基于S3C2410的物联网矿山数据采集终端的研究与设计.pdf

分类号⋯⋯⋯⋯⋯ UDC 密级⋯⋯⋯⋯⋯ 编号⋯⋯⋯⋯⋯ 十I 初大学 C E N T R A LS O U T HU N I V E R S I T y 硕士学位论文 论文题目．⋯塞量．黧≤婆垒驰．鲍丝腠凰芝出⋯ ⋯．数握鑫集终端鲍煎塞量趣盐⋯ 学科、专业．．．⋯⋯⋯⋯．堑丝垄王王叠⋯⋯⋯⋯ 研究生姓名．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯褒盎睡⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 导师姓名及 专业技术职务⋯⋯⋯⋯．杨．蒸杰⋯割．熬攮⋯⋯⋯ 二。一二年五月 分类号V D C 硕士学位论文 密级 基于 3 C 2 4 10 的物联网矿山数据采集终端的研究与设计 R e s e a r c ha n d D e s i g no f I n t e m e to f T h i n g sM i n eD a t a A c q u i s i t i o nT e r m i n a l B a s e do n 3C 2 410 作者姓名张春晖 学科专业矿物加工工程 学院 系、所 资源加工与生物工程学院 指导教师杨英杰副教授 论文答辩日期兰 丝』 够答辩委员会主席 中南大学 2 0 1 2 年5 月 原创性声明 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。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 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 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名j 蜱 日期韭年』月丛日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名蝉导师签名≮她期型必卫月琴日 摘要 近些年，随着嵌入式系统的发展和物联网概念的普及，建设“感知 矿山“ ，将现代化信息技术应用于矿山生产与管理，逐渐成为矿山技 术革新的热点研究课题之一。利用覆盖整个生产现场的网络，通过各 传感器节点实时采集生产数据并汇总，可以提高生产管理效率。 本文根据数据采集的特点和实际的需求，设计了一种矿山数据采 集系统，并对G P R S 网络组网进行了研究。本文研究的重点在于数据 采集终端的开发，该终端基于 3 C 2 4 1 0 处理器与W i n d o w sC E 操作系 统，针对实现数据采集、数据传输、数据管理等功能，从硬件与软件 两方面做出了详细的设计。在硬件设计方面，围绕 3 C 2 4 1 0 处理器 的性能和接口特点添加了包括网卡、触摸屏、串口等设备；在软件方 面，利用流式接口驱动解决终端与传感器的通信问题。在编程基础上 利用G U I 设计，给出了一个数据采集应用软件示例，并在终端上稳 定运行。同时，利用T C P ／D 协议实现了终端对计算机的数据上传， 验证了该协议作为数据采集系统传输基础的可靠性。 基于 3 C 2 4 1 0 处理器的数据采集终端设计是构建矿山数据采集系 统的阶段性工作，从实际的运行效果来看，基本实现了预期的目标。 通过本文的工作，论证了通过嵌入式系统实现矿山生产数据采集的可 行性，同时数据采集系统的设计和组网技术的研究工作可以为矿山物 联网建设提供参考。 关键词 3 C 2 4 1 0 ，嵌入式系统，物联网，G P R S ，数据采集终端 A BS T R A C T R e c e n t l y , t h ee m b e d d e ds y s t e mi sb e i n gd e v e l o p i n ga n dt h ei n t e m e t o ft h i n g sh a sb e e ng e n e r a l l ya c c e p t e d ．T oc o n s t r u c tt h es e n s o r ym i n e ， w h i c h m e a n st o a p p l yi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y i n p r o d u c t i o na n d m a n a g e m e n t ，h a sb e c o m eo n eo ft h eh o tr e s e a r c ht o p i co fm i n i n g t e c h n 【o l o g yi n n o v a t i o n ．T h en e t w o r kw h i c hc o v e r e dt h eh o l ep r o d u c t i o n f i e l dc a nc o l l e c ta n ds u m m a r yt h ep r o d u c t i o nd a t at h r o u g ha l lk i n d so f s e n s o r s ，a n dt h e n i tc a n i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o na n d m a n a g e m e n t A c c o r d i n gt ot h e f e a t u r e so fd a t aa c q u i s i t i o na n dt h ep r a c t i c a l d e m a n d s ，t h i sp a p e rd e s i g n e dam i n ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，a n ds t u d i e d t h eG P R Sn e t w o r k ．