【文章內(nèi)容簡介】 驅(qū)動程序的開發(fā)。研究 Linux 設(shè)備驅(qū)動的工作原理和開法方法，開發(fā)基于 CS8900 網(wǎng)路控制器的驅(qū)動程序；編寫了 S3C2440A A/D 轉(zhuǎn)換驅(qū)動，實現(xiàn)對系統(tǒng)電壓的實時采集；第六章：嵌入式 Web 服務(wù)器及監(jiān)控終端軟件設(shè)計。分析了 Boa 服務(wù)器的體系結(jié)構(gòu),進(jìn)行了 Boa 服務(wù)器的移植，并在原有的基礎(chǔ)上對它進(jìn)行了配置。通過編寫 CGI 代碼，實現(xiàn)了基于 Web 瀏覽器的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。第七章：系統(tǒng)集成測試。根據(jù)設(shè)計要求搭建了測試環(huán)境，對本系統(tǒng)的功能和性能進(jìn)行了測試。第八章：總結(jié)與展望。結(jié)合本文和所做的項目，給出了一定的總結(jié)，并為更一步完善系統(tǒng)提出了下一步的工作展望。 ４ 2 系統(tǒng)方案總體設(shè)計 本章首先對系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，對系統(tǒng)功能的實現(xiàn)作出了一個總體規(guī)劃。然后介紹了系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)，為后面對系統(tǒng)每個部分進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計做了一個準(zhǔn)備工作。 總體框架設(shè)計 本系統(tǒng)采用以 ARM、Linux、嵌入式 Web 服務(wù)器三大技術(shù)為中心的解決方案：整個系統(tǒng)采用一個 32 位高性能的嵌入式處理器 S3C2440A 和嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)，在該處理器上實現(xiàn)并運行 Web Server，形成一個用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問的服務(wù)器，用戶可以通過 Internet 登錄服務(wù)器，對現(xiàn)場設(shè)備群進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。本文從監(jiān)控設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化出發(fā)，利用現(xiàn)場總線、嵌入式系統(tǒng)和 Internet 技術(shù)的優(yōu)勢，設(shè)計了一種基于 B/S（Browser/Server）模式、具有高可靠性和高安全性的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 21 所示。 圖21 嵌入式系統(tǒng)總體框圖 硬件系統(tǒng)設(shè)計概述嵌入式微處理器是整個系統(tǒng)的核心，因此首先要確定系統(tǒng)的嵌入式微處理器。ARM架構(gòu)的微處理器具有體積小、低功耗、低成本、高性能等特點，因而在嵌入式領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。嵌入式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)要求能夠?qū)崟r采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)絡(luò)實時傳輸，數(shù)據(jù)運算量大對處理器要求高。根據(jù)上述的基本要求，系統(tǒng)微處理器芯片采用三星公司的 ARM 微處理器 S3C2440A，該芯片采用了 ARM920T(16/32bit RISC CPU)內(nèi)核，內(nèi)部帶有全性能的 MMU(Memory Managent Unit)，適用于設(shè)計移動手持產(chǎn)品設(shè)備，具有高性能、低功耗、接口豐富和體積小等優(yōu)良特性。整個系統(tǒng)硬件原理框圖如圖 22 所示。 圖22 系統(tǒng)硬件原理框圖 軟件系統(tǒng)設(shè)計概述 系統(tǒng)軟件設(shè)計鑒于嵌入式 Linux 強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持功能，選用其作為系統(tǒng)軟件平臺。構(gòu)建嵌入式Linux 系統(tǒng)的工作主要包括建立交叉編譯環(huán)境、引導(dǎo)程序 BootLoader 的設(shè)計、Linux 內(nèi)核移植、文件系統(tǒng)的構(gòu)建。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)見圖 23 所示。圖23 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 應(yīng)用軟件設(shè)計 系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計基于嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)平臺，整個系統(tǒng)應(yīng)用軟件根據(jù)功能分為：底層驅(qū)動和上層應(yīng)用軟件，其中底層驅(qū)動軟件主要完成了對 CS8900 網(wǎng)卡驅(qū)動的編寫，以實現(xiàn)嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)連接 Internet 的功能，以及 S3C2440AA/D 轉(zhuǎn)換驅(qū)動編寫，實現(xiàn)對系統(tǒng)電壓的實時采集；上層應(yīng)用軟件主要編寫基于嵌入式 Web 的 CGI 程序?