基于嵌入式系統(tǒng)在船舶監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、摘要：嵌入式系統(tǒng)具有體積小、功耗低、可靠性高等特點(diǎn),非常適合船舶領(lǐng)域的應(yīng)用。本文總結(jié)了嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn),提出了嵌入式系統(tǒng)在船舶監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用可行性,并對(duì)嵌入式系統(tǒng)與其他船用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的性能進(jìn)行比較。采用以C OS - 嵌入式操作系統(tǒng)為平臺(tái)設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)控制板,實(shí)現(xiàn)船舶機(jī)艙(engine room) 的自動(dòng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸。涉及到數(shù)據(jù)的采集和web server 的功能,使從機(jī)艙監(jiān)控的數(shù)據(jù)可以直接通過(guò)船舶的局域網(wǎng)傳送到每一個(gè)相關(guān)人員的工作間,甚至是房間里。關(guān)鍵詞: C OS - 嵌入式操作系統(tǒng);Web Server ;數(shù)據(jù)采集;自動(dòng)監(jiān)控；船舶；監(jiān)控系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)Abstract:The e

2、mbedded system has the volume to be small,the power loss is low,reliable higher characteristic,very suitable ships domain application.This article summarized embedded systems characteristic,proposed embedded systems in ships supervisory system application feasibility,and carries on the comparison to

3、 the embedded system with other ships with the scene supervisory systems performance。In this research , we use theC OS - system as the control band to realize the autom watching and data transfer.So ,we can send the useful data of the engine room to all of seaman ,even to their rest room.Key words:

4、C OS - control system,Web Server,data collection,autom watching,ships,supervisory system,Computer system目錄1引言52 嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介52.、嵌入式系統(tǒng)的歷史52.2嵌入式系統(tǒng)的定義52.3、嵌入式系統(tǒng)重要概念62.4、嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)72.5、嵌入式系統(tǒng)的分類82.6嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域82.7、嵌入式系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)92.7.1 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀102.7.2 未來(lái)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)113、ARM概述113.1、ARM處理器的特點(diǎn)113.2 ARM微處理器系列113.2.1AR

5、M7微處理器系列113.2.2 ARM9微處理器系列123.2.3 ARM9E微處理器系列123.2.4 ARM10E微處理器系列123.2.5 SecurCore微處理器系列133.2.6 StrongARM微處理器系列133.2.7 Xscale處理器133.3 ARM微處理器結(jié)構(gòu)143.3.1 RISC體系結(jié)構(gòu)143.3.2 ARM微處理器的寄存器結(jié)構(gòu)143.3.3 ARM微處理器的指令結(jié)構(gòu)144.嵌入式系統(tǒng)在船舶監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用144.1 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于船舶監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)144.2 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于舊船監(jiān)控系統(tǒng)改造的優(yōu)勢(shì)155各種船舶監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用比較155.1 當(dāng)前應(yīng)用的三種形式船

6、舶監(jiān)控系統(tǒng)155.2系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例比較165.3 各種現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備性能比較176、嵌入式Web Server 的實(shí)現(xiàn)177硬件實(shí)現(xiàn)198、軟件實(shí)現(xiàn)218.1 服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)218.2 客戶端實(shí)現(xiàn)219、結(jié)束語(yǔ) 2210. 心得體會(huì)2211.參考文獻(xiàn)23正文1 引言在計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的今天,利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)船舶各系統(tǒng)監(jiān)控的自動(dòng)化已經(jīng)成為可能。從上世紀(jì)80 年代起,船舶控制產(chǎn)品就開(kāi)始由模擬式向數(shù)字式發(fā)展。1995 年9 月,由國(guó)內(nèi)外150 多家生產(chǎn)控制設(shè)備的廠商組成了國(guó)際FF 協(xié)會(huì),標(biāo)志著船舶控制系統(tǒng)開(kāi)始向全數(shù)字化方向發(fā)展。此后數(shù)年,以現(xiàn)場(chǎng)總線( Fieldbus) 及超大規(guī)模數(shù)字集

7、成電路(VL SI) 嵌入式電子技術(shù)為基礎(chǔ)的全數(shù)字式控制系統(tǒng)開(kāi)始在世界范圍內(nèi)興起,并迅速擴(kuò)展到船舶工業(yè)領(lǐng)域,使船舶自動(dòng)化控制技術(shù)獲得了突破性的發(fā)展。 由于嵌入式技術(shù)在船舶應(yīng)用領(lǐng)域尚處于發(fā)展階段,在現(xiàn)有船舶數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)中,仍是以采用PLC(可編程邏輯控制器) 、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(以下簡(jiǎn)稱工控機(jī)) ,甚至簡(jiǎn)單的單片機(jī)系統(tǒng)為主來(lái)實(shí)現(xiàn)船舶各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)及控制功能。然而,考慮到船舶空間狹小,航行環(huán)境多變,因此相對(duì)陸用設(shè)備而言,我們希望這類船用設(shè)備具有體積小,安裝接線方便,便于維修、可靠性高,并能適應(yīng)船上鹽霧、油霧、霉菌、潮濕、高熱、振動(dòng)、沖擊、電磁干擾大等惡劣條件的性能。對(duì)應(yīng)用于船舶這一特殊控制環(huán)

8、境,嵌入式系統(tǒng)比以往的各類控制系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)?？梢灶A(yù)見(jiàn),嵌入式系統(tǒng)將在船舶監(jiān)控系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。2 嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介2.、嵌入式系統(tǒng)的歷史嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)最初是基于單片機(jī)的。70年代單片機(jī)的出現(xiàn)，使得汽車、家電、工業(yè)機(jī)器、通信裝置以及成千上萬(wàn)種產(chǎn)品可以通過(guò)內(nèi)嵌電子裝置來(lái)獲得更佳的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。這些裝置已經(jīng)初步具備了嵌入式的應(yīng)用特點(diǎn)，但是這時(shí)的應(yīng)用只是使用位的芯片，執(zhí)行一些單線程的程序，還談不上“系統(tǒng)”的概念。從80年代早期開(kāi)始，嵌入式系統(tǒng)的程序員開(kāi)始用商業(yè)級(jí)的“操作系統(tǒng)”編寫嵌入式應(yīng)用軟件，這使得可以獲取更短的開(kāi)發(fā)周期，更低的開(kāi)發(fā)資金和更高的開(kāi)發(fā)效率，“嵌入式系統(tǒng)”

9、真正出現(xiàn)了。確切點(diǎn)說(shuō)，這個(gè)時(shí)候的操作系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)核，這個(gè)實(shí)時(shí)核包含了許多傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的特征，包括任務(wù)管理、任務(wù)間通訊、同步與相互排斥、中斷支持、內(nèi)存管理等功能。 90年代以后，隨著對(duì)實(shí)時(shí)性要求的提高，軟件規(guī)模不斷上升，實(shí)時(shí)核逐漸發(fā)展為實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS），并作為一種軟件平臺(tái)逐步成為目前國(guó)際嵌入式系統(tǒng)的主流。2.2嵌入式系統(tǒng)的定義根據(jù)IEEE（國(guó)際電機(jī)工程師協(xié)會(huì)）的定義，嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的裝置”。這主要是從應(yīng)用上加以定義的，從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。目前國(guó)內(nèi)一個(gè)普遍被認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技

