（電路與系統(tǒng)專業(yè)論文）嵌入式系統(tǒng)在糧情監(jiān)測中的應用基于arm9.pdf

原創(chuàng)性聲明 l r l lll l lf l lf lr l l i i iiil 18 3 2 4 16 i 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究 所取得的成果。除文中已經注明引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集 體已經發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均 已在文中以明確方式標明。本聲明的法律責任由本人承擔。 學位論文作者：王航毋 日期：沙扣年歲月姹日 學位論文使用授權聲明 本人在導師指導下完成的論文及相關的職務作品，知識產權歸屬鄭州大學。 根據鄭州大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留或向國家有關部門 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；本人授權鄭州大學 可以將本學位論文的全部或部分編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印 或者其他復制手段保存論文和匯編本學位論文。本人離校后發(fā)表、使用學位論文 或與該學位論文直接相關的學術論文或成果時，第一署名單位仍然為鄭州大學。 保密論文在解密后應遵守此規(guī)定。 學位論文作者：王朋沿 日期：o 。年歲月埸日 摘要 摘要 糧食問題是關系國計民生的重要問題，實時準確地掌握糧食儲藏數量及其質 量對于制定政策和解決社會問題具有重要的意義。隨著半導體技術的快速發(fā)展， 越來越多的設備開始采用嵌入式處理器，該論文就是將嵌入式處理器a r m 9 和 l i n u x 操作系統(tǒng)相結合，設計了一個在線的網絡化糧情監(jiān)測系統(tǒng)。文章分別從硬 件平臺和軟件設計兩個方面詳細的討論了該糧情監(jiān)測系統(tǒng)的設計和實現方法。 在硬件設計方面，本文以a r m 9 處理器為控制核心構建了硬件平臺來代替 傳統(tǒng)的以單片機為處理器的糧情監(jiān)測系統(tǒng)，增強了系統(tǒng)的監(jiān)測功能，提高了監(jiān) 測系統(tǒng)的兼容性。 在軟件設計方面，建立了嵌入式系統(tǒng)運行的軟件環(huán)境，并進行了相應驅動程 序和應用程序的設計。在設計的過程中具體實現了b o o t l o a d e r 移植、l i n u x 內核 移植、文件系統(tǒng)的建立、溫度和壓力傳感器驅動程序及其應用程序的開發(fā)。此 外，在該系統(tǒng)上還構建了嵌入式網頁服務器，設計了用于遠程查詢監(jiān)測信息的 c g i 程序。在該系統(tǒng)中作者分析了現有糧情監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)缺點，把嵌入式系統(tǒng)應 用于糧情監(jiān)測，利用l i n u x 在通信和網絡方面的優(yōu)勢，實現了監(jiān)測系統(tǒng)的基本功 能，具有一定的實用價值。 文章的最后給出了該監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測結果，分析了該系統(tǒng)在軟件和硬件方面 的不足之處，同時對下一步的研究方向作了展望。 關鍵詞：a r ml i n u x 嵌入式系統(tǒng)$ 3 c 2 4 4 0g p i o a b s t r a c t a b s t r a c t t h ef o o dp r o b l e mi sa ni m p o r t a n ti s s u et ot h ep e o p l e sl i v e l i h o o d i ti si m p o r t a n tt og r a s pt h e q u a n t i t ya n dq u a l i t yo fg r a i ns t o r a g ea c c u r a t e l y , b e c a u s ei tc a nh e l pu st of o r m u l a t ep o l i c i e sa n d s o l v es o c i a li s s u e s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r ed e v i c e ss t a r tu s i n g e m b e d d e dp r o c e s s o r , t h i sp a p e ra l s ou s e sa ne m b e d d e dc h i pn a m e da r m 9 i tp r e s e n t sa n e t w o r k - b a s e dm u l t i - f u n c t i o n a lm o n i t o r i n ga n dm e a s u r i n gs y s t e mo ft h eg r a i n s t h em e a s t a - i n g s y s t e mi sb a s e