我的嵌入式系统课程学习之路.doc

2010年嵌入式系统课程设计期末学习报告我的嵌入式系统课程学习之路姓 名 学 号 年 级 专 业 系（院） 指导教师 2011年01月08日15我的嵌入式系统课程学习之路 在大学期间，我的专业是自动化，学习了单片机和PLC，微机原理等课程，并因此对单片机和PLC产生了浓厚的兴趣，但没有实际的项目开发经验，没能更深入的学习单片机和PLC，在实际生产中如何运用它们也不清楚。对嵌入式系统的了解，也就知道ARM9，但怎么用也不知道。不知道具体开发流程是怎样的，也找不到学习的门路。如今，在研究生期间，能全面学习嵌入式系统，为自己的嵌入式之路，有了很好的铺垫。在学习过程中，我们组的设计是基于ARM的蓝牙实时数据采集系统的设计，由于所学知识有限，设计尚在初步阶段，但在这短短的几个月内，对嵌入式系统有了更深刻的理解。下面我就结合实验设计谈谈对嵌入式的理解：一、嵌入式系统嵌入式系统是指用于执行独立功能的专用计算机系统。它由包括微处理器、定时器、微控制器、存储器、传感器等一系列微电子芯片与器件，和嵌入在存储器中的微型操作系统、控制应用软件组成，共同实现诸如实时控制、监视、管理、移动计算、数据处理等各种自动化处理任务。嵌入式系统以应用为中心，以微电子技术、控制技术、计算机技术和通讯技术为基础，强调硬件软件的协同性与整合性，软件与硬件可剪裁，以满足系统对功能、成本、体积和功耗等要求。我们用的是广州致远电子有限公司的MagicARM2410教学实验开发平台，linux操作系统用的是Redhat公司的5.0版本。MagicARM2410教学实验箱采用ARM920T内核的S3C2410T内核的S3C2410A微处理器，可以实现目前几乎所有的嵌入式接口实验。但由于对ARM和linux缺乏深刻的理解，实验箱还没有发挥其最大的价值。二、嵌入式课程学习我们上课用的教材是彭舰，陈良银主编的嵌入式系统设计，该书是李老师推荐的，我就买了一本，感觉还不错。书中共分为三个部分，共l5章：第一部分是嵌入式基础，包括第1-5章。主要介绍了嵌入式系统概述，软硬件协同设计方法，ARM嵌入式微处理器的体系结构和指令系统，典型微处理器53(2410的接口设置以及构件技术。第二部分是嵌入式Linux操作系统，包括第6-11章。主要介绍了嵌入式Linux开发环境的建立过程，嵌入式Linux的BootLoader，Uboot启动代码，嵌入式Linux内核，嵌入式Linux文件系统，嵌入式Linux驱动程序开发以及嵌入式Linux应用程序开发。第三部分是WindowsCENET操作系统，包括第12-15章。主要介绍了WindowsCENET系统概述，windowsCENET内核定制的墨本过程，Windows CENET系统开发过程以及WindowsCENET应用程序开发。我们按照李老师的教学进度进行听课，李老师寓教寓乐的教学方法使同学们更加热爱嵌入式系统的学习，特别是在实验设计阶段，李老师采用了团队协作、定期报告的方法，使我们各有分工，共同进步，培养了我们团队精神，为以后的项目开发有了很好的铺垫。三、实验设计开发流程我们组做的是基于ARM的蓝牙实时数据采集系统的设计，该无线数据采集系统结合嵌入式技术与蓝牙技术的优势,解决了传统工业现场数据采集系统中无法同时满足低功耗、低价格与高性能,并受到电缆布线限制和使用不便等问题。采用蓝牙无线通信技术来实现数据的采集,使得数据的采集和远程监测更为简单和方便,并且提高了数据采集的抗干扰性能。1、实验背景随着计算机技术的发展，尤其是无线技术广泛深入到人们生活的各个方面，使人们的生活发生了深刻的变化。就工业数据采集、测量领域来讲，由于测量种类多、数据量大，且存在许多条件恶劣、人们不易到达或不能时刻停留的地方偶尔采集一些现场数据，因而不但需要花费大量的人力、物力和财力进行设备的维护，同时给采集带来很多不必要的麻烦。为了解决上述问题，提出了一种基于ARM 的蓝牙实时数据采集系统。