生产车间机修养护无线呼叫系统的设计.docx

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生产车间机修养护无线呼叫系统的设计

摘要……………………………………………………………………………………………………………………………I

ABSTRACT………………………………………………………………………………………………………………....II

第一章绪论…………………………………………………………………………………...................................1

第二章系统的硬件设计……………………………………………………………………………………………….....3

第三章开发环境搭建与配置…………………………………………………………………………………………..7

第四章系统软件设计……………………………………………………………………………………………..17

第五章系统运行与调试………………………………………………………………………………………………..23

5.1系统的整体组装23

第六章总结与展望………………………………………………………………………………………………...29

参考文献………………………………………………………………………………………………………………………30

致谢……………………………………………………………………………………….....................................31

摘要

由于无线网络与嵌入式系统的持续发展，用户对产品的便捷性与实用性的依赖持续增加，具有无线传输能力的嵌入式设备得到了很大的重视。

本课题设计是基于嵌入式Linux系统并具有无线传输能力的无线呼叫系统，系统硬件采用FL2440ARM开发板和RALINK3070WIFI模块。

本课题设计学习了嵌入式操作系统、无线网络、嵌入式ARM开发等相关知识。

设计过程先搭建PC端开发环境，使用ARM-Linux-Gcc编译器进行程序编译，并采用QtCreator进行图形界面设计，最后将编译得到的无线呼叫终端程序下载至ARM开发板，启动开发板后无线呼叫终端程序将独立运行，服务器端将在PC端运行。

该系统实现了触屏控制选择报修信息、无线发送报修内容、服务器端系统事件显示、服务器端反馈呼叫请求的功能，达到了生产车间机修养护的基本要求。

而无线网络技术的运用使呼叫请求更加便捷，提高了车间生产效率，降低了生产成本，使车间变得更加智能化。

关键词:

嵌入式Linux，ARM，无线局域网

ABSTRACT

Duetothecontinueddevelopmentofwirelessnetworksandembeddedsystems,userrelyontheconvenienceandpracticalityoftheproductcontinuestoincrease,embeddeddeviceswithwirelesstransmissioncapabilityhasbeengreatlyvalued.ThisdesignisaLinux-basedembeddedsystemsandwirelesstransmissioncapabilitywithwirelesscallsystem,systemhardwareusesFL2440ARMdevelopmentboard,RALINK3070WIFImodule.

Thedesignneedstudyembeddedoperatingsystems,wirelessnetworking,embeddedARMdevelopmentandotherrelatedknowledge.ThedesignprocesstobuildthefirstPC-sidedevelopmentenvironment,usingARM-Linux-gcccompilertocompiletheprogram,andusingQtCreatorgraphicalinterfacedesign,andfinallytheradiopagerprogramwasdownloadedtocompileARMdevelopmentboards,developmentboardsafterstartupwirelesscallterminalprogramwillrunindependently,theserverwillrunonthePCside.

SystemdesignachievedTouchControltoSelectrepairinformation,wirelesstransmissionrepaircontent,serversystem,theservereventfeedbackcallrequestfunction.Thecompletionofthedesignmeetthebasicrequirementsoftheproductionworkshoprepairmaintenance,theuseofwirelessnetworktechnologymakesthecallrequestmoreconvenient,improvestheefficiencyofproduction,reduceproductioncost,maketheworkshoptobecomemoreintelligent.

Keywords:

EmbeddedLinux,ARM,WirelessLAN

第一章绪论

1.1课题背景与研究意义

随着无线网络的发展，WIFI通信技术已成为当今无线网络接入的主流标准。

而当今的生产车间还未赶上这股科技的潮流，大多数车间还没有报修呼叫系统或者只拥有老式的呼叫系统，为解决生产养护的需要，无线呼叫系统提供了便捷和人性化的服务，将报修信息通过无线WIFI网络传输，扩大了信号范围，保证了数据的稳定收发，无线设备区别于有线设备，灵活性大大增强[1]。

本课题设计的是基于生产车间机修养护的无线呼叫系统，满足生产机修的需要，提供便捷的报修途径和人性化的操作。

设计所用硬件核心为ARM，ARM已成为当前便携式电子产品开发的主流芯片，而WIFI技术的适用性和稳定性不断增强，因此，对ARM架构下WIFI无线通信终端的研究具有比较重要的意义。

