通信技術(shù)課程設(shè)計(jì)基于ARM嵌入式系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)采系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、 課程設(shè)計(jì)（論文） 課程名稱： 通信技術(shù)課程設(shè)計(jì) 題 目： 基于 ARM 嵌入式系統(tǒng)的 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院 （系）： 專業(yè)班級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 2011 年 12 月 2 日 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 專業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師（簽名）： 一、課程設(shè)計(jì)（論文）題目 基于ARM嵌入式系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 二、本次課程設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)達(dá)到的目的 設(shè)計(jì)一個(gè)基于ARM嵌入式系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 三、本次課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)的主要內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù) 參數(shù)、設(shè)計(jì)要求等） 設(shè)計(jì)一個(gè)基于ARM嵌入式系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)分為系統(tǒng) 的

2、工作原理、接口原理、軟件和硬件部分。主要包括數(shù)據(jù)采集、接收，硬件接口的設(shè) 計(jì)等方面。通過這些組成部分的設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線采集。 四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)： 1 李朝青. 無線發(fā)送/接收IC 芯片及其數(shù)據(jù)通信技術(shù)選編M . 北京: 北京航空 航天大學(xué)出版社,2003. 2 賈愛琴. ADS 774 在煙支重量檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用J . 現(xiàn)代電子技術(shù),2003 (7) :82 284. 3 杜春雷.ARM 體系結(jié)構(gòu)與編程.北京:清華大學(xué)出版社,2003.02 4 管耀武 楊宗德. ARM嵌入式無線通信系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例精講.電子工業(yè)出版社. 2006 五、審核批準(zhǔn)意見 教研室主任（簽字） 西安建

3、筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) 摘 要 嵌入式系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個(gè)新領(lǐng)域，憑借其高穩(wěn)定性，高效率等優(yōu)點(diǎn)越 來越多的應(yīng)用到各個(gè)方面，以嵌入式系統(tǒng)為平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高采樣頻率， 高數(shù)據(jù)傳輸速率，并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的高速緩存。本課題在嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上， 詳細(xì)描述了基于ARM的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件與軟件實(shí)現(xiàn)，并給出了一定的實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)結(jié)果，最后進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試,對(duì)課題進(jìn)行了總結(jié)。 關(guān)鍵詞：ARM；S3C2440；嵌入式系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) Abstract Embedded system，as a new area of computer application

4、s，with its high stability，high efficiency can be applied to various fieldsEmbedded system as aplatform for data acquisition Can achieve high sampling frequency，high data transfer rate， and the implementation of data cacheI introducted a ARM-based wireless data acquisition system hardware structure a

5、nd software implementation，given some test data，F(xiàn)inally summarize system characteristics. Keywords：ARM;S3C2440;Embeded System;Data Acquisition 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) 目 錄 一 引言 .1 1.1 課題背景 .1 1.2 相關(guān)概念 .2 1.3 課題意義 .2 1.4 報(bào)告內(nèi)容安排 .3 二 嵌入式系統(tǒng)簡介 .4 2.1 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn) .4 2.2 嵌入式操作系統(tǒng) .6 三 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) .13 3.1 ARM 處理器簡介 .14 3.2

6、 基于單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊 .15 3.3 無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊 .16 四 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .18 4.1 WINCE 應(yīng)用程序設(shè)計(jì) .18 4.2 基于單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊程序設(shè)計(jì) .25 4.3 無線收發(fā)模塊程序設(shè)計(jì) .27 4.4 上位機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì) .28 4.5 系統(tǒng)調(diào)試 .30 五 總結(jié) .31 參考文獻(xiàn) .32 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 1 - 一 引 言 1.1 課題背景 伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)已由傳統(tǒng) 的測(cè)控電路發(fā)展為由微型計(jì)算機(jī)、接口電路、外部通用設(shè)備和工業(yè)生產(chǎn) 對(duì)象等組成的現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。但是以微型計(jì)算機(jī)為核心平臺(tái) 的數(shù)據(jù)采集和控制

7、系統(tǒng)也逐漸暴露出許多缺陷：工業(yè)環(huán)境一般條件惡劣， 而微型計(jì)算機(jī)的防塵、防震等功能較差；體積大，不易攜帶使用；擴(kuò)展 性差、成本高等。因此，以嵌入式系統(tǒng)為平臺(tái)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就應(yīng) 運(yùn)而生了。嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有以下特點(diǎn) (1)可靠性高。嵌入式系統(tǒng)大都是芯片等部件，與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬盤、擴(kuò) 展卡相比，具有防震、防塵優(yōu)點(diǎn)：程序固化在 Flash/ROM 中，不易破壞； 硬件集成度高，使系統(tǒng)整體可靠性大大提高。 (2)體積小。由于高端微型處理器甚至 SOC 的應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)的體積不 斷減小，直接影響數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的體積，從而形成便攜式系統(tǒng)， 攜帶和使用非常方便。 (3)易擴(kuò)展、功能強(qiáng)。嵌入式數(shù)據(jù)

8、采集與控制系統(tǒng)很容易擴(kuò)展出輸入/輸 出(I/O)接口，實(shí)現(xiàn)各種功能。 (4)開發(fā)周期短、成本低。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，周期 短、成本低，具有微機(jī)工業(yè)控制系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢(shì)。 隨著后 PC 時(shí)代的到來，現(xiàn)代工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)從傳統(tǒng)電路、微 機(jī)模式走進(jìn)了嵌入式系統(tǒng)模式，嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中起著 不可替代的作用。在許多數(shù)據(jù)采集環(huán)境中，我們無法對(duì)采集系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn) 場(chǎng)控制，這就需要我們把需要的數(shù)據(jù)采集并存儲(chǔ)于如 SD(Secure Digital)卡、CF(CompactDigital)卡中。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn) 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 2 - 距離大數(shù)據(jù)量的

9、數(shù)據(jù)傳輸己成為可能，這樣把先進(jìn)的無線通信技術(shù)應(yīng)用 到工業(yè)采集控制系統(tǒng)上，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。 1.2 相關(guān)概念 1.2.1 嵌入式系統(tǒng)的概念 所謂嵌入式系統(tǒng)(Embedded System)，實(shí)際上是“嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)” 的簡稱，它是相對(duì)于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而言的。根據(jù)電氣工程師協(xié)會(huì)(IEEE) 的定義，嵌入式系統(tǒng)是用來控制或監(jiān)視機(jī)器、裝置或工廠等大規(guī)模系統(tǒng) 的設(shè)備。這個(gè)定義是從應(yīng)用方面考慮的，國內(nèi)一般定義為：以應(yīng)用為中 心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁減，從而能夠適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用中對(duì) 功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 1.2.2 數(shù)據(jù)采集技術(shù)的概念 數(shù)據(jù)采集與控制技

