嵌入式網絡監控系統的研究

摘要：無線數據傳輸現在廣泛地運用在各種控制領域。該系統中采用由無線收發芯片nRF401配合外圍電路的射頻模塊來完成數據的傳輸；通過對Bootloader硬件的初始化后，實現將μClinux裁減并移植到S3C44BO中，最后用嵌入式處理器程序來實現對傳輸數據的處理和存儲、網絡通信、外部控制等任務。經過測試通信距離為80m，無線通信最高速率可達到20Kb／s。
關鍵詞：μClinux；無線數據傳輸；Bootloader；無線通信

0 引言
無線數據傳輸現在廣泛地運用在車輛監控、遙控、小型無線網絡、小型無線數據終端等領域中，無線數據傳輸主要由數據終端機、主機和主控制機組成，主控制機與主機間用串行口通信，主機和數據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據終端機，終端機通過射頻模塊進行無線數據傳輸，主控制機與數據終端的通信轉化為主控制機與主機串口(UA RT)間的通信以及數據終端通過無線數傳模塊和主機之間的數據傳輸，在此基礎上形成了無線分布式傳感／控制網絡(Wireless Distribution ed Sensor／Control Networks，WDSCN)的處理機的軟硬件系統搭建。無線數據傳輸的處理系統采用嵌入式系統輔以適當無線數傳模塊來實現。系統中用射頻模塊來完成數據的傳輸，用嵌入式系統來實現對傳輸數據的處理和存儲、網絡通信、外部控制等任務。

1 射頻模塊的設計
射頻模塊的主要功能由無線收發芯片nRF401配合外圍電路完成，該模塊內部結構分為發射電路、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。
發射電路有射頻功率放大器(PA)、鎖相環(PLL)、壓控振蕩器(VCO)、頻率合成器等。基準振蕩器采用外接晶體振蕩器產生電路所需的基準頻率，振蕩電路采用鎖相環方式，由在DDS基礎上的頻率合成器、外接的無源回路濾波器和壓控振蕩器組成，壓控振蕩器由片內的振蕩電路和外接的LC諧振回路組成，要發射的數據通過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解調器、濾波器等電路組成，中頻放大器的輸出信號經過中頻濾波器后送入GFSK解調器解調，解調后的數字信號在DOUT端輸出。
芯片內包含有發射功率放大器、低噪聲接收放大器、晶體振蕩器、鎖相環、壓控振蕩器、混頻器等電路，工作頻率為ISM頻段433 MHz，采用FSK調制解調、晶體振蕩和PLL頻率合成技術，接收靈敏度為-105 dBm，發射功率為10 dBm，待機狀態電流消耗僅10μA。在接收模式中，射頻輸入信號被低噪聲放大器放大，經由混頻器變換，在送入解調器之前被放大和濾波，解調后的數字信號在DOUT端輸出。在發射模式中，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
一般而言，嵌入式系統的構架可以分為4個部分：處理器、存儲器、輸入／輸出(I／O)和軟件。嵌入式系統是軟件和硬件的綜合體，它是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟、硬件皆可以裁剪，從而能夠適應于工業和服務領域實際應用中。
由于μClinux在設計時就已經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編譯器能產生可重入代碼。
(2)用C語言就可以打開和關閉中斷。
(3)處理器支持中斷，并且能產生定時中斷(通常在10～100 Hz之間)。
(4)處理器支持能夠容納一定量數據(可能是幾千字節)的硬件堆棧。
2．1 Bootloader的工作
Bootloader就是在操作系統內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備、建立內存空間的映射圖，從而將系統的軟硬件環境帶到一個合適的狀態，以便為最終調用操作系統內核準備好正確的環境。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。系統上電或復位后，程序從位于地址0x0的Reset Exception Vector處開始執行，因此需要在這里放置Bootloader的第一條指令：b ResetHandler，跳轉到標號為ResetHandler處進行第一階段的硬件初始化，主要內容為：關Watchdog Timer，關中斷，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中把它設置為64 MHz；這實際上就是處理器的工作主頻，這個時間參數在第二階段計算SDRAM的刷新計數值和UART的波特率等參數時還要用到。
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內核發生聯系關鍵的地方之一。即使μClinux內核已經得到處理器的控制權運行，一旦發生中斷，處理器還是會自動跳轉到從0x0地址開始的第一級異常中斷矢量表中的某個表項(依據于中斷類型)處讀取指令運行。在編寫Bootloader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指令就可以。這樣，就能夠正確地將發生的事件交給μClinux的中斷處理程序來處理。對于μClinux內核，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執行的全過程中都不必響應中斷，那么上面的設置已能滿足要求。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，引導過程中由Bootloader將其復制到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，解壓結束后會在／home／下生成μClinux-dist目錄。