基于ARM9远程无线通信系统的设计.docx

1、基于ARM9远程无线通信系统的设计本科生毕业论文（设计）ARM9远程无线通信系统设计 姓 名： * 指导教师： * 院 系： 信息工程学院 专 业： 电子信息工程 提交日期： 目 录中文摘要2外文摘要3引言4第1章 绪论41.1课题的目的和意义41.2国内外研究现状与发展趋势41.2.1国内外研究现状41.2.2发展趋势5第2章 嵌入式系统62.1嵌入式系统概述62.1.1嵌入式系统的特点62.2嵌入式操作系统72.2.1 嵌入式操作系统的特点72.2.2常用嵌入式操作系统72.3 WindowsCE结构解析82.3.1 Wince概述82.3.2 Wince内核功能概述9第3章 系统硬件设计

2、103.1 SAMSUNS3C244OARM开发板103.1.1 ARM开发板硬件组成103.1.2 ARM处理器简介123.2 基于单片机无线通讯模块133.2.1无线数据收发模块133.2.2 ZigBee协议简介及无线网络的硬件实现14第4章 系统软件设计184.1 Wince应用程序设计184.1.1注册硬件与中断设置184.1.2 TCP/IP协议设置及数据传输224.1.3多线程以及线程之间的同步234.2基于单片机无线收发模块程序设计24结束语27注释27致谢27附录27ARM9远程无线通信系统设计 嵌入式在无线通信领域的发展 指导老师：* （*，*，安徽，*）摘 要：本文首先介

3、绍了嵌入式系统在无线通讯与处理领域的发展情况，并对嵌入式系统的开发以及Wince操作系统进行了简单的介绍，并结合了实际项目要求，分析了项目需求，提出了解决方案。系统硬件部分详细介绍了整个系统的实现原理与功能框架，并设计了大量的外围接口电路，主要包括基于单片机的无线数据发送电路。本文对各个电路的设计都给出了详细的描述说明.在软件实现部分，本文简单介绍了嵌入式操作系统Wince的制定、裁剪以及移植过程，并在此基础上简要的介绍了Wince环境下硬件驱动的开发过程.本文在嵌入式系统的基础上，详细描述了基于ARM9的无线数据通信系统的硬件结构与软件实现。关键词：嵌入式系统;无线通讯;ARM;winceT

4、he Design Of ARM9 WirlessCommunication SystemEmbedded in the development of wirelesscommunications Director：*(*)Abstract: Atfirst，I introduced the application of Embedded systems in the Wireless communication. Then simplely Presented embedded systems develoPment and the Wince operating system. .afte

5、r this I contact with the demand of actual Project，analysed the require of Project put forward a suitable solution.The hardware of data acquisitionDetails introduced the Principle of realize and the framework of function. Designed a large number of PeriPheral interface circuit，Mainly include the Wir

6、elessdata sending module. And given some technical Parameters In Partofsoftware，I Briefly introduced the development of embedded operating system Wince，cutting core and theProcess of organ transplant. And Introduced theWince environment hardware-driven development Proeess. I introduced a ARM9 based

7、wireles communications system hardware strueture and software implementation. Key Words：Embeddedsystem；Wireless communication；ARM；Wince;引言随着信息技术的不断发展，人们对通信技术的需求越来越强，摆脱有线网络的束缚实现无线通信始终是大家关心的问题，当今无线通信研究越来越热，应用非常广泛，使人与人之间的通信更加方便快捷，更具有市场发展前景。 第1章 绪 论1.1课题的目的和意义伴随着计算机技术的迅速发展，以嵌入式系统为平台的无线通信和控制系统就应运而生了，嵌入式无

8、线通讯系统具有以下特点: （1）可靠性高。嵌入式系统大都是芯片等部件，与计算机系统的硬盘、扩展卡相比，具有防震、防尘优点;程序固化在Flash/ROM中，不易破坏;硬件集成度高，使系统整体可靠性大大提高。（2)体积小。由于高端微型处理器甚至SOC的应用，嵌入式系统的体积不断减小，直接影响数据通讯与控制系统的体积，从而形成便携式系统，携带和使用非常方便。(3)易扩展、功能强。嵌入式数据通讯与控制系统很容易扩展出输入/输出(I/0)接口，实现各种功能。 在软件开发部分，为了配合嵌入式系统，业界已发展出多种嵌入式操作系统，这些实时操作系统的功能强大，尽管其内核比起CP操作系统来说非常小，但它能作为设