do na r m 9e m b e d d e dp r o c e s s o ra n dt h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e m t h ef o l l o w i n g p a p e rg i v e sap a r t i c u l a rd e s c r i p t i o no f t h eh a r d w a r ep l a t f o r ma n ds o f t w a r ed e s i g n o nt h eh a r d w a r ed e s i g n , t h i sp a p e ru s e sa r m 9b a s e dh a r d w a r ep l a t f o r mt or e p l a c et h e t r a d i t i o n a ls i n g l ec h i p 舔t h ep r o c e s s o ri ng r a i nm o n i t o r i n g s y s t e m t h i sd e s i g np r o p o s a l e n h a n c e dt h es y s t e m sm o n i t o r i n gf u n c t i o n sa n di m p r o v e di t sc o m p a t i b i l i t y i ns o f t w a r ed e s i g n , t h ea u t h o rs e tu pas o f t w a r ee n v i r o n m e n ta n dm a d et h ea p p r o p r i a t e d r i v e r sa n di t sa p p l i c a t i o n i nt h ep r o c e s so fd e s i g n i n g ，s o m ew o r k sh a v eb e e nd o n ef o re x a m p l e p o r t i n gt h eb o o tl o a d e ra n dl i n u xk e r n e l ，t h ee s t a b l i s h m e n to ff i l es y s t e m , w r i t i n gd e v i c ed r i v e r a n di t s c o r r e s p o n d i n ga p p l i c a t i o no ft h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r es e n s o r s i na d d i t i o n , t h e e m b e d d e dw e bs e r v e ra n ds o m ec g ip r o g r a mh a sb e e nb u i l to nt h i ss y s t e mf o rr e m o t eq u e r y m o n i t o r i n gi n f o r m a t i o n i nt h i ss y s t e m , t h ea u t h o ra n a l y z e dt h e s i t u a t i o no fe x i s t i n gf o o d s u r v e i l l a n c es y g e m sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，a n dt h e ni n t r o d u c e de m b e d d e ds y s t e m st o m o n i t o rt h eg r a i n ss i t u a t i o n t h i sd e s i g np r o p o s a lt a k e sa d v a n t a g eo ft h ec o m m u n i c a t i o n sa n d n e t w o r kf u n c t i o no fl i n u xt oa c h i e v et h eb a s i cf u n c t i o n so ft h em o n i t o r i n gs y s t e m ，s oi th a s s o m ep r a c t i c a lv a l u e s f i n a l l y , t h ep a p e rg i v e st h er e s u l t so ft h em o n i t o r i n gs y s t e m , a n a l y z e st h es h o r t c o m i n g so f t h i ss y s t e mi ns o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，a n dp o i n t so u td i r e c t i o n sf o rt h ef u t u r er e s e a r c h 。 