[硕士论文精品]基于armlinuz的嵌入式粮情测控系统的研究与开发

基于ARMLINUX的嵌入式粮情测控系统的研究与开发摘要随着科学技术的进步，电脑互联网的普及，传统粮仓人工监控的方式正在被更加方便和高精确度的检测控制系统所替代。在单机局部检测控制的基础上，利用互联网技术将整个粮仓测控系统集成在一起，通过网页访问方式，粮仓管理人员能够更快更好地了解粮仓具体环境指标，各项温湿度，气体含量并通过控制电机等方式对环境各参数进行控制。本文提出并设计了一套以ARM嵌入式开发板为核心的现代粮情测控系统。嵌入式粮情测控系统在传感器采集到信号，进行处理后，将数据显示在网页和嵌入式开发板液晶屏上，通过TCPIP协议，使用IE浏览器就可以在线查看实时数据，并且可以保存和打印数据，另外还可以通过网页控制电机等设备工作。该系统硬件平台使用AP珊19微处理器3C2410，以核心板和底板的方式组成，可以采集多路模拟和数字信号；支持标准RS232接口和USB通信接口；采用液晶显示屏和触摸屏的人机交互接口，为操作人员提供了良好的监控界面；软件系统使用嵌入式LINUX操作系统，通过交叉编译模式，使用C语言编写移植传感器驱动和电机控制程序，使用BOA嵌入式WEB服务器和SQLITE数据库搭建远程监控系统，使用MINIGUI图形软件系统编写了终端界面程序，完成了人机交互界面的设计。本文第一章综合介绍了课题研究背景及嵌入式粮情测控系统的设计方案。第二章概述了嵌入式粮情测控系统的设计，包括嵌入式系统的特点及其软硬件组成部分，以及系统设计中选用的各种传感器及电机驱动器等。第三章详细阐述了嵌入式粮情测控系统的实现，包括嵌入式系统软件开发流程，传感器和电机的驱动及控制程序，以及嵌入式WEB远程监控系统的设计实现。第四章介绍了MINIGUI软件界面的设计以及应用程序的设计。论文最后对本课题的完成情况做了总结和评价，并且为本课题的发展提出了建议。关键词嵌入式系统粮情ARMLINUXMINIGUI传感器驱动THERESEARCHANDDEVELOP正NTOFE田EDDEDM哐ASURINGANDCONTROLSYSTEMBASEDONARMLINUXFORIUCESTORAGEABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFSCIENTIFICTECHNOLOGYANDTHEPOPULARITYOFINTEMET，THETRADITIONALHUMANMONITORINGSYSTERNFORRICESTORAGEISTAKENPLACEBYMUCHCONVENIENTANDHIGHACCURACYMONITORINGANDCONTROLSYSTEMBASEDONTHESINGLECOMPUTERTECHNOLOGYUSEDFORLOCALMEASUREMENTANDCONTR01THEWHOLEMEASUREMENTANDCONTROLSYSTEMCALLBELINKEDTOGETHERBYINTERACT眙6VISITINGMETHOD。ADMINISTRATORSAREABLETOUNDERSTANDDIFFERENTENVIRONMENTCONDITIONSMUCHFASTERANDEASIER,ANDTHEYCANCHANGETHEENVIRONMENTBYCONTROLLINGMOTORSTHISTHESISINTRODUCESTHEDESIGNOFAMODEMMEASUREMENTANDCONTROLSYSTEMFORRICESTORAGEBASEDONARMEMBEDDEDDEVELOPINGBOARDAFTERTHESIGNALSCOLLECTEDBYSENSORSOFTHEMEASUREMENTANDCONTROLSYSTEM，THEDATAISPROCESSEDANDDISPLAYEDONTHEWEBPAGEANDTHELCDOFEMBEDDEDDEVELOPINGBOARDBYTCPIPPROTOCOL，THEREALTIMEDATACANBEMONITOREDTHROUGHIEBROWSER,ANDTHEDATAALSOCANBESAVEDANDPRINTEDMOREOVERTHEDEVICESLIKEMOTORSCANBECONTROLLEDTOWORKBYTHEBUAONCLICKINTHEWEBPAGETHEHARDWARESYSTEMUSESAI蝴9MICROPROCESSORS3C2410INTHEWAYOFCOREBOARDANDBASICBOARDITCANCOLLECTMULTICHANNELANALOGANDDIGITALSIGNALSTHEHARDWARESYSTEMSUPPORTSSTANDARDRS232INTERFACEANDUSBINTERFACEANDITSUPPORTSTHEHUMANCOMPUTERINTERACTIONINTERFACEOFLCDDISPLAYANDTOUCHSCREENWHICHPROVIDESAGOODMONITORINGANDCONTROLINTERFACEFORTHEOPERATORSTHESOFTWARESYSTEMWORKSINTHEMODEOFCROSSCOMPILE，BASEDONEMBEDDEDLINUXOSTHESENSORDRIVERSANDMOTORCONTROLPROGRAMARECOMPLIEDINCPROGRAMMINGLANGUAGEIHEREMOTEMONITORINGANDCONTROLSYSTEMISSETUPWITHBOAEMBEDDEDWEBSERVERANDSQLITEDATABASEANDTHETERMINALINTERFACEPROGRAMISWORKEDOUTUSINGMINIGUIGRAPHICSOFTWARESYSTEM3INTHEFIRSTCHAPTER,ITEXPOUNDSTHEBACKGROUNDOFTHERESEARCHPROGRAMANDDESIGNATUREOFMULTIFUNCTIONALMEASURINGANDCONTROLSYSTEMFORRICESTORAGEINTHESECONDCHAPTER,ITINTRODUCESTHEDESIGNOFMULTIFUNCTIONALMEASURINGANDCONTROLSYSTEM，WHICHINCLUDETHEFEATURESOFEMBEDDEDSYSTEM，ITSSOFTWAREANDHARDWARECOMPONENTS，ANDTHEVARIOUSSENSORSANDMOTORCONTROLLERUSEDINTHESYSTEMDESIGNINTHETHIRDCHAPTER,ITDRAWSTHECOMPLICATIONOFMULTIFUNCTIONALMEASURINGANDCONTROLSYSTEMDEMILL弘WHICHINCLUDESTHESOFTWAREDEVELOPINGPROCESSESINEMBEDEDSYSTEMTHEDRIVERANDCONTROLPROGRAMSFORSENSORSANDMOTORCONTROLLERANDTHEDESIGNOFREMOTEMONITORINGANDCONTROLSYSTEMBASEDONEMBEDDEDWEBSERVERINTHEFOURTHCHAPTER,ITINTRODUCESTHEDESIGNSOFMINIGUISOFTWAREINTERFACEANDAPPLICATIONPROGRAMSINTHEEND，THISPAPERSUMUPANDESTIMATETHEACCOMPLISHCIRCUMSTANCEOFTHISTASK，ANDGIVETHEADVICESOFFUTUREDEVELOPMENTSFORTHISTASKKEYWORDSEMBEDDEDSYSTEMRICESTORAGEARMLINUXMINIGUISENSORDRIVER4独创性或创新性声明本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电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。申请学位论本人签名处，本人承担一切相关责任。日期型扛乏止一一一一，关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即研究生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。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后遵守此规定保密论文注释本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释本学位论本人签名导师签名用本授权书。日期丑芝日期2嘭丝基于ARMLINUX的嵌入式粮情测控系统的研究与开发北京邮电大学硕士学位论文11课题研究背景第一章绪论弟一早珀下匕111引言“民以食为天“，自古以来粮食问题就是人们最为关注的问题，它体现了人民生活质量状态，同时也是国家富强发展的基础。进入2L世纪，随着全球人口不断增长与有效耕地面积逐年减少成为难以逆转的矛盾，粮食安全问题显得尤为突出。由于由于粮食生产不同于工业产品生产，它受自然条件的影响很大，收割时间比较集中，消费却是一年四季连续不断的，因此，无论农民自用，还是出售给国家的商品粮，都必须存放在符合储粮要求的仓房或容器里，保障储粮安全，才能满足国家经济建设和人民生活的需要。经过五十多年的粮仓建设与发展，我国粮库的布局、规模、仓储工艺、设施配备、仓型设计、新材料应用和建筑施工等都发生了根本变化，而且仓储管理与技术管理等也得到了极大的提高。112粮食仓储技术的现状粮食仓储技术是集农业、生物、建筑、环境保护、化工、机械、仪器仪表及计算机技术等多学科为一体的系统工程，主要包括粮食仓储设施与方式、储粮技术及其支撑平台、仓储设备等，其中储粮重要技术之一的粮情测控系统一直是研究和发展的重点。F1】我国现阶段使用的粮情测控系统大嵌入式单一，只能测量温度和空间湿度，缺少对粮食水分、害虫、霉菌、气体成分等多项影响储粮安全因素的监测。并且各个系统之间互不兼容，系统对粮情控制的功能还不完善。随着信息技术的广泛应用，作为现代化的粮情测控系统，其发展趋势应该是传感器的集成化，数字化和智能化，粮情测控产品的系列化、标准化，数据检测的全面化，数据传输的网络化，数据分析的智能化，粮情控制的自动化以及操作使用的简便化。