[学位论文]基于ARM和uC%2fOS-Ⅱ的自动气象站实时数据采集系统.pdf

南京信息工程大学硕士学位论文基于ARM和uC/OS-的自动气象站实时数据采集系统姓名：严勇申请学位级别：硕士专业：大气物理与大气环境指导教师：陈钟荣20050501学位论文独创性声明本人郑重声 明:I、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。z、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果。3、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实 的。4、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机 构已经发表或撰写过的研究成果。5、其他同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了声明并表 示 了谢意。作者签名:日期:学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版;有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅;有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索;有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用木规定。作者签名:日期:基于A R M和 u c/O S-I I 的自 动气象站 实时数据采集系统 摘要 本文提出并研究设计了一个基于A R M和u C/O S-1 1 的自 动气象站实时多任务数据采集系统，完成了系统的硬件和软件设计。该系统以3 2 位高性能A R M微处理器 S 3 C 4 4 B O X为硬件核心，扩展了1 O M/I O O M 以太网接口、U S B 2.0 接口、R S 2 3 2串口以及 I D E接口等通用接口;以 嵌入式实时操作系统 u C/O S-1 1为软件平台，在A R M S D T 2.5 1 环境下进行系统软件的开发。该系统充分利用了A R M微处理器高性能、低功耗、低成本的优势，发挥了u C/O S-II可移植性好、开发成本低的优点，为自 动气象站的数据采集提供了一个经济实用的解决方案。第一章在概要介绍了 数据采集和自 动气象站的基本情况后，综合论述了本文研究工作的目的和意义以 及国内外研究现状，并对全文内容作了概述。第二章扼要介绍了嵌入式系统中的一些基本概念和嵌入式系统选型、设计的一般方法。第三章详细探讨了系统的硬件设计，分模块讨论了系统的各种功能。第四章讨论了嵌入式操作系统u C/O S-I I 的工作机理，并详细阐述了将其移植到A R M微处理器上的过程。第五章详细探讨了系统的软件设计，内容主要包括仿真开发环境的介绍、启动代码设计以及应用程序设计等。第六章对本文的主要研究工作进行了总结。关键词:自 动气象站;数据采集;嵌入式系统:A R M;u C/O S-IIA r e a l-t i m e m u l t i p l e t a s k d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m f o ra u t o ma t i c we a t h e r s t a t i o n b a s e d o na n d u C/OS-1 1 Ab s t r a c t I n t h i s d i s s e r t a t i o n,a r e a l-t im e m u lt i p l e t a s k d a t a a c q u i s it i o n s y s t e m f o ra u t o m a t ic w e a t h e r s t a t i o n b a s e d o n A R M a n d u C/O S-I I i s p r o p o s e d a s w e l l a sd e s ig n e d.T h i s s y s t e m i s d e v e l o p e d b a s e d o n 3 2 b it h i g h p e r f o r m a n c e A R Mp r o c e s s o r S 3 C 4 4 B O X a n d e m b e d d e d o p e r a t i n g s y s t