嵌入式應(yīng)用程序課件

CHAPTER嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

---遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)青島科技大學(xué)馬興錄CHAPTER嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例青島本章提要13254嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程系統(tǒng)定義階段系統(tǒng)集成階段總體設(shè)計(jì)階段構(gòu)建設(shè)計(jì)階段本章提要13254嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程系統(tǒng)定義階段系統(tǒng)集成階系統(tǒng)定義設(shè)計(jì)要求可行性分析需求分析規(guī)格說明系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)方案的確定軟硬件功能劃分硬件體系架構(gòu)設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)選擇開發(fā)環(huán)境選擇選擇軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)引導(dǎo)與操作系統(tǒng)移植驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)與調(diào)試系統(tǒng)集成與測(cè)試元器件選擇線路板設(shè)計(jì)與制做線路板測(cè)試①②③④一、嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程系設(shè)計(jì)要求可行性分析需求分析規(guī)格說明系總體設(shè)計(jì)方案的確定軟硬二、系統(tǒng)定義階段

系統(tǒng)定義階段需要確定系統(tǒng)開發(fā)最終實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的可行性、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)應(yīng)采用的策略、估計(jì)完成系統(tǒng)開發(fā)所需的資源和成本、制定工程進(jìn)度安排計(jì)劃。這一階段的工作主要包括： 系統(tǒng)定義 可行性分析 需求分析和規(guī)格說明

二、系統(tǒng)定義階段系統(tǒng)定義階段需要確定系統(tǒng)開發(fā)最終實(shí)現(xiàn)

1、系統(tǒng)定義示例：離子色譜儀遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求（注：設(shè)計(jì)要求一般由用戶提出，形成文檔。這是項(xiàng)目的來源。設(shè)計(jì)要求盡可能詳細(xì)，盡量不要有歧義。）有一復(fù)雜分析儀器，采用按鍵、旋鈕等進(jìn)行手工操作?，F(xiàn)要求將操作控制方式改為觸摸屏，并允許遠(yuǎn)程控制。總體功能要求如下：（1）本機(jī)配備彩色觸摸屏；（2）允許本地操作控制；（3）允許遠(yuǎn)程操作控制；（4）儀器采集的數(shù)據(jù)可遠(yuǎn)程傳輸；原來儀器的控制面板如下：二、系統(tǒng)定義階段1、系統(tǒng)定義示例：離子色譜儀遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求二嵌入式應(yīng)用程序課件二、系統(tǒng)定義階段1.引言1.1編寫目的1.2背景1.3定義1.4參考資料2.可行性研究的前提2.1要求2.2目標(biāo)2.3條件、假定和限制2.4進(jìn)行可行性研究的方法2.5評(píng)價(jià)方法與尺度3.對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的分析3.1處理流程和數(shù)據(jù)流程3.2所需的人員3.3設(shè)備3.4局限性4.所建議的系統(tǒng)4.1對(duì)所建議系統(tǒng)的說明4.2處理流程和數(shù)據(jù)流程4.3改進(jìn)之處4.4影響4.5技術(shù)條件方面的可能性5.可選擇的其他系統(tǒng)方案6.投資及效益分析6.1項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)預(yù)算6.2收益分析7.社會(huì)因素方面的可能性8.結(jié)論2、可行性分析示例：遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的可行性分析二、系統(tǒng)定義階段4.所建議的系統(tǒng)2、可行性分析示例：遠(yuǎn)程監(jiān)二、系統(tǒng)定義階段

3、需求分析示例：遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

需求分析是針對(duì)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分析，以確定各項(xiàng)要求的可行性，以及相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方法。通過需求分析，可以確定要實(shí)現(xiàn)哪種功能、實(shí)現(xiàn)到什么程度、技術(shù)指標(biāo)等。需求可分為功能部分和非功能部分。非功能性需求包括了性能、價(jià)格、物理尺寸和重量、功耗等方面的因素。

建議采用UML建立模型，進(jìn)行準(zhǔn)確描述。

二、系統(tǒng)定義階段3、需求分析示例：遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)二、系統(tǒng)定義階段

3、需求分析示例：遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

（1）觸摸屏：采用哪種類型的，電阻、電容觸摸屏？屏的尺寸需要多大？色彩分辨率等的要求。二、系統(tǒng)定義階段3、需求分析示例：遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)二、系統(tǒng)定義階段

3、需求分析示例：遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)