113粮食仓储技术的发展及课题来源为了贯彻落实国家中长期科学和技术发展规划纲要，提高粮食储藏技术的现基于ARMLINUX的嵌入式粮情测控系统的研究与开发北京邮电大学硕士学位论文代水平，国家粮食局在“十五”粮食科技攻关工作的基础上，发布了“十一五“国家科技支撑计划项目“安全绿色储粮关键技术研究开发与示范“。该项目研究内容涉及粮食收获后大规模干燥、国家大型粮库现代化建设、储粮粮情测控、绿色储粮技术、成品粮油储藏、粮食品质快速检测、创新平台建设和粮食科技发展战略等领域。其中“网络化嵌入式粮情监控集成技术和系统研究开发“课题研究内容包括1研究开发在线及网络化国家粮食储藏数量监测技术利用网络技术和传感器技术，结合粮情测控系统，开展粮食仓库内储粮数量监测技术研究，开发基于网络技术的在线粮食数量监测检测技术和设备。2嵌入式粮情测控软件平台与系统研究开发研究开发具有测温、测水、测气等检测功能，并具有控制通风和储粮知识查询功能的粮情测控软件平台，研究软件接口协议的标准化，集成储粮水分和粮堆气体成分等检测技术和设备，开发嵌入式粮情测控系统。3储粮粮情监测专用传感器研究与开发研究开发储粮粮情监测专用传感器，用于检测粮堆的温度、湿度、粮食水分、粮食库存量压力传感器以及害虫微声传感器等。4储粮粮堆温度变化规律与温度传感器布置模型研究通过研究储粮粮堆温度传导和规律变化，建立不同仓型和粮种的全年储藏温度变化模型和预警模型，科学设定温度传感器的数量和布置位置。114课题来源本课题“基于ARMLINUX的嵌入式粮情测控系统的研究与开发”来源于北京邮电大学校办企业“北京布来得通信技术开发公司“的一个科研项目，其设计思想及功能要求参考于上述的“网络化嵌入式粮情监控集成技术和系统研究开发”课题。12嵌入式粮情测控系统的功能要求121嵌入式粮情测控系统的功能要求为了满足粮情测控系统的需要，该系统功能要求如下【2】1粮情检测具备检测温度、湿度、水分、氧气、二氧化碳和被控设备状态的功能。2数据显示2基于ARMLINUX的嵌入式粮情测控系统的研究与开发北京邮电大学硕士学位论文具备粮情数据表格与图形等方式的显示功能。3数据存储与检索具备粮情数据存储、历史数据查询和网络共享功能。4数据打印具备粮情数据表格的打印功能。5智能分析具备预测粮情变化趋势的功能。6报警具备人工设定温度、湿度、水分、气体等超限报警功能。7自动控制具备手动或自动对储粮技术设施进行适时控制的功能。8网络功能具备与用户局域网络联网运行的功能。9扩充功能具备料位、密度、储量、视频、音频等检测、分析和控制的扩充功能。122嵌入式粮情测控系统的技术指标要求系统检测范围温度4060湿度10RH“99RH水分530氧气O25二氧化碳O100系统检测分辨率温度O1湿度O1水分O1氧气O1二氧化碳01系统检测误差3基于ARMLIN吼的嵌式粮情测拉系统舶研究与开麓北京邮电大学硬学位论文温度13550湿度3水分08716氧气05二氧化碳0513嵌入式粮情测控系统设计方案槛度俜感器牲度体缚器图1粮情刺控系统结构图基于ARMLINUX的嵌入式粮情测控系统的研究与开发北京邮电大学硕士学位论文传统的粮情测控系统主要采用单片机和PC终端形式。单片机将采集到的数据经串口发送到PC机，PC机将数据处理后，采用TCPIP协议将数据发送到互联网上，实现数据的远程采集。这种方式依赖于PC机，不灵活，不稳定，功耗高。而采用以ARM架构微处理器为核心的嵌入式单元作为独立终端实现的远程温湿度测控系统，具有体积小、价格低、功耗低、稳定可靠等特点，可用于远程监控、楼宇自动化等场合。本课题“基于ARM嵌入式的嵌入式粮情监控系统研究开发”则提出另一种嵌入式粮情测控系统，它采用高性能的嵌入式微处理器3C2410，基于ARM920T，内部集成了10位的AD转换器，可用于高速的数据采集。在3C2410处理器外部配以以太网控制器和存储芯片实现粮情测控系统的硬件平台，在该平台上移植了LINUX操作系统，并编写驱动程序和应用程序，实现粮情的远程测控。LINUX操作系统内核稳定、网络功能强大、源码公开、可裁剪、使用成本低，这些特点使得开发的难度和成本大大减低。本课题设计的基于ARM嵌入式的嵌入式粮情测控系统方案结构如图1所示。14课题研究任务及主要工作本课题的工作重点是以嵌入式系统开发平台为基础，设计出带有远端网络控制和现场测量控制的终端，用于嵌入式粮情测控系统中，以更方便的实现对现场测量设备的数据采集，以及控制设备的控制。本课题侧重于基于ARM9芯片3C2410下的LINUX驱动实现，包括数据采集端的传感器驱动和控制实现端的电机驱动。另外在实现嵌入式WEB服务器远程监控系统的同时使用MINIGUI界面设计软件设计适用于嵌入式显示设备的界面程序，实现测量和控制功能。将带有温湿度传感器及电机等监控设备、嵌入式LINUX系统及嵌入式WEB服务器远端网络通信用于远程监控系统是本课题的特色。本课题的主要研究工作包括与课题内容相关的软件和硬件资料的收集与整理；嵌入式开发平台硬件系统的选择，包括传感器选型；嵌入式开发平台软件系统的设计；嵌入式LINUX开发环境的建立；基于ARMLINUX的嵌入式粮情测控系统的研究与开发北京邮电大学硕士学位论文传感器驱动和电机驱动的编写与实现；嵌入式WEB远程监控系统的设计与实现；MINIGUI软件安装及移植；MINIGUI图形界面设计。15论文的章节安排及主要内容本课题是基于嵌入式LINUX与3C2410处理器的嵌入式系统开发平台在粮情测控系统中的应用，本人主要的工作包括嵌入式开发平台硬件系统的选择、软件系统的设计、传感器及电机驱动器的选型、嵌入式LINUX开发环境的建立、传感器和电机驱动的编写和移植、MINIGUI图形界面的设计等。