10、術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這個(gè)定義上，可從幾方面來(lái)理解嵌入式系統(tǒng)：嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，它必須與具體應(yīng)用相結(jié)合才會(huì)具有生命力、才更具有優(yōu)勢(shì)。因此可以這樣理解上述三個(gè)面向的含義，即嵌入式系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密結(jié)合的，它具有很強(qiáng)的專用性，必須結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)需求進(jìn)行合理的裁減利用。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)和各個(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)。嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)軟硬件進(jìn)行裁剪，滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、

11、成本、體積等要求。所以，如果能建立相對(duì)通用的軟硬件基礎(chǔ)，然后在其上開(kāi)發(fā)出適應(yīng)各種需要的系統(tǒng)，是一個(gè)比較好的發(fā)展模式。目前的嵌入式系統(tǒng)的核心往往是一個(gè)只有幾K到幾十K微內(nèi)核，需要根據(jù)實(shí)際的使用進(jìn)行功能擴(kuò)展或者裁減，但是由于微內(nèi)核的存在，使得這種擴(kuò)展能夠非常順利的進(jìn)行。2.3、嵌入式系統(tǒng)重要概念嵌入式系統(tǒng)中有許多非常重要的概念：嵌入式處理器：嵌入式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系統(tǒng)運(yùn)行的硬件單元。范圍極其廣闊，從最初的位處理器，到最新的受到廣泛青睞的32位，64位嵌入式CPU。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Real Time Operating System）：嵌入式系統(tǒng)目前最主要的組成部分，根據(jù)操作系統(tǒng)的工作特性，實(shí)

12、時(shí)是指物理進(jìn)程的真實(shí)時(shí)間。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性，能從硬件方面支持實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)工作的操作系統(tǒng)。分時(shí)操作系統(tǒng)：對(duì)于分時(shí)操作系統(tǒng)，軟件的執(zhí)行在時(shí)間上的要求，并不嚴(yán)格，時(shí)間上的錯(cuò)誤，一般不會(huì)造成災(zāi)難性的后果。目前分時(shí)系統(tǒng)的強(qiáng)項(xiàng)在于多任務(wù)的管理，而實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的重要特點(diǎn)是具有系統(tǒng)的可確定性，即系統(tǒng)能對(duì)運(yùn)行情況的最好和最壞等的情況能做出精確的估計(jì)。多任務(wù)操作系統(tǒng)：系統(tǒng)支持多任務(wù)管理和任務(wù)間的同步和通信，傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)和DOS系統(tǒng)等對(duì)多任務(wù)支持的功能很弱，而目前的Windows是典型的多任務(wù)操作系統(tǒng)。 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的重要概念：系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間（System response time）：系統(tǒng)發(fā)出處理要求到

13、系統(tǒng)給出應(yīng)答信號(hào)的時(shí)間。任務(wù)換道時(shí)間（Context-switching time）：任務(wù)之間切換而使用的時(shí)間。中斷延遲（Interrupt latency）：計(jì)算機(jī)接收到中斷信號(hào)到操作系統(tǒng)作出響應(yīng)，并完成換道轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序的時(shí)間。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的工作狀態(tài)：實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的任務(wù)有四種狀態(tài)：運(yùn)行（Executing），就緒（Ready），掛起（Suspended），冬眠（Dormant）。運(yùn)行：獲得CPU控制權(quán)。就緒：進(jìn)入任務(wù)等待隊(duì)列，通過(guò)調(diào)度轉(zhuǎn)為運(yùn)行狀態(tài)。掛起：任務(wù)發(fā)生阻塞，移出任務(wù)等待隊(duì)列，等待系統(tǒng)實(shí)時(shí)事件的發(fā)生而喚醒，從而轉(zhuǎn)為就緒或運(yùn)行。冬眠：任務(wù)完成或錯(cuò)誤等原因被清除的任務(wù)，也可以認(rèn)為是系統(tǒng)

14、中不存在的任務(wù)。任何時(shí)刻系統(tǒng)中只能有一個(gè)任務(wù)在運(yùn)行狀態(tài)，各任務(wù)按級(jí)別通過(guò)時(shí)間片分別獲得對(duì)CPU的訪問(wèn)權(quán)。 2.4、嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)(1) 嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)現(xiàn)預(yù)定特殊功能的系統(tǒng),它具有有限的資源(如內(nèi)存、功耗、處理器速度、計(jì)算能力等) 。通常,應(yīng)用程序的運(yùn)行將占用整個(gè)ROM 的存儲(chǔ)容量。這與一臺(tái)具有普通處理器、支持多種應(yīng)用程序的PC 機(jī)是截然不同的。另外,嵌入式軟件的應(yīng)用范圍較PC 機(jī)豐富許多。PC 機(jī)中的應(yīng)用軟件無(wú)非就是實(shí)現(xiàn)文字處理、電子制表、游戲等功能,而嵌入式系統(tǒng)則不同,由于它可應(yīng)用的領(lǐng)域極其廣泛,其應(yīng)用軟件為面向具體應(yīng)用的專用軟件,所以嵌入式軟件非常多樣化,并且每年都會(huì)涌現(xiàn)出近50 0

15、00 種用以實(shí)現(xiàn)不同功能的嵌入式應(yīng)用軟件。(2) 嵌入式系統(tǒng)具有自己的操作系統(tǒng),一般為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS ( Real - time Operating Sys2tem) 。RTOS 對(duì)系統(tǒng)控制具有實(shí)時(shí)性,能提供多任務(wù)的任務(wù)間調(diào)度、時(shí)間管理、任務(wù)間通信和同步以及內(nèi)存管理MMU (Memory Manager Unit) 等重要服務(wù),并且系統(tǒng)內(nèi)核可根據(jù)功能的需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉?去除冗余,保證在占用少量資源的前提下高效執(zhí)行任務(wù)。RTOS 的出現(xiàn),很大程度上縮短了開(kāi)發(fā)周期,減少了系統(tǒng)程序員的工作量,提高編程效率與程序質(zhì)量,同時(shí)也加速了嵌入式產(chǎn)品的更新?lián)Q代,而利用RTOS 進(jìn)行開(kāi)發(fā)的嵌入式系統(tǒng)所帶來(lái)

