（模式识别与智能系统专业论文）基于arm的som模块系统研究与网络化应用.pdf

中文摘要 摘要 随着计算机技术和通信技术的飞速发展，传感器技术的发展也进入了网络化 阶段，网络传感器技术的发展对提高传感器的数据处理和数据传输能力具有十分 重要的意义。而我国煤矿现用的传感器多为2 0 世纪8 0 年代研制的，主要为模拟 信号的输出方式，这使得对传感器数据的分析和处理受到极大的限制。针对我国 矿用传感器技术的现状，本文提出了一种基于a r m 的s o m 模块的矿用传感器网 络化的解决方案，完成了s o m 模块的设计，以及采用s o m 模块的网络化传感器 的设计。 设计的s o m 模块采用了3 2 位a r m 微处理器并移植g c o s i i 嵌入式实时操 作系统的解决方案。论文从系统的硬件和软件两个方面详细介绍了s o m 模块的实 现。该系统以3 2 位高性能a r m 处理器l p c 2 2 1 0 为硬件核心，扩展了以太网接口、 r s 一2 3 2 接口等通用接口；以嵌入式操作系统i - t c o s i i 为软件平台，在a d s l 2 开 发环境下完成了系统软件的开发。 首先，论文详细地阐述了s o m 模块的硬件单元设计，在硬件系统的基础上完 成了实时操作系统i t t c o s i i 的移植。 其次，论文详细介绍了t c p i p 协议栈中a r p 、i p 、i c m p 、u d p 、t c p 协议 以及s o c k e t 机制的实现，成功完成了t c p i p 协议栈的移植并通过了测试。 最后，论文将自主研制的嵌入式s o m 模块应用于矿用网络监控系统。提出了 一种自适应加权算法对同种矿用传感器进行数据融合，并进行了仿真研究，仿真 结果表明该算法能够充分考虑到各种环境因素的干扰，减小偏差较大的数据对测 量准确度的影响，提高测量系统的准确性。通过对网络编程和数据库编程的实现， 完成了对矿用传感器的网络监控实验。实验结果表明，本文所设计的s o m 模块和 基于s o m 的网络传感器达到了设计的要求。 关键词：网络传感器，s o m 模块，p c o s i i ，自适应加权算法，网络编程 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n t o fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , s e n s o rt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n th a se n t e r e di n t ot h es t a g eo ft h en e t w o r k t o o t h ed e v e l o p m e n to fs e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g yh a sg r e a ts i g n i f i c a n c et oe n h a n c e t h es e n s o r sc a p a b i l i t yo fd a t ap r o c e s s i n ga n dd a t at r a n s m i s s i o n b u t ，i nc h i n a ，m a n yo f t h es e n s o r sb e i n gu s e di nc o a lm i n e sa r er e s e a r c h e di n1 9 8 0 so f 2 0 “c e n t u r y , w h i c ha r e a n a l o gs i g n a lo u t p u t t h i sm a k e st h es e n s o rd a t ap r o c e s s i n ga n da n a l y s i sb eg r e a t l y h a m p e r e d t ot h es t a t u so fs e n s o rt e c h n o l o g yw h i c hb e i n gu s e di nc h i n e s ec o a lm i n e s ， t h i sp a p e rp r e s e n t sas o l u t i o ns c h e m eb a s e do nt h em i n es e n s o rn e t w o r ko fs o m m o d u l e s o mm o d u l ew a sd e s i g n e dw i t h3 2 一b i ta r m m i c r o p r o c e s s o ra n dt r a n s p l a n t e d e m b e d d e ds o l u t i o n so fa c o s i ir t o s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o no fs o m m o d u l ef r o mt h es y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei nd e t a i l t h eh a r d w a r ec o r eo ft h i s s y s