嵌入式应用程序ppt课件

.,CHAPTER,嵌入式系统设计实例-远程监控系统的设计,青岛科技大学马兴录,.,本章提要,1,3,2,5,4,嵌入式系统的开发过程,系统定义阶段,系统集成阶段,总体设计阶段,构建设计阶段,.,系统详细设计,硬件详细设计,引导与操作系统移植,驱动程序设计,软件详细设计,应用程序设计与调试,系统集成与测试,元器件选择,线路板设计与制做,线路板测试,一、嵌入式系统的开发过程,.,二、系统定义阶段,系统定义阶段需要确定系统开发最终实现的目标、实现目标的可行性、实现目标应采用的策略、估计完成系统开发所需的资源和成本、制定工程进度安排计划。这一阶段的工作主要包括：系统定义可行性分析需求分析和规格说明,.,1、系统定义示例：离子色谱仪远程监控系统的设计要求（注：设计要求一般由用户提出，形成文档。这是项目的来源。设计要求尽可能详细，尽量不要有歧义。）有一复杂分析仪器，采用按键、旋钮等进行手工操作。现要求将操作控制方式改为触摸屏，并允许远程控制。总体功能要求如下：（1）本机配备彩色触摸屏；（2）允许本地操作控制；（3）允许远程操作控制；（4）仪器采集的数据可远程传输；原来仪器的控制面板如下：,二、系统定义阶段,.,.,二、系统定义阶段,1.引言1.1编写目的1.2背景1.3定义1.4参考资料2.可行性研究的前提2.1要求2.2目标2.3条件、假定和限制2.4进行可行性研究的方法2.5评价方法与尺度3.对现有系统的分析3.1处理流程和数据流程3.2所需的人员3.3设备3.4局限性,4.所建议的系统4.1对所建议系统的说明4.2处理流程和数据流程4.3改进之处4.4影响4.5技术条件方面的可能性5.可选择的其他系统方案6.投资及效益分析6.1项目经费预算6.2收益分析7.社会因素方面的可能性8.结论,2、可行性分析示例：远程监控系统的可行性分析,.,二、系统定义阶段,3、需求分析示例：远程监控系统,需求分析是针对设计要求进行分析，以确定各项要求的可行性，以及相应的实现方法。通过需求分析，可以确定要实现哪种功能、实现到什么程度、技术指标等。需求可分为功能部分和非功能部分。非功能性需求包括了性能、价格、物理尺寸和重量、功耗等方面的因素。建议采用UML建立模型，进行准确描述。,.,二、系统定义阶段,3、需求分析示例：远程监控系统,（1）触摸屏：采用哪种类型的，电阻、电容触摸屏？屏的尺寸需要多大？色彩分辨率等的要求。,.,二、系统定义阶段,3、需求分析示例：远程温度监控系统,（2）本地操作界面：可以画草图与用户沟通，如：,.,关键要搞清楚界面各控件的功能、作用：（1）显示框：显示的数字范围、精度？刷新周期？（2）档位选择之后，内部如何操作？自动档位是如何实现的？（3）各信号来源的采集精度？输入通道（4）。？,.,二、系统定义阶段,3、需求分析示例：远程监控系统,（3）远程通讯：通信方式及距离：以太网络/串口？远程控制与本地控制如何协调？有几个远程控制终端？,.,二、系统定义阶段,3、需求分析示例：远程监控系统,（4）远程数据传输：传输什么数据：仪器采集到的谱图数据。具体为电压值：-2500mV至2500mV之间。采集精度要求为20位以上。数据采集周期：最快为100ms采集一次。采集方式：在分析过程进行采集，其他过程不采集。,.,二、系统定义阶段,3、需求分析示例：远程监控系统,（5）其他要求：如存储要求：在用户的设计要求中，没有明确提出存储要求。但从使用角度考虑，用户设定档位、电流等信息应该记忆，便于下次使用。仪器的分析数据是否需要保存？电源方面的考虑：运行环境：温度、湿度等机械尺寸方面：,.,二、系统定义阶段,3、需求分析示例：远程监控系统,本阶段完成的标志是：形成需求规格说明书，由用户确认。参见需求规格说明书的文本格式。(一起分析)总结：横向-功能分析；纵向-性能分析,其它设计实例参考：风机消防设备要求,作业：针对离子色谱仪远程监控系统的设计要求，进行详细的需求分析，形成需求规格说明书。也可以针对其他的设计要求。,.,三、总体设计阶段,总体设计是设计的第一步，其目的是描述系统如何实现由系统定义规定的那些功能。它需要解决嵌入式系统的总体构架，从功能实现上对软硬件进行划分；在此基础上，选定处理器和基本接口器件；根据系统的复杂程度确定是否使用操作系统，以及选择哪种操作系统；此外，还需要选择系统的开发环境、软件系统的总体架构设计等。要点：化整为零，逐层细化,.,三、总体设计阶段,1、远程监控系统的总体设计思路,系统总体结构图,.,三、总体设计阶段,1、总体设计思路,（1）首先要明确系统中的各实体及其关系：嵌入式系统；电导检测器及模拟电路；泵；远程计算机嵌入式系统与电导检测器及模拟电路之间的关系分析：信号检测与控制。待检测的信号有：档位电压、电导率、电流、调零输出及温度；控制的信号有：档位选择、电流输出、输出调零由此明确嵌入式系统针对该部分要实现的功能。,.,三、总体设计阶段,1、总体设计思路,（1）首先要明确系统中的各实体及其关系：嵌入式系统；电导检测器及模拟电路；泵；远程计算机嵌入式系统与泵之间的关系分析：通过串行通讯实现泵的检测与控制。检测的信号有：泵压力；控制的信号有：泵的启停、工作参数的设定由此明确嵌入式系统针对该部分要实现的功能。