k e yw o r d s ：a r ml i n u xe m b e d d e ds y s t e m $ 3 c 2 4 4 0g p i o h 目錄 目錄 摘要j i a b s t r a c t i i 1 緒論1 1 1糧情監(jiān)測系統(tǒng)概述1 1 2 糧情監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展現狀1 1 3糧情監(jiān)測系統(tǒng)結構框圖2 1 4 課題的研究背景及意義2 1 5論文的主要研究內容3 2 系統(tǒng)總體設計4 2 1系統(tǒng)工作原理4 2 2硬件功能分析4 2 3軟件框架及開發(fā)流程5 3 系統(tǒng)硬件設計7 3 1系統(tǒng)硬件平臺的選擇7 3 2核心板組成7 3 2 1核心處理器7 3 2 2s d r a m 存儲電路8 3 2 3f l a s h 存儲電路9 3 3底板電路設計1 0 3 3 1串行口硬件電路1 0 3 3 2以太網模塊接口1 1 3 3 3h i ) 轉換電路1 2 3 3 4g p i o 擴展接口1 2 1 目錄 3 3 5u s b 接口1 3 3 3 6s d 卡控制器接口1 3 3 4 輔助控制板1 4 4 系統(tǒng)軟件平臺構建1 5 4 1搭建嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境1 5 4 1 1安裝發(fā)行版l i n u x 1 5 4 1 2搭建交叉編譯環(huán)境1 6 4 1 3配置宿主機1 7 4 2u - b o o t 的移植1 8 4 2 1b o o t l o a d e r 介紹1 8 4 2 2u - b o o t 啟動過程1 8 4 2 3u - b o o t 的移植1 8 4 2 4制作補丁文件2 0 4 2 5燒寫u - b o o t 到目標板2 2 4 3l 州x 內核移植2 3 4 3 1l i n u x 內核結構2 3 4 3 2下載內核并打補丁2 4 4 3 3添加相關驅動2 5 4 3 4配置內核2 5 4 3 5編譯調試2 5 4 4文件系統(tǒng)構建2 7 5 嵌入式l i n u x 設備驅動設計2 9 5 1設備驅動程序概述2 9 5 1 1虛擬地址2 9 5 1 2設備驅動程序類型3 0 5 1 3中斷處理3 0 5 1 4設備注冊和注銷3 3 玎 目錄 5 1 5驅動程序頭文件3 4 5 2設備驅動程序設計方法3 7 5 3 溫度傳感器驅動程序設計3 7 5 4壓力傳感器驅動程序設計3 9 5 5g p i o 驅動程序設計4 1 6 應用程序設計4 2 6 1應用程序設計概述4 2 6 2 溫度傳感器應用程序設計4 2 6 3壓力傳感器的應用程序設計4 4 6 4 串口應用程序設計4 5 6 5 w e b 服務器及其c g i 程序設計4 6 6 6u s b 鍵盤捕獲程序設計4 8 7 總結與展望4 9 7 1 本文總結4 9 7 2 展望4 9 參考文獻5 0 致謝5 2 個人簡歷在學期間發(fā)表的學術論文與研究成果i 附錄a 系統(tǒng)實物圖i i 附錄b 圖表清單i i i 1 緒論 1 緒論 1 1 糧情監(jiān)測系統(tǒng)概述 糧食是人類生存和發(fā)展的第一需要，是關系國計民生的重要產品，儲糧安 全是國家糧食安全的重要組成部分，國家儲糧數量及其質量數據是一個國家安 全的重要信息之一。實時準確地掌握糧食儲藏數量及其可靠性對國家制定糧食 政策，解決社會保障問題、以及處理國際問題提供了重要的依據。國家儲糧數 量及其儲糧的溫度、水分、病蟲害等情況的網絡化實時監(jiān)測是國家糧食部門一 直迫切想要解決的問題。最近幾年，國庫內糧食被倒空賣空賺取糧食差價，然 后又補不回倒賣的糧食的現象時有發(fā)生，給國家造成了重大的損失，更有甚者 通過倒倉的方式來套取國家補貼。每年國家花費大量的人力、物力用于清倉查 庫，因此開發(fā)出簡單方便、實時在線的網絡化監(jiān)測系統(tǒng)勢在必行。該課題的研 究有助于保證糧食儲存水平，簡化儲糧管理，節(jié)省清倉查庫的巨額資金，對于 維護社會穩(wěn)定和保證國家安全也有重要的意義。 1 2 糧情監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展現狀 現階段糧情測控系統(tǒng)的主要功能還是局限于溫度監(jiān)測和簡單的糧情分析，例 如測定糧食的溫度和濕度，而對糧食本身所含的水分、糧食所遭受的蟲害情況 以及糧庫內的氣體成分等糧情問題的監(jiān)測還屬于空白，另外市面上各家糧情監(jiān) 測軟硬件平臺多樣化，常常不能相互通信，造成系統(tǒng)的軟硬件兼容性差，這些 問題給國家掌握儲糧數量及其質量造成了諸多不便，同時也給儲糧的安全帶來 了隱患。 目前，對傳感網的研究成為了一個熱點，將基于傳感網的多傳感器信息融 合技術用于糧倉儲存糧食的真實性及其質量的研究將會成為一個比較重要的方 向。例如：在糧食儲藏過程中，對糧食的數量有重要影響的是糧食的水分和濕 度，而對儲糧的質量有影響的是蟲害情況?？梢蚤_發(fā)儲糧專用傳感器或者利用 電磁波在不同介質中傳播的特性不同，或者根據電磁波反射的參數，推導得出 糧食數量及其水分等數據信息，然后對這些不同的傳感器觀測到的信息預處理， 再依據信息融合算法進行信息融合，得出可信度最大的融合結果。 1 緒論 1 3 糧情監(jiān)測系統(tǒng)結構框圖 該系統(tǒng)包含客戶機、交換機、a r m 9 模塊、通風控制模塊。