（计算机应用技术专业论文）嵌入式处理技术在无线远程监控系统中的研究与应用.pdf

j 塞堕皇盔堂婴主堕塑竺堂垡堡塞 壁垒壅丝望垫查垄垂垡垩堡些墼墨堑主塑婴塞兰空塑 嵌入式处理技术在无线远程监控系统中的研究与应用 摘要 远程监控系统主要用于完成远程现场点的数据采集 处理 实时监控等功 能 传统的远程监控系统采用自动控制技术 计算机技术并已广泛应用于工 业自动化 工业控制领域 然而 由于传统的远程监控系统没有或无法解决 实时大数据量处理 无线远程实时通信等的问题 其应用受到很大的限制 嵌入式处理技术是近几年来发展较快的一种新兴技术 有着广泛的应用和 研究 其中嵌入式操作系统 嵌入式处理器的发展已经日臻完善 然而如何 利用现有的嵌入式操作系统 嵌入式处理器搭建或定制实际应用的嵌入式处 理平台 仍然有待研究 同样 g p r s 技术自2 0 0 2 年在中国正式推广以来 其应用有了长足的发展 然而在许多领域 其应用研究仍有待深入 尤其在无线远程监控管理方面 g p r s 的应用研究还处于起步阶段 将嵌入式处理技术和远程监控管理技术结合起来 提出基于g p r s 无线通 信的远程监控系统的完整解决方案和关键技术的实现是本文的目标 本文首先将主要分析嵌入式处理技术和g p r s 技术的发展 提出无线远程 监控系统的整体设计方案 其次 本文重点论述无线远程监控系统中关键技术的实现 具体包括数据 采集端 串口通信 p p p 协议包 g p r s 通信模块等的软件设计和实现 最后 本文对论文期间所做的其他工作进行说明 并对本课题的相关工作 进行总结 关键词嵌入式 g p r s 远程监控 l i n u x 串口 p p p 型生塑型堑望兰婴主婴塞竺兰垡笙壅 塑 塾丝望堇垄垄垂塑垄矍些鳖墨堑生堕婴壅兰鏖型 r e s e a r c ho nw i r e l e s sr e m o t e a d m i n i s t r a t i o n s y s t e mw i t he m b e d d e d t e c h n o l o g y a b s t r a c t r e m o t ea d m i n i s t r a t i o ns y s t e mi su s e dt o i m p l e m e n t 也ef u n c t i o no fd a t ac o l l e c t i o n p r o c e s s i n g r e a l t i m e a d m i n i s t r a t i o n e t c t r a d i t i o n a l r e m o t ea d m i n i s t r a t i o n s y s t e m i n t e g r a t e dm a n yt e c h n o l o g i e s s u c ha sa u t oc o n t r o lt e c h n o l o g y c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dh a d aw i d eu s ei i n m a n ya r e a s b e c a u s et h e r ea r eal o to f q u e s t i o n s1 e f tt os o l v e s u c ha sr e a lt i m e d a t a p r o c e s s i n g w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n sa n dt h e l i k e t h e a p p l i c a t i o n o fr e m o t e a d m i n i s t r a t i o ns y s t e mi sl i m i t e d t h ee m b e d d e d t e c h n o l o g y i saf a s td e v e l o p i n go n ew i t h g r e a tp o t e n t i a l t h e r ea r ea l o to f s u c c e s s f u l a p p l i c a t i o n s o ne m b e d d e dt e c h n o l o g y w h a t sm o r e t h ee m b e d d e do p e r a t i o n s y s t e m s e m b e d d e dp r o c e s s o r sa r eb e c o m i n gm a t u r e h o w e v e r h o w t ou s ec u r r e n te m b e d d e d t e c h n o l o g yt oc o n s t r u c t a l li m p l e m e n t e d p l a t f o r mi sn o t a n e a s y t a s k g p r si sa l s oan e w t e c h n o l o g yw h i c hb e g a nt os p r e a do u ti nc h i n ai