（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm的伽玛相机数据获取与监控系统研究.pdf

北京邮电人学硕l ：论文 基于a r m 的伽玛相机数据获取与监控系统研究 摘要 伽玛相机最早产生于1 9 5 7 年，现已广泛应用核原料的过境监测，潜 在的恐怖活动控制，以及放射性环境的检测等伽玛射线探测领域。目前， 基于伽玛相机的系统集成技术国内与国外相比尚有较大差距，国内使用 的伽玛相机大部分是从国外引进，其价格昂贵，限制了应用。本课题的 目的就是对伽玛相机系统进行小型化，提高伽玛相机系统的便携性，同 时降低成本。 本文将嵌入式系统软硬件技术引入到伽玛相机数据获取与监控系 统的设计与应用之中，在该系统中实现了原始数据获取、图像重建与处 理以及放射源位置监控，从而实现对核设施附近的放射污染源的探测。 本文围绕嵌入式系统的构建技术，对该数据获取与监控系统的设计 与实现进行详细阐述。首先介绍了系统的基本原理以及其关键技术，包 括嵌入式系统的软硬件搭建技术、无线网及其编程技术、图像重建与处 理技术、远程监控技术等；接着对项目进行需求分析，明确了系统需求 及功能描述，根据需求分析从软硬件两个方面进行系统设计与集成。然 后详细阐述了系统的实现过程，包括嵌入式l i n u x 系统的定制、驱动程 序编写、触摸屏功能实现、基于m i n i g u i 的图形界面的设计与图像处理 以及监控系统功能模块的实现等。最后，论文对完成的系统做了模拟测 试，测试结果表明，整套数据获取与监控系统能够实现事例数据的获取， 并对事例数据进行重建，在l c d 触摸屏上实现了重建事例数据的图像 显示与处理，并提供伽玛相机的远程监控等功能，同时还实现了原始事 例数据与重建图像数据的上传与存储，供离线分析系统做进步的数据 处理与分析。 关键词：嵌入式l i n u x 、数据获取、设备驱动程序、伽玛相机、m i n i g u i 、 w i f i 、u s b 、无线协议 一j i i 北京邮电人学硕i ：论文 t h er e s e a r c ho nt h ed a t aa c q u s i s t i o n a n dm o n i t o r i n g s y s t e mo ft h eg a m m ac a m e r a b a s e d0 na r m a bs t r a c t g a m m ac a m e r ah a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fg a m m ar a y d e t e c t i o ns i n c e19 5 7 t h e r ei sab i gg a pb e t w e e nc h i n aa n da b r o a di n t e c h n i c a lf i e l dn o w a d a y s m a n yo ft h eg a m m ac a m e r a su s e di nc h i n a w e r ei m p o r t e df r o ma b o a r d a n dt h e a p p l i c a t i o n h a sb e e ng r e a t l y r e s t r i c t e db yt h eh i g hp r i c e t h et h e s i sa i m st od e v e l o pak i n do fg a m m a c a m e r aw i t hm i n i a t u r i z a t i o n ，p o r t a b i l i t ya n d p r i c e e m b e d d e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r et e c h n o l o g yh a v eb e e nu s e di nt h e d e s i g na n dt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h eg a m m ar a yd a t aa c q u i s i t i o na n d m o n i t o r i n gs y s t e m t h eg a m m a c a m e r as y s t e mw a sc o m p o s e do ft h er a w d a t aa c q u i s i t i o n ，i m a g er e c o n s t r u c t i o na n dp r o c e s sa n dt h eg a m m ar a y r e s o u r c ep o s i t i o nm i n i t o r i n g t h u si tc a nd e t e c tt h eg a m m a r a yr e s o u r c e n e a rt h en u c l e a re q u i p m e n t a tt h ef i r s tp a r to ft h et h e s i st h eb a s i cp r i n c i p l