嵌入式网络系统的设计与应用——智能小区家庭网络控制器的设计与实现.pdf

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1、上海交通大学硕士学位论文嵌入式网络系统的设计与应用智能小区家庭网络控制器的设计与实现姓名：方捷磊申请学位级别：硕士专业：电路与系统指导教师：朱杰2002.1.1上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在一年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密叼。(请在以上方框内打“4”)学位论文作者签名：秀砬磊指导教师签名：身矽日期：0

2、7-年1 月；o 目日期：吐年f 月1 0 日上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：j 趁磊日期：乱年J 月；。日上海交通大学硕士学位论文嵌入式网络系统的设计与应用智能小区家庭网络控制器的设计与实现摘要I n t e r n e t 的应用日趋广泛。现在，针对I n t e r a c t 应用的研究主要、在于两

3、个方向。一个方向是实现功能更复杂和多样化的网络应用，如功能更强大的网络服务器、开发工具及支持平台。另一个方向是向普通电子设备渗透，如网络化家电、智能仪表等。后者被称为嵌入式微型网络互连技术(E M I T：E m b e d d e dM i c r oI n t e m e t w o r k i n gT e c h n o l o g y)。它是一种将嵌入式设备接入I n t e r n e t 的技术，利用该技术可将I n t e r n e t 延伸到基于8 位，1 6 位，3 2 位微处理器的各种电子设备中，并实现基于I n t e r a c t 的远程数据采集、远程控制、自动报

4、、，警、上传下载数据文件、自动发送E M A I L 等功能佴j：，7我婀在智能小区家庭网络控制器的设计中应用并实现了嵌入式网络技术。家庭网络控制器对于当前智能化小区建设有着非常重要的意义。因为基于嵌入式的T C P I P 技术，使它比采用其它一些技术的同类产品有更好的应用和发展前景。家庭网络控制器既是家庭自动化和智能化的控制中心，又是连结家庭内部网络与I n t e r n e t 的桥梁。我们设计的家庭网络控制器具有家庭安防、自动抄表(水表、电表、煤气表)、家电自动控制的功能。它还能通过家庭R S 4 8 5 总线控制家庭的智能电器。还具有一个以太网接口，使使用者能够通过I n t e

5、r a c t 进行远程的控制和数据采集。上悔交通大学硕士学位论文在设计硬件时采用了功能高度集成化的A R MR I S CM C U 和以太，网控制器，体积和功耗都非常小。由于A R M 处理器有很强的伸缩L性，在实现目前一些基本功能的基础上，以后还准备扩充用于远程、7视频监控等高级功能。，在软件设计上，我们设计了一个基于多任务的嵌入式网络系统小型、结构化好、易于扩充。我们的软件包括三个组成部分：最底层是一个小巧的任务管理器，该任务管理器结构简单，能用很少的代码实现，却提供了一个多任务的运行环境。有了这个基本的L多任务环境后就可以把复杂的网络协议软件和应用程序划分为几个。相对简单的任务来实现

6、，并且易于扩充新的功能9。第二部分是基本f的T c P】=P 协议软件。恤实现T C 田协议时针对嵌入式网络系统的应用场合和特点作了裁减，因此具有小型化的特点。并且它是按模、，块化的方式设计的，很容易修改和扩充扩第三部分是应用层软件。，(这一部分是与设备的具体功能相关的。整个软件的设计思想是：前两部分提供个多任务环境和网络功能，并为第三部分的开发提供一个很好的基础。开发者只需把精力花在与应用相关的软件开发上。关键词家庭网络控制器，E M I T，任务管理器，T C P I P上海交通大学碗士半位论义T H ED E S I G NA N DA P P L I C A T I O NO FE M

