第四章基于嵌入式网络教学平台的系统设计

关键词： 智能

第四章基于嵌入式网络教学平台的系统设计（通用6篇）

篇1：第四章基于嵌入式网络教学平台的系统设计

第四章基于嵌入式网络教学平台的系统设计

4.1平台设计的需求分析

面向课堂教学的网络辅助平台应以资源建设为核心，结合传统教学过程中的关键环节，充分发挥教师、学生的交互作用，为学生、教师、教务管理提供一个开放式的教、学、管三合一的综合环境;全面实现校园内的教学资源共享和跨平台的信息资源访问，成为一个完整统一、技术先进、高效稳定、安全可靠的基于Internet/Intranet的网络辅助教学平台。网络辅助教学平台的目的是借助Intemet的网络环境，建立一套功能齐全、使用方便、效率高的网上辅助学习环境。在该环境下，学生可以学习、练习、答疑和测试，教师可以开展网络教学活动，管理网络课堂，提供和分享优质的教学资源。管理员能在线进行用户、资源、角色和系统管理。平台应能很好地配合课堂教学，成为课堂教学的延伸和提高。

结合软件工程中的模块化程序设计思想，整个系统主要由4个子系统组成:网络辅助教学支持、网络辅助教学资源库管理、教学管理和系统管理四个子系统的网络辅助教学系统。（l）教学支持子系统为学生提供学生学习的主要参考资料，素材分学科管理。网上学习系统提供了网上学习环境。在该环境下，有教师上课的电子讲稿、CAI课件、教学大纲、教学日历、参考资料及习题等，同时还可以进行网上测试和作业。（2）教学教务资源管理子系统为教师和学生提供大量可供检索的网络课程和教学素材资源，对教师提供上传下载教学资源的接口。（3）学教务管理子系统可以对用户、教学资源进行在线管理，并可授权教务管理人员对网络课堂的教学情况进行巡视和观摩。（4）系统管理子系统可以在线对面板、角色、系统模块、系统用户进行管理，并可以对功能模块进行定义。

4.2平台架构设计

4.2.1平台基本架构

通过对网络环境下教学特点的研究，建立网络辅助教学平台的总体架构，根据图4-1所建立的模型，网络辅助教学平台由以下模块组成:网络辅助教学支持、网络辅助教学资源库管理、教学教务管理和系统管理四个模块组成。

图4一1网络辅助教学平台结构图

4.2.2平台功能模块设计

平台包括网络辅助教学支持、网络辅助教学资源库管理、教学教务管理和系统管理四个子系统，下面分别介绍各子系统的结构和功能。

（l）网络辅助教学支持系统（见图4-2）

网络辅助教学支持系统中的角色主要为教师和学生。用户登陆平台后，教师可以在线管理本课程的课件、布置(修改)作业、上传课件相关资料等。学生可以浏览相应的课程内容、在线完成作业、向教师提出问题等。该系统主要包括课程教学、师生交流两个子系统。

图4一2网络辅助教学支持系统结构图

上图中引擎层中各模块的处理流程如下： I.单点登录

网络教学平台有很多子系统，通过跨域单点登录，实现在平台内任一处登录，当导航到其他子系统时不需要再一次登录。跨域单点登录认证流程如下：

当用户在网络教学平台中任一子系统登录时，跨域单点登录系统会将用户经对称加密的认证信息（通常是用户名与密码）送到验证中心进行身份验证，验证中心会检查用户的COOKIE（面向验证服务器），如没有已登录信息，则会解密送过来认证信息进行身份验证，如果验证通过，则返回验证通过信息到请求认证的子系统，同时设置用户COOKIE（面向验证服务器）。否则返回验证错误信息到请求认证的子系统。II.功能引擎

本系统的功能、子系统，外部子系统或功能（如:博客、BBS、在线社区等）在功能引擎中注册，并进行推送。从而把它们嵌入到网络教学平台中。本系统的其他子系统如需要使用这些功能，管理员可进入后台管理界面进行功能定制。III.界面引擎

网络教学平台核心功能是资源的整合与展示，资源的展示界面是各种教学模式的载体。因此网络教学平台中资源通过界面引擎以不同的形式如博客、网络课堂、电子教室等形式展现出来。界面（模板）引擎处理流程如下：

当某一子系统启动时，界面（模板）引擎把读取的页面模板文件转换成文本流文件，然后在该流文件中查找各种标签，并负责调用对应的标签函数，用标签函数处理的结果替换文本流中相应的标签。当处理完所有的标签时，删除文本流中所有的空行，最后输出。IV.资源集成引擎

当用户管理自己上传的资源时，可以选择是否向资源中心推送（默认推送），资源集成引擎负责索引这些资源的地址到资源库中。

当用户要在页面中使用资源时，资源集成引擎会把用户的本地资源和资源库中的共享资源呈现在用户面前供用户使用，从而实现学校与学校、学校与企业、教师与教师、教师与学生、学生与学生之间的资源共享。(4)在系统设施阶段对系统编码、测试，形成可执行的系统。

① 课程教学平台

 课件浏览子系统：

集中管理己经开发成型的课件资源。学生根据所选的课程提供相应的课件地址进行浏览，教师则根据所上课程提供相应的课件地址进行浏览。

 课程公告子系统

关于某门课程的即时消息。教师可发布、修改、删除课程公告。 辅导答疑子系统

学生提出问题，由教师解答后发布给学生浏览。

 教辅资料子系统

教师上传的与该课程有关的教学辅助文件。供学生下载学习。 案例集锦子系统

教师提供的与该课程有关的经典案例供学生学习。 问题集锦子系统 教师提供的与该课程有关的常见问题及解答供学生学习。

 VOD点播子系统

为学生和教师提供学校精品课程、学术讲座等教学视频资源。 作业评阅子系统

教师布置、批改、分析课程作业，浏览作业的总体情况。学生在线修改和提交作业，并可以浏览教师评语，了解知识点掌握情况。

 自主考试子系统

教师可通过系统录入考试试题和答案，学生可自主选择课程的相应章节进行测试。 考勤记录子系统

用户登陆网络辅助教学平台后，系统将对用户的操作进行自动跟踪，并随时可提供详细的考勤记录和日志报告。② 师生交流平台

 课堂讨论

用户可针对某一课程的相关问题进行讨论，发表意见。

 学术论坛

平台为教师与学生提供强大的在线交流工具:学术论坛，在这里可以按学科、按资源进行相应的讨论区，搜索和发布相关主题。学生与教师可在某门课程的论坛上进行交流。论坛较之聊天室的好处在于可以将讨论的内容保留，供其他人浏览。（2）网络辅助教学资源库

网络辅助教学资源库（见图4-3）包括共享软件资源库和教学素材资源库。共享软件资源库面向所有用户，为用户提供丰富的共享软件资源。教学素材资源库主要面向教师，主要为满足教师开发网络课件的教学需求提供丰富的、多元化的多媒体素材资源。其主要由资源入库系统、资源类型管理系统、资源修改系统、检索系统四部分组成。

图4-3网络辅助教学资源库结构图

① 源类型管理子系统

面向系统维护人员，管理员可以按学科、类型建立资源目录，同时也具有对资源目录增加、删除、修改等操作权限。

② 资源入库子系统

面向教师和系统维护人员，可以向资源库增加各种类型的教学资源。由于系统采用关键字等多种组合检索方式，所以入库时必须将各类文件的全貌等非文字信息转换成可读形式的信息，对其特征直接采用自然语言进行多层次、多角度地加以准确描述。文字描述信息资源的特征的准确与否，关系到检索的查准率和查全率问题。

③ 源修改子系统

面向教师和系统维护人员，资源的作者和管理员可以对资源的属性，包括描述、类型、作者、大小、学科等相关信息进行修改，也可删除某一资源记录。④ 源检索子系统

对共享软件资源库的检索面向所有用户，教学素材资源库主要面向教师，检索采用基于表现形式的全文检索，具有按专业、课程、关键字及资源类型的多种组合检索方式。（3）网络辅助教学管理系统

网络辅助教学管理系统主要提供教学相关的管理功能，包括用户管理、课程管理、课堂观摩、系统新闻管理、欢迎词管理、校内资源链接管理、免费资源管理等部分。① 户管理

用户管理的面向对象为教务管理员与系统管理员。用户管理是对系统用户信息和权限的管理，包括对用户进行分角色管理及用户角色权限的分配管理。其中包括用户管理、用户权限管理、用户角色管理、用户角色权限管理和用户口令维护等功能模块。用户管理内容包括查看用户基本信息及选课情况，停（启）用某一账户，重置用户密码。用户注册模块结构如图4一4所示:

图4-4用户注册模块结构图

② 程资源管理

对课程资源的管理包括添加修改新课程、设置课程是否收费、查看该课程学生的缴费情况等。

③ 堂观摩子系统

教务管理人员在登陆后，可在课堂观摩子系统中查阅某课程传统课堂的教学安排。④ 系统新闻管理

添加、删除、修改系统新闻。⑤ 迎词管理 修改欢迎词界面。⑥ 共资源链接管理

添加、删除、修改平台界面资源链接。（4）系统管理

系统管理面向系统管理员，主要功能有定制系统界面、定制用户权限、管理各功能模块等功能。为系统管理及升级提供强大的功能。系统提供了可插接在线教育企业的全部控件的基础数据接口。这些系统管理工具提供了以下功能: ① 统模块定义:定义系统的功能子模块;② 级管理员管理:下级管理员信息的增删改;③ 统角色及权限管理:可对定义系统角色及角色权限;

