（电力系统及其自动化专业论文）嵌入式技术在电力系统遥视中的应用.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f p o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ，i ti si n e v i t a b l et o m a k et h ei n t e g r a t e dr e a l i z a t i o no fu n a t t e n d e ds u b s t a t i o n ，e s p e c i a l l yf o rt h e s u b s t a t i o nw h e r el i v i n gc o n d i t i o n sa r ev e r yp o o r r e m o t ev i d e om o n i t o r i n go f p o w e rs y s t e mi s a l s on a m e da sr e m o t ew a t c h i n go f p o w e rs y s t e m i ti s av e r y i m p o r t a n tp a r to fu n a t t e n d e ds u b s t a t i o na n da ne s s e n t i a ls u p p l e m e n tf o rt h e r e m o t ec o n t r o l ，a a j u s t m e n t ，m e a s u r e m e n ta n ds i g n a l i tg a i n sm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n h o w e v e r , t h es t a b i l i t yo fr e m o t ew a t c h i n go fp o w e rs y s t e ma tp r e s e n t b a s e do nr e m o t ev i d e o m o n i t o r i n gc o m p u t e r i sn o t e n o u g h t om e e tt h e r e q u i r e m e n t so fu n a t t e n d e ds u b s t a t i o n 。b a s e d 0 1 1e m b e d d e dt e c h n o l o g y , t h e r e m o t ew a t c h i n gd e v i c e sm a yg e tab e t t e rs t a b i l i t ya n das m a l l e rs i z ea n dm a y b ee a s i l ye m b e d d e di n t oc o m p l e xs y s t e m s f o rt h er e a s o n sa b o v e ，an o v e l s c h e m eb a s e do ne m b e d d e d t e c h n o l o g yi nr e m o t ew a t c h i n go fp o w e rs y s t e m i s p r o p o s e d ，a n d t w ok i n d so fr e m o t e w a t c h i n g d e v i c e sa r e d e s i g n e d a n e m b e d d e dv i d e oc o m p r e s s i o nd e v i c ei ss e l e c t e da sr e m o t ew a t c h i n go f p o w e r s y s t e mv i ae c o n o m i c a la n dt e c h n i c a lc o m p a r i s o n f i r s t l y , t h ep a p e ra n a l y s e st h ep r e s e n to u t l i n ea n dt r e n di nf u t u r eo f v i d e o m o n i t o r i n g a n dd i s c u s s e s e x i s t i n gp r o b l e m so fr e m o t ew a t c h i n go fp o w e r s y s t e m s e c o n d l y ，i td e e p l ys t u d i e se m b e d d e dt e c h n o l o g y , r e a l - t i m eo p e r a t i o n s y s t e m s ，v i d e oc o m p r e s s i o na n dm p e g xs t a n d a r d s f i n a l l y , t w ok i n d s o f r e a l - t i m ev i d e om o n i t o r i n gs c h e m ea r ep r o p o s e d ，m p e g - 4c o d e cp r o g r a mi s p r o g r a m m e d ，a n dt h ee f f e c to f m p e g 一4c o d e cp r o g r a mi sv a l i d a t e d t h e p r o p o s e d s c h e m eh a ss o m e i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t ot h e d e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n 。 