（控制理论与控制工程专业论文）基于以太网的嵌入式控制器的设计与实现.pdf

武汉理工火学硕士学位论文 摘要 随着信息技术的发展，互联网已经越来越深入人们的工作和生活，控制系统 也逐渐趋子网络化。以太网作为一种比较成熟的网络已经广泛应用于各领 域，t c p ，印协议已成为互联网事实上的标准协议。因此，嵌入式系统如何实现以太 网互联成为近年来比较热门的研究课题，虽然目前以现场总线为基础的工业控制 网络得到了广泛应用，但其应用也有其局限性，各种现场总线之间不能互相兼容， 而且不能实现更大范围的连接，而以太网则不受此限制。 我国经济近年来进入了工业化中期的快速发展阶段，重工业以及与之形成 密切前向后向联系的产业和高科技产业将会有高速的发展，由此可预见先进的 工业控制技术在我国将会有强劲的需求。工业以太网将是以后发展的一个热点。 在这样的背景下，本文通过一种新型的单片c 8 0 5 1 f 0 2 0 与以太网控制芯片 r t l 8 0 1 9 a s 实现单片机与以太网互联，并取得了比较好的应用效果。 首先，论文介绍了现场总线的现状和以太网的发展现状：主要介绍了以太 网应用于工业控制的可行性和以太网相对于现场总线的优势；对国内外工业以 太网标准的制订情况做了概述。 其次，针对嵌入式系统的特点，我们有选择的介绍了课题中应用到的相关 t c p ，m 协议并探讨了对这些协议该做如何的简化以使之适合嵌入式系统。并介 绍了与课题相关的一些基础知识嵌入式系统和嵌入式软件、以太网和t c p i p 协 议族。 在随后的两个章节中，我们分别介绍了这个嵌入式控制器的硬件实现与软 件实现，给出了部分电路原理和协议软件的测试结果。 然后，对于嵌入式控制器的设计过程中遇到的一些问题做了分析并给出了 解决方案。 最后，论文对本课题进行了总结讨论，说明了作者在哪些方面工作的不足， 指出了后续工作中应努力提高和改善的地方。 关键词：以太网，t c p i p ，嵌入式系统 武汉理工大学硕士学位论文 a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , i n t e r a c th a sa l r e a d y m o r ea n dm o r ec o r n c c tw i t hp e o p l e sw o r ka n dl f i e , 1 1 kc o n t r o ls y s t e ma l s o g r a d u a l l yt e n d st on e t w o r k o n ek i n do f m a t u r en e t w o r ka i r e a d yw i d e l ya p p l i e di nt h e e t l l e m c t i nv a r i o u sd o m a i n s ，t c p f l ph a sb e c o m eas t a n d a r dp r o t o c o li nt h ei n t e r n e t t h e r e f o r e ，h o wt or e a l i z et h ee t h e m e tw i t he m b e d d e ds y s t e mh a sb e c o m et h ep o p u l a r t o p i ci nr e c e n ty e a r s ，a l t h o u l g ht h ee t h e m e th a so b t a i n e dt h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o n j ni n d u s t r yc o n t r o ln e t w o r k i t sa p p l i c a t i o na l s oh a si t sl i m i t a t i o n b e t w e e ne a c hk i n d o ff i e l db u sc a n n o tb em u t u a l l yc o m p a t i b l e ，m o r e o v e rc a n n o tr e a l i z et h ew i d er s n g e c o n n e c t i o n b u te t h e r n e tn o ti nt h i sl i m i t i nt h en e a rf u t u r e ，c l l i n aw i l lw i t n e s sa r a p i d l yd e v e l o p m e n t o fi n d u s t r i a l i z a t i o ni nt h es t a g eo fm i d d l ep e r i o d h e a v yi n d u s t r y a n dt h o s ei n o s c u l a t ei nf o r w a r do rb a c k w a r d , a n dh i g h - t e c hi n d u s t r yw i l lb l o o mo u t s oa d v a n c e dc o n t r o lt e c h n o l o g ym u s ts u r e l