嵌入式计算机系统模块（精选9篇）
嵌入式计算机系统模块 篇1
摘要：计算机系统的嵌入式设计, 是建立在雷达终端模块化基础之上。它的系统结构、功能模块的开发提供一种面向雷达终端需求, 并可以为未来发展扩充的嵌入式计算机模块。介绍了基于EBC356的嵌入式计算机模块的开发 (同时向下兼容基于PC104的486/586) 。
关键词：模块化设计,嵌入式计算机
1 概述
现代战争对雷达性能提出了高的要求, 随着数字处理速度的迅速提高, 指挥、控制、通讯能力的加强, 硬件成本和尺寸的大幅度减少, 雷达终端数据处理和通讯中使用的计算机将发生革命性的变革, 嵌入式计算机模块的开发势在必行。
嵌入式计算机模块, 是根据雷达终端系统的数据处理和通讯对计算机的需求, 按照雷达设计规范自行开发的。外购处理器以功能模块形式插入标准的插件上, 和插件上的外围电路组成嵌入式计算机模块, 成为雷达终端系统的数据处理和通讯插件。嵌入式计算机模块的使用因减少了机柜间大量的连接线和中间转接过程, 从而保证了终端系统的整体性和可靠性;不可忽视的是模块化的使用, 在缩短新产品研制周期的同时也减少了调试工作量, 增加了不同雷达终端间的功能插件可更换性。
2 模块化设计
首先它作为一个模块, 在设计中必须考虑如何尽可能满足大多数雷达终端系统的技术要求:
2.1它要接收检测录取设备送来的点迹数据, 通常要完成几乎上万个点迹的计算和过滤, 要对上千条航迹进行编批与跟踪, 所以对处理器速度提出了较高的要求, 我们选择Pentium II 333MHz (CPU) 。用测试软件Passmark在WIN98环境下测试CPU运算速度, 可以满足要求。
2.2终端系统完成点、航迹处理后, 还要I/O通讯, 将目标轨迹和参数加以上报, 根据需要, 还要能向检测录取器提供检测与跟踪需要的控制信息, 有的还承担多站的数据综合任务, 因此该模块还必须包括I/O部分。
2.3我们目前研发的雷达, 其终端系统插件均采用210芯标准结构 (220mm×233mm) , 在这样一块印制板上要包含处理器和I/O, 对处理器本身的小型化结构提出了较高的要求。基于上述需求分析, 嵌入式计算机模块采用标准210芯插件板结构形式, 功能上包含二部分:处理器和外围I/O部分。
处理器选用EBC356, 结构尺寸:145mm (W) ×102mm (D) (3.5"FDD From Factor) ;CPU为Pentium II 333MHz, 128MB内存, 显示控制器、网络、PS/2、USB、2串1并口等全部ALL IN ONG;同时EBC356向下完全兼容基于PC104的486/586。EBC356作为一个功能块直接接插在210芯插件板上, 和插件板上的外围I/O部分组成为嵌入式计算机模块。
3 模块实现
计算机模块包括两部分:处理器和输入/输出通讯接口, 是根据雷达终端对该模块的功能需求而划分的。处理器是计算机模块的主要组成部分, 其作用是对目标点迹进行相关, 建立航迹, 平滑外推, 将目标参数送数字显示器进行二次显示和情报综合, 通讯上报给指挥系统, 通过人工干预实现半自动录取、手动录取和全自动录取;输入/输出接口用于计算机模块间的通讯, 信号处理后点迹的直接录入, 地图的存储, 整个终端系统的地址译码, 并串口等。
3.1 处理器部分
以嵌入式控制器EBC356 (兼容基于PC104的486/586) 为主体, EBC356是高新技术的名牌产品, 小于Intel笔记本中处理器的结构, 拥有高于笔记本的性能:
CPU:Pentium II 300MHz;
内存:在板内存支持128MB的SDRAM;
显示:C&T69000VGA/Panel控制器, 2MB显存,
支持256 color, 75Hz的CRT到1600×1200,
支持TFT Panel到1280×1024 (支持Windows 95, Windows98, Windows NT 4.0) ;
I/O口:在板含有Intel 82558/100 Base TX, Ethernet网络控制器, 直接支持LAN,
在板1路RS232串口、1路可通过开关选择的RS422/485串口,
在板1路打印机并口,
在板1个PS/2接口 (鼠标和键盘) ,
在板1路USB接口,
具有软、硬驱接口;
Watchdog:1, 2, 4, 8…64秒中断;
固态盘:支持2MB~72MB的M-System固态盘;
外围支持:在板Back up电池和蜂鸣器一个;
电源:供电为单5V, 最大电流为5A, 含软、硬驱供电
3.2 输入/输出部分
三机通讯 (交换数据) :2组字节宽度双口RAM
录取点迹:1组字宽度双口RAM
地图存储:2组CAT28C64
转接插头座:PC104转接, 串并口转接, CRT转接, LAN、PS/II、USB转接
地址分配译码:该模块地址译码, 终端系统系统板级译码
3.3 模块功能。
3.3.1处理器选用EBC356 Pentium II300MHz, 同时兼顾PC104 486/585, 引用信号:16Bit数据总线, 20Bit地址总线, AEN, /SBHE, /IOW, /IOR, /SMEMWE, /SMEMRD, /IOCS16, /MEMCS16, /IOCHRDY, 4个中断IRQ10, IRQ11, IRQ12, IRQ15。3.3.2插件的前面板上引出“CRT接口”, “通讯串口”, “LAN接口”, “PS/II接口”, “USB接口”, 调试时可以很方便使用;同时这些接口和“打印机接口”引到插件210芯标准插头上, 方便系统使用。3.3.3设置2组字节双口RAM, 使该模块具三机通讯功能;设置1组字双口RAM, 使信号处理的点迹直接写入该模块。3.3.4设置2片CAT28C64使该模块有地图存储器功能, 可以建立多幅背景地图, 如高速公路图等, 方便终端系统实现滤除虚警, 提高航迹质量。3.3.5 1片EPLD电路作为该模块译码, 包括“三机通讯”译码, 取“点迹数据”译码, 取“气象数据”译码, 控制“同步串口”译码, 控制“地图存储器”译码, 终端系统“插件级”译码。3.3.6插件前面板上安装一复位开关, 210芯插座也可输入一系统复位信号, 通过选择开关, 作为MAX811 (D2) 的输入, MAX811也具上电复位功能, 最后输出复位信号/RST (a38) 给录取板和检测板等作为系统复位, 计算机板本身也使用该信号。3.3.7 1片85C30的1个串口工作于同/异步方式, 422数据传输 (包括数据收/发, 时钟收/发) 。中断 (INT1) 通过开关 (S6) 挂在EBC356的IRQ15上。
4 应用实例
