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太原理工大学硕士研究生学位论文 基于a r m 的g p r s 数据采集传输系统 摘要 对于大部分数据采集传输的应用，有线网络能满足数据传输的需要， 但是某些生产部门和领域，需要采集的数据点在地域上分布较广且处于野 外，现有的有线传输在这些区域应用受到限制，单独架设通讯线路在技术 上和经济效益上都是不可取的。与有线数据传输相比，无线数据传输受地 形和环境的限制较小，易于扩展且其应用的经济成本低，能较好地满足野 外分布数据采集点的数据采集的需要。 本文针对在地域上分布广泛且处于野外的数据采集点数据采集的需要， 在研究了g p r s 网络的结构原理和数据采集系统的要求基础上，设计了基 于a r m 核一t 3 $ 3 c 2 4 1 0 x 和g p r s 网络的数据采集传输系统。比较各种无线 传输方式后，选用了g p r s 网络作为传输通道。基于g s m 公网g p r s 网 络传输数据不但能满足绝大多数数据传输的需要，而且在实时性上也能满 足数据及时的传送。基本思想是由嵌入式系统采集到数据并进行格式处理 后，将数据通过g p r s 传输终端经由g p r s 网接入因特网，实现数据终端 与数据中心的数据传输。为保证系统的强大处理能力和系统的稳定性，硬 件采用a r m 架构的$ 3 c 2 4 1 0 x ，并引入了嵌入式操作系统g c o s i i 。 确定数据采集传输系统的软硬件整体方案后，深入研究了a r m 编程模 式和i _ t c o s i i 体系结构，并在此基础上完成了硬件设计和软件设计。 硬件设计以$ 3 c 2 4 1 0 x 为核心，主要有$ 3 c 2 4 1 0 x 核心板模块、a d 模 太原理工大学硕士研究生学位论文 块、g p r s 模块、电源模块、储存器系统、实时时钟等，最后完成了系统硬 件电路设计。 完成了嵌入式操作系统“c o s i i 的移植，针对数据采集和传输的任务 完成应用软件的编写，主要包括a d 数据采集程序、g p r s 数据传输程序 和f l a s h 驱动等。在软件中实现了g p r s 永远在线。 本嵌入式数据采集传输系统硬件接口丰富，软件资源配置灵活，设计 方案具有很好的通用性和可扩展性。 关键词：数据采集，数据传输，嵌入式，g c o s i i ，g p r s 太原理工大学硕士研究生学位论文 a r m b a s e dg p r sd a ：i ac o l l e c t i o na n d t r a n s s s i o ns y s t e m a bs t r a c t f o rm o s to ft h ed a t aa c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o na p p l i c a t i o n s ，t h ec a b l e n e t w o r kc a l lm e e tt h en e e d so fd a t at r a n s m i s s i o n h o w e v e r , i nc e r t a i np r o d u c t i o n s e c t o r sa n d a r e a s ，y o u n e e dt oc o l l e c td a t af r o m g e o g r a p h i c a l l yw i d e l y d i s t r i b u t e df i e l dp o i n t s ，t h eu s i n go fe x i s t i n gc a b l et r a n s m i s s i o ni sr e s t r i c t e di n t h e s ea r e a s ，t os e tu pc o m m u n i c a t i o nl i n e sa l o n ei su n d e s i r a b l ei nt h et e c h n i c a l a n de c o n o m i cb e n e f i t s c o m p a r e dw i t hw i r e dd a t at r a n s m i s s i o n ，w i r e l e s sd a t a t r a n s m i s s i o ni sr e s t r i c t e d s l i g h t l yb yt o p o g r a p h ya n de n v i r o n m e n t ，e a s yt o e x p a n da n dt h ee c o n o m i cc o s t so fi t sa p p l i c a t i o ni sl o w , c a nb e t t e rm e e td a t a c o l l e c t i o nn e e d so ft h ed a t ac o l l e c t i o np o i n t sd i s t r i b u t e di nf i e l d f o rt h ed a t ac o l l e c t t i o