k e yw o r d ： e m b e d d e dt e c h n o l o g y ；r e m o t ew a t c h i n go fp o w e rs y s t e m s r e a l - - t i m eo p e r a t i o ns y s t e m ；v i d e oc o m p r e s s i o n ；m p e g - 4c o d e c 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 视频监控系统是安全防范系统的组成部分，它是一种防范能力较强的 综合系统。视频监控以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于许多场 合。近年来，随着计算机、网络以及图像处理、传输技术的飞速发展，视 频监控技术也有长足的进步。遥视是视频监控中的一种，即远程视频监控。 遥视系统被广泛地应用于各行各业，如电信部门的无人值守通信机房的环 境监测和远程操作；电力部门的变电站、机房、电厂设备管理及防入侵监 控：银行系统的营业网点安保设备的管理与监控；博物馆展览馆重要地点 及要害部门的安保系统等等。 1 1 视频监控系统的现状 在国内外市场上，主要推出数字控制的模拟视频监控和数字视频监控 两类产品。前者技术发展已经非常成熟、性能稳定，在工程实践中得到广 泛应用，特别是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛；后者是新近 崛起的以计算机技术及图像视频压缩为核心的新型视频监控系统，该系统 解决了模拟系统部分弊端，但仍需进一步完善和发展。 1 1 1 数字信号控制的模拟视频监控系统 数字信号控制的模拟视频监控系统分为两类? 一类是基于微处理器的 视频切换控制加p c 机的多媒体管理；另一类是基于p c 机实现对矩阵主 机的切换控制及对系统的多媒体管理。 随着微处理器、微机的功能、性能的增强和提高。多媒体技术的应用， 系统在功能、性能、可靠性、结构方式等方面都发生了很大的变化，视频 监控系统的构成更加方便灵活、与其它系统的接口趋于规范，人机交互界 面更为友好。 基于p c 机的视频监控系统通过程序编程自动完成视频切换、云台控 制、报警联动、报警录像等各项控制功能。这种系统能充分利用p c 机的 资源，使视频监控系统随电脑技术的发展而不断进步，同时其开放性的结 构特性更可使之与其它多种系统如与消防报警系统、出入口管理系统、楼 宇自控系统等实现互动集成。 但由于视频监控系统中信息流的形态没有变，仍为模拟的视频信号， 系统的网络结构主要是一种单功能、单向、集总方式的信息采集网络，介 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 质专用，因此这种系统尽管已发展到很高的水平，已无太多潜力可挖，其 局限性依然存在，要满足更高的要求，数字化的是必由之路。 模拟监控系统的主要缺点有【l 】： 1 通常适合于小范围的区域监控 模拟视频信号的传输工具主要是同轴电缆，而同轴电缆传输模拟视频 信号的距离不大于1 k m ，双绞线的距离更短，这就决定了模拟监控只适合 于单个大楼、小的居民区以及其它小范围的场所； 2 系统的扩展能力差 对于已经建好的系统，如要增加新的监控点，往往是牵一发而动全身， 新的设备也很难添加到原有的系统之中； 3 无法形成有效的报警联动 在模拟监控系统中，由于各部分独立运作，相互之间的控制协议很难 互通，联动只能在有限的范围内进行。 1 1 2 数字视频监控系统 9 0 年代末，随着多媒体技术、视频压缩编码技术、网络通讯技术的发 展，数字视频监控系统迅速崛起。现今市场上有两种数字视频监控系统类 型，一类是基于p c 机组合的计算机多媒体工作方式；另一类是嵌入式数 字监控录像系统。 1 计算机多媒体方式的数字监控录像系统 数字视频压缩编码技术日益成熟，计算机的普及化，为基于p c 机的 多媒体监控创造了条件。这种新型视频监控系统的迅速崛起，部分地取代 了以视频矩阵图像分割器、录像机为核心，辅咀其它传送器的模拟视频监 控模式，其优越性主要表现在： ( 1 ) p c 机的多媒体监控主机综合了视频矩阵、图像分割器、录像机等 众多功能，使系统结构大为简化。 ( 2 ) 由于采用计算机网络技术，数字多媒体远程网络监控不受距离限 制； ( 3 ) 由于采用大容量磁盘阵列存盘器或光盘存储器，可以节省大量的 磁带介质，同时有利于系统实现多媒体信息查询。 但随着基于p c 机的视频监控录像系统的发展，在实际工程使用过程 中，也暴露出些不足，主要是系统工作的不稳定性。