嵌入式系统在监控系统应用领域技术现状及发展趋势

1、嵌入式系统在监控系统应用领域技术现状及发展趋势一、嵌入式系统的定义及分类嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁 剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系 统。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和各个行业的具 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。目前嵌入式系统除了部分为 32位处理器外，大量存在的是 8位和 16位的嵌 入式微控制器，嵌入式系统是计算机应用的另一种形态， 正如前所述它与通用计 算机应用不同：嵌入式计算机是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、

2、产品和系 统之中的一种软硬件高度专业化的特定计算机系统。目前根据其发展现状,嵌入式计算机可以分成下面几类：(1)嵌入式微处理器：嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上， 只保留和嵌入式应用有关的母 板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求， 嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁十扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。(2)嵌入式微控制器：嵌入式微控制器乂称单片机。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时计数器、Wa

3、tchdog I/O、申行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机 具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的， 不同的是存储器和 外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多 不少，从而减少功耗和成本。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单 片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。(3)嵌入式 DSP 处理器：DSP 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计， 使其适合于执行 DSP 算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、 FFT、谱分析等方面 DSP

4、 算法正在大量进入嵌入式领域，DSP 应用正从在通用 单片机中以普通指令实现 DSP 功能，过渡到采用嵌入式 DSP 处理器。(4)嵌入式片上系统：随着 EDI的推广和 VLSI 设计的普及化，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来临，这就是System On Chip (SOC)。各种通用处理器内核将作为 SOC 设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，VLSI 成为设计中一种标准的器件，用标准的 VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统， 仿真通 过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以 外，整个嵌入

5、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、提高可靠性非常有利。二、嵌入式系统在监控系统应用领域的技术现状伴随着信息技术与嵌入式技术的发展，现代的远程监控技术已经走进我们的 生活，可以说远程监控系统就是信息网络与控制网络结合的产物，它集现代计算机技术、通信技术、传感器技术、自动控制技术和人机系统技术等为一体，在许 多领域有广泛的应用，如工业生产过程实时监控、动力设备集中监控、环境与安 保集中监控、水利系统监控、图像远程监控、电力综合监控、综合网络监控、移 动监控等。(1)嵌入式 WEB技术在远程视频监控系统中的应用基于嵌入式 WEB 技术的视频监控

6、系统结合了先进的 WEB 技术与嵌入式技 术，其服务器采用嵌入式技术实现,通过 WEB 方式实现服务器端与客户端的信 息交互。系统由现场设备、嵌人式 WEB 服务器、传输网络和监控端组成。现场设备 包括摄像头和一些测控单元，用于采集现场的数字视频信息和各种开关量、模拟 量信息。嵌入式服务器是整个监控系统的核心部分，其硬件由CPU 芯片、Flash芯片、内存、网络接口以及一些数据采集卡组成。主要功能包括：实现现场视频 信息的直播和点播，采集现场设备信息并进行相应处理，为监控端提供WEB 访问页面。对监控端的访问进行有效性，安全性检查；响应监控端的请求，为监控 端提供所需信息；接收监控端的控制信息

7、.经过软硬件转换对现场设备进行控制， 如控制摄像头的转动、启动现场的报警装置等。每个服务器有自己的IP地址，在监控端可通过通用浏览器界面访问服务器，一个服务器可同时为多个监控端服 务。为了实现视频点播功能，需要存储大量的视频图像信息，由于嵌入式服务器 体积小，故增加了可选择的外接存储设备。 监控端的功能是显示现场视频和状态 信息，并根据需要向服务器端发出各种信息请求以及对现场设备的控制信号。一个监控端也可以同时访问多个服务器。系统软件包括操作系统与设备驱动程序。嵌入式操作系统是支持嵌入式系统 应用的操作系统软件，是在系统实时性.硬件相关性、软件固态化等方面有着突 出特点的专用操作系统。本系统采

8、用嵌入式 LINUX 操作系统，它是在根据系统 需要对 LINUX操作系统进行小型化裁剪的基础上实现的。使用 LINUX 的优势 在于：其操作系统的源代码是开放的，可根据需要进行定制，系统内核小，因而 对硬件的要求相对要低。支持多任务多进程，能提供较好的实时性。由于系统信 息处理量大、实时性要求高，操作系统的存储调度、进程管理.文件管理等都要 求采取高效可行的策略。本系统是一个专用计算机系统，用于测控的扳卡有些是 根据需要自行定制的，因此编写相应的驱动程序也是必不可少的环节。（2）嵌入式系统在网络监控系统中的发展众所周知，传统的视频监控系统采用模拟电视进行画面显示，视频信息储存到磁介质（如录像

