基于嵌入式Internet的新型智能仪表的设计

1、实时嵌入式系统题目：一种基于嵌入式Internet的新型智能仪表的设计姓名：郝萌萌学号：20137702班级：物联网1303指导老师：邓庆绪一种基于嵌入式Internet的新型智能仪表的设计 1.需求分析现代城市中新建生活小区中的水、电、气等设施通常是统一规划、集中管理，而如何高效地进行管理则充分体现了小区智能化程度的高低。国内外陆续提出了系列的解决方案，其中以建立在智能仪表上自动抄表系统为关注的重点。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物，它由以32位微嵌入式处理器为代表的硬件系统和以可裁剪的、面向特定场合的嵌入式操作系统为代表的软件系统构成。随

2、着高性能微处理器成本的降低和以Linux为代表的自由嵌入式操作系统的不断完善，嵌入式系统将逐步进入人们的日常生活之中。2.规格说明国内外已开发出多种自动化抄表系统，按抄表方式的不同将它们大致分为三类：储值卡(TM卡、Ic卡或射频卡)智能仪表抄表系统、无线电抄表系统、远传智能仪表有线联网抄表系统。实际应用中多采用远传有线联网自动抄表系统。这种抄表方式是将各种仪表电子计量后的信息通过馈线传送到一个数据集中采集器上，若干个数据集中采集器再相互连接组成一个局域网，然后在某个特定区域内建立一个工作子站，通过子站中的WEB服务器经过防火墙和网关与公众以太网相连。这样，拥有子站管理权限的上层供应商(电力公司

3、、自来水公司、煤气公司)就可以方便地管理和自己有关的服务信息。在用户开通了网上缴费业务以后，由银行定期按供应商的要求从指定帐户上扣除费用，真正做到了无需抄表、自动缴费。然而，目前各种智能仪表通信接口和规约不统一，这就需要定制专用数据集中采集器，用于接收各种规约数据并将其转化为统一数据结构。而本系统提出采用目前通用的网络集线器交换机来代替专用数据集中采集器，这样就可以像构建由PC机组成局域网一样方便灵活地构建自动抄表系统，如图1所示。这种自动抄表系统实现的关键就是“三合一”(电表、水表、气表)智能仪表的设计，它能将采集的数据实时和定时地通过标准以太网向上级工作站传送。 图1基于嵌入式Intern

4、et自动抄表系统结构模型3.体系结构3.1嵌入式智能仪表的硬件设计3.1.1整体硬件本智能仪表选取了SAMSUNG公司的s3C44BOX的芯片作为整个嵌入式系统的主芯片，并配以简洁的外围电路来实现这种新型“三合一”智能仪表的功能，即：采集调理过的脉冲输入信号和电流电压模拟输入信号。通过一个10M的以太网口与上层服务器保持通信。通过仪表LCD监视现场数据。能在断电情况下长时间保留某些数据，直至下次系统工作时读出。整个硬件系统的ARM芯片及其外围器件连接图如图2所示。图2嵌入式智能仪表硬件结构图3.2.2ARM芯片S3C44BOX嵌入式系统的硬件核心是嵌入式微处理器(Embedded Microp

5、Irocessor Unit，EMPu)，目前主要有Power PC、68000、MIPS、ARM系列等。在综合考虑了仪表性能和硬件成本的基础上，本系统选取了三星公司的32位微处理器芯片S3C44BOX，其主要特性为：SAMSUNG ARM7TDMI处理器核，带有8KB的指令高速缓存。扩展存储控制器(带FPEDOSDRAM控制器：片选逻辑)。内置LCD控制器。2个独立的UART，最高波特率115200 baud。5路PWM定时器和1路内部定时器。71个通用I0端口和8个外部中断。8路lOb ADC。3.3.3外围电路设计本系统外围电路并不复杂，它们与S3C44BOX的连接方法如图2所示。 (1