10、術(shù)是信息科學(xué)的重要分支之一，它研究信息數(shù)據(jù) 的采集、存儲(chǔ)、處理以及控制等問題。它是以傳感器信號(hào)的測(cè)量與處理， 以微計(jì)算機(jī)等高技術(shù)為基礎(chǔ)形成的綜合應(yīng)用技術(shù)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在工 業(yè)監(jiān)測(cè)、控制和管理等方面的廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集和控制技術(shù)就成為這 些實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)的硬件主要 包括傳感器、采集器、轉(zhuǎn)換器、顯示器、致動(dòng)器和計(jì)算機(jī)等。軟件主要 包括通用軟件和測(cè)控軟件等。它們可以根據(jù)實(shí)際任務(wù)的需要組成不同用 途不同規(guī)模的測(cè)控自動(dòng)化系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可為農(nóng)業(yè)、工業(yè)、國防和科學(xué) 技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化做出重要貢獻(xiàn)。 1.3 課題意義 在由單片機(jī)和微型計(jì)算機(jī)組成的工業(yè)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中，計(jì)算

11、 機(jī)與計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間經(jīng)常需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。由于許多數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)都是針對(duì)自己特定的應(yīng)用領(lǐng)域而建立的，因此，數(shù)據(jù)采集與 控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍就受到很大的限制。而本文基于嵌入式系統(tǒng) ARM 平 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 3 - 臺(tái)的設(shè)計(jì)方法，能夠使數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，具 有較高的通用性，并且在采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)后，部分功能的改變只需要 添加或刪除相關(guān)的任務(wù)代碼，不必對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行大的改動(dòng)，在系統(tǒng)的 實(shí)時(shí)性和可靠性方面也具備了很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。有助于將傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)推向于高準(zhǔn)確性，高實(shí)時(shí)性，小型化，智能化的新型發(fā)展平臺(tái)。由于 嵌入式操作系統(tǒng)具有可裁剪性和可移植

12、性，又使得本系統(tǒng)具備了功能強(qiáng) 大，性能穩(wěn)定，可視化，接口簡單等特點(diǎn)。憑借嵌入式處理器卓越的數(shù) 據(jù)采集與控制能力，在工業(yè)領(lǐng)域必然有著更為廣闊的應(yīng)用空間。并同時(shí) 本文提出的架構(gòu)和設(shè)計(jì)原則對(duì)基于嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)的其他功能模塊的設(shè) 計(jì)和實(shí)現(xiàn)也有一定的指導(dǎo)意義。 1.4 報(bào)告內(nèi)容安排 本文的研究方向是基于 ARM9 的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)完成數(shù) 據(jù)的采集、存儲(chǔ)和發(fā)送。主要研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面： 第 l 章 引言 主要介紹課題的研究背景和意義，并對(duì)嵌入式系統(tǒng)和數(shù)據(jù) 采集的概念、特點(diǎn)及組成作了闡述，同時(shí)對(duì)采用嵌入式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的 優(yōu)點(diǎn)作了闡述。 第 2 章 主要從系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能出發(fā)，對(duì)嵌入式操作系

13、統(tǒng)作了介紹。 第 3 章 是系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì),對(duì)三個(gè)部分的功能詳細(xì)論述。 第 4 章 是系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，本章詳細(xì)論述了四個(gè)軟件部分。 第 5 章 總結(jié) 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 4 - 二 嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域越來越廣泛應(yīng)用已經(jīng)是不爭的事實(shí)，而選擇 合適的嵌入式操作系統(tǒng)是保證整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能與穩(wěn)定性的關(guān)鍵。 目前市場(chǎng)上的嵌入式操作系統(tǒng)主要有：Wince、Embedded XP、Windows Mobile、Linux、VxWorks、QNX、Palm OS等等。其中Wince是微軟推出一 款功能強(qiáng)大的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，憑借其高性能，高實(shí)時(shí)，界面風(fēng)格 與Windows

14、保持一制等特點(diǎn)，使其廣泛應(yīng)用于各種智能手提便攜式以及數(shù) 據(jù)采集儀器中。 2.1嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn) 嵌入式系統(tǒng)本身是一個(gè)相對(duì)模糊的定義。根據(jù)IEEE(國際電機(jī)工程師 協(xié)會(huì))的定義，嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行 的裝置”目前國內(nèi)一個(gè)普遍被認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī) 技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、 體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。按照以上定義，嵌入式系統(tǒng)是 指不同于常見計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一種系統(tǒng)，它不以獨(dú)立設(shè)備的物理形態(tài)出現(xiàn)， 即它沒有一個(gè)統(tǒng)一的外觀，它的部件根據(jù)主體設(shè)備以及應(yīng)用的需要嵌入 在設(shè)備的內(nèi)部，發(fā)揮著運(yùn)算、處理、存儲(chǔ)以及控制作用。

15、從體系結(jié)構(gòu)上 看，嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、支撐硬件和嵌入式軟件組成。其 中嵌入式處理器通常是單片機(jī)或微控制器：硬件通常包括微處理器、存 儲(chǔ)器、外部設(shè)備和加端口、圖形控制器等等。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟 件(要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)操作)和應(yīng)用程序編程。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn) 作和行為，而操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 5 - 圖1嵌入式系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 嵌入式系統(tǒng)和通用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比具有以下幾個(gè)重要特點(diǎn)： l：系統(tǒng)內(nèi)核小。由于嵌入式系統(tǒng)一般是應(yīng)用于小型電子裝置的，系統(tǒng)資 源相對(duì)有限，所以內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。 2：系統(tǒng)精簡。嵌入式系統(tǒng)一

16、般沒有系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的明顯區(qū)分，不 管是硬件還是軟件都要高效率的設(shè)計(jì)，力爭在相同的資源條件下實(shí)現(xiàn)更 高的性能。 3：專用性強(qiáng)。嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和 開發(fā)必須要考慮特定環(huán)境和系統(tǒng)的要求。而且嵌入式系統(tǒng)將軟件系統(tǒng)、 硬件和具體應(yīng)用及行業(yè)特點(diǎn)有機(jī)的結(jié)合在一起，一般要針對(duì)硬件進(jìn)行系 統(tǒng)的移植，即使在同一品牌、同一系列的產(chǎn)品中也需要根據(jù)系統(tǒng)硬件的 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 6 - 變化和增減不斷進(jìn)行修改。 4：為了提高系統(tǒng)的執(zhí)行速度和可靠性，嵌入式系統(tǒng)的軟件一般都固化在 存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)中；同時(shí)軟件代碼要求高質(zhì)量和高可靠性。 5：由于嵌入式系統(tǒng)其本身不具備

17、自主開發(fā)能力，即使設(shè)計(jì)完成以后用戶 通常也是不能對(duì)其中的程序功能進(jìn)行修改，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境 才能進(jìn)行開發(fā)。 2.2 嵌入式操作系統(tǒng) 2.2.1 嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn) 嵌入式操作系統(tǒng)EOS(Embedded Operating System)是一種支持嵌入 式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件，它是嵌入式系統(tǒng)(包括硬件、軟件系統(tǒng))極 為重要的組成部分，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、 設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。嵌入式操作系 統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的基本特點(diǎn)，如能夠有效管理越來越復(fù)雜的系統(tǒng)資 源；能夠把硬件虛擬化，使得開發(fā)人員從繁忙的驅(qū)動(dòng)程序移植和維護(hù)中 解脫出來，能夠