呼叫系统为管理者提供车间设备的实时信息，将报修设备的信息做统一化的管理，通过数据可了解设备的报修问题，报修次数，设备编号及设备当前状况，通过这些信息管理者可以做出准确的决定，并安排及时处理，保证车间正常的生产。

与此同时，呼叫系统适当减轻了生产人员的工作量，完善了车间的智能化管理[2]。

1.2课题研究领域与现状

本课题对嵌入式系统和无线网络系统进行了研究，讲述了嵌入式系统和无线网络系统的发展与现状。

20世纪60年代晚期嵌入式系统基本形成。

自80年代起，嵌入式系统的程序员开始使用商业级的操作系统编写嵌入式应用软件，开发资金明显降低，开发周期大大缩短。

此时的嵌入式系统是一个实时核，它包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、中断支持、内存管理等功能[3]。

在传统的划分方式下，嵌入式操作系统可以分为两类，一类是面向控制、通信等领域的实时操作系统；另一类是非实时操作系统，如Linux、WindowsCE等。

而第二类被更多的应用于消费电子产品，如电子书、机顶盒、移动电话等。

但是随着嵌入式产品市场的迅速扩张，以及嵌入式处理器的处理速度大大提升和能力的显著提高，WindowsCE、Linux等过去所谓的非实时操作系统，在实时性方面都有了重大改进。

嵌入式Linux的发展前景广阔并且具有巨大的商业机会，它所支持的嵌入式CPU数量庞大并且几乎所有的嵌入式OEM板都能被移植。

如今嵌入式系统带来的工业年产值已远远超过1万亿美元。

目前国际上已有两百多种嵌入式操作系统，而各种各样的开发工具和仪器更是不计其数[4]。

1997年诞生了IEEE802.11无线网络标准协议，此协议可根据传输速率进行升级，目前已经从可传输11Mbps、25Mbps、54Mbps演变到可传输300Mbps甚至600Mbps的802.11n[5]。

无线网络1.0技术实现了在有限的空间内进行无线数据传输并摆脱网络电缆，同时该技术具备了网络初步加密、安全和策略控制能力[6]。

在2.0技术下，厂商在AP的后端增加了核心控制器（AC），以实现对所有AP的统一管理和策略下发。

在3.0无线网络技术框架中，可实现4-7层服务、保障移动应用安全、全面的无线控制。

从最早的无线电通信技术到如今最热门的IEEE802.11（WIFI），无线网络技术一步步走向成熟。

然而，在众多的无线传输技术中，WIFI的业界影响力最为广大，这项无线网络技术以近乎完美的表现征服了业界。

对于任何一项技术而言，能够被垄断级厂商整合进主流产品是最能促进其发展的，同时也被迅速普及[7]。

1.3课题的主要工作

课题设计将在VMwareWorkstation10.0虚拟机下安装Linux操作系统Ubuntu12.04，在Ubuntu中安装QTCreator5.0.1开发工具，编译器采用Gcc4.3.2，Kernel选用Linux-2.6.30.9[8]。

进行开发板内核移植和文件系统制作，并在PC端进行WIFI驱动和WIFI工具的编译、服务器端和无线呼叫终端的程序设计，最终实现无线呼叫终端通过WIFI模块连接到无线网络并进行报修呼叫，服务器端接收呼叫信息并进行呼叫应答。