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和控制功能。 本章小結(jié) 本章首先介紹了監(jiān)控系統(tǒng)總體框架設(shè)計，接著描述了監(jiān)控系統(tǒng)硬件開發(fā)平臺的主要構(gòu)成，并闡述了基于該硬件平臺的依據(jù)和優(yōu)勢。然后設(shè)計了基于嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，闡述了系統(tǒng)所要完成的功能。 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計 概述 嵌入式硬件對整個嵌入式系統(tǒng)的可靠性具有至關(guān)重要的作用，在進(jìn)行硬件設(shè)計時，要遵循一定的原則來進(jìn)行設(shè)計，才可能使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)，減少出錯率。 硬件系統(tǒng)模塊劃分 根據(jù)嵌入式工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制器的功能，以及基于系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性及可擴(kuò)展性考慮，系統(tǒng)硬件采用主板＋接口板的設(shè)計架構(gòu)。其中主板包括：ARM 核心 S3C2440A、NAND FLASH、SDRAM（Synchronous Dynamic Random Access Memory）、JTAG（Joint Test Action Group）接口、以太網(wǎng)通訊模塊；接口板包括：RS232 串口通訊模塊、電源模塊、復(fù)位看門狗電路模塊。 主板電路設(shè)計 本系統(tǒng)采用三星公司 S3C2440A 芯片作為處理器，選用三星 32M 的 K4S561632C 兩個芯片組成 32 位數(shù)據(jù)總線作為 SDRAM；NAND FLASH 選用三星 64MB FLASH1208芯片作為程序和數(shù)據(jù)的存儲器。 S3C2440A 微處理器簡介 ARM9 內(nèi)核的 CPU S3C2440A，其主要性能有： 采用了 ARM920T 內(nèi)核，內(nèi)核時鐘可到 400MHZ； SDR SDRAM 和 NAND FLASH； 3 個 UART； I2S/AC97 CODEC 接口； SD/MMC HOST 接口； ； RTC； HOST 和 Device ； ； PWM 和 WATCHDOG 模塊等 ：289pin 的 FBGA 封裝； 綜合以上諸多因素，該處理器完全可以滿足嵌入式工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制器的要求，含有LCD 控制器和觸摸屏接口，方便了人機(jī)界面的設(shè)計。含有 MMU 單元，可以移植 Linux操作系統(tǒng)，保證了控制器的高效性和穩(wěn)定性。 NAND FLASH電路設(shè)計 閃速存儲器（Flash Memory）是一類非易失性存儲器，即使在供電電源關(guān)閉后仍能保存片內(nèi)信息；而諸如 DRAM、SRAM 這類易失性存儲器，當(dāng)關(guān)閉供電電源后，片內(nèi)信息隨即丟失。Flash Memory 集其它非易失性存儲器的特點：與 EPROM（Erasable Programmable ROM）相比較，閃速存儲器具有明顯的優(yōu)勢，系統(tǒng)上電可擦除和可重復(fù)編程，而不需要特殊的高電壓；與EEPROM（Electrically Erasable Programmable ReadOnly Memory）相比較，閃速存儲器具有成本低、密度大的特點，其獨特的性能使其廣泛地運用于包括嵌入式系統(tǒng)在內(nèi)的各個領(lǐng)域。 本系統(tǒng)選用三星公司的 FLASH1208 構(gòu)成 64M 存儲器，該 Flash 有 64M 字節(jié)的存儲容量，支持快速讀寫，讀取每字節(jié)數(shù)據(jù)時間只需 12μs，寫入時間是 200μs。具體連接電路如圖 31 所示。 圖31 NAND FLASH接口電路 SDRAM 電路設(shè)計 SDRAM 即同步 DRAM。它最大的特色就是可以與 CPU 的外部工作時鐘同步，和系統(tǒng)中的 CPU、主板使用相同的工作時鐘，如果 CPU 的外部工作時鐘是 100MHZ，則送至內(nèi)存上的頻率也是 l00MHz。這樣將去掉時間上的延遲，可提高內(nèi)存存取的效率SDRAM 的工作原理如下：SDRAM 是以陣列單元來存儲數(shù)據(jù)的，因此在存取時必須提供一個行地址和一個列地址來確定所要訪問的數(shù)據(jù)的位置。第一步，地址總線上出現(xiàn)所要訪問數(shù)據(jù)的列地址，同時作為列地址信號標(biāo)志的 RAS（Row Address Strobe）信號有效，將列地址打入 SDRAM，SDRAM 將整列的數(shù)據(jù)都準(zhǔn)備好，等待著被訪問；接著地址總線上出現(xiàn)所要訪問數(shù)據(jù)的行地址，并通過行地址信號的 CAS（ColumnAddress Strobe）打入 SDRAM，SDRAM 從在這之前已選中的列中挑選出該行地址所對應(yīng)的數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)輸出或輸入到數(shù)據(jù)總線。具體是輸出還是輸入操作是由 WE 信號決定的。本系統(tǒng)的硬件平臺采用的是三星公司的 K4S561632，單片容量為 32M，采用 2 片構(gòu)成 64M 的 SDRAM 模塊，具體電路如圖 32 所示。 