本论文共分为五章第一章介绍了课题研究背景和来源以及课题研究的主要任务和工作。第二章概述了嵌入式粮情测控系统的设计，包括嵌入式系统的特点及其软硬件组成部分，以及系统设计中选用的各种传感器及电机驱动器等。第三章详细阐述了嵌入式粮情测控系统的实现，包括嵌入式系统软件开发流程，传感器和电机的驱动及控制程序，以及嵌入式WEB远程监控系统的设计实现。第四章介绍了MINIGUI软件的安装移植以及图形界面的设计。第五章为对本课题的总结与展望。6基于ARMLI毗的嵌入式粮情嗣控系统的研究与开发北京邮电大学琢士学位论文第二章嵌入式稂情测控系统设计21嵌入式系统概述嵌入式系统是以计算机技术为基础，以应用为中心，并且软硬件可裁减，能满足系统应用对功能、可靠性、体积、功耗等指标的严格要求的专用计算机系统翻。在嵌入式系统中，计算机系统一般作为智能控制部件嵌入到整个应用系统中，是整个系统的控制中心，主要用于对系统的信息处理部件和用户交互界面加以控制。在这种情况下，用户并不知道嵌入式计算机的存在，系统控制软件一般固化在嵌入式计算机中，嵌入式计算机一般不需要或不能被用户重新编程，通过特殊的输入、输出设备与系统进行交互。躅2I嵌八式系统架构嵌入式系统是专用计算机应用系统，任何嵌入式系统都包括硬件和软件两个部分。硬件部分主要包括微处理器、存储器、IO端口和图形控制器等。软件部分主要基于ARMLINUX的嵌入式粮情测控系统的研究与开发北京邮电大学硕士学位论文包括操作系统软件和应用软件，应用软件控制着嵌入式系统的运作和行为，而操作系统则为应用程序提供必要的底层支持，应用软件一般是通过操作系统所提供的应用编程接口API来实现的。整个嵌入式系统的架构如图21所示。由于嵌入式系统是面向应用、产品和用户的，所以需要研究其应用特性以便开发出一个如PC般通用的嵌入式系统。在嵌入式系统中，具体的应用决定着对硬件和软件的需求，如芯片、存储器、IO扩展和操作系统、应用程序编程等。与通用PC计算机不同，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设计，量体裁衣，去除冗余，尽量以最小的系统、最低的成本去实现目标功能，这样的产品才有竞争力。嵌入式系统通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，它能够通过把普通CPU中许多由板卡完成的工作集成到芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，与网络的结合也越来越紧密。图22嵌入式系统的开发流程嵌入式系统的开发流程从用户需求出发，选择合适的嵌入式处理器和硬件平台以及合适的嵌入式操作系统和软件平台，并在操作系统上开发应用程序，最终通过测试，完成系统开发。嵌入式系统的开发流程如图22所示。8基于ARMLIN的嵌式粮情铡控幕统的研究与开麓北京邮电大学顾学位论文22嵌入式开发平台的硬件系统选择221嵌入式硬件系统的组成嵌入式系统的硬件是嵌入式系统的基础，以嵌入式处理器为核心，加上根据实际需求选择配置的外围接口电路，构成了完整的嵌入式硬件系统。它为嵌入式软件系统提供了运行必需的的物理平台和通信接口。它通常包括嵌入式处理器，存储器，电源管理芯片和外围设备接口四个部分。在本系统设计中，我们选择使用的是成都博睿公司的MC2410E开发板。该开发扳的正面结构图如图23所示图23MC2410E开发板正面结构图该开发板的背面结构图如图24所示基于ARMLI的嵌入式粮情测拉系统舶研究与开发北京邮电大学硕士学位论文图24MC2410E开发板背面结构图MC2410E开发板由核心板与底板外设板或称基本板组成，核心板上集成SAMSUNGS3C2410处理器，64MSDRAM以及8M的FLASH，为应用研发提供了足够的空间。底板上则提供以下外设接口一个四线RS232串口FCOMI，一个10M100M自适应以太网接口，一个1下1LCD接口，一个触摸屏接口。核心板和底板配合即构成一个最小的完整应用系统。系统具有体积小、耗电低、处理能力强、等特点，能够装载和运行嵌入式LINUX等操作系统。用户可以在这个系统平台上进行自主软件开发。222嵌入式处理器嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与通用处理器的最大不同点在于嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中。它通常把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，并且有高效率、高可靠性等特征N随着嵌入式系统不断深入到人J生活中的各个领域嵌入式处理器得到了前所来有的飞速发展。目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器品种总量超过1500多种，流行体系结构有50多个系列。它具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点。