论文共分为六章。

第一章绪论，主要阐述了论文的研究背景，嵌入式Linux和无线网络的发展历程，解释了当前研究此课题的意义和重要性，简单描述了作者研究所需要做的准备和研究的目的。

第二章硬件设计，该章主要讲了进行课题设计所需要的硬件，各自所拥有的特点和其在整个系统中的作用，并简单描述了基于此硬件程序设计的原理。

第三章开发环境搭建与配置，该章主要描述了开发环境的搭建，开发工具的准备，为整个设计进行前期平台的搭建，为之后的程序运行调试做好准备。

第四章系统软件设计，该章详细的讲述了系统架构的设计，程序关键部分的讲解，系统关键处的程序处理，系统整体的搭建。

第五章系统运行与调试，该章分析了整个系统运行的情况，描述了在设计过程中所遇到的问题，并讲解了问题的处理方式和结果。

第六章总结与展望，该章讲述了作者在本次设计中得到的启示和锻炼，并对整个设计进行归纳描述，以点带面的点评出课题设计难点和知识点，并展望今后的学习生活和未来。

第二章系统的硬件设计

2.1系统总体设计方案

本设计硬件基于FL2440开发板，使用开发板USB口和串口进行内核和文件系统的烧写，并进行程序与配置文件的传输。

开发板LCD屏用于程序的界面显示，使用触摸屏进行无线呼叫的功能选择与发送。

无线传输模块选用RALINK的RT3070模块，该模块采用USB方式接入到呼叫终端，进行数据传输。

服务器端采用X86笔记本电脑，运行Ubuntu操作系统并在此操作系统上运行服务器端程序。

图2.1模拟了系统的整体框架，无线呼叫终端采用FL2440开发板，LCD屏幕运行呼叫终端程序，界面显示了故障的分类并可通过触摸屏进行选择。

无线模块通过USB口接入到FL2440开发板，实现数据的收发。

服务器端也就是PC端进行了故障信息的界面显示。

图2.1系统整体框架设计

2.2FL2440开发板

图2.2为FL2440开发板，它的中央处理器采用三星S3C2440A，主频为400MHz。

外部存储器中内存为64M字节，NANDFlash为256M字节。

开发板外部接口：

串口分为一个五线异步和一个三线同步；网络接口为一个100M采用DM9000的网口，并带联接和传输指示灯；USB接口有四个USB1.1HOST接口和一个USB1.1Device接口。

板上集成了4线电阻式触摸屏接口的相关电路和一个40芯LCD接口。

开发板采用内部实时时钟，拥有专用复位芯片，并采用5V电源供电，带电源开关和指示灯。

图2.2FL2440开发板

2.2.1LCD屏幕

本设计最主要用到的一个硬件是LCD显示屏，它是系统与用户进行视觉交互的桥梁，系统的功能也是通过显示屏进实现。

在配置内核时，要进行LCD驱动的配置，我们选择的是480x272的分辨率，10级灰度，时钟为60MHz，16bbp。

现在对FL24404.3寸屏幕进行介绍：

*支持彩色TFT的2、4、8和16象素每位调色显示；

*最大帧缓冲器大小是4M字节；

*集成了4线电阻式触摸屏接口的相关电路；

*40芯LCD接口；

*标准配置为256K色彩，分辨率为480x272，4.3英寸TFT液晶屏，带触摸屏；

*支持黑白、4级灰度、10级灰度、256色、4096色STN液晶屏。

2.2.2LCD触摸屏

屏幕显示系统功能后，实现触觉交互的是触摸屏，用户可以通过触摸选择，更轻易的进行功能操作，下面对FL24404.3寸触摸屏A/D转换及接口介绍：

*拥有8通道多路复用ADC；

*最大精度可精确到500KSPS/10位；

*内置场效应管，可直接连接触摸屏。

2.3无线网络模块

2.3.1RT3070网络模块

联发科技RALINKRT3070是一个802.11n芯片（SOC）系统，它需要很少的外部元件，就能实现将无线网络添加到一个广泛的设备。

RT3070支持数据传输速率高达300Mbit/s，并设有一个五端口10/100以太网交换机物理层，同时拥有雷凌OptiLink™技术增强无线性能[9]。

在ImaginationTechnologies公司的MIPS32®24KEc™内核的基础上，RT3052处理应用毫不费力，同时对USB2.0端口的支持，可以轻松访问数字家庭应用的存储设备。

图2.3RT3070无线模块

图2.3是RALINKRT3070无线模块，其主要特点如下：

*支持802.11n无线传输协议；

*2T2R与300Mbit/s的PHY数据传输速率；

*ImaginationTechnologies公司的MIPS24KEc（320MHz的）核心；

*USB2.0OTG；

*硬件NAT/TCP/UDP/IP校验和卸载。

2.3.2无线网络工具

Wirelesstools是一个Linux命令行工具包，被用来设置支持LinuxWirelessExtension的无线设备。

WirelesstoolsforLinux和LinuxWirelessExtension由JeanTourrilhes在维护，由Hewlett-Packard（HP惠普）赞助[10]。

