嵌入式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的研究

摘要：無線數(shù)據(jù)傳輸現(xiàn)在廣泛地運用在各種控制領(lǐng)域。該系統(tǒng)中采用由無線收發(fā)芯片nRF401配合外圍電路的射頻模塊來完成數(shù)據(jù)的傳輸；通過對Bootloader硬件的初始化后，實現(xiàn)將μClinux裁減并移植到S3C44BO中，最后用嵌入式處理器程序來實現(xiàn)對傳輸數(shù)據(jù)的處理和存儲、網(wǎng)絡(luò)通信、外部控制等任務(wù)。經(jīng)過測試通信距離為80m，無線通信最高速率可達到20Kb／s。
關(guān)鍵詞：μClinux；無線數(shù)據(jù)傳輸；Bootloader；無線通信

0 引言
    無線數(shù)據(jù)傳輸現(xiàn)在廣泛地運用在車輛監(jiān)控、遙控、小型無線網(wǎng)絡(luò)、小型無線數(shù)據(jù)終端等領(lǐng)域中，無線數(shù)據(jù)傳輸主要由數(shù)據(jù)終端機、主機和主控制機組成，主控制機與主機間用串行口通信，主機和數(shù)據(jù)終端機之間通過射頻模塊進行通信。
    傳感器采集信號后傳給數(shù)據(jù)終端機，終端機通過射頻模塊進行無線數(shù)據(jù)傳輸，主控制機與數(shù)據(jù)終端的通信轉(zhuǎn)化為主控制機與主機串口(UA RT)間的通信以及數(shù)據(jù)終端通過無線數(shù)傳模塊和主機之間的數(shù)據(jù)傳輸，在此基礎(chǔ)上形成了無線分布式傳感／控制網(wǎng)絡(luò)(Wireless Distribution ed Sensor／Control Networks，WDSCN)的處理機的軟硬件系統(tǒng)搭建。無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶幚硐到y(tǒng)采用嵌入式系統(tǒng)輔以適當(dāng)無線數(shù)傳模塊來實現(xiàn)。系統(tǒng)中用射頻模塊來完成數(shù)據(jù)的傳輸，用嵌入式系統(tǒng)來實現(xiàn)對傳輸數(shù)據(jù)的處理和存儲、網(wǎng)絡(luò)通信、外部控制等任務(wù)。

1 射頻模塊的設(shè)計
    射頻模塊的主要功能由無線收發(fā)芯片nRF401配合外圍電路完成，該模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為發(fā)射電路、接收電路、模式和低功耗控制邏輯電路以及串行接口幾個部分組成。
    發(fā)射電路有射頻功率放大器(PA)、鎖相環(huán)(PLL)、壓控振蕩器(VCO)、頻率合成器等?；鶞?zhǔn)振蕩器采用外接晶體振蕩器產(chǎn)生電路所需的基準(zhǔn)頻率，振蕩電路采用鎖相環(huán)方式，由在DDS基礎(chǔ)上的頻率合成器、外接的無源回路濾波器和壓控振蕩器組成，壓控振蕩器由片內(nèi)的振蕩電路和外接的LC諧振回路組成，要發(fā)射的數(shù)據(jù)通過DIN端輸入。
    接收電路由低噪聲放大器(LNA)、混頻器、中頻放大器、GFSK解調(diào)器、濾波器等電路組成，中頻放大器的輸出信號經(jīng)過中頻濾波器后送入GFSK解調(diào)器解調(diào)，解調(diào)后的數(shù)字信號在DOUT端輸出。
    芯片內(nèi)包含有發(fā)射功率放大器、低噪聲接收放大器、晶體振蕩器、鎖相環(huán)、壓控振蕩器、混頻器等電路，工作頻率為ISM頻段433 MHz，采用FSK調(diào)制解調(diào)、晶體振蕩和PLL頻率合成技術(shù)，接收靈敏度為-105 dBm，發(fā)射功率為10 dBm，待機狀態(tài)電流消耗僅10μA。在接收模式中，射頻輸入信號被低噪聲放大器放大，經(jīng)由混頻器變換，在送入解調(diào)器之前被放大和濾波，解調(diào)后的數(shù)字信號在DOUT端輸出。在發(fā)射模式中，壓控振蕩器的輸出信號是直接送入到功率放大器，DIN端輸入的數(shù)字信號被頻移鍵控后饋送到功率放大器輸出。射頻模塊的電路如圖1所示。