e m u C/O S-I I,w it h s o m e g e n e r a lin t e r f a c e(s u c h a s E t h e r n e t,U S B,R S 2 3 2,ME)e x p a n d e d.A R M S D T 2.5 1 i s u s e da s t h e d e v e l o p m e n t t o o l.T h e s y s t e m m a k e s f u l l u s e o f t h e h i g h p e r f o r m a n c e,l o wp o w e r a n d lo w c o s t o f A R M m i c r o p r o c e s s o r a n d t h e a d v a n t a g e o f u C/O S-I I,p r o v i d i n g a n e c o n o m i c a l a n d p r a c t i c a l s o l u t i o n f o r t h e d a t a a c q u i s it i o n o f a u t o m a t icwe a t h e r s t a t i o n.I n c h a p t e r 1,t h e b a s a l c ir c u m s t a n c e o f d a t a a c q u i s it io n a n d t h e a u t o m a t icw e a t h e r s t a t i o n i s i n t r o d u c e d.T h e n,a c o m p r e h e n s i v e d e s c r ip t i o n a b o u t t h es i gni f i c a n c e o f t h e r e s e a r c h is g iv e n.A t l a s t,T h e c u r r e n t r e s e a r c h s t a t u s a n d t h ema i n c o n t e n t o f t h i s d i s s e r t a t i o n i s a l s o d e s c r i b e d.I n c h a p t e r 2,a d e s c r i p t io n a b o u t s o m e b a s i c c o n c e p t i o n i n e m b e d d e d s y s t e ma n d t h e g e n e r a l m e t h o d a b o u t t h e d e s i g n o f e m b e d d e d s y s t e m i s g i v e n.I n c h a p t e r 3,t h e h a r d w a r e d e s i gn o f t h e s y s t e m i s d i s c u s s e d in d e t a i l.I n c h a p t e r 4，t h e me c h a n i s m o f u C/O S-I I i s d i s c u s s e d，a s w e l l，i t st r a n s p l a n t a t i o n t o A R M p r o c e s s o r i s a l s o e x p a t ia t e d.I n c h a p t e r 5,t h e s o f t w a r e d e s i gn o f t h e s y s t e m i s d i s c u s s e d in d e t a i l,i n c l u d i n gt h e i n t r o d u c e o f t h e d e v e l o p m e n t e n v ir o n m e n t,t h e d e s i gn o f s t a r t u p c o d e,t h e d r i v ed e s i gn o f d e v i c e s,a n d t h e d e v e l o p m e n t o f a p p li c a t i o n p r o g r a m.I n c h a p t e r b,t h e m a i n r e s e a r c h c o n c l u s i o n i s s u m m a r i z e dK e y w o r d s:a u t o m a t i c w e a t h e r s t a t i o n;d a t a a c q u i s i t i o n;E m b e d d e ds y s t e m;A R M;u C/O S-I I第一章绪言，.