基于ARM的网络传感器硬件设计电气工程专业.doc

题 目 基于ARM的网络传感器硬件设计 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1.1 嵌入式系统 1 1.2 嵌入式系统概况 1 1.2.1 嵌入式处理器 1 1.2.2 嵌入式操作系统及应用现状 2 1.2.3 嵌入式系统应用软件 3 1.2.4 嵌入式网络接口发展现状 3 1.3 课题的提出及本文主要工作 4 1.3.1 课题的提出 5 1.3.2 本论文主要研究内容 5 2 ARM处理器概述 6 2.1 ARM简介 6 2.2 ARM微处理器的应用领域及特点 6 2.2.1  ARM微处理器的应用领域 6 2.2.2  ARM微处理器的特点 7 2.3  ARM微处理器分类 7 2.4 ARM微处理器结构 10 2.4.1 RISC体系结构 10 2.4.2 ARM微处理器的寄存器结构 11 2.4.3 ARM微处理器的指令结构 11 3 RS-232接口 13 3.1 RS-232定义 13 3.2 RS-232接口定义及连线 15 3.3 RS-232-C接口标准详解 17 3.4 总结 17 4 传感器 18 4.1 概论 18 4.2 网络传感器 18 4.3 应用特点 20 4.4 总结 20 5 系统设计 21 5.1 硬件设计 21 5.1.1 微控制器的选择 21 5.1.2 网络接口设计 23 5.1.3 数据采集模块 24 5.2 软件设计 25 5.3 总结 27 结束语 29 致 谢 30 参考文献 31 32 基于ARM的网络传感器硬件设计 摘 要 网络传感器是传感器发展的一个重要方向。网络传感器与一般的传感器不同，它能够将经典的传感器输出信号经过变换后通过网络接口传送到网络中。选择合适的 MCU、网络接口、数据采集装置和嵌入式操作系统、嵌入式协议栈，可实现低功耗和微小体积的网络传感器。作为嵌入式网络服务器，要能运行嵌入式操作系统和嵌入式 TCP/ IP 协议栈。同时还要满足低功耗，较强的处理能力和较快的速度等要求。 在简要介绍网络传感器概念和特点的基础上，提出用低功耗的Philip ARM7TDMI核的LPC2104作为微控制器，以RS-232作为网络接口的网络温度传感器的设计，完成设备的硬件检测和通信状态(基本RS-232通信、SLIP网络接口协议通信、Modem方式通信)及开关检测，并随着操作系统的启动而运行。在软件上采用嵌入式μC/ OS﹣II。 关键词 ARM/嵌入式系统/网络传感器/μC/ OS﹣II ARM-based Network Sensor Hardware Design ABSTRACT The network sensor is an important direction which the sensor develops. The network sensor and the common sensor are different, it can transmit the classical sensor output signal after the transformation through the network connection to the network in. Chooses appropriate MCU, the network connection, the data acquisition installment and the embedded operating system, the embedded agreement stack, may realize the low power loss and the small volume network sensor. As the embedded network server, must be able to move the embedded operating system and embedded the TCP/IP agreement stack. Simultaneously also must satisfy the low power loss, strong handling ability and requests and so on quick speed. In the brief introduction network sensor concept and in the characteristic foundation, proposed with low power loss Philip ARM7TDMI nucleus LPC2104 took the micro controller, by RS-232 took the network connection the network temperature sensor design, completes the equipment the hardware examination and the correspondence condition (the basic RS-232 correspondence, SLIP network connection agreement correspondence, Modem way correspondence) and the switch examination, and moves along with the operating system start. Uses embedded μC/OS﹣II on the software. KEY WORD ARM, embedded system, network sensor, μC/ OS﹣II 基于ARM的网络传感器硬件设计 1 绪论 1.1 嵌入式系统 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可剪裁，系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗要求非常严格的专用计算机系统。 