（电路与系统专业论文）基于arm处理器与μcosⅡ的火灾报警系统的设计.pdf

摘要 随着现代经济的迅速发展 随之产生的火灾也越来越频繁 消防安全越来越引起人 们的重视 火灾报警系统成为消防安全系统中不可缺少的部分 火灾报警系统由探测单 元 报警控制单元与消防联动装置组成 通过系统的通信模块与监控中心相连 一旦发 现灾情 能够确定火灾位置 及时做出处理 然而传统的火灾报警系统在大量的数据处 理方面不太理想 限制了系统的实时性与可靠性的提高 针对传统火灾报警系统的这一 不足 本文提出了一种基于a r m 处理器与u c o s i i 的火灾报警系统 由于a r m 处理 器要比传统的控制单元具有更快的数据处理速度 同时还具有快速方便地网络通信能 力 本系统选用l p c 2 1 0 3 微处理器作为系统的控制中心 引入多任务操作系统u c o s i i 作为系统的软件平台 a r m 处理器是3 2 位的芯片 具有高速的数据处理能力 丰富的 外设资源 成本较低 体积小 十分适合用作系统的控制部件 可以在硬件实现高速的 数据处理能力 保证系统的实时性 在软件方面选择u c o s i i 作为a r m 处理器的操 作系统 u c o s i i 系统内核精简 尤其是在多任务调度方面更具优势 在软件上保证系 统的稳定性与实时性 本文在a r m 处理器与u c o s i i 系统的基础上 编写了u c 0 s i i 系统启动与移植代 码 并完成了硬件平台的测试 依据软件工程的设计思想 对整个系统的软件设计进行 了编程实现 完成系统的火灾探测单元 火灾报警模块 控制单元以及通信单元等部分 的程序编写 本系统属于分布式智能型火灾报警系统 能够全面有效的检测环境的参数变化 系 统具有很高的实时性和准确性 同时对环境有良好的适应性 具备故障恢复功能 某一 控制单元的故障不会影响整个系统的运行 为系统的维护及运行提供保障 同时还考虑 了系统的可扩展性 根据不同的环境应用进行扩展 最后 总结分析了下一步要做的工作 关键词 火灾报警系统 嵌入式系统 a r m 处理器 u c o s i i 系统 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e m e c o n o m y t h e r ea r em o r ea n dm o r ef i r ed i s a s t e r s a n dm o r ea n d m o r ea t t e n t i o nh a sb e e np a i dt of i r es a f e t y f i r ea l a r ms y s t e m sh a v eb e c o m ea ni n d i s p e n s i b l ep a r to ff i r e f i g h t i n gs e c u r i t ys y s t e m t h ef i r ea l a r ms y s t e mi sc o n s i s t e do fd e t e c t o ru n i t s a l a r mc o n t r o lu n i t s a n d i n t e g r a t e d f i r ec o n t r o l d e v i c e s c o n n e c t i n gw i ms u r v e i l l a n c ea n dc o n t r o lc e n t e rt h r o u g hs y s t e m a t i c c o m m u n i c a t i o nm o d u l e s o n c eaf i r ed i s a s t e rh a p p e n s i tc a nd e t e r m i n et h el o c a t i o na n dp r o c e s s i m m e d i a t e l y h o w e v e r t r a d i t i o n a lf i r ea l a r ms y s t e m sa r en o tg o o da tp r o c e s s i n gl a r g ea m o u n t so fd a t a w h i c hh a sl i m i t e dt h ei m p r o v e m e n to ft h er e a lt i m ea n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m a sf o rt h es h o r t c o m i n go f t r a d i t i o n a lf i r ea l a r ms y s t e m s i nt h i st h e s i st h ea u t h o rh a sp u tf o r w a r dak i n do ff i r ea l a r ms y s t e mb a s e do n a r mp r o c e s s o ra n du c o s i i a r mp r o c e s s o r sa r ef a s t e rt h a nt r a d i t i o n a