2 嵌入式系統(tǒng)
    一般而言，嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)架可以分為4個部分：處理器、存儲器、輸入／輸出(I／O)和軟件。嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，它是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件皆可以裁剪，從而能夠適應(yīng)于工業(yè)和服務(wù)領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用中。
    由于μClinux在設(shè)計時就已經(jīng)充分考慮了可移植性，所以將μClinux移植到S3C44B0相對來說是比較容易的。但要使μClinux正常運行，處理器必須滿足以下要求：
    (1)處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼。
    (2)用C語言就可以打開和關(guān)閉中斷。
    (3)處理器支持中斷，并且能產(chǎn)生定時中斷(通常在10～100 Hz之間)。
    (4)處理器支持能夠容納一定量數(shù)據(jù)(可能是幾千字節(jié))的硬件堆棧。
2．1 Bootloader的工作
    Bootloader就是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一段程序，通過這段程序可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。因此，正確建立μClinux的移植的前提條件是具備一個與μClinux配套、易于使用的Bootloader。
    硬件初始化。系統(tǒng)上電或復(fù)位后，程序從位于地址0x0的Reset Exception Vector處開始執(zhí)行，因此需要在這里放置Bootloader的第一條指令：b ResetHandler，跳轉(zhuǎn)到標(biāo)號為ResetHandler處進行第一階段的硬件初始化，主要內(nèi)容為：關(guān)Watchdog Timer，關(guān)中斷，初始化PLL和時鐘，初始化存儲器控制器。比較重要的是PLL的輸出頻率要計算正確，ARMSYS中把它設(shè)置為64 MHz；這實際上就是處理器的工作主頻，這個時間參數(shù)在第二階段計算SDRAM的刷新計數(shù)值和UART的波特率等參數(shù)時還要用到。
    建立二級異常中斷矢量表。異常中斷矢量表(Exception Vector Table)是Bootloader與μClinux內(nèi)核發(fā)生聯(lián)系關(guān)鍵的地方之一。即使μClinux內(nèi)核已經(jīng)得到處理器的控制權(quán)運行，一旦發(fā)生中斷，處理器還是會自動跳轉(zhuǎn)到從0x0地址開始的第一級異常中斷矢量表中的某個表項(依據(jù)于中斷類型)處讀取指令運行。在編寫B(tài)ootloader時，地址0x0處的一級異常中斷矢量表只需簡單地包含向二級異常中斷矢量表的跳轉(zhuǎn)指令就可以。這樣，就能夠正確地將發(fā)生的事件交給μClinux的中斷處理程序來處理。對于μClinux內(nèi)核，它在RAM空間中基地址為0xC000000處建立了自己的二級異常中斷矢量表。
    如果在Bootloader執(zhí)行的全過程中都不必響應(yīng)中斷，那么上面的設(shè)置已能滿足要求。在ARMSYS上提供了USB下載器，需要用到中斷，Boot loader必須在同樣的地址(0xC000000)處配置自己的二級異常中斷矢量表，以便同μClinux兼容。這張表事先存放在FLASH MEMORY里，引導(dǎo)過程中由Bootloader將其復(fù)制到RAM地址0x0C000000。
2．2 源代碼裁剪與移植
    將μClinuX-dist-20040408．tar．gz拷貝到／home／下(或者其他目錄都可以)，運行解壓命令：tar xvzfμClinux-ARMSYS-20040801．  tar．gz，解壓結(jié)束后會在／home／下生成μClinux-dist目錄。[!--empirenews.page--]
    配置與編譯。安裝編譯環(huán)境，到以下地址下載arm-elf工具鏈：http：／／www．uclinux．org／pub／μClinux／m68k-elf-tools／arm-elf-tools-20030314．sh。將arm-elf-tools-20030314．sh拷貝到根目錄，運行安裝：
    sh arm-elf-tools-20030314．sh
    然后開始配置μClinux的內(nèi)核和用戶選項，打開終端。
    # cd／home／uClinux-dist
    # make menuconfig
    進入μClinux配置(μClinux V3．1．0 Configuration)，選中“Kernel／Library／Defaults Selectiona”敲空格進入。其中有兩個選項：定制內(nèi)核設(shè)置和定制用戶選項設(shè)置：
    [*]Customize Kernel Settings
    []Customize Vendor／User Settings
    選中定制內(nèi)核設(shè)置選項，按下ESC鍵退出，在詢問是否保存時，選擇Yes并回車。終端將首先進入內(nèi)核配置選單。在配置μClinux內(nèi)核時，就可以通過對這些選項的選擇和取消選擇來設(shè)定內(nèi)核所具有的功能項，這也是裁減μClinux內(nèi)核的基本方法。每個選項都對應(yīng)著一個宏定義，make menuconfig執(zhí)行結(jié)束后，自動將配置結(jié)果保存為．config文件，將前一次的配置結(jié)果備份為．config．old文件。
    交叉編譯。按下面的步驟對μClinux源碼包進行編譯：
    # make dep
    # make clean(非必要)
    # make lib_only
    # make user_only
    # make romfs
    # make image
    # make
    初次移植時，在make lib_only到make這5步編譯過程中很可能產(chǎn)生錯誤，無法繼續(xù)下去，如果產(chǎn)生了錯誤，可以嘗試根據(jù)報告的錯誤內(nèi)容修改一下源程序，交叉編譯成功后，在μClinux-dist／目錄下產(chǎn)生images目錄，其中包含的3個文件：image．ram，image．rom和romfs．img就是我們可以使用的二進制文件，下載或燒錄這些二進制文件，并啟動運行μClinux。出現(xiàn)正確提示信息后，可以嘗試從鍵盤輸入ls，ping命令，來查看系統(tǒng)的運行情況，編寫簡單的應(yīng)用程序，看是否能夠正確運行。
2．3 嵌入式處理器程序
    應(yīng)用程序的部分具體代碼如下：該部分完成了嵌入式控制器硬件初始化、操作系統(tǒng)初始化、GUI以及用戶界面、時鐘的初始化，創(chuàng)建了一個主任務(wù)，啟動了多任務(wù)調(diào)度。
   

3 結(jié)語
    本文通過對無線傳感器／控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究，提出了一種基于射頻通信技術(shù)的無線數(shù)據(jù)采集和控制方案，利用所開發(fā)的無線通信模塊構(gòu)建了一個無線分布式傳感／控制網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)的實時采集。開發(fā)了一種短距離無線數(shù)據(jù)傳輸平臺。目前測試通訊距離為80m，無線通信最高速率可達到20Kb／s。