1、基于 S3C2410 的嵌入工情监测系统学士学位论文申请学位级别 工学学士学科专业名称 通信工程姓 名： 夏 磊导 师： 严 锡 君 河海大学计算机及信息工程学院 二七年六月基于 S3C2410 的嵌入工情监测系统摘 要工情信息已是实现防汛抗洪决策的重要根据，是有效解决江河流域及水库洪水预报、防洪调度及水资源合理利用的先进手段，本文通过单片机以及嵌入式软硬件开发技术，并利用 GPRS 无线通信技术，设计并实现了对工情信息的采集和传输显示。工情监测系统有下面几部分组成：移动终端的软硬件开发、中心服务器的软件开发以及开度的视频的及时反映。工情监测端负责将所采集到的数据和现场图片发送到中心服务器。中
2、心站服务端接收各个测站传送过来的数据和图片，做进一步处理后储存到中心站数据库中，供移动终端随时查询。移动终端是整个系统设计的重点，采集分两部分：采用 51 单片机把传感器采集的开度参数信息（数字信息）进行处理，并发送终端进行动态显示并记录数据库。采用基于 S3C2410 的 ARM 开发板和嵌入式 Linux 作为系统平台，采集的视频图象通过扩展串口 GPRS 模块来实现与中心服务器的无线数据传输，把采集的视频信息发送到中心服务器上，并写入数据库，本过程中结合了OV551 的网络摄象头监测。关键词：工情监测 GPRS ARM-S3C2410 嵌入式操作系统 Linux 视频采集与传送基于 S3
3、C2410 的嵌入工情监测系统AbstractThe labor sentiment information already realizes the flood prevention flood-fighting decision-making important basis, was the effective addressing Pacific basin and the reservoir flood forecasting, the flood prevention dispatch and the water resources reasonable use advanced m
4、ethod, this article as well as inserts the type software and hardware development technology through the monolithic integrated circuit, and using the GPRS wireless communication, designed and has realized to labor sentiment information gathering and the transmission demonstration.Under the labor sen
5、timent monitor system has several parts of compositions: The mobile termination software and hardware development, the central server software development as well as opens video frequency the prompt reflection. The labor sentiment monitor end is responsible for the data and the scene picture which w
6、ill gather transmits to the central server. The central station service end receives the data and the picture which each survey station transmits, after do further processes stores up to the central station database in, inquires as necessary for the mobile termination.The mobile termination is the o
7、verall system design key point, gathering divides two parts: Uses 51 monolithic integrated circuits together the sensor opens the parameter information (numerical information) to carry on processing, concurrently delivers the terminal to carry on the dynamic demonstration and the recording database.
8、 Uses and inserts type Linux based on the S3C2410 ARM development board to take the system platform, the gathering video frequency image realizes and the central server wireless data transmission through the expansion string mouth GPRS module, transmits the gathering video information to the central
9、 server on, and reads in the database, in this process unified the OV551 network to absorb likely a monitor.Key words: Labor sentiments monitor GPRS ARM-S3C2410Inserts type operating system Linux Video frequency gathering and transmission基于 S3C2410 的嵌入工情监测系统目 录第一章 概论 .61.1 引言 .61.2 系统实现的技术背景 .61.2.1