nf r o mg e o g r a p h i c a l l yw i d e l yd i s t r i b u t e df i e l dp o i n t s ， o nt h eb a s i so fs t u d y i n gt h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l e so ft h eg p r sn e t w o r ka n d t h er e q u i r e m e n t so ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，p r o p o s eaa r mc o r e $ 3 c 2 410 x a n dt h eg p r sn e t w o r kb a s e dd a t ac o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o ns y s t e m s t u d ya v a r i e t yo fw i r e l e s s t r a n s f e rm e t h o d ，s e l e c tt h eg p r sn e t w o r ka st h e t r a n s m i s s i o nc h a n n e l u s i n gg p r sn e t w o r kt ot r a n s f e rd a t ab a s e do nt h eg s m p u b l i cn e t w o r kc a nn o to n l ym e e tt h en e e d so ft h ev a s tm a jo r i t yo fd a t a t r a n s m i s s i o n ，a n da l s oc a nm e e tt h et i m e l yt r a n s m i s s i o no fd a t ai nr e a lt i m e t h e 工工i b a s i ci d e ai st h a t ，f i r s t l yt h ee m b e d d e d s y s t e mc o l l e c ta n df o r m a tt h ed a t a ，t h e n t r a n s m i tt h ed a t a t h r o u g ht h eg p r st e r m i n a la n da c c e s si n t e r n e tn e t w o r k t h r o u g ht h eg p r sn e t w o r k ，t oa c h i e v et h ed a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e nd a t a t e r m i n a la n dd a t ac e n t e r i no r d e rt og u a r a n t e ep o w e r f u lp r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e s a n dt h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m ，t a k e $ 3c 2 410 xb a s e do nt h ea r m a r c h i t e c t u r e a st h ec o r eo ft h es y s t e mh a r d w a r e ，a n di n t r o d u c ee m b e d d e do p e r m i n gs y s t e m g c o s i i a f t e rd e t e r m i n i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo v e r a l lp r o g r a mo ft h ed a t a c o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，i n - d e p t h l ys t u d yt h ea r m p r o g r a m m i n g m o d e la n dg c o s i ia r c h i t e c t u r e b a s i n go nt h es t u d y , c o m p l e t eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g n h a r d w a r e d e s i g nu s e $ 3c 2 4 10 xa st h ec o r e ，c o n t a i n s $ 3c 2 410 xc o r eb o a r d m o d u l e ，a dm o d u l e ，g p r sm o d u l e ，p o w e rm o d u l e ，s t o r a g es y s t e m s ，r e