（信號與信息處理專業(yè)論文）基于嵌入式的無線手持監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn).pdf

摘要 隨著數(shù)字信息技術、網絡技術、嵌入式技術的高速發(fā)展，人們物質生活水 平的不斷提高，信息化社會正在逐步改變人們的生活方式與工作習慣。同時， 無線網絡的日益發(fā)展為許多領域帶來了巨大的變化，也在測控領域提出了新的 挑戰(zhàn)，智能監(jiān)測也隨之誕生。 本文將z i g b e e 技術與a r m 技術結合，以嵌入式無線手持終端的設計與應 用為背景，對手持系統(tǒng)的國內外發(fā)展現(xiàn)狀進行了分析，根據(jù)實際需要提出了 z i g b e e + a r m + l i n u x 的嵌入式平臺設計方案。該平臺可以作為嵌入式手持設備的 二次開發(fā)平臺，為實際應用提供了很好的開發(fā)起點。 論文充分考慮到實際應用中智能監(jiān)測系統(tǒng)對集中監(jiān)測顯示、近距離訪問的 需求，以及低成本實現(xiàn)的實際需要，設計了以無線z i g b e e 技術組成網絡體系總 體結構，并且滿足了功耗低，成本低，網絡容量大等要求。論文主要研究的內 容如下： ( 1 ) 分析了系統(tǒng)進行的可行性，介紹了手持式無線監(jiān)測終端設計的總體方 案。包括簡要的理論基礎，處理器和開發(fā)板的選型，系統(tǒng)性能參數(shù)的設定。 ( 2 ) 研究t l i n u x 操作系統(tǒng)平臺的構建過程，建立了嵌入式系統(tǒng)交叉編譯環(huán) 境，進行了l i n u x 內核配置和移植，完成了系統(tǒng)驅動程序的加載、根文件系統(tǒng)的 制作等，編寫了l i n u x 系統(tǒng)下串口讀寫操作，為系統(tǒng)開發(fā)打下了基礎。 ( 3 ) 研究了嵌入式圖形化界面以及q t o p i a 開發(fā)的關鍵技術。尤其是在開發(fā) 板上進行操作系統(tǒng)、嵌入式文件系統(tǒng)和嵌入式數(shù)據(jù)庫的移植，實現(xiàn)了支持觸摸 功能的q t e 在硬件平臺上的移植。在應用程序方面，本次設計選擇用q t o p i a 2 2 編寫用戶界面和無線網絡監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的應用程序，最終完成對整個嵌入式手 持系統(tǒng)的搭建。 ( 4 ) 研究了z i g b e e 無線通信協(xié)議，對z i g b e e 協(xié)議的層次，網絡拓撲結構， 設備的路由做了深入的研究，結合監(jiān)測需要實現(xiàn)了一種近距離無線網絡的應用。 該系統(tǒng)具有良好的人機交互界面和靈敏的檢測功能，良好的可移植性和擴 展性，可以根據(jù)具體要求方便的在z i g b e e 模塊和a r m 板上進行擴充以實現(xiàn)更 多的功能。 關鍵詞：智能監(jiān)測，z i g b e e ，a r m 9 ，q t o p i a ，嵌入式l i n u x a b s t r a c t p e o p l e sl i v i n gs t a n d a r dh a sb e e ni m p r o v i n gw i t ht h eh i g h - s p e e dd e v e l o p m e n to f d i g i t a li n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , i n t e r n e tt e c h n o l o g y , a n de m b e d d e dt e c h n o l o g y t h e i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yc o m m u n i t yi sg r a d u a l l yc h a n g i n gp e o p l e sw a yo fl i f ew i t h w o r kh a b i t s ，b u ta l s op o s e dac h a l l e n g et ot h em o n i t o r i n gt e c h n o l o g y , i n t e l l i g e n t s e c u r i t ym o n i t o r i n ga l s oc o m ea b o u t t h i sa r t i c l ec o m b i n e dz i g b e ew i t ha r mt e c h n o l o g i e st ot h ee m b e d d e dw i r e l e s s t e r m i n a ld e s i g na n da p p l i c a t i o no ft h eb a c k g r o u n d ，t h ed e v e l o p m e n to fh a n d h e l d d e v i c ea n a l y z e st h ec u r r e n ts i t u a t i o na th o m ea n da b r o a d ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a l n e e d so ft h ez i g b e ea r ml i n u xf o re m b e d d e dp l a t f o r m sf o rt h ep r o g r a m t h e p l a t f o r mc a nb eu s e da st h ec u s t o m i z e dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e dh a n d h