4.3平台数据库设计

4.3.1数据库设计原则 辅助教学平台，所涉及到一个重要的问题是怎样才能有效管理各种有效信息和资源，数据库在其中起着非常重要的作用。

数据库的设计有以下一些原则:用全局E-R图技术设计数据库（实体关系图）组织所有的原始数据，实现了全局数据集成;划分数据库设计阶段将一切问题在概念设计阶段彻底解决，这些问题通常包括唯一性、非空性、缺省值、域值、主键、外键等。

数据库的设计主要包括以下方面的内容，数据库命名设计:数据库服务器的命名，数据库的命名，数据库对象的命名;数据库一致性、完整性和安全性设计。

SQL Server数据库系统具有完备的大型数据库一致性、完整性和安全性控制措施，必须加以充分运用，以保证系统的稳定性。

要注意主键与字段的唯一性，对每个数据库表定义主键（自动索引并具备唯一性控制），通过指定表的主键，保证每一行的唯一性从而实现实体完整性。引用完整性基于定义主表与辅表之间的主键与外键的关系，保证各辅表外键对主表主键从属关系的一致性。

索引和查询策略在查询中对于具有大数据集合的字段，必须设置索引或复合索引，保证查询的速度性能对于绝大部分常用查询能够保持在性能要求以内。

数据库的安全性可以按Windows2000方式设置用户访问数据库的账号和口令，然后根据数据库应用权限的划分设计各数据库及其对象对各用户的许可。

4.3.2数据库的逻辑设计

由于RDBMS是以二维表为基本管理单元的，所以E一R模型最终是由二维表及表间关系来描述的。换言之，E一R模型向数据库概念模型的映射就是向数据表的变换过程。

由于在E-R模型中，己将实体间的关系，按照数据库范式和约束进行了合理的分解。在此可利用Visio工具，直接有E一R模型得到数据库表。生成数据库表如下: Users用户信息表，表中储存系统中全部用户的相关信息，主键为用户IDUsedD，另外还有用户名，密码，email地址等字段。

UserRoles用户角色映射表，表中存储用户类型，主要用于定义用户与角色之间的映射关系，主要字段:UserID，RoleID，Type。

Roles角色定义表，存储系统所有角色的信息，主键为RoleID，还包括SystemID，RoleName，RoleDiscr等字段。

Coursewares课件信息表，存储课件的相关信息，主键为Courseld，还有CourseWar，Issue，Descripti，AuthorlD等字段。

EResources资源总表，存储资源的相关描述信息，主键为ResourceID，还有字段为：资源名称，资源存放地址，资源类型等字段。

另外还有Classes课堂信息表，ClassRCCatalogs课堂资源分类信息表，ClassRCSharelevelS课堂资源共享级别表，ClassRC课堂资源表，CoursePlan课程大纲表，Diseussion公共讨论模块表，ERAssoeiateCourseS资源课程关联信息表，EResoureeCatalogs资源分类信息表，EResoureeltems资源条目表，HtmlText公共文档模块表，Links公共链接模块表，News公共新闻表，MsduleDefinitions模块定义表，Modulesettings模块设置标，Modules模块总表，Systems系统定义表，Tabs系统标签表，UserlogDetails用户系统日志明细表，Userlogstatities用户系统日志统计表，useriogs用户系统日志表等几十个表。

数据设计完成以后，再由powerdesign自动生成针对不同数据库的物理结构，可以真正实现与物理数据库无关。

4.3.3主要数据库的物理设计（1）模块定义数据表的物理设计

（2）用户数据表的物理设计（3）资源分类信息表的物理设计

(4)角色定义表的物理设计

(5)资源总表

(6)课程公告表

4.3.4数据库关系图

网络辅助教学平台的数据库关系图:如图4-5:

图4-5数据库关系图

第六章基于WEB的网络辅助教学平台的测试与应用

6.1功能测试

6.1.1测试目的

测试是为了使系统的能最终满足用户的需求，目的在于发现错误。一个好的测试用例在于发现从前未发现的错误;一个成功的测试是能发现从前未发现的错误的测试。6.1.2测试原则

（l）尽早地、不断地进行软件测试。（2）测试用由测试输入数据和与之对应的预期输出结果两部分组成。（3）测试不能由开发者单独进行。

（4）设计测试用例，包括合理的输入条件和不合理的输入条件。（5）充分注意测试中的群集现象。

（6）在对程序进行修改后，进行回归测试。6.1.3测试内容

（l）测试内容包括对“需求分析”、“功能模块设计”和“数据库设计”等文档的审查，由此三文档所产生的其他测试工作也在本次测试活动范围之内。（2）鉴于网站稳定性很重要，所以本次测试活动包括:  配置测试

 界面布局测试  性能测试:对以下模块进行功能测试:教师、学生及管理员用户登录;教学支持模块功能:教师(学生)是否可以进入与传统课堂对应的网络课堂在线进行教学活动，教师能否发布公告、课件、作业、教案的上传与下载等，学生能否查看课堂教学资源，网上在线测试功能，网上作业系统功能，BBS的相关功能的实现;教学资源的管理及   检索功能;教务管理功能;管理员对用户、资源、平台设置的管理功能等。安全性测试 接口文件测试

病毒测试

其中性能测试是重点内容。

6.1.4测试步骤（l）测试资源: 测试人员:2人(一名学生，一名教师);系统平台:WinZOOO或WinXP及以上;其他软件:WOrd等;硬件:计算机2台(工作站1台、服务器1台):网络:互联网;其它资源:暂无（2）测试方法 ①单元测试

这是在编写完源程序，通过人工测试和计算机测试来完成的。本研究因没有组成开发小组，因此由笔者自己来完成。

②集成测试

集成测试是随软件装配的同时进行的测试。根据组装模块方式的不同，分自顶向下结合和自底向上结合模块两种测试方法，本研究采用的是自顶向下结合的方法进行集成测试，在单人非专用的机器上测试。

④ 统测试

在网站上充分运行了本系统，验证系统各部分是否都能正常工作，并完成所赋予的务。为了验证系统的安全、强度和性能，可以进行对系统的进行合法和非法的访问和破坏性试验。

（3）测试结果

经过严格的测试，最终确定本系统的各模块的功能基本都能实现。测试提出以 下两点问题:答疑模块功能还需要进一步完善，系统相关模块的统计功能需加强。

6.2应用状况

6.2.1总体应用状况

本平台于2004年12月完成开发工作，于2005年3月完成功能测试工作，从2005年4月正式面向学校教师和全日制本科学生开放使用，据统计使用网络辅助教学平台进行辅助教学的课程达到100门左右，使用的学生近千人，入库的各类教学资源达700G（具体资源建设情况见表6-l），平台运行情况稳定，没有出现大的故障。

表6-1资源建设情况表

6.2.2教学试点改革情况

2005年底学校启动了公共理论课程教学改革试点工作，在《邓小平理论与“三个代表”重要思想概论》和《法律基础》两门公共理论课程中全面利用网络辅助教学平台开展教学工作，公共理论课部的3名教师和200多名学生参加本次试点工作，学生在选课时可以根据个人意愿选择课堂教学或网上教学中的一种模式进行学习，选择网上教学的学生可以不参加课堂学习，但必须通过网络辅助教学平台进行公共理论课程的学习，教师通过平台进行相关教学组织和管理工作，包括提供同步教学录像、网络课程和相关教辅资料、发布课程信息、答疑辅导、组织课程讨论、发布平时作业等相关教学资源，学生不进课堂就可以获取课堂教学的全部教学信息和资源，同时学校将根据学生网上学习时间、网上交流情况、作业情况等几方面确定学生平时成绩，课程学习结束后试点学生要参加学校统一组织的考试，经过测试，我们发现通过网上辅助教学的学生成绩稍优于课堂教学，这说明网络辅助教学模式是受教师和学生认可的，网络辅助教学平台在整个试点教学过程基本保持了比较稳定的状态，性能经受住了考验。湖北电视台和楚天都市报等相关媒体还对我校此项网络辅助教学改革工作进行了专题报道。

6.2.3教学应用反馈情况

2006年3月一5月，为了进一步完善和优化网络辅助教学平台的功能，学校教务处、宣传部针对网络辅助教学平台的教学应用情况对在校学生进行了网上问卷调查，共有300多学生参加了调查活动，通过调查发现，学生在总体上对网络辅助教学模式表示认可，80%以上学生对学校网络辅助教学平台的功能设计表示满意，但也有39%的学生对网络辅助教学平台还缺乏了解，认为学校应加强宣传和引导工作;有45%的学生认为平台应首先加强教学资源建设;有34%的学生认为平台可增加更多的交互环境，如:博客平台等;有24%的学生应加入人工智能功能，如:答疑自动反馈系统、智能测试系统等。针对以上学生反馈的意见，我们正在整理相关需求，准备进行二次开发，完成平台版本升级工作。

