基于嵌入式系统在船舶监控系统中的应用.docx
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基于嵌入式系统在船舶监控系统中的应用
摘要：
嵌入式系统具有体积小、功耗低、可靠性高等特点,非常适合船舶领域的应用。
本文总结了嵌入式系统的特点,提出了嵌入式系统在船舶监控系统中的应用可行性,并对嵌入式系统与其他船用现场监控系统的性能进行比较。
采用以μCOS-Ⅱ嵌入式操作系统为平台设计的嵌入式系统控制板,实现船舶机舱（engineroom）的自动监控和数据传输。
涉及到数据的采集和webserver的功能,使从机舱监控的数据可以直接通过船舶的局域网传送到每一个相关人员的工作间,甚至是房间里。
关键词:
μCOS-Ⅱ嵌入式操作系统;WebServer;数据采集;自动监控；船舶；监控系统；计算机系统
Abstract:
Theembeddedsystemhasthevolumetobesmall,thepowerlossislow,reliablehighercharacteristic,verysuitableshipsdomainapplication.Thisarticlesummarizedembeddedsystem'scharacteristic,proposedembeddedsystem'sinshipssupervisorysystemapplicationfeasibility,andcarriesonthecomparisontotheembeddedsystemwithothershipswiththescenesupervisorysystem'sperformance
。
Inthisresearch,weusetheμCOS-Ⅱsystemasthecontrolbandtorealizetheautomwatchinganddatatransfer.So,wecansendtheusefuldataoftheengineroomtoallofseaman,eventotheirrestroom.
Keywords:
μCOS-Ⅱcontrolsystem,WebServer,datacollection,automwatching,ships,supervisorysystem,Computersystem
目录
1引言…………………………………………………5
2嵌入式系统简介……………………………………5
2.１、嵌入式系统的历史……………………………………5
2.2嵌入式系统的定义………………………………………5
2.3、嵌入式系统重要概念……………………………………6
2.4、嵌入式系统的特点……………………………………7
2.5、嵌入式系统的分类……………………………………8
2.6嵌入式系统的应用领域…………………………………8
2.7、嵌入式系统的现状和发展趋势………………9
2.7.1嵌入式系统的发展现状……………………………10
2.7.2未来嵌入式系统的发展趋势………………………11
3、ARM概述……………………………………………11
3.1、ARM处理器的特点……………………………………11
3.2ARM微处理器系列……………………………………11
3.2.1ARM7微处理器系列……………………………………11
3.2.2ARM9微处理器系列……………………………………12
3.2.3ARM9E微处理器系列……………………………………12
3.2.4ARM10E微处理器系列……………………………………12
3.2.5SecurCore微处理器系列………………………………13
3.2.6StrongARM微处理器系列………………………………13
3.2.7Xscale处理器…………………………………………13
3.3ARM微处理器结构………………………………14
3.3.1RISC体系结构……………………………………14
3.3.2ARM微处理器的寄存器结构………………………………14
3.3.3ARM微处理器的指令结构………………………………14
4.嵌入式系统在船舶监控系统中的应用……………14
4.1 嵌入式系统应用于船舶监控系统的优势…………14
4.2 嵌入式系统应用于旧船监控系统改造的优势……15
5 各种船舶监控系统的应用比较…………………15
5.1 当前应用的三种形式船舶监控系统………………15
5.2 系统应用实例比较……………………………………16
5.3 各种现场监控设备性能比较………………………17
6、嵌入式WebServer的实现……………………17
7 硬件实现…………………………………………19
8、软件实现…………………………………………21
8.1服务器端实现…………………………………………21
8.2客户端实现……………………………………………21
9、结束语……………………………………………22
10.心得体会…………………………………………22
11.参考文献…………………………………………23
正文
1 引言
在计算机技术高速发展的今天,利用先进的计算机与网络技术来实现船舶各系统监控的自动化已经成为可能。
从上世纪80年代起,船舶控制产品就开始由模拟式向数字式发展。
1995年9月,由国内外150多家生产控制设备的厂商组成了国际FF协会,标志着船舶控制系统开始向全数字化方向发展。
此后数年,以现场总线（Fieldbus）及超大规模数字集成电路（VLSI）嵌入式电子技术为基础的全数字式控制系统开始在世界范围内兴起,并迅速扩展到船舶工业领域,使船舶自动化控制技术获得了突破性的发展。
由于嵌入式技术在船舶应用领域尚处于发展阶段,在现有船舶数据监控系统中,仍是以采用PLC（可编程逻辑控制器）、工业控制计算机（以下简称工控机）,甚至简单的单片机系统为主来实现船舶各系统的数据采集、监测及控制功能。
然而,考虑到船舶空间狭小,航行环境多变,因此相对陆用设备而言,我们希望这类船用设备具有体积小,安装接线方便,便于维修、可靠性高,并能适应船上盐雾、油雾、霉菌、潮湿、高热、振动、冲击、电磁干扰大等恶劣条件的性能。
对应用于船舶这一特殊控制环境,嵌入式系统比以往的各类控制系统具有明显的优点。
可以预见,嵌入式系统将在船舶监控系统中得到广泛的应用。
2嵌入式系统简介
2.１、嵌入式系统的历史
嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。
70年代单片机的出现，使得汽车、家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能：