yi ng r e a tn e e d c o m p a r ew i t ht h ew e l l d e v e l o p e df i c l d b u s ，e t l l e m c tf o ri n d u s t r yi si u s ts t a r t ，w eh a v el o s tm a n yo nt h e f o t r u e r , w ec o u l d n tl o s em o r eo nt h el a t e l u n d e rt h eb a c k g r o u n d , t h i sp a p e rd i s c u s s e sd e s i g n i n ga n dc a r r y i n go u to fa n e m b e d d e dc o n t r o l l e r st h a tb a s eo ne t h e r n e tm a i n l yc o m p o s e do fc 8 0 5 1 f 0 2 0a n d r 1 18 0 1 9 a s a n dh a so b t a i n e dt h eq u i t eg o o da p p l i c a t i o ne f f e c t f i 塔y ，w ei n t r o d u c ea c t u a l i t yo ff i e l d - b u s sa n de t h e m e t s ，m a i n l yc o n c e n t r a t e o nt h ef c a s i b l eo fu s i n ge t h e m e ti ni n d u s t r ya n da d v a n t a g e so fe t h e r e c tt of i e l d - b u s w ea l s ot d ls o m e t h i n ga b o u tf o u n d i n gc r i t e r i o no fe t h e m e tf o ri n d u s t r yi nt h ew o r l d 。 t h e l l ，w ei n t r o d u c cs o m eb a s i ck n o w l e d g er e l a t e dt ot h ew o r k ，t h e ya r e ： e m b e d d e ds y s t e ma n de m b e d d e ds o f t w a r e ，e t h e r n e ta n dt c p i p w h i l ei n t r o d u c i n g t h et c p 口p r o t o c o lf a m i l y , w es e l e c t i v e l yp r e s e n ts o m ep r o t o c o l su s e di nt h et a s k ， a n dd i s c u s sw h a ts h o u l db ec u tt of i tt h ee m b e d d e ds y s t e m h lt h el a s tt w oc h a p t e r s ，w en a r r a t et h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fh a r d w a r ea n d s o f t w a r e ，s o m ed i a g r a ma n ds o f tt e s ta r ep r e s e n t e d t h e n , w ed i s c u s ss o m ep r o b l e m sd u r i n gd e s i g n i n gt h ec o n 乜 o l l e ra n dg i v et h e s o l u t i o n f i n a u y , w es u m m a r i z et h ep a p e r , p o i n to u tt h ed e f t c i e n ta n dw h a ts h o u l db e i m p r o v e di nt h ef o l l o w i n gw o r k k e yw o r d s ：e t h e m e t , t c p i p - e m b e d d e ds y s t e m i l 独创性声明 繁8 6 d 9 2 1 本人声明，所呈交的论文是本人存导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人， 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阕：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：蒸l 塞导师签名；j 奎显羔f j ；l 期：地，- 7 l 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 1 1 基于以太网的嵌入式系统的发展现状 目前，嵌入式系统已经广泛渗透到人们的工作、生活中。