（模式识别与智能系统专业论文）基于嵌入式系统和gprs的远程监控系统研究及实现.pdf

声 明尸 明 本人郑重声明 此处所提交的硕士学位论文 基于嵌入式系统和g p r s 的远程监控 系统研究及实现 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间 在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果 据本人所知 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得华北电力大学或其他教育 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 学位论文作者签名 筮兰 塾 日 期 卿 呈 西 关于学位论文使用授权的说明 一 本人完全了解华北电力大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保管 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件 学校可以采用影印 缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文 学校可允许学位论文被查阅或借阅 学校可以学术交流为 目的 复制赠送和交换学位论文 同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表 传播 学位论文的全部或部分内容 够密的学位论文在解密后遵守此规定 作者签名 赵型墨基导师签名 乏如导师签名 丝匕殓 日 期 竺 竺乡日期 鲨 呈 2 0 厂 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文介绍了远程监控系统的研究意义及发展现状 阐述了嵌入式系统及g p r s 等相关背景知识 包括g p r s 传输模型及优点 p p p 协议工作原理以及嵌入式系统技 术等 在此基础上成功设计出一套基于嵌入式系统和g p r s 的远程监控系统 硬件 设计包括嵌入式微处理器选型 g p r s 模块选定 数据采集模块和接口电路设计 软 件设计包括嵌入式l i n u x 移植 p p p 协议移植 套接字s o c k e t 编程 数据采集与存 储 进程通信及进程管理 经测试本系统具有良好的稳定性和可移植性 能够通过 g p r s 网络实现远程监控和信息交互 关键词 g p r s 嵌入式系统 远程监控系统 l i n u x a b s t r a c t t h es i g n i f i c a n c ea n dd e v e l o p m e n ts t a t u so far e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m g m c s w e r ef i r s t l yi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h e nt h eb a c k g r o u n dk n o w l e d g eo ft h er m c sb a s e do ng p r s a n de m b e d d e ds y s t e mw a s i n t r o d u c e d fi n c l u d i n g g p r 8t r a n s m i s s i o nm o d e la n d t h ea d v a n t a g e s p p p 一 p r o t o c o lw o r k i n gp r i n c i p l e 勰w e l la se m b e d d e ds y s t e m st e c h n o l o g y o nt h i sb a s i s 觚e m b e d d e d s y s t e ma n dg p r s b a s e dr m c sw a ss u c c e s s f u l l yd e s i g n e d t h eh a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e da n e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r g p r sm o d u l es e l e c t i o n d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e sa n di n t e r f a c ec i r c u i t d e s i g n t h es o f t w a r ed e s i g ni n c l u d e de m b e d d e dl i n u xm i g r a t i o n p p pp r o t o c o lt r a n s p l a n t s o c k e t p r o g r a m m i n g d a t aa c q u i s i t i o na n ds t o r a g e p r o c e s sc o m m u n i c a t i o na n dt h ep r o c