t e mi sh i g h - p e r f o r m a n c e3 2 - b i ta r mp r o c e s s o rl p c 2 2 1 0 ，e x t e n d i n gs o m eg e n e r a l i n t e r f a c e ss u c ha se 1 1 l e m e ti n t e r f a c e r s 2 3 2i n t e r f a c ee t c t h ed e v e l o p m e n to fs o f t w a r e s y s t e mi sc o m p l e t e d i na d s l 2d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t , w h i c hb a s e do nt h es o f t w a r e p l a t f o r mo f e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mp c o s i i f i r s t l y ，t h i sp a p e rd e t a i l e dd e s c r i b e st h ed e s i g no fs o m m o d u l e sh a r d w a r ep a r t s ， a n dc o m p l e t e dt h et r a n s p l a n to f 肛c o s i ir t o sb a s e do nh a r d w a r es y s t e m s e c o n d l y , t h i sp a p e rd e t a i l e dd e s c r i b e st h er e a l i z a t i o no fa r p ，i p ，i c m p ，u d p ， t c pa g r e e m e n ta n ds o c k e tm e c h a n i s mi nt c p i pa g r e e m e n ts o c k e t i tc o m p l e t e st h e t r a n s p l a n to f t c p i pa g r e e m e n ts o c k e ta n dp a s s e dt h et e s t f i n a l l y , t h i sp a p e rp r e s e n t st h eu s eo ft h i se m b e d d e ds o mm o d u l er e s e a r c h e d i n d e p e n d e n ti nm i n i n gn e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e m w ep r o p o s ea l la d a p t i v ea l g o r i t h m f o rw e i g h r i n gw h i c hm a k ed a t aa m a l g a m a t i o nt ot h es a m et y p em i n i n gs e n s o r t h r o u g h s i m u l a t i o nr e s e a r c h w ef o u n d st l l a tt h i sm e t h o dc a nt a k ea c c o u n to fe n v i r o n m e n t a l f a c t o r sf u l l ，a n di m p r o v et h ea c c u r a c yo fm e a s u r e m e n ts y s t e mt h r o u g hr e d u c et h e i n f l u e n c eo f m e a s u r i n ga c c u r a c yc a u s e db yg r e a td e v i a t i o nd a t a t h r o u g ht h er e a l i z a t i o n o fn e t w o r kp r o g r a m m i n ga n dd a t a b a s ep r o g r a m m i n g , w ec o m p l e t et h en e t w o r k m o n i t o r i n ge x p e r i m e n to f m i n i n gs e n s o r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es o m m o d u l ea n dt h es e n s o rb a s e do ns o md e s i g n e di n t h i sp a p e ra c h i e v e dt h ed e s i g n i 重庆大学硕士学位论文 r e q m r e m e n t s k e y w o r d s ：n e t w o r k e ds e n s o r , s o mm o d u l e ，g c o s i i ，w e i g h t e da d a p t i v ea l g o r i t h m ， n e t w o r kp r o g r a n u n i n g w 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特i i ：i i 以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 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谢意。 