6ES7235-0KD22-0XA8详细使用

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1 引 言

随着数字技术和网络技术的迅猛发展，嵌入式系统进入了一个新的发展时期。32位高性能**微处理器的出现，使嵌入式系统已经能够适应十分复杂的控制需求，进行多任务，尤其是嵌入式视频的处理，大大扩展了嵌入式系统的应用范畴，正成为我国教育现代化对数字化、网络化的教学设备进入全新的发展时期的强大技术支撑。32位高性能**微处理器需要嵌入式操作系统，而μClinux操作系统是针对32位微处理器设计的嵌入式Linux操作系统。

μClinux是控制领域的嵌入式操作系统，其内核功能结构与Linux基本相同，且可移植和裁剪；用户通过重新配置、编译内核，可方便移植到多种处理器平台上。

本文主要介绍基于嵌入式视频的多媒体系统基本技术构架和相关的关键技术，即嵌入式μCLinux操作系统的裁剪和移植和基于μCLinux的嵌入式系统的实时性解决方法以及集中控制系统的安全性设计等关键技术。

通过关键技术的设计与部署，实现了适合于局域网和广域网环境下对远程多媒体教学设备和屏幕、窗帘、灯光、空调和门禁等环境设备进行集中控制与管理。不仅适用于多媒体教室更高层次的远程集中控制、管理、监测与维护，而且也适用于无人值守的和环境险恶等环境的远程控制与管理。

2 基于嵌入式视频的多媒体系统实现的体系结构

基于嵌入式视频的多媒体系统以高性能32位微处理器为硬件核心，嵌入式软件运行于μClinux操作系统上，其系统主要分为控制台软硬件系统和多媒体教室终端设备2部分，组成远程交互平台。

两部分之间控制信号、状态信息、数据等交互信息均通过嵌入式控制器硬件提供的多种网络接口和TCP／IP协议，实现与局域网或广域网的连接，使控制台软硬件系统和多媒体教室终端设备通过网络，实现远程控制和管理。基于嵌入式视频的多媒体系统体系结构如图1所示。

3 基于嵌入式视频的多媒体系统实现的关键技术

3.1 选择32位嵌入式微处理器MCF5249模块单元为硬件平台

通过8／16／32位单片机性能对比测试，只有32位高性能单片机具备更高的反应速度、更强的数据处理、逻辑运算和数据存储能力；不仅可用于工业数据采集、流程控制、远程监控等应用领域，而且还特别适合于嵌入式视频的大数据量处理与控制的数字化多媒体教学设备的开发应用。

选择Freescale公司的MCF5249 32位嵌入式微处理器模块单元作为多媒体系统终端数据处理和功能控制的硬件平台。

MCF5249模块单元主要由32位处理器MCF5249和若于外围器件AM29LV160DB90快闪存储器、K4S281632SDRAM、SP3223串行通讯电路、DM9000网络接口芯片、MT8816音视频矩阵电路等硬件构成。其主要性能如下表1所示。

3.2 嵌入式μCLinux操作系统的裁剪和移植

嵌入式μCLinux是专为没有MMU内存管理单元的微处理器芯片而裁剪的小型化操作系统，嵌入式μCLinux针对没有MMU的处理器采用了实存储器管理策略。因此，嵌入式μCLinux操作系统不仅保持了稳定、强大的网络和文件系统支持等传统Linux的主要性能，而且还具有自身的特点，使μCLinux成为真正意义上的嵌入式操作系统。

针对32位微处理器MCF5249的性能特点，结合基于嵌入式视频的多媒体系统对操作系统功能的应用需求，需要对μCLinux的微内核、内存管理、进程管理、事务管理、初始化、硬件驱动、文件系统和TCP／IP协议栈等模块进行剪裁和移植。

在编译μCLinux微内核之前，首先需要通过建立菜单配置来配置微内核。从条件编译的角度，就是在内核上选择所需的模块，去掉不必要的模块不参与编译，从而可以控制内核大小在一定的范围内，以适合嵌入式μCLinux应用需求，利用Linux开放等特点降低对系统硬件成本和减少对资源的需求；然后还需要进一步对内核中的代码进行裁减，通过修改源代码来满足裁减的要求。