Wirelesstools工具包被缺省安装在了大多数基于Linux内核的操作系统中，即使该操作系统没有自动安装工具包，也能很容易地找到其二进制代码安装包。

WirelessExtension是一组通用的API，能在用户空间对通用WirelessLAN进行配置和统计。

它的一个好处是能通过一组单一的工具就能对WirelessLAN进行管理，另一个好处是不用重启驱动或Linux就能改变这些参数。

WirelessTools是用来操作WirelessExtensions的工具集，它们使用字符界面，通过命令行实现，虽然粗糙，但支持所有WirelessExtension。

它包括以下工具：

*iwconfig：

设置无线网络参数；

*iwlist：

扫描无线网络、列出网络信息等；

*iwspy：

获取当前网络下每个节点链接的质量；

*iwpriv：

操作WirelessExtensions中的特定驱动；

*ifrename：

静态标准命名接口。

wpa_supplicant工具主要是用来支持WPA/WPA2、WEP和WAPI无线协议和加密认证的。

实际上的工作内容是通过socket与驱动交互并上报数据给用户，用户可以通过socket发送命令给wpa_supplicant调动驱动来对WiFi芯片操作。

wpa_supplicant目前只能连接到在配置文件中已经配置好的ESSID无线网络。

wpa_supplicant源程序经过编译后可以得到两个主要的可执行工具：

wpa_supplicant和wpa_cli。

wpa_supplicant是核心程序，它和wpa_cli的关系就是服务器端和终端的关系：

wpa_supplicant在后台运行，应用程序通过使用wpa_cli来设置、搜索、和连接网络[11]。

2.4本章小结

本章分析了系统整体结构，并根据此结构进行硬件设计。

系统硬件设计主要涉及两个部分：

第一部分，FL2440ARM开发板的内部控制器和外部接口，程序的输入输出端口LCD触摸屏与LCD屏。

第二部分，RALINKRT3070无线模块与无线网络工具。

通过本章的硬件设计，系统初步具备进行软件开发的基础，在对硬件的认识和了解中，对程序设计合理性与适用性的理解更进了一步。

第三章开发环境搭建与配置

在进行嵌入式开发之前必须先搭建好开发环境，首先需要拥有一个Linux操作系统，一般考虑将Linux系统安装在虚拟机上，方便在Windows与Linux之间进行文件交互。

常用的虚拟机有VMvareWorkstation、VirtulBox、VirtulPc。

安装好虚拟机后进行操作系统的安装，当前常用的Linux系统有Ubuntu、Fedora、Debian、RedHat等。

有了操作系统，相当于有了一个舞台，进行工具的安装，交叉编译器选择Gcc或者G++按照编译源文件进行选择，也可以选用集成开发环境Eclipse进行开发。

在Linux系统下进行Kernel内核的裁剪，Yaffs2文件系统的制作，通过DNW烧写到开发板。

PC端编译好可执行文件、LCD驱动和无线网络驱动与工具，通过超级终端、NFS文件系统或者直接烧写到内核的方式传输到开发板。

此时，开发板有了自己独立的操作系统和开发环境，可进行程序的运行与调试。

本设计硬件基于FL2440开发板，系统环境搭建原理是按照开发板运行原理进行搭建，首先移植bootloader让开发板加电自检并引导操作系统，移植内核，让操作系统支持我们所要实现的功能，最后移植文件系统，在内核与用户之间建立桥梁。

3.1PC端开发环境搭建

3.1.1VMvare虚拟机

VMwareWorkstation是一款桌面虚拟计算机软件，用户可通过它运行不同的操作系统。

它允许操作系统与应用程序在同一台虚拟机内运行，虚拟机提供给了用户独立运行主机操作系统的离散环境。

在VMwareWorkstation中，可以在多个窗口中运行多台虚拟机并且运行自己的操作系统和应用程序，支持在多台虚拟机之间任意切换。

虚拟机中有个很强大的工具VMwareTools，它大幅度提高了虚拟机鼠标，键盘，显示以及其他性能并且可随意在虚拟机和物理机之间进行复制，粘贴，同时与物理机进行时间同步。

