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(yùn)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(shí)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(shí)現(xiàn)對傳輸數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)、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(dá)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(yùn)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(jī)、主機(jī)和主控制機(jī)組成，主控制機(jī)與主機(jī)間用串行口通信，主機(jī)和數(shù)據(jù)終端機(jī)之間通過射頻模塊進(jìn)行通信。
傳感器采集信號后傳給數(shù)據(jù)終端機(jī)，終端機(jī)通過射頻模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，主控制機(jī)與數(shù)據(jù)終端的通信轉(zhuǎn)化為主控制機(jī)與主機(jī)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(jī)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(jī)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(shí)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(shí)現(xiàn)對傳輸數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)通信、外部控制等任務(wù)。

1 射頻模塊的設(shè)計(jì)
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(gè)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(jī)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(gè)部分：處理器、存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)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(jì)時(shí)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(yùn)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(shí)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(yùn)行之前運(yùn)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(gè)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(gè)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(jìn)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(shí)鐘，初始化存儲(chǔ)器控制器。比較重要的是PLL的輸出頻率要計(jì)算正確，ARMSYS中把它設(shè)置為64 MHz；這實(shí)際上就是處理器的工作主頻，這個(gè)時(shí)間參數(shù)在第二階段計(jì)算SDRAM的刷新計(jì)數(shù)值和UART的波特率等參數(shù)時(shí)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(yùn)行，一旦發(fā)生中斷，處理器還是會(huì)自動(dòng)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(gè)表項(xiàng)(依據(jù)于中斷類型)處讀取指令運(yùn)行。在編寫B(tài)ootloader時(shí)，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(yùn)行解壓命令：tar xvzfμClinux-ARMSYS-20040801． tar．gz，解壓結(jié)束后會(huì)在／home／下生成μClinux-dist目錄。