n2 0 0 2 i nm a n y f i e l d s t h e r ei st h eb l a n kl e f tf o r t h ef u r t h e ra p p l i c a t i o n r e s e a r c ho ng p r s c o m b i n i n gg p r s e m b e d d e dt e c h n o l o g yw i t hr e m o t e a d m i n i s t r a t i o n s y s t e m p r o v i d i n g ac o m p l e t ea p p l i c a t i o nd e s i g ni st h et a r g e to f t h i sp a p e r f i r s t l y 1 1 1m a k ea na n a l y s i so ft h ed e v e l o p m e n to f e m b e d d e dt e c h n o l o g ya n dg p r s t h e n p r o v i d eac o m p l e t ed e s i g no f w i r e l e s sr e m o t e a d m i n i s t r a t o rs y s t e m s e c o n d l y i 1 1 f o c u so nt h e d e s c r i p t i o no ft h ed e s i g n i m p l e m e n to far e a l w i r e l e s s r e m o t ea d m i n i s t r a t i o ns y s t e m e s p e c i a l l y t h i sp a p e rw i l ld e t a i lt h ei m p l e m e n to fs e r i a l c o m m u n i c a t i o n p p pp a c k e t g p r sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e e t c f i n a l l y i i im a k e a l li n s t r u c t i o no f o t h e r j o b sih a v ed o n ea n dt h es u m m a r yo f t h et h e s i s k e yw o r d se m b e d d e dg p r sr e m o t ea d m i n i s t r a t i o n l i n u xs e r i a l p p p y s 8 0 2 3 0 j 室塑皇盔堂堡士研究生学位论文嵌入式处理技术在无线远程监控系统中的研究与应片j 独创性 或创新性 声明 本人声骐掰璺交的论文是本人在导爆指导下进行的磷究工馋及取愿敬磅究成果 尽我 所知 除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容味外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过豹研究戏果 未不包含为获撂北京邮电大学或其他教窝机构的学位或诞书丽使用 过的材料 与我 同工作的同意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 申请学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切相关责任 本人签名盔曼日期 塑垒 i l 关于论文使用授权的说明 学位论文 乍者完全了解j 京邮电大学有关僳留帮傻带学位论文的藏定 p 研究譬兰在 校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学 学校有权保留并向闺家有关部 门或祝构送交论文静复窜件藕磁盘 允许学位论文被套游稻荫游 学校可戳公布学往论文 的全部成部分内容 可以允许浆用影印 缩印域其它复制手段保存 汇编学位论文 保 密的学位论文在解密磊遵守此麓定 保密论文注释 本学位论文属于保密在一年解密厢适用本授权书 非保密论文注释 本学位论文不j 嚣子保密藩匿 逶露本授粳书 本人签名 导师签名 殛量 一 扦 鑫裁 型 i i 日期 型生 i l j 塞墅皇查堂堡主堕塞生堂垡堡交嵌入式处理技术在无线远程监控系统中的研究与应用 第一章概述 本文主要描述我在硕士论文期间对该课题的研究成果 所完成的工作以及从这些工作 中所获得的理论上的提高 1 1 行业与课题背景 本小节主要描述无线 g p r s 远程监控系统的行业背景及所做课题的意义 1 1 1 无线 g p r s 远程监控系统的行业背景 远程监控系统主要用于完成远程现场点的数据采集 处理 实时监控等功能 传 统的远程监控系统采用自动控制技术 计算机技术并已广泛应用于工业自动化 工业 控制领域 然而 由于传统的远程监控系统没有或无法解决实时大数据量处理 无线 远程实时通信等的问题 其应用受到很大的限制 g p r s 技术是新兴的2 5 g 无线通信技术 技术本身有着无法比拟的先进性和前沿 性 中国移动已经于2 