毕业设计论文基于嵌入式系统在船舶监控系统中的应用.doc

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1、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C OS - 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(engine room) 的自动监控和数据传输。涉及到数据的采集和web server 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: C OS - 嵌入式操作系统;Web Server ;数据采集;自动监控；船舶；监控系统；计算机系统Abstract:The e

2、mbedded system has the volume to be small,the power loss is low,reliable higher characteristic,very suitable ships domain application.This article summarized embedded systems characteristic,proposed embedded systems in ships supervisory system application feasibility,and carries on the comparison to

3、 the embedded system with other ships with the scene supervisory systems performance。In this research , we use theC OS - system as the control band to realize the autom watching and data transfer.So ,we can send the useful data of the engine room to all of seaman ,even to their rest room.Key words:

4、C OS - control system,Web Server,data collection,autom watching,ships,supervisory system,Computer system目录1引言52 嵌入式系统简介52.、嵌入式系统的历史52.2嵌入式系统的定义52.3、嵌入式系统重要概念62.4、嵌入式系统的特点72.5、嵌入式系统的分类82.6嵌入式系统的应用领域82.7、嵌入式系统的现状和发展趋势92.7.1 嵌入式系统的发展现状102.7.2 未来嵌入式系统的发展趋势113、ARM概述113.1、ARM处理器的特点113.2 ARM微处理器系列113.2.1AR

5、M7微处理器系列113.2.2 ARM9微处理器系列123.2.3 ARM9E微处理器系列123.2.4 ARM10E微处理器系列123.2.5 SecurCore微处理器系列133.2.6 StrongARM微处理器系列133.2.7 Xscale处理器133.3 ARM微处理器结构143.3.1 RISC体系结构143.3.2 ARM微处理器的寄存器结构143.3.3 ARM微处理器的指令结构144.嵌入式系统在船舶监控系统中的应用144.1 嵌入式系统应用于船舶监控系统的优势144.2 嵌入式系统应用于旧船监控系统改造的优势155各种船舶监控系统的应用比较155.1 当前应用的三种形式船

6、舶监控系统155.2系统应用实例比较165.3 各种现场监控设备性能比较176、嵌入式Web Server 的实现177硬件实现198、软件实现218.1 服务器端实现218.2 客户端实现219、结束语 2210. 心得体会2211.参考文献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

7、成电路(VL SI) 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

8、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.、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”

9、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

10、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、

11、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（Real Time Operating System）：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

12、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（System response time）：系统发出处理要求到

13、系统给出应答信号的时间。任务换道时间（Context-switching time）：任务之间切换而使用的时间。中断延迟（Interrupt latency）：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

14、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50 0

15、00 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 - time Operating Sys2tem) 。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 (Memory Manager Unit) 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

16、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、DS

17、P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2000 MIPS，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

18、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Windows CE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：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。 交通管理：在车辆导航、流量控制、信息

19、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。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。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。POS网络及电子商务：公共交通无接触智能卡(Contactles

20、s Smartcard, 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。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。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

21、著名未来学家尼葛洛庞帝99年1月访华时预言，45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

22、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

23、，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

24、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CAN BUS，加强

25、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HP3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TCPIP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

26、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，

27、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3.1.1 ARM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;3.2 ARM微处理器系列AR

28、M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

29、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ICERT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Windows CE、Linux、Palm OS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

30、.2.2 ARM9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Windows CE、Linux、Palm OS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、ARM9

31、22T和ARM940T三种类型,以适用于不同的应用场合。3.2.3 ARM9E微处理器系列ARM9E系列微处理器为可综合处理器,使用单一的处理器内核提供了微控制器、DSP、Java应用系统的解决方案,极大的减少了芯片的面积和系统的复杂程度。ARM9E系列微处理器提供了增强的DSP处理能力,很适合于那些需要同时使用DSP和微控制器的应用场合。ARM9E系列微处理器的主要特点如下： 支持DSP指令集,适合于需要高速数字信号处理的场合；5级整数流水线,指令执行效率更高；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；支持VFP9浮点处理协处理器；全性能的MMU,支持

32、Windows CE、Linux、Palm OS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；主频最高可达300MIPS。ARM9系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。3.2.4 ARM10E微处理器系列ARM10E系列微处理器具有高性能、低功耗的特点,由于采用了新的体系结构,与同等的ARM9器件相比较,在同样的时钟频率下,性能提高了近50,同时,ARM10E系列微处理器采用了两种先进的节能方式,使其功耗极低。ARM10E系列微处理器的主要特点如下： 支持DSP指令集

