【正文】 ................................................ 21 A/D 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) .............................................. 21 USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)分析 ......................................... 21 7 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及改進(jìn) .................................................... 22 致謝 ................................................................ 24 參考文獻(xiàn) ............................................................ 25 附錄 ................................................................ 26 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的概念 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò) [1]（ Wireless Sensor Network）簡(jiǎn)稱 WSN，它是由大量靜止 或者移動(dòng)的傳感器節(jié)點(diǎn)有組織的分布在一定區(qū)域而構(gòu) 成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)所覆蓋區(qū)域內(nèi)對(duì)象的監(jiān)測(cè)信息，并報(bào)告給用戶。 后臺(tái)系統(tǒng)的任務(wù)主要是 分析判斷從 前臺(tái)系統(tǒng) 接收 的信息， 達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)前臺(tái)區(qū)域 各種參數(shù) 的目的 ， 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò) 一般應(yīng)用于監(jiān)測(cè)生物棲息環(huán)境和工業(yè)生產(chǎn)控制過(guò)程中的溫度、濕度、噪音和各種化學(xué)成分濃度等 參數(shù)。 本文主要是研究無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中前臺(tái)嵌入式系統(tǒng)的 實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)單介紹了無(wú)線通信模塊的相關(guān)內(nèi)容 ，詳細(xì)論述了信號(hào)采集和信息處理的具體實(shí)現(xiàn)，其中包括硬件部分和軟件部分。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)一般由一個(gè)小型的嵌入式系統(tǒng)組成，負(fù)責(zé)完成傳感器信號(hào)的采集，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及信息的傳輸?shù)裙δ?，它融合了傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及通信技術(shù)這三大信息技術(shù) ，實(shí)現(xiàn)了 真正意義上的 網(wǎng)絡(luò)化、信息化和智能化。 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 四、可靠的網(wǎng)絡(luò)。 70 年代單片機(jī)的出現(xiàn)，使得汽車、家電、工業(yè)機(jī)器、通信裝置以及成千上萬(wàn)種產(chǎn)品可以通過(guò)內(nèi)嵌電子裝置來(lái)獲得更佳的使用性能，這些裝置已經(jīng)初步具備了嵌入式的應(yīng)用特點(diǎn)，但是還談不上系統(tǒng)的概念，但是隨著程序員開(kāi)始用基于操作系統(tǒng)編寫嵌入式應(yīng)用軟件，這使得可以獲得更短的開(kāi)發(fā)周期，更低的開(kāi)發(fā)資金和更高的開(kāi)發(fā)效率，真正意義上的 “嵌入式系統(tǒng) ”出現(xiàn)了 。 硬件部分 嵌入式硬件主要包括嵌入式處理器以及外圍 設(shè)備構(gòu)成的電路。由于嵌入式 Linux 是完全免費(fèi)而且是開(kāi)源的，它是由全世界最優(yōu)秀的程序員開(kāi)發(fā)，因此它比像 Windows 這樣的商用操作系統(tǒng)更穩(wěn)定，目前幾乎所有種類的嵌入式產(chǎn)品都有使用 Linux 的，應(yīng)用軟件是評(píng)價(jià)一個(gè)系統(tǒng)好壞的標(biāo)準(zhǔn)，而且嵌入式平臺(tái)上的開(kāi)發(fā)比普通 PC 機(jī)上更復(fù)雜，因?yàn)橘Y源、功耗等都有嚴(yán)格的限制，需要程序員具有良好的資源利用意識(shí)。這也是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用最多的領(lǐng)域之一，各種消費(fèi)類電子產(chǎn)品有手機(jī)、 MP MP4 以及 PDA 等 都是小型的嵌入式系統(tǒng)。 