監(jiān)控設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是整個(gè)無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研制開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，監(jiān)測(cè)站對(duì)信息數(shù)據(jù)處理的能力和精度將影響整個(gè)系統(tǒng)的最終性能。在整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，監(jiān)測(cè)站的設(shè)計(jì)是工作量最大、所需時(shí)間最長(zhǎng)的一部分。監(jiān)測(cè)站處于工作現(xiàn)場(chǎng)，只完成數(shù)據(jù)的采集、處理和控制，任務(wù)相對(duì)單一、固定，無(wú)須用詙大的臺(tái)式機(jī)來(lái)完成；考慮到節(jié)能和布放方便，監(jiān)測(cè)站多為嵌入式系統(tǒng)。根據(jù)整個(gè)無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，和對(duì)數(shù)據(jù)處理與對(duì)傳感器控制能力的要求，監(jiān)測(cè)站設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度和采用的具體技術(shù)是不一樣的。

采用單片機(jī)是大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的首選方案。由于在片上集成有豐富的外設(shè)，具有良好的控制能力，單片機(jī)天生就是為嵌放式系統(tǒng)度身定做的，在嵌入式市場(chǎng)上占據(jù)了最大的份額。

基于單片機(jī)的設(shè)計(jì)方案一般適用于對(duì)數(shù)據(jù)處理要求不高，運(yùn)算量不大的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)需要，單片機(jī)可以選用較為低端的4位機(jī)或8位機(jī)，如8051等，也可選用功能較強(qiáng)的專(zhuān)用芯片，如MSP430FE42X系列。單片機(jī)主要用于監(jiān)測(cè)站端的系統(tǒng)控制。片外存儲(chǔ)器一般為RAM、EEPROM和Flash等存儲(chǔ)器；I/O設(shè)備一般為鍵盤(pán)、LCD等供設(shè)計(jì)調(diào)試用的人機(jī)交互接口；傳感器一般為話(huà)筒、攝像頭、揚(yáng)聲器和伺服馬達(dá)一類(lèi)的設(shè)備。無(wú)線(xiàn)通信接口實(shí)現(xiàn)相對(duì)較為復(fù)雜。編解碼器是可取舍的，對(duì)于低速率數(shù)據(jù)一般沒(méi)有必要。根據(jù)系統(tǒng)的處理任務(wù)和信息的類(lèi)別，編解碼器可選用不同的芯生， 如CMX639（用于音頻）或LD9320等，也可用編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)。監(jiān)測(cè)站軟件可直接通過(guò)C或匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，也可在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件。對(duì)于低檔的4位或8位單片機(jī)，控制能力較低，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，一般采用直接編寫(xiě)控制程序的方法。對(duì)于功能較強(qiáng)大，各設(shè)備間交互復(fù)雜的系統(tǒng)而言，大多數(shù)是利用操作系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行任務(wù)管理、設(shè)備交互，應(yīng)用軟件只是完成上層的數(shù)據(jù)處理等工作。

眾所周知，DSP的數(shù)字處理方面能力較強(qiáng)，技術(shù)已經(jīng)很成熟，能處理各種運(yùn)算的通用、專(zhuān)用芯片也很多。以DSP為核心設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的監(jiān)測(cè)站，可以完成高速率數(shù)據(jù)處理，保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性方面的要求。

這類(lèi)設(shè)計(jì)方案一般適用于數(shù)據(jù)處理運(yùn)算量比較大，實(shí)時(shí)性要求高而對(duì)控制能力要求相對(duì)較低的監(jiān)控系統(tǒng)。與以單片機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng)不同的是，DSP除了作控制器以外，還可兼作數(shù)據(jù)計(jì)算、編/解碼之用。對(duì)于較復(fù)雜的編/解碼以及壓縮解壓運(yùn)算（比如對(duì)圖像視頻數(shù)據(jù)的處理等）是否仍由DSP完成，須綜合考慮。若DSP在系統(tǒng)控制和實(shí)現(xiàn)傳輸協(xié)議方面負(fù)擔(dān)太重，則這部分運(yùn)算需要由專(zhuān)門(mén)的處理芯片完成；若系統(tǒng)控制和傳輸協(xié)議較簡(jiǎn)單，或根本沒(méi)有到上層協(xié)議棧，則這部分復(fù)雜的運(yùn)算可由DSP完成。

