（检测技术与自动化装置专业论文）基于网络测控系统的嵌入式视频设备设计与研究.pdf

摘要 随着科学技术的进步，特别是电子技术，计算机技术和网络技术的飞速发展，使 得组建基于虚拟仪器的网络测控系统成为今后虚拟仪器技术和测控技术的发展方向之 一。网络测控系统可以将授权用户的命令发布到网络的任一节点，并从远程节点获取 数据；在这样的系统中，所有的测试数据都保存在数据库中，并根据指定的规则在所 有授权用户之间共享这些数据。 本文围绕这一测控系统总体功能要求，设计并实现了有关嵌入式视频采集设备和 语音采集设备的逻辑连接，为测控系统实现视频和语音监控功能信息的远程获取和传 输提供了技术支持。视频设备部分，设计实现了视频采集，视频压缩和视频数据发送 三个部分内容；通过j p e g 压缩技术，大大提高了视频数据的传输效率。语音部分设 计实现了语音数据的实时采集与网络传输。视频和语音监控任务都是在基于a r m 的 监控设备上实现的。 最后将这两套设备整合到网络测控系统进行测试。在测控系统中为新添加的设备 编写了设备驱动程序，作为与应用服务器的接口。同时也为新设备建立了数据库，方 便了采集数据的管理与共享。结果表明，视频、语音设备与测控系统整合运行良好， 为实现远程网络实时监控打下了基础。 关键词：网络测控，嵌入式l i n u x ，视频监控，语音监控 d e s i g na n dd e v e l o p m e n to f an e t w o r k b a s e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e mw i t he m b e d d e dv i d e oe q u i p m e n t f a n n a ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i ce q u i p m e n t ) d i r e c t e db yp r o f s h it i a n m i n g a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i da d v a n c ei ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , p a r t i c u l a r l yi nt h ea r e ao f m i c r o e l e c t r o n i c s ，c o m p u t e ra n dn e t w o r k i n gt e c h n o l o g y ，b u i l d i n gn e t w o r km e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t si sb e c o m i n gt h em a i nt r e n di nf u t u r eo fv i r t u a l i n s t r u m e n t sa n dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g y s u c hat e c h n i c a lt e n d e n c yr e q u i r e sa c o m m o ns o f t w a r e s t r u c t u r e ：w h e na d d r e s san e t w o r kb a s e dt e s to rc o n t r o la p p l i c a t i o n ，i s c a p a b l eo fi s s u i n gac o m m a n dt h r o u g ha l la u t h o r i z e du s e rf r o ma n y w h e r ea c r o s st h en e t w o r k a n dc a p t u r i n gd a t af r o mt h er e m o t es i t e ；i ns u c hs y s t e m s ，a l ld a t aa r ep o o l e dt ot h es y s t e m d a t a b a s ea n ds h a r e da m o n gt h eu s e r sd e p e n d i n go nt h ec o n f i g u r a t i o np o l i c y t h i st h e s i s ，f o c u s i n go nt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so ft h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e m ，i l l u s t r a t e st h ed e s i g n i n ga n di m p l e m e n t a t i o no fl