lc o n t r o lu n i t si nd a t ap r o c e s s i n g a n dm o r ec o n v e n i e n ti nn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n t h i ss y s t e ms e l e c t sl p c 210 3m i c r o p r o c e s s o ra st h ec o n t r o lc e n t e ra n dm u l t i t a s k i n go p e r a t i o ns y s t e m u c o s i ia st h es o f t w a r ep l a t f o r m t h ea r mp r o c e s s o r a3 2b i tc h i p h a sf a s td a t a h a n d l i n gc a p a c i t y a b u n d a n tp e r i p h e r a lr e s o u r c e s l o wc o s ta n ds m a l lv o l u m e i ti sv e r ys u i t a b l et ob et h ec o n t r o lu n i ta n dc a n r e a l i z et h ef a s td a t a h a n d l i n gc a p a c i t yi nh a r d w a r e g u a r a n t e e i n gt h er e a lt i m eo ft h es y s t e m i ns o f t w a r e u c o s i ii ss e l e c t e da st h eo p e r a t i n gs y s t e mo fa r mp r o c e s s o r t h eu c o s i ih a ss i m p l i f i e dk e r n e la n d m o r ea d v a n t a g e se s p e c i a l l yi nt h ea s p e c to fm u l t i t a s ks c h e d u l i n g g u a r a n t e e i n gt h er e a lt i m ea n dr e l i a b i l i t y o ft h es y s t e mi ns o f t w a r e o nt h eb a s i so fa r mp r o c e s s o ra n du c o s i is y s t e m t h es t a r t u pa n dp o r t i n gc o d eo fu c o s i i s y s t e mh a v eb e e np r o g r a m m e d a n dt h et e s to fh a r d w a r ep l a t f o r mi sa l s of i n i s h e d a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n p h i l o s o p h yo fs o f t w a r ee n g i n e e r i n g t h ea u t h o rh a sa c c o m p l i s h e dt h ep r o g r a m m i n go ft h es o f t w a r ed e s i g n o ft h ew h o l es y s t e m i n c l u d i n gs y s t e m a t i cf i r ed e t e c t i n gu n i t s f i r ea l a r mm o d u l e s c o n t r o lu n i t s c o m m u n i c a t i o nu n i t sa n do t h e rp a r t s t h es y s t e mi sad i s t r i b u t e da n di n t e l l i g e n tf i r ea l a r ms y s t e m w h i c hc a nt e s tt h ep a r a m e t e rv a r i a t i o no f e n v i r o n m e n tc o m p r e h e n s i v e l ya n de f f e c t i v e l ya n dh a sh i g hr e a lt i m ea n da c c u r a c y m e a n w h i l e i th a sg o o d a d a p t a b i l i t yt ot h ee n v i r o n m e n ta n dp o s s e s s e st h ef u n c t i o no ff a i l u r er e c o v e r y t h ef a i l u r eo fo n ec