18、提供庫函數(shù)、驅(qū)動(dòng)程序、工具集以及應(yīng)用程序。 嵌入式操作系統(tǒng)EOS是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，過去它主要應(yīng)用于 工業(yè)控制和國防系統(tǒng)領(lǐng)域。EOS負(fù)責(zé)嵌入系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、 調(diào)度作，控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動(dòng)；它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通 過裝卸某些模塊來達(dá)到系統(tǒng)所要求的功能。目前，已推出一些應(yīng)用比較 成功的EOS產(chǎn)品系列。隨著 Internet技術(shù)的發(fā)展、信息家電的普及應(yīng)用 及EOS的微型化和專業(yè)化，EOS開始從單一的弱功能向高專業(yè)化的強(qiáng)功能 方向發(fā)展。嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟 件固化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點(diǎn)。EOS是相對(duì)于一般 操作系統(tǒng)而方的，

19、它除具備了一般操作系統(tǒng)最基本的功能，如任務(wù)調(diào)度、 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 7 - 同步機(jī)制、中斷處理、文件處理等外，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效 性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固態(tài)化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為 突出的特點(diǎn)。其中，其最大的特點(diǎn)就是可定制性，也就是它能夠提供可 配置或可剪裁的內(nèi)核能和其他功能，可以根據(jù)應(yīng)用的需要有選擇的提供 或不提供某些功能以減少系統(tǒng)開銷還有以下特點(diǎn)： 可裝卸性。開放性、可伸縮性的體系結(jié)構(gòu)。 強(qiáng)實(shí)時(shí)性。EOS實(shí)時(shí)性一般較強(qiáng)，可用于各種設(shè)備控制當(dāng)中。 統(tǒng)一的接口。提供各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口。 操作方便、簡單、提供友好的圖形GUI，圖形界面，追求易學(xué)易用。 提供

20、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持TCP/IP協(xié)議及其它協(xié)議，提供 TCP/UDP/IP/PPP協(xié)議支持及統(tǒng)一的MAC訪問層接口，為各種移動(dòng)計(jì)算設(shè)備 預(yù)留接口。 強(qiáng)穩(wěn)定性，弱交互性。嵌入式系統(tǒng)一旦開始運(yùn)行就不需要用戶過多的 干預(yù)，這就要負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理的EOS具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。嵌入式操作系統(tǒng)的 用戶接口一般不提供操作命令，它通過系統(tǒng)的調(diào)用命令向用戶程序提供 服務(wù)。 固化代碼。在嵌入式系統(tǒng)中，嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件被固化在嵌 入式系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的ROM中。輔助存儲(chǔ)器在嵌入式系統(tǒng)中很少使用，因此， 嵌入式操作系統(tǒng)的文件管理功能應(yīng)該能夠很容易地拆卸，而用各種內(nèi)存 文件系統(tǒng)。 更好的硬件適應(yīng)性，也就是良好的移植性。 2.

21、2.2 常用嵌入式操作系統(tǒng) 目前市場(chǎng)上比較成熟的嵌入式操作系統(tǒng)比較多，主要有uc/os- II、PALM OS、Vxworks、LinuX、Wince、EPOC等。 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 8 - (1) Palm OS Palm是3Com公司的產(chǎn)品，其操作系統(tǒng)為Palm OS。Palm 是一種32位的嵌入式操作系統(tǒng)。Palm提供了串行通信接口和紅外線傳輸 接口，利用它可以方便地與其它外部設(shè)備通信、傳輸數(shù)據(jù)；擁有開放的 OS應(yīng)用程序接口，開發(fā)商可根據(jù)需要自行開發(fā)所需的應(yīng)用程序。Palm OS 是一套具有術(shù)強(qiáng)開放性的系統(tǒng)，現(xiàn)在有大約數(shù)千種專用為Palm OS編寫的 應(yīng)用程序，從程序

22、內(nèi)容上看，小到個(gè)人管理、游戲，大到行業(yè)解決方案， Palm OS無所不包。在豐富的軟件支持下，基于Palm OS的掌上電腦功能 得以不斷擴(kuò)展。 Palm OS是一套專門為掌上電腦開發(fā)的OS。在編寫程序時(shí)，Palm O 充分考慮了掌上電腦內(nèi)存相對(duì)較小的情況，因此它只占有非常小的內(nèi)存。 由于基于Palm OS編寫的應(yīng)用程序占用的空間也非常?。ㄍǔＶ挥袔资?KB），所以，基于Palm OS的掌上電腦（雖然只有幾MB的RAM）可以運(yùn)行 眾多應(yīng)用程序。 由于Palm產(chǎn)品的最大特點(diǎn)是使用簡便、機(jī)體輕巧，因此決定了Palm OS應(yīng)具有以下特點(diǎn)。 操作系統(tǒng)的節(jié)能功能。由上掌上電腦要求使用電源盡可能小，因 此在

23、Palm OS的應(yīng)用程序中，如果沒有事件運(yùn)行，則系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)入半休眠 （doze）的狀態(tài)；如果應(yīng)用程序停止活動(dòng)一段時(shí)間，則系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入休 眠（sleep）狀態(tài)。 合理的內(nèi)存管理。Palm的存儲(chǔ)器全部是可讀寫的快速RAM，動(dòng)態(tài) RAM（Dynamic RAM）類似于PC機(jī)上的RAM，它為全局變量和其它不需永久 保存的數(shù)據(jù)提供臨時(shí)的存儲(chǔ)空間；存儲(chǔ)RAM（Storage RAM）類似于PC機(jī) 上的硬盤，可以永久保存應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)。 Palm OS的數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)庫（database）的格式來存儲(chǔ)的。數(shù)據(jù)庫 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 9 - 是由一組記錄（records）和一些數(shù)據(jù)庫頭信息組成

24、的。為保證程序處理 速度和存儲(chǔ)器空間，在處理數(shù)據(jù)的時(shí)候，Palm OS不是把數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)堆 （Storage Heap）拷貝到動(dòng)態(tài)堆（Dynamic Heap）后再進(jìn)行處理，而是 在存儲(chǔ)堆中直接處理。為避免錯(cuò)誤地調(diào)用存儲(chǔ)器地址，Palm OS規(guī)定，這 一切都必須調(diào)用其內(nèi)存管理器里的API來實(shí)現(xiàn)。 Palm OS與同步軟件（HotSync）結(jié)合可以使掌上電腦與PC機(jī)上的信 息實(shí)現(xiàn)同步，把臺(tái)式同的功能擴(kuò)展到了掌上電腦。Palm應(yīng)用范圍相當(dāng)廣 泛，如：聯(lián)絡(luò)及工作表管理、電子郵件及互聯(lián)網(wǎng)通信、銷售人員及組別 自動(dòng)化等等。Palm外圍硬件也十分豐富，有數(shù)碼相機(jī)、GPS接收器、調(diào)制 解調(diào)器、GSM無線電話、

25、數(shù)碼音頻播放設(shè)備、便攜鍵盤、語音記錄器、條 碼掃描、無線尋呼接收器、探測(cè)儀。其中Palm與GPS結(jié)合的應(yīng)用，不但可 以作導(dǎo)航定位，還可以結(jié)合GPS作氣候的監(jiān)測(cè)、地名調(diào)查等。 (2) Windows CE Windows CE是微軟開發(fā)的一個(gè)開放的、可升級(jí)的32位嵌入式操作系 統(tǒng)，是基于掌上型電腦類的電子設(shè)備操作。它是精簡的Windows 95。Windows CE的圖形用戶界面相當(dāng)出色。其中CE中的C代表袖珍 （Compact）、消費(fèi)（Consumer）、通信能力（Connectivity）和伴侶 （Companion）；E代表電子產(chǎn)品（Electronics）。與Windows 95/98、