基于ARMLINUX的嵌入式粮情测控系统的研究与开发北京邮电大学硕士学位论文目前，按照比较流行的分类方法，嵌入式处理器可以以下分为四类，即1嵌入式微处理器EMBEDDEDMICROPROCESSORUNIT，EMPU2嵌入式微控制器MICROCONTROLLERUNIT,MCU3嵌入式DSP处理器EMBEDDEDDIGITALSIGNALPROCESSOR，EDSP4嵌入式片上系统SYSTEMONCHIP其中属于微处理器的ARM处理器正在世界范围内被广泛使用着。其他比较有影响力的嵌入式RISC处理器产品主要有MOTOROLA公司的68000COLDFIRE、IBM公司的POWERPC、MIPS公司的MIPS和SUN公司的SPARC系列等。本节主要介绍系统设计中使用的ARM微处理器。ARM系列微处理器是英国先进RISC机器公司ADVANCERISCMACHINES，ARM的产品。ARM公司自1990年正式成立以来，在32位RISCREDUCEDINSTRUCTIONSETCOMPUTERCPU开发领域不断取得突破，其结构己经从V3发展到V6。由于ARM公司自成立以来，一直以IPINTELLIGENCEPATENT提供者的身份向各大半导体制造商出售知识产权，而自己从不介入芯片的生产销售，加上其设计的芯核具有功耗低，成本低等显著优点，因此获得众多的半导体厂家和整机厂商的大力支持，在32位嵌入式应用领域获得了巨大的成功。在2001年ARM占据了整个32位、64位嵌入式微处理器市场的75份额；而在2002年ARM甚至占据了整个32位、64位嵌入式微处理器市场的795份额。ARM系列微处理器已经在低功耗，低成本的嵌入式应用领域中确立了市场领导的地位。目前，80以上的GSM手机、99的CDMA手机以及未来的WCDMA、TDSCDMA手机都采用的是基于ARM核心的处理器。全球设计、生产ARM芯片的半导体公司将近200多个，国际大公司已经超过50多家，国内中兴、华为，东南大学、上海集成电路设计中心、中芯国际、大唐等公司已经购买ARM公司的芯片核心技术授权协议，用于通讯专用芯片的设计。此外，ARM芯片还获得了许多实时操作系统供应商的支持，比较知名的有WINDOWSCE，UCLINUX，PSOS，VXWORKS，NUCLEUS，EPOC，UCOS，BEOS，PALMOS、QNX等。自V5以后，ARM公司提供PICCOLODSP的芯核给芯片设计者，用于设计ARMDSP的SOCSYSTEMONCHIP结构的芯片。ARM微处理器核技术广泛用于便携式通信产品、手持计算、多媒体和嵌入式解决方案等领域，已成为RISC标准。目前基于ARM核的微处理器有以下几个系列ARM7家族；ARM9家族；ARM9E家族基于ARMLINUX的嵌入式粮情测控系统的研究与开发北京邮电大学硕士学位论文ARMLOE家族；ARMLL家族；SECURCORE家族；OPTIMODE数据引擎内核；MPCORE多处理器家族；INTEL公司的STRONGARMXSCALE。其中重点介绍ARM9微处理器系列。该系列处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以下特点5级整数流水线，指令执行效率更高；提供11MIPSMHZ的哈佛结构；支持32位ARM指令集和16位THUMB指令集；支持32位的高速AMBA总线接口；全性能的MMU，支持WINDOWSCE、LINUX、PALMOS等多种主流嵌入式操作系统；MPU支持实时操作系统；支持数据CACHE和指令CACHE，具有更高的指令和数据处理能力。ARM9系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。ARM9系列微处理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三种类型，以适用于不同的应用场合。基于上述原因，针对课题需求，设计中选用的是SAMSUNG公司的3C2410处理器。它是一款基于ARM920T内核的1632位RISC嵌入式微处理器，运行频率为266MHZ，主要面向手持式设备以及高性价比、低功耗的应用。ARM920T核由ARM9TDMI、存储管理单元MMU和高速缓存三部分组成。其中MMU可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的16KB地址和16KB数据高速CACHE组成【51。3C2410微处理器包含的资源有1个LCD控制器支持STN和TFT带有触摸屏的液晶显示屏；SDRAM控制器；3个通道的UART；4个通道的DMA；4个具有PWM功能的计时器和1个内部时钟；8通道的LO位ADC；12基FARMLINE的嵌式粮情|拄系统研究S开拄北京邮电大学硬学位论文触摸屏接口；12S总线接口；2个USB主机接口，1个USB设各接口2个SPI接口；SD接口和MDC卡接13；看门狗计数器117位通用IO口和24位外部中断源；8通道10位AD控制器。223存储器存储器也是构建嵌入式系统的重要部分。虽然存储器的选择依赖于处理器的选择，但是就功能需求来说，需要考虑容量大的性能稳定的存储器。就FLASH来说，还需要考虑FLASH的擦除等软件操作是否方便。CPLJ图25MC2410E核心板结构图灯灯本系统核心板包括8MBL6位的NANDFLASH存储器和64MB32位SDRAM存储器基于ARMLINUX的嵌入式粮情测控系统的研究与开发北京邮电大学硕士学位论文如图25所示。