学位论文作者签名：打手乞签字日期：二帅年多月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，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 论文被查阅和借阅。本人授权重庞太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：目屯 签字日期：) 卿 年月6 日 导师签名多缸矽 签字日期：z1 年月多日 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 作为现代信息技术三大核心技术之一的传感器技术，从诞生到现在，经历了 从“聋哑传感器”( d u m bs e n s o r ) 、“智能传感器”( s m a r ts e n s o r ) 到“网络化传感 器”( n e t w o r k e ds e n s o r ) 的发展历程。传统的传感器是模拟仪器仪表或模拟计算机时 代的产物。它的设计指导思想是把外部信息变换成模拟电压或电流信号，它输出幅 值小，灵敏度低，而且功能单一，因而被人们称为“聋哑传感器”【l 】。随着时代的进 步，传统的传感器已经不能满足现代工农业生产甚至战争的需求，尤其2 0 世纪7 0 年代以来，计算机技术、微电子技术、光电子技术获得迅猛发展，加工工艺逐步 成熟，新型的敏感材料不断被开发，特别是单片机的广泛使用使得传感器的性能 越来越好、功能越来越强，智能化程度也越来越高，实现了数字化的通讯，具有 数字存储和处理、自检、自校准以及一定的通讯功能，工业控制系统中的控制单 元中的某些功能已逐渐被集成入传感器中，形成了所谓“智能型传感器川”。 我国煤矿现有传感器多数是在2 0 世纪后期研制的，多为模拟信号输出方式， 这使得信号的处理和分析受到极大的限制。随着现代化的发展，传感器的功能已 突破传统的功能，其输出不再是一个单一的模拟信号，而是经过微电脑处理好的 数字信号，有的甚至带有控制功能，这就是所说的数字传感器，有着良好的发展 前景，正逐步成为传感器领域的主流产品。“网络化智能传感器”即在数字传感技术 的基础上融合通信技术和计算机技术，使传感器具备自检、自校、自诊断及网络 通信功能，从而实现信息的“采集”、“传输”和“处理”真正统一协调的一种新型智能 传感器【3 1 。从目前国内外研究状况来看，网络化智能传感技术研究热点主要集中在 基于现场总线的智能传感技术和基于以太网t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c o l i n t e m e t p r o t o c o l ( t c p i p ) 协议的智能传感技术两种。随着网络技术的发展，基于网络的测 控技术已开始逐渐成为自动控制领域的主要技术途径【4 】。 1 2 国内外研究现状 我国的矿用传感器落后，监测监控技术应用较晚【5 】，8 0 年代初，从波兰、法 国、德国、英国和美国等国引进了一批安全监控系统( 如d a n 6 4 0 0 、t f 2 0 0 等) ， 装备了部分煤矿；在引进的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况， 先后研制出k j i 、u 4 、1 0 8 到k j 9 0 和k j 9 2 等监控系统，在我国煤矿已大量使用。 实践表明，安全监控系统为煤矿安全生产和管理起到了十分重要的作用【6 i 。限于当 时技术水平，其功能和扩展性能差、现场维修维护和技术服务跟不上等原因，造 重庆大学硕士学位论文 成相当一部分矿井无法继续正常使用已装备的系统。特别是近年来由于老系统服 务年限将至，己无继续维修维护的必要，系统面临更新改造的机遇。我国煤矿监 测系统主要有环境监测、生产监控和中心软件三个方面。环境监测方面，主要监 测井下各种有毒有害气体及工作面的作业条件，如高浓度甲烷气体、低浓度甲烷 气体、一氧化碳、氧气浓度、风速、负压、温度、顶板压力、烟雾等。生产监控 方面主要监控井上、下主要生产环节的各种生产参数和重要设备的运行状态参数， 如煤仓煤位、水仓水位、供电电压、供电电流、功率等模拟量；水泵、提升机、 局扇、主扇、胶带机、采煤机、开关、磁力起动器运行状态和参数等。中心站软 件方面，具有测点定义功能；具有显示测量参数、数据报表、曲线显示、图形生 成、数据存储、故障统计和报表、报告打印等功能。 随着计算机软件技术日新月异的发展，目前，各厂家的系统应用软件正不断 更新版本，如k j f 2 0 0 0 系统中心站应用软件版本2 4 0 和m s n m 局域网络终端应 用软件版本1 1 的操作界面全部实现了可视化和图形化功能，而且具备矿井采空区 火灾早期预测预报和专家决策分析功能、皮带运输机全线火灾监测功能和井下瓦 斯抽放监控等功能。 