（检测技术与自动化装置专业论文）基于嵌入式平台的设备状态监测监控系统的研究与设计.pdf

北京邮电大学硕士学位论文 基于嵌入式平台的设备状态监测监控系统的研究与设计 摘要 机电设备状态监测监控技术是微计算机技术、数据通信技术、平 台整合技术、和自动化技术的结合，是生产发展的需要和科技发展的 必然结果。当今，基于嵌入式平台的设备状态监测监控技术的研究与 开发为现代工业中设备的监测和维护以及故障诊断提供了强有力的保 障手段，为促进工业生产朝着高质、高效、高速的方向发展打下了深 厚的基础，因此该技术对工业生产的发展乃至对于整个国民经济都有 着十分深远的意义。 本论文对设备状态监测监控技术的发展历程、现状和趋势做了深 入的调查和研究。当前，开发基于嵌入式平台的设备状态监测系统正 逐渐成为潮流，然而，在系统开发中仍存在着一些问题急需解决。而 软资源虚拟仪器技术的出现和快速发展则为这些问题的解决提供了一 条便捷的路径。本文在对虚拟仪器技术深入学习和研究的基础上，提 出了一套建立在v c n e t 虚拟环境基础之上的基于嵌入式平台的设备 状态监测监控系统的解决方案，给出了该系统的体系结构，并讨论了 系统各个功能模块之间的数据通信和任务调度机制。随后对系统中各 个功能模块的具体实现及其采用的关键技术进行了深入研究，重点探 讨了系统中多信号发生模块，d a q 设备数据传输程序的开发技术，数 据分析处理技术、数据库访问技术、嵌入式平台上数据包和通信技术 等关键技术。结合实验室现有条件，采用v c n e t 环境、横梁机电振 动系统和嵌入式平台开发了一个设备状态监测监控系统。 将自动化技术与信息技术、通信技术、测控技术、跨平台技术相 结合，开展基于嵌入式平台的设备状态监测监控技术研究，对于促进 工业发展具有十分重要的意义。本论文为推动设各状态监测监控技术 的发展做了一些探索工作，为我们今后进一步开展这方面的研究工作 打下了良好的基础。 关键词：嵌入式虚拟仪器v c n e t 状态监测监控 北京邮电大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n dd e s i g no fe q u i p m e n ts t a t e m o n i t o r i n gb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m a b s t r a c t t h eb a s e d - o n e m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g yo fe q u i p m e n ts t a t em o n i t o r i n gi st h e i n t e g r a t i o no fm i c r o c o m p u t e rt e c h n o l o g y , d a t ac o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , n e t w o r kt e c h n o l o g y ，a n da u t o m a t i o n t e c h n o l o g y , w h i c h i st h er e s u l to f d e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h er e q u i r e m e n to fp r o d u c t i o n u pt o n o w , t h r o u g h t h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lt e c h n o l o g yb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m ， t h ei n t e l l i g e n c e ，m a t e r i a la n di n f o r m a t i o nr e s o u r c ea n dt h eo b j e c to fs h a r a b l e r e s o u r c ea n dc o o p e r a t i o nc a nb em a d eu s ef u l l y , w h i c hp r o v i d e sa s t r o n g l y g u a r a n t e ef o r t h ee q u i p m e n tm o n i t o r i n ga n dm a i n t e n a n c ea l o n gw i t hf a u l t y d i a g n o s i si nm o d e r ni n d u s t r i e s ，a n ds e t su paf i r m l yf o u n d a t i o nf o rt h ei n d u s t r i e s t od e v e l o pw i t l lh i 曲q u a l i t y , h i g he f f i c i e n c ya n dh i 曲s p e e d r e s e a r c h i n go nt h e t e c h n o l o