r n l i n u x g d b ，g d b s e r v e r ；使用v a n 、e m a c s 编辑器等嵌入式l i n u x 下开发工具， 编写m a k e f i l e 文件等。 ( 3 ) 研究嵌入式引导程序u b o o t ，并最终移植到a r m 9 开发板，u b o o t 的主要功能是引导l i n u x 内核，但是在开发阶段需要用到u b o o t 的其它的功能， 为此增加u b o o t 的网络功能，主要增加了n f s ，d i p 功能，为后面应用程序和 l i n u x 内核下载到n a n df l a s h 提供支持，最后保证正常引导剪裁过的l i n u x 内核。 ( 4 ) 研究l i n u x 内核的工作原理，并裁剪和移植l i n u x 内核到a r m 9 开发 板。l i n u x 内核要正确在a r m 9 开发板上正常运行，还需要大量驱动程序的支持， 这里主要关注d m 9 0 0 0 网卡驱动和u a r t 的驱动。 ( 5 ) 研究g p r s 的通信原理，本课题采用的g p r s 模块是g r 4 7 模块，g r 4 7 6 武汉理工大学硕士学位论文 模块内置了t c p i p 协议，和a r m 开发板通过串口进行通信，通过串口发送a t 指令操作g p r s 模块。 ( 6 ) 研究z i g b e e 协议的工作原理，为在z i g b e e 协议上开发应用程序做准 备。z i g b e e 是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，主要用于近距离的无 线连接，能够实现多节点的相互协调通信，只需要很少的能量，以自组网多跳 的方式进行数据传输。已被认为比较适合无线网络的通信协议。本课题使用的 t i 公司提供的z i g , b e e 芯片c c 2 4 3 0 ，c c 2 4 3 0 是一个微处理器和r f 射频结合在 一起的开发平台，配合t i 的z i g b e e 协议栈z s t a c k 可以更好的为本系统服务。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统软硬件平台的分析与建立 嵌入式开发中的很多工作都是依靠硬件平台，例如后面章节中移植的 b o o t l o a d e r 就需要对硬件平台有很好的理解，所以选择一款符合系统的硬件平台 就显的非常重要。由于在嵌入式设备上的资源有限，因此编译、调试程序就非 常的困难，所以需要在p c 上建立合适的交叉编译开发环境( c r o s sd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t ) 。这也是嵌入式开发中一个显著的特点。 2 1 嵌入式系统的硬件平台 2 1 1 嵌入式a r m 处理器的体系结构 本课题选择的硬件平台是友善之臂( f r i e n d l y a r m ) 公司提供的m i n i 2 4 4 0 ， 这是一款基于a r m 9 2 0 t 核心的开发板。该平台采用三星公司成熟的$ 3 c 2 4 4 0 处理 器，该平台具有丰富的外围接口，方便系统的扩展。并且外围资源布局紧密， 体积小，具有较低的功耗和较高的性能。图2 一l 就是该开发板的功能模块图。 1 0 1 0 0 m 网卡 6 4 m bs d r a m d m 9 0 0 0 e p 彳r 量 介 系统总线 fj t a g 调试接口泽 i n t e r r u p ec o n t e x m a s t e rk b 驾 p o w e rm a n a g e m e n t u s n a n dc o n t m e m o r yc o n t n a n df l a s hb o o t s r a m ，n o r s d r l o a d e r a m ， i u a r t0 , i , 2 l 卜1 2 c i i u s bd e v i c e i 1卜 1 1 2 s 卜 a 卜 s d i m m c p g p i o b | w e a t c h d o g b 1n l t i m e r u r t c s b u sc o n t 器 a d c a r b i t o r d e c o d e s p l0 , 1 k t i m e r p w m 0 - 3 ，4 ( i n t e r n a l ) 图2 - 2 $ 3 c 2 4 4 0 系统结构图 图2 2 显示了$ 3 c 2 4 4 0 系统的总体结构主要是由两个不同的总线连接不同 逻辑设备组成。时钟控制逻辑可以使用外部晶振，也可以直接使用外部提供的 时钟源。时钟控制逻辑提供了3 种时钟：f c l k 用于c p u 核；h c l k 用于a h b ( a d v a n c e dh i g hp e r f o r m a n c eb u s ) 总线上设备，比如c p u 核、存储控制器、 d m a 和u s b 模块、中断控制器等；p c l k 用于a p b ( a d v a n c e dp e r i p h e r a lb u s ) 总线上的设备，比如看门狗( w a t c h d o g ) 、i i s 、p w m 定时器、u a r t 、g p i o 、 r t c 和s p i 等。a h b 总线主要用于高性能模块之间的连接；a p b 主要用于低速 率的周边外设之间的连接【l o 】【l l 】。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3zig b e e 无线射频芯片 目前z i g b e e 的硬件实现方案主要有以下三种：第一种是m c u ( m i c r oc o n t r o l u n i t ) 和i u 收发器相分离的双芯片方案，z i g b e e 协议栈运行在外部m c u 上， 如t i 公司的m s p 4 3 0 可以和c c 2 4 2 0 结合实现该方案；第二种方案是集成m c u 和r f 的单芯片解决方案，如t i 公司的c c 2 4 3 0 c c 2 4 3 1 ，本系统开发所使用的 就是这种方案；第三种方案是在一个硬件平台上装备z i g b e e 协处理器和m c u 双芯片，z i g b e e 协议栈运行在z i g b e e 协处理器上，如t i 公司的c c 2 4 8 0 【3 引。 在这三种方案中单芯片方案是厂商的主推方案，也是重要的发展趋势。由 于低功耗是z i g b e e 系统的关键，所以减少工作电流消耗、具有超低耗电睡眠模 式并缩短模式切换时间对每一种方案而言都非常重要【5 儿引。 t i 的单芯片解决方案c c 2 4 3 1 c c 2 4 3 0 是在单个芯片上集成了z i g b e e 射频 前端、内存和微控制器，c c 2 4 3 1 还带硬件定位引擎。c c 2 4 3 0 芯片工作时的电 流损耗为2 7 m a ，接收和发射模式下的电流损耗分别低于2 7 m a 或2 5 m a ，特别 适合那些要求电池寿命非常长的应用。c c 2 4 3 0 包含8 k br a m 内存和外围模块， 并有3 2 、6 4 或1 2 8 k b 内置闪存等三种不同组件可供选择，方便设计人员在复杂 性与成本之间做出最佳选择。在m c u 和r f 收发器分离的双芯片方案方面，t i 采用的是c c 2 4 2 0r f 收发器和超低功耗m c um s p 4 3 0 。 本系统选择t i 公司的第二种方案，单芯片解决方案c c 2 4 3 0 芯片。这是一 款完全符合i e e e8 0 2 1 5 4 标准与z i g b e e 规范的2 4 g h z 无线收发模块，主要面 向商用、工业和家庭应用。由于c c 2 4 3 0 的z i g b e e 无线模块具有 i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 完全兼容的硬件层、物理层，因此它可通过符合现有规范 的物理层( p h y s i c a ll a y e r ，p h y ) 和媒体访问控制层( m e d i u m a c c e s sc o n t r o l s 曲一晰，m a c ) 实现无线通信，更容易开发出z i g b e e 的应用产品【6 j 。 在z i g b e e 无线