在我所研制的雷达中, 该计算机模块以其整体结构和性能在多种研制的型号雷达中得以应用, 以XX雷达为例。终端系统应用了两个模块:一个用于数据处理, 它接收雷达的目标点迹信息, 进行坐标变换, 航迹相关, 平滑处理, 判交叉处理, 判机动处理, 最后形成航迹数据;另一个用于外设管理, 控制驱动1个并行接口和8个串行接口, 分别用于打印即、空情上报、主显示器、分现实器、图传设备、监控系统、记录/重演设备、III型询问机等数据通讯。两个模块之间用FIFO进行通讯。
终端录取, 管理计算机框图
结束语
作为自行设计的嵌入式计算机, 从模块的PCB结构尺寸、接口特点到系统的总体性能指标都是根据雷达的需求而设计的。它以良好的性能、紧凑的结构把计算机融进了雷达电子设备中。在雷达应用中, 具有适应性强、应用面宽、可靠性高、结构简单等优点。对于有批量生产的雷达, 采用该设计, 可大大降低成本, 对于新研制的雷达, 采用该模块, 可缩短研制周期。
嵌入式计算机系统模块 篇2
关键词：计算机专业；实践教学体系；嵌入式系统
中图分类号：TP368.1-4文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2013) 06-0000-02
嵌入式系统指的是嵌入进电子设备中的一种专用规定计算机系统。嵌入式系统已经广泛地应用到了工业控制系统和信息家电以及通信设备、医疗相关仪器表等相关领域之中，已经成为了人们生活中非常主要的一种技术。因为社会目前对能够掌握嵌入式基础的人才有着大量的去求，这使得嵌入式的软件工程师逐渐地成为了最近几年非常受欢迎的人才之一。目前，我国各大高校中的电子专业与计算机专业、机电专业都相继的创建了嵌入式系统的相关课程。还有一部分高校开始从计算机和电子等专业中使用嵌入式系统。
1嵌入式系统简介
嵌入式系统相关技术的发展历程，一共分为四个主要阶段。第一阶段是以单芯片作为核心的能够对控制器形式进行编程的系统，第二阶段则是以嵌入式CPU作为基础的，将简单操作系统作为核心的一种嵌入式系统，第三阶段是以嵌入式的操作系统作为标志的一种系统，而第四阶段则是以Internet作为标志的一种嵌入式系统。而现在阶段中的嵌入式系统所涉及的专业内容包括电子信息和计算机、铜芯以及自动控制等，已经具有了很高的综合性，特别是和计算机硬件有着很强的相关性，是硬件与软件设计的优秀结合。嵌入式系统要求从事相关设计与开发的工程师自身的硬件与软件知识要非常的扎实。同时他还是将理论和实践进行紧密结合的一门课程。其实践性和应用性非常强，相关的知识内容也不容易理解，这需要教师通过大量的实验来加强学生对嵌入式系统相关知识的认识。实践在嵌入式系统相关课程中占据着非常重要的部分。
嵌入式系统在实践教学中存在着以下几个特点：（1）基础性（2）实践性（3）综合型（4）创新性。教师在教学的过程中应该充分地重视起实践教学这一环节，加强学生对基础知识的了解，并且着重培养学生自身的动手实践能力和综合应用能力以及创新能力。如果要使学生通过对嵌入式系统课程进行学习来提升自身的知识掌握程度和实际设计能力的话，就一定要经过大量嵌入式系统的实验与实践环节来进行系统性的训练，没有实践环节的嵌入式系统教学实际上只是纸上谈兵。
2计算机专业中嵌入系统方自身特点和定位
近几年来，计算机专业大多都开设了C/C++C程序设计和数据结构和操作系统以及数据库等相关的实践课程，所以大学学校所具有的软件技术的基础都还不错。因为嵌入式系统自身具有很高的计算机硬件关联性，对计算机专业中嵌入式系统这一方向的学生来说，仅仅学习这些技术与相关知识是不行的，应该增设一些硬件方面的相关课程和实践活动，加强学生们对硬件基础知识的学习，并提高学生们自身的实践能力，从而培养学生自身的综合应用能力与创新能力。
嵌入式系统所涉及的内容非常广泛，这就需要学生在一定的时间内将各个方面的知识内容进行掌握并熟练运用，但是这对学生来说是非常困难的。所以教师应该给学生打好学习的基础，将重点内容重点讲解。从我国的各大软件公司中可以看出，公司中的嵌入式系统这一方向的硬件与软件相关开发工作一般是分组进行的，特别是在嵌入式系统中的第三阶段与第四阶段更应该如此。所以，计算机专业中的嵌入式系统这一方向的专业学生应该首先应该熟练地掌握硬件的基础知识，然后再将软件知识作为重点进行学习。教师则应该加强对嵌入式系统中的接口驱动程序和系统软件以及应用软件的开发和设计能力进行培养。在实践的体系中应该着重培养学生们自身的综合开发能力与实际动手能力以及创新能力。
3计算机专业中嵌入式系统这一方向的实践教学体系
从2005年开始，我国的教学理念逐渐的从传授知识转变到教会学生学习知识，后来又转变为素质教育，最终到现在的创新能力培养，其主要的目的都是夯实基础知识，突出重点内容，提高学生自身的动手能力与实践能力以及综合创新能力。并且充分地对计算机专业中嵌入式系统这一方向的相关课程环节之间的关系进行考虑，从整体方面对各个实验与实践课程内容进行协调划分与优化。与此同时，教育机构还将我国大学生的创新性实践计划与大学生竞赛以及科研实践进行结合，从而对计算机专业中嵌入式系统这一方向的相关实践体系进行综合设计。在保留原来计算机软件对应的必修课程实验与实践的同时，将实验与实践的内容进行扩充与增加，并建立起计算机专业中嵌入式系统这一方向的总体实践体系。其实践体系可以明确地划分成三个层次与四个类型，详细内容如下：
3.1建立基础层和应用层以及提高层共存的多层次实践相关体系
根据教学的要求与学科技术的相关发展，建立起一套正确且合理的实践体系已经成为了实践教学的主要内容。在教学的实践体系中，教师应该将夯实硬件基础和突出学习嵌入式系统中的软件开发作为重点，并且根据不同层次来设立实验与实践课程。最后将实践划分成基础层和应用层以及提高层三个层次
（1）基础层实验
基础层实验是在原有的软件必修课程中的实践基础之上，增加数字电路与计算机组成原理以及电路分析基础等相关课程。基础层实验的重点主要是学习与验证嵌入式的系统技术具有的基本原理，并且掌握嵌入式相关实验中的基本技能。
（2）应用层实验
应用层实验包括了“单片机原理和应用”和“DSP原理和应用”以及“数据采集相关技术”等具有较强应用性的相应的实验。应用层实验主要是培养学生自身的综合应用能力与初步分析问题及解决问题的能力。
（3）提高层实验
提高层实验是针对我国在大学生中推出的一些创新性实验相关计划和大学生竞赛以及对嵌入式系统非常感兴趣的学生来开设的。它包括了大学生创新性相关实验项目和大学生竞赛相关题目以及教师科研相关实验项目，这些实验项目和实验大多都是由学生自己组织的小组在课余时间进行的。提高层实验可以有效地增强学生独立思考问题和解决问题的能力以及创新能力。
3.2建立并且完善实验与实验环境
实验与实验环境是整个实践活动的保障，实验与实践环境中的硬件设备和软件资源在教学过程中使非常重要的。嵌入式系统所涉及的相关实验设备种类很多，并且耗资巨大，专用性特点明显。如果仅仅是依靠学校自己的投资，是很难满足现在多层次的实践教学所规定的要求的。所以，增加学校在教学设备方面的投资金额，并且扩建及充实相关的实验设备，同时调动教师对实验的相关设备进行研发，已经成为了提高我国各大院校中嵌入式系统教学的教学效率的重要途径。