其中NANDFLASH主要用于存放启动代码BOOTLOADER、LINUX内核、RAMDISK压缩映像和用户程序等等。FLASH存储器的数据宽度为16位，映射到3C2410A的ROMBANK0，地址从OXOOX200000。而64MB的SDRAM存储器则用于设置程序堆栈和存放各种变量。它是由两片16位数据宽度的SDRAM存储器，通过并联成为32位数据宽度的SDP,AM存储系统，地址范围是0X300000000X33FFFFFF。并映射到3C2410A的SROMSDRAMBANK6，S3C2410A微处理器内部的4KB一体化CACHESRAM，通常被配置为CACHE以提高系统性能。若要将其部分或全部用作高速的片内SRAM，用户必须在应用程序中重新配置相应的特殊功能寄存器【61。224电源管理芯片嵌入式系统对功耗极为敏感。系统的功耗可以通过电源模式变换获得最好的控制。核心板的工作电源为单一的33W05A直流电源，在基本板中，由于电源消耗功率较小，因此我们使用的是AMSLLL7线性稳压芯片，使用基本板的上下面铜箔作为散热面，并且使用5W1A直流电源供电。美国AMS公司的AMSI117系列芯片是可调或固定输出18、25V、33V、5V的线性稳压芯片，输出电流为800MA。它可应用于电池充电、便携式掌上笔记本电脑、磁盘驱动、便携式消费类装置、便携式仪器、SMPS站及计算机系统接口终端中作稳压电源。硬件系统中使用的是5V输入，固定33V输出的电源稳压芯片【J71。其电路连接图如图26所示DL图26AMSLLL7电源稳压芯片电路连接图14基于堰MLINUX的嵌入式粮情测控系统的研究与开发北京邮电大学硕士学位论文225外围设备接口这里所说的嵌入式外围设备，指在一个嵌入式硬件系统中，除了中心控制部件MCU，DSP，EMPU，SOC以外的完成存储、通信、保护、调试、显示等辅助功能的其他部件嗍。根据外围设备的功能可分为以下三类，即1存储器类型静态易失型存储器RAM，SRAM、动态存储器DRAM、非易失型存储器ROM，EPROM，EEPROM，FLASH。其中，FLASH因为可以擦写多次，存储速度快，容量大，价格便宜在嵌入式领域应用广泛。2接口类型目前存在的所有接口在嵌入式领域都应有广泛，如RS232串口、IRDA红外线接口、SPI串行外围设备接口、12C现场总线待定、USB通用串行接口、ETHERNET以太接口和普通并口。3显示类型CRT，LCD和触摸屏等外围设备。本系统是一个完整的嵌入式系统，根据实际的应用需要以下通信接口1RS232串行接口目前RS232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS232被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。嵌入式系统开发过程中需要通过该串口与PC机通信。RS232COM接口使用MAX232芯片连接，其接口图如图27所示。A孽3N9图27RS232COM接口图2USB接口USB接口以其方便、传输速率高等优点逐渐成为计算机行业的外设接口标准，各种USB设备的应用越来越广泛。嵌入式系统通过USB接口可以轻易地与各种外部设备通信，例如USB接口的鼠标或键盘，USB接口的摄像头等，这无疑扩大了嵌入式系统的应用功能。3以太网接口在INTEMET飞速发展的今天，网络己经渗透到了方方面面。在嵌入式系统方面，由于因特网流量大，速度快，易获取等特点，利用网络接口通信进行嵌入式开发已经逐步取代了传统使用JTAG接口开发的模式。本系统中的嵌入式系基于ARMLINUX的嵌入式粮情测控系统的研究与开发北京邮电大学硕士学位论文统开发采用网络通信方式，故以太网接口必不可少，在这里我们使用的是板上集成的IOM以太网卡芯片CS8900A。LCDLCD_VIRO1II2LCDVFLTOUI934LCDVFZOHD5OVCLKV5丫NO78LCDFIACRVM940VLINELCDEDN1112GNDVDAT矗O134VDA下A1VDATA21516VDATA3VDATA41718V移ATA5GND“LG20VDAT女婚VDATH72122VATALO、，DATALL2324VOAT秘2V段TAL32528VATAL4VDATAL52728O心DVDARAL82030V1茂LAL曰VDATA203132VDATA21VPATAZ23334VPAFAZ3VPD5V3536OHDXP3738YPKM3040丫M广图28LCD惫K摸屏接口定义图4LCD触摸屏接口LCD液晶屏是嵌入式系统常用的输出显示设备，结合可以直接触摸输入的触摸屏，可以把嵌入式系统的功能发挥的更强大，并且可以现场调试。系统设计中的LCD触摸屏接口定义图如图28所示。5扩展IO接口针对于粮情测控系统功能要求的传感器连接，需要有对应的GPIO接口连接。嵌入式系统扩展IO口引脚定义如图29所示。SSCON0盎GND；IL2怒荽I一6线1。技58LOU瀚彰。I，12D、O14I群襄11768袱DI。狻；54RT8SO搜IKOUTO20。蕊2“322翘狻25F724P。，跫2728I翳袋菊28，1一POR袋翳一PORT30一。，技33322望T菠3534窖爨。