随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展和企业自身发展的需要，国内 各主要煤矿安全科研单位和生产厂家又相继推出了k j 9 0 、k j f 2 0 0 0 和k j g 2 0 0 0 等 监控系统，以及m s n m 、w e b g i s 等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统。 大大小小的系统生产厂家如雨后春笋般的不断出现，为用户提供了更多的选择机 会、也促进了各厂家在市场竞争条件下不断提高产品质量和服务意识。 随着系统生产厂家的不断出现，无疑存在着市场竞争条件下初级阶段的恶性 竞争，其结果是不仅损坏了厂家的利益，而且将导致生产企业的系统研发后劲不 足、技术支持能力降低，最终将影响产品用户的正常使用。煤矿监测监控系统涉 及计算机的软硬件技术和网络化管理技术、系统传输设备的软硬件技术、各种传 感器技术、系统的完善和升级改造技术、技术支持和服务能力等综合性技术，是 多学科交叉应用的领域 4 1 。 1 3 课题学术和使用意义 随着微电子技术的发展，矿用传感器的数字化是必由之路【3 l 。但由于经济利益 的关系，各个厂家各自为阵，各种矿用传感器产品不能互联。因此，用户在产品 的选取上陷入被动的局面，不利于网络化传感器的普及与推广。为此，我们提出 以嵌入式微处理器和嵌入式操作系统为基础，研制本安型的工业以太网适配模块 ( s o m ) ，并在此基础上研制煤矿用网络式传感器。本项目的研究对煤矿安全技术的 进步具有重要的意义。由于我国煤炭行业的安全生产形势十分严峻，矿用传感器 2 1 绪论 的技术进步已成为一个迫切需要解决的问题，它是矿井智能化、自动化的瓶颈， 是进一步提高矿用传感器的性能、可靠性，降低系统复杂程度，降低系统成本和 运行成本的重要环节m 。 1 4 本文主要工作 本文主要研究采用嵌入式技术，以a r m ( l p c 2 2 1 0 ) 蔓j 基础研究了s o m 核心模 块的设计，并研究矿用传感器的网络化相关技术。本文主要研究以下内容： 基于a r m 的s o m 网络核心模块的硬件设计： 嵌入式t c p i p 协议栈的设计和实现； h c o s i i 嵌入式操作系统的移植； 同类型传感器数据融合算法的研究； 矿用网络传感器的实验研究。 1 5 小结 本章主要介绍了基于s o m 的矿用网络化传感器的设计的课题背景及意义，概 述了矿用传感器的发展和存在的问题，分析了本课题的学术和使用意义，最后提 出了本论文的主要研究工作。 2 嵌入式系统技术分析 2 嵌入式系统技术分析 嵌入式系统广泛地存在于我们的生活中，小到手机、m p 3 、p d a 等微型数字 化产品，大到网络家电、智能家电、车载电子设备等，无处不在的采用嵌入式技 术的产品，让人顿生目不暇接之感。目前，各种各样的新型嵌入式系统设备在应 用数量上已经远远超过了通用计算机，正逐步改变着传统的工业生产和服务方式， 并且具有更进一步扩大的趋判8 1 。 2 1 嵌入式系统的概念 嵌入式系统是一个比较模糊的定义，从军用到民用，从工业产品到家用电器都 可以找到嵌入式系统的踪迹，根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌 入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”( d e v i c e su s e dt o c o n t r o l ，m o n i t o r , o ra s s i s t t h e o p e r a t i o n o f e q u i p m c n t ，m a c h i n e r y 0 1 p l a n t s ) 吲。这主要是 从应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系统不仅是软件和硬件的综合体，甚 至还可以涵盖机械等附属装置。 不过，上述定义从计算机科学角度考虑，并不能充分体现嵌入式系统的特点。 从计算机科学角度来说，目前国内一个普遍被认同的定义是：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、功 耗等严格要求的专用计算机系统。 由于嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结合在一起的具有嵌 入式特点的控制系统都可以叫做嵌入式系统，很难给它一个明确的定义。因此， 目前通常把嵌入式系统概念的重点放在“系统”( 即操作系统) 上，指能够运行操作系 统的软硬件综合体【s 】。 嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，硬件包括处理器微处理器，存储器 及外设器件和f o 端口，图形控制器等。软件部分包括系统软件( 0 s ) ( 要求实时和 多任务操作1 和应用程序，图2 1 为嵌入式系统结构框图。 图2 1 嵌入式系统结构框图 f i g 2 1 e m b e d d e ds y s l e ms t r u c t u r e 5 重庆大学硕士学位论文 2 1 1 嵌入式操作系统特点分析 从前面对嵌入式系统所作的定义，可以看出，嵌入式系统具有以下几个重要 特，征【8 】： 系统内核小；由于嵌入式系统一般应用于小型电子装置，系统资源相对有 限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。