7、 B E D D E DN E T W O R KT H ED E S I G NA N DI 田L E 匝N 1 A T I O NO FAH O 皿N E T W O R KC O N T R O L L E RI Nn、丁T E L L I G E N TR E S I D E N T I A LA R E AA B S T R A C TT h ea p p l i c a t i o no fI n t e r n e tb e c o m e sW i d e ra n dw i d e r N o wt h er e s e a r c ho ft h ea p p l i c

8、a t i o no fI n t e m e tl i e s i nt w od i r e c t i o n s O n ei st om a k et h en e t w o r ka p p l i c a t i o nm o r ec o m p l i c a t ea n dv e r s a t i l e f o re x a m p l e，m o r ep o w e r f u ln e t w o r ks e r v e r,d e v e l o p m e n tt o o l sa n ds u p p o r tp l a t f o r mT h

9、eo t h e ri st op e n e t r a t ei n t on o r m a le l e c t r o n i cd e v i c e s，w h i c hi sc a l l e dE M I T(E m b e d d e dM i c r oI n t e r n e t w o r k i n gT e c h n o l o g y)，f o re x a m p l e，e l e c t r i c a la p p l i a n c e sa n ds m a r tm e t e r sw i t hn e t w o r kf u n c t

10、 i o n E M I Ti sat e c h n o l o g yt oc o n n e c te m b e d d e ds y s t e m st oI n t e r n e t，b yw h i c hw ec a ne x t e n dI n t e r n e ti n t ov a r i a b l e8b i t，16b i to r3 2b i tm i c r o p r o c e s s o rb a s e de l e c t r o n i cd e v i c e s O nt h e s ed e v i c e sw ec a nr e a

11、 l i z er e m o t ed a t aa c q u i s i t i o n，r e m o t ec o n t r o l，a u t o s e c u r i t y,d a t au p l o a d i n ga n dd o w n l o a d i n ga n da u t o m a t i ce-m a i ld e l i v e r ye t c t h r o u g hI n t e r n e t W ea p p l ya n di m p l e m e n tt h ee m b e d d e dn e t w o r kt e c

12、 h n o l o g yi nt h ed e s i g no faH o m eN e t w o r kC o n t r o l l e r(H N C)H N Cp l a y sa ni m p o r t a n t上海交通犬学硕士学位论文r o l ei nt h ec o n s t r u c t i o no fi n t e l l i g e n tr e s i d e n t i a lR r e a B e c a u s ei ta p p l i e st h ee m b e d d e dT C P I Pt e c h n o l o g y,H

13、N Ch a sab e t t e rp r o s p e c ti na p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n ti nt h ef u t u r e H N Ci st h ea u t o m a t i ca n di n t e l l i g e n tc o n t r o lc e n t e ri nt h eh o m e，a sw e l la st h eb r i d g et oc o n n e c tt h eh o m e Si n t e m a ln e t w o r kt ot h eI n t

14、e m e t I t sf u n c t i o n sn o wi n c l u d eh o m es e c u r i t y,a u t o m e t e r i n gf o rw a t e rm e t e r,e l e c t r i c a lm e t e ra n dg a sm e t e r,a n da u t o m a t i cc o n t r o lo fe l e c t r i c a la p p l i a n c e s I tC a nc o n t r o ls m a r te l e c t r i c a la p p l

15、i a n c et h r o u g hR S 4 8 5b u si nt h eh o m e I ta l s oh a sa l lE t h e m e ti n t e r f a c et oc o n n e c tt oe x t e r n a ln e t w o r Lb yw h i c ht h eu s e rC a nd or e m o t ec o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o nt h r o u g hI n t e r n e tW h e nw ed e s i g nt h eh a r d

16、w a r e，w eu s eah i g hf u n c t i o n a l i t y-i n t e g r a t e dA R MR I S CM C Ua n da nE t h e m e tc o n t r o l l e r，w h i c hm a k ei ts m a l la n dl o wp o w e rc o s t i n g B e c a u s eo ft h es c a l a b i l i t yo ft h eA R Mp r o c e s s o r b e s i d e st h ep r e s e n tf u n c

