Cómo implementar un sistema de monitoreo remoto inalámbrico
El uso de microcontroladores es la primera opción a la hora de diseñar la mayoría de sistemas integrados. Debido a los ricos periféricos integrados en el chip y las buenas capacidades de control, el microcontrolador está naturalmente hecho a medida para sistemas integrados y ocupa la mayor participación en el mercado integrado.
El esquema de diseño basado en un microordenador de un solo chip es generalmente adecuado para sistemas de monitoreo remoto que tienen bajos requisitos de procesamiento de datos y una pequeña cantidad de cálculo. Dependiendo de las necesidades, el microcontrolador puede elegir una máquina de 4 bits o una máquina de 8 bits de gama relativamente baja, como 8051, etc., o un chip especializado con funciones más potentes, como la serie MSP430FE42X. El microcontrolador se utiliza principalmente para el control del sistema en la estación de monitoreo. Las memorias fuera del chip son generalmente memorias como RAM, EEPROM y Flash; los dispositivos de E/S son generalmente teclados, pantallas LCD y otras interfaces de interacción persona-computadora para diseño y depuración, generalmente son dispositivos como micrófonos, cámaras, parlantes, y servomotores. La implementación de una interfaz de comunicación inalámbrica es relativamente compleja. Los códecs son opcionales y generalmente no son necesarios para datos de baja velocidad. Dependiendo de las tareas de procesamiento del sistema y del tipo de información, el códec puede utilizar diferentes núcleos, como CMX639 (para audio) o LD9320, etc. También se puede implementar con dispositivos lógicos programados. El software de la estación de monitoreo se puede implementar directamente a través de C o lenguaje ensamblador, o el software de aplicación se puede desarrollar en un sistema operativo en tiempo real. Para los microcontroladores de gama baja de 4 u 8 bits, las capacidades de control son bajas y el sistema es simple. Generalmente se utiliza el método de escribir directamente el programa de control. Para sistemas con funciones relativamente potentes e interacciones complejas entre dispositivos, la mayoría utiliza el sistema operativo para la gestión de tareas y la interacción del dispositivo, y el software de la aplicación solo completa el procesamiento de datos de la capa superior y otros trabajos. Como todos sabemos, DSP tiene sólidas capacidades de procesamiento digital, la tecnología es muy madura y hay muchos chips de propósito general y especial que pueden manejar diversas operaciones. La estación de monitoreo diseñada y desarrollada con DSP como núcleo puede completar el procesamiento de datos de alta velocidad y garantizar los requisitos en tiempo real del sistema.
Este tipo de esquema de diseño es generalmente adecuado para sistemas de monitoreo con operaciones de procesamiento de datos relativamente grandes, altos requisitos de tiempo real y requisitos de capacidad de control relativamente bajos. A diferencia del sistema de monitoreo basado en una microcomputadora de un solo chip, además de usarse como controlador, el DSP también se puede usar para el cálculo y codificación/decodificación de datos. Se debe considerar de manera integral si el DSP aún completa operaciones de codificación/decodificación y compresión y descompresión más complejas (como el procesamiento de datos de imágenes y videos, etc.). Si el DSP tiene una carga demasiado pesada en términos de control del sistema y la implementación del protocolo de transmisión, esta parte de la operación debe ser completada por un chip de procesamiento especializado si el control del sistema y el protocolo de transmisión son relativamente simples o no hay una capa superior; pila de protocolos, entonces esta parte de la operación compleja se puede completar mediante DSP. Obviamente, este método de diseño se basa en las ventajas respectivas del microcontrolador y el DSP: las características del microcontrolador determinan que sea bueno en control y la estructura interna del DSP garantiza una sólida capacidad de procesamiento de datos. La combinación de los dos puede realizar algunas funciones del sistema bastante complejas, pero dado que se utilizan dos procesadores en el sistema, la interacción de información entre ellos es una consideración importante al diseñar este tipo de estación de monitoreo. Sólo cuando el microcontrolador y el DSP funcionan bien juntos se pueden aprovechar al máximo las ventajas de cada uno, de lo contrario, se consumirá una gran cantidad de recursos debido a la coordinación entre los dos y el rendimiento general puede no ser mayor que el de un sistema que lo utilice; un solo procesador. Un método común para lograr la coordinación de la comunicación entre el microcontrolador y el DSP es utilizar RAM de doble puerto.
Para ampliar el alcance aplicable del chip, algunos fabricantes de DSP o microcontroladores amplían la base original e incorporan las características de cada uno, de modo que el mismo chip tenga un mejor rendimiento en el procesamiento y control de datos. Por ejemplo, el dsPIC lanzado por Microchip permite a los clientes transferir fácilmente las funciones de un microcontrolador a un DSP. Los productos lanzados incluyen la serie dsPIC30FXXX. Dado que los dos módulos funcionales de DSP y MCU están implementados en el mismo chip, se mejora la confiabilidad del sistema, se reduce la dificultad de diseño de la estación de monitoreo y se ahorra espacio en la placa impresa. Este tipo de chip es el preferido por una gran cantidad de usuarios. Implementación de diseño basado en MPU
Otra opción para diseñar productos integrados es adoptar un enfoque de diseño basado en microprocesador.