e l dd e v i c e p l a t f o r mf o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n sag o o ds t a r t i n gp o i n tf o rd e v e l o p m e n t f u l la c c o u n to ft h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o n i nt h ei n t e l l i g e n tt e r m i n a lo ft h e c e n t r a l i z e dc o n t r o l ，r e m o t ea c c e s sn e e d s ，a n dl o wc o s to ft h ea c t u a ln e e d s ，d e s i g na w i r e l e s sz i g b e et e c h n o l o g yt h eo v e r a l ls t r u c t u r eo fan e t w o r ks y s t e m ，a n dm e e tt h e l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wc o s t ，n e t w o r k - c a p a c i t yr e q u i r e m e n t s m a j o rr e s e a r c h p a p e r r e a d sa sf o l l o w s ： ( 1 ) a n a l y z i n gt h ep o s s i b i l i t yo ft h es y s t e m ，i n c l u d i n gb r i e ft h e o r e t i c a lb a s i s ， p r o c e s s o ra n dd e v e l o p m e n tb o a r d a n dt h es y s t e mp e r f o r m a n c ep a r a m e t e rs e t t i n g s ( 2 ) o ft h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e mp l a t f o r mf o rb u i l d i n gp r o c e s s b u i l d c r o s s - c o m p i l e re n v i r o n m e n t f o re m b e d d e ds y s t e m s ，c o n d u c t e dal i n u xk e m e l c o n f i g u r a t i o na n dm i g r a t i o n ，t oc o m p l e t et h es y s t e ml o a d st h ed r i v e r , m a k i n gt h er o o t f i l es y s t e m ，e t c ，p r e p a r e du n d e rt h el i n u xs y s t e m ，r e a dt h es e r i a lp o r tw r i t eo p e r a t i o n ， t h ef o u n d a t i o nf o rt h es y s t e md e v e l o p m e n t ( 3 )o ft h eg r a p h i c a li n t e r f a c e ，a n dq t o p i ae m b e d d e dk e yt e c h n o l o g y e s p e c i a l l yi nt h ed e v e l o p m e n tb o a r df o rt h eo p e r a t i n gs y s t e m ，e m b e d d e df i l es y s t e m a n de m b e d d e dd a t a b a s em i g r a t i o n ，i m p l e m e n t a t i o ns u p p o r tt o u c hf u n c t i o nq t eo n t h eh a r d w a r ep l a t f o r mm i g r a t i o n i nt h ea p p l i c a t i o np r o c e d u r e s ，t h i sd e s i g nc h o i c e p r e p a r e dw i t hq t o p i a 2 2w i r e l e s sn e t w o r km o n i t o r i n gu s e ri n t e r f a c ea n dd a t aa n a l y s i s a p p l i c a t i o n s ，t h ef i n a lc o m p l e t i o no ft h ee m b e d d e dh a n d h e l dp l a t f o r m i i ( 4 ) o ft h ez i g b e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 t h el e v e lo ft h ez i g b e e p r o t o c o l ，n e t w o r kt o p o l o g y , r o u t i n ge q u i p m e n t ，d e e p l yr e s e a r c h ，c o m b i n e dw i t h m o n i t o r i n gn e e dt or e a l i z ea s t a rn e t w o r ka p