基于p c 的视频监 控录像系统的组成结构为： 兼容i x _ 控p c 机+ 视频采集卡+ 普通较可靠的操作平台+ 应用软件 从系统的组成结构来分析： 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 1 ) p c 机 兼容p c 机用于2 4 小时不问断工作时，其性能是不很稳定的，工控 p c 机相对兼容p c 机的稳定性有一个档次上的提高，适用于较复杂的工作 环境； ( 2 ) 操作系统 以w i n d o w s9 8 为操作平台的系统，业内人士都知道，w i n 9 8 的稳定 性是有一定问题的，如果同时应用软件又不是很规范，这样就容易在使用 过程中出现工作不稳定、死机等问题，而基于p c 机的视频监控录像系统 其软件的实现是在w i n d o w s9 5 9 8 n t 、u n i x 、l i n u x 等通用操作系统上， 同时系统文件、应用软件和图像文件都存储在硬盘上，视频处理必须高密 度输入大量数据，同时硬盘要进行多工工作，普通的硬盘逻辑( 如w i n d o w s 的f a t 3 2 ) 已无法适应，以致极易产生系统的不稳定性，造成死机现象； ( 3 ) 应用软件 采用简易应用软件的系统是不能够应用于安防领域的，视频监控系统 的应用软件能力上应支持多任务并发处理，如监视、录像、回放、备份、 报警、控制、远程连接等的多工处理能力： ( 4 ) 视频采集卡 视频监控录像系统通常均为多路输入系统，视频采集卡可采用多卡方 式，也可采用单卡方式。一般说，单卡方式集成度高，稳定性会优于多卡 方式，很多采用一路一卡的方式很容易形成硬件冲突，其稳定性会有较大 的影响。 目前市场上也有部分为追求高帧数而设计采用多卡进行迭加的多路 单卡设备，但其仍在计算机的总线上进行传输、处理，不可能会有质的飞 跃。 2 嵌入式视频监控系统 嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、 可靠性、成本、体积等综合性严格要求的专用计算机系统，亦即为监控系 统量体裁衣的专用计算机系统。 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及 应用软件系统等组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”。 嵌入式操作系统是一种实时的，支持嵌入式系统应用的操作系统软 件，它是嵌入式系统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱 动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器 等，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依靠性、软件固态化 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。 在基于嵌入式系统的监控应用结构中，前端采用模拟摄像机，通过网 络视频编码器，将模拟视频经过数字化、压缩、打包等过程变成基于网络 协议的视频流或采用体化的网络摄像机，在视频监控的前端完成网络 化、数字化，视频流通过网络进行传输，发送到视频需求者。视频的使用 者可利用软件进行解码，在p c 机上进行显示和处理，也可通过硬件解码， 解出模拟视频信号输出到监视器，利用键盘进行控制，利用分布在网络上 的服务器或其他类型的网络存储设备根据需要进行录像，利用网管系统代 替视频矩阵。由于没有监控中心的概念，任何授权的用户都可根据权限进 行视频监控、录像。 嵌入式系统的优缺点： ( 1 ) 系统为专用系统，所以系统小，指令精简，处理速度快 ( 2 ) 系统数据置于r o m f l a s hm e m o r y ，调用速度快，不会被改变， 稳定性好 ( 3 ) 系统处理实时性好，性能稳定 ( 4 ) 文件管理系统更适合于大量的视频数据 ( 5 ) 该类系统目前四路以上机型还较为少见 ( 6 ) 在网络功能、音视频同步等方面也难令人满意。 1 2 视频监控系统的发展 l ，2 1 视频监控系统的发展历程 视频监控系统经历了本地模拟信号监控系统，基于p c 插卡的数字监 控系统，基于嵌入式技术的网络数字监控系统等发展过程3 】【4 。 1 本地模拟信号监控系统 本地图像监控系统主要由摄像机、视频矩阵、监视器、录像机等组成， 利用模拟视频线将粜自摄像机的视频连接到监视器上，利用视频矩阵主 机，采用键盘进行切换和控制，录像采用使用磁带的长时间录像机；远距 离图象传输采用模拟光纤，利用光端机进行视频的传输。 传统的模拟电视监控系统有很多局限性：首先，有线模拟视频信号的 传输对距离十分敏感：其次，有线模拟视频监控无法联网，只能以点对点 的方式监视现场，并且使得布线工程量极大；另外，有线模拟视频信号数 据的存储会耗费大量的存储介质( 如录像带) ，查询取证时十分烦琐。 2 基于p c 插卡的数字监控系统 基于p c 机的远程图像监控系统由p c 机插视频卡构成，在监控现场， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 有若干个摄像机，各种检测、报警探头与数据设备，通过各自的传输线路， 汇接到监控终端机上，该终端可以是一台p c 机，也可以是专用的工业机 箱。 基于p c 的视频监控系统终端功能较强，便于现场操作。