En comparación con las computadoras de control industrial, los microprocesadores integrados tienen las ventajas de tamaño pequeño, peso liviano, bajo costo y alta confiabilidad. Al mismo tiempo, la tecnología en este campo es madura, hay muchos tipos de productos y hay una gran variedad de opciones; espacio para cumplir con diversos requisitos de rendimiento de los procesadores Relativamente fácil de obtener. Con la aparición de MPU de alto rendimiento que utilizan sistemas RISC (como chips de procesador que utilizan arquitectura ARM, etc.), las MPU tienen un papel duradero en el campo integrado; sin embargo, al diseñar una estación de monitoreo, la placa de circuito debe incluir ROM, RAM; , Flash, interfaces de bus y varios periféricos y otros dispositivos, la confiabilidad del sistema se reducirá, la confidencialidad técnica será deficiente y la implementación será difícil.
Selección de sistemas operativos en tiempo real y desarrollo de software integrado en tiempo real
Existen muchos tipos de sistemas operativos en tiempo real (RTOS) con diferentes estructuras de software, que se pueden aplicar a varias aplicaciones con diferentes niveles de complejidad, incluido el sistema de consulta en bucle, el sistema front-end y backend, el sistema multitarea en tiempo real y el sistema multiprocesador, etc. Los ejemplos específicos incluyen VxWorks, pSOS, QNX, Palm OS, Windows CE, lynx OS y Linux integrado, etc. La importancia de elegir un RTOS adecuado para la estación de monitoreo e incluso para todo el sistema de monitoreo remoto inalámbrico es evidente y puede estar relacionada con el éxito o el fracaso de todo el desarrollo del sistema. El proceso de selección es complicado y requiere paciencia: es necesario comprender las características y el ámbito de aplicación de cada RTOS y comparar las diferencias entre ellos para encontrar el más adecuado. Al elegir comparar, los principales factores a considerar son:
① Si el RTOS puede admitir el lenguaje y el microprocesador utilizados en el proyecto
② Si el RTOS puede funcionar con ICE; compiladores y ensambladores, adaptadores, conectores y moduladores de código fuente funcionan juntos;
③Si el RTOS admite los servicios que se utilizarán en el diseño, como colas de mensajes, tiempos y semáforos, etc.;
④ Si RTOS puede cumplir con los requisitos de rendimiento de los productos de aplicaciones, como los requisitos en tiempo real
⑤ Si puede obtener los componentes necesarios para el desarrollo de productos, como pilas de protocolos y servicios de confianza; -bases de datos en tiempo, servicios web, etc.;
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⑥Si RTOS puede proporcionar controladores de dispositivos para hardware vendido públicamente;
⑦¿Es gratuito usar RTOS?
⑧Se puede obtener el código objeto;
⑨Cuánto soporte técnico se obtiene;
⑩Para RTOS que requiere autorización, ¿cuál es el método de autorización?
El desarrollo de software integrado en tiempo real tiene muchas similitudes con el desarrollo de software tradicional y hereda muchos hábitos de desarrollo de software tradicionales, sin embargo, debido a las funciones especiales y el entorno operativo del software integrado en tiempo real, Es diferente del software tradicional. El desarrollo de software es diferente. El software integrado en tiempo real se desarrolla utilizando un enfoque de desarrollo cruzado. El llamado desarrollo cruzado significa que el entorno en el que se implementa, compila y conecta el código del programa es diferente del entorno en el que se depura y ejecuta. El primero se basa en una plataforma de microcomputadora ordinaria y el segundo se basa en una plataforma de hardware de sistema integrado. El proceso de depuración se lleva a cabo principalmente con la cooperación de la máquina host y la máquina de destino con conexiones de comunicación. Una vez completado el desarrollo, se requieren pruebas de curado y curado. Además, el proceso de desarrollo también requiere las herramientas de desarrollo correspondientes, incluidos compiladores cruzados, depuradores cruzados y algún software de simulación. Los sistemas de aplicaciones integrados utilizan tareas como unidad de ejecución básica, reemplazan múltiples módulos de software general con múltiples tareas simultáneas y definen las interfaces entre las tareas del software de aplicación. Dado que el rendimiento en tiempo real de todo el sistema de monitoreo remoto inalámbrico se ve afectado por el RTOS y el software de la aplicación, sus requisitos en tiempo real deben considerarse completamente durante la etapa de análisis de requisitos del software. Además, el software de aplicación integrado tiene requisitos estrictos en cuanto a estabilidad, confiabilidad, antiinterferencias y otros rendimientos, por lo que el desarrollo de software integrado en tiempo real es más difícil.