17、t i o n a l i t yw eh a v ei m p l e m e n t e d，w ea r ea l s og o i n gt oa d dm o r ea d v a n c e df u n c t i o n a l i t i e ss u c ha sr e m o t ev e d i os u r v e i l l a n c eI nt h es o f t w a r ew eh a v ed e s i g n e dam u l t i t a s k i n g b a s e de m b e d d e dn e t w o r ks y s

18、 t e m s m a l l，s t r u c t u r e d，s c a l a b l e I th a st h r e ep a r t s T h el o w e s tl a y e ri sas m a r tt a s km a n a g e rw h i c hh a sas i m p l es t r u c t u r ea n ds m a l lc o d e s B u ti tp r o v i d e sam u l t i t a s k i n ge n v i r o n m e n t。W i t ht h i sm u l t i t

19、a s k i n ge n v i r o n m e n tw ec a ni m p l e m e n tc o m p l i c a t en e t w o r ks o f t w a r ea n da p p l i c a t i o n sb ys p l i ti ti n t os o m er e l a t i v es i m p l et a s k s A n di ti sa l s oe a s yt oe x p a n dt h ef u n c t i o n T h es e c o n dp a r ti sab a s i cT C P I

20、 P4上海交通大学硕士学位论文s o f t w a r e W ed os o m ec l i p st oi tt om a k ei tm o r es u i t a b l et ob ee m b e d d e d S oi t i sv e r ys m a l l W ea l s od e s i g ni ti nm o d u l e st om a k ei te a s y t Ob em o d i f i e da n de x p a n d e d T h et h i r dp a r ti sa p p l i c a t i o ns o f t w

21、 a r e T h i sp a r ti sr e l a t e dt ot h ed e v i c e Sf u n c t i o n s T h ed e s i g np r i n c i p l ei st h a tt h ef i r s tt W Op a r t sp r o v i d eam u l t i-t a s k i n ge n v i r o n m e n ta n dn e t w o r kf u n c t i o n a l i t i e sw h i c hi sag o o db a s ef o rt h et h i r dp

22、a r t T h ed e v e l o p e rn e e do n l yt ob ef o c u s e di nt h ed e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o ns o f t w a r eK e y w o r d sH o m eN e t w o r kC o n t r o l l e r，E M I T，T a s kM a n a g e r，T C P I P上海交通大学硕士学位论文第一章绪论网络信息化社区和家庭智能化的建设已经被列入我国数字化城市发展战略的重要部分。国家建设部制定了网络信息化智能住宅小区规划与设

23、计的技术导则。这对于提高人民的生活水平与生活质量，将科技成果的先进性和科技转化为生产力，探索2 1 世纪初期(2 0 0 1 年一2 0 0 5 年)我国大众住宅产业智能化建设方向，开拓我国住宅智能化网络技术体系、设备产业体系及资源共享体系，培育国民经济快速、高效、健康、持续发展的新的经济增长点有非常重要的作用和意义。住宅小区智能化是一个非常大而长期的系统工程，它牵涉到现代信息传输技术、网络技术和信息集成技术，包括安全防范、信息管理和信息网络等予系统。小区智能化主要体现在三个方面，即：物业管理与公共安全防范、通讯网络与信息服务，以及家庭安全、自动化和通讯网络接口。设置这三个方面的智能化功能的出

24、发点，就是使小区内每一个家庭都能体会到这些功能所带来的益处和保障，感受到在智能小区环境下，家庭与系统网络、信息和自动化功能之间存在着密切的联系和相关性，体现出以“家”为本的规划与设计思想。1 1 课题背景本论文的科研背景是课题组与上海某通信设备公司的合作科研项目：采用网络和嵌入技术，开发和研制一种智能小区用的家庭智能网关系统，来很好地实现家庭的安全防范、自动化和网络化的功能。论文偏重于新技术的应用和开发，同时要求提出一些新的技术方案来解决技术实现过程中的一些关键问题。根据建设部的技术导则，要符合以下一些要求：1 先进性。避免因技术陈旧造成整个系统性能不高和过早淘汰。2 实用性。在充分考虑先进性