p l i c a t i o n s t h i ss y s t e mh a san i c em a n - m a c h i n ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea n ds e n s i t i v e d e t e c t i o n ，g o o dp o r t a b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t y ；s p e c i f i cr e q u i r e m e n t sc a nb ee a s i l y e x p a n d e di nz i g b e ea n da r m i no r d e rt oa c h i e v em o r e k e y w o r d s ： i n t e l l i g e n tt e r m i n a l ，z i g b e e ，a r m 9 ，q t o p i a ，e m b e d d e dl i n u x i i i 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作及 取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外， 論文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得 武漢理工大學或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一 同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說 明并表示了謝意。 學位論文使用授權書 本人完全了解武漢理工大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即 學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權武漢理工大學可以將本學位論文的 全部內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復制 手段保存或匯編本學位論文。同時授權經武漢理工大學認可的國家有 關機構或論文數(shù)據(jù)庫使用或收錄本學位論文，并向社會公眾提供信息 服務。 ( 保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定) 研究生( 簽名) ：多鉑導師( 簽名) ：幻期加f 。歹 武漢理工大學碩士學位論文 第1 章緒論 1 1 課題研究的背景和意義 嵌入式作為本世紀最有生命力的技術，由于具有便攜性，高可靠性，低功 耗等特點，使得其在消費電子、網絡通信、工業(yè)控制等許多領域方興未艾。而 隨著嵌入式技術的發(fā)展，嵌入式手持設備也滲透到人們生活的方方面面，生活 中隨處可見的各種手持數(shù)據(jù)終端廣泛應用于消費電子，移動通信以及數(shù)據(jù)采集 等領域【l 】，因此，嵌入式手持系統(tǒng)的未來市場和應用前景非常光明。 近年來，隨著無線通信技術的不斷發(fā)展，基于z i g b e e 的近距離無線網絡技 術也逐漸出現(xiàn)在人們的視野當中，因為其低成本、低功耗、復雜度低的特性在 消費電子以及工業(yè)控制領域的發(fā)展勢頭相當迅猛【2 j 。采用z i g b e e 這項新技術與 嵌入式技術結合來實現(xiàn)無線監(jiān)測，不僅為傳統(tǒng)應用帶來技術變革，擴大了嵌入 式設備的控制范圍，也為廣大用戶帶來許多便利。在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療健康、智 能家居和其他商業(yè)領域中p j ，z i g b e e 技術與嵌入式結合形成的無線傳感器網絡己 成為一片研究開發(fā)的新的熱點領域。 本文選題的應用背景是基于上述技術的監(jiān)測系統(tǒng)的設計。與其他信息采集 終端中的應用相比，結合z i g b e e 無線網絡和嵌入式技術的應用開發(fā)要求很高， 要想開發(fā)出高水平、高效能的嵌入式系統(tǒng)，就必須深入分析嵌入式系統(tǒng)和近距 離無線網絡，充分發(fā)揮它們的技術優(yōu)勢。因此，最終根據(jù)需求分析提出了 z i g b e e + a r m 9 + l i n u x 的平臺設計方案，該方案可以作為其他嵌入式手持設備的 二次開發(fā)的參考模型。隨著今后科技水平的提高，特別是各種新興的低功耗電 子元器件以及軟件產品的日益成熟，相信無線手持系統(tǒng)會逐漸在各個行業(yè)得到 廣泛的應用和發(fā)展。 1 2 國內外發(fā)展的現(xiàn)狀 從嵌入式手持設備的發(fā)展歷程來看，國外特別是發(fā)達國家嵌入式技術起步 較早，在超市和物流行業(yè)早已經得到了廣泛的應用，因此其產品較為成熟，功 能較為完善，交互性也較好。而在我國，嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的主要特點是嵌入式 武漢理工人學碩+ 學位論文 系統(tǒng)核心技術發(fā)展迅猛，日臻成熟。從市場上最新發(fā)售的高端智能手機、p d a 到現(xiàn)在同常生活中各種手持條碼數(shù)據(jù)采集器、i c 卡手持終端等的大量運用，嵌 入式手持設備在物流、門禁安全、衛(wèi)生醫(yī)療和餐飲行業(yè)都前所未有的廣泛應用【l 】。 因此，國內從事嵌入式的公司雖然起步較晚，但也已經有不少公司從事針對其 特定領域的手持類產品的開發(fā)，在可預計的將來，相信會有更多的專用手持設 備面世。 從2 0 0 4 年到2 0 0 9 年，i e e e8 0 2 1 4 芯片組市場的復合年增率將高達2 0 0 ， 而預計到2 0 1 0 年的芯片出貨量將會達到1 億個，z i g b e e 技術的產業(yè)鏈已經基本 形成，芯片達到了批量生產的階段1 2 j 。