嵌入式系统不同于一般的系统，它具有其它应用所不具有的一些特性[1]： 体积小。在智能化设备、仪器仪表、信息家电等应用场合，出于对产品的体积、成本等因素的考虑，一般要求将计算机控制部分安装在系统内部，并且要求所占用的空间尽可能地小。 良好的性能价格比。嵌入式系统要求开发周期短，性能优越，良好的性能价格比是在市场上取得优势的关键，这也是嵌入式系统设计的目标之一。 存储容量小。嵌入式系统中一般没有硬盘等设备，而以ROM，FLASH memory 作为存储介质，由于FLASH memory的价格一般比较昂贵，并且嵌入式应用要求其体积尽可能小。 实时性比较强。嵌入式系统，一般作为应用的关键部分，时间特性要求非常严格。在一些应用系统中，超过了一定的时限，即使得出了所需的结果，但效果和没有得出结果是一样的，对应用系统没有作用甚至是有害的。 1.2 嵌入式系统概况 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件”。 1.2.1 嵌入式处理器 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备以下特点[1]： ①对实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，很强的存储区保护功能，这是由于嵌入式系统的软件结构己模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。 ②可扩展的处理器结构，以能迅速地扩展出满足应用的高性能的嵌入式微处理器。 ③嵌入式微处理器的功耗必须很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，功耗只能为m W甚至u W级。 1.2.2 嵌入式操作系统及应用现状 嵌入式操作系统作为嵌入式系统的核心，其应用也越来越广泛，尤其在手持设备、信息家电领域更加突出[2]。但嵌入式系统以及嵌入式软件设计技术仍旧处于起步阶段，仍旧未能形成一套完整、有效、通用的开发方法和规范。嵌入式系统的实时多任务操作系统(RTOS)日趋成熟，并且已成为嵌入式系统的热点。嵌入式操作系统通常包括与硬件相关的底层驱动程序、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。据统计仅用于信息电器的嵌入式操作系统就有40多种。 目前比较成熟的商品化嵌入式操作系统主要有LambdaTOOL/DeltaOS，VxWorks，pSOS、Neculeus PLUS、Windows CE，Ecos、QNX、palmOS、Epoc、ucLinux、CMX，Hopen，LynxOS，OSE，RTXC，VRTX，pencil等等，其中有一些是公开源码的，便于移植。嵌入式应用系统的特点，决定了这些嵌入式操作系统具有如下的应用特点： ①体积小，高性能，良好的容错性和可靠性 ②易于隔离系统中出现的各种错误 ③系统结构更加灵活 ④分布式计算和并行计算的良好支持 ⑤良好的可扩展性和可剪裁性 ⑥操作系统的结构更加模块化 ⑦支持多任务的嵌入式TCP/IP网络组件，适用于内存要求较小、可靠性要求较高的网络应用。 嵌入式应用的复杂化使嵌入式操作系统的作用更加突出，但现有的嵌入式操作系统或在性能方面，或者在体积、或者在对系统的软硬件的支持方面，不能更好的满足应用需求。嵌入式操作系统的微核心思想，在应用中获得了巨大的成功，但同时随着应用的复杂化，微内核的体积越来越大，如何改善微内核操作系统的性能和效率己经成为当今嵌入式操作系统的一大热点。目前有两种观点，一种观点认为：在微内核结构操作系统中大多采用了客户/服务器模式，而客户访问服务器提供的服务是通过通信来实现，这一通信过程需要核心参与，引入了大量进出核心的过程，同时也导致了频繁进行下文切换和数据拷贝，这带来了较大的额外开销，影响了系统性能。由此看来，微内核操作系统性能不好的根源在于微内核方法是微内核思想或微内核技术本身所固有的缺点。另一种观点认为：微内核思想本身没有什么问题，问题的关键在于受传统操作系统内核实现的影响，实现微内核操作系统时所采用的具体结构和技术不合理。从微内核操作系统的发展过程来看，后一种观点更合理。所以微内核结构还是要采用，问题的关键是研制与开发系统的过程中，采用什么体系结构，如何消除对系统性能造成不利影响的因素。 1.2.3 嵌入式系统应用软件 嵌入式应用软件是嵌入式应用系统的核心，一般地，嵌入式系统应用软件和嵌入式操作系统一起，固化在只读存储器中，而不是以磁盘为载体，不可以随意更换，所以嵌入式系统的应用软件生命周期也和嵌入式产品一样长。应用软件代码要求高质量、高可靠性，尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加，但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的。为此要求程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码长度、提高执行速度。 随着嵌入式系统应用复杂性的不断提高，嵌入式软件在系统中所占的比重不断增加，软件开发已经成为开发嵌入式系统的重要制约因素，良好的软件体系结构和合适的开发方法，对于系统开发的成功具有重大的意义。 目前，嵌入式应用软件的设计技术还处于起步阶段，没有形成一套完整、有效的开发和设计方法。但嵌入式软件的设计越来越多地基于嵌入式操作系统进行开发，嵌入式软件设计与嵌入式操作系统的紧密结合是嵌入式应用系统发展的一个重要特点。 1.2.4 嵌入式网络接口发展现状 嵌