ea n dt h em a i n t e c h n i q u e sw a si n t r o d u c e dd u r i n gt h es y s t e md e s i g n ，i n c l u d i n ge m b e d d e d s y s t e mc o n s t r u c t i o n ，w i r e l e s sl o c a ln e t w o r kc o n f i g u r a t i o na n dn e t w o r k p r o g r a m ，i m a g e r e c o n s t r u c t i o na n d p r o c e s s ， r e m o t e m o n i t o r i n g t e c h n o l o g y , e t c a n dt h es y s t e mf u n c t i o n sa r ea l s od e f i n e da c c o r d i n gt o t h ep r o j e c tr e q u i r e m e n t t h ed e s i g no ft h es y s t e mw a sd i v i d e di n t ot w o p a r t s ：h a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n t h es o f t w a r er e a l i z a t i o ni s d e s c r i b e di nd e t a i l s ，i n c l u d i n gt h ec u s t o m i z a t i o no ft h ee m b e d d e dl i n u x s y s t e m ，t h el i n u xd e v i c ed r i v e rm i g r a t i o n ，t h er e a l i z a t i o no ft h em i n i g u i i n t e r f a c ea n dt h e t h es u b m o d u l eo ft h e i m a g ep r o c e s s a n d r e m o t e m o n i t o r i n g f i n a l l y , t h es y s t e mi st e s t e du s i n gs i m u l a t ee v e n td a t a t h e 1 v 北京邮电人学硕：i ：论文 r e s u l ts h o w st h a tt h ew h o l ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mc a no b t a i nt h ee v e n t d a t a a f t e rt h ee v e n td a t ar e s c o n s t r u c t i o n ，t h es y s t e mc a nn o to n l yr e a l i z e t h ei m a g ed i s p l a ya n d p r o c e s s ，b u ta l s op r o v i d et h er e m o t ec o n t r o l f u n c t i o n t h er a we v e n td a t aa n di m a g er e s c o n s t r u c t e dc a nb et r a n s m i t t e d t oo f f - l i n e a n a l y s i ss y s t e mi n o r d e rt of u r t h e rd a t a p r o c e s s i n ga n d a n a l y s i s k e yw o r d s ：e m b e d e dl i n u x ，d a t aa c q u s i t i o n ，d e v i c ed i r v e r , g a m m ar a y , m i n i g u i ，w i f i ，u s b ，w i r e l e s sp r o t o c 0 1 v 北京邮电人学硕j ：论文 声明 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 乍及取缛的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标# i - g 致谢中所罗列的内容p _ j , 9 1 - ，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l e 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 ，与我同工作的同志对本研究所做的仃何贡献均l 三扫：论文中作了明确地说明并表乃：了谢意。 申请学位论文与瓷料若有4 i 实之处，本人承担。切年 关责 t 。 