（2）本地操作界面：可以畫草圖與用戶溝通，如：二、系統(tǒng)定義階段3、需求分析示例：遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵要搞清楚界面各控件的功能、作用：（1）顯示框：顯示的數(shù)字范圍、精度？刷新周期？（2）檔位選擇之后，內(nèi)部如何操作？自動(dòng)檔位是如何實(shí)現(xiàn)的？（3）各信號(hào)來源的采集精度？輸入通道（4）。。。？關(guān)鍵要搞清楚界面各控件的功能、作用：二、系統(tǒng)定義階段

3、需求分析示例：遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

（3）遠(yuǎn)程通訊：通信方式及距離：以太網(wǎng)絡(luò)/串口？遠(yuǎn)程控制與本地控制如何協(xié)調(diào)？有幾個(gè)遠(yuǎn)程控制終端？

二、系統(tǒng)定義階段3、需求分析示例：遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)二、系統(tǒng)定義階段

3、需求分析示例：遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

（4）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸：傳輸什么數(shù)據(jù)：儀器采集到的譜圖數(shù)據(jù)。具體為電壓值：-2500mV至2500mV之間。采集精度要求為20位以上。數(shù)據(jù)采集周期：最快為100ms采集一次。采集方式：在分析過程進(jìn)行采集，其他過程不采集。

二、系統(tǒng)定義階段3、需求分析示例：遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)二、系統(tǒng)定義階段

3、需求分析示例：遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

（5）其他要求：如存儲(chǔ)要求：在用戶的設(shè)計(jì)要求中，沒有明確提出存儲(chǔ)要求。但從使用角度考慮，用戶設(shè)定檔位、電流等信息應(yīng)該記憶，便于下次使用。儀器的分析數(shù)據(jù)是否需要保存？電源方面的考慮：運(yùn)行環(huán)境：溫度、濕度等機(jī)械尺寸方面：

二、系統(tǒng)定義階段3、需求分析示例：遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)二、系統(tǒng)定義階段

3、需求分析示例：遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

本階段完成的標(biāo)志是：形成《需求規(guī)格說明書》，由用戶確認(rèn)。參見需求規(guī)格說明書的文本格式。(一起分析)總結(jié)：橫向---功能分析；縱向---性能分析其它設(shè)計(jì)實(shí)例參考：《風(fēng)機(jī)消防設(shè)備要求》作業(yè)：針對(duì)《離子色譜儀遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)》的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行詳細(xì)的需求分析，形成《需求規(guī)格說明書》。也可以針對(duì)其他的設(shè)計(jì)要求。二、系統(tǒng)定義階段3、需求分析示例：遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)三、總體設(shè)計(jì)階段

總體設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)的第一步，其目的是描述系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)由系統(tǒng)定義規(guī)定的那些功能。它需要解決嵌入式系統(tǒng)的總體構(gòu)架，從功能實(shí)現(xiàn)上對(duì)軟硬件進(jìn)行劃分；在此基礎(chǔ)上，選定處理器和基本接口器件；根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜程度確定是否使用操作系統(tǒng)，以及選擇哪種操作系統(tǒng)；此外，還需要選擇系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境、軟件系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)等。要點(diǎn)：化整為零，逐層細(xì)化三、總體設(shè)計(jì)階段總體設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)的第一步，其目三、總體設(shè)計(jì)階段

1、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖三、總體設(shè)計(jì)階段1、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路系統(tǒng)總?cè)?、總體設(shè)計(jì)階段

1、總體設(shè)計(jì)思路（1）首先要明確系統(tǒng)中的各實(shí)體及其關(guān)系：嵌入式系統(tǒng)；電導(dǎo)檢測(cè)器及模擬電路；泵；遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)

<1>嵌入式系統(tǒng)與電導(dǎo)檢測(cè)器及模擬電路之間的關(guān)系分析：信號(hào)檢測(cè)與控制。待檢測(cè)的信號(hào)有：檔位電壓、電導(dǎo)率、電流、調(diào)零輸出及溫度；控制的信號(hào)有：檔位選擇、電流輸出、輸出調(diào)零由此明確嵌入式系統(tǒng)針對(duì)該部分要實(shí)現(xiàn)的功能。三、總體設(shè)計(jì)階段1、總體設(shè)計(jì)思路（1）首先要明確系統(tǒng)三、總體設(shè)計(jì)階段

1、總體設(shè)計(jì)思路（1）首先要明確系統(tǒng)中的各實(shí)體及其關(guān)系：嵌入式系統(tǒng)；電導(dǎo)檢測(cè)器及模擬電路；泵；遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)