3.3扩充与优化实验内容
根据学科的技术发展情况对实验的内容进行及时地扩从和优化可以有效的避免实验内容过于陈旧并且与实际应用脱节的相关问题出现，从而保证实践内容具有先进性与应用性的特点。教师可以在嵌入式系统的相关教学中加入MP3和视频播放以网络浏览器等相关实验设计项目，这样可以丰富实验的内容，使学习到的实验技术更加实用，同时提高教学质量。
4实践教学方法的改革
为了提高学生自身的实践能力，教师应该配合多层次的教学模式，对嵌入式系统这一方向中的教学方法进行一系列的改革和探索。主要的措施有以下几方面：
4.1增强学生在实验中的自主性
在嵌入式系统的实验教学过程中，教师应该转变学生在实验中的学习观念，充分地调动起学生自身的积极性，使学生从被动学习转变为主动学习。教师在实验中应该主动放权，将实验的主动权转交给学生，而教师仅仅作为一个启发者和引导者存在。这样可以使学生在探索和解决问题的过程中获得成就感，从而提高学生自身的学习积极性。
4.2建立开放性实验室
传统的验证型的和设计型的实验可以在规定的实验时间内完成，但是现在这种具有综合性与创造性特点的实验给学生提出了更严格的要求，这就导致了学生没有足够的时间完成实验，所以传统的封闭式的实验室已经无法满足现在新的教学需要。教师应该建立起开放性的实验室，打破传统的统一时间进行实验的方式，使学生在任何时间都能进行相关的实验，从而更详细地研究实验结果。
5结语
随着世界的不断发展，社会对人才的需求正在不断地提高，以往传统的教学模式也无法满足学生的课堂要求。所以叫教学模式进行改革创新已经成为了我国各大教育机构应该首要完成的任务。在计算机教学中，只有相关工作人员在算计专业的嵌入式系统这一方向建立起系统并且完整的实践体系，才能有效地提高教学质量，为社会培养出高能力高素质的人才。
参考文献：
[1]凌明圆,刘子昊,时龙兴.关于嵌入式系统课程教学过程中几个问题的思考[J].电气电子教学学报,2009(01).
[2]王建萍,费跃农,王燕瑜.嵌入式系统“边干边学”教学模式探究[J].电气电子教学学报,2009(05).
[3]魏语嫣,宋海玉,王玲芬.嵌入式系统课群的教学实践--以软件工程专业为例[J].大连民族学院学报,2009(03).
[4]权宁一,权晓林,赵敏云.嵌入式系统专业实验教学改革的探索与实践[J].实验技术与管理,2011(10).
[5]章民融,徐亚锋,刘文刀.嵌入式教学关键点的研究和嵌入式实验教学平台的设计[J].计算机应用与软件,2009(03).
[6]徐慧忠,金悠敏,曲元平.“三点一线”教学方法在“嵌入式系统”课程中的应用[J].计算机教育,2009(10).
[作者简介]杨妍（1981.10-），女，辽宁沈阳人，工作单位：西藏警官高等专科学校，职称：讲师；学位：学士学位；研究方向：计算机。
凌华科技ETX嵌入式模块计算机 篇3
凌华科技推出嵌入式模块计算机系列最新成员ETX-CV, 搭载支持32nm制程技术的IntelRAtomTM双核处理器与NM10高速芯片组, 其功耗远低于上一代ETX规格模块计算机, 并可以取代以往较低端与老旧的产品。ETX-CV的推出代表着凌华科技履行了其对ETX客户群持续开发产品的承诺。
ETX-CV定位为入门级ETX嵌入式模块计算机, 可进行VGA显示器输出最高可达WUXGA 1920 x1200分辨率, 并且支持单/双信道18/24位LVDS、及Display Port图像输出接口, 不论是针对一般系统或是着重图像功能的系统, 都能完全满足客户需求。其应用领域包括:医疗诊断与显影设备、游戏机台、工业自动化与量测设备、销售点管理系统 (POS) 、工业控制设备等。
ETX-CV采用与IntelRCore TM2 Duo相同架构的双核心IntelRAtom TMN2000及D2000系列处理器, 体积更小, 并且支持IntelR超线程技术 (IntelRHyper-Threading Technology) , 提供多任务运算能力。由于具备优异的散热设计与高性能处理器的特性, ETX-CV可提供相对于其他低功耗模块更好的性能表现。
ETX-CV符合ETXR最新版本3.02规格, 备有两个Serial ATA (SATA) 端口, 也与之前的ETXR版本兼容, 因此客户使用此模块在已有的ETXR载板时, 不需要经过任何修正, 即可支持SATA储存功能。ETX-CV具备在单个SODIMM插槽上支持最多4 GB的DDR3内存、IntelR10/100BASE-T以太网络端口、两个IDE PATA通道、一个双端口SATA控制器、四个USB 2.0接口、两个串行端口、一个与FDD共享的并列接口 (SPP/ECP/EPP) 、一个PS/2端口与HD Audio。ETX-CV通过高速PCITM/ISA bridge完全支持PCI?与ISA接口, 同时也配有AMI Aptio BIOS, 可支持嵌入式功能包括远程维护、CMOS备份、CPU与系统监控, 及Watchdog控制器等。
嵌入式计算机系统模块 篇4
【关键词】 计算机联锁 数据采集 MCU模块
一、联锁系统的发展
目前，我国铁路车站信号控制普遍采用继电式6502电气集中控制，该系统是二十世纪六十年代在我国鉴定并推广的技术，全部的逻辑控制均采用安全型继电器，其系统至今仍在我国铁路站场控制中发挥着巨大的作用。但经过多年的运行和发展，该设备己显出了很多弊病，如：体积庞大、效率低下、故障定位难、维修不方便等。为保证站内行车安全，提高铁路运输效率，改善行车人员劳动条件，对铁路信号控制提出了更加高效、安全、可靠的要求。随着计算机技术的飞速发展以及可靠性和安全性理论的新进展，铁路信号联锁系统在不断地更新和发展，其发展过程已经经历了机械联锁、机电联锁和继电集中联锁几个阶段，目前正逐步取代集中联锁系统。本文对该系统的实现方案中的关键技术进行设计和研究。
二、计算机联锁系统结构和系统构成
所谓计算机联锁系统，即采用计算机技术组成的车站信号自动控制系统。其以进路、道岔、信号为控制对象，由计算机系统来实现进路、道岔、信号之间的联锁，按列车运行和调车作业的要求，自动控制选择进路、转换道岔、开放信号等一系列操作。
计算机联锁系统由硬件设备和软件设备构成。硬件设备包括联锁计算机、安全检验计算机及现场信号机、转辙机、轨道电路等室外设备。软件设备包括：参与联锁运算的车站数据库和联锁逻辑运算的的应用程序。
计算机联锁的操作方法与继电联锁相似，由于它实现了从有接点到无接点的变革，操作人员办理进路时，只需先按进路始端钮，再按进路终端钮即可完成。此时计算机就执行操作输入程序和联锁处理程序。根据输入的按钮代码，从进路矩阵中找出相应的进路，然后检查是否符合选路条件，只有完全满足选路条件后，程序才能转入选路部分。在执行信号开放程序中，是根据运行表区内容，连续不断地检查各项联锁条件，条件满足后信号机才能开放。当列车进入信号机后方，信号机即自动关闭，随着列车的运行，进路可顺序逐段解锁。