但稳定性不 好，视频前端( 如c c d 等视频信号的采集、压缩、通讯) 较为复杂，可靠性 不高，p c 机也需专人管理，特别是在环境或空间不适宜的监控点，这种 方式不理想。 3 基于嵌入式技术的网络数字监控系统 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。 1 2 2 视频监控系统的发展方向 前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化是视频监控系统 公认的发展方向，而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基 础，所以，视频监控发展的最大两个特点就是数字化和网络化。 1 数字化 数字化是2 1 世纪的特征，是以信息技术为核心的电子技术发展的必 然，数字化是迈向成长的通行证，随着时代的发展，我们的生存环境将变 得越来越数字化。 视频监控系统的数字化首先应该是系统中信息流( 包括视频、音频、 控制等) 从模拟状态转为数字状态，这将彻底打破“经典闭路电视系统是 以摄像机成像技术为中心”的结构，根本上改变视频监控系统的信息采集、 数据处理与传输、系统控制的方式和结构形式。信息流的数字化、编码压 缩、开放式的协议，使视频监控系统与安防系统中其它各子系统间实现无 缝连接，并在统一的操作平台上实现管理和控制，这也是系统集成化的含 义。 2 网络化 视频监控系统的网络化将意味着系统的结构将由集总式向集散式系 统过渡，集散式系统采用多层分级的结构形式，具有微内核技术的实时多 任务、多用户、分布式操作系统以实现抢先任务调度算法的快速响应，组 成集散式监控系统的硬件和软件采用标准化、模块化和系列化的设计，系 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 统设备的配置具有通用性强、开放性好、系统组态灵活、控制功能完善、 数据处理方便、人机界面友好以及系统安装、调试和维修简单化，系统运 行互为热备份，容错可靠等功能。 系统的网络化在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数 量界限。系统网络化将使整个网络系统硬件和软件资源的共享以及任务和 负载的共享成为可能，这也是系统集成的一个重要概念。 1 2 3 新一代网络视频监控系统 新一代网络视频监控系统是监控系统网络化发展的必然结果，这一方 向正处于蓬勃发展中。新一代网络视频监控系统具有以下核心技术 5 1 ： i 视频压缩技术 ( 1 ) 静止图像压缩技术：j p e g ，m j p e g ，小波变换w a v e l e t 等运用帧 内处理技术，所以静止图像较清晰。小波变换是基于结构的压缩方法，处 理较容易，可获得比j p e g 更大的压缩。但对连续运动图像，文件占用的 带宽和硬盘都很大。 ( 2 ) 运动图像压缩技术：m p e g 一1 ，m p e g 2 ，h 2 6 3 ，m p e g 4 颁布于1 9 9 3 年的m p e g 1 和1 9 9 4 年的m p e g 一2 是i s o 的运动图像专 家组( m p e g ) 的第一阶段解决方案，除了沿用帧内技术，首次采用了p b 帧的帧间技术，从而获得了比静止图像压缩技术更大的压缩。但由于是基 于结构的压缩技术，算法固定，采用专用硬件，随着软硬件技术的发展， 不能扩展更多基于内容的算法。另外其网络传输码率要求较高，否则需要 缓存，不能适应传输速率不等的各种网络的一致访问，容错性差。 基于以上原因，国际电联于1 9 9 8 年颁布h 2 6 3 甚低比特率视频编解 码标准，该标准除了沿用j p e g 静止图像压缩标准的帧内技术、m p e g l 、 m p e g 2 动态图像压缩标准的帧间技术外，还采用了以下4 种先进技术： ( 1 ) 无限制的运用运动矢量模式；( 2 ) 基于语法的算术编码模式；( 3 ) 先进的预测模式；( 4 ) p b 帧模式( 预测图，内插图) 。它是一种可扩展的 算法，针对网络传输速率处于变化的状态，解决了易错网络的容错性。 m p e g 于1 9 9 8 年制定了第二阶段解码方案m p e g 4 ，其开放的编码系 统，可随时扩展丰富的基于内容的编码算法，采用了包括小波变换等多种 变换，可获得更小的硬盘空间，更高的清晰度。特别是其对象分离的控制， 交互性、重用性更强，基于内容的分级扩展，保证了同时在低高带宽下的 最佳画面质量。 2 嵌入式实时操作系统( r t o s ) 目前很多监控系统采用w i n d o w s 操作系统，因为w i n d o w s 提供大量 西南交通大掌硕士研究生学位论文第7 页 的图形界面，有各种外部设备及应用程序，所以系统的开发就容易很多。 但w i n d o w s 系统庞大复杂，占用c p u 资源大，外围硬件较为复杂，稳定 性、可靠性不如r t o s 系统。为监控专门设计的嵌入式实时操作系统的特 点在于系统简单，去掉了与监控无关的功能，减少了出问题的几率。由于 开发者掌握源代码，可随时解决硬件冲突及优化系统。 随着计算机技术及网络技术的迅猛发展，世界掀起一股强大的数字 化、网络化浪潮，对于公安、安防行业的发展，必须经历模拟数字混合的 阶段，但是最终的趋势必然是全面数字化，即视频在前端进行数字化、网 络化，采用嵌入式网络摄像机，利用网络进行传输，采用分布式存储系统， 模蜓化结构，完成视频监控任务。 