33、,适合于需要高速数字信号处理的场合； 6级整数流水线,指令执行效率更高；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；支持VFP10浮点处理协处理器；全性能的MMU,支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统；支持数据Cache和指令Cache,具有更高的指令和数据处理能力；主频最高可达400MIPS；内嵌并行读/写操作部件。ARM10E系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。3.2.5 SecurCore微处理器系列SecurCore系列微处理器专为安全需要而设计,提供了

34、完善的32位RISC技术的安全解决方案,因此,SecurCore系列微处理器除了具有ARM体系结构的低功耗、高性能的特点外,还具有其独特的优势,即提供了对安全解决方案的支持。SecurCore系列微处理器除了具有ARM体系结构各种主要特点外,还在系统安全方面具有如下的特点： 带有灵活的保护单元,以确保操作系统和应用数据的安全；采用软内核技术,防止外部对其进行扫描探测；可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。SecurCore系列微处理器主要应用于一些对安全性要求较高的应用产品及应用系统,如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。3.2.6 StrongARM微处理器系列Inte

35、r StrongARM SA-1100处理器是采用ARM体系结构高度集成的32位RISC微处理器。它融合了Inter公司的设计和处理技术以及ARM体系结构的电源效率,采用在软件上兼容ARMv4体系结构、同时采用具有Intel技术优点的体系结构。Intel StrongARM处理器是便携式通讯产品和消费类电子产品的理想选择,已成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品。3.2.7 Xscale处理器Xscale 处理器是基于ARMv5TE体系结构的解决方案,是一款全性能、高性价比、低功耗的处理器。它支持16位的Thumb指令和DSP指令集,已使用在数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。Xscal

36、e 处理器是Inter目前主要推广的一款ARM微处理器。3.3 ARM微处理器结构3.3.1 RISC体系结构RISC结构优先选取使用频最高的简单指令,避免复杂指令;将指令长度固定,指令格式和寻地方式种类减少;以控制逻辑为主,不用或少用微码控制等措施来达到上述目的。到目前为止,RISC体系结构也还没有严格的定义,一般认为,RISC体系结构应具有如下特点： 采用固定长度的指令格式,指令归整、简单、基本寻址方式有23种；使用单周期指令,便于流水线操作执行；大量使用寄存器,数据处理指令只对寄存器进行操作,只有加载/ 存储指令可以访问存储器,以提高指令的执行效率。除此以外,ARM体系结构还采用了一些特

37、别的技术,在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积,并降低功耗： 所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行,从而提高指令的执行效率；可用加载/存储指令批量传输数据,以提高数据的传输效率；可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理；在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。3.3.2 ARM微处理器的寄存器结构ARM处理器共有37个寄存器,被分为若干个组（BANK）,这些寄存器包括： 31个通用寄存器,包括程序计数器（PC指针）,均为32位的寄存器。 6个状态寄存器,用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态,均为32位,目前只使用了其中的一部分。同时,ARM处理器又有7种不同的处理

38、器模式,在每一种处理器模式下均有一组相应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下,可访问的寄存器包括15 个通用寄存器（R0R14）、一至二个状态寄存器和程序计数器。在所有的寄存器中,有些是在7种处理器模式下共用的同一个物理寄存器,而有些寄存器则是在不同的处理器模式下有不同的物理寄存器。3.3.3 ARM微处理器的指令结构ARM微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集：ARM指令集和Thumb指令集。其中,ARM指令为32位的长度,Thumb指令为16位长度。 Thumb指令集为ARM指令集的功能子集,但与等价的ARM代码相比较,可节省3040以上的存储空间,同时具备32位代码的所有优点。

39、4.嵌入式系统在船舶监控系统中的应用4.1 嵌入式系统应用于船舶监控系统的优势基于嵌入式系统的上述特点,以及近年来船舶自动化系统正向着数字化、智能化、网络化的方向发展的目标,很容易就会把嵌入式系统作为船舶主机、电站、冷库甚至整个机舱监控系统的理想监控设备选择对象之一。显然,把嵌入式系统应用于新船的建设,可以使船舶监控系统趋于小型化、智能化,具有先进性。4.2 嵌入式系统应用于旧船监控系统改造的优势除此之外,更难能可贵的是,嵌入式系统还可以很好地应用于对旧船监控系统的改造工程。由于旧系统在使用了几年、十几年后,故障率增大,经常需要修理或更换备件。然而这类系统不但修理难度比较大,而且备件不易买到,

