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(jì)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(duì)于嵌入式系統(tǒng)的定義是：AnEmbeddedsystemisthedevicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants，即嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置”。在中國嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，比較認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)概念是：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)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(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗均有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)同通用型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比具有以下特點(diǎn)：（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(jì)的系統(tǒng)中，它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點(diǎn)，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(jì)趨于小型化，移動(dòng)能力大大增強(qiáng)，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(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)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(jì)，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應(yīng)用中對(duì)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(jī)地結(jié)合在一起，它的升級(jí)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。5.2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(gè)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(jī)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。數(shù)據(jù)采集模塊控制功能模塊數(shù)據(jù)分析處理模塊人機(jī)交互模塊網(wǎng)絡(luò)模塊基于微處理器的中心控制模塊圖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(shí)現(xiàn)方案。（1）單片機(jī)系統(tǒng)一般有8位或16位、32位的處理器，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(diǎn)。但是，存在有存儲(chǔ)器容量較小、系統(tǒng)資源有限且功能不夠強(qiáng)大等不足。（2）單板機(jī)系統(tǒng)如PC104工業(yè)單板機(jī)，這類系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了小型化、模塊化、低功耗、較高的可靠性，且功能強(qiáng)大，能滿足工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用需要。但是，對(duì)硬件的剪裁工作只能從板卡級(jí)進(jìn)行，對(duì)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(duì)硬件和軟件系統(tǒng)實(shí)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(qiáng)大軟硬件平臺(tái)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統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化方案

在嵌入式操作系統(tǒng)方案中，實(shí)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(shí)時(shí)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

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(jì)

嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的程序流程如圖5-3所示。

鍵盤LCD輸入信號(hào)CPU打印機(jī)存儲(chǔ)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)開始收到HTTP請(qǐng)求信息？結(jié)束服務(wù)器初始化進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)發(fā)布web網(wǎng)頁關(guān)閉TCP連接GET方法？是是否否4．RTOS的引入軟件系統(tǒng)用信號(hào)量進(jìn)行任務(wù)的通訊。主要用到兩個(gè)信號(hào)量:按鍵信號(hào)量SemKeybd和打印信號(hào)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(jì)量控制任務(wù)*/{MeasureCtrl();OSTimeDly(20);}其他任務(wù)的設(shè)計(jì)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(diǎn)：（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(hào)發(fā)射的強(qiáng)度、頻率等技術(shù)來增強(qiáng)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(dòng)性好：在野外、機(jī)場、碼頭、大型會(huì)所等移動(dòng)性突出的場所，無線通信具有明顯優(yōu)勢。

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(duì)重要區(qū)域或遠(yuǎn)程地點(diǎn)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(jī)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(diǎn)：（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(duì)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(shí)現(xiàn)。這時(shí)，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(kuò)容能力強(qiáng)，迅速收回成本的優(yōu)點(diǎn)。（2）組網(wǎng)靈活，可擴(kuò)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(diǎn)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(shí)