o n t r o l u n i tw o u l dn o ta f f e c tt h ew o r k i n go ft h ew h o l es y s t e m w h i c hp r o v i d e ss a f e g u a r df o rt h em a i n t a i n a n c ea n d i i i o p e r a t i o no ft h es y s t e m i nt h em e a n t i m e t h ee x p a n d a b i l i t yo ft h es y s t e mi sa l s oc o n s i d e r e d i tc a ne x p a n d a c c o r d i n gt od i f f e r e n te n v i r o n m e n t s f i n a l l y t h ef o l l o w u pw o r ki ss u m m a r i z e d a n da n a l y z e d k e yw o r d s f i r ea l a r ms y s t e m e m b e d d e ds y s t e m a r mp r o c e s s o r u c o s i is y s t e m i v 第一章绪论 1 1 火灾报警系统概述 第一章绪论 火灾是人类社会发展中的带来重大损失的灾害之一 随着人类社会的不断发展 进步 现代的建筑向着大规模 高楼层 人数密集的方向发展 并在建筑过程中选 用大量的易燃材料进行装修 在面临火灾时容易造成人员难以疏散 使人们的逃生 增加难度 这些使得人们越来越重视建筑的防火 为了保证居住人员和建筑物的安 全 火灾早期预报至为重要 防范火灾发生 现代建筑在楼层内安装了安全系统专 门用来监视火灾的发生 即火灾自动报警系统 目前它已经成为建筑内的必备设施 在人类的生命财产安全方面发挥着不可或缺的作用 1 随着科技的进步 消防工程 中大量采用电子与计算机技术 火灾自动报警系统在结构与组成形式上呈现出多样 性 有智能型 综合型以及全总线型等 2 4 1 1 1 火灾报警系统的发展 1 8 4 7 年 第一台城镇火灾报警装置面世 已有一百多年的历史 火灾报警系统 先后经历了五次发展改革 第一次属于初级阶段 此时起主导地位的是感温探测器 发展时间是从1 9 世纪4 0 年代到2 0 世纪4 0 年代 主要有定温探测器 差温探测器 和差定温组合式探测器 这一阶段的探测器具有可靠性高 误报率低的优点 可在 大多数环境中使用 缺点是灵敏度低 反应时间长 有效识别的区域小 第二阶段 是感温探测器的出现 发展时间是2 0 世纪5 0 年代到7 0 年代之间 包括了离子感烟 探测器和光电感烟探测器 感烟探测器在响应速度上比感温探测器要快了许多 至 今感烟探测器在全世界范围仍占有9 0 左右的比例 8 0 年代后期 进入了总线制探 测器的发展阶段 至此所有火灾报警系统均为开关量技术 亦可以说是 两态 技术 即正确与报警 缺点就是固定不变的灵敏度 判断条件少 缺乏基本的故障解决功 能 随着嵌入式系统与计算机取得的新发展以及传感器技术的新突破 火灾报警系 统进入了模拟量智能型的发展模式 它可以根据给出的参数的动态变化 准确判断 是否发生火灾 自2 0 世纪9 0 年代以来 火灾自动报警系统进入以无线型为代表的 发展时期 5 1 第一章绪论 1 1 火灾报警系统概述 第一章绪论 火灾是人类社会发展中的带来重大损失的灾害之一 随着人类社会的不断发展 进步 现代的建筑向着大规模 高楼层 人数密集的方向发展 并在建筑过程中选 用大量的易燃材料进行装修 在面临火灾时容易造成人员难以疏散 使人们的逃生 增加难度 这些使得人们越来越重视建筑的防火 为了保证居住人员和建筑物的安 全 火灾早期预报至为重要 防范火灾发生 现代建筑在楼层内安装了安全系统专 门用来监视火灾的发生 即火灾自动报警系统 目前它已经成为建筑内的必备设施 在人类的生命财产安全方面发挥着不可或缺的作用 1 随着科技的进步 消防工程 中大量采用电子与计算机技术 火灾自动报警系统在结构与组成形式上呈现出多样 性 有智能型 综合型以及全总线型等 2 4 1 1 1 火灾报警系统的发展 1 8 4 7 年 第一台城镇火灾报警装置面世 已有一百多年的历史 火灾报警系统 先后经历了五次发展改革 第一次属于初级阶段 此时起主导地位的是感温探测器 发展时间是从1 9 世纪4 0 年代到2 0 世纪4 0 年代 主要有定温探测器 差温探测器 和差定温组合式探测器 这一阶段的探测器具有可靠性高 误报率低的优点 可在 大多数环境中使用 缺点是灵敏度低 反应时间长 有效识别的区域小 第二阶段 是感温探测器的出现 发展时间是2 0 世纪5 0 年代到7 0 年代之间 包括了离子感烟 探测器和光电感烟探测器 感烟探测器在响应速度上比感温探测器要快了许多 至 今感烟探测器在全世界范围仍占有9 0 左右的比例 8 0 年代后期 进入了总线制探 测器的发展阶段 至此所有火灾报警系统均为开关量技术 亦可以说是 两态 技术 即正确与报警 缺点就是固定不变的灵敏度 判断条件少 缺乏基本的故障解决功 能 随着嵌入式系统与计算机取得的新发展以及传感器技术的新突破 火灾报警系 