其中j e n n i e 選用的2 4 g h z 頻道開發(fā)出 z i g b e e 單芯片；而其他廠商也已經完成了開發(fā)套件，并能夠提供系統(tǒng)廠商整合 方案。目前國內企業(yè)正在積極開發(fā)z i g b e e 的應用市場，分別為家庭與樓宇自動 化、消費電子、工業(yè)自動化、監(jiān)控檢測、醫(yī)療監(jiān)護、物流管控和農業(yè)監(jiān)控等【3 】。 國內眾多廠商也開始從事利用z i g b e e 技術讀取水電表資料。預計在未來的5 年 之內，每一個家庭將會被安裝大約5 0 個z i g b e e 設備。 國內的監(jiān)測領域中嵌入式和z i g b e e 技術的應用也正在進行，例如：清華大 學核能與新能源研究院的饒星等人在文獻1 4 j 中闡述了關于一種新型無線局域網 絡傳輸技術z i g b e e 的放射源保安系統(tǒng)。天津大學的李王輝等在文蒯5 】中提出了 利用z i g b e e 無線通信技術組建企業(yè)電力信息管理系統(tǒng)中電力用戶電表的無線數(shù) 據(jù)傳輸平臺，以實現(xiàn)對變電站關口表計和用戶表計的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。華南師范 大學的吳俊君在文獻【6 j 中對目前樓宇門禁裝置應用現(xiàn)狀進行了分析，結合當前熱 門的無線視頻傳輸技術設計了一種新型的基于8 0 2 1 1 網絡協(xié)議的嵌入式無線可 視化門鈴系統(tǒng)。通過上面的闡述，說明無線手持系統(tǒng)會逐漸在各個行業(yè)得到廣 泛的應用和發(fā)展。 1 3 本文研究的主要內容 本文主要從z i g b e e 近距離無線網絡的結構和建立、數(shù)據(jù)傳送機制；嵌入式 系統(tǒng)的建立，g u i 圖形化界面的開發(fā)等方面進行詳細的討論和研究，提出了自 己的設計方案，并最終搭建了基于z i g b e e 無線網絡和嵌入式的監(jiān)測演示系統(tǒng)。 本論文的章節(jié)安排如下： 論文首先在第l 章介紹了論文的研究背景，敘述了國內外的發(fā)展現(xiàn)狀，并 給出了基于z i g b e e + a r m 9 + l i n u x 手持設備平臺的開發(fā)方案。 2 武漢理j = 人學碩士學位論文 第2 章給出了本次設計的系統(tǒng)總體框架結構并研究了每個子模塊的作用， 特別討論了系統(tǒng)的軟件和硬件選型依據(jù)，并介紹了y c 2 4 4 0 開發(fā)板的資源以及 z i g b e e 無線網絡的框架結構和技術特點。 第3 章給出了系統(tǒng)軟件平臺的搭建方法和步驟，包括a r m l i n u x 交叉編譯器 的配置及供開發(fā)使用的n f s 文件系統(tǒng)的建立，l i n u x 內核的移植及相關設備的驅 動的完善和移植，b u s y b o x 工具的配置和文件系統(tǒng)的移植等。 第4 章主要闡述圖形界面g u i 的設計。分析了人機交互的圖形化界面的各 種要素和要點，探討了如何移植q t e m b e d e d 以及在q t e 上開發(fā)應用程序和仿 真；還對s q l i t e 數(shù)據(jù)庫移植與開發(fā)的主要過程進行了詳細的研究，同時以z i g b e e 無線網絡為具體背景進行了詳細的設計，體現(xiàn)了良好的針對性和交互性。 第5 章給出了z i g b e e 無線網絡的構建原理和過程，探討了應用程序的架構， 并基于z i g b e e 協(xié)議棧研究了節(jié)點控制程序的設計和編寫。 最后在第6 章介紹了目前該系統(tǒng)所取得的成果和存在的缺陷，結合個人的 開發(fā)體會，提出了以后的發(fā)展方向和系統(tǒng)的改進意見。 武漢理工人學碩十學位論文 第2 章智能監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計 2 1 系統(tǒng)總體架構的需求分析及設計 隨著無線網絡技術的應用和普及，并結合嵌入式技術向安全監(jiān)測領域不斷 擴展，智能監(jiān)測呈現(xiàn)出了消費電子、計算機、通信一體化的趨勢。從智能監(jiān)測 的功能可以看出，在它的市場需求越來越大的同時，系統(tǒng)對控制器的處理速度、 存儲器容量、實時人機界面等許多方面提出了較高的要求 7 1 。本文設計的智能監(jiān) 測系統(tǒng)要處理來自近距離無線網絡的監(jiān)測數(shù)據(jù)，要求實現(xiàn)智能監(jiān)測系統(tǒng)的必須 能夠實時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)并進行相應的處理工作。本章討論研究了智能監(jiān)測系統(tǒng) 的總體設計方案。 2 1 1 系統(tǒng)總體框架的需求分析 手持監(jiān)測系統(tǒng)器作為整個網絡的控制中心，因此其需要獲得網絡內各個功 能節(jié)點的相關信息以實現(xiàn)與它們的通信，通信所需要的必要信息為它們的地址 以及它們所獲得的監(jiān)測信息，通過手持系統(tǒng)所提供的可視化界面，實時的現(xiàn)實 各個節(jié)點所傳送的信息。同時分析并判斷監(jiān)測點的情況將它們自動存儲在手持 監(jiān)測系統(tǒng)中。本文的最終目的是將其設計成一個具有監(jiān)測功能的手持設備，所 以在硬件的選擇上，采用資源豐富、功能強大的3 2 位處理芯片?？紤]到系統(tǒng)開 發(fā)中要使用圖形用戶接口g u i ，并且要實現(xiàn)的任務較多，因此軟件設計中引入 了嵌入式操作系統(tǒng)。系統(tǒng)為實現(xiàn)監(jiān)測的主要功能將重點考慮以下幾個因素： ( 1 ) z i g b e e 協(xié)調器模塊與$ 3 c 2 4 4 0 微處理器之間的串口通訊。