g y o f e m b e d d e d s y s t e m b a s e d a u t o m a t i o n m o n i t o r i n g h a s q u i t e f a r r e a c h i n gs i g n i f i c a n c et ot h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n dt h ew h o l en a t i o n a l e c o n o m y a ni n v e s t i g a t i o ni nt h ed e v e l o p m e n th i s t o r y , a c t u a l i t ya n dt r e n do ft h ee q u i p m e n t s t a t em o n i t o r i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nm a d ei nt h e s i s i nr e c e n ty e a r s ，t h e r ea r e w a r ma c t i v i t i e so nt h er e s e a r c ho fe m b e d d e d - s y s t e m b a s e da u t o m a t i o ne q u i p m e n t s t a t em o n i t o r i n gs y s t e m s ；h o w e v e r ，t h e r ea r cs t i l ls o m ep r o b l e m st ob es o l v e d t h e d e v e l o p m e n tq u i c k l yo fv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yp r o v i d e sag o o dw a yf o rt h e s o l u t i o no ft h o s ep r o b l e m s ag o o ds c h e m eo fi n t e r n e t b a s e dr e m o t ee q u i p m e n t s t a t em o n i t o r i n gs y s t e md e v e l o p e db yv c n e ti sp r e s e n t e di nt h i st h e s i sa f t e r d e e p l yr e s e a r c h i n go nt h et e c h n o l o g yo fv i r t u a li n s t r u m e n t a n dt h ea r c h i t e c t u r eo f t h i ss y s t e mi sg i v e n ，t h em e c h a n i s mo fd a t ac o m m u n i c a t i o na n dt a s ks c h e m eu s e d b e t w e e nd i f f e r e n tf u n c t i o nr o o d u l e si sd i s c u s s e d t h e nt h er e s e a r c ho nt h e 北京邮电大学硕士学位论文 r e a l i z a t i o no fe v e r yf u n c t i o nm o d u l ea n dt h ek e yt e c h n o l o g yu s e di nt h i ss y s t e m ， w h i c hi n c l u d et h ed a q e q u i p m e n td r i v e rd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y , d a t aa n a l y s i s t e c h n o l o g ya n dd a t a b a s ea c c e s st e c h n o l o g ya l o n gw i t hn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yi sa l s oc a r r i e do u ti nt h i st h e s i s a tt h el a s t ，ar e m o t ee q u i p m e n ts t a t e m o n i t o r i n gs y s t e ma d o p t i n gv c n e ti sd e v e l o p e da n dag o o de f f e c ti so b t a i n e d v i a t h ea n a l y s i so far e a ls t r u c t u r ew i t ht h i sm o n i t o r i n gs y s t e m i t i so fv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c eo