a l t i m e c l o c k c o m p l e t eh a r d w a r ed e s i g na n dd r a wt h ec o r r e s p o n d i n gs c h e m a t i c c o m p l e t e dg c o s - i it r a n s p l a n t a t i o na n dt h ep r o g r a m m i n go ft h ea p p l i c a t i o n s o f t w a r ef o rd a t a a c q u i s i t i o n a n dt r a n s f e r t a s k s ，i n c l u d i n g t h ea d d a t a c o l l e c t i o np r o c e d u r e s ，g p r sd a t at r a n s m i s s i o np r o c e d u r e sa n df l a s hd r i v e s o f t w a r e r e a l i z e dt oe n s u r eg p r s a l w a y so n l i n e t h i se m b e d d e dd a t ac o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o n s y s t e mh a sa b u n d a n t h a r d w a r ei n t e r f a c ea n df l e x i b l es o f t w a r er e s o u r c e sc o n f i g u r a t i o n t h ed e s i g nh a s g o o dv e r s a t i l i t ya n ds c a l a b i l i t y i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 k e yw o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n ，d a t at r a n s f e r , e m b e d d e ds y s t e m ，i ，t c o s - i i ， g p r s 吨 太原理工大学硕士研究生学位论文 二一- v l 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 本论文以煤矿野外太灰孔监测数据传输为背景，设计了该数据采集传输系统，本文 就该系统设计进行深入研究，其设计方法和一些成果可以借用到其它系统的设计开发。 从i b m 提出“智慧星球”的理念到温家宝总理提出“感知中国”，随着全球一体化、工 业自动化和信息化进程的不断深入，物联网悄然来临。物联网是通过各种信息传感设备 及系统( 如传感器网) 、条码与二维码、g p s ，按约定的通信协议，将物与物、人与物、 人与人连接起来，通过各种接入网、互联网进行信息交换，以实现智能化识别、定位、 跟踪、监控和管理的一种信息网络i l 】。物联网技术是传感器、通信和计算机三项技术的 密切结合的产物。这个定义的核心抽象出来就是数据的采集、数据传输和数据处理。 传感器网络是物联网的基础。近年来微型制造技术、通信技术及电池技术的改进， 促使微小的智能传感器具有感知、无线通信及信息处理的能力。也就是说，涉及人们生 活、生产、管理等各面的各种智能传感器已经比较成熟。传感器网是一个大的分布式网 络，通过有线和无线的通信将智能传感器互联起来，并通过传感器侦测外界环境如温度、 湿度等各种量，然后将这些信息传递给监控者。监控者根据这些信息掌握现场情况，进 而做出决策。现代社会许多工程和系统中都有传感器网络的影子，传感器网络是智能家 居、交通自动化等热门应用的基础，另外在环境检测、工业控制与测量领域有较广的应 用前景 2 1 。传感器网络使用目前的网络通信技术功能得到极大的拓展，使通过网络实时 监控各种环境、设施及内部运行机理等成为可能。传感器网络作为物联网的“前端感知” 系统，与物联网本身相同，核心是数据的采集、数据传输和数据的处理。 但是面对如今社会各方面信息化的大趋势，目前在某些场合铺设建立物联网或传感 器网络还是比较困难的。难点之一就是没有既经济又没有技术障碍的数据传输通道。比 如目前在我国水文监测、电力传输监测和天然气等资源的监测领域中对数据的汇集有急 迫的需要，但是在这些领域还没有经济实用的自动化数据采集和传输设备，大部分时候 仍然采用派遣技术人员进入现场进行数据采集和分析【3 1 。这种传统采集方式消耗非常多 的人力物力，还不可避免的引入了人为错误，数据的汇集和统一分析非常耗时耗力，对 太原理工大学硕士研究生学位论文 数据的处理分析滞后，不能及时发现数据中反应出来的问题并在问题的初期进行处理。 另外在对资源丰富的山西、西藏、青海、蒙古这些地域进行工业数据采集、自然资源检 测和环境检测时，稀少和偏远的采集点、高原和山区等自然环境都给数据采集和传输带 来许多困难，不能满足现代化、自动化和信息化的现实需要。由于上述资源的监测点分 散在很广阔的区域且有些应用环境恶劣，利用公用电话通道、电力载波等有线数据传输 途径就存在着各种各样的问题。