（電路與系統(tǒng)專業(yè)論文）基于arm的數字化家園網關設計與實現.pdf

中文摘要 摘要：隨著社會和科學技術的發(fā)展，以及家居環(huán)境的數字化，家用設施越來 越信息化、網絡化，并提出了信息交互的要求，同時對家用設施進行組網和統(tǒng)一 管理提上日程。當代主流解決方案是通過嵌入式家園網關把家用設施聯合成為一 個局域網，并在此基礎上實現了家用設施的管理。同時網關可以完成局域網內和 到i n t e m e t 的通信轉換，實現遠程控制。 本文對嵌入式家園網關的軟件及部分硬件進行了深入的研究和探討。設計出 了一個基本的家園網關。本文的主要工作在于以下幾個方面： ( 1 ) 利用$ 3 c 2 4 1 0 開發(fā)板，依托l(wèi) i n u x 操作系統(tǒng)，通過使用m c p 2 5 1 5c a n 總 線控制器，組成一個基本的家園網關。 ( 2 ) 完成了在l i n u x 下對m c p 2 5 1 5c a n 總線控制器的驅動，網絡通信程序、 節(jié)點管理程序及協議轉換程序的編寫，這些程序組成了整個系統(tǒng)的三個層 次，包括網絡層，協議轉換管理層及驅動層。通過這些分層的協同工作， 實現了家園網關中關于t c p i p 協議和c a n 總線協議的互相轉換。 ( 3 ) 在c a n 總線協議的基礎上創(chuàng)新性地提出了應用層協議的設計方案，這個 協議使得家園網關在c a n 總線上具備管理能力及可靠的批量數據傳輸能 力。 系統(tǒng)測試證明本方案是可行的，本文的數字化家園網關具有體積小，可靠性 高，其c a n 總線具有安裝方便的優(yōu)勢，整個系統(tǒng)并有廣闊的發(fā)展空間。 本論文共有圖2 9 幅，表1 個，參考文獻1 8 篇。 關鍵詞：a r m ；c a n ；數字化家園；家庭網關 分類號：t p 3 6 8 2 a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es c i e n c ea n ds o c i e t yi l l sw e l la st h e d i g i t a lo ft h eh o m ee n v i r o n m e n t ，h o u s e h o l df a c i l i t i e sw i t hi n f o r m a t i o na n dn e t w o r k c a p a b i l i t i e sa r eb e i n ga s k e dt op e r f o r mi n f o r m a t i o ne x c h a n g e ，a tt h es a m et i m e ，i t s h o u l dm a k et h en e t w o r ka n dt h eu n i f i e dm a n a g e m e n tf o rh o u s e h o l df a c i l i t i e so nt h e a g e n d a c u r r e n ts o l u t i o ni sc o m b i n ea l lt h eh o u s e h o l df a c i l i t i e si n t oal o c a la r e an e t w o r k 、i mt h ee m b e d d e dh o m eg a t e w a y , a n da c h i e v e st h em a n a g e m e n to fh o m ef a c i l i t i e so n t h i sb a s i s a st h es a m et i m e ，t h eg a t e w a yc a np e r f o r mt h ec o n v e r s i o no fc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nl a na n dt h ei n t e r n e t ，a c h i e v er e m o t ec o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r , i tc a r r i e so u ta l li n d e p t hs t u d ya n dd i s c u s s i o no nt h es o f t w a r ea n d s o m eh a r d w a r eo ft h ee m b e d d e dh o m eg a t e w a y t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri st h e f o l l o w i n g ： ( 1 ) ab a s i ch o m eg a t e w a yi ss e t u p e db a s e do nt h el i n u xo p e r a t i o ns y s t e mb y u s i n gt h em c p 2 5 15c a nc o n t r o l l e ra n d $ 3 c 2 410d e v e l o p m e n tb o a r d ( 2 ) t h ed r i v e ro fm c p 2 515c a nb u sc o n t r o l l e r , t h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n p r o c e s s ，t h en o d em a n a g e m e n tp r o c e s sa n dp r o t o c o lc o n v e r s i o np r o c e s sa r e p r o g r a m m e du n d e rt h el i n u