从家用电器、信 息终端、手持通信设备到航空航天、仪器仪表、汽车船舶、制造工业、过程控 制等领域，嵌入式设备已随处可见。今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过 了1 万亿美元，1 9 9 7 年来自美国嵌入式系统大会( e m b e d d e ds y s t e m c o n f e r e n c e ) 的报告指出，5 年内仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就 将在美国产生一个每年1 5 0 0 亿美元的新市场。 1 9 9 8 年在芝加哥举办的嵌入式 系统会议上，与会专家一致认为，2 1 世纪嵌入式系统将无所不在，它将为人类 生产带来革命性的发展，实现“p ce v e r y w h e r e ”的生活梦想。 另一方面，近几年来i n t e m e t 技术的发展己使人类实现异地信息共享的愿望 成为了现实。而如何实现无所不在的嵌入式设备与i n t e r n e t 的结合，使信息的存 取与获取更快捷、方便则又成为了人类的第二个生活梦想。这就是嵌入式网络 技术得以发展的背景，目前世界上不少国家的科研机构和各大公司纷纷加入了 嵌入式i n t e r a c t 技术的研究行列。可以预言，嵌入式设备与i n t e m e t 的结合代表 着嵌入式系统和网络技术的真正未来，开展嵌入i n t e m e t 技术的研究是有必要且 具备重大应用价值的。正是在这样的背景下，本文试图在这方面开展一些研究。 嵌入式i n t e m e t 是指电子设备通过嵌入式模块直接接入i n t e r a c t ，以i n t e r n c t 为介质实现信息交互的技术【1 1 。嵌入式系统的出现至今已经有3 0 多年的历史， 近几年来，计算机、通信、消费电子的一体化趋势日益明显，嵌入式技术己成 为一个研究热点。纵观嵌入式技术的发展过程，大致经历四个阶段。 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形成的系统，具有与监测、伺 服、指示设备相配合的功能。这类系统大部分应用于一些专业性强的工业控制 系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制。 这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储 容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简单、价格低，以前 在国内工业领域应用较为普遍，但是己经远不能适应高效的、需要大容量存储 武汉理【大学硕士学位论文 的现代工业控制和新兴信息家电等领域的需求。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。 主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱：系统开销小，效率高；操作系统 达到一定的兼容性和扩展性：应用软件较专业化，用户界面不够友好。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。主要特点是：嵌入式 操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核小、 效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、多任务、网 络支持、图形窗口以及用户界面等功能：具有大量的应用程序接口a p i ，开发应 用程序较简单：嵌入式应用软件丰富。 第四阶段是以i n t e r n c t 为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶段。 目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e r a c t 之外。但随着i n t e m e t 的发展以及l i i t c m c t 技术与信息家电技术的结合日益密切。嵌入式设备与i n t e m e t 的结合将代表嵌入 式系统的未来。 从工业网络控制系统的应用现状和发展方向来研究嵌入式i n t e r a c t 技术的应 用也是非常有必要的。 7 0 年代中期，工业控制从早期的就地控制、集中控制发展到集散控制( d c s ) 。 现场总线控制系统是继集散控制系统之后的又一种新型的工业控制系统，它的 出现在工业控制领域内引发了一场新的革命。与传统d c s 相比，现场总线控制 系统具有数字化通信、开放的体系结构、分散的控砖4 结构等一系歹u 优点 2 1 3 1 ，它 解决了传统d c s 无法监控现场仪表及设备、分散化不足、通信协议专有等一系 列问题。正是由于现场总线控制顺应了工业控制系统分散化、网络化、智能化 的发展趋势，使得它在工业控制领域得以迅速推广应用。 然而，现场总线在控制领域的迅速崛起以及巨大的商机进一步推动其飞速 发展的同时，不可避免又带来了新的问题。目前市场上存在的现场总线产品种 类繁多，在相当长的时间内，多种现场总线标准必将同时存在，一种总线标准 一统江湖的局面难以形成。