基于ARM的網(wǎng)絡(luò)傳感器硬件設(shè)計說明

....16/16基于ARM的網(wǎng)絡(luò)傳感器硬件設(shè)計摘要網(wǎng)絡(luò)傳感器是傳感器發(fā)展的一個重要方向。網(wǎng)絡(luò)傳感器與一般的傳感器不同，它能夠?qū)⒔?jīng)典的傳感器輸出信號經(jīng)過變換后通過網(wǎng)絡(luò)接口傳送到網(wǎng)絡(luò)中。選擇合適的MCU、網(wǎng)絡(luò)接口、數(shù)據(jù)采集裝置和嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式協(xié)議棧，可實現(xiàn)低功耗和微小體積的網(wǎng)絡(luò)傳感器。作為嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，要能運行嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式TCP/IP協(xié)議棧。同時還要滿足低功耗，較強的處理能力和較快的速度等要求。在簡要介紹網(wǎng)絡(luò)傳感器概念和特點的基礎(chǔ)上，提出用低功耗的PhilipARM7TDMI核的LPC2104作為微控制器，以RS-232作為網(wǎng)絡(luò)接口的網(wǎng)絡(luò)溫度傳感器的設(shè)計，完成設(shè)備的硬件檢測和通信狀態(tài)(基本RS-232通信、SLIP網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議通信、Modem方式通信)與開關(guān)檢測，并隨著操作系統(tǒng)的啟動而運行。在軟件上采用嵌入式μC/OS﹣II。關(guān)鍵詞ARM/嵌入式系統(tǒng)/網(wǎng)絡(luò)傳感器/μC/OS﹣II1緒論1.1嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可剪裁，系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗要求非常嚴格的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)不同于一般的系統(tǒng)，它具有其它應用所不具有的一些特性[1]：體積小。在智能化設(shè)備、儀器儀表、信息家電等應用場合，出于對產(chǎn)品的體積、成本等因素的考慮，一般要求將計算機控制部分安裝在系統(tǒng)部，并且要求所占用的空間盡可能地小。良好的性能價格比。嵌入式系統(tǒng)要求開發(fā)周期短，性能優(yōu)越，良好的性能價格比是在市場上取得優(yōu)勢的關(guān)鍵，這也是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的目標之一。存儲容量小。嵌入式系統(tǒng)中一般沒有硬盤等設(shè)備，而以ROM，F(xiàn)LASHmemory作為存儲介質(zhì)，由于FLASHmemory的價格一般比較昂貴，并且嵌入式應用要求其體積盡可能小。實時性比較強。嵌入式系統(tǒng)，一般作為應用的關(guān)鍵部分，時間特性要求非常嚴格。在一些應用系統(tǒng)中，超過了一定的時限，即使得出了所需的結(jié)果，但效果和沒有得出結(jié)果是一樣的，對應用系統(tǒng)沒有作用甚至是有害的。1.2嵌入式系統(tǒng)概況嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)與應用軟件系統(tǒng)等組成，它是可獨立工作的“器件”。1.2.1嵌入式處理器嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般具備以下特點[1]：①對實時和多任務(wù)有很強的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應時間，很強的存儲區(qū)保護功能，這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)己模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用，需要設(shè)計強大的存儲區(qū)保護功能，同時也有利于軟件診斷。②可擴展的處理器結(jié)構(gòu)，以能迅速地擴展出滿足應用的高性能的嵌入式微處理器。③嵌入式微處理器的功耗必須很低，尤其是用于便攜式的無線與移動的計算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，功耗只能為mW甚至uW級。1.2.2嵌入式操作系統(tǒng)與應用現(xiàn)狀嵌入式操作系統(tǒng)作為嵌入式系統(tǒng)的核心，其應用也越來越廣泛，尤其在手持設(shè)備、信息家電領(lǐng)域更加突出[2]。但嵌入式系統(tǒng)以與嵌入式軟件設(shè)計技術(shù)仍舊處于起步階段，仍舊未能形成一套完整、有效、通用的開發(fā)方法和規(guī)。嵌入式系統(tǒng)的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)(RTOS)日趨成熟，并且已成為嵌入式系統(tǒng)的熱點。嵌入式操作系統(tǒng)通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動程序、系統(tǒng)核、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標準化瀏覽器等。據(jù)統(tǒng)計僅用于信息電器的嵌入式操作系統(tǒng)就有40多種。目前比較成熟的商品化嵌入式操作系統(tǒng)主要有LambdaTOOL/DeltaOS，VxWorks，pSOS、NeculeusPLUS、WindowsCE，Ecos、QNX、palmOS、Epoc、ucLinux、CMX，Hopen，LynxOS，OSE，RTXC，VRTX，pencil等等，其中有一些是公開源碼的，便于移植。嵌入式應用系統(tǒng)的特點，決定了這些嵌入式操作系統(tǒng)具有如下的應用特點：①體積小，高性能，良好的容錯性和可靠性②易于隔離系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種錯誤③系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加靈活④分布式計算和并行計算的良好支持⑤良好的可擴展性和可剪裁性⑥操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加模塊化⑦支持多任務(wù)的嵌入式TCP/IP網(wǎng)絡(luò)組件，適用于存要求較小、可靠性要求較高的網(wǎng)絡(luò)應用。嵌入式應用的復雜化使嵌入式操作系統(tǒng)的作用更加突出，但現(xiàn)有的嵌入式操作系統(tǒng)或在性能方面，或者在體積、或者在對系統(tǒng)的軟硬件的支持方面，不能更好的滿足應用需求。嵌入式操作系統(tǒng)的微核心思想，在應用中獲得了巨大的成功，但同時隨著應用的復雜化，微核的體積越來越大，如何改善微核操作系統(tǒng)的性能和效率己經(jīng)成為當今嵌入式操作系統(tǒng)的一大熱點。目前有兩種觀點，一種觀點認為：在微核結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)多采用了客戶/服務(wù)器模式，而客戶訪問服務(wù)器提供的服務(wù)是通過通信來實現(xiàn)，這一通信過程需要核心參與，引入了大量進出核心的過程，同時也導致了頻繁進行下文切換和數(shù)據(jù)拷貝，這帶來了較大的額外開銷，影響了系統(tǒng)性能。由此看來，微核操作系統(tǒng)性能不好的根源在于微核方法是微核思想或微核技術(shù)本身所固有的缺點。另一種觀點認為：微核思想本身沒有什么問題，問題的關(guān)鍵在于受傳統(tǒng)操作系統(tǒng)核實現(xiàn)的影響，實現(xiàn)微核操作系統(tǒng)時所采用的具體結(jié)構(gòu)和技術(shù)不合理。從微核操作系統(tǒng)的發(fā)展過程來看，后一種觀點更合理。所以微核結(jié)構(gòu)還是要采用，問題的關(guān)鍵是研制與開發(fā)系統(tǒng)的過程中，采用什么體系結(jié)構(gòu)，如何消除對系統(tǒng)性能造成不利影響的因素。