其結構圖如圖1 所示： 圖1 - 1 系統(tǒng)結構示意圖 圖卜l 中客戶機是指在局域網內任何一臺帶有瀏覽器的個人計算機，如果 在外網，則需要給控制器提供一個固定的i p 或者是固定的域名，然后使有權限 的用戶能夠通過萬維網訪問本測控子系統(tǒng)。a r m 9 控制器主要負責糧倉溫度、壓 力等信息的采集和處理，控制器還負責與通風控制器的通信，發(fā)送命令到通風 控制器進行手動控制，單片機本身也可以根據糧倉內的溫度進行自動控制通風， 此外該系統(tǒng)還利用b s 模式提供一個數據信息查詢或控制的頁面【”。對于糧倉內 糧食溫度的測量則是用單總線溫度傳感器構成監(jiān)測網絡來實現：對于糧倉底部 糧食的壓力測量采用的是河南工業(yè)大學最新研制的壓力傳感器，然后根據糧倉 底部的壓力和糧倉的面積計算出整個糧倉內糧食的平均密度【2 】。以上的所有模塊 中該嵌入式處理器是整個系統(tǒng)的核心，監(jiān)測系統(tǒng)通過外擴的網卡電路使該系統(tǒng) 可以接入網絡，同時作為一個w e b 服務器來響應客戶機的請求，從而完成數據 的傳輸和控制。 1 4 課題的研究背景及意義 該課題以研究安全儲糧為背景，來自于國家十一五科技攻關項目“安全綠 色儲糧關鍵技術研究開發(fā)與示范”其中的關于網絡化多功能糧情監(jiān)控集成技術 1 緒論 和系統(tǒng)研究開發(fā)。該監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)是其中的一部分，對于建立多功能的糧情 監(jiān)測軟硬件平臺提供了一定的基礎，同時也有助于實時的掌握國家糧食數量和 糧倉內糧食的溫度信息。 1 5 論文的主要研究內容 該課題以開發(fā)在線的網絡化糧情監(jiān)測和溫度采集為目的，在a r m 9 處理器 的核心平臺上構建了u b o o t 和l i n u x 2 6 內核，實現了監(jiān)測系統(tǒng)的測重、測溫和 通風控制等基本功能。在完成此課題的過程中解決了u b o o t 下驅動程序的移植、 l i n u x 內核的裁剪和移植、y a f f s 2 文件系統(tǒng)的制作、l i n u x 下驅動程序和應用程 序設計、c g i 程序設計、以及嵌入式w e b 服務器的建立等幾個關鍵問題。該論 文的內容安排如下： 第1 章介紹了糧情監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展現狀，說明了本課題研究的背景和意義。 第2 章在整體上介紹了監(jiān)測系統(tǒng)的軟硬件架構和平臺，以及需要做的工作。 第3 章詳細的介紹了該監(jiān)測系統(tǒng)硬件平臺的各個模塊及其工作原理。 第4 章詳細的介紹了系統(tǒng)軟件平臺的建立過程，其中主要包括：交叉開發(fā)環(huán) 境的安裝和配置、引導加載程序u - b o o t 的移植、l i n u x 內核的裁剪和文件系統(tǒng)的 建立。 第5 章主要闡述了l i n u x 設備驅動程序開發(fā)的過程和方法，以及開發(fā)中遇到 的問題，并設計了單總線設備驅動、a d 轉換驅動和鍵盤驅動等驅動程序。 第6 章介紹了l i n u x 下應用程序的設計方法，并實現了溫度監(jiān)測、壓力監(jiān)測 和串口控制等應用程序的設計。 最后在第7 章對該課題進行了總結，分析了該糧情監(jiān)測系統(tǒng)中存在的缺點， 以及以后的設計中應該改進的方向。 2 系統(tǒng)總體設計 2 系統(tǒng)總體設計 2 1系統(tǒng)工作原理 該課題以a r m 9 $ 3 c 2 4 4 0 為硬件平臺搭建了一個模塊化的糧情監(jiān)測子系統(tǒng)， 。網絡拓撲結構如圖卜l 所示。系統(tǒng)按模塊劃分為串行通信模塊，g p l 0 口通信模 塊和a d 轉換模塊，串行通信模塊用于糧庫內的通風控制。g p l 0 口通信模塊用 于連接溫度傳感器并通過該端口把溫度值傳給a r m 9 核心硬件平臺，a d 轉換模 塊用于連接壓力傳感器采集糧倉的重量信息。同時，在a r m 9 的軟件平臺上實現 了一個嵌入式w e b 服務器，并在其上實現了相應的c g i 控制程序，可以利用其 它計算機通過i n t e r n e te x p l o r e r 瀏覽器遠程訪問a r m 9 嵌入式w e b 服務器，點 擊網頁內的控制按鈕，就可以觸發(fā)相應的c g i 監(jiān)控程序【3 】。這樣就實現了遠程 的客戶機對服務器的在線數據的交互。 2 2 硬件功能分析 該課題采用的嵌入式處理器模塊主要有：基于a r m 9 2 0 t 內核的3 2 位精簡指 令集處理器、存儲器模塊、串行接口、以太網模塊、通用輸入輸出接口、電源 管理和復位電路模塊、掃描調試電路、u s b 接口模塊、s d 卡控制存儲模塊和a d 轉換模塊等各個子模塊組成。其結構示意圖如圖2 - 1 所示。 | 存儲器辟 一h l 電源及夏位 ”1 電路模塊 l 串行口辟 1 ll c d 爻觸饃 p 1 屏模塊 l 以太網辟 a r m 9 微處理 器s 3 c 2 4 4 0 # = = = 刮j t a g 模塊 u s b 辟 仁= 蚓s d 控帶u 器 l ( 3 p i o 睜 仁蚓a d 轉換模塊 圖2 - 1 a r m 9 控制器模塊示意圖 微處理器采用三星公司的3 2 位a r m 9 處理器$ 3 c 2 4 4 0 a ：存儲器模塊由三星 的6 4 m b 的n a n df l a s hk 9 f 1 2 8 u o m 構成閃存型存儲系統(tǒng)，用于存放該監(jiān)測系統(tǒng) 2 系統(tǒng)總體設計 的程序和文件系統(tǒng)。