统进入了模拟量智能型的发展模式 它可以根据给出的参数的动态变化 准确判断 是否发生火灾 自2 0 世纪9 0 年代以来 火灾自动报警系统进入以无线型为代表的 发展时期 5 1 基于a r m 处理器与l jc o s i i 的火灾报警系统的设计 火灾报警系统的发展由传统的开关量式 第一代 第二代产品 变为模拟量式 第三代 第四代 第五代 由原来简单的判断某个火灾现象参数是否超过自身 的设定值来确定是否报警跨入根据参数的动态变化情况准确判断是否发生火灾 而 且智能火灾报警系统也由初级向高级发展 信号处理方法也日趋智能化 使火灾探 测器在正确率与可靠性方面得到提高 1 1 2 火灾自动报警系统的构成 目前常用的消防报警系统的组成类型 通常是由火灾探测单元 区域火灾报警 控制单元 集中火灾报警控制单元或通用火灾报警控制单元 以及联动与控制模块 消防联动控制设备等组成的火灾报警装置 6 区域报警系统与集中报警系统的原理 示意图如图1 1 所示 能够在火灾发生时 对燃烧产生的物理量 包括烟雾 光辐射 热量 进行采集 之后由火灾探测单元经过a d 转换变为模拟电信号 送至火灾报 警控制单元 同时进行火灾发生位置与时间的记录与显示 火灾报警控制单元对接 收到的模拟量电信号进行一系列的数据处理 判断火灾 报警 最后通过控制消防 联动系统进行灭火和防护操作 2 火灾探测嚣 鹱 中 第 分 火 火灾探溅器 貉 灭 报 摄警装置 挞 控 第n 分 制 器 翻嚣肇 i 超 粤 第一章绪论 火灾探剩器l 遥域火 灾报警 集b 报警装置 控制器 中 y 于动报警按钮 火 灾 报 警 i 士蛾硼nb 鼋l t 控 必火j 术 刚龉l r 区域火 制 灾报警 卜 器 控制嚣 y 毫源 手动报警按铷i 图1 1 b 图1 1 火灾报警系统组成单元示意图 a 区域报警系统原理图 b 集中报警系统示意图 火灾探测单元是由探测器组成 是系统的感觉器官 用来监测火灾的发生 将 火灾发生时产生的物理量进行采集与转换处理 主要类型有点型 线型感烟火灾探测 器 点型 线型感温火灾探测器 点型 线型感光火灾探测器以及可燃气体探测器 火灾报警控制器是系统的躯干和大脑 是系统的核心 对接收到的电信号进行 数据的处理与判断 显示和传递报警信号并控制消防联动系统做出一系列的操作 消防联动控制系统是由火灾报警控制单元进行控制 执行自动灭火的消防系统 一般包括自动灭火装置 消防系统控制装置 烟雾排放以及通风系统控制装置 火 灾声音报警与照明系统与消防通信设备等装置 常用系统示意图如图1 2 所示 奠 灾 探 测 器 图1 2 通用火灾自动报警系统原理图 基于a r m 处理器与uc o s i i 的火灾报警系统的设计 1 2 国内发展现状 在世界上火灾探测器及联动设备的生产已经成为规模巨大的产业 探测与联动设备 已经普及 那么在国际上 火灾报警探测设备可以根据其产品的特色 大致将其划分为 美系 欧系 日系等几种分类 7 1 以美国a f p 系列探测器作为代表的美系产品 注重产 品的实用性 另外它还有技术成熟 性能稳定 性价比高等优点 欧系产品主要是采用 大量的高新技术产品 产品的质量固然优秀 但是价格略高 德国的西门子公司代表着 欧系的产品 而日系产品的特点在于其系统的完整性 并且价格低廉 可是产品的技术 相对落后 以n o h m i 作为主要代表产品 以上所阐述的三大系列产品 在我们国家经 济发达地区应用较为广泛 市场占有率也相对较高 8 近年来 我国经济迅速发展 在这一过程中 火灾产生的次数与危害也逐次上升 火灾的发生不仅仅引起国内的巨大反响 同时在国际上也产生了广泛的影响 如何对火 灾进行有效控制 减少火灾发生的苗头 这是国内民众要求解决的首要问题 目前我国 消防设备的数量 性能远远不能适应大型火灾的需要 大部分地区的消防设施仍处于落 后 不完善的境地p j 在我们国家 对于研究火灾报警系统的研究方面远远落后于其他发达国家 在早期 的系统中通常是运用探测器不断对火情进行判断 探测器主要是探测火灾发生时产生的 物理参数 如烟雾 温度 光辐射等 将这些参数转换成电信号传输到火灾控制单元中 由系统对信号进行分析判断 l0 1 大量研究表明这种工作方式存在很大的缺陷 一是因为 在实际应用中 各种探测设备所处的环境差异较大 此外每种探测器本身在每个不同时 段的相差也比较大 目前大多厂家采取在系统开始运转前将探测器的环境参数进行设 置 但是由于位置不同 导致环境本身的随机变化性给系统的数据分析带来阻碍 二是 信号传输中易受到外界干扰 造成误报 同时传输速率也达不到现代数字网络的要求 1 1 1 1 3 本论文的背景及内容 在当前的火灾自动报警控制器市场上 大部分采用单片机作为其核心处理单元 有 着价格低廉 电路结构简单 维修方便等方面的优势 但是随着现代消防技术的发展 火灾自动报警系统在功能需求方面提出了更高的要求 引出了单片机在处理速度及存储 空间方面的不足 限制着功能性系统的软件编程工作 操作极其不便 特别是报警图形 显示时 以单片机控制器为核心的系统是很难实现的 随着对系统功能需求的不断提高 4 第一章绪论 开发者要求控制单元的功能也越来越全面 1 2 首先就体现在显示及存储方面 要求能对 火灾信息进行实时记录显示与保存 其次是处理速度方面 随着系统功能的增加 控制 器要有高速的数据处理能力才能满足系统的要求 最后需要考虑的是系统的功能扩展与 性价比 