6、)FLASH 本系统选择一片AMD公司的FLASH芯片AM29V160，容量16 X 1Mbit，数据宽度共2MB，速度90ns。设定其地址从0 X 0000，0000到0 X 001f，ffff。扇区(sector)分布为：工作在双字节模式下，共36个扇区，除前8个扇区的大小为8KB外，剩余扇区的大小均为64KB。(2)SDRAM 在本智能仪表中要运行一个小型操作系统，因而比一般的单片机系统对内存的要求要高。本系统选用HYU NDAI公司的HY57V641620的SDRAM，它是16 X4Mbit的数据宽度共8MB。设定其地址从0 X 0c00，0000到0 X 0c7f，ffff。由于S3

7、C4480X的BANK6、7支持SDRAM，只需要设置S3C44BOX的两个寄存(BWSCON和BANKCON6)就可使其正常工作。(3)以太网接口将嵌入式系统与Internet结合起来的想法其实很早以前就有了，主要的困难在于Internet上各种通信协议对于计算机存储器、运算速度等的要求比较高，而以前大量存在的是8位和16位MCU，支持TCPIP等Internet协议将占用大量系统资源，或根本不可能。高性价比32位微处理器(如本系统采用的S3C44BOX)的出现使这种想法的实现成为了可能。本系统向上提供一个10M的以太网接口，采用的是Cirrus Logic公司CS8900ACQ3以太网控制

8、芯片。该芯片是专门针对嵌入式系统设计的，有如下基本特性：带直接ISA总线接口的单片IEEE8023以太网控制器。片内RAM缓冲，可接受和发送帧。带模拟滤波的10BASET以太网端口。(4) LCD接口S3C44BOX自带LCD控制器模块，这就省去了加上外围LCD控制器芯片，也降低了系统成本。本系统采用的是北京精蓬远公司的160 X 160点阵的图形液晶显示模块PDAl60160。它与S3C44BOX的连接方法如图2所示，其中：LPLM是LCD帧起始标志信号，LLP是数据锁存脉冲，LCLK是数据移位脉冲，LACD是液晶电极极性翻转信号，VDOVD3是显示数据输入线。(5) (5)AD S3C44

9、BOX内部集成了一个10位CMOS数模转换器ADC，它包括一个8通道的模拟输入、自动过零比较器、时钟发生器、10位连续近似寄存器(SArt)和输出寄存器，并提供软件选择的运行模式。本系统充分利用S3C44BOX片内所带AD，与仪表前端互感器的输出端相连，将采集到的标准模拟信号引入成为系统最重要的输入部分，为系统数据分析和传送的信息来源。需要注意的是，这个片内ADC并没有采样保持电路，因此输入信号频率的范围规定在0100Hz之间。如果实在需要采集更高频率的输入信号时，则可在外部增加一个采样保持电路。(6) 串口接口S3C44BOX内有两个串口控制器(UART)，利用它在本系统中实现一个RS一23

10、2接口，既可作为系统开发时的串口调试之用，也可以作为产品的扩展通信接口。采用的电平转化芯片是MAX3222，它与S3C44BOX的连接方法很简单，参考其标准接法即可，因此图2中并未示出。3.2软件设计硬件部分是智能仪表的基础，而软件部分设计的优劣更能体现出这个系统的可靠性和智能性。按照嵌入式系统软件的开发过程，本系统的软件部分主要包括三层结构，如图3所示。图3 系统软件结构层次图3.2.1Clinux操作系统在816位单片机设计中一般都不会采用操作系统，但随着32位高性能芯片的发展和普及，将操作系统引入一个小型专用系统便成为可能。区别于如Windows NT等大型操作系统，嵌入式系统中使用的是

11、嵌入式操作系统(Embedded OS)，比较有名的有Windows CE、VxWorks、PSOS、uCOS等。从软件性能要求、成本、开发周期等方面综合考虑，本系统采用的是uCLinux，它有如下特点：它是在Linux2024的版本的基础上经过裁剪得到的一个多任务嵌入式操作系统，内核很小，只有512K，特别适合低端嵌入式系统。它的最大特征是没有内存管理单元(MMU)，很适合那些没有M M u的处理器，如本系统采用的s3C44BOX。它包含了Linux常用的API和相关工具，易于C语言的开发人员快速的开发应用程序。它有一个完整的TCPIP协议栈，同时对其他许多的网络协议都提供支持，这些协议都在