这样必然会带来不同总线不能实现互操作、通信协 议不统一以及不能真正实现全分散控制系统等问题。随着以太网和t c p i p 技术 的日益成熟和普及，应用t c p i p 协议的以太网已经成为最流行的分组交换局域 网技术，同时也是最具开放性的网络技术。 采用以太网和现场总线混合控制网络，可以解决不同协议标准现场总线系 统集成问题，构建出真正全开放、全分散的控制网络【4 儿”。两层网络之间采用嵌 2 武汉理，l 人学硕士学位论文 入式网关( e m b e d d e dg a t e w a y , e m g a t e w a y ) 实现异质网络之间的无缝连接。嵌入式 网关实现了高速以太网和相对低速现场总线网络之间的互联，以及t c p i p 协议 到各种现场总线协议的转换。这种混合网络控制方案解决了不同标准现场总线 由于不能互操作而带来的分散性和开放性问题，另外还易于实现基于i n t e m e t 的 远程控制。 基于e m g a t e w a y 的混合控制网络在一定程度上解决了现场总线控制网络在 控制系统上的分散性和开放性问题，但在具体应用实施时，仍存在系统的开放 性具有较大局限性及互联模型难以实现的困难。以太网和t c p f l p 协议的广泛应 用促使了i n t e r n e t 的飞速发展，应用t c p i p 技术的以太网可满足控制系统各个 层次的要求f 6 l 门，各种功能越来越强大的智能控制芯片的出现，这些技术的发展 促使了基于嵌入式i n t e r n e t 的控制网络的出现。在这种网络体系结构中，基于 t c p i p 的以太网贯穿于控制系统的各个层次，将一台孤立的现场设备和设备工 程师及企业管理人员均作为一个网络节点通过以太网有机的连接在一起，实现 了现场设备到管理层的直接通信，最终实现企业控制、管理信息的无缝集成。 由此可见，与以往的工业控制网络相比，以太网应用于工业控制具有以下优势【8 j ： 1 、更高的通信带宽。 2 、实现现场设备层和企业管理层的无缝连接。 3 、控制系统的成本降低。 4 、更高的稳定性。 因此，可以说基于以太网的控制网络在不久的将来必将具有十分广阔的应 用前景，它代表了新一代控制网络发展的必然趋势。 同时近年来，随着计算机、通信、网络等信息技术的发展，信息交换的领 域已经覆盖了工厂、企业乃至世界各地的市场，因此，需要建立包含从工业现 场设备层到控制层、管理层等各个层次的综合自动化网络平台，建立以工业控 制网络技术为基础的企业信息化系统1 9 l o2 0 世纪8 0 年代产生和发展起来的现 场总线技术，因为实现了全数字通讯而大大提高了抗干扰能力和鲁捧性、采用 了多种分支结构、现场设备状态可控、互可操作性、采用全分散式控制以及具 备了开放性特点而一度成为自动化领域研究的重点，现场总线控制系统( f i ：s ) 大有取代传统的d c s 和p l c 控制系统的趋势。但是，伴随着现场总线技术诞生 是各大利益集团为了抢夺市场经济利益的标准之争，根据相关资料统计，已经 出现的现场总线有一百多种，其中宣称为开放型总线的就有4 0 多种【l o i 。在经过 武汉理工火学硕士学位论文 激烈的斗争之后，国际电工委员会最终放弃了制定单一现场总线国际标准的努 力，于2 0 0 0 年初发布了包含8 种( 新版本中包含了1 0 种) 现场总线的i e c 6 1 1 5 8 标准，并由此形成了多总线并存的局面【1 1 j ，这种局面实际上就是“有标准= 无标 准”。同时，现场总线技术也存在自身的其他不足：不同总线之间不能兼容，不 能真正实现透明信息互访，无法实现信息的无缝集成，协议和实现技术复杂， 传输速率低，成本高，不易实现与上层信息网络的无缝连接。 与此同时，传统上用于办公室和商业领域的以太网却悄悄地进入了控制领 域。近来以太网已经成为目前市场上最受欢迎的通信网络之一，它不仅垄断了 办公自动化领域的网络通信，而且在工业控制领域管理层和控制层等中上层网 络通信中也得到了广泛应用，并有直接向下延伸应用于工业现场设备间通信的 趋势，并成为近年来工业控制网络新的研究热剧圳。 以太网采用了c s m c d ( 带冲突检测的载波侦听多路访问控制协议) 作为 介质访问控制方式，它是一种非确定性或随机通讯方式。对于工业现场控制网 络，这种不确定性会导致控制性能下降，甚至可能导致灾难发生，因此历史上 不采用以太网作为现场总线。但是，随着r r 技术的发展，以太网的发展取得了 本质的飞跃。首先：以太网的通讯速率从1 0 m 发展到1 0 0 m ，1 0 0 0 m 技术已经成 熟，1 0 g 以太网也在研究之中。在数据吞吐量相同的情况下。这意味着网络负荷 的减轻和时延的减小，碰撞几率下降。其次：出现了交换式以太网，通过使用 交换机将网络划分为多个网段。交换机有数据存储、转发的功能，使各端口之 间的数据帧的接收发送得到缓冲，不会发生碰撞；同时交换机可以对数据进行 包过滤，使网段内的数据不发送到别的网段，降低了各个子网段和主干网的负 荷。再次：采用全双工通讯方式也减少了冲突。另外还可以采用信息优先级等 来提高实时性。这些措施从根本上解决了以太网通信传输延迟存在不确定性的 问题。 更为重要的是，根据美国利诺公司的研究，e t h c r n c t 未采用交换技术情况下， 当通信负荷在3 0 以下时，1 0 m 以太网的通信响应实时性要好于2 5 m 的a r c n c t 总线( 一种曾被广泛用于工业控制网络的令牌总线) 。