随着嵌入式技术的发展及成熟 为解决如何选择现代火灾报警系统的核心控制 单元提供了方向 基于a r m 微处理器和u c o s i i 实时操作系统的火灾自动报警系统 具有数据处理 速度快 人机界面丰富 接口资源充足等特点 满足系统的功能扩展 根据火灾产生的 物理现象 由火灾探测器将探测到的烟雾 温度 光等参数传入到火灾控制器 火灾控 制器依据内部的数据处理算法对数据进行处理判断 以确定火灾发生的真实性 该系统 在火灾探测领域有很多的优势 1 快速的数据处理能力 能够对大量快速变化的环境参数实时监控 2 具有很高的稳定性与准确性 本系统是采用基于a r m 7 的硬件系统以及 u c o s i i 微内核实时操作系统的 u c o s i i 在稳定性和可靠性方面取得了美国航空管理 局 f e d e r a l a v i a t i o n a d m i n i s t r a t i o n f a a 的认证 因此可以提供一个稳定的运行平台使 火灾自动报警系统运行 3 可扩展性好 用户可根据实际的应用来扩展u c o s i i 4 功耗低 性价比高 提供相应网络接口 系统内核支持网络模块 真正的实现 网络支持功能 本文研究的是基于l p c 2 1 0 3 微处理器与u c o s i i 的火灾报警系统的设计 实现嵌 入式系统在火灾自动报警系统方面的应用 本文的内容主要包括一下四个部分 1 第一部分为第1 2 章 主要介绍了火灾报警系统的发展 结构与国内外的技术 成果 以及嵌入式操作系统及a r m 微处理器的特点与系统选型 2 第二部分即第三章 主要介绍了基于a r m 7 微处理器与u c o s i i 微内核实时操 作系统的火灾自动报警系统的总体结构设计与功能描述 3 第三部分为第四章 主要介绍了火灾自动报警系统控制单元的硬件平台的构成 与工作原理以及初始化测试 4 第四部分为第五章 主要介绍了火灾自动报警系统的软件平台以及对u c o s i i 操作系统的内核配置分析与移植 第二章嵌入式系统 2 1 嵌入式系统描述 2 1 1 嵌入式系统概述 第二章嵌入式系统 嵌入式系统以i e e e 的定义为准 即 控制 监视或者辅助装置 机器和设备运 行的装置 我们可以了解到嵌入式系统具备有软件和硬件 以及机械装置 目前我 们国家普遍的定义是 以应用为中心 以计算机技术为基础 软件硬件可裁剪 适 应应用系统对功能 可靠性 成本 体积 功耗严格要求的专用计算机系统 1 3 关于嵌入式系统 我们可以从以下几个角度进行阐述 1 3 嵌入式系统面向的是产品 用户以及应用 重点突出的是具体应用方面 这 样才会使产品更加具有活力和市场竞争力 即将嵌入式系统与应用相结合 使其专 用性质更强 嵌入式系统由计算机技术 半导体技术以及电子技术的结合体 并将其运用 到各行各业中 因此 这就决定了嵌入式系统要不断进行创新 进行技术知识的更 新 嵌入式系统对整体严谨性要求较高 在必要的情况下会根据应用的需要对软 硬件进行剪裁 从而解决应用系统的功能需求 因此 如果可以建立起相对通用的 软硬件技术平台 然后再对其进行适当的技术开发 这必然成为一个较好的发展趋 势 嵌入式系统已经发展了将近3 0 年 初期采用8 位芯片 执行单线程的程序 称 其为 系统 还有点不恰当 由最早的8 位单片机i n t e l 公司的8 0 4 8 到在它的基础上研 制的8 0 5 1 随着微处理器的发展 嵌入式系统芯片也经历了由低到高的发展过程 由最初的a r m 系列的a r m l 开始 其地址空间是2 6 位 仅支持2 6 位寻址空间 到1 6 位的处理器 再到目前的3 2 位 6 4 位处理器 进一步提升了系统的性能 嵌 入式系统芯片有了长足发展的同时 嵌入式系统的外设资源同样有了飞速的发展 使吸入式系统具有丰富的人机交互界面 为远程控制和只能管理提供了可能 第二章嵌入式系统 2 1 嵌入式系统描述 2 1 1 嵌入式系统概述 第二章嵌入式系统 嵌入式系统以i e e e 的定义为准 即 控制 监视或者辅助装置 机器和设备运 行的装置 我们可以了解到嵌入式系统具备有软件和硬件 以及机械装置 目前我 们国家普遍的定义是 以应用为中心 以计算机技术为基础 软件硬件可裁剪 适 应应用系统对功能 可靠性 成本 体积 功耗严格要求的专用计算机系统 1 3 关于嵌入式系统 我们可以从以下几个角度进行阐述 1 3 嵌入式系统面向的是产品 用户以及应用 重点突出的是具体应用方面 这 样才会使产品更加具有活力和市场竞争力 即将嵌入式系统与应用相结合 使其专 用性质更强 嵌入式系统由计算机技术 半导体技术以及电子技术的结合体 并将其运用 到各行各业中 因此 这就决定了嵌入式系统要不断进行创新 进行技术知识的更 新 嵌入式系统对整体严谨性要求较高 在必要的情况下会根据应用的需要对软 硬件进行剪裁 从而解决应用系统的功能需求 因此 如果可以建立起相对通用的 软硬件技术平台 然后再对其进行适当的技术开发 这必然成为一个较好的发展趋 势 嵌入式系统已经发展了将近3 0 年 初期采用8 位芯片 执行单线程的程序 称 其为 系统 还有点不恰当 由最早的8 位单片机i n t e l 公司的8 0 4 8 到在它的基础上研 制的8 0 5 1 随着微处理器的发展 嵌入式系统芯片也经历了由低到高的发展过程 由最初的a r m 系列的a r