CN101141339A - 基于嵌入式SoC芯片的无线网络工业监控管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于嵌入式SoC芯片的无线网络工业监控管理系统，属于电子通信、工业监控技术领域，由监控中心、若干采集转发器，对应各采集转发器的若干采集器和安装于采集器、采集转发器的软件构成，以及包括监控中心服务器端的相关软件，采集器、采集转发器中的SoC芯片内置32位RISC处理器内核，支持5种以上的功耗模式，内置网络协议栈，满足了无线测控前端对高性能、高可靠性，低功耗的多方面综合要求，采用了符合ZIGBEE标准的短距离无线通信网络，实现无线路由，达到现场智能化监控的目的，采用VPDN技术进行远程数据传输，本发明具有成本低廉，性能指标优越，立足国内后期维护升级方便的优势，适用于电子交易终端和水务监控系统及相关监控管理系统。

Description

基于嵌入式SoC芯片的无线网络工业监控管理系统

技术领域

本发明涉及一种基于嵌入式SoC芯片的无线网络工业监控管理系统，属于电子通信、工业监控技术领域。

背景技术

工业监控系统产品在工业控制中应用广泛，目前其功能越来越多样化，性能越来越强大，采用专用SOC芯片可以提高产品的竞争力，降低成本，是国内外科技的发展趋势。

目前远程测控终端已经成为构成企业综合自动化系统的核心装置。一个监控终端可以有几个，几十个或几百个I/O点，可以放置在测量点附近的现场。而且至少具备以下2种功能：数据采集及处理、数据传输(网络通信)，有的还具备更复杂的控制功能或逻辑控制功能、流量累计功能等等。

通过无线进行远程测控从80年代起介绍到中国并迅速得到广泛的应用。它在提高信号传输可靠性、减轻主机负担、减少信号电缆用量、节省安装费用等方面的优点也得到用户的肯定，可理想地实现企业中央监控与调度系统对生产现场一次仪表的遥测、遥控、遥信和遥调等功能。由于远程工业监控系统的应用非常广泛，所以国内外从事远程测控研制生产的单位很多，其中无线远程测控产品也比较多。国外的产品主要是有西门子，欧姆龙等著名跨国公司提供无线远程测控网络整个解决方案。国内公司主要有台湾研华，泓格，北京安控科技，中泰研创、浙江华立、深圳宏电、厦门桑容等公司研制生产有线或者无线的工业监控产品，目前在各个行业都有广泛的应用。但是这些产品都采用的多芯片的集成的设计方案，国内的产品也主要使用的是国外进口的核心芯片，产品生产成本比较高，而且升级维护都要得到国外厂商的支持。

国内在无线测控和传感网络领域的研究也已经在很多研究所和高校展开。中科院上海微系统所[凭借其在微系统和微型机电系统(MEMS)技术方面良好的基础，自从1998年就对无线传感器网络进行了跟踪和研究，已经通过系统集成的方式完成了一些终端节点和基站的研发。他们的很多工作都是与CDMA和GPRS技术相关。中科院电子所和沈阳自动化所也分别从传感器技术和控制技术角度入手开展工作，他们专注于传感或控制执行部分，对上层的通信技术和核心微处理器部分涉及较少；浙江大学现代控制工程研究所成立了“无线传感器网络控制实验室”，联合相关单位专门从事面向传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论方面的研究；山东省科学院于2004年10月正式启动了关于无线测控传感器网络终端操作系统的研究；另外中科院软件所、中科院自动化所、国防科技大学、清华大学、中国科学技术大学、哈尔滨工业大学、北京邮电大学、山东大学、南京大学等单位在无线测控、传感网络方面也都有一定的工作。从研究问题的深度和投入的科研力量来说，国内的水平相对国外落后，在点上的研究较多，缺少对整个系统的创新性研究，具有自主知识产权较少。

