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1 引言

伴隨著21世紀(jì)的曙光，計算機(jī)邁入了其另一個充滿機(jī)遇的階段—后PC時代。不知不覺中，市場上越來越多的消費者開始接受嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字化產(chǎn)品，如:像手機(jī)、PDA、車載GPS系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床、網(wǎng)絡(luò)冰箱等。它們功耗低，功能強(qiáng)。而反觀在我們現(xiàn)今的現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備或者是傳統(tǒng)的單片機(jī)，它們功能薄弱，開發(fā)難度大，或者是工控機(jī)，他們與PC類似，體積龐大，價格昂貴。這些與消費市場上的功能強(qiáng)大的嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展是不相稱的，因此本文提出了一種搭建嵌入式監(jiān)控工作站的快速方法。

2 嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及應(yīng)用程序四個部分組成。下面我們依次介紹:
2.1 嵌入式硬件
近些年來，隨著微電子技術(shù)和信號處理技術(shù)的發(fā)展[1>，出現(xiàn)了許多性能優(yōu)良的嵌入式硬件，例如:
* 全美達(dá)(Transmeta)公司Crusoe處理器
Crusoe Special Embedded(特別嵌入，SE)處理器是Transmeta現(xiàn)有Crusoe 5500和5800微處理器的一種版本，它經(jīng)受了24小時的高溫老化(burn-in)測試過程，可以在100℃的溫度下工作10年。Transmeta保證五年的供貨和支持。該處理器小體積和低功耗的特點使其頗具優(yōu)勢。其標(biāo)準(zhǔn)的667MHz CPU消耗功率為6.1瓦，低功耗版本消耗5.1瓦。是嵌入式微處理器的理想選擇。
* National semiconditong的geode系列g(shù)x1,gx2
尤其是最新的gx2,與其協(xié)同芯片Geode CS5535搭配，便能為資訊家電產(chǎn)品提供完整的解方案，其功能特色包括:嵌入式SDRAM 雙倍資料傳輸率(DDR)記憶體控制器、延伸圖像處理支援、4個(USB)以及一嵌式IDE控制器。Geode GX2是目前專為資訊家電所的處理器中耗電量最低的產(chǎn)品，其耗電量只有業(yè)界目前其他X86架構(gòu)同級處理器的一半。Geode GX2能大幅降低功率等級與耗電量，主要是得利于美國國家半導(dǎo)體革命性的GeodeLink?系統(tǒng)架構(gòu)、分段式硬件功率周期與降壓處理。Geode GX2處理器加上協(xié)同芯片后的標(biāo)準(zhǔn)耗電量低于2瓦特，而在串流媒體的應(yīng)用上，即使加上協(xié)同晶片，整體耗電量也只需要3W。
* Via公司的eden處理器
EDEN的全稱是嵌入式系統(tǒng)平臺(embeded system p.latform),via的eden平臺包括了低功耗、高性能的第六代處理器核心，高整合度的北橋芯片以及vt8231南橋芯片。基本的eden平臺已內(nèi)嵌AGP 2x/4x的3d繪圖加速核心，與輸出入控制，網(wǎng)絡(luò)支持及多媒體音效功能，而客戶還可根據(jù)市場需求，彈性的選擇外圍芯片產(chǎn)品，進(jìn)一步增強(qiáng)usb2.0,高速網(wǎng)絡(luò)連接等應(yīng)用功能，其平臺耗電量為6瓦無需風(fēng)扇，有完整的操作系統(tǒng)支持。
2.2 嵌入式硬件外圍擴(kuò)展結(jié)構(gòu)