更容易使用、更快、更便宜。
这些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点，但是这时的应用只是使用８位的芯片，执行一些单线程的程序，还谈不上“系统”的概念。
从80年代早期开始，嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操作系统”编写嵌入式应用软件，这使得可以获取更短的开发周期，更低的开发资金和更高的开发效率，“嵌入式系统”真正出现了。
确切点说，这个时候的操作系统是一个实时核，这个实时核包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理等功能。
90年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，实时核逐渐发展为实时多任务操作系统（RTOS），并作为一种软件平台逐步成为目前国际嵌入式系统的主流。
2.2嵌入式系统的定义
根据IEEE（国际电机工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”。
这主要是从应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。
目前国内一个普遍被认同的定义是：
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。
这个定义上，可从几方面来理解嵌入式系统：
◆嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势。
因此可以这样理解上述三个面向的含义，即嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。
◆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。
◆嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。
所以，如果能建立相对通用的软硬件基础，然后在其上开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。
目前的嵌入式系统的核心往往是一个只有几K到几十K微内核，需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减，但是由于微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利的进行。
2.3、嵌入式系统重要概念
嵌入式系统中有许多非常重要的概念：
◆嵌入式处理器：
嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。
范围极其广阔，从最初的４位处理器，到最新的受到广泛青睐的32位，64位嵌入式CPU。
◆实时操作系统（RealTimeOperatingSystem）：
嵌入式系统目前最主要的组成部分，根据操作系统的工作特性，实时是指物理进程的真实时间。
实时操作系统具有实时性，能从硬件方面支持实时控制系统工作的操作系统。
◆分时操作系统：
对于分时操作系统，软件的执行在时间上的要求，并不严格，时间上的错误，一般不会造成灾难性的后果。
目前分时系统的强项在于多任务的管理，而实时操作系统的重要特点是具有系统的可确定性，即系统能对运行情况的最好和最坏等的情况能做出精确的估计。
◆多任务操作系统：
系统支持多任务管理和任务间的同步和通信，传统的单片机系统和DOS系统等对多任务支持的功能很弱，而目前的Windows是典型的多任务操作系统。
◆实时操作系统中的重要概念：
系统响应时间（Systemresponsetime）：
系统发出处理要求到系统给出应答信号的时间。
任务换道时间（Context-switchingtime）：
任务之间切换而使用的时间。
中断延迟（Interruptlatency）：
计算机接收到中断信号到操作系统作出响应，并完成换道转入中断服务程序的时间。
◆实时操作系统的工作状态：
实时系统中的任务有四种状态：
运行（Executing），就绪（Ready），挂起（Suspended），冬眠（Dormant）。
运行：
获得CPU控制权。
就绪：
进入任务等待队列，通过调度转为运行状态。
挂起：
任务发生阻塞，移出任务等待队列，等待系统实时事件的发生而唤醒，从而转为就绪或运行。
冬眠：
任务完成或错误等原因被清除的任务，也可以认为是系统中不存在的任务。
任何时刻系统中只能有一个任务在运行状态，各任务按级别通过时间片分别获得对CPU的访问权。
2.4、嵌入式系统的特点
（1）嵌入式系统是一个实现预定特殊功能的系统,它具有有限的资源（如内存、功耗、处理器速度、计算能力等）。
通常,应用程序的运行将占用整个ROM的存储容量。
这与一台具有普通处理器、支持多种应用程序的PC机是截然不同的。
另外,嵌入式软件的应用范围较PC机丰富许多。
PC机中的应用软件无非就是实现文字处理、电子制表、游戏等功能,而嵌入式系统则不同,由于它可应用的领域极其广泛,其应用软件为面向具体应用的专用软件,所以嵌入式软件非常多样化,并且每年都会涌现出近50000种用以实现不同功能的嵌入式应用软件。
（2）嵌入式系统具有自己的操作系统,一般为实时操作系统RTOS（Real-timeOperatingSys2tem）。
RTOS对系统控制具有实时性,能提供多任务的任务间调度、时间管理、任务间通信和同步以及内存管理MMU（MemoryManagerUnit）等重要服务,并且系统内核可根据功能的需要进行适当的裁剪,去除冗余,保证在占用少量资源的前提下高效执行任务。
RTOS的出现,很大程度上缩短了开发周期,减少了系统程序员的工作量,提高编程效率与程序质量,同时也加速了嵌入式产品的更新换代,而利用RTOS进行开发的嵌入式系统所带来的优越性
是其他监控系统（如单片机、PLC等）无法比拟的。
（3）嵌入式系统的CPU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到芯片内部,从而有利于整个系统设计趋于小型化。
系统可靠性高,能适应冷热、振动、腐蚀等各种变化,因此特别适用于需要在恶劣环境下工作的监控系统。
2.5、嵌入式系统的分类
由于嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，所以其分类也可以从硬件和软件进行划分。