采用嵌入式 操作系统linux，对通过蓝牙无线传输方式集中的传感器采集数据，进行控制、显示、处理，实现工业实时数据的采集。ARM 技术为内核的微控制器指令周期短，处理能力强，接口丰富，能成功运行操作系统，为控制系统的应用程序开发提供了良好的平台。同时，它体积小，功耗低，运行性能优越，能很好的应对于工控应用方面。而蓝牙技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，采用跳频机制进行数据传送，故能极大地提高数据传送的抗干扰性能。对于数据采集系统的应用而言，两者的结合大大简化了分布采集设备繁琐的配置和系统复杂度，且大大降低了功耗和体积。由其带来的系统灵活性，使得系统的应用更加广泛。该系统充分体现了嵌入式系统和蓝牙技术的优势，具有一定的实用价值。2、系统总体设计基于 ARM 的蓝牙实时数据采集系统由基于ARM 的数据中心、单片机智能节点和蓝牙 无线通信链路三大部分组成。数据中心，采用基于ARM9微处理器S3C2410 的硬件平台， 运行 Windows CE 嵌入式操作系统，可为操作人员管理现场数据、控制目标设备提供友好、方便的用户接口；单片机节点，负责采集现场数据，通过蓝牙无线通信链路接收数据中心命令并将数据上传给数据中心；蓝牙无线通信链路，通过在数据中心和单片机节点安装的蓝牙 模块实现。考虑到系统的可扩展性，系统还可以通过RS-232 接口实现ARM 数据中心与PC机的数据通信。系统总体构成如图1 所示。3系统硬件设计基于 ARM 的蓝牙实时数据采集系统的硬件设计包含蓝牙模块天线和外围电路、基于 ARM 的数据中心、单片机节点三个部分。现在分别对各个主要模块做简单介绍。3.1 蓝牙模块天线和外围电路蓝牙模块是蓝牙通信的基础，在此采用嵌入式蓝牙模块 DFBM-CS120。它集成了蓝牙 标准通信协议，对用户提供全双工UART 接口和射频信号输出，使用户能通过UART 控制 模块操作，并通过天线将承载数据的射频信号发射出去。蓝牙模块外围电路设计主要包括天线设计、电源设计和UART 接口设计，如图2 所示。其中，天线的性能好坏直接关系到整个蓝牙通信系统能否正常传输数据，必须采用射频 电路的设计方法进行具有针对性的设计。在此由于DFBM-CS120 有一个天线管脚Antenna， 输出2.4022.480GHz 射频信号，天线管脚的输出阻抗为50。根据最大功率传输定理，在 天线管脚上外接阻抗50的AT3216 多层陶瓷天线。考虑到由于制造参数与设计参数之间的 误差可能造成的信号衰减，在模块的天线管脚和蓝牙天线之间增加了一个由一个电感和两个 电容组成的型网络，用来放大射频信号。天线电路框图如图3 所示。3.2 基于ARM 的数据中心基于 ARM 的数据中心的基本要求是体积小巧、功耗低、界面美观、操作方便、通信功 能强大、系统扩展性好。具体到硬件上，对ARM 系统的基本要求是支持Windows CE 操作 系统、支持彩色LCD、支持触摸屏、支持USB、支持以太网、支持蓝牙模块通信接口。根 据要求，结合嵌入式系统业内流行的开发平台，在此选择基于ARM9 处理器S3C2410 的硬 件平台作为数据中心。将蓝牙模块作为S3C2410 硬件平台的一个UART 外设安装，数据中心便具有了蓝牙通信功能。S3C2410 硬件平台的设计分为核心系统设计和外围设计两大部分。平台核心系统包括 CPU、SDRAM 和Flash，其中SDRAM 是平台的内存，Flash 相当于平台的硬盘；平台外设 包括LCD 和触摸屏接口电路、以太网控制器、USB 和UART。硬件平台的整体设计图如图 4 所示。3.3 单片机节点单片机节点是本系统的底层设备，正常工作时作为总控制器，协调控制其他监测器件或 模块工作，完成数据采集、测量、加工及与数据中心的通信、接受命令和数据传送等任务。 本系统中，单片机节点模块的MPU 采用Winbond W77E58，其串口与蓝牙通信模块的UART 进行通信。