USB 接口的應(yīng)用范圍十分廣泛，涉及的領(lǐng)域也越來(lái)越多，但是人們從沒(méi)有停止過(guò)對(duì) USB 接口的研究以及將它應(yīng)用到更多的領(lǐng)域。主機(jī)通過(guò)根集線器提供若干連接點(diǎn)。圖 24說(shuō)明了數(shù)據(jù)如何在主機(jī)中的內(nèi)存緩沖和設(shè)備中的端口中傳送。常見(jiàn)的有多媒體設(shè)備，如音頻和視頻傳輸。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全密鑰雖然能夠保證絕大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)安全。此系統(tǒng)能夠完成有機(jī)磷農(nóng)藥的快速高效的檢測(cè)和相關(guān)分析及處理工作。同樣， WUSB的發(fā)展也會(huì)面臨一些問(wèn)題，首先就是無(wú)線連接的不可靠性，可能受到各方面的 干擾，還有如何降低 WUSB 設(shè)備的成本，提高設(shè)備的性能，通常 WUSB 設(shè)備的價(jià)格比有線設(shè)備高，而性能往往比有線設(shè)備低，因此 WUSB 設(shè)備完全代替有線 USB 設(shè)備還有漫長(zhǎng)的路。 USB 設(shè)備 USB設(shè)備類驅(qū)動(dòng)程序是與應(yīng)用程序交互的軟件模塊，它主要實(shí)現(xiàn)特定 USB設(shè)備的訪問(wèn)，為應(yīng)用程序提供訪問(wèn)接口 。 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 4 Qt/Embedded 開(kāi)發(fā) Qt/Embedded 簡(jiǎn)介 Qt/Embedded[7] 以原始 Qt 為基礎(chǔ)，并做了許多出色的調(diào)整以適用于嵌入式環(huán)境。當(dāng)與其相關(guān)聯(lián)的信號(hào)被發(fā)射時(shí)，這個(gè)插槽就會(huì)被調(diào)用。 (amp。 A：音頻信號(hào)輸出線（綠色線） 注意：當(dāng)信號(hào)太強(qiáng)，或監(jiān)聽(tīng)器與揚(yáng)聲器太近時(shí)，可能會(huì)阻塞，或自激現(xiàn)象，這時(shí)把音量關(guān)小，錄音時(shí)不受監(jiān)聽(tīng)音量控制 。 TQ2440 開(kāi)發(fā)板 TQ2440 開(kāi)發(fā)板主控芯片使用的是韓國(guó)三星的 S3C2440，其核心是 ARM920T，實(shí)現(xiàn)了 MMU， AMBA BUS 和哈佛緩存體系結(jié)構(gòu) 。 在本課題中主要利用無(wú)線通訊芯片 進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸?，F(xiàn)在就可以將 linux 內(nèi)核鏡像下載到 NAND Flash 中。嵌入式軟件開(kāi)發(fā)所采用的編譯為交叉編譯，所謂的交叉編譯就是在一個(gè)平臺(tái)上生成可以在另一個(gè)平臺(tái)上執(zhí)行的代碼，一般我們將進(jìn)行交叉編譯的主機(jī)成為宿主機(jī)，將程序最終運(yùn)行的環(huán)境稱為目標(biāo)機(jī)，由于目標(biāo)機(jī)資源有限，不方便集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建和調(diào)試工具的安裝，因此，嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需要借助宿主機(jī)來(lái)生成目標(biāo)程序和調(diào)試可執(zhí)行代碼。 應(yīng)用程序開(kāi)發(fā) 本課題設(shè)計(jì)到的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā) [1,5]主要有以下兩方面：在 Qtopia 環(huán)境下實(shí)現(xiàn)多通道 A/D 采樣及波形顯示和視頻采集及顯示。 圖 63 驅(qū)動(dòng)流程圖 A/D 驅(qū)動(dòng) 設(shè)計(jì) 我們將 A/D 接口看成混雜設(shè)備 [8]，其驅(qū)動(dòng)主要是實(shí)現(xiàn)以下幾部分： 實(shí)現(xiàn)混雜設(shè)備的結(jié)構(gòu)，也就是構(gòu)造 struct miscdevice 結(jié)構(gòu)； 實(shí)現(xiàn)混雜設(shè)備的操作函數(shù)集，也就是填充 struct file_operation 結(jié)構(gòu)，具體的函數(shù)操作集有， open,close,read,write,ioctl 等等；實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的中斷處理函數(shù) 由于驅(qū)動(dòng)是設(shè)計(jì)成模塊方式，所以還必須包含 module_init 和 module_exit 函數(shù) ，具體源碼見(jiàn)附錄 4。 解決辦法：首先就是升級(jí) qt 的版本，使其支持 RGB 格式的數(shù)據(jù)，這樣就省去了轉(zhuǎn)化為 JPEG 文件的時(shí)間，其次可以通過(guò)多線程技術(shù)，一個(gè)線程采樣數(shù)據(jù)，一個(gè)線程顯示數(shù)據(jù)，達(dá)到并行執(zhí)行的目的，最后就是購(gòu)買直接輸出 qt 支持俄數(shù)據(jù)流，這樣就不需要中間的轉(zhuǎn)化過(guò)程，使顯示的效率進(jìn)一步的提高，這樣視頻將更加流杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 暢，基本無(wú)延遲。 