篇2：第四章基于嵌入式网络教学平台的系统设计

息管理平台的设计与实现

摘 要:基于GPRS网络的嵌入式系统平台具有低成本、高效率的特性,论文介绍了针对小规模酒店信息管理平台基于GPRS网络和嵌入式系统的软件、硬件的设计和实现。

关键词:GPRS;嵌入式系统;Qt Embedded;TCP/IP;sqlite 1 酒店信息化发展趋势以及本技术的应用场景随着全球经济一体化的深入发展,酒店业的客源结构更加丰富并呈现出多样化趋势,客源市场也变得更加广阔。同时,酒店业也将面临日趋激烈的竞争环境和不断提高的客户期望,这迫使酒店业内人士进一步寻求扩大酒店销售、改进服务质量、降低管理成本和提升客户满意度的新方法,以便增强酒店的核心竞争力。及时地共享客人的信息,给客人提供人性化的服务业已成为酒店管理的目标与方向,而酒店装潢、客房数量、房间设施等质量竞争和价格竞争将退居二线。可以预见的是,未来酒店的竞争将主要在智能化、信息化方面展开。小型旅馆或家庭酒店在智能化、信息化方面仍与星级酒店存在着明显弱势,这是由资金、人力、品牌等多方面的因素导致的。笔者提出的酒店信息管理平台主要针对规模较小的酒店提供信息化服务,解决酒店规模和信息化需求之间的矛盾。本技术基于嵌入式系统实现,利用可视化的操作方式轻松实现,并且通过GPRS网络,将客房信息发布到统一的信息平台以便查询预定。酒店信息管理平台框架设计总体来讲,本系统属于C/S模式,客户端指处理终端,用于处理酒店信息的本地管理,服务器端指Web服务器,用于系统内酒店的客房信息和其他酒店信息的发布,以及客户的远程查询和预定。此外,客户也可以通过电话网络直接与酒店终端联系完成业务流程。主要功能模块本系统基于嵌入式系统方式,所以它的特点是体积小、功耗小、全触摸屏操作、方便安装和移动,同时它涵盖了小型酒店管理的各个方面(见图2),主要功能模块包括:(1)系统设置:设置系统登录密码、屏幕保护、电源管理、系统时间等。(2)客户管理:记录和管理客户信息,包括姓名、性别、电话,以及自定义的客户信息,支持客户信息的快速查询、分组管理,并为其他模块提供客户信息支持。(3)职员管理:管理酒店职员信息,包括姓名、性别、职务、薪金、权限等。(4)短信服务:该模块主要用于客户的个性化服务,如预定确认、订单提醒、生日祝福、优惠信息等。(5)客房预定:支持本地预定和远程预定。本地预定即客户直接与酒店联系产生的订单,远程预定是客户通过网络信息平台产生的订单,通过GPRS同步到本地。(6)数据备份:系统可以根据设置,定期将终端数据备份到U盘等存储设备上,防止设,避免给酒店带来损失。(7)统计分析:对客户订单信息、职员业务信息等进行统计分析,生成业务报表。此外,该模块可以扩展为酒店管理的高级应用,随着客户和订单等信息数据的积累,可以引入数据挖掘技术,对酒店日常经营提供决策支持。(8)信息同步:利用GPRS技术,同步本地终端和Web平台的数据,包括客房情况、客户预定信息、酒店促销信息等,便于客户通过网络平台远程预定客房。通信模块采用展迅SM5100,它是专为数据传输设计的GSM/GPRS无线通信模块,集成了完善的协议栈及应用层软件,具有尺寸小、性能好、开发简便等优点。Intel pxa310通过RS232控制SM5100,完成GPRS网络数据传输和短信、通话等功能。终端采用64M SDRAM和128NAND Flash,用于保存操作图3 终端硬件设计图系统、上层应用、用户数据等,并提供足够的数据存取性能。为了方便用户操作,采用640×480分辨率的大尺寸触摸屏,使得所有操作通过触屏方式完成,同时进一步缩小了终端的物理尺寸。USB接口用于连接U盘等外部存储设备和打印设备,并可用于后期的软件升级等功能。在终端的软件设计方面,采用Linux操作系统控制整个系统的运行。Linux操作系统包含了完整的TCP/IP协议栈、PPP协议栈,所以不需要添加TCP/IP协议硬件转换芯片,有利于减少硬件体积和成本,SM5100作为Modem,用于连接设备和

网络。利用GPRS网络与分组数据网络互联互通的特性,实现了将设备接入最大的PDN网络Internet。设备与SM5100模块之间采用串行接口通讯,在SM5100连接上网络后,设备即可以通过其来实现与Internet上的主机进行数据通讯,SM5100透明收发数据。这种实现方法类似于使用家用PC做代理接入的方式,只是这里采用了无线方式,网关改为SM5100模块。上层应用软件基于Qt Embedded实现可视化界面操作风格,由于pxa310强大的处理能力,保证了界面操作非常流畅的操作速度。此外,我们集成了sqlite数据库,实现客户数据等的灵活存储和查询。结论

本系统将嵌入式操作系统、GRPS技术有机地结合在一起,利用sqlite数据库实现灵活的数据处理,并实现基于Qt Embedded的可视化操作界面,借助于嵌入式硬件平台的强大处理能力和Internet网络,实现了集本地酒店管理和远程客房预定于一身的嵌入式酒店管理平台,针对小规模酒店管理的信息化需求,有效地解决了信息化管理和资金投入的矛盾。

篇3：第四章基于嵌入式网络教学平台的系统设计

本文提出一种基于嵌入式ARM的网络考勤系统, 可以直接从原有的学生信息IC卡系统终端读取考勤信息, 并通过学校的Internet局域网, 实时将数据发送到管理终端, 实现了分布式的考勤数据的实时收集和集中管理。

1网络考勤系统的总体设计

网络考勤系统总体结构如图1所示。ARM系统的MCU通过PS/2协议从读卡器中读取学生IC卡的卡号信息, 读取到的数据经由TCP/IP协议进行封装, 再由以太网控制器芯片RTL8019AS传送到网上主机处理。为了提高ARM系统与刷卡机连接的可靠性, 需要对接口添加上拉电阻, 并进行电源去耦和抑制干扰。

1.1 ARM系统设计

ARM系统由ARM芯片、电源芯片、存储芯片以及相应的外围电路组成。

ARM芯片采用韩国基于ARM7TDMI内核技术开发的16/32位RISC处理器S3C44B0, 工作主频最高75MHz, 具有强大的运算能力。片内还集成了丰富的外设资源, 包括8KB Cache和内部SRAM, LCD控制器, 带自动握手的2通道UART, 4通道DMA, 系统管理器 (片选逻辑, FP/EDO/SDRAM控制器) 。带PWM功能的5通道定时器和一个内部定时器, I/O端口, RTC, 8通道10位ADC, IIC_BUS接口, IIS_BUS接口, 同步SIO接口和PLL倍频器。

由于S3C44B0内部没有数据存储器RAM和程序存储器ROM, 本系统添加2MB FLASH程序存储器, 用于保存系统引导程序 (Boot Load) 和用户应用程序;添加8MB SDRAM数据存储器, 用于储存应用程序数据和堆栈。

1.2考勤数据采集系统设计

上海电力学院的学生信息IC卡系统与主机通信采用的是PS/2通信协议接口为miniDIN 6引脚的连接器。如图2所示。

为了提高PS/2接口的可靠性, 在进行电源去耦的同时, 需要在电路设计中引入干扰抑制元C1、C2、C3、C4、L1、L2。由于PS/2数据线和时钟线都是集电极开路的, 集电极开路电平容易滚落下拉到低电平, 添加上拉电阻R1、R2到数据线和时钟线可以提高器件工作的稳定性。具体在与S3C44B0连接时, PS/2的CLOCK接到S3C44B0的外部中断INT2上, MCU以中断的方式接受数据。数据线连接S3C44B0的I/O口PC15引脚。电路如图3所示:

在本系统中, PS/2读卡器只是作为输入设备使用, 故在硬件设计时考虑将S3C44B0作为主设备, PS/2读卡器作为从设备。考虑到时钟脉冲信号总由读卡器产生, 因此读卡器的时钟线 (COLCK) 接主机的一外部中断 (INT2) , 数据线接任一I/O端口线 (PC15口) , 在程序中采用CLOCK触发产生中断方式, 即主机释放总线控制后, 开外部中断, CLOCK下降沿产生中断信号, 进入中断服务程序接收读卡器数据。PS/2发送时序如图4所示。

由于PS/2读卡器发送的信息采用PS/2键盘编码格式中的第二套扫描码集, 而且发送的信息为6位阿拉伯数字的卡号。所以MCU从PS/2线路上在读取完数据后只查询相关编码规则就能得到对应的数字。

1.3网络传输系统设计

网络芯片采用8/16位ISA总线网卡RTL8019AS, 符合Ethernet II与IEEE802.3, (10BASE5, l0BASE2, l0BASET) 标准, 收发可同时达到l0Mbps的速率, 内置16k B的SRAM, 支持8/16位数据总线, 8个中断申请线以及16个I/O基地址选择, 支持UTP, AUI, BNC, 自动检测, 还支持对l0BASET拓扑结构的自动极性修正, 允许4个诊断LED引脚可编程输出, 还集成了MAC和物理层的功能, 可以方便地设计基于ISA总线的系统。

在本系统中, RTL8019AS通过网络隔离变压器与RJ45接口相连, 有效隔离了网线上的高压直流电, 保证了RTL8019AS的正常工作。

原理图如图5所示。

RTL8019AS具有32个输入输出地址, 地址偏移量为00H-1FH, 其中00H-0FH共16个地址, 为寄存器地址, 寄存器分为4页。在本系统中, S3C44B0的5个个I/O端口线 (PA5-PA12) 作为地址线, 16个 (PD0-PD15) 作为数据线即可满足要求。设置DCR寄存器, 使RTL8019AS工作在普通模式下, 选择8位DMA, 禁止所有中断。当MCU有数据需要发送至网络时, 只需将数据通过远程DMA通道送到RTL9019AS中的发送缓存区, 然后操作CR寄存器写入发送指令即可发送数据。