无线远程测控网络的一个重要优势是摆脱了传统传感器网络的连线限制，解决了成本问题，通过传感器技术、计算技术和无线通信技术的融合，大大缩短了人和自然之间的距离。但在工业环境特定的应用背景下，直接使用现有的芯片或者现在市场上已经存在的系统根本不能满足各个行业复杂的应用要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种嵌入式SOC芯片的无线网络工业监控管理系统，针对目前的工业监控前端中，通常需要由前端信号放大器芯片，高精度AD芯片，通道逻辑控制芯片，单片机或者通用的微处理器芯片，还有无线通讯通讯模块芯片等等，而由多芯片构成的设备存在着成本高昂，体积较大，功耗高，可靠性比较差的不足，因而在系统功耗、产品体积、处理能力、程序空间、数据空间等方面都受到了极大的限制，实现低成本、高性能、高可靠性的无线监控网络。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种基于嵌入式SoC芯片的无线网络工业监控管理系统，包括Window 2000 Server服务器的监控中心，其特征是所述的系统还包括由Soc芯片、显示器、键盘、射频模块、多选一的无线通信模块(CDMA/GPRS/SCDMA)构成的具有采用Zigbee协议、CDMA、GPRS、scdma多模通信的若干数据采集转发器；对应各数据采集转发器由包括Soc芯片、射频模块、电源构成的具有采用Zigbee协议短距离通信功能的若干采集器；包括安装于各采集器、采集转发器的软件，各采集器、采集转发器中Soc芯片经其短距离无线通信接口控制器连接各自的射频模块。

所述的Soc芯片在包括Sep3201芯片低功耗、高性能的32位RISC处理器内核，1个实时时钟(RTC)模块，3个16位计数器(TIMER)模块，1个可变脉宽调制(PWM)模块，2个同步串行口模块(SPI，12C)，SRAM，功耗控制模块，3个UART异步串行通信接口，中断控制器模块，LCD控制器电路的基础上设置有可调增益运算放大器(PGA)，多通道Δ-∑型A/D转换器，1个支持短距离无线通信接口控制器；传感器信号经由PGA处理连接至A/D转换器转换，通过SPI接口与Soc芯片相联，将数据送入RISC处理器内核。

所述的采集器利用SoC芯片中可调增益运算放大器对多种传感器的模拟信号进行处理，并经由多通道Δ-∑型A/D转换器进行模数转换，将数据送入Soc芯片CPU按照一定的增益调整算法进行计算，将最终结果数据进行存储或通过射频模块采用Zigbee协议将数据组包传送至邻近的采集转发器，采集器采用电池供电方式。

所述的采集转发器利用SoC芯片中可调增益运算放大器对多种传感器的模拟信号进行处理，并经由多通道Δ-∑型A/D转换器进行模数转换，将数据送入Soc芯片CPU按照一定的增益调整算法进行计算，将最终结果数据进行存储或通过射频模块采用Zigbee协议将数据组包传送至邻近的采集转发器，Soc芯片通过UART口采用AT指令集与CDMA/GPRS/SCDMA模块进行通信，键盘通过GPIO口与Soc芯片相连，显示屏通过LCDC端口挂接AMBA总线上与Soc芯片相连。

所述的采集器和采集转发器加载的软件基于Nucleus嵌入式操作系统，实现了基于ZigBee规范的0.8版本短距离无线通信协议栈，支持路由转发，内置兼容IEEE802.15.4PHY/MAC协议，支持AD-HOC自组网功能，实现了CDMA/GPRS/SCDMA等无线TCP/IP协议栈，软件能能够组建星型网组网、支持树型和簇型等复杂网络，通过射频模块与周边的采集器进行通信，可设定数据采集预处理规则，将数据进行处理并打包，实现短距离无线通信数据到远距离无线通信的转换，通过CDMA或GPRS或SCDMA模块发送至服务器端，还表现为采集转发器提供通过显示屏提供友好的操作界面，用户可通过键盘输入设置采集转发器的通信参数、预处理规则。