o g i cc o n n e c t i o n so ft h ee m b e d d e d v i d e oa n dv o i c ed e v i c e st ot h es y s t e m i tp r o v i d e st e c h n o l o g i c a ls u p p o i r t sf o rr e m o t ea c c e s s a n dt r a n s m i s s i o no ft h ev i d e oa n da u d i om o n i t o r i n gi n f o r m a t i o nw i t h i nam e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e m t h ev i d e oe q u i p m e n td e s i g n e di n c l u d e st h r e ep a r t s ：t h ec a p t u r i n go fv i d e oc l i p s ， v i d e od a t ac o m p r e s s i o na n dv i d e od a t at r a n s m i s s i o nv i an e t w o r k j p e gc o m p r e s s i o n t e c h n o l o g yi su s e dw h i c hg r e a t l yi m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo fv i d e od a t at r a n s m i s s i o n t h e v o i c em o n i t o r i n gp a r td e s i g n e di m p l e m e n t st h es o f t w a r ef o rr e m o t ec o n t r o l l a b l ev o i c ed a t a a c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o n b o t hv i d e oa n dv o i c em o n i t o r i n gw o r ka r ei m p l e m e n t e do na n a r mb a s e dm o n i t o r i n ge q u i p m e n t 。 f i n a l l yt h et w os e t so fe q u i p m e n ta l ei n t e g r a t e di n t ot h ed e s i g n e ds y s t e ma n db e i n g t e s t e dt h r o u g hal o c a la r e an e t w o r k t h es y s t e ma d d st h ed e v i c ed r i v e r sf o rn e we q u i p m e n ta s i n t e r f a c et oh a r d w a r eu s e db ya na p p l i c a t i o ns e r v e r i nt h em e a n t i m ea na p p l i c a t i o nd a t a b a s e i ss e t u pt of a c i l i t a t et h ed a t am a n a g e m e n ta n ds h a r i n ga m o n ga u t h o r i z e du s e r s t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ev i d e oa n dv o i c em o n i t o r i n ge q u i p m e n t sa r ea sw e l l - f u n c t i o n i n ga sd e s i r e d ， w h i c h w o u l dl a yaf o u n d m i o nt oa c h i e v ear e a l - t i m er e m o t en e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e m k e yw o r d s ：n e t w o r k i n g b a s e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ，e m b e d d e dl i n u x ，v i d e o m o n i t o r i n g ，v o i c em o n i t o r i n g i i 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：j 丝已耻 r 期：2 。