26、Windows NT不同的是，Windows CE是所有源代碼全部由微軟自行 開發(fā)的嵌入式新型操作系統(tǒng)，其操作界面雖來源于Windows 95/98，但 Windows CE是基于Win32 API重新開發(fā)的、新型的信息設(shè)備平臺(tái)。 Windows CE具有模塊化、結(jié)構(gòu)化和基于Win32應(yīng)用程序接口以及與處理器 無關(guān)等特點(diǎn)。Windows CE不僅繼承了傳統(tǒng)的Windows圖形界面，并且在 Windows CE平臺(tái)上可以使用Windows 95/98上的編程工具（如Visual Basic、Visual C+等）、使用同樣的函數(shù)、使用同樣的界面網(wǎng)格，使絕 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 1

27、0 - 大多數(shù)的應(yīng)用軟件只需簡單的修改和移植就可以在Windows CE平臺(tái)上繼 續(xù)使用。 Windows CE的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：模塊化及可伸縮性、實(shí)時(shí)性能好，通信 能力強(qiáng)大，支持多種CPU。它的設(shè)計(jì)可以滿足多種設(shè)備的需要，這些設(shè)備 包括了工業(yè)控制器、通信集線器以及銷售終端之類的企業(yè)設(shè)備，還有像 照相機(jī)、電話和家用娛樂器材之類的消費(fèi)產(chǎn)品。一個(gè)典型的基于Windows CE的嵌入系統(tǒng)通常為某個(gè)特定用途而設(shè)計(jì)，并在不聯(lián)機(jī)的情況下工作。 它要求所使用的操作系統(tǒng)體積較小，內(nèi)建有對(duì)中斷的響應(yīng)功能。 Windows CE的特點(diǎn)有： 具有靈活的電源管理功能，包括瞬眠/喚醒模式。 使用了對(duì)象存儲(chǔ)（object s

28、tore）技術(shù)，包括文件系統(tǒng)、注冊(cè)表 及數(shù)據(jù)庫。它還具有很多高性能、高效率的操作系統(tǒng)特 性，包括按需換 頁、共享存儲(chǔ)、交叉處理同步、支持大容量堆等。 擁有良好的通信能力。廣泛支持各種通信硬件，亦支持直接的局 域連接以及撥號(hào)連接，并提供與PC、內(nèi)部網(wǎng)以及Internet的連接，還提 供與Windows 9x/NT的最佳集成和通信。 支持嵌套中斷。允許更高優(yōu)先級(jí)別的中斷首先得到響應(yīng)，而不是 等待低級(jí)別的ISR完成。這使得該操作系統(tǒng)具有嵌入式操作系統(tǒng)所要求的 實(shí)時(shí)性。 更好的線程響應(yīng)能力。對(duì)高級(jí)別IST（中斷服務(wù)線程）的響應(yīng)時(shí)間 上限的要求更加嚴(yán)格，在線程響應(yīng)能力方面的改進(jìn)，幫助開發(fā)人員掌握 線程轉(zhuǎn)

29、換的具體時(shí)間，并通過增強(qiáng)的監(jiān)控能力和對(duì)硬件的控制能力幫助 他們創(chuàng)建新的嵌入式應(yīng)用程序。 256個(gè)優(yōu)先級(jí)別?？梢允归_發(fā)人員在控制嵌入式系統(tǒng)的時(shí)序安排方 面有更大的靈活性。 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 11 - Windows CE的API是Win32 API的一個(gè)子集，支持近1500個(gè)Win32 API。有了這些API，足可以編寫任何復(fù)雜的應(yīng)用程序。當(dāng)然，在Windows CE系統(tǒng)中，所提供的API也可以隨具體應(yīng)用的需求而定。 在掌上型電腦中，Windows CE包含如下一些重要組件：Pocket Outlook及其組件、語音錄音機(jī)、移動(dòng)頻道、遠(yuǎn)程撥號(hào)訪問、世界時(shí)鐘、 計(jì)算器、多種輸入

30、法、GBK字符集、中文TTF字庫、英漢雙向詞典、袖珍 瀏覽器、電子郵件、Pocket Office、系統(tǒng)設(shè)置、Windows CE Services 軟件。 (3) Linux Linux是一個(gè)類似于Unix的操作系統(tǒng)。它起源于芬蘭一個(gè)名為Linus Torvalds的業(yè)余愛好，但是現(xiàn)在已經(jīng)是最為流行的一款開放源代碼的操 作系統(tǒng)。Linux從1991年問世到現(xiàn)在，短短10年的時(shí)間內(nèi)已發(fā)展成為一個(gè) 功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)完善的操作系統(tǒng)，伴隨網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)步而發(fā)展起來的Linux OS已成為Microsoft公司的DOS和Windows 95/98的強(qiáng)勁對(duì)手。Linux系統(tǒng) 不僅能夠運(yùn)行于PC平臺(tái)，還在嵌入式

31、系統(tǒng)方面大放光芒，在各種嵌入式 Linux OS迅速發(fā)展的狀況下，Linux OS逐漸形成了可與Windows CE等EOS 進(jìn)行抗衡的局面。目前正在開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)中，49%的項(xiàng)目選擇Linux 作為嵌入式操作系統(tǒng)。Linux現(xiàn)已成為嵌入式操作的理想選擇。 嵌入式Linux OS的特點(diǎn)： 精簡的內(nèi)核，性能高、穩(wěn)定，多任務(wù)。 適用于不同的CPU，支持多種體系結(jié)構(gòu)，如 X86、ARM、MIPS、ALPHA、SPARC等。 能夠提供完善的嵌入式GUI以及嵌入式X-Windows。 提供嵌入式瀏覽器、郵件程序、MP3播放器、MPEG播放器、記事本 等應(yīng)用程序。 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) -

32、12 - 提供完整的開發(fā)工具和SDK，同時(shí)提供PC上的開發(fā)版本。 用戶可定制，可提供圖形化的定制和配置工具。 常用嵌入式芯片的驅(qū)動(dòng)集，支持大量的周邊硬件設(shè)備，驅(qū)動(dòng)豐富。 針對(duì)嵌入式的存儲(chǔ)方案，提供實(shí)時(shí)版本和完善的嵌入式解決方案。 完善的中文支持，強(qiáng)大的技術(shù)支持，完整的文檔。 開放源碼，豐富的軟件資源，廣泛的軟件開發(fā)者的支持，價(jià)格低 廉，結(jié)構(gòu)靈活，適用面廣。 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 13 - 三 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 整個(gè)基于 ARM9 的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件部分主要由三個(gè)模塊組成： (1)基于 C8051F920 的數(shù)據(jù)采集模塊； (2)S3C2440 ARM 開發(fā)板； (3)基于 CC

33、2430 的無線通信模塊。 圖 2 系統(tǒng)主要組成模塊 從圖中可以看到在數(shù)據(jù)采集模塊采用了 AD 雙級(jí)放大，大大提高了整 個(gè)系統(tǒng)的放大倍數(shù)，提高了系統(tǒng)對(duì)微弱信號(hào)的識(shí)別能力。其最大放大倍 數(shù)可達(dá) 4096 倍，最大采樣頻率為 4K，完全滿足一般的實(shí)驗(yàn)要求。而在 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 14 - 數(shù)據(jù)傳輸方式上為了克服 ZigBee 協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸速率慢，抗電磁干擾能力 弱的缺點(diǎn)，在 ZigBee 協(xié)議的基礎(chǔ)上還另外添加了一套基于 TCP/IP 協(xié)議 的采用 SOCKET 文件傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)文件傳輸。這兩套 數(shù)據(jù)傳輸線路獨(dú)立進(jìn)行的，ZigBee 適用遠(yuǎn)距離，低速率，低精度

