基于ARM的嵌入式系统教学实验系统的设计与研究
|
摘要
随着信息技术的发展和数字化产品的普及以及Internet广泛深入的应用,从消费电器到工业设备,从民用产品到军用器材,嵌入式系统已被广泛的应用到网络、手持通信设备、消费电子和自动化控制等各个领域。嵌入式系统的广泛应用和发展潜力使其成为21世纪的应用热点之一。为了学习、研究和使用嵌入式技术,国内许多高校都在开展或计划开展嵌入式系统教学。因此,研制基于ARM的嵌入式系统教学实验系统已迫在眉睫。
本文在分析了各种嵌入式教学实验系统功能的基础上,提出并研究设计了一款基于ARM的嵌入式系统教学实验系统。本文概括地阐述了嵌入式系统的概念、设计流程、发展趋势,分析了嵌入式系统教学开展的必要性。根据实验系统的需求分析、功能规划和教学内容安排,设计了一个基于ARM的嵌入式系统教学实验系统的硬件平台,详细论述了硬件平台的设计及实现过程,同时给出了电路原理图。研究了嵌入式操作系统的启动和移植,包括嵌入式操作系统的选型、系统引导程序Bootloader的设计与实现、嵌入式操作系统uCLinux内核的移植。以嵌入式网络为应用背景,分析了嵌入式Boa服务器的程序结构,修改并实现了嵌入式Boa服务器。在Boa服务器的基础上,设计并实现了远程控制嵌入式系统I/O端口的应用程序,实现了通过浏览器控制A/D转换器进行模拟信号采集并获得采样数据的功能。
实验结果表明,所设计的基于ARM的嵌入式系统教学实验系统达到了预期的设计目标,能够满足嵌入式系统教学实验的要求。
Along with the development of information technology and the widespread application of Internet, the embedded system has been applied in many domains, such as network, communication devices, national defense system, vechicle, electronic devices and automatic control. In 21st century, the embedded system is becoming one of the fastest developing domains. In order to study and use embedded system technology, many domestic universities are launching or planning to launch the teaching of embedded system. Therefore, it is urgent to develop suitable experimental system for teaching embedded system.
In this paper, upon the analysis of all kinds of existing experimental system, an ARM based embedded system is proposed as well as designed. At first, the paper generally introduces the concept, design flow and development situation of embedded system, and analyses the necessity of teaching embedded system. Second, according to requirement analysis, function plan and teaching arrangement, this paper describes the design of an ARM based hardware platform, discusses some details of the design and implementation, including critical circuits and diagrams. In the third section, this paper studies the startup and transplantation of an embedded operating system, uCLinux, modifies the Bootloader and finishes its customization. In the final section, it is about the embedded network function and Boa Web Server, upon which the remote control of input and output in embedded system through internet is realized, and the internet based analog signal sampling function becomes available, the client can visit the embedded website through a browser and tell the embedded system to perform the functions contained.
The experimental results show that the design is feasible and meets all requirements.
本文在分析了各种嵌入式教学实验系统功能的基础上,提出并研究设计了一款基于ARM的嵌入式系统教学实验系统。本文概括地阐述了嵌入式系统的概念、设计流程、发展趋势,分析了嵌入式系统教学开展的必要性。根据实验系统的需求分析、功能规划和教学内容安排,设计了一个基于ARM的嵌入式系统教学实验系统的硬件平台,详细论述了硬件平台的设计及实现过程,同时给出了电路原理图。研究了嵌入式操作系统的启动和移植,包括嵌入式操作系统的选型、系统引导程序Bootloader的设计与实现、嵌入式操作系统uCLinux内核的移植。以嵌入式网络为应用背景,分析了嵌入式Boa服务器的程序结构,修改并实现了嵌入式Boa服务器。在Boa服务器的基础上,设计并实现了远程控制嵌入式系统I/O端口的应用程序,实现了通过浏览器控制A/D转换器进行模拟信号采集并获得采样数据的功能。
实验结果表明,所设计的基于ARM的嵌入式系统教学实验系统达到了预期的设计目标,能够满足嵌入式系统教学实验的要求。
Along with the development of information technology and the widespread application of Internet, the embedded system has been applied in many domains, such as network, communication devices, national defense system, vechicle, electronic devices and automatic control. In 21st century, the embedded system is becoming one of the fastest developing domains. In order to study and use embedded system technology, many domestic universities are launching or planning to launch the teaching of embedded system. Therefore, it is urgent to develop suitable experimental system for teaching embedded system.