而负荷在1 0 以下时，以 太网几乎不发生碰撞，或者说，因碰撞而引起的传输延迟几乎可以忽略不计。 另一方面，在工业控制网络中，传输的信息多为周期性测量和控制数据，报 文小，信息量少，信息流向也具有明显的方向性，即由变送器传向控制器；由 控制器传向执行机构，对网络传输的吞吐量要求不高，不像信息网络那样剧烈 4 武汉理工大学硕士学位论文 变化。在拥有6 0 0 0 个i o 的典型工业控制系统中，通信负荷为1 0 m 以太网的5 左右，即使有操作员信息传输( 如设定值的改变，用户应用程序的下载等) ，1 0 m 以太网的负荷也完全可以保持在1 0 以下。因此，通过采用适当的系统设计和 流量控制技术，以太网完全能用于工业控制网络。 除解决了通讯不确定性问题外，现有以太网与现场总线相比具有以下特点： 应用广泛、成本低廉、通讯速率高、软硬件资源丰富、可持续发展潜力大、易 于与i n t e m e t 连接，实现办公自动化网络和工业控制网络的信息无缝集成【”l 。由 于以太网具有这样的优势，以太网也成为现场总线技术发展的新趋势。现在采 用了以太网作为组成部分的现场总线技术标准有：场总线基金会f f 的h s e ( h i g i l s p e e d e t h e m e t ) ，p r o f i b u s 国际( p r o f i b u si n t e r n a t i o n a l ，p i ) 的p r o f h n e t ，c o n t r o l n e t 国际( c o n t r o l n e ti n t e r n a t i o n a l ，c i ) 和开放设备网制造商协会( o p e nd e v i c e n e t v e n d o ra s s o c i a t i o n , d v a ) 的e t h e r n e t i p , m o d b u s 用户集团的m o 加u s 仰p 等等。据美国权威调查机构a r c ( a u t o m a t i o nr e s e a r c hc o m p a n y ) 报告指出， 今后e t h e m e t 不仅继续垄断商业计算机网络通信和工业控制系统的上层网络通 信市场，也必将领导未来现场总线的发展，e t h e m e t 和t c p i p 将成为器件总线 和现场总线的基础协议 1 4 1 。美国v d c ( v e n t u r ed e v e l o p m e n tc r o p ) 调查报告也 指出，e t h e m e t 在工业控制领域中的应用将越来越广泛，市场占有率的增长也 越来越快，将从2 0 0 0 年的1 1 增加到2 0 0 5 年的2 3 。 1 1 2 国内外工业以太网标准的建立情况 由于以太网应用于工业控制网络具有巨大的优势，国际上已经有组织在着手 推动以太网进入控制领域的工作，如i e e e ( 美国电气和电子工程师协会) 正在 着手制订现场总线和以太网通信的新标准。该标准将使网络能看到“对象”。 i a o n o ( 工业自动化开放网络联盟) 最近与o d v a 和i d a 集团就共同推进 e t h e m e t 和t c p i p 达成共识。o d v a ( d e v i c e n e t 供应商协会) 于2 0 0 0 年3 月 1 7 日发布了一个为在工厂基层使用以太网服务的工业标准o f f ( 现场总线基金 会) 于2 0 0 0 年3 月2 9 日公布了高速以太网( 1 0 m b s ) 的最终技术规范。工业 以太网协会与美国的a r c ，a d v i s o r yg r o u p 等单位合作，开展工业以太网关键技 术的研究。 武汉理工大学硕士学位论文 工业以太网标准的建立刚刚开始，获得普遍承认的国际性工业以太网的标 准还没有制订出来。我国近年来进入了高速工业化阶段，工业控制领域得了飞 速的发展，d c s 和各种现场总线技术纷纷进入国内的工厂1 1 别1 1 6 j 。但是，由于现 场总线技术大多掌握在外国公司手里，使得我国为此支付了大量的资金，同时 使自己处于不利境地。因此我国建立自己的工业以太网标准具有重大的社会 和经济意义。 为了能够将以太网和无线等主流通信技术在工业控制系统中得到广泛应 用，从而推动现场总线技术的发展，加快我国工业企业的信息化改造，根据科 技部和国家8 6 3 专家组的要求，共同参与实施2 0 0 1 年国家“8 6 3 ”计划c i m s 主题 中的“基于高速以太网技术的现场总线控制设备”、“基于无线局域网的现场总线 设备研究与开发”、“基于蓝牙技术的工业现场设备、监控网络及其关键技术研 究”等三个课题将协作建立基于以太网和无线技术的统一的网络通信平台，把这 些课题的技术研究成果进行有机集成，组成基于以太网和无线技术的网络化控 制系统原型，并为未来新型控制系统的研究打下良好基础l l ，j 1 8 jo 同时，全国工 业过程测量与控制标准化技术委员会t c l 2 4 以及中国机械联合会、国家标准化 管理委员会批准的两个标准项目，“适用于工业自动化系统与仪器仪表的以太网 络通信标准”和“工业自动化用无线现场设备通信协议”，认为这两个标准化项目 存在许多共同之处，经项目多次讨论与协商，一致同意由浙江大学、中国科学 院沈阳自动化研究所、重庆邮电学院、浙大中控、清华大学、大连理工大学等 单位共同组建标准化工作组，共同制定“用于工业测量与控制系统的e p a ( e t h e m e tf o rp l a n t a u t o m a t i o n ) 系统结构和通信标准”( 简称“e p a 标准”) 。