T h i sP 印e rf o c u s e do nt h ed e v e l o p m e n to fd a t a a c q u i s i t i o nt e r m i n a l ，w h i c hw a sb a s e do n 3 C 2 4 1 0p r o c e s s o ra n d W i n d o w sC E ．T h ea u t h o rd e s i g n e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei no r d e rt o r e a l i z ed a t ac o l l e c t i o n ，d a t at r a n s m i s s i o n ，d a t am a n a g e m e n ta n do t h e r s c r e e na n ds e r i a le t c ．I nt h er e g a r do fh a r d w a r ed e s i g n ，i ti n c l u d e dN I C ， t o u c hs c r e e n ，s e r i a lp o r t ，a n dS Oo n ．I nt h ea s p e c to fs o f t w a r ed e s i g n ，t h e s t r e a mi n t e r f a c ed r i v e rw a su s e dt os o l v et h et r a n s m i s s i o np r o b l e m b e t w e e nt e r m i n a l sa n ds e n s o r s ．B yu s i n gG Ⅵd e s i g n ，a ne x a m p l eo ft h e d a t aa c q u i s i t i o ns o f t w a r ea p p l i c a t i o nw a ss h o w e d ，w h i c hc o u l dr u no n W i n d o w sC Es t a b l y ．T h i st e r m i n a la l s oc a nu p l o a dd a t at oc o m p u t e r s ． a c c o r d i n gt ot h eT C P ／I Pp r o t o c 0 1 ．I tp r o v e dt h a tt h ed a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mc a nc o m p l e t ed a t at r a n s m i s s i o nb a s e do nT C P ／碑p r o t o c 0 1 ． T h e d e s i g n o fd a t a a c q u i s i t i o nt e r m i n a l ，w h i c hw a sb a s e do n 3C 2 410i Sas t a g ew o r ko ft h ec o n s t r u c t i o no fm i n ed a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m ．I th a sa c h i e v e dt h ed e s i r e do b j e c t i v e s u c c e s s f u l l y ．T h ep a p e r p r o v e dt h a tu s i n ge m b e d d e ds y s t e m t oc o l l e c td a t ai Sr e l i a b l ea n df e a s i b l e ． W h a t ’Sm o r e ，t h ep a p e rm a y p r o v i d er e f e r e n c et oo t h e rr e l e v a n tw o r k r e s p e c t i n gm i n ei n t e r n e to ft h i n g sc o n s t r u c t i o n ． K E YW O R D S 3C 2 410 ，e m b e d d e ds y s t e m ，i n t e m e to ft h i n g s ，G P R S ， d a t aa c q u i s i t i o nt e r m i n a l 1 l 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 第一章文献综述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 ．