9、计人员的开发平台，目前市场上主要的嵌入式操作系统有:Wince、EmbeddedXP、 WindowsMobile、Linux、Vxworks、QNX、 Palm0S等等。这些操作系统的广泛应用也为基于嵌入式的数据采集系统的实现与普及提供了广阔的软件发展平台。本课题在传统单片机数据通讯系统的基础上经行了改进，设计了一种基于ARM9的无线数据通讯系统，具有较大的现实意义，并有助于将传统的无线通讯系统推向于高准确性，高实时性，小型化，智能化的新型发展平台。由于嵌入式操作系统具有可裁剪性和可移植性，又使得本系统具备了功能强大，性能稳定，可视化，接口简单等特点，其核心代码只需要经行少量的修改就可以在不

10、同平台下经行移植。同时本文提出的架构和设计原则对基于嵌入式系统平台的其他功能模块的设计和实现也有一定的指导意义。1.2国内外研究现状与发展趋势1.2.1国内外研究现状由于嵌入式操作系统具有多样性，并且支持嵌入式的处理器复杂多样，因此目前市场上基于嵌入式的数据通讯系统种类异常繁多。目前应用于数据通讯系统的嵌入式系统主要有:Wince、 EmbeddedXP、 WindowsMobile、Linux、VxWorks、QNX、 PalmOS等等，而支持嵌入式的处理器主要有:X86、ARM、MIPS、SC一400、 PowerPC、ARM86/88等等。其中 WindowsCE是一种紧凑、高效、可伸缩

11、的操作系统，主要面向各种嵌入式系统和产品，具有多线程、多任务、完全抢占式的特点，是面向小内存32位移动智能连接设备而开发的模块化实时嵌入式操作系统。而ARM处理器凭借其优良的处理器架构，高效的处理能力，使得以ARM为核心的Wince为平台在智能仪器已经无线数据通讯领域得到了广泛应用。由于嵌入式系统大多具有可移植性、占先式、多任务、可确定性、系统服务、中断管理、稳定性和可靠性等优点，而工业控制系统对可靠性、灵活性和实时性又有着很高的要求，考虑到工业控制系统的成本和经济效益，将嵌入式系统应用于工业控制具有十分广阔的前景。嵌入式数据通讯系统的优异之处表现为:实时性好、适用范围广和可靠性高。利用嵌入式

12、实时操作系统的可裁剪性、可移植性和多任务等特点，不仅使其数据通讯性能大幅度提高，而且使抗干扰能力和实时性显著增强。1.2.2发展趋势无线市场走势规模 不论何时、何地都能与任何人实现信息交流的全球化个人通信,是人类追求的美好理想。 无线通信具有跨越时空进行信息沟通的灵活性,以及连接全球的无缝隙覆盖特性,这使它成为最具吸引力的通信方式。而无线通信的快速发展,也将把人类实现个人通信的梦想一步步变为现实。 当前,无线通信市场空前繁荣,无线业务曰趋丰富,无线技术日新月异。纵观全球无线通信业,有几大趋势呈现在我们面前 近二十年来,随着无线通信技术的不断发展和社会需求的日益增长,包括移动电话、无线寻呼、卫星

13、通信等在内的无线通信得到了越来越广泛的普及和应用,并展示出广阔的市场前景。 从全球范围来看,无线通信已经进入规模化发展的阶段。目前，数据通信与控制系统正朝着两种趋势发展:一种是分散式控制系统，它正朝着小型化和直接面向现场的方向发展，同时它标志着工控网络时代的到来; 另一种是分布式系统，它采用高性能处理器或多处理器协同处理以达到高性能、高可靠性。为了迎合这些趋势，高端嵌入式微处理器和嵌入式实时操作系统便成了工控业界的热点。其中核心部件32位嵌入式处理器在国外已经得到广泛的运用。然而，这些嵌入式处理器由于开发成本十分高，所以在国内工控领域的应用才刚刚起步。随着近年来国家加大一些重点项目的投入，特别

14、是在电力系统、铁路系统等方面，相信随着高端微处理器自身的成本和开发调试成本的进一步降低，其应用将会变得很广泛。支持嵌入式操作系统的处理器其主频与数据处理能力远远大于单片机，因此采用嵌入式系统完全可以满足目前要求仪器设备智能化，高效率，高可靠性，强实时的要求。第2章 嵌入式系统支持中文、英文免费在线翻译嵌 入式系统在工业领域越来越广泛应用已经是不争的事实，而选择合适的嵌入式操作系统是保证整个数据采集系统性能与稳定性的关键。目前市场上的嵌入式操作系统主要有:Wince、EmbeddedXP、 WindowsMobile、Linux、Vxworks、QNX、 Palm0S等等。其中Wince是微软推