16、的優(yōu)越性是其他監(jiān)控系統(tǒng)(如單片機(jī)、PLC 等) 無(wú)法比擬的。(3) 嵌入式系統(tǒng)的CPU 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)集成到芯片內(nèi)部,從而有利于整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于小型化。系統(tǒng)可靠性高,能適應(yīng)冷熱、振動(dòng)、腐蝕等各種變化,因此特別適用于需要在惡劣環(huán)境下工作的監(jiān)控系統(tǒng)。2.5、嵌入式系統(tǒng)的分類由于嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成，所以其分類也可以從硬件和軟件進(jìn)行劃分。從硬件方面來(lái)講，各式各樣的嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)硬件中的最核心的部分，而目前世界上具有嵌入式功能特點(diǎn)的處理器已經(jīng)超過(guò)1000種，流行體系結(jié)構(gòu)包括MCU，MPU等30多個(gè)系列。從單片機(jī)、DS

17、P到FPGA有著各式各樣的品種，速度越來(lái)越快，性能越來(lái)越強(qiáng)，價(jià)格也越來(lái)越低。目前嵌入式處理器的尋址空間可以從64kB到16MB，處理速度最快可以達(dá)到2000 MIPS，封裝從8個(gè)引腳到144個(gè)引腳不等。從軟件方面劃分，主要可以依據(jù)操作系統(tǒng)的類型。目前嵌入式系統(tǒng)的軟件主要有兩大類：實(shí)時(shí)系統(tǒng)和分時(shí)系統(tǒng)。其中實(shí)時(shí)系統(tǒng)又分為兩類：硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)和軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)。實(shí)時(shí)嵌入系統(tǒng)是為執(zhí)行特定功能而設(shè)計(jì)的，可以嚴(yán)格的按時(shí)序執(zhí)行功能。其最大的特征就是程序的執(zhí)行具有確定性。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)在指定的時(shí)間內(nèi)未能實(shí)現(xiàn)某個(gè)確定的任務(wù)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的全面失敗，則系統(tǒng)被稱為硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。而在軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，雖然響應(yīng)時(shí)間同樣重要，但是

18、超時(shí)卻不會(huì)導(dǎo)致致命錯(cuò)誤。一個(gè)硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)往往在硬件上需要添加專門用于時(shí)間和優(yōu)先級(jí)管理的控制芯片，而軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)則主要在軟件方面通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)時(shí)限的管理。比如Windows CE就是一個(gè)多任務(wù)分時(shí)系統(tǒng)，而Ucos-II則是典型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。2.6嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)技術(shù)具有非常廣闊的應(yīng)用前景，其應(yīng)用領(lǐng)域可以包括：工業(yè)控制：基于嵌入式芯片的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備將獲得長(zhǎng)足的發(fā)展，目前已經(jīng)有大量的8、16、32 位嵌入式微控制器在應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)化是提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、減少人力資源主要途徑，如工業(yè)過(guò)程控制、數(shù)字機(jī)床、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測(cè)、石油化工系統(tǒng)。 交通管理：在車輛導(dǎo)航、流量控制、信息

19、監(jiān)測(cè)與汽車服務(wù)方面，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，內(nèi)嵌GPS模塊，GSM模塊的移動(dòng)定位終端已經(jīng)在各種運(yùn)輸行業(yè)獲得了成功的使用。信息家電：這將稱為嵌入式系統(tǒng)最大的應(yīng)用領(lǐng)域，冰箱、空調(diào)等的網(wǎng)絡(luò)化、智能化將引領(lǐng)人們的生活步入一個(gè)嶄新的空間。即使你不在家里，也可以通過(guò)電話線、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。在這些設(shè)備中，嵌入式系統(tǒng)將大有用武之地。家庭智能管理系統(tǒng)：水、電、煤氣表的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表，安全防火、防盜系統(tǒng)，其中嵌有的專用控制芯片將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工檢查，并實(shí)現(xiàn)更高，更準(zhǔn)確和更安全的性能。目前在服務(wù)領(lǐng)域，如遠(yuǎn)程點(diǎn)菜器等已經(jīng)體現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。POS網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)：公共交通無(wú)接觸智能卡(Contactles

20、s Smartcard, CSC)發(fā)行系統(tǒng)，公共電話卡發(fā)行系統(tǒng)，自動(dòng)售貨機(jī)，各種智能ATM終端將全面走入人們的生活，到時(shí)手持一卡就可以行遍天下。環(huán)境工程與自然：水文資料實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防洪體系及水土質(zhì)量監(jiān)測(cè)、堤壩安全，地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)，實(shí)時(shí)氣象信息網(wǎng)，水源和空氣污染監(jiān)測(cè)。在很多環(huán)境惡劣，地況復(fù)雜的地區(qū)，嵌入式系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)無(wú)人監(jiān)測(cè)。機(jī)器人：嵌入式芯片的發(fā)展將使機(jī)器人在微型化，高智能方面優(yōu)勢(shì)更加明顯，同時(shí)會(huì)大幅度降低機(jī)器人的價(jià)格，使其在工業(yè)領(lǐng)域和服務(wù)領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。2.7、嵌入式系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)2.7.1 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀隨著信息化，智能化，網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)也將獲得廣闊的發(fā)展空間。美國(guó)

21、著名未來(lái)學(xué)家尼葛洛龐帝99年1月訪華時(shí)預(yù)言，45年后嵌入式智能（電腦) 工具將是PC和因特網(wǎng)之后最偉大的發(fā)明。1999年世界電子產(chǎn)品產(chǎn)值已超過(guò)12000億美元，2000年達(dá)到13000億美元，預(yù)計(jì)2005年，銷售額將達(dá)18000億美元。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，嵌入式技術(shù)全面展開(kāi)，目前已成為通信和消費(fèi)類產(chǎn)品的共同發(fā)展方向。在通信領(lǐng)域，數(shù)字技術(shù)正在全面取代模擬技術(shù)。在廣播電視領(lǐng)域，美國(guó)已開(kāi)始由模擬電視向數(shù)字電視轉(zhuǎn)變，歐洲的DVB技術(shù)已在全球大多數(shù)國(guó)家推廣。數(shù)字音頻廣播（DAB）也已進(jìn)入商品化試播階段。而軟件、集成電路和新型元器件在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的作用日益重要。所有上述產(chǎn)品中，都離不開(kāi)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)。硬件

22、方面，不僅有各大公司的微處理器芯片，還有用于學(xué)習(xí)和研發(fā)的各種配套開(kāi)發(fā)包。目前低層系統(tǒng)和硬件平臺(tái)經(jīng)過(guò)若干年的研究，已經(jīng)相對(duì)比較成熟，實(shí)現(xiàn)各種功能的芯片應(yīng)有盡有。而且巨大的市場(chǎng)需求給我們提供了學(xué)習(xí)研發(fā)的資金和技術(shù)力量。從軟件方面講，也有相當(dāng)部分的成熟軟件系統(tǒng)。國(guó)外商品化的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，已進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)的有WindRiver、Microsoft、QNX和Nuclear等產(chǎn)品。我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的嵌入式系統(tǒng)軟件產(chǎn)品如科銀(CoreTek)公司的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)DeltaSystem，中科院推出的Hopen嵌入式操作系統(tǒng)。同時(shí)由于是研究熱點(diǎn)，所以我們可以在網(wǎng)上找到各種各樣的免費(fèi)資源，從各大廠商的開(kāi)發(fā)文檔