另外，由s d r a mh y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 構成程序運行的片外r a m 。 以太網模塊選用d a v i c o m 公司的低功耗以太網控制器d m 9 0 0 0 a 搭配h s 9 0 1 6 以太 網脈沖變壓器構成1 4 1 。保留1 個r s 2 3 2 電平的串行接口來實現與其它糧情測控 系統(tǒng)的數據交換，以提高改善該監(jiān)測系統(tǒng)的兼容性。u s b 模塊電路可以作為無 線通信的擴展模塊，用以擴展無線網卡使該系統(tǒng)支持w i - f i 網絡。g p i o 接溫度 傳感器，a d 轉換接壓力傳感器，s d 卡模塊作為大容量存儲設備用來存儲數據采 集結果和保存嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)的運行日志。 2 。3 軟件框架及開發(fā)流程 由于$ 3 c 2 4 4 0 a 的內核已經具有全性能的m m u ( 內存管理單元) ，因此本系 統(tǒng)采用l i n u x 作為操作系統(tǒng)，因為l i n u x 操作系統(tǒng)有很多的優(yōu)點：如內核源代 碼免費，可以節(jié)省開發(fā)費用；l i n u x 移植性好，適用于多種硬件平臺；l i n u x 微 內核內嵌網絡協(xié)議棧；l i n u x 上進行軟件開發(fā)可以從互聯網中獲取大量的幫助。 軟件框架如下圖2 - 2 所示，最底層的是硬件平臺，在硬件平臺之上的是操 作系統(tǒng)，其中設備驅動程序、板級支持包b s p 和t c p i p 協(xié)議棧是操作系統(tǒng)和硬 件平臺之間的橋梁，再上層是應用程序。該平臺在工作時一般是應用程序首先 向操作系統(tǒng)發(fā)出控制硬件的請求，由操作系統(tǒng)調用相應的驅動程序，然后驅動 程序根據具體的請求去執(zhí)行相應的控制。 圖2 2 軟件框架示意圖 嵌入式開發(fā)往往不僅需要從總體上把握軟件、硬件、安裝、調試等各個方 面，而且也要關注嵌入式系統(tǒng)的魯棒性、精度和實時性。嵌入式開發(fā)首先需要 2 系統(tǒng)總體設計 進行需求分析，并根據需求劃分出各個子功能模塊，依據各個功能選擇合適的 硬件進行系統(tǒng)設計，這時再次確認需求分析，依據子功能模塊畫出軟件的流程 圖，然后由流程圖實現相關代碼，最后再聯合調試以便實現系統(tǒng)的所有功能。 本課題所要做的軟件工作如下： ( 1 ) 交叉編譯環(huán)境的搭建 ( 2 ) 移植u - b o o t ( 3 ) l i n u x 內核的裁剪移植 ( 4 ) 文件系統(tǒng)的創(chuàng)建和打包 ( 5 ) 溫度傳感器驅動程序設計 ( 6 ) 壓力傳感器驅動程序設計 ( 7 ) 應用程序設計 其中應用程序的設計又包括以下幾個部分： ( 1 ) 溫度、壓力傳感器的應用程序設計 ( 2 ) 串口應用程序設計 ( 3 ) w e b 應用程序設計 ( 4 ) c g i 程序設計 3 系統(tǒng)硬件設計 3 系統(tǒng)硬件設計 3 1 系統(tǒng)硬件平臺的選擇 本系統(tǒng)根據成本、功耗和性能等原則采用了性價比較高的s a m s u n g 公司的 $ 3 c 2 4 4 0 a 處理器。該處理器內部集成了a r m 公司a r m9 2 0t 內核的3 2 位微控 制器，主頻最高可達4 0 0 m h z ，該芯片集成度高，片上資源豐富，非常適合于嵌入 式網絡方面的應用。 3 2 核心板組成 核心板一般采用多層板工藝，以提高電氣性能和抗干擾性能，核心板資源包 括：a r m 9 處理器芯片、s d t l 州和f l a s h 存儲電路。 3 2 1 核心處理器 $ 3 c 2 4 4 0 a 是s a m s u n g 公司推出的一款3 2 位精簡指令集處理器，其內 部結構如圖3 1 所示： 圖3 一l $ 3 c 2 4 4 0 a 內部結構框圖 一一一一一一一 一一一一一一一孽 一一一一一一 3 系統(tǒng)硬件設計 $ 3 c 2 4 4 0 a 基于a r m 公司的a r m 9 2 0 t 版本i p 核，實現了m m u 、u s b 等資源，此外片上還集成了l c d 控制器，3 通道u a r t 、a d c 和觸摸屏等豐 富的接口，詳細的介紹可以參考相關的芯片手冊【5 1 。 3 2 2s d r a m 存儲電路 $ 3 c 2 4 4 0 a 支持內存控制器，其b a n k 6 、b a n k 7 支持外接s d r a m 的 擴展，可以支持8 位、1 6 位和3 2 位數據總線的s d r a m ，由于每個b a n k 最 大可以外擴1 2 8 m b 的存儲器，所以可以外擴的s d r a m 最大容量是2 5 6 m b 。 另外$ 3 c 2 4 4 0 a 的內存控制器還支持s r a m ，然而由于s r a m 往往價格較高， 所以在大多的嵌入式系統(tǒng)都是選用同步動態(tài)r a m 來作為外擴內存的。