Measurement Magazine, 2022, 11(3):2433. 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 附錄 void * my_process (void *arg) //線程執(zhí)行函數(shù) { ADC *adc = (ADC*)arg。 //命令參數(shù) ioctl(fd,cmd,argu)。 adcdata = data。 bitBlt(amp。 int Xnew, Xold。 int y0 = ().y()。 ( ().x(), ().y(), ().x(), ().y() )。 //得到獲取數(shù)據(jù)列表的迭代器 QValueListdouble::Iterator Yit = ()。saveBuffer,0, 0,amp。tempdata)。 //文件描述符 int cmd = adccmd。 Petri, D。 解決辦法：可以通過(guò)將讀取的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè) 緩沖區(qū)中，當(dāng)達(dá)到一定的數(shù)據(jù)時(shí)，一次顯示在界面上，這樣將大大提高顯示的效率，讀取的數(shù)據(jù)也不會(huì)覆蓋，只是顯示的時(shí)間有點(diǎn)延遲，但這并不影響最終的結(jié)果，系統(tǒng)的靈敏度也提高了許多。所謂設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 [2]就是控制與管理硬件設(shè)備數(shù)據(jù)收發(fā)的軟件，它是應(yīng)用程序與硬件設(shè)備溝通的橋梁。 在宿主機(jī)上運(yùn)行的是 armlinuxgdb 程序，而在開(kāi)發(fā)板上運(yùn)行的程序師 gdbserver，兩者通過(guò)串口或者網(wǎng)口通訊，完成調(diào)試工作。make ARCH=arm CROSS_COMPILE=armlinux。 讀寫 NAND FLASH： ? Nand erase 0x30000 0x300000 把 Flash 從地址 0x30000 開(kāi) 始的長(zhǎng)度為0x300000 的區(qū)域擦除； ? Nand write 0x30008000 0x30000 0x300000 把內(nèi)存地址 0x30008000 開(kāi)始的數(shù)據(jù)寫入 Flash 中從地址 0x30000 開(kāi)始的區(qū)域，寫入的長(zhǎng)度為 0x300000字節(jié)； ? Nand read 0x30008000 0x30000 0x300000 把 Flash 中從地址 0x30000 開(kāi)始的數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)存中地址 0x30008000開(kāi)始的區(qū)域，讀取長(zhǎng)度為 0x300000字節(jié)。衛(wèi)星通信是利用通信衛(wèi)星作為中繼站在地面上兩個(gè)或多個(gè)地球站之間或移動(dòng)物體之間建立微波通信聯(lián)系。 主控模塊是 TQ2440 開(kāi)發(fā)板，它提供了 USB 接口，因此只需將 USB 攝像頭接杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 在其接口上就完成了硬件方面的工作，其主要開(kāi)發(fā)過(guò)程在軟件方面。 （ 1）本監(jiān)聽(tīng)器能在 40 度到 20 度的氣溫下長(zhǎng)期工作； （ 2）信號(hào)輸出引線能長(zhǎng)達(dá) 1000 米； （ 3）靜態(tài)電流： ； （ 4）供電電壓： 12v 直流 （ 5）最大不失真輸出信號(hào)電壓 ； （ 6）監(jiān)聽(tīng)場(chǎng)合 100 平方米內(nèi)不會(huì)失真。dlg,SIGNAL(clicked()),amp。當(dāng)一個(gè)信號(hào)被發(fā)射時(shí)，與其相關(guān)聯(lián)的插槽就將被執(zhí)行，就像一個(gè)正常的函數(shù)調(diào)用一樣，信號(hào)和插槽機(jī)制完全獨(dú)立與任何 GUI 事件循環(huán)。 這只是一般驅(qū)動(dòng)都會(huì)實(shí)現(xiàn)的基本步驟，實(shí)際的驅(qū)動(dòng)比這要復(fù)雜得多。 USB 驅(qū)動(dòng) USB驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)涉及主機(jī)驅(qū)動(dòng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)兩個(gè)部分， USB主機(jī)控制器主要有 UHCI， OHCI,EHCI和 OTG四種主要類型的主機(jī)控制器， USB設(shè)備一般按類來(lái)分，有存儲(chǔ)類、人機(jī)接口類、通信類等，驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)也是對(duì)于特定的類而不是某個(gè)設(shè)備。隨著集成電路，無(wú)線電以及無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線 USB 技術(shù)也會(huì)得到快速的應(yīng)用，現(xiàn)在 WUSB[8]無(wú)線電在移動(dòng)終端上的應(yīng)用已經(jīng)成為可能。 