2网络考勤系统的软件设计

网络考勤系统的软件均在Embest IDE集成开发环境下编写, 并通过JTAG接口调试和烧写程序, 程序工作流程如图6所示。

2.1硬件初始化

硬件的初始化主要是主芯片S3C44B0和网络芯片RTL8019AS的初始化。

S3C44B0的初始化主要完成系统和外设的初始设定, 打开外部中断INT2, 以接受PS/2数据。构造一个时钟函数, 以帮助实现网络协议栈中需要定时处理的事务。

RTL9019AS的初始化主要包括设置页0和页l的相关寄存器、设定网卡物理地址, 设定收发缓冲区位置和大小等。同时, 编写数据发送和接收的相关程序。

3网络通讯的实现

本系统的采集的考勤数据是需要通过以太网发送到终端主机进行统一管理。所以需要在本系统上移植TCP/IP协议。但由于一个完整的TCP/IP协议过于庞大, 对于系统资源要求较高, 实现过于复杂, 而且本系统只需用到其中的UDP等部分协议, 所以我们选用精简的TCP/IP协议。在本系统, 我们选用由瑞典计算机科学研究所Adam Dunkels开发的u IP0.9。

3.1嵌入式TCP/IP协议栈u IP0.9

u IP0.9是一个源码公开的适用于8/16位机上的小型嵌入式TCP/IP协议栈, 简单易用, 占用资源少。它是一个简化了的TCP/IP协议, 只保留网络通信所必要的协议机制。其设计重点放在IP、ICMP和TCP协议的实现上, 将UDP和ARP协议实现作为可选模块。u IP0.9的体系结构如图7所示。

具有如下特点:

(1) 注意各模块的融合, 减少处理函数的个数和调用次数, 提高代码复用率, ROM占用量极少。

(2) 基于单一全局数组的收发数据缓冲区, 不支持内存动态分配, 由应用负责处理收发的数据。

(3) 基于事件驱动的应用程序接口, 各并发连接采用轮循处理, 仅当网络事件发生时, 由u IP内核唤起应用程序处理。

(4) 应用程序主动参与部分协议栈功能的实现, 由u IP内核设置重发事件, 应用程序重新生成数据提交发送, 免去了大量内部缓存的占用。基于事件驱动的应用接口使得这些实现较为简单。

3.2 u IP0.9协议栈的移植与实现

u IP0.9处于网络通信的中间层, 其上层协议在这里被称之为应用程序, 而下层硬件或固件被称之为网络设备驱动。u IP协议通过一系列接口函数与底层系统和上层应用程序通信, 如图8所示。

在本系统中, 我们需要构造两个直接提供给底层设备驱动程序的函数。一个是定时函数uip_periodic () , 来驱动所有u IP内部时钟事件;另一个是uip_input () 函数, 在RTL8019AS驱动程序从u IP网络层收到数据包时调用此函数。此外, 还需要构造u IP的应用程序。在本系统中, 为了将PS/2驱动程序接收的数据通过u IP发送出去, 我们修改UDP_APPCALL () 函数, 每当系统调用UDP_APPCALL () 时, 我们将接受到的数据复制到uip_appdata的内存区域, 并且修改数据长度uip_slen的值, 使之不为0, 这样u IP就会自动将其发送出去。

4结论

本文提出的嵌入式网络考勤系统, 主要依托S3C44B0, RTL8019AS及u IP0.9对上海电力学院现在的学生信息IC卡系统进行了功能扩展, 使之具备分布式实时考勤数据收集和集中管理的功能。经测试, 系统稳定可靠, 达到了所需的性能要求, 具备实用的条件。

摘要：考勤工作是高校管理工作非常重要的一环, 直接影响到高校教学质量的好坏。传统的手工考勤既琐碎又复杂, 工作量大且容易出错, 还占用大量宝贵的课堂时间。基于这个研究的大环境, 本文以上海电力学院为例, 利用校园学生信息IC卡, 设计了一种可靠和廉价的网络考勤系统嵌入式网络接口, 来实现嵌入式网络考勤系统的设计和开发。

关键词：嵌入式,ARM,网络,考勤,PS/2,TCP/IPuIP

参考文献

[1]刘岚, 尹勇, 李京蔚.基于ARM的嵌入式系统开发[M].北京:电子工业出版社, 2008.1:200

[2]ADAM DUNKELS.Uip-A free Small TCP/IP Stack[EB/OL].瑞典:瑞典计算机科学研究所, 2002, 1.http://dunkels.com/adam/uip/

[3]刘岚, 尹勇, 李京蔚.基于ARM的嵌入式系统开发[M].北京:电子工业出版社, 2008.1:248.

[4]REALTEK半导体公司.RTL8019AS用户手册[Z].2000.

[5]曹宇, 魏丰, 胡士毅.用51单片机控制RTL8019AS实现以太网通讯[J].电子技术应用, 2003, (1) :21-23.

篇4：第四章基于嵌入式网络教学平台的系统设计

关键词：嵌入式软硬件；ARM；教学平台

中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 06-0000-01

Design of Multi-platform Embedded Software/Hardware System on ARM

Li Huaizhou,Zhao Xuegong,Liu Shi

(School of Optoelectronic Information,University of Electronic Science&Technology,Chengdu610054,China)

Abstract:A design of embedded hardware teaching platform based on ARM is realized in the paper.After setting up software development environment,some lab projects related to the platform are designed.Multiple ARM processors can be compatible with the platform.It offers a solution contributes to improve students' innovation ability.

Keywords:Embedded software and hardware;ARM;Teaching platform

随着嵌入式行业的迅猛发展，社会上对嵌入式方向的研究人才的需求也大幅度增加。为此，本文设计了一种兼容多款ARM9的嵌入式教学实验平台。学生可通过切换不同的CPU板完成对基于ARM的嵌入式系统的全面深入学习。

一、实验系统硬件平台总体设计

本系统需要设计的是一个支持多平台的嵌入式硬件平台，我们在硬件设计时采用子母板的结构，不同的ARM芯片电路分别设计在较小的子板上，而共用外设电路设计在母板上，子板与母板间通过金手指接口连接。本系统设计了三个不同的CPU子板：S3C2440子板，AT92SAM9261子板和LSZCP320子板。同时设计一个能够兼容三个子板的母板。具体的硬件规划布局如图1所示。

二、实验系统软件平台设计

（一）嵌入式软件开发环境的建立

嵌入式系统开发模式为交叉开发模式：在主机上编辑、编译软件，在目标板上运行、验证程序。本系统搭建的交叉编译环境，主机为PC，目标板即为实验教学平台，交叉编译工具为arm-linux编译器。

（二）引导程序的加载

嵌入式系统中，Bootloader完成两项工作：首先，对嵌入式平台做一些简单的初始化工作；其次，加载操作系统内核，并将控制权交给操作系统。Bootloader的实现非常依赖于具体硬件，不同体系结构需求的Bootloader不同，所以需要针对不同的嵌入式系统进行Bootloader的一些移植。

（三）Linux内核移植

Linux内核文件数目将近2万，它们分别位于顶层目录下的17个子目录下：arch，block，drivers等，每个文件目录下都有相应的Makefile文件，它决定了内核中哪些文件被编译，如何编译这些文件以及怎么连接这些文件的规则。

Linux内核配置选项多达上千个，初学者要了解每个配置选项的作用很困难。所以通常都是在默认的配置文件基础上进行修改。例如本系统中对S3C2440子板采用的配置文件为/arch/arm/configs/smdk2410_defconfig。执行命令：make menuconfig，即可对内核进行重新配置。完成后执行命令：make uImage即在arch/arm/boot目录下生成uImage文件。

（四）构建Linux根文件系统

本系统针对Nand Flash设备采用的是yaffs的嵌入式文件系统。文件系统从基本目录开始创建，配置启动过程所需的文件，并且在/etc目录下建立配置文件inittab，确定init进程在启动与关机时的工作特性。该文件系统应用BusyBox来编译，制作yaffs文件映像。最后下载到Nand Flash存储器中。

三、开设的综合实验内容

本实验平台采用母板加子板的设计思想，可满足学生自主开发的需求。学生也可根据自己的要求选择外围硬件设备，完成不同的综合实验。本系统可开设的一些实验有：

1.多线程程序设计；2.串口通信设计；3.TCP程序设计；4.字符设备驱动程序入门实验；5.按键驱动程序设计；6.SD卡驱动分析与移植；7.LCD驱动分析与移植；8.嵌入式MP3播放器实验；9.远程视频监控实验；10.图像运动检测实验。

四、结束语

本文探讨了一种兼容多款ARM9处理器的嵌入式教学实验平台完整性设计，包括系统硬件平台的设计，嵌入式交叉开发环境的建立，Bootloader移植，Linux操作系统内核移植，根文件系统制作以及相关课程实验设计。经过测试与验证，设计的嵌入式平台达到了预期的效果，实现了一个可用于实验和开发的嵌入式平台，对提高学生的动手能力和创新能力具有重要的意义。