1.2.3嵌入式系統(tǒng)應用軟件嵌入式應用軟件是嵌入式應用系統(tǒng)的核心，一般地，嵌入式系統(tǒng)應用軟件和嵌入式操作系統(tǒng)一起，固化在只讀存儲器中，而不是以磁盤為載體，不可以隨意更換，所以嵌入式系統(tǒng)的應用軟件生命周期也和嵌入式產(chǎn)品一樣長。應用軟件代碼要求高質(zhì)量、高可靠性，盡管半導體技術(shù)的發(fā)展使處理器速度不斷提高、片上存儲器容量不斷增加，但在大多數(shù)應用中，存儲空間仍然是寶貴的。為此要求程序編寫和編譯工具的質(zhì)量要高，以減少程序二進制代碼長度、提高執(zhí)行速度。隨著嵌入式系統(tǒng)應用復雜性的不斷提高，嵌入式軟件在系統(tǒng)中所占的比重不斷增加，軟件開發(fā)已經(jīng)成為開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的重要制約因素，良好的軟件體系結(jié)構(gòu)和合適的開發(fā)方法，對于系統(tǒng)開發(fā)的成功具有重大的意義。目前，嵌入式應用軟件的設(shè)計技術(shù)還處于起步階段，沒有形成一套完整、有效的開發(fā)和設(shè)計方法。但嵌入式軟件的設(shè)計越來越多地基于嵌入式操作系統(tǒng)進行開發(fā)，嵌入式軟件設(shè)計與嵌入式操作系統(tǒng)的緊密結(jié)合是嵌入式應用系統(tǒng)發(fā)展的一個重要特點。1.2.4嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)展現(xiàn)狀嵌入式系統(tǒng)目前多應用于家用市場、工業(yè)市場、商業(yè)市場、通訊市場和國防市場，應用嵌入式操作系統(tǒng)的產(chǎn)品形態(tài)豐富多樣，產(chǎn)品市場潛力巨大。特別是在互聯(lián)網(wǎng)應用、無線通訊產(chǎn)品、藍牙等相關(guān)技術(shù)等方面應用廣泛[3]。嵌入式系統(tǒng)廣泛地應用于國民經(jīng)濟和國防各個領(lǐng)域，發(fā)展非常迅速。嵌入式系統(tǒng)幾乎包括了生活中的所有電器設(shè)備，如掌上PDA、移動計算設(shè)備。電視機頂盒、手機上網(wǎng)、數(shù)字電視、多媒體、汽車、微波爐、數(shù)字相機、家庭自動化系統(tǒng)、電梯、空調(diào)、安全系統(tǒng)、自動售貨機、蜂窩式、消費電子設(shè)備。嵌入式系統(tǒng)的市場增長為每年18%，大約是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)市場平均增長率的兩倍。目前世界上大約有2億臺通用計算機，而嵌入式微處理器有大約60億個。嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)是二十一世紀信息產(chǎn)業(yè)新的經(jīng)濟增長點，是計算機市場的重要組成部分。嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)方面應用主要是工業(yè)自動化儀表與醫(yī)療儀器等，用于對象參數(shù)檢測與控制，一般是在專用局域網(wǎng)進行數(shù)據(jù)處理。隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用，信息交換、資源共享機會增多，單純個網(wǎng)行為無法滿足現(xiàn)代控制技術(shù)發(fā)展需要。統(tǒng)計數(shù)字表明，目前全球85%的網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)技術(shù)。以太網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢是成本低、靈活，在接入領(lǐng)域使用以太網(wǎng)技術(shù)作為產(chǎn)品開發(fā)平臺已經(jīng)成為一個必然的發(fā)展趨勢，有一統(tǒng)天下之勢。以前用以太網(wǎng)技術(shù)開發(fā)的相關(guān)產(chǎn)品，主要應用于企業(yè)環(huán)境。在大型企業(yè)自動化系統(tǒng)中，上層企業(yè)管理層和生產(chǎn)監(jiān)控層一般采用的都是以太網(wǎng)和PC機，而在下層車間現(xiàn)場都是采用現(xiàn)場總線和單片機測控設(shè)備。上下兩層的溝通，通常采用工業(yè)控制機加以太網(wǎng)卡，再加上PC機插槽上的接口卡和并行打印口EPP接口卡來實現(xiàn)。這種連接方式成本高，開發(fā)周期長，不能很好地滿足商業(yè)應用領(lǐng)域或企業(yè)客戶業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)融合更加緊密的需要。以太網(wǎng)的存在又給嵌入式系統(tǒng)提供了一個廣泛發(fā)展的空間。特別是在工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，由于工業(yè)自動化系統(tǒng)正向分布化、智能化的實時控制方面發(fā)展，要求企業(yè)從現(xiàn)場控制層到管理層能實現(xiàn)全面的無縫信息集成，但目前的現(xiàn)場總線尚不能滿足這些要求。多種現(xiàn)場總線互不兼容，不同公司的控制器之間不能相互實現(xiàn)高速的實時數(shù)據(jù)傳輸，因此急需尋求工業(yè)總線與以太網(wǎng)溝通方法。目前國、外已經(jīng)開發(fā)出一些相關(guān)的嵌入式以太網(wǎng)控制器，如惠普公司的102BaseT以太網(wǎng)接口，NETsilicon公司應用NET+ARM體系，還有一些帶有以太網(wǎng)接口的智能儀表、嵌入式智能控制器終端等，將網(wǎng)絡(luò)功能嵌入終端設(shè)備中，使其可直接通過網(wǎng)絡(luò)進行網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)交換。但多數(shù)以太網(wǎng)產(chǎn)品多是利用相關(guān)以太網(wǎng)接口芯片與微處理器相結(jié)合，或是構(gòu)成單一功能的工業(yè)控制模塊，雖然簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低了安裝、維護的難度和成本，提高通信信道利用率，可只是與以太網(wǎng)構(gòu)成簡單通訊，其可靠性、實用性、實時性并不很理想，對工業(yè)控制網(wǎng)與以太網(wǎng)相互間數(shù)據(jù)通訊存在的數(shù)據(jù)安全性問題研究較少。隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)芯片功能更加強大，特別是SOC（SystemonChip）將成趨勢，這不僅能降低成本，縮小產(chǎn)品體積，還將增強產(chǎn)品的可靠性。同時，軟件硬件的緊密結(jié)合，嵌入式軟件與硬件界線更加模糊，嵌入式軟件時常以硬件形態(tài)存在，這種方式可提高實時性，增強可維護性。因此無論是在企業(yè)網(wǎng)還是在電信網(wǎng)中，嵌入式以太網(wǎng)產(chǎn)品將會更加適應用戶的需求。1.3課題的提出與本文主要工作1.3.1課題的提出隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是互聯(lián)網(wǎng)的迅速普與，3C（計算機、通訊、消費電子）合一的加速，數(shù)字化時代已經(jīng)來臨，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的應用日益廣泛。嵌入式系統(tǒng)具有系統(tǒng)核小、專用性強、系統(tǒng)精簡、高實時性的操作系統(tǒng)軟件等特點，使得其在工業(yè)過程控制、交通管理、信息家電與機器人系統(tǒng)等研究生產(chǎn)領(lǐng)域中得到廣泛應用。而在這些應用中，為了實現(xiàn)多個嵌入式微處理器之間的信息交流，大多利用CAN、RS-232、RS-485等總線將微處理器組網(wǎng)，這種網(wǎng)絡(luò)的通信距離比較有限，有關(guān)的通信協(xié)議也比較少，并且一般是孤立于Internet以外的[4]。