s r a m 是一種靜態(tài)r a m ，不需要刷新電路，存取速度快，一般用于c p u 內部c a c h e 和數字信號處理芯片的外接內存，但是其缺點就是成本較高，功耗也較大【6 】。 d r a m 是一種動態(tài)的r a m ，相對與s r a m ，它需要不斷的刷新，但是其較低 的功耗和成本，及其較高的集成度，使得它在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應 用。動態(tài)內存的發(fā)展從早期的d r a m ，到f p md r a m 、e d od r a m ，再到 s d r a m 和近幾年的d d r 、d d ri i 、d d r h i ，其內核主頻也從早期的1 3 3 m h z 提 高到了今天的1 3 3 3 m h z 。s d r a n 是一種同步內存，即它需要一個同步時鐘，來 依次執(zhí)行存取動作。由于$ 3 c 2 4 4 0 a 的外部數據總線是3 2 位的，而市場上很 少有單片3 2 位寬度的s d r a m 芯片，所以一般都是采用2 片1 6 位的s d r a m 拼接成3 2 位寬度的來用。該系統(tǒng)采用2 片h y n i x 公司的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t - h 芯片構成3 2 位的外接內存，h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t - h 單片容量是3 2 m b ，時鐘頻 率為1 3 3 m h z ，其連接原理圖如圖3 2 所示： 圖3 - 2s d r a m 電路連接原理圖 3 系統(tǒng)硬件設計 從上圖中可以看出芯片的a 0 引腳，并沒有接在$ 3 c 2 4 4 0 a 的a d d r 0 地址線 上，而是接在了a 2 上，這是因為當s d r a m 為3 2 位數據寬度的時候，其每一個 存儲單元將會占用4 個字節(jié)，當芯片的地址線a i a 0 = 0 1 時，對應的處理器上的 空間應就是a d d r 3 a d d r 2 = 0 1 。同理，當外擴存儲器的數據總線為1 6 位寬度的時 候芯片的a o 引腳應當接到$ 3 c 2 4 4 0 a 的a d d r l 引腳：當外擴存儲器的數據總線 為8 位寬度的時候芯片的a 0 引腳應當接到$ 3 c 2 4 4 0 a 的a d d r 0 引腳。由于s d r a m 具有較高的主頻，所以在布線的時候需要考慮其走線的長度和走線之間的干擾， 布線的原則一般是所有的數據線走線長度要盡量做到等長，控制信號和地址信 號線的長度也應盡量相當，必要的時候也可以考慮采用串聯電阻的方式來做阻 抗匹配【7 1 。 3 2 3f l a s h 存儲電路 該系統(tǒng)所用的處理器已經自帶了n a l n df l a s h 控制器，可以從n a n d f l a s h 自舉啟動，因此n a n df l a s h 可以和$ 3 c 2 4 4 0 a 直接相連。常見的 f l a s h 一般可以簡單的分為二種：n a n df l a s h 和n o rf l a s h 。n o r 是 一種l i n e a r 技術，它可以實現單字節(jié)讀和寫( 即編程) ，并且執(zhí)行速度快，一 般用來存放程序。n a n df l a s h 則必須以塊為單位來進行讀寫，速度比n o r 慢一點，但它較大的容量、較低的成本和較好的耐用性等特點，使其成為了 嵌入式系統(tǒng)中最主要的存儲設備，一般用來存儲數據。市場上幾乎全部的存 儲卡和u 盤都是以n a n df l a s h 為基礎的，如c f ( c o m p a c tf l a s h ) 卡、 s m ( s m a r tm e d i a ) 卡、x d ( e x t r e m ed i g i t a l ) 卡、s d ( 廣泛用于手機和數碼相機1 卡、記憶棒( m e m o r ys t i c k ) 等都是用的n a n df l a s h 。該系統(tǒng)采用的n a n d f l a s h 型號為三星公司的k 9 f 1 2 0 8 u o m ，容量為6 4 m b ，其連接圖如圖3 3 所示： 3 系統(tǒng)硬件設計 圖3 - 3f l a s h 電路連接原理圖 3 3 底板電路設計 底板為了降低成本，通常采用雙層板工藝，底板上的硬件資源包括：串行 接口、以太網模塊接口、u s b 接口、g p i o 擴展接口、電源管理模塊和復位電路、 j t a g 掃描調試電路、s d 卡控制器接口和數模轉換接口等部分。 3 3 1 串行口硬件電路 串行通信是最簡單的一種數據通信方式，該系統(tǒng)采用的是異步通信方 式，傳輸一次的數據以字節(jié)為單位，分為l b i t 起始位，8 b i t 數據位、1 b i t 停止 位。起始位固定是0 ，停止位是1 【8 】o $ 3 c 2 4 4 0 a 內部帶有3 通道的u a r t 串 口，其中一個通道是5 線制串口，另兩個通道是3 線制串口，所以對串口的 硬件設計一般就是對電平轉換電路設計，通常采用m a x 2 3 2 電平轉換芯片來 實現。