第5章 網(wǎng)絡(luò)化嵌入式儀器.ppt

1、第5章 網(wǎng)絡(luò)化嵌入式儀器,5.1 網(wǎng)絡(luò)化嵌入式儀器的概述 5.2 網(wǎng)絡(luò)化嵌入式儀器的體系結(jié)構(gòu) 5.3 網(wǎng)絡(luò)化嵌入式儀器設(shè)計 5.4 無線通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化嵌入式測控系統(tǒng),5.1 網(wǎng)絡(luò)化嵌入式儀器的概述 5.1.1 網(wǎng)絡(luò)化嵌入式儀器的提出 IEEE對于嵌入式系統(tǒng)的定義是：An Embedded system is the devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants，即嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設(shè)備的裝置”。在中國嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，比較認(rèn)同的嵌

2、入式系統(tǒng)概念是：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗均有嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四部分組成，用于實現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。,嵌入式計算機系統(tǒng)同通用型計算機系統(tǒng)相比具有以下特點： （1）嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的嵌入式CPU與通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在為特定用戶群設(shè)計的系統(tǒng)中，它通常都具有低功耗、體積小、 集成度高等特點，能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計趨于小型化，移動能

3、力大大增強，與網(wǎng)絡(luò)的耦合也越來越緊密。 （2）嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。這一點就決定了它必然是一個技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。 （3）嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應(yīng)用中對處理器的選擇更具有競爭力。 （4）嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機地結(jié)合在一起，它的升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場，具有較長的生命周期。,（5）為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中，而

4、不是存貯于磁盤等載體中。 （6）嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力，即使設(shè)計完成以后用戶通常也是不能對其中的程序功能進(jìn)行修改的，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)。 5.1.2 網(wǎng)絡(luò)化嵌入式儀器的功能 （1）測試功能 滿足特定應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)交換。 （2）輸入/輸出控制 一般采用簡單方便的按鍵輸入作為主要形式，根據(jù)具體情況輔以其他形式，輸出主要采用LCD顯示，可以顯示文字、標(biāo)識、簡單的曲線及操作界面。 （3）數(shù)據(jù)通信功能 數(shù)據(jù)打包后由通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和消息發(fā)送，通信接口包括有線方式的通信接口（RS232、Ethernet卡、Modem）和無線方式的通信接口（短波通信、紅外或藍(lán)牙、Zig

5、Bee發(fā)收設(shè)備） （4）安全性及存取控制,5.2 網(wǎng)絡(luò)化嵌入式儀器的體系結(jié)構(gòu) 5.2.1 網(wǎng)絡(luò)化嵌入式儀器的結(jié)構(gòu) 一般而言，典型的網(wǎng)絡(luò)化嵌入式儀器應(yīng)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和處理、參數(shù)輸入、結(jié)果顯示、控制和網(wǎng)絡(luò)通訊等功能，相應(yīng)地一個典型的網(wǎng)絡(luò)化嵌入式儀器系統(tǒng)主要由基于微處理器中心控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、人機交互模塊（包括參數(shù)輸入和結(jié)果顯示等）、控制功能模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊等組成。其簡單結(jié)構(gòu)框圖如圖5-1所示。,圖5-1網(wǎng)化嵌入式儀器結(jié)構(gòu)框圖,5.2.2 網(wǎng)絡(luò)化嵌入式儀器的控制部分網(wǎng)絡(luò)化方案 網(wǎng)絡(luò)化嵌入式儀器的控制部分常有3種實現(xiàn)方案。 （1）單片機系統(tǒng) 一般有8位或16位、32位的處

6、理器，這類嵌入式控制系統(tǒng)具有集成度較高、功能比較豐富等優(yōu)點。但是，存在有存儲器容量較小、系統(tǒng)資源有限且功能不夠強大等不足。 （2）單板機系統(tǒng) 如PC104工業(yè)單板機，這類系統(tǒng)實現(xiàn)了小型化、模塊化、低功耗、較高的可靠性，且功能強大，能滿足工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用需要。但是，對硬件的剪裁工作只能從板卡級進(jìn)行，對于不同的應(yīng)用場合顯得靈活性不夠。 （3）嵌入式操作系統(tǒng) 例如ARM、DSP等嵌入式芯片組建的嵌入式系統(tǒng)，可以按照應(yīng)用的要求對硬件和軟件系統(tǒng)實現(xiàn)完全剪裁，由于有嵌入式操作系統(tǒng)支持，如嵌入式Linux，這類系統(tǒng)具有的強大軟硬件平臺具有最低冗余度和最大專用性。,5.2.3 網(wǎng)絡(luò)化嵌入式儀器的嵌入式操作系