隨著嵌入式應用的普與，利用嵌入式技術(shù)解決聯(lián)網(wǎng)問題日益引人關(guān)注。在信息化進程中，如何實現(xiàn)資源共享已經(jīng)是幾乎所有電氣設(shè)備需要解決的技術(shù)問題。在傳統(tǒng)的工控領(lǐng)域，大量的測控設(shè)備，如儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和顯示設(shè)備、過程控制設(shè)備等，面臨更緊迫的聯(lián)網(wǎng)需求。因此在工業(yè)化進程中，為解決工業(yè)現(xiàn)場信息共享問題，研究實用的網(wǎng)絡(luò)接口顯得尤為重要。為有效地解決工業(yè)控制系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)接口問題提出了此研究課題。1.3.2本論文主要研究容網(wǎng)絡(luò)傳感器與一般的傳感器不同，它能夠?qū)⒔?jīng)典的傳感器輸出信號經(jīng)過變換后通過網(wǎng)絡(luò)接口傳送到網(wǎng)絡(luò)中。像經(jīng)典傳感器一樣把要采集的物理量變?yōu)殡娦盘枺娏?、電壓頻率與數(shù)字量；經(jīng)過數(shù)據(jù)采集模塊轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒖刂破魈幚?，同時運行嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式TCP/IP能夠接收的數(shù)字量，由微控制器對所采集數(shù)據(jù)進行協(xié)議棧；由網(wǎng)絡(luò)接口將網(wǎng)絡(luò)傳感器接入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)傳感器的網(wǎng)上數(shù)據(jù)共享。本論文主要研究完成以下幾個方面容工作：1、把要采集的物理量變?yōu)殡娦盘枺呀?jīng)過以低功耗的PhilipARM7TDMI核的微控制器LPC2104數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)，包括電流、電壓頻率與數(shù)字量進行處理。2、運行嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式TCP/IP能夠接收的數(shù)字量，由微控制器對所采集數(shù)據(jù)進行協(xié)議棧。3、由網(wǎng)絡(luò)接口將網(wǎng)絡(luò)傳感器接入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)傳感器的網(wǎng)上數(shù)據(jù)共享。2ARM處理器概述2.1ARM簡介ARM（AdvancedRISCMachines）[5]，既可以認為是一個公司的名字，也可以認為是對一類微處理器的通稱，還可以認為是一種技術(shù)的名字。1991年ARM公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設(shè)計技術(shù)的授權(quán)。目前，采用ARM技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)（IP）核的微處理器，即我們通常所說的ARM微處理器，已遍與工業(yè)控制、消費類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場，基于ARM技術(shù)的微處理器應用約占據(jù)了32位RISC微處理器75％以上的市場份額，ARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個方面。ARM公司是專門從事基于RISC技術(shù)芯片設(shè)計開發(fā)的公司，作為知識產(chǎn)權(quán)供應商，本身不直接從事芯片生產(chǎn)，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片，世界各大半導體生產(chǎn)商從ARM公司購買其設(shè)計的ARM微處理器核，根據(jù)各自不同的應用領(lǐng)域，加入適當?shù)耐鈬娐?，從而形成自己的ARM微處理器芯片進入市場。目前，全世界有幾十家大的半導體公司都使用ARM公司的授權(quán)，因此既使得ARM技術(shù)獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，又使整個系統(tǒng)成本降低，使產(chǎn)品更容易進入市場被消費者所接受，更具有競爭力。2.2ARM微處理器的應用領(lǐng)域與特點2.2.1ARM微處理器的應用領(lǐng)域到目前為止，ARM微處理器與技術(shù)的應用幾乎已經(jīng)深入到各個領(lǐng)域[2]：1、工業(yè)控制領(lǐng)域：作為32的RISC架構(gòu)，基于ARM核的微控制器芯片不但占據(jù)了高端微控制器市場的大部分市場份額，同時也逐漸向低端微控制器應用領(lǐng)域擴展，ARM微控制器的低功耗、高性價比，向傳統(tǒng)的8位/16位微控制器提出了挑戰(zhàn)。2、無線通訊領(lǐng)域：目前已有超過85%的無線通訊設(shè)備采用了ARM技術(shù)，ARM以其高性能和低成本，在該領(lǐng)域的地位日益鞏固。3、網(wǎng)絡(luò)應用：隨著寬帶技術(shù)的推廣，采用ARM技術(shù)的ADSL芯片正逐步獲得競爭優(yōu)勢。此外，ARM在語音與視頻處理上行了優(yōu)化，并獲得廣泛支持，也對DSP的應用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。4、消費類電子產(chǎn)品：ARM技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機頂盒和游戲機中得到廣泛采用。5、成像和安全產(chǎn)品：現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機和打印機中絕大部分采用ARM技術(shù)。手機中的32位SIM智能卡也采用了ARM技術(shù)。除此以外，ARM微處理器與技術(shù)還應用到許多不同的領(lǐng)域，并會在將來取得更加廣泛的應用。2.2.2ARM微處理器的特點采用RISC架構(gòu)的ARM微處理器一般具有如下特點：1、體積小、低功耗、低成本、高性能。2、支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件。3、大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快。4、大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成。5、尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高。6、指令長度固定。2.3ARM微處理器分類ARM微處理器目前包括下面幾個系列，以與其它廠商基于ARM體系結(jié)構(gòu)的處理器，除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)的共同特點以外，每一個系列的ARM微處理器都有各自的特點和應用領(lǐng)域[5]。①ARM7系列②ARM9系列③ARM9E系列④ARM10系列⑤ARM10E系列⑥SecurCore系列⑦Inter的Xscale⑧Inter的StrongARM其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10為4個通用處理器系列，每一個系列提供一套相對獨特的性能來滿足不同應用領(lǐng)域的需求。SecurCore系列專門為安全要求較高的應用而設(shè)計。目前非常流行的ARM芯核有ARM7TDMI，StrongARM，ARM720T，ARMgTDMI，ARM922T，ARM940T，ARM946T，ARM966T，ARM10TDMI等，自V5以后，ARM公司提供PICCOLODSP的芯核給芯片設(shè)計者，用于設(shè)計ARM＋DSP的SOC（SystemonChip）結(jié)構(gòu)的芯片。此外，RAM芯片還獲得了許多實時操作系統(tǒng)(RealTimeOperatingSystem)供應商的支持，比較知名的有：WindowsCE、Linux、pSOS、Vxworks，Nucleus、EPOC、μC/OS、BeOS等。