顯然，這種設(shè)計(jì)方式吸取了單片機(jī)和DSP各自的優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)纹瑱C(jī)的特點(diǎn)決定其擅長(zhǎng)于控制，DSP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)保證較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。兩者的組合可實(shí)現(xiàn)一些相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)功能，但由于系統(tǒng)中采用了兩個(gè)處理器，其間的信息交互是設(shè)計(jì)這類(lèi)監(jiān)測(cè)站時(shí)須著重考慮的問(wèn)題。只有單片機(jī)和DSP之間較好地協(xié)同工作，才能充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)；否則，由于兩者間的協(xié)調(diào)而耗費(fèi)了大量資源，整體性能未必高于采用單一處理器的系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和DSP間通信協(xié)調(diào)的常用方法是采用雙口RAM。

目前，有些DSP或單片機(jī)廠(chǎng)家為了擴(kuò)大芯片的適用范圍，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，相互間容入了對(duì)方的特點(diǎn)，使同一芯片在數(shù)據(jù)處理和控制方面同時(shí)具有較好的性能。比如Microchip公司推出的dsPIC，使客戶(hù)能方便地將單片機(jī)的功能轉(zhuǎn)移到DSP上，目前推出的產(chǎn)品有dsPIC30FXXX系列。由于DSP和MCU兩個(gè)功能模塊在同一芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的可靠性、降低了監(jiān)測(cè)站的設(shè)計(jì)難度并節(jié)省印制板空間。這類(lèi)芯片得到廣大用戶(hù)的青睞。

設(shè)計(jì)嵌入式產(chǎn)品的另一可選方案是采用基于微處理器的設(shè)計(jì)方式。與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，在該領(lǐng)域技術(shù)成熟、產(chǎn)品類(lèi)型多、選擇空間大，滿(mǎn)足各種性能需求的處理器比較容易獲得。隨著采用RISC體系的高性能MPU（比如采用ARM構(gòu)架的處理器芯片等）的出現(xiàn)，MPU在嵌入式領(lǐng)域中的地位經(jīng)久不衰；但是，由于在設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)站時(shí)，電路板上必須包括ROM、RAM、Flash、總線(xiàn)接口和各種外設(shè)等器件，系統(tǒng)的可靠性將有所下降，技術(shù)保密性差，實(shí)現(xiàn)難度也較大。

無(wú)線(xiàn)通信的設(shè)計(jì)相對(duì)于監(jiān)測(cè)站而言較簡(jiǎn)單，有許多現(xiàn)有的產(chǎn)品和通信系統(tǒng)可以利用，重點(diǎn)只是在于從多種實(shí)現(xiàn)方式中作出最優(yōu)的選擇。

常用的實(shí)現(xiàn)方式有：利用現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)（GSM/GPRS、CDMA移動(dòng)網(wǎng)等）和相應(yīng)的無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)品；通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)設(shè)備，如無(wú)線(xiàn)Modem，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋等專(zhuān)門(mén)的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)；利用收發(fā)集成芯片在監(jiān)測(cè)站端實(shí)現(xiàn)電路板級(jí)與監(jiān)控中心的無(wú)線(xiàn)通信。

現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)較多，按業(yè)務(wù)建網(wǎng)是3G以前通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)也不例外。設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以借用的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)主要有：全球數(shù)字移動(dòng)電話(huà)系統(tǒng)（GSM）、通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)（GPRS）、采用碼分多址（CDMA）技術(shù)的移動(dòng)網(wǎng)、蜂窩式數(shù)字分組數(shù)據(jù)（CDPD）系統(tǒng)。

GSM（Globem System for Mobile）是全球最主要的2G標(biāo)準(zhǔn)，能夠在低服務(wù)成本、低終端成本條件下提供較高的通信質(zhì)量。就其業(yè)務(wù)而言，GSM是一個(gè)能夠提供多種業(yè)務(wù)的移動(dòng)ISDN（Integrated Services Digital Network，綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)）。

