（控制理论与控制工程专业论文）嵌入式因特网接入技术在测控网络中研究应用.pdf

引言 伴随着二十一世纪的曙光，人类迎来了一个充满希望的新时代。而作为二十 世纪人类社会最伟大的发明之一，计算机也迈入了其另一个充满机遇的阶段一 后p c 时代。不知不觉中，形式多样的数字化产品已经开始继p c 机之后成为信息 处理的一大主要工具，并且正在逐步形成一个充满商机的巨大产业1 1 1 。 i n t e r n e t 带来了一个新时代。在p c 时代，我们骄傲的说：“信息就在指尖”， 后p c 时代，使得人们开始越来越多地接触到一个新的概念一一嵌入式产品。像 手机、p d a ( 如商务通等) 均属于手持的嵌入式产品，v c d 机、机顶盒等也属于 嵌入式产品，而像车载o p s 系统、数控机床、网络冰箱等同样都采用嵌入式系统。 形式多样的数字化设备正努力把i n t e r n e t 连接到人们生活各个角落，也就是说 中国数字化设备的潜在消费者数量将以亿为单位。嵌入式软件是数字化产品的核 心。如果说p c 机的发展带动了整个桌面软件的发展，那么数字化产品的广泛普 及必将为嵌入式软件产业的蓬勃发展提供无穷的推动力。 嵌入式系统的概念众说纷纭，目前为止还没有一个公认的统一的定义。比较 权威的一个是：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件 可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用 计算机系统。 i n t e r n e t 的伟大之处就在于可以无限地膨胀。数字化生存的作者尼古 拉庞帝来中国讲演时，曾预言未来p c 的市场份额将减少，可能会出现许多非 常便宜的因特网接入设备，他建议的价格只有1 美元。单片机或微控制器( m c u ) ， 通称嵌入式系统，己经在家庭和工业的各个领域得到了广泛的应用。过去大量的 浩如烟海的使用8 16 位微处理器的嵌入式设备，如仪表仪器、数据采集、过程 控制、工业自动化、家庭自动化等实时应用，已到了享用互联网方便的时候了【2 i 。 由此可见，如何设计和制造嵌入式瘦服务器、嵌入式网关和嵌入式因特网路 由器己成为嵌入式i n t e r n e t 时代的关键和核心技术。嵌入式因特网设备具有如 下的特点： 不需要专用的通信线路，现成的因特网成为全球化的网络： 不止是文本数据，声音、图象等多媒体数据可以传输； 协议是公开的，任何一种w e b 浏览器都可以照读不误； 信息可以直接反映在色彩丰富的网页上，形式可以是数据、文本、图象、表 格和语音。 现代测控网络利用现场总线技术，企业内部网和各种网关设备，来间接对现 场设备进行监控。利用嵌入式in t e r n e t 接入技术，就可使现代测控网络真正做 到现场监控现场设备。 本文结合科研课题“基于嵌入式w e b 服务器的网络视频监控系统”，深入研 究了嵌入式i n t e f n e t 的实现技术，解决了在8 位微处理器上实现t c p i p 协议栈 的技术难点。系统的成功运行证明作者提出的解决嵌入式系统因特网接入的方案 是可行的。同时也表明嵌入式i n t e r n e t 技术具有广泛的应用前景。 本文按照如下的顺序组织文章的结构： 第一章现场总线一开创测控网络的新纪元。对现场总线的特点、现场总线 的网络模型和现代流行的几种现场总线作了较详细的论述，在此基础上，作者提 出了基于嵌入式i n t e r n e t 的现代测控网络的网络模型。 第二章嵌入式系统研究。首先论述了嵌入式系统的定义、特点、分类、应 用和发展趋势，接着分析了嵌入式系统的硬件和软件平台：嵌入式实时操作系统 和嵌入式微处理器。 第三章嵌入式in t e r n e t 系统。本章从研究嵌入式in t e r n e t 的兴起开始， 涉及了嵌入式in t e r n e t 的应用领域，嵌入式i n t e r n e t 在现代控制网络系统中的 应用，重点研究了实现嵌入式i n t e r n e t 的方法。 第四章t c p i p 协议。概要论述了t c p i p 协议的组成和结构体系。 第五章基于嵌入式w e b 服务器的网络视频监控系统。详细论述了系统的组 成和各个组成模块，针对视频监控的特点，在8 位微处理器上实现了i n t e r n e t 的接入。由于t c p p 协议栈的实现比较复杂，在此基础上，还有具体的应用程 序的设计问题，若用个简单的w h i le 循环将会使整个嵌入式w e b 服务器的软件 没计变得复杂，可读胜不强，并且会影响网络的传输速度，所以作者采用了 c o s i i 这个源代码公开、移植性强的实时操作系统。这就涉及到uc o s t i 实 时内核的修改。uc o s i i 的绝大部分源代码是用a n s ic 编写，但是，对每种 不同的微处理器，几个少数内核函数的修改是各不相同的，与所移植的微处理器 的结构，指令有关。