三、数据采集板的设计
3.1硬件设计
本数据采集板分为：MCU模块、数据缓存模块、接口分压模块、地址分配模块、干扰滤波模块、电源及串口模块。
设计思想：首先通过接口分压模块完成对外部82路开关量的分压，通过干扰滤波模块滤除高频干扰后接到数据缓存模块，完成数据的外围采集；
地址分配模块通过单片机P2口高3位及138译码器配合作用完成对7片373芯片的选通，7片373芯片的八位输出口通过总线形式与单片机的P0口连接，单片机通过串口与PC机进行通信。传递采集数据。
主要器件选用：8051单片机一片，74373地址锁存芯片7片，138译码器芯片1片。
3.2数据采集模块软件设计
初始化：开辟地址空间Adress[7]，数据空间buff_1[7]，buff_2[7]，设定波特率，串口初始化，定时器初始化；利用定时/计数器T0的方式1，产生50ms的定时等待中断；进入T0中断子程序后先令TR0=0关闭T0中断，如果FLAG为0说明第一次采集数据，经for循环语句取第一组数据放入buff_1中，令TR0=1开定时器0并等待中断，如果FLAG为1说明第二次采集数据，第二组数据放入buff_2中程序向下执行；比较buff_1和 buff_2数据，如果相同通过串口发送，如果不同丢弃重新采集。
主程序流程图如下图所示：
四、结束语
根据铁路自身运行特点，该计算机联锁系统从硬件和软件方面进行设备配置，通过现场总线通信系统使微机联锁各系统能够正常运行，最后对该系统的安全性进行验证，验证结果表明，该系统能够满足其运行安全的需要。
参 考 文 献
[1]曾小清.基于通信的轨道交通运行控制[M].上海：同济大学出版社， 2007.
[2]白驹珩，雷晓平.单片计算机及其应用[M] .北京：高等教育出版社，成都：电子科技大学出版社，2005.
嵌入式计算机系统模块 篇5
凌华科技ETX-PVR搭载英特尔AtomTM处理器, 整合内存与绘图核心控制器, 支持667MHz单信道DDR2 SODIMM内存, 容量最大为2GB, 单通道LVDS, 具有分辨率为1280×800像素和1400×1050像素的VGA接口。凌华科技产品经理Brian Healy表示:“ETX-PVR为凌华科技ETX嵌入式模块化计算机产品线注入新血, 同时延续凌华科技强固型军用宽温级的设计方法与研发资源, 客户可针对现有的ETX规格产品的相关应用做升级。”
ETX-PVR采用加厚50%的PCB板, 可耐受高冲击与震动, 工作温度-40～85℃, 可适应严酷环境下的运作。
ETX-PVR支持容量达2GB的DDR2内存、板贴4GB的固态硬盘以及2个传输速率达3Gb/s的SATA端口。传输接口方面, ETX-PVR提供以太网络端口、4个USB 2.0端口、2个RS-232串行端口, 以及1个IDE (PATA) 通道, 也支持传统传输接口, 包括PCI与ISA。ETX-PVR可采用多种操作系统, 包括MicrosoftR WindowsRXP Embedded, MicrosoftRWindowsRCE 6.0Wind RiverRVxWorksR6.7, Linux和QNX 6.4等。
嵌入式系统可信平台模块探究 篇6
一、嵌入式系统的发展对可信平台模块提出的新挑战
嵌入式系统具有一些特点, 这个系统有特定的应用场景, 硬件设计较为自由, 自主设计性强, 系统软件硬件设计都很灵活, 具有可裁剪性, 嵌入系统对TPM的功能、可靠性、成本、体积、功能等都有严格的要求。而目前, 传统的TPM还存在一些不足核问题, 比如, TPM的芯片缺乏主动控制能力, 而嵌入式系统的灵活性很强, 与之相比, TPM的主控能力却相对不足, 这就与嵌入式系统之间产生较大的矛盾, 对嵌入式系统的TPM提出了新的挑战。另外, TPM密码机制存在不足。
二、嵌入式系统可信平台模块设计
结合嵌入式系统的特点, 需要设计一种能够满足其需要的可信平台模块, 这种模块需要在传统TPM的基础上, 进行创新改进, 增加新的功能, 这对于TPM研究是一种新的挑战。通过可信平台模块的设计需要提升嵌入式系统的可靠性, 有效减低信息传递过程中的损失。新型的模块具体有总线仲裁模块、对密码引擎和备份恢复魔抗, 通过建立可信平台模块提升传统TPM的控制能力, 保障整个嵌入式系统的稳定新, 安全性和可靠性。
1. 总线仲裁模块。在可信计算平台中, 引入TPM后会产生两个问题, 第一, 启动流程问题, 在上电后, TPM需要先进行完整性的检验, 这是, 平台处理器和外设不能通电启动, 只有在TPM检验完毕后, 才能使平台处理器和外设开启, 第二, TPM与平台处理器对需要对外部存储器上的数据进行读取, 这种情况下, 必然会产生对存储器的互斥访问问题。主要解决以上的两个问题。通过总线总线仲裁模块对外部存储器总线控制权进行仲裁后, 对整个嵌入系统进行控制, 通过启动控制和系统仲裁功能, 以解决上述问题。
在进行设计的过程中, 为了保障TPM能够完成工作, 还需要增加两个寄存器, 也就是控制寄存器和状态寄存器。通过设置两个寄存器对信号进行复位, 并保障信号传播的有效性。
总线总裁模块引入到嵌入式系统可信平台模块建设中, 可以使传统的TPM突破自身的限制, 成为主设备控制计算机系统, 对计算机系统进行有效地控制, 使系统更具良好的扩展性能。同时, 新设计的ETPM能够进行平台启动控制, 进行系统完整性度量, 系统总线互斥访问和外设控制等功能都能实现, 这样, 不需要添加其他配件, 系统的安全可靠性能就可以得到有效的提升。这种设计使TPM更加符合嵌入式系统灵活多变的性能特点, 能够有效解决嵌入式系统中的一些问题, 提高系统的可信度。
2. 备份恢复模块。在TPM中加入备份恢复模块, 可以有效提高整个可信计算机平台的可靠性, 如果系统被非法更改, 备份恢复在发现异常时就会将系统关键数据进行恢复, 有效保障系统的稳定性和可靠性。加入备份恢复可以提高嵌入式系统平台的持续工作能力和抗击数据信息的篡改能力, 保障系统的高效性和安全性。
3. 对称密码引擎模块。在TPM内部设计一个对称密码引擎可以满足嵌入式系统对对称加解密的需求, 通过可信软件栈能够为上层应用提供对称密码加解密服务。加入对称密码引擎后, TPM就具有了对称密码和非对称密码加解密的功能, 从而有效发挥出系统的安全性能, 为用户提供安全的可靠的服务。
总之, 总线仲裁模块、对称密码引擎模块和系统备份恢复模块的设计都将有效提升TPM的稳定性, 使TPM更加符合嵌入式系统的工作环境, 通过可信平台模块在嵌入式系统环境下的功能设计, 嵌入式系统的功能价值将得到进一步提升, 嵌入式系统安全性将得到有效的保障。
参考文献
[1]张焕国, 李晶, 潘丹铃, 赵波.嵌入式系统可信平台模块研究[J].计算机研究与发展, 2011 (07) .