圖32 SDRAM 接口電路 JTAG 接口電路設(shè)計 JTAG 是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議，是一種嵌入式調(diào)試技術(shù)，它在芯片內(nèi)部封裝了專門的測試電路 TAP（TestAccess Port，測試訪問口），通過專用的 JTAG 測試工具對內(nèi)部節(jié)點進(jìn)行測試。目前比較復(fù)雜的器件都支持 JTAG 協(xié)議，如 ARM、DSP（Digital Signal Processing）、FPGA（FieldProgrammable Gate Array）器件等。標(biāo)準(zhǔn)的 JTAG 接口是 4線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為測試模式選擇、測試時鐘、測試數(shù)據(jù)輸入和測試數(shù)據(jù)輸出。 通過 JTAG 接口，可完成如下基本操作：① 停止程序的運行；② 檢查和修改 ARM 的內(nèi)核狀態(tài)；③ 觀察和修改內(nèi)存；④ 恢復(fù)程序的運行。此外還可通過 JTAG 接口對 Flash 器件進(jìn)行在線編程，將程序燒寫到 Flash 中，因而它是開發(fā)調(diào)試嵌入式系統(tǒng)的一種簡潔高效的手段。S3C2440A 的 JTAG 調(diào)試電路如圖33 所示。 圖33 JTAG接口電路 網(wǎng)絡(luò)接口電路設(shè)計目前，以太網(wǎng)是使用最廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)，通過以太網(wǎng)可以十分方便地組建局域網(wǎng)以及連接上 Internet。隨著以太網(wǎng)在不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，各種以太網(wǎng)控制芯片層出不窮，CS8900 就是其中性能十分優(yōu)良的一款。它主要為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)、便攜式產(chǎn)品和某些適配卡等提供一種切實可行的以太網(wǎng)解決方案。CS8900 除了具備其它以太網(wǎng)控制芯片所具有的基本功能外，還有它的工業(yè)級溫度范圍（40℃～80℃）， V 工作電壓，功耗低，高度集成設(shè)計等獨特優(yōu)點。CS8900與處理器及外接端口的連接電路的詳細(xì)設(shè)計在第五章做詳細(xì)的闡述。 接口板電路設(shè)計 RS232 串口通訊模塊電路設(shè)計RS232 是 PC 機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種全雙工串行接口。RS232 被定義為一種低速率串行通訊標(biāo)準(zhǔn)。其傳送距離最大為約 15m，最高速率為 20K/bit/s。 本次開發(fā)的系統(tǒng) RS232 接口主要功能是：實現(xiàn)在調(diào)試系統(tǒng)軟件時控制器與 PC 機(jī)的通訊。驅(qū)動芯片采用 MAX3233 芯片，擴(kuò)展了一路兩線 RS232 接口。該芯片具有以下特征：：工作電流只需 1μA，當(dāng)接收不到任何外部和內(nèi)部信號時，能夠自動關(guān)斷；：在標(biāo)準(zhǔn) 工作模式下，只需要一個 的小電容；：VCC 在+～+ 之間均可正常工作； 250KB/s，最大 30V/μs 的輸出斜率。 電源管理方案 作為工業(yè)產(chǎn)品，電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性對本系統(tǒng)有至關(guān)重要的影響。為了適應(yīng)各種工作環(huán)境，設(shè)計兩種供電方式，一種是通過配備的變壓器將 220V 轉(zhuǎn)換成 ；另外一種是電池電壓為 充電電池為整個系統(tǒng)供電，因此考慮到電池特性，輸入電壓應(yīng)該在+～+ 之間。供電方式主要有以下幾種：① 接由適配器供電，并且給內(nèi)部備用電池充電；② 內(nèi)部電池不存在的情況下，由外接電池供電；③ 適配器一邊給外部電池充電，一邊給系統(tǒng)供電；④ 外部不提供電源，僅由內(nèi)部備用電池給系統(tǒng)供電；供電方式如圖34所示。 圖34 系統(tǒng)供電方式 復(fù)位看門狗電路設(shè)計 在一個具有 CPU 的系統(tǒng)中必須有 WatchDog，以提高系統(tǒng)的可靠性，本設(shè)計采用器件 MAX811，看門狗定時器的清除是 CPU 通過改變其 GPB2 引腳的輸出狀態(tài)完成的。在程序正常運行的時候，需要經(jīng)常地改變 GPB2 引腳的電平狀態(tài)，一個狀態(tài)維持的最大時間為 ，看門狗定時器在 后未被清除，便輸出 200ms 脈寬的復(fù)位信號，使系統(tǒng)重啟。復(fù)位看門狗接口電路如圖 35 所示。 圖35 復(fù)位看門狗電路 本章小結(jié)可靠的硬件系統(tǒng)是整個嵌入式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)可靠運行的基礎(chǔ)。本章中對本課題的硬件系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。首先對系統(tǒng)硬件模塊的劃分進(jìn)行了介紹，然后重點介紹了各個硬件模塊電路的具體設(shè)計。 １４ 4 軟件系統(tǒng)開發(fā)平臺的構(gòu)建 嵌入式 Linux 操作系統(tǒng) Linux 是一個類似于 Unix 的操作系統(tǒng)。它起源于芬蘭一個名為 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 年的時間內(nèi)已發(fā)展成為一個功能強(qiáng)大、設(shè)計完善的操作系統(tǒng)，伴隨網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)步而發(fā)展起來的 Linux OS（Operating System）已成為 Microsoft