7、統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化方案 在嵌入式操作系統(tǒng)方案中，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化通常有以下幾種組合方案。 （1）集成有網(wǎng)絡(luò)接口的微控制器配合實時操作系統(tǒng) （2）MCU配合TCP/IP協(xié)議芯片 （3）MCU配合以太網(wǎng)控制芯片,5.3 網(wǎng)絡(luò)化嵌入式儀器設(shè)計 5.3.1 網(wǎng)絡(luò)化嵌入式儀器的入網(wǎng)方式 連接Internet的儀器設(shè)計主要是把嵌入式系統(tǒng)嵌入到儀器中，讓其成為測試和控制的核心。目前，嵌入式儀器接入Internet主要方式有三種方法。 （1）由32位高檔MCU構(gòu)建的嵌入式儀器 （2）由低檔8位機組成的嵌入式儀器 （3）由8位單片機組成直接接入Internet的網(wǎng)絡(luò)化嵌入式儀器 5.3.2 網(wǎng)絡(luò)化嵌入式儀器設(shè)計舉例 下面給出利

8、用“8位單片機構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)并接入Internet組成網(wǎng)絡(luò)化嵌入式儀器”的例子 1系統(tǒng)總體方案設(shè)計 2控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn),控制部分的結(jié)構(gòu)如圖5-2所示 3系統(tǒng)儀器網(wǎng)絡(luò)部分的設(shè)計 嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的程序流程如圖5-3所示。,4RTOS的引入 軟件系統(tǒng)用信號量進(jìn)行任務(wù)的通訊。主要用到兩個信號量:按鍵信號量SemKeybd和打印信號量SemPrint。典型任務(wù)的框架結(jié)構(gòu)如下： TaskKeyScan( ) /*鍵掃描任務(wù)*/ KeyScan( ); If (key=1) OSScmPost(scmKeybd); OSTimeDly(2); TaskMeasureCtrl( ) /*計量控制任務(wù)*/

9、MeasureCtrl(); OSTimeDly(20); 其他任務(wù)的設(shè)計是類似的。,5.4 無線通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化嵌入式測控系統(tǒng) 無線接入具有以下特點： （1）較好的傳輸帶寬：無線局域網(wǎng)WLAN的IEEE802.11a和802.11g標(biāo)準(zhǔn)的最大帶寬可以達(dá)到54Mb/s,更大帶寬的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)正在發(fā)展中； （2）無線延伸：有限網(wǎng)絡(luò)難以延伸的區(qū)域可有無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋； （3）較好的抗干擾性：無線網(wǎng)絡(luò)可以通過采用調(diào)整自身無線信號發(fā)射的強度、頻率等技術(shù)來增強抗干擾性能； （4）具有一定的安全性：無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通過數(shù)字加密等技術(shù)來保證無線網(wǎng)絡(luò)的安全性； （5）移動性好：在野外、機場、碼頭、大型會所等移動性突出的場

10、所，無線通信具有明顯優(yōu)勢。,5.4.1典型的無線通信技術(shù) 典型的無線通信技術(shù)有：藍(lán)牙（Bluetooth）、UWB(超寬帶)、Wi-Fi、ZigBee、無線局域網(wǎng)、GSM、GPRS、CDMA等。 應(yīng)用藍(lán)牙技術(shù)將傳統(tǒng)意義上的測控系統(tǒng)接入因特網(wǎng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)測控的示意圖如圖5-4所示。 基于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)化傳感器結(jié)構(gòu)示意圖,4.4.2無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng) 無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)是無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用最多的領(lǐng)域之一。無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要用于對重要區(qū)域或遠(yuǎn)程地點的監(jiān)視和控制，無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)在電力系統(tǒng)、電信機房、工廠、城市交通、水利系統(tǒng)、小區(qū)治安等領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用。 圖5-6所示為無線網(wǎng)絡(luò)視

11、頻監(jiān)控系統(tǒng)示意圖。,無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和傳統(tǒng)的監(jiān)控方案相比，具有以下優(yōu)點： （1）綜合成本低，只需一次性投資，無須挖溝埋管，特別適合室外距離較遠(yuǎn)及已裝修好的場合；在許多情況下，用戶往往由于受到地理環(huán)境和工作內(nèi)容的限制，例如山地、港口和開闊地等特殊地理環(huán)境，對有線網(wǎng)絡(luò)、有線傳輸?shù)牟季€工程帶來極大的不便，采用有線的施工周期將很長，甚至于根本無法實現(xiàn)。這時，采用無線網(wǎng)可以擺脫線纜的束縛，有安裝周期短、維護(hù)方便、擴容能力強，迅速收回成本的優(yōu)點。 （2）組網(wǎng)靈活，可擴展性好，即插即用，網(wǎng)絡(luò)管理人員可以迅速將新的監(jiān)控點加入到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中，不需要為新建傳輸鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)、增加設(shè)備，輕而易舉地實現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。 （3）維護(hù)費用低，無線網(wǎng)絡(luò)維護(hù)由網(wǎng)絡(luò)提供商維護(hù)，前端設(shè)備是即插即用、免維護(hù)系統(tǒng)。 無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控