本人签名：拉多魄 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完伞了解北京邮电人学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生存r 校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮l u 大学。学校有权保留并i 幻同家有关部门或机构 送交论文的复印什和磁髓，允许学化论：艾被杏阅和借阅：学校可以公布学化论文的全部或部分 内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、犷编学位沦文。( 保密的学位沦文在解密 后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属丁：保密存年解密后适用本授权书。非保密论文汴释：本 学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 孑初 i 期：型星：主：! = j 一 慨掣厂 北京邮电大学硕士论文 1 1 引言 第一章绪论 1 9 5 7 年a n g e r 研制成功第一台伽玛相机，这是伽玛探测发展史上一个重要罩 程碑。伽玛相机在6 0 、7 0 年代得到迅速发展。我国的伽玛探测工作始于2 0 世纪 5 0 年代末，大约用了近1 0 年的时间推广和普及，7 0 年代进入迅速发展阶段，从 8 0 年代初至2 0 世纪未经历了一个高速发展的时期【i - 2 。据调研，国内使用的伽玛 相机大部分是从国外引进，价格比较昂贵，而且，小型的伽玛相机在我国具有较 大的市场，囚此，研制国产的小型伽玛相机就显得非常迫切和必要。 伽玛相机的数据获取与监控系统是整个伽玛相机的信息采集和数据传输巾 心，是伽玛相机的重要组成部分，一旦伽玛相机的数据获取系统小能及时准确的 完成数据采集，那么伽玛相机的准确性和实时性就会受到非常大的影响，导致系 统性能的降低甚至失效。因此，研究高性能的数据获取与监控系统对于提高探测 准确度和探测效率有着重要的意义。 1 2 伽马相机的系统结构及工作原理 1 2 1 伽玛相机的系统构成 系统分为三部分：前端电子学系统( 探头电路系统) 、数据获取系统和离线 分析系统，如图1 1 所示。 准寅器，碘化钠晶体，光电倍增管，前置放大电路， 程控放人电路，位置电路，能窗选择电路等 伽玛射线一一电信号 数据采集卡及相应的软件 a d 转换，数据采集 图像实时显示 存入数据库 北京邮l u 人学硕：l ：论文 前端电子学电路由准直器、碘化钠晶体、光电倍增管、前置放大电路加权电 路、脉冲成形和主放大电路，位置电路，能量电路( 脉冲幅度分析电路) 等组成 e 3 】。数据获取与监控系统主要由数据采集卡和相应的软件组成，其主要完成的功 能是进行a d 转换，并根据用户的不同需求进行不同模式的数据采集，最后将 采集的数据信息通过p c i 总线传递给主计算机。离线分析系统主要针对传入主计 算机中的数据进行必要的各种数据校f ，然后就存入数据库并实现图像实时显 示。其中，伽玛相机中的数据获取与监控系统是本论文的主要研究内容。 1 2 2 伽玛相机的工作原理 将伽玛相机放置在伽玛射线源处，经过一定时间后，该环境辐射出的伽玛射 线经准直器后打在碘化钠晶体上。由于一个伽玛光子进入碘化钠晶体，就能使一 个晶体光子激发而产生闪烁荧光。此荧光入射到光电倍增管的阴极，通过光电转 换产生光电子，其数目与入射荧光光子的数目成正比。光电子经过光电倍增管的 多极倍增后，入射到光电阳极，立刻产生一个电位降，随即，阳极电位又恢复为 原有水平，这样就产生个瞬问的负电压脉冲f 4 1 。这个脉冲再经过前置放大电路， 程控放大电路后进入位置电路形成位置信号x ，y ，以及能量信号z 。此三路信 号经数据采集系统进行数据采集以及a d 转换，并输出到主计算机中，再由离线 分析系统对这些信号进行数据校正，其中包括线性校正和均匀性校力j 。校j r 后的 数据送入数据库或实时显示。 1 3 课题背景、目的和意义 伽玛相机不仅可以提取伽玛射线源的二维动念平片，而且作为普遍应用的探 头，构成旋转伽玛相机式的s p e c t ，从而增加了断层功能，因此它仍然归在伽 玛相机的范畴【5 j 。然而，尽管有各种技术先进、功能强大的s p e c t 、p e t 等核放 射源探测设备纷纷推出，其高昂的设备及维护费用仍然对于大部分伽玛射线探测 应用场合而言是难以承受的。 嵌入式系统作为近年的研究热点，已广泛应用于制造工业、过程控制、通信、 仪器仪表、交通、航空航天、军事装备、信息家电等领域。随着国内外嵌入式产 品的进一步开发和推广，嵌入式技术和人们的生活越来越紧密。本课题的目的是 结合伽玛相机探测器的实际需求，将目前先进的嵌入式系统软硬件技术应用于该 领域的设计与研究中，为伽玛相机数据获取与监摔系统提供嵌入式解决方案。 本课题开发的数据获取与监控系统通过对伽玛射线源的位置探测，实现了伽 2 北京邮电大学硕士论文 玛相机的小型化，提高了系统的便携性。由于在一些伽玛射线源探测场所中，有 线网络无法布线，因此在本系统中引入了w i f i 无线网络，使整套数据获取与监 控系统能够方便地与外围设备进行信息交换，完成与离线分析系统的数据传输； 与此同时，该系统还实现了基于l c d 触摸屏的人机交互监控界面，提高了系统 的可操控性。 