El diseño de la comunicación inalámbrica El diseño de la comunicación inalámbrica es relativamente simple en comparación con las estaciones de monitoreo. Existen muchos productos y sistemas de comunicación que se pueden utilizar. El objetivo es crear la solución óptima a partir de una variedad. de métodos de implementación.
Los métodos de implementación comúnmente utilizados incluyen: usar redes de comunicación existentes (GSM/GPRS, red móvil CDMA, etc.) y los productos de comunicación inalámbrica correspondientes a través de equipos transceptores inalámbricos, como módems inalámbricos, puentes inalámbricos y otros especializados; LAN inalámbrica; el chip integrado del transceptor se utiliza para realizar comunicación inalámbrica entre el nivel de la placa de circuito y el centro de monitoreo en la estación de monitoreo.
Utilizar las redes existentes para realizar comunicación inalámbrica entre estaciones de monitoreo y centros de monitoreo. Hay muchas redes de comunicación existentes, y la construcción de redes de acuerdo con el negocio es una característica de las redes de comunicación anteriores a 3G, y las redes inalámbricas no son una excepción. Las redes inalámbricas que se pueden utilizar para diseñar sistemas de monitoreo remoto inalámbrico incluyen principalmente: Sistema Móvil Digital Global (GSM), Servicio General de Radio por Paquetes (GPRS), redes móviles que utilizan tecnología de acceso múltiple por división de código (CDMA), Datos Celulares Digitales por Paquetes (CDPD). ) )sistema.
GSM (Globem System for Mobile) es el estándar 2G más importante del mundo, que puede proporcionar una alta calidad de comunicación en condiciones de bajo costo de servicio y bajo costo de terminal. En lo que respecta a su negocio, GSM es una RDSI (Red Digital de Servicios Integrados) móvil que puede proporcionar una variedad de servicios.
GPRS (Servicio General de Radio por Paquetes) agrega algunos equipos de hardware y actualizaciones de software a la red GSM existente para formar una nueva entidad lógica de red. Se basa en tecnología de conmutación de paquetes y adopta el protocolo de red de datos IP para mejorar la velocidad de transmisión del servicio de datos de la red GSM existente, hasta 170 kb/s. GPRS introduce la tecnología de conmutación de paquetes en el sistema GSM existente, integrando comunicaciones móviles y redes de datos en una sola, con las características de "transmisión extremadamente rápida", "siempre en línea" y "precio asequible".
La red CDMA (Acceso múltiple por división de código) adopta tecnología de espectro ensanchado y utiliza una variedad de métodos de recepción de diversidad, lo que la hace tener las características de gran capacidad, buena calidad de comunicación, alta confidencialidad y gran capacidad antiinterferencias. .
La comunicación de datos móviles inalámbrica CDPD (Cellular Digital Data) se basa en la tecnología de comunicación de datos por paquetes digitales, que utiliza la comunicación móvil celular como forma de red y es una combinación de transmisión de datos y comunicación móvil. Este método de comunicación se basa en TCP/IP y la estructura del sistema es abierta, lo que proporciona conexiones perfectas a la red de la misma capa y servicios de red multiprotocolo. La red CDPD tiene las características de alta velocidad y alta seguridad de datos. Puede interconectarse con redes de datos públicas cableadas y es muy adecuada para transmitir datos en tiempo real, en ráfagas y en línea.
Para permitir la comunicación inalámbrica entre el centro de monitoreo y las estaciones de monitoreo para utilizar las redes existentes, se requiere el equipo de acceso correspondiente para redes inalámbricas específicas. Existen productos disponibles en el mercado para este tipo de equipos. Los módulos de comunicación para acceder a la red GSM incluyen SIEMENS TC35i de Siemens. Para acceso GPRS, se puede utilizar el módulo MC35GPRS de Siemens. Para acceder a la red CDMA, se encuentran el módulo CDMA Holley H110 y el módem CDMA de AnyDATA (DTS-800/1800). el método CDPD. Los módems inalámbricos más populares son OmniSky y NovatelMinstrel.