这些问题总结起来主要有覆盖区域小，通信线路维护工 作量大，或者通信噪声污染严重致使通信不可靠等。随着无线通信数字网络的发展，采 用g s m 和g p r s 无线通信网等作为通信方式为上述问题提供了一个新的解决方案。 数据采集是指用传感器将温度、压力等物理量转换为电流或电压等模拟量，然后经 a d 转换将其最终转化为数字量，再由p c 进行存储、分析、显示的过程。相应的系统 称为数据采集系统【4 】。如今，随着电子信息产业飞速发展，新型元器件、大规模专用电 路和s o c 设计的引入和软件科学水平的提高，数据采集系统的整体技术水平迅速提升。 将嵌入式技术用于数据采集系统已成为又一个新的发展方向。嵌入式技术和数据采集系 统的融合，大大提高了数据采集系统的可靠性和功能再扩展能力【5 1 ，成为当下后p c 时 代数据采集系统广泛的应用形式。 物联网技术、传感器网络技术、数据采集和传输其实是融合在一起的技术，本质上 讲都是有许多具有感知能力( 数据采集和处理能力) ，通过网络技术连接起来的嵌入式 系统网络。在该网络中要求终端具有足够的处理能力，完成感知( 数据采集) 和信息的 传递( 数据传输) ，一定程度上还要求低功耗和可靠性。本文就这些要求，设计了下面 的基于a r m 的数据采集传输系统。 现今流行的a r m 处理器能很好的满足处理能力、低功耗和可靠性的要求，采用 a r m 架构在现有g p r s 网络的上构建嵌入式数据采集传输系统。结合实际需要，把嵌 入式技术的众多优点充分应用到现代数据采集传输系统的设计中去，以嵌入式a r m 芯 片为硬件控制平台，以嵌入式g c o s i i 为操作系统，依靠技术成熟覆盖面广的g p r s 网络构建系统。a r m 架构给数据采集装置足够强大的处理能力，g c o s i i 操作系统的 引入增加了系统的可靠性，借助比较成熟的g p r s 技术解决了分散布置的测点的数据采 集和汇聚。该嵌入式数据采集系统实现了元器件的高度集成化，尽量缩小体积，具有功 能强大、成本低、可靠性高、功耗低等特点，具有很强的实用性和新颖性。该方案经济 效益好，且具有扩展性，在本方案上根据实际需要稍加修改就可以广泛的用在地理分布 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 分散的工业数据检测和环境监测。 1 2 远程数据传输方式发展现状 在某些应用场合，监测对象距离较远或现场环境恶劣，一般选择是在现场安装设备 将数据传输到监视中心，这便产生了远程数据采集系统的需要。随着自动化程度和信息 化的要求不断提高，对现场数据远程采集与传输要求也日益提高。远程数据采集系统可 使技术人员不需要到达生产现场就能获取重要生产数据和设备运行状态。 现今，远程数据传输方式按传输介质分类，可以分为两大类：有线远程数据传输和 无线远程数据传输。有线远程数据传输发展较早，种类相对较多，主要是基于电话网络 的远程数据传输、基于因特网的远程数据传输、基于电力线载波的远程数据传输和基于 专用线路的远程数据采集。无线远程数据传输种类较少，主要是数据电台、卫星通信和 基于g s m 的g p r s n 。 基于公用电话网络的远程数据传输是利用有线调制解调器将数据调制成可在公用 电话网络传输的信号经电话线传输到远方数据中心，在数据中心用解调器再将数据解调 恢复出来从而实现数据的传输【7 】。在公用电话网上实现远程数据传输，一般采用上下位 机结构。上位机就是数据中心一般是工控机，在上位机安装解调工具，接收分析处理接 收到的数据。下位机利用单片机采集数据、并控制调制芯片或模块将数据放进电话网络。 现今的传输是双向的，双方都可以发起数据传送，可以实现控制功能。较于传统的分布 式总线系统需要布置许多的中继和放大装置，布线繁琐，基于公用电话网络的远程传输 数据方式有较大的优势，不存在维护问题，而且随着应用的增加，系统功能扩展较方便。 但是，电话网络建立通信连路的需要多个回合的握手应答过程，建立数据链路较慢，在数 据采集点众多的情况，通信效率将大幅度降低【8 】，另外基于公用电话网落的费用相对较高。 i n t e m e t 又称因特网，该网络利用通信线路和设备把地理位置分散的、功能独立的计 算机连接起来，按照网络协议相互通信，以共享软件、硬件和数据资源为目标【9 1 。i n t e r a c t 使用了一系列的通信协议，实现网际互联和通信服务。其中t c p i p 协议是最核心的。 i n t e r n e t 以其t c p i p 协议的开放性将各种不同的网络融合为一个全球规模的巨大网络。 然而虽然i n t e r a c t 是一个全球性的网络，此全球的概念更多的体现在城市互联、企 业互联和个人用户互联，而不是所有区域。覆盖状况与公用电话网络类似，对于野外环 境检测、石油资源监控和电力线路检测某些应用，这些测点是没有共有i n t e r n e t 网络接 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 入的，单独建立线路用于数据传输不经济。 电力线载波通信是以输电线路为传输介质的通信方式。工作原理为将数据或语音调 制在几十至几百千赫兹的载波频率上，以输电线为通信介质将载波信息发送出去，接收端 有匹配的解调装置可以将载波接收并解调出原始语音和数据信息【l o 】。