e s sm a n a g e m e n t t h et e s tr e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h i ss y s t e mc a nf u l f i lr e m o t em o n i t o r i n ga n di n f o r m a t i o ne x c h a n g e t h r o u g hg p r sn e t w o r kw i t hg o o ds t a b i l i t ya n dp o r t a b i l i t y z h a ol i u q i a n g p a t t e r nr e c o g n i t i o na n di n t e l l i g e n ts y s t e m d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f m al i a n g y ua n dp r o f l i ny o n g j u n k e yw o r d s g p r s e m b e d d e ds y s t e m s r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m l i n u x l 0 7 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言 1 1 1 课题研究的意义 1 1 2 国内外发展现状 2 1 3 课题研究的主要内容 2 第二章g p r s 通信技术及嵌入式系统 4 2 1g p r s 无线通信技术 4 2 1 1g p r s 的优点 4 2 1 2g p r s 的应用 5 2 2 嵌入式系统概念及特点 5 2 3 嵌入式l i n u x 操作系统 6 2 3 1l i n u x 操作系统优点 6 2 3 2 嵌入式l i n u x 结构特征 6 2 4 开发环境的建立 8 2 5 本章小结 9 第三章监控终端硬件设计 1 0 3 1 监控终端硬件总体设计 1 0 3 2 嵌入式处理器简介 1 1 3 2 1a r m 微处理器特点 1 1 3 2 2 3 c 2 4 1 0 处理器 1 1 3 3 各个模块硬件设计 1 2 3 3 1 电源模块 1 2 3 3 2 复位及时钟电路 1 3 3 3 3 存储器 1 3 3 3 4 时钟配置 1 5 3 3 5 串行接口电路 一 1 7 3 3 6c a n 总线接口电路 1 8 3 3 7s d 卡接口电路 1 9 t 士学位论文目录 1 1 2 3 2 5 2 6 6 2 7 4 3l i n u x 中s o c k e t 接口 3 0 4 3 1s o c k e t 的类型 3 l 4 3 2 网络地址 3 1 4 3 3 创建s o c k e t 3 2 4 3 4b i n d 函数 3 2 4 3 5l i s t e n0 函数 3 2 4 3 6 等待连接 3 2 4 3 7 连接建立 3 3 4 3 8 数据传输 3 3 4 3 9 结束传输 3 3 4 4 监控终端软件实现 3 4 4 4 7 程序自动启动 4 2 i 4 5 本章小结 4 2 第五章监控中心软件设计 4 3 u i fj 4 5 6 6 7 7 3 3 3 3 3 3 成块块块块块组模模模模模端集储讯接行终采存通连执控据据络络令监数数网网命 l o 厶口o 4 工u 6 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 华北电力大学硕士学位论文目录 5 1 监控中心软件总体设计 4 3 5 2 网络连接模块 4 4 5 3 网络服务模块 4 5 5 4 数据存储模块 4 5 5 5 信息管理模块 4 6 5 6 数据显示模块 4 7 5 7 本章小结 4 8 第六章总结与展望 4 9 6 1 总结 一 4 9 6 2 展望 4 9 参考文献 5 l 致谢 5 4 在学期间发表的学术论文和参加科研情况 5 5 i 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究的意义 第一章引言 随着通信技术和信息处理技术的迅猛发展 两者的结合 远程监控系统已成 为当前研究领域的一大热点 远程监控系统是指在远离被控对象的情况下 能够及 时获知被控对象的工作状况 必要时发出指令对其进行遥控的系统 远程监控系统 的出现 使工作人员不需要到达现场 只要坐在监控中心就能够掌握全局 及时得 到被控对象的详细情况 迅速作出决策并有效地执行 大大提高了工作效率 节省 了人力物力 也提高了系统对突发事件的应变能力 将是各行业监控系统的发展趋 势 在现代工业企业的生产和管理中 大量的物理量 工艺数据 特性参数需要进 行实时检测 监督管理和自动控制 监控系统的数据传输可采用有线和无线两种方 式 有线数据传输方式一般采用现场总线的形式 适合于传输距离较近的场合 无 线的传输方式有 使用开放遥控遥测频段的短距离无线数传模块 传输距离约1 0 0 0 m 左右 数传电台 g s m 短消息和g p r s 模式 短距离无线数传模块的传输距离比较近 且一般都是点对点的数据传输 较少 实现点对多点形式的数据传输 数传电台的传输距离在二三十公里左右 但属于专 用网络 基于g