25、的同时，应立足于用户的具体需求，优先选择先进、适用、成熟技术，最大限度地发挥投资效益。3 开放性。可实现设备资源和信息资源的共享，并提供标准接口。优先根据国际标准设计和生产。4 可升级性。随着社会的不断发展和进步，小区智能化程度的不断提高，用户可根据需求，对系统进行拓展或升级。上海交通大学硕士学位论文1 2 本课题采用的技术和方法针对课题要求，作者采用了一些有针对性的技术和方法，在这里先简单地作一下提炼和概括，以后在相关章节中都会详细地加以分析和论述。1 在家庭网络化控制器中应用了以太网和T C P H P 技术，比采用4 8 5 或L O N W O R K S 技术的同类产品有更好的应用和

26、发展前景。在软、硬件上具体实现了该系统，一个完整的接近实用的网络系统已经在运行。这在智能化小区的建设中有相当大的意义。2 硬件设计上采用了S y s t e m O n C l l i p 的A R M R i s e 处理器。与采用一般单片机或专用网络协议处理芯片相比，使性能、功能和系统可扩充性大为增强，集成度太为提高，在实际产品中取得了很好的效果。3 在软件设计上一般对需要实现T C P 口网络功能的应用都采用在购买国外商业化的嵌入式操作系统和T C P S P 协议栈的的基础上自己开发应用层软件。虽然易于开发、调试，但成本高，可维护性差。论文作者有针对性地设计了一个基于小型的任务管理器的

27、多任务实现方案，可移植性强，可扩充性好，并在A R M 处理器上调试成功，解决了“核心技术掌握在谁手中”的问题。4 标准化的网络协议只指出“是什么”，而不说“怎么做”，具体实现可以各不相同。论文作者在剖析复杂的网络协议的基础上，经过裁减，设计了一种适合于“嵌入”的网络协议实现方法，并联网成功。1 3 技术和应用上的比较目前国内在小区智能化的产品中一般都采用4 8 5 总线的方式，它的最大特点是成本低，应用较早。但是，因为4 8 5 标准只规定了电气接口上的标准而没有规定一种4 8 5 溅上使用的数据传输协议，所以需要由设计者自己定义一套数据传输协议。其结果是：一、缺乏开放性，二、网络性能与设计

28、的协议的好坏有非常大的关系。另外，4 8 5 总线标准规定了总线上负载数最多为3 2 个，数据传输速率为9 6 0 0 波特率时最远传输距离是1 2 0 0 m。并且网络拓扑结构只能是总线结构。这些都限制了采用4 8 5 总线技术的产品在具体工程中的应用和实际使用效果，如可维护性和故障率等。虽然有的芯片厂商设计了增强型的4 8 5收发器，使总线负载最多可达到2 5 6 个，但也只能解决一部分的问题。这种技术在新加坡使用的也比较多。还有一种是L o n w o r k s 技术【3 7】，它是美国E c h e l o n 公司的专利技术。这种技术可支持多种传输介质和多种拓扑结构，采用C S M

29、 A 介质访问技术，并由E c h e l o n9上海交通大学硕士学位论文公司开发了符合I S o O S I7 层网络互联模型的L o n t a l k 协议。这种技术被广泛地用于智能大厦。国内有些公司正把这种技术引入到国内的小区智能化产品中。虽然M o t o r o l a 等公司也与E c h e l o n 公司合作，提供某些基于L o n w o r k s 技术的产品，但生产基于L o n w o r k s 技术的产品需获得E c h e l o n 公司的授权因而开放性不是很好，成本也较高。而且L o n w o r k s 技术也主要用于于网络控制，用网络变量来实现控制