15、出一款功能强大的嵌入式实时操作系统，凭借其高性能，高实时，界面风格与Windows保持一制等特点，使其广泛应用于各种智能手提便携式以及数据采集仪器中。2.1嵌入式系统概述2.1.1嵌入式系统的特点嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。根据IEEE(国际电机工程师协会)的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”目前国内一个普遍被认同的定义是:以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。按照以上定义，嵌入式系统 (Embeddedsystem)是指不同于常见计算机系统的一种系统，它不以独立设备的物理

16、形态出现，即它没有一个统一的外观，它的部件根据主体设备以及应用的需要嵌入在设备的内部，发挥着运算、处理、存储以及控制作用。从体系结构上看，嵌入式系统主要由嵌入式处理器、支撑硬件和嵌入式软件组成。其中嵌入式处理器通常是单片机或微控制器;硬件通常包括微处理器、存储器、外部设备和I/O端口、图形控制器等等。软件部分包括操作系统软件(要求实时和多任务操作)和应用程序编程。应用程序控制着系统的运作和行为，而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。嵌入式系统的层次结构如图所示嵌入式操作系统 嵌入式处理器 外围电路硬件层 嵌入式系统和通用的计算机系统相比具有以下几个重要特点：1:系统内核小。由于嵌入式系

17、统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。2:系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不管是硬件还是软件都要高效率的设计，力争在相同的资源条件下实现更高的性能。3:专用性强。嵌入式系统通常是面向特定应用的，嵌入式系统的设计和开发必须要考虑特定环境和系统的要求。而且嵌入式系统将软件系统、硬件和具体应用及行业特点有机的结合在一起，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。4:为了提高系统的执行速度和可靠性，嵌入式系统的软件一般都固化在存储器芯片或单片机中;同时软件代码要求高质

18、量和高可靠性。5:由于嵌入式系统其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发.2.2嵌入式操作系统2.2.1嵌入式操作系统的特点嵌入式操作系统 是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统(包括硬件、软件系统)极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、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。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源;能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来，能够提供库函数、驱动程序、工具以及应用程序。

19、2.2.2常用嵌入式操作系统目前市场上比较成熟的嵌入式操作系统比较多，主要有匹uc/os-2, PALM0S、Vxworks、LinuX、Wince、Epoc等，其主要特点与不足如下表:常用嵌入式操作系统比较 2.3 W1ndowsCE结构解析2.3.1Wince概述 WindowsCE是一种紧凑、高效、可伸缩的操作系统，主要面向各种嵌入式系统和产品，具有多线程、多任务、完全抢占式的特点，是面向小内存32位移动智能连接设备而开发的模块化实时嵌入式操作系统。wince将Windows兼容性和应用程序服务与多CPU结构支持和内建网络通信选相结合，为创建多种类型产品提供了一个功能丰富的可伸缩开放式基

20、础。winCe为消费者电子设备、Web终端、internet访问应用设备、专用工业控制器、移动数据获取手持设备及嵌入式通信设备提供软件系统驱动。它的模块化设计使嵌入式系统和应用开发者能够方便地定制以适应一系列不同的产品，是专门为各种有很严格资源限制的硬件系统设计的。这个高度模块化的系统平台可使开发商以灵活而可靠的方式创建出新一代具备较低内存占用水平的32位移动设备，从而实现Windows与Internet之间无缝化集成。Wince操作系统包括以下主要模块。1:内核模块，支持进程和线程处理及内存管理等基本服务。2:内核系统接口模块，允许应用软件访问操作系统。3:文件系统模块，支持持久稳固的信息存

21、储。4:图形窗口和事件子系统模块，控制图形和Windows相关的图形用户界面。5:通信模块，允许同其他设备进行信息交换。Wince体系结构如下图所示Wince是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。它的模块化设计允许它对于从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。操作系统的基本内核需要至少20OK的ROM。Wince是一种小型的、基于ROM的、具有 Win32API子集的操作系统，它的优势在于小尺寸、 Win32API子集和对多平台的支持能力。Wince支持多类硬件外围设备，如键盘、鼠标设备、触摸面板、串行口、以太网卡、调制解调器、USB设备等等，根据实

22、际情况变化很大。另外，wince只支持Unicode。在WindowsCE中，除了一些基本的Windows通用控件以外，还有一些专门设计的控件，比如CommanderBar。Wince体积虽小，但是它的功能并不少，内存管理、文件操作、多线程、网络功能等等它都支持，可以说是麻雀虽小，五脏俱全。2.3.2 Wince内核功能概述作为微内核的设计方法，Wince有其自己独有的特点。在Wince的内核里，主要包含以下6类:功能处理器调度、内存管理、异常处理、系统内的通信机制、为其他部分提供核心应用程序例程、为系统范围内侦错提供的支持。内核通过NK.exe在系统中运行，其程序代码非常精简，始终以较高的优