7 年 6 月 r 同 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者 指导教师签名 f t 期：2 0 0 q 年6 月4r 同期：2 7 年6 月年同 中困石油人学( 华东) 硕i 学位论义 第1 章绪论 当今新的学科领域往往伴随着越发苛刻的测试环境和更为复杂的测试程序，从而 迫切需要一种高度自动化的通用测试平台来满足未来的测试需求。加之近年来随着计 算机、数据通信、网络工程等技术的飞速发展，出现了将自动测试技术、计算机技术 和网络通信技术相结合起来的契机。测控系统应用领域结合计算机技术、数据通信技 术和网络工程技术这三大技术的进展，j 下在不断的革新传统的测控技术，使得测控系 统的网络化成为了未来发展的趋势。每一个网络测控系统都要实现一些通用的功能， 如节点间命令的传递、测试数据的传递和测试数据的存储等，因此设计一个为网络化 测控系统提供这些通用功能的软件平台具有重要的意义。 1 1 测控系统的发展及趋势 自动测控系统最早出现于二十世纪5 0 年代初期，早期的测控系统由于没有网络的 概念，是将不同的输入和输出电路的几种可程控仪器总装在一起形成一个组装系统， 解决了一些数据采集、数据处理和过程监视的问题。在这种系统中各个微机之间没有 联系，因此所做的测量和控制是非常有限的和局部的，而且存在误差较大的问题。发 展到后来，由于控制系统规模变大，功能增加，以及各种网络的引入，测控系统发展 成为一种可控制多个装置，多个处理过程，集中管理的更强的一种体系结构。这种测 控系统被称之为集中式测控系统。在这种测控系统中，系统采用的是主从式 ( m a s t e r s l a v e ) 结构，这种结构中的主控制机任务繁重，而从节点只完成简单功能， 使得系统的结构和功能严重不对等，不能满足系统动态变化和扩展的要求【2 9 1 。 随着计算机软硬件技术的发展，进入2 0 世纪9 0 年代，测控系统的系统结构逐步 从集中式向客户j j 艮务器模式转变，一种开放的网络化测控系统模型形成了。这种系统 的体系结构主要采用的是c s 模式。c s 工作模式作为网络应用程序之间通信的一种 有效方式，在近些年得到了非常广泛的应用，其特点是运行在服务器上的进程能为发 出请求的客户提供所需的信息。正是由于有一套通用的标准，服务器和客户总是能运 行于通过某种网络互联的不同平台、不同操作系统上。现代的测控主控系统，正在向 网络化方向发展，这一方面是由于测控系统的规模和复杂度在不断地增加，更因为现 代的测控系统已不再是简单的测控，而是具有更强大功能的智能的综合控制和辅助决 策系统。 9 0 年代木，测控系统面临新的挑战，集中式和分布式测控越来越满足不了复杂、 第l 章绪论 远程和范围较大的测控任务的需要，以智能化和网络化为标志的新一代测控系统的雏 形已经出现。这类系统主要是采用i n t e r n e t 技术，面向对象技术，虚拟仪器技术等， 实现控制和管理过程的智能化，有着广阔的发展前景f 3 2 】。同时，随着计算机软件、硬 件技术的不断升级与进步，给组建测控网络提供了越来越优异的技术条件。因此，测 控系统的网络化虚拟化成为目前测控技术研究的热点。这一时期的测控系统出现了虚 拟仪器v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 为代表的测控网络。传统的仪器仪表正在向虚拟化的 方向发展，实现了硬件功能软件化，把传统仪器的控制面板移植到普通计算机上，实 现相关的测控需求。网络化使得人们可以从不同地点、不同时刻共同完成任务，与传 统仪器相比是一个质的飞越【3 0 】【3 l 】。 1 2 测量仪器的发展及趋势 2 0 世纪7 0 年代，新兴的微处理器和计算机技术被越来越多的嵌入到测量仪器中， 构成智能仪器。智能仪器实际上是一个专用的微处理器系统，具有强大的数字运算和 数据处理能力，用键盘代替传统的仪器面板，具备标准的通信接口，可程控，能方便 与其它仪器实现互联。 8 0 年代初期，p c 机的发展促进了个人仪器的出现，通用的p c 机代替了智能仪器 中的微处理器、键盘、显示器等。仪器功能设计在单一的插卡模块上，置于p c 机的 扩展槽中，这些仪器插卡模块通过p c 机总线与计算机实现通信。个人仪器充分利用 了p c 机的软件和硬件资源，从而大幅度的降低了测量系统成本，并缩短了仪器厂商 的研发周期，在一定程度上普及了仪器的使用。这种插卡模块式仪器有结构简单、成 本低的优点，但性能不是很高，且p c 机内干扰严重、扩展槽数目有限，于是在8 0 年 代后期一些公司推出了高级个人仪器系统。高级个人仪器系统采用了外置于p c 机的 独立仪器机箱，有自己的电源和冷却系统，该系统创新设计了第一代仪器总线p c i b 总线。p c 机上安插带p c i b 接口的专用卡，通过p c i b 总线实现p c 机与仪器机箱内 的个人仪器组件通信。 在个人仪器的发展过程中，计算机软件技术在仪器控制、数据分析与处理、数据 表现等方面起着越来越重要的作用。