34、的試驗(yàn) 場(chǎng)合，而 TCP/IP 協(xié)議適用于要求高速率，高精度、電磁干擾較大的測(cè)試 場(chǎng)合。 系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)如下： 1：最大采樣頻率 4Kb/s；最大放大倍數(shù) 4096 倍，最小分辨電壓 10 微伏； 2：無線傳輸速度可達(dá) 10kb/s；系統(tǒng)最短響應(yīng)中斷時(shí)間 10ms； 3.1 ARM 處理器簡介 ARM 系列處理囂是英國先進(jìn) RISC 機(jī)器公司 (AdvancedRISCMaehines，ARM)的產(chǎn)品。ARM 公司是業(yè)界領(lǐng)先的知識(shí)產(chǎn)權(quán) 供應(yīng)商，與一般的公司不同，ARM 公司只采用 m 授權(quán)的方式允許半導(dǎo)體 公司生產(chǎn)基于 ARM 的處理器產(chǎn)品，提供基于 ARM 處理器內(nèi)核的系統(tǒng)芯片 解決方案

35、和技術(shù)授權(quán)，不提供具體的芯片。目前市場(chǎng)上推出的 ARM 處理 多種多樣，主要包括要包括了四個(gè)系列：通用微處理器系列、SecurCore 系列、Intel 的 StrongARM、Intel 的 Xscale. 表 1 ARM 系列參數(shù)比較 ARM 系列 微處理器核 特點(diǎn) ARM7 ARM7TDMI：整數(shù)處理核 ARM7TDMI 處理器的可綜合版本； ARM720T：帶 MMU 的處理器核心， 支持操作系統(tǒng)； ARM7EJ-S：帶有 DSP 和 Jazelle TM 技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn) Java 加速功 能 馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu)； ARMTDMI 是目前應(yīng)用最廣的微處理器核 ARM720T 帶有 MMU

36、 和 8KB 的指令數(shù)據(jù)混合 cache； ARM7EJ-執(zhí)行 ARMv5TEJ 指令，5 級(jí)流水線， 提供 Java 加速指令，沒有存儲(chǔ)器保護(hù)。 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 15 - ARM9 ARM920T：帶有獨(dú)立的 16KB 數(shù)據(jù) 和指令 Cache； ARM922T：帶有獨(dú)立的 8 位 KB 數(shù) 據(jù)和指令 Cache； ARM940T包括更小數(shù)據(jù)和指令 Cache 和一個(gè) MPU 基于 ARM9TDMI ，帶 16 位的 Thumb 指令集， 增強(qiáng)代碼密度最多到 35%； 在 0.13m 工藝下最高性能可達(dá)到 300MIPS（Dhrystone 2.1 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)） ； 集成

37、了數(shù)據(jù)和指令 Chche； 32 位 AMBA 總線接口的 MMU 支持； 可在 0.18m、 0.15m 和 0.13m 工藝的硅 芯片上實(shí)現(xiàn)。 3.2基于單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊 由于三星S3C2440處理器內(nèi)部只包含2個(gè)通道的10位AD轉(zhuǎn)換接口，而 且其最大放大倍數(shù)僅為128倍，無法滿足實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)要求，因此數(shù)據(jù)采集部 分我采用了基于單片機(jī)的AD采集放大模塊，模塊組成如圖3所示。 ARM9EARM926EJ-S：Jazelle 技術(shù)， 有 MMU，可配置的數(shù)據(jù)和指令 Cache,TCM 接口； ARM946E-S：可配置的數(shù)據(jù)和 指令 Cache 及 TCM; ARM966E-S：針對(duì)要求高性能

38、和低功耗的可預(yù)測(cè)的指令執(zhí) 行時(shí)間的硬實(shí)時(shí)應(yīng)用設(shè)計(jì) ARM968E-S：最小、功耗最小 的 ARM9E 系列處理器，針對(duì) 嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用設(shè)計(jì)； ARM9E 是針對(duì)微控制器、DSP 和 Java 的單處理 器解決方案； ARM Jazelle 技術(shù)提供 8 倍的 Java 加速性能 (ARM926EJ-S) ； 5 級(jí)整數(shù)流水線； 在 0.13m 工藝下最高性能可達(dá)到 300MIPS 可選擇的 向量浮點(diǎn)單元 VFP9 協(xié)處理器指令優(yōu) 秀海浮點(diǎn)性能，對(duì)于 3D 圖形加速和實(shí)時(shí)控制可 達(dá)到 215MFLOPS。 高性能的 AHB 總線，帶 MMU 可在 0.18m, 0.15m, 0.13m 工藝的硅

39、芯片上 實(shí)現(xiàn)。 ARM10 E ARM1020E：帶 DSP 指令集， 在片調(diào)試功能，獨(dú)立的 32KB 數(shù)據(jù)和指令 Cache，MMU 支持； ARM1022E：與 ARM1020E 相同， 只是獨(dú)立的數(shù)據(jù)和指令 Cache 變?yōu)?16KB； ARM1026EJ-S：同時(shí)具有 MPU 和 MMU，可綜合版本； 帶分支預(yù)測(cè)的 6 級(jí)整數(shù)流水線； 在 0.13m 工藝下最高性能可達(dá)到 430MIPS 對(duì)于 3D 圖形運(yùn)算和實(shí)時(shí)控制采用 VFP 協(xié)處理器， 浮點(diǎn)運(yùn)算性能最高可達(dá) 650MFLOPS； 雙 64 位 AMBA 總線接口和 64 位內(nèi)部總路線接口； 優(yōu)化的緩存結(jié)構(gòu)提高了處理器訪問低速存儲(chǔ)

40、器 的性能； 可在 0.18m, 0.15m, 0.13m 工藝的硅芯片上 實(shí)現(xiàn) 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 16 - 數(shù)據(jù)采集模塊主要由包括以下幾個(gè)部分： 1：AD轉(zhuǎn)換與放大部分；該部分采用了AD8231與AD7684雙級(jí)放大； 2：SPI 控制與低通濾波部分；SPI 控制部分采用的是 MCP6S21，而低通 濾波部分采用了四階低通濾波芯片 MAX74XX。該芯片的截止頻率可實(shí)現(xiàn) 1HZ100KHZ 可調(diào)節(jié)控制； 3：基準(zhǔn)電壓；通過 CMOS 電路提供了 2V 的直流基準(zhǔn)電壓； 4：主控制芯片；主控制芯片采用了小體積封裝的 C805 1F920； DAC7513 AD8231 CM