xd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ；t h e s ep r o g r a m sf o r m t h et h r e el a y e r so ft h ee n t i r es y s t e m ，i n c l u d i n gt h en e t w o r kl a y e r , t h ep r o t o c o l c o n v e r s i o nl a y e ra n dt h ed r i v e rl a y e nt h r o u g ht h e s el a y e r sw o r kt o g e t h e rt o a c h i e v eac o n v e r s i o nb e t w e e nt c p i pp r o t o c o la n dc a n p r o t o c o lo nah o m e g a t e w a y ( 3 ) b a s eo nt h ec a nb u sp r o t o c o l ，a ni n n o v a t i v ea p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o li s p r e l i m i n a r ym a d e ；t h i sa p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o lg i v e st h ec a p a b i l i t i e so f m a n a g e m e n ta n dr e l i a b l eb a t c hd a t at r a n s m i s i o nt ot h eh o m eg a t e w a yo nt h e c a nb u s t e s tp r o v e st h ep r o g r a mi sf e a s i b l e i nt h i sp a p e r , t h ed i g i t a lh o m eg a t e w a yh a st h e a d v a n t a g eo fs m a l ls i z ea n dh i g hr e l i a b i l i t y , t h ec a nb u sh a st h ea d v a n t a g eo fe a s y i n s t a l l a t i o n ，t h ee n t i r es y s t e ma n dh a sav a s ts p a c ef o rd e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：a r m ；c a n ；d i g i t a lh o m e ；h o m eg a t e w a y c i 。a s s n 0 ：t p 3 6 8 2 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特，i t j j n 以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經發(fā)表或 撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京交通大學或其他教育機構的學位或證書 而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作 了明確的說明并表示了謝意。 學位論文作者簽名：墚互+ 簽字日期： 年月日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解北京交通大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定。特 授權北京交通大學可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索， 提供閱覽服務，并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。 同意學校向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權說明) 學位論文作者簽名：垛芴a 導師簽名： 簽字日期：年月 日 簽字日期：年 月日 致謝 本論文的工作是在我的導師陳后金教授的悉心指導下完成的，本課題在選題 及研究過程中得到陳后金教授的悉心指導。陳老師多次詢問研究進程，并為我指 點迷津，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵。陳老師一絲不茍的作風， 嚴謹求實的態(tài)度，踏踏實實的精神，不僅授我以文，而且教我做人，雖歷時兩載， 卻給以終生受益無窮之道。在此衷心感謝兩年來陳后金老師對我的關心和指導。 在此我還要感謝侯建軍老師、劉穎老師，杜普選老師，他們的教學使我在科 研：l 作上得到了莫大的幫助，他們點點滴滴的教誨，成為了我終身寶貴的財富。 在實驗室工作及撰寫論文期間，何克之、李文勇、劉曉彤、王賢辰、張晉芳、 唐宇希、李雅靜及趙琛等同學對我論文中的研究工作給予了熱情幫助，在此向他 們表達我的感激之情。 另外也感謝我的父母，他們的理解和支持使我能夠在學校專心完成我的學業(yè)。 1 引言 1 1數字化家園網關的介紹及發(fā)展 家庭網絡系統(tǒng)指的是融合家庭控制網絡和多媒體信息網絡于一體的家庭信息 化平臺，是在家庭范圍內，實現信息設備、通信設備、娛樂設備、家用電器、自 動化設備、照明設備、保安( 監(jiān)控) 裝置及水電氣熱表設備、家庭求助報警等設備互 聯和管理，以及數據和多媒體信息共享的系統(tǒng)。家庭網絡系統(tǒng)構成了智能化家庭 設備系統(tǒng)，提高了家庭生活、學習、工作、娛樂的品質，是數字化家庭的發(fā)展方 向。 