2 物联网发展简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 1 ．3 嵌入式系统概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 ．1 嵌入式系统的历史与现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 ．2 嵌入式系统的结构与特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 ．3 嵌入式系统的分类与应用模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 ．4 嵌入式操作系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 ．5 基于W i n d o w sC E 的嵌入式系统开发流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．4 国内的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．4 ．1 矿用嵌入式系统的研究与应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．4 ．2 “感知矿山”概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．5 工业物联网的无线化趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．[ ⋯⋯⋯．1 0 1 ．6 矿山物联网建设的目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 1 ．7 本文的研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 1 ．8 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 第二章矿山数据采集系统及终端的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．1 矿山数据采集系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．1 ．1 矿山数据采集系统的总体设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．1 ．2 矿山数据采集系统的结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．1 ．3 矿山数据采集系统的技术重点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．2G P R S 组网⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．2 ．1G P R S 网络的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．2 ．2G P R S 网络组网方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．3 矿山数据采集终端的需求分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．o ⋯⋯⋯一19 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯2 0 第三章数据采集终端的硬件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．1 处理器的选型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 i 3 ．1 ．1A R M 简介⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．1 ．2A R M 处理器的结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．1 ．3A R M 处理器的分类和特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 ．1 ．4 矿山数据采集终端处理器的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．2 硬件电路设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2 ．1 硬件总体框图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．2 ．2F l a s h 与S D R A M ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．2 ．3 电源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．2 ．4 复位电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 6 3 ．