41、OS 電路 OPA2347 MCP6S21 MAX74XX AD7684 C8051F920 CH1 CH2 CH2 圖 3 數(shù)據(jù)采集模塊主要組成 3.3 無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊 無線網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)代生活中越來越廣泛的應(yīng)用已經(jīng)是不爭的事實(shí)，而目 前市場(chǎng)上應(yīng)用比較成熟的無線通信網(wǎng)絡(luò)主要包括以下幾種。 1藍(lán)牙技術(shù)(Bluetooth Technology)； 2WiFi(IEEE 80211)：Wireless Fidelity： 3UWB(U1traWideband)： 4IrDA 技術(shù)； 5ZigBee(IEEE 802154)： 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 17 - 表 2 幾種常用無線通信協(xié)

42、議比較 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 18 - 從上表可以看出由于 ZigBee 技術(shù)目前應(yīng)用比較成熟，而且價(jià)格十分 低廉，傳輸距離較遠(yuǎn)，其 lO-250kb/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率完全滿足一般的試 驗(yàn)要求，因此無線數(shù)據(jù)傳輸部分我們采用了基于 ZigBee 協(xié)議的無線傳輸 方式。 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的軟件部分主要分為四個(gè)部分，ARM板數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)模塊程序 設(shè)計(jì)，單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊程序設(shè)計(jì)，無線數(shù)據(jù)模塊程序設(shè)計(jì)，以及上 位機(jī)通信模塊設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 19 - 圖 4 系統(tǒng)程序框圖 4.1 Wince 應(yīng)用程序設(shè)計(jì) RAM 板 Win

43、ce 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)主要包括：注冊(cè)硬件與中斷設(shè)置，數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)，TCP/IP 設(shè)置，數(shù)據(jù)顯示，SPI 總線控制及數(shù)據(jù)傳輸五個(gè)部分組成。 4.1.1 注冊(cè)硬件與中斷設(shè)置 Wince應(yīng)用程序與硬件層直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換需要經(jīng)過操作系統(tǒng)與OEM 層，為了避免編寫比較復(fù)雜Wince環(huán)境下的硬件驅(qū)動(dòng)程序，我們采用了硬 件中斷的方式，使得應(yīng)用程序能夠直接與硬件層進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而減 少了大量的工作壓力。 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 20 - Wince下硬件中斷程序的流程圖如下圖所示： 初始化中斷 傳遞中斷語句 創(chuàng)建中斷事件 創(chuàng)建中斷服務(wù)線程 關(guān)中斷并初始化中斷向量 中斷請(qǐng)求 中斷服務(wù)程序 圖 5 中斷

44、程序流程圖 為了響應(yīng)中斷請(qǐng)求，用戶還必須編寫中斷服務(wù)程序。為了使系統(tǒng)的 資源得以充分運(yùn)用，我們采用多線程技術(shù)，Wince 下每個(gè)進(jìn)程最多可以 產(chǎn)生 255 個(gè)線程，這 255 個(gè)線程共享系統(tǒng)提供的 4GB 的虛擬地址空間， 其程序如下： void InitialThread() hThreadRecv=CreateThread(NULL，0，RecvThread，NULL，0，NULL)； hThreadSample=CreateThread(NULL，0，SampleThread，NULL，0，NULL)； 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 21 - HThreadProcess=Cre

45、ateThread(NULL，0，ProcessThread，NULL，0，NU LL)； 中斷登記完成之后，再通過創(chuàng)建匿名事件的方式將中斷請(qǐng)求與中斷 服務(wù)程序相關(guān)聯(lián)，并讓系統(tǒng)一直處于等待中斷請(qǐng)求的狀態(tài)。其實(shí)現(xiàn)程序 如下： hIntrEvent=CreateEvent(NULL，F(xiàn)ALSE，F(xiàn)ALSE，NULL)； WaitForSingleObject(hIntrEvem，INFINITE)； 4.1.2 SPI 總線控制器設(shè)置 SPI(Serial Peripheral Interface)是一種串行同步通訊協(xié)議，由 一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備組成，主設(shè)備啟動(dòng)一個(gè)與從設(shè)備的同步 通訊，從

46、而完成數(shù)據(jù)的交換。SPI 接口由 SDI(串行數(shù)據(jù)輸入)，SDO(串行 數(shù)據(jù)輸出)，SCK(串行移位時(shí)鐘)，CS(從使能信號(hào))四種信號(hào)構(gòu)成，CS 決 定了唯一的與主設(shè)備通信的從設(shè)備，如沒有 CS 信號(hào)，則只能存在一個(gè)從 設(shè)備，主設(shè)備通過產(chǎn)生移位時(shí)鐘來發(fā)起通訊。通訊時(shí)，數(shù)據(jù)由 SDO 輸出， SDI 輸入，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升或下降沿由 SDO 輸出，在緊接著的下降或 上升沿由 SDI 讀入，這樣經(jīng)過 8/16 次時(shí)鐘的改變，完成 8/16 位數(shù)據(jù)的 傳輸。該總線通信基于主-從配置。它有以下 4 個(gè)信號(hào)： 1：MOSI：主出/從入： 2：MISO：主入/從出； 3：SCK：串行時(shí)鐘； 4：SS：從屬

47、選擇； 芯片上“從屬選擇”(slaveselect)的引腳數(shù)決定了可連到總線上 的器件數(shù)量。在 SPI 傳輸中，數(shù)據(jù)是同步進(jìn)行發(fā)送和接收的。數(shù)據(jù)傳輸 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 22 - 的時(shí)鐘基于來自主處理器的時(shí)鐘脈沖。 4.1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) Wince支持大部分的MFC函數(shù)，而在MFC下數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)可以分為以二進(jìn) 制文件以及ASC II碼2種形式。MFC下為文件的保存提了多種類如： ofstream類，ifstream類，Cfile類等，而本系統(tǒng)中采用了最為簡單的C 語言的文件操作函數(shù)fopen()， fpData=fopen(“ResidentFlashOriginDat” ,”

48、Wb+”)； 由于ADC轉(zhuǎn)換收數(shù)據(jù)量較大，而且在傳輸過程中采用單一字節(jié)的傳輸 方式容易發(fā)生數(shù)據(jù)丟失且傳輸效率不高，為了解決這一問題，我們采用 了堆棧的方式將ADCbuf中的數(shù)據(jù)以固定大小的方式進(jìn)行打包傳輸。其程 序的流程圖如53所示：在定義類的成員變量時(shí)，用于可以根據(jù)需要自 己定義2個(gè)內(nèi)存區(qū)域的大小如：Bufl=new shortBufSize；Buf2=new shortBurSize；本系統(tǒng)的默認(rèn)大小為4096個(gè)字節(jié)即4K的空間，當(dāng)內(nèi)存 區(qū)域被填充滿后系統(tǒng)將響應(yīng)事件自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其數(shù)據(jù)保存的流程 圖如圖4-4所示： 圖6 系統(tǒng)保存數(shù)據(jù)流圖 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 23 -

49、 圖 7 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程圖 從圖中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng) AD 轉(zhuǎn)換之后，數(shù)據(jù)將通過 SPI 總線首 先存儲(chǔ)在系統(tǒng) SDRAM 中的塊存儲(chǔ)單元內(nèi)，當(dāng)塊存儲(chǔ)單元被填充滿之后， 系統(tǒng)有 2 路的保存方式，假如無 SD 卡時(shí)，用戶可選擇將數(shù)據(jù)以 ASC II 碼文本方式保存在 NAND Flash 內(nèi)。 4.1.4 TCP/IP 協(xié)議設(shè)置及數(shù)據(jù)傳輸 TCP/IP協(xié)議是目前計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代應(yīng)用最為廣泛的一種數(shù)據(jù)傳輸 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 24 - 協(xié)議之一，它可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)設(shè)備之間無差錯(cuò)的數(shù)據(jù)傳輸，因此它在數(shù) 據(jù)傳輸過程中是最為可靠的傳輸協(xié)議之一。而目前基于TCP/IP協(xié)議的文 件傳輸協(xié)議