9、带）上。但是，录像带数量会随监控点增加和录像时间加长而 多的惊人，这不仅耗费大量成本，且使查询和管理工作变得异常繁琐。 随着编解 码技术的快速发展，以 PC、图像采集卡和专用电缆组成的数字视频监控系统取 代了传统模拟视频监控系统，视频信息以数字形式存放在硬盘上。由于采用了 PC、图像采集卡和专用电缆的结构，日益暴露出体积大、布线复杂、价格昂贵 等缺点。而嵌入式视频监控系统则可以很好的解决这一问题。目前，基于嵌入式技术的视频监控系统在我国尚未普及，开发嵌入式视频监控系统，尤其是具有网络传输功能的监控系统将有广阔的应用前景。由于嵌入式产品在体积、成本等方面有较严格的要求，处理器部分占用空间 应尽可

10、能小。系统的可用内存和外存数量也非常受限制，而嵌入式操作系统就运行在有限的内存（一般在 ROM或快闪存储器）中，因此就对操作系统的规模、 效率等提出了较高的要求。正是嵌入式操作系统的特殊要求为 Linux 在嵌入式系 统中的发展提供了广阔的舞台。由于 Linux的高度灵活性，程序员可以很容易地 根据应用领域的特点对它进行定制开发，来满足自己的实际应用需要。而且由于Linux固有的多任务、高效稳定的系统特征，使得 Linux 成为嵌入式操作系统中 的新贵。嵌入式 Linux一股是按照嵌入式目标系统的要求而设计，由一个体积很小的内核及一些可以根据需要进行随意裁减的系统模块组成。一般来说整个系统所占

11、用的空间不会超过几 M大小。遴选一套界面友好、稳定、安全性较高的操作系统是视频监控系统设计中尤 为重要。常用的嵌入式 OS有：VXwords、Palm OS、嵌入式 Linux、Windows CE 等。在监控集成方案中， 更多地是采用 Windows CE5.0嵌入式系统。 总体说来，具有与 Windows类似的编程结构，以及良好的内存和电源管理。它是微软公司 专门为移动设备和消费类电子产品等领域而设计的全新的操作系统。具有开发简单、界面优美、高度模块化、良好实时性、支持多种微处理器、通信能力强等特 点。嵌入式系统中，电池的实用寿命是不可忽略的因素之一。Windows CE5.0 具有灵活的

12、电源管理功能，它的睡眠唤醒模式可以很好的延长嵌入式产品中电池的 使用寿命。伴随着Internet的发展以及 Internet技术与信息家电、 工业控制技术结合 日益密切，嵌入式设备与 Internet的结合代表了嵌入式系统的未来。嵌入式系 统技术日益完善,32位处理器在该系统中占主导地位，嵌入式操作系统已经从 简单走向成熟，它与网络、Internet 结合日益密切，因而，嵌入式系统应用将 日益广泛。(3)嵌入式系统在机房监控中的应用机房监控系统设计的目标是通过通讯及数据标准接口和一体化通讯网络将 各个子系统集成到一个计算机支持平台上，建立起整个机房的集成监控和管理界 面，通过统一的图形化人机界

13、面实现各子系统的实时监视、控制和管理，并在这些子系统发生故障时向管理员报警，以便管理员进行补救工作。机房监控系统是基于 Linux 操作系统，可以充分利用 Linux 对网络功能的强 大支持，整个监控系统包括设备子系统、嵌入式设备、网络设施以及各监控中心 的 PC 机等。设备子系统如配电系统、空调温湿度指示器、漏水检测系统等将在 楼宇建设期间被安装在单位机房内部，并通过数据传感器将实时数据反映给嵌入 式设备的RS2232P485 端口。这些数据包括各种数值信息和相关的报警信息。 嵌入式设备除了要从各设备子系统中读出数据，还需要对这些数据进行分析，并将整理过后的信息存入数据库，在具体的情况需要返

14、回一定的数据给相应的子系 统，例如在进行门禁管理时，工作人员会将要更新的提示信息通过端口传给相应 门禁。嵌入式设备将分配一个相应的 IP地址，通过 TCPPIP 协议可以访问设备 中的程序。工作人员不仅可以通过 LAN 调用嵌入式中的程序，形成一级监控中 心，也可以通过 WAN对需要监控的机房进行远程监控。嵌入式系统的功能模块分成 4 大部分：日常管理、门禁管理、系统管理和系 统安全，并且定义了 4 种权限:监控运行、监控设计、监控控制和用户授权，每个 工作人员可以被赋予 4 种权限中的一个或多个权限，在缺少权限的情况下，许多 功能会被禁止使用。三、嵌入式系统在监控系统应用领域的发展趋势：随着