采用μCLinux的内核有2种可选的运行方式：可以在FLASH上直接运行，也可以加载到内存中运行。其中FLASH运行方式是把内核的可执行映像烧写到FLASH上，系统启动时从FLASH的某个地址开始逐句执行；内核加载方式则是把内核的压缩文件存放在FLASH上，系统启动时读取压缩文件在内存里解压，然后开始执行。选择采用后一种相对复杂，但压缩后的程序文件较小，对FLASH的空间要求低，并且程序运行速度更快可以很好地满足对高实时性要求的方式。一般地，RAM的存取速率要比FLASH高。

在系统启动后，较先调用的是针对32位微处理器MCF5249的特定的arch文件夹内mmcontr.S文件。最后跳到main.c中的start_kernel（）。μClinux／Linux-2.4.X／init／main.c中包含了对Linux系统初始化的代码。其中stan_kernel（）包含主要的初始化代码。

3.3 嵌入式μCLinux操作系统实时性解决措施

由于μClinux主要针对MCF5249等微处理器在没有内存管理单元（MMU）而设计的，并不是为了Linux的实时性而提出的，因此μClinux本身并不能解决基于嵌入式视频的多媒体系统对实时性的要求。为此，μClinux需要使用Rt-Linux的patch来增强μClinux的实时性要求，从而解决μClinux在对应用于一些实时要求较高的，诸如工业控制、进程控制等应用领域的需求。

Rt-Linux是有别于μClinux另一种嵌入式Linux版本，其**特色在于内核的处理上增强了对于实时问题的关注。Rt-Linux执行管理器把普通Linux的内核当成一个任务运行，同时还管理了实时进程。而非实时进程则交给普通Linux内核处理。这种方法已经应用于很多的操作系统来增强操作系统的实时性，包括一些商用版Unix系统、bbbbbbs NT等。这种方法优点首先是实现简单，且实时性能容易检验；其次是非实时进程运行于标准Linux系统，同其他Linux版本之间保持着很大的兼容性；再有就是可以支持硬实时时钟的应用。

嵌入式视频的多媒体系统对红外接收等功能在实时性方面要求很高，否则直接影响多媒体设备的使用效果。选择Rt-Linux的patch作为增强μClinux的实时性要求，并且以后台任务方式运行红外接收中断处理调度策略，从而增强了μClinux的实时性，满足红外接收等系统任务对实时性的严格要求。

3.4 OCX控件标准的控件封装技术

OCX是基于嵌入式视频的多媒体系统的网络控制软件；其视频显示模块采用**控件封装技术解决了嵌入式数字视频数据在跨网段、跨平台上数据流传输，实现全数字网络图像的跨平台无缝集成。

为了保证配置的灵活性，嵌入式视频技术针对各厂家的网络数字摄像头的接口属性，采用开放的设计风格，无论各生产厂家的算法接口采用何种开发平台，即VB，VC，Delphi等，均采用bbbbbbs平台下OCX控件标准的控件封装技术。**控件封装技术使多媒体系统网络控制软件的视频显示模块整体上去掉不必要的冗余程序，结构简单紧凑；嵌入式视频硬件提供了多种网络接口，并使用TCP／IP协议，可实现同局域网、广域网的连接，使用户无论身处何地都能通过网络连线，实现对被监控区域的监控。实验结果表明：这种**控件封装技术有效地解决了跨网段、跨网络平台下的全数字嵌人式视频图像的传输与管理。需要说明的是，嵌入式视频的图像采集硬件采用数字式数码网络摄像头，通过图像采集卡进行A／D转换，采用不同的图像分辨率可针对不同的网络环境满足网络传输的现实需要。

3.5 系统链路可靠性与安全性技术方案

由于嵌入式视频的多媒体系统使用范围具有相当程度的封闭性，所以系统平台的中、下层使用开放性的TCP／IP协议，在应用层则使用私有协议，对传输数据进行适度的加密处理。