23、，到各種驅(qū)動(dòng)，程序源代碼，甚至很多廠商還提供微處理器的樣片。這對(duì)于我們從事這方面的研發(fā)，無(wú)疑是個(gè)資源寶庫(kù)。對(duì)于軟件設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，不管是上手還是進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，都相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易。這就使得很多生手能夠比較快的進(jìn)入研究狀態(tài)，利于發(fā)揮大家的積極創(chuàng)造性。據(jù)調(diào)查，目前國(guó)際上已有兩百多種嵌入式操作系統(tǒng)，而各種各樣的開(kāi)發(fā)工具、應(yīng)用于嵌入式開(kāi)發(fā)的儀器設(shè)備更是不可勝數(shù)。在國(guó)內(nèi)，雖然嵌入式應(yīng)用、開(kāi)發(fā)很廣，但該領(lǐng)域卻幾乎還是空白，只有三兩家公司和極少數(shù)人員在從事這方面工作。由此可見(jiàn)，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的空間真是無(wú)比廣大。2.7.2 未來(lái)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)信息時(shí)代，數(shù)字時(shí)代使得嵌入式產(chǎn)品獲得了巨大的發(fā)展契機(jī)，為嵌入式市場(chǎng)展

24、現(xiàn)了美好的前景，同時(shí)也對(duì)嵌入式生產(chǎn)廠商提出了新的挑戰(zhàn)，從中我們可以看出未來(lái)嵌入式系統(tǒng)的幾大發(fā)展趨勢(shì)：1嵌入式開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，因此要求嵌入式系統(tǒng)廠商不僅要提供嵌入式軟硬件系統(tǒng)本身，同時(shí)還需要提供強(qiáng)大的硬件開(kāi)發(fā)工具和軟件包支持。2網(wǎng)絡(luò)化、信息化的要求隨著因特網(wǎng)技術(shù)的成熟、帶寬的提高日益提高，使得以往單一功能的設(shè)備如電話、手機(jī)、冰箱、微波爐等功能不再單一，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。這就要求芯片設(shè)計(jì)廠商在芯片上集成更多的功能，為了滿足應(yīng)用功能的升級(jí)，設(shè)計(jì)師們一方面采用更強(qiáng)大的嵌入式處理器如32位、64位RISC芯片或信號(hào)處理器DSP增強(qiáng)處理能力，同時(shí)增加功能接口，如USB，擴(kuò)展總線類型，如CAN BUS，加強(qiáng)

25、對(duì)多媒體、圖形等的處理，逐步實(shí)施片上系統(tǒng)（SOC）的概念。軟件方面采用實(shí)時(shí)多任務(wù)編程技術(shù)和交叉開(kāi)發(fā)工具技術(shù)來(lái)控制功能復(fù)雜性，簡(jiǎn)化應(yīng)用程序設(shè)計(jì)、保障軟件質(zhì)量和縮短開(kāi)發(fā)周期。如HP3網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)成為必然趨勢(shì)。未來(lái)的嵌入式設(shè)備為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的要求，必然要求硬件上提供各種網(wǎng)絡(luò)通信接口。傳統(tǒng)的單片機(jī)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)支持不足，而新一代的嵌入式處理器已經(jīng)開(kāi)始內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)接口，除了支持TCPIP協(xié)議，還有的支持IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口中的一種或者幾種，同時(shí)也需要提供相應(yīng)的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅(qū)動(dòng)軟件。軟件方面系統(tǒng)系統(tǒng)內(nèi)核支持網(wǎng)絡(luò)模塊，甚至可以在設(shè)備上嵌入Web瀏覽器，真正實(shí)

26、現(xiàn)隨時(shí)隨地用各種設(shè)備上網(wǎng)。4精簡(jiǎn)系統(tǒng)內(nèi)核、算法，降低功耗和軟硬件成本。未來(lái)的嵌入式產(chǎn)品是軟硬件緊密結(jié)合的設(shè)備，為了減低功耗和成本，需要設(shè)計(jì)者盡量精簡(jiǎn)系統(tǒng)內(nèi)核，只保留和系統(tǒng)功能緊密相關(guān)的軟硬件，利用最低的資源實(shí)現(xiàn)最適當(dāng)?shù)墓δ?，這就要求設(shè)計(jì)者選用最佳的編程模型和不斷改進(jìn)算法，優(yōu)化編譯器性能。因此，既要軟件人員有豐富的硬件知識(shí)，又需要發(fā)展先進(jìn)嵌入式軟件技術(shù)，如Java、Web和WAP等。5提供友好的多媒體人機(jī)界面嵌入式設(shè)備能與用戶親密接觸，最重要的因素就是它能提供非常友好的用戶界面。圖像界面，靈活的控制方式，使得人們感覺(jué)嵌入式設(shè)備就象是一個(gè)熟悉的老朋友。這方面的要求使得嵌入式軟件設(shè)計(jì)者要在圖形界面，

27、多媒體技術(shù)上痛下苦功。手寫文字輸入、語(yǔ)音撥號(hào)上網(wǎng)、收發(fā)電子郵件以及彩色圖形、圖像都會(huì)使使用者獲得自由的感受。目前一些先進(jìn)的PDA在顯示屏幕上已實(shí)現(xiàn)漢字寫入、短消息語(yǔ)音發(fā)布，但一般的嵌入式設(shè)備距離這個(gè)要求還有很長(zhǎng)的路要走。 3、 ARM概述3.1、ARM處理器的特點(diǎn)3.1.1 ARM微處理器的特點(diǎn)采用RISC架構(gòu)的ARM微處理器一般具有如下特點(diǎn)：體積小、低功耗、低成本、高性能;支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集,能很好的兼容8位/16位器件;大量使用寄存器,指令執(zhí)行速度更快;大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；尋址方式靈活簡(jiǎn)單,執(zhí)行效率高；指令長(zhǎng)度固定;3.2 ARM微處理器系列AR

28、M微處理器目前包括下面幾個(gè)系列,以及其它廠商基于ARM體系結(jié)構(gòu)的處理器,除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)以外,每一個(gè)系列的ARM微處理器都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。 ARM7系列，ARM9系列，ARM9E系列，ARM10E系列，SecurCore系列，Inter的Xscale，Inter的StrongARM。其中,ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10為4個(gè)通用處理器系列,每一個(gè)系列提供一套相對(duì)獨(dú)特的性能來(lái)滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。SecurCore系列專門為安全要求較高的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。3.2.1ARM7微處理器系列ARM7系列微處理器為低功耗的32位RISC處理器,最適合用于對(duì)價(jià)位和功耗要求較