0 0 2 年5 月正式在北京开通了g p r s 业务 其中g p r s 技术具有 以下主要特点 g p r s 采用分组交换技术 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 支持中 高速率数据传输 可提供9 0 5 1 7 1 2 k b i t s 的数据传输速率 每用 户 g p r s 网络接入速度快 提供了与现有数据网的无缝连接 g p r s 的核心 网络层采用i p 技术 底层可使用多种传输技术 很方便地实现与高速发展 的i p 网无缝连接 g p r s 的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输 又能支持偶尔的大 量数据的传输 它支持四种不同的q o s 级别 g p r s 能在0 5 1 秒之内 恢复数据的重新传输 g p r s 的计费一般以数据传输量为依据 可以说 g p r s 技术的应用研究有着广阔的天地 同时 嵌入式处理技术 包括嵌入式操作系统 嵌入式处理器 是近几年新兴的 一种边沿技术 有着广泛的应用和发展前景 嵌入式处理技术很好解决和实现了高低 端系统的实时性 多任务性 大数据量处理的要求 嵌入式处理技术也亟待应用到远 程监控系统中去 总之 将无线g p r s 通信技术 嵌入式处理技术应用到远程监控系统中 实现无 线远程监控系统的完整解决方案 具有很强的行业价值和科研意义 j 京邮电大学硕士研究生学位论文嵌入式处理技术在无线远程监控系统中的研究与廊用 1 1 2 谭题嘉义 本课题主要是通过实际项目对嵌入式处理技术在无线g p r s 远程监控系统中的应 用和理论进行谚究 并进行实骣戏暴提交 1 1 2 1 无线远程监控系统完整解决方案 嵌入式楚理技术 软 硬件平台 是面自用户 蘑向产品和焉淘应用熬 在构 建其应用平台时 应根据实际需要进行定制和搭建 本课题将对项目中的无线远 程蕊控系统提窭完整豹应爝舞决方寨 这令方寨嶷鸯兹沿往 运耀性帮实跤笸 1 1j 2 2 无线远獠监控系统的具体实现 针对方案中的关键技术提出其体实现 并且所有的程序代鹂均经过调试稠测 试 极具商业价值和科研成果价愤 1 2 所完成的工作 本谦题是秘学研究与项嚣实践裙结合 科磷应用予磺磊实践 项蟊实践应褥爱过来 影响和指导科研 具体来说 主要完成了以下工作 1 2 无线远程监控系统完整解决方案 以嵌入式l i n u x 为倒 深入磅究了当藏尼瓣滚行黪嵌入式系统 包捂嵌入式处联 器 提出了基于嵌入式l i n u x 嵌入式单片机为开发设计平台的无线g p r s 远程监 控系统麴总体设计方案 并瓣建方囊进行分析 1 2 2 无线远程监控系统关键技术的具体实现 对其中的几个关键技术进行了实际的技术实现 包括 1 2 2 l 串翟遥楼实璎 在嵌入式l i n u x 平台下完成了一个串口多路通信的驱动程序设计和调试 实现 了无线远程监控系统的数握采集端的串口通信极铡t 1 2 2 2 p p p 脚举模块实现 完成了嵌入式l i n u x 平台下静p p p 脚奉模决鹃设诗帮代码调试运行 觚两实现 了无线远程监控系统中g p r sm o d e m 与g p r s j 嘲的连接和无线通信 1 2 2 3 g p r s 通信软件的实现 在嵌入式l i n u x 平台下完成远程监控系统与中心监控系统的无线通惯a 堡塑塑婪望塑堑塑翌塞竺兰望 堡l 壁垒茎竺望垫垄壅重垡垩型堕丝至篓主塑婴壅兰壁旦 第二章无线远程监控系统完整解决方案 无线远程蓝控系统簿方案设计怒综台了嵌灭式处理鼓零 无线g p r s 遽售技零秘远程 监控系统的特点而综台分析和设计的 其中嵌入式处理投术的研究与实现是方案设计的关 键 2 1 远程监控系统的特点 无线远程监控系统物理结构框图 鎏 溢 树 罗 溜 飞黾一 被监控点控制单元 图2 1 光线远稷监控系统物理结构框图 说孵 1 被监控点通过r s 4 8 5 惑线与远程控制单元豹审口 c o m l 栩连 因此在远程 控制单元中一个串口需要完成与多个被监控点的实时双向通信 2 远程控镄单元避过g p r sm o d e m 与中心鉴控系统双向窦对运焦 远程监控系统懿设计有箕独特淫移特殊性 具体来说寿以下主要特点 1 远程现场监控的事件的突发性 大数据蕊 野外环境等 2 远程监控系统的实时性处理的要求 3 远程篮搽系绞的安全性 可靠没翡要求 4 远程监控单元与中心监控系统之间通过无线通信模块实时通信的要求 5 远程盗控荜元硬件体积小 软件冒裁减经离 从以上的分橱可以奄出远程监控系统需要实时性好 稳定性强的嵌入式处理技术作 为其处遘平台 并完成无线通信静实时性要求 3 兰堕堂皇查堂蹶圭堡墼兰燮塞 堡垒塞墼墨垫查查垂堡垩受些笙墨錾史塑婴塑兰查塑 2 2 嵌入式处理技零硒究 嵌入式系统定义为 以应用为中心 以计辣机技术为基础 软件硬件可裁减 适 应予对功毙 可靠性 成本 体捩 功耗严穆要求静专弼诗算枫系绞 嵌入式系统具有如下特征 嵌入式系统是丽囱雳户 蟊蠢瘦瑶鹃 它和昊体应用有褫圭氇结合在一趣 具有 较长的生命周期 2 为了提高执行速度和系统可靠髓 嵌入式系统中的软件 般都围化在存储器芯 片或单片机本旁中 而不是存储于磁盘等载体中 3 从节约存储空间角度考虑 程序编写是商质量 高效率的 从而减少程序二迸 制代码长度 嵌入式处理技术的应用无所不在 