通讯的载体就是已 经广泛架设的输电线，无需像其它有线通信那样需要增加专用的线路介质。 但是电力线载波通信有其固有缺点【1 1 , 1 2 】： 1 电力线上电脉冲和背景噪声干扰使信号质量差； 2 信息量小，线路停运时检修时( 有地线时) 就不能传送数据： 3 电力线高负荷时对载波信号消减严重。 这些特点造成数据在电力线上不能高质量传输，从而不能很好的应用于数据的传输。 专用线路是指自己架设特定用于某种用途的有线通信线路，通讯介质和通讯机制都 由自己选择，可以根据数据采集的特点制定灵活的采集方案。架设专用线路的技术成 本和经济成本都是十分巨大的。 随着我国高速信息公路建设进程化的全面推进，各行各业对数据传输的要求也来越 高。传统的有线数据传输稳定高效，但是如果数据采集点较多，且分散在较广复杂地域， 其建网成本高、不易施工、线路维护任务繁重，已很难适应数字化数据传输和的要求， 相比之下，无线数据传输在这些方面有着很大的优势。 数传电台( d a t ar a d i o ) 是在v h f 、u h f 频段传输信息的数据传输电台。数瓦功率的电 台可以在几十公里范围内以3 0 0 1 9 2 0 0 b p s 的速度传输数据【l3 1 。在v h f u h f 频段的超短 波无线通信领域，通常将超短波无线数传电台( 简称数传电台) 用于工业远程数据采集 和控制系统，即遥控遥测系统。数传电台一般用在恶劣环境，因此对其技术和稳定性要 求严格。 在三遥( 遥测、遥信、遥控) 系统中，一般采用2 2 0 m h z 数传电台用于数据传输和 控制指令的下发。该种电台的非常广泛的应用在工业生产和生活中，如电力负荷监控调 度，电网配变站的监控、水文的水情监测、水库的水位数据收集、城市供水系统监测、 污水处理系统监测监控、城市路灯及交通信号灯的监控等【1 4 】。在这些系统中通过数传电 台将远端采集点的数据实时、可靠地发送到各级监控中心，并接收各级监控中心的控制 指令，从而实现远端数据实时传送。它是无线数据传输系统中专用的无线数据传输通道， 在系统中是不可缺少的一部分，在很多情况下，它是以嵌入式安装在各类仪器仪表及设 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 备中进行工作。 卫星通信系统是一种由卫星端、地面端和用户端组成的无线微波通信系统，用户以 用户端身份接入到卫星端，以绕地球轨道的人造卫星将用户端和地面端发来的微波信号 转发到其它用户端或转发到地面端以实现远距离通信。卫星工作在高于地面上万公里转 发信号，这种通信方式使其对地面的覆盖接近所有地表【1 5 l 。 卫星通信的特点呱1 7 1 是： 优点：( 1 ) 通信质量好 ( 2 ) 有较广的通讯范围，对地貌不敏感： ( 3 ) 在卫星通信微波覆盖的区域，可实现任意两点间通信； ( 4 ) 可靠性高，陆地自然灾害对其影响甚微； ( 5 ) 增加通信线路较快，网络建设速度快，且成本与距离无关； ( 6 ) 可单点发送多点接收，能经济地实现广播、多址通信( 多址特点) ； ( 7 ) 不同区间和不同方向可共享相同信道( 多址联接) 。 ( 8 ) e g 路可灵活设置，随时可分流集中的数据量； 缺点：( 1 ) 卫星通讯资费昂贵，高于电缆逋信费用的数十倍； ( 2 ) 设备被物体遮盖后通信信号不稳定或消失，例如山体和高楼等 卫星通讯依靠它广阔的覆盖面积和对地貌不敏感等优势，弥补了有线通讯的缺点， 使其在有线通讯不易延伸到或不易于建设维护的领域应用较为普遍，例如渔政、水利防 汛、山区高原村村通、救灾、勘探科考等。 g p r s 是g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e 的缩写，称为通用分组无线业务。g p r s 网络 是在g s m 基础上增加功能软硬件构建的用来传输分组数据的网络，接入g p r s 网络的 用户终端可以使用分组交换的方式发送和接收数据，通常又称作2 5 g 技术。由于移动 用户对数据业务的需要，自1 9 9 8 年的国际通信展览会上爱立信首次展示商用g p r s 技 术，该技术得到了世界各大移动通讯运营商的支持，到如今该技术已经全面普及，全球 所有移动运营商都有g p r s 数据业务。 无线数据系统采用g p r s 技术十分普遍，g p r s 使互联网与无线g s m 网络结合起来， 使g s m 网络和i n t e r n e t 应用相互延伸。g p r s 不仅支持传统的互联网应用，在许多新的 领域也有广泛的使用，在g p r s 终端支持下可以实现智能交通系统，无线远程监视控制等 应用。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 中国的g p r s 网络是目前世界上覆盖最广最大的移动通信网络，据中信部统计，截 止2 0 1 1 年底，中国己有移动基站达7 1 4 万多个，其网络覆盖率高达9 5 ，目前己在全 国3 1 个省2 4 0 多个城市均有良好覆盖，因此在g p r s 无线数据应用领域开发具有广泛 的前景和重要的意义。g p r s 借助g s m 网络可以实现快速登录、快速自由切换、按流 量计费和永远在线，较适合周期性、低频率和小流量的数据传输。