1 4 国内外调研 自伽玛相机诞生以来，其数据获取与监控系统已经经过了几十年的发展。随 着计算机软硬件技术的发展，伽玛相机的数据获取与监控系统的性能也在不断提 高。伽玛相机的数据获取与监控系统应具备各种采集模式，包括帧模式( f r a m e m o d e ) 采集和表式( l i s tm o d e ) 采集，其中帧模式采集包括静态帧模式、动态 帧模式、一般门控采集模式、双核素和动态模式，表式采集包括实时剔除门控采 集模式、表模式等【6 】。 国外对伽玛相机数据获取与监控系统的研究发展很快，对伽玛相机获取的原 始信号的数据处理方式也趋向与多样化，一种方法是在一些系统中前端电子学采 集的原始信号直到被传送至上位机的离线分析系统才能重建成图像，实现放射源 的标定。使得只有在离线分析时才可以得到探测源的虚拟化投影图，进一步确定 探测参数【7 j ；另一种方法是首先利用计算机对原始数据采用重建算法得出初步的 特征数据，然后传送至处理能力更强的数据处理平台做进一步处理。 国内方面，清华大学工程物理系核医学组在本世纪九十年代提出了几种伽玛 相机数据采集的接口设计方案【8 1 ，一种是外接双端口存储器式数据采集接口，该 接口内有双端口图像存储器，构成两组相互独立的存储体。当数据在一个存储体 中积累时，另一存储体可以同时向磁盘传送已生成的图像，以满足快速、多帧的 动态成像及表模式数据采集的要求，两个存储体既可以以字节方式存储数据，也 可以组合起来以字方式存储数据，获得高达6 5 5 3 5 的象素计数。存储体按存储器 寻址方式与计算机交换信息，因此速度很快。另一种是直接进行内存操作的数 据采集接口，该种设计方法充分利用了i b mp c a t 及其兼容机内存大、速度快、 通道多、可进行位数据读写操作的优点。接口中不加任何缓冲存储器，通过方式 控制总线，直接对计算机内存操作，完成快速的多模式的了相机数据获取。 经调研发现，国内外对伽玛相机数据获取与监控系统的研究中大多采用8 位或1 6 位单片机，运行速度慢，没有操作系统，难以支持t c p i p 。随着嵌入式 技术的进一步发展，将目前最新嵌入式系统的设计理念加入到伽l 玛相机数据获取 与监控系统之中已经成为可能，本文所介绍的基于a r m 9 的数据获取与监控系 统正是在这样的前提下对嵌入式系统在伽玛相机探测领域应用研究的探索。 气 北京邮i u 大学硕i j 论文 1 5 论文的主要研究内容及各章节安排 本文是作者在研究生学习期间所作课题的总结，论文以伽玛相机数据获取与 监控系统为研究对象，选用a t m e l 公司的a r m 9 9 系列嵌入式处理器a t m e l 9 2 6 1 为硬件核心，以嵌入式l i n u x 操作系统为软件平台构建系统，对a r m 9 l i n u x 平 台在伽玛射线探测领域做了新的探索，这也是本论文的创新点。 第一章综述伽l 玛相机的组成、原理和特点，并说明了该课题的背景、目的和 意义以及国内外调研情况。 第二章对本系统开发过程中所采用的基本原理进行阐述。首先介绍了嵌入式 系统的特点以及软硬件的搭建过程，然后介绍了无线局域网的特点和组成，并对 8 0 2 1 1 协议的帧结构、m a c 层和p h y 层以及无线接入方式进行阐述。最后是对 t c p u d p 网络套接字和有限状态机的基本介绍。 第三章对伽玛相机的数据获取与监控系统进行需求分析，明确了系统要实现 的功能和目的，在此基础上，从硬件和软件两个方面进行总体方案的设计。其中 软件设计采用了状念机的设计方法，明确了数据流向和控制层次，并根据功能实 现的不同划分为若干模块。 第四章详细描述了整个系统的实现过程，首先阐述了嵌入式l i n u x 系统的定 制过程，然后着重描述了u s b 无线网卡驱动和u s b 摄像头驱动的实现过程，接 着介绍了m i n i g u i 开发套件在a r m 9 平台的移植过程和应用编程，最后阐述了 各个功能模块的详细实现过程。 第五章给出了对整个系统的测试和分析结果，主要讨论测试系统的搭建、数 据获取与监控系统的性能分析和运行结果。 第六章对论文工作进行了总结，并展望了系统下一步的研究工作。 4 北京邮电人学硕十论文 第二章系统设计原理简介 由于本文围绕一个嵌入式系统的设计和实现为主线进行阐述，因此在进行具 体的设计之前，需要介绍系统实现中涉及到的基本原理。本章主要介绍了嵌入式 系统的特点和搭建过程、无线局域网与8 0 2 1 1 协议、l i n u x 下的网络编程及有限 状态机这几部分。 2 1 嵌入式系统的特点 嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁 剪、适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机 系统。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的 具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、 高度分散、不断创新的知识集成系统，其特点概括如下： 嵌入式系统领域的产品和技术具有高度分散性，行业创新余地很大。 嵌入式系统是面向用户、面向产品和面向应用的。 嵌入式软件的高可靠性和固态化存储特性。 2 2 嵌入式系统的搭建 嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成。