例如，e n e a 公司的o s e 分布式系 统，内核只有5 k b ，而w i n d o w s 的内核则要大得多。 专用性强；嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件结合非常紧 密，一般要针对硬件进行系统的移植：同时，针对不同的任务，往往需要对系统 进行较大的更改。另外，程序的编译下载要和系统相结合。 系统精简；嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求 其功能的设计及实现过于复杂，这样既利于控制系统成本，也利于实现系统安全。 高实时性；高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求，而且软件 要求固化存储，以提高速度；软件代码要求高质量和高可靠性。 多任务的操作系统；嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务 操作系统。嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行，但为 了更合理的调度多任务，利用系统资源、系统函数以及专家库函数接口，用户必 须自行选配r t o s 开发平台，以保证程序执行的实时性和可靠性，并减少开发时 间，保障软件质量。 专门的开发工具和环境；嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。由 于嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使完成设计后，用户通常也不能对其 中的程序功能进行修改，因此必须有一套基于通用计算机的开发工具和环境才能 进行开发。 2 1 2 嵌入式处理器特点分析 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。与工业控制计算机相比，嵌入式微处 理器具有体积小、重量轻、成本低及可靠性高的优点。嵌入式微处理器一般具备 以下特剧8 j ： 对实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应 时间，很强的存储保护功能，这是由于嵌入式系统的软件结构己模块化，而为了 避免在软件模块之间出现错误的交叉作用。需要设计强大的存储区保护功能，同 时也有利于软件诊断； 可扩展的处理器结构，以能迅速地扩展出满足应用的高性能的嵌入式微处 理器； 嵌入式微处理器的功耗必须很低，尤其是靠电池供电的用于便携式的无线 及移动的计算和通信设备中的嵌入式系统更是如此，功耗只能为m w 甚至“w 级。 6 2 嵌入式系统技术分析 2 1 3 嵌入式操作系统及应用现状分析 嵌入式操作系统被定义为一种嵌入式系统应用的操作系统软件。嵌入式操作 系统为多样的嵌入式系统提供统一的基本操作系统特性和软件资源支持，同时又 满足目标系统特定的运行性能要求，而且达到隔离与系统结构无关的应用层软件 的目的。嵌入式操作系统是嵌入式系统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相 关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面和标准化浏 览器等。目前，嵌入式操作系统的品种较多，据统计，仅用于通信电器的嵌入式 操作系统就有4 0 种左右，其中较为流行的主要有：w i n d o w sc e 、l i n u x 、v x w o r k s 、 n u c l e u s 和v c o s i i 等。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效 性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特 点。 2 2 嵌入式系统的设计方法探讨 嵌入式系统的整个开发流程如图2 2 所示： 图2 2 嵌入式系统开发流程 f i g 2 2 e m b e d d e ds y s t e md e v e l o p m e n tp r t m e s s 嵌入式系统的开发通常采用“宿主机目标机”方式。首先，利用宿主机上丰富 的资源及良好的开发环境开发和仿真调试目标机上的软件。然后，通过串行口或 网络将交叉编译产生的目标代码传输并装载到目标机上，并用交叉调试器在监控 7 重庆大学硕士学位论文 程序或实时内核操作系统的支持下进行实时分析和调度。最后，目标机在特定的 环境下运行。 一般而言，对应于每一个处理器的硬件平台都是通用的、固定的、成熟的， 这就减少了在开发过程中硬件系统错误的引入机会；同时，因为嵌入式操作系统 屏蔽掉了底层硬件的很多复杂信息，使得开发者通过操作系统提供的a p i 函数可 以完成大部分工作，大大简化了开发过程，提高了系统的稳定性。所以，嵌入式 系统的开发可以说是把开发者从反复进行硬件平台的设计过程中解放出来，从而 可以把主要的精力放在编写特定的应用程序上。这个过程更类似于在系统机( 如p c 机1 上的某个操作系统下开发应用程序。 2 3 a r m 技术分析 1 9 9 0 年1 1 月成立于英国剑桥的a r m 公司，主要出售芯片设计技术的授权。 