29、高的消費(fèi)類應(yīng)用。ARM7微處理器系列具有如下特點(diǎn)：具有嵌入式ICERT邏輯,調(diào)試開(kāi)發(fā)方便。 極低的功耗,適合對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用,如便攜式產(chǎn)品；能夠提供0.9MIPS/MHz的三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)；代碼密度高并兼容16位的Thumb指令集； 對(duì)操作系統(tǒng)的支持廣泛,包括Windows CE、Linux、Palm OS等。指令系統(tǒng)與ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容,便于用戶的產(chǎn)品升級(jí)換代；主頻最高可達(dá)130MIPS,高速的運(yùn)算處理能力能勝任絕大多數(shù)的復(fù)雜應(yīng)用。ARM7系列微處理器的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋汗I(yè)控制、Internet設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備、移動(dòng)電話等多種多媒體和嵌入式應(yīng)用。3

30、.2.2 ARM9微處理器系列ARM9系列微處理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以下特點(diǎn)： 5級(jí)整數(shù)流水線,指令執(zhí)行效率更高；提供1.1MIPS/MHz的哈佛結(jié)構(gòu)；支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集；支持32位的高速AMBA總線接口； 全性能的MMU,支持Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)；MPU支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache,具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力；ARM9系列微處理器主要應(yīng)用于無(wú)線設(shè)備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機(jī)頂盒、高端打印機(jī)、數(shù)字照相機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等；ARM9系列微處理器包含ARM920T、ARM9

31、22T和ARM940T三種類型,以適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。3.2.3 ARM9E微處理器系列ARM9E系列微處理器為可綜合處理器,使用單一的處理器內(nèi)核提供了微控制器、DSP、Java應(yīng)用系統(tǒng)的解決方案,極大的減少了芯片的面積和系統(tǒng)的復(fù)雜程度。ARM9E系列微處理器提供了增強(qiáng)的DSP處理能力,很適合于那些需要同時(shí)使用DSP和微控制器的應(yīng)用場(chǎng)合。ARM9E系列微處理器的主要特點(diǎn)如下： 支持DSP指令集,適合于需要高速數(shù)字信號(hào)處理的場(chǎng)合；5級(jí)整數(shù)流水線,指令執(zhí)行效率更高；支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集；支持32位的高速AMBA總線接口；支持VFP9浮點(diǎn)處理協(xié)處理器；全性能的MMU,支持

32、Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)；MPU支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache,具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力；主頻最高可達(dá)300MIPS。ARM9系列微處理器主要應(yīng)用于下一代無(wú)線設(shè)備、數(shù)字消費(fèi)品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等領(lǐng)域。3.2.4 ARM10E微處理器系列ARM10E系列微處理器具有高性能、低功耗的特點(diǎn),由于采用了新的體系結(jié)構(gòu),與同等的ARM9器件相比較,在同樣的時(shí)鐘頻率下,性能提高了近50,同時(shí),ARM10E系列微處理器采用了兩種先進(jìn)的節(jié)能方式,使其功耗極低。ARM10E系列微處理器的主要特點(diǎn)如下： 支持DSP指令集

33、,適合于需要高速數(shù)字信號(hào)處理的場(chǎng)合； 6級(jí)整數(shù)流水線,指令執(zhí)行效率更高；支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集；支持32位的高速AMBA總線接口；支持VFP10浮點(diǎn)處理協(xié)處理器；全性能的MMU,支持Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)；支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache,具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力；主頻最高可達(dá)400MIPS；內(nèi)嵌并行讀/寫操作部件。ARM10E系列微處理器主要應(yīng)用于下一代無(wú)線設(shè)備、數(shù)字消費(fèi)品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、通信和信息系統(tǒng)等領(lǐng)域。3.2.5 SecurCore微處理器系列SecurCore系列微處理器專為安全需要而設(shè)計(jì),提供了

34、完善的32位RISC技術(shù)的安全解決方案,因此,SecurCore系列微處理器除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)的低功耗、高性能的特點(diǎn)外,還具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),即提供了對(duì)安全解決方案的支持。SecurCore系列微處理器除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)各種主要特點(diǎn)外,還在系統(tǒng)安全方面具有如下的特點(diǎn)： 帶有靈活的保護(hù)單元,以確保操作系統(tǒng)和應(yīng)用數(shù)據(jù)的安全；采用軟內(nèi)核技術(shù),防止外部對(duì)其進(jìn)行掃描探測(cè)；可集成用戶自己的安全特性和其他協(xié)處理器。SecurCore系列微處理器主要應(yīng)用于一些對(duì)安全性要求較高的應(yīng)用產(chǎn)品及應(yīng)用系統(tǒng),如電子商務(wù)、電子政務(wù)、電子銀行業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)證系統(tǒng)等領(lǐng)域。3.2.6 StrongARM微處理器系列Inte

35、r StrongARM SA-1100處理器是采用ARM體系結(jié)構(gòu)高度集成的32位RISC微處理器。它融合了Inter公司的設(shè)計(jì)和處理技術(shù)以及ARM體系結(jié)構(gòu)的電源效率,采用在軟件上兼容ARMv4體系結(jié)構(gòu)、同時(shí)采用具有Intel技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)。Intel StrongARM處理器是便攜式通訊產(chǎn)品和消費(fèi)類電子產(chǎn)品的理想選擇,已成功應(yīng)用于多家公司的掌上電腦系列產(chǎn)品。3.2.7 Xscale處理器Xscale 處理器是基于ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)的解決方案,是一款全性能、高性價(jià)比、低功耗的處理器。它支持16位的Thumb指令和DSP指令集,已使用在數(shù)字移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等場(chǎng)合。Xscal

36、e 處理器是Inter目前主要推廣的一款A(yù)RM微處理器。3.3 ARM微處理器結(jié)構(gòu)3.3.1 RISC體系結(jié)構(gòu)RISC結(jié)構(gòu)優(yōu)先選取使用頻最高的簡(jiǎn)單指令,避免復(fù)雜指令;將指令長(zhǎng)度固定,指令格式和尋地方式種類減少;以控制邏輯為主,不用或少用微碼控制等措施來(lái)達(dá)到上述目的。到目前為止,RISC體系結(jié)構(gòu)也還沒(méi)有嚴(yán)格的定義,一般認(rèn)為,RISC體系結(jié)構(gòu)應(yīng)具有如下特點(diǎn)： 采用固定長(zhǎng)度的指令格式,指令歸整、簡(jiǎn)單、基本尋址方式有23種；使用單周期指令,便于流水線操作執(zhí)行；大量使用寄存器,數(shù)據(jù)處理指令只對(duì)寄存器進(jìn)行操作,只有加載/ 存儲(chǔ)指令可以訪問(wèn)存儲(chǔ)器,以提高指令的執(zhí)行效率。除此以外,ARM體系結(jié)構(gòu)還采用了一些特