當z i g b e e 模塊接收到無線節(jié)點板上的傳感器發(fā)來的環(huán)境監(jiān)測信號后，將通過特定的程序 指令將處理過的檢測信號發(fā)給嵌入式手持終端，這個過程中連接z i g b e e 網絡和 嵌入式設備的硬件通道是r s 2 3 2 串口，然后再把信號在液晶屏上實時顯示出來。 ( 2 ) 微處理器$ 3 c 2 4 4 0 的數(shù)據(jù)存儲。$ 3 c 2 4 4 0 處理器將經過了處理的結果 通過液晶屏顯示出來的同時，需要對環(huán)境監(jiān)測信號進行判斷和處理。如果環(huán)境 信號已經超過了預設的門限值，就將手持終端接收到的異常數(shù)據(jù)信息存入嵌入 式數(shù)據(jù)庫，同時進行報警處理。 ( 3 ) 傳感器與z i g b e e 模塊的無線傳輸。這里主要使用了無線節(jié)點上的兩類 4 武漢理工人學碩+ 學位論文 傳感器：溫度火災傳感器濕度傳感器和板載電壓a d 采樣【8 】，這兩類傳感器采 集的環(huán)境數(shù)據(jù)通過近距離無線網絡與處理器進行信息的傳輸。 ( 4 ) 手持監(jiān)測系統(tǒng)主要要完成的功能包括g u l 人機畫面的顯示、文件存儲、 報警處理等功能。按照功能要求將系統(tǒng)劃分為三個任務：即串口任務、嵌入式 數(shù)據(jù)庫任務、溫度報警任務，再加上系統(tǒng)必備的一個任務g u i 主任務，因此系 統(tǒng)中一共實現(xiàn)了四個任務。 2 1 2 系統(tǒng)總體設計 本次設計中以$ 3 c 2 4 4 0 處理器為核心控制器，在嵌入式l i n u x 系統(tǒng)平臺上， 通過接受傳感器網絡發(fā)送來的監(jiān)測數(shù)據(jù)來檢測環(huán)境的異常，當傳感器向處理器 發(fā)送信號達到或超過報警門限值時，處理器經過一系列的實時處理，把結果通 過手持終端上的液晶屏幕顯示出來并發(fā)出蜂鳴報警，與此同時還將超過門限值 的數(shù)據(jù)存儲到嵌入式數(shù)據(jù)庫中去。系統(tǒng)的總體結構如圖2 1 所示。 圖2 1 系統(tǒng)總體框架結構圖 具體而言，以$ 3 c 2 4 4 0 處理器和j n 5 1 2 1 無線收發(fā)模塊為核心的硬件系統(tǒng)。 設備的硬件系統(tǒng)主要利用微控制器實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的接收和實時顯示，從而達到 實時監(jiān)測目的。$ 3 c 2 4 4 0 是高性能的3 2 位微控制器，具有完整的通用外圍設備 接口，使得整個系統(tǒng)的功耗達到最低。而主站設備則以$ 3 c 2 4 4 0 為核心，外擴 2 5 6 m b 的n a n df l a s h 和6 4 m b 的s d r a m 等存儲芯片，利用i o 接口擴展了彩 色液晶屏、蜂鳴器、存儲卡等設備；連接j n 5 1 2 1 模塊實現(xiàn)與路由器的無線通訊。 其中j n 5 1 2 1 模塊是由j e n n i c 公司推出的符合i e e e8 0 2 1 5 4 標準射頻收發(fā)器。 j n 5 1 2 1 模塊具有超低電流消耗( 接收時1 9 7 m a ，發(fā)射時1 7 4 m a ) 、高接收靈敏 度( 9 9 d b m ) 臨頻道高抗干擾能力( 3 9 d b ) 以及2 5 0 k b p s 速率高效傳輸?shù)蕊@著特點 武漢理j ：人學碩十學位論文 【8 1 。該設備可獨立進行工作，它本身就是一個可移動的便攜式工作站。設備還能 通過網線與i n t e r n e t 進行連接。 2 2 嵌入式硬件的選型以及嵌入式操作系統(tǒng)的選擇 因為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與硬件平臺緊密相連，所以一個完整的系統(tǒng)必須要有 良好的硬件平臺來支持的嵌入式系，更重要的是一個良好的硬件平臺，會為嵌 入式應用軟件的開發(fā)提供可靠的保證和開發(fā)上的諸多便利。但是據(jù)不完全統(tǒng)計， 世界上已經開發(fā)出了近1 0 0 0 種的處理器，其中涵蓋了流行的3 0 多種體系結構【9 】， 所以選擇合適的硬件平臺是一項需要一定經驗的復雜工作。在手機和p d a 等嵌 入式行業(yè)，大部分采用a r m 核結構的處理器，因此在選擇處理器時，更傾向于 選擇具有主流體系結構的，能得到廣泛技術支持的處理器，這樣就能夠快速、 準確的解決開發(fā)中遇到的問題。 2 2 1 嵌入式處理器的分類及選型 在開發(fā)一個系統(tǒng)的過程中選擇什么樣的處理器主要取決于該系統(tǒng)的應用領 域，嵌入式系統(tǒng)的核心部件是品種繁多的嵌入式處理器，當前主流處理器架構 有a r m 、m i p s 、p o w e r p c 等幾大類，而且?guī)缀踔饕陌雽w制造商都生產上述 的三類嵌入式處理器。表2 1 就這三種類型的處理器的簡要比較說明。 表2 1 主流嵌入式芯片比較 處理器類型價格主要應用領域 手持設備、可視電話、樓寧的對講系統(tǒng)、v o l p 、網絡監(jiān)測、 a r m低 多媒體終端產品、醫(yī)療電子設備和各種其它移動無線應用7 1 m i p s 低應用范圍廣泛，主要針游戲機，路由器和超級計算機等市場 適合于集成靈活、通用的通信功能和多種控制應用功能的通 p o w e r p c高 信和網絡設備 基本的處理器部分，外圍擴展，人機接口以及存儲部分等是作為一個手持 設備必須包含的組成部件。而以上這些部分都可以立足于嵌入式系統(tǒng)中應用最 廣泛的3 2 位嵌入式處理器為核心來進行搭建和開發(fā)。目前采用了a r m 公司的 芯片設計技術的授權的a r m 微處理器已遍及工業(yè)控制、消費類電子產品、通信 系統(tǒng)、網絡系統(tǒng)等各類產品市場。