GPRS（General Packet Packet Radio Service）在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上增加一些硬件設(shè)備和軟件升級(jí)，形成一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)邏輯實(shí)體。它以分組交換技術(shù)為基礎(chǔ)，采用IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，提高了現(xiàn)有的GSM網(wǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸速率，最高可達(dá)170kb/s。GPRS把分組交換技術(shù)引入現(xiàn)有GSM系統(tǒng)，使得移動(dòng)通信和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)合二為一，具有“極速傳送”、“永遠(yuǎn)在線(xiàn)”、“價(jià)格實(shí)惠”等特點(diǎn)。

CDMA（Code Division Multiple Access）網(wǎng)絡(luò)采用擴(kuò)展頻譜技術(shù)，使用多種分集接收方式，使其具有容量大、通信質(zhì)量好、保密性高和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

CDPD（Cellular Digital Data）無(wú)線(xiàn)移動(dòng)數(shù)據(jù)通信基于數(shù)字分組數(shù)據(jù)通信技術(shù)，以蜂窩移動(dòng)通信為組網(wǎng)形式，是數(shù)據(jù)朎與移動(dòng)通信的結(jié)合物。這種通信方式基于TCP/IP，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為開(kāi)放式，提供同層網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫連接和多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。CDPD網(wǎng)絡(luò)具有速度快、數(shù)據(jù)安全性高等特點(diǎn)，可與公用有線(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，非常適合傳輸實(shí)時(shí)、突發(fā)性和在線(xiàn)數(shù)據(jù)。

對(duì)使監(jiān)控中心與監(jiān)測(cè)站間的無(wú)線(xiàn)通信能利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于特定的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)需用相應(yīng)的接入設(shè)備。這類(lèi)設(shè)備市面上有現(xiàn)成的產(chǎn)品可供選擇。接入GSM網(wǎng)絡(luò)的通信模塊有西門(mén)子的SIEMENS TC35i，接入GPRS可用西門(mén)子的MC35GPRS模塊，接入CDMA網(wǎng)絡(luò)的有華立H110 CDMA模塊和AnyDATA公司的CDMA Modem(DTS-800/1800），遵循CDPD方式的無(wú)線(xiàn)調(diào)制解調(diào)器（Modem）有OmniSky和NovatelMinstrel。

利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)組建無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)連接如圖1所示。其中無(wú)線(xiàn)接入模塊產(chǎn)品一般都提供有RS232作為外通信接口，有些天線(xiàn)是內(nèi)置的。利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣和可漫游等特點(diǎn)，使監(jiān)測(cè)站和控制中心的位置不受距離的限制；但由于利用公網(wǎng)，安全性會(huì)有所降低。

前兩種組網(wǎng)方式的一個(gè)特點(diǎn)是采用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和產(chǎn)品，無(wú)線(xiàn)通信部分不須專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)較為容易。但由于所購(gòu)買(mǎi)的產(chǎn)品均是獨(dú)立器件，使整個(gè)系統(tǒng)特別是監(jiān)測(cè)站一端結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，往往在系統(tǒng)推廣時(shí)會(huì)帶來(lái)不利，且外購(gòu)產(chǎn)品會(huì)增加系統(tǒng)的成本。若能將外購(gòu)產(chǎn)品的功能與監(jiān)測(cè)站集成在一起，在電路板級(jí)實(shí)現(xiàn)，將可以避免上述不利因素；但這會(huì)增加系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的難度，延長(zhǎng)研制周期。須權(quán)衡利弊，根據(jù)項(xiàng)目組的開(kāi)發(fā)實(shí)力和系統(tǒng)生命周期作最有利的選擇。

采用此方法設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)站需要實(shí)現(xiàn)的部分只是圖1、2和3中的無(wú)線(xiàn)通信接口（可參看本文的網(wǎng)絡(luò)版全文）。這部分的硬件實(shí)時(shí)框圖以及處理器、存儲(chǔ)器的關(guān)系大致如圖4所示。各個(gè)子模塊都有多種芯片可供選擇，比如射頻前端可用ML2751和RTF6900，實(shí)現(xiàn)調(diào)制/解調(diào)的有ML2722，擴(kuò)頻、解擴(kuò)可用LD9002DX2和Stel-2000A等。