從功能上講，家庭網絡的核心是服務。我們構筑家庭網絡的總目標是為我們 的生活帶來方便，是要通過網絡獲取有用的信息。因此如何獲取服務、獲取什么 服務是家庭網絡功能的核心。 從構架上看，家庭網絡的核心是家庭網關。它在家庭內部以及內部到外部實 現橋接路由、協議轉換、地址管理和轉換、承擔防火墻的職責，并提供可能的業(yè) 務。 從整體出發(fā)去構筑合理的家庭網絡平臺是家庭信息化的關鍵。 目前，涉及家庭網絡包含了信息家電、數字家庭和智能家居等相關產業(yè)。國 內外大公司包括i n t e l ，海爾等己經推出相關產品，它的市場前景相當廣闊。 在信息家電領域，家庭的網絡化、信息化是一個極為重要的課題。海信集團 于2 0 0 0 年提出并完成了國家8 6 3 項目：數字化家庭信息系統(tǒng)，以國產的嵌入式操作 系統(tǒng)和獨立開發(fā)的內部網絡協議為技術背景，成功地使家庭內的家用電器和設備 都能夠上網，實現了家電信息化、網絡化、自動化。在該系統(tǒng)中，“家庭網關 是 傳統(tǒng)網絡機頂盒概念的擴展，是家庭的信息中心和內外網絡交互的接口，它不僅 完成家庭上網、e m a i l 收發(fā)等功能，還為家庭內部與外界信息的交互、家用設施 的遠程監(jiān)控等功能提供了統(tǒng)一的通道，是系統(tǒng)中的關鍵設備。 1 2家庭網絡化實現方案 第一種方案將家用設施直接接入i n t e m e t ，使得家用設施直接面向開放網絡。 這個方案要求每個家用設施都具有以太網接口，并且其嵌入式系統(tǒng)支持t c p i p 協 議棧，這樣使得家用設備與p c 處于等同地位，這樣的方案非常易于管理，可以很 便捷地訪問家用設備，控制具有相當的靈活性。 但是這種方案的主要缺點是成本過高，在家用設施上實現t c p i p ，并且還需 要重新組網，無論在人力或物力上的投資都是相當大的。 第二種方案是使用p c 機作為網關，其他家用設施通過串口，或u s b 等通信 方式與p c 機相連。網絡的信息由p c 處理后，再發(fā)往相應的家用設施。這個方案 的優(yōu)點是開發(fā)簡單，成本也能控制，對于家用設備的要求不高，拓展性好。 但是這個方案的明顯缺點就是p c 機的噪音污染，對環(huán)境的要求較高及其功耗 極大，無法全天候運行，其操作系統(tǒng)過于復雜，可靠性不高，而且使用p c 作為網 關是一種資源上的浪費。 第三種方案就是使用嵌入式作為網關設備，嵌入式發(fā)展到當今，基本可以勝 任p c 機的大多數上作，并且沒有上文提到的p c 機的各種劣勢。 但這種方案的難點在于開發(fā)難度大，不過這點和使用者無關。所以這個方案 非常適合數字化家園網關的設計。 1 3網關的定義 通常相互獨立的網絡使用不同的編址、路由選擇和連接服務規(guī)則，采用不同 體系結構的網絡差異就更大。要想使這些網絡的互聯，就必須解決它們之間的差 異實現協議轉換。這種功能通常由網關實現，網關在兩個分離的網絡之間解釋并 翻譯協議規(guī)則。其結構如圖1 1 所示。 圖1 1 網關結構圖 f i g 1 1s t r u c t u r eo fg a t e w a y 網關的重要功能是完成網絡層以上的某種協議之間的轉換。網關又稱協議轉 換器，它將不同網絡的協議進行轉換。有以下三種方式支持不同種協議系統(tǒng)之間 的通信【1 1 。 ( 1 ) 遠端業(yè)務協議封裝，外部業(yè)務數據采用本地網絡數據格式進行封裝，當數 據到達接收端用戶后，去掉本地網絡的封裝格式，將原有的數據內容提交 2 給應用系統(tǒng)。 ( 2 ) 本地業(yè)務協議封裝，地業(yè)務數據采用遠端數據格式進行封裝，當數據傳送 給接收端用戶后，去掉遠端網絡的封裝格式，將原有的數據提交給應用系 統(tǒng)。 ( 3 ) 協議轉換，通過中間網絡設備改變數據的封裝格式，保證不同協議格式的 系統(tǒng)之間可以進行通信。 1 4 數字化家園網關的要求 一個家園網關使得家居設備可以與i n t e r n e t 上的節(jié)點互相訪問。作為家園網關 的設備必須具有如下的一些功能l l j ： ( 1 ) 防火墻：因為嵌入式設備相對簡單，在接入以太網絡后，嵌入式設備本身 無法保證自己的網絡安全性。網關設備必須提供一系列恰當的認證加密技 術，采取一定的安全策略，保護防火墻后的嵌入式設備，以保護其不受到 來自i n t e r n e t 的攻擊。 ( 2 ) 協議轉換：嵌入式設備網絡本身可能采用多種協議，多種硬件接e 1 ，為了 完成互聯，網關必須帶有各種嵌入式設備的硬件接口，同時在軟件層必須 能夠完成各種協議同t c p i p 協議的轉換。 ( 3 ) 設備狀態(tài)監(jiān)視和管理：這個是一個可選的功能，針對特定的應用需要定制 這一功能。需要查看的狀態(tài)包括，設備是否始終保持連接，設備是否工作 正常，是否有新設備加入或離開，為設備提供必要的信息支持等等。 ( 4 ) 事務處理：如果有一特定的事件發(fā)生了，必須啟動一定的程序處理這一事 件。向以太網一方發(fā)送信息，報告特定的事件發(fā)生了。 1 5 本文的工作 本文的目的是要分析家庭網絡的核心家庭網關，并提出自己的家庭網關 設計方案。 本文以嵌入式家庭網關系統(tǒng)設計技術為背景，結合國內外當前的研究狀況， 設計了一個低功耗、小體積、高可靠性的數字化家園網關。 首先對嵌入式和嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展現狀、基本原理、應用范圍和領域等作了 全面介紹；然后對控制總線的發(fā)展，種類，特點和優(yōu)勢做了大概的介紹，接著詳 細闡述了各個模塊的采用的方案。詳細說明了如何搭建數字化家園網關的系統(tǒng)軟 件平臺，包括網絡部分，驅動部分，及其部分硬件設計原理。針對家庭網關的特 點，著重分析了c a n 總線協議在家庭網關中的實現，并創(chuàng)新性提出了基于c a n 總線協議和利用硬件特點的設備管理和數據傳輸協議；最后介紹了系統(tǒng)平臺的軟 件調試的結果。 