微处理器和d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 技术的 快速进步以及其性能价格比不断上升大大改变了传统电子行业的设计思想和观念，原 来许多由硬件完成的功能今天能够依靠软件就能实现。面向对象技术、可视化程序开 发语言在软件领域为开发易于使用、功能强大的测控软件提供了可能性。仪器硬件功 能的软件虚拟化技术f 是在这样的环境下出现，并越来越受各国的重视，美国国家仪 2 中国石油人学( 乍东) 硕l ：学位论义 器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t ，n i ) 首先提出虚拟仪器概念。 虚拟仪器是一种全新的仪器概念，它是利用计算机的硬件资源( c p u 、存储器、显 示器、键盘、鼠标) 、标准数字电路( g p i b 、r s 2 3 2 接口总线、新型的v x i 接口总线、 信号调理和转换电路、图像采集电路、现场总线等) 以及计算机软件资源( 数据分析与 表达、过程通信、图形用户界面等) ，经过有针对性的开发测试，使之成为一套相当于 使用者自己专门设计的传统仪器。简单地说，虚拟仪器技术就是用户自定义的基于p c 技术的测试和测量解决方案。 虚拟仪器技术不仅能实现传统仪器的专业功能，而且可以利用强有力的软件技术 增强仪器功能，可以由用户自己定义自由组合计算机平台、硬件、软件以及完成系统 功能所需附件，而这在由供应商定义、功能固定、独立的传统仪器上是达不到的。以 计算机软件技术为核心的虚拟仪器具有功能强、测量速度快、自动化程度高、人机界 面友善、灵活性极强等优点，正越来越多的受到关注。虽然虚拟仪器概念的提出只有 短短的数十年，但据最近的统计，虚拟仪器产品已占有世界仪器仪表市场1 0 左右的 份额。虚拟仪器是2 1 世纪仪器发展的方向，而且必将逐步取代传统的硬件化电子仪器 的大部分功能，使传统的仪器都融入到计算机体系和网络体系中。到那时，仪器在广 义上不会再是一个独立的分支，而是会演变成为信息技术的本体之一。 1 3 基于虚拟仪器的测控系统的研究现状 作为测控技术的重要组成部分的虚拟仪器，是目前发达国家研究的热点之一。虚 拟仪器是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试( c a t ) 领域的一项重要技术。虚拟仪器是计算机硬件资源、仪器与测控系统硬件资源和虚拟 仪器软件资源三者的有效结合【8 l 。虚拟仪器的本质是利用计算机显示器的显示功能来 模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果；利用计算机强大的软件功 能实现信号数据的运算、分析和处理；利用i o 接口设备完成信号的采集、测量与调 理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面 板，就如同使用一台专用测量仪器样。 国外研究起步较早的n i 公司，9 0 年代以来已经研究和推出了多种总线的虚拟仪 器。n i 既是虚拟仪器概念的提出者，又是虚拟仪器技术的实际领导者。n i 的虚拟仪 器丌发软件l a b v i e w 就是n i 在虚拟仪器应用方面的旗舰产品【2 3 】。l a b v i e w 使用的编程 语言是图形化的g 语言。g 语言具有使用简单功能强大的特点。另外由于l a b v i e w 可 运行于不同的系统平台如w i n d o w s 、l i n u x 等，使得跨平台的互操作变得相对简单。 气 第1 市绪论 另外惠普( h p ) 公司，t e k t r o n i x 公司、r a c a l 公司也相继推出自己的虚拟仪器。 虚拟仪器在国内的研究和开发还处于初级阶段，世界各大相关产品商家都在向中 国这个巨大的市场进军。因此，我们必须一方面，大力引进国外虚拟仪器方面的生产 技术和部分产品，吸收最新成果技术：另一方面，发展基于计算机的以插卡式硬件模 块为主的测控技术，开发图形化平台的软件产品，充分利用我们现有的计算机及测试 技术软、硬件，缩短与国际先进水平之| 日j 的差距。国内的重庆大学、哈工大、西安交 通大学、电子科技大学、中科泛华等高校和高科技企业在研究和开发虚拟仪器产品和 设计平台方面，以及引进消化n i 公司的产品方面都取得了一些成果。特别是重庆大 学以秦树人教授为首的科研人员在虚拟仪器体系结构、功能框架的研究和开发取得了 很大成绩【1 7 1 【2 5 】。 利用虚拟仪器统一的软件平台和强大的功能，国内外许多高校和研究机构建立了 一些典型的远程监控系统。美国f r o s t b u r g 州立大学的“基于w e b 的远程化学教育实 验室f l l 】；美国m i t 大学虚拟实验室( h t t p ：i l a b m i t e d u ) ：该实验室由美国微软公司 和美国n i 公司资助建立。