参考文献：

[1]杨水清,张剑,施云飞.ARM嵌入式Linux系统开发技术详解[M].北京:电子工业出版社,2010

[2]韦东山.嵌入式Linux应用开发完全手册[M].北京:人民邮电出版社,2008

[3]王洪辉.嵌入式系统Linux内核开发实战平台指南[M].北京:电子工业出版社,2009

[作者简介]李怀周（1986-），河南新乡人，在读硕士研究生，专业：电路与系统，研究方向：Linux嵌入式系统；赵学功（1986-），河南商丘人，在读硕士研究生，专业：电路与系统，研究方向：复杂电路系统；刘士（1986-），安徽亳州人，在读硕士研究生，专业：电路与系统，研究方向：Linux嵌入式系统。

篇5：第四章基于嵌入式网络教学平台的系统设计

INTRODUCTION

With the wide use of the networked, intelligent and digital distributed control system, the data acquisition system based on the single-chip is not only limited in processing capacity, but also the problem of poor real-time and reliability.In recent years, with the rapid development of the field of industrial process control and the fast popularization of embedded ARM processor, it has been a trend that ARM processor can substitute the single-chip to realize data acquisition and control.Embedded ARM system can adapt to the strict requirements of the data acquisition system, such as the function, reliability, cost, size, power consumption, and so on.In this paper, a new kind of remote I/O data acquisition system based on ARM embedded platform has been researched and developed, which can measure all kinds of electrical and thermal parameters such as voltage, current, thermocouple, RTD, and so on.The measured data can be displayed on LCD of the system, and at the same time can be transmitted through RS485 or Ethernet network to remote DAS or DCS monitoring system by using Modbus/RTU or Modbus/TCP protocol.The system has the dual redundant network and long-distance communication function, which can ensure the disturb rejection capability and reliability of the communication network.The new

generation remote data acquisition and moni-toring system based on the high-performance embedded ARM microprocessor has important application significance.STRUCTRUE DESIGN OF THE WHOLE SYSTEM

The whole structure chart of the remote data acquisition and monitoring system based on embedded ARM platform is shown in Figure 1.In the scheme of the system, the remote I/O data acquisition modules are developed by embedded ARM processor, which can be widely used to diversified industries such as electric power, petroleum, chemical, metallurgy, steel, transportation and so on.This system is mainly used for the concentrative acquisition and digital conversion of a variety of electrical and thermal signals such as voltage, current, thermal resistance, thermo-couple in the production process.Then the converted data can be displayed on the LCD directly, and also can be sent to the embedded controller through RS485 or Ethernet network communication interface by using Modbus/RTU or Modbus/TCP protocol.The data in the embedded controller platform is transmitted to the work-stations of remote monitoring center by Ethernet after further analyzed and pro-cessed.At the same time, these data can be stored in the real time database of the database server in remote monitoring center.The system has the dual redun-dant network and long-distance communication

function, which can ensure the disturb rejection capability and reliability of the communication network.The hardware platform of the Remote I/O data acquisition system based on emb-edded ARM uses 32-bit ARM embedded microprocessor, and the software plat-form uses the real-time multi-task operating system uC/OS-II, which is open-source and can be grafted, cut out and solidified.The real time operating system(RTOS makes the design and expansion of the application becomes very easy, and without more changes when add new functions.Through the division of the appli-cation into several independent tasks, RTOS makes the design process of the application greatly simple.Figure 1 Structure of the whole system THE HARDWARE DESIGN OF THE SYSTEM

The remote I/O data acquisition system based on embedded ARM platform has high universality, each acquisition device equipped with 24-way acquisition I/O channels and isolated from each other.Each I/O channel can select a variety of voltage and current signals, as well as temperature signals such as thermal resis-tance, thermocouple and so on.The voltage signals in the range of 0-75 mV ,1-5V ,0-5V, and so on, the current signals in the range of 0-10mA and 4-20 mA, the thermal resistance measurement components including Cu50, Cu100, Pt50, Pt100, and the thermocouple measurement components including K, E, S, T, and so on.Figure2.Structure of the remote I/O data acquisition system based on ARM processor The structural design of the embedded remote I/O data acquisition system is shown in Figure 2.The system equipped with some peripherals such as power, keyboard, reset, LCD display, ADC, RS485, Ethernet, JTAG, I2C, E2PROM, and so on.The A/D interface circuit is independent with the embedded system, which is independent with the embedded system, which is system has setting buttons and 128*64 LCD, which makes the debugging and modification of the parameters easy.The collected data can be sent to the remote embedded controller or DAS, DCS system by using

Modbus/RTU or Modbus/TCP protocol through RS485 or Eth-ernet communication interface also, and then be used

for monitoring and control after farther disposal.The system of RS485 has a dual redundant network and long-distance communication function.As the embedded Ethernet interface makes the remote data exchange of the applications become very easy, the system can choose RS485 or Ethernet interface through jumper to communicate with host computer.Ethernet interface use independent ZNE-100TL intelligent embedded Ethernet to serial port conversion module in order to facilitate the system maintenance and upgrade.The ZNE-100TL module has an adaptive 10/100M Ethernet interface, which has a lot of working modes such as TCP Server, TCP Client, UDP, Real COM, and so on, and it can support four connections at most.Figure3.Diagram of the signal pretreatment circuit

Figure 3 shows the signal pretreatment circuit diagram.The signals of thermo-couple such as K,E,S,T etc and 0-500mV voltage signal can connect to the positive end INPx and the negative end INNx of the simulate multiplexers(MUX directly.The 4-20mA current signal and 1-5V voltage signal must be transformed by resis-tance before connecting to the positive end INPx and the negative end INNx of the MUX of certain channel.The RTD thermal resistance signals such as Cu50, Cu100, Pt50 and Pt100 should connect one 1mA constant current before connecting to the positive end INPx and the negative end INNx of the MUX of certain channel.Figure4.Diagram of ADC signal circuit Figure 4 shows the ADC signal circuit, which using the 16-bit ADC chip AD7715.The connection of the chip and the system is simple and only need

five lines which are CS(chip select, SCLK(system clock, DIN(data input, DOUT(data output and DRDY(data ready.As the ARM microprocessor has the characteristics of high speed, low power, low voltage and so on, which make its capacity of low-noise, the ripple of power, the transient response performance, the stability of clock source, the reliability of power control and many other aspects should be have higher request.The system reset circuit use special microprocessor power monitoring chip of MAX708S, in order to improve the reliability of the system.The system reset circuit is shown in Figure 5.Figure5.Diagram of system reset circuit

SOFTWARE DESIGN AND REALIZATION OF THE SYSTEM

The system software of the remote I/O data acquisition system based on embedded ARM platform use the real-time operating system(RTOS uC/OS-II, which is open-source and can be grafted，cut out and solidified.The key part of RTOS is the real-time multi-task core, whose basic functions including task management, resource management, system management, timer management, memory management, information management, queue management and so on.These functions are used though API service functions of the core.The system software platform use uC/OS-II real-time operating system core simplified the design of application system and made the whole structure of the system simple and the complex application hierarchical.The design of the whole system includes the tasks of the operating system and a series of user applications.The main function of the system is mainly to realize the initialization of the system hardware and the operating system.The initialization of hardware includes interr-upt、keyboard、LCD and so on.The initialization of operating system includes the control blocks and events control blocks, and before the start of multi-task schedu-ling, one task must be started at least.A start task has been created in this system, which is mainly responsible for the initialization and startup of clock, the start-up of interruption, the initialization of communication task module, as

well as the division of tasks and so on.The tasks must be divided in order to complete various functions of the real-time multi-task system.Figure6.Functional tasks of the system software Figure6 shows the functional tasks of the system software.According to importance of the tasks and the demands of real-time, the system applications are divided into six tasks with different priority, which including the tasks of A/D data acquisition, system monitoring, receive queue, data send, keyboard input, LCD display.The A/D data acquisition task demands the highest real-time requirements and the LCD display task is the lowest.Because each task has a different priority, the higher-priority task can access the ready one by calling the system hang up function or delay function.Figure7.Chart of AD7715 data transfer flow Figure 7 shows the data conversion flow of AD7715.The application A/D conversion is an important part of the data acquisition system.In the uC/OS-II real-time operating system core, the realization process of A/D driver depends mainly on the conversion time of A/D converter, the analog frequency of the conversion value, the number of input channels, the conversion frequency and so on.The typical A/D

conversion circuit is made up of analog multiplexer(MUX, amplifier and analog to digital converter(ADC.Figure8.Diagram of the application transfer driver Figure8 shows the application procedure transfer driver.The driver chooses the analog channel to read by MUX, then delay a few microseconds in order to make the signal pass through the MUX, and stabilize it.Then the ADC was triggered to start the conversion and the driver in the circle waiting for the ADC until its completion of the conversion.When waiting is in progress, the driver is detecting the ADC state signal.If the waiting time is longer than the set time, the cycle should be end.During waiting time of the cycle, if the conversion completed signal by ADC has been detected, the driver should read the results of the conversion and then return the result to the application.Figure9.Diagram of serial receive Figure9 shows the serial receive diagram with the buffer and signal quantity.Due to the existence of serial peripheral equipment does not match the speed of CPU, a buffer zone is needed, and when the data is sending to the serial, it need to be written to the buffer, and then be sent out through serial one by one.When the data is received from the serial port, it will not be processed until several bytes have been received, so the advance data can be stored in buffer.In practice, two buffer zones, the receiving buffer and the sending buffer, are needed to be opened from the memory.Here the buffer zone is defined as loop queue data structure.As the signal of uC/OS-II provides the overtime waiting mechanism, the serial also have the overtime reading and writing ability.If the initialization of the received data signal is 0, it expresses the loop buffer is empty.After the interrupt received, ISR read the received bytes from the UART receiving buffer, and put into receiving buffer region, at last wake the user task to execute read operation with the help of received signal.During the entire

process, the variable value of the current bytes in recording buffer can be inquired, which is able to shows whether the receive buffer is full.The size of the buffer zone should be set reasonable to reduce the possibility of data loss, and to avoid the waste of storage space.CONCLUSIONS