據(jù)統(tǒng)計，基于a r m 技術的微處理器已經滲入 到生活的各個方面，其應用約占據(jù)3 2 位r i s c 微處理器7 5 以上的市場份額【9 1 。 6 武漢理上人學碩士學位論文 a r m 處理器以低成本、低功耗和高性能等優(yōu)點成為了嵌入式解決方案的 r i s c 標準。而$ 3 c 2 4 4 0 微處理器是一款由s a m s u n g 公司為手持終端設計的低價 格、低功耗，高性能，基于a r m 9 2 0 t 核的微處理器。因此這也是本次設計中將 要采用的處理器。a r m 微處理器的特點如下f 1 0 1 ： ( 1 ) 采用r i s c 架構；支持t h u m b a r m 雙指令集，能很好的兼容8b i t 1 6 位器件； ( 2 ) 大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快，大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器 中完成： ( 3 ) 指令長度固定，尋址方式靈活簡單執(zhí)行效率高。 2 2 2 $ 3 c 2 4 4 0 處理器以及y c 2 4 4 0 開發(fā)板資源介紹 a r m 微處理器目前包括a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 e 系列、s e c u r c o r e 系列、i n t e l 的x s c a l e 和s t r o n g a r m 幾個系列。$ 3 c 2 4 4 0 處理 器內部帶有內存管理單元( m m u ) 采用0l g r a m 工藝和a m b a 新型總線結構， 主頻可達4 0 0 m h z 。同時它支持t h u m b1 6 位壓縮指令集，從而能以較小的存 儲空間獲得3 2 位的系統(tǒng)性能i l q 。對比p o w e r p c 等處理器的手持設備方案的規(guī)劃， $ 3 c 2 4 4 0 處理器中的m m u 的存在保證了嵌入式l i n u x 操作系統(tǒng)的良好運行，而 且從芯片級提供了諸多的外設支持。 圖2 - 2 揚創(chuàng)2 4 4 0 開發(fā)板 武漢理下大學碩士學位論文 為了使開發(fā)有一個良好的硬件平臺，本次設計采用了揚創(chuàng)公司設計的一套 基于三星公司提供的公版s m d k 2 4 4 0 的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板y c 2 4 4 0 開發(fā)板。 y c 2 4 4 0 開發(fā)板充分考慮到了開發(fā)手持設備對體積和外觀的要求，$ 3 c 2 4 4 0 處理 器組成的核心電路使用了6 層布線，大大縮小了開發(fā)板的尺寸，使開發(fā)者可以 集中精力去完成應用軟件的開發(fā)。y c 2 4 4 0 開發(fā)板配套$ 3 c 2 4 4 0 芯片的管腳做了 以下的擴展和外圍電路，開發(fā)板全貌如圖2 2 所示。 1 0 0 m h z 以太網控制器 1 通道5 線制串口，2 通道3 線制串口 4 通道u s b l 1主機接口以及1 通道u s b l 1 設備接口 s d m m c 卡接口 音頻輸入輸出接口 標準2 0 p i nj t a g 調試接口 4 只自定義功能l e d 指示燈 標準配置6 4 m b y t e sn a n df l a s h 和6 4 m b t y e ss d r a m ( 1 ) 串口硬件設計 在本次設計中使用了y c 2 4 4 0 開發(fā)板上的擴展串口，通過$ 3 c 2 4 4 0 芯片的 內部寄存器和u a r t 接口可以很方便的實現(xiàn)r s 2 3 2 串口功能。$ 3 c 2 4 4 0 芯片的 管腳電平為1 8 v ，是典型的1 v r l 電平值，所以i o 口的最大邏輯電平也只能達 到3 3 v 。為了實現(xiàn)r s 2 3 2 串口通信功能還必須在硬件上增加相應的t t l c m o s 電平到r s 一2 3 2 電平的轉換電路，y c 2 4 4 0 開發(fā)板上已經焊接了s p 3 2 3 e e n 芯片 來完成這一工作，經由s p 3 2 3 e e n 芯片以及幾個電容等組成的配套電路。串口電 路圖如圖2 3 所示。 c o m l 7 v 9 i o 一 爭 4 一 8r s r t s 0 v 3r s r x c o 7r s ( t $ 0 o 2r s t ) a d ( o 一 6 l o - - r 1 cl+vdd 面lb r li - l c1v年 2 i 卜 c r 1 片 c 2 +v 6 l 卜 l c c 2 g n d 1 5 1 i b r q ) o1 4 r l i nt l l l d ii _ r s r t s 07 t 1 0 u tr l o u t 1 2r x d o 髓o u t 1 2 1 0n r t s 0 r s c t s 089n ( 1 s 0 r 2 r 2 0 u r s p 3 2 3 2 l 正n 圖2 3 串口電路 武漢理工大學碩士學位論文 手持平臺中的串c i 部分的作用主要是用來和z i g b e e 網絡中協(xié)調器節(jié)點進行 通信，另外就是在l i n u x 操作系統(tǒng)環(huán)境下作為調試控制臺方便開發(fā)。因此，本次 設計中把$ 3 c 2 4 4 0 上的串口2 用于通信，串口一接口出來做打印調試用。 ( 2 ) 蜂鳴器硬件設計 在本次設計中還使用了y c 2 4 4 0 開發(fā)板上的蜂鳴器來實現(xiàn)蜂鳴報警，開發(fā)板 提供了能夠通過p w m 推動且可以發(fā)出不同頻率聲音的蜂鳴器，其電路圖如圖 2 4 所示。 