蓉帮30黧嫩2势一303V40IL图29扩展IO口引脚定义图16姗口筠FV崩J盘垤EFEINT4EINRXI|4蝴T6PAL6TX口2NCTSOTELKLGPF5G笋器，SPL渊S00擎0建TSPLCUP0辩了SPL酾00泊PORTNSS0PORTGPE5IICSDAOHD基于ARMLIN吼的嵌式粮情铡控系统的研究与“发北京邮电大学颈学位论文6其他接口因为本系统是一套完整的开发平台，因此还留有其他接口，如音频接口IIS、12C总线接口、SD卡接口、IDE接口等，但不作为本论文研究的重点，只为以后扩展使用。226传藤器选型本课题嵌入式粮情测控系统要求对粮食的储藏环境情况进行实时数据测量，参照系统要求，选择温度传感器，湿度传感器，二氧化碳传感器和氧气传感器。2261温度传感器本系统选择使用的温度传感器是DALLAS公司生产的DSL8820一线式数字式温度传感器，其外形封装图如图210所示吼DSL8820具有以下几个特点，使得它非常适用于远距离多点温度检澳系统具有3引脚TO92小体积封装形式，使用方便；温度测量范围为一55125“C，测温分辨率可达05；以9位数字值的方式读出温度用户可分别设定各路温度的上、下限值；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多点MULFIDROP能力使分布式温度检测应用得以简化；独特的单线接口，只需1个接口引脚即可通信；多个DSL8820可以并联到2根或3根线上，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。二一I霾引脚说晴GND地DQ数字输输出VDD可选的VDDNC空引脚DNC不连接鲐瑞图210DSL8820温度传感器外形封装图圈而蚍基十RMLINUX的嵌式鞍情测拙系统的研究与发北京邮电大学硕学位论立2262湿度传感器本系统选择使用的湿度传感器是霍尼韦尔公司生产的H1H4000数字式湿度传感器，其外形封装图如图2一L1所示【“I。图211HIH4000湿度传感器外形封装图HIH4000数字式湿度传感器具有以下特点热固聚酯电容式传感器，具有信号处理的功能电压输出湿度测量范围为0100，测量精度为2RH；工作温度为一3085；输出电压为08V39V供电电压5V激光修正互换性，低功耗，高精度；低成本，适合大批量OEM生产。2263二氧化碳传感器本系统选择使用的二_二氧化碳传感器是英国GSS公司推出的C20红外二氧化碳传感器，其外形封装图如图212所示。C20二氧化碳传感器具有以下特点实时感应T90GETINITTAB如果在TFLPBOOT目录里没有下载的文件，会提示您没有找到相关文件。若出现以下信息REC跫IVEXL741512BYTESIN07SECONDS就表示TFTP服务器配置成功了，在根目录下就会存在刚才下载的INITTAB文件。若弹出信息TIMEDOUT，则表明未成功，或者用如下命令查看TRIP服务是否开通NETSTATALGREPTRIP314软件开发模式在进行开发前，有必要先阐述一下宿主机和目标板的概念。宿主机是一台运行LINUX的PC机，目标板即MC2410E开发板。应用程序的开发有两种模式【19】1先在宿主机INTELCPU上调试通过后，再移植到目标板MC2410E上。移植的工作包括两个方面1函数库的问题。在程序移植时可能会有函数未定义的问题。对于这种问题，一般要求开发者自己编制这些要用到却又未定义的函数。2修改MAKEFILE以选择适合目标板的编译工具2直接在目标板上进行开发通用开发模式，建议采用该模式。将宿主机和目标板通过以太网连接，在宿主PC机上运行MINICOM作为目标板的显示终端，在目标板上通过NFS网络文件系统来MOUNT宿主机硬盘，让应用程序直接运行在目标板上进行调试。下面给出这种直接目标板开发模式下的开发流程，如图32所示基于ARMLINUX的嵌入式粮情测控系统的研究与开发北京邮电大学硕士学位论文L用串口和以太网将宿主机和毽标板连接起来I丫在宿主机上编辑目录下，如HELLO，在HELLO目录下进行编译JOPTHOSVARMV41B妇ARMV41UNKNOMLIIRAAXGCC呻HELMHELLOC1R将编译好的HELM移至搬目录，然后CHMOD777HELM在宿主祝上寤动MINICOM作为日标扳的仿真终端L鬏设宿主机的11地址为192。1682。111，在开发叛上|除入MOUNTONOIOCI【1921682111，RANTL上进入开发板的MNT弱录CDNMT运行HELLO程序JMILO调试信息通过串口打印在宿主帆的MINICOM屏箨上这样便可送行应用程序的调试有阀遂，便切换去编辑编译，重额在歼发扳上运行，直至程序工作正常。32传感器驱动程序图32目标板开发模式流程图在粮情测控系统设计中，我们涉及到了温度传感器，湿度传感器，二氧化碳传感器和氧气传感器等多种传感器。对这些传感器的使用就需要用到传感器驱动，这里先介绍在ARMLINUX嵌入式操作系统下驱动程序的特点，然后详细讲述温度传感器DSL8820驱动的实例编写。321ARMLINUX系统驱动程序ARMLINUX系统不同于51单片机或UCLINUX系统，因为ARMLINUX系统里启动了MMU内存管理单元，所以应用程序不能直接读写物理地址，如CPU寄存器包括GPIO端口、中断等CPU内部资源、内存、外设芯片内部寄存器等，而必须借助以驱动的形式，切入内核用IOREMAP来实现对这些物理地址的访问。