科技 部已将该标准列为重要国家标准加以制订，明确要求该标准作为国家标准尽快 颁布实旌，并提交i e ct c 6 5 ，争取成为国际标准，以实现我国在自动控制领域 国际标准零的实破。该国家标准j 用于工业测量与控制系统的e p a 系统结构 和通信标准”( 草案) 已子2 0 0 2 年1 2 月由全国工业过程测量与控制标准化技术 委员会t c l 2 4 组织的专家评审，并得到了国内该领域著名专家的高度评价。同 时，重庆邮电学院与浙江大学、浙江浙大中控、中国科学院沈阳自动化所、大 连理工大学、清华大学等单位联合开发的“基于e p a 的分布式网络控制系统原理 样机”也于2 0 0 3 年8 月1 0 日通过了国家8 6 3 c i m s 专家组组织的验收和重庆市 科委、浙江省科技厅、辽宁省科技厅组织的专家鉴定。 2 0 0 3 年5 月1 9 日，德国西门子公司和美国罗克韦尔公司联合向i e c s c 6 5 c 6 武汉理r ：人学硕士学位论文 提交了新工作项目6 5 c 3 0 6 n p ”测量和控制数字数据通信实时应用中基 i s o f l e c 8 8 0 2 3 的通信网络行规( 以下简称r t e ) ”，该n p 属于6 5 c w g l ，其 标准范围为扩展i s o i e c 8 8 0 2 3 以太网的实时要求，定义网桥网络要求等。2 0 0 3 年7 月，课题领导小组通过中国i e c 国家委员会向i e c s c 6 5 c 推荐两名e p a 专 家组专家参加6 5 c 3 0 铷p 项目。2 0 0 3 年8 月2 8 日至8 月2 9 日，i e c s c 6 5 c w g i i 作组会议( r t e 第1 次会议) 在西班牙马德里召开，中国代表团的三名专家参 加了本次会议。在本次会议上，我国专家向工作组介绍了e p a 协议的结构框架， 并联合了法国、加拿大、日本、澳大利亚、意大利等国的专家们提出了扩大r t e 标准范围的请求( 旨在将e p a 纳入到标准范围之内) ，经过艰苦努力，几经反复， 最终使项目发起公司做出了让步，从而使e p a 协议加入国际标准成为可能。会 议还通过了r i t e 的工作进度安排：2 0 0 3 年1 2 月第2 次工作组会议( 法国) ；2 0 0 4 年5 月第3 次工作组会议( 中国) ；2 0 0 4 年1 0 月形成c d 文件。 1 2 本课题的目的及意义 尽管将以太网应用于底层工业控制网络具有美好的前景，但是作为传统上的 面向商业应用的局域网络技术，以太网技术仍然受到各方面的质疑。以太网要 想成为底层工业控制网络标准仍然需要解决：通信实时性；总线供电；网络生 存性( 可靠性、可恢复性、可维护性) 网络安全性；本质安全与安全防爆技术； 远距离传输；实时通信服务质量支持策略：满足通信一致性和互可操作性的应 用层、用户层协议规范等关键的问题。 工业以太网的研究刚刚开始，我国虽然比起国外公司开始的较晚，但是国 际上还没有形成统一的工业以太网标准。经过努力，我国正在研制的e p a ( 工 厂自动化用于工业以太网) 标准已经进入了喇c 6 5 c 的新工作项目 6 5 c 3 0 6 n p ( “测量和控制数字数据通信实时应用中基于i s o i e c 8 8 0 2 3 的通信 网络行规”) 标准范围之内，有望成为国际标准。 因此，我们尝试建立小型的基于以太网的控制器，对以太网用于工业控制进 行有益的探索，期望能推动将以太网用于工业控制的发展。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章嵌入式控制器的结构设计方案 控制系统网络分为3 层：信息层、控制层和设备层( 传感执行层) 。传统的控 制系统在信息层大都采用以太网，而在控制层和设备层一般采用不同的现场总 线或其他专用网络。目前，以太网已经渗透到了控制层和设备层，几乎所有的 p l c 和远程i o 供应商都能提供支持t c p i p 的以太网接口的产品1 1 9 j 。采用以太 网架构以后，控制器的位置也可以突破传统网络架构的限制，可以位于现场， 也可以位于中央控制室。需要注意的是，由于企业的3 层网络传输的数据类型 和对实时性的要求不同，所以虽然从上到下都是工业以太网，但在不同层次之 间还需设置路由器或网桥。使用路由器可以阻断以太网上的广播信息，但如果 所选择的路由器速度太慢，则会形成传输的瓶颈例。 2 1 嵌入式工业以太网控制系统方案 本课题中，网络控制系统分为三部分( 如图2 - 1 所示) ： 1 、现场设备层：包括嵌入式节点控制模块和现场工作机。前者主要完成现 场数据的采集、前端数据的处理与保存并通过i n t e r n e t 接口与上层进行通信。控 制模块可实现服务器功能，信息层可通过w e b 浏览的方式访问( 支持点对多点 通信1 1 2 1 】。后者主要负责一些辅助性、监控性事务，如现场数据传送、历史数据 处理、报表输出等。 2 、内部信息层：主要由企业内部以太网组成。