，背景，。，.，数据采集的概念 数 据采集是指将温度、压力、流量、位移等物理量采集、转换 成数字量后，由 计算机进行存储、处理、显示或打印的 过程;相应的系统，称之为数据采集系统。数据采集系统的任务，就是采集传感器输出的信号，并转换成计算机能识别的 数字信号，送入 计算机根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算机得到的数据进行显示或打印，以 便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还可以被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的 精度和速度。在保证精度的 条件下，应尽可能提高 采集速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求。随着计算机技术的普及和飞速发展，数据采集系统也迅速的得到应用。在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段;在科学研究中，应用数据采集系统可 获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具，也是获取科学奥秘的重要手段之一。总之，不论在哪个应用领域中，数据采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益就越大。1.1.2自动气象站简介 自 动气象站是一种集气象数据的采集、存储、传输和管理于一体的无人值守的气象采集系统，在电子设各或计算机控制下自 动进行气象观测和资料的收集传输。自 动气象站一般由 传感器、变换器、数据处理装置、资料发送装置、电 源和防雷装置等部分组成。传感器用于感应对应的气象参数;变换器是将传感器感应到的气象参数转换成电 信号，如电 压、电 流、频率等;数据处理装置则对这些电 信号进行处理，转换成对应的气象要素值:经过处理的气象要素数据按规定的 格式编排后，或存贮在介质上，或经资料发送装置以 有线或无线方式发送出去。电 源部分为气象站的正常工作提供动力，在野外通常使用太阳能电 池。此外，自 动气象站作为一种集合了传感器、数据采集及处理、数据通信等技术的自 动化电子设备，其抵御雷电 损害的脆弱性不言而喻，因此，安装防雷装置、预防雷电损害也是自 动气象站的一个重要组成部分。自 动气象站的观测项目 通常为气压、气温、相对湿度、风向、风速、雨量等基本气象要素，经扩充后还可测量其它要素。虽然需要测量的要素很多，但这些要素经传感器感第一章绪言，.，背景，。，.，数据采集的概念 数 据采集是指将温度、压力、流量、位移等物理量采集、转换 成数字量后，由 计算机进行存储、处理、显示或打印的 过程;相应的系统，称之为数据采集系统。数据采集系统的任务，就是采集传感器输出的信号，并转换成计算机能识别的 数字信号，送入 计算机根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算机得到的数据进行显示或打印，以 便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还可以被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的 精度和速度。在保证精度的 条件下，应尽可能提高 采集速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求。随着计算机技术的普及和飞速发展，数据采集系统也迅速的得到应用。在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段;在科学研究中，应用数据采集系统可 获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具，也是获取科学奥秘的重要手段之一。总之，不论在哪个应用领域中，数据采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益就越大。