硬件的核心部件是嵌入式处理器， 包括微处理器( m c u ) 、数字信号处理器( d s p ) 、嵌入式微处理器( m p u ) 和 嵌入式片上系统等。软件的核心部件是嵌入式操作系统。因此，嵌入式系统的搭 建也主要从硬件系统和软件系统的这两个方面予以阐述。 2 2 1 硬件系统搭建 1 嵌入式处理器的选择 在嵌入式开发硬件系统的搭建中，首先要涉及到嵌入式处理器的选择，这主 要取决于应用的领域、用户的需求、成本和开发的难易程度等因素。表1 1 列出 了几种常见的嵌入式处理器的特性。 5 北京邮电人学硕：i ：论文 表1 - 1 嵌入式处理器比较 处理器类型处理器价格主要性能及应用 a r m 9 低功耗低，适用与个人便携式设备 d r a g o nb a l l 低速度低，主要应用与p d a p o w e r p c 同适合通信、网络等高端应用设备，市场小 先确定需要什么样的内核，比如是否支持浮点运算，是否需要网络控制模块 等。确定了嵌入式处理器内核之后，就要结合实际情况，考虑系统外围设备的需 求情况，选择一款合适的处理器，基本思路如下： 系统总线的需求。 系统是否需要u s b 总线。 系统是否需要以太网接口； 系统内部是否需要i i c 总线、s p i 总线。 系统是否需要d 或者d a 接口。 另外，还要考虑处理器的寻址空间，有没有片上f l a s h 存储器，处理器是 否容易调试1 9 1 。 2 嵌入式系统硬件组成 嵌入式最小硬件系统以嵌入式控制器为核心，外接时钟系统、存取器系统、 供电系统，除此之外，还必须有调试测试接口和复位及配置系统，如图2 1 所示。 2 2 2 软件系统搭建 图2 1 最小硬件系统 在嵌入式系统软件平台的构建方面主要涉及到以下四个方面的内容： 嵌入式系统引导程序的开发 嵌入式l i n u x 操作系统平台构建 嵌入式l i n u x 系统驱动程序的开发 6 北京邮电大学硕i ：i g 文 嵌入式图形界面g u i 的研究与开发 对于一个嵌入式系统的软件开发平台的开发，上述四个方而的内容是相辅相 成，不可分割的，但是在研发上又有各自独立的一面。嵌入式系统的启动离不开 引导程序，引导程序将l i n u x 内核引导起来，内核根据引导程序的命令行参数进 行文件系统的挂接，然后是动态的装载驱动模块，执行l i n u x 初始化程序，最后 启动图像引擎，进入到图形界面下的l i n u x 操作系统。 1 嵌入式系统引导程序的开发 传统的单片机一般是将程序固化在f l a s h 中，上电后直接运行f l a s h 中的 程序代码，这利，方式由于受f l a s h 读写速度的限制，一般译片机的速度只有 2 5 m h z 左右，f l a s h 可以保存数据和代码，但是数据的存取速度慢，而r a m 的数据仔取速度快，但是掉电会丢失数据。为了弥补两者的缺点，发挥各自的优 点，在一些高速c p u 的运行场合一般都是把程序代码固化在f l a s h 中或者其它 的存储介质上，然后在c p u 上电后，将固化在f l a s h 或者其它的存储介质中的 程序代码搬移到r a ml f l ，然后程序指针再跳转到r a m - l - 运行程序代码，由于 r a m 的数据存取速度非常快，所以这种方式使得c p u 读取指令代码的效率得到 了极大的提高。在目前的高速c p u 的运行场合几乎都是采用这种工作模式【i o 】。 完成嵌入式系统引导的程序称为b o o tl o a d e r ，这是在操作系统内核运行之间 运行的一段程序，通过这个程序，我们可以初始化硬4 ：，i ：设备、建市内存空间的映 射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状念，以便为最终调用操作系统 内核准备好正确环境。目前主流的嵌入式b o o tl o a d e r 是u b o o t ，用户可以下载 源码，根据自己的硬件做修改，定制自己的b o o tl o a d e r 。 2 嵌入式l i n u x 操作系统平台构建 存本项目的嵌入式系统中，采用了目前流行的嵌入式l i n u x 操作系统。由于 嵌入式l i n u x 系统的使用非常灵活，可以根据用户需要进行相应的裁减、定制， 其强大的网络功能使其在数据通信中具有独特的优势，目前嵌入式l i n u x 在智能 终端信息设备，特别是便携式设备中得到了广泛应用【o3 1 。嵌入式l i n u x 操作系 统平台主要由两个部分组成：嵌入式l i n u x 内核和文件系统。 1 ) 嵌入式l i n u x 内核 l i n u x 内核是l i n u x 操作系统的灵魂，是抽象的资源操作到具体硬件操作细 节之间的接口，它负责进程管理、内存管理、文件系统管理及设备驱动程序管理， 同时负责网络上接收和发送数据包等【1 4 】。内核还负责直接与硬件设备打交道， 控制系统硬件设备完成具体的工作。在l i n u x 系统i f l 采用了单内核结构，将操作 系统的所有功能都放入内核中，内核是许多服务进程的集合，他们彼此相互调用， 因而独立性与配置性有限。 北京邮电人学颂i ：论文 l i n u x 内核使用了一种独特的模块机制。内存只保留启动系统必须的代码， 而其他运行时才需要用到的代码( 如网络、文件系统、各种驱动程序等) 则被设 计成内核的模块，在运行时由内核自动装入内存。