1 3 电力系统遥视 电力系统远程视频( 视频、图像) 监控系统( 即电力系统遥视) ，是 变电站安全运营的重要设备之一。变电站的遥视系统，实际上是一个以多 媒体技术为核心，涵盖了工业控制、通讯、计算机网络技术的较为复杂的 综合系统。它主要完成对变电站环境空间的安全防范监控，可以对必要生 产设备实现可视化管理甚至校验。同时具备集中性和远程性( 即一个监控 中心至少同时管理十几个甚至上百个变电站，并且不受距离的限制) 。 1 3 1 电力系统遥视的必要性 常规意义上的四遥系统是调度自动化的主要内容：它们是实现变电站 无人值守的必要条件。但仅仅依靠调度自动化的现有技术手段，实现变电 站的无人值守是不完善的，这是因为变电站是重点电力生产场所，安全要 求非常高，为了保证安全，应对环境状况、设备运行、文明生产等各类情 况加以监视。特别是要对火灾、爆炸、泄露、失窃以及恶意破坏等对安全 生产构成极大威胁的情况加以监视。只有这样，才能切实提高实行无人值 守之后的变电站的安全水平。 常规的视频监控系统或者叫工业电视系统，只能完成简单的视频监控 不具备环境监控功能，如各类报警信号( 如红外、运动、门磁、声音、震 动、微波、温度、湿度等) ，也不能进行视频录像以及联动各类行动输出 ( 如警号、锁具、消防设备等) 功能，使得它不适用于变电站的遥视监控； 此外，它的信号传输范围有限( 通常为公里范围内) ，并且需要有专人 负责操作和管理；而变电站数量多、分布广，每个变电站安装一套工业电 视系统并安排专人值守有悖于无人值守的初衷。因此，将一个地区的数个 甚至是几十个变电站，通过网络远程遥视手段统一管理起来，建立一个集 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 中式的遥视系统是解决变电站视频监控的合理方法。 1 3 2 电力系统遥视的系统构成 遥视系统分为监控中心、通道和前端三大部分，如图1 1 所示。前端 设备放在各种需要监控的变电所。前端设备主要由摄像机、智能解码器、 智能控制矩阵( 带报警输入) 、多媒体前端监控主机、可控镜头、可控云 台、各种报警探头、多画面分割器、报警音响、防护罩等组成；通道主 要由通信接口设备( 如防雷保安器、通道隔离变) ，通讯设备( 如路由器、 网桥、m o d e m 、i s d n 、d d n 适配器等) ，以及通信信道组成；监控中心主 要由多媒体中心监控主机、领导分控等组成7 】 。 兰尝i 晕1l 旱il 早ii l 通信接口单元f l r l1 ir ；= 訇 1 攀“8lf 马。 视频服务器 r 拨号服务器 ， e i 通道( 光纤、 、i i 摄像机 b 争 智 能 石高 变 台 l 一一 梓码嚣l 控 一厂i 1 变 制 l ；：副 电 电 l像n 机 l 薛 目“ h 所 矩 所 1 、副l 前端监控主机 4 i 1 l 台l 一 解码器l j 999报警探 ii14 l = = 2 0 0 0 0 h ，而无人值守变电站要求系统平均无故障时问 m t b f = 3 0 0 0 0 h 甚至m t b f = 5 0 0 0 0 h ) ，这给无人值守变电站的自动化带 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 来诸多不便；嵌入式工控机或军用工控机可靠性可以达到无人值守变电站 的要求，但价格昂贵。 而基于嵌入式技术的装置具有非常好的稳定性且体积小，这种装置可 以非常方便地嵌入到各种大系统中，对变电站自动化系统来说当然也不例 外。由于d s p 、3 2 位r i s c 处理器以及数字图像编解码技术的迅猛发展， 基于嵌入式技术的电力系统遥视的发展开始成为趋势【8 】。 本文提出了将嵌入式技术应用于电力系统遥视的基本思想及装置的 构成方案。 全文安排如下： 第一章概述了视频监控相关技术及其发展现状，论述了电力系统遥视 的必要性，系统构成以及主要功能，分析了电力系统遥视面l 临的问题以及 作者要做的工作。 第二章详细论述分析了现在流行的嵌入式操作系统，如g c o s ， p c l i n u x ，v x w o r k s 等，并对它们进行了深入的地比较和研究。 第三章论述了图像压缩与编解码技术以及现行的各种编解码标准，并 比较了它们的优缺点，详细研究了m p e g 编解码标准。 第四章探讨了基于嵌入式技术的视频压缩装置的硬件结构与设计。 第五章对嵌入式视频压缩装置的软件设计进行了比较详细的研究。实 现了测试数据源的提取，m p e g 4 编解码以及m p 4 视频文件的创建和播放 测试。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第2 章嵌入式操作系统及其研究 在当前数字信息技术和网络技术高速发展的后p c ( p o s t p c ) 时代， 嵌入式系统已经广泛地渗透到科学研究、工程设计、军事技术、各类产业 和商业文化艺术以及人们的f | 常生活等方方面面中。随着国内外各种嵌入 式产品的进一步开发和推广，嵌入式技术越来越和人们的生活紧密结合。 1 9 7 0 年左右出现了嵌入式系统的概念，此时的嵌入式系统很多都不采 用操作系统，它们只是为了实现某个控制功能，使用个简单的循环控制 对外界的控制请求进行处理。当应用系统越来越复杂、利用的范围越来越 广泛的时候，每添加一项新的功能，都可能需要从头开始设计。