目前，采用a r m 技术知识产权( i v , i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核的微处理器，已遍及汽车、 工业控制、消费电子、通信系统、网络系统和无线系统等各类产品市场，基于a r m 技术的微处理器应用己占据3 2 位r i s c 芯片7 5 以上的市场份额，a r m 技术可谓 无处不在。 a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写，是微处理器行业的一家知名企业， 该企业设计了大量廉价、高性能、低功耗的r i s c 处理器、相关技术及软件。a r m 公司的处理器具有性能高、成本低和能耗小的特点，适用于多种领域，如嵌入控 制、消费教育类多媒体、d s p 和移动式应用【l o l 。 a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供 应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯 片，世界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据各 自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片 进入市场。 a r m 技术在下列领域中广泛应用 i m s 】： 工业控制领域：作为3 2 位的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片不 仅占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用 领域渗透； 无线通讯领域：目前己有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术： 网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步获得 竞争优势。此外，a r m 在语音及视频处理上进行了优化，并获得广泛支持，应用 日趋广泛； 消费电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和 2 嵌入式系统技术分析 游戏机中得到广泛采用； 成像和安全产品：现在的数码相机和打印机中绝大部分采用了a r m 技术， g s m 和c d m a 手机中的s i m 卡也采用了a r m 技术。 a r m 微处理器目前包括如下几个系列：a r m 7 系列；( 坌) a r m 9 系列； ( 要) 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 r 的x s c a l e ；i n t e r 的s t r o n g a r m 。 它们除了具有a r m 体系结构的共有特点之外，每一个系列的a r m 微处理器 都有自己的特点和应用领域。 其中，a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e 和a r m l 0 为通用处理器系列，s e c u r c o r e 系列 专门为安全要求较高的应用而设计。 2 4a r m 微处理器l p c 2 2 1 0 l p c 2 2 1 0 是p h i l i p s 公司推出的针对嵌入式应用的1 6 3 2 位嵌入式处理器，该 处理器非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种 类型的应用，具有低成本和高性能的特点。 l p c 2 2 1 0 是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s r m c p u ， 可以执行3 2 位的a r m 指令，也可以执行1 6 位的t h u m b 指令。 2 4 1c p u 内核概述 l p c 2 2 1 0 的c p u 内核是由a r m 公司设计的通用3 2 位a r m 7 t d m i 微处理器 核。图2 3 为a r m 7 t d m i 的内核结构框图。整个内核架构基于r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 规则。与c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 系统相比 较，r i s c 架构的指令集和相关的译码电路更简洁高效。 f i g 2 3 s t r u c t u r eo f a r m 7 t d m i 9 重庆大学硕士学位论文 a r m 7 t d m i 处理器区别于其它a r m 7 处理器的一个重要特征是其独有的称 之为t h u m b 的架构策略。该策略为基本a r m 架构的扩展，由3 6 种基于标准3 2 位a r m 指令集、但重薪采用1 6 位宽度优化编码的指令格式构成。 由于t h u m b 指令的宽度只为a r m 指令的一半，因此能获得非常高的代码密 度。当t h u m b 指令被执行时，其1 6 位的操作码被处理器解码为等效的3 2 位标准 a r m 指令，然后a r m 处理器就如同执行3 2 位的标准a r m 指令一样执行1 6 位 的t h u m b 指令。也即是t h u m b 架构为1 6 位的系统提供了一条获得3 2 位性能的途 径【19 1 。 