本设计采用VMwareWorkstation10.0版本如图3.1所示，安装了操作系统Ubuntu12.04，同时安装了VMwareTools，将虚拟机内编译好的文件和程序很方便的复制到了Windows下。

图3.1VMwareWorkstation10.0

3.1.2Ubuntu操作系统

Ubuntu是一个以桌面应用为主的GNU/Linux操作系统，它的目标在于为一般用户提供一个主要由自由软件构建并且是最新的、相当稳定的操作系统。

Ubuntu的一大特色是所有系统相关的任务均需使用Sudo指令，这种方式比以系统管理员账号进行管理工作的方式更为安全，此为Linux、Unix系统的基本思维之一。

本设计采用Ubuntu12.04版本如图3.2所示，在VMwareWorkstation中安装时选择分配给虚拟机的CPU个数为1个，内存为1G，空间为20G。

本设计所涉及的开发板操作系统、文件系统、无线网驱动和工具、无线呼叫终端程序和PC端的服务器程序均在此操作系统中编译。

图3.2Ubuntu12.04登陆界面

3.1.3QT开发工具

QT具有人性化的UI设计支持，工具窗口中罗列了最为常用的界面工具，用户只需用鼠标拖动目标将其移动到设计界面即可。

QT定义了很多类，用户可以使用QWidget创建主界面，它是所有widget部件的基类。

QLabel是简单的文字显示部件，可通过它将系统名称或者系统时间进行显示。

Qt提供了信号与槽的组件化编程机制，同时具有事件处理和进程控制的类。

connect是Qt中最重要的特征，它在Qt各对象之间建立了一种单向连接。

每一个Qt对象都拥有槽（Slots）和信号（Signals），信号用于触发槽，并使程序跳转至槽函数。

从更高层次来讲，信号与槽是Qt自定义机制中的一种高级接口，应用于对象之间的通信，与标准的C/C++语言不同。

本设计采用QTCreator5.0.1版本，安装时可直接在终端命令下输入sudoqpt-getinstallqtcreator，系统将自行下载和安装。

PC端服务器程序采用此版本自带的QT库进行编译，开发板无线呼叫终端程序采用QT/Embedded嵌入式库进行编译。

3.1.4交叉编译器

交叉编译器是一种在计算机环境中运行的编译程序，它能编译出在另外一种环境下运行的代码，而此过程就叫交叉编译。

比如，在X86平台上生成ARM平台上的可执行代码。

这里选择ARM-Linux-gcc-4.3.2交叉编译器，将其安装在Ubuntu操作系统的/usr/local/ARM目录下。

选择此版本是因为Linux-2.6.30.9版本的内核编译需要此版本交叉编译器，其他版本由于库文件的不同，在编译过出中会出现错误。

而所有要在ARM开发板上运行的程序都要使用此交叉编译器进行编译[12]。

3.2开发板开发环境搭建

3.2.1开发板开发环境介绍

Uboot系统引导。

开发板上电之后首先启动的是UBoot，再引导操作系统启动，UBoot启动内核的过程可以分为两个阶段:

第一阶段,将硬件设备初始化并加载UBoot，设置好栈，最后跳转到第二阶段代码入口；第二阶段，初始化本阶段使用的硬件设备，检测系统内存映射，将内核从Flash读取到RAM中，为内核设置启动参数，最后调用内核。

U-Boot可支持的主要功能列表：

*进行系统引导；

*支持根文件系统；

*支持NFS挂载；

*操作系统接口功能强大，可传递参数给操作系统；

*支持CRC32校验；

*串口、SDRAM、FLASH、以太网、LCD、EEPROM、USB、PCI、RTC等驱动支持；

*上电自检功能；

*特殊功能XIP内核引导；

Linux操作系统。

Linux操作系统的基础是内核，它在操作系统中完成最基本的任务。

当前Linux内核的功能主要包括：

进程调度、进程通信、存储管理、虚拟文件系统和网络接口等[13]。

操作系统合理的管理着运行中的程序，并合理分配系统资源，保证各个程序的正常运行，在内核中这些程序是并发运行的，并且独立且互不干扰。

Linux操作系统最早是没有窗口界面的，全部采用shell指令进行操作和管理，在之后的很多版本中，Linux有了自己的窗口界面，用户可以通过鼠标和shell命令的方式打开应用或