本文設計的系統(tǒng)靈活性強，除了為進一步實現的信息家電的連接和控制提供 了功能強大的軟硬件基礎外，對今后研究和開發(fā)速度快、性價比高、可靠性高、 更易擴展的嵌入式家庭網關也有很高的參考價值。 4 2 數字化家園網關的構成 對于數字化家園網關這樣復雜而且要求較高的系統(tǒng)，需要強大的處理能力的 支持，而且在功率，效率上也要符合家用網關的要求，并具有易于開發(fā)，易于管 理，易于擴展的特性。本文經過慎重篩選，認為網關應由以下幾個部分組成，即 a r m 微處理器、嵌入式操作系統(tǒng)、以及現場總線。 2 1a r m 微處理器 2 1 1a r m 微處理器簡介 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 既可以認為是一個公司的名字也可以認為是 對一類微處理器的通稱還可以認為是一種技術的名字。 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設計技術的授權。目前， 采用a r m 技術知識產權( i p ) 核的微處理器，即我們通常所說的a r m 微處理器， 已遍及工業(yè)控制、消費類電子產品、通信系統(tǒng)、網絡系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產品 市場，基于a i 技術的微處理器應用約占據了3 2 位s c 微處理器7 5 以上的 市場份額，a r m 技術正在逐步滲入到我們生活的各個方面。 ( 1 ) 無線通訊領域：日前己有超過8 5 的無線通訊設備采用了a r m 技術， a r m 以其高性能和低成本在該領域的地位日益鞏固。 ( 2 ) 網絡應用：隨著寬帶技術的推廣，采用a r m 技術的a d s l 芯片，逐步獲 得競爭優(yōu)勢。此外，a r m 在語音及視頻處理上行了優(yōu)化，并獲得廣泛支 持，也對d s p 的應用領域提出了挑戰(zhàn)。 ( 3 ) 消費類電子產品：a r m 技術在日前流行的數字音頻播放器、數字機頂盒 和游戲機中得到廣泛采用。 ( 4 ) 成像和安全產品：現在流行的數碼相機和打印機中絕大部分采用a r m 技 術。手機中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技術。 到目前為止a r m 微處理器及技術的應用幾乎已經深入到各個領域工業(yè)控制 領域，作為3 2 位的r i s c 架構，基于a r m 核的微控制器芯片不但占據了高端微 控制器市場的大部分市場份額，同時也逐漸向低端微控制器應用領域擴展。a r m 微控制器的低功耗、高性價比、向傳統(tǒng)的8 位1 6 位微控制器提出了挑戰(zhàn)。 2 1 2 $ 3 c 2 4 1 0 微處理器 $ 3 c 2 4 1 0 微處理器是使用a r m 9 2 0 t 核、采用0 1 8 u m 工藝c m o s 標準宏單元 和存儲編譯器開發(fā)的。它計劃用于低成本、低功耗和高性能手持設備和一般應用 的單片微處理器解決方。 $ 3 c 2 4 1 0 通過提供全面的、通用的片上外設，使系統(tǒng)的全部成本降到最低， 并且不需要配置額外的部件。其內部結構圖如圖2 1 所示。它的片上功能包括【2 】： 一 1 8 v a r m 9 2 0 t 內核，3 3 v 存儲系統(tǒng)，帶有1 6 k b 指令和1 6 k b 數據c a c h e 及m m u 單元 - 外部存儲器控制( s d r a m 控制和芯片選擇邏輯) l c d 控制器( 支持4 k 顏色的s t n 或2 5 6 k 色t f t 的l c d ) ，帶1 個通道的 l c d 專用d m a 控制器 4 通道d m a ，具有外部請求引腳 _ 3 通道u a r t ( 支持i r d a l 0 ，1 6 字節(jié)發(fā)送f i f o 及1 6 字節(jié)接收f i f o ) ，2 通道s p i 接口 _ 1 個通道多主i i c 總線控制器，l 通道i i s 總線控制器 _1 0 版本s d 主機接口及2 1 1 版本兼容的m m c 卡協議 2 個主機接口的u s b 口，1 個設備u s b 口( 1 1 版本) 4 通道p w m 定時器，1 通道內部計時器 看門狗定時器 1 1 7 位通用目的i o 口，2 4 通道外部中斷源 _ 電源控制：正常、慢速、空閑及電源關閉模式 帶觸摸接口的8 通道1 0 位a d c _ 帶日歷功能的實時時鐘控制器 具有p l l 的片上時鐘發(fā)生器 6 n 8 a 毛， s 2 2嵌入式操作系統(tǒng) 圖2 1 $ 3 c 2 4 1 0 內部結構 f i g 2 1 $ 3 c 2 410b l o c kd i a g r a m 7 錯冒 錯錯镩錯錯 2 2 1 嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展 嵌入式操作系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)密不可分。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式微處理器、 外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應用程序等四個部分組成，它是集軟 硬件于一體的可獨立工作的“器件。 嵌入式技術的發(fā)展，大致經歷了四個階段。 第一階段是以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)，同時具有與監(jiān)測、 伺服、指示設備相配合的功能。這種系統(tǒng)大部分應用于一些專業(yè)性極強的工業(yè)控 制系統(tǒng)中，一般沒有操作系統(tǒng)的支持，通過匯編語言編程對系統(tǒng)進行直接控制， 運行結束后清除內存。 