<2>嵌入式系統(tǒng)與泵之間的關(guān)系分析：通過串行通訊實(shí)現(xiàn)泵的檢測(cè)與控制。檢測(cè)的信號(hào)有：泵壓力；控制的信號(hào)有：泵的啟停、工作參數(shù)的設(shè)定由此明確嵌入式系統(tǒng)針對(duì)該部分要實(shí)現(xiàn)的功能。三、總體設(shè)計(jì)階段1、總體設(shè)計(jì)思路（1）首先要明確系統(tǒng)三、總體設(shè)計(jì)階段

1、總體設(shè)計(jì)思路（1）首先要明確系統(tǒng)中的各實(shí)體及其關(guān)系：嵌入式系統(tǒng)；電導(dǎo)檢測(cè)器及模擬電路；泵；遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)

<3>嵌入式系統(tǒng)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)之間的關(guān)系分析：通過網(wǎng)絡(luò)通訊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

三、總體設(shè)計(jì)階段1、總體設(shè)計(jì)思路（1）首先要明確系統(tǒng)三、總體設(shè)計(jì)階段

1、總體設(shè)計(jì)思路（2）明確系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各部分：嵌入式系統(tǒng)的軟硬件；遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的軟件；以及兩者之間的通訊協(xié)議。

三、總體設(shè)計(jì)階段1、總體設(shè)計(jì)思路（2）明確系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三、總體設(shè)計(jì)階段

1、總體設(shè)計(jì)思路（3）確定各部分的設(shè)計(jì)思路

<1>嵌入式系統(tǒng)這是系統(tǒng)的主體部分?？紤]到該部分功能的復(fù)雜性，應(yīng)該選用嵌入式操作系統(tǒng)以降低軟件設(shè)計(jì)難度?？紤]到需要良好的用戶操作界面，可以選擇WinCE,或Linux+QT.

從經(jīng)濟(jì)角度考慮，建議選用Linux+QT.

三、總體設(shè)計(jì)階段1、總體設(shè)計(jì)思路（3）確定各部分的設(shè)三、總體設(shè)計(jì)階段

1、總體設(shè)計(jì)思路（3）確定各部分的設(shè)計(jì)思路

<1>嵌入式系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)圖：三、總體設(shè)計(jì)階段1、總體設(shè)計(jì)思路（3）確定各部分的設(shè)三、總體設(shè)計(jì)階段

1、總體設(shè)計(jì)思路（3）確定各部分的設(shè)計(jì)思路

<1>嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)路線圖三、總體設(shè)計(jì)階段1、總體設(shè)計(jì)思路（3）確定各部分的設(shè)三、總體設(shè)計(jì)階段

2、遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案

采用ARM進(jìn)行設(shè)計(jì)，硬件系統(tǒng)一般采用核心板+擴(kuò)展板的方式實(shí)現(xiàn)。這樣，設(shè)計(jì)比較簡單，可靠性也較高。選用SC6410ARM11核心板，外圍只需擴(kuò)展出如下部分電路即可：（1）A/D輸入：至少需要4通道的20位以上的AD轉(zhuǎn)換器。為了使用開發(fā)板模擬實(shí)現(xiàn)，可以在忽略采集精度的前提下，采用6410自帶的10/12位的A/D轉(zhuǎn)換器。（2）數(shù)字輸出電路：檔位選擇、模擬通道選擇，輸出調(diào)零都需要控制模擬信號(hào)板的相關(guān)器件，采用GPIO信號(hào)控制即可（3）D/A輸出：電流需要使用DA轉(zhuǎn)換器輸出實(shí)現(xiàn)。（4）串行通訊口：與泵連接。三、總體設(shè)計(jì)階段2、遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案三、總體設(shè)計(jì)階段

2、遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案（5）液晶及觸摸屏接口：（6）網(wǎng)絡(luò)接口：（7）電源：計(jì)算整機(jī)的耗電量，設(shè)計(jì)電源。 核心板：5V，500mA

液晶:5V,200mA

模擬信號(hào)電路：200mA(估計(jì)值)

其他：300mA

因此，總體需要5V，1.2A。通常，保證電源工作在滿負(fù)荷的70%左右較為合理，因此，選用5V,2A的直流電源。三、總體設(shè)計(jì)階段2、遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案（三、總體設(shè)計(jì)階段

