第5章 网络化嵌入式仪器.ppt

第5章 网络化嵌入式仪器 5.1 网络化嵌入式仪器的概述 5.2 网络化嵌入式仪器的体系结构 5.3 网络化嵌入式仪器设计 5.4 无线通信技术的网络化嵌入式测控系统 5.1 网络化嵌入式仪器的概述 5.1.1 网络化嵌入式仪器的提出 IEEE对于嵌入式系统的定义是：An Embedded system is the devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants，即嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。在中国嵌入式系统领域，比较认同的嵌入式系统概念是：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗均有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点： （1）嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式CPU与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、 集成度高等特点，能够把通用CPU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，移动能力大大增强，与网络的耦合也越来越紧密。 （2）嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 （3）嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。 （4）嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 （5）为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 （6）嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 5.1.2 网络化嵌入式仪器的功能 （1）测试功能 满足特定应用的数据采集和数据交换。 （2）输入/输出控制 一般采用简单方便的按键输入作为主要形式，根据具体情况辅以其他形式，输出主要采用LCD显示，可以显示文字、标识、简单的曲线及操作界面。 （3）数据通信功能 数据打包后由通信接口进行数据通信和消息发送，通信接口包括有线方式的通信接口（RS232、Ethernet卡、Modem）和无线方式的通信接口（短波通信、红外或蓝牙、ZigBee发收设备） （4）安全性及存取控制 5.2 网络化嵌入式仪器的体系结构 5.2.1 网络化嵌入式仪器的结构 一般而言，典型的网络化嵌入式仪器应具有数据采集、数据分析和处理、参数输入、结果显示、控制和网络通讯等功能，相应地一个典型的网络化嵌入式仪器系统主要由基于微处理器中心控制模块、数据采集模块、数据分析处理模块、人机交互模块（包括参数输入和结果显示等）、控制功能模块和网络模块等组成。其简单结构框图如图5-1所示。 5.2.2 网络化嵌入式仪器的控制部分网络化方案 网络化嵌入式仪器的控制部分常有3种实现方案。 （1）单片机系统 一般有8位或16位、32位的处理器，这类嵌入式控制系统具有集成度较高、功能比较丰富等优点。但是，存在有存储器容量较小、系统资源有限且功能不够强大等不足。 （2）单板机系统 如PC104工业单板机，这类系统实现了小型化、模块化、低功耗、较高的可靠性，且功能强大，能满足工业生产领域的应用需要。但是，对硬件的剪裁工作只能从板卡级进行，对于不同的应用场合显得灵活性不够。 （3）嵌入式操作系统 例如ARM、DSP等嵌入式芯片组建的嵌入式系统，可以按照应用的要求对硬件和软件系统实现完全剪裁，由于有嵌入式操作系统支持，如嵌入式Linux，这类系统具有的强大软硬件平台具有最低冗余度和最大专用性。 5.2.3 网络化嵌入式仪器的嵌入式操作系统网络化方案 在嵌入式操作系统方案中，实现网络化通常有以下几种组合方案。 （1）集成有网络接口的微控制器配合实时操作系统 （2）MCU配合TCP/IP协议芯片 （3）MCU配合以太网控制芯片 5.3 网络化嵌入式仪器设计