s m 网络的短消息形式的数据传输 运营成本较高 而且短消息的 延时性较大 实时性不强 随着现代工业与科技的进步与发展 工业控制领域的网络化 分布式的特点越 来越明显 需求也在与日俱增 工业控制从传统的现场控制发展到了远程监控模式 强大的i n t e m e t 和日趋成熟的无线数据通信技术使距离不再成为一种制约 工业控 制网络因此得到了延伸 当前的远程监控系统中 集移动通信和i p 技术于一身的 g p r s 数据业务则弥补了早期技术的不足 g p r s 是通用分组无线业务 g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e 的英文缩写 是在现 有的g s m 数字移动通信系统上发展起来的一项新型的数据承载业务 它将移动通 信技术和i p 技术有机结合 组成了移动i p 网络 可与高速发展的固定i p 网实现无 缝连接 为移动用户以分组交换的形式提供数据 语音 图像等多媒体业务 g p r s 数据传输率高 实时性强 数据采用网络方式传输 稳定可靠 且可实现跨地域传 送 数据按流量收费 费用低 同时利用了现有的g s m 基站系统 不需组建自己 的网络 大大节省了组网成本 因此 进行基于g p r s 的远程监控系统研究具有十 分重要的现实意义 l 华北电力大学硕士学位论文 1 2 国内外发展现状 早期的远程数据采集技术是非在线 非实时采集的方式 而现代的远程采集技 术是在线实时的方式 借助于计算机 通信技术和互联网 操作员通过安装在现场 的各种传感器等设备 远隔千里即能随时了解现场的情况 对现场的情况进行实时 监督和判断 近年来 国内在基于g p r s 的远程监控领域进行了大量理论及应用的研究和开 发 并取得了长足的进步 一些高等学府和科研院所通过与企业合作 正逐渐将基 于g p r s 的远程监控技术应用于各行各业 已取得了许多成果 遍及国民经济的诸 多领域 基于g p r s 网络的无线监控系统可广泛用于遥测 遥控 防盗报警 工业 数据采集系统 交通运输监控管理等工业领域 其典型应用有 1 车辆状态远程监控 如车辆位置 时间 速度 运动方向的监控 远程控制 车辆中的设备 可对丢失的车辆进行位置查找和监控等 2 煤气 天然气 石油 电力等能源系统设备和网络的远程监控 发电机组 变电站 供电所的远程监控 3 各种信息查询系统 交通信息 天气预报 银行系统等很多领域的信息查询 4 对人体有害环境的远程监控 气象监控点气象信息的上传 地震测试点的地 震信息上传 化工厂周围的空气质量的远程监控 噪声严重区域的噪声远程监控和 噪声抑制 5 水闸 水库大坝 供水系统的远程监控 河流 湖泊的水位变化 水流量 状态等关系到灾害的发生 而水质的变化与供水系统和人们的生活休戚相关 远程 实时监控这些信息数据意义重大 综上所述 远程监控系统应用的行业众多 随着g p r s 网络的进一步完善和发 展 基于g p r s 的远程监控系统的应用也必将越来越广泛 1 3 课题研究的主要内容 本课题主要内容是基于嵌入式系统与g p r s 的远程监控系统的研究与应用开 发 整个系统由远端监测设备和主站监测服务器设备两部分组成 其中远端监测设 备安装在电动机旁的监控点 主站监测服务器设备安装在控制中心 远端监测设备 在每一电机监控点完成对电机各种参数的检测 并实现相应的控制功能 在电机正 常运行时将电机的各种参数存贮在自身的存贮单元内 当接收到由主站监测服务器 发送的命令后 根据命令要求将存贮的电机历史数据传送给主站监测服务器 主站 2 弓 k 参 巩 4 簟 华北电力大学硕士学位论文 监测服务器是一台安装有监控软件的p c 机 通过i n t e m c t 链接到移动g p r s 网 监控软件负责管理整个系统的所有远端监测设备 如 设定各站点的原始信息 提 示报警 将数据存储到数据库中 修改各远端设备的运行参数等 主站服务器软件 还可以查询各远端设备的当前数据和网络运行状态 并提供历史数据的查询 打印 备份 删除及模拟量曲线绘制等功能 归纳起来 本文研究的主要内容如下 第一章 论述了基于嵌入式系统与g p r s 的远程监控系统的研究背景和现状 阐述了本课题研究的意义及主要内容 第二章 介绍了g p r s 系统的优点和应用 并对嵌入式系统的概念以及其特点 嵌入式l i n u x 操作系统进行论述 其中详细阐述了嵌入式l i n u x 结构特征 第三章 详细论述了监控终端系统硬件设计 包括嵌入式核心处理器选型及系 统的电源 复位与时钟电路 存储系统 串行接口 c a n 总线 s d 卡电路 u s b 接口及g p r s 模块与 3 c 2 4 1 0 接口等电路的设计 第四章 论述了嵌入式l i n u x 移植 p p p 协议的移植 l i n u x 中s o c k e t 编程及 遇到的问题 其中l i n u x 中s o c k e t 编程是整个软件设计中的主要内容 也是整个系 统核心 其分为服务器端的服务程序和监控终端的客户端程序 第五章 论述了监控中心软件总体设计 并从网络连接 网络服务 数据存储 处理 信息管理及显示等几大模块进行设计及实现 第六章 总结与展望 3 与g s m 电路交换相比 g p r s 非常重要的优点在于引入了分组交换能力 利 用g p r s 进行数据传输具有永远在线 按流量计费 快捷登录 高速传输和自如切 换等优点 1 接入范围比较广 g p r s 是在现有的g s m 