30、功能，要实现家庭监控(图像传输)等功能较为困难。国外在小区智能化方面与国内略有不同，比较注重于家庭内部联网，这是因为一些发达国家住房条件较好，常常是单户单楼，象国内这样需要小区联网的情况不多(新加坡在这方面与国内较相似)。国外有采用基于电力线传输的x 1 0技术的，它适合于家庭内部的自动控制，实现一些家电开关和定时的简单功能，成本较低。因为基于电力线传输控制信号，所以在实际应用中，由于布线不好或易受干扰，常会发生问题。国外有公司也正在最新开发基于无线(蓝牙、8 0 2 1 1等)技术实现家庭内部联网，但目前成本不适合在国内推广。我们的设计中选用了T C P f l P 技术，以以太网作为网络接

31、口。这是因为随着网络应用的普及和网络基础设施建设的加快，许多新建小区都建成了宽带I P网，比如中国电信的A D S L、有线网络的C a b l e M o d e m、长城宽带的宽带口网。这些宽带I P 网都支持I P 协议并以以太网作为提供给用户的网络接入接口。这样我们在进行小区智能化的建设时就可充分利用这些小区的宽带球网作为数据和信息传输的承载通道，而不必专门去建设和维护一个专1 3 用于小区智能化的网络。而且由专业的大型网络运营商来建设和维护网络基础设施也利于提高工程的质量和降低网络故障率。另外，利用T C P I P 技术的开放性和i n t e r a c t 上丰富的信息资源可以

32、开发出更多新的功能和应用，这更是采用一些其它技术所无法比拟的。图1 1 是我们所设计的家庭网络控制器应用和组网的示意图。0上海交通大学硕士学位论文安防自动抄表家电控制信息其它功能F i g u r e1 1T h eN e t w o r k i n ga n dA p p l i c a t i o no f H o m eN e t v c o r kC o n t r o l l e r图L1 家庭网络控制器的组网和应用示意图从图1 1 中可以看出家庭网络控制器通过T C P 佃技术把家庭、小区、社会联系在了一起，具有安防、自动抄表、家电控制、信息获取(如小区通告、股票查询)等多种功能。

33、通过家庭网络控制器与I n t e m e t 连接，住户报警可与公共安全网联动，公用事业单位可以进行远程抄表和结算，住户可以从远程通过I n t e m e t 网或通过无线W A P 方式进行遥控。小区也可以通过它实现信息化和网络化管理。上晦交通大学硕士学位论文1 4 本文的内容和结构本论文主要是针对如何从软、硬件上实现家庭网络控制器来论述的。因为家庭智能化还处于刚刚起步阶段，很多需求和实现方式还未最终确定，需要从成本、成熟性和实用性方面考虑。比如蓝牙接口，目前离实用化还有一段距离，现在使用的安防传感器、家电、计量表还没有该接口，所以目前还采用有线接口的方式。也就是说，在一些比较超前的功能

34、上，采用今后可扩充的方式。这也符合建设部在技术导则中指出的小区智能化分级实施，根据实际情况发展的原则。最终的家庭网络控制器可能会包括网络、控制、无线、语音图像的编解码等多种技术，我们的研制刚是一个开头，无法在人力和物力有限的情况下一步到位，限于一令人的能力也无法在短时间内把各个方面都做的尽善尽美。第一步是完成一个可扩充的软、硬件平台，主要以实现网络功能为主，并实现一些实用的功能。以后再视实际需求增加如蓝牙接口等功能。第一章的绪论介绍了课题的研究背景小区智能化及家庭智能化中，D 一一家庭网络控制器的应用，并讨论了目前国内外的一些发展情况和我们所采用的方案和技术的特点。第二章对家庭网络控制器的硬件