从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分，而目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1000种，流行体系结构包括MCU，MPU等30多个系列。
从单片机、DSP到FPGA有着各式各样的品种，速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低。
目前嵌入式处理器的寻址空间可以从64kB到16MB，处理速度最快可以达到2000MIPS，封装从8个引脚到144个引脚不等。
从软件方面划分，主要可以依据操作系统的类型。
目前嵌入式系统的软件主要有两大类：
实时系统和分时系统。
其中实时系统又分为两类：
硬实时系统和软实时系统。
实时嵌入系统是为执行特定功能而设计的，可以严格的按时序执行功能。
其最大的特征就是程序的执行具有确定性。
在实时系统中，如果系统在指定的时间内未能实现某个确定的任务，会导致系统的全面失败，则系统被称为硬实时系统。
而在软实时系统中，虽然响应时间同样重要，但是超时却不会导致致命错误。
一个硬实时系统往往在硬件上需要添加专门用于时间和优先级管理的控制芯片，而软实时系统则主要在软件方面通过编程实现时限的管理。
比如WindowsCE就是一个多任务分时系统，而Ucos-II则是典型的实时操作系统。
2.6嵌入式系统的应用领域
嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括：
１．工业控制：
基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展，目前已经有大量的8、16、32位嵌入式微控制器在应用中，网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源主要途径，如工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统。
2．交通管理：
在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用，内嵌GPS模块，GSM模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用。
３．信息家电：
这将称为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。
即使你不在家里，也可以通过电话线、网络进行远程控制。
在这些设备中，嵌入式系统将大有用武之地。
４．家庭智能管理系统：
水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌有的专用控制芯片将代替传统的人工检查，并实现更高，更准确和更安全的性能。
目前在服务领域，如远程点菜器等已经体现了嵌入式系统的优势。
５．POS网络及电子商务：
公共交通无接触智能卡（ContactlessSmartcard,CSC）发行系统，公共电话卡发行系统，自动售货机，各种智能ATM终端将全面走入人们的生活，到时手持一卡就可以行遍天下。
６．环境工程与自然：
水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。
在很多环境恶劣，地况复杂的地区，嵌入式系统将实现无人监测。
７．机器人：
嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化，高智能方面优势更加明显，同时会大幅度降低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。
2.7、嵌入式系统的现状和发展趋势
2.7.1嵌入式系统的发展现状
随着信息化，智能化，网络化的发展，嵌入式系统技术也将获得广阔的发展空间。
美国著名未来学家尼葛洛庞帝99年1月访华时预言，4～5年后嵌入式智能（电脑）工具将是PC和因特网之后最伟大的发明。
1999年世界电子产品产值已超过12000亿美元，2000年达到13000亿美元，预计2005年，销售额将达18000亿美元。
进入20世纪90年代，嵌入式技术全面展开，目前已成为通信和消费类产品的共同发展方向。
在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术。
在广播电视领域，美国已开始由模拟电视向数字电视转变，欧洲的DVB技术已在全球大多数国家推广。
数字音频广播（DAB）也已进入商品化试播阶段。
而软件、集成电路和新型元器件在产业发展中的作用日益重要。
所有上述产品中，都离不开嵌入式系统技术。
硬件方面，不仅有各大公司的微处理器芯片，还有用于学习和研发的各种配套开发包。
目前低层系统和硬件平台经过若干年的研究，已经相对比较成熟，实现各种功能的芯片应有尽有。
而且巨大的市场需求给我们提供了学习研发的资金和技术力量。
从软件方面讲，也有相当部分的成熟软件系统。
国外商品化的嵌入式实时操作系统，已进入我国市场的有WindRiver、Microsoft、QNX和Nuclear等产品。
我国自主开发的嵌入式系统软件产品如科银（CoreTek）公司的嵌入式软件开发平台DeltaSystem，中科院推出的Hopen嵌入式操作系统。
同时由于是研究热点，所以我们可以在网上找到各种各样的免费资源，从各大厂商的开发文档，到各种驱动，程序源代码，甚至很多厂商还提供微处理器的样片。
这对于我们从事这方面的研发，无疑是个资源宝库。
对于软件设计来说，不管是上手还是进一步开发，都相对来说比较容易。
这就使得很多生手能够比较快的进入研究状态，利于发挥大家的积极创造性。
据调查，目前国际上已有两百多种嵌入式操作系统，而各种各样的开发工具、应用于嵌入式开发的仪器设备更是不可胜数。
在国内，虽然嵌入式应用、开发很广，但该领域却几乎还是空白，只有三两家公司和极少数人员在从事这方面工作。
由此可见，嵌入式系统技术发展的空间真是无比广大。
2.7.2未来嵌入式系统的发展趋势
信息时代，数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展契机，为嵌入式市场展现了美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战，从中我们可以看出未来嵌入式系统的几大发展趋势：
1．嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。