1.1.2自动气象站简介 自 动气象站是一种集气象数据的采集、存储、传输和管理于一体的无人值守的气象采集系统，在电子设各或计算机控制下自 动进行气象观测和资料的收集传输。自 动气象站一般由 传感器、变换器、数据处理装置、资料发送装置、电 源和防雷装置等部分组成。传感器用于感应对应的气象参数;变换器是将传感器感应到的气象参数转换成电 信号，如电 压、电 流、频率等;数据处理装置则对这些电 信号进行处理，转换成对应的气象要素值:经过处理的气象要素数据按规定的 格式编排后，或存贮在介质上，或经资料发送装置以 有线或无线方式发送出去。电 源部分为气象站的正常工作提供动力，在野外通常使用太阳能电 池。此外，自 动气象站作为一种集合了传感器、数据采集及处理、数据通信等技术的自 动化电子设备，其抵御雷电 损害的脆弱性不言而喻，因此，安装防雷装置、预防雷电损害也是自 动气象站的一个重要组成部分。自 动气象站的观测项目 通常为气压、气温、相对湿度、风向、风速、雨量等基本气象要素，经扩充后还可测量其它要素。虽然需要测量的要素很多，但这些要素经传感器感应后的输出形式不外乎4 种:模拟量，它包括电 压，电流、电 阻和电 动势四种形式;频率量，如风杯风速计的输出，风速的大小与 矩形脉冲输出的频率有关;触发脉冲信号，如翻斗式雨量计的输出，虽然其波形同样是矩形脉冲，但需要记录的是两个脉冲之间的时间间隔;数字 信号，如风向标的 码盘输出。尽管如此，多种数据接口 的同时存在还是给系统设计带来了很大的不便。近年来，随着传感器技术和电子技术的不断发展，出现了一种智能传感器，它具有统一的 接口(R S 2 3 2 或U S B).采集数据时 只需给其发出命令，传感器便会将采集到的数据自 动给出。一旦采用智能传感器，自 动站就可以大大简化，只需由 传感器和数据采集系统两部分加上电源和防雷装置组成。本文就是基于这种思路，提出并设计了一个自 动气象站的实时多任务数据采集系统。1.2本文研究的目的和意义 步入二十一世纪，人类进入了一个全新的电子信息化时代。随着我国改革开放的发展，经济日益繁荣，人们对于信息的需求，无论从量还是质上都正发生着深刻的变革。就气象信息来言，以 往只有农业等与其切身利益密切相关的部门关注，然而现在，不仅气象、环保、机场、海洋水文、军事、仓储、科学研究等各个业务部门都对气象信息提出了需求，而且对气象资料的要求也完全突破了原先气象台站所提供的业务内容:数值预报人员希望增加台站的密度;航空部门希望在航空港设置随时可以实时显示气象条件的观测系统，其中有些内容还是他们所需要的专门项目，例如跑道能见度、风切变强度等:农业部门为了指导农业生产，也希望加强一些项目 的观测，例如土壤湿度、光照等:至于为科学研究项目组织的观测，其观测内容就更为特殊。不仅如此，各个业务部门还对气象数据的实时性提出了 很高的要求。要满足上述各种需求，己 绝非增加观测台站以及扩展原台站的 观测项目所能满足。随着国家社会经济的迅速发展，各级政府、各行各业在决策时更需要利用气象信息趋利弊害。我国幅员辽阔，地形十分复杂，地貌多样，地势起伏大，山地、平原、丘陵和高原林立。由于 受地理位置和复杂多样的地形条件的影响，全国气候差异明显，气象灾害频发，并呈现出多样性和突发性的特点。现有站点，站点之间的间 距大，观测时次也不够密集，而重大天气灾害主要发生在中小尺度的天气系统中，一般尺度为十到十几公里，这就使灾害性天气(特别是暴雨、冰雹、大风等)的监测存在很大的 难度。为了弥补站点之间的尺度和 增加监 测频次，满足人们对高时 空、高密 度地面信息的需要，加 快建设我国 地面观测遥测自 动化的发展己 迫在眉睫。应后的输出形式不外乎4 种:模拟量，它包括电 压，电流、电 阻和电 动势四种形式;频率量，如风杯风速计的输出，风速的大小与 矩形脉冲输出的频率有关;触发脉冲信号，如翻斗式雨量计的输出，虽然其波形同样是矩形脉冲，但需要记录的是两个脉冲之间的时间间隔;数字 信号，如风向标的 码盘输出。尽管如此，多种数据接口 的同时存在还是给系统设计带来了很大的不便。近年来，随着传感器技术和电子技术的不断发展，出现了一种智能传感器，它具有统一的 接口(R S 2 3 2 或U S B).采集数据时 只需给其发出命令，传感器便会将采集到的数据自 动给出。一旦采用智能传感器，自 动站就可以大大简化，只需由 传感器和数据采集系统两部分加上电源和防雷装置组成。本文就是基于这种思路，提出并设计了一个自 动气象站的实时多任务数据采集系统。1.2本文研究的目的和意义 步入二十一世纪，人类进入了一个全新的电子信息化时代。随着我国改革开放的发展，经济日益繁荣，人们对于信息的需求，无论从量还是质上都正发生着深刻的变革。