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無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控控系統(tǒng)的核心的技術(shù)研究論文
無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是在原有嵌入式產(chǎn)品的基礎(chǔ)上,結(jié)合當(dāng)前蓬勃發(fā)展的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)而形成的新型監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。本文比較系統(tǒng)地討論無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)始采用的一些核心技術(shù),包括硬件電路的設(shè)計(jì),芯片選擇、嵌入式操作系統(tǒng)的選擇,實(shí)時(shí)軟件的設(shè)計(jì),無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)的組建,控制中心應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)等。
關(guān)鍵詞:無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)方式 操作系統(tǒng)選擇 無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)
無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是在傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,結(jié)合當(dāng)前無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和信息處理技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的新型測(cè)控系統(tǒng)。
一般而言,現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),大都符合“控制中心—監(jiān)測(cè)站”的構(gòu)建模式�？刂浦行氖钦麄�(gè)系統(tǒng)運(yùn)作的核心,負(fù)責(zé)收集各監(jiān)測(cè)站上傳的監(jiān)測(cè)信息,發(fā)送各種操作命令以控制監(jiān)測(cè)站的行業(yè)。監(jiān)測(cè)站被布放于遠(yuǎn)離控制中心的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處,負(fù)責(zé)完成信息的采集和響應(yīng)控制中心發(fā)出的控制命令�？刂浦行目捎闷胀ㄎC(jī)、工作站或工控機(jī)實(shí)現(xiàn),軟件開(kāi)發(fā)可靠基于現(xiàn)有的Windows或Unix操作系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)站的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可根據(jù)不同的應(yīng)用目的和應(yīng)用環(huán)境,采用特定的技術(shù)形式,比如單片機(jī)、DSP或者Intel X86系列的微處理器等。無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)方式也很靈活,可利用現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng),如GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò),CDMA移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等,也可單獨(dú)搭建專(zhuān)門(mén)的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)。下面系統(tǒng)地討論無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)涉及到的一些核心技術(shù),主要包括三個(gè)方面:監(jiān)測(cè)站的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組建和控制中心的軟件設(shè)計(jì)。
1 監(jiān)測(cè)站的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
監(jiān)測(cè)站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是整個(gè)無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研制開(kāi)發(fā)的重點(diǎn),監(jiān)測(cè)站對(duì)信息數(shù)據(jù)處理的能力和精度將影響整個(gè)系統(tǒng)的最終性能。在整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中,監(jiān)測(cè)站的設(shè)計(jì)是工作量最大、所需時(shí)間最長(zhǎng)的一部分。監(jiān)測(cè)站處于工作現(xiàn)場(chǎng),只完成數(shù)據(jù)的采集、處理和控制,任務(wù)相對(duì)單一、固定,無(wú)須用詙大的臺(tái)式機(jī)來(lái)完成;考慮到節(jié)能和布放方便,監(jiān)測(cè)站多為嵌入式系統(tǒng)。根據(jù)整個(gè)無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能,和對(duì)數(shù)據(jù)處理與對(duì)傳感器控制能力的要求,監(jiān)測(cè)站設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度和采用的具體技術(shù)是不一樣的。
1.1 基于單片機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式
采用單片機(jī)是大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的首選方案。由于在片上集成有豐富的外設(shè),具有良好的控制能力,單片機(jī)天生就是為嵌放式系統(tǒng)度身定做的,在嵌入式市場(chǎng)上占據(jù)了最大的份額。