网上升级 可充分利用全国范围的g s m 网络 方便 快速地为用户的数据终端提供远程接入网络的服务 2 高速传输 g p r s 采用了分组交换技术 高效传输高速或低速数据和信令 优化了对网络 资源和无线资源的利用 定义了新的g p r s 无线信道 且分配方式十分灵活 每个 t d m a 帧可以分配1 8 个无线接口时隙 时隙能为活动用户所共享 且向上链路和 向下链路的分配是独立的 支持中 高速率数据传输 可提供9 0 5 一1 7 1 2 k b s 的数 据传输速率 3 接入时间短 快捷登陆 g p r s 网络接入速度快 能够提供与现有数据网的无缝连接 g p r s 支持基于 标准数据通信协议的应用 可以和i p 网 x 2 5 网互联互通 支持特定的点到点和 点到多点服务 以实现一些特殊应用 如远程信息处理 此外 c p r s 也允许短消 息业务 s m s 经g p r s 无线信道传输 g p r s 的设计使它既能支待间歇的爆发式数 据传输 也能支持偶尔的大量的数据传输 它支持四种不同的q o s 级别 g p r s 能 在o 5 0 1 之内恢复数据的重新传输 4 彰 t 雌 华北电力大学硕士学位论文 4 永远在线 提供实时在线功能 用户可以随时与网络保持联系 即使没有数据传输 也能 够一直保持终端同网络的联接状态 这使访问服务变得非常简单 快速 5 按流量收费 用户只有在发送或者接收数据期间才占用无线资源 用户可以一直在线 计费 时按照用户发送或者接收的数据包的数量 没有数据流量传递 即便是用户挂在网 上也是不收费的 幻 2 1 2g p r s 的应用 目前 g p r s 业务己经深入到人们生活的方方面面 例如移动商务 移动信息 服务 移动互联网业务 虚拟专用网业务 基于位置的业务 多媒体业务和个人服 务业务等 主要的应用领域有 1 信息业务 传送给移动电话用户的信息内容广泛 例如股票价格 体育新 闻 天气预报 交通信息 新闻快递等 2 无线接入 g p r s 可以给智能电话 掌上电脑等设备提供高达1 7 1 2 k b s 的 无线接入速率 而目前最快的无线接入速度只有1 9 2 k b s 这大大拓宽了无线接入 带宽 3 g p r s 电子支付 随着g p r s 网安全保障的不断提高 g p r s 电子商务 g p r s 电子银行都将会引入到移动通信网中来 4 以g p r s 承载业务为基础的网络应用tv p n 业务通过与企业内部i n t r a n e t 互通 使用户能无线接入内部局域网 实现移动办公等 5 基于w a p 的应用t 通过g p r s 可使基于w a p 的业务应用的开发变得更加 容易 其w a p 业务应用可兼容各种g p r s 终端 6 实现移动上网 g p r s 移动终端 可实现诸如收发e m a i l 图像发送 w w w 网页浏览等功能 随着g p r s 网络的逐渐完整和应用技术的不断成熟 使用g p r s 网络进行无线 数据的传输会越来越广泛 2 2 嵌入式系统概念及特点 根据i e e e 的定义 嵌入式系统是 控制 监视或者辅助装置 机器和设备运 行的装置 从i e e e 的定义可以看出嵌入式系统是软件与硬件的结合体 但是这种 5 华北电力大学硕士学位论文 定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓 目前国内普遍被认同的定义是 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 简而言之 嵌入式系统集系统的应 用软件与硬件于一体 具有软件代码小 响应速度快 高度自动化等特点 特别适 合于要求实时和多任务的体系 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 嵌入式系统具有以下几个特点 1 嵌入式系统是面向产品 面向用户 面向应用的 与应用紧密结合 具有 很强的专用性 必须结合实际需求进行合理的裁减 2 嵌入式系统是将先进的计算机技术 电子技术 半导体技术和各行业的具 体应用相结合后的产物 它是一个技术密集 高度分散 资金密集 不断创新的知 识集成系统 3 嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪 以满足应用系统对功能 成本 可靠性 体积的要求 4 嵌入式系统本身并不具备自主开发能力 即使设计完成以后用户并不能对 其中的程序功能进行修改 必须拥有一套开发工具和开发环境才能进行开发 2 3 嵌入式l in u x 操作系统 2 3 1lin u x 操作系统优点 l i n u x 操作系统具有相当多的优点 它的内核稳定 功能强大 支持多种硬件 平台 源代码完全开放 可裁减和低成本的特性非常适合于嵌入式应用 并且l i n u x 本身能够提供完整的t c p i p 协议 可非常方便地进行网络通信 l i n u x 做嵌入式应 用有以下优点 首先 l i n u x 的内核小 效率高 内核的更新速度很快 其次 l i n u x 是开放源代码的 不存在黑箱技术 遍布全球的众多l i n u x 爱好者又是l i n u x 开发 者的强大技术支持 第三 l i n u x 适应于多种c p u 和多种硬件平台 是一个跨平台 的系统 到目前为止 它可以支持三十多种c p u 而且性能稳定 裁剪性好 开发 和使用都很容易 第四 l