Utilice la red existente para construir un sistema de monitoreo remoto inalámbrico. La conexión de red se muestra en la Figura 1. Entre ellos, los productos de módulos de acceso inalámbrico generalmente proporcionan RS232 como interfaz de comunicación externa y algunas antenas están integradas. Al utilizar la amplia cobertura y las capacidades de roaming de la red existente, las ubicaciones de las estaciones de monitoreo y los centros de control no están restringidas por la distancia; sin embargo, debido al uso de redes públicas, la seguridad se reducirá;
Establecimiento de una LAN inalámbrica a través de un equipo transceptor inalámbrico dedicado. Este método de implementación de diseño tiene una estructura simple y no requiere pago al operador de red, utiliza una red privada y tiene alta seguridad. La transmisión inalámbrica utiliza microondas como medio de transmisión. Según los diferentes métodos de modulación, se puede dividir en dos tipos: método de espectro ensanchado y método de modulación de banda estrecha. El sistema de espectro ensanchado tiene una alta capacidad antiinterferencia y seguridad, y causa poca interferencia a otros equipos electrónicos.
El método de modulación de banda estrecha ocupa menos banda de frecuencia y tiene una tasa de utilización de banda de frecuencia alta; generalmente se selecciona una banda de frecuencia dedicada y requiere aplicación, la influencia entre canales adyacentes es grande y no se puede garantizar la calidad y confiabilidad de la comunicación.
La topología de una LAN inalámbrica que utiliza un equipo transceptor inalámbrico dedicado se muestra en la Figura 2. El equipo transceptor inalámbrico incluye módems inalámbricos y puentes inalámbricos. La comunicación RS232 se utiliza entre el módem inalámbrico y la estación de monitoreo y el centro de control. Si se utiliza un puente para construir equipos para la red, la topología de la red será más flexible, como se muestra en la Figura 3. La red cableada en ambos extremos de la red inalámbrica es opcional y puede ser una red de área local como Ethernet, red Token Ring o red punto a punto. También puede ser una red de área metropolitana o incluso Internet, pero se deben considerar cuestiones de seguridad y costos al utilizar la red pública.
Comunicación inalámbrica implementada en la estación de monitoreo utilizando chips transceptores integrados Una de las características de los dos primeros métodos de red es que utilizan sistemas y productos de red existentes. La parte de comunicación inalámbrica no requiere un desarrollo especial. relativamente fácil de implementar. Sin embargo, dado que los productos adquiridos son componentes independientes, todo el sistema, especialmente el extremo de la estación de monitoreo, tiene una estructura compleja y un gran volumen, lo que a menudo trae desventajas a la hora de promocionar el sistema, y los productos adquiridos aumentarán el costo del sistema. Si las funciones de los productos adquiridos pueden integrarse con la estación de monitoreo e implementarse a nivel de placa de circuito, se pueden evitar las desventajas anteriores; sin embargo, esto aumentará la dificultad del desarrollo del sistema y prolongará el ciclo de desarrollo; Es necesario sopesar los pros y los contras y tomar la decisión más beneficiosa en función de la solidez de desarrollo del equipo del proyecto y el ciclo de vida del sistema.
Las únicas partes que deben implementarse para diseñar una estación de monitoreo utilizando este método son las interfaces de comunicación inalámbrica en las Figuras 1, 2 y 3 (consulte la versión completa en línea de este artículo). El diagrama de bloques en tiempo real de esta parte del hardware y la relación entre el procesador y la memoria se muestran aproximadamente en la Figura 4. Cada submódulo tiene una variedad de chips para elegir, como ML2751 y RTF6900 para front-end de radiofrecuencia, ML2722 para modulación/demodulación, LD9002DX2 y Stel-2000A para espectro ensanchado y desensanchado.
Diseño e implementación del centro de control
En comparación con el diseño y desarrollo de la estación de monitoreo, el diseño del centro de control es relativamente simple, con menos diseño de hardware, excepto los ordinarios. También se requieren microcomputadoras (o estaciones de trabajo, computadoras industriales) y equipos de acceso a la red (si la comunicación inalámbrica se implementa utilizando un módulo de diseño propio, se debe desarrollar una tarjeta de red inalámbrica dedicada e insertarla en la ranura de bus reservada de la placa base de la microcomputadora). El diseño y desarrollo del centro de control se centra principalmente en el diseño y desarrollo de software de aplicación, el cual generalmente se basa en sistemas operativos comunes como Windows y Unix. Actualmente, existen muchas herramientas para iniciar y depurar dicho software, y sus funciones son potentes, lo que aporta comodidad al diseño del software del centro de control.
En lo que respecta a la forma de implementación del software, generalmente, excepto el módulo de interfaz, todos los demás módulos funcionales se pueden diseñar como archivos de biblioteca de enlaces dinámicos (.dll). El módulo de interfaz hombre-máquina se puede personalizar para la aplicación práctica de este sistema de monitoreo remoto inalámbrico para cumplir con los requisitos especiales del usuario en términos de una interfaz hermosa y una operación conveniente.
El uso del lenguaje C/C para diseñar dicho software de sistema en un entorno de desarrollo VC implica muchas tecnologías, incluida la gestión de memoria, la comunicación en red, la gestión multiproceso y la programación de bases de datos, e incluso ActiveX.