嵌入式计算机系统模块 篇7
关键词：嵌入式系统,实时控制,通信测试仪器
随着现代通信技术的发展,通信测试仪器不断推陈出新。各种新型设备对系统的实时响应能力的要求越来越高,一种通信测试仪器的实时响应性能,就成为系统设计能否成功的关键因素之一。笔者曾在多个通信测试仪器项目中,成功地应用ARM处理器、C51单片机等为主控芯片的嵌入式系统,实现了对仪器相关模块的实时控制功能。因此提出一种在某通信测试仪器中使用C51单片机来实现实时控制的设计方案。
1 硬件设计与实现
1.1 总体方案设计
在该通信测试仪器中,实时控制模块主要实现对射频接收频综、射频发生频综、滤波器组件、射频输入模块、射频输出模块等实时控制作用。对射频检波信号进行A/D转换以获取数据。与上位计算机进行通信等功能[1]。
根据待实现的系统功能要求,综合考虑系统资源,及芯片性价比等因素,确定采用以C51单片机为主控芯片的嵌入式系统方案,芯片为Silicon Labs的C8051F120[2],具有128 kB片内Flash存储器、8×1 024+256 Byte的片内RAM,可寻址64 kB地址空间的外部数据存储器接口、SPI、UART、定时器、时钟振荡器、PLL等,片上外设资源丰富、控制方便。
系统资源分配:射频接收、发射频综模块,内含DDS,PLL等,外部控制接口是微控制接口,因此直接用单片机的地址、数据、控制三总线实施控制。滤波组件、射频输入/输出模块等的工作状态与接口上信号电平高低有关,因此用GPIO的方式进行控制。A/D转换控制使用串行外围设备接口SPI。与上位机的通信使用RS-232串口[3]。总体设计框图如图1所示。
1.2 总线及I/O控制的设计
对于射频接收频综、射频发射频综模块,直接采用总线控制,为避免不同的模块控制时相互干扰,用3-8译码器对总线地址译码,产生不同模块的片选信号。同时数据线通过总线收发器以提高带负载能力[4]。对于滤波组件、射频输入/输出等用I/O控制的模块,并未直接使用51芯片的GPIO引脚,则是将数据总线经锁存后模拟GPIO信号供相关模块使用,如图2所示,其中,IO_/WR1由B_/CS7与单片机写线逻辑或后产生[5]。
1.3 SPI及RS232控制接口
C8051F120芯片上本身自带了A/D转换器,但只有12位,不适合该系统的需求,故在片外另加一片ADI公司的AD7707。其分辨率为16位,是∑-Δ体系结构,转换的是输入电平的平均值。三通道,输入电平范围可达±10 mV~±10 V。根据实际要求,该系统使用AIN3高电平输入端口,Unbuffered模式,HICOM、REF-接模拟地,VBIAS与REF+均接+2.5 V参考电压,模拟电源5 V,数字电源3.3 V,能检测输入范围为0~10 V的单极性电平。其控制接口是同步串行口,用51芯片的SPI直接控制。图3是AD7707的电气连接图[6]。
单片机与上位计算机的通信使用通用异步收发器UART,外接MAX3224,将UART信号转换为RS-232信号进行传输,MAX3224在3~5.5 V低电压下工作,却可产生RS-232的±12 V电压,只需连接Tx、Rx和地线即可实现异步串行通信。系统中仍有一些时钟、复位电路和电源等,在此不再赘述。
2 软件设计与实现
2.1 主程序框架
主程序流程图如图4所示。
主程序是顺序结构,较为简单。主要分两部分:一是对系统各部分进行初始化设置,使其能够工作在正常状态。二是正常工作循环状态,当收到上位机的控制命令时,即进行相应的操作,无命令时则等待。对于嵌入式程序而言,无限循环是必要的。
2.2 串口通信程序
串口通信程序实现与上位机的通信功能。具体操作中使用一个循环队列存放接收到的上位机命令,分别用头指针和尾指针指向队头和队尾,将各命令字节取出,进行相应操作。命令执行完毕(队列取空),清标志位,等待新命令。如图5所示。
2.3 SPI通信程序
C51采用SPI主模式与AD7707进行通信。主模式写AD7707较为简单,单片机先写1 Byte的配置数据给AD7707,其会自动将该数据放入自身的通信寄存器,随后AD7707根据该配置值确定下一步要写的寄存器及数据大小,再将单片机随后输入的数据放入指定位置。C8051F120发数据前,先根据SPICN寄存器的TXBMT位的值判断是否能够发送数据,再向自身的SPIDAT寄存器写数据即可,硬件会自动将数据发出。
主模式读AD7707较为困难。当C51已设置AD7707的通信寄存器,表明下一步操作是读AD7707的某个寄存器值后,C51向SPIDAT写任意值,之后SPI数据线(MOSI)上会串行移出数据,同时时钟线上产生串行时钟,从设备(AD7707)收到时钟,将预备的数据送到MISO线上交给C51,同时不采纳主设备发送的任意值。C51将发送的串行数据放在移位寄存器中,当最后一位收到后即移入收缓冲器,再读SPIDAT便可读出数据。
2.4 其他软件模块
其他软件模块均是根据各部分硬件的具体要求,通过向所分配的对应地址空间按序发送所需数据来实现相关功能。
3 结束语
文中提出以C51单片机C8051F120为核心控制芯片的嵌入式系统,已成功应用于某通信测试仪器中,该系统通过中断及查询等方式较好地实现了对整机的实时控制功能。
参考文献
[1]JOHN C.嵌入式硬件设计[M].北京:中国电力出版社,2004.