v d d 5 vj 4 bb u 乙z e r 圖2 4 蜂鳴器電路 2 2 3 嵌入式操作系統(tǒng)的種類以及選擇嵌入式l i n u x 的理由 嵌入式系統(tǒng)從不同角度有多種定義，但在本文中采用一種通俗的定義：以 應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)對功能、 可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。在明確了嵌入式系統(tǒng) 定義基礎上，可由表2 2 對比分析市面上常見的幾種嵌入式系統(tǒng)。 表2 2 嵌入式操作系統(tǒng)性能比較 處理器類型費用 特點 良好的的內核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，具有可裁剪微內核 v x w b r k s 高結構：高效的任務管理：靈活的任務間通訊；微秒級的中斷 處理：支持完整的t c p i p 網絡協(xié)議【1 1 】 與w i n d o w s 系列有較好的兼容性，沒有開放源代碼；在效 w i n c e 中率、功耗方面的表現(xiàn)并不出色，而且t 與用過多的系統(tǒng)內存， 運用程序龐大 源代碼公開并且遵循g p l - i # i , s ( i i 】，系統(tǒng)穩(wěn)定，內核精悍， l i n u x 免費運行所需資源少，其支持的硬件數(shù)量龐人，各種硬件的驅動 程序源代碼都可以獲得 9 武漢理t 大學碩士學位論文 在上述定義中體現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的組成關鍵點，那就是由嵌入式處理器作 為硬件支撐，而嵌入式操作系統(tǒng)及上層應用軟件是與應用緊密結合的，它具有 很強的專用性，必須進行合理的裁減利用以能夠與具體應用有機地結合在一起。 嵌入式l i n u x 操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分，它具有通用操作系統(tǒng) 的基本特點，能夠有效管理復雜的系統(tǒng)資源，通過把硬件虛擬化實現(xiàn)對硬件像 對文件一樣的操作。和前面提到過的兩種嵌入式系統(tǒng)比較而言，雖然嵌入式 l i n u x 沒有內嵌的g u i ，但是它能夠與多種圖形化界面完美的結合。其中 q t e m b e d e d ( 簡稱q t ) 就是著名的t r o l l t e c h 公司開發(fā)的一種面向嵌入式的g u i 開發(fā)平臺和工具。 在桌面操作系統(tǒng)領域，q t 是被k d e 等項目廣泛使用的g u i 標準庫，因此將 用q t 編寫的xw i n d o w 下的程序移植到q t e m b e d e d 上是一件省力和方便的工 作。q t e m b e d e d 和q t 4 x 一樣都是基于s e r v e r c l i n e t 結構的，q t e m b e d e d 仍然是 采用的f r a m e b u f f e r 作為底層圖形接口。而它的2 0 0 多個類完全采用c + + 封裝， 所以其優(yōu)秀的執(zhí)行效率和便利的可移植性是q f f e m b e d e d 最為奪目的優(yōu)點。它的 類庫接口完全兼容于同版本的q t x 1 1 ，可以使用桌面操作系統(tǒng)下的q t x l l 來進 行交叉編譯前的代碼編寫，正是基于q t e m b e d e d 來丌發(fā)g u i 界面應用程序的一 大特點和優(yōu)勢。 2 3z i g b e e 技術概述及網絡協(xié)議研究 2 3 1z i g b e e 技術的概念及特點 z i g b e e 是一種短距離、低功耗、低速率的無線網絡技術。i e e e8 0 2 1 5 4 無 線標準是z i g b e e 協(xié)議的底層標準，而z i g b e ea l l i a n c e ( z i g b e e 聯(lián)盟) 對其網絡 層協(xié)議和a p i 進行了標準化。此外，由于z i g b e e 協(xié)議還包括了網絡層( n e t w o r k l a y e r ) 、安全層( s e c u r i t yl a y e r ) 、應用層( a p p l i c a t i o nl a y e r ) ，所以在機制上 可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)完整性檢查功能【8 】。而且由于z i g b e e 網絡的靈活性和自組織性， 使得網絡結構發(fā)生一定的變化或遭到破壞時仍然能夠通過節(jié)點之間的相互感知 而是剩余網絡正常工作。 ( 1 ) 物理層 i e e e8 0 2 1 5 4 提供了8 6 8 9 1 5m h z 和2 4 g h z 兩種物理層的選擇( 在我國 采用的是2 4 g h z 頻段) ，2 4 g 物理層的數(shù)據(jù)傳輸率為2 5 0 k b s 。 1 0 武漢理工人學碩士學位論文 ( 2 ) 介質訪問層 i e e e8 0 2 1 5 4 規(guī)定的m a c 層向上層提供兩個服務訪問點( s a p ) 來與高層 發(fā)生聯(lián)系，這樣為網絡層和物理層提供了一個接口。 ( 3 ) 網絡層 網絡層包括邏輯鏈路控制子層( l l c ) 。在邏輯鏈路中，因為m a c 子層與硬件 聯(lián)系較為緊密，故在邏輯鏈路的實現(xiàn)上m a c 子層起了很關鍵的作用，而且m a c 子層并隨不同的物理層實現(xiàn)而變化【1 2 】。 2 3 2z i g b e e 網絡的拓撲結構 z i g b e e 網絡具有如圖2 5 所示的三種拓撲形式，分別是：星形拓撲、樹形 拓撲、網狀拓撲。 c o o r d i n a t o ro 誓乙 9 ：p7 ，v 裂 以上三種網絡拓撲結構中，節(jié)點間的通信采用不同的方式，其所對應的網 絡特點如表2 3 所示。 