10、 单片机及其接口技术 .61.2.2 传感器技术 .71.2.3 嵌入式技术 .71.2.4 GPRS 技术 .8第二章 系统总体设计 .102.1 系统总体构成 .102.2 视频采集系统 .102.2.1 的硬件系统 .102.2.2 中的软件系统 .112.3 开度信息采集与传输实现 .12第三章 系统通信方式 .153.1.1 GPRS 业务 .153.1.2 GPRS 的特点 .153.1.3 TCP/IP.163.1.4 TCP/IP 结构 .16第四章 系统硬件构成设计 .184.1 微控制器及芯片的选型 .184.1.1 AT89C51 微处理器 .184.1.2 ARM 处理
11、器 S3C2410.184.1.3 ULN2803.194.1.4 74HC244 .204.2 控制部分硬件电路设计 .214.2.1 复位电路（看门狗电路） .214.2.2 显示模块 .224.2.3 电容滤波 .224.2.4 RS-232 电平转换电路 .234.2.5. RS-485 电平转换电路 .24第五章 系统软件设计 .255.1 开度数据采集 .255.2 数据处理 .26基于 S3C2410 的嵌入工情监测系统5.3 图像采集处理程序 .275.3.1 图像采集 .275.3.2 图像处理 .285.4数据传送接收 .295.4.1 通信协议的制定 .295.4.2 数
12、据帧的格式 .295.5 显示模块 .30第六章 总结与展望 .30致谢 .30参考文献 .31附录 .31基于 S3C2410 的嵌入工情监测系统第一章 概论1.1 引言工情信息和气象、水文等信息一样是防汛指挥和调度决策的重要依据。在抗御 1998 年我国长江、松花江流域发生的历史罕见大洪水斗争中，党中央、国务院和国家防汛抗旱总指挥部作出了一系列重大决策，确保了 1998 年抗洪抢险斗争的全面胜利。特别是在抗御长江第六次洪峰的紧要关头，在是否启用荆江分洪区的关键时刻，国家防汛抗旱总指挥部进行了科学的分析，作出了正确的判断，党中央、国务院作出了不启用荆江分洪区的正确决策，避免分洪带来的巨大经济
13、损失。在决策过程中，对当时荆江大堤、洪湖、监利江堤、隔河岩水库等工情信息的正确分析和准确判断是重要依据之一。荆江大堤十多年来已按防御 45m 的设计水位进行了加固，大堤在设计水位之上还有 2m 超高。如果沙市洪峰水位达到 45.3m，距堤顶尚有 1.7m 安全超高。荆江大堤经过几十天高水位实际考验，无重大险情。当时长江防守最紧张是洪湖、监利河段堤防，该河段远离荆江分洪区，洪湖、监利大堤已连续经受了五次洪峰的考验，只要继续严防死守是可以战胜洪水的。所有这些工情信息，为防汛指挥决策提供了重要的依据。经过广大军民奋力抗洪抢险，长江第六次洪峰 8 月 17 日通过沙市，水位 45.22m，避免了运用荆
14、江分洪区带来的损失。防汛抗洪好比打仗，是人与洪水、与自然灾害的搏斗，水利工程则是我们手中的武器装备。要想夺取抗洪抢险斗争的胜利，必须对我们手中所拥有的武器装备有一个清晰准确的认识，建立工情信息采集系统势在必行。该系统应实现工情信息(包括文本、静态图表、照片、视频音频信息、电子邮件等)采集、传输、管理的现代化。一个最基本的工情自动测报系统，至少应由若干个遥测站和一个中心站组。其系统运行的基本流程是：遥侧站自动实时采集、暂存和发送开度信息数据 ;中继站以信息再生或模拟方式转发遥侧数据;中心站实时接收遥测数据，并进行存、打印及数据处理;中心站能及时对洪水过程进行预报，做出防洪调度方案 :系统可与用户
15、和其他监控、管理计算机系统及上级计算机管理系统交换信息1.2 系统实现的技术背景1.2.1 单片机及其接口技术 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机是将微处理器，一定容量的 RAM 和ROM 以及 I/O 口，定时器等电路集成在一块芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。 它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了非常便利的条件。同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。基于 S3C2410 的嵌入工情监测系统单片机的应用在后 PC 时代得到了前所未有的发展，但对处理器的综合性能要求也越来越高。RS-23
16、2 接口（又称 EIA RS-232）是目前最常用的一种串行通讯接口。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间 串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个 25 个脚的 DB25 连接器。在 RS-232-C 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻 辑“1” ，-5 -15V；逻辑“0” +5 +15V，在单片机范围内 ,RS232 由于没有负电源,所以使用非常规的接口电平 0-5V。RS232 接口是标准串行接口，其通讯距离小于 15 m，传输速率小于 20 kbs。1.2.2 传感器技术传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工
17、委员会(IEC:International Electro technical Committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号” 。按照Gopel 等的说法是： “传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件” ，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的系统” 。传感器是传感系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。 传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。有两类：有源的和无源的。有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源。无源传感器不能直接转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量或激
18、励能，传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数字的工作。1.2.3 嵌入式技术嵌入式系统是以应用为中心，以半导体技术、控制技术、计算机技术和通讯技术为基础，强调硬件软件的协同性与整合性，软件与硬件可剪裁，适用于应用系统对功能可靠性、成本体积功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，主要作用是实时控制(Control)、监视(Monitor)、管理移动计算机(Management)、数据处理等，或者辅助其它设备运转，完成各种自动化处理的任务。嵌入式系统是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统，对整个