23、先级和处理器特权级别执行。从随时随地的使用电脑及PDA，到智慧型家电用品及丰富的多媒体家庭剧院，Microsoft Windows CE为工作、家庭及其间的任何一部分开启了动态的、崭新的开发远景。这个模块化、可自订的作业系统将Windows平台延伸到桌面之外，到达更小、更机动性、更特别的装置之上，Microsoft Windows CE揭露了革命性的系统架构，可以让身为开发者或科技领导者的您，扩展消费者及工业电子上的新市场。Wince内核结构第3章 系统硬件设计3.1 SAMSUN53C2440ARM开发板3.1.1ARM开发板硬件组成本数据采集系统主要是建立的上海勤研电子科技公司推出的ARM

24、9开发板的基础上，该开发板采用的是三星公司以ARM920T为内核的53C2440微处理由于ARMg内核具有功能强大，价格低廉，而且其应用技术比较成熟等特使其广泛应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等应用领域。:l:处理器:S3C2440A一40，400MHz主频，ARM920T内核。2:ROM:16Mbit NOR FLASH，16bit宽度。 其内核主要单元如下图所示3:FLASH:512M bit NAND FLASH，8bit宽度。4:RAM:512Mbit SDRAM，133MHz，32bit宽度(两片组成)5:电源:7-24V宽电压输入，LT

25、1765高效DC/DC降压，标配12V电源;6:网络:10MbPs低功耗嵌入式专用以太网网络芯片CS89OOA，网络接口RJ45，7:串口:3路串口，两路带握手信号，可接调制解调器或者GPRS;8:液晶接口:支持CSTN，TFT等多种LCD;9:SD卡接口:支持SD/MMC和SDIO设备;开发板布局与外观如图3.1.2ARM处理器简介3.1.2 ARM处理器简介ARM系列处理器是英国先进RISC机器公司 (Advanced RISC maehines，ARM)的产品。ARM公司是业界领先的知识产权供应商，与一般的公司不同，ARM公司只采用IP授权的方式允许半导体公司生产基于ARM的处理器产品，

26、提供基于ARM处理器内核的系统芯片解决方案和技术授权，不提供具体的芯片。目前市场上推出的ARM处理多种多样，主要包括要包括了四个系列:1.通用微处理器系列2.SecurCore系列3.Intel的strongARM4.Intel的xcale 其处理器主要特点及应用领域如下表所示3.2 基于单片机无线通讯模块3.2.1无线数据收发模块应用比较成熟的无线通信网络主要包括以下几种：1.蓝牙技术 (BluetoothTechnology);2.Wi-Fi(IEEE 802.11):WirelessFidelity3.UWB(Ultra-Wideband);3.IrDA技术4.ZigBee(IEEE 8

27、02.15.4)从上表可以看出由于ZigBee技术目前应用比较成熟，而且价格十分低廉，传输距离较远，其10-250kb/S的数据传输速率完全满足一般的试验要求，因此无线数据传输我们采用了基于ZigBee协议的无线传输方式。3.2.2 ZigBee协议简介及无线网络的硬件实现zigbee是一种短距离、低速率、低功耗、低成本和低复杂度的无线传输技术，它工作于无需注册的2.4GHzlsM频段，传输速率为1OM-25Okb/S，传输距离为10-75m。具有电池寿命长、应用简单、可靠性高及组网能力强等特点，主要适用于无线传感器网络、自动控制和远程控制领域。zigBee是IEEE802.15.4标准的扩展

28、集，IEEE802.15.41作组主要负责制订物理层及MAc层的协议，zigBee联盟负责高层应用、测试和市场推广等工作，定义了应用层和安全方面的规范，使得来自不同厂商的设备可以相互对话。IEEE802.15.4满足国际标准组织开放系统互连参考模型，其MAC层单一，物理层多样38。zigBee技术的物理层、MAC层采用了IEEE802.15.4(无线个人区域网)协议标准，zigBee在IEEE802.15.41的基础上进行了完善和扩展，定义了系统的高层。IEEE802.15.41在物理层定义了两个标准，分别是 868/915MHz物理层和2.4GHz物理层。两个物理层使用相同的物理层数据包格式，都是基于DSSs(直接序列扩频)，信道接入方式都采用CSMA一CA;不同的是它们的工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。868MHz(欧洲ISM)频段只有一个信道，传输速率为80kbps:916MHz(美国ISM)频段10个信道，DSSs采用了每符号15个码片，传输速率为40kbps。868/9l5MHz频段均采用BPSK调制，2.4GHz是全球统一的须申请的IsM频段，有16个信道，提供250kbPs的传输速率，Dsss采用了每符号32个码片，物理层采用O-QPSK调制。 zigBee协议栈结构图Z