采集器、采集转发器可匹配4～20MA电流量采集、标准电压量采集两线制和三线制变送器、开关量采集等类型的传感器。

本发明是基于自主SOC芯片和嵌入式操作系统软硬件平台开发工业监控前端应用产品，该产品更适合在恶劣环境中工作；具有多种结构形式、多种配置和多种功能的选择，提供的I/O接口数量可从几个扩展到几百个，用户可根据实际需要进行定制、集成、开发和应用；灵活多样的通讯方式更是让用户在组建无线传输系统时轻松自如。

本发明基于的高性能片上系统SoC芯片，内置32位RISC处理器内核，支持5种以上的功耗模式，内置网络协议栈，该芯片在功能和性能上满足了无线测控前端对高性能、高可靠性，低功耗的多方面综合要求。以此为基础，本项目另外采用了符合ZIGBEE标准的短距离无线通信网络，实现无线路由，达到现场智能化监控的目的。同时，我们采用VPDN技术进行远程数据传输，以保证数据传输的可靠性和安全性。具有成本低廉，性能指标优越，立足国内后期维护升级方便的优势。采用ZIGBEE短距离通信技术，基于GPRS/CDMA1X的VPDN技术，并且依托片上系统SoC芯片实现复杂的数据传输协议最终实现一套低成本、高性能、高可靠性的无线监控网络，并且将该网络系统分别应用于电子交易终端和水务监控系统中，从而降低成本，扩展功能，使产品更具竟争力，达到国际同类先进产品水平。

附图说明

图1为本发明系统网络结构示意图；

图2为本发明中SoC芯片体系结构示意图；

图3为本发明中SoC芯片构成示意图；

图4为本发明中采集器、采集转发器结构示意图；

图5为本发明中采集器、采集转发器软件结构示意图；

图6监控中心服务器软件结构示意图；

具体实施方式

结合附图和实施例进一步说明本发明，如图1所示，本发明由包括Window 2000 Server服务器的监控中心，包括由Soc芯片、显示器、键盘、射频模块、多选一的无线通信模块(CDMA/GPRS/SCDMA)构成的具有采用Zigbee协议、CDMA、GPRS、scdma多模通信的若干数据采集转发器，对应各数据采集转发器包括由Soc芯片、射频模块、电源构成的具有采用Zigbee协议短距离通信功能的若干采集器，和安装于各采集器、采集转发器的软件构成；采集器、采集转发器中Soc芯片经其短距离无线通信接口控制器连接各自的射频模块。在服务器端包括数据库应用软件、监控开发应用软件、监控应用运行软件的支持下实现监控。

如图2所示，研制基于自主SoC芯片的无线工业监控前端应用平台，将功耗作为速度、面积之外的第三维设计约束条件，在目前SOC芯片基础上，进一步裁剪外围模块并集成模拟数据采集通道、功耗管理、短距离无线网络协议支持等IP模块，减小芯片面积，降低芯片功耗。借助SoC芯片内嵌支持IEEE802.15.4的物理层和数据链路层协议栈的接口模块，实现短距离无线通信协议。

研制工业监控前端监控终端产品，使该产品更适合在恶劣环境中工作；具有多种结构形式、多种配置和多种功能的选择，提供的I/O接口数量可从几个扩展到几百个，用户可根据实际需要进行定制、集成、开发和应用；灵活多样的通讯方式更是让用户在组建无线传输系统时轻松自如。采用经过特殊设计的组件模型，允许应用程序开发人员方便快捷地将独立组件组合到各层配件文件中，并在面向应用程序的顶层配件文件中完成应用的整体装配。采用主动消息机制，让应用程序开发者避免使用忙等方式等待消息数据的到来，而且可以在通信与计算之间形成重叠，这可以极大的提高处理器内核的使用效率，并减少能耗。