从上个世纪9 0 年代中期开始 随着嵌入式操 馋系统翻处理器豹不娅出现 嵌入式处理技术已广泛应用于务个行业 一电信各大中型电信设备 一数据丽终隧太潮交换瓠 路毒嚣 网耩等 一医疗方面核磁共振 正电子成像扫描仪 放射理疗设备等 一消费电子方面p d a 机顶盒 数字电话视 手机等 一交逮运埝汽举发动捉控制系绕 导靛系绞等 一工业机器人 测试测爨设备 过程控制系统等 p t 2 2 1 嵌入式系统的组戏余绍 嵌入式系统由嵌入式操作系统 软件平台 和嵌入式处遇器 硬件平台 组成 2 2 嵌入式掇律系统 由于在工业控制及其能相关领域的长期应用和商业竞争 目前融逐渐形成了一 登较为成功静嵌入式操佟系统 冀中主流的嵌入式操 莒系统畜w i n d o w sc e p a l mo s e m b e d d e d l i n u x v x w o r k s p s o s 及o s 9 等 表格2 1 常用嵌入式操作系统比较 毫豫接述 i t o m a d o v x w o r k sw i n dr i v e r s y s t e m s i n c l 原名火星探灏器庸静癸蹿捺俸系统 糖有菲鬻强大懿开发1 i 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文嵌入式处理技术在无线远程监控系毓中的研究与鹿片j 调试环境 具有可裁减性 快速有效中断邪异常处理 常 用予高端通倍产品开发 p s o s y s t e mi n t e g r a t e ds y s t e m s i n c 一 内核稳定性极好 q n xq n x s o f t w a r es y s t e m sl t d x 8 6 上最好的嵌入实时操作系统 同时支持p o w e r p c m i p s a r m 簿独一无二的鞭淹核实时平台 l y n x o s n u c l e u s 均属老牌嵌入式操作系统 属于中 高端应用 p 乙u s v r t x w i n d o w s c em i c r o s o f ii n c 实时性较差 嵌入偶不够实时 属于软实时搡作系统 常 用于低端产撼 如机顶盒等 研科无极o s香港研科公司 虿滋运行在1 6 3 2 霞镞处理器上豹安辩搽 窜系统 它静核 心类似于l i n u x 系统的单块结构 可以使c p u 在处理一 些实辩应用纛澎黠效率更亳 p e n c i l国内开发的舆有自主知识产权的多任务嵌入戏操作系统 有 率较具优转的几个系统 广泛应用于高科技产品中 包括消费电子设备 工业自 动化 无线透信产潞 医疗仪器 数字亳橇与多媒体设备等 其露缀好的安全性 容错性以及系统灵活性 它们都提供专有的a p i 接口 但它们是专门为嵌入式微 鲶淫器设计的高横块亿 麓蛙链豹实靖搽佟系统 并不逶蠲现在熬许多庭鬻需要 微软公司的w i n d o w sc e 是一个较具代表性的 由桌磷操作系统演变惭成的实 时嵌入式搡作系统 它是精简酶w i n d o w s9 5 觚技术的角度来说 并不能算是优 秀的r t o s 首先 r t o s 非常浪重个性化 而w i n d o w sc e 是非开放性o s 使 第三方稂难实现产晶静定锈 其次 r t o s 遥求鬻效 节熊 瑟w i n d o w s e e 茌遂 方面是笨拙的 占用过多的r a m 应用程序庞大 第三 w i n d o w sc e 在内核绪 擒的设诗中并未考虑适应系统鸹离度可裁减性兹簧求 目前锫种嵌入式l i n u x 操作系统正迅速发展 已经形成了能与w i n d o w s c e 等 嵌入式搽作系统滋行有力竞争的两面 嵌入式i a n u x 搡佟系统酶遂速堰怒t 主要出 于人们对自由软件的渴望与嵌入戏系统成用的特制性 臻求提供系统源码层次上 懿支持 丽嵌入式l i n u x 派适应了这一需求 它不仅吴有开放源代码 系绞肉棱 效率高 内核网络结塑塞鳖 垫缝墨塑墅鉴 垦垩雯堡全塞墨堑塑墅茎 一 一一一 垄星塑鱼查堂堡主翌篓皇堂垡婆塞 壁 塞丝婆堇垄壅垂堡垩篓堕笙墨篓生堕望壅皇壁塑 2 2 1 2 嵌入式处璁器 当前应用广泛的嵌入式处理器 a m 转a m l 8 6 x x 恕鞋3 s 6 s 到s x a 融3 8 6 d 8 0 x a m 4 8 6 d x i n t e l1 9 6 0s e r i a l 8 x c l 9 6s e r i a l 8 0 c 18 6 i n t e l 3 8 6 i n t e l 4 8 6 x x s a s e r i a l s r t o n g a r m m o t o r o l a6 8 k s e r i a l m p c 8 5 x x m p c 8 6 x x m p c 8 2 x 0 t is p 4 3 0 x l t x m s p 4 3 0 x 1l x l m s p 4 3 0 x 3 i x m p c 4 3 0 x 3 2 x m p c 4 3 0 x 3 3 x 2 2 2 嵌入式系统特点 嵌入式系统具有嶷时性 多任务 资源同步与互斥 中断嶷发性 可裁减性 底 层硬件相关健等 嵌入式系统w 醴摄好完成实辩多任务处理 系统资源调度 解决了 实时性 安全性的应用系统设计要求 同时 嵌入式系统又是需溪根据实际的应用而进行选择和定制 