串口0 轉換成r s 2 3 2 電平接口用于嵌入式系統(tǒng)的調試控制臺，通過p c 機的c o m 口進行人機交互和打印調試過程中輸出的信息。串口1 用于和輔助 控制板相連接，實現輔助控制板和a r m 9 核心的通信，并根據得到的命令來 實時的控制通風。如圖3 4 為串口電平轉換電路圖： 3 系統(tǒng)硬件設計 圖3 4 串口電平轉換電路原理圖 口聃 3 。3 2 以太網模塊接口 網絡作為數據交換的一種介質，使得其不論在p c 領域還是在嵌入式領域 都成為了數據通信的一種重要方式，同時它也是嵌入式系統(tǒng)中調試應用程序和 驅動程序的重要手段。在嵌入式系統(tǒng)中常常在系統(tǒng)啟動的時候掛載n f s 服務器 的共享目錄，在主機上的共享目錄下編譯應用程序和驅動程序，然后再到目標 板上去執(zhí)行已經編譯好的應用程序或驅動，這樣就不用來回拷貝編譯好的驅動 或應用程序，提高了效率1 9 】。該系統(tǒng)采用了低功耗以太網接口芯片d m 9 0 0 0 a ，該 芯片內部集成了物理層和數據鏈路層控制協(xié)議，同時支持8 位、1 6 位、3 2 位訪 問模式，該系統(tǒng)采用1 6 位訪問模式，把以太網接口芯片接在b a n k 3 上，b a n k 3 的地址范圍是0 x 1 8 0 0 0 0 0 0 - 0 x 2 0 0 0 0 0 0 0 ，由于d m 9 0 0 0 a 默認的1 0 口地址為3 0 0 h ， 所以它的實際物理地址應該為0 x 1 8 0 0 0 0 3 0 0 0 - 0 x 1 8 0 0 0 3 f f f ，其連接原理圖如圖 3 - 51 圖3 - 5 以太網接口電路原理圖 3 系統(tǒng)硬件設計 3 3 3a d 轉換電路 a d 轉換的主要過程就是采樣、量化和編碼，它可以分為逐次逼近型、雙 積分型、v f 型、二進制斜坡式、并行比較式和量化反饋式等，用的最廣泛的還 是逐次逼近型a d 轉換。a r m $ 3 c 2 4 4 0 a 芯片自帶一個8 通道1 0 位a d 轉換器， 其最大轉換率為5 0 0 k 1 0 】。a d c 轉換硬件電路主要涉及了8 通道的a d c ，其中通道 0 - 3 為正常通道，而a i n 4 - a i n 7 被觸摸屏所占用，要用做a d c 時需要禁用觸摸屏 的功能。硬件連接時只需要把其直接引出來，如圖3 - 6 所示： 圖3 - 6a d c 接口電路原理圖 0 3 3 4g p10 擴展接口 該系統(tǒng)測溫采用d a l l a s 的數字式溫度傳感器d s l 8 8 2 0 ，它可以在單條線上 掛接多個溫度探測點。測溫范圍為一5 5 度+ 1 2 5 度，測量分辨率為0 0 6 2 5 度，內部含6 4 位只讀存儲器r o m ，用戶可分別設定各路溫度的上、下限【1 ”。單 總線設備與$ 3 c 2 4 4 0 的連接是通過其g p i o 管腳來實現的。利用a r m 9 的g p i o 接 口接1 8 8 2 0 進行單總線傳輸，接g p b o 即板子上的j 1 8 第2 1 腳，v e t 接2 腳，g n d 接3 9 腳。$ 3 c 2 4 4 0 a 可以用g p b o 作為單總線的連接端口來實現數據通信。另外， 多余的g p i o 口還可以用來擴展鍵盤或顯示接口，例如通過g p i o 擴展的數碼管， 或者擴展l c d 接口和l e d 發(fā)光管顯示電路。 3 系統(tǒng)硬件設計 3 3 5u s b 接口 $ 3 c 2 4 4 0 a 內部自帶1 通道u s b 主機接口，接口類型為u s b i 1 ，可以外接 u s bh u b 進行擴展。u s b 接口在本系統(tǒng)中主要用來作為備用的接口，以便使系統(tǒng) 可以通過外接u s b 無線網卡實現無線通信，其接口電路如下圖3 - 7 所示： d n c d 陌 3 3 6 s d 卡控制器接口 圖3 - 7u s b 接口電路原理圖 $ 3 c 2 4 4 0 a 內部自帶s d 主機接e l ，可以支持s d 卡，t f 卡等【12 1 。該系統(tǒng)主要 用s d 卡來存儲采集到的糧堆溫度數據信息，對溫度的采集時間及周期一般設定 為每2 小時定時采集一次各監(jiān)測點的數據信息，存放到s d 卡上，監(jiān)測采集周期 定為2 年。其連接原理圖如下： 圖3 - 8s d 卡接口電路原理圖 3 系統(tǒng)硬件設計 3 4 輔助控制板 輔助控制板主要是由單片機自動控制板構成，在單片機板上實現了串口通 信和溫度的自動控制。當糧倉內溫度大于設定溫度的時候，自動開啟通風設備 進行通風，當糧倉內溫度小于設定溫度的時候，則關閉通風設備。也可以通過 串口發(fā)送命令進行強制通風或者是強制關閉通風。a r m 9 目標板與輔助控制板的 連接：計算機的r s 2 3 2 串行c o m 口應該與a r m 9 的u a r t 0 串口相連，a r m 9 的c o m l 和單片機的串口相連，a r m 9 通過網線連接到與p c 機相連接的網絡。