19、系统的体积功耗成本等都有严格的限制，嵌入式系统的设计不同于桌面计算机系统设计的一个方面在于:嵌入式系统非常受限于功能和具体的应用环境，如实时性的要求;对外部事件必须保证在规定时间内进行响应 ;功率预算、散热必须符合环境要求;有体积、重量的限制;需要令人满意的安全性可靠性;系统本身的成本需求等。基于 S3C2410 的嵌入工情监测系统而嵌入式操作系统的发展正在朝着一个标准化的方向发展。早期很多嵌入式操作系统都是非标准的操作系统。对于针对比较狭窄领域，尤其是使用带有非常有限资源的微控制器来说，这是一个很正常的现象。操作系统中最基本的操作是建立一个带有能够处理关键实时事件的中断服务程序的简单后台循环
20、代码，过程非常简单，但却是相当出色。然而，当项目增大，很多问题就随之产生。后台循环所需要的响应时间取决于循环次数最多所用的时间。当循环次数增多，所需要的时间就会增多，可预测的力一面就减少。此时有用的力一法就是将这些后台循环分成很多小部分，但这可能皆致产生更复杂的系统而难于调试和维护。嵌入式操作系统具有以下特点:1 上下文切换(Context Switching)： 多任务系统中，上下文切换是指 CPU的控制权由运行任务转移到另外一个就绪任务时所发生的事件，当前运行任务转为就绪(或者挂起、删除)状态，另一个被选定的就绪任务成为当前任务。上下文切换包括保存当前任务的运行环境，恢复将要运行任务的运行
21、环境。上下文的内容依赖于具体的 CPU。2.确定性(Deterministic)：实时操作系统中，在一定的条件下，系统调用的运行时间可以预测。这并不是指所有系统调用都总是执行一个固定长度的时间，而是指不论系统负载如何，系统调用的最大执行时间可以确定。3.优先级调度(Priority Schedule)： 采用优先级调度方法，是当前大多数操作系统所具备的基本要素。通过给任务设置一定的优先级，来实现多任务的实时调度，这样极大地提高了操作系统的效率，使得系统资源分配、使用、回收更加合理。在优先级调度中涉及到了许多嵌入式系统效率的相关概念，如:优先级驱动(Priority-Driven)、优先级反转(
22、、优先级继承等。4.中断机制(Interrupt Mechanism)： 中断机制的引入是提高嵌入式系统实时性的另一重要方式。嵌入式操作系统中采用的中断技术与传统操作系统中采用的中断技术并不太大的区别。传统的中断概念，如:中断嵌套，中断向量，中断延迟等都在嵌入式操作系统中得到了有效地应用。5.实时执行体(Real-Time Executive)：实时执行程序包括一套支持实时系统所必需的机制。如多任务支持，CPU 调度，通信和存储分配。在嵌入式应用中，这一套机制被称为实时执行体或实时操作系统内核。编程者以实时执行体为基础来构造自己应用。6.可裁剪的体系结构(Scalable Architectu
23、re)：可裁剪的体系结构是指一个软件系统能够支持多种应用而无需在接口做很大的变动。因此，开发出成木低、品种多的产品。1.2.4 GPRS 技术GPRS 的英文全称为 General Packet Radio Service，中文含义为通用分组无线服务，它是利用“包交换” （Packet-Switched）的概念所发展出的一套无线传输方式。所谓的包交换就是将 Date 封装成许多独立的封包，再将这些封包一个一个传送出去，形式上有点类似于寄包裹，采用包交换的好处是只有在有资料需要传送时才会占用频宽，而且可以以传输的资料量计价，这对用户来说是比较合理的计费方式，因为像 Internet 这类的数据传
24、输大多数的时间频宽是间置基于 S3C2410 的嵌入工情监测系统的。此外，在 GSM phase 2+的标准里，GPRS 可以提供四种不同的编码方式，这些编码方式也分别提供不同的错误保护（Error Protection）能力。利用四种不同的编码方式可提供的传输速率为 CS-1（9.05K） 、CS-2（13.4K） 、CS-3（15.6K）及 CS-4（21.4K） ，其中 CS-1 的保护最为严密，CS-4 则是完全未加以任何保护。每个用户最多可同时使用八个时槽，所以 GPRS 号称最高传输速率为 171.2K。GPRS 是一种新的 GSM 数据业务，它在移动用户和数据网络之间提供一种连接
25、，给移动用户提供高速无线 IP 和 X.25 分组数据接入服务。GPRS 采用分组交换技术，它可以让多个用户共享某些固定的信道资源。如果把空中接口上的 TDMA 帧中的 8 个时隙都用来传送数据，那么数据速率最高可达164kb8。GSM 空中接口的信道资源既可以被话音占用，也可以被 GPRS 数据业务占用。当然在信道充足的条件下，可以把一些信道定义为 GPRS 专用信道。1.3 本文研究的主要内容本系统采用多传感器工情数据采集系统，包括开度和视频信息，利用MCS-51 单片机和 S3C2410 处理采集后的现场开度及视频信息。并具有 RS232与 GPRS 数据终端接口发送到信息中心，采用固定
26、 IP 地址点对点的通信方式发布到以太网上。如图 1.1 为总体设计方案图。图 1.1 总体设计方案结构图 基于 S3C2410 的嵌入工情监测系统第二章 系统总体设计2.1 系统总体构成本系统实现两大功能，一：闸门开度的动态显示。二：闸门的视频信息的即时显示。由开度信息采集站、通信系统、信息接收处理软件及辅助系统组成。而终端部分由信息采集站由闸位传感器，视频摄像头和相应传感器和安装工程组成。通讯系统根据信息采集站与调度控制中心距离的远近选用无线或有线通讯方式。信息接收处理软件运行于调度控制中心内，控制接收实时水文数据，并对数据进行检查、整理、计算、显示并存储于数据库内，供控制中心或更高一级防洪调度辅助决策系统使用。2.2 视频采集系统2.2.1 的硬件系统本文使用的系统平台硬件功能框图如图 所示。该平台采嵌入式微处理器S3C2410。该处理器内部集成了 ARM 公司 ARM920T 处理器核的 32 位微控制器,资源丰富，带独立的 16KB 指令 Cache 和 16KB 数据 Cache、LCD 控制器、RAM 控制器、NAND 闪存控制器、3 路 UART、4 路 DMA、4 路带 PWM 的 Timer、并行 I/O 口、8 路 10 位 ADC、Touch Screen 接口、I2C 接口、I2S 接口、2 个 USB