在ARM核中有四個功能模塊可供生產(chǎn)廠商根據(jù)不同用戶的不同要求來配置生產(chǎn)[9]。這四個模塊分別用T、D、M和I來表示。T：表示Thumb該核可從16位指令集擴充到32位ARM指令集。D：表示Debug，該核中放置了用于調(diào)試的結(jié)構(gòu)，通常它為一個邊界掃描鏈JTAG，可使CPU進入調(diào)試模式，從而可方便地進行斷點設(shè)置、單步調(diào)試。M：表示Multiplier，是8位乘法器。I：表示EmbeddedICELosiC，用于實現(xiàn)斷點觀測與變量觀測的邏輯電路部分，其中的TAP控制器可接入到邊界掃描鏈。ARM7采用ARMV4T（Newrnan）結(jié)構(gòu)，分為三級流水，空間統(tǒng)一的指令與數(shù)據(jù)Cache，平均功耗為0.6mW／MHz，時鐘速度為66MHz，每條指令平均執(zhí)行1.9個時鐘周期。其中的ARM710，ARM720和ARM740為帶Cache的ARM核。ARM7TDMI（Thumb）：這是公司授權(quán)用戶最多的一項產(chǎn)品，ARM7指令集同Thumb擴展組合在一起，以減少存容量和系統(tǒng)成本。同時，它還利用嵌入式ICE調(diào)試技術(shù)來簡化系統(tǒng)設(shè)計，并用一個DSP增強擴展來改進性能。ARM7系列微處理器為低功耗的32位RISC處理器，最適合用于對價位和功耗要求較高的消費類應用。ARM7微處理器系列具有如下特點：1、具有嵌入式ICE－RT邏輯，調(diào)試開發(fā)方便。2、極低的功耗，適合對功耗要求較高的應用，如便攜式產(chǎn)品。3、能夠提供0.9MIPS/MHz的三級流水線結(jié)構(gòu)。4、代碼密度高并兼容16位的Thumb指令集。5、對操作系統(tǒng)的支持廣泛，包括WindowsCE、Linux、PalmOS等。6、指令系統(tǒng)與ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，便于用戶的產(chǎn)品升級換代。7、主頻最高可達130MIPS，高速的運算處理能力能勝任絕大多數(shù)的復雜應用。ARM9采用ARMV4T（Harvard）結(jié)構(gòu)，五級流水處理以與分離的Cache結(jié)構(gòu)，平均功耗為0.7mW／MHz。時鐘速度為120MHz－200MHz，每條指令平均執(zhí)行1.5個時鐘周期。與ARM7系列相似，其中的ARM920、ARM940和ARM9E均為含Cache的CPU核。性能為132MIPS（120MHZ時鐘，3.3V供）或220MIPS（200MHZ時鐘）。ARM9同時配備Thumb擴展、調(diào)試和Harvard總線。在生產(chǎn)工藝一樣的情況下，性能可ARM7TDMI的兩倍之多。ARM9系列微處理器主要應用于無線設(shè)備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機頂盒、高端打印機、數(shù)字照相機和數(shù)字攝像機等。ARM9E系列微處理器為可綜合處理器，使用單一的處理器核提供了微控制器、DSP、Java應用系統(tǒng)的解決方案，極大的減少了芯片的面積和系統(tǒng)的復雜程度。ARM9E系列微處理器提供了增強的DSP處理能力，很適合于那些需要同時使用DSP和微控制器的應用場合。ARM9E系列微處理器包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S三種類型，以適用于不同的應用場合。ARM10采用ARMVST結(jié)構(gòu)，六級流水處理，指令與數(shù)據(jù)分離的Cache結(jié)構(gòu)。平均功耗為1000mw，時鐘速度為300MHZ，每條指令平均執(zhí)行1.2個周期，其中ARM1020為帶Cache的版本。ARM10TDMI：與所有ARM核在二進制級代碼兼容，帶高速32X16MAC預留DSP處理器接口。其中的VFP10（矢量浮點單元）為七級流水結(jié)構(gòu)。ARM1020T：ARM10TDMI＋32KI＆DCaChes＋MMU結(jié)構(gòu)，300MHZ時鐘，功耗為1W（2.0V供電）。指令Cache和數(shù)據(jù)Cache分別為32K，寬度為64bits。能夠技術(shù)多種商用操作系統(tǒng)。適用于下一代高性能手持式因特網(wǎng)設(shè)備與數(shù)字式消費類應用。ARM10E系列微處理器具有高性能、低功耗的特點，由于采用了新的體系結(jié)構(gòu)，與同等的ARM9器件相比較，在同樣的時鐘頻率下，性能提高了近50%，同時，ARM10E系列微處理器采用了兩種先進的節(jié)能方式，使其功耗極低。ARM10E系列微處理器主要應用于下一代無線設(shè)備、數(shù)字消費品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、通信和信息系統(tǒng)等領(lǐng)域。ARM10E系列微處理器包含ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S三種類型，以適用于不同的應用場合。SecurCore系列微處理器專為安全需要而設(shè)計，提供了完善的32位RISC技術(shù)的安全解決方案，因此，SecurCore系列微處理器除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)的低功耗、高性能的特點外，還具有其獨特的優(yōu)勢，即提供了對安全解決方案的支持。SecurCore系列微處理器主要應用于一些對安全性要求較高的應用產(chǎn)品與應用系統(tǒng)，如電子商務(wù)、電子政務(wù)、電子銀行業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)和認證系統(tǒng)等領(lǐng)域。SecurCore系列微處理器包含SecurCoreSC100、SecurCoreSC110、SecurCoreSC200和SecurCoreSC210四種類型，以適用于不同的應用場合。InterStrongARMSA-1100處理器是采用ARM體系結(jié)構(gòu)高度集成的32位RISC微處理器。它融合了Inter公司的設(shè)計和處理技術(shù)以與ARM體系結(jié)構(gòu)的電源效率，采用在軟件上兼容ARMv4體系結(jié)構(gòu)、同時采用具有Intel技術(shù)優(yōu)點的體系結(jié)構(gòu)。IntelStrongARM處理器是便攜式通訊產(chǎn)品和消費類電子產(chǎn)品的理想選擇，已成功應用于多家公司的掌上電腦系列產(chǎn)品。Xscale處理器是基于ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)的解決方案，是一款全性能、高性價比、低功耗的處理器。它支持16位的Thumb指令和DSP指令集，已使用在數(shù)字移動、個人數(shù)字助理和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等場合。Xscale處理器是Inter目前主要推廣的一款ARM微處理器。2.4ARM微處理器結(jié)構(gòu)2.4.1RISC體系結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的CISC（ComplexInstructionSetComputer，復雜指令集計算機）結(jié)構(gòu)有其固有的缺點，即隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而不斷引入新的復雜的指令集，為支持這些新增的指令，計算機的體系結(jié)構(gòu)會越來越復雜，然而，在CISC指令集的各種指令中，其使用頻率卻相差懸殊，大約有20％的指令會被反復使用，占整個程序代碼的80％。而余下的80％的指令卻不經(jīng)常使用，在程序設(shè)計中只占20％，顯然，這種結(jié)構(gòu)是不太合理的[7]?；谝陨系牟缓侠硇?，1979年美國加州大學伯克利分校提出了RISC（ReducedInstructionSetComputer，精簡指令集計算機）的概念，RISC并非只是簡單地去減少指令，而是把著眼點放在了如何使計算機的結(jié)構(gòu)更加簡單合理地提高運算速度上。