With the rapid development of the field of industrial process control and the wide range of applications of network, intelligence, digital distributed control System, it is necessary to make a higher demand of the data accuracy and reliability of the control system.Data acquisition system based on single-chip has been gradually eliminated because the problem of the poor real-time and reliability.With the fast popularization of embedded ARM processor, there has been a trend that ARM processor can alternate to single-chip to realize data acquisition and control.The embedded ARM system can adapt to the strict requirements of the data acquisition system, such as the function, reliability, cost, size, power consum-ption, and so on.In this paper, A kind of ARM-based embedded remote I/O data acquisition system has been researched and developed, whose hardware platform use 32-bit embedded ARM processor, and software platform use open-source RTOS uC/OS-II core.The system can be widely applied to electric power, petroleum, chemical, metallurgy, steel, transportation and so on.And it is mainly used in the collection and monitoring of all

kinds of electrical and thermal signals such as voltage, current, thermal resistance, thermocouple data of the production process.Then these data can be sent to the remote DAS, DCS monitoring system through RS485 or Ethernet interface.The system has the dual redundant network and long-distance communication function, which can ensure the disturb rejection capability and reliability of the communication network.基于嵌入式ARM平台的远程I / O数据采集系统的研究和开发

导言

随着网络化，智能化，数字化分布式控制系统的广泛使用，基于单芯片的数据采集系统不仅在处理能力上受限制，并且在实时性和可靠性方面也出现了问题。近几年来，随着工业过程控制领域的迅速发展和嵌入式ARM处理器的迅速普及，ARM处理器代替单芯片实现数据的采集和控制成为了趋势。嵌入式ARM系统能适应数据采集系统的严格要求，如功能性，可靠性，成本，体积，功耗等等。

在本文中提出一种新型的基于ARM嵌入式平台的远程I / O数据采集系统已被研制开发，它可以衡量各种电气和热参数，如电压，电流，热电偶，热电阻等等。那个测量数据可以显示在液晶显示器的系统中，同时可通过使用Modbus / RTU或的Modbus / TCP协议从RS485或以太网网络传送到DAS或DCS远程监控

系统。该系统具有双冗余网络和长途电通信功能，它可以确保通信网络的干扰抑制能力和可靠性。基于高性能嵌入式ARM微处理器的新一代远程数据采集和监控系统具有重要的应用意义。

整个系统的结构设计

基于嵌入式ARM的平台的远程数据采集和监控系统的整个结构图在以下的图1中展示。在这系统的计划中，通过使用广泛用于多种行业如电气电力，石油，化工，冶金，钢铁，运输等的嵌入式ARM处理器来开发远程I / O数据采集模块。该系统主要用于的集中采购和将各种电和热信号如电压，热电阻，热电偶在生产过程中进行数字转换。转换的数据可直接在液晶显示器上显示，也可以通过使用的Modbus / RTU或的Modbus / TCP协议的RS485总线或以太网网络通信接口被发送到嵌入式控制器。嵌入控制器平台的数据通过进一步以太网的分析和处理被传送至远程监控中心的工作站。与此同时，这些数据可以存储在远程监控中心数据库服务器的实时数据库中。该系统具有双冗余网络和远程通讯功能，它可以确保通信网络的干扰抑制能力和可靠性。

基于嵌入式ARM远程I / O数据采集系统的硬件平台使用32位ARM嵌入式微处理器和软件平台使用的是开源的并且可移植，削减和巩固的实时多任务操作系统的第二代UC / OS核心。实时操作系统（RTOS）使设计和应用的扩大变得非常容

易，增加新的功能时也没多大变化。通过几个独立的任务的应用，实时操作系统使得应用的设计过程极为简单。

系统的硬件设计

基于嵌入式ARM平台的远程I / O数据采集系统具有很高的普遍性，每个购置设备配备24收购方式的I / O渠道且彼此孤立。每个I / O通道可以选择不同的电压和电流信号，以及温度信号如热电阻，热电偶等。在05V的,010毫安和4100TL智能嵌入式以太网串口转换模块。该ZNE500mV的电压信号可以直接接到模拟多路复用器（复用器）的INPx正极和INNx负极。45V的电压信号必须用阻抗转换。热电阻的电阻信号如Cu50，Cu100，Pt50和Pt100应在接到某些频道的复用器INPx正极和INNx负极前连接一1毫安的恒流源。

图4显示了使用16位ADC芯片AD7715的ADC信号电路。芯片与系统的连接非常简单，只需要CS（芯片选择），SLCK（系统时钟），DIN（数据输入），DOUT（数据输出）和DRDY（数据准备）5根线。

由于ARM微处理器具有高速，低功耗，低电压等优点，这使它在低噪音，纹波权力，瞬态响应性能，时钟来源的稳定，功率控制和许多其他方面需要有更高的要求。为了改善系统的可靠性该系统复位电路中使用特殊的微处理器电源监测芯片MAX708S。图5展示了该系统复位电路。

系统软件的设计与实现

基于嵌入式ARM平台的远程I / O数据采集系统的软件使用的是开源的并且可移植，削减和巩固的实时多任务操作系统的第二代UC / OS核心。RTOS的关键部分是实时多任务的核心，其基本功能包括任务管理，资源管理，系统管理，计时器管理，内存管理，信息管理，队列管理等。通过API服务职能核心使用这些功能。

该系统软件平台使用的是单一化的uC/ OS第二代实时简化操作系统核心，使整个结构系统简单和应用层次复杂。整个系统的设计包括操作系统的任务和一系列的用户应用程序。系统的主要职能是实现系统硬件和操作系统的初始化。硬件初始化包括中断，键盘，液晶显示器等。操作系统初始化包括控制模块和事件控制，在多任务调度前，至少有一个任务开始。一个开端任务已建立在这一系统，这系统主要负责初始化和启动的时钟，开办中断，通信任务模块的初始化，以及任务分工等。为了完成实时多任务系统的多种职能那个任务必须被划分。

图6显示系统软件的功能任务。根据任务的重要性和实时要求，系统的应用曾划分为六个不同优先级的任务，其中包括A / D数据采集任务，系统监控，接受队列，数据传送，键盘输入，液晶显示屏显示。A / D数据采集任务要求最高的实时要求和液晶显示器显示任务是最低的。因为每个任务都有不同的优先事项，通过使用系统挂断功能或延迟功能更高的优先任务可以开始已经准备好的任务。

图7显示的是AD7715的数据转换流。A / D转换器的应用是数据采集系统的一个重要组成部分。在uS/ OS的第二代实时操作系统的核心中，A / D驱动程序的实现过程主要取决于A / D转换器的转换时间，有转换价值的模拟频率，输入通

道的数量，转换频率等等。典型的A / D转换电路由模拟复用器（复用器），放大器和模拟到数字转换器（ADC）组成。

图8显示了申请程序转移的驱动程序。驱动程序可以在模拟通道读取由复用器，那么几微秒的延迟，以便使信号通过多路开关，并使其稳定。然后，当转换开始时，ADC被触发，并且驱动程序在一个周期内等待ADC的触发，直到完成转换。当等待的进展，该驱动程序检测ADC的状态信号。如果等待时间比规定的时间越长，周期应该结束。在等待的周期时间，如果转换完成ADC的信号被检测到，驱动程序应改为转换的结果，然后将结果返回给应用程序。

图9显示了缓冲区和信号量的序列接收图。由于外围串行设备的存在CPU的运行速度匹配，一个缓冲区是必要的，当数据发送到序列，它必须被写入缓冲区，然后通过串行逐一地被发送出去。当从串行端口收到数据，这些数据将不会被处理直到收到一些字节，因此先前的数据可以存储在缓冲区中。在实践中，两个缓冲区，一个接收缓冲区和一个发送缓冲区，它们是需要从内存开放出来。在这里缓冲区像循环队列数据结构一样被定义。

由于uC/OS-II提供额外时间等待机制的信号，串口也具有额外的阅读和写作能力。如果收到的数据信号初值为0，它表示循环缓冲区是空的。在中断收到后，ISR从UART接受缓冲区中读到收到的数据，并投入接收缓冲区域，最后通过收到的数据开始用户执行读操作的的任务。在整个过程中，变量价值目前字节在存储缓冲区中的字节的变量值是可以被询问的，这能够表明接收缓冲区是否已满。为了降低数据丢失的可能性和避免浪费存储空间应合理地设置缓冲区的大小。

结论

随着工业过程控制领域的快速发展和网络，智能，数字化分布式控制系统广泛应用，有必要发展对数据准确性和控制可靠性要求更高的系统。由于较差的实时性和可靠性基于单片机数据采集系统已逐步被淘汰。随着嵌入式ARM处理器的迅速普及，ARM处理器替代单芯片实现数据采集与控制成为了一种新的趋势。嵌入式ARM系统能够适应数据采集系统的严格要求，如功能，可靠性，成本，大小，耗电量等等。

篇6：第四章基于嵌入式网络教学平台的系统设计

Research and Development of the Remote I/O Data Acquisition System Based on Embedded ARM Platform