系统传输链路可靠性设计方面，考虑通信数据与嵌入式视频的多媒体集中控制系统的处理能力以及TCP连接建立的额外开销，网络传输层采用UDP协议封装上层的应用数据。而UDP协议的非连接和不可靠性，则由应用层协议保的正确性与可靠性。在应用协议设计中，采用发出请求帧与3 s内接收应答帧判断是否传输**时或者出错。若**过3次请求而未收到应答则判断系统故障，终止该次请求操作。另外，嵌入式视频的多媒体系统还进行间隔10 s的主动式在线检测，并将检测数据分别向终端面板和控制台发送显示。

传输数据的安全性设计方面，采用加强网络访问控制和采用可靠的协议进行加密，对于协议数据被分析的风险，定义私有应用层交互协议和对数据包加密传输。在应用层交互协议设计中定义了数据包类型、控制编码、数据编码、数据定义等数据结构。在网络传输的数据采用移位加密算法进行加密。

数据包重放攻击是在数据基础上的一种攻击行为。为了防止数据包重放攻击，在设计中采用在嵌入式视频的多媒体系统端口设置3个可信IP地址，只接收可信IP地址的指令操作。对于其他的IP只能查询集中控制器的运行状态，不能控制操作，这样有效地防止了非法用户获取的数据包来控制操作系统。

4 结 语

嵌入式视频多媒体系统采用32位嵌入式微处理器MCF5249模块单元为硬件平台、嵌入式μCLinux操作系统的裁剪和移植、嵌入式μCLinux操作系统实时性解决措施和OCX控件标准的控件封装技术以及系统链路可靠性与安全性设计方法等系列关键技术，是一种运用32位MCF5249微处理器+μClinux在嵌入式系统中的典型应用。

毋容置疑，MCF5249+μClinux系统平台以其移植性好和性价比高在数字化多媒体教学设备研制与开发中将会得到进一步应用。

前言

根据“关于环境保护若干问题的决定”提出的2010年环境保护目标，要实施污染物排放总量控制，抓紧建立全国主要污染物排放总量指标体系，和定期颁布制度。国家环境保护总局根据的指示精神，提出“一控双达标”计划，即全国重点城市功能区环境达标，所有工业污染源达标排放，并实行总量控制。

国外在污染物排放总量控制方面获得了巨大的进展。如美国在污染物排放总量控制监测方面已有成套的技术方法和标准化的商品仪器，在大型企业排水口普遍安装了水质COD、pH、TOC、NH4+浓度和排水量在线连续监测系统。由企业购置安装，由**进行质量控制，其监测数据作为法定数据，基本上达到了随时监控与宏观调控的目的。日本经过80～90年代的努力，严格控制污染物排放总量，对重点工业污染源都安装了在线连续监测系统，做到了实时监控和总量控制。

目前，我国环保行业采用的监测系统普遍以单一环保监测仪表形式出现，长期运用4～20mA的模拟信号标准，或预留串行口作为通信接口，没有开放性，每个厂商都要各自进行软件的投资;而且国内尚未约定形成标准协议，不同厂商的产品之间没有互操作性。

随着“一控双达标”工作的不断深入，加强污染源现场监督工作愈来愈成为跨世纪环保工作的关键。因此为了提高现场监督管理的手段和水平，环境污染监测及监控的自动化成为当务之急。另外，随着我国环保立法工作的完成，各级**为了提高人民生活质量，都非常重视城市生活污水和工业污水的控制和处理。大量的工业污水处理站和城市生活污水处理厂正在或即将兴建，需要投入的资金很大。因此各地的投资方案大多采用分批投资，分期达到设计处理能力的办法。这样对污水处理厂和排放口的自动监测监控系统就要求具有很好的开放性、互操作性、易维护性和可扩展性，以适应分期投资和不断扩展功能的需要。