l i n u x 的这种模块机制在一定 程度上弥补了单内核裁减，配置能力差的弱点。 l i n u x 内核主要由5 个子系统组成，如下图2 2 所示。 图2 - 2l i n u x 内核子系统及其之间的关系 进程调度：控制着进程对c p u 的访问。它处理时间片的计算、优先级的 管理、进程的创建及了进程与父进程关系的维护、多c p u 的进程管理等。 内存管理：允许多个进程安全地共享主内存区域。l i n u x 的内存管理支 持虚拟内存。内存管理从逻辑上可以分为硬件无关的部分和硬件相关的 部分。硬件无关的部分提供了进程的映射和虚拟内存的对换。硬件相关 的部分为内存管理硬件提供了虚拟接口。 虚拟文件系统：隐藏了各种不同硬件的具体细节，为所有设备提供了统 一的公共文件接口。虚拟文件系统可分为逻辑文件系统和设备驱动程序。 逻辑文件系统指l i n u x 所支持的文件系统，设备驱动程序指为每种硬件 控制器所编写的设备驱动程序模块。 2 ) 嵌入式文件系统 文件系统向用户或程序提供一个使用文件的统一界面，从而使得对文件的各 种操作能够在更加抽象、简便的层次上进行，文件系统的引入通常有以下儿种目 北京邮电人学硕i j 论文 的【1 5 l ： 满足用户管理数据的需求，这其中包括数据存储和对数据的操作。 尽可能保证文件中数据的有效性。 性能优化，以提高系统的吞吐量和响应速度。 提供4 、= 同类型的存储设备的i 0 支持。 消除或降低数据丢失或遭破坏的可能性。 提供一个标准的i 0 界面。 在多用户系统中，向多个用户提供i 0 支持等。 l i n u x 系统 - 每个分区都是一个文件系统，都有自己的口录层次结构。l i n u x 会将这些分属不同分区的、单独的文件系统按一定的方式形成一个系统的总的目 录层次结构。一个操作系统的运行离不开对文件的操作，凶此必然要拥有并维护 自己的文件系统。 l i n u x 文件系统将文件索引节点号和文件名同时保存在目录中。所以，目录 只是将文件的名称和它的索引节点号结合在- 起的张表，口录t l t 每一对文件名 称和索引节点号称为一个连接。对于一个文件来说，有唯一的索引节点号与之对 应，对于一个索引节点号，却可以有多个文件名与之对应。目录与索引数组之间 的关系图。如图2 3 所示。 目录 索弓：节叔数组 图2 - 3 目录与索引节点数组之间的关系 嵌入式l i n u x 的文件系统和标准l i n u x 文件系统的目录结构相似，包含：b i n 、 d e v 、e t c 、l i b 、r a n t 、p r o c 、s b i n 、t m p 、t l s r 、v a r 和t o o l s ，可以在根目录下创建 9 北京邮电人学硕i ：论文 这些子目录，具体树型结构图如图2 4 所示。为了维护文件系统目录结构的完整 性，此目录结构基本上沿用了l i n u x 传统的目录结构，并在此基础上做了些必 要的变动以适应该系统的嵌入式特性。 e 耄c 黼n s b i n v 甚f d e v t m p p r o c l 獭 尉 t o o l s f c d i n i t d s y r c , x j nf i g l o e k l o g n i n m o d u l e s b i n s b i r l l l 论 l o e a l 图2 4 嵌入式l i n u x 文件系统的树状结构图 目前在嵌入式l i n u x 操作系统中的文件系统中较为流行的是r a m d i s k 和 j f f s 2 。采用r a m d i s k 方式的文件系统就是利用嵌入式计算机的一块内存空间 作为嵌入式计算机的文件系统，这种方式的文件系统的优点就足运行速度快，缺 点是需要占用内存，掉电后系统信息会丢失。 3 嵌入式l i n u x 系统驱动程序 l i n u x 设备驱动程序是操作系统内核与硬件之间的接口，为应用程序屏蔽了 硬件的细节，这样在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以 像操作普通文件一样对硬件设备进行操作【l6 1 。l i n u x 下的设备驱动程序是内核的 一部分，主要完成以下功能： 把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据。 读取应用程序传送给设备文件的数据和同送应用程序请求的数据。 检测和处理设备出现的错误。 在嵌入式l i n u x 系统一f ，通常有许多设备j f j 于与，h 户交互，像触摸屏、键盘、 r s 2 3 2 串口、f l a s h 存储器、显示控制器、a d 转换器、音频控制器等。l i n u x 内 核通过这些各自的设备驱动程序来控制它们，完成相应的操作，如图2 5 所示。 e e 北京邮电人学硕i j 论文 l 用户进程用户进程用户进程 fjflfi l i n u x 内核 设备驱动程序 flfj l硬件 l 图2 5l i n u x 的体系结构 l i n u x 下的设备驱动程序分为字符设备驱动程序、块设备驱动程序和网络设 备驱动程序，l i n u x 内核通过设备号来区分不同的设备。设备号一般由两部分组 成：主设备号和次设备号。