INTRODUCTION

With the wide use of the networked, intelligent and digital distributed control system, the data acquisition system based on the single-chip is not only limited in processing capacity, but also the problem of poor real-time and reliability.In recent years, with the rapid development of the field of industrial process control and the fast popularization of embedded ARM processor, it has been a trend that ARM processor can substitute the single-chip to realize data acquisition and control.Embedded ARM system can adapt to the strict requirements of the data acquisition system, such as the function, reliability, cost, size, power consumption, and so on.In this paper, a new kind of remote I/O data acquisition system based on ARM embedded platform has been researched and developed, which can measure all kinds of electrical and thermal parameters such as voltage, current, thermocouple, RTD, and so on.The measured data can be displayed on LCD of the system, and at the same time can be transmitted through RS485 or Ethernet network to remote DAS or DCS monitoring system by using Modbus/RTU or Modbus/TCP protocol.The system has the dual redundant network and long-distance communication function, which can ensure the disturb rejection capability and reliability of the communication network.The new generation remote data acquisition and moni-toring system based on the high-performance embedded ARM microprocessor has important application significance.STRUCTRUE DESIGN OF THE WHOLE SYSTEM

The whole structure chart of the remote data acquisition and monitoring system based on embedded ARM platform is shown in Figure 1.In the scheme of the system, the remote I/O data acquisition modules are developed by embedded ARM processor, which can be widely used to diversified industries such as electric power, petroleum, chemical, metallurgy, steel, transportation and so on.This system is mainly used for the concentrative acquisition and digital conversion of a variety of

苏州大学本科生毕业设计（论文）

electrical and thermal signals such as voltage, current, thermal resistance, thermo-couple in the production process.Then the converted data can be displayed on the LCD directly, and also can be sent to the embedded controller through RS485 or Ethernet network communication interface by using Modbus/RTU or Modbus/TCP protocol.The data in the embedded controller platform is transmitted to the work-stations of remote monitoring center by Ethernet after further analyzed and pro-cessed.At the same time, these data can be stored in the real time database of the database server in remote monitoring center.The system has the dual redun-dant network and long-distance communication function, which can ensure the disturb rejection capability and reliability of the communication network.The hardware platform of the Remote I/O data acquisition system based on emb-edded ARM uses 32-bit ARM embedded microprocessor, and the software plat-form uses the real-time multi-task operating system uC/OS-II, which is open-source and can be grafted, cut out and solidified.The real time operating system(RTOS)makes the design and expansion of the application becomes very easy, and without more changes when add new functions.Through the division of the appli-cation into several independent tasks, RTOS makes the design process of the application greatly simple.Figure 1 Structure of the whole system

苏州大学本科生毕业设计（论文）

THE HARDWARE DESIGN OF THE SYSTEM

The remote I/O data acquisition system based on embedded ARM platform has high universality, each acquisition device equipped with 24-way acquisition I/O channels and isolated from each other.Each I/O channel can select a variety of voltage and current signals, as well as temperature signals such as thermal resis-tance, thermocouple and so on.The voltage signals in the range of 0-75 mV ,1-5V ,0-5V, and so on, the current signals in the range of 0-10mA and 4-20 mA, the thermal resistance measurement components including Cu50, Cu100, Pt50, Pt100, and the thermocouple measurement components including K, E, S, T, and so on.Figure2.Structure of the remote I/O data acquisition system based on ARM processor

The structural design of the embedded remote I/O data acquisition system is shown in Figure 2.The system equipped with some peripherals such as power, keyboard, reset, LCD display, ADC, RS485, Ethernet, JTAG, I2C, E2PROM, and so on.The A/D interface circuit is independent with the embedded system, which is independent with the embedded system, which is system has setting buttons and 128*64 LCD, which makes the debugging and modification of the parameters easy.The collected data can be sent to the remote embedded controller or DAS, DCS system by using Modbus/RTU or Modbus/TCP protocol through RS485 or Eth-ernet communication interface also, and then be used for monitoring and control

苏州大学本科生毕业设计（论文）

after farther disposal.The system of RS485 has a dual redundant network and long-distance communication function.As the embedded Ethernet interface makes the remote data exchange of the applications become very easy, the system can choose RS485 or Ethernet interface through jumper to communicate with host computer.Ethernet interface use independent ZNE-100TL intelligent embedded Ethernet to serial port

conversion module in order to facilitate the system maintenance and upgrade.The ZNE-100TL module has an adaptive 10/100M Ethernet interface, which has a lot of working modes such as TCP Server, TCP Client, UDP, Real COM, and so on, and it can support four connections at most.Figure3.Diagram of the signal pretreatment circuit

Figure 3 shows the signal pretreatment circuit diagram.The signals of thermo-couple such as K,E,S,T etc and 0-500mV voltage signal can connect to the positive end INPx and the negative end INNx of the simulate multiplexers(MUX)directly.The 4-20mA current signal and 1-5V voltage signal must be transformed by resis-tance before connecting to the positive end INPx and the negative end INNx of the MUX of certain channel.The RTD thermal resistance signals such as Cu50, Cu100, Pt50 and Pt100 should connect one 1mA constant current before connecting to the positive end INPx and the negative end INNx of the MUX of certain channel.苏州大学本科生毕业设计（论文）

Figure4.Diagram of ADC signal circuit

Figure 4 shows the ADC signal circuit, which using the 16-bit ADC chip AD7715.The connection of the chip and the system is simple and only need five lines which are CS(chip select), SCLK(system clock), DIN(data input), DOUT(data output)and DRDY(data ready).As the ARM microprocessor has the characteristics of high speed, low power, low voltage and so on, which make its capacity of low-noise, the ripple of power, the transient response performance, the stability of clock source, the reliability of power control and many other aspects should be have higher request.The system reset circuit use special microprocessor power monitoring chip of MAX708S, in order to improve the reliability of the system.The system reset circuit is shown in Figure 5.苏州大学本科生毕业设计（论文）

Figure5.Diagram of system reset circuit

SOFTWARE DESIGN AND REALIZATION OF THE SYSTEM The system software of the remote I/O data acquisition system based on embedded ARM platform use the real-time operating system(RTOS)uC/OS-II, which is open-source and can be grafted, cut out and solidified.The key part of RTOS is the real-time multi-task core, whose basic functions including task management, resource management, system management, timer management, memory management, information management, queue management and so on.These functions are used though API service functions of the core.The system software platform use uC/OS-II real-time operating system core simplified the design of application system and made the whole structure of the system simple and the complex application hierarchical.The design of the whole system includes the tasks of the operating system and a series of user applications.The main function of the system is mainly to realize the initialization of the system hardware and the operating system.The initialization of hardware includes interr-upt、keyboard、LCD and so on.The initialization of operating system includes the control blocks and events control blocks, and before the start of multi-task schedu-ling, one task must be started at least.A start task has been created in this system, which is mainly responsible for the initialization and startup of clock, the start-up of interruption, the initialization of communication task module, as well as the division of tasks and so on.The tasks must be divided in order to complete various functions of the real-time multi-task system.苏州大学本科生毕业设计（论文）

Figure6.Functional tasks of the system software

Figure6 shows the functional tasks of the system software.According to importance of the tasks and the demands of real-time, the system applications are divided into six tasks with different priority, which including the tasks of A/D data acquisition, system monitoring, receive queue, data send, keyboard input, LCD display.The A/D data acquisition task demands the highest real-time requirements and the LCD display task is the lowest.Because each task has a different priority, the higher-priority task can access the ready one by calling the system hang up function or delay function.苏州大学本科生毕业设计（论文）

Figure7.Chart of AD7715 data transfer flow

Figure 7 shows the data conversion flow of AD7715.The application A/D

conversion is an important part of the data acquisition system.In the uC/OS-II real-time operating system core, the realization process of A/D driver depends mainly on the conversion time of A/D converter, the analog frequency of the conversion value, the number of input channels, the conversion frequency and so on.The typical A/D conversion circuit is made up of analog multiplexer(MUX), amplifier and analog to digital converter(ADC).苏州大学本科生毕业设计（论文）

Figure8.Diagram of the application transfer driver

Figure8 shows the application procedure transfer driver.The driver chooses the analog channel to read by MUX, then delay a few microseconds in order to make the signal pass through the MUX, and stabilize it.Then the ADC was triggered to start the conversion and the driver in the circle waiting for the ADC until its completion of the conversion.When waiting is in progress, the driver is detecting the ADC state signal.If the waiting time is longer than the set time, the cycle should be end.During waiting time of the cycle, if the conversion completed signal by ADC has been detected, the driver should read the results of the conversion and then return the result to the application.苏州大学本科生毕业设计（论文）

Figure9.Diagram of serial receive

Figure9 shows the serial receive diagram with the buffer and signal quantity.Due to the existence of serial peripheral equipment does not match the speed of CPU, a buffer zone is needed, and when the data is sending to the serial, it need to be written to the buffer, and then be sent out through serial one by one.When the data is received from the serial port, it will not be processed until several bytes have been received, so the advance data can be stored in buffer.In practice，two buffer zones, the receiving buffer and the sending buffer, are needed to be opened from the memory.Here the buffer zone is defined as loop queue data structure.As the signal of uC/OS-II provides the overtime waiting mechanism, the serial also have the overtime reading and writing ability.If the initialization of the received data signal is 0, it expresses the loop buffer is empty.After the interrupt received, ISR read the received bytes from the UART receiving buffer, and put into receiving buffer region, at last wake the user task to execute read operation with the help of received signal.During the entire process, the variable value of the current bytes in recording buffer can be inquired, which is able to shows whether the receive buffer is full.The size of the buffer zone should be set reasonable to reduce the possibility of data loss, and to avoid the waste of storage space.CONCLUSIONS