信息技术的飞速发展，导致了自动化领域的深刻变革，并逐渐形成了自动化领域的开放系统互连通信网络，形成了全分布式网络集成化自控系统。而现场总线正是这场深刻变革中的重要技术。

现场总线系统的较大特点在于它的控制单元在物理位置上可以和测量变送单元及操作执行单元合为一体，因而可以在现场构成完整的基本控制系统。又由于它具有的通信能力，可以与多个现场智能设备沟通、综息，便于构成多个变量参与的复杂控制系统与精确测量系统。另外，由于现场总线仪表的数字通信特点，使它不仅可以传递测量的数值信息，还可以传递设备标识、运行状态、故障诊断状态等信息，因而可以构成智能仪表的设备资源管理系统。

未来的发展要求测控网络应具备如下条件：

1、 开放性：网络协议必须是开放的，并且对任何用户都是平等的。

2、 互操作性：网络协议需要完整到任何制造商的产品都可以实现互操作。

3、 通信媒介：可用任何传输媒介进行通信，包括双绞线、电力线、光纤、同轴电缆、无线电波和红外光波，并且多种媒介应能够在同一网络中混合使用。

4、 网络结构：应能使用所有现有的网络结构，如主从式、对等式以及客户/服务器方式。

5、 网络拓扑：应该不受总线型网络拓扑单一形式的限制，用户可以选择任意形式的网络拓扑。

目前较流行的现场总线，如FF、CAN等，都达不到上述要求。而LonWorks技术却可以完全满足上述这些基本要求。可以说，LonWorks以其特有的优良性能，成为众多现场总线产品中的*。

在环境测控中应用LonWorks技术的好处

在环境测控中采用LonWorks控制网络技术，有如下好处：

1） 使网络结构简单、布线容易、工程施工方便、节省工程安装费用。灵活选择双绞线、电力线或无线作为通信媒体，在某些场合可以避免重新布线。

2） 使环境监测监控系统变得更灵活，容易与其他监测监控系统，如：工业过程监控系统、工厂设备监控系统等互联，实现系统总集成，使各系统之间按要求实现联动和信息共享。同时也打破了目前部网单独、封闭、的设计方式，更有利于普及与推广。

3） 容易与管理微机局部网络实现联网和信息共享。

4） 通过Internet实现远程管理和监控，有助于全局的集中管理，包括设备的远程监测、远程控制和远程诊断。

5） LonWorks的互操作性保证总体规划和分步实施能顺利实现。

6） 环境监控与设备的遥测、遥信、遥控、遥调可以采用同一控制平台，有利于系统的实施、管理和维护。

7） 采用LonWorks控制网络技术把我国已国产化的环保监测仪器与国外引进仪器集成网络系统，或把新老设备方便地纳入网络，其成本比引进外国成套监测系统将是成倍数下降，从而节约了大量外汇资金，而且保护和发展了我国民族化环境保护产业。

可见，把LonWorks控制网络技术应用到在我国环境保护领域内，是一项技术良好而且引人注目的开创性工作。

基于LonWorks技术的新一代智能环境监测仪

广州威世达控制网络有限公司针对传统监测仪表的单机系统及现阶段环境污染源监测存在着二次仪表、黑盒子、适配器组件重复的现状，结合微处理器技术、数据通信技术和控制网络技术，开发了“VHB-2000多参数智能环境监测仪”。

“VHB-2000多参数智能环境监测仪”定位为集监测仪器中的流量计、污染处理设施运行记录仪、污染参数采集仪、适配器于一体的通用监测终端系统。系统主要包括：主控模块、显示键盘模块、拨号控制模块、LonWorks控制模块。