就气象信息来言，以 往只有农业等与其切身利益密切相关的部门关注，然而现在，不仅气象、环保、机场、海洋水文、军事、仓储、科学研究等各个业务部门都对气象信息提出了需求，而且对气象资料的要求也完全突破了原先气象台站所提供的业务内容:数值预报人员希望增加台站的密度;航空部门希望在航空港设置随时可以实时显示气象条件的观测系统，其中有些内容还是他们所需要的专门项目，例如跑道能见度、风切变强度等:农业部门为了指导农业生产，也希望加强一些项目 的观测，例如土壤湿度、光照等:至于为科学研究项目组织的观测，其观测内容就更为特殊。不仅如此，各个业务部门还对气象数据的实时性提出了 很高的要求。要满足上述各种需求，己 绝非增加观测台站以及扩展原台站的 观测项目所能满足。随着国家社会经济的迅速发展，各级政府、各行各业在决策时更需要利用气象信息趋利弊害。我国幅员辽阔，地形十分复杂，地貌多样，地势起伏大，山地、平原、丘陵和高原林立。由于 受地理位置和复杂多样的地形条件的影响，全国气候差异明显，气象灾害频发，并呈现出多样性和突发性的特点。现有站点，站点之间的间 距大，观测时次也不够密集，而重大天气灾害主要发生在中小尺度的天气系统中，一般尺度为十到十几公里，这就使灾害性天气(特别是暴雨、冰雹、大风等)的监测存在很大的 难度。为了弥补站点之间的尺度和 增加监 测频次，满足人们对高时 空、高密 度地面信息的需要，加 快建设我国 地面观测遥测自 动化的发展己 迫在眉睫。因此，如何改 造现有的 监测手段，用性价比高、施工维护方便、操作简明直观、自 动化程度高的新系统替换老一代产品，是各种不同用户共同的需求和愿望;地面气象站网的观测、资料传输和存储的自 动化己经提到议事日 程上。而科学技术的发展，特别是感测技术、电子技术、计算机技术和通信技术的日 新月异，则为此开辟了一条崭新的道路。1.3国内外研究现状 从上世纪四十年代中 期至今，伴随着计算机、电子信息技术的迅速发展，人类在科技上有了长足的进步，许多国 家在气象领域早已实现了 现代化的改造。以 美国和加拿大为例，从7 0 年代末、8 0 年代初开 始建立非联邦自 动气象站(A WS)和自 动气象站网以来，其数量发展迅速(已拥有8 3 1 个固定站和 1 5 0 多个非固定站)，资料应用广泛(农业、公众服务等)。在数据采集方面，业已实现了气象数据的实时化和网 络化传输，为国民经济的发展和各个业务部门的决策提供了十分有用和广泛的帮助。就我国目 前的情况来看，自 动气象站的建设还刚刚 起步(到2 0 0 4 年底，已 建成基本站1 4 3 个，一般站 1 7 3 6 个)，除国家或省级气象局外，大多数基层气象站的观测仪器设备还比 较陈旧，而且更新换代周期长，有的站点还依赖于人工操作和读数，不仅劳动效率低，而且各项参数均需人工记录和汇总，工作量大，容易出错。现存的自 动气象站，其数据采集系统一般都是基于P C/1 0 4 总线控制机或单片机设计的。P C/1 0 4 总线采用叠层结构，与P C总线具有高度的兼容性，体积紧凑，功耗低，可靠性高，非常适用于嵌入式应用场合。但是，一个P C/1 0 4 模块需配置C P U、功能扩展模块 包括磁盘接口 控制、显示控制、通讯控制、网络控制四 种类型)和数据采集与控制模块，成本较高:单片机虽然价格便宜，但功能比较单一。在自 动气象站网 络化发展的今天，这些设 各显然不再适宜采用，需要功能更加强大、成本更加低廉的方案取代它。上述状况与时代发展很显然是不相称的。尤其是进入二十一世纪的今天，气象信息的作月日 益广泛，其需求正在不断扩大。在这种良 好的大环境下，尽快实现气象监侧技术的更新和设各的换代，朝监测仪器电子化、测试方法自 动化、数据传输网络化的方向发展已成为必然的趋势。1.4论文各部分主要内容 从本质上讲，自 动气象站的实时数据采集系统是一个嵌入式系统。因此，论文首先介绍了嵌入式系统的一些基本概念和选型原则，并重点讨论了 嵌入式系统的设计方法。接下来，论文从硬件和软件两个方面探讨了自动气象站实时数据采集系统的构建。硬件方面，因此，如何改 造现有的 监测手段，用性价比高、施工维护方便、操作简明直观、自 动化程度高的新系统替换老一代产品，是各种不同用户共同的需求和愿望;地面气象站网的观测、资料传输和存储的自 动化己经提到议事日 程上。而科学技术的发展，特别是感测技术、电子技术、计算机技术和通信技术的日 新月异，则为此开辟了一条崭新的道路。1.3国内外研究现状 从上世纪四十年代中 期至今，伴随着计算机、电子信息技术的迅速发展，人类在科技上有了长足的进步，许多国 家在气象领域早已实现了 现代化的改造。