,.,三、总体设计阶段,1、总体设计思路,（1）首先要明确系统中的各实体及其关系：嵌入式系统；电导检测器及模拟电路；泵；远程计算机嵌入式系统与远程计算机之间的关系分析：通过网络通讯实现远程监控。,.,三、总体设计阶段,1、总体设计思路,（2）明确系统设计的各部分：嵌入式系统的软硬件；远程计算机的软件；以及两者之间的通讯协议。,.,三、总体设计阶段,1、总体设计思路,（3）确定各部分的设计思路嵌入式系统这是系统的主体部分。考虑到该部分功能的复杂性，应该选用嵌入式操作系统以降低软件设计难度。考虑到需要良好的用户操作界面，可以选择WinCE,或Linux+QT.从经济角度考虑，建议选用Linux+QT.,.,三、总体设计阶段,1、总体设计思路,（3）确定各部分的设计思路嵌入式系统的层次结构图：,.,三、总体设计阶段,1、总体设计思路,（3）确定各部分的设计思路嵌入式系统的设计路线图,.,三、总体设计阶段,2、远程温度监控系统的硬件设计方案,采用ARM进行设计，硬件系统一般采用核心板+扩展板的方式实现。这样，设计比较简单，可靠性也较高。选用SC6410ARM11核心板，外围只需扩展出如下部分电路即可：（1）A/D输入：至少需要4通道的20位以上的AD转换器。为了使用开发板模拟实现，可以在忽略采集精度的前提下，采用6410自带的10/12位的A/D转换器。（2）数字输出电路：档位选择、模拟通道选择，输出调零都需要控制模拟信号板的相关器件，采用GPIO信号控制即可（3）D/A输出：电流需要使用DA转换器输出实现。（4）串行通讯口：与泵连接。,.,三、总体设计阶段,2、远程温度监控系统的硬件设计方案,（5）液晶及触摸屏接口：（6）网络接口：（7）电源：计算整机的耗电量，设计电源。核心板：5V，500mA液晶:5V,200mA模拟信号电路：200mA(估计值)其他：300mA因此，总体需要5V，1.2A。通常，保证电源工作在满负荷的70%左右较为合理，因此，选用5V,2A的直流电源。,.,三、总体设计阶段,3、远程温度监控系统的软件系统设计方案,采用Linux嵌入式操作系统+图形化用户界面QT。采用多任务的编程方法。根据需求分析，在系统中要完成的任务可分为：（1）用户交互界面：接收用户的输入，去改变相应的输出控制信号。将内部检测信号显示出来；（2）电导检测器的检测与控制：根据用户的选择，定期采集数据。（2）泵的监控：定期检测泵压力，如有异常，则报警并产生相应动作；根据用户界面的控制，实现泵的启停等控制。（3）网络通讯：在分析阶段，每100ms采集一个数据并上传到远程计算机；根据远程计算机的命令，实现远程控制。,.,三、总体设计阶段,总结：本阶段完成系统各部分的划分，明确每个部分的功能与结构；明确各部分之间的接口界限。课堂练习：完成电导检测器的监控部分的软件总体设计，以面向对象的思路进行设计。主要包括：该部分所涉及的实体有哪些？各实体之间的联系如何？各实体的功能有哪些？作业：本阶段需要完成概要设计说明书的编写。,.,四、详细设计阶段,1、硬件系统的设计,（1）设计方法:以厂家(实验箱或开发板)提供的电路为基础,进行裁减或修改。（2）以核心板为出发点，构建核心板的外围电路：电源系统LCD显示电路网络接口电路RS232通讯电路AD转换、DA转换、GPIO等接口电路,.,四、详细设计阶段,1、硬件系统的设计,（3）电源系统的考虑核心板需要3.3VDC,而有些外围电路，如RS232通讯、AD信号检测等需要5VDC，这样，需要外供5VDC,然后用降压模块变出3.3VDC.,.,四、详细设计阶段,1、硬件系统的设计,（4）其它电路的考虑可与开发板一致。从开发板电路图上将相关部分电路参考引用即可。,.,四、详细设计阶段,2、软件系统的设计,（1）简化设计方案,嵌入式应用程序：无界面的网络服务程序，响应远程计算机的命令，提供数据采集及控制动作,计算机应用程序：提供用户界面，向嵌入式系统发送网络命令，实现数据采集及控制动作,TCP通讯,.,四、详细设计阶段,2、软件系统的设计,（2）嵌入式应用程序的设计,主要完成网络通讯协议的解析及相应动作的实现：数据采集：AD通道0-3档位选择：用四个LED代表。DA输出等：输出电流,.,通讯协议,服务端与客户端之间的通信协议如下：数据帧格式为：0 x02命令数据项D3D2D1D00 x03共8个字符，除首字符02，结束字符03外，中间5个均为ASCII码字符命令字符定义如下：R：读取命令；W：写入命令；B：读取返回；P：写入返回数据项：0：AD通道0的采样值1：AD通道1的采样值2：AD通道2的采样值3：AD通道3的采样值4：4个LED指示灯D3-D0：4位十进制数据举例1：如客户端要读取AD通道0的采样值，则发送：02R0000003服务器返回：02B0080003/表示返回的数值为800mV举例2：客户端控制4个指示灯，2个亮，2个灭02W4101003/1表示灯亮，0表示灯灭服务器返回：02P4101003,.,编程实现,以TCP程序Server.c为例进行修改：增加协议数据包的接收及解析功能（1）首先完成协议包的接收：要点：首字符0 x02是标志性字符，协议包长度固定。（2）协议包的解析：要点：将每个字段分解开，分别进行判断处理,.,四、详细设计阶段,2、软件系统的设计,（3）上位机应用程序的设计