现已在网络上排出微电子、化学、法律等学科领域的实验； 美国j o h n sh o p k i n s 大学v i r t u a le n g i n e e r i n g s c i e n c el a b o r a t o r y ：该实验 室己在网络上排出逻辑电路设计、热传导实验、桥梁设计等仿真性实验，供学生网上 实验使用；新加坡国立大学的虚拟实验室：该实验室已在网络中排出调频实验、耦合 水箱过程控制实验、二维三维示波器实验、直升机控制实验机器人足球实验等【9 】【1 0 】【1 l 】； 意大利e l e t t i a 大学构造的虚拟实验室由计算机网络技术提供支持环境，它由w w w s e r v e r 、元件库、客户机三个主要部分组成。分布式结构主要由w w ws e r v e r 和l a b v i e w 软件功能实现。 国内西安交通大学利用虚拟仪器也构造了自己用于彩管测试和图像监控的虚拟测 控系统。 基于网络，充分的利用虚拟仪器统一、便捷、功能强大的软件平台来丌发各种应 用，是目前虚拟仪器应用研究中的热点，上述介绍的国内外应用实例，都是将分布式 网络结构和虚拟仪器有机结合成一体的良好范例。虚拟仪器本身所提供的各种解决方 案在测控系统构成结构和构成方式方面也提供了很多方便之处。 自虚拟仪器概念提出以来，以软件代替硬件、以图形代替代码、以组态代替编程、 以虚拟仪器代替传统仪器组建自动测试系统发展非常迅速。目前国内在基于虚拟仪器 测控系统研究方面，使用g p i b 总线台式仪器的居多，采用单台仪器设备与计算机连 4 中国石抽人学( 华东) 碗l 学位论i 接的居多，连接各种总线仪器的居多，在局域网上组建测试系统的届多。构成专用测 试系统的居多。然而，很少采用多总线多种仪器在i n t e m e t 上进行通用远程网络测控 系统平台的研究。 1 4 当今流行的网络测控系统的结构 现在流行的网络测控系统的网络结构主要有两种：c s 和b s 结构。c s 测控系统 结构如图1 1 所示： 蔷国 i 一：r 。r 一i ! 客户端；因特蝌：数据库腓务器 ，拶一 - - 够一 ，匣， 圈l 一1c s 结构的髓络测控系统 f i g l 一1c 8s t r u c t u r en e t w o r “n g - b a s e d m e a s l l l e m e n | a n dc o n t r o ls y s t e m c s 模式是网络通信中常见的一种模式1 2 l 。从图中可以看出，c s 模式一般出仪器、 客户端和服务器组成，仪器通过某种仪器总线接八客户端。它一般有多个客户端来采 集数据，而通常由一个服务器充当数据库的角色，客户通过通信协议( 通常为t c p i p 协议) 把数据写入数据库服务器。其工作流程如下：首先服务器初始化，启动数据采 集进程和服务器进程，然后进入等待连接的循环：此时客户机就可以与服务器建立连 接；连接建立后，客户机与服务器之间就可以进行数据的交互和传送，直到客户端关 闭连接，服务器才关闭与客户端的连接。一个服务嚣可以同时为多个客户提供服务， 如多个工程师同时对不同的测控节点进行监控；同理，一个客户端可以对多个测试节 点进行监测、分析，如一个工程师对不同的测控节点进行监测。这种模型的设计人员 要做好两个方面的开发一个是客户端采集程序和客户端监控界面程序的设计，另一 个是数据库远程发布程序的设计1 4 3 。 网络测控的另一种结构b s 结构如图l - 2 所示： 第l 常绪论 仪器仪器总线 卜厘一l 卜叵1 ( 耍口一 卜一一i i 呕囹_ w w w 服务器 嘲特时： 客户端 - 拶 匣 圈1 - 2b s 结构的阿络铡控系统 f i g l - 2 b ss t e t u r en e t w o r k i n g - b a s e dm e a s l 仲m e n ta n dc a n t r o ls y s t e m b s 模式有利于用户在w e b 下发布数据。从图中可以看出，b s 组网模式一般由 w w w 服务器、数据库服务器以及与w w w 服务器相连的测控仪器组成。通常，用户 端只需要安装一个浏览器( 如i e 或f i r e f o x 等) ，直接访问该测控网站的地址，就可以 监视远程测控点的数据变化情况。其工作流程为：首先数据库服务器和w w w 服务器 初始化，进人等待网络连接的循环；此时浏览器就可以对w w w 服务器进行访问了， 浏览器同服务器建立连接后，向服务器请球页面和控件，传送完毕之后关闭与客户端 的连接；浏览器收到页面和控件后。由洲览器解释执行。当洲览器还需要页面或控件 的时候，需重新与服务器建立连接。相应地，多个浏览器可以在同一时间对w w w 服 务器进行浏览；多个用户也可以选择需要浏览的测试节点并进行监控和分析。b s 模 式的主要工作是服务器端程序的开发，不存在客户端程序的开发与维护。在b s 模式 下，一般采用1 4 i t p 协议。 c s 模式下，程序加载比较快，响应速度快，安全性强，适合于传送大量数据的 场合，但程序更新时需要对每个客户端进行更新，费时费力。b s 模式程序编制工作 量较小，客户机上不需另外安装特别软件，只要有浏览器就可以上网查看远端测试点 的运行状况，平台无关，但当系统需要传输大量数据时响应较慢，交互性不强，且安 全性较差。 