[2]潘琢金.C8051f12x数据手册[M].深圳:新华龙电子有限公司,2004.
[3]肖利平.基于LWIP的嵌入式串口服务器的设计与实现[J].电子科技,2009,22(5):14-16.
[4]魏毅,柯赓.基于SOPC的商品信息查询系统设计与实现[J].西安邮电学院学报,2005(3):87-91.
[5]王巍,吴智铭.嵌入式Linux中的仿真集成开发环境设计[J].计算机仿真,2005(9):248-250,260.
嵌入式计算机系统模块 篇8
UDP是User Datagram Protocol的缩写，即用户数据报协议。属于网络协议中的传输层协议。由于UDP协议不需建立连接，具有效率高、速度快和占用资源少等优点，在基于消息通信和实时系统中可以提高系统传输数据的效率。主要的用途是网际名称服务器和简单文件传输协议。UDP具有组播和广播功能，是分发信息的一个理想协议。现在UDP广泛用在多媒体应用中，视频会议，网络点播以及大多数因特网电话软件产品也都运行在UDP之上。
嵌入式系统中使用的TCP/IP协议栈有LWIP、uIP、Linux IP等等，它们具有一定的通用性，但在具体的移植过程中要考虑很多的问题，特别是各个库文件和全局变量相互交叉引用，大大地增加了移植的难度，代码的重用率也不高。
统一建模语言(Unified Modeling Language)简称UML，是一种“通用的可视建模语言，用于说明、可视化、构造并文档化软件体系的体系结构”[1]。它让系统构造者用标准的、易于理解的方式建立能够表达他们想象力的系统蓝图，并提供一种机制以便不同人之间有效地共享交流设计结果[2]。UML是一种面向对象的语言，提供了定义对象和无需修改定义就可以操作对象的方法。数据封装，继承和多态，可重用软件组件等都是面向对象方法的优点。用UML的建模方法，本文给出了面向对象的UDP实现方法。
2 UDP协议实现过程
2.1 理论原理
UDP处于应用层和网络层之间，提供进程到进程的通信服务。当应用进程有报文要通过UDP发送时，它将这个报文和套接字地址传递给UDP。UDP对数据进行处理，加上UDP首部，封装成UDP报文，然后交给网络层IP协议处理。当这个报文到达目的主机后，网络层IP将用户数据报连同发送端和接收端的IP地址一起传给接收端UDP处理。接收端UDP使用校验和对整个用户数据报进行检查。若无差错，则削去UDP首部，将应用数据连同发送端的套接字地址一起交给接收进程[3]。UDP的任务也就是完成UDP报文的封装和拆装的过程。
UDP的报文格式如图1。
UDP数据报的字段有：源端口号(Source Port)，是源主机上进程的端口号;目的端口号(Destination Port)，是目的主机上进程的端口号;数据长度(Length)，它包含UDP数据报的总长度;检验和(Checksum)，用来检验UDP数据报是否出错;数据(data octets)，具体的报文数据。
去复用方式有两种：使用目的协议端口号的输入数据报选择一个队列，和同时使用源站点和目的站点的协议端口号[4]。本文采用前者，主要考虑在嵌入式系统中不但可以节约存储资源，而且又能有效地进行复用处理，允许应用程序与多个站点同时通信。
2.2 具体实现
根据UML的经典著作Design patterns:elements of reusable object-oriented software[5]提出的方法和原理，本文定义了接口类和控制类。由于UDP处于网络层IP和应用层之间，定义两个接口器。一个是UDP与应用程序进程的接口器UDP-API-er类，负责UDP和应用进程的交互工作。进程到进程的通信，需要有通讯双方的地址信息和数据。在UDP-API-er类中sourceip属性表示本地主机地址，dstip属性表示目的主机地址，srcport属性表示本地端口号，dstport属性表示目的端口号，APIbuffer属性表示应用进程的交给UDP的缓冲区数据。UDP-API-er类还定义了两个操作，一个是应用进程发送UDP报文请求的Udp_usereq()操作，另一个是UDP将处理好的数据报文交给应用进程的ToAPI()操作，如表2所示。
另一个接口类是IP-UDP-Interface类，是UDP和网络层IP的接口，如表3所示，它主要完成两个操作，一个是UDP将封装好的UDP报文数据交给网络IP处理的操作IpOutput()，另一个是ipintr()操作，它将来自网络层IP处理好的数据报传入给UDP进行处理。
由于在数据的传输过程有可能出现错误，规定在发送端和接受端都要进行检验和计算，以确定数据是否出错。而UDP检验和的计算是UDP在接受数据和发送数据的重要环节，因此定义一个检验和计算器Accoutcksum类处理UDP检验和的计算。UDP检验和的计算是对UDP伪首部进行计算，数据可以通过Readpudp()操作获取，没有定义伪首部的成员变量，只定义了供其他类读取检验和的cksum成员如表4所示。(其详细的实现见图4)
对于UDP报文头的添加，根据User Datagram Protocol文档[6]UDP数据报头的格式来定义如表5所示的报文头添加器Appendudphdr类来实现。sourceipn属性是网络中源IP地址，srcportn属性是网络中源端口号，dstipn属性是网络中目的IP地址，dstportn属性是网络中目的端口号，ulenn属性是UDP数据报长度。由于网络字节顺序和本机字节顺序的不同，因此Appendudphdr类定义的属性值与UDP-API-er类定义的属性值是不一样的。该类还定义了设置UDP报文头的内容的Setudphdr()操作，Getudph()操作是从缓冲区中获取封包的数据。
UDP的封包过程如下：应用进程通过UDP-API-er类将数据和套接字地址交给UDP,UDP中的报文头添加器Appendudphdr类通过Getudph()操作从接口类中获取数据信息，并由Setudph()操作设置伪首部报文头字段;检验和计算器通过Readpudp()操作获取伪首部信息并对数据报进行UDP检验和的计算，并将计算结果送给报文头添加器，报文头添加器再设置好相应的字段，并通过IpOutput()交给IP-UDP-Interface类。整个发送UDP数据报的过程如图1所示。
对于数据的传入过程，定义一个检查控制器来完成各种检查操作，它是一个控制类。具体完成如下三个功能，如图2所示：
1)检查检验和是否正确。它读取检验和计算器的计算结果，然后进行判断，如果不正确则丢弃该报文，正确则进一步处理。
2)检查传入的数据报的目的端口号是否正确。如果在进程控制块表PCB-Table中找不到传入的端口号,则表示没有进程要接受它,发ICMP端口号不可达错误报告;如果找到,则该端口号所对应的进程ID为接受进程。