其硬件電路 圖如下圖3 9 ： 圖3 - 9 輔助控制板電路圖 4 系統(tǒng)軟件平臺構建 4 系統(tǒng)軟件平臺構建 4 1搭建嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境 在進行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的時候，往往都需要搭建一些開發(fā)環(huán)境，如開發(fā)5 1 系列單片機的時候需要安裝k e i lu v i s i o n 編程環(huán)境，開發(fā)a v r 系列的單片機時 需要安裝支持a v r 的g c c 編譯器，用a r m 作為處理器時，也需要安裝支持a r m 9 的g c c 編譯裂”】。另外，因為選用l i n u x 作為操作系統(tǒng)，所以還需要在l i n u x 下安裝相應的軟件、配置一些服務，如配置l i n u x 下的t f t p 、n f s 、s a m b a 等服 務器。由于嵌入式系統(tǒng)所用的處理器處理速度與p c 機的c p u 處理速度相差甚遠， 所以它需要采用一種交叉編譯的開發(fā)方式，即在開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的驅動和應用 程序時，不能直接在目標板上編程和調試，而是首先在p c 機上進行編寫、編譯 和調試，然后下載到目標板子上去執(zhí)行。一般所需要的工作有安裝發(fā)行版l i n u x 、 安裝交叉編譯器、配制宿主機開發(fā)環(huán)境、移植u - b o o t ，下載l i n u x 內核源代碼、 裁剪和移植1 i n u x 內核、制作文件系統(tǒng)【14 j 。 4 1 1 安裝發(fā)行版iin u x 如今從網絡上可以看到有各種不同的操作系統(tǒng)如w i n d o w s 、d o s 、u n i x 、 n e t w a r e 、m a co sx 、s o l a r i s 、m o n t a v i s t a 、v x w o r k s 、s u s el i n u x 和r e d h a t1 i n u x 等等，但是從早期的操作系統(tǒng)的發(fā)展來看仍然可以分為d o s 、w i n d o w s ( 包括 w i n 9 x 、x p 、2 k 、v i s t a ) 、u n i x ( s c ou n i x ) 、類u n i x ( m a co sx ) 、l i n u x ( 1 i n u x 也是一種類u n i x ) 等。常見的嵌入式操作系統(tǒng)有w i n c e ，l i n u x 、u c l i n u x 、v x w o r k s 、 m o n t a v i s t a 、u c o s 2 等，這其中有大部分都是商業(yè)化的產品，每套授權的價格 相當昂貴，而且源碼相對比較封閉，從而增加了開發(fā)的難度，提高了開發(fā)的成 本。l i n u x 是一種源碼開放的操作系統(tǒng)，它是免費的，支持多種硬件架構如x 8 6 、 a r m 、p p c 、m i p s 、s p a r c 、n e c 等硬件平臺，其內核直接支持網絡協(xié)議棧，支持 多任務、多進程，該系統(tǒng)選用1 i n u x 作為嵌入式操作系統(tǒng)【15 】。 安裝l i n u x 到p c 機上一般有2 種方法：一種是直接安裝進硬盤，另一種 是通過虛擬機軟件在x p 下虛擬出一臺p c 機，再在虛擬出來的p c 機上安裝操作 系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用后一種方法，操作系統(tǒng)采用r e d h a t9 0l i n u x 桌面安裝版， 計算機安裝雙網卡：一個用于虛擬機和x p 共享文件，另一個用于) 【p 上網用。 4 系統(tǒng)軟件平臺構建 虛擬機用的網卡在x p 下設定其i p 地址為：1 9 2 1 6 8 1 1 子網掩碼為： 2 5 5 2 5 5 2 5 5 0 ，在l i n u x 下設定為：1 9 2 1 6 8 1 2 0 0 子網掩碼為：2 5 5 2 5 5 2 5 5 0 網關為：1 9 2 1 6 8 1 1 。虛擬機內存設定為2 5 6 m b 、硬盤容量設置為1 5 g b ，安裝 的時候首先要分區(qū)，根分區(qū)分8 g b ，交換分區(qū)分5 1 2 m b ，其余的設定為用戶分區(qū)， 選擇自定義安裝、沒有防火墻，選擇軟件安裝包的時候需要選擇e v e r y t h i n g 即 完全安裝所有r p m 包。安裝完成后去掉了r o o t 的登陸密碼，先用r o o t 登陸系 統(tǒng)，然后修改根目錄下e t c 文件夾下的s h a d o w 文件的第一行內容r o o t 后2 個 冒號之間的內容刪除，保存重啟【1 倒。 4 1 2 搭建交叉編譯環(huán)境 絕大多數的嵌入式軟件開發(fā)都是以交叉編譯的方式進行的，主要的原因是 嵌入式系統(tǒng)本身沒有足夠的資源在本機來運行開發(fā)調試工具，交叉編譯工具安 裝在宿主機上即安裝好發(fā)行版l i n u x 的主機，對應的a r m 板稱為目標板【17 1 。把 p c 機的c o m 口與目標板的串口0 相連接，p c 機上虛擬機占用的那個網卡通過 交叉網線與目標板的r j 4 5 接口相連接。模型如下圖4 1 所示： r s 2 3 2 連接線 京i 礬 圖4 - 1 交叉編譯模型 目檬褫 網絡上已經有編譯好的交叉編譯器，編譯u - b o o t 時采用較低的版本即可， 編譯內核和