2 ．5 触摸屏⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 2 ．6J T A G 电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．2 ．7U S B 总线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．2 ．8 键盘⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 ．9 时钟电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 ．1 0 串口⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．2 ．11 以太网⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．3G P R S 工作模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．3 0 第四章数据采集终端的软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．1 流式接口驱动设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 4 ．1 ．1 驱动程序简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 4 ．1 ．2 流式接口驱动的基本概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 1 4 ．1 ．3 流式接口函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．1 ．4 流式接口程序的工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 4 4 ．1 ．5 流式接口驱动的实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 ．2 应用程序的开发⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．2 ．1 应用程序开发的一般步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 5 4 ．2 ．2 “宿主机一目标板”开发模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 ’ 4 ．2 ．3 传感器的开启与关闭⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 ．2 ．4 定时数据采样与实时显示⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 4 ．2 ．5 文件读写功能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 ．4 ．2 ．6T C P ／I P 通信⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 1 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 第五章系统的定制移植及应用程序的G U I 设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 4 5 ．1 操作系统的移植⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 ．2 应用程序G U I 设计示例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．2 ．1G U I 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 5 5 ．2 ．2 数据采集程序G U I 界面示例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 5 ．2 ．3 软件运行⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．2 ．4 数据的传输示例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．3 矿浆p H 值采集实例设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 附录1 应用程序的部分关键函数与语句⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 附录2 数据采集终端主要硬件电路图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 攻读学位期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 硕士学位论文 第一章文献综述 1 ．