第二階段是以嵌入式c p u 為基礎、以簡單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。這 一階段的操作系統(tǒng)具有一定的兼容性和擴展性，但用戶界面不夠友好。 第三階段是以嵌入式操作系統(tǒng)為標志的嵌入式系統(tǒng)。這一階段系統(tǒng)的主要特 點是：嵌入式操作系統(tǒng)能運行于各種不同類型的微處理器上，兼容性好；操作系 統(tǒng)內核精小、效率高，并且具有高度的模塊化和擴展性；具備文件和目錄管理、 設備支持、多任務、網絡支持、圖形窗口以及用戶界面等功能；具有大量的應用 程序接口( a p i ) ，開發(fā)應用程序簡單；嵌入式應用軟件豐富。 第四階段是以基于i n t e m e t 為標志的嵌入式系統(tǒng)，這是一個正在迅速發(fā)展的階 段。目前大多數嵌入式系統(tǒng)還孤立于i n t e m e t 之外，但隨著i n t e m e t 的發(fā)展以及 i n t e m e t 技術與信息家電、工業(yè)控制技術等結合日益密切，嵌入式設備與i n t e m e t 的結合將代表著嵌入式技術的真正未來。 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展對嵌入式操作系統(tǒng)提出了更高的要求。因此，對嵌入式操 作系統(tǒng)的結構、設計、用戶界面等諸多方面進行深入研究，將有助于嵌入式系統(tǒng) 的應用和發(fā)展。 2 2 2 嵌入式l i n u x 嵌入式l i n u x 是將日益流行的l i n u x 操作系統(tǒng)進行裁剪修改，使之能在嵌入 式計算機系統(tǒng)上運行的一種操作系統(tǒng)，它被廣泛應用在移動電話、個人數字助理 ( p d a ) 、媒體播放器、消費性電子產品以及航空航天等領域中。嵌入式l i n u x 既繼 承了i n t e m e t 上無限的開放源代碼資源，又具有嵌入式操作系統(tǒng)的特性。嵌入式 l i n u x 的特點是版權費免費；購買費用媒介成本技術支持全世界的自由軟件開發(fā)者 提供支持網絡特性免費，而且性能優(yōu)異，軟件移植容易，代碼開放，有許多應用 軟件支持，應用產品開發(fā)周期短，新產品上市迅速，因為有許多公開的代碼可以 參考和移植，實時性能穩(wěn)定性好安全性好。 其優(yōu)點有如下幾項 4 1 ： 首先，l i n u x 是開放源代碼的，不存在黑箱技術，遍布全球的眾多l(xiāng) i n u x 愛好 者又是l i n u x 開發(fā)者的強大技術支持； 其次，l i n u x 的內核小、效率高，內核的更新速度很快，l i n u x 是可以定制的， 其系統(tǒng)內核最小只有約1 3 4 k b 。 第三，l i n u x 是免費的o s ，在價格上極具競爭力。l i n u x 還有著嵌入式操作 系統(tǒng)所需要的很多特色，突出的就是l i n u x 適應于多種c p u 和多種硬件平臺，是 一個跨平臺的系統(tǒng)。到目前為止，它可以支持二三十種c p u 。而且性能穩(wěn)定，裁 剪性很好，開發(fā)和使用都很容易。很多c p u 包括家電業(yè)芯片，都開始做l i n u x 的 平臺移植工作。移植的速度遠遠超過j a v a 的開發(fā)環(huán)境。也就是說，如果今天用l i n u x 環(huán)境開發(fā)產品，那么將來換c p u 就不會遇到困擾。 第四，l i n u x 內核的結構在網絡方面是非常完整的，l i n u x 對網絡中最常用的 t c p i p 協議有最完備的支持。提供了包括十兆、百兆、千兆的以太網絡，以及無 線網絡，令牌環(huán)網、光纖甚至衛(wèi)星的支持。所以l i n u x 很適于做信息家電的開發(fā)。 還有使用l i n u x 為的是來開發(fā)無線連接產品的開發(fā)者越來越多。 第五，l i n u x 有很多工具，并且l i n u x 為眾多程序員所熟悉。因此，我們要在 嵌入式系統(tǒng)中使用l i n u x 操作系統(tǒng)。 第六，l i n u x 的大小適合嵌入式操作系統(tǒng)_ i ，i 肌x 固有的模塊性，適應性和 可配置性，使得這很容易做到。 2 2 3 開發(fā)嵌入式l i n u x 的幾個問題 開發(fā)嵌入式l i n u x 主要存在下面幾個問題1 5 j ： ( 1 ) l i n u x 的移植。如果l i n u x 不支持選用的平臺，就需要把l i n u x 內核中 與硬件平臺相關的部分改寫，使之支持所選用的平臺。 ( 2 )內核的裁剪。嵌入式產品的可用資源比較少，所以它的內核相對嵌入 式系統(tǒng)來說就顯得有點大，需要進行剪裁到可利用的大小。 ( 3 )桌面系統(tǒng)?，F代的操作系統(tǒng)如果沒有一個友好的界面是沒有說服力的。 現在的臺式機l i n u x 系統(tǒng)使用了傳統(tǒng)的xw i n d o w 系統(tǒng)的模式 c l i e n t s e r v e r 結構。和硬件有關的部分即是s e r v e r 端，實現一個標準 的顯示接口；應用程序通過對s e r v e r 的服務請求，實現程序的顯示。 在此之上，實現窗口的管理功能。但xw i n d o w 對于嵌入式系統(tǒng)來說 顯得很龐大?，F在國內有m i n i g u i ，國外有m i c r o w i n d o w ，都在致力 9 于嵌入式l i n u xg u i 的開發(fā)。適用于嵌入式l i n u x 上的xw m d o w 的 工作也在進行。 ( 4 )驅動程序的開發(fā)。l i n u x 內核更新的很快，許多最新的硬件驅動很快 就被支持。