現(xiàn)今的嵌入式體系結(jié)構(gòu)主要以pc-104總線結(jié)構(gòu)居多。這是一種十分緊湊(90x90mm)、自棧式、模塊化的結(jié)構(gòu)。這種總線結(jié)構(gòu)在硬體和軟體上，與標(biāo)準(zhǔn)臺式機(jī)pc(pc/at)體系完全兼容，可以利用豐富的臺式機(jī)軟件資源，這包括操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序、功能庫和開發(fā)工具，從而將大大降低開發(fā)成本，減少風(fēng)險及縮短開發(fā)周期。
2.3 嵌入式操作系統(tǒng)
現(xiàn)今嵌入式操作系統(tǒng)有許多，真正有影響的有Vxwork,Linux,Win CE。Vxwork功能強(qiáng)大，但其使用費用實在是太高，且開發(fā)環(huán)境復(fù)雜。而Linux雖然是免費的，但市場出現(xiàn)的Linux版本實在太多，無法主推一個比較完善，標(biāo)準(zhǔn)的Linux解決方案，缺乏強(qiáng)有力的商業(yè)公司的推動，無法提供長期的服務(wù)保證和獲得廣大硬件廠商的支持。而由微軟(Microsoft)推出的嵌入式操作系統(tǒng)Win CE4.2，在現(xiàn)今的嵌入式系統(tǒng)大戰(zhàn)中越來越突出。其主要特點如下[2>:
* 功能界面美觀 Windows窗口，用戶熟悉，方便易用;
* 改進(jìn)的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核最小配置可小至200KB，可以滿足工業(yè)設(shè)備實時性的要求;
* 編程方便與Windows API的良好銜接，使Windows 編程人員可以很快進(jìn)入CE編程，降低開發(fā)成本、縮短投放市場時間;
* NET Compact Framework 實現(xiàn)硬件與操作系統(tǒng)無關(guān)性;
* 集成ipv6 提供無限、低廉但先進(jìn)的網(wǎng)路和應(yīng)用系統(tǒng);
* 開放源代碼 2003年4月9日,MS公司公開Windows CE操作系統(tǒng)軟件部分源代碼，以反擊免費軟件Linux;
* 最后一點，微軟公司強(qiáng)大的技術(shù)創(chuàng)新能力和市場開拓能力。提供長期的服務(wù)保證和技術(shù)支持能力
2.4 應(yīng)用程序
應(yīng)用程序的開發(fā)我們選用北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司MCGS嵌入版組態(tài)軟件。MCGS嵌入版組態(tài)軟件是針對Windows CE實時多任務(wù)操作系統(tǒng)的組態(tài)軟件。用戶只需要通過簡單的組態(tài)就可構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)，從而將用戶從繁瑣的編程中解脫出來，使用戶在使用嵌入式系統(tǒng)時更加得心應(yīng)手。MCGS嵌入式體系結(jié)構(gòu)分為組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩部分，組態(tài)環(huán)境相當(dāng)于一套完整的工具軟件，在PC機(jī)上運行，用簡單的模塊化設(shè)計幫助用戶構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)，組態(tài)好的應(yīng)用系統(tǒng)通過以太網(wǎng)或串口下載到嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE中實時運行。嵌入版組態(tài)軟件的按功能剪裁的特性，以及其內(nèi)嵌的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，可以在保證整個嵌入系統(tǒng)小體積、低成本、高實時性、高可靠性的同時，方便不具備嵌入式軟件開發(fā)經(jīng)驗的用戶在極短的時間內(nèi)，用嵌入版組態(tài)軟件快速開發(fā)完成一個嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，縮短嵌入式產(chǎn)品進(jìn)入市場的速度。