1 研究背景 第一章文献综述 计算机技术的迅猛发展使得嵌入式系统逐步深入到各个行业，工业控制、家 电、信息、通讯、船舶航海、航空航天、军工、医学器材等领域都存在大量嵌入 式系统【1 。5 1 。英国电气工程师协会 1 E E 对嵌入式系统做出了定义，即“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 oc o n t r o l ，m o n i t o r , o r a s s i s tt h eo p e r a t i o ne q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ”。嵌入式系统与普通计算机的 不同之处在于，嵌入式系统更强调实时性、可靠性和专业性，面向特殊的应用， 实现特定的功能1 6 J 。 现如今，嵌入式系统已经逐步发展成为具有低成本、低功耗、高集成度等特 点【7 】的信息处理设备，拥有强大的计算能力和丰富的接口支持，广泛应用于各个 行业。工业是国民经济的支柱，工业的发展需要更多廉价、高性能的电子信息设 备投入到生产中。通过信息化推动工业发展，再由工业的进步促进信息技术的提 升，这已经成为许多工业企业发展的共识。从长远的发展来说，嵌入式系统在工 业领域的应用具有十分光明的前景。 ’ 得益于嵌入式系统的广泛运用，物联网 I n t e m e to f T h i n g s 概念在近几年得 到了迅速的推广。虽然“物联网”作为～种技术名词，出现的时间并不算长，但 是其作为一种监控、管理理念早已被诸多行业运用于实际的生产活动中【8 ．9 】。早 在1 9 9 9 年，中国科学院就展开了“传感网“ 方面的研究【l o 】，传感网即物联网的 前身。2 0 0 5 年，国际电信联盟 I T U 在突尼斯召开了信息社会峰会，会上发布 的I T U 互联网报告2 0 0 5 物联网首次提出了“物联网”这一概念【l l 】。此后， 物联网作为一种技术开始为人们所熟知。 目前，不同行业对物联网尚未形成～个统一、准确的定义。从实际应用的角 度来说，物联网指的是一种将实物与网络连接，进行信息通信与交换，最终实现 智能监控管理的网络【1 2 - 1 3 1 。嵌入式系统作为一种实物终端设备，与物联网技术相 结合，构成快速、高效的信息交换与控制平台，用于专门的领域，实现特定的监 控管理目标【1 4 】，实现“感知、传输、处理”，既是嵌入式系统发展的主要方向， 也是物联网的应用价值所在【1 5 。1 ‘。 物联网与嵌入式系统在许多行业已经得到相当程度的应用，例如远程医疗服 务㈣的普及、智能交通网络【1 9 】的投入以及环境监测网络【2 0 】的应用等。根据目前 硕士学位论文第一章文献综述 我国物联网和嵌入式系统市场的发展趋势，到2 0 1 5 年相关产业的市值将达到 7 5 0 0 亿元人民币【2 1 1 。因此，物联网与嵌入式系统的发展已经被多数行业喻为第 三次工业革命。但是在矿业领域，尤其是在矿山生产现场，物联网与嵌入式系统 的研究与应用还处在起步阶段。尽管当前矿山的信息化水平还不够高，但从物联 网在其他领域的应用效果来看，将物联网技术引入矿山的生产活动，利用网络和 嵌入式系统建立对矿山生产活动进行管理的网络系统，有利于技术管理人员掌握 矿山的生产状况，在突发状况发生时及时采取措施。矿山物联网的构建是未来建 设“智能矿山“ 的重要途径。 1 ．2 物联网发展简介 虽然物联网这一概念在2 0 0 5 年时才被提出，但其前身“传感网”在1 9 7 8 年 时就由美国国防部资助卡耐基梅隆大学展开研究【2 2 1 ，目的是利用传感器节点构 成的信息数据交换网络来提升美军战斗力。这一研究经过数十年的发展，已经获 得了重大的成功。目前美军的武器设备从战斗机、火炮到单兵的通讯器材已经构 成高效的战斗体系。可见物联网在信息交互和协调整体工作方面，具有高效、可 靠的特点。 随着物联网概念的普及，世界各国政府越来越注重物联网产业的发展。美国 总统奥巴马在就职演说中就表明了美国将在2 1 世纪通过国家物联网建设，尤其 是“智慧地球”构想巩固美国国家竞争力的决心【2 3 1 。日本从1 9 9 7 年起开展了一 系列刺激国家信息化产业发展的政策，并在1 9 9 9 年和2 0 0 4 年分别提出了 “E J a p a n ”和“U ．J a p a n ”战略1 2 训，试图在国家物联网发展方面获得突破，将日 本打造成公民随时随地都能享受信息服务的国家。2 0 0 9 年，欧盟委员会宣布实 施物联网行动计划，将物联网的发展作为欧盟各国政治和经济的重要组成部分。 在中国，温家宝总理于2 0 0 9 年提出了“感知中国”的概念，希望中国在物联网 建设方面尽快建立行业标准，与国际先进技术接轨【2 5 1 。此后，中国政府将物联 网建设列为国家五大新兴战略性产业之一，并写入政府工作报告。 物联网发展的终极目标是使用户在任何时间、任何场所都能获得智能网络与 物物通信服务。现阶段，物联网研究的重点在于特殊终端设备的研究、物与物之 间联网方案的设计以及相关应用软件的开发，为用户提供管理、控制、调度等方 面的信息化服务。 物联网在我国的研究与应用已经初步展开，相信在不久的将来，越来越多的 行业将加入到物联网的研究与应用工作中，为“感知中国”的建设添砖加瓦。 硕士学位论文第一章文献综述 1 ．3 嵌入式系统概述 1 3 ．1 嵌入式系统的历史与现状 蠢。 。