np r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r yt o r e s e a r c ht h ee m b e d d e d - s y s t e m - b a s e da u t o m a t i o ne q u i p m e n ts t a t em o n i t o r i n g t e c h n o l o g yc o m b i n e dw i t ht h ee m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y , v i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g ye t c s o m er e s e a r c hw o r ki sd o n ei nt h i s t h e s i so nt h ee m b e d d e d - s y s t e m - b a s e da u t o m a t i o ne q u i p m e n ts t a t e m o n i t o r i n g t e c h n o l o g y , w h i c hp r e p a r e ss o m ec o n d i t i o n sf o rf u r t h e rr e s e a r c h0 nt h i sf i e l d k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，v c n e t ，s t a t em o n i t o r i n g a n dc o n t r o l 一一苎型皇查堂堕主兰垡笙苎 n t f s d f 8 i b d f d l f d 2 d d m u t i t p t d d c h t t p f t p a r p i c m p t c p u d p s i p 采样点数 采样时间 采样频率 频率分辨率 符号说明 b a s i ci n v e s t i g a t i o n ，课题调查 b a s i cd e s i g n ，基本设计 f u n c t i o nd e s i g n l ，功能设计i f u n c t i o nd e s i g n 2 ，功能设计2 d e t a i ld e s i g n ，详细设计 m a n u f a c t u r e ，编码 u n i tt e s t ，单体测试 i n t e g r a t i o nt e s t ，合成测试 p e r f o r m a n c et e s t ，性能测试 d i r e c td a t ac o n t r o l l e r ，直接数字控制 h y p e rt e x tt r a n s f e rp r o t o c o l ，超文本传输协议 f i l et r a n s f e rp r o t o c o l ，文件传输协议 a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l ，地址解析协议 i n t e r n e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l ，因特网控制消息协议 t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ，传输控制协议 u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，用户数据报协议 s e s s i o ni n i t i a lp r o t o c o l ，会话初始化协议 - m 一 ! ! 塞堕皇查堂塑主堂垡丝塞 d s t p e m p u m c u e d s p s o c d a o c l f d l l m f c f f t d a t a s o c k e tt r a n s f e rp r o t o c o l ，应用程序间通信协议 e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，嵌入式微处理器 m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，嵌入式微控制器 e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，嵌入式d s p 处理器 s y s t e mo nc h i p ，嵌入式片上系统 d a t aa c q u i s i t i o n ，数据采集设备 c a l ll i b r a r yf u c t i o nn o d e ，节点调用数据函数 d y n a m i cl i n kl i b r a r y ，动态链接库 m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s ，m s v i s u a lc + + 基础类库 f a s tf o u r i e rt r a n s f o r ma l g o r i t h j 快速傅氏变换算法 o p