鼷体地说 不同 系列和不同款式的嵌入式处理器有蓉不同的功用 选撵时要淀意实际功能需求 芯片 的处瑗速度和系统最大负载时的处理速度要求 在嵌入式操 譬系统的选择上 装和嵌 入式处理器络合起来 分析开发的难易和最终系统性能的稳定性和最优性 2 2 3 嵌入式系统开发横型 应用系统软件 嵌入式操作系统 据令系统 系统硬件 曩2 2 嵌入式器统开发模型 由图可见 嵌入式应用系统的软硬件资源都由嵌入式实时操作系统管理 系统应 矮软件梅建褒操作系统之上 较 牛开发霹 哥强弱弱嵌入式绦终系统鹃系绞炎源 也 可以使用构筑在操作系统之上的第三方资源 必要时 甚至还可以绕过操作系统 赢 接透过据令系统进行硬俘粒缀始开发 因此嵌入式系统豹开发相当哭活 嵌入式实时操作系统 r t o s 是一种可以由用户进行系统资源定制的 用户可 6 j 臻婴皇盔堂堡主堑嚣圭兰焦堡垄 塑垒塞墼堡垫查垄垂堡垂塑堕塑鍪笾 塑堑塞墨窒旦 以根掇需要进行取舍 本身对系统硬件资源 妇c p u 存储器等 占用裔严格限 制的 可以固化在系统r o m 与系统磺件紧密结合的 应用于控制应用领域的实时操 乍系统 嵌入式实时搬 乍系统一般都经过工业运行测试 具旃很高的运行可驻性 2 3 无线g p r s 通信技术 无线g p r s 引用了分组交换的传输禳式 使得原来采用电路交换模式的g s m 传输 数据方式发生了根本性的变化 使g p r s 明显具有下列优势 资源利用率高用户只有在发送或接收数据期间才占用资源 这意味者多个用 户可高效率地共享嗣一无线信邋 从丽提高了爨源的刊蠲率 传输速率高g p r s 可提供高遮1 1 5 k b i t s 的传输速率 最高值为1 7 1 2 k b i t s 不包括f e c 接入时间短分组交换接入时间缩短为少于1 秒 能掇供快速h 口时的涟接 可 大揠瘦撼褰一婆事务 黧售强卡拨慰 远程蓝控等 魏效率 著可使已畜豹i n t e r n e t 应用 如e m a i l 网页浏览等 操作更加便捷 流畅 支持臻耱议稻x 2 5 耱议g p r s 支持潮跨秘土疲爝爨广泛魏转协议秘x 2 5 魏 议 而融由于g s m 网络覆盖面广 使得g p r s 能提供i n t e r n e t 和其它分组网络 貔全球镶无线接入 另一方面 g p r s 豳于采用了分组交换技术和自身的网络拓扑设计 同时存在着下 穰阉嚣 g p r s 会发生包善失现氖由予分组交换连接比电路交换连接瑟差一些 因此 使用g p r s 会发生一些畿丢失现象 实际速警比理论值低理论上姻g p r s 最大速率将会受到网络和终端现实条件 的制约 终端不支持无线终止功能g p r s 终端支持无线终止接收来电的功能 调制方式不是嫩优g p r s 采用基于g m s k g a u s s i a n m i n i m u m s h i f t k e y i n g 豹调铡技术 捅毙之下 e d g e 基予一葶孛薮匏调剃方法8 p s k e i g h t p h a s e s h i f t k e y i n g 它允许无线接k t 支持更高的速率 存在转接嚣延g p r s 分缝逶逡不圈静方淘发送数据 最终达到秘弱爨嚣熬避 那么数据在通过无线链路传输的过程中就可能发生一个或几个分组丢失或出锚 翡雩生浚 无线g p r s 通信的优点和不足 决定了在g p r s 的应用中 必须根据实际需要作出 稻应酌设诗 7 北塞塑电大学硕士研究生学位论文嵌入式处理技术猩无线远程监控系统中的研究与庸厍j 2 4 无线远程监控管理系统轰案设计 通过对嵌入式处理技术和无线g p r s 通信技术的分析 在远程监控管理系统中 采 滔以下设计方案 2 4 1 嵌入式处理平台的构建 根据前面的分析 嵌入式处理技术是远稔监控系统的最德处理技术 然而嵌入式 处理平台的搭建需要根据实际应用进行定制 在本项目中 确定嵌入式操作系统主要考虑的因素 黎绞 壬务藿兹德嚣 系绞稳定瞧及实时犍豢裳 开发难度 撂在所选弱嵌入式操 作系统之上谶行应用程序开发的难度 网络协议要求 指所选的嵌入式操作系统最 否支持系统所簧要鲍筑层协议 以及遴雩亍开发的要求 成本等 2 确定嵌入式处理器主要考虑的因素 系统整理速度 系统所需簧静硬件接强 系统静稳定毪及实对悭癸求 开发难度 成本簿 在图2 1 所描述光线远程篮控系统中 选择l i n u x r e d h a t 7 2 内核2 4 7 和革 片机处理器 e m c 3 4 1 0 3 4 2 0 系列 作为嵌入式处理平台 具体分析如下 2 4 1 1 嵌入式l i n u x 嵌入式l i n u x 扶1 9 9 9 年开始谯全球快速的发攫 至今已经在嵌入式系统中占 穗了一个地位 国步 的嵌入式l i n u x 开发商开发出许多较为出名的嵌入式l i n u x 搽 乍系统 例如 m o n t a v i s t as o f t w a r e i n c 的h a r dh a tl i n u x l i n e o i n c 的e m b e d i x t r a n s v i r t u a l t e c h n o l o g i e si n c 的p o c k e t l i n u x l y n u x w o r k s i n c 的b l u e c a t p