i n u x 是免费的o s 在价格上极具竞争力口1 2 3 2 嵌入式lin u x 结构特征 嵌入式l i n u x 具有分层的体系结构 如图2 1 每一层模块都屏蔽了其以下各 个层的具体细节 只对上一层提供功能接口或图形界面 上层模块不需要知道其以 下层各模块的实现方法 只需利用下层提供的接口完成相应功能即可 这样分层模 6 艺 成7 l i f 曩 w 华北电力大学硕士学位论文 型大大增加了嵌入式l i n u x 的安全性 稳定性 裁剪增添模块的便利性 功能层 软件层 中间层 硬件层 用户程序 操作系统 一 板级支持包 嵌入式处理器系统 一 图2 1 嵌入式l i n u x 体系结构图 嵌入式系统的硬件层是以嵌入式处理器为核心的 硬件层由微处理器 外围电 路和外设组成 硬件层与软件层之间为中间层 也称为b s p 它将系统软件与底层 硬件部分隔离 使得系统的底层设备驱动程序与硬件无关 一般应具有相关硬件的 初始化 数据的输入 输出操作和硬件设备的配置等功能 软件层主要是操作系统 有的还包括图形用户接口等 操作系统的引入大大提高了嵌入式系统的功能 方便 了应用软件的设计 功能层由基于操作系统开发的应用程序组成 用来完成对被控 对象的控制功能 在嵌入式系统中 用户空间部分包括基本的人机界面和必要的命令等 内核空 间为用户空间提供一个虚拟的硬件平台 以统一的方式对资源进行访问 并透明地 支持多任务 下面将简要介绍嵌入式l i n u x 最为关键的部分一l i n u x 内核 嵌入式l i n u x 内核一般可以分为5 个部分 进程调度管理 内存管理 文件系 统 设备管理和网络功能 1 进程调度管理 嵌入式l i n u x 操作系统是一个多任务 多线程的系统 使用基于优先级的抢占 式调度方式进行调度 在这种调度方式下 系统中运行的进程总是优先级最高的 在嵌入式系统应用中 实时性要求较高 常利用改变进程的调度方式来实现实时调 度 而l i n u x 的每个进程都有自己的虚拟地址空间和资源 内核除了提供进程间通 信机制 i p c 还提供内存共享 套接字等通信机制来进行多个线程之间的运行和 协调 2 内存管理 嵌入式l i n u x 操作系统在具有内存管理单元 m m u 的微处理器中支持虚拟内存 7 硬件 3 文件系统 与w i n d o w s 系统不同的是l i n u x 的文件系统建立在块设备上 不采用驱动器号 或驱动器名称来标识 而是采用了树形结构 每个独立文件系统为一个子树 组成 树形的层次化结构 嵌入式l i n u x 的文件系统能够在一个系统中支持多个文件系统 的原因在于 嵌入式l i n u x 文件系统的结构与u n i x 系统类似 系统具有一套虚拟 文件系统 v f s 接口 访问文件系统都通过该套接口 所有真正的文件系统都挂接 在虚拟文件系统下 嵌入式l i n u x 使用统一的接口对所有类型的文件系统进行访问 4 设备管理 l i n u x 管理硬件设备控制器的驱动代码由内核统一管理 嵌入式l i n u x 中 硬 件设备分为字符设备 块设备和网络设备3 大类 内核的设备驱动是一组运行在特 权级上的内存驻留库 为操作系统和硬件设备之间的交互提供通信 驱动程序直接 操作硬件控制器 并提供给内核统一功能接口以实现对设备的驱动控制 实际上 在嵌入式l i n u x 中 驱动程序通常把硬件设备抽象成普通文件形式 内核像操作普 通文件一样打开 读取 写入和关闭外设 而不关心具体的细节 5 网络功能 网络功能也必须由操作系统来管理 因为大部分网络操作都和具体的进程无 关 在每个进程处理这些数据之前 数据报必须已经被收集 标识 和分发 系统 负责在应用程序和网络之间传递数据 另外 所有的路由和地址解析问题都由内核 处理哺1 2 4 开发环境的建立 因为嵌入式系统本身没有足够资源运行开发工具和编译工具 所以嵌入式系统 开发通常采用交叉编译调试的方式进行 交叉编译调试环境必须建立在宿主机上 而系统平台叫做目标板 通常宿主机和目标板上的处理器不同 所以程序需要使用针对对应的处理器的 编译器才能生成在适合所选平台上可运行的代码 g n u 编译器g c c g n uc o m p i l e r c o l l e c t i o n 缩写 可以提供这样的功能 在编译时 可以选择开发所需的宿主机和 目标机 在进行嵌入式开发前的第一步工作就是把一台p c 机作为宿主机开发机 8 喀i l k 梦 华北电力大学硕士学位论文 并在其上安装指定的操作系统 对于嵌入式l i n u x 宿主机p c 上应安装l i n u x 系统 本系统采用a r m 一1i n u x 编译工具进行交叉编译 生成针对 3 c 2 4 1 0 处理器可执行 的二进制代码 并进行移植和调试 交叉编译环境的建立最重要的就是要安装一个交叉编译器 交叉编译器可以使 用g n u 工具链来生成 其中的工具包括三个部分 b i n u t i l s g c c 和g l i b c 其中 b i n u t i l s 是二进制处理工具 g c c 是编译工具 g l i b c 是链接和运行库 交叉编译 环境的建立过程如下 1 从a r 4 l i n u x 的官方站点h t t p a r m l i n u x o r g u k 下载某一版本的交叉编 译器 例如 c r o s s 3 3 4 t a r b z 2 2 在 u s r 1 0 c a l a 