VHB-2000系列产品的设计原则是：既能以单台方式工作，又能扩展为基于现场总线的监控网络。其结构框图如下。

主控模块主要完成流量测量和对模拟量的采集、处理和存储以及开关量的记录。流量测量包括量水堰槽、液位传感器和液位流量转换处理，完成对明渠排放流量的连续测量功能。液位传感器采用美国进口的超声波传感器，测量距离为4″～40″，*再作温度补偿，精度较高，抗干扰性强。该超声波传感器具有4mA～20mA标准电流输出，把测量距离转化为电流信号，再由仪器的主控模块把采集到的电流信号转变为电压信号，进行A/D转换变成数字量，然后由主CPU再作进一步的运算处理。量水堰槽根据现场情况和流量范围作出选择。对污染治理设施运行记录是通过互感器的电流信号，经过比较器判定其开关状态，再由主CPU作时间的计量及存储。另外仪器还有两个模拟量接口，可采集其他传感器或在线水质监测仪器的模拟量输出信号。

显示键盘模块，显示屏采用带背光显示液晶。所有操作均采用中文字幕，界面直观友好。而键盘采用较简袖珍四键键盘，用较少的键来完成所有必要的操作功能。显示键盘模块主要完成仪器初始参数的设定，实时显示监测参数。

拨号控制模块提供两个RS-232标准接口，一个在本地连接PC机，可对监测现场进行监控;另一接口连接MODEM、电话线完成向环保主管部门上传监测数据及实行远程实时监控功能。一般情况下，由环保主管部门通过拨号与现场仪器建立联接，随时调用其现场监测数据。

LonWorks控制模块以Neuron芯片为CPU，主要用于与现场的LonWorks控制网相联以实现现场设备的过程调控，同时可方便地与Internet或企业局域网无缝联接。

该仪器采用模块化设计，既可以根据企业的现场情况和需求进行灵活组合，又可降低投资成本。

系统软件分为两部分：一部分是仪器内部的嵌入式监控程序，主要完成仪器初始参数的设置（包含：超声波传感器的线性校正和安装时的零位校正、堰槽的选择、水位上下限的设置、仪器时钟的校准及密码设置等），数据采集，运算处理，储存，通信，并实时显示监测数据及设施运行状态。另一部分是上位机（PC机）的监控程序，通过RS-232串口或LonWorks接口进行本地或远程通信。主要完成对监测现场的实时监控和对储存数据的查询并形成报表打印。

VHB-2000功能特点包括：

1） 内置嵌入式操作系统，多CPU协同工作。

2） 模块化设计，可根据环境监测对象和企业的需求选择不同的模块，构成较优系统。

3） 配接液位传感器实现污水流量的测量，实时显示液位、瞬时流量、累积流量及时间;也可通过模拟量输入接口采集在线水质监测仪数据（如COD、pH、SS、油份、TOC、TN、TP、CN等）。并具有**标自动记录及报警功能。

4） 可储存较近10年的年流量，36个月的月流量，180天的日流量，一周内的每小时流量，三年内每个月的失测时间及正常运行时间。

5） 可同时监视8路污染处理设施的工作状况，储存污染处理设施较近36个月的运行时间。

6） 可记录本机较近30次的通断电时刻，停电后机内各数据可长期保存。

7） 可配用三角堰、巴歇尔槽等不同尺寸的堰槽，以适应不同流量范围的测量。

8） 具有与PC机连接的标准通信接口，可以通过PC机进行监测数据的查询管理以及打印输出。

9） 提供LCD显示和键盘输入，通过人机交互方式，在中文字幕提示下，可方便地对仪器进行参数的配置和数据的查询;在仪器正常工作时，可实时动态显示监测数据。

10） 内置了Modem接口，可通过电话线把企业排污现场的监测数据上传给环保监管部门。

11） 提供基于LonWorks技术的通信接口，可与局域网、互联网无缝联接。远程数据中心可通过Internet与本机进行通信，完成数据的收集、查询和管理。也可通过企业内部网将数据传送到企业管理中心，便于统一管理。

目前，该仪器已通过国家环保产品华南检验中心检测合格、经过环保和控制方面的*鉴定，并在多个用户单位进行了实际现场安装运行，运行情况良好，得到用户单位的**。

城市污水处理中采用LonWorks技术

LonWorks技术是一种适用于跨行业的测控系统，污水处理行业采用LonWorks技术有其*特的优势。近年来，有许多城市准备建设污水处理厂，规模不等，处理能力小的10,000t/d左右，大的在50,000t/d以上。它们所采用的处理工艺不再局限于传统的活性污泥法，而比较广泛地使用新技术、新工艺（氧化沟法、AB法等）。