35、结构，关键的芯片及在实际中的使用方法作了介绍。第三章对家庭网络控制器的关键部分基于多任务处理的嵌入式网络系统的整体软件框架作了描述。第四章介绍了家庭网络控制器中嵌入式软件的多任务处理的核心任务管理器及其在具体实现时所涉及的任务管理、缓冲区管理和定时管理等作了详细介绍。第五章对家庭网络控制器中每个网络功能模块的实现作了详细介绍。第六章介绍了家庭网络控制器中实现具体功能的应用层软件及一些实际测试和使用情况。上海交通大学硕士学位论文第二章基于A R M 的家庭网络控制器的硬件设计目前，我们设计家庭网络控制器被应用于智能化小区中。这种家庭网络控制器的功能可以涵盖家庭自动化，信息化，语音、视频通信功能，

36、家庭无线网络(如蓝牙)，成为家庭的智能化和网络化的中心。可能它的功能都可以由家用电脑来实现，但它却无法用家用电脑来代替。首先它的功能专门是面向家庭智能化的，因而更加易于操作，就象使用普通的家用电器一样，适合各种层次的人使用。家用电脑的功能是通用型的，而且对使用者的要求比较高，一般人需要经过专门地学习才能熟练掌握。其次它的功耗(仅零点几瓦)和体积(比电话机稍小)远比家用电脑要小，非常容易安装。这种家庭网络化设备集自动化技术、网络技术、多媒体技术于一体，完善的和能够被大众接受的功能需要进一步开发。目前我们设计并完成了具备基本功能的并可扩充的软、硬件实现了家庭智能化和网络化的基本的功能：家庭安防，水

37、、电、煤气表的远程抄送，以及某些家电的联网与远程控制。由于设计时充分考虑了家庭智能化需求的多样性，因而整个硬件和软件框架都很容易扩充。一些高级的功能完全可以以目前的硬件和软件为基础扩充。2 1 家庭智能化组网如图2 1 所示，在家庭智能化组网中家庭网络控制器是中心。它连接着家庭内部网络和外部网络出口，对家庭中的一些电子设备进行数据采集和控制。家庭网络控制器的的家庭安防功能是通过从外接的一些传感器传来的信号实现的。这些传感器包括门磁、红外入侵传感器、煤气泄漏传感器、烟感等。这些传感器可阻把感应到的物理量信号与一报警门限作比较，转换成开关信号输出。普通的脉冲式水表、电表、煤气表等可以把使用时的耗用

38、量转换成脉冲信号输出，家庭网络控制器通过对脉冲计数就可以计算出总的耗用量。把电灯、电动窗帘、电饭煲等接到家庭网络控制器的控制输出上，能够对这些家电的执行器进行控制，实现定时开关和网络远控开关。有一些电器是有智能化接口的，这些接口大多采用R S 4 8 5 总线的方式。通过R S 4 8 5 总线家庭网络控制器可以对这些智能电器进行更高级的控制，比如对智能空调设置温度和启停定时。并且一些智能传感器和智能水、电、煤气表也具有R S 4 8 5 的接口，这样就可以通过一根R S 4 8 5 总线管理所有的设备，无需复杂的布线。我们在选择对外的网络接口时采用了1 0 M 以太网的接口。因为目前采用宽带

39、网入户己成为大势所趋。现在普遍采用三种宽带网接入方式：A D S L、C a b l e上海交通大学硕士学位论文M o d e m 和以太网技术。无论采用何种传输技术，最终由用户端设备提供给家庭接入的物理网络接口都是1 0 M 以太网的接口(有的还提供U S B 的接口)。采用1 0 M 以太网接口的原因是因为这种接口在技术上最成熟，有足够的带宽，硬件成本又最低。门磁红外入侵传感器煤气泄漏传感器烟感水电煤表表气表电电电灯动饭窗煲帘F i g u r e2 1T h eF u n c t i o no f t h eH o m eN e t w o r kC o n t r o l l e r图