但嵌入式系統(tǒng)應用領域是多種多樣的，所選用的硬件設備 也不同，并且不可能都有l(wèi) i n u x 的驅動程序，因此，設備驅動程序的 開發(fā)也是重要的工作。 ( 5 ) 應用軟件的開發(fā)。 ( 6 )中文的支持。 本文將在第四，第五個問題上深入分析和討論。 2 3現場總線 2 3 1 現場總線簡介 1 9 8 4 年，現場總線的概念得到正式提出。i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a l c o m m i s s i o n ，國際電工委員會) 對現場總線( f i e l d b u s ) 的定義為：現場總線是一種 應用于生產現場，在現場設備之間、現場設備和控制裝置之間實行雙向、串形、 多結點的數字通信技術。主要用于制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓字、電力等方面 的自動化系統(tǒng)中。 現場總線的技術特征如下： ( 1 ) 全數字化通信； ( 2 ) 開放型的互聯網絡； ( 3 ) 互可操作性與互用性； ( 4 ) 現場設備的智能化； ( 5 ) 系統(tǒng)結構的高度分散性； ( 6 ) 對現場環(huán)境的適應性。 2 3 2 主流的現場總線 由于各個國家各個公司的利益之爭，雖然早在1 9 8 4 年國際電工技術委員會 國際標準協會( i e c i s a ) 就著手開始制定現場總線的標準，至今統(tǒng)一的標準仍未 完成。很多公司也推出其各自的現場總線技術，但彼此的開放性和互操作性還難 以統(tǒng)一。 基金會現場總線( f o u n d a t i o n f i e l d b u s 簡稱f f ) 1 0 這是以美國f i s h e r - r o u s e m o u n t 公司為首的聯合了橫河、a b b 、西門子、英維 斯等8 0 家公司制定的i s p 協議和以h o n e y w e l l 公司為首的聯合歐洲等地1 5 0 余家 公司制定的w o r l d f i p 協議于1 9 9 4 年9 月合并的。該總線在過程自動化領域得到了 廣泛的應用，具有良好的發(fā)展前景。 基金會現場總線采用國際標準化組織i s o 的開放化系統(tǒng)互聯o s i 的簡化模型 ( 1 ，2 ，7 層) ，即物理層、數據鏈路層、應用層，另外增加了用戶層。f f 分低速 h 1 和高速h 2 兩種通信速率，前者傳輸速率為3 1 2 5 k b i t 秒，通信距離可達1 9 0 0 m ， 可支持總線供電和本質安全防爆環(huán)境。后者傳輸速率為l m b i t 秒和2 5 m b i t 秒，通 信距離為7 5 0 m 和5 0 0 m ，支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射，協議符號i e c l1 5 8 2 標 準。f f 的物理媒介的傳輸信號采用曼切斯特編碼。 c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k 控制器局域網) 最早由德國b o s c h 公司推出，它廣泛用于離散控制領域，其總線規(guī)范已被i s o 國際標準組織制定為國際標準，得到了i n t e l 、m o t o r o l a 、n e c 等公司的支持。c a n 協議分為二層：物理層和數據鏈路層。c a n 的信號傳輸采用短幀結構，傳輸時間 短，具有自動關閉功能，具有較強的抗干擾能力。c a n 支持多主工作方式，并采 用了非破壞性總線仲裁技術，通過設置優(yōu)先級來避免沖突，通訊距離最遠可達 1 0 k m 5 k b p s s ，通訊速率最高可達4 0 m 1 m b p s 。目前已有多家公司開發(fā)了符合 c a n 協議的通信芯片。 l o n w o r k s 它由美國e c h e l o n 公司推出，并由m o t o r o l a 、t o s h i b a 公司共同倡導。它采用 i s o o s i 模型的全部7 層通訊協議，采用面向對象的設計方法，通過網絡變量把網 絡通信設計簡化為參數設置。支持雙絞線、同軸電纜、光纜和紅外線等多種通信 介質，通訊速率從3 0 0 b i f f s 至1 5 m s 不等，直接通信距離可達2 7 0 0 m ( 7 8 k b i t s ) ， 被譽為通用控制網絡。l o n w o r k s 技術采用的l o n t a l k 協議被封裝到n e u r o n ( 神經 元) 的芯片中，并得以實現。采用l o n w o r k s 技術和神經元芯片的產品，被廣泛應 用在樓宇自動化、家庭自動化、保安系統(tǒng)、辦公設備、交通運輸、工業(yè)過程控制 等行業(yè)。 p r o f i b u s p r o f i b u s 是德國標準( d i n l 9 2 4 5 ) 和歐洲標準( e n 5 0 1 7 0 ) 的現場總線標 準。由p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s f m s 、p r o f i b u s p a 系列組成。d p 用于 分散外設間高速數據傳輸，適用于加工自動化領域。f m s 適用于紡織、樓宇自動 化、可編程控制器、低壓開關等。p a 用于過程自動化的總線類型，服從i e c l l 5 8 2 標準。p r o f i b u s 支持主從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳 輸方式。p r o f i b u s 的傳輸速率為9 6 k b i t s 至1 2 m b i t s ，最大傳輸距離在9 6 k b i t s 下為1 2 0 0 m ，在1 2 m b i t s 小為2 0 0 m ，可采用中繼器延長至l o k m ，傳輸介質為雙 絞線或者光纜，最多可掛接1 2 7 個站點。 