37、別的技術(shù),在保證高性能的前提下盡量縮小芯片的面積,并降低功耗： 所有的指令都可根據(jù)前面的執(zhí)行結(jié)果決定是否被執(zhí)行,從而提高指令的執(zhí)行效率；可用加載/存儲(chǔ)指令批量傳輸數(shù)據(jù),以提高數(shù)據(jù)的傳輸效率；可在一條數(shù)據(jù)處理指令中同時(shí)完成邏輯處理和移位處理；在循環(huán)處理中使用地址的自動(dòng)增減來(lái)提高運(yùn)行效率。3.3.2 ARM微處理器的寄存器結(jié)構(gòu)ARM處理器共有37個(gè)寄存器,被分為若干個(gè)組（BANK）,這些寄存器包括： 31個(gè)通用寄存器,包括程序計(jì)數(shù)器（PC指針）,均為32位的寄存器。 6個(gè)狀態(tài)寄存器,用以標(biāo)識(shí)CPU的工作狀態(tài)及程序的運(yùn)行狀態(tài),均為32位,目前只使用了其中的一部分。同時(shí),ARM處理器又有7種不同的處理

38、器模式,在每一種處理器模式下均有一組相應(yīng)的寄存器與之對(duì)應(yīng)。即在任意一種處理器模式下,可訪問(wèn)的寄存器包括15 個(gè)通用寄存器（R0R14）、一至二個(gè)狀態(tài)寄存器和程序計(jì)數(shù)器。在所有的寄存器中,有些是在7種處理器模式下共用的同一個(gè)物理寄存器,而有些寄存器則是在不同的處理器模式下有不同的物理寄存器。3.3.3 ARM微處理器的指令結(jié)構(gòu)ARM微處理器的在較新的體系結(jié)構(gòu)中支持兩種指令集：ARM指令集和Thumb指令集。其中,ARM指令為32位的長(zhǎng)度,Thumb指令為16位長(zhǎng)度。 Thumb指令集為ARM指令集的功能子集,但與等價(jià)的ARM代碼相比較,可節(jié)省3040以上的存儲(chǔ)空間,同時(shí)具備32位代碼的所有優(yōu)點(diǎn)。

39、4.嵌入式系統(tǒng)在船舶監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用4.1 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于船舶監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)基于嵌入式系統(tǒng)的上述特點(diǎn),以及近年來(lái)船舶自動(dòng)化系統(tǒng)正向著數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展的目標(biāo),很容易就會(huì)把嵌入式系統(tǒng)作為船舶主機(jī)、電站、冷庫(kù)甚至整個(gè)機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)的理想監(jiān)控設(shè)備選擇對(duì)象之一。顯然,把嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于新船的建設(shè),可以使船舶監(jiān)控系統(tǒng)趨于小型化、智能化,具有先進(jìn)性。4.2 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于舊船監(jiān)控系統(tǒng)改造的優(yōu)勢(shì)除此之外,更難能可貴的是,嵌入式系統(tǒng)還可以很好地應(yīng)用于對(duì)舊船監(jiān)控系統(tǒng)的改造工程。由于舊系統(tǒng)在使用了幾年、十幾年后,故障率增大,經(jīng)常需要修理或更換備件。然而這類系統(tǒng)不但修理難度比較大,而且備件不易買到,

40、因?yàn)樵诎l(fā)達(dá)國(guó)家,自動(dòng)化設(shè)備更換周期短,淘汰率高。許多備件時(shí)間稍長(zhǎng),即不再生產(chǎn)。如用戶要求特別加工,價(jià)格必然很高。嵌入式系統(tǒng)由于具有很強(qiáng)的抗干擾能力和高可靠性,所以壽命較其他產(chǎn)品長(zhǎng),維修頻率低,能夠保證系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行。其次,嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)擴(kuò)展方便,功能強(qiáng)大,有利于船舶監(jiān)控系統(tǒng)的更新?lián)Q代。另外,基于嵌入式系統(tǒng)體積小、重量輕的特點(diǎn),通過(guò)接入一個(gè)繼電器,利用新系統(tǒng)在上電與否的狀況下繼電器常閉觸點(diǎn)的變化,可以方便地在船舶空間有限的環(huán)境下保留原有系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)原系統(tǒng)與新系統(tǒng)的相互切換、互不影響使用的改造要求。因此,利用嵌入式系統(tǒng)對(duì)舊船監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行改造,既安全可靠,又經(jīng)濟(jì)可行,還有延長(zhǎng)舊設(shè)備壽命,增加系統(tǒng)

41、功能等諸多益處。5各種船舶監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用比較5.1 當(dāng)前應(yīng)用的三種形式船舶監(jiān)控系統(tǒng)在當(dāng)前的船舶監(jiān)控系統(tǒng)中,主要存在三種監(jiān)控形式:一是采用PLC 或單片機(jī)作為下位機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控信號(hào)的數(shù)據(jù)采集處理,然后傳送給上位工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、報(bào)警顯示、故障診斷及實(shí)時(shí)的反饋控制;第二種是采用安裝在上位工控機(jī)中的數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù),然后由工控機(jī)進(jìn)行處理;另一種比較先進(jìn)的方法是用智能變送器替代傳統(tǒng)的熱電阻、繼電器等常規(guī)傳感器,變送器將被監(jiān)控量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線交由上位工控機(jī)進(jìn)行處理。當(dāng)采用第一種監(jiān)控系統(tǒng)時(shí),若用單片機(jī)作為下位機(jī),由于采用了大規(guī)模集成電路和分立元件組成模擬量和開(kāi)關(guān)量采集電路,使得這種實(shí)現(xiàn)方法軟

42、硬件編程量十分巨大,而且通過(guò)各國(guó)船級(jí)社認(rèn)證的過(guò)程將十分漫長(zhǎng),另外,在電子設(shè)備快速發(fā)展的今天,機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)顯然沒(méi)有必要從最底層的基本電路做起。若采用PLC 作為下位機(jī),一個(gè)主要的缺陷是系統(tǒng)體積過(guò)大,接線繁瑣,應(yīng)用于船舶這一空間有限的環(huán)境,是非常不合適的。當(dāng)采用第二種監(jiān)控系統(tǒng)時(shí),由于數(shù)據(jù)采集卡安裝在工控機(jī)內(nèi),若要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控,則由于所要監(jiān)控的模擬信號(hào)到工控機(jī)的距離較遠(yuǎn),信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不同程度的衰減,進(jìn)而影響數(shù)據(jù)質(zhì)量。另外,現(xiàn)場(chǎng)布線復(fù)雜,在小空間范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大的信號(hào)干擾,不適宜船舶狹窄的環(huán)境。而采用嵌入式系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)船舶監(jiān)控,以上的問(wèn)題便迎刃而解了。嵌入式系統(tǒng)體積小、實(shí)時(shí)性高,并且通過(guò)不