基于單片機(jī)的設(shè)計(jì)方案一般適用于對(duì)數(shù)據(jù)處理要求不高,運(yùn)算量不大的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)需要,單片機(jī)可以選用較為低端的4位機(jī)或8位機(jī),如8051等,也可選用功能較強(qiáng)的專(zhuān)用芯片,如MSP430FE42X系列。單片機(jī)主要用于監(jiān)測(cè)站端的系統(tǒng)控制。片外存儲(chǔ)器一般為RAM、EEPROM和Flash等存儲(chǔ)器;I/O設(shè)備一般為鍵盤(pán)、LCD等供設(shè)計(jì)調(diào)試用的人機(jī)交互接口;傳感器一般為話(huà)筒、攝像頭、揚(yáng)聲器和伺服馬達(dá)一類(lèi)的設(shè)備。無(wú)線(xiàn)通信接口實(shí)現(xiàn)相對(duì)較為復(fù)雜。編解碼器是可取舍的,對(duì)于低速率數(shù)據(jù)一般沒(méi)有必要。根據(jù)系統(tǒng)的處理任務(wù)和信息的類(lèi)別,編解碼器可選用不同的芯生, 如CMX639(用于音頻)或LD9320等,也可用編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)。監(jiān)測(cè)站軟件可直接通過(guò)C或匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn),也可在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件。對(duì)于低檔的4位或8位單片機(jī),控制能力較低,系統(tǒng)簡(jiǎn)單,一般采用直接編寫(xiě)控制程序的方法。對(duì)于功能較強(qiáng)大,各設(shè)備間交互復(fù)雜的系統(tǒng)而言,大多數(shù)是利用操作系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行任務(wù)管理、設(shè)備交互,應(yīng)用軟件只是完成上層的數(shù)據(jù)處理等工作。
1.2 基于DSP的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式
眾所周知,DSP的數(shù)字處理方面能力較強(qiáng),技術(shù)已經(jīng)很成熟,能處理各種運(yùn)算的通用、專(zhuān)用芯片也很多。以DSP為核心設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的監(jiān)測(cè)站,可以完成高速率數(shù)據(jù)處理,保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性方面的要求。
這類(lèi)設(shè)計(jì)方案一般適用于數(shù)據(jù)處理運(yùn)算量比較大,實(shí)時(shí)性要求高而對(duì)控制能力要求相對(duì)較低的監(jiān)控系統(tǒng)。與以單片機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng)不同的是,DSP除了作控制器以外,還可兼作數(shù)據(jù)計(jì)算、編/解碼之用。對(duì)于較復(fù)雜的編/解碼以及壓縮解壓運(yùn)算(比如對(duì)圖像視頻數(shù)據(jù)的處理等)是否仍由DSP完成,須綜合考慮。若DSP在系統(tǒng)控制和實(shí)現(xiàn)傳輸協(xié)議方面負(fù)擔(dān)太重,則這部分運(yùn)算需要由專(zhuān)門(mén)的處理芯片完成;若系統(tǒng)控制和傳輸協(xié)議較簡(jiǎn)單,或根本沒(méi)有到上層協(xié)議棧,則這部分復(fù)雜的運(yùn)算可由DSP完成。
1.3 基于MCU+DSP的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式
顯然,這種設(shè)計(jì)方式吸取了單片機(jī)和DSP各自的優(yōu)點(diǎn):單片機(jī)的特點(diǎn)決定其擅長(zhǎng)于控制,DSP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)保證較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。兩者的組合可實(shí)現(xiàn)一些相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)功能,但由于系統(tǒng)中采用了兩個(gè)處理器,其間的信息交互是設(shè)計(jì)這類(lèi)監(jiān)測(cè)站時(shí)須著重考慮的問(wèn)題。只有單片機(jī)和DSP之間較好地協(xié)同工作,才能充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn);否則,由于兩者間的協(xié)調(diào)而耗費(fèi)了大量資源,整體性能未必高于采用單一處理器的系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和DSP間通信協(xié)調(diào)的常用方法是采用雙口RAM。
目前,有些DSP或單片機(jī)廠(chǎng)家為了擴(kuò)大芯片的適用范圍,在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展,相互間容入了對(duì)方的特點(diǎn),使同一芯片在數(shù)據(jù)處理和控制方面同時(shí)具有較好的性能。比如Microchip公司推出的dsPIC,使客戶(hù)能方便地將單片機(jī)的功能轉(zhuǎn)移到DSP上,目前推出的產(chǎn)品有dsPIC30FXXX系列。由于DSP和MCU兩個(gè)功能模塊在同一芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn),提高了系統(tǒng)的可靠性、降低了監(jiān)測(cè)站的設(shè)計(jì)難度并節(jié)省印制板空間。這類(lèi)芯片得到廣大用戶(hù)的青睞。
1.4 基于MPU的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式
設(shè)計(jì)嵌入式產(chǎn)品的另一可選方案是采用基于微處理器的設(shè)計(jì)方式。與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比,嵌入式
微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn);同時(shí),在該領(lǐng)域技術(shù)成熟、產(chǎn)品類(lèi)型多、選擇空間大,滿(mǎn)足各種性能需求的處理器比較容易獲得。隨著采用RISC體系的高性能MPU(比如采用ARM構(gòu)架的處理器芯片等)的出現(xiàn),MPU在嵌入式領(lǐng)域中的地位經(jīng)久不衰;但是,由于在設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)站時(shí),電路板上必須包括ROM、RAM、Flash、總線(xiàn)接口和各種外設(shè)等器件,系統(tǒng)的可靠性將有所下降,技術(shù)保密性差,實(shí)現(xiàn)難度也較大。
1.5 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)選擇和嵌入式實(shí)時(shí)軟件開(kāi)發(fā)
目前已有的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)種類(lèi)繁多,軟件結(jié)構(gòu)各異,可適用于復(fù)雜程度不同的各種環(huán)境,包括循環(huán)查詢(xún)系統(tǒng)、前后臺(tái)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)和多處理機(jī)系統(tǒng)等。具體實(shí)例有VxWorks、pSOS、QNX、Palm OS、Windows CE、lynx OS和嵌入式Linux等。選擇適合監(jiān)測(cè)站乃至整個(gè)無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的RTOS的重要性是不言而喻的,它可能關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)研制的成敗。
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