3)检查是否为输入数据报分配输入队列。检查进程控制块表PCB-Table中该栏的队列标识号是否小于零，如果不小于零则已经发配输入队列，将数据报插入队列标识号中的队列中;反之，则还需要PCB-Table为数据报分配输入队列才能入队。
如表6所示,检查控制Checkcontroler类中iscksum用于检验和计算器与检查控制器之间的通信,当检验和计算器已经将计算结果发送过来时为true,反之则为false。操作Getudpbuff()是检查控制器从输入缓冲区中获取所要的数据。Queryport()操作用于从PCB-Table中读取端口号,以检查输入数据报的目的端口号是否正确。ReadQueueID()操作从PCB-Table中读取输入队列标识,以进一步确定下一步操作。
进程启动时，它从系统请求一个端口号，系统把熟知端口号指派给服务器，把短暂端口号指派给客户[7]。在进程控制块表PCB-Table类中有进程ID和端口号port，它们的属性名称是processID和port。state属性记录进程控制块表各项使用的情况，如果为IN-USE则表示该项已经分配给某进程，FREE则表示还未分配使用。queueID为输入队列对应的标号，如果是-1表示还没有为该进程分配输入队列，如表7所示。
输入队列InputQueue类中，insert()操作将数据报放入相应的队列中，addqueue()则表示请求从输入队列中新分配一个队列，然后再将数据报插入该队列，如表8所示。
UDP数据报的接收过程比较复杂。网络层IP通过IP-UDP-Interface类将数据报交给UDP处理，检验和计算器Accoutcksum对其进行检验和计算，检查控制器Checkcontroler查找进程控制块表PCB-Table对其目的端口检查，并根据PCB-Table中的队列分配情况进行相应的操作。整个接收过程如图3所示。
此外，由于UDP校验和的计算是个比较复杂的过程，将它进一步细化命令类，由图4的三个类来实现。Initialpudp类为检验和的计算准备伪首部，Readpudp()操作获取所要的数据，Creatpudp()操作把伪首部成员设置成相应的值，其中将udpcksum设置为零。计算的过程和法则由Accumulationcksum类中的Accumulate()操作来实现，sum和len是计算过程用到的中间变量。最终的结果保存在Finalvalue类的result中。
3 结论
本文用UML对UDP协议的实现作了详细的分析和设计，对内存不太受限的嵌入式系统可以很好的实现。但是，如何处理多继承、虚基类，以满足运行时对RAM的需要是个重要的问题;另外，对存储器的优化，在不影响代码性能的情况下，如何使代码被压缩在较小的存储空间，减小CPU周期总数;如何避免使用库函数，减少通用函数的对存储空间的使用等等一系列优化，仍是一个不断探索的问题。
摘要：将UDP协议划分成粒度更细的功能模块,该文给出了嵌入式系统中UDP协议的UML实现方法,从软件体系结构的角度详细的分析了UDP协议的具体建模过程。面向对象的实现方法,具有软件重用,可扩展性,多态性,函数覆盖与重载,使嵌入式系统的可移植性和可重用性大大提高。
关键词：UML,UDP,面向对象,嵌入式
参考文献
[1]Priestley M.Practical object-oriented design with UML[M].北京:清华大学出版社,2004.
[2]Schmuller J.UML基础、案例与应用[M].北京:人民邮电出版社,2004.
[3]Forouzan B A,Fegan S C.TCP/IP协议族[M].北京:清华大学出版社,2003.
[4]Comer D E,Stevens D L.用TCP/IP进行网际互连.第2卷:设计、实现和内部构成[M].北京:电子工业出版社,1998.
[5]Gamma E,Helm R,Johnson R,et al.Design patterns:elements of reusable object-oriented software[M].北京:China Machine Press,2002.
嵌入式计算机系统模块 篇9
监测收集江河水位涨落情况,并送到相关水文管理部门是水文工作中的一项重要任务,特别是雨季,监测工作尤为重要,由于观测点多、分散性大、距离远且往往地处偏僻,因此在数据采集尤其是要求频繁采集时存在困难[1]。目前,移动通信网已十分发达,信号基本覆盖了城乡各地,同时移动通信业务种类也在不断推出,包括单向收费、免月租计费、包月包短信等各种套餐。在此形式下,远程数据监测系统中利用短信平台来传输非频繁短数据成为一种省投资、省运行成本、免维护的很实用的方案。监测系统采用嵌入式GSM模块,集成数据采集等电路完成基于短信服务平台和话务平台的无线监测传输网络的设计。它有2种方式:短信方式传送数据和双音多频(DTMF)方式,两者可互补,试验表明该设计成本低、可靠性高、实用性强。
1监测系统组成概述
如图1所示,系统由一个监测主机和若干个监测点子机构成,它们通过移动通信网的短信平台和话务平台构成信息通道,所依托的移动通信运营商及模式没有限制。在通常情况下,各测点用短信方式定时向监测中心传送水位实时监测数据,定时间隔可智能判断、自动调整,遇汛期水位波动大,单片机根据水位的变化速率给出定时间隔,这在洪水季节水位波动大时十分必要。监测中心也可以用短信方式向某子机发出指令,对子机的数据传送间隔或其他功能要求进行设置。如遇短信通道拥挤、堵塞,或有特别需求,监测中心还可用通话方式通过“拨号呼叫”接通监测点话路,然后监测点用DTMF信号来传送数据以作为互补。
2水位测量方案
采用“浮球法”将水位增量转为电压值:基本结构如图2所示,浮球1跟随水位涨落而上下移动,通过钢丝索3以及传动机构带动精密多圈电位器转动,球体2是平衡球。多圈电位器将+5 V电压转换成与水位相对应的电压值ui,再经A/D转换成数字量,由单片机检测、计算。为消除风浪所造成的水面波动,“浮球法”必须建造竖井,将浮球置于井中以使水面平稳。
3测点监测子机构成原理
如图3所示,主要由嵌入式GSM模块MC35[2]、DTMF信号发生器UM91210、单片机AT89S51[3]、水位变换测量模块、显示模块等部分组成。
MC-35是西门子公司出品的移动通信模块,具有短信收发、拨号呼出、全双工语音通信等功能,各项功能均由一个异步串行通信接口接收来自单片机或PC机的AT指令而实现; 多圈电位器、4位半双积分模/数转换器ICL7135通过图2装置将水位变化量转换成数字量送给单片机89S51的中断口P3.3,经单片机计算处理后,一方送LED串行显示模块;若需要上传数据另一方面按照规定的格式组成AT指令数据包,由单片机的串口TXD送出,GSM模块MC35的串口RXD接收后即以短信方式发往主机。
一般情况下,水位数据以智能定时方式主动上传,但主机也可以向子机发短信指令要求上传或设定定时间隔等,MC35收到来自主机的短信,从串口TXD输出,单片机的RXD接收后即执行相应功能。