In this paper, upon the analysis of all kinds of existing experimental system, an ARM based embedded system is proposed as well as designed. At first, the paper generally introduces the concept, design flow and development situation of embedded system, and analyses the necessity of teaching embedded system. Second, according to requirement analysis, function plan and teaching arrangement, this paper describes the design of an ARM based hardware platform, discusses some details of the design and implementation, including critical circuits and diagrams. In the third section, this paper studies the startup and transplantation of an embedded operating system, uCLinux, modifies the Bootloader and finishes its customization. In the final section, it is about the embedded network function and Boa Web Server, upon which the remote control of input and output in embedded system through internet is realized, and the internet based analog signal sampling function becomes available, the client can visit the embedded website through a browser and tell the embedded system to perform the functions contained.
The experimental results show that the design is feasible and meets all requirements.
引文
[1]周立功等编著.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京航空航天大学出版社.2005:1-2.
[2]郑灵翔等编著.嵌入式系统设计与应用开发[M].北京航空航天大学出版社.2006.
[3]田泽编著.嵌入式系统开发与应用教程[M].北京航空航天大学出版社.2005.
[4]LPC2210数据手册[S].
[5]SPX1117数据手册[S].
[6]CAT1025数据手册[S].
[7]SST39VF160数据手册[S].
[8]K9F2808UOC数据手册[S].
[9]RTL8019AS数据手[S].
[10]周立功等编著.ARM嵌入式系统实验教程(二)[M].北京航空航天出版社.2005:4-9.
[11]江思敏,姚鹏翼,胡烨编著.Protel 2004电路原理图及PCB设计.北京:机械工业出版社.2006.
[12]李岩荣,盘祥编著.基于S3C44BOX嵌入式uCLinux系统原理与应用[M].清华大学出版社.2005:238-241.
[13]陈渝,李明,杨晔.源码开放的嵌入式系统软件分析与实践-基于SkyEye和ARM开发平台[M].北京:北京航空航天大学出版社.2004:136-148.
[14]李燕宁.基于ARM及uCLinx的嵌入式Web服务器的研究[硕士学位论文].广东工业大学,2007.
[15]朱刚等编著.Linux网络编程[M].科学出版社.2000.
[16]张斌.Linux网络编程[M].清华大学出版社.2000.
[17]王倩.嵌入式Web Server及其网络通信实现研究[硕士学位论文].浙江大学,2006.
[18]杜展.基于ARM处理器和嵌入式操作系统uCLinux的Web-Server实现[硕士学位论文].上海交通大学,2006.
[19]张移山著.CGI程序设计指南[M].中国水利水电出版社.1998:
[20]周立功等编著.ARM嵌入式Linux系统构建与驱动开发范例[M].北京:北京航空航天大学出版社.2006.
[21]李驹光,郑秋,江泽明编著.嵌入式Linux系统开发详解[M].清华大学出版社.2006.
[22]周立功.ARM嵌入式系统软件开发实例二[M].北京:北京航空航天大学出版社.2004.
[23]李善平,陈文智.边干边学Linux内核指导[M].杭州:浙江大学出版社.2002.
[24]Gary R.Wright,W.Richard Stevens著,陆雪莹等译.TCP/IP详解卷2:实现[M].北京:机械工业出版社.2000.
[25]刘淼.嵌入式系统接口设计与Linux驱动程序开发[M].北京:北京航空航天大学出版社.2006.
[26]周立功等编著.ARM微控制器基础与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社.2003.
[27]周立功等编著.ARM嵌入式系统软件开发实例一[M].北京航空航天大学出版社.2005.
[28]周立功等编著.ARM嵌入式系统软件开发实例二[M].北京航空航天大学出版社.2005.
[29]朱芳.基于嵌入式Web服务器的远程测控系统[J].无锡职业技术学院学报.2006,5(3):21-23.