RISC結(jié)構(gòu)優(yōu)先選取使用頻最高的簡單指令，避免復雜指令；將指令長度固定，指令格式和尋地方式種類減少；以控制邏輯為主，不用或少用微碼控制等措施來達到上述目的。到目前為止，RISC體系結(jié)構(gòu)也還沒有嚴格的定義，一般認為，RISC體系結(jié)構(gòu)應具有如下特點[8]：1、采用固定長度的指令格式，指令歸整、簡單、基本尋址方式有2～3種。2、使用單周期指令，便于流水線操作執(zhí)行。3、大量使用寄存器，數(shù)據(jù)處理指令只對寄存器進行操作，只有加載/存儲指令可以訪問存儲器，以提高指令的執(zhí)行效率。除此以外，ARM體系結(jié)構(gòu)還采用了一些特別的技術(shù)，在保證高性能的前提下盡量縮小芯片的面積，并降低功耗：1、所有的指令都可根據(jù)前面的執(zhí)行結(jié)果決定是否被執(zhí)行，從而提高指令的執(zhí)行效率。2、可用加載/存儲指令批量傳輸數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)的傳輸效率。3、可在一條數(shù)據(jù)處理指令中同時完成邏輯處理和移位處理。4、在循環(huán)處理中使用地址的自動增減來提高運行效率。當然，和CISC架構(gòu)相比較，盡管RISC架構(gòu)有上述的優(yōu)點，但決不能認為RISC架構(gòu)就可以取代CISC架構(gòu)，事實上，RISC和CISC各有優(yōu)勢，而且界限并不那么明顯。現(xiàn)代的CPU往往采用CISC的外圍，部加入了RISC的特性，如超長指令集CPU就是融合了RISC和CISC的優(yōu)勢，成為未來的CPU發(fā)展方向之一。2.4.2ARM微處理器的寄存器結(jié)構(gòu)ARM處理器共有37個寄存器，被分為若干個組（BANK），這些寄存器包括：－31個通用寄存器，包括程序計數(shù)器（PC指針），均為32位的寄存器。－6個狀態(tài)寄存器，用以標識CPU的工作狀態(tài)與程序的運行狀態(tài)，均為32位，目前只使用了其中的一部分。同時，ARM處理器又有7種不同的處理器模式，在每一種處理器模式下均有一組相應的寄存器與之對應。即在任意一種處理器模式下，可訪問的寄存器包括15個通用寄存器（R0～R14）、一至二個狀態(tài)寄存器和程序計數(shù)器。在所有的寄存器中，有些是在7種處理器模式下共用的同一個物理寄存器，而有些寄存器則是在不同的處理器模式下有不同的物理寄存器。關(guān)于ARM處理器的寄存器結(jié)構(gòu)，在后面的相關(guān)章節(jié)將會詳細描述。2.4.3ARM微處理器的指令結(jié)構(gòu)ARM微處理器的在較新的體系結(jié)構(gòu)中支持兩種指令集[5]：ARM指令集和Thumb指令集。其中，ARM指令為32位的長度，Thumb指令為16位長度。Thumb指令集為ARM指令集的功能子集，但與等價的ARM代碼相比較，可節(jié)省30％～40％以上的存儲空間，同時具備32位代碼的所有優(yōu)點。3RS-232接口3.1RS-232定義計算機與計算機或計算機與終端之間的數(shù)據(jù)傳送可以采用串行通訊和并行通訊二種方式。由于串行通訊方式具有使用線路少、成本低，特別是在遠程傳輸時，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。在串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標準接口，使不同的設(shè)備可以方便地連接起來進行通訊。RS-232-C接口（又稱EIARS-232-C）是目前最常用的一種串行通訊接口。它是在1970年由美國電子工業(yè)協(xié)會EIA（ElectronicIndustryAssociation）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家與計算機終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標準。RS是英文“推薦標準”的縮寫，232為標識號，C表示修改次數(shù)，它的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備（DCE）之間串行二進制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標準”。RS-232-C總線標準設(shè)有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道，在多數(shù)情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線與一條地線。該標準規(guī)定采用一個25個腳的DB25連接器，對連接器的每個引腳的信號容加以規(guī)定，還對各種信號的電平加以規(guī)定。（1）接口的信號容實際上RS-232-C的25條引線中有許多是很少使用的，在計算機與終端通訊中一般只使用3~9條引線。RS-232-C最常用的9條引線的信號容見表1所示。（2）接口的電氣特性在RS-232-C中任何一條信號線的電壓均為負邏輯關(guān)系。即：邏輯“1”，-5—-15V；邏輯“0”+5—+15V。噪聲容限為2V。即要求接收器能識別低至+3V的信號作為邏輯“0”，高到-3V的信號作為邏輯“1”。（3）接口的物理結(jié)構(gòu)RS-232-C接口連接器一般使用型號為DB-25的25芯插頭座，通常插頭在DCE端，插座在DTE端。一些設(shè)備與PC機連接的RS-232-C接口，因為不使用對方的傳送控制信號，只需三條接口線，即“發(fā)送數(shù)據(jù)”、“接收數(shù)據(jù)”和“信號地”。所以采用DB-9的9芯插頭座，傳輸線采用屏蔽雙絞線。（4）傳輸電纜長度由RS-232-C標準規(guī)定在碼元畸變小于4%的情況下，傳輸電纜長度應為50英尺，其實這個4%的碼元畸變是很保守的，在實際應用中，約有99%的用戶是按碼元畸變10-20%的圍工作的，所以實際使用中最大距離會遠超過50英尺，曾規(guī)定允許碼元畸變?yōu)?0%而得出表2的結(jié)果。其中1號電纜為屏蔽電纜，型號為DECP.NO.9107723有三對雙絞線，每對由22#AWG組成，其外覆以屏蔽網(wǎng)。2號電纜為不帶屏蔽的電纜。型號為DECP.NO.9105856-04是22#AWG的四芯電纜。表1RS-232接口引腳定義25芯9芯信號方向來自縮寫描述名23PCTXD發(fā)送數(shù)據(jù)32調(diào)制解調(diào)器RXD接收數(shù)據(jù)47PCRTS請求發(fā)送58調(diào)制解調(diào)器CTS允許發(fā)送66調(diào)制解調(diào)器DSR通訊設(shè)備準備好75GND信號地81調(diào)制解調(diào)器CD載波檢測204PCDTR數(shù)據(jù)終端準備好229調(diào)制解調(diào)器RI響鈴指示器表2DTEDCE設(shè)備信號線電流方向圖9芯25芯25芯9芯DTEDTEDCEDCE32———————→2323←———————3274———————→4785←———————5866←———————6657←———————7518←———————81420———————→204922←———————229RS-232就是串口，電腦機箱后方的9芯插座，旁邊一般有"|O|O|"樣標識。RS-232-C標準規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C標準規(guī)定，驅(qū)動器允許有2500pF的電容負載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m的通信電纜時，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以的通信。3.2RS-232接口定義與連線圖1RS-232接口電路圖RS-232接口又稱之為RS-232口、串口、異步口或一個COM（通信）口?！