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嵌入式开发的自来水厂恒压供水监控系统设计详解
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更新于2024-06-25
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本文档主要探讨了基于嵌入式开发的自来水厂全自动恒压供水监控系统的详细设计与实现。随着自动化技术的发展,尤其是在诸如安全监控等关键领域,对高效、稳定和经济的监控解决方案的需求日益增长。传统的监控系统可能存在成本高昂、易受干扰和依赖人工维护的问题,这促使研究者寻求创新的解决方案。 本文的核心是利用嵌入式技术,通过三星S3C2410应用处理器来构建低成本的监控系统。这款处理器以其性价比高和性能稳定著称,配合软件音视频编解码器,系统能够以250Kbps和350Kbps的编码速率进行网络传输,提供两种不同的视频分辨率,即160*128和320*240,以确保清晰的监控画面。值得一提的是,该系统设计允许在终端设备上直接录像,无需外部PC,这显著降低了能耗并简化了系统架构,特别适合于低功耗和便捷操作的场景。 图像采集部分选用USB型摄像头,其市场供应充足且通用性强,丰富的驱动程序减少了开发工作量。此外,通过标准以太网通信技术,系统支持多终端级联,使得监控范围可以轻松扩展,提高了系统的灵活性和适应性。 整个系统的核心技术包括ARM9处理器,Linux操作系统,以及集成的CODEC(编解码器)技术,这些都是现代嵌入式监控系统的关键组件。它们共同确保了系统的高性能和可靠性,满足了自来水厂对全自动恒压供水监控的严格要求。 这篇毕业设计论文深入剖析了如何将嵌入式技术、Linux平台、硬件优化和网络通信技术结合,设计出一款既能节省成本又能提供出色性能的自来水厂全自动恒压供水监控系统,对于推动工业自动化和智能水务管理具有实际意义。
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根据 IDC 报告指出,Linux 已经成为世界第二大操作系统。并且每年以高于 25%的
速度增长,再加上基于 Linux 的变种体,如实时性能较强的 RTLinux、RTAI,Kurt 和
Linux/RK,能在没有 MMU 处理器上运行的μCLinux,更是把 Linux 的应用领域扩展到
了工业控制和军事工业以及航空工业。
4.1.3 VxWorks
VxWorks 是 WindRiver 公司专门为实时系统而设计的一款优秀的实时操作系统。
VxWorks 以其超微小的内核提供了实时任务调度、中断管理、任务间通信等功能。由于
WindRiver 已经为 VxWorks 作了大量的优化工作,其优异的性能和稳定的特点使得程序
员只要专心编写应用程序,根本不需要去关心系统内核的管理。除此之外,VxWorks 具
备完善的网络通信,文件系统等模块,可以应用到各种不同的场合。下面罗列了 VxWorks
的一些主要特点:
(1)任务间通信机制
(2)网络协议
(3)文件系统
(4)I/O 管理
(5)超微小内核
(6)POSIX 标准实时扩展
(7)支持 C++语言
4.1.4 μC/OS
μC/OS 是由美国的 Jean J.Labrosse 编写的一个小型实时操作系统。该系统从 1992
年开始至今,已经发展到了第二个版本μC/OS II。μC/OS 的特点是:公开源码,内核
简洁,可移植性好,可裁剪,可固化,抢占式内核,可以管理 60 多个任务。该系统主
要用于教育研究,和一些简单的控制系统应用。
4.2 常用的嵌入式处理器
4.2.1 ARM
ARM(Advanced RISC Machines)公司是英国一家 CPU 核设计商,它本身并不生产
CPU,而是设计出 CPU 以 IP 核的方式授权给其他公司生产。ARM 处理器目前主要包
括 ARM7,ARM9,ARM10,ARM11 以及 Cortex 和 SecurCore 系列。ARM 公司推出
的嵌入式处理器几乎含盖了所有层次的处理器,主频也从 50MHz 到 1GHz 不等。到目
前为此,ARM 处理器已经成为嵌入式领域的神话,其市场份额高达 80%以上,应用范
围涉及手机,端终,控制,家电等等。
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4.2.2 MIPS
MIPS(Microprocessor whithout Interlocked Pipeline Stages)是一种处理器内核标准,
它由 MIPS 技术公司开发拟定的。MIPS 技术公司是一家设计制造高性能、高档次的嵌
入式 32 位和 64 位处理器开发商,在 RISC 处理器领域占有很重要的地位。2000 年,
MIPS 公司发布了针对 MIPS 32 4 Kc 的新版本以及未来 64 位 MIPS 64 20 Kc 处理器内
核。
MIPS 技术公司既开发 MIPS 处理器构架,又自己生产基于 MIPS 的 32/64 位处理器
芯片。为了使用户更加方便地应用 MIPS 处理器,MIPS 公司推出了一套集成开发工具,
称为 MIPS IDF(Integrated Development Framework),大大的降低了开发的难度。
4.2.3 PowerPC
Power PC 构架的主要特点是可伸缩性好,方便灵活。Power PC 处理器品种很多,
既有通用的处理器,又有嵌入式控制器和内核,应用范围非常广泛,从高端的工作站、
服务器到个人 PC,从消费类电子产品到大型通信设备等各个方面。
目前 Power PC 独立微处理器与嵌入式处理器的主频从 25MHz~700MHz 之间,它们
的功耗,尺寸,价格相差比较大,主要的产品模块有 Power PC 750 CX 和 750 CXe,
以及 Power PC 440GP,用于嵌入式系统的有 Power PC405 和 Power PC 440。Power PC
的嵌入式处理器常用于通信,金融和其他终端设备。
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5 ARM 处理器
5.1 ARM 构架特点
5.1.1 ARM 的特点
ARM 主要特点:体积小、低功耗、低成本、高性能。
支持 16 位 Thumb 和 32 位 ARM 指令,Thumb 指令可以减少大约 30%~40%的代码大小,
具有更高的代码密度,大量使用寄存器,指令运行速度更快,ARM 共有 37 个 32 位寄
存器,被分为若干组,其中:
-31 个通用寄存器,包括程序计数器(PC)
-6 个状态寄存器,用以标志 CPU 的工作状态和运行状态等
大多数的数据操作都在寄存器中完成,寻址方式灵活简单,执行效率高指令长度固
定 Load/Store 加载/存储指令实批量数据传输,大大的提高了执行效率。
5.1.2 ARM 的模式
为了加强系统的安全性和对时间的响应,ARM 设计了 7 种系统模式,以适应于不同
的场合。
例如,在时间要求比较严格的时候,可以进入 fiq 模式对事件进行响应,可以减少
响应时间。而在多任务操作系统下,可以使用用户模式和系统模式来加强系统的安全。
ARM 七种模式如下:
(1)用户模式(usr)
(2)快速中断(fiq)
(3)外部中断(irq)
(4)管理模式(svc)
(5)数据访问中止模式(obt)
(6)系统模式(sys)
(7)未定义指令中止模式(und)
5.1.3 ARM 的状态
ARM 具有两种不同的工作状态:ARM 状态和 THUMB 状态,通常,ARM 在上电
默认是 ARM 状态,如要切换到 THUMB 状态,常用的方法是使用 BX 跳转指令。特别
注意的是,在所有的异常模式中,都必须是在 ARM 状态下实现的,这是 ARM 固有的
特点,不需要用户的干涉。
5.1.4 ARM 寄存器映射
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