2．网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高日益提高，使得以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构更加复杂。
这就要求芯片设计厂商在芯片上集成更多的功能，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，同时增加功能接口，如USB，扩展总线类型，如CANBUS，加强对多媒体、图形等的处理，逐步实施片上系统（SOC）的概念。
软件方面采用实时多任务编程技术和交叉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。
如HP
3．网络互联成为必然趋势。
未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求，必然要求硬件上提供各种网络通信接口。
传统的单片机对于网络支持不足，而新一代的嵌入式处理器已经开始内嵌网络接口，除了支持TCP／IP协议，还有的支持IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口中的一种或者几种，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。
软件方面系统系统内核支持网络模块，甚至可以在设备上嵌入Web浏览器，真正实现随时随地用各种设备上网。
4．精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。
未来的嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备，为了减低功耗和成本，需要设计者尽量精简系统内核，只保留和系统功能紧密相关的软硬件，利用最低的资源实现最适当的功能，这就要求设计者选用最佳的编程模型和不断改进算法，优化编译器性能。
因此，既要软件人员有丰富的硬件知识，又需要发展先进嵌入式软件技术，如Java、Web和WAP等。
5．提供友好的多媒体人机界面
嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的因素就是它能提供非常友好的用户界面。
图像界面，灵活的控制方式，使得人们感觉嵌入式设备就象是一个熟悉的老朋友。
这方面的要求使得嵌入式软件设计者要在图形界面，多媒体技术上痛下苦功。
手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像都会使使用者获得自由的感受。
目前一些先进的PDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，但一般的嵌入式设备距离这个要求还有很长的路要走。
3、ARM概述
3.1、ARM处理器的特点
3.1.1ARM微处理器的特点
采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点：
体积小、低功耗、低成本、高性能;支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集,能很好的兼容8位/16位器件;大量使用寄存器,指令执行速度更快;大多数数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简单,执行效率高；指令长度固定;
3.2ARM微处理器系列
ARM微处理器目前包括下面几个系列,以及其它厂商基于ARM体系结构的处理器,除了具有ARM体系结构的共同特点以外,每一个系列的ARM微处理器都有各自的特点和应用领域。
ARM7系列，ARM9系列，ARM9E系列，ARM10E系列，SecurCore系列，Inter的Xscale，Inter的StrongARM。
其中,ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10为4个通用处理器系列,每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。
SecurCore系列专门为安全要求较高的应用而设计。
3.2.1ARM7微处理器系列
ARM7系列微处理器为低功耗的32位RISC处理器,最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。
ARM7微处理器系列具有如下特点：
具有嵌入式ICE－RT逻辑,调试开发方便。
极低的功耗,适合对功耗要求较高的应用,如便携式产品；能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构；代码密度高并兼容16位的Thumb指令集；对操作系统的支持广泛,包括WindowsCE、Linux、PalmOS等。
指令系统与ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容,便于用户的产品升级换代；主频最高可达130MIPS,高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。
ARM7系列微处理器的主要应用领域为：
工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。
3.2.2ARM9微处理器系列
ARM9系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。
具有以下特点：
5级整数流水线,指令执行效率更高；提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构；支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集；支持32位的高速AMBA总线接口；全性能的MMU,支持WindowsCE、Linux、PalmOS等多种主流嵌入式操作系统；MPU支持实时操作系统；支持数据Cache和指令Cache,具有更高的指令和数据处理能力；ARM9系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等；ARM9系列微处理器包含ARM920T、ARM922T和
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