兼容 8051 内核、片载Flash 很大、具有双串口是W77E58 的三个突出特点。前两点意 味着单片机节点软件可以用C51 语言设计，不必因为担心代码太大而采用汇编语言；双串 口意味着可以用一个独立的串口与PC 机联机以调试编写的蓝牙通信软件，调试完成后再将 其移植到与蓝牙模块通信的串口上，无需为软件调试改动任何硬件，大大降低了硬件的复杂 性，提高了软件开发速度。4、系统软件设计基于 ARM 的蓝牙实时数据采集系统的软件设计包含三部分。第一部分是Linux 嵌入式操作系统平台的搭建；第二部分是基于Linux 操作系统，运行于数据中心蓝牙数据采集应用程序的设计；第三部分是单片机节点的蓝牙通信软件的实现。四、实验设计的进度在此次实验中，我所承担的工作是系统硬件设计中的蓝牙模块的系统模拟和系统软件设计部分中的基于Linux 操作系统，运行于数据中心蓝牙数据采集应用程序的设计。针对自己的所承担的任务，我做了主要有以下工作：1熟悉MagicARM2410教学实验箱由于此次任务需要用到广州致远电子有限公司的MagicARM2410教学实验箱，所以必须熟悉教学实验箱。我按照实验箱自带的S3C2410&嵌入式Linux系统教程，学习了实验箱硬件结构、硬件原理、实验箱主板、硬件结构等。了解做实验的基本注意事项和模块的具体操作。2、 搭建嵌入式Linux开发平台由于刚接触虚拟机和Linux操作系统，搭建Linux开发平台耗时比较长，摸索了很长时间。我们按照实验教程，一步一步的操作，有时因为一步的错误就必须重新安装，所以我们打算先在实验箱上进行一些实验，来验证我们搭建的系统能不能使程序运行起来，我们组共同做了一个“HelloWorld”程序实验，但由于我的交叉编译环境出现问题，我不得不按照教程重新构建交叉编译环境。在安装过程中，团队间相互协作，各组间相互交流，终于搭建好了嵌入式开发平台。下面就是我搭建好的Linux开发平台： 虚拟机中的开机画面虚拟机中的Linux操作系统 Linux操作系统终端界面3 、蓝牙模块的Linux内核裁剪、编译与移植 在蓝牙模块的内核裁剪与编译上，花费了大量时间。由于自己的Linux知识实在有限，一些代码根本不知道什么意思，更不知道如何运用了。实验也因此进入了休眠期，我上网搜集了许多关于蓝牙模块通讯的设计，熟悉了设计开发的大体流程，找出自己所欠缺的地方。下面是实验设计的大体规划：3.1、在Red hat 5.0上安装Bluez在pc上的安装可参考了OReilly的Linux Unwired一书，chapter 7中详细地介绍了linux下的bluetooth的基础知识、安装、配置和使用。安装前必须了解一下bluez的基本结构，直接位于发射传输协议之上的协议是HCI(host control interface)3.2、在S3C2410上的移植完成了在普通red hat上的安装，熟悉了蓝牙协议栈一些基本的东西，下面的任务就是把协议栈搬到开发板上了。3.3、实验的可行性分析我们实验的目的是通过蓝牙模块进行无线数据采集，由于所掌握知识有限，没能按期完成实验设计，现根据前人的劳动成果，对该实验进行可行性分析，并希望在此基础上实验有所突破。下面的图是用蓝牙模块来模拟串口，使开发板能与PC进行无线通讯，就类似于手机间的蓝牙数据传递。 IVT-Bluetooth3.0蓝牙适配器通用驱动搜索设备 设备进行配对 蓝牙串行端口服务设置 设备间进行配对连接 PC机发送数据 单片机返回数据五、总结此次实验设计我们将蓝牙通信技术和 ARM 嵌入式系统应用于工业数据采集中，开发了一套新颖的无线数据采集系统。系统包括数据中心、蓝牙通信和单片机节点三部分。数据中心的硬件、软件功能强大，基于以ARM9 处理器S3C2410为核心的硬件平台设计，运行 Linux操作系统，开发了基于Linux的蓝牙数据采集应用程序。通过数据中心和单片机节点 的蓝牙模块，数据中心能够在距离单片