（1）预处理

**部分是由格栅及曝气沉砂池组成的物理处理系统，以去除大量的悬浮物。污水通过城市管渠导入粗格栅井，进入污水泵站，经提升后进入细格栅池井，然后注入曝气沉砂除油池。

（2）生物处理

自曝气沉砂池出来的污水经计量后进入氧化沟，然后经沉淀池后，上清液即可达标排放。

（3）沉淀池

氧化沟出水自流进入沉淀池进行泥水分离，上清液流入出水池。产生的污泥一部分回流至氧化沟，另一部分排入污泥浓缩池进行浓缩。

（4）出水池

出水池同时作为池，往出水池进水口处投加剂以起水中各种病原微物及各种病原菌的作用。出水池部分排放水送回厂内用于清洗和洗涤，其余清水达标排放。

（5）污泥处理

为了保持氧化沟中污泥浓度不变，过多的污泥必须排走。剩余污泥由污泥泵经浓缩池转送到脱水机房。剩余污泥在脱水之前首先加入絮凝剂，然后送入带式脱水机脱水。污泥在带式压滤机中进一步脱水，形成干泥饼，这种脱水后的污泥由卡车拉到外地填埋。

采用LonWorks测控网络实现对污水处理过程进行现场参数测量、状态检测、设备控制、故障监测和报警。

采用LonWorks测控网络来实现城市污水处理流程的监测控制具有明显的技术上的优势。其主要优势在于：

1） 全分布式测控网络大大提高了系统整体的可靠性，任何监控设备的故障都不会造成整个监控系统的瘫痪。

2） 智能节点靠近现场监控设备安装、自由拓扑双绞线网络布线方便、多种通信媒介，如电力线、无线媒介，可混合组网，大大简化了网络的布线及安装。

3） 强大的网络管理和诊断功能使系统的管理维护非常方便。

4） 标准网络协议及其开放性、可互操作性使系统实施、扩充、升级非常容易。

技术方案采用威世达公司基于LonWorks技术的VCN （Vstar Control Networks） 系列产品，实现污水处理过程各种物理、化学参量的采集、显示;机电设备的自动启停控制和远程控制、故障监测、报警;运行时间、状态记录;开关柜、电气柜的开关联动、远动、状态记录和报警等。

VCN系列智能节点包括多种模拟量、开关量和数字量输入/输出模块、双绞线/电力线路由器模块、LON-RS232/485网关、中继器、网络接口等。软件包括运行于智能节点的监控应用程序、LCD监控界面、PC人机交互监控界面HMI、网络组态和管理软件等。

使用基于LNS（LonWorks Network Service）网络操作系统的网络管理工具，可以很方便地进行网络配置、安装、测试、维护、监控和管理。VCN智能节点的面向对象的模块化设计和Plug-in插入模块功能，使节点的配置管理非常容易。

应用前景

LonWorks测控网络技术的优越性及其**的特点，使得该技术从九十年代问世以来在各行各业得到了广泛的应用。由于采用了LonWorks技术，威世达公司的多参数智能环境监测仪除了可采集包括水、气、噪声等多种监测参数外，还具有横向面对企业联网，纵向与国家环境监理信息网络联接的优势。借助LonWorks技术的开放性和可操作性，把现代控制网络技术与环境测控技术**地结合起来，实现环境测控与组网两大任务的统一。

把多参数智能环境监测仪作为全分布式环境监测监控网络系统中的节点，从水质监测节点扩展到气、噪声监测节点，集成环境监测网络;进而建立优越于我国现有单一集散型环境监测系统的多目标全分布式环境测控管理网络。

在环保行业引入LonWorks这一良好技术，必将大大促进行环保产业的信息化、网络化，实现我国环境监测监控工作在网络时代的跃，将会带来显著的经济效益、社会效益和环境效益