j 在微处理器的发展方面，除了通用C P U 外，还包括微控制器 M i c r oC o n t r o l l e r U n i t 和数字信号处理器 D i g i t a lS i g n a lP r o c e s s e r 。嵌入式系统就是在微处理 器的应用中发展起来的。 嵌入式处理器的发展起源于普通计算机，尽管嵌入式处理器具有突出的特 点，但它与普通计算机仍有着密不可分的联系。在二十世纪七十年代，I n t e l 公司 最早推出了将算术运算器和控制电路结合的微处理器4 0 0 4 ，这一举动标志着单 片微机时代的到来【2 刚。单片机的出现极大地推动了计算机在工业控制领域的运 用。随着八十年代后集成电路工艺的发展，单片机得到了质的飞跃，开发出多种 类型、适合不同应用的产品。几乎在同一时期，第一代数字信号处理器D S P 由 美国德州仪器公司 T e x a sI n s t r u m e n t s 研制成功匹7 1 ，采用了程序和数据分开寻 址的哈佛结构，以及专门的硬件乘法器，极大丰富了微处理器的种类和功酏1 3 n , o 这一系列微处理器嵌入式演变得益于集成电路工艺技术的发展，随着嵌入式 片上系统 S y s t e mo nC h i p ，S o C 的出现，嵌入式系统的发展进入了一个新的 时期，使之具备了可扩展、可剪裁的特点【2 8 】。片上系统实现了硬件与软件的结 合，提高了编程效率，大大缩短了产品的设计周期。 时至今日，嵌入式处理器在应用的数量上已经超过了普通计算机处理器。举 例来说，一台普通计算机就包括了多个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、网卡、声 卡等元件均由嵌入式微处理器控制。全球的嵌入式系统市场正处在一个快速上升 的时期，廉价但功能强大的嵌入式微处理器为几乎所有电子产品的设计与开发提 供了动力。归纳起来，嵌入式处理器的应用主要体现在以下领域【2 9 】 1 电子消费产品 在游戏、室内娱乐系统、多媒体娱乐系统、数字和高解晰度广播电视传输、 信息、通信、汽车驾驶和G P S 导航系统等电子消费产品领域【3 0 。3 2 1 ，嵌入式处理 器的低耗高效特点被充分挖掘，需求不断上升，应用范围不断扩大。在电子消费 产品改变着人们生活方式的同时，嵌入式系统的发展也在改变着电子消费产品的 性能与制造工艺。因此，从本质上来说，未来电子产品的发展依赖于更强大的嵌 入式处理器的研发。 2 安防系统 近年来，嵌入式系统极大促进了安防系统的研究与开发，安全防卫装置已经 进入嵌入式时代【3 3 】。传统的门禁、摄像监控等设备已经逐步被网络化的智能安 硕士学位论文第一章文献综述 防系统所替代，安保性能也得到了前所未有的提升。 3 工业控制嵌入式系统 由于嵌入式系统成本低廉、计算能力强大，因此在工业控制领域，嵌入式系 统具有得天独厚的优势。在机械电子、航空航天、交通运输、设备控制等相关领 域，嵌入式应用逐年增长。嵌入式系统朝着体积小、性能高的方向发展，结合高 速网络传输，便于携带，更体现了其在工业控制中的灵活性。 嵌入式系统的另一大优点就是具有极强的环境适应能力，与高精密的电子仪 器相比，嵌入式系统抗干扰能力更强。基于其简约的设计和低廉的造价，嵌入式 系统的维修与更换比传统的仪器控制设备更方便。近年来，嵌入式系统在工业远 程控制领域也得到了巨大的发展，借助嵌入式终端和网络，实现了对生产、管理 的实时掌握【3 4 】。 4 智能仪表 智能仪表的出现，尤其是水、电、煤气类的智能抄表系统代替了传统低效率 的人工抄表制度【3 5 l ，提高了精确性和安全性。防火、防盗、控温、控压等智能 仪表代替了传统的机械仪表，在工业应用上展现了其强大的指示能力。嵌入式智 能仪表正在全球范围内逐步占据原机械仪表的工作范围。 5 机器人 嵌入式系统的另一应用领域是机器人产业。嵌入式系统的快速发展极大推动 了机器人向着微型化、智能化方向前进。一方面进一步提高了机器人在专业应用 领域的工作效率，另一方面大大降低了机器人的制造成本，使得机器人走向更多 生产乃至民用领域。 6 电子商务 A T M 机、自动售货机、公交智能卡等一系列用于商务的嵌入式系统已经走 进了普通百姓的生活，诸多商务应用终端为国民经济的增长注入了活力。可以预 见，嵌入式系统在商务范围内的应用，必将朝着高效率、人性化的方向继续前进。 1 ．3 ．2 嵌入式系统的结构与特点 嵌入式系统是围绕应用、软硬件可剪裁的专用计算机系统，对体积、功能、 成本、可靠性等方面有严格的要求【3 6 1 。完整的嵌入式系统除了具有处理器和相 应的硬件设备，还具有操作系统和具体的应用程序。 从结构上来说，嵌入式系统自下而上分为三个部分【3 7 】，分别为嵌入式应用、 嵌入式操作系统和硬件平台，在嵌入式应用与嵌入式操作系统、嵌入式操作系统 和硬件平台之间，分别有相应的接口函数实现相邻两部分的数据通信。嵌入式系 统的基本结构如图1 - 1 所示。 4 硕士学位论文第一章文献综述 嵌入式应用 嵌入式操作系统 硬件平台 图1 - 1 嵌入式系统的基本结构 应用程序与操 作系统的接口 操作系统与硬 件的接口 1 硬件平台是嵌入式操作系统和应用程序的控制对象，针对不同的应 用，硬件的类型也大相径庭，体现了嵌入式系统的多样性。 2 嵌入式操作系统是嵌入式系统的核心控制部分，承担了对各任务调 度的工作，内核精简并且允许技术人员对其进行配置。嵌入式操作系统与嵌入式 系统其他部分相比，较为稳定。 3 嵌入式应用在操作系统环境下运行，应用程序对于操作系统具有较 大的依赖性。 同时，嵌入式系统有以下几个特征 1 嵌入性针对的对象有特定的物理、经济等条件，因此嵌入式系统必 须满足对象特定的环境要求。 