m l 开始 其地址空间是2 6 位 仅支持2 6 位寻址空间 到1 6 位的处理器 再到目前的3 2 位 6 4 位处理器 进一步提升了系统的性能 嵌 入式系统芯片有了长足发展的同时 嵌入式系统的外设资源同样有了飞速的发展 使吸入式系统具有丰富的人机交互界面 为远程控制和只能管理提供了可能 基于a r m 处理器与hc o s i i 的火灾报警系统的设计 2 1 2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统的特点 1 4 1 系统内核小 小型电子设备中已大量采用嵌入式系统 其内核要远远小于 传统系统 比方说e n e a 公司的产品 内核仅为5 k b 的o s e 分布式系统 要比w i n d o w s 的内核小很多 2 专用性强 嵌入式系统具有结合完美的软硬件结构 针对不同的系统硬件 应用选择不同的系统移植方案 同时 针对系统实现的功能的不同 需要进行更大 的系统更改 应用程序的编译链接需要与系统功能相对应 与系统软件的升级操作 是不同的 3 系统精简 嵌入式系统不存在明确的系统软件与应用软件的界限 对系统 功能的设计与需要切合实际需要 既有利于缩减系统成本 同时也提高了系统的安 全性 4 高实时性 一个合格的嵌入式系统必须具备高实时性 同时也要求软件具 有可固化 运行可靠和容错性好的特点 5 多任务的操作系统 目前嵌入式软件的一个标准就是对多任务操作系统的 使用 其实在没有操作系统芯片上也是可以运行嵌入式系统的应用程序 但是考虑 到系统多任务的调度 资源的合理利用 用户必须选择r t o s 实时平台 这样对于 系统的实时性 稳定性才有保证 才能提高系统开发效率 开发出高质量的软件 6 专门的开发工具和环境 用户需要配置专门的开发工具与系统环境进行嵌 入式系统开发 在完成嵌入式系统设计之后 用户针对其中的程序功能进行升级或 者修改操作 必须具备一套相应的开发工具和软件环境 在系统开发时 需要分清 主机和目标机的概念 其中我们用于开发程序的称为主机 在我们需要测试与执行 程序时的平台称为目标机 需要交替使用进行系统开发 2 1 3 嵌入式系统组成 嵌入式系统的结构可以分为嵌入式处理器 存储器 输入 输出设备 i o 以及 软件 包括用户软件和嵌入式操作系统 如图2 1 所示 可以实现对执行单元的 一些控制和管理功能 第二章嵌入式系统 输入 2 2 嵌入式处理器 2 2 1 嵌入式处理器描述 图2 1 嵌入式系统的组成 输燃设蔷 嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心 目前3 2 位嵌入式微处理器占据大半的市 场 其中7 5 以上的市场份额被a r m 系列微处理器占据 在3 2 位嵌入式微处理器 的市场 有1 0 0 多家芯片供应商和近3 0 种指令体系结构 1 9 9 6 年 最成功的嵌入式 微处理器是m o t o r o l a 公司的6 8 0 0 0 系列 其他的体系结构如 i n t e l 公司的1 9 6 0 m o t o r o l a 公司的c o l d f i r e s u n 公司的s p a r c a r m 公司的a r m 系列 m i p s 公司的 m i p s 系列 以及h i t a c h i 公司的s u p e r h 系列 l 5 嵌入式微处理器是由通用计算机的c p u 演变而来的 在功耗 可靠性 体积 价格 集成度方面比通用c p u 更有优势 实际应用嵌入式产品时只保留与嵌入式系 统联系紧密的硬件结构 裁剪了其他不相关的部件 实现嵌入式系统低功耗和资源 的应用需求 如图2 2 所示 可分为四类 嵌入式微处理器 m i c r o p r o c e s s o ru n i t m p u 嵌入式微控制器 m i c r o c o n t r o l l e ru n i tm c u 嵌入式d s p 处理器 d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o rd s p 已经嵌入式片上系统 s y s t e mo nc h i ps o c 9 第二章嵌入式系统 输入 2 2 嵌入式处理器 2 2 1 嵌入式处理器描述 图2 1 嵌入式系统的组成 输燃设蔷 嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心 目前3 2 位嵌入式微处理器占据大半的市 场 其中7 5 以上的市场份额被a r m 系列微处理器占据 在3 2 位嵌入式微处理器 的市场 有1 0 0 多家芯片供应商和近3 0 种指令体系结构 1 9 9 6 年 最成功的嵌入式 微处理器是m o t o r o l a 公司的6 8 0 0 0 系列 其他的体系结构如 i n t e l 公司的1 9 6 0 m o t o r o l a 公司的c o l d f i r e s u n 公司的s p a r c a r m 公司的a r m 系列 m i p s 公司的 m i p s 系列 以及h i t a c h i 公司的s u p e r h 系列 l 5 嵌入式微处理器是由通用计算机的c p u 演变而来的 在功耗 可靠性 体积 价格 集成度方面比通用c p u 更有优势 