以 美国和加拿大为例，从7 0 年代末、8 0 年代初开 始建立非联邦自 动气象站(A WS)和自 动气象站网以来，其数量发展迅速(已拥有8 3 1 个固定站和 1 5 0 多个非固定站)，资料应用广泛(农业、公众服务等)。在数据采集方面，业已实现了气象数据的实时化和网 络化传输，为国民经济的发展和各个业务部门的决策提供了十分有用和广泛的帮助。就我国目 前的情况来看，自 动气象站的建设还刚刚 起步(到2 0 0 4 年底，已 建成基本站1 4 3 个，一般站 1 7 3 6 个)，除国家或省级气象局外，大多数基层气象站的观测仪器设备还比 较陈旧，而且更新换代周期长，有的站点还依赖于人工操作和读数，不仅劳动效率低，而且各项参数均需人工记录和汇总，工作量大，容易出错。现存的自 动气象站，其数据采集系统一般都是基于P C/1 0 4 总线控制机或单片机设计的。P C/1 0 4 总线采用叠层结构，与P C总线具有高度的兼容性，体积紧凑，功耗低，可靠性高，非常适用于嵌入式应用场合。但是，一个P C/1 0 4 模块需配置C P U、功能扩展模块 包括磁盘接口 控制、显示控制、通讯控制、网络控制四 种类型)和数据采集与控制模块，成本较高:单片机虽然价格便宜，但功能比较单一。在自 动气象站网 络化发展的今天，这些设 各显然不再适宜采用，需要功能更加强大、成本更加低廉的方案取代它。上述状况与时代发展很显然是不相称的。尤其是进入二十一世纪的今天，气象信息的作月日 益广泛，其需求正在不断扩大。在这种良 好的大环境下，尽快实现气象监侧技术的更新和设各的换代，朝监测仪器电子化、测试方法自 动化、数据传输网络化的方向发展已成为必然的趋势。1.4论文各部分主要内容 从本质上讲，自 动气象站的实时数据采集系统是一个嵌入式系统。因此，论文首先介绍了嵌入式系统的一些基本概念和选型原则，并重点讨论了 嵌入式系统的设计方法。接下来，论文从硬件和软件两个方面探讨了自动气象站实时数据采集系统的构建。硬件方面，因此，如何改 造现有的 监测手段，用性价比高、施工维护方便、操作简明直观、自 动化程度高的新系统替换老一代产品，是各种不同用户共同的需求和愿望;地面气象站网的观测、资料传输和存储的自 动化己经提到议事日 程上。而科学技术的发展，特别是感测技术、电子技术、计算机技术和通信技术的日 新月异，则为此开辟了一条崭新的道路。1.3国内外研究现状 从上世纪四十年代中 期至今，伴随着计算机、电子信息技术的迅速发展，人类在科技上有了长足的进步，许多国 家在气象领域早已实现了 现代化的改造。以 美国和加拿大为例，从7 0 年代末、8 0 年代初开 始建立非联邦自 动气象站(A WS)和自 动气象站网以来，其数量发展迅速(已拥有8 3 1 个固定站和 1 5 0 多个非固定站)，资料应用广泛(农业、公众服务等)。在数据采集方面，业已实现了气象数据的实时化和网 络化传输，为国民经济的发展和各个业务部门的决策提供了十分有用和广泛的帮助。就我国目 前的情况来看，自 动气象站的建设还刚刚 起步(到2 0 0 4 年底，已 建成基本站1 4 3 个，一般站 1 7 3 6 个)，除国家或省级气象局外，大多数基层气象站的观测仪器设备还比 较陈旧，而且更新换代周期长，有的站点还依赖于人工操作和读数，不仅劳动效率低，而且各项参数均需人工记录和汇总，工作量大，容易出错。现存的自 动气象站，其数据采集系统一般都是基于P C/1 0 4 总线控制机或单片机设计的。P C/1 0 4 总线采用叠层结构，与P C总线具有高度的兼容性，体积紧凑，功耗低，可靠性高，非常适用于嵌入式应用场合。但是，一个P C/1 0 4 模块需配置C P U、功能扩展模块 包括磁盘接口 控制、显示控制、通讯控制、网络控制四 种类型)和数据采集与控制模块，成本较高:单片机虽然价格便宜，但功能比较单一。在自 动气象站网 络化发展的今天，这些设 各显然不再适宜采用，需要功能更加强大、成本更加低廉的方案取代它。上述状况与时代发展很显然是不相称的。尤其是进入二十一世纪的今天，气象信息的作月日 益广泛，其需求正在不断扩大。在这种良 好的大环境下，尽快实现气象监侧技术的更新和设各的换代，朝监测仪器电子化、测试方法自 动化、数据传输网络化的方向发展已成为必然的趋势。1.4论文各部分主要内容 从本质上讲，自 动气象站的实时数据采集系统是一个嵌入式系统。因此，论文首先介绍了嵌入式系统的一些基本概念和选型原则，并重点讨论了 嵌入式系统的设计方法。接下来，论文从硬件和软件两个方面探讨了自动气象站实时数据采集系统的构建。