50、和方式主要有：文件傳輸協(xié)議方式(FTP)、遠(yuǎn)程拷貝方式(RCP)、 套接字方式(SOCKET)。 本系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，采用的是基于SOCKET的文件 傳輸協(xié)議，其程序流程圖如圖8所示。 圖 8 文件傳輸流程圖 本程序主要是實(shí)現(xiàn) ARM 板與上位機(jī)之間數(shù)據(jù)以二進(jìn)制文件的形式進(jìn) 行傳輸，AD 轉(zhuǎn)換結(jié)束之后，保存在 NAND Flash 上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果才能 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。為了滿足與上位機(jī)之間全雙工的通信，采用了 2 個(gè)不同 的線程和 2 個(gè)套接字信息來完成與上位機(jī)之間的通信。其程序如下所示 接收端信息 sockSrv=socket(AF_INET,SOCK_STREAM，O)； 西安

51、建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 25 - addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr=htonl(INADDR_ANY)； addrSrv.sin_family=AF_INET； addrSrv.sin_port=htons(10240)； 發(fā)送端信息 sockSend=socket(AF_INET,SOCK_STREAM，O)； addrSend.sin_family=AF_INET； addrSend.sin_port=htons(10240)； 4.1.5 多線程以及線程之間的同步 Wince 是一種基于多任務(wù)、多線程的操作系統(tǒng)，在 Wince 內(nèi)的一個(gè) 進(jìn)程內(nèi)可以包含一

52、個(gè)或多個(gè)線程。與此同時(shí) 32 位 Wince 環(huán)境下的 API 以 及 MFC 庫提供了多線程應(yīng)用程序開發(fā)所需要的接口函數(shù)，利用 vc 中提供 的標(biāo)準(zhǔn) C 庫也可以開發(fā)多線程應(yīng)用程序，用戶在開發(fā)時(shí)可根據(jù)應(yīng)用程序 的需要和特點(diǎn)選擇相應(yīng)的工具。由于本系統(tǒng)中任務(wù)較多，采用多線程技 術(shù)可以充分利用系統(tǒng)資源，提高系統(tǒng)工作效率，系統(tǒng)線程之問的關(guān)系如 圖 9 所表示。 SPI 傳輸線程 數(shù)據(jù)保存線程 TCP/IP 發(fā)送 TCP/IP 接受 數(shù)據(jù)顯示 無線模塊 SPI 數(shù)據(jù)傳輸 最高優(yōu)先級(jí) 第二優(yōu)先級(jí) 臨界區(qū) ADCbuf 同等優(yōu)先級(jí) 圖 9 程序模塊之間并線程之間的關(guān)系 從圖中我們可以看到，為了保證系統(tǒng)的正

53、常運(yùn)行，先將 SPI 數(shù)據(jù)傳 輸?shù)木€程設(shè)簧為優(yōu)先級(jí)最高的線程，系統(tǒng)將首先執(zhí)行該線程，當(dāng) SPI 有 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 26 - 數(shù)據(jù)接收之后，我們將數(shù)據(jù)首先保存起來，之后其他線程同步執(zhí)行，為 了保證后面各個(gè)線程之間不發(fā)生互斥現(xiàn)象，我們將從 SPI 總線讀取的 ADCBuf 中的值設(shè)置成臨界區(qū)，只允許一個(gè)線程調(diào)用。 4.2 基于單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊程序設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊采用的是基于 C8051F920 的單片機(jī)為核心，數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)的軟件采用 Keil C 語言編寫, 在實(shí)際應(yīng)用時(shí) ,當(dāng)上電后該系 統(tǒng)處于等待狀態(tài)，當(dāng)接到 PC 機(jī)的啟動(dòng)命令后,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、并把數(shù)據(jù) 發(fā)送

54、給 PC 機(jī)；在測(cè)量任務(wù)完成后，PC 機(jī)向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送結(jié)束指令； 當(dāng)系統(tǒng)接收到 PC 機(jī)的結(jié)束指令后，系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)停止采集數(shù)據(jù)。其 系統(tǒng)的程序框圖如下圖 10 所示。 開始 啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集 發(fā)送數(shù)據(jù) 采集數(shù)據(jù) 結(jié)束數(shù)據(jù)采集 結(jié)束 圖 10 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集程序流程圖 系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)如下: # include # include void sys_init (void )_task_0 init() ； /系統(tǒng)初始化 RxPacket()； /接收啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集指令 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 27 - Os_create_task(1) ； /啟動(dòng)任務(wù) 1 Os_create_ta

55、sk(2) ； /啟動(dòng)任務(wù) 2 Os_create_task(3) ； /啟動(dòng)任務(wù) 3 Os_create_task(8) ； /啟動(dòng)任務(wù) 8 Os_create_task(9) ； /啟動(dòng)任務(wù) 9 Os_delete_task(0) ； /去掉任務(wù) 0 void recv1(void)_task_1 while(1) adc0() ； /采集傳感器 1 數(shù)據(jù) TxPacket() ； /發(fā)送采集數(shù)據(jù) void recv2(void)_task_2 while(1) adc1() ； /采集傳感器 2 數(shù)據(jù) TxPacket() ； /發(fā)送采集數(shù)據(jù) void recv7(void)_task_

56、8 while 1 adc7() ； /采集傳感器 8 數(shù)據(jù) TxPacket() ； /發(fā)送采集數(shù)據(jù) void recv8(void)_task_9 while 1 RxPacket1() ； /接收數(shù)據(jù)指令并判斷數(shù)據(jù)內(nèi)容 ,如為結(jié)束令 /系統(tǒng)進(jìn)入休眠 ,否則繼續(xù) 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 28 - 其中 MCP6S21 與 C8051F920 之間采用的 SPI 數(shù)據(jù)總線以一個(gè)字節(jié)為 單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最大的傳輸速度可達(dá)到 34K/S，有效的保證了數(shù)據(jù) 傳輸速度。 4.3 無線收發(fā)模塊程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)無線收發(fā)模塊采用的是高性能低功耗的 CC2430 無線通信模塊， 在進(jìn)行無線數(shù)據(jù)

57、收發(fā)前，需要對(duì)相應(yīng)的收發(fā)寄存器做一些配置。緩沖發(fā) 送模式：使用 IEEE 802.15.4 媒介訪問控制層數(shù)字格式和短地址發(fā)送一 個(gè)信息包。啟用發(fā)送，當(dāng)信道評(píng)估顯示信道空閑時(shí)，啟用校準(zhǔn)后發(fā)送； 當(dāng)沒有字節(jié)寫入時(shí)，TXFIFO 緩沖器發(fā)出下溢指示狀態(tài)位和下溢脈沖，發(fā) 送自動(dòng)停止CTRLl.TX MODE=0；STXON”啟動(dòng)發(fā)送；STXONCCA 信道估 計(jì)顯示信道空閑，啟動(dòng)校準(zhǔn)后發(fā)送；SFLUSHTX 當(dāng)沒有字節(jié)寫入時(shí)， TXFIFO 緩沖器發(fā)出下溢脈沖：TXCTL=0XAOFF 發(fā)射最大電流為 1.72mA。 緩沖接收模式：先啟用信息包接收和 FIFO 中斷，通過 FIFO 中斷服 務(wù)程序接