a l m p a l mt e c h n o l o g yi n c 鼬t y n u x 等等 强国内 中文的嵌入式l i n u x 操作系统也 非常丰富 倒如院较出名的有 博剐愚的p o c k e ti x 荭旗静嵌入式l i n u x 移 软科技的m l i n u x 共创联盟的c c l i n u x 等等 l i n t u x 遵循开放源码授权协议g p l g e n e r a lp u b l i cl i c e n s e 遁用公共许可 具有源码公开 定制方便 支持广泛的计箨机硬件等特点 然而在对l i n u x 进行选 用时 需要对l i n u x 进行分析和定制 以达至g 最优化设计 下图楚l i n u x 的系绞缀藏 燃来竞或任务的繁理与调度 任务的同步与通信 动态内存的管理 软时钟的管理 i o 管理 8 j 蔓 皇奎堂堡主塑篓生堂焦篓壅 壁垒苎墼婆垫查堡垂垡圣堡些笙墨堕生塑堕塞兰堕旦 圈2 3l i n u x 的系统组成 l i n u x 在赛醇褴方函毒囊的不足 实时系统一定是多任务 多任务系统不一定题实时 l i n u x 是类u n i x 系统 鞠鳇麸本裴土巍 l i n u x 瞧是分瓣系统 l i n u x 农嶷对性方嚣存套熬阕题主要有 1 l i n u x 的内核是非抢占的l i n u x 分为用户态和内核态两种模式 进程运 行在矮户态辩 安露遴稳其有赢懿优先缀 能避行进程捻占 逡行在岛嫉态时 如系统调用 实时进程不能抢占该进程 2 定时器缺陷第 l i n u x 懿周籁模式定辩器频率莰为1 0 0 h z 遗不琵满 足多种实时应用的要求 第二 软定时凼时钟怒时器完成 当软定时器较多时 必然将薯l 起共事时舞定辩器静挣突 第三 l i n u x 中龌疆禚不哥镶菠 3 l i n u x 进稷采用多级轮转调度算法 该调度算法 仅能获得秒级响应时间 4 l i n u x 虽然可提供给实时进程较高的优先级 但并没有匀舀入执行的时间限 制 因此大量的非实时进程有w 能对实时进程造成阻塞 不能确保实时进程的 响应时阍 这秘实对多任务系统中被称为任务的 饶饿 现象 函戴在构建l i n u x 痰用平台对 嚣溪综合分据和优化设计 改城嵌入式l i n u x 内核实时性的方法 霞懿 改 i 蓬l i n 瑶x 内核实鼹瞧毂发袋方蠢主簧套较建黠秘礤定对 菠中由予 软定时属于局部修改 扩展空间较小 而硬定时发展空间较大 但也商自身的 壤鏊 黎俸建滋 当 l 蓼敬遂麴方法主要集中在徽定封糕 内核的捻占枧铡 实 时调度策略三个方面 百 一 韭塞唑里查堂堡主堕塞生堂垡堡窒嵌入式处理技术在无线远程监控系统中的研究与应用 1 微定对嚣改进麴l i n u x 凌硬释上号 入缨粒度多模定时嚣 在l i n u x 系统 中增加对定时器模式和粒度的控制函数 根据不同的实时应用的响应时削需要 选择不嗣的定时器模式秘粒度 从任务蛹应时焖豹角度出发 即可控制内核抢 占时间 k a o t 2 内孩豹捻占撬翱采用双内棱可捻占式搭系结鞠 帮实时内核运 亍实时 任务 l i n u x 内核运行非实时任务 同时对内核进行修改和定制 即 瘦身 3 实时调度繁臻鬻溺黎蔼凄冀法商 优先缀调凄 时运鞭动调瘦弱共享 驱动调度 改进的调度算法有混合调度算法 即采用二级和多级算法 在不同 熬应鼹中 这穆毅逐豹葵法具煮一定熬毯化性 r e d h a t l i n u x 7 2 的特点 r e dh a tl i n u x 7 2 茏萁在实对内核敬遂方瑟 采甏了内棱修改方法 帮透 过修改l i n u x 内核源码来实现 在内核代码中增加抢占点 从而减少内核抢占 延迟 在无线远程监控系统中 采用l i n u x r e d h a t 7 2 内核2 4 7 作为系统的 嵌入式獠 乍系统开发平台 原嚣鲡下 r e dh a tl i n u x 7 2 具有很好的源代码开发性 拥有无线远程监控系统开发 所需要漪底层网络协议 内核突时性畿满足系统最大娥理的要袋 无线远程整 控系统中 一个远程监控单元处理最多1 0 个现场点的数据 系统响应时间要求 5 移 茼时r e dh a tl i n u x 7 2 的任务抢占缝穰强 缺点是系统运行稳定穗较 差 多中断处理能力较弱 2 4 1 2 单片税受瑾器 通过对无线远程监控系统的最大处理能力的分析和硬件接口的需求分析 我决 定采用磐仪公司的e m c 3 4 1 0 3 4 2 0 系列革片杌开教平台 原因如下 基m c 3 4 l o 3 4 2 0 单片虮开发平台具有完备的硬传接口 2 个审圈 以太网口 i d e 接口样 和藏好的硬件平台标准 内存 处瑗速度等指标 e m c 3 4 1 0 3 4 2 0 单片搬开发乎念褒l i n u x 平台下开发黩曩楣对麓单 e m c 3 4 1 0 3 4 2 0 单片机开发平台成本较低 其中纂予e m c 3 4 1 0 3 4 2 0 的系统主投淡舞匿藏蓬宅鼹如下 北京邮电大学硕士研究生学位论文 嵌入式处理技术谯无线远程监控系统中的研究与应用 匆 核心 外围外部 心 驱动连接 设备硬件 n h 电路 一 图2 4 基于e m c 3 4 1 0 3 4 2 0 的系统主板及外阉原蘧电路 2 4 2 g p r s 遴绩模袭 在无线远程监控系统中 考虑到开发的周期和成本 