40、2 1 家庭网络控制器的功能2 2 硬件结构及关键器件智能空调家庭网络化控制器的硬件是一个带有多种接口的微处理器系统。它的结构如图2 2 所示。面板键盘和液晶显示可使用户直接控制和操作。采用点阵液晶显示模块是为了向用户提供提供图形化和汉字的操作界面。上海交通大学硕士学位论文F i g u r e2 2T h eH a r d w a r eo f H o m eN e t w o r kC o n t r o l l e r图2 2 家庭网络控制器的硬件连接宽带网接入设备家庭网绍控制器的硬件核心是一个微控制器和一个以太网控制器。因为我们要把家庭网络控制器设计得尽可能的小型化，所以我们在选择M

41、C U 时以尽可能多的包含一些I o 口和外设功能为标准，同时在处理能力上又要比较强，从而可以在功能上升级。最后我们选择了3 4 1 0。图2 t 3 是3 4 1 0 的功能框图。可以看出它在片内集成了多种功能，是一种S y s t e mO nC h i p 的M C U。这可以使硬件设计省去很多外部逻辑电路和外围功能芯片。我们主要应用了它以下一些特点：1 可以直接利用片内集成的外部地址片选功能，在总线上接存储器等芯片时无需外部地址译码电路。我们的硬件中就利用了芯片上的C S 0-C S 2 来分别作为程序R O M、数据R A M、以太网控制器的片选信号。2 具有多个可编程的I O 口，

42、非常适合作为外部传感器输入，脉冲水、电、煤气表的脉冲输入和执行器控制输出的接口。3 具有内置的U A R T，无需外接如1 6 5 5 0 等串行控制器，只要外接一块R S 4 8 5接口芯片就可实现R S 4 8 5 总线主控制器的功能，控制智能家电设备。4 具有正常、空闲、停止三种工作模式，可以节省功耗。5 具有实时时钟功能，可以提供年、月、日等信息。这对于家电定时功能、告上海交通大学硕士学位论文警记录、定时抄表功能都是非常必要的。6 具有看门狗功能，可使系统受干扰而使程序运行出错时自动复位。3 4 1 0 最具特点的还是它采用的C P U 核，此内核是一个3 2 1 6 位的R I S

43、C 处理器，称为A R M 7 T D M I。它可以工作在3 2 位方式下，也可以工作在1 6 位方式下，因而具有很强的伸缩性。3 4 1 0 的处理能力在4 0 M I P S，还可以提高时钟频率提高处理能力，A R M 内核还支持协处理器，因而用它可以实现目前的功能外，还可以扩充语音和图象的编解码功能。F i g u r e2 33 4 1 0B l o c kD i a 乒a m图2 33 4 1 0 功能框图以太网控制器我们选用了C S 8 9 0 0，它具有I S A 的接口，很容易与3 4 1 0 接口。它可以自动完成以太网地址过滤、C R C 的校验与检测，以太网帧封装等功上海

44、交通大学硕士学位论文能，大大减轻了处理器的工作，简化了软件的设计。图2 4 是它的功能框图。iI l I J 掣斥增：喜聋串r 蟹到7l 颦1 1 l|属菲|I u H l。_ 1 n-lF i g u r e2 4T h eF u n c t i o n a lD i a g r a mo fC S 8 9 0 0图2 4C S 8 90 0 的功能框图图2 5 是家庭网络控制器中C S 8 9 0 0 的外围电路及其与M C U3 4 1 0 的总线上的接法。在此，它工作在1 6 位I O 模式，基地址由3 4 1 0 的C S 2 确定。A l A 3用于寻址C S 8 9 0 0 内部

45、的8 个寄存器。中断输出0 作为3 4 1 0 的中断输入信号。F i g u r e2 5T h eU s a g eo f C S 8 9 0 0i nH o m eN e t w o r kC o n t r o l l e r图2 5C S 8 9 0 0 在家庭网络控制器中的用法上海交通大学硕士学位论文2 3 家庭网络控制器的硬件实物F i g u r e2 6T h eP C Bo f H o m eN e t w o r kC o n l r o l l e r图2 6 家庭网络控制器的电路板F i g u r e2 7T h eP r o d u c to fH o m eN