12、UCLinux中得到了很好的实现。实际上，uCLinux的使用只是为后面应用程序的开发提供了一个开发和运行的环境，它并不需要开发者自己对一个完整的Linux进行裁剪，只需要从网上获取一个免费的软件包，然后经过编译和配置即可。本系统采用的从华恒公司的网站(http：wWWhhcnorg)上下载的uCLinux源代码以及其他开发工具(如elf-gcc)，比较容易的建立了一个交叉编译的开发环境。3.2.2设备驱动环境图3中将设备驱动程序与uCLinux操作系统分开实际上并不准确，因为Linux的设备管理(即输入输出子系统)是操作系统的重要组成部分。这里将它们分开介绍的原因是对于不同的嵌入式系统有不同

13、的硬件外围设备，这就需要定制专门的驱动程序。Linux设备驱动程序通常可分为三种类型：字符设备(如串口)驱动、块设备(如ROMFS)驱动、网络设备(如网口)驱动。同嵌入式操作系统的开发类似，嵌入式设备驱动程序的开发并不需要从头来写代码，完全可以从网上获得成熟的驱动源代码，开发要做的只是添加和修改的工作：通过数据结构file operation完成与内核的接口、用于对设备进行初始化的与系统启动代码的接口、对设备进行读写操作的与设备的接口。设备驱动程序放在uCLinuxlinuxdrivers目录下，包括AD数据采集驱动(ad datae)、LCD驱动(1edC)、以太网口驱动(ethC)和串口驱

14、动(serialC)。3.2.3应用程序开发应用程序的差异是区别不同功能系统的主要因素。本系统主要包括以下几个功能模块(如图3所示)：数据采集分析模块、数据存储模块、LCD显示模块、串口通信模块和以太网通信模块。其中数据存储模块和以太网通信模块是本系统设计的重点。需要指出的是，由于本操作系统选用的是不带MMu的uCLinux，因而应用程序实现多进程时要进行数据保护，在编程中实际上是通过vfork代替fork来实现的。数据存储模块是本系统的中心，所有其他模块几乎都要和它进行交互工作。由于本软件系统并没有使用数据库，这里的数据存储模块就相当于一个简单的数据库。数据存储模块主要由三个部分组成。(1)

15、 数据存储结构数据存储模块中，数据项按记录组织，同类型的数据按链表组织，链表中数据按入库时间顺序进行链接。本存储系统中共有如下十种数据存储类型，如下表所示。(2)存储空间管理数据存储模块需要面对多个任务的同时交互，必须考虑到数据同步性的问题。数据同步通过数据缓冲，建立临时表得以实现。抄表模块得到的数据不直接放在真正的全局数据链表，先放人数据临时表，等此轮事务结束再把临时表合进真正全局数据链表。另外，由于系统分配的数据存储空间有限，这就需要对更新和原始的数据进行管理，使重要数据既不丢失又不会溢出。数据应用查询对于存人数据存储模块中的数据表单经常要进行查询，为了提高查询效率，本系统采用了镜像技术。

16、镜像技术在每次查询前将查询内容生成镜像，从而把其他耗时操作(比如IO操作)从查询过程中移出，提高了查询效率，减少了系统资源的浪费。本智能仪表系统的最大特点就是嵌入式Internet的实现，而实现这个功能的最重要软件部分就是以太网通信模块。本系统按照网络实现的目的把这个模块分成了三个层次，从上往下依次为：网络通信层、应用通信层和应用处理层。(1)网络通信层这一层主要负责屏蔽硬件差异、连接差异，提供BSD Socket层接口和可靠的流式传输。本系统中，智能仪表作为客户服务器模型中的客户机，它与服务器采用常用的Socket通信方式。在uCLinux下进行Socket网络编程并不困难，与Linux下的网络编程相似，可以方便使用Socket、connect、send、Fecv等系统调用。(2)应用通信层应用通信层主要在网络通信层上解决针对本系统特定的应用通信协议，提供协议问握手、应答等。每次通信都是智能仪表向服务器提出请求，在建立Socket连接后服务器发出设置和上抄命令，智能仪表响应命令将数据打包传回。根据下传的不同命令的不同处理，把协议应答分为三种类型：下设型、上抄型和下设上抄型。而协议的格式也有两