40、因为在发达国家,自动化设备更换周期短,淘汰率高。许多备件时间稍长,即不再生产。如用户要求特别加工,价格必然很高。嵌入式系统由于具有很强的抗干扰能力和高可靠性,所以寿命较其他产品长,维修频率低,能够保证系统长期可靠地运行。其次,嵌入式系统的系统扩展方便,功能强大,有利于船舶监控系统的更新换代。另外,基于嵌入式系统体积小、重量轻的特点,通过接入一个继电器,利用新系统在上电与否的状况下继电器常闭触点的变化,可以方便地在船舶空间有限的环境下保留原有系统,实现原系统与新系统的相互切换、互不影响使用的改造要求。因此,利用嵌入式系统对旧船监控系统进行改造,既安全可靠,又经济可行,还有延长旧设备寿命,增加系统

41、功能等诸多益处。5各种船舶监控系统的应用比较5.1 当前应用的三种形式船舶监控系统在当前的船舶监控系统中,主要存在三种监控形式:一是采用PLC 或单片机作为下位机实现监控信号的数据采集处理,然后传送给上位工控机进行数据分析、报警显示、故障诊断及实时的反馈控制;第二种是采用安装在上位工控机中的数据采集卡采集数据,然后由工控机进行处理;另一种比较先进的方法是用智能变送器替代传统的热电阻、继电器等常规传感器,变送器将被监控量转换成数字信号,通过现场总线交由上位工控机进行处理。当采用第一种监控系统时,若用单片机作为下位机,由于采用了大规模集成电路和分立元件组成模拟量和开关量采集电路,使得这种实现方法软

42、硬件编程量十分巨大,而且通过各国船级社认证的过程将十分漫长,另外,在电子设备快速发展的今天,机舱监控系统显然没有必要从最底层的基本电路做起。若采用PLC 作为下位机,一个主要的缺陷是系统体积过大,接线繁琐,应用于船舶这一空间有限的环境,是非常不合适的。当采用第二种监控系统时,由于数据采集卡安装在工控机内,若要实现远距离监控,则由于所要监控的模拟信号到工控机的距离较远,信号在传输的过程中会出现不同程度的衰减,进而影响数据质量。另外,现场布线复杂,在小空间范围内会产生较大的信号干扰,不适宜船舶狭窄的环境。而采用嵌入式系统来实现船舶监控,以上的问题便迎刃而解了。嵌入式系统体积小、实时性高,并且通过不

43、同硬件配置的选择,可以在一个系统中实现数据的采集、分析、控制及智能故障诊断,减轻上位机的工作量。若监控对象所需处理的数据量不是很大,离岸时间不长,那么可以通过外扩同步动态存储器SDRAM(Synchronous Dynamic RAM) 实现数据的短时间保存,这样便无需在船舱内安装上位机,既节省空间,又提高效率。当采用第三种监控系统时,无疑这种方法是较为先进的,但是由于在现有船舶上使用较多的仍然是热电阻、继电器等常规传感器, PC 机现场总线的方法便不能适用,而选用合适的嵌入式系统能方便地实现对模拟信号的数据采集。这样一来,对于使用非嵌入式监控系统的船舶而言,可以在尽量少改动原有设备的情况下,

44、提高系统的监控水平。5.2系统应用实例比较某大型高附加值液货船的样机机舱监测报警系统,要求实现对机舱内主、辅机设备的76 个机电参数实施监测。曾有某研究机构采用下位PLC + 上位工控机的方案来实现该监测系统。该系统的PLC 选用的是Rockwell AB 公司的SLC 500 系列,根据其模块配置,此PLC 设备价格大约为9 万元人民币,机架尺寸为540mm 140mm 145mm。而采用嵌入式系统,同样可以实现该机舱的监测报警功能,且性价比更高。此嵌入式系统可选用华恒公司的H HARM9200 系列,以HHARM9200OK1 核心板为主,辅以采样控制电路构成。系统支持嵌入式Linux 操

45、作系统, CPU 采用A TMEL 公司的A T91RM9200 32 位微处理器,核心板只有名片的三分之二大小,接口板略小于A4 打印纸,具体尺寸为210mm 185mm 14mm ,且具有丰富的接口资源。系统总体结构图如图所示。上机位报警单元AT91RM9200CAN接口适配卡嵌入式监控系统 CAN总线现场监测节点n+2现场监测节点n现场监测节点n+1 系统结构图 现场信号经A/ D 转换调理后,通过CAN 总线送至嵌入式监测系统,实现机舱设备的实时监测。整个系统功耗低,可靠性高,体积小,价格低,嵌入式系统的硬件设备价格约为7 000 元人民币,具有较高的性价比。该系统适用于监测点数在100 点之内的中小型船舶,对于具有几百甚至上千点的大型船舶,则可通过平行配置多套系统并行处理来实现。5.3 各种现场监