46、e t w o r kC o n t r o l l e r图2 7 家庭网络控制器的成品图上晦交通大学硕士学位论文第三章家庭网络控制器中嵌入式软件设计框架3 1 基于多任务处理的软件框架实现网络功能会使嵌入式网络系统的程序设计变得复杂。首先是网络协议的复杂性。比如口分组在网络中传输时可能会丢失。为防止这种情况影响数据传输的可靠性，T C P 引入了一种超时重发机制。当发出的数据在规定时间内未收到对方的确认就要重新发送。如果在程序设计中既要考虑正常数据的输出，又要考虑如何来确定在超时之后重发数据，会使程序结构变得复杂。其次是网络连接的并发性。当打开多个T C P 网络连接时，每个连接都有当前的

47、状态和收发数据窗口，需要为每个连接实现超时重发。这种多重连接也会造成程序的复杂性。所以软件设计对于嵌入式网络系统是至关重要的。一个嵌入式网络系统的软件不仅实现网络协议，还要管理硬件设备和接口，完成具体的应用功能。因而设计一个好的软件框架对于方便程序设计，便于软件的扩充和修改，以及可以在多种硬件设备上移植是非常重要的。一般的程序设计大都采用单任务的程序设计方法。这种程序一般由一个主循环和几个处理例程组成。当系统初始化后就进入主循环，主循环依次重复调用各个处理例程来完成所需要的操作。当有外部事件发生时，硬件会向处理器发出中断，当处理器接受中断后会转到相应的中断处理程序，中断处理程序一般被称为I S

48、 R(I n t e r r u p tS e r v i c eR o u t i n e)。中断处理程序会保护中断现场，完成中断处理，恢复被保护的中断现场后返回到中断点继续执行。另外一种方式是采用多任务的程序设计方式。这种方式把整个程序划分成几个相互协作的任务来完成。每个任务都有自己的处理流程，任务和任务之间可以相互交换数据。在任一时刻C P U 只能分配给一个任务，通过一种任务间同步以及任务调度的机制来协调各个任务的运行。从理论上来说，应该可以通过单一程序的方式来实现嵌入式网络系统的所有网络功能和应用程序功能。但从以下几个方面考虑，通过多任务的程序设计方式，把网络软件和应用程序划分为几个

49、任务来实现才是一种较好的方法。因为：1 网络协议软件比较复杂，我们希望把它划分成几个子任务来实现。每个子任务内部流程比较简单。2 每个任务都用来实现一个较完整的功能。通过增加任务或减少任务，可以上海交通大学硕士学位论文使系统实现的功能可多可少，很容易扩充和移植。3 最大限度地使网络部分和应用程序部分分开，更便于软件的编写和管理。采用多任务的程序设计方式，最大的好处是使整个软件的逻辑结构更加清晰。但不可避免地要实现一个多任务支持环境，会引入额外的工作。考虑到这些额外的工作会使网络软件和应用程序的设计的逻辑结构得到简化，使整个软件易于维护和扩充，我们还是采用了多任务的设计方式。一个通过多任务的方式

50、来实现嵌入式网络系统的软件框架大致如图3 1 所币。T a s kM a n a g e rF i g u r e3，1T h eF r a m e w o r ko f E m b e d d e d N e t w o r k A p p l i c a t i o n图3 1 嵌入式网络应用的框架整个程序要实现的功能被划分为几个任务来实现。具体应用要实现的功能可由一个或几个应用程序任务来完成。比如在家庭网络控制器远程抄电表的功能实现中，可以使一个应用程序任务专门对从电表输入的计电量的脉冲进行计数，存入一内存单元作为电表读数，另一个应用程序接收来自管理中心的读表指令，把内存单元中的电表读数