现实中广域数据采集 大部分应用需要传输的数据量都较小，所以基于移动通讯网络的无线传输系统成为数据 传输的主要通道。g p r s 无线数据传输是基于i p 网络的，与外部网络结合能力强，其传 输实时、稳定、速度较快，理论上能达到1 7 1 k b s ，能满足数据传输的技术要求。另外， g p r s 利用移动公网的资源，覆盖面广、费用低，不受地域限制，更重要的是g p r s 网 络作为2 5 g 的移动通信系统，是g s m 网向3 g 网过渡的中间阶段，网络的升级对于用户 应用是透明的。 1 8 - 2 1 】 g p r s 技术弥补了有线数据传输的一些缺点，用g p r s 传输技术建立的数据采集传 输系统可以很好的完成相距遥远、分散的测点的数据采集任务，能够很好的应用于电力、 铁路等，随着需要采集点规模的扩大，可以方便的扩充系统，增加数据采集终端的灵活 性。 1 3 嵌入式系统 i e e e 给嵌入式系统的定义为：控制、监视装置、或者辅助机器和设备运行的装置 ( d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r , o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。 从该定义可以看出，嵌入式系统是软件和硬件结合的系统，硬件可以包括辅助的机械执 行机构。研究人员普遍认同的定义是：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、体积、功耗严格要求的专用计算机系统 2 2 1 。本质上讲嵌入式系统是硬件和软件两部分组成的，根据特定应用选用硬件系统和软 件结构。 1 3 1 嵌入式硬件系统 嵌入式系统的硬件是以嵌入式微处理器为核心，主要由嵌入式微处理器、总线、存 储器及i o 接口和外围设备组成。 每个嵌入式系统至少包含一块嵌入式微处理器。与通用c p u 的区别是，嵌入式微处 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 理器是应用在为特定用户完成特定任务的专用系统中，运算和处理专设任务。针对特殊 运用在硬件上做了适应性设计，将通用c p u 上由主板承担的工作任务转移在芯片内部 完成，这样的设计有利于减小嵌入式系统硬件的体积，同时大大调高可靠性和效率，降 低能耗【2 3 1 。 按是否将指令存储器和数据存储器分开，微处理器结构分为冯诺依曼结构( v o n n c u m a m 1 ) 结构和哈佛( h a r v a r d ) 结构。采用冯诺依曼结构的处理器指令存储器和数据 存储器不分开，分时复用同一总线在共用存储器上取指令或数据。采用哈佛结构的微 处理器，程序空间和数据空间是分开的，并且由两条总线分别存取指令和数据。哈佛 结构相较于冯诺依曼结构，因为分用不同存储器和总线，在执行效率上大大提高【2 4 1 。 按指令集划分，微处理器分为采用精简指令系统r s i c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 的微处理器和采用复杂指令集系统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 m e r ) 微处理器。 精简指令集与传统的复杂指令集相对，有统一指令格式，指令较少，寻址简单，这样 处理性能就提升许多。嵌入式微处理一般采用哈佛结构和精简指令集，高效的指令集 和可以同时存取数据和指令的特性，大大提高了嵌入式微处理器的处理能力和执行效 率。 程序计数器 地址 存储器 卜 ( p c ) 程序 ( 指令) c p u 数据 _1 卜 数据 j 图1 1 冯诺依曼体系结构 f i g1 1v o nn e u m a n n a r c h i t e c t u r e 图1 2 哈佛体系结构 f i g1 - 2h a r v a r da r c h i t e c t u r e 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 嵌入式可以根据应用不同采用不同的体系结构、不同的时钟速度、不同的总线数据 宽度或集成不同的外设，这造成嵌入式处理器种类极其丰富。应用上一般按微处理器的 体系结构分类，流的体系有a r m ，m i p s ，p o w e r p c ，x 8 6 ，6 8 k c o l d f i r e 和s u p e r h 等 】。微处理器的选择是由具体应用所决定的。 嵌入式的总线一般与嵌入式微处理器核集成在一起。从微处理器的角度看，总线可 以分为片外总线( ! t 1 p c i ，i s a 等) 和片内总线( 女n a m b a ，a v a l o n ，o c p 和w i s h b o n e 等) 选择总线和选择微处理器密切相关，总线随不同的微处理器结构而不同。 嵌入式的存储器主要包括主存和外存，大多数嵌入式系统的代码和数据都存储在处 理器可以直接访问的地址空间也就是主存中。系统上电后系统主存代码直接运行。主存 的特点是速度快，一般采用r o m 、e p r o m 、n o r f l a s h 、s r a m 和d r a m 等存储器件， 一般存储容量较小。外存一般是处理器不能直接访问的存储器，用来存放各种数据，相 对主存来说速度慢、价格低、容量大。