硬件方面，选 择S a m s u n g 公司 的3 2 位高 性能 嵌 入式 微 处理 器S 3 C 4 4 B O X(隶 属于A R M 7 T D M I 体 系)作为系统的硬件平台核心，并以此为基础扩展了 2 M B y t e s的闪速存储器(即 F l a s hM e m o ry),8 M B y t e s 的同步 动态数 据存储器(S D R A M),U S B 2.0 模块、l O M/l O O M以 太网口(E t h e r n e t P o r t)模块、U A R T异步串行接口(R S 2 3 2).ME 接口、液晶(L C D)显示模块接口、J T A G接口 等。软件方面，论文主要探讨了嵌入式操作系统u C/O S-I I 及其在A R M微处理 器 S 3 C 4 4 B O X上的 移植过程，介绍了 系统的软 件开发环境，以 及如何在该 环境下为u C/O S-I I 编写各个功能模块的驱动程序，并在此基础上对R T O S 的体系结构进行扩展，开发系统的应用程序。结果表明，该系统不仅功能强大，实时 性好，使用灵活，而且功耗极低，成本也不高，具有很大的推广价值。同时，进行系统设计的时候，我们还考虑了系统的升级能力，留有一定的发展空间。此外，本系统还可以应用于不同的 领域，其设计思路是设计中小型实时多任务系统的一种很好的解决方案。系统采用3 2 位高性能嵌入式微处理器S 3 C 4 4 B O X作为硬件核心，利用全面的、通用的片上外设，减少了 系统电 路中除处理器以 外的 元器件配置，简化了系统的 硬件设计，降低了系统成本;采用嵌入式操作系统 u C/O S-J I 作为软件开发平台，提高了 系统软件设计的效率，有效确保了 系统的实时性。此外，在设计系统软件的时候，我们采用了“宿主机/目 标机”的开发方式，通过宿主机的并口及 J T A G接口小板完成两者之间的通讯，充分利用了宿主机上的丰富资源，大大降低了开发的难度，提高了开发的效率。第二章 嵌入式系统概述 如果有人告诉你，现在每个人都生活在一个满是嵌入式的世界里，你是否会感到惊奇?但事实如此，不得不信，小到MP 3,P D A等微型数字化产品，大到网 络家电、智能家电、车载电子设备，无一不是嵌入式产品，让人顿生目 不暇接之感。目 前，各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上已 经远远 超过了 通用计算机，正 逐步改变 着传统的工业生产和服务方式，并且更有进一步扩大的趋势。2.1嵌入式系统的概念 虽然嵌入式系统是近几年才 风靡起来的，但其历史可 追溯到2 0 世纪 7 0 年代。经过3 0 多年的发展，在硬件和软件双螺旋式交替发展的支撑下，嵌入式技术趋于稳定和成熟，已 被广泛应用于工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理系统、P O S网络及电子商务、环境检测、机器人等各个领域。毫不夸张的说，嵌 入式系统已 经无所不在。所以，研究和开发嵌入式系统有着十分重要的意义。2.1.，嵌入式系统的定义 根据 I E E E(国际电气和电子工程师协会)的定义，嵌入式系统是“控制、监视或辅助设备、机器和车间运行的装置”(原文为:d e v i c e s u s e d t o c o n t r o l,m o n i t o r,o r a s s i s t t h eo p e r a t io n o f e q u ip m e n t,m a c h in e ry o r p l a n t s)，这 主要 是从 应 用 上加以 定 义的。不过，上述定义并不能 充分体现出 嵌入式系统的 精髓。目 前，国内 一个普遍被认同的定义是:以 应用为中心、以 计算机为基础，软、硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。由于嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，很难给它一个明确的定义。因此，目 前通常把嵌入式系统概念的重点 放在“系统”(即 操作系统)上，指能够运行操作系统的软硬件综合体。2.1.2嵌入式系统的组成 通常来说，嵌入式系统可以 划分成硬件和软件两部分。嵌入式硬件由 嵌入式微处理器、片内周边电路和外设各三部分组成。嵌入式微处理器是嵌入式硬件系统的核心，直接影响嵌入式产品的应用范围和开发复杂度。典型的嵌入式微处理器有 Mo t o r o l a公司的P o w e r P C系 列、I n t e l 公司的S t r o n g A r m系列、A M D公司的X 8 6 系列以 及E P S O N公司的S I C 3 3 系列等。