对于4 i 同的设备，可以有同一个主设备号，对应具体 的设备可以通过次设备号进行区分。 l i n u x 以模块的形式加载设备类型，设备驱动在准备好后可以编译到内核中， 在系统启动的时候和内核一起启动，也可以采用模块的方式动态加载。设备驱动 存加载的时候首先调入1 ：3 函数i n i tm o d u l e ( ) ，该函数完成设备驱动的初始化上 作，比如寄存器置位，结构体赋值等一系列的工作。最重要的一个工作就是向内 核注册该设备，对于字符设备需要调用r e g i s t e rc h r d e v o 完成注册，对于块设备 需要调用r e g i s t e rb l k d e v o 完成注册。注册成功该设备获得了系统分配的主设备 号，自定义的次设备号，并建立与文件系统的关联。设备驱动在卸载时需要回收 相应的资源，令设备的相应寄存器值复位，并从系统r f 注销该没备，字符设备调 用u n r e g i s t e rc h r d e v o 、块设备调用u n r e g i s t e rb l k d e v o 。系统调用部分则是对该 设备的操作过程，比如o p e n ，r e a d ，w r i t e ，i o c t l 等操作，图2 - 6 就是一个设备驱 动模块动态挂接，卸载和系统调用的全过程。 北京邮电人学颂i ：论文 图2 - 6 设备文件在内核中的挂接、卸载和系统调用过程 从，卜图可以看出设备驱动程序运行在内核空问，而应用程序运行在用户空间 【1 7 】。设备驱动程序运行在内核空间比应用程序的优先级要高很多。内核念具有 最高的运行级别，可以做任何事。应用程序则运行在最低级别的用户态，在这一 级别禁止对硬件的直接访问和对内存的末授权访问。内核审问和用户宁间分别引 用一i 同的内存映射，也就是程序代码使用4 i 同的地址空间。这是因为在l i n u x 下， 类似w i n d o w s ，程序不能直接访问物理地址。设备驱动程序是内核的一部分，它 像内核中其他代码一样运行在内核模式，驱动程序如果出错就会使系统受到严重 破坏，因此需要将物理地址映射到内核卒间，在l i n u x 下通过i o r e m a p 函数实现 物理地址到内核空间的映射。 l i n u x 操作系统通过系统调用和硬件，l ，断完成从用户空问到内核空问的控制 转移，执行系统调用的内核代码在进程的上下文中执行，也就是说代表调用进程 操作而可以访问进程地址空间的数据。中断处理程序相对进程而言是异步的，与 任何的进程都无关。设备驱动模块就是对内核功能的扩展，主要完成两部分任务： 一个是系统调用，另个是处理巾断。 4 嵌入式图形界面系统研究，与开发 图形用户界面g u i ( g r a p h i c su s e ri n t e r f a c e ) 的广泛流行是当今计算机技术 的重大成就之一，它为用户提供友好的人机界面和简便的图形化操作，是嵌入式 计算机软件平台系统的重要组成部分，它的应用不但可以为刖户提供友好的人机 接口，还为以后应用程序的图形界面开发打下了基础。 嵌入式图形界面g u i 系统基本的要求：轻型、占用资源少、高性能、高可靠 性、可配置。目前比较流行的嵌入式g u i 系统有：m i c r o w i n d o w s ，m i n i g u l ， 1 2 北京邮电大学硕i ：论文 q t e m b e d d e a 等【i 引。 1 ) m i c r o w i n d o w s 软件系统 m i c r o w i n d o w s 是一个著名的开放式源码的嵌入式g u i 软件，目的是把现代 图形视窗环境引入到运行l i n u x 的小型设备和平台上。作为xw i n d o w 的替代品， m i c r o w i n d o w s 可以使用更少的r a m 和文件存储空间( 1 0 0 k 6 0 0 k ) 提供与 x w i n d o w 相似的功能。该体系结构允许设计者轻松加入各种显示设备、鼠标、 触摸屏和键盘等。l i n u x 2 2 以上版本的内核代码允许用户将图形显存作为帧缓存 进行存取，这样当用户对显示设备进行写入控制时可以避免对内存映射区进行操 作，因此用户可以在不了解底层图形硬件或没有使用过xw i n d o w 的情况下进行 图形程序的开发，这就是为什么现在嵌入式系统中广泛使用m i c r o w i n d o w s 的原 因。m i c r o w i n d o w s 的可移植性非常好，基本上用c 语言实现，只有某些关键代 码使用汇编以提高速度。m i c r o w i n d o w s 支持i n t e l1 6 位、3 2 位c p u ，m i p sr 4 0 0 0 以及a r m 芯片。 m i c r o w i n d o w s 也有一些通用的窗口控件，但其图形引擎存在许多问题，可 以归纳如下： 无任何硬件加速能力。 图形引擎中存在许多低效算法，如在圆弧图函数的逐点判断剪切的问题。 由于该项目缺乏一个强有力的核心代码维护团队，2 0 0 3 年m i c r o w i n d o w s 推出版本0 9 0 后，该项目的发展开始陷于停滞状态。 2 ) m i n i g u i 软件系统 m i n i g u i 是由国内自由软件开发人员设计开发的，目标是为基于l i n u x 的实 时嵌入式系统提供一个轻量级的图形用户界面支持系统。