没有操作 系统已成为一个最大的缺点了。 c 语言的出现使操作系统开发变得简单。从上世纪8 0 年代开始，出 现了各种各样的商用嵌入式操作系统百家争鸣的局面，比较著名的有 u c o s ，v x w o r k s 、p s o s 和w i n d o w sc e 等等，这些操作系统大部分是为 专有系统而开发的。源代码开放的免费嵌入式l i n u x g c l i n u x ，由于其强 大的网络功能和低成本，近来得到了越来越多的应用。 2 1 嵌入式系统的技术特点 嵌入式系统通常包括构成软件的基本运行环境的硬件和操作系统两 部分。嵌入式系统的运行环境和应用场合决定了嵌入式系统具有区别于其 它操作系统的一些特点u 2 1 1 1 3 1 。 1 嵌入式处理器 嵌入式处理器可以分为三类：嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌 入式d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 。嵌入式微处理器就是和通用计算机 的微处理器对应的c p u 。在应用中，一般是将微处理器装配在专门设计的 电路板上，在母板上只保留和嵌入式相关的功能即可，这样可以满足嵌入 式系统体积小和功耗低的要求。目前的嵌入式处理器主要包括：p o w e r p c 、 m o t o r o l a6 8 0 0 0 、a r m 系列等等。 嵌入式微控制器又称为单片机，它将c p u 、存储器( 少量的r a m 、 r o m 或两者都有) 和其它外设封装在同一片集成电路里。常见的有8 0 5 1 。 嵌入式d s p 专门用来对离散时间信号进行极快的处理计算，提高编译 效率和执行速度。在数字滤波、f f t 、谱分析、图像处理的分析等领域， d s p 正在大量进入嵌入式市场。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 微内核结构 大多数操作系统至少被划分为内核层和应用层两个层次。内核只提供 基本的功能，如建立和管理进程、提供文件系统、管理设备等，这些功能 以系统调用方式提供给用户。一些桌面操作系统，如w i n d o w s 、l i n u x 等， 将许多功能引入内核，操作系统的内核变得越来越大。内核变大使得占用 的资源增多，剪裁起来很麻烦。 大多数嵌入式操作系统采用了微内核结构，内核只提供基本的功能， 比如：任务的调度、任务之间的通信与同步、内存管理、时钟管理等。其 它的应用组件，比如网络功能、文件系统、g u i 系统等均工作在用户态， 以系统进程或函数调用的方式工作。因而系统都是可裁减的，用户可以根 据自己的需要选用相应的组件。 3 任务调度 在嵌入式系统中，任务即线程。大多数的嵌入式操作系统支持多任务。 多任务运行的实现实际是靠c p u 在多个任务之间切换、调度。每个任务 都有其优先级，不同的任务优先级可能相同也可能不同。任务的调度有三 种方式：可抢占式调度、不可抢占式调度和时间片轮转调度。不可抢占式 调度是指，一个任务旦获得c p u 就独占c p u 运行，除非由于某种原因， 它决定放弃c p u 的使用权：可抢占式调度是基于任务优先级的，当前正 在运行的任务可以随时让位给优先级更高的处于就绪态的其它任务；当两 个或两个以上任务有同样的优先级，不同任务轮转地使用c p u ，直到系统 分配的c p u 时间片用完，这就是时间片轮转调度。 目前，大多数嵌入式操作系统对不同优先级的任务采用基于优先级的 抢占式调度法，对相同优先级的任务则采用时间片轮转调度法。 4 硬实时和软实时 有些嵌入式系统对时间的要求较高，称之为实时系统。有两种类型的 实时系统：硬实时系统和软实时系统。软实时系统并不要求限定某一任务 必须在一定的时间内完成，只要求各任务运行得越快越好；硬实时系统对 系统响应时间有严格要求，一旦系统响应时间不能满足，就可能会引起系 统崩溃或致命的错误，一般在工业控制中应用较多。 5 内存管理 针对有内存管理单元( m m u ) 的处理器设计的一些桌面操作系统，如 w i n d o w s 、l i n u x ，使用了虚拟存储器的概念。虚拟内存地址被送到m m u 。 在这里，虚拟地址被映射为物理地址，实际存储器被分割为相同大小的页 面，采用分页的方式载入进程。一个程序在运行之前，没有必要全部装入 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 内存，而是仅将那些当前要运行的部分页面装入内存运行。 大多数嵌入式系统针对没有m m u 的处理器设计，不能使用处理器的 虚拟内存管理技术，采用的是实存储器管理策略。因而对于内存的访问是直 接的，它对地址的访问不需要经过m m u ，而是直接送到地址线上输出， 所有程序中访问的地址都是实际的物理地址：而且，大多数嵌入式操作系 统对内存空间没有保护，各个进程实际上共享一个运行空间。一个进程在 执行前，系统必须为它分配足够的连续地址空间，然后全部载入主存储器 的连续空间。 由此可见，嵌入式系统的开发人员不得不参与系统的内存管理。从编 译内核开始，开发人员必须告诉系统这块开发板到底拥有多少内存；在开 发应用程序时，必须考虑内存的分配情况并关注应用程序需要运行空间的 大小。