a r m 7 t d m i 内核既能执行3 2 位的a r m 指令集，又能执行1 6 位的t h u m b 指 令集，因此允许用户以子程序段为单位，在同一个地址空间使用t h u m b 指令集和 a r m 指令集混合编程，采用这种方式，用户可以在代码大小和系统性能上进行权 衡，从而为特定的应用系统找到一个最佳的编程解决方案。 a r m 7 t d m i 内核支持7 种操作模式分别为： 用户模式：正常的程序执行状态； f i q ( f a s ti n t e r r u p tr e q u e s t ) 模式：用于支持特殊的数据传送与通道处理； i r q ( i n t e r r u p t r e q u e s t ) 模式：用于通用的中断处理； 管理模式：一种用于操作系统的保护模式； 中止模式：当数据或指令预取中止时进入该模式； 系统模式：一种用于操作系统的特权用户模式； 未定义模式：当执行了未定义指令时进入该模式。 可用软件控制操作模式的切换，同时外部的中断和异常处理也会导致操作模 式的切换。绝大多数的用户应用程序运行在用户模式。当系统响应中断或异常、 或访问受保护的系统资源时，处理器会进入特权模式( 除用户模式以外的所有模 式) 。 2 4 2 寄存器 l p c 2 2 1 0 处理器共有3 7 个寄存器，被分为若干个组( b a n k ) ，这些寄存器包 括： 3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c 指针) ，均为3 2 位的寄存器。 6 个状态寄存器，用以标识c p u 的工作状态及程序的运行状态，均为3 2 位，目前只使用了其中的一部分。 同时，a r m 处理器又有7 种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下均有 一组相应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器包括 1 5 个通用寄存器( r o r 1 4 ) 、一至二个状态寄存器和程序计数器。在所有的寄存器 中，有些是在7 种处理器模式下共用的同一个物理寄存器，而有些寄存器则是在 1 0 2 嵌入式系统技术分析 不同的处理器模式下有不同的物理寄存器。 2 4 3 异常 当正常的程序执行流程被中断时，称为产生了异常。例如程序执行转向响应 一个外设的中断请求。在优先处理异常时，处理器的当前状态必须保留，以便在 异常处理完成之后程序流程能正常返回。并且，多个异常可能会同时发生。 当一个异常出现以后，a r m 处理器会执行以下几步操作1 9 】： 将下一条指令的地址存入相应连接寄存器l r ，以便程序在处理异常返回 时能从正确的位置重新开始执行。若异常是从a r m 状态进入，l r 寄存器中保存 的是下一条指令的地址( 当前p c + 4 或p c + 8 ，与异常的类型有关) ；若异常是从 t h u m b 状态进入，则在l r 寄存器中保存当前p c 的偏移量，这样，异常处理程序 就不需要确定异常是从何种状态进入的； 将c p s r 复制到相应的s p s r 中； 根据异常类型，强制设置c p s r 的运行模式位； 强制p c 从相关的异常向量地址取下一条指令执行，从而跳转到相应的异 常处理程序处； 还可以设置中断禁止位，以禁止中断发生。 如果异常发生时，处理器处于t h u m b 状态，则当异常向量地址加载入p c 时， 处理器自动切换到a r m 状态。 a r m 微处理器对异常的响应过程用伪码可以描述为【19 】： r 1 4 _ = r e t u ml i n k s p s r _ = c p s r c p s r 4 ：0 = e x c e p t i o nm o d en u m b e r c p s r 5 = 0 ：当运行于a r m 工作状态时 i f = r e s e to rf x qt h e m 当响应f i q 异常时，禁止新的f i q 异 常 c p s r 6 = 1 c p s r 7 = 1 p c = e x c e p t i o nv e c t o r a d d r e s s 异常处理完毕之后，a r m 微处理器会执行以下几步操作从异常返回： 将连接寄存器l r 的值减去相应的偏移量后送到p c 中； 将s p s r 复制回c p s r 中； 若在进入异常处理时设置了中断禁止位，要在此清除。 重庆大学硕士学位论文 2 5 小结 本章简要介绍了嵌入式系统的概念和设计方法，概括介绍了a r m 的常见内 核，详细介绍了l p c 2 2 1 0 处理器的体系结构、寄存器的组织、处理器的工作状态 和异常等。 3s o m 核心模块系统设计 3s o m 核心模块系统设计 3 1s o m 模块方案设计 3 1 1s o m 模块设计思想 s o m 模块用来实现矿用传感器的网络化，它的实现是以a r m 处理器l p c 2 2 1 0 为核心，进行外围电路的单元的设计。外围电路单元包括系统复位电路单元、电 源电路单元、存储器电路单元、通讯接口电路单元和人机交互电路单元等。在完 成s o m 模块硬件设计的基础上完成嵌入式实时操作系统p c o s - i i 的移植，然后 完成t c p i p 协议的移植和嵌入式软件的开发。 