瑚下解压 s t a r j x v fc r o s s 3 3 4 t a r b z 2 3 在 e t c p r o f i l e 文件中修改p a t h 环境变量 在e x p o r t 之前添加一行 p a t h p a t h u s r 1 0 c a l a r m 3 3 4 b i n 4 使以上配置生效 s o u r c e e t c p r o f il e 2 5 本章小结 本章首先介绍了g p r s 无线通信技术的基本知识 论述了g p r s 的模型及其优点 介绍了g p r s 系统的应用 然后对嵌入式系统的概念以及其特点 嵌入式l i n u x 操 作系统进行介绍 并详细阐述了嵌入式l i n u x 的结构特征 最后说明了嵌入式l i n u x 系统开发环境建立方法与过程 通过本章的工作 对g p r s 的通信过程和嵌入式系 统及其开发过程有了深入的了解 为后面嵌入式系统软件开发做好了准备 9 界面的应用程序或驱动软件控制完成显示功能 由c p u 负责对采集到的数据进行运 算和处理 然后通过以太网或c a n b u s 传给近距离的监控设备 需要远程传输的数 据交给g p r s 模块将其发送给远程服务中心 g p r s 模块主要完成无线网络数据传输的功能 现在市场上已经有很多比较成熟 的g p r s 模块 本设计采用w a v e c o m0 2 4 0 3 a 模块 嵌入式l i n u x 操作系统通过r s 2 3 2 接口与g p r s 模块相连接 并通过软件通信方式连接g p r s 网络 最终实现与g p r s 网络进行数据通信的目的 g p r s 模块向外提供r s 2 3 2 接口 可以在嵌入式l i n u x 中编写相应的p p p 脚本拨号程序 直接驱动g p r s 模块连接上g p r s 网络 这样所有 采集到的数据就可以通过t c p i p 通道发送到相应的数据服务器主机上去 从而实 现采集数据的无线传输 图3 1 终端硬件总体框图 l o 瘟曩l 11 l 华北电力大学硕士学位论文 3 2 嵌入式处理器简介 监控终端硬件平台包括 核心处理器和其它外围元件电路 本系统选用的处理 器是三星公司推出的一款基于a r m 9 2 0 t 内核的 3 c 2 4 1 0 嵌入式微处理器 它因较低 的价格和强大的性能而受到众人的青睐 而开发商多的这一特点可以为用户提供更 多的技术支持 下文依次分别介绍a r m 微处理器 s 3 c 2 4 1 0 的特性和功能 此监控 终端平台的硬件整体构架以及其外围功能模块 各种通讯接口 人机交互设备的硬 件设计 本章工作旨在为后续的模块软件开发提供可靠的硬件平台 该平台能满足 各种数据采集设备所需的采集 存储记录 人机交互 通讯等通用性要求 3 2 1a r m 微处理器特点 采用r i s c 架构的a r m 微处理器具有如下特点 体积小 低成本 低功耗 高 性能 支持t h u m b 1 6 位 a 跚 3 2 位 双指令集 能很好地兼容8 位 1 6 位器件 大量使用寄存器 指令执行速度更快 大多数数据操作都在寄存器中完成 寻址方 式灵活简单 执行效率高 指令长度固定 3 2 2 3 c 2 4 10 处理器 3 c 2 4 1 0 是s a m s u n g 公司为给手持设备和一般类型应用提供低价格 低功耗 高性能小型微控制器的解决方案而推出的一款1 6 3 2 位r i s c 处理器 3 c 2 4 1 0 a 提 供了以下丰富的内部设备 独立的1 6 k b 的指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e m m u 虚 拟存储器管理 支持非线性n a n df l a s h 系统引导 l c d 控制器 支持s t n t f t 系统管理器 片选逻辑和s d r a m 控制器 4 个通道d m a 3 个通道的异步串口 u a r t 4 个通道的带脉宽调制 p 删 的定时器 i o 端口 r t c i i c b u s 接口 8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口 u s b 主机 h o s t 接口 u s b 设备 d e v i c e 接口 2 个通 道的s p i 接口 s d 卡 m m c 卡接口以及内部锁相环 p l l 时钟倍频器 s 3 c 2 4 1 0 a 的显著特性是它的c p u 核心 它采用了a r m 9 2 0 t 内核 0 1 8 u m 工艺 的c m o s 标准宏单元和存储器单元 它的低功耗 精简和出色的全静态设计特别适 用于对成本和功耗敏感的应用 同时它还采用了一种叫做a d v a n c e d m i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e a m b a 新型总线结构 通过提供一系列完整的系统外围设备 3 c 2 4 1 0 a 大大减少了整个系统的成本 消除了为系统配置额外器件的需要n 华北电力大学硕士学位论文 3 3 各个模块硬件设计 3 3 1 电源模块 在本系统中 总共需要三种电压5 v 3 3 v 和1 8 v 首先采用开关稳压电源 将交流2 2 0 v 市电转换成直流1 2 v 将其作为l m 2 5 7 6 稳压电源的输入得到5 v 的电压 