癛S-232”RS-232接口針腳定義共兩種，如下所示：1、25針的接口定義：Pin1ProtectiveGroundPin2TransmitDataPin3ReceivedDataPin4RequestToSendPin5ClearToSendPin6DataSetReadyPin7SignalGroundPin8ReceivedLineSignalDetector(DataCarrierDetect)Pin20DataTerminalReadyPin22RingIndicator2、9針接口針腳定義Pin1ReceivedLineSignalDetector(DataCarrierDetect)Pin2ReceivedDataPin3TransmitDataPin4DataTerminalReadyPin5SignalGroundPin6DataSetReadyPin7RequestToSendPin8ClearToSendPin9RingIndicator3.3RS-232-C接口標準詳解串行通信接口標準經(jīng)過使用和發(fā)展，目前已經(jīng)有幾種。但都是在RS-232標準的基礎(chǔ)上經(jīng)過改進而形成的。所以，以RS-232-C為主來討論。RS-232-C標準是美國EIA(電子工業(yè)聯(lián)合會）與BELL等公司一起開發(fā)的1969年公布的通信協(xié)議。它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在0～20000b/s圍的通信。這個標準對串行通信接口的有關(guān)問題，如信號線功能、電器特性都作了明確規(guī)定。由于通行設(shè)備廠商都生產(chǎn)與RS-232-C制式兼容的通信設(shè)備，因此，它作為一種標準，目前已在微機通信接口中廣泛采用。在討論RS-232-C接口標準的容之前，先說明兩點：首先，RS-232-C標準最初是遠程通信連接數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE(DataTerminalEquipment)與數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE（DataCommunicationEquipment)而制定的。因此這個標準的制定，并未考慮計算機系統(tǒng)的應用要求。但目前它又廣泛地被借來用于計算機（更準確的說，是計算機接口）與終端或外設(shè)之間的近端連接標準。顯然，這個標準的有些規(guī)定與和計算機系統(tǒng)是不一致的，甚至是相矛盾的。有了對這種背景的了解，我們對RS-232-C標準與計算機不兼容的地方就不難理解了。其次，RS-232-C標準中所提到的“發(fā)送”和“接收”，都是站在DTE立場上，而不是站在DCE的立場來定義的。由于在計算機系統(tǒng)中，往往是CPU和I/O設(shè)備之間傳送信息，兩者都是DTE，因此雙方都能發(fā)送和接收。3.4總結(jié)以往，PC與智能設(shè)備通訊多借助RS-232、RS485、以太網(wǎng)等方式，主要取決于設(shè)備的接口規(guī)。但RS-232、RS485只能代表通訊的物理介質(zhì)層和鏈路層，如果要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向訪問，就必須自己編寫通訊應用程序，但這種程序多數(shù)都不能符合ISO/OSI的規(guī)，只能實現(xiàn)較單一的功能，適用于單一設(shè)備類型，程序不具備通用性。在RS-232或RS485設(shè)備聯(lián)成的設(shè)備網(wǎng)中，如果設(shè)備數(shù)量超過2臺，就必須使用RS485做通訊介質(zhì)，RS485網(wǎng)的設(shè)備間要想互通信息只有通過“主（Master）”設(shè)備中轉(zhuǎn)才能實現(xiàn)，這個主設(shè)備通常是PC，而這種設(shè)備網(wǎng)中只允許存在一個主設(shè)備，其余全部是從（Slave）設(shè)備。而現(xiàn)場總線技術(shù)是以ISO/OSI模型為基礎(chǔ)的，具有完整的軟件支持系統(tǒng)，能夠解決總線控制、沖突檢測、鏈路維護等問題。4傳感器4.1概論隨著科學技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、信源壓縮已成為發(fā)展的趨勢。傳感技術(shù)與通信技術(shù)、計算機技術(shù)相互結(jié)合而構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化智能傳感技術(shù)，為傳感技術(shù)的發(fā)展開辟了一個新方向，并以精度高、可靠性好、能夠與計算機通信等特點，在過程控制中將得到很廣泛的應用。但是，傳統(tǒng)的智能傳感器已遠遠不能滿足現(xiàn)代化的需求，因此，開發(fā)高可靠性、多功能的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器成為人們關(guān)注的熱點?！熬W(wǎng)絡(luò)化智能傳感器”即在智能傳感技術(shù)上融合通信技術(shù)和計算機技術(shù)，使傳感器具備自檢、自校、自診斷與網(wǎng)絡(luò)通信功能，從而實現(xiàn)信息的“采集”、“傳輸”和“處理”真正統(tǒng)一協(xié)調(diào)，是一種新型智能傳感器。目前，隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化測控已成為測控領(lǐng)域的必然趨勢。網(wǎng)絡(luò)傳感器作為現(xiàn)場級的數(shù)字化傳感器，在現(xiàn)場總線系統(tǒng)(FCS)中得到了廣泛的應用，如，控制局域網(wǎng)(CAN)、局部操作網(wǎng)絡(luò)(LonWorks)、基金會現(xiàn)場總線(FF)等。但是，由于諸多的控制網(wǎng)絡(luò)在部結(jié)構(gòu)、通信接口、協(xié)議等方面均有所差異，就某個現(xiàn)場總線中使用的傳感器必須符合該總線的標準，從而給系統(tǒng)的擴展、維護、相互間的通信等帶來不利的影響。為了解決傳感器與各種網(wǎng)絡(luò)相連的問題，IEEE組織通過了IEEE1451.2標準，該標準是在控制網(wǎng)絡(luò)和傳感器之間定義一個標準接口，使傳感器的選擇和網(wǎng)絡(luò)的選擇分開，實現(xiàn)真正意義上的即插即用。網(wǎng)絡(luò)傳感器的研究過去一直受限于硬件平臺而發(fā)展緩慢。隨著半導體技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)和微機械技術(shù)的不斷進步，低功耗、低價格、多功能的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)得到了快速發(fā)展，使得制作微小、有彈性、低功耗的傳感器節(jié)點成為現(xiàn)實。4.2網(wǎng)絡(luò)傳感器傳感器網(wǎng)絡(luò)被認為是影響人類未來生活的十大新興技術(shù)之一，它是計算機技術(shù)通信技術(shù)和傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的傳感器節(jié)點組成的，它們能夠協(xié)作地實時監(jiān)測，感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對其進行處理。傳感器節(jié)點是組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單位,是構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)平臺。節(jié)點不僅完成采集信息融合并傳送數(shù)據(jù)的功能，節(jié)點中的電源模塊還負責節(jié)點的驅(qū)動，是決定網(wǎng)絡(luò)生存期的關(guān)鍵因素。網(wǎng)絡(luò)傳感器與一般的傳感器不同，網(wǎng)絡(luò)傳感器系統(tǒng)由現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、各個現(xiàn)場傳感器節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動模塊NCAP、傳感器接口模塊STIM以與相應的NCAP與STIM之間的接口三部分組成。STIM主要由電子數(shù)據(jù)表單、傳感器接口、現(xiàn)場傳感器、功能模塊、TII接口以與STIM核心控制器模塊等組成。