嵌入式系统中一般采用n a n df l a s h 、s d 卡等作 为外存。 嵌入式的系统的大多数i o 接口和部分设备已经集成到嵌入式微处理器中，i o 接 口主要有中断控制器、d m a 、串行接口等；设备主要有定时器( t i m e r s ) 、计数器( c o u n t e r s ) 、 看门狗定时器( w a t c h d o gt i m e r s ) 、r t c 、u a r t x p w m ( p u l s ew i d t l lm o d u l a t o r ) 、a d d a 、 l c d 控制器等 1 3 2 嵌入式软件系统 嵌入式发展的开始，一般只应用于工业控制领域，硬件资源简陋，应用范围较小， 不需要操作系统软件。一般都是根据应用的需要，直接在硬件上实现应用程序，该阶段 的软件较小，软件不如硬件功能重要，是作为硬件的附属物才在的。一般实现结构为循 环轮转系统或前后台系统。循环轮转的思路是：在一个主循环中依次处理所有任务，任 务的执行顺序不变，执行一轮后跳转到开始处重新执行。前后台系统是在轮询的基础上， 增加了中断处理【2 6 1 。 从上世纪8 0 年代开始，嵌入式操作系统开始盛行。在引入“操作系统”的概念下，其 解决问题的一般思路是：先向嵌入式硬件系统中移植一个操作系统，然后在这个操作系 统下再运行相应的应用程序来解决具体的问题。嵌入式操作系统的主要任务包括任务管 理、任务间通信、中断支持、内存管理和模块驱动等等，在这些系统模块提供的接口支 持下，应用的编写是根据这些接口进行，而不是针对嵌入式设备硬件2 7 , 2 8 。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 现在，嵌入式应用系统的特点是功能多、逻辑复杂、系统规模较大，其开发较为复 杂、困难。在这种状况下，采用嵌入式操作系统的优点更加突出、更加重要。这种开发 模式的优点【2 9 1 有： ( 1 ) 提高了系统的可靠性 ( 2 ) 提升开发效率，减小应用交付时间 ( 3 ) 使系统易于的扩展和移植 对于不同的嵌入式操作系统，他们包含的组件可能不相同，但是，每个操作系统都 必须实现一个内核( k e r n e l ) 。内核是系统最底层负责管理系统软硬件资源的模块，提供 任务管理功能、中断管理功能、存储管理功能、i o 设备管理和文件系统管理等功能。 任务的管理功能主要是对系统中的任务进行记录和管理，调度任务、分配计算时间。 中断管理是内外部中断进行处理，高效完成紧急事件处理，避免任务失败。存储管理主 要是针对系统内存，优化内存的使用。i o 管理也是为了便于设备的使用，提高处理机 和输入输出设备的使用效率。文件管理主要是解决数据的有序存储和保护【3 0 1 。对于不同 的应用场合，内核的设计和选用不相同，并不用一定包含所有的模块。 嵌入式操作系统产品已遍及生活和工业生产的各个方面，嵌入式操作系统已经形成 了一个全球性的产业。 1 4 本文主要内容及安排 本文是基于a r m 硬件核心、实时操作系统i , t c o s i i 的g p r s 数据传输应用设计， 主要的工作是搭建一个嵌入式的g p r s 数据采集传输的软硬件平台，并且扩展一些必需 的接口，为其它嵌入式数据采集应用提供基础研究，方便后续的研究和扩展开发。 第一章明确了本文基于g p r s 的数据采集传输系统的目的意义、任务要求，描述了 远程数据采集传输的发展现状，论述了嵌入式系统内涵、特点、组成和分类。 第二章分析g p r s 网络结构原理、数据采集方式和处理方式，确定数据采集系统的 整体方案，确定开发方向。 第三章研究本数据采集传输系统所涉及的关键技术，内容主要包括a r m 体系结构、 编程模式和嵌入式实时操作系统g c o s i i 的多任务管理、任务调度、任务间通信、时 钟管理、中断管理等内核原理，确定了p c o s i i 应用在本数据采集传输的移植方法。 第四章根据本数据采集传输系统的需要，对硬件电路进行了总体设计和器件选型， 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 研究选取的硬件核心处理器模块，并分别设计电源电路模块、复位电路、存储器电路模 块、a d 数据采集电路模块和g p r s 数据传输电路模块等功能模块，完成电路设计。 第五章研究分析g c o s i i 的代码并将其移植到$ 3 c 2 4 1 0 x ，完成本数据采集传输系 统的a d 数据采集程序、g p r s 数据传输程序等应用程序和f l a s h 驱动程序的编写，将硬 件、嵌入式系统还有应用结合在一起，构成完整协调的系统，实现数据采集传输的数据 采集、数据存储和数据传输等功能。 第六章对全文总结。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章数据采集传输系统总体方案 2 1g p r s 网络结构和原理 针对移动网络对数据传输业务的需要，而当时g s m 网络无法传输分组数据的状况， 英国b tc e l l n e t 公司研发了g p r s 技术，并于1 9 9 3 年公布了该技术。该技术提出后得 到迅速的发展，在1 9 7 7 年加入到g s mp h a s e 2 + 规范。