m i n i g u i 下丰富的控件 资源也是m i n i g u i 的特点之一。当前m i n i g u i 的最新版本是2 o 3 。该版本的控 件中已经添加了窗口皮肤、工具条等桌面g u i 中的高级控件支持。 m i n i g u i 具有高稳定性和高性能，已经在l i n u x 发行版安装程序、c n c 系 统及蓝点嵌入式系统等关键应用程序中得到了实际应用。不仅如此，m i n i g u i 的可移植性好。目前，m i n i g u i 可以在xw i n d o w 和l i n u x 控制台上运行。中科 院e e o s 开发组已经成功地将m i n i g u i 移植到了他们的p o s i x 兼容系统上。目 前m i n i g u i 主要应用在中低端的工业控制设备中。 3 ) q t e m b e d d e d 软件系统 q t e m b e d d e d 是t r o l l t e c h 新开发的用于嵌入式l i n u x 的图形用户界面系统。 t r o l l t e c h 最初创建q t 作为跨平台的开发工具用于l i n u x 台式机。它支持各种有 u n i x 特点的系统以及m i c r o s o f tw i n d o w s 。k d e 是最流行的l i n u x 桌面环境之 一，就是用q t 编写的。q t e m b e d d e d 以原始q t 为基础，并做了许多出色的调整 北京邮电大学硕士论文 以适用于嵌入式环境。q t e m b c d d e d 通过q ta p i 与l 抽帕设旌直接交互。那 些熟悉井已适应了面向对象编程的人员将发现它是一个理想环境。而且面向对 象的体系结构使代码结构化、可重用并且运行快速。与其它g u i 相比，q tg u i 非常快，并且它没有分层，这使得q 僦删成为用于运行q t 程序的最紧凑 环境。 2 3 无线局域网及8 0 2 1 1 协议 2 3 1 无线局域网 无线局域同w l a no v i e 蛄l o c a ia 琳n e t w o r k ) 是指传输范围在1 0 0 米 左右的无线网络，它的推动联盟为w i f ia 1 1 i 锄c c ( 目前都以w i f j 产品的称 呼来形容8 0 2 1 l 的产品) ，可用于单一建筑物或办公室之内，需要使用w l a n 的场合主要包括： 不方便架设有线网络的环境。 使用者时常需要移动位茕。 临时性的网络。 在实际的应用中，有h 缸叽d u r e d 嘲( 有固定基础设施的网络) 和a d h o e 嘲( 特定网络，或称白组网络，无固定基础设施) 这两种无线局域网类型【j q 。 它们的组成如图2 7 和图2 8 所示。i c t u r e dm 有a p ( 无线接八点) ，无 线s t a t i o n ( 站点) 通信首先要经过a p ，构成一个拥有a p 的b s $ ( 基本服务集) ； a dh o e 网无a p ，各个s t a t i o n 之问直接通信。 i b s s 图2 一c t u r v d 网图2 - 8a d h o c 网 盛盛盛蛳盛盛盛 生 螂 盛直 北京邮电大学硕士论文 2 3 28 0 2 1 1 标准 1 8 0 2 1 1 标准中的p h y 层 w l a n 传输方式有红外线( i n f f ar e d ，i r ) 和无线电射频两种红外系统的优 点：不受无线电干扰；视距传输，检测和窃听困难，保密性好。缺点是：对非透 明物体的透过性极差，传输距离受限；易受同光、荧光灯等干扰；半双工通信。 无线电射频系统采用扩频( s p r e a ds p e c t r u m ) 技术进行调制。扩频技术主要又分 为跳频和直接序列两种技术，其频率范围开放在i s m 频段，此频段不需申请， 具体划分如下： i n d u s t r y ：9 0 2 9 2 8m h z ( 2 6 m h z ) s c i e n c e ：2 4 - - - 2 4 8 3 5g h z ( 8 3 5 m h z ) m e d i c i n e ：5 15 - 5 。3 5g h za n d5 7 2 5 5 8 2 5g h z ( 3 0 0 m h z ) 2 8 0 2 1 1 标准中的m a c 层 m a c 层通过协调功能来确定在基本服务集b s s 中的移动站在什么时问能 发送数据或接收数据。 3 8 0 2 1 1 协议帧结构 在8 0 2 1 1 协议中，共定义了三类帧结构，分别是控制帧、管理帧和数据帧。 其中控制帧包括r t s 帧、c t s 帧和a c k 帧；管理帧主要包括以下类型【2 0 】： p r o b er e q u e s t r e s p o n s e 帧( 主动扫描时) b e a c o n 帧( 信标帧，被动扫描时由a p 发出) a u t h e n t i c a t i o nr e q u e s t r e s p o n s e 帧。 d e a u t h e n t i c a t i o n 帧( 去掉认证) 。 a s s o c i a t i o nr e q u e s t r e s p o n s e 帧。 d i s a s