直接采用目前通用的g p r s m o d e m 2 4 3 无线远稷麓控系统设计方祟 无线远稷监控系统模块糕图如下 习 e 曩 习 习 堕坚皇登硕士研寒生学垡晗文嵌入式处理技术猩无线远程监控系缆中的研究与廊j 图2 5 无线运程监控系统模块框图 2 4 3 1 系统结构框图描述 1 系统运行平台系统软件运行在嵌入式l i n u x 平台 硬件系统采用基于嵌入式 单片枫 e m c 3 4 1 0 3 4 2 0 为处理器静系统主板 2 无线通信单元用于远稷监控系统中的处理服务单元与中心监控系统 图中未标 出 浆实射燹线逶继 其硬徉实嚣必g p r sm o d e m 采瘸r s 2 3 2 标蹬串日c o m 2 与 远程监控系统相连 无线的发送 接收与中心监控系统通信 3 现溪接曩单元爝于现场实嚣数据熬暴繁帮控镂 采燕r s 2 3 2 拣准串e 1c o m t 与处理服务单元的通信 其中上图束表明采集器p l c 假定从现场到现场接口单元的 数据已经过特定熬聚集器转羧为数字售号 4 处理服务单元用于远程监控系统的各种数据的处理 嶷时控制和调度 是远程 蓝接系统中羧重要数处理摸块 瞧瑟穰据实舔志嚣爨要其铬设计和开发筑 2 4 3 2 光线远程监控系统开发任务 串口疆动程序用于处理服务单元帮现场控制点的通信 关键控术 l i n u x 下 的串口多路驱动 p p p 模块设计用于g p r sm o d e m 的无线拨号上网 关键技术 l i n u x 下的 p p p 协议开发 g p r s 通信模块用于无线通信单元和中心濂控系统的实时无线通信 关键控 术 l i n u x 下熬s o c k e t 遘僖开发 处理服务单元需要根据实际应用进行设计和开发 关键技术 l i n u x 下面向 1 2 远程监控系统 北京邮电大学硕士研究生学位论文 嵌入式处理技术在无线远程监控系统中的研究与应用 对象应曩软馋开发 综述 审口驱动程序 p p p 模块设计和g p r s 通信模块设计是远程监控系统的 最蘩本软伴模块 这些逛缀藏了无线远程簸控系绞豹框絮 在娃矮鼹务攀元中送 行具体应用的设计 就构成了不同应用的无线远稔监控系统 因此这三个模块是 无线远程蕊控系统实瑷夔关键 以下将其髂鼹此三令模块熬实瑗遴行具 本攒述 i 塞坚里盔鲎堡主堂壅兰堂垡堕皇嵌入式处理技术在无线远程监控系统中的研究与麻j h j 第三章无线远程监控系统的具体实现 3 1 串口通信实现 串口通信是爨常用的通信方式之一 然丽l i n u x 下的串口通信实现涉及知识较多 以下给出详细描述 3 l i n u x 驱渤程瘁熬基本掇忿 设备驱动程序是操作系统内核和硬件之间的接口 属内核的一部分 主要功能如 卜 对设备初始化或释放 把数据从内核传送到硬件和从硬件读敷数据 读数应霸疆黪传送绘没备的数据窥翳取数撰 监测和处理设各出现的异常 设备驱幼程序为应用疆侉屏蔽了硬件的缁节 在应甭狡謦看来 疆 牛设备只是一 个设备文件 应用穗序可以藩操作蒋通文件一样对硬件设备进行操作 在l i n u x 操作系统下有两类主要的设备文件类黧 一种是字符设备 另一种是浃 设备 字符设备和块设备的主要区别是 农对字符设备发出读 写请求时 实际的硬 件i 0 一般就紧按羲发生了 块设备是利用 块系统内存俸缓冲区 当用户遗程对设 备请求能满足用户的要求 就返回请求的数据 如柴不能 就调用请求函数来进行实 际的i o 攥作 块设备是变簧钎辩磁盎等橙速设备浚诗静 蔽免耗费过多的c p u 时 间来等待 例如编写 个二率口控制器的驱动程序 首先需簧用m k n o d 命令御建2 个设备文 件 m k n o d d e v e x a m p l e o c1 2 10 m k n o d d e v e x a m p l e oc1 2 1l 其中的c c h a r 是指字符设备 1 2 1 慰一个未被使用的主设备号 0 1 为两个 串鞠熬次设螯号 主设备号一般与骤动程廖 一对应 这嚣个串日可出同一个驱动疆 序控制 所以具有相同的主设备号 在驱动程序内部用次设备号区分不同的串口 3 1 2 驱动程序的编译 驱动稷序可以按照两种方式进行编译 即编译成独立的模块可以动态加载和卸 载 静态编译进内核 北京邮电大学堡士研究生学位论文嵌入式处理技术在无线远程监控系统中的研究与应用 其中静态编译进波核 不仅会增趣滤核鲍大小 还霉要改动内核豹源文件 两且 不能动态的卸载 不利于调试 所以 般使牖模块方式 动态模块型驱动程序使用 i n s m o d 命令加载至4 内核中并使用r m m o d 命令卸载 模块化的驱动程序有两个固定的 函数 i mi n tt o o f i e v o i d v o i dc l e a n u p m o d u l e v o i d 前者在i n s m o d 的时候执行 后者在r m m o d 的时候执行 3 1 3 驱幼程序初始化 l i n u x 在内核完成孩心数攫结构鹣初始纯菇静送行辨设兹始鬟二 i n i t o 醢数作为核 心线程调用d e v i c e 完成外设及其驱动程序的加载和初始化 下面介绍初始 setup 位中三个重瑟步骤 1 申请j 端口 也址范围 l i n u x 内核下提供了三个函数用于申请 释放i t 0 空间和榆查f o 空闯是否被占用 v o i d r e q u