实际应用嵌入式产品时只保留与嵌入式系 统联系紧密的硬件结构 裁剪了其他不相关的部件 实现嵌入式系统低功耗和资源 的应用需求 如图2 2 所示 可分为四类 嵌入式微处理器 m i c r o p r o c e s s o ru n i t m p u 嵌入式微控制器 m i c r o c o n t r o l l e ru n i tm c u 嵌入式d s p 处理器 d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o rd s p 已经嵌入式片上系统 s y s t e mo nc h i ps o c 9 基于a r i d 处理器与l ac 0 s i i 的火灾报警系统的设计 糕入或处理器 一 嵌入式磁控制器 mcu 嵌入式d s p 处理器 d s p 嵌入式畿处珲嚣 m p u 嵌入式片卜系统 s o c 图2 2 嵌入式处理器分类 嵌入式微控制器 m c u 其代表是单片机 将系统的必要功能和外设集成于芯片内 部 实现集成化 使降低了系统成本和功耗 并很大程度地提升了其运行可靠行 他们是应用嵌入式系统的主流 很适宜工控领域的应用 以m c s 5 1 系列产品为代 表 嵌入式微处理器 m p u 是由计算机的中央处理器变化而来 主要特征是3 2 位或 者6 4 位处理 它的工作性能媲美p c 机的中央处理器 但不同点之处体现在实际处 理时移除了与嵌入式不相关的功能硬件 因此它具有低功耗 体积小 性价比高等 优点 特别适用于手持设备的研究开发 以a r m 系列为代表产品 嵌入式d s p 处理器 d s p 与微型处理器相近 具有优化过的内置中央处理器 多用于特定的领域 其数字信号处理功能尤为突出 在微处理器的标准指令的基础 上 对系统结构和指令算法等进行了特殊设计 适用于d s p 算法的执行 具备较强 的编译功能和执行功能 d s p 支持较为复杂的指令集 可以快速的完成通用信号处 理运算 近些年来 由于大批量c m o s 工艺的d s p 芯片问世 处理速度得到显著提 高 成为现象技术和语音技术的基础 其应用领域也随之扩大 主要是面向通讯以 及计算机方面等 代表产品有t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 6 0 0 0 等 嵌入式片上系统 s o c 最大优势是实现了软件与硬件之间的完美结合 可以直接 将操作系统代码嵌入到处理器中 v h d l 等硬件描述语言在芯片内部的运行 极大 的体现出其硬件的功能 在一块或几块芯片中可以完美的集成嵌入式系统 缩减了 系统体积与功耗 整个系统变得清晰直观 提高了可靠性 其性能比传统工艺设计 的应用系统有了很大的提高 但价格也高 用于专门领域 1 0 第二章嵌入式系统 2 2 2a r m 微处理器描述 a r m 是一种3 2 位处理器体系结构 目前被公认为嵌入式应用领域领先的3 2 位 嵌入式r s i c 微处理器结构 在电子 通信 控制 手持设备等领域都有广泛的应用 嵌入式系统的发展与成熟 也为a r m 微处理器的应用前景带来了无限可能 a r m 微处理器有三大优势 第一是a r m 架构的低功耗 高性能特性 其次是兼容 t h u m b a r m 双指令集 支持8 1 6 位操作 应用方案灵活简便 易于扩展 最后得 到了大量系统软件的支持 1 6 17 1 因为a r m 微处理器具有多种内核结构 芯片的生 产公司有几十家 内部功能配置方案灵活多样 在选则方案时就会为开发人员产生 很多阻碍 因此 将a r m 微处理器进行对比研究是首要任务 针对不同的应用领域 a r m 微处理器涵盖了一些内核结构 操作系统对每一个内核的利用程度是不相同的 一些简单的操作系统是不需要硬件内核的m m u m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t 存储器管理 单元 支持 但是 还有部分操作系统是需要硬件内核的m m u 支持 如果用户有希望 减少系统开发时间的需要 就需要考虑使用w i n c e 或l i n u x 等操作系统 同时也就 需要选择a r m 7 2 0 t 版本以上具备m m u 功能的a r m 芯片 对于a r m 7 t d m i 它 不具备m m u 仅能支持u c l i n u x 等少数几种l i n u x 2 3 嵌入式操作系统 随着嵌入式在市场上的推广 其程序设计也越发完善 这就必须有一个完整的 操作系统来进行管理和监控 尤其在嵌入式系统在大型设备的运行中 为了可以使 嵌入式得到更加便捷的效果 则需要具备相应的任务间通信 储存分配 定时器响 应 中断处理以及提供各种任务处理等功能的稳定 通过使用嵌入式系统可以提高 系统的开发效率 18 1 如今 嵌入式操作系统在一些系统功能复杂 要求繁琐的大型应用中 起着不 可替代作用 与通常的操作系统相比主要有一下的突出之处 1 9 1 系统的可靠性高 嵌入式操作系统一旦运行就不需人的太多干预 有一定 的异常处理能力 使系统具有自愈能力 2 强实时性 e o s 实时性比较强 可用于各种设备控制 在嵌入式软件中最 核心的莫过于嵌入式r t o s 实时操作系统 3 便于系统的扩展及移植 在嵌入式操作系统下开发具有很大的灵活性 操 基于a r m 