主要完成整个系统的信息收 集和发布，即通过访问现场节点控制模块中的w e b 服务器，把位于监控之下的 所有监控节点的数据通过h u b 集线器集中在局域网服务器中，并统一管理和保 存，通过w e b 浏览的方式向上层管理部门发布。 3 、i n t e r n e t 网络层：该层通过交换机、路由器连接企业各个局域网， 完成信息全球发布，位于办公室的企业领导，生产部门可以直观地看到现场的 工作情况、生产计划完成情况和设备工作状态等信息，即使远在千里，也可以 随时随地的掌握企业( 公司) 的运转情况，达到“运筹帷幢，决胜千里”的良好效 果，使远程办公、远程领导真正成为现实。 8 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1 工业以太网控制网络结构图 2 2 嵌入式接口控制模块的设计方案 本课题采用了c y g n a l 公司生产的c 8 0 5 1 f 0 2 0 芯片，它完全集混合信号，系 统在片于一体，具有指令执行速度高、集成多种数字和模拟外设的特点，简化 了电路设计，提高了可靠性吲。，所有加管脚可以通过编程灵活配置。网络控 制模块的实现采用了多任务方式，单片机在进行数据采集或完成加控制任务的 同时，还可完成i n t e m e t 协议处理。在应用层，采用了h 兀p 协议作为单片机系 统与i n t e m e t 远程管理终端之间的通讯协议。使用了以太网控制芯片8 0 1 9 a s ， 可将数据包发到以太网上，通过以太网接入i n t e m e t ，实现真正的嵌入式t c p i p 设备。系统控制模块结构如图2 2 所示。 针对底层硬件的编程主要包括2 部分：其一是对8 0 1 9 a s 的操作，主要包 括：8 0 1 9 a s 的初始化、数据帧的发送、接收过程：其二是微控制器对底层设备 的控制以及数据的采集、t c p ，i p 协议栈的实现、对数据的运层打包封帧传送等 流程，其次还有网络应用层与底层硬件的接口的实现过程。网络控制模块的特 点： 1 、使用外围器件少，系统成本低，易于开发和维护。 武汉理工大学硕士学位论文 2 、支持i p , t c p , u d p , i c m p , h 兀卫a r p 等网络协议。 3 、系统提供1 0 1 0 0 b a s e t 网络接口，直接支持e t h e r n e ti e e e s 0 2 3 协议。 4 、通过系统内置的r s 2 3 2 串行接口、支持w e b 页面下载功能，可以实时、 动态显示并控制监控点数据。 图2 - 2 系统结构示意图 2 2 1 混合信号i s pf l a s h 微控制器c 8 0 5 1 f 0 2 0 介绍 c 8 0 5 1 f 0 2 0 是c y g n a l 公司生产的完全集成的的1 0 0 脚t q f t 封装方式的 混合信号系统级8 位m c u 芯片1 2 2 j ，它不是单纯的数字式器件，而是集成了放大 器、比较器、a d c ，d a c 、电压基准电路、温度传感器等模拟器件的m c u 。它 使用c y g i 怕山的专利c i p 5 1 微控制器内核。c i p - 5 1 与m c s 5 1t m 指令集完 全兼容，可以使用标准8 0 3 x ，踟5 x 的汇编器和编译器进行软件开发。图2 3 是 c 8 0 5 1 f 0 2 0 的结构图。 c i p 5 1 内核具有标准8 0 5 2 的所有外设部件，包括5 个1 6 位的计数器定时 器、两个全双7 - d a r t , 2 5 6 字节内部r a m ，1 2 8 字节特殊功能寄存器s f r 地址 空间及8 个字节宽的i o 端口。 c i p 5 1 采用流水线结构，与标准的8 0 5 1 结构相比指令执行速度有很大的提 高。在一个标准的8 0 5 1 中，除m u l 和d i v 以外所有指令都需要1 2 或2 4 个系 统时钟周期，最大系统时钟频率为1 2 2 4 m l - i z 。面对于c i p 5 1 内核，7 0 的指令 的执行时间为1 或2 个系统时钟周期，只有4 条指令的执行时间大于4 个系统 时钟周期，c i p 5 1 的最大系统时钟频率为2 5 m h z ，在这个状态下，它的指令执 1 0 武汉理工人学硕士学位论文 行速度峰值可以达到2 5 m 1 p s 除了完全兼容8 0 5 1 并提高了执行速度，c i p 5 1 还 提供多达2 2 个中断源，允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱 动的系统需要较少的m c u 干预因而有更高的执行效率，在设计一个多任务实时 系统时这些增加的中断源是非常有用的。c i p 5 1 内部还有一个独立运行的时钟 发生器，系统可以选择使用内部时钟或者外部时钟，运行中可以进行切换，这 对于降低功耗有作用。c i p 5 1 内核有多达7 个复位源：一个片内v d d 监视器、 一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个由比较器0 提供的电压检测器、 一个软件强制复位、c n v s t r 引脚及r s t 引脚，多复位源可以帮助监视系统运 行状态，当工作不正常时重启控制器。当然，可以软件编程选择使用哪些复位 源，但是瓜s t 和v d d 监视器是不能禁止的。c i p 5 1 内核还集成了6 4 k f l a s h ，4 k 片内s r a m 包含的仿真电路和j t a g 接口更是方便用户进行开发和在线调试。