总之，只需对与微处理器等硬件相关的部分进行修改，并且， 只能使用汇编语言。从系统的实际运行情况看来，作者对嵌入式w e b 服务器的硬 件设计和软件设计是正确的，同时也表明，嵌入式i n t e r n e t 接入技术在现代测 控网络系统中，具有广阔的应用前景。 i i 摘要 随着i n t e r n e t 和嵌入式系统的广泛应用，计算机技术、网络技术、控制技术 和现场总线技术得到迅速发展，促使测控网络向数据共享更加方便、信息传递更 加快捷和交互性更强的方向发展，基于嵌入式i n t e r n e t 技术的远程网络测控应运 而生，它将推动控制技术向网络化、开发性和分布性的方向进一步发展。 现代的测控网络以现场总线技术为核心。现场总线从工业现场设备底层向上 发展，计算机网络从互连网i n t e r n e t 项层向下渗透，直至和底层的现场设备可以 通信，就形成了基于嵌入式i n t e r m e t 技术的现代测控网络。 本文首先分析了现场总线系统( f c s ) 与传统集散控制系统( d c s ) 相比具有的 特点、f c s 的网络体系结构，介绍了几种流行的现场总线，提出了将嵌入式 i n t e r n e t 技术结合现场总线构建现代测控网络的课题；在此基础上，构建了基 于嵌入式i n t e r n el 技术的测控网络结构模型：深入研究了嵌入式系统的核心硬 件一嵌入式微处理器，通过对比普通操作系统，描述了嵌入式实时操作系统的特 点；重点研究了实现嵌入式i n t e r n e t 的四种实现方法，并分析了以太网在工业 测控系统中应用的难点，给出了一个基了二嵌入式i p 的网络测控系统实例；最后， 研究与设计了一个基于嵌入式w e b 服务器的远程网络视频监控系统，该嵌入式 w e b 服务器利用目前成熟的嵌入式实时操作系统uc o s i i ，通过对uc o s i i 进 行适当的裁剪、修改与移植，在a t 8 9 c 5 1 嵌入式微处理器上实现了t c p i p 协议 栈及应用程序，系统的成功运行证明了本文研究成果的有效性，也表明嵌入式 i n t e r n e t 技术在现代测挖网络系统中具有广阔的应用前景和推广价值。 关键词：嵌入式i n t e r n e t 现场总线洲控网络r t o st c p i p 视频监控 1 i l a b s tr a c t w i t ht h ei n t e - n o ta n de m b e d d e ds y s t e mb e in gw id e l yu s e d v a t i o nsk in d s o ft e c h n 0 1o g ys u c ha sc o m p u t e r ，n e t w o r k ，c e n t r e la n df ie 1db u sa r eg r o w in g u pq u ic k ly i tm a k e smeasurea n dc o n t r 0 1n e t w o r ks y s t e mt e n d i n gt o w a r d s m e f ec o n v e h ie n c eind a t as h a t in g ，m o r er a p i dini n f o r m a t i o nt r a n s m i t i o n a n dm e f ef r i e n d 】yi ni n t e r o p e r a t io n a n dm a k e sc o n t r e lt e c h n 0 1 0 9 yb e c o m e m o r en e t w o r k i n g ，d is t r i b u t in ga n do p e l 3 i n g f ie l d b u sist h ec o r eo ft h em o d e r nmeasurea n dc o n t r o ls y s t e m w h e n f ie i db us d e v e l o p s f r o min d u s t r yf ie l dd e v i c eu pt ot o da n dc o m p u t e r n e t w o r k in gs i n k st ob e t t o md e v ic ef r o mi n t e r n e t t h en e t w o r km e a s u r ea n d c o n tr e ls y s t e mb a s e do ne m b e d d e din t e r n e tt e e h n o l o g yb e c o m e st r u e f ir s t ly ，t h is p a p e rm a k e sad e t a i l e ds t u d yo nt h ef i e