2 3 3c a n 總線簡介 控制器局部網( c a n - - c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 是b o s c h 公司為現代汽車 應用領先推出的一種多主機局部網，由于其高性能、高可靠性、實時性等優(yōu)點現 已廣泛應用于工業(yè)自動化、多種控制設備、交通： 具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境 控制等眾多部門?？刂破骶植烤W將在我國迅速普及推廣。 由于c a n 為愈來愈多不同領域采用和推廣，導致要求各種應用領域通信報文 的標準化。為此，1 9 9 1 年9 月p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 制訂并發(fā)布了c a n 技術規(guī)范( v e r s i o n2 0 ) 。該技術規(guī)范包括a 和b 兩部分。2 0 a 給出了曾在c a n 技術規(guī)范版本1 2 中定義的c a n 報文格式，能提供1 1 位地址；而2 0 b 給出了標 準的和擴展的兩種報文格式，提供2 9 位地址。此后，1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式頒布 了道路交通運載工具數字信息交換高速通信控制器局部網( c a n ) 國際 標準( i s o l l 8 9 8 ) ，為控制器局部網標準化、規(guī)范化推廣鋪平了道路。 由于其良好的性能及獨特的設計，c a n 總線越來越受到人們的重視。它在汽 車領域上的應用是最廣泛的，世界上一些著名的汽車制造廠商都采用了c a n 總線 來實現汽車內部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機構間的數據通信。同時，由于c a n 總線 本身的特點，其應用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè)，而向自動控制、航空航天、 航海、過程工業(yè)、機械工業(yè)、紡織機械、農用機械、機器人、數控機床、醫(yī)療器 械及傳感器等領域發(fā)展。c a n 已經形成國際標準，并已被公認為幾種最有前途的 現場總線之一。其典型的應用協議有： s a ej 1 9 3 9 i s 0 1 1 7 8 3 、c a n o p e n 、 c a n a e r o s p a e e 、d e v i c e n e t 、n m e a2 0 0 0 等。 2 3 4c a n 總線的特點 c a n 屬于現場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行 通信網絡?；赾 a n 總線的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的特點： 首先，c a n 控制器工作于多主方式，網絡中的各節(jié)點都可根據總線訪問優(yōu)先 權( 取決于報文標識符) 采用無損結構的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數據， 且c a n 協議廢除了站地址編碼，而代之以對通信數據進行編碼，采用這種方法的 優(yōu)點可使網絡內的節(jié)點個數在理論上不受限制，數據塊的標識碼可由1 1 位或2 9 位二進制數組成，因此可以定義2 1 1 或2 2 9 個不同的數據塊，這種按數據塊編碼的方 1 2 式，這可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數據，具有多主站運行和分散仲裁的串 行總線以及廣播通信的特點。c a n 總線上任意節(jié)點可在任意時刻主動地向網絡上 其它節(jié)點發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點之間實現自由通信。這些特點使 得c a n 總線構成的網絡各節(jié)點之間的數據通信實時性強，并且容易構成冗余結構， 提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。數據段長度最多為8 個字節(jié)，可滿足通常工 業(yè)領域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數據的一般要求。同時，8 個字節(jié)不會占用總 線時間過長，從而保證了通信的實時性。c a n 協議采用c r c 檢驗并可提供相應的 錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。 其次，c a n 總線通過c a n 收發(fā)器接口芯片的兩個輸出端c a n h 和c a n l 與 物理總線相連，而c a n h 端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，c a n l 端只能是低 電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會出現當系統(tǒng)有錯誤，出現多節(jié)點同時向總線發(fā)送 數據時，導致總線呈現短路，從而損壞某些節(jié)點的現象。而且c a n 節(jié)點在錯誤嚴 重的情況下具有自動關閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響，從而 保證不會出現象在網絡中，因個別節(jié)點出現問題，使得總線處于“死鎖狀態(tài)。 c a n 總線通信接口中集成了c a n 協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通 信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等項 工作。