43、同硬件配置的選擇,可以在一個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析、控制及智能故障診斷,減輕上位機(jī)的工作量。若監(jiān)控對(duì)象所需處理的數(shù)據(jù)量不是很大,離岸時(shí)間不長(zhǎng),那么可以通過(guò)外擴(kuò)同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器SDRAM(Synchronous Dynamic RAM) 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的短時(shí)間保存,這樣便無(wú)需在船艙內(nèi)安裝上位機(jī),既節(jié)省空間,又提高效率。當(dāng)采用第三種監(jiān)控系統(tǒng)時(shí),無(wú)疑這種方法是較為先進(jìn)的,但是由于在現(xiàn)有船舶上使用較多的仍然是熱電阻、繼電器等常規(guī)傳感器, PC 機(jī)現(xiàn)場(chǎng)總線的方法便不能適用,而選用合適的嵌入式系統(tǒng)能方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。這樣一來(lái),對(duì)于使用非嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的船舶而言,可以在盡量少改動(dòng)原有設(shè)備的情況下,

44、提高系統(tǒng)的監(jiān)控水平。5.2系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例比較某大型高附加值液貨船的樣機(jī)機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng),要求實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)艙內(nèi)主、輔機(jī)設(shè)備的76 個(gè)機(jī)電參數(shù)實(shí)施監(jiān)測(cè)。曾有某研究機(jī)構(gòu)采用下位PLC + 上位工控機(jī)的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的PLC 選用的是Rockwell AB 公司的SLC 500 系列,根據(jù)其模塊配置,此PLC 設(shè)備價(jià)格大約為9 萬(wàn)元人民幣,機(jī)架尺寸為540mm 140mm 145mm。而采用嵌入式系統(tǒng),同樣可以實(shí)現(xiàn)該機(jī)艙的監(jiān)測(cè)報(bào)警功能,且性價(jià)比更高。此嵌入式系統(tǒng)可選用華恒公司的H HARM9200 系列,以HHARM9200OK1 核心板為主,輔以采樣控制電路構(gòu)成。系統(tǒng)支持嵌入式Linux 操

45、作系統(tǒng), CPU 采用A TMEL 公司的A T91RM9200 32 位微處理器,核心板只有名片的三分之二大小,接口板略小于A4 打印紙,具體尺寸為210mm 185mm 14mm ,且具有豐富的接口資源。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖所示。上機(jī)位報(bào)警單元AT91RM9200CAN接口適配卡嵌入式監(jiān)控系統(tǒng) CAN總線現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)n+2現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)n現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)n+1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)經(jīng)A/ D 轉(zhuǎn)換調(diào)理后,通過(guò)CAN 總線送至嵌入式監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)機(jī)艙設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。整個(gè)系統(tǒng)功耗低,可靠性高,體積小,價(jià)格低,嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)備價(jià)格約為7 000 元人民幣,具有較高的性價(jià)比。該系統(tǒng)適用于監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)在10

46、0 點(diǎn)之內(nèi)的中小型船舶,對(duì)于具有幾百甚至上千點(diǎn)的大型船舶,則可通過(guò)平行配置多套系統(tǒng)并行處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。5.3 各種現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備性能比較各種現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備各有特點(diǎn),這種差異性使得它們分別適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合?，F(xiàn)就目前應(yīng)用較多的單片機(jī)系統(tǒng)、工控機(jī)(帶數(shù)據(jù)采集卡) 、PLC、嵌入式系統(tǒng)等四種現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備作一比較,比較結(jié)果如表所列?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備性能比較表體積網(wǎng)絡(luò)性價(jià)格主要缺點(diǎn)適用領(lǐng)域單片機(jī)系統(tǒng)小差低資源有限,擴(kuò)展性差簡(jiǎn)單監(jiān)控場(chǎng)合工控機(jī)(帶數(shù)據(jù)采集卡)大好適中系統(tǒng)資源部分浪費(fèi),遠(yuǎn)距離監(jiān)控信號(hào)衰減大近距離監(jiān)控場(chǎng)合PLC 大具有網(wǎng)絡(luò)通訊功能,但網(wǎng)絡(luò)互操作性差高不宜進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)字計(jì)算及模擬量控制監(jiān)控點(diǎn)數(shù)較多的場(chǎng)合嵌

47、入式系統(tǒng)小好適中監(jiān)控點(diǎn)數(shù)不宜過(guò)多空間資源有限的場(chǎng)合如表所示,各監(jiān)控系統(tǒng)都有其優(yōu)缺點(diǎn)。嵌入式系統(tǒng)與其他現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備相比,優(yōu)越性顯而易見(jiàn),特別是在船舶應(yīng)用上,是一個(gè)非常理想的選擇。但是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),還是應(yīng)綜合考慮監(jiān)控對(duì)象、監(jiān)控環(huán)境、資金預(yù)算等多種因素,選擇合適的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備,因地制宜。6、嵌入式Web Server 的實(shí)現(xiàn) 在單片機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)嵌入式Web Server 是嵌入式TCP/ IP 協(xié)議棧的一個(gè)典型應(yīng)用,也是單片機(jī)系統(tǒng)智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)。嵌入式WebServer 的實(shí)現(xiàn)是基于Client/ Server (C/ S) 模型,而隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展,通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)Internet已經(jīng)

48、成為人們普遍采用的方式,現(xiàn)在,基于Brow2er/ Server (B/ S) 結(jié)構(gòu)模式的Web 技術(shù)迅速發(fā)展,正逐步應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。Brower/ Server是由Client/ Server 結(jié)構(gòu)發(fā)展而來(lái)的一種三層分布式結(jié)構(gòu)體系,其結(jié)構(gòu)如圖1 所示,嵌入式Web Serv2er 的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵在于使系統(tǒng)支持HTTP (超文本傳輸協(xié)議) ,它是萬(wàn)維網(wǎng)(World Wide Wed) 的基本傳輸協(xié)議。HTTP 協(xié)議基于服務(wù)請(qǐng)求/ 應(yīng)答模式,客戶端連接到服務(wù)器的80 號(hào)TCP 端口,發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求,并等待服務(wù)器的應(yīng)答。客戶端發(fā)送的請(qǐng)求出一個(gè)請(qǐng)求方法、URI (統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)符) 、協(xié)議版本、M

49、IME 形式的信息和可能的實(shí)體內(nèi)容組成; 服務(wù)器發(fā)送的響應(yīng)由一個(gè)狀態(tài)行(包括協(xié)議版本和表示成功或者失敗的3 位數(shù)字代碼) 、MIME 形式的服務(wù)器信息、實(shí)體信息和可能的實(shí)體內(nèi)容組成。圖1 三層B/ S 結(jié)構(gòu)模式 下面介紹WEB 服務(wù)器的軟件設(shè)計(jì)的總體實(shí)現(xiàn)的基本原理:網(wǎng)卡可以接收三種地址形式的數(shù)據(jù)包:目的地址跟自己的物理地址一致的數(shù)據(jù)包、目的地址為廣播地址的數(shù)據(jù)包和目的地址為跟自己的組播地址范圍相同的數(shù)據(jù)包,這里只要把網(wǎng)卡設(shè)置成前兩種地址形式就可以了。當(dāng)網(wǎng)卡收到一個(gè)從網(wǎng)絡(luò)上傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包時(shí),分兩種情況處理:第一,目的地址為廣播地址的數(shù)據(jù)包, 則根據(jù)以太網(wǎng)首部的TYPE 字段判斷屬于什么數(shù)據(jù)包,