3、遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

采用Linux嵌入式操作系統(tǒng)+圖形化用戶界面QT。采用多任務(wù)的編程方法。根據(jù)需求分析，在系統(tǒng)中要完成的任務(wù)可分為： （1）用戶交互界面：接收用戶的輸入，去改變相應(yīng)的輸出控制信號(hào)。將內(nèi)部檢測(cè)信號(hào)顯示出來； （2）電導(dǎo)檢測(cè)器的檢測(cè)與控制：根據(jù)用戶的選擇，定期采集數(shù)據(jù)。 （2）泵的監(jiān)控：定期檢測(cè)泵壓力，如有異常，則報(bào)警并產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作；根據(jù)用戶界面的控制，實(shí)現(xiàn)泵的啟停等控制。 （3）網(wǎng)絡(luò)通訊：在分析階段，每100ms采集一個(gè)數(shù)據(jù)并上傳到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)；根據(jù)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的命令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。三、總體設(shè)計(jì)階段3、遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方三、總體設(shè)計(jì)階段

總結(jié)：本階段完成系統(tǒng)各部分的劃分，明確每個(gè)部分的功能與結(jié)構(gòu)；明確各部分之間的接口界限。課堂練習(xí)：完成電導(dǎo)檢測(cè)器的監(jiān)控部分的軟件總體設(shè)計(jì)，以面向?qū)ο蟮乃悸愤M(jìn)行設(shè)計(jì)。主要包括：該部分所涉及的實(shí)體有哪些？各實(shí)體之間的聯(lián)系如何？各實(shí)體的功能有哪些？作業(yè)：本階段需要完成《概要設(shè)計(jì)說明書》的編寫。三、總體設(shè)計(jì)階段總結(jié)：本階段完成系統(tǒng)各部分的劃分，明四、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段

1、硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（1）設(shè)計(jì)方法:以廠家(實(shí)驗(yàn)箱或開發(fā)板)提供的電路為基礎(chǔ),進(jìn)行裁減或修改。（2）以核心板為出發(fā)點(diǎn)，構(gòu)建核心板的外圍電路：電源系統(tǒng)

LCD顯示電路網(wǎng)絡(luò)接口電路

RS232通訊電路

AD轉(zhuǎn)換、DA轉(zhuǎn)換、GPIO等接口電路四、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段1、硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（1）設(shè)計(jì)方法:以四、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段

1、硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（3）電源系統(tǒng)的考慮 核心板需要3.3VDC,而有些外圍電路，如RS232通訊、AD信號(hào)檢測(cè)等需要5VDC，這樣，需要外供5VDC,然后用降壓模塊變出3.3VDC.

四、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段1、硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（3）電源系統(tǒng)的考四、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段

1、硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（4）其它電路的考慮 可與開發(fā)板一致。從開發(fā)板電路圖上將相關(guān)部分電路參考引用即可。四、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段1、硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（4）其它電路的考四、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段

2、軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（1）簡化設(shè)計(jì)方案嵌入式應(yīng)用程序：無界面的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序，響應(yīng)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的命令，提供數(shù)據(jù)采集及控制動(dòng)作計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序：提供用戶界面，向嵌入式系統(tǒng)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)命令，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及控制動(dòng)作TCP通訊四、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段2、軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（1）簡化設(shè)計(jì)方案四、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段

2、軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（2）嵌入式應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)主要完成網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議的解析及相應(yīng)動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)：數(shù)據(jù)采集：AD通道0-3檔位選擇：用四個(gè)LED代表。DA輸出等：輸出電流四、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段2、軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（2）嵌入式應(yīng)用程通訊協(xié)議服務(wù)端與客戶端之間的通信協(xié)議如下：數(shù)據(jù)幀格式為：0x02命令數(shù)據(jù)項(xiàng)D3D2D1D00x03共8個(gè)字符，除首字符02，結(jié)束字符03外，中間5個(gè)均為ASCII碼字符命令字符定義如下：‘R’：讀取命令；‘W’：寫入命令；‘B’：讀取返回；‘P’：寫入返回?cái)?shù)據(jù)項(xiàng)：‘0’：AD通道0的采樣值‘1’：AD通道1的采樣值‘2’：AD通道2的采樣值‘3’：AD通道3的采樣值‘4’：4個(gè)LED指示燈D3-D0：4位十進(jìn)制數(shù)據(jù)舉例1：如客戶端要讀取AD通道0的采樣值，則發(fā)送：02‘R00000’03服務(wù)器返回：02‘