cs e r o l ef o rp r o c e s sc o n t r o ls e r v e r ，用于过程控制的o l e 服务器 s q l a d o o d b c u d l u r l a p i u a r t s t r u c t u r e dq u e r yl a n g u a g e ，结构化查询语言 a c t i v e d a t ao b j e c t ，访问数据的方法 o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ，开放数据库存取规格 u n i v e r s a ld a t al i n k ，通用数据连按 u n i f o r mr e s o u r c el o c a t o r ，统一资源定位器 a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ，应用程序接口 u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s 埘i t t e r ，通用异步收发器 - i v - 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：聋垡蜂 一日期：地厶三：墨! 一 一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：生垡丝日期：墨五：主：墨! 导师签名：j 蛰r _ 塑牡日期：j 坦丛二生l 北京邮电大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 随着科技的创新，监测监控技术、嵌入式技术、通信、网络等技术的成熟与 发展，传统的监测监控系统已越来越不能满足信息时代工业的要求。以信息技术 为基础的多功能监测监控系统已经成为当今盟测监控领域技术发展的热点之一， 它的出现标志着工业监测监控领域又一个新时代的开始，并将对该领域的发展产 生重要影响。综观历史，监测监控系统的发展进程经历了三次大的飞跃：从信号 监测监控到信息监测监控；从仪表监测到智能监测；从单机监控到跨平台监控。 现代监测监控系统正向着前端一体化、采集数字化、监控网络化、系统集成化方 向快速发展。它以信息处理为核心，以智能节点为基础，以信息平台为框架，将 系统中所有的监控设备、管理计算机、数据库均通过信息平台联接在一起，组成 多个监测监控层，形成一个信息共享的有机整体。这是一门将通信数据分析技术、 自动化监控技术、计算机技术融合在一起的一门前沿学科“”。 现代设备状态虚拟仪器监测监控具有以下特点“1 ： ( 1 ) 现场作业与局域管理无缝对接，可实现监测监控综合调控及信息共享； ( 2 ) 按照作业情况使监测监控智能化，可实现可编程可改写智能监测监控； ( 3 ) 模块化集成，分布式布局，使监测监控系统实现底层现场控制。 1 2 开展基于嵌入式平台的设备状态监测监控的重要意义 在现代社会中，随着计算机、微电子、通信网络、自动化控制等新技术在工 业领域的深度应用和发展，现代工业正朝着规模化、复杂化、平台化、信息化的 方向发展。社会需要的不断增加，加速了现代工业的发展，工业生产过程的控制 管理规模不断扩大，复杂程度持续加深，工业过程逐渐强化，工业设备的管理和 维护也随之变得更加复杂，从而对工业生产过程控制和生产管理以及工业设备的 状态维护能力提出了越来越高的要求。作为现代工业生产和社会生活的基础设施， 设备状态监测监控系统得到了广泛的应用，早已遍布食品、化工、电力、能源、 北京邮电大学硕士学位论文 钢铁和航空航天等各个领域。大到航天工程，小到家用电器，都布满了各种各样 的仪器设备和电子器件，因此，对这些设备和器件进行状态监测是进行仪器控制 和故障诊断、保证工业生产顺利实施的必需措旌和重要前提，具有十分重要的研 究意义和社会价值。“5 。 有了设备状态监测监控技术，就可以将监测监控信息从现场下位机释放出来， 通过计算机平台使其能够到达远程桌面的上位机上，从而能够和高层的信息管理 系统融合在一起，更好地为生产管理服务。这不仅保证了工业生产过程的正在运 行，而且大大提高了企业的劳动生产率，降低了生产成本，加强了企业核心竞争 力。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 基于计算机平台的监测监控系统的发展历程 在信息社会里，无论工业生产还是科研试验，都有各种各样反映设备运行状 态的物理量，如温度、压力、流量、噪声等信息，这就需要对这些信息进行监测 控制以保证生产设备的正常运行。在计算机出现以前，人们只能采用各种模拟仪 表对重要设备的个别状态进行单独监测和控制。这种方式没有考虑整个系统的相 互关联，各个监测仪表之间相互独立，不能相互配合，缺乏有效的协调，自然难 以适应大型复杂的工业监测监控发展的需求。 计算机状态监测监控系统的发展随着自动化技术、计算机技术、测量仪器技 术等的发展而发展，大体上经历了以下阶段”“1 ： ( 1 ) d d c ( d i r e c td a t ac o n t r o l l e r , 直接数字控制) 控制阶段 ( 2 ) 集中控制阶段 ( 3 ) 集散控制阶段 ( 4 ) 分布式远程控制阶段 1 3 2 基于计算机平台的监测监控系统的研究现状 目前，由于嵌入式平台大范围的普及和发展，基于嵌入式平台技术的设备状 态监测监控系统正在成为发展的主流和重要的研究方向，国内外都对该领域投入 了大量精力，做了深入的研究，并取得了丰富的成果。 