15、电子信息技术的发展和电子技术应用领域的不断扩大，以计算技术与电子技术相结合为核心内容的嵌入式技术已经成为现代电子应用技术的重要支柱， 并得到了迅速发展。从技术层面看，未来嵌入式系统技术有以下几点新的发展趋势：(1)嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持。随着因特网技术的成熟、带宽的提高，ICP和 ASP 在网上提供的信息内容 日趋丰富、应用项目多种多样，像电话手机、电话座机及电冰箱、微波炉等嵌入式电子设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。为了满足应用功能的升级， 设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器，如32 位、64位 RISC 芯片或信号处理器 DSP 增强处理能力；同时

16、还采用实时多任务编程技术和交义开发工具技 术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。随着集成电路设计与制造技术的发展，各种用户定制SoC 芯片和系统的开发技术已经成为重要的应用技术。SoC 设计中，嵌入式技术显示出了强大的生命 力。通过各种不同应用电路的嵌入(包括软件的嵌入)，使得 SoC 器件的设计速 度得到了极大的提高，并保证了系统的可靠性。特别是在复杂SoC 器件设计开发过程中，嵌入式技术提供了重要的应用技术，例如DSP 核嵌入技术，不仅可以大大地提高设计速度，还提供了产品的可靠性，从而降低了基于DSP 的 SoC产品的开发成本。用户可以直接使用 DSP 系统开发

17、技术来开发内部嵌有 DSP 处 理器核的 SoC 芯片。(2)网络化开发平台。联网成为必然趋势，为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向21世纪的嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要 求，嵌入式设备必需配有通信接口， 相应需要 TCP/IP 协议簇软件支持；由于家 用电器相互关联(如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息) 及实验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入式设备还需具备IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth 或 IrDA通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议 软件和物理层驱动软件。 为了支持应用软件的特定编程模式， 如 We

18、b或无线 Web 编程模式，还需要相应的浏览器，如 HTML、WML 等。随着互联网技术、WLAN 以及蓝牙技术的发展，嵌入式技术从面向微处理 器开发的技术转变为面向网络开发的技术。由此，嵌入式系统的开发技术也转向了网络化平台技术。网络化平台技术不仅提供了网络嵌入所需要的分布式操作的 硬件和软件开发技术，同时还实现了系统综合开发和并行开发， 因而大大地提高 了开发速度和效率。面向网络的嵌入式技术已经成为当今嵌入式技术和开发平台 的主流。(3)软件与硬件联合开发技术。嵌入式技术发展的另一个重要方面就是软件和硬件的联合设计技术。由于嵌入式系统往往需要设计人员进行软件和硬件统一考虑， 所以设计过程更

19、具有综合 特征。传统电子系统的设计中，软件和硬件设计往往是分开进行的。这种设计方 法在大型系统的设计中十分有效，但对于嵌入式技术却往往会引起设计中的问 题。这种问题主要体现在如下几点：1以实现系统的整体优化；2系统设计过程中软件和硬件设计相互牵制；3软件硬件配合中容易产生漏洞。随着嵌入式技术的进展，各种基于 C 语言的嵌入式开发技术不断出现。特 别是随着 SoC 应用技术的发展，硬件和软件同时开发、验证和调试技术为嵌入 式系统的开发提供了重要的技术保证。(4)小尺寸、微功耗和低成本。为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能,限制内存容量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件

20、设计技术要求。如：选用最佳的编程模型和不断改进算法，采用 Java编程模式，优化编译器性能。因此， 既要软件人员有丰富经验，更需要发展先进嵌入式软件技术，如Java Web 和WAP 等。(5)提供精巧的多媒体人机界面。嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要因素之一是它们与使用者之间 的亲和力，自然的人机交互界面，如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通过习 惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。人们与信息终端交互喜欢通过以GUI 屏幕为中心的多媒体界面。手机的手写中文输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩信 收发已取得初步成效。目前一些先进的手机或 PDA 上已实现短消息语音发布， 但离掌式语言同声翻译还有很大距离。(6)无所不在的智能(Ambient Intelligence, AmI)无所不在的“智能”是嵌入式系统应用的高级境界，它是指一种嵌入了多种 感知和计算设备，并能根据上下文识别人的身体姿态、手势、语音等，进而判断 出人的意图，并做出相应反映的具有适应性的数字环境，它通过智能的、用户定制的内部互连系统和服务制造理想的余围，完成理想的功能，从而有效提高人们的工作和生活质量。 AmI 的关键技术基础是“无所不在的计算”， “无所不在的计 算”指的就是“无论何时