50、如果是ARP 數(shù)據(jù)包,再根據(jù)ARP 首部判斷是請(qǐng)求包還是應(yīng)答包如果是請(qǐng)求包,則發(fā)送一個(gè)ARP 應(yīng)答包,忽略其它類型的數(shù)據(jù)包。第二,目的地址為結(jié)點(diǎn)物理地址形式的數(shù)據(jù)包,當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí),首先分析目的地址是否與自己的物理地址一致,如果不一致,則丟棄;如果一致,則根據(jù)首部中的TYPE 字段判斷該數(shù)據(jù)包屬于ARP 包還是IP 包,如果是ARP 請(qǐng)求包,則發(fā)送一個(gè)ARP 應(yīng)答包給客戶端; 如果是IP 包,則交由IP 層處理,同時(shí)去掉以太網(wǎng)首部。具體的處理過(guò)程可見(jiàn)圖2 所示。圖2 網(wǎng)絡(luò)控制器CGI 接口示意圖 上面是總體的概括,那么應(yīng)用層的HTTP 協(xié)議又是怎樣實(shí)現(xiàn)的呢? 為了確保瀏覽器與服務(wù)器能夠正確

51、地相互操作,HTTP 定義了瀏覽器發(fā)送到服務(wù)器的請(qǐng)求格式與服務(wù)器返回的應(yīng)答格式。通常情況下,嵌入式系統(tǒng)把WEB 頁(yè)面?zhèn)魉徒o運(yùn)行用戶界面的瀏覽器。這些頁(yè)面中的一部分是靜態(tài)的,可以存儲(chǔ)在嵌入式系統(tǒng)中。在很多情況下,嵌入式系統(tǒng)通過(guò)動(dòng)態(tài)生成的頁(yè)面把設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)傳送給用戶,終端用戶也需要通過(guò)WEB 瀏覽器發(fā)送信息給嵌入式系統(tǒng)來(lái)設(shè)置或控制設(shè)備。由于Web 瀏覽器不能理解網(wǎng)絡(luò)微處理器的內(nèi)部操作,因此采用程序接口CGI (Common GatewayInterface) 技術(shù)實(shí)現(xiàn)處理器與瀏覽器之間的通信。CGI 是一種接口規(guī)范,可以處理客戶端(一般是www 瀏覽器) 輸入的數(shù)據(jù),完成客戶端與服務(wù)器的交互操作

52、?？蛻舳恕⒎?wù)器、CGI 接口與外部程序間的關(guān)系如圖3 所示。圖3 WEB 服務(wù)器數(shù)據(jù)處理過(guò)程本系統(tǒng)是一個(gè)服務(wù)器系統(tǒng),因此用戶可通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)它。服務(wù)器響應(yīng)客戶端Web 請(qǐng)求的具體過(guò)程如圖4 所示。圖4 服務(wù)器響應(yīng)客戶端7硬件實(shí)現(xiàn)本課題采用了W78516B 為處理器, 用RTL8019AS 為網(wǎng)卡芯片,而且采用了AD7506 ,共同搭建了嵌入式開(kāi)發(fā)板,由于文章篇幅所限,在此就不介紹具體的搭建過(guò)程了?；谏鲜龅乃枷牒驮谠O(shè)計(jì)WEB 服務(wù)器的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了具有采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并能將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集板。在硬件設(shè)計(jì)方面是在原有的基礎(chǔ)上增加了A/ D 接口,下面主要介紹A/ D 的接口電路,

53、采集部分選用AD 公司的AD7506 來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集通道的選擇; 使用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件為MAX164 。MAX164 為12 bit s 模數(shù)轉(zhuǎn)換器,具有更高的精度。由于W78E516B 是8 位CPU ,而MAX164 為12位,這樣就使采集復(fù)雜了一些?？梢酝ㄟ^(guò)164 的片子的HBEN 來(lái)實(shí)現(xiàn),當(dāng)HBEN = 0 時(shí),取低8 位數(shù)據(jù); 當(dāng)HBEN = 1 時(shí), 取高4 位。單片機(jī)與MAX164 、AD7506 的管腳如表1 所示。另外,MAX164 的BUSY 管腳通過(guò)反相器與單片機(jī)的NT1 相連,用于等待AD 轉(zhuǎn)換。表1 單片機(jī)與MAX164、AD7506 管腳的連接W78E516B管腳連接

54、的芯片管腳說(shuō)明P1. 3MAX164 的HBEN 腳 0 讀低8 位;1 讀高4 位RD/RD/ 輸出連接到MAX164 的CS、RD 腳通過(guò)清零, 使MAX164有效P1. 4 P1. 7通過(guò)74HC04 、521 - 4連接到AD7506 的A3A0通過(guò)反相器和光電隔離芯片,來(lái)選中AD7506 的采集通道8、軟件實(shí)現(xiàn)8.1 服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)也是基于Client/ Server 模式,所以在控制器端屬于服務(wù)器端,它的主要功能是等待客戶端的請(qǐng)求,當(dāng)客戶端請(qǐng)求包到達(dá)網(wǎng)卡時(shí),由操作系統(tǒng)將其讀出放到TCP/ IP 協(xié)議棧的緩沖區(qū)里,TCP/ IP 協(xié)議棧對(duì)這個(gè)請(qǐng)求包解包并送給應(yīng)用層的程序,這里要設(shè)計(jì)的就是應(yīng)用層程序,首先要客戶端連接到服務(wù)器的一般TCP 端口如:1180 端口,發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求,并等待服務(wù)器的應(yīng)答。通過(guò)三次握手建立連接。在服務(wù)器端應(yīng)用程序要監(jiān)聽(tīng)1180 端口,然后根據(jù)不的狀態(tài)做不同操作?？蛻舳撕头?wù)器端要約定命令字,由客戶端發(fā)送并放到數(shù)據(jù)端的前面,服務(wù)器要對(duì)雙方約定的命令字進(jìn)行檢查,如果是則將采集到的數(shù)據(jù)放到TCP/ IP協(xié)議棧的緩沖區(qū)里,由TCP/ IP 協(xié)議棧打包,然后通過(guò)網(wǎng)卡發(fā)送出去。由于篇幅關(guān)系,在此就不作具體的程序論述。8.2 客戶端實(shí)現(xiàn)客戶端的程序是使用Windows Soc