h e w e t tp a c k a r d 公司开发了6 6 5 0 1 监测通讯模块，该模块向上可以用 h t t p ( h y p e r t e x t t r a n s f e r p r o t o c o l ，超文本传输协议) 、f t p 协议( f i l et r a n s f e rp r o t o c o l ， 北京邮电大学硕士学位论文 文件传输协议) 与多平台相连，向下可以与a r p ( a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l ，地址解 析协议) 板等数字化测控设备相连，借助该模块，用户可以通过浏览器虚拟界面实 现数据采集。 美国提出了n a s a 研究计划，用于武器装备的监测监控和故障诊断系统。目 的是实现技术手册数字化，建立跨平台维修信息系统，采集和处理故障数据、飞 行实验数据等，还包括通过组合算法实现故障诊断和故障隔离，并组织有效的零 部件供应支持等。 上海交通大学开发了基于嵌入式平台的数控设备监测和故障诊断系统，利用 嵌入式平台技术，将分布在不同地域的设备、监控系统、诊断系统和使用者联系 起来，用于对数控机床进行状态监测和故障诊断，改变了从前一旦设备发生故障， 诊断人员就疲于奔命的被动局面。 虚拟仪器技术的出现，为开发设备状态监测监控系统提供了一条崭新的路径。 采用虚拟仪器技术进行设各状态监测监控在我国也得到了一定的研究，如清华大 学、复旦大学、上海交通大学、北京理工大学等科研单位己经开发出了一些虚拟 仪器系统，取得了良好的实用效果。 13 3 基于计算机平台的监测监控系统的发展趋势 近年来，计算机状态监测监控系统的开发和应用具有以下发展趋势。1 ： 各种新兴的计算机技术如面向对象技术、分布式计算技术等必将以更快 的步伐应用到监测监控系统的开发中去，大大提高监测监控系统的应用 能力，改进系统的组建方式。会有越来越多的监测监控系统将通过嵌入 式平台连接成一个个监测监控管理分析层，实现信息共享和协同管理。 借助于嵌入式平台和各种跨平台技术，计算机监测监控技术应用的范围 将空前扩大，必将深入应用到生产生活的各个领域，例如航空航天、机 械制造、电力监控、环境监测、远程医疗等。 计算机监测监控系统的更新必将进一步促进测控仪器的发展和更新，虚 拟仪器技术的出现，将会更加广泛地应用到计算机监测监控领域，反过 来进一步推进监测监控技术的发展，两者相互促进，共同发展。 1 3 4 测控仪器技术的发展现状和趋势 测控仪器是组成计算机测控系统的基本单位，是进行数据采集和监测监控的 物理基础。它的发展在一定程度上决定着测控系统的更新和发展。测控仪器技术 既是现代科研的前沿技术，又是信息社会的关键技术。适应社会发展的需要，当 前工业领域内的各个领军企业开始强强联合，使得测控仪器技术朝着工业化、标 北京邮电大学硕士学位论文 准化的方向大步迈进，一方面使得测控仪器的接口逐渐统一，不同厂商产品之间 的互操作性不断增强。另一方面，包括v x i p x i 总线和现场总线在内的各种先进 测控总线的广泛使用，使得测控仪器的实时性、智能性和软件化水平进一步提高。 总体来说，测控仪器技术的发展体现了以下趋势： 测控仪器的数字化、智能化水平不断提高，一种集成的多功能仪器平台 将有可能取代传统意义上的各种功能单一仪器。 计算机硬件技术在测控仪器领域的应用步伐不断加快，各种最新的硬件 制造设计技术都在测控仪器领域找到一席之地，从而使得测控仪器的功 能不断扩展，能力不断提高，用途越来越广，而价格却逐渐下降。 测控仪器技术与嵌入式平台的结合使得跨平台化是今后测控仪器发展的主导 方向。测控仪器的概念也在不断变革，其功能逐渐上提并交于计算机软件完成， 甚至仪器仪表本身就是一个功能完善的微型嵌入式计算机系统。 1 4 当前设备状态监测监控系统存在的问题 近年来，将机电设备状态监测监控系统和各种信息芯片技术相结合，开发基 于嵌入式平台的监测监控系统己成为潮流，但到目前为止，仍存在着一些问题急 需解决，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 监测监控数据传输通信技术多种多样，难以统一。 监测监控数据传输通信技术是进行监测监控中最为关键的技术。目前，一般 简单采用并口、s o c k e t 甚至f t p 、e m a i l 等较低层次的数据传输技术来实现，这 些技术在传输的数据量、编程的灵活性和安全性方面都有很大的欠缺，难以适应 复杂的需要。现在有的系统己采用分布式编程技术，如c o r b a 技术和c o m 技 术等，但是这些编程技术太过复杂，实现困难，开发周期长，对系统运行环境要 求苛刻，需要开发人员对相关知识有着深刻的了解和掌握，这就大大阻碍了跨平 台监测监控系统的普及和推广。 ( 2 ) 传统的监测监控系统的软件开发工具在系统开发方面存在缺陷和薄弱 环节。 由于监测监控系统大多应用于工业生产领域，会面临大量领域相关的开发需 求。而传统的系统开发工具，如l a b v i e w , m a t l a b ，d e l p h i 等，其特色在于应用 层软件开发，而在这些专业需求方面表现薄弱，开发起来较为困难，具体表现在 北京邮电大学硕士学位论文 以下几个方面： 硬件开发方面：监测监控系统中必须大量使用各种类型的测控仪器以获 得设备的各种状态信息，这就需要涉及大量的硬件驱动和硬件通信技术。 