1 5 视频监控的研究意义和现状 从上个世纪9 0 年代以来，随着科学技术的迅速发展，人们的生产行为、生活方式 都发生了重大的变化，作为生活生产中非常重要的一项技术即视频监控技术的重要性 6 螂篡螂 吲 中国杠油人学( 华东) 硕l j 学位论文 正在逐渐被人们所认识和重视。视频监控系统的演变，是一个基于单片机系统从集中 监控向基于嵌入式专用位处理器网络监控的发展历史。早期的监控系统，采用大型仪 表集中对各个重要设备的状态进行监视，并通过操作盘来进行集中式操作。而计算机 监控系统是以监测控制计算机为主体，加上检测装置、执行机构与被监测控制的对象 ( 生产过程) 共同构成的整体。在该系统中，计算机实现了生产过程的检测、监督和控 制功能。在现代企业的生产和管理中，大量的物理量、环境参数、工艺数据、特性参 数需要进行实时检测、监督管理和自动控制，而嵌入式监控技术与多媒体网络技术的 结合，使得这些现场参数、数据可以通过由直观的视频图像数据来获取。 随着生产力的进步，设备的分布越来越离散。单一的，各自独立的监测系统已不 能适应工业化的需求，于是便产生了分布式系统。这种系统以计算机网络为基础，嵌 入式硬件设备为平台，使系统资源分配趋于合理。但是由于目前运行的绝大多数分布 式监测系统还只是在局域网上，通常的测控仅局限于同一地点，所以具有一定的地域 局限性。i n t e m e t 能实现资源的共享，从而使人们有能力解决以前在极有限的资源下很 难解决的问题，为远程监控系统的发展提供了有利的条件。远程监控是本地计算机通 过网络系统如i n t e m e t ，对远端进行监视和控制，完成对分散控制网络的状态监控及设 备的诊断维护等功能。我们通常把能够实现远程监控的通信媒体、嵌入式软件、硬件 系统称为远程监控系统。 基于嵌入技术的监控系统不需处理模拟视频信号的p c ，而是把摄像机输出的模拟 视频信号通过嵌入式视频编码器直接转换成i p 数字信号。嵌入式视频编码器具备视频 编码处理、网络通信、自动控制等强大功能，直接支持网络视频传输和网络管理，使 得监控范围达到前所未有的广度。除了编码器外，还有嵌入式解码器、控制器、录像 服务器等独立的硬件模块，它们可单独安装，不同厂家设备可实现互连。数字化视频 监控的优点是克服了模拟闭路电视监控的局限性：首先，数字化视频可以在计算机网 络( 局域网或广域网) 上传输图像数据，基本上不受距离限制，信号不易受干扰，可大 幅度提高图像品质和稳定性；其次，数字视频可利用计算机网络联网，网络带宽可复 用，无须重复布线；另外，数字化存储成为可能，经过压缩的视频数据可存储在磁盘 阵列中或保存在光盘中，查询十分简便快捷。 基于嵌入式设备的监控系统的优点是：由于这种系统的硬件是一个同处理器和操 作系统捆绑较为紧密、功能专一、专门设计的独立的设备，不像插卡系统那样受通用 计算机系统中其它软件硬件的影响，因此性能上更稳定，且便于安装、维护，易于实 7 第l 章绪论 现系统的模块化设计，便于管理、维护。 基于b r o w s e r s e r v e r 和c l i e n t s e r v e r 的远程监控系统是以网络作为通信平台的监 控系统，以t c p i p 技术为基础，结合网络多媒体技术，具有简单、高效等优点，己经 成为信息网络的一种最普遍应用的信息交互平台。利用网络通信技术、s o c k e t 技术、 j p e g 和m p e g 视频数据编解码技术及面向对象等软件技术实现了整个系统的系统管 理、用户管理、视频监控、图像显示及报警等模块，其优点是充分利用了现有的局域 网资源和广域网资源，以最高的性能价格比，以信息的实时获取和实时控制为中心， 实现信息、资源及任务的综合共享和全局一体化的管理。例如：监控系统将设备运行 情况以视频图像的形式提供给服务器，并由服务器发送到各个节点客户机，工作人员 在客户机端( 一般为远端) 便可了解整个系统的工作状态及运行情况。简单地讲，对 企业来说就是充分利用现代技术解决实时视频数据的采集、传输和处理以及进行实时 控制的问题。正是它的这些优点使得它得以飞速发展。 1 6 本课题的主要研究任务 本研究课题的主要任务是为一个基于c s 结构的通用的跨平台的网络化测控平台添 加有关的远程嵌入式视频、语音监控设备；实现实时采集、压缩和传递视频信息，实现 实时采集、传输和远程播放语音信息，由此实现网络化的视频监控和语音监控功能。本 论文工作将为下一步通过i n t e r n e t 实现视频和语音监控功能提供技术支持。根据要 求，本课题主要内容包括： 1 在c s 结构的通用测控平台基础上，添加可程控的嵌入式视频设备。 2 设计实现对视频设备的多用户访问和多任务处理。 3 设计实现对视频设备的远程控制，采集数据的存储。 4 在c s 结构的通用测控平台基础上，添加可程控的嵌入式语音监控设备。 5 设计实现嵌入式设备语音数据的采集和传输。 6 设计实现对语音设备的多用户访问。 7 设计实现对语音设备的远程控制，采集数据的存储。 8 中国油人学( 华东) 硕l 学位论义 第2 章自动测控平台体系结构 2 1 通用的c s 和b s 网络体系结构简介 传统的c s 系统是两层结构，这样不得不把系统业务逻辑放在客户端或服务器端， ，使得客户端或服务器过度“臃肿”。