2 专用性嵌入式系统的一大特点就是软硬件可剪裁，能灵活满足特定 的需求。 3 计算机系统嵌入式系统的应用意义在于满足控制需求，同时需要与 对象配备相适应的接口电路 此外，嵌入式系统结合了计算机技术、微电子技术、半导体技术等多个领域 的技术，在研发和生产上，具有技术与资金密集，知识体系和制造工艺不断创新 等特点‘3 8 1 。 1 ．3 ．3 嵌入式系统的分类与应用模型 根据嵌入式系统的实际应用，嵌入式系统主要可以分为以下几类【3 9 】 1 嵌入式微处理器； 2 嵌入式微控制器； 3 嵌入式数字信号处理器； 硕士学位论文 第一章文献综述 4 嵌入式片上系统。 不同类型的嵌入式系统面向不同的应用，因此具备了不同的应用模型。图1 ．2 为嵌入式系统三种基本的应用模型。 应用程序 硬件 应用程序 应用编程接口 操作系统 硬件 应用程序 应用编程接口 操作系统 板级支持包 硬件 没有操作系统与板级 有操作系统没有板级有操作系统与板级支 支持包 支持包持包 图1 ．2 嵌入式系统的三种应用模型． 第一种模型出现在应用程序与硬件高度相关的应用，例如处理硬件中断、读 写寄存器等。这一类模型结构简单，在早期的单片机开发中曾被广泛采用。第二 种模型出现了操作系统，负责管理硬件资源，协调软硬件之间的交互。由于操作 系统的出现，应用程序的开发更为便捷，开发人员不用再考虑硬件细节，只需要 将精力放在应用业务的逻辑实现，大大提高了应用程序的开发效率。但在这一种 应用模型中，由于不具备板级支持包，使得操作系统本身不能移植。在第三种应 用模型中，增加了一层板级支持包，使得操作系统的代码彻底摆脱了硬件的束缚， 实现了操作系统的跨平台移植功能。 1 ．3 ．4 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统经历了漫长的发展，到目前为止已经衍生出多种类、多用途 的嵌入式操作系统产品。嵌入式操作系统分为两类1 4 0 1 ．．一类是实时操作系统， 主要应用于通信和控制领域；另一类是非实时操作系统，主要应用于电子消费品 领域。 与所熟悉的普通计算机操作系统相比 如W i n d o w sX P 操作系统 ，嵌入式操 作系统更注重面向用户，面向产品，操作系统的设计围绕实际应用[ 4 1 1 。因此， 嵌入式操作系统同样具有很强的专业性，对体积、功耗、成本、可靠性都十分严 格。 现如今嵌入式操作系统已经发展成为实时多任务的操作系统，以适应越来越 复杂的应用环境。著名的嵌入式操作系统主要有以下几种 硕士学位论文第一章文献综述 1 V x W o r k s V x W o r k s 是一款应用范围极为广泛的嵌入式操作系统【4 2 】。在通信、航空航天、 军工等领域，V x W o r k s 凭借卓越的可靠性和实时性占据着龙头地位。V x W o r k s 相比其他操作系统更强调了实时性，为应用的开发留下巨大的空间。同时， V x W o r k s 裁剪灵活，用户可以根据自己的需求来定制所需的操作系统，满足不同 的应用要求。 2 W i n d o w sC E “ W i n d o w sC E 是一款为有限资源设计的多线程、多任务操作系统，由M i c r o s o f t 公司设计生产【4 3 1 。W i n d o w sC E 能够在广阔的平台上运行，其界面风格接近普通 计算机操作系统，便于非专业的技术人员学习和掌握。同时该系统支持多种用户 界面硬件，如彩色显示器、触摸屏等设备，可以使运用更人性化。 3 L i n u x L i n u x 的代码开放，同时具有极强的网络功能，因此应用范围广阔m 】。L i n u x 系统本身体积小，开发环境自成体系，具有完整的工具链。同时，该系统的兼容 硬件能力十分出色，支持各种主流的硬件设备和技术。 4 Q N X Q N X 是一个实时可扩充的操作系统，内核小巧运行速度极快，主要面向微 小的嵌入式操作系统设计，以及超级虚拟机操作系统的定制。 5 N u c l e u s ， N u c l e u s 系统由A c c e l e r a t e rT e c h n o l o g y 公司开发，优点在于技术人员通过修 改源码即可适用于不同的目标板。N u c l e u s 具有良好的稳定性，提供了清晰的外 部接口，支持丰富的功能模块。 6 O S E O S E 操作系统适合开发复杂的分布式系统，具有强大的容错功能，在电信、 数控、航空领域有广泛的应用 7 U C ／O S ．I I U C ／O S ．I I 是一种可移植的多任务实时系统，可免费运用于学校教学，但投入 商业运用时，需要支付费用。 1 ．3 ．5 基于W i n d o w sC E 的嵌入式系统开发流程 目前流行着多款嵌入式操作系统产品，针对矿山现场的生产数据采集需要、 操作人员的素质与操作体验、软件的开发与维护的便捷程度，选用W i n d o w sC E 操作系统来开发矿用嵌入式系统。W i n d o w sC E 具有体积小、应用程序开发便捷、 用户界面美观便于操作等优点，尤其是具有强大的外设支持能力，可以满足矿用 现场终端设备的开发需求。 7 硕士学位论文 第一章文献综述 嵌入式系统与普通计算机系统在开发环节的一个不同点在于，嵌入式系统在 开发时必须同时考虑软件与硬件，将其作为一个整体规划到开发流程当中【4 5 1 。 开发流程如图1 3 所示。 图1 ．3 基于W i n d o w sC E 的开发流程 嵌入式系统的设计首先要确定系统所