表2 - 3 網絡類型與節(jié)點 網絡類型網絡特點 包含一個c o o r d i n a t o r 節(jié)點和一系列的e n dd e v i c e 節(jié)點。每個e n d 星形拓撲d e v i c e 節(jié)點只能和c o o r d i n a t o r 節(jié)點進行通信，在兩個e n dd e v i c e 節(jié)點之間進行通信必須通過c o o r d i n a t o r 節(jié)點進行轉發(fā) c o o r d i n a t o r 可以連接r o m e r 和e n dd e v i c e ，其子節(jié)點的r o u t e r 也可以連接r o u t e r 和e n dd e v i c e ，信息具有唯一路由通道，直接通 樹形拓撲 信只可以在父節(jié)點與子節(jié)點之間進行，非父子關系的節(jié)點需間接通 4 警- = - 1 3 j 1 日 任兩個節(jié)點可相互傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可直接傳送或在傳輸過程中經多 網狀拓撲 級路由轉發(fā)，網絡層提供路由探索功能，網絡會自動按照z i g b e e 協(xié)議算法選擇較好的路由路徑作為數(shù)據(jù)傳輸通道 武漢理工人學碩七學位論文 2 3 3z i g b e e 協(xié)議?？蚣?z i g b e e 標準定義了一種網絡協(xié)議，這種協(xié)議是棧構建在i e e e8 0 2 1 5 4 標準 基礎之上。具體來說，i e e e8 0 2 1 5 4 標準定義了m a c 和p h y 層的協(xié)議標準， 而z i g b e e 協(xié)議棧則定義了網絡層，應用層和安全服務層的標準。m a c 和p h y 層定義了射頻以及相鄰的網絡設備之間的通訊標準，越向下越貼近硬件，越向 上越貼近應用程序。網絡層完成了z i g b e e 網絡的大部分功能，包括網絡的建立， 拓撲，數(shù)據(jù)的通訊，路由等等【3 】【12 1 。應用程序則是構建在這個層次之上的。 z i g b e e 協(xié)議棧的主要工作內容就是實現(xiàn)網絡層的各種功能，并保證其標準性和 兼容性。本文中節(jié)點程序程序開發(fā)所使用的是由j d 州i c 公司開發(fā)的協(xié)議棧，如 圖2 6 所示。 2 4 本章小結 圖2 - 6z i g b e e 協(xié)議框架 本章討論了本論文要實現(xiàn)的系統(tǒng)的總體設計方案，研究了系統(tǒng)的各個模塊 的選型理由，其中介紹了s 3 c 2 4 4 0 處理器的特點以及y c 2 4 4 0 開發(fā)板的各種資 源，同時分析了操作系統(tǒng)的選型理由，并介紹了近距離無線網絡z i g b e e 技術的 特點和網絡結構。 1 2 武漢理j ：人學碩十學位論文 第3 章開發(fā)平臺的搭建及文件系統(tǒng)的制作 系統(tǒng)的硬件平臺設計和選型完成后，其后續(xù)步驟是將操作系統(tǒng)以及應用軟 件移植到硬件平臺上運行起來。嵌入式無線手持系統(tǒng)的軟件核心是嵌入式l i n u x 操作系統(tǒng)，本章圍繞如何將l i n u x 操作系統(tǒng)在基于$ 3 c 2 4 4 0 的硬件平臺上的移 植為主要思路，闡述了包括交叉編譯環(huán)境、l i n u x 內核的移植、相關驅動程序的 設計以及根文件系統(tǒng)的實現(xiàn)等軟件平臺的搭建過程。 3 1l i n u x 交叉編譯環(huán)境的建立 交叉編譯是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中特有的一種開發(fā)方式，因為嵌入式系統(tǒng) 是一個資源有限的系統(tǒng)，所以不可能直接在嵌入式平臺上直接完成開發(fā)的全過 程，必須借助于p c 機進行主機上的程序編寫和編譯，然后通過系統(tǒng)上的網口、 串口等通信接口將開發(fā)好的程序下載到的嵌入式系統(tǒng)中。 3 1 1 編譯器的配置 建立針對a r m 9 處理器平臺的交叉編譯環(huán)境，通常是先在p c 機上建立目 標代碼為a r m 的編譯工具鏈( t o o l c h a i n ) ，這是一套編譯器、連接器和l i b c 庫 等組成的開發(fā)環(huán)境，目的是用這個工具鏈來編譯和處理l i n u x 內核及應用程序。 由于采用的軟件開發(fā)平臺是版本為2 6 3 0 的l i n u x 內核，所以編譯器也要使用相 應的版本i l4 1 。太舊的版本則可能不支持某些新的功能；太新的版本大多沒經過 大量的測試，可能會有一些意想不到的缺陷和錯誤。 在后續(xù)的開發(fā)板編譯內核、圖形界面q t o p i a 以及應用程序開發(fā)中均需要交 叉編譯工具鏈，交叉編譯工具主要由b i n u t i l s 、g e e 和g l i b e 幾個部分組成。下 載a r l l l l i n u x g c c - 4 3 3 版的交叉編譯器的壓縮包，以r o o t 用戶身份登陸l i n u x ， 進入m r l o c a l 目錄，創(chuàng)建名為a r m 的目錄；然后用命令“t a rz x v f a r m l i n u x g e e - 4 3 3 t a r b z - - c 將壓縮包解壓。 為了方便的使用a r m 1 i n u x g c c 編譯器，把a r m 1 i n u x 工具鏈目錄加入到環(huán)境 變量p a t h 中：添加“p a t h m u n g e o p t e m b e d s k y 4 3 3 b i n ”到e t c p r o f i l e 文件中的 相應位置，最后用“s o u r c e e t c p r o f i l e ”命令激活設置，圖3 1 為配置文件。 武漢理工大學碩士學位論文 腳e t 刪