58、收信息包，其中 RXFIFO 緩沖溢出和不合法信息包都由中斷服務(wù) 程序處理，信息包接收采用 CC2430 自動(dòng)應(yīng)答。寄存器設(shè)置如下 “DMCTRL1.RX_MODE=0,SRXON”啟動(dòng)接收；SFLUSHRXRXFIFO 緩沖器溢出。 復(fù)位調(diào)解器；RXCTRL0=0X12E5 低噪聲放大增益等。 其程序的流程圖如圖 11 所示 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 29 - 圖 11 ZigBee 數(shù)據(jù)收發(fā)流程圖 4.4 上位機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)與上位機(jī)的通信采用的基于TCP/IP協(xié)議，該協(xié)議可實(shí)現(xiàn)設(shè)備間 無差錯(cuò)的數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)的處理程序采用的編程工具為Delphi7，它為 用戶提供了大量的

59、可視化控件，其編譯器可以產(chǎn)生十分高效的機(jī)器代碼， 極大的提高了程序的運(yùn)行效率，而且十分嚴(yán)謹(jǐn)簡潔的Pascal語言為編程 人員提供了很大的幫助。 上位機(jī)程序主要包括系統(tǒng)硬件識(shí)別，網(wǎng)絡(luò)連接，數(shù)據(jù)傳輸，以及數(shù) 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 30 - 據(jù)圖像顯示與保存五個(gè)部分組成。由于下位機(jī)采用的是基于嵌入式的 Wince操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)下應(yīng)用程序均采用C語言描述，因此上位機(jī)基于 Pascal語言的應(yīng)用程序與下位機(jī)的程序存在一定的兼容性的問題，為此 需要尋找一種標(biāo)準(zhǔn)的基于標(biāo)準(zhǔn)TCPIP協(xié)議的轉(zhuǎn)換控件來實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的 有效通信。系統(tǒng)流程圖如圖12所示： 圖 12 上位機(jī)程序流程圖 從流程圖可以看

60、出，由于本系統(tǒng)與上位機(jī)通信采用了 2 套獨(dú)立的通 信協(xié)議，當(dāng)系統(tǒng)識(shí)別存在 ZigBee 無線通信協(xié)議時(shí)，系統(tǒng)將首先采用 ZigBee 協(xié)議進(jìn)行文件傳輸，假如系統(tǒng) ZigBee 連接失敗后，用戶可通過 系統(tǒng)配置選項(xiàng)中傳輸方式一欄中選擇通過 TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行文件傳輸。 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 31 - 4.5 系統(tǒng)調(diào)試 系統(tǒng)由三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊組成，因此系統(tǒng)的調(diào)試工作首先也為各 個(gè)部件的調(diào)試。調(diào)試的主要目的是驗(yàn)證各個(gè)模塊能否工作、能否按預(yù)定 功能工作、工作性能能否達(dá)到要求、系統(tǒng)是否穩(wěn)定等。調(diào)試主要為以下 幾個(gè)方面的內(nèi)容： 1確保采集模塊轉(zhuǎn)換精度達(dá)到預(yù)期設(shè)定要求，確保應(yīng)變采集模塊

61、與 ARM開發(fā)板之間通信有效暢通，保證數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確。 2確保ARM板Wince下應(yīng)用程序準(zhǔn)確有效，系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性， 保證開發(fā)板與應(yīng)變采集模塊之間SPI通信準(zhǔn)確。 3確保無線模塊與各個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和穩(wěn)定性。主要 檢查監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)是否按照預(yù)定協(xié)議正確的傳輸數(shù)據(jù)。 4對(duì)調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的問題及時(shí)分析和解決，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)的調(diào)試方法：系統(tǒng)的調(diào)試工作主要是通過現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，并與 其他類型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試試驗(yàn)才檢驗(yàn)系統(tǒng) 的準(zhǔn)確性。而數(shù)據(jù)采集模塊與無線通信模塊之間的調(diào)試采用的是一主加 一從的方式，這種方式可以簡單而直觀的發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用之間存在的問題。 由于本系統(tǒng)的研究

62、過程中運(yùn)用了大量的程序編程，而編程的調(diào)試手段主 要是通過設(shè)置斷點(diǎn)、進(jìn)行單步調(diào)試、查看指定的特殊功能寄存器中的值 等。 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 32 - 五 總結(jié) 課題介紹了嵌入式系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集與處理領(lǐng)域的發(fā)展情況，并對(duì)嵌 入式系統(tǒng)的開發(fā)以及Wince操作系統(tǒng)進(jìn)行了簡單的介紹，系統(tǒng)硬件部分詳 細(xì)介紹了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理與功能框架，基于單片機(jī)的采集卡和無線 數(shù)據(jù)發(fā)送電路。在軟件實(shí)現(xiàn)部分，主要介紹了四個(gè)部分，ARM板數(shù)據(jù)顯示 與存儲(chǔ)模塊程序設(shè)計(jì)，單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊程序設(shè)計(jì)，無線數(shù)據(jù)模塊程 序設(shè)計(jì)，以及上位機(jī)通信模塊設(shè)計(jì)并且提供了系統(tǒng)與上位機(jī)通信的實(shí)現(xiàn) 過程。基于嵌入式系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)采集

63、系統(tǒng)，利用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 的可裁剪性、可移植和多任務(wù)等特點(diǎn)，不僅可以有效的提高了高精度數(shù) 據(jù)采集的性能，而且可以有效的提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性與實(shí)時(shí)性。 西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)(論文) - 33 - 參考文獻(xiàn) 1 李朝青. 無線發(fā)送/接收IC 芯片及其數(shù)據(jù)通信技術(shù)選編M . 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社,2003. 2 賈愛琴. ADS 774 在煙支重量檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用J . 現(xiàn)代電子技 術(shù),2003 (7) 3 杜春雷.ARM 體系結(jié)構(gòu)與編程.北京:清華大學(xué)出版社,2003.02 4 管耀武 楊宗德. ARM 嵌入式無線通信系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例精講 .電子工 業(yè)出版社. 2006 5桑楠，嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用開發(fā)技術(shù)，北京航空航天大學(xué)出版社， 2002. 6 謝希仁計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(第三版) 電子工業(yè)出版社 2000年 7 曹巧媛.單片機(jī)原理及應(yīng)用M.北京：電子工業(yè)出版社，1996 8 何宗鍵，Windows CE嵌入式系統(tǒng)，北京，北京航空航天大學(xué)出版社， 2006，9 9 顧瑞紅,張宏科.基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用J.網(wǎng)絡(luò)通信 世界,2005 10 靳其兵.單片機(jī)數(shù)據(jù)采集卡及其實(shí)時(shí)多任務(wù)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)J.自動(dòng)化 儀表，2002 11 肖忠祥.數(shù)據(jù)采集原理M.陜西:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2001 12 王田苗.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開發(fā)M.北京:清華大學(xué)出版社, 2002