e s t r e g i o n u n s i g n e dl o n gf r o m u n s i g n e dl o n gn t l m c o n s tc h a r4 n a m e 申 请一段i 0 空间 v o i d r e l e a s e r e g i o n u n s i g n e dl o n gf r o m u n s i g n e dl o n gn u m 器救一段i 0 空阉 i mc h e c k r e g i o n u n s i g n e dl o n gf r o m u n s i g n e dl o n gn u m 检测一段i 0 空间是否 薇占穗 2 注册设备 相关的酌数为r e g i s t e r c h r d e v e x a m p l e m a j o r e x a m p l e e x a m p l e f o p s 参数1 楚希望获德熬主设备号 如果是零的话 系统将选择一个没有被占用的设 备号返回 参数2 鼹对应子主设备母为参数1 的骊动程序名 参数3 用来登记驱动 程廖实际执行操 乍的函数的指针 如果登记成功 则返回设备的主设备号 系统调用 如r e a d w i r t e o 和驱动程序是依赖参数3 关联起来的 参数3 指向 一个f i l eo p e r a t i o n 终掏 3 申请i r q r e q u e s ti r q e x a m p l e i r q e x a m p l ei n t e r r u p t s a i n t e r r u p t e x a m p l e n u l l 其中 e x a m p l e i r q 为所申请的中断号 e x a m p l e i n t e r r u p t 愚自己编筠的中断服务程序 的名字 s a i n t e r r u p t 袋鹱这惫一个快速中断e 3 4 l i n u x 串嗣驱动麴关继技术 1 l i n u x 的底半机制 誊行编麓静中断鼗务稔净 i s r 必矮怒系统熬中舔悉送隈毒l 在哥接受筑蓖露之 内 也就是说 无论任何时候发生中断都要能得到及时的处理 l i n u x 中引入底半机 苎透塑堕塑曼塑堕兰堕塞竺 堡塑生一 壁垒塞墼堡垫查壅重堡垩建堕笙墨堑 塑受塑兰壁里 制 b o t t o m h a l f 来实现这个羁标 中断处理程序在概念上被分为上半部分 t o ph a l f 和下半部分 b o t t o mb a i f 在中凝发生时 上半部分豹处理过穗立郓执行 撂下半部分 翅果有趣话 却被推迟 执行 内核把上半部分和下半部分作为独立的函数来处理 上半部分决定其相关的下 半部分是否懿要执行 必须立即执行姻部分必须位于上半部分 可推迟的部分可能满 于下半部分 l i n u x 中竣多可鸯3 2 令不弱兹底半憝理过程 2 任务队列 任务酞硝建实臻蠢核延迟完成任务豁主磊手段 l i n u x 稳供队列审的任务舞 对及 处理它们的通用机制 其结构如下圈 n e x t s y n c r o u t i n e o 8 d a t a t q s t r u c t 厂面万 l 厂 两丽 f r01十uotai讯neoi 1 一 图3 1l i n u x 下的 壬努队列机制 任务队列通常和底半处理过程一起使用 底半的定时器队列处瑗过程运行时也对 定时器队列进行处理 内核的历有部分 如设备驱动都可以创建与搜用任务队列 3 带缓冲的串行驱动 为了簿决字簿黧设冬豹静设娃瑗速凄霹c p u 熬处理速度不莲照阉题 茬茳翥爱 缓冲 一般的u a r t 控制器都带有不多于十几个比特的f i f o 但这远远不够 还需 要铁主毒串野薅缓 孛送 其钵大枣橇擦援露定 驱动程枣遵常搜周k m a l l o c 瑟数孛清 内存 发送缓冲示意如下 些垡也堕堑璧墅生兰 翌塞生皇型苎 壁垒塞墼垄堇查褒垂垡垩堡堕垄墨笾主塑型塞复查旦 豳3 2 发送缓冲示意圈 3 1 s l i n u x 串霸驱动的舆体实现 下嚣穆具体搓述程无线遴程蓝控系统中基于l i n u x 平台下串露驱动粒实现 3 1 5 1 1 实际实现机制 1 中断藕轮诲方式 设备驱动一般由中断和轮询方式 中断方式用于馐要系统及时处理的紧急事件 通常熬有较商优先级 如系统异常 硬件故簿等 常觅的采用中断方式的设备驱动稔 序有 e t l l e m c t h d l c 系统内部触发等 中断方式的实现需要操作系统或处理器本 身其有较高鹩实时处瑾能力 有中断淘量和中断处理程序缀成 轮询方式采用循琊查询枫制 用于实时性要求不商 响成速度要求不严横的突发 事件 如常用于低速串口的实现 轮询方式的缺点愚系统资源占用严重 任储时候都 需要系统不傍查询 优点烂实现简单 程序可读性强 在无线远程监控系统中通过综合分析监控点的数量 响应时间聚求 5 秒 辑采羯豹l i n u x 操搀系统版本 r e dh 缸l i n u x 7 2 本身特点 中斯处理能力不强 如 前分析 谀定采用轮询方式实现串口通信 2 每墨憨多路安疆 在无线远程监控系统中 采用串口c o m l 完成多个现场点 多路设备 数据的控 翻 因藏蔫簧实现一令串鼙瓣多疼逶镶控制 方法始下 在无线遴程监按系统的接收线穗里 从o 号监控点到所带监控点的上限值之间