把业务逻辑放在服务器端，当客户增多时，系统负 载过大，运行缓慢，甚至崩溃；而放在客户端，当客户较多时，系统安装及升级都不 方便。图1 1 c s 结构的测控系统可以表示为如图2 1 的两层c s 网络结构，如下所示： 厂 广 c s 客户端h 数据库 【一1一 图2 - 1 两层c s 网络结构 f i 9 2 1t w o - l a y e rc sn e t w o r ks t r u c t u r e 为了解决客户端或服务器的过度“臃肿”的问题，三层c s 模式应运而生，如图 2 2 所示。在客户端与服务器之间加入应用程序服务器( 业务逻辑层) ，+ 并将系统业务逻 辑放在该层，彻底地与客户端和数据库分离。业务逻辑的删减不会影响客户端和数据 库服务器。 数据管理层 图形稗户端业务逻辑层请求应答层 w e b 客户端 图2 - 2 三层c s 和四层b s 网络结构 f i 9 2 - 2t h r e e l a y e rc s & f o u r - l a y e rb sn e t w o r ks t r u c t u r e 三层c s 的客户端为图形用户界面，程序员必须开发客户端程序。为了使客户端 更瘦，提出了四层b s 结构。b s 是c s 的扩展，只是在客户端使用浏览器，例如i e 、 n e t s c a p e 等，中间加入w e b 服务器，专门处理w e b 用户与中间层的交互。c s 模式多 用于局域网，交互性强、安全性好，但开发成本高、升级也不容易；而b s 可用于广 域网，客户端与平台无关、升级维护方便，但安全性较差，须采取专门措施保证通信 的安全，而且交互性差，多用于信息发布。 9 始2 章自动测抖! 中仟体系结构 2 2 改进的四层网络化测控系统 在实验室内，一台p c 机结合具体硬件和测控软件就能够完成数据的采集及发布 和硬件控制的功能，在本论文中将这样的系统中的p c 机称为数据测控服务器。针对 钡啦系统的实际应用需要，在将一般意义上的多层c s 和b s 结构应用于网络化测控 系统中对特别添加了一类模块铡控驱动。测控驱动主要是提供开放的硬件连接接 口使系统能够具有动卷增减仪器硬件的能力。如图2 - 3 所示： 圈2 - 3 改进的四层网络化涮控系统结构 f i 9 2 3i m p r o v e d f o u r - l a y e rn e t v o r k i u g - b a s e d m e a s u r e m e n t a n dc o n t r o ls y s t e m 其硬件连接图如图2 _ 4 所示： 饭瓢f 锻嚣a “w 墓瑟 卜( 母1 上( 夏叵 一 i ( 丑- j l 西一 十圃一 蝴一尊 嚣嚣 c s g ) 4 诤1 = ： 田特h ：b s 客p 端 1 v 贸- j + 匿一 图2 4 四层罔络化测控系统硬件毪接圈 f i 9 2 - 4 h a r d w a r ec o n n e c t i o no f f o u r - l a y e r n e t w o r k i n g - b a s e d i l l e a s i l l e n l e l l ( a n dc o n t r o ls y s t e m 1 0 国 中固石油人学( 华东) 硕f j 学位论文 图中各模块的功能如下所示： 1 数据库服务器用来维护和存储以下信息： 用户资料。 仪器相关信息。如每台仪器所具有的测控功能等，用以帮助完成数据测控任务的 定制。 系统配置参数，测控任务参数。如采样方式、采样频率等参数。仪器在运行任务 时从该层下载参数进行配置，完成测控任务。 测量的数据。数据测控服务器即时将采集的数据传至服务器进行保存。 2 应用程序服务器的功能如下： 用户及其权限管理。 处理客户端请求，协调客户与数据库之间的关系。如协助客户端完成测控工程的 定制。 仪器的协调管理和巡回检测，故障报送。 测控任务的自动化管理和执行，针对仪器状态和测控工程的不同阶段对测控工程 进行维护。 测量数据的实时发布。 向所有监视项目的用户发布实时的控制参数。 3 测控驱动主要是衔接仪器与应用程序服务器。 4 图形用户端的功能如下： 提供与用户交互的界面，完成用户管理，制定测控项目，配置系统各种参数。 监控测控项目。控制仪器数据采集，实时观测回传的测量数据，实时显示控制参 数。 完成数据分析工作，生成报表或完成记录打印等。 错误报警。 5 w e b 服务器负责向因特网发布b s 客户端网页。 6 w e b 客户端的功能如下： 提供与用户交互的界面，完成用户管理，配置系统各种参数。 监控测控项目。显示测量数据和控制参数。 完成数据分析工作，生成报表。 错误报警。 1 1 第2 帝自功蔫控f 行体系结构 c s 只应用于局域网中，由于应用范围相对较小所以便于系统升级。由于使用的 m e a s u r e m e n ts t u d i o 和n e t 包含了大量的数据采集、数据分析、数据传输保存、数据 显示等基础类库，从而大大简化了系统的开发。b s 结构针对当前实际的互联网传输 速度有限，实现实时的交互操作十分困难的情况，只是有限制的发布一些测试数据， 这样撇同时还降低了b s 的安全风险。 