網(wǎng)絡(luò)傳感器能夠?qū)⒔?jīng)典的傳感器輸出信號經(jīng)過變換后通過網(wǎng)絡(luò)接口傳送到網(wǎng)絡(luò)中[6]。網(wǎng)絡(luò)傳感器工作原理：像經(jīng)典傳感器一樣把要采集的物理量變?yōu)殡娦盘枺娏?、電壓頻率與數(shù)字量；經(jīng)過數(shù)據(jù)采集模塊轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒖刂破魈幚?，同時運行嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式TCP/IP能夠接收的數(shù)字量，由微控制器對所采集數(shù)據(jù)進行協(xié)議棧；由網(wǎng)絡(luò)接口將網(wǎng)絡(luò)傳感器接入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)傳感器的網(wǎng)上數(shù)據(jù)共享。圖2是一種典型的網(wǎng)絡(luò)傳感器硬件結(jié)構(gòu)圖。圖2網(wǎng)絡(luò)傳感器硬件結(jié)構(gòu)圖傳感模塊：傳感模塊將各種物理量轉(zhuǎn)換為電量，主要由具體的傳感單元來實現(xiàn)，如溫濕度傳感單元、光敏傳感單元與氣敏傳感單元等，其輸出包括模擬量、數(shù)字量、開關(guān)量等。信號處理模塊：信號處理模塊以微處理器為核心，主要完成A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理（如數(shù)字濾波、非線性補償、自診斷）和數(shù)據(jù)輸出調(diào)度（選擇數(shù)據(jù)遠程輸出還是本地輸出等）。網(wǎng)絡(luò)接口模塊：網(wǎng)絡(luò)接口模塊用來實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)的遠程傳送與接收遠程控制命令等。實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口的方式一般有兩種：軟件方式和硬件方式。軟件方式是開發(fā)者將TCP/IP協(xié)議嵌入到特定的芯片中；硬件方式是直接使用已經(jīng)嵌入了TCP/IP協(xié)議的芯片。網(wǎng)絡(luò)傳感器是集傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)于一身的資源受限的嵌入式設(shè)備，是“普適計算”在微型嵌入式領(lǐng)域的一種重要應用模式。4.3應用特點網(wǎng)絡(luò)傳感器應用有其自身的特點，主要有以下幾個方面：小尺寸和低功耗、并發(fā)密集操作、有限的物理并行性和控制層次、多樣化的設(shè)計和使用。一方面，傳感器資源極其有限，給底層嵌入式程序設(shè)計帶來較大的限制；另一方面，傳感器上運行的應用程序和系統(tǒng)核通常是緊密結(jié)合在一起的，且運行時需要的任務(wù)數(shù)量、執(zhí)行時間、執(zhí)行結(jié)果以與存消耗等是可以較好預計的。此外，傳感器種類繁多，針對不同應用場合需要不同種類的傳感器；在軍事應用、空間探索等特定應用場合下，更是需要大量的不同種類的傳感器協(xié)同合作來完成特定應用事件。因而傳感器上運行的軟件系統(tǒng)如果能夠具備相對較好的靈活性、可配置性和可重用性，將能更好地滿足應用需求。4.4總結(jié)隨著科學技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、信源壓縮已成為發(fā)展的趨勢。傳感技術(shù)與通信技術(shù)、計算機技術(shù)相互結(jié)合而構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化智能傳感技術(shù)，為傳感技術(shù)的發(fā)展開辟了一個新方向，傳感器種類繁多，針對不同應用場合需要不同種類的傳感器，而網(wǎng)絡(luò)傳感器是傳感器發(fā)展的一個重要方向，是智能傳感技術(shù)和計算機通信技術(shù)相結(jié)合而提出的一個全新概念。所以，網(wǎng)絡(luò)傳感器的設(shè)計是適應社會科技迅速發(fā)展的需求的，選擇合適的MCU、網(wǎng)絡(luò)接口、數(shù)據(jù)采集裝置和嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式協(xié)議棧，可實現(xiàn)低功耗和微小體積的網(wǎng)絡(luò)傳感器。5系統(tǒng)設(shè)計5.1硬件設(shè)計網(wǎng)絡(luò)傳感器的設(shè)計要滿足高可靠、低功耗、低成本等要求，這都直接決定于其通信模塊的技術(shù)實現(xiàn)，作為一個全新的研究方向，對網(wǎng)絡(luò)傳感器通信模塊實現(xiàn)技術(shù)的研究有著十分重要的現(xiàn)實意義。本文采用ARM體系結(jié)構(gòu)微處理器、嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ核、輕量級TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧lwIP等嵌入式組件技術(shù)，提出了一種基于Internet技術(shù)的嵌入式Web傳感器網(wǎng)絡(luò)通信模塊的實現(xiàn)方案[12]。嵌入式網(wǎng)絡(luò)傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3嵌入式網(wǎng)絡(luò)傳感器結(jié)構(gòu)5.1.1微控制器的選擇作為嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，要能運行嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式TCP/IP協(xié)議棧。同時還要滿足低功耗，較強的處理能力和較快的速度等要求。嵌入式開發(fā)的硬件平臺的選擇主要是嵌入式處理器的選擇[11]。目前常見的嵌入式處理器有ARM、DragonBall、PowerPC等。PowerPC價格較高，主要應用于高端嵌入式系統(tǒng)中；DragonBall雖然價格較低，但是處理速度也低，主要應用于PDA；ARM系列處理器在各種嵌入式處理器中，不但價格低廉，而且功耗超低、處理速度快，應用前景廣泛，比較適合網(wǎng)絡(luò)傳感器需求[17]。在本方案的硬件系統(tǒng)中，選用低功耗的PhilipARM7TDMI核的LPC2104作為系統(tǒng)的微控制器。LPC2104是一款高性能的32位RISC體系結(jié)構(gòu)的微處理器。支持雙UART，其中一個具備完全的調(diào)制解調(diào)器接口。由于具有大的緩沖區(qū)規(guī)模和強大的處理能力，它非常適用于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、軟件調(diào)制解調(diào)器、低端的圖像處理。非常小的尺寸（7mm×7mm）和極低的功耗，也使它非常適用于嵌入式應用。LPC2104的基本特性：ARM7TDMI2S處理器，128K片F(xiàn)lash程序存儲器，帶ISP和IAP功能，F(xiàn)lash編程時間1ms，可編程512字節(jié)，扇區(qū)擦除和整片擦除只需400ms，最多可達64K靜態(tài)RAM，向量中斷控制器，仿真跟蹤模塊支持實時跟蹤，標準ARM測試/調(diào)試接口兼容現(xiàn)有工具，雙UART，其中一個帶有完全的調(diào)制解調(diào)器接口，高速I2C串行接口400kb/s，SPI串行接口，兩個定時器分別具有4路捕獲/比較通道，多達6路輸出的PWM單元，實時時鐘，看門狗定時器，通用I/O口，CPU操作頻率可達60MHz，雙電源，CPU操作電壓圍1.65V～1.95V(1.8±8.3%V)，I/O電壓圍3.0V～3.6V(3.3±10%V)，兩個低功耗模式空閑和掉電，通過外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒，外設(shè)功能可單獨使能/禁止實現(xiàn)功耗最優(yōu)化，片晶振的工作頻率圍10MHz～25MHz，片PLL允許CPU以最大速度運行，可以在超過整個晶振工作頻率圍的情況下使用。