【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。研究 Linux 設(shè)備驅(qū)動(dòng)的工作原理和開(kāi)法方法，開(kāi)發(fā)基于 CS8900 網(wǎng)路控制器的驅(qū)動(dòng)程序；編寫(xiě)了 S3C2440A A/D 轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)電壓的實(shí)時(shí)采集；第六章：嵌入式 Web 服務(wù)器及監(jiān)控終端軟件設(shè)計(jì)。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(duì)它進(jìn)行了配置。通過(guò)編寫(xiě) CGI 代碼，實(shí)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(cè)試。根據(jù)設(shè)計(jì)要求搭建了測(cè)試環(huán)境，對(duì)本系統(tǒng)的功能和性能進(jìn)行了測(cè)試。第八章：總結(jié)與展望。結(jié)合本文和所做的項(xiàng)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(jì) 本章首先對(duì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)作出了一個(gè)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(duì)系統(tǒng)每個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)做了一個(gè)準(zhǔn)備工作。 總體框架設(shè)計(jì) 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(gè)系統(tǒng)采用一個(gè) 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(shí)現(xiàn)并運(yùn)行 Web Server，形成一個(gè)用戶可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)的服務(wù)器，用戶可以通過(guò) Internet 登錄服務(wù)器，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線、嵌入式系統(tǒng)和 Internet 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)概述嵌入式微處理器是整個(gè)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(diǎn)，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(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸，數(shù)據(jù)運(yùn)算量大對(duì)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(jì)移動(dòng)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(gè)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(jì)概述 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(tái)。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(jì)、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(jiàn)圖 23 所示。圖23 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)基于嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)平臺(tái)，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用軟件根據(jù)功能分為：底層驅(qū)動(dòng)和上層應(yīng)用軟件，其中底層驅(qū)動(dòng)軟件主要完成了對(duì) CS8900 網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的編寫(xiě)，以實(shí)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(dòng)編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)電壓的實(shí)時(shí)采集；上層應(yīng)用軟件主要編寫(xiě)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(jì)，接著描述了監(jiān)控系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的主要構(gòu)成，并闡述了基于該硬件平臺(tái)的依據(jù)和優(yōu)勢(shì)。然后設(shè)計(jì)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(jì) 概述 嵌入式硬件對(duì)整個(gè)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(jì)時(shí)，要遵循一定的原則來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，才可能使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)，減少出錯(cuò)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(jì)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(mén)狗電路模塊。 主板電路設(shè)計(jì) 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(gè)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(chǔ)器。 S3C2440A 微處理器簡(jiǎn)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(shí)鐘可到 400MHZ； SDR SDRAM 和 NAND FLASH； 3 個(gè) 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(jì)。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(jì) 閃速存儲(chǔ)器（Flash Memory）是一類非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器的特點(diǎn)：與 EPROM（Erasable Programmable ROM）相比較，閃速存儲(chǔ)器具有明顯的優(yōu)勢(shì)，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(chǔ)器具有成本低、密度大的特點(diǎn)，其獨(dú)特的性能使其廣泛地運(yùn)用于包括嵌入式系統(tǒng)在內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域。 本系統(tǒng)選用三星公司的 FLASH1208 構(gòu)成 64M 存儲(chǔ)器，該 Flash 有 64M 字節(jié)的存儲(chǔ)容量，支持快速讀寫(xiě)，讀取每字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)間只需 12μs，寫(xiě)入時(shí)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(jì) SDRAM 即同步 DRAM。它最大的特色就是可以與 CPU 的外部工作時(shí)鐘同步，和系統(tǒng)中的 CPU、主板使用相同的工作時(shí)鐘，如果 CPU 的外部工作時(shí)鐘是 100MHZ，則送至內(nèi)存上的頻率也是 l00MHz。這樣將去掉時(shí)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(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的，因此在存取時(shí)必須提供一個(gè)行地址和一個(gè)列地址來(lái)確定所要訪問(wèn)的數(shù)據(jù)的位置。第一步，地址總線上出現(xiàn)所要訪問(wèn)數(shù)據(jù)的列地址，同時(shí)作為列地址信號(hào)標(biāo)志的 RAS（Row Address Strobe）信號(hào)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(wèn)；接著地址總線上出現(xiàn)所要訪問(wèn)數(shù)據(jù)的行地址，并通過(guò)行地址信號(hào)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(duì)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(hào)決定的。本系統(tǒng)的硬件平臺(tái)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(jì) JTAG 是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(mén)的測(cè)試電路 TAP（TestAccess Port，測(cè)試訪問(wèn)口），通過(guò)專用的 JTAG 測(cè)試工具對(duì)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)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(cè)試模式選擇、測(cè)試時(shí)鐘、測(cè)試數(shù)據(jù)輸入和測(cè)試數(shù)據(jù)輸出。 通過(guò) JTAG 接口，可完成如下基本操作：① 停止程序的運(yùn)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(yùn)行。此外還可通過(guò) JTAG 接口對(duì) Flash 器件進(jìn)行在線編程，將程序燒寫(xiě)到 Flash 中，因而它是開(kāi)發(fā)調(diào)試嵌入式系統(tǒng)的一種簡(jiǎn)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(jì)目前，以太網(wǎng)是使用最廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)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(shí)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(jí)溫度范圍（40℃～80℃）， V 工作電壓，功耗低，高度集成設(shè)計(jì)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。CS8900與處理器及外接端口的連接電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)在第五章做詳細(xì)的闡述。 接口板電路設(shè)計(jì) RS232 串口通訊模塊電路設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)的系統(tǒng) RS232 接口主要功能是：實(shí)現(xiàn)在調(diào)試系統(tǒng)軟件時(shí)控制器與 PC 機(jī)的通訊。驅(qū)動(dòng)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(hào)時(shí)，能夠自動(dòng)關(guān)斷；：在標(biāo)準(zhǔn) 工作模式下，只需要一個(gè) 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(duì)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(jì)兩種供電方式，一種是通過(guò)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(gè)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(mén)狗電路設(shè)計(jì) 在一個(gè)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(jì)采用器件 MAX811，看門(mén)狗定時(shí)器的清除是 CPU 通過(guò)改變其 GPB2 引腳的輸出狀態(tài)完成的。在程序正常運(yùn)行的時(shí)候，需要經(jīng)常地改變 GPB2 引腳的電平狀態(tài)，一個(gè)狀態(tài)維持的最大時(shí)間為 ，看門(mén)狗定時(shí)器在 后未被清除，便輸出 200ms 脈寬的復(fù)位信號(hào)，使系統(tǒng)重啟。復(fù)位看門(mén)狗接口電路如圖 35 所示。 圖35 復(fù)位看門(mén)狗電路 本章小結(jié)可靠的硬件系統(tǒng)是整個(gè)嵌入式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。本章中對(duì)本課題的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。首先對(duì)系統(tǒng)硬件模塊的劃分進(jìn)行了介紹，然后重點(diǎn)介紹了各個(gè)硬件模塊電路的具體設(shè)計(jì)。 １４ 4 軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的構(gòu)建 嵌入式 Linux 操作系統(tǒng) 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(ài)好，但是現(xiàn)在已經(jīng)是最為流行的一款開(kāi)放源代碼的操作系統(tǒng)。Linux 從 1991 年問(wèn)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(lái)的 Linux OS（Operating System）已成為 Microsoft