本系统将c s 与b s 的优点结台起来，既有c s 高度的交互性和安全性叉有b s 的客户端平台无关性等，同时还部分的克服了两种结构的缺点。系统设计时广泛的使 用了面向对象等技术，提高了软件的重用性和模块化程度，从而大大减少了系统实现 的劳动量。 2 3 基于测控系统的嵌入式设备 局域客户端 局 域 网 访问网站 提供服务 访问数据库 返回相应数据 应用程序鼍务嚣 访问设备 响应请求。j i a l 州 j s b 接口 强2 3 2 奄4 8 5 圈2 - 5 嵌入式设备接入翱控系统示意图 f i 9 2 5 e m b e d d e dd e v i c e2 c e e s s i a g m o n i t o rr a dc o n t r o ls y s t e md i a g r a m 随着后p c 时代的到来，嵌入式系统技术已经成为了一个万众瞩目的焦点。目前 己广泛应用于信息家电、数据网络、工业控制、医疗卫生、航空航天等众多领域。巨 大的市场潜力无穷的商机吸引了各路英豪纷至沓柬。 硬件方面，各大电子厂商相继推出了自己的专用嵌入式芯片，漫天而至的是m p 3 ， p d a ，无线上网装置，让人们充分感受到了这般强劲之势：软件方面，在v x w o d c s 、 p s o s 、n e c u l c u s 和w i n d o w s c e 等嵌入式操作系统引领下，也出现了空前繁荣的局面。 但这些专用操作系统都是商业化产品，其高昂的价格使许多面向低端产品的小公司望 中固石油人学( 华东) 硕i ? 学位论义 而却步，并且其源代码的封闭性也大大限制了开发者的积极性。 近两年在我国登陆并蓬勃发展的l i n u x ，也已广泛应用于各类计算应用，不仅包 括i b m 的微型l i n u x 腕表、手持设备( p d a 和蜂窝电话) 、因特网装置、客户机、防火 墙、工业机器人和电话基础设施设备，甚至还包括了基于集群的超级计算机。l i n u x 在高端服务器的优越表现及其天生具有的突出特点，就注定它必将在低端嵌入式系统 中再次给人们以惊喜，而基于嵌入式l i n u x 操作系统的应用，必定给我们未来的工作 和生活带来翻天覆地的变化。 2 3 1a l t m 公司和a r m 处理器 a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写，它是一家微处理器行业的知名企业， 该企业设计了大量高性能、廉价、耗能低的r i s c ( 精简指令集) 处理器。该公司的特 点是只设计芯片，而不生产。它将技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和o e m 厂商，并提供服务。a r m 公司将其技术转让给其它公司，如飞利浦、英特尔、三星等 生产出来的处理器就是a r m 处理器。 a r m 处理器为r i s c 芯片，其简单的结构使a r m 内核非常小，这使得器件的功 耗也非常低。它具有经典r i s c 的特点：大的、统一的寄存器文件：装载保存结构， 数据处理操作只针对寄存器的内容，而不直接对存储器进行操作；简单的寻址模式； 统一和固定长度的指令域简化了指令的译码。 由于a r m 公司一直以i p ( i n t e l l i g e n c ep r o p e r t y ) 提供者的身份向各大半导体制造商 出售知识产权，而自己从不介入芯片的生产销售，加上其设计的芯核具有功耗低、成 本低等显著优点，因此获得众多的半导体厂家和整机厂的大力支持，在3 2 位嵌入式应 用领域获得了巨大的成功，目前己经占有7 5 以上的3 2 位r i s c 嵌入式产品市场。在 低功耗、低成本的嵌入式应用领域确立了市场领导地位。现在设计生产a r m 芯片的 国际大公司已经超过5 0 多家，国内中兴通讯和华为通讯等公司也已经购买a r m 公司 的芯核用于通讯专用芯片的设计。r 前全球超过8 5 的无线通信设备采用了a r m 技 术。此外，a r m 芯片还获得了许多操作系统供应商的支持，比较知名的有：w i n d o w sc e 、 l i n u x 、d s o s 、v x w o r k s 、n u c l e u s 、e p o c 、b e o s 等【刀。 本论文中使用到的中央处理器为韩国三星电子公司的$ 3 c 2 4 1 0 x 。这款处理器基 于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 1 3 2 为r i s c 嵌入式微处理器，主要面向手持设备，远程监控 终端以及高性价比，低功耗的应用。a r m 9 2 0 t 内核主要由a r m 9 t d m i ，内存管理单 元( m m u ) 和i 高速缓存三部分组成。其中，m m u 可以管理虚拟内存，高速缓存有独立 13 第2 章自动测摔、r 台体系结构 的1 6 k b 地址和1 6 k b 数据高速c a c h e 组成。a r m 9 2 0 t 有两个内部协处理器：c