嵌入式软件一般由 连接硬件和应用程序的嵌入式实时操作系统(R e a l-T i m eO p e r a t i n g S y s t e m，简称R T O S)和 在其上运行的 应用软 件构 成。在软件和硬件之间，由 所第二章 嵌入式系统概述 如果有人告诉你，现在每个人都生活在一个满是嵌入式的世界里，你是否会感到惊奇?但事实如此，不得不信，小到MP 3,P D A等微型数字化产品，大到网 络家电、智能家电、车载电子设备，无一不是嵌入式产品，让人顿生目 不暇接之感。目 前，各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上已 经远远 超过了 通用计算机，正 逐步改变 着传统的工业生产和服务方式，并且更有进一步扩大的趋势。2.1嵌入式系统的概念 虽然嵌入式系统是近几年才 风靡起来的，但其历史可 追溯到2 0 世纪 7 0 年代。经过3 0 多年的发展，在硬件和软件双螺旋式交替发展的支撑下，嵌入式技术趋于稳定和成熟，已 被广泛应用于工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理系统、P O S网络及电子商务、环境检测、机器人等各个领域。毫不夸张的说，嵌 入式系统已 经无所不在。所以，研究和开发嵌入式系统有着十分重要的意义。2.1.，嵌入式系统的定义 根据 I E E E(国际电气和电子工程师协会)的定义，嵌入式系统是“控制、监视或辅助设备、机器和车间运行的装置”(原文为:d e v i c e s u s e d t o c o n t r o l,m o n i t o r,o r a s s i s t t h eo p e r a t io n o f e q u ip m e n t,m a c h in e ry o r p l a n t s)，这 主要 是从 应 用 上加以 定 义的。不过，上述定义并不能 充分体现出 嵌入式系统的 精髓。目 前，国内 一个普遍被认同的定义是:以 应用为中心、以 计算机为基础，软、硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。由于嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，很难给它一个明确的定义。因此，目 前通常把嵌入式系统概念的重点 放在“系统”(即 操作系统)上，指能够运行操作系统的软硬件综合体。2.1.2嵌入式系统的组成 通常来说，嵌入式系统可以 划分成硬件和软件两部分。嵌入式硬件由 嵌入式微处理器、片内周边电路和外设各三部分组成。嵌入式微处理器是嵌入式硬件系统的核心，直接影响嵌入式产品的应用范围和开发复杂度。典型的嵌入式微处理器有 Mo t o r o l a公司的P o w e r P C系 列、I n t e l 公司的S t r o n g A r m系列、A M D公司的X 8 6 系列以 及E P S O N公司的S I C 3 3 系列等。嵌入式软件一般由 连接硬件和应用程序的嵌入式实时操作系统(R e a l-T i m eO p e r a t i n g S y s t e m，简称R T O S)和 在其上运行的 应用软 件构 成。在软件和硬件之间，由 所谓的中间层(B S P 层，板级支持包)连接。2.1.3嵌入式系统的特点从前面对嵌入式系统所作的定义，可以 看出，嵌入式系统具有以下几个重要特征:系统内 核小。由 于嵌入式系统一般应用于小型电 子装置，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。比 如，E N E A公司的O S E分布式系统，内 核只有5 K B，而W i n d o w s 的内核则要大得多。专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植;同时，针对不同的任务，往往需要对系统进行较大的更改。另外，程序的编译下载要和系统相结合。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，不要求其功能的设计及实现过于复杂，这样既利于控制系统成本，也利于实现系统安全。高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固化存储，以提高速度;软件代码要求高质量和高可靠性。嵌入式软件开发要想走向 标准化，就必须使用多任务操作系统。嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行，但为了 更合理的调度多任务，利用系统资源、系统函数以 及专