因此，c a n 具有的完善的通信協議可由c a n 控制器芯片及其接口芯片來 實現，整個網絡結構簡單，只有2 根現與外部相連。從而大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度， 縮短了開發(fā)周期。 另外，與其它現場總線比較而言，c a n 總線是具有通信速率高，最高可達到 1 m b i t s 、容易實現、且性價比高等諸多特點的一種已形成國際標準的現場總線。 這些也是目前c a n 總線應用于眾多領域，具有強勁的市場競爭力的重要原因。 總結c a n 總線的特點如下： ( 1 ) 廢除傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對通信數據塊進行編碼，可以多主方式工 作； ( 2 ) 采用非破壞性仲裁技術，當兩個節(jié)點同時向網絡上傳送數據時，優(yōu)先級低 的節(jié)點主動停止數據發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響繼續(xù)傳輸數據， 有效避免了總線沖突； ( 3 ) 采用短幀結構，每一幀的有效字節(jié)數為8 個，數據傳輸時間短，受干擾的 概率低，重新發(fā)送的時間短； ( 4 ) 每幀數據都有c r c 校驗及其他檢錯措施，保證了數據傳輸的高可靠性， 適于在高干擾環(huán)境下使用； 節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉總線的功能，切斷它與總線的聯系， 以使總線上其他操作不受影響。 1 3 業(yè)噩至盟厶主翊空位垃奎塹主位窒目囝羞啦控直 2 4 方案選擇 本文設計的數字化家固網關框圖如圖2 - 2 所示。 圖2 - 2 數字化家聞網關框幽 f i g 2 - 2s t 兀l c t u r e o f d i g i t mh o m e g a t e w a y 數字化家園網關要對來自于i n t e r n e t 的數據進行接收井解析，而且還要管理控 制總線的協議及運行系統(tǒng)的應用程序，處理的數據噩大，任務繁多，為了得到優(yōu) 異的性能和合適的價位之問的平衡。并且使開發(fā)周期盡可能的短。本文通過認真 對比，選擇a r m 9 核心的$ 3 c 2 4 1 0 作為主處理器，上面運行l(wèi) i n u x 操作系統(tǒng)，不 但可以滿足處理能力的要求，并且借助l i n u x 眾多的資源和開發(fā)成果，良好的網絡 特性，多任務并行及其便捷的開發(fā)工具，使得開發(fā)進度大大加快。 另外c a n 的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應用于工業(yè)自動化、船舶、 醫(yī)療設備、工業(yè)設薔等方面。c a n 總線是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一 被譽為自動化領域的計算機局域網。它的出現為分布式控制系統(tǒng)實現各節(jié)點之間 實時、可靠的數據通信提供了強有力的技術支持。 同時，c a n 總線是一種廉價的，易于安裝的現場總線，由于大規(guī)模生產，c a n 總線模塊芯片價格已經十分低廉，并且c a n 總線只需要兩根雙絞線進行通信，易 于在家庭環(huán)境中安裝。通信距離可達1 0 k i n ，完全滿足家庭控制總線的需求。 學 瞅 3 系統(tǒng)部分硬件設計 本文采用的是成熟的a r m 評估板進行開發(fā)，具有完善的外圍設備，包括網卡 芯片及其相應的外圍電路，串口設備及其相應的外圍電路等，本文只需要針對c a n 總線的硬件進行設計即可完成家庭網關的整個硬件設計。 3 1c a n 總線控制器 c a n 總線基本上使用的是兩種系列的c a n 總線控制器，第一類芯片是由 p h i l i p s 生產的s j a l 0 0 0 系列；第二類芯片是由m i c r o c h i p 生產的m c p 2 5 1 0 、 m c p 2 5 1 5 系列。 s j a l 0 0 0 是目前使用較為廣泛的一種獨立c a n 控制器，用于移動目標和一般 工業(yè)環(huán)境中的控制器局域網絡。 s j a l 0 0 0 與微處理器的接口可設置成i n t e l 方式或m o t o r o l a 方式。目前的大部 分單片機提供的都是i n t e l 方式接口，其數據和地址分時復用線完成，這一點和 $ 3 c 2 4 1 0 的總線有很大差異，s j a l 0 0 0 與s 3 c 2 4 1 0 之間的接口信號時序不完全兼 容；其二，s j a l 0 0 0 的接口電平與$ 3 c 2 4 1 0 的接口電平不一致，s j a l 0 0 0 為5 v ， $ 3 c 2 4 1 0 為3 3 v ，綜上所述，使用s j a l 0 0 0 作為a r m 節(jié)點c a n 總線控制器并不 是很合適。 本文采用了m c p 2 5 1 5 作為c a n 總線控制器。 m c p 2 5 1 5 是一種獨立的c a n 總線通信控制器，是m i c r o c h i p 公司首批獨立 c a n 解決方案的升級器件，最大時鐘輸入速度為4 0 m h z ，并具有一個1 0 m h z 的 高速s p i 接口，其傳輸能力較m i c r o c h i p 公司原有c a n 控制器( m c p 2 5 1 0 ) 高兩倍。 此外，m c p 2 5 1 5 還具有基于標識符位進行信息篩選的功能。當需要支持d e v i c en e t 等更高層協議時，該功能有助于減少對單片機的過高要求。m c p 2 5 1 5 可利用數據 字節(jié)和標識符位來確定某些節(jié)點是否應該接收或處理c a n 報文，它還有助于在確 定的系統(tǒng)中執(zhí)行時隙功能。當一次性模式準備就緒時，無論發(fā)生任何仲裁損失或 錯誤幀結構，報文都可被一次性傳輸。 m c p 2 5