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 在5 1 内核的基础上集成了许多模拟外设，主要有：1 个1 2 位 a d c 子系统，它包括一个9 通道的可编程模拟多路选择器( 8 个外部输入，1 个 片内温度传感器输出) 、一个可编程增益放大器，和一个1 0 0 k s p s l 2 位分辨率的 逐次逼近寄存器型a d c ，a d c 中集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器。1 个8 位a d c 子系统，它包括一个8 通道的可配置模拟多路开关、一个可编程增 益放大器、和一个5 0 0 k s p s 8 位分辨率的逐次逼近寄存器型a d c ，该a d c 中集 成了跟踪保持电路、2 个1 2 位d a c 、2 个模拟电压比较器。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 还集成了许多数字外设，包括：8 字节数字f o ，硬件s m b u s ，s p i 总线，2 个d a r t 串口，可编程1 6 位计数器定时器阵列，有5 个捕捉模块，5 个1 6 位通用计时器，专用看门狗定时器。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 基于应用广泛的5 1 内核；集成了众多的模拟外设和数字外设， 可以大大减轻电路板设计难度；拥有出色的整体性能，这些特点使得我们选择 它作为嵌入式控制器的核心芯片。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 控制器的以太网接口 下图2 _ 4 是c 8 0 5 1 f 0 2 0 控制r t l 8 0 1 9 a s 连接到以太网的简图： r t l s 0 1 9 a s 的j p 引脚接高电平，使之工作在跳线工作模式；i o c s l 6 b 通 过一个2 7 k 电阻接地，使r t l s 0 1 9 a si 作在8 位数据传输方式：a e n 是地址 许可引脚，低电平有效；i o r b 与i o w b 引脚分别与c 8 0 5 1 f 0 2 0 的r d 与- w d 相连；r t l s 0 1 9 a s 的复位由c 8 0 5 1 f 0 2 0 的p 5 口第二脚控制；r t l s 0 1 9 a s 内置 了1 0 b a s e t 收发器，它与以太网的连接通过一个隔离变压器2 0 f 0 0 1 n 后接入 一个r j 4 5 接口。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 4c 8 0 5 1 f 0 2 0 控制r t i j m l 9 a s 连接以太网 r t l s 0 1 9 a s 的地址线有2 0 根，在这里只用了s a 0 - s a 9 ，低8 位通过锁存 器7 4 h c 5 7 3 连接到c 8 0 5 1 f 0 2 0 的p 7 口( a 0 - a 7 ) s j 柚与s a 9 分别与c 8 0 5 1 f d 2 0 的p 4 3 ，p 6 7 ( a 1 9 与a 1 5 ) 连接。在c 8 0 5 1 f 0 2 0 ，访问r ：n8 0 1 9 a s 的寄存器 的地址为o x 8 0 0 0 0 ) 8 0 1 0 ，其中0 x 8 0 0 m o ) 【8 0 0 f 为访问4 页寄存器用的地址( 访 问前要先指定页面) 0 x 8 0 1 0 为远程d m a 地址，r n 名0 1 9 a s 的复位端口地址没 有使用。r 1 眦0 1 9 a s 的数据先有1 6 根，因为工作予8 位方式，只用了d 7 1 3 0 ， 与c 8 0 5 1 f 0 2 0 的p 7 口连接。 2 2 3 以太网控制器r 8 0 1 9 a s 介绍 r 1 m 0 1 鲫略是由台湾r e a l t e k 公司生产的基于i s a 总线的8 ，1 6 位1 0 m b 以 太网控制器l 矧。它的主要特点有： 1 1 0 0 脚p q f p 封装，体积小。 2 支持e t h e l n e t 与i e e e 8 0 2 31 0 b a s e 5 ，1 0 b a s e 2 , 1 0 b a s e t 标准。 3 支持全双工通讯，收发可以达同时到1 0 m b p s 的速度。 4 内建数据预读功能以提高性能。 5 支持u t r a u i 和b n c 三种接口且能自动检测，支持对1 0 b a s e t 拓扑结构的 自动极性修正。 武汉理工人学硕士学位论文 6 内置1 6 k b 双口s r a m ，用于收发缓冲。 7 支持8 1 6 位数据总线，1 6 个i o 基地址选择，有8 个中断源。 8 有4 个诊断输出引脚，可编程控制4 个l e d 帮助了解工作状态。 9 支持3 种节电方式。r t l 8 0 1 9 a s 的接口框图如图2 - 5 所示： 图2 - 5r ! 玎l 8 0 1 吼s 的接口框图 r t l 8 0 1 9 a s 内部可分为远程d m a 接口、本地d m a 接口、m a c ( 介质访 问控制) 逻