[30]陆萍.基于Skyeye和uCLinux的轻量级Web服务器的设计与实现[硕士学位论文].苏州大学,2005.
[31]岐山.基于S3C4510B的嵌入式教学开发系统的硬件设计[硕士学位论文].山东大学,2005.
[32]原变青.基于S3C4510B的嵌入式教学开发系统软件设计[硕士学位论文].山东大学,2005.
[33]李振宇.嵌入式教学实验系统的应用与研究[硕士学位论文].长安大学,2005.
[34]曲鑫.基于uCLinux的嵌入式Internet技术研究[硕士学位论文].武汉理工大学.2006.
[35]张家奇.基于uCLinux的嵌入式Internet技术的研究与实现[硕士学位论文].青岛科技大学,2005.
[36]肖杰.基于uCLinux嵌入式系统设计及其在Web服务器中的应用研究[硕士学位论文].湖南大学,2005.
[37]石文国.基于ARM的嵌入式Internet系统研究[硕士学位论文].西南交通大学,2005.
[38]路全.基于ARM-uCLinux的嵌入式网络数据采集系统研究[硕士学位论文].河北工业大学,2006.
[39]张绮文,谢建雄,谢劲心.ARM嵌入式常用模块与综合系统设计实例精讲[M].北京:北京电子工业出版社.2007.
[40]Michael K.Johnson,Erik W.Troan著.武延军,郭松柳译.Linux应用程序开发[M].电子工业出版社.2005.
[41]Klaus Wehrle Frank Pahlke,汪青青译.Linux网络体系结构-Linux内核中网络协议的设计与实现[M].清华大学出版社.2006.
[42]孙秋野,孙凯,冯建编著.ARM嵌入式系统开发典型模块[M].人民邮电出版社.2007.
[43]罗苑堂,杨宗德.嵌入式Linux应用系统开发实例精讲[M].北京:电子工业出版社.2007.
[44]Claudia Salzberg Rodriguez,Gordon Fisher,Steven Smolski著.Linux内核编程[M].北京:机械工业出版社.2006.
[45]周立功等编著.MagicARM2200-S教学实验开发平台实验指导[M].广州周立功单片机发展有限公司.2005.
[46]赵炯编著.Linux内核完全剖析[M].北京机械工业出版社.2006.
[47]Jonatban Corbet,Alessandro Rubimie,Greg Kroab-Hartman著.Linux设备驱动程序[M].北京:中国电力出版社.2006.
[48]马昕炜主编.Linux服务器配置手册[M].北京科学出版社.2005.
[49]Robert Love著.Linux内核设计与实现[M].北京机械工业出版社.2004.
[50]张松编著.Protel 2004电路设计教程[M].北京清华大学出版社.2006.
[2]郑灵翔等编著.嵌入式系统设计与应用开发[M].北京航空航天大学出版社.2006.
[3]田泽编著.嵌入式系统开发与应用教程[M].北京航空航天大学出版社.2005.
[4]LPC2210数据手册[S].
[5]SPX1117数据手册[S].
[6]CAT1025数据手册[S].
[7]SST39VF160数据手册[S].
[8]K9F2808UOC数据手册[S].
[9]RTL8019AS数据手[S].
[10]周立功等编著.ARM嵌入式系统实验教程(二)[M].北京航空航天出版社.2005:4-9.
[11]江思敏,姚鹏翼,胡烨编著.Protel 2004电路原理图及PCB设计.北京:机械工业出版社.2006.
[12]李岩荣,盘祥编著.基于S3C44BOX嵌入式uCLinux系统原理与应用[M].清华大学出版社.2005:238-241.
[13]陈渝,李明,杨晔.源码开放的嵌入式系统软件分析与实践-基于SkyEye和ARM开发平台[M].北京:北京航空航天大学出版社.2004:136-148.
[14]李燕宁.基于ARM及uCLinx的嵌入式Web服务器的研究[硕士学位论文].广东工业大学,2007.
[15]朱刚等编著.Linux网络编程[M].科学出版社.2000.
[16]张斌.Linux网络编程[M].清华大学出版社.2000.
[17]王倩.嵌入式Web Server及其网络通信实现研究[硕士学位论文].浙江大学,2006.