处理器与uc o s i i 的火灾报警系统的设计 作系统本身可以裁剪 针对不通的应用环境 不同的处理器芯片可以进行相应的配 置 软件构建可重复使用 移植 嵌入式实时操作系统是当下嵌入式应用系统中的主流 特别是功能较多 系统 庞当的应用效果尤为明显 2 0 1 嵌入式实时操作系统可以保证系统的可靠性 工业生产中 要求控制系统 不能崩溃 同时还要系统还需具备一定自愈能力 因此 在设计硬件时必须考虑到 系统的安全性以及抗干扰性 同时在设计软件时也应该尽可能设置防火墙功能 减 少系统漏洞等安全隐患问题 前后台系统软件在收到外界干扰时 运行程序极易产 生异常 出错等情况 甚至会发生系统崩溃的情况 而具有实时操作系统的嵌入式 系统 可以对这种干扰起到防护的作用 使干扰的危害减小 整体系统不会发生太 大阻碍 被破坏的进程也可进行自我修复 另外 系统监视进程可以用来监视各个 进程的运行情况 当遇到异常时 自身可采取一些稳定系统的措施 2 嵌入式实时操作系统有效的提高了开发效率 缩短开发周期 在嵌入式实 时操作系统下 可以依据软件工程中解耦思想对复杂的程序系统设计划分为多个模 块 调节或修改每个任务模块 但不影响其他任务模块 一般情况下 商业软件都 提供了这样一种多任务调节环境 在嵌入式应用中 只有把中央处理器与操作系统两者同时嵌入到系统中 才能算是 真正的完成嵌入式系统应用的设计 1 2 第三章火灾报警系统总体结构 第三章火灾报警系统总体结构 基于a r m 7 微处理器和u c o s i i 实时操作系统的火灾报警系统组成结构由以下几 个部分组成 1 探测单元 2 控制单元 3 通信单元 其中 探测单元由各类传感 器组成 完成对火灾产生的烟雾 温度 光等物理量的探测与变换处理 并将变换之后 产生的电信号传送至火灾报警控制单元 由控制单元对接收到的信号进行处理 显示以 及传递火灾报警信号和控制其他辅助设备 网络通信单元完成与监控中心的联络通信 获得联网数据与信息 实现火灾报警系统的统一管理与调度 系统结构图如图3 1 所示 3 1 系统的总体结构 图3 1 系统总体示意框图 本文研究的系统可以分为以下几个单元模块 1 火灾探测单元 火灾探测单元由火灾探测器组成 火灾探测器是感受火灾信号的装置 在火灾自动 探测系统中 探测器的选择是十分重要的 按照探测区域内肯可能发生的火灾特点 空 间高度 气流状况等选用合适的探测器或者几种探测器的组合形式 根据探测器监控的 物理量的不同 可以将火灾探测器分为温度 烟雾 光辐射 火焰 气体和复合式等 早期的探测器对火灾的判断只是简单的输出一个两相信号 误报率高 没有运用特定的 基于a r m 处理器与uc 0 s i i 的火灾报警系统的设计 判断规则 已逐渐被淘汰 广泛采用智能型探测器 智能型探测器所采集的连续模拟信 号量 送往a d 转换器 然后 进行数据编码处理发送出去 2 1 1 火灾探测器的连线方 式广泛采用的是二总线系统 在这种系统中 每个火灾探测器有个确定的编码地址 控 制器可根据火灾探测器的编码地址和火灾信号的特征判断火灾位置 相比于早期的火灾 探测器采用的多线制连线系统来说 二总线系统减少了用线量 并降低了成本 施工量 也少了许多 火灾探测单元的连接方式如图3 2 所示 a 多线制系统 火灾探溅器 火灾撵测器 b 图3 2 火灾探测器连接示意图 a 多线制系统 b 二总线系统 2 火灾报警控制单元 火灾报警控制器在系统中起着躯干与大脑的作用 是系统的核心 他的主要作用是 为系统提供稳定电源 监测火灾探测单元的工作情况 判断故障 确保火灾探测单元处 于长期稳定的工作状态 当火灾探测器监测到火灾的发生时 能指示火灾发生的具体位 置 并及时采取有效的处理措施 2 2 1 具有信号识别 报警 控制 广播 声光报警等功 能 控制单元工作示意图如图3 3 所示 火灾报警控制单元接收探测器传送的信号 能根据设定的数据处理方法进行处理 信息也可以同时显示在l c d 上 手动报警按钮产生信号可无条件地送入控制单元 控 制单元负责将此信号传输至监控平台 同时开启声光报警 并控制辅助的自动消防设备 进行灭火的操作等 同时还需要保存火灾发生的时间 地点 上传至监控中心 一个完 善的控制系统应具有故障检测功能 当某个火灾探测器发生故障时 控制系统会显示出 1 4 第三章火灾报警系统总体结构 具体故障部位并发出警告 控制单元根据收到的火灾信号进行快速 准确地判断处理 开启火灾报警 指示具体火灾部位和存储火灾发生时间 同时能继续接收 处理其它火 灾信号 火 灭 檬 溅 斡 7 图3 3 火灾控制器工作示意图 火灾自动报警系统的核心是火灾控制单元 采用a r m 7 微处理器作为处理单元 本 文设计的系统的硬件平台选用l p c 2 1 0 3 处理器 软件系统则选用u c o s i i 操作系统与 g p r s 协议标准 根据用户的具体应用环境依据特定功能进行程序编写 u c o s i i 操作 系统核心代精简 可移植性好 大大简化了程序的编写 加快系统的开发速度 3 通信系统 在火灾自动报警系统中 通信系统同样起着十分重要的作用 控制单元通过通信系 统与监控中心或者火灾报警中心相连 监控中心通过通信单元可以对火灾自动报警系统 进行远程参数的修改 升级等操作 也可以对火灾的发生采取及时的措施 通过远程操 作对火灾现场进行统一调度 避免重大的损失产生 分布式的智能化火灾