人机界面开发方面：设备状态监测监控系统中经常要对监测监控对象的 各种信息进行图形化分析显示，对测控仪器的操作管理也需要有友好的 人机界面。 专业领域知识方面：设备状态监测监控系统最大的应用领域是工业生产 领域，这就需要专业领域知识的支持，如数字信号处理算法、概率统计 分析、各种控制算法等。 传统的开发工具在这三个方面都存在的薄弱环节，一般只提供最基本的开发 能力，需要开发人员自己从最底层开发，对开发人员的软件开发能力提出了苛刻 的要求，使得大量的人力物力浪费在这些开发环节上，不能把主要精力放在监测 监控应用方面，难以跟上需求的变化和发展。 ( 3 ) 设备状态监测监控系统开发和系统使用脱节，常常难以达到实际要求。 正是由于以上原因，系统的开发一般由专业的软件开发人员而非使用系统的 工程师实现。但软件开发人员远离系统应用环境，脱离生产现场，对系统的实际 需要难以精确掌握，系统开发周期长，会造成开发出来的系统跟不上实际需要的 变化，难以达到设计的效果。 而v c n e t 开发环境、嵌入式平台和虚拟仪器技术的出现则为解决以上问题 提供了一个完善的解决方案。这也是本论文采用并结合v c n e t 开发环境、嵌入 式平台和虚拟仪器技术进行研究和设计的重要原因，具体的步骤和内容将在随后 的章节中论述。 1 5 本课题的主要工作 本课题来源于“2 1 l 工程”建设项目：“基于嵌入式平台。虚拟现实建模、现 场总线技术与智能控制技术的远程设备状态监测与智能控制系统”。 本课题将对基于嵌入式平台的设备状态监测监控技术进行研究，在深入分析 各种实现技术的基础上，针对上文所述的问题，选择虚拟仪器编程软件v c n e t 作为开发工具，并对虚拟仪器技术进行了深入的研究，最后采用v c n e t 开发环 境、嵌入式平台和虚拟仪器技术实现了横梁振动系统的状态监测软件系统的开发， 北京邮电大学硕士学位论文 基于该软件系统可以实现对设备进行振动等信息的各种分析和监测。 本课题的具体研究内容安排如下： l 、对当前的设备状态监测监控系统的发展历程、现状、趋势以及存在的问题 进行了调研和研究。对监测系统软件开发的流程和嵌入式操作系统进行了研究， 分析了其数据传输、内存管理、进程调度、文件系统等并在对当前各种平台、软 件开发技术对比调研的基础上，选择了软环境虚拟仪器技术作为开发工具。 2 、形成了一个通用的基于p c i 板的嵌入式监测监控系统架构并对虚拟仪器技 术进行了深入了解和研究，分析了虚拟仪器技术的硬件组成和软件体系结构，并 对v c n e t 虚拟仪器平台做了讨论和分析。 3 、对要开发的设备状态监测系统的数据传输结构和功能模型进行了分析，提 出了一个基于嵌入式平台的设备状态监测系统的整体解决方案，给出了系统的软 硬件结构，并对系统软件各功能模块之间的通信和任务调度机制等关键问题进行 了深入研究。 4 、重点研究了该设备状态监测系统各个功能模块的具体设计和实现，弗对系 统开发中所涉及到的一些关键技术和问题如多路信号发生器、数据采集卡数据包 通信开发、信号分析、数据库访问、进程通信等技术进行了深入研究。 5 、利用所开发的基于嵌入式平台的小型嵌入式监测监控系统实现了横梁机电 系统的状态监测监控。 6 、根据已经完成的软硬件系统，编写测试程序，调试软硬件各模块，分析设 计数据采集、数据处理模块、内存管理与分配、中断响应与处理、外部总线与接 口、外围控制各个附加模块，完善系统的整体设计。 7 、对全文工作进行了总结。 北京邮电大学硕士学位论文 第二章嵌入式平台与数据传输技术 2 1 嵌入式系统简介 嵌入式系统被定义为：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础， 软硬件可裁剪，适应于应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求 的专用计算机系统。它一般由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统和 用户应用程序四部分组成。简言之，一个嵌入式系统就是一个计算机硬件和软件 的集合体，有时还包括其它一些机械部分，它是为完成某种特定的功能而设计的。 随着微处理器技术的发展，嵌入式系统已成为计算机领域的一个重要组成部分。 有时我们称其为嵌入式设备，它是指具有计算机功能，但又不称为计算机的设备 或器材，几乎包括我们周围的所有的电器设备。还有一种定义方法，在各定义中 嵌入式系统被定义为非p c 系统，它包括硬件和软件两个部分。有时设计人员把这 两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为，而操作系统控制着应 用程序编程与硬件的交互作用o “”1 。 嵌入式计算机广泛应用于自动化制造工业、自动过程控制、通信、航空、航 天等方面。嵌入式系统一个很好的例子就是手机，它属于信息家族的范畴。几乎 每个家庭都有，每天都有成千上万台手机在工作着，但几乎没有人意识到有处理 器和相关软件在帮助手机工作。显然，手机和电脑桌上的p c 形成了鲜明的对比。 首先，他们存在个共同点，即它们的组成成分都包含了硬件和软件，但它们所 完成的工作却显然不同。嵌入式系统往往只是一个大系统中的某个组成部分，我 们常把这个大系统称为通用计算机。 