g p r s 技术是基于g s m 网络设备的 移动分组数据业务技术，技术水平介于g s m 技术和3 g 技术之间，被称为2 5 g 技术。 为第二代通信技术到第三代通信的技术的顺利提供了有力的支持。 g p r s 系统是在g s m 网络的基础上建立的数据传输网络，为了支持数据传输，g p r s 在g s m 系统中增加了很多支持模块。要使用g p r s 进行数据传输，必须掌握g p r s 网 络结构和传输理论。 g p r s 网络在利用现有g s m 设施的，增加、升级了部分硬件和软件用于支持分组 数据的传送，相比于原g s m ，形成了新的网络结构。该网络具有新的网络逻辑，与g s m 网络逻辑相交但是不同。该网络结构和内容，可以在g s m 覆盖的广域上提供端到端的 i p 网络连接或x 2 5 连接网络的服务。其网络与外部网络连结构如图2 1 所示。 j 图2 1g p r s 网络结构【3 2 】 f i g2 - 1g p r sn e t w o r ks t r u c t u r e 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 g s m 有多个信道无线信道，g p r s 所采用的分组交换技术，可以使数据在任一g s m 无线信道上传输。数据可以同时在不同信道上传输，占用多个信道，另外不同用户的信 息也可以在同一个信道上传输。这保证了在信道不全的状况下数据也是可以传输的；在 信道充裕的情况下，数据可以由多通道传输，数据可以以较大速率传输。g p r s 技术所 能提供的传送速度可以达到1 6 0 k b p s t ”】，能够满足大部分数据采集传输系统的需要。 2 1 1g p r s 网络的逻辑体系结构与接口 g p r s 在现有g s m 网络的基础上引入新的网络实体，用来完成分组数据的传输， 这些网络实体主要包括以下几种：服务g p r s 支持节点( s g s n ) 、网关g p r s 支持节点 ( g g s n ) 、分组控制单元( p c u ) 、边界网关( b g ) 、计费网关( c g ) 和域名服务器( d n s ) 等功 能实体 3 3 , 3 4 , 3 5 】。对b s s 升级软件和硬件后，g p r s 与g s m 网络的使用同一b s s 系统； 引入新实体后需要重新划定新的“混合”系统的接口。g s m 网络中需要升级基站控制器 ( b s c ) 、基站收发信台( b t s ) 、m s c v l r 、h l r g p r s 寄存器等用于支持分组数据的传 输【3 列。g p r s 系统的基本逻辑结构与接口如图2 2 所示。 信令和传输接口 l i t2 - 2g p r s 系统的逻辑结构与接口f 3 5 】 f i g 2 - 2l o g i c a ls t r u c t u r ea n di n t e r f a c eo fg p r ss y s t e m 1 g p r s 接入点 g p r s 网络的接入点如图2 3 所示。 1 2 回 景 太原理工大学硕士研究生学位论文 r 参考点 g i 参考点 图2 - 3g p r s 接入点 f i g 2 - 3g p r sa c c e s sp o i n t 用户接入点：u m 接口和r 参考点 网间接入点：g p 接1 ：3 到外部固定网络的接入点：g i 参考点3 6 ，3 8 2 g p r s 系统的网络实体 ( 1 ) 终端设备t e t e 是终端设备的简称，在g p r s 系统的末端，完成用户分组数据发送和接收功能。 ( 2 ) 移动终端m t m t 都配备了g r r s 功能软硬件，完成t e 同b t s 之间的接口转换，发起t e 到s g s n 之间的链路。该链路由两部分组成，分别是m t 与t e 的通讯部分，一般由串行口通讯 完成；另一部分是t e 到b t s 之间的无线链路，被称为空中接口。信息由m t 于b t s 之间的空中接i s l 进入到g p r s 网络【3 7 , 3 8 。 从终端的角度看，m t 就是一个无线调制解调器，负责数据的调制和解调，并将数 据放入传输接口部分。移动终端m t 功能与终端设备t e 功能可以集成到一起，集成在 一起的设备一般称为m s 移动台。 ( 3 ) 分组控制单元p c u p c u 是支持分组数据业务在b s s 侧配置的g p r s 处理单元，它与b s s 协同工作来 管理分组数据无线信道资源，处理分组数据业务。 ( 4 ) g p r s 服务支持节点s g s n s g s n 是实现在g s m 网络上承载g p r s 分组数据业务的目的而增加配置的无线网 络设备，是g p r s 数据网络中的核心单元。g p r s 数据网络是按s g s n 对服务区域进行 划分。每个s g s n 区域内，s g s n 的作用是分发接入到该服务区域的m s 的上行或下行 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 i p 数据分组。s g s n 的功能类似内网路由器为分组数据包进行路由和转发，通过与 b s s 之间的g b 接口管理移动台m s ，进行加密管理和用户权限分配；通过与g g s n 之 间的g n