5 v 电压为电路板上的5 v 器件供电 同时作为下一级稳压电源的输入 5 v 经 l m l l l 7 3 3 v 和l m l l l 7 1 8 v 分别得到3 3 v 和1 8 v 的工作电压 为开发板上的 多数芯片提供电源 而1 8 v 是供给 3 c 2 4 1 0 内核使用的 在电源保护方面 不仅 在开关电源的a c 输入端接有保险管 而且在开关电源的5 v 输出端口装有可恢复的 保险管 当系统连接出错而导致5 v 电流过大时 可恢复保险管会因过热而自动断 开 当冷却了以后 又自动连接 实现系统的过流自动保护 具体电路分别如图3 2 r u 1 4 l l 一 v d d1 2 vii t 2 q 4 i x 丑0 n i 0 上上j 一手希 n 胛螽 j 刊 口 l c 4 0l m 2 5 7 6 s 5d s i 一 d s c 4 2 l 一 一二 f 锄 2p 一 一一 c 3 r 2 0岫7 咒给vl ol i 一 n 2 2 0 u p l ii v 1o i j1 1 r vd d5 v j i 告印 事蝉 一 礓朝d3 3 v p 3 h 过 2 舌 v o t r l a l 3 b t l 呐 4 鬻 十 c 70 7c 7 蔓 o 1 0 uf t 勇 毪 a 1 豇f n 一j 卜一1 0 l d 1 l f 1 陴 一 v d ds v 阳1 1 1 7 1 日 v d d1 8 嘲 h 3 1 1 d v o t r r jl 2 4i e 乏 蚕 4 hc 7 7 f e 7 j r 叫1 r a n lw l l 0 7 一 0 瑚竹鼍 r t uf t 瓦石 l i j 图3 2 系统电源模块 1 2 曼 重 妒 3 3 2 复位及 在系统中 功能 复位电路 完善的电路 本系统采用 电路如图3 3 所 图3 3 系统的复位电路 该复位电路的工作原理如下 在系统上电时 通过电阻r 1 向电容c 1 充电 当 c l 两端的电压未达到高电平的门限电压时 r e s e t 端输出为低电平 系统处于复位 状态 当c l 两端的电压达到高电平的门限电压时 r e s e t 端输出为高电平 系统进 入正常工作状态 3 3 3 存储器 1 f l a s h 存储器 f l a s h 是非易失性存储器 主要分为n o r 和n a n d 两类 n o rf l a s h 的特点是 芯片内执行 即应用程序可以不必把代码读到系统r a m 中而直接在f l a s h 中运行 传输效率高 在1 1 6 m b 的小容量时具有很高的成本效益 但是很低的写入和擦除 速度大大影响了他的性能 n a n df l a s h 的特点 极高的单元密度 可达到很高的存 储密度高 写入擦除速度快 但是需要特定的接口 运行程序需要将程序复制到r a m 中运行 不能直接在n a n df l a s h 中运行程序 综上所述 系统需要有一个r o m 用 来存储启动信息 操作系统等必需的信息 本课题选用三星公司性价比很高的n a n df l a s hk 9 f 1 2 0 8 用来存储数据做文件 系统 n a n df l a s h 由于其自身结构的特点 没有地址线 主要是通过数据命令配合 控制线对n a n df l a s h 进行控制 进行数据的擦除和存储 n a n df l a s h 的接口的原 1 3 1 一 华北电力大学硕士学位论文 1 9 7 1 6 1 7 1 8 8 6 1 3 3 6 i 女d 7 4 4 4 3 4 2 4 l 3 2 3 l 3 0 2 9 1 2 3 7 c 3 0 1 0 4 图3 4f l a s h 电路图 3 c 2 4 1 0 支持从n a n df l a s h 启动 n a n df l a s h 具有容量大 比n o rf l a s h 价 格低等特点 系统采用n a n df l a s h 与s d r a m 组合 可以获得非常高的性价比 s 3 c 2 4 1 0 具有三种启动方式 可通过o m 1 0 管脚进行选择 o m 1 0 0 0 时处 理器从n a n d f i a s h 启动 o m 1 0 0 1 时处理器从1 6 位宽的r o m 启动 o m 1 0 1 0 时处理器从3 2 位宽的r o m 启动 用户可以将引导代码和操作系统镜像存放在外部的n a n df l a s h 中 并从n a n d f l a s h 启动 当处理器在这种模式下电复位时 内置的n a n df l a s h 将访问控制接口 并将引导代码自动加载到内部s r a m 此时刻s r a m 定位于起始地址空间o x 0 0 0 0 0 0 0 0 容量为4 k b 运行 之后 s r a m 中的引导程序将操作系统镜像加载到s d r a m 中 操 作系统就能够在s d r a m 中运行 启动完毕后 4 k b 的启动s r a m 便可以用于其他用途 如果从其它方式启动 启动r o m 就要定位于内存的起始地址空间0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 处理 器直接在r o m 上运行启动程序 而4 k b 启动s r a m 被定位于内存地址的o x 4 0 0 0 0 0 0 0 处 6 1 2 2 s d r a m 存储器 s d r a m 其全称为同步动态随机存储器 