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与通用处理器的最大 不同之处在于嵌入式c p u 大多数工作在为特定用户群设计的系统中。它通常把通 用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋 于小型化，并具有高效率、高可靠性等特性，其分类如下： 1 嵌入式微处理器( e m p u ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ) 的核心是通用计算机中的 c p u 。在实际应用中，为了大幅度地减小系统的体积和功耗，微处理器通常被装 配在专门设计的电路板上，仅保留和嵌入式应用有关的功能。与工业控制计算机 相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点；但是由 北京邮电大学硕士学位论文 于在电路板上必须包含r o m 、r a m 、总线接口、各种外设等器件，从而降低了 系统的可靠性，并且技术保密性也较差。 2 嵌入式微控制器( m c u ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e r u n i t ) 又称单片机，顾名思义，就是将整个 计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心， 芯片内部集成r o m e p r o m 、r a m 总线、总线逻辑、定时计数器、看门狗定 时器、i o 、串行口、脉宽调制输出、d 、d a 、f l a s h 、e e p r o m 等各种必要的 功能和外设。与嵌入式微处理器相比，微控制器的最大优点就是单片化，体积大 大减小，降低了功耗和成本。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流，微控制器 的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称之为微控制器。 3 嵌入式d s p 处理器( e d s p ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 对系统结构和指令 进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法，编译效率较高，指令执行速度快。 d s p 算法正大量进入嵌入式领域，在数字滤波、f f t 、频谱分析等方面，d s p 应 用正从通用单片机中以普通指令实现d s p 功能，过渡到采用嵌入式d s p 处理器。 由于智能化算法一般运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，一而这 些正是d s p 处理器的长处所在，例如应用在带有智能逻辑的消费类产品，生物特 征识别的终端，实时语音解压缩系统等方面的应用。 4 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 随着电子数据交换( e d i ) 的推广和v l s i 设计的普及化，以及半导体工艺的 迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已经来临，这就是 s y s t e mo nc h i p 。各种通用处理器内核将作为s o c 设计公司的标准库，和许多其 他嵌入式系统外设一样，成为v l s i 设计中一种标准的器件，用标准的v h d l 等 语言进行描述，并存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通后 就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件外，整个 嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简 洁，对于减小体积和功耗，以及提高可靠性都非常有利。 5 嵌入式系统通常面向特定应用 嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群设计的系统中，通常具有功耗低、 体积小、集成度高的特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片 内部，从而使嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大太增强，与网络的耦合也 越来越紧密。 北京邮电大学硕士学位论文 6 嵌入式系统是多种技术的集成系统 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具 体应用相结合后的产物。这一点决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度 分散、不断刨新的知识集成系统。 7 嵌入式产品的生存能力很强 嵌入式系统与具体应用有机结合，它的升级换代也和具体产品同步进行，因 此嵌入式产品一旦进入市场，具有较强的生命周期。 