有 機(jī)磷農(nóng)藥檢測(cè)系統(tǒng) 為了實(shí)現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥的殘留量進(jìn)行快速有效地檢測(cè)，研究人員設(shè)計(jì)了一種基于 USB 的有機(jī)磷農(nóng)藥檢測(cè)系統(tǒng) [2]。各個(gè)模塊運(yùn)行相應(yīng)的軟件，實(shí)現(xiàn)特定的功能。 ? 控制傳輸類型支持外設(shè)與主機(jī)之間的控制、狀態(tài)及配置等信息的傳輸，為外設(shè)與主機(jī)之間提供一個(gè)控制通道，每種外設(shè)都支持控制傳輸類型，這樣主機(jī)與外設(shè)之間就可以傳輸配置、命令和狀態(tài)信息。每種通信流都采用了某種總線訪問(wèn)方杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 法來(lái)完成主機(jī)上的軟件與設(shè)備之間的通信。 USB 系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成： USB 主機(jī)， USB 集線器和 USB 設(shè)備，采用級(jí)聯(lián)星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一個(gè)系統(tǒng)中只有一個(gè) USB 主機(jī)。 USB 接口除了使用方便、傳輸速度快外，它還具有熱插拔的特性，這也是為什么現(xiàn)在越來(lái)越多的設(shè)備支持 USB 接口的原因。這將是嵌入式系統(tǒng)最大的應(yīng)用領(lǐng)域 之一 ，各種信息家電的網(wǎng)絡(luò)化智能化將引領(lǐng)人們的生活步入一個(gè)方便、快捷和安全的新環(huán)境，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制家里的一切，水、電 、煤氣表的遠(yuǎn)程控制，安全防火、防盜系統(tǒng)等等，只有想不到的，沒(méi)有通過(guò)網(wǎng)絡(luò)做不到的。目前嵌入式操作系統(tǒng)一般有 181。 嵌入式系統(tǒng)的組成 嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式硬件和嵌入式軟件組成。目前國(guó)內(nèi)一個(gè)普遍被認(rèn)可的定義是：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪、適應(yīng)于系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求 的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 三、動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò)。 Linux Device Driver。前臺(tái)系統(tǒng) 就是 由 一些小型的嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，而這些嵌入式系統(tǒng)又包括各種傳感器、控制和無(wú)線通信模塊 ， 它們分布在一定的區(qū)域范圍內(nèi)完成信號(hào)采 集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和信息轉(zhuǎn)發(fā)功能，相互之間也可以交換信息 。硬件部分主要有各種傳感器，如微音監(jiān)聽(tīng)器、 USB 攝像頭， TQ2440 開(kāi)發(fā)板，軟件部分 是研究的重點(diǎn)，包括引導(dǎo)程序 uboot， Linux 內(nèi)核和文件系統(tǒng)移植以及 整個(gè)基于 Qtopia 的交叉 開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建，最重要的是基于 Qtopia 的應(yīng)用程序和 Linux 驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，簡(jiǎn)單介紹了 USB 協(xié)議的一些內(nèi)容 。 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展最早可以追溯到 20 世紀(jì) 70 年代越戰(zhàn)期間，美國(guó)為了切斷越南軍隊(duì)輸送物資的秘密通道，就通過(guò)飛機(jī)投放了許多的 “熱帶樹 ”，它實(shí)際上是由震動(dòng)和聲響傳感器組成的系統(tǒng)，落地后插 入泥土中，只露出偽裝成樹枝的無(wú)線電天線，只要有車隊(duì)經(jīng)過(guò)，傳感器探測(cè)出目標(biāo)產(chǎn)生的震動(dòng)和聲響信息，自動(dòng)發(fā)送到指揮中心 ，這是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的雛形；接著就是 20 世紀(jì) 80 年代至 90 年代之間，美軍研制的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、海軍協(xié)同交戰(zhàn)能力系統(tǒng)、遠(yuǎn)程戰(zhàn)場(chǎng)傳感器系統(tǒng)等，這種現(xiàn)代微型化的傳感器具備感知能力、計(jì)算能力和通信能力，因此商業(yè)周刊將它列為 21 世紀(jì)最具影響力的 21 項(xiàng)技術(shù)之一；最后就是現(xiàn)在的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其特點(diǎn)主要是網(wǎng)絡(luò)傳輸