[18]杜展.基于ARM处理器和嵌入式操作系统uCLinux的Web-Server实现[硕士学位论文].上海交通大学,2006.
[19]张移山著.CGI程序设计指南[M].中国水利水电出版社.1998:
[20]周立功等编著.ARM嵌入式Linux系统构建与驱动开发范例[M].北京:北京航空航天大学出版社.2006.
[21]李驹光,郑秋,江泽明编著.嵌入式Linux系统开发详解[M].清华大学出版社.2006.
[22]周立功.ARM嵌入式系统软件开发实例二[M].北京:北京航空航天大学出版社.2004.
[23]李善平,陈文智.边干边学Linux内核指导[M].杭州:浙江大学出版社.2002.
[24]Gary R.Wright,W.Richard Stevens著,陆雪莹等译.TCP/IP详解卷2:实现[M].北京:机械工业出版社.2000.
[25]刘淼.嵌入式系统接口设计与Linux驱动程序开发[M].北京:北京航空航天大学出版社.2006.
[26]周立功等编著.ARM微控制器基础与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社.2003.
[27]周立功等编著.ARM嵌入式系统软件开发实例一[M].北京航空航天大学出版社.2005.
[28]周立功等编著.ARM嵌入式系统软件开发实例二[M].北京航空航天大学出版社.2005.
[29]朱芳.基于嵌入式Web服务器的远程测控系统[J].无锡职业技术学院学报.2006,5(3):21-23.
[30]陆萍.基于Skyeye和uCLinux的轻量级Web服务器的设计与实现[硕士学位论文].苏州大学,2005.
[31]岐山.基于S3C4510B的嵌入式教学开发系统的硬件设计[硕士学位论文].山东大学,2005.
[32]原变青.基于S3C4510B的嵌入式教学开发系统软件设计[硕士学位论文].山东大学,2005.
[33]李振宇.嵌入式教学实验系统的应用与研究[硕士学位论文].长安大学,2005.
[34]曲鑫.基于uCLinux的嵌入式Internet技术研究[硕士学位论文].武汉理工大学.2006.
[35]张家奇.基于uCLinux的嵌入式Internet技术的研究与实现[硕士学位论文].青岛科技大学,2005.
[36]肖杰.基于uCLinux嵌入式系统设计及其在Web服务器中的应用研究[硕士学位论文].湖南大学,2005.
[37]石文国.基于ARM的嵌入式Internet系统研究[硕士学位论文].西南交通大学,2005.
[38]路全.基于ARM-uCLinux的嵌入式网络数据采集系统研究[硕士学位论文].河北工业大学,2006.
[39]张绮文,谢建雄,谢劲心.ARM嵌入式常用模块与综合系统设计实例精讲[M].北京:北京电子工业出版社.2007.
[40]Michael K.Johnson,Erik W.Troan著.武延军,郭松柳译.Linux应用程序开发[M].电子工业出版社.2005.
[41]Klaus Wehrle Frank Pahlke,汪青青译.Linux网络体系结构-Linux内核中网络协议的设计与实现[M].清华大学出版社.2006.
[42]孙秋野,孙凯,冯建编著.ARM嵌入式系统开发典型模块[M].人民邮电出版社.2007.
[43]罗苑堂,杨宗德.嵌入式Linux应用系统开发实例精讲[M].北京:电子工业出版社.2007.
[44]Claudia Salzberg Rodriguez,Gordon Fisher,Steven Smolski著.Linux内核编程[M].北京:机械工业出版社.2006.
[45]周立功等编著.MagicARM2200-S教学实验开发平台实验指导[M].广州周立功单片机发展有限公司.2005.
[46]赵炯编著.Linux内核完全剖析[M].北京机械工业出版社.2006.
[47]Jonatban Corbet,Alessandro Rubimie,Greg Kroab-Hartman著.Linux设备驱动程序[M].北京:中国电力出版社.2006.
[48]马昕炜主编.Linux服务器配置手册[M].北京科学出版社.2005.
[49]Robert Love著.Linux内核设计与实现[M].北京机械工业出版社.2004.
[50]张松编著.Protel 2004电路设计教程[M].北京清华大学出版社.2006.