另外，由于采用实存储器管理策略，用户程序同内核以及其它用户 程序在一个地址空间，程序开发时要保证不侵犯其它程序的地址空间，以 使得程序不至于破坏系统的正常工作，或导致其它程序的运行异常；因而， 嵌入式系统的开发人员对软件中的一些内存操作耍格外小心。 6 内核加载方式 嵌入式操作系统内核可以在f l a s h 上直接运行，也可以加载到内存中 运行。f l a s h 的运行方式，是把内核的可执行映像烧写到f l a s h 上，系统启 动时从f l a s h 的某个地址开始执行。这种方法实际上是很多嵌入式系统所 采用的方法。内核加载方式是把内核的压缩文件存放在f l a s h 上，系统启 动时读取压缩文件在内存里解压，然后开始执行。这种方式相对复杂一些， 但是运行速度可能更快，因为r a m 的存取速率要比f l a s h 高。 由于嵌入式系统的内存管理机制，嵌入式操作系统对用户程序采用静 态链接的形式。在嵌入式系统中，应用程序和操作系统内核代码编译、链 接生成一个二进制影像文件来运行。 2 2 嵌入式开发过程 相对于在w i n d o w s 环境下的开发应用程序，嵌入式系统开发有着很多 的不同。不同的硬件平台和操作系统带来了许多附加的开发复杂性。 在嵌入式开发过程中有宿主机和目标机的角色之分：宿主机是执行编 译、链接、定址过程的计算机；目标机指运行嵌入式软件的硬件平台。首 先须把应用程序转换成可以在目标机上运行的二进制代码。这一过程包含 三个步骤：编译、链接、定址。编译过程由交叉编译器实现。所谓交叉编 译器就是运行在一个计算机平台上并为另一个平台产生代码的编译器。常 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 用的交叉编译器有g n uc c + + ( g e e ) 。编译过程产生的所有目标文件被链 接成一个目标文件，称为链接过程。定址过程会把物理存储器地址指定给 目标文件的每个相对偏移处。该过程生成的文件就是可以在嵌入式平台上 执行的二进制文件。 嵌入式开发过程中另一个重要的步骤是调试目标机上的应用程序。嵌 入式调试采用交叉调试器，一般采用宿主机目标机的调试方式，它们之 间由串行口线或以太网或b d m 线相连。交叉调试有任务级、源码级和汇 编级的调试，调试时需将宿主机上的应用程序和操作系统内核下载到目标 机的r a m 中或直接烧录到目标机的r o m 中。目标监控器是调试器对目 标机上运行的应用程序进行控制的代理( d e b u g g e r a g e n t ) ，事先被固化在 目标机的f l a s h 、r o m 中，在目标机上电后自动启动，并等待宿主机方调 试器发来的命令，配台调试器完成应用程序的下载、运行和基本的调试功 能，将调试信息返回给宿主机。 2 3 向嵌入式平台移植软件 大部分嵌入式开发人员选用的软件开发模式是先在p c 机上编写软件， 再进行软件的移植工作。在p c 机上编写软件时，要注意软件的可移植性， 选用具有较高移植性的编程语言( 如c 语言) ，尽量少调用操作系统函数， 注意屏蔽不同硬件平台带来的字节顺序、字节对齐等问题【1 ”。以下是嵌入 式开发人员在移植协议栈过程中的一些体会。 2 3 1 字节顺序 字节顺序是指占内存多于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序， 通常有小端、大端两种字节顺序。小端字节序指低字节数据存放在内存低 地址处，高字节数据存放在内存高地址处；大端字节序是高字节数据存放 在低地址处，低字节数据存放在高地址处。基于x 8 6 平台的p c 机是小端 字节序的，而有的嵌入式平台则是大端字节序的。因而对i n t 、u i n t l 6 、u i n t 3 2 等多于1 字节类型的数据，在这些嵌入式平台上应该变换其存储顺序。通 常我们认为，在空中传输的字节的顺序即网络字节序为标准顺序，考虑到 与协议的一致以及与同类其它平台产品的互通，在程序中发数据包时，将 主机字节序转换为网络字节序，收数据包处将网络字节序转换为主机字节 序。 2 _ 3 2 字节对齐 有的嵌入式处理器的寻址方式决定了在内存中占2 字节的i n t l 6 、 u i n t l 6 等类型数据只能存放在偶数内存地址处，占4 字节的i n t 3 2 、u i n t 3 2 等 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 类型数据只能存放在4 的整数倍的内存地址处；占8 字节的类型数据只能 存放在8 的整数倍的内存地址处；丽在内存中只占1 字节的类型数据可以 存放在任意地址处。由于这些限制，在这些平台上编程时有很大的不同。 首先，结构体成员之间会有空洞，比如这样一个结构： t y p e d e f s t r u c tt e s t c h a ra ： u i n t l 6b ： ) t e s t 结构t e s t 在单字节对齐的平台上占内存三个字节，而在以上所述的 嵌入式平台上有可能占三个或四个字节，视成员a 的存储地址而定。当a 存储地址为偶数时，该结构占四个字节，在a 与b 之间存在一个字节的空 洞。对于通信双方都是对结构成员操作的，这种情况不会出错，但如果有 一方是逐字节读取内容的( 通信协议大都如此) ，就会错误地读到其它字 节的内容。其次，若对内存中数据以强制类型转换的方式读取，字节对齐 的不同会引起数据读取的错误。