基于自主SoC芯片的前端监控产品实现多模无线网络通信，构成无线工业监控系统实现前端监控终端、可视控制组态平台、网络化可视监控组态平台。各种复杂控制方法和策略经可视控制组态后，可自动生成可执行代码，并通过以太网远程下载到现场网络化控制器直接运行，进而对被控对象进行直接控制，同时由网络化可视监控组态平台进行管理。结合先进的控制技术、通信网络技术和计算机技术，进行复杂控制算法和策略研究与实现，并进行系统控制性能评估的理想系统。通过该系统的强大的可视控制和监控组态平台功能和高性能的前端监控终端，可方便的组成复杂而完善的无线工业监控系统。

采用边界扫描，TOP层测试法检测SOC芯片，一种切实可行的可测试性设计策略是将模拟部分、数字部分和存储器部分分开。为了将测试信号传递给各部分和进行互连测试，用边界扫描(符合IEEE1149.1和1149.4)的控制器来控制芯片内各个芯核及专用逻辑的测试，采用层次化的测试访问机制来实现对各模块的控制，开展早期RTL可测试性分析，并综合运用内部扫描、BIST、边界扫描技术以及其他新的DFT技术，提高测试的故障覆盖率，缩短设计周期。

利用指令集仿真器进行仿真，我们从可执行的系统原型开始设计，利用指令集仿真器(ISS，Instruction Set Simulator)目标代码进行仿真，采用改进的系统级SoC设计方法，设计满足应用需求的SoC核心部件处理器的硬件模型和软件环境。采用软件开发中流行的程序设计C/C++语言实现该类应用算法。利用指令集仿真器ISS在处理器原型上进行仿真，分析该类算法具体每个功能的运算量和运行时间周期等参数，作为该处理器初始的性能指标

智能控制系统由上位机管理系统、数据库服务器、通讯接入服务器组成，包含计算机、工作台、不间断电源(UPS)、打印机、计量管理软件包等。

基于自主SoC芯片的嵌入式实时软件设计技术面向工业应用的嵌入式实时操作系统的关键在于面对密集并发的需求能够实时响应，设计具有优良性能，能够实时响应，并且功耗敏感的专用操作系统，是自主SOC芯片能够真正发挥作用的关键保证。在设计中，我们将采用任务加事件的两级调度的操作系统任务调度算法，调度的方式是任务不抢占事件要抢占，调度的算法是简单的FIFO，任务队列是功耗敏感。本调度模型有以下的特点，基本的任务单线程运行到结束，只分配单个任务栈，这对内存受限的系统很重要。FIFO的任务调度策略是电源敏感的。当任务队列为空，处理器休眠，等待事件发生来触发调度。采用两级的调度结构可以实现优先执行少量同事件相关的处理，同时打断长时间运行的任务。基于事件的调度策略，只需少量空间就可获得并发性，并允许独立的组件共享单个执行上下文。同事件相关的任务集合可以很快被处理，不允许阻塞，具有高度并发性。除了核心调度算法的重新设计以外，要实现适应于自主SOC芯片应用的操作系统，还要在以下几个方面进行改进：

采用经过特殊设计的组件模型，其目标是高效率的模块化和易于构造组件型应用软件。对于嵌入式系统而言，为了提高可靠性而又不牺牲性能，建立高效的组件模型是必需的。组件模型允许应用程序开发人员方便快捷地将独立组件组合到各层配件文件中，并在面向应用程序的顶层配件文件中完成应用的整体装配。

采用主动消息机制，主动消息模式是一个面向消息通信的高性能通信模式，早期应用于并行和分布式计算系统中。在主动消息通信方式中，每一个消息维护一个应用层级别的处理模块。当目标节点收到这个消息以后，就会把消息中的数据作为参数，并传递给应用层的处理器进行处理。主动消息机制可以让应用程序开发者避免使用忙等方式等待消息数据的到来，而且可以在通信与计算之间形成重叠，这可以极大的提高处理器内核的使用效率，并减少能耗。