3 1 2s o m 模块功能要求 s o m 模块是实现矿用传感器网络化的关键，根据实现矿用传感器网络化和设 计网络化传感器的要求，s o m 模块主要功能包括以下几点： 实时采集传感器的数据； 采集回来的数据暂时存储于系统f l a s h 中； 与上位机之间进行通信，接收并执行上位机的各个指令，并上传采集到的 数据； 具备一定的扩展功能。 3 1 3s o m 模块实现方案分析 根据s o m 模块的功能要求，s o m 模块最重要的功能是实现以太网通信。嵌 入式以太网接口模块的实现是国内外研究的热点。根据国内外的研究情况，嵌入 式网络接口的实现主要有以下两种方案： 第一种解决方案是在八位单片机上实现t c p i p 协议，从而实现网络接入功能。 这样的单片机主要有z w o r d 公司的r a b b i t 2 0 0 0 ，s c i k o 公司的$ 7 6 0 0 ，u b i c o m 公司 的s x 5 2 等，这类单片机本身支持t c p i p 协议栈。国外有些公司已经开发出了针 对不同处理器的t c p i p 协议栈。因而其开发周期短、开发成本低。 第二种锯决方案是3 2 位微处理器+ r t o s 。这种方案是采用3 2 位微处理器， 例如a r m 系列芯片、m i p s 芯片、m o t o r o l a 的m p c g x x ，i n t e l 的x 8 6 等。目前各 类嵌入式操作系统非常多，常见的有v x w o r k s 、p s o s 、l i n u x 、w i n c e 和p c o s i i 等。通常在r t o s 的软件平台上进行开发。该方案既可以实现复杂的仪器功能， 也可以实现t c p i p 的协议处理。由于其所能实现的功能非常强大，因此对处理器 的要求较高，成本较第一种方案高，开发难度较大。但是一旦开发出来，产品的 成本不是很高，适合推广，功能可扩展性强。 通过对以上述二种方案的分析，考虑到s o m 模块要有很好的扩展功能而且它 1 3 重庆大学硕士学位论文 的软件部分，不仅包括t c p i p 协议栈，还要实现数据采集等各种应用任务，属于多 任务系统，必须由实时操作系统进行任务调度。因此，本文采用第二种方案来实 现s o m 模块的以太网络接口功能。 在众多的3 2 嵌入式微处理器中，选择a r m 7 t d m i 核的l p c 2 2 1 0 作为系统的 硬件核心，其理由如下【s 】： 处理速度快：a r m 是r i s c 结构的3 2 位处理器，内部集成了多级流水线， a r m 7 中使用3 级流水线，大大提高了指令执行速度； 超低功耗：各种档次a r m 的功耗都是同档次嵌入式处理器中较低的，处 理器的散热问题不用考虑，低电压、微电流供电，这些都无疑是便携式设备最理 想的选择； 应用前景广泛：a r m 公司不是生产处理器的，它专门为i c 制造商提供各 种处理器的解决方案。所以，在各种微处理器中，a r m 的应用最广，同时应用前 景也更广阔，开发资源丰富，有利于缩短产品的研发周期； 价格低廉：在各种嵌入式处理器中，l p c 2 2 1 0 作为a r m 7 t d m i 中的一款 产品，其价格适中，而且使用量大，容易购买。 实时操作系统选择p c o s i i ，其理由如下博j ： 提供源代码：u c o s i i 是源代码公开的实时嵌入式操作系统，用户无需花 任何费用即可得到其所有源代码； 结构简单：u c o s i i 是采用c 语言和汇编语言( 大部分采用c 语言) 编写， 结构非常简洁，可读性强； 可移植性：p c o s i i 可移植性好，能够很容易移植到各种微处理器上，而 且在移植过程中。用户只需要做很少的工作即可； 适于学习：p c o s i i 简单易学，且具备了实时操作系统的全部性能，非常 适合初次接触嵌入式技术的初学者和工作人员作为学习嵌入式技术使用。 3 2s o m 模块硬件设计 本系统以p h i l i p s 公司的a r m 7 t d m i 核微处理器l p c 2 2 1 0 为平台核心，辅以 电源、晶振和复位电路以及存储器单元、人机交互单元、通信单元与调试单元。 系统的硬件结构图如图3 1 所示。 1 4 3 s o m 核心模块系统设计 图3 1 系统硬件结构图 f i g 3 1 s t r u c t u r eo f s y s t e mh a r d w a r e 嵌入式s o m 模块硬件实物图如图3 2 所示： 图3 2s o m 模块 f i g 3 2s o m m o d u l e 兀 图3 2 中： l 核心模块，插接在底板上，主要有处理器、以太网芯片、存储器( 背面) 等组成，完成以太网通信处理功能； 2 底板，主要由电源电路、电压转换电路，以太网接口、r s 2 3 2 接口等各 种接口组成： 重庆大学硕士学位论文 3 j 1 a g 调试接口，主要完成程序的调试功能； 仁数据采集接口； s 一模块扩展接口，可以扩展l c d 等模块。 硬件系统的工作原理：利用l p c 2 2 1 0 的a d 转换器完成对来自矿用传感器的 模拟量的采样，频率量则经过光电隔离进入s o m 模块的中断口，然后把处理后的 数据通过以太网传输到上位机，以便做进一步处理。 3 2 1 系统复位电路单元设计 微控制器在上电时状态并不稳定，将造成微控制器的不能正确工作。为解决 这个问题，所有微控制器均有一个复位逻辑，它负责将微控制器初始化为某个确 定的状态。这个复位逻辑需要一个复位信号才能工作。如果系统不需要手动复位， 则可以选择m a x 8 0 9 ；如果系统需要手动复位，可以选