如遇短信信道堵塞,主机还可以向子机“拨号”呼叫,这时子机RING0端会输出振铃信号,该信号周期为低1S高4S,单片机的INT0(P3.2)端检测到这一信号即通过串口向MC35写入一条“接收电话”的AT指令,使MC35进入“通话”状态,同时把水位数据转换为控制码从P1口输出给DTMF发生器UM91210,UM91210随即根据控制码从TONE端输出相对应的双音多频信号,GSM模块MC35的MIC+(话筒输入)端接收该信号并通过移动通信网络发往主机。水位数据由5位10进制数组成,P1口每送一次控制码,只完成1位(10进制数)的上传,P1口连续多次给出控制码,即可完成整组数据的上传。
4监测中心监测主机构成原理
如图4所示,主要由GSM模块MC35、DTMF信号解码器MT8870、单片机AT89S51、显示模块、PC机等部分组成。
当MC35收到子机发来的短信(水位数据)时,从其串行口TXD输出至带RS 232[4,5]接口的PC机,PC机完成数据处理、存储、显示、报表等功能。
当主机需要向子机发送指令时,使用鼠标点击PC屏幕软按钮,PC机则按照规定的格式组成包含指令内容的AT指令数据包,通过RS 232接口向MC35串口RXD端送出,MC35接收后即向子机发送指令短信,完成了指令下传的工作。
当主机需要以“拨号”方式呼叫子机时,可由PC机键盘输入子机的“电话号码”,然后点击“拨号”按钮(电话号码也可以事先设定),则PC机由USB口经“USB转232转换器”向MC35的串口RXD端写入一条相应的AT指令,实现了对子机的拨号呼叫;稍后,MC35就会收到从子机送来的DTMF信号,该信号从喇叭接口SP+端输出,送入DTMF信号解码器MT8870的IN-端,MT8870正确解码后,在Q0,Q1,Q2,Q3端输出4 b相应的二进制码,同时STD端会输出一个正脉冲,单片机P1.4端检测到该脉冲,P1.0～P1.3即读取二进制码。水位数据(包括结束符*)由若干位组成,因此MT8870的解码、单片机的读取须经几次,直到读到“*”号才完成一组完整数据的读取,然后单片机对数据处理后送LED显示器,同时由串口TXD端经USB-232 转换器送PC机。
5AT指令及DTMF信号传送数据原理
5.1 AT指令
对于MC35,只要按规定从其串口输入AT指令[6],就能执行相应的功能。本文中涉及到的有关AT指令如表1所示。
以上指令中0D是回车符的ASCII码,1A是替补的ASCII码,其余所有字符、数字均需转换为ASCII码后输入MC35串口。
5.2 DTMF信号传送数据原理
双音多频信号(DTMF)[7,8]是一种由2个音频混合组成的信号,所使用的音频共有16个频率,分别称为高频群和低频群,各取其一个混合后来代表“0,1,2,…,9,A,B,C,D,*,#”等16个字符,其标准如表2所示。由于其频率落在音频的主频带内,因此可以通过电信网络的话务通道传输,稳定性、可靠性极高,抗干扰能力极强,且配套电路简单,因而得到广泛应用。
本文使用UM91210来产生DTMF信号,该芯片是用于电话机的一种拨号芯片,价格十分便宜而性能非常稳定,其设有“行线”R1,R2,R3,R4和“列线”C1,C2,C3,C4,使用行列线可组成4×4的矩阵键盘(电话机键盘),可输入表2中规定的16个字符,当有字符键按下时,若使HK端为低电平,则在TONE端会输出相应的双音频。图3中,使用单片机的P1口线来控制UM91210产生DTMF信号,P1口的控制码与UM91210所发送的DTMF信号以及所代表的字符的对应关系如表3示。
在接收端(见图4),MT8870是专用于DTMF信号解码的芯片,当MC35收到子机发来的DTMF信号并送入MT8870的IN-端时,MT8870将DTMF信号还原成二进制码,从Q0,Q1,Q2,Q3端输出,输出的二进制码与数字或符号的对应关系如表4所示。
6模/数转换原理
本文使用4位半双积分A/D转换器ICL7135[9,10],精度高、价廉,转换速度较低(2～4次/s)。本应用中,该器件的使用方法与常规不同,如图3所示,单片机的P3.4(T0)提供积分器所需的时钟脉冲clock,在BUSY为高电平期间,与门开放,单片机的P3.3(INT1)对该clock计数,根据该计数值即可计算被测电压ui。原理如下:
根据双积分型A/D转换器的工作原理,第一阶段对被测电压ui进行定时积分,其定时时间固定为:
第二阶段对参考电压UREF进行定压积分,积分时间为:
式中:Tc是clock时钟的周期;n1是第一阶段积分期间内部计数器的计数值,本器件已知为20 000;n2是第2阶段积分期间内部计数器的计数值。设在积分期间被积分电压为恒值,可以推得:
即:
则:
对于ICL7135,在积分(包括1,2两个阶段)期间,其“BUSY”端输出高电平信号,图3中,单片机在BUSY=1期间对clock计数,因此该计数值为n1+n2,而已知“n1=20 000”,所以“n2=单片机计数值-20 000”,于是根据式(4)可算得被测电压ui。该方法电路连接简单且编程亦较简单。
7结语
水文数据监测与采集的内容涉及江河水位、水库水位、雨量甚至气温、风力风向等方面,监测点分散性大、数量多、地理环境差,若自建微波等无线通信网络实现数据传送,致使设备复杂、工程投入大,运行维护费用高。近年移动通信业务以及微电脑技术的迅速发展,可以很好弥补传统上的不足,本文是基于移动通信平台的一种设计实例,实验表明费用低、可靠性高,具有较实用意义,可推广应用于相类似的其他领域。
参考文献
[1]楼峰青.浙江省中小型水库水文自动测报系统设计思路[J].水文,2004,24(2):45-48.
[2]西门子公司.MC35siemens celluler engine hardware inter-face description[S].北京:西门子公司,2002.
[3]薛钧义.MCS-51系列单片机微型计算机及其应用[M].西安:西安交通大学出版社,1997.
[4]百度百科.RS-232[EB/OL].[2008-4-12].http://baike.baidu.com/view/196461.htm.
[5]MAXIM公司.美信产品资料[CD].北京:MAXIM公司,2002.
[6]西门子公司.MC35siemens celluler engine AT command[S].北京:西门子公司,2002.
[7]何书森.实用遥控电路原理与设计速成[M].福州:福建科技出版社,2002.
[8]何书森.地热开采井参数微机监测管理网络的研究[J].农业工程学报,1999,15(1):173-177.
[9]何书森.实用数字电路原理与设计速成[M].福州:福建科技出版社,2000.
[10]何书森.实用电子线路设计速成[M].福州:福建科技出版社,2005.
[11]邹曙光.基于GSM网络的无线显示系统设计[J].现代电子技术,2011,34(17):60-62.