With the rapid development of the field of industrial process control and the

苏州大学本科生毕业设计（论文）

wide range of applications of network, intelligence, digital distributed control System, it is necessary to make a higher demand of the data accuracy and reliability of the control system.Data acquisition system based on single-chip has been gradually eliminated because the problem of the poor real-time and reliability.With the fast popularization of embedded ARM processor, there has been a trend that ARM processor can alternate to single-chip to realize data acquisition and control.The embedded ARM system can adapt to the strict requirements of the data acquisition system, such as the function, reliability, cost, size, power consum-ption, and so on.In this paper, A kind of ARM-based embedded remote I/O data acquisition system has been researched and developed, whose hardware platform use 32-bit embedded ARM processor, and software platform use open-source RTOS uC/OS-II core.The system can be widely applied to electric power, petroleum, chemical, metallurgy, steel, transportation and so on.And it is mainly used in the collection and monitoring of all kinds of electrical and thermal signals such as voltage, current, thermal resistance, thermocouple data of the production process.Then these data can be sent to the remote DAS, DCS monitoring system through RS485 or Ethernet interface.The system has the dual redundant network and long-distance communication function, which can ensure the disturb rejection capability and reliability of the communication network.苏州大学本科生毕业设计（论文）

基于嵌入式ARM平台的远程I / O数据采集系统的研究和开发

导言

随着网络化，智能化，数字化分布式控制系统的广泛使用，基于单芯片的数据采集系统不仅在处理能力上受限制，并且在实时性和可靠性方面也出现了问题。近几年来，随着工业过程控制领域的迅速发展和嵌入式ARM处理器的迅速普及，ARM处理器代替单芯片实现数据的采集和控制成为了趋势。嵌入式ARM系统能适应数据采集系统的严格要求，如功能性，可靠性，成本，体积，功耗等等。

在本文中提出一种新型的基于ARM嵌入式平台的远程I / O数据采集系统已被研制开发，它可以衡量各种电气和热参数，如电压，电流，热电偶，热电阻等等。那个测量数据可以显示在液晶显示器的系统中，同时可通过使用Modbus / RTU或的Modbus / TCP协议从RS485或以太网网络传送到DAS或DCS远程监控系统。该系统具有双冗余网络和长途电通信功能，它可以确保通信网络的干扰抑制能力和可靠性。基于高性能嵌入式ARM微处理器的新一代远程数据采集和监控系统具有重要的应用意义。

整个系统的结构设计

基于嵌入式ARM的平台的远程数据采集和监控系统的整个结构图在以下的图1中展示。在这系统的计划中，通过使用广泛用于多种行业如电气电力，石油，化工，冶金，钢铁，运输等的嵌入式ARM处理器来开发远程I / O数据采集模块。该系统主要用于的集中采购和将各种电和热信号如电压，热电阻，热电偶在生产过程中进行数字转换。转换的数据可直接在液晶显示器上显示，也可以通过使用的Modbus / RTU或的Modbus / TCP协议的RS485总线或以太网网络通信接口被发送到嵌入式控制器。嵌入控制器平台的数据通过进一步以太网的分析和处理被传送至远程监控中心的工作站。与此同时，这些数据可以存储在远程监控中心数据库服务器的实时数据库中。该系统具有双冗余网络和远程通讯功能，它可以确保通信网络的干扰抑制能力和可靠性。

基于嵌入式ARM远程I / O数据采集系统的硬件平台使用32位ARM嵌入式微处理器和软件平台使用的是开源的并且可移植，削减和巩固的实时多任务操作系统的第二代UC / OS核心。实时操作系统（RTOS）使设计和应用的扩大变得非常容易，增加新的功能时也没多大变化。通过几个独立的任务的应用，实时操作系统使得应用的设计过程极为简单。

苏州大学本科生毕业设计（论文）

系统的硬件设计

基于嵌入式ARM平台的远程I / O数据采集系统具有很高的普遍性，每个购置设备配备24收购方式的I / O渠道且彼此孤立。每个I / O通道可以选择不同的电压和电流信号，以及温度信号如热电阻，热电偶等。在05V的,010毫安和4100TL智能嵌入式以太网串口转换模块。该ZNE500mV的电压信号可以直接接到模拟多路复用器（复用器）的INPx正极和INNx负极。45V的电压信号必须用阻抗转换。热电阻的电阻信号如Cu50，Cu100，Pt50和Pt100应在接到某些频道的复用器INPx正极和INNx负极前连接一1毫安的恒流源。

图4显示了使用16位ADC芯片AD7715的ADC信号电路。芯片与系统的连接非常简单，只需要CS（芯片选择），SLCK（系统时钟），DIN（数据输入），DOUT（数据输出）和DRDY（数据准备）5根线。

由于ARM微处理器具有高速，低功耗，低电压等优点，这使它在低噪音，纹波权力，瞬态响应性能，时钟来源的稳定，功率控制和许多其他方面需要有更高的要求。为了改善系统的可靠性该系统复位电路中使用特殊的微处理器电源监测芯片MAX708S。图5展示了该系统复位电路。

系统软件的设计与实现

苏州大学本科生毕业设计（论文）

基于嵌入式ARM平台的远程I / O数据采集系统的软件使用的是开源的并且可移植，削减和巩固的实时多任务操作系统的第二代UC / OS核心。RTOS的关键部分是实时多任务的核心，其基本功能包括任务管理，资源管理，系统管理，计时器管理，内存管理，信息管理，队列管理等。通过API服务职能核心使用这些功能。

该系统软件平台使用的是单一化的uC/ OS第二代实时简化操作系统核心，使整个结构系统简单和应用层次复杂。整个系统的设计包括操作系统的任务和一系列的用户应用程序。系统的主要职能是实现系统硬件和操作系统的初始化。硬件初始化包括中断，键盘，液晶显示器等。操作系统初始化包括控制模块和事件控制，在多任务调度前，至少有一个任务开始。一个开端任务已建立在这一系统，这系统主要负责初始化和启动的时钟，开办中断，通信任务模块的初始化，以及任务分工等。为了完成实时多任务系统的多种职能那个任务必须被划分。

图6显示系统软件的功能任务。根据任务的重要性和实时要求，系统的应用曾划分为六个不同优先级的任务，其中包括A / D数据采集任务，系统监控，接受队列，数据传送，键盘输入，液晶显示屏显示。A / D数据采集任务要求最高的实时要求和液晶显示器显示任务是最低的。因为每个任务都有不同的优先事项，通过使用系统挂断功能或延迟功能更高的优先任务可以开始已经准备好的任务。

图7显示的是AD7715的数据转换流。A / D转换器的应用是数据采集系统的一个重要组成部分。在uS/ OS的第二代实时操作系统的核心中，A / D驱动程序的实现过程主要取决于A / D转换器的转换时间，有转换价值的模拟频率，输入通道的数量，转换频率等等。典型的A / D转换电路由模拟复用器（复用器），放大器和模拟到数字转换器（ADC）组成。

图8显示了申请程序转移的驱动程序。驱动程序可以在模拟通道读取由复用器，那么几微秒的延迟，以便使信号通过多路开关，并使其稳定。然后，当转换开始时，ADC被触发，并且驱动程序在一个周期内等待ADC的触发，直到完成转换。当等待的进展，该驱动程序检测ADC的状态信号。如果等待时间比规定的时间越长，周期应该结束。在等待的周期时间，如果转换完成ADC的信号被检测到，驱动程序应改为转换的结果，然后将结果返回给应用程序。

图9显示了缓冲区和信号量的序列接收图。由于外围串行设备的存在CPU的运行速度匹配，一个缓冲区是必要的，当数据发送到序列，它必须被写入缓冲区，然后通过串行逐一地被发送出去。当从串行端口收到数据，这些数据将不会被处理直到收到一些字节，因此先前的数据可以存储在缓冲区中。在实践中，两个缓冲区，一个接收缓冲区和一个发送缓冲区，它们是需要从内存开放出来。在这里缓冲区像循环队列数据结构一样被定义。

由于uC/OS-II提供额外时间等待机制的信号，串口也具有额外的阅读和写作能力。如

苏州大学本科生毕业设计（论文）

果收到的数据信号初值为0，它表示循环缓冲区是空的。在中断收到后，ISR从UART接受缓冲区中读到收到的数据，并投入接收缓冲区域，最后通过收到的数据开始用户执行读操作的的任务。在整个过程中，变量价值目前字节在存储缓冲区中的字节的变量值是可以被询问的，这能够表明接收缓冲区是否已满。为了降低数据丢失的可能性和避免浪费存储空间应合理地设置缓冲区的大小。

结论

随着工业过程控制领域的快速发展和网络，智能，数字化分布式控制系统广泛应用，有必要发展对数据准确性和控制可靠性要求更高的系统。由于较差的实时性和可靠性基于单片机数据采集系统已逐步被淘汰。随着嵌入式ARM处理器的迅速普及，ARM处理器替代单芯片实现数据采集与控制成为了一种新的趋势。嵌入式ARM系统能够适应数据采集系统的严格要求，如功能，可靠性，成本，大小，耗电量等等。