Claims (6)

1.一种基于嵌入式SoC芯片的无线网络工业监控管理系统，包括Window 2000 Server服务器的监控中心，其特征是所述的系统还包括由Soc芯片、显示器、键盘、射频模块、多选一的无线通信模块(CDMA/GPRS/SCDMA)构成的具有采用Zigbee协议、CDMA、GPRS、scdma多模通信的若干数据采集转发器；对应各数据采集转发器由包括Soc芯片、射频模块、电源构成的具有采用Zigbee协议短距离通信功能的若干采集器；包括安装于各采集器、采集转发器的软件，各采集器、采集转发器中Soc芯片经其短距离无线通信接口控制器连接各自的射频模块。

2.根据权利要求1所述的基于嵌入式SoC芯片的无线网络工业监控管理系统，其特征是所述的Soc芯片在包括Sep3201芯片低功耗、高性能的32位RISC处理器内核，1个实时时钟(RTC)模块，3个16位计数器(TIMER)模块，1个可变脉宽调制(PWM)模块，2个同步串行口模块(SPI，12C)，SRAM，功耗控制模块，3个UART异步串行通信接口，中断控制器模块，LCD控制器电路的基础上设置有可调增益运算放大器(PGA)，多通道Δ-∑型A/D转换器，1个支持短距离无线通信接口控制器；传感器信号经由PGA处理连接至A/D转换器转换，通过SPI接口与Soc芯片相联，将数据送入RISC处理器内核。

3.根据权利要求1所述的基于嵌入式SoC芯片的无线网络工业监控管理系统，其特征是所述的采集器利用SoC芯片中可调增益运算放大器对多种传感器的模拟信号进行处理，并经由多通道Δ-∑型A/D转换器进行模数转换，将数据送入Soc芯片CPU按照一定的增益调整算法进行计算，将最终结果数据进行存储或通过射频模块采用Zigbee协议将数据组包传送至邻近的采集转发器，采集器采用电池供电方式。

4.根据权利要求1所述的基于嵌入式SoC芯片的无线网络工业监控管理系统，其特征是所述的采集转发器利用SoC芯片中可调增益运算放大器对多种传感器的模拟信号进行处理，并经由多通道Δ-∑型A/D转换器进行模数转换，将数据送入Soc芯片CPU按照一定的增益调整算法进行计算，将最终结果数据进行存储或通过射频模块采用Zigbee协议将数据组包传送至邻近的采集转发器，Soc芯片通过UART口采用AT指令集与CDMA/GPRS/SCDMA模块进行通信，键盘通过GPIO口与Soc芯片相连，显示屏通过LCDC端口挂接AMBA总线上与Soc芯片相连。

5.根据权利要求1所述的基于嵌入式SoC芯片的无线网络工业监控管理系统，其特征是所述的采集器和采集转发器加载的软件基于Nucleus嵌入式操作系统，实现了基于ZigBee规范的0.8版本短距离无线通信协议栈，支持路由转发，内置兼容IEEE802.15.4PHY/MAC协议，支持AD-HOC自组网功能，实现了CDMA/GPRS/SCDMA等无线TCP/IP协议栈，软件能能够组建星型网组网、支持树型和簇型等复杂网络，通过射频模块与周边的采集器进行通信，可设定数据采集预处理规则，将数据进行处理并打包，实现短距离无线通信数据到远距离无线通信的转换，通过CDMA或GPRS或SCDMA模块发送至服务器端，还表现为采集转发器提供通过显示屏提供友好的操作界面，用户可通过键盘输入设置采集转发器的通信参数、预处理规则。

6.根据权利要求1所述的基于嵌入式SoC芯片的无线网络工业监控管理系统，其特征是采集器、采集转发器可匹配4～20MA电流量采集、标准电压量采集两线制和三线制变送器、开关量采集等类型的传感器。

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