因为假如指针指在基数内存地址处，我们 想取得占内存两个字节的数据存放在u i n t l 6 型的变量中，强制类型转换的 结果是取得了该指针所指地址与前一地址处的数据，并没有按照我们的愿 望取该指针所指地址与后一地址处的数据，这样就导致了数据读取的错 误。 解决字节对齐有许多方法，比如可以在g c c 的项目管理文件m a k e f i l e 中增加编译选项一p a c k s t r u c t ：但这种方法只能去除结构中的空洞，并不能 解决强制类型转换引起的错误。为了增强软件的可移植性以及和同类其它 平台产品的互通性，我们在收数据包处增加了拆包的函数，发数据包处增 加了组包的函数。这两个函数解决了字节序的问题，也解决了字节对齐的 问题。即组包时根据参数中的格式字符串将内存中的不同数据类型的某段 数据放在指定地址处，组成包发给下层；拆包时，根据参数中的格式字符 串将收到的内存中的数据存放在不同类型的变量或结构成员中。在函数中 针对不同的数据类型作不同的处理。 2 3 3 位段 由于位段的空间分配方向因硬件平台的不同而不同，对x 8 6 平台，位 段是从右向左分配的；而一些嵌入式平台，位段是从左向右分配的。分配 顺序的不同导致了数据存取的错误。解决这一问题的一种方法是采用条件 编译的方式，针对不同的平台定义顺序不同的位段；也可以在前面所述的 两个函数中加上对位段的处理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 2 3 4 代码优化 嵌入式系统对应用软件的质量要求更高，因而在嵌入式开发中尤其须 注意对代码进行优化，尽可能地提高代码的效率，减少代码的大小。虽然 现代c 和c + + 编译器都提供了一定程度的代码优化，但大部分由编译器执 行的优化技术仅涉及执行速度和代码大小的平衡，不可能使程序既快又 小，因而必须在编写嵌入式软件时采取必要的措施。 1 提高代码的效率 ( 1 ) s w i t c h c a s e 语句。在程序中经常会使用s w i t c h c a s e 语句，每一个 由机器语言实现的测试和跳转仅仅是为了决定下一步要做什么，就浪费了 处理器时间。为了提高速度，可以把具体的情况按照它们发生的相对频率 排序。即把最可能发生的情况放在第一，最不可能发生的情况放在最后， 这样会减少平均的代码执行时间。 ( 2 ) 全局变量。使用全局变量比向函数传递参数更加有效率，这样做 去除了函数调用前参数入栈和函数完成后参数出栈的需要。当然，使用全 局变量会对程序有一些负作用。 2 减少代码的大小 嵌入式系统编程应避免使用标准库例程，因为很多大的库例程设法处 理所有可能的情况，所以占用了庞大的内存空间，因而应尽可能地减少使 用标准库例程。 3 避免内存泄漏 用户内存空间( 堆) 为r a m 中全局数据和任务堆栈空间都分配后的 剩余空间，为了使程序能有足够的内存运行，必须在申请的内存不用后及 时地将其释放，以确保再次申请时能有空间。如果程序中存在内存泄漏( 即 申请内存后没有及时释放) 的情况，程序最终会因为没有足够的内存空间 而无法运行。 2 4 嵌入式系统的广泛应用 嵌入式系统的应用前景是非常广泛的，人们将会无时无处不接触到嵌 入式产品，从家里的洗衣机、电冰箱，到作为交通工具的自行车、小汽车， 到办公室里的远程会议系统等等。特别是以蓝牙为代表的小范围无线接入 协议的出现，使嵌入式无线电的概念悄然兴起。当嵌入式的无线电芯片的 价格可被接受时，它的应用可能会无所不在。在家中、办公室、公共场所， 人们可能会使用数十片甚至更多这样的嵌入式无线电芯片，将一些电子信 息设备甚至电气设备构成无线网络：在车上、旅途中，人们利用这样的嵌 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 入式无线电芯片可以实现远程办公、远程遥控，真正实现把网络随身携带。 下面介绍几种具体的应用。 1 嵌入式移动数据库 所谓的移动数据库是支持移动计算的数据库，有两层含义：用户在 移动的过程中可以联机访问数据库资源。用户可以带着数据库移动。典 型的应用场合有在开着的救护车上查询最近的医院。该系统由前台移动终 端、后台同步服务器组成，移动终端上有嵌入式实时操作系统和嵌入式数 据库。中国人民大学正在开发该系统，他们和h o p e n 公司合作，开发了前 台移动终端叫、精灵”。 2 嵌入式系统在智能家居网络中的应用 智能家居网络( e h o m e ) 指在一个家居中建立一个通信网络，为家庭 信息提供必要的通路；在家庭网络操作系统的控制下，通过相应的硬件和 执行机构，实现对所有家庭网络上家电和设备的控制和监测。其网络结构 的组成必然有家庭网关。家庭网关主要实现控制网络和信息网络的信号综 合并与外界接口，以便作远程控制和信息交换。不论是网关还是各家电上 的控制模块，都需有嵌入式操作系统。这些操作系统必须具有内嵌式、实 时性好、多用户的特点。南京东大移动互联技术有限公司研制的智能多媒 体家庭网关，就是以嵌入式l i n u x 作为该嵌入式设备的操作系统，设备之 间的相互通信遵从蓝牙通信协议，可以支持多个设备同时接入到固定电话 网、国际互联网等其它外部网络。 3 嵌入式语音芯片 嵌入式语音芯片基于嵌入式操作系统，采用语音识别和语音合成、语 音学层次结构体系和文本处理模型等技术；可以应用在手持设备、智能家 电等多个领域，赋予这些设备人性化的交互方式和便利的使用方法；也可 应用于玩具中，实现声控玩具、仿真宠物、与人对话的玩具；也能应用于 车载通信设备实现人机交流。该芯片应用在移动通信设备中，比如，