這種處理器封裝為表貼，體積小，處理能力強，有32個I/O口，適用于體積要求小的網(wǎng)絡(luò)傳感器中。但這種處理器沒有開放的數(shù)據(jù)、地址線，一般不外擴Flash和RAM，片自帶128KB的Flash和16K的RAM(同時Philips有管腳兼容的LPC2105、PC2106分別有32K、64K的RAM)。用它作為傳感器用嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的處理器，并外接溫度傳感器。網(wǎng)絡(luò)接口在RS-232串口上運行SLIP協(xié)議進行通信。同時用串口輸出可以接無線模塊，或是經(jīng)過Modem，用戶可通過線遠程撥號登錄傳感器，訪問傳感器的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4使用SLIP協(xié)議基于ARM的網(wǎng)絡(luò)傳感器硬件結(jié)構(gòu)圖5.1.2網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計嵌入式Web傳感器網(wǎng)絡(luò)通信接口可以根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的具體情況采用靈活的網(wǎng)絡(luò)接口方式與遠端診斷中心或客戶建立連接。例如以太網(wǎng)接口、無線以太網(wǎng)卡、藍牙模塊、56kbpsModem、TC35IT無線通信終端等。以TC35IT為例，采用SLIP作為鏈路層傳輸協(xié)議建立撥號網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5基于TC35IT的無線遠程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)TC35IT是西門子公司開發(fā)的新一代即插即用雙頻GSM語音/數(shù)據(jù)通信終端。它設(shè)計小巧、功耗很低、功能強大，與嵌入式網(wǎng)絡(luò)傳感器通信模塊通過RS-232串口連接，向用戶提供標準的AT命令接口,為數(shù)據(jù)、語音、短消息和提供快速、可靠、安全的無線傳輸，方便用戶的應用開發(fā)與設(shè)計。通過網(wǎng)頁監(jiān)控時，遠程診斷中心站和客戶端有3種接入方式：(1)中心站采用專線接入，實時接收傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行實時監(jiān)控。(2)客戶端有兩種接入方式：①通過有線調(diào)制解調(diào)器撥號瀏覽傳感器信息網(wǎng)頁；②將手機通過數(shù)據(jù)線與PC連接，通過手機撥號瀏覽傳感器信息網(wǎng)頁。其中：移動網(wǎng)絡(luò)點對點數(shù)據(jù)傳輸功能需要對SMS卡開通數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。另外，可充分利用TC35模塊短信功能，實現(xiàn)遠程短信監(jiān)控功能。其編程主要通過AT命令實現(xiàn)。主要功能如下：(1)利用其短信功能進行遠程監(jiān)控可以使客戶端離線監(jiān)測，并實現(xiàn)低級別的安全機制。比如短信報警、SIM卡用戶識別等。(2)通過短信對傳感器采集周期、精度、型號進行設(shè)置和控制。(3)用戶可以定制短信服務(wù)，定時接收監(jiān)測信息報告。本設(shè)計以RS-232作為網(wǎng)絡(luò)接口，物理層使用通用的RS-232標準協(xié)議，在此基礎(chǔ)上數(shù)據(jù)鏈路層使用簡單的SLIP協(xié)議。這樣便于與通用的Modem連接，可以使用線進行遠程撥號上網(wǎng)，或是無線TC35模塊無線上網(wǎng)，近距離使用nF401設(shè)計的無線模塊無線上網(wǎng)。硬件連接用標準的RS-232電平轉(zhuǎn)換模塊與MCU進行通信，對于不同的MCU設(shè)置相應的串口控制寄存器。5.1.3數(shù)據(jù)采集模塊傳感器輸出的數(shù)字信號有多種形式：有各種通用的數(shù)字通信接口，例如RS-232接口，傳感器自定義協(xié)議的數(shù)字接口等，以與一些離散量的采集。用數(shù)字溫度傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬溫度傳感器進行數(shù)據(jù)采集，避免了信號在傳輸過程中所受的各種干擾，使測量更準確、電路更簡單。所用的溫度傳感器是美國DallasSemiconductor公司生產(chǎn)的數(shù)字式溫度傳感器DS1624，它測溫圍寬、讀數(shù)穩(wěn)定、分辨力高、無須外接電路、接口簡單、抗外界干擾能力強。DS1624支持I2C總線協(xié)議，測溫圍是-55℃～+125℃，分辨力為0.03125℃。通過標定，其精確度可優(yōu)于0.05由于DS1624的SDA、SCLK兩端子均為漏極開路I/O，所以必須給其加上拉電阻。如需實現(xiàn)多點溫度測量，可增加DS1624的數(shù)量，相應地改變軟件進行輪流采樣即可。通過對地址A2、A1、A0作不同的調(diào)整，一片控制器可直接控制8片傳感器，接法如圖6所示。由于采用數(shù)字式溫度傳感器，可將溫度傳感器輸出的數(shù)字量直接和微控制器相連接，無需調(diào)理電路。圖6線路簡圖5.2軟件設(shè)計網(wǎng)絡(luò)傳感器的軟件總體可分為以下三大部分：嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式TCP/IP協(xié)議棧、傳感器數(shù)據(jù)采集處理與遠程控制。軟件結(jié)構(gòu)和溫度采集軟件結(jié)構(gòu)如圖7和圖8所示。所設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)溫度傳感器系統(tǒng)的軟件是在實時操作系統(tǒng)μC/OS-II支撐下構(gòu)建的，而μC/OS-II提供的僅僅是一個任務(wù)調(diào)度核。為此，如何在μC/OS-II的基礎(chǔ)上擴展功能，使其能夠滿足網(wǎng)絡(luò)溫度傳感器這個特定系統(tǒng)的要求，是研究和實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)溫度傳感器軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵[18]。在這里我們引入了一個新的實時操作系統(tǒng)μC/OS-II，在此我們先了解一下什么是實時操作系統(tǒng)μC/OS-II。圖7網(wǎng)絡(luò)傳感器軟件通用結(jié)構(gòu)圖8溫度采集軟件結(jié)構(gòu)實時操作系統(tǒng)μC/OS-II的引入：lwIP既可以獨立運行，也可以在操作系統(tǒng)下作為一個進程運行。為了應用程序良好的移植性以與多傳感器采集任務(wù)分配與調(diào)度，使用了一個嵌入式實時操作系統(tǒng)核μC/OS-II。它是一個代碼公開的搶先式多任務(wù)微核RTOS，其優(yōu)點是公開源代碼、可裁減、可固化，可管理60多個任務(wù)。與其它實時操作系統(tǒng)相比，μC/OS-II結(jié)構(gòu)簡單、容易移植并且適于學習[15]。目前國對μC/OS-II的研究和應用較多[16]，是一個經(jīng)過實踐證明好用且穩(wěn)定可靠的核。μC/OS-II為占先式核，能夠很好地滿足實時性需求。μC/OS-II在ARM上移植簡單，只要根據(jù)所選用的芯片類型，設(shè)置OS_CPU.H中與處理器和編譯器相關(guān)的代碼，用C語言編寫OS_CPU.C中的6個操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)與用匯編語言編寫OS_CPUASM中4個與處理器相關(guān)的函數(shù)即可?；讦藽/OS-II擴展的網(wǎng)絡(luò)溫度傳感器軟件總體結(jié)構(gòu)如圖9所示。系統(tǒng)任務(wù)：完成設(shè)備的硬件檢測和通信狀態(tài)(基本RS-232通信、SLIP網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議通信、Modem方式通信)與開關(guān)檢測，