所以在ARMLINUX嵌入式系统下，通常采用驱动程序应用程序的方式来实现应用程序对基于ARMLINUX的嵌入式粮情测控系统的研究与开发北京邮电大学硕士学位论文物理地址的访问。驱动程序的定义LINUX系统下的设备驱动程序被组织为一组完成不同任务的函数的集合，通过这些函数使得WINDOWS的设备操作犹如文件一般。在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以象操作普通文件一样对硬件设备进行操作，如OPEN0、CLOSE0、READ、WRITE等。LINUX系统下的设备驱动有两种形式【20】动态加载和静态加载。其中MODULES形式的可动态加载驱动，是我们测试所使用的驱动形式，因为这种形式的程序调试就和普通应用程序一样，可以通过NFSMOUNT的方式来调试，非常方便。除了按加载方式分类外，LINUX下的驱动程序还可按设备分为3类即字符设备、块设备和网络设备。像温度传感器之类的设备就属于字符设备类型。322温度传感器的驱动实现3221温度传感器的连接方式数字式温度传感器DSL8820是由DALLAS半导体公司生产的单总线型智能温度传感器，现已广泛应用于工业、民用、军事等领域的温度测量及测控仪器中。图33DSL8820与ARM开发板连接示意图1DSL8820与ARM开发板的连接非常简单，只需要使用一根信号线与ARM开发板上的GPIO口直接相连即可。如图33所示，此时DSL8820的VDD端口连接使用的是外接5V电源。在没有外接电源的环境下，DSL820还可使用寄生电源方式，在发生温度变换时在IO线上提供一强的上拉，如图34所示，通过使用一个MOSFET把IO线直接拉到电源，当使用寄生电源方式时VDD引脚必须连接到地【2L】。29基于ARMLINUX的嵌入式粮情测控系统的研究与开发北京邮电大学硕士学位论文图34DSL8820与ARM开发板连接示意图2V3222ARMLINUX下GPIO控制的驱动编写目前DSL8820的驱动大部分都是用汇编语言编写的，包含了很多直接控制寄存器的语句，而这些语句对于拥有内存管理单元MMU的ARM9以上的芯片则不适用【221。对于传统没有MMU的芯片，DSL8820驱动中直接操作寄存器的代码如下VOID毒PORT_ADDRIOREMAP0X560000200X8；宰VOLATILEUNSIGNEDINTPORT_ADDRF0X00008000；由于在3C2410芯片中应用了内存管理单元MMU，ARMLINUX24的内核中提供了相应的SETGPIOCONTRL等专用函数，故上面代码可以写为SET_GPIO_CTRLGPIO_MODEOUTLGPIO_C6；设定GPIO口中的GPC6口为信号输出端口在系统文件3C2410H头文件中，我们可以找到SETGPIOCONTRL函数，WRITE函数和等专用函数的宏定义，如下所示_GPIOBITREADGPIOBITDEFINESET_GPIO_CTRLXGPCONGRAB_PORTX0X3GRAB_OFSX一个简单控制GPIO输出高低电平的驱动程序如下DEFINEIOPORTMAJOR220定义主设备号，和前面的MKNODDEVGPIOTESTC2200匹配DEFINEIOWRITEOX内2LDEFINEIOCI，EAR0XF022TYPEDEFCHARIOPORT_DEVICE_T；LONGPORT_ADDR；STATICIOPORT_DEVICE_TGPIO_DEVICES257；基于ARMLINUX的嵌入式粮情测控系统的研究与开发北京邮电大学硕士学位论文INTGPIO_OPENSTRUCTINODE事，STRUCTFILE事；INTGPIO_RELEASESTRUCTINODE，STRUCTFILE；INTGPIOCTLIOCTLSTRUCTINODE，STRUCTFILE，UNSIGNEDHAT，UNSIGNEDLONG；STATICSTRUCTFILE_OPERATIONSGPIO_CFL_FOPSIOCTLGPIOCTLIOCTL，OPENGPIO_OPEN，RELEASEGPIORELEASE，；INTINITGPIO_INITVOIDINTI；REGISTER_CHRDEVIOPORT_MAJOR,”GPIOTEST”，GPIO_CFL_FOPS；RETBRLL0；MODULE_INITGPIOINIT；MODULE_EXITGPIORELEASE；INTGPIO_OPENSTRUCTINODEINODE，STRUCTFILEFLIPINTMINOR；MINORMINORINODE一IRDEV；SET_GPIO_CTRLGPIO_MODE_OUTGPIO_F7；驱动在OPEN这个设备的时候设置这个口为输出GPIO_DEVICESMINOR；RETURN0INTGPIO_RELEASESTRUCTINODEINODE，STRUCTFILE事FLIPINTMINOR；MINOR2MINORINODEI_RDEV；IFGPIO_DEVICESMINORGPIO_DEVICESMINOR一；RETURN0HATGPIOCTLIOCTLSTRUCTINODEINODE，STRUCTFILEFLIP，UNSIGNEDINTCOMMAND,UNSIGNEDLONGARGINTE仃O；HATMINOR2MINORINODEI_RDEV；SWITCHCOMMA