是嵌入式系统设计时最常用的一类 d r a m 与f l a s h 存储器相比较 s d r a m 不具有掉电保持数据的特性 但其存取速度 大大高于f l a s h 存储器 集成度高 单片存储容量大 且具有读 写的属性 因此 s d r a m 在系统中主要用作程序的运行空间 数据及堆栈区 当系统启动时 c p u 首 1 4 l i l 毒 一一一一一一一一一一一一一一一 6 5 辱3 2 l o 玺默鼢姜 贼姗 嫩淞 一聊一髓 兰 笔 一骶一贬一旺 一旺薹曼蓥塞 先 s d 地 h y 3 3 4 时钟配置 图3 5s d r a m 电路原理图 时钟配置是对 3 c 2 4 1 0c p u 的时钟及其内部集成的r t c 的时钟连接方式的配置 这两部分的时钟是分开供给的 一个是1 2 m h z 晶振 另一个为3 2 7 6 8 k h z 的晶振 s 3 c 2 4 1 0 具有突出的特点 该芯片集成了一个具有日历功能的r t c 和具有p l l m p l l 和u p l l 的芯片时钟发生器 即两个锁相环 m p l l 产生主时钟 能够使处理 器工作频率最高达到2 0 3 m h z 这个工作频率可以让处理器轻松运行l i n u x w i n c e 1 5 一 华北电力大学硕士学位论文 等操作系统以及进行较为复杂的信息处理 u p l l 产生实现主从u s b 功能的时钟 其 中p l l 包含两种 m p l l 主要应用于各种设备时钟的提供 u p l l 应用于u s b 时钟频 率应用 其中 m p l l 的设置主要依靠使用各种锁相环和分频器来改变输入原始的频 率 经过锁相环之后可以提升频率 关于频率的选择主要依靠改变c p u 寄存器实现 m p l l c o n 通过改变其中的参数设置即可 m p l l m 枣f i n p 木2 s m m d i v 8 p p d i v 2 s s d i v m p l l 就是要得到的频率 系统的时钟设置除了与外接的晶振有关系 还与芯片引脚0 m 3 2 有关 0 m 3 0 m 2 是 3 c 2 4 1 0c p u 上的两个引脚 关系如表3 1 所示 表3 1 时钟设置与o m 3 2 关系 功能 输入 晶振 c p u 内部振荡电路的外接的晶振 从 i p n 引脚输入 x t o p n c p u 引脚输出 引脚输出 状态 e x t c l k 外部时钟源 a h 模拟输入 a o 模拟输出 o m 3 2 决定采用哪种时钟 o m 3 2 一0 0 b 晶振用于m p l lc u o 于钟源和u p l lc l k 时钟源 o m 3 2 0 1 b 晶振用于m p l lc l k 时钟源 e x t c l k 用于u p l lc l k 时钟源 o m 3 2 i o m 3 2 1 0 b e x r c l 量 用于m p l lc l k 时钟源 晶振用于u p l lc l k 时钟源 o m 3 2 ll b e x t c l k 用于m p l lc l k 时钟源和u p l lc l k 时钟 源 外部时钟源 o m 3 2 0 0 b e u 用于u p u c l k 时钟源 o m 3 2 1 0 b e r c l k 用于m p l lc l k 时钟源 晶振用于u p l lc l k e 订 l ki 时钟源 o m 3 2 li b e x t c u 用于m p l lc l k 时钟源和u p l lc l k h 寸钟源 如果它不使用 必须接高电平 3 3 v 内部振荡电路的晶振输入 o m 3 2 0 0 b 用于m p l lc l k 时钟源和u p l lc l k 时钟源 x t i p u a i o m 3 2 0 0 b 用于m p l lc l k 时钟源 o m 3 2 1 0 b 用于u p l lc l k 时钟源 如果它不使用 x t i p l l 必须接高电平 3 3 v 内部振荡电路的晶振输出 o m 3 2 0 0 b 用于m p l lc l k 时钟源和u p l lc l k 时钟源 x t o p n a o o m 3 2 0 0 b 用于m p l lc l k 时钟源 o m 3 2 1 0 b 用于u p l lc l k 时钟源 如果它不使用 必须浮空 1 6 崎 謦 3重t譬覃 华北电力大学硕士学位论文 l v 口l l c a pa i 主时钟的环路滤波电容 u p l l c a p a i u s b 时钟的环路滤波电容 3 2 7 6 8l d i z 的r t c 晶振输入 x a i 如果不被使用 必须接高电平 1 h c d 一1 8 v x t o n ca o3 2 7 6 8k h z 的r t c 晶振输出 如果不使用它必须设为悬空 本系统中o m 3 2 固定接为地 即为o m 3 2 o 0 的情况 所以 c p u 的系统 时钟m p l l f c l k 和u s b 接口的时钟u p l l 都来自1 2 m h z 晶振 r t c 时钟则来自 3 2 7 6 8 k h z 的晶振 如图3 6 所示 x t a l 3 3 5 串行接口电路 图3 6 时钟连接 p 叮2 2 p f 串行通信接口是计算机系统中常用的通信接口之一 串行通信接口的数据是按 位进行传输的 与并行通信的按字节传输相比 串行通信接口使用的传输线少 因 此 在