2 2 嵌入式平台核心芯片 一、a r m 微处理器 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以 认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1 9 9 1 年成立于英 国剑桥的a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，主要出售芯 片设计技术的授权，本身不直接从事芯片生产。世界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外 围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进入市场”“”川。 a r m 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于a r m 体系结构的 处理器：a i t m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 e 系列、s e c u r c o r e 系 列、i n t e l 的x s c a l e 、i n t e l 的s t r o n g a r m 。除了具有a r m 体系结构的共同特点以 外，每一个系列的a r m 微处理器都有各自的特点和应用领域，提供一套相对独 特的性能来满足不同应用领域的需求。其中，a 蹦7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m l 0 为4 个通用处理器系列，s e c u r c o r e 系列则专门为安全要求较高的应用而设计。 二、a r m 微处理器结构 嵌入式微处理器分为c i s c 和r i s c 两类。大家熟悉的大多数台式p c 都是使 用c i s c 微处理器，女1 i n t e l 的x 8 6 。r i s c 结构体系有两大主流：s i l i c o ng r a p h i c s 公 司( 硅谷图形公司) 的m i p s 技术，a r m 公司的a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 技术。 此夕t - h i t a c h i ( 日立公司) 也有自己的一套r i s c 技术s u p e r h 。r i s c 和c i s c 是目 前设计制造微处理器的两种典型技术，虽然它们都是试图在体系结构、操作运行、 软件硬件、编译时间和运行时间等诸多因素中做出某耪平衡，以求达到高效的目 的，但采用的方法不同，因此，在很多方面差异很大，它们主要有“5 12 “： 北京邮电大学顶士学位论文 1 ) 指令系统：r i s c 设计者把主要精力放在那些经常使用的指令上，尽量使 它们具有简单高效的特色。对不常用的功能，常通过组合指令来完成。因 此，在r i s c 机器上实现特殊功能时，效率可能较低。但可以利用流水技 术和超标量技术加以改进和弥补。而c i s c 计算机的指令系统比较丰富， 有专用指令来完成特定的功能。因此，处理特殊任务效率较高。 2 ) 存储器操作：r i s c 对存储器操作有限制，使控制简单化：而c i s c 机器的 存储器操作指令多，操作直接。 3 ) 程序：r i s c 汇编语言程序一般需要较大的内存空间，实现特殊功能时程 序复杂，不易设计；而c i s c 汇编语言程序编程相对简单，科学计算及复 杂操作的程序设计相对容易，效率较高。 2 3 嵌入式操作系统与数据传输 一、嵌入式操作系统平台选型 操作系统本身所涵盖的内容十分广泛，而且每种操作系统都有自己的特点。 嵌入式操作系统，继承了通用操作系统的基本思路和原理，针对应用领域和依赖 的处理器的特性进行了优化，去除了一些冗余的功能，加强了一些嵌入式领域特 殊的需求。对嵌入式操作系统的评价指标分为两部分：因嵌入式操作系统的特点 而特别关注的部分和嵌入式操作系统基础设施部分。目前，嵌入式操作系统已从 简单走向成熟，常见的操作系统有v x w o r k s 、p s o s 、q n x 、w i n d o w sc e 、d e l t ao s 、 嵌入式l i n u x 等。 v x w o r k s 是目前嵌入式操作系统中使用最广泛、市场占有率最高的嵌入式实 时操作系统。它是美国w i n d r f v e r 公司的产品，以其良好的可靠性和卓越的实时 性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领 域中。p s o s 是i s i 公司推出的r t o s ，现在i s i 己被w i n d r i v e r 公司兼并，p s o s 属于w i n d r i v e t 公司的产品。它是一个模块化、高性能的实时操作系统，专为嵌 入式微处理器设计，提供一个完全多任务环境，在定制的或是商业化的硬件上提 供高性能和高可靠性。可以让开发者根据操作系统的功能和内存需求定制成每一 个应用所需的系统。q n x 是加拿大q n xs o f t w a r es y s t e m s 公司的产品。这是一个 典型的微内核操作系统。除p r o c 是个内核线程，与内核共享空间以外。其它系统 服务进程，各有自己的空间“”2 3 。2 ”。 北京邮电大学硕士学位论文 二、数据通信传输技术 1 、计算机数据通信 计算机数据通信中，最常见的有局域网、广域网、城域网以及世界上最大的 计算机互联平台。在这些数据传输中，局域网是关键部