3 應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)

我們的工程是一個智能家居的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過它能實現(xiàn)以下功能:
(1) 對電氣設(shè)備的控制和管理:能遠(yuǎn)程控制燈、熱水器以及空調(diào)等電氣設(shè)備;
(2) 家居安全:家庭內(nèi)部出現(xiàn)的緊急情況(如盜搶和火災(zāi) )能自動向主人手機(jī)或物業(yè)管理中心報警。家庭成員的醫(yī)療求助信息能遠(yuǎn)傳到社區(qū)醫(yī)療中心。
(3) 能源管理:三表自動顯示并將數(shù)據(jù)抄送到物業(yè)管理中心,免除物業(yè)人員的入室干擾，定時開關(guān)供暖通路及天然氣,節(jié)約費用和保證安全。
3.1 系統(tǒng)硬件
系統(tǒng)硬件我們經(jīng)過考慮采用臺灣研華科技公司的嵌入式工控主板PCM-3350和PCM-3618多串口卡，PCM-3350是一塊96mm x 90mm英寸的基于pc-104總線結(jié)構(gòu)的主板，體積最小，但在功能上卻具備了一臺完備的電腦所要求的所有功能。內(nèi)置美國國家半導(dǎo)體公司的Embedded Low power Geode GX1-233 MHz processor，自帶10/100Base-T 網(wǎng)卡。板載 LCD 控制器支持 36 位圖像，帶有2個串口和1個并口、1個軟驅(qū)接口、1個CF卡電子盤接口和1個IDE接口，主板功耗小于10W，由于本用戶系統(tǒng)外界設(shè)備較多，所以又選用一塊基于PC-104總線，有4個標(biāo)準(zhǔn)的RS232串口的PCM-3618多串口卡。
系統(tǒng)配置方式是將3618插到3350主板上，設(shè)置好3618的中斷和基地址，然后用WIN CE的開發(fā)平臺Plateform Builder 4.2來進(jìn)行相應(yīng)的CE操作系統(tǒng)配置>，由于微軟提供的標(biāo)準(zhǔn)串口驅(qū)動不支持多串口共享中斷，而系統(tǒng)又沒有足夠的中斷供多串口使用，所以必須開發(fā)相應(yīng)的可共享中斷的多串口驅(qū)動。有了串口驅(qū)動，將其加入Plateform Builder 4.2的用戶組件庫中，然后再相應(yīng)的加入顯卡，并口，USB，鼠標(biāo)鍵盤驅(qū)動,以及一些應(yīng)用服務(wù)如:MFC類庫，硬盤驅(qū)動,USB各功能模塊(打印，存儲等)，加入觸摸屏用于現(xiàn)場人機(jī)交互，加入Web server用于遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問，加入局域網(wǎng)上網(wǎng)，撥號上網(wǎng)功能。這些都確定后，然后配置相應(yīng)的內(nèi)存和上面各種功能的相應(yīng)注冊表鍵值，然后編譯操作系統(tǒng)鏡像，下載，進(jìn)行相應(yīng)的操作系統(tǒng)功能測試就可以了。
3.2 用戶工程
通過MCGS嵌入版組態(tài)軟件在上位機(jī)來對用戶工程進(jìn)行組態(tài)，用戶工程各個功能的實現(xiàn)通過如下實現(xiàn):
(1) 對電氣設(shè)備的控制和管理, 通過mcgs軟件的model遠(yuǎn)程撥號來控制燈、熱水器以及空調(diào)等電氣設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)。采用研華4060模塊來控制各個器件的開關(guān)狀態(tài)，組態(tài)過程中加入4060模塊驅(qū)動，加入modeml設(shè)備，設(shè)定遠(yuǎn)程撥號的一些信號指令，用這些信號通過modeml作用到工作站，工作站分析這些信號，發(fā)出相應(yīng)的控制信號來控制4060模塊的輸出信號來間接控制各個電器狀態(tài)。以次實現(xiàn)諸如在炎熱的夏天可以在到家前的半小時打開空調(diào)，等一回到家里就可以享受到舒適的家居生活。
(2) 家居安全,通過家庭內(nèi)部的實時信號采集監(jiān)控設(shè)備來實時監(jiān)控家庭內(nèi)部各個環(huán)境信號，然后通過mcgse軟件的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)同步將數(shù)據(jù)同步到物業(yè)管理中心的遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(jī)上。在遠(yuǎn)程計算機(jī)上運行我們的mcgs通用版組態(tài)軟件，組態(tài)時設(shè)置好各個設(shè)備的報警參數(shù)。實際運行時它可對下位機(jī)同步過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計，如果有異常數(shù)據(jù)可立即進(jìn)行報警。如此，物業(yè)管理中心就可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控家居情況。
(3) 能源管理,通過用戶工程對各種智能電表、智能水表參數(shù)等智能設(shè)備進(jìn)行通訊，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，并定期將數(shù)據(jù)同步到物業(yè)管理中心的遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)上，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表。此外，當(dāng)用戶該交水費、電費等費用時，物業(yè)管理中心亦可通過其遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)向用戶的工作站下位機(jī)發(fā)送相應(yīng)信號進(jìn)行報警，提醒用戶。實現(xiàn)高效的能源管理。
本系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如如圖1所示:

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開發(fā)結(jié)束后，通過網(wǎng)線將工程直接下載到PCM-3350的CF卡電子盤上即可。系統(tǒng)啟動后自動進(jìn)入運行工程。

4 結(jié)束語

本文簡單介紹了嵌入式系統(tǒng)軟硬件的最新進(jìn)展，并結(jié)合MCGS嵌入版組態(tài)軟件的功能，對其在智能家居中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，此方法構(gòu)造的系統(tǒng)模塊集成度高，體積小，可靠性高，在智能家居工程中有很好的應(yīng)用。