l dc o n tr e lb us s y s t e m ( f c s ) in c l u d in g t h ec h a r a c t e r so ff c sb y c o m p a r ir i g f c sa n d d e s ，m o d e lr e t w o r k in go ff c sa n ds e v e r a lp o p u l a rf ie l db u s ，t h e np u tf o r w a r d aa u e s t io nf o rd is c u ss i o i 3c o m b i n i n ge m b e d e din t e r n e tt e c h n 0 1 0 9 ya n df ie l d b u s a n dmeasurea n d c o n t r o lr e t w o r k in gm o d e lb a s e de m b e d e din t e r n e t t e c h n 0 1 0 9 yisc o n s t r u c t e d s e c o n d ly ，i ts t u d ie se m b e d e ds y s t e m ir e lu d in g t h ec o r e0 fh a r d w a r e e m b e d e dm ic r o p r o c e s s o ta n dr e a l t i m eo p e r a t i o n s y s t e m t h ir d l y t h em e t h o do fr e a l iz in ge m b e d e din t e r n e tisd is c u ss e df o r e m p h a s is a n dd i f f ic u lty o fe h e r n e ta p p l ic a t i o nin in d u s t r ym e a s u r e c o n t r e ls y s t e misa n a ly s e d a n in s t a n c eo fm e a s u r e c o n t r e ln e t w o r k in g s y s t e mb a s e de m b e d d e di pisg iv e n f in a l l y t h ea u t h e rd e s i g n e dan e t w o r k e d r e m o t ev i d e osl l r v e n l a n c es ys t e mb a s e de m b e d d e dw e bs e r v e r uc o s i iis s a c le da n dp e r t e di n t ot h ee m b e d d e dm ic r o p r o c e s s o ra t 8 9 c 5 1 b a s e do nt h e uc o s i ir t o s ，t c p i pp r o t o c 0 1s u i t ea n da p p l ic a t i o np r o g r a misd e s ig n e d i nd e t a i l t h es y s t e mw e r k sw e l lt h a ti m p r o v e st h a tt h ee m b e d d e din t e r n e t t e c h n 0 1 0 9 yw i l ib e w id e lyu s e d inm o d e r nm e a s u r e c e n t r e in e t w o r k in g s y s t e ma n dh a se x t e n dv a l u e s k e y w o r d s ：e m b e d e d i n t e r n e t ，f i e l d b u s ，m e a s u r e a n d c o n t r o l n e t w o r k ，r t o s ，t c p i p ，v i d e o s u r v e l i a n c c v 湖南大学硕士学位论文嵌八式固特网接八技术在：州控网络中压用研咒 第一章现场总线一开创测控网络的新纪元 1 ，1 现场总线综述 七十年代以前，控制系统中采用模拟量对传输及控制信号进行转换、传递， 其精度差、受干扰信号影响大，因而整个控制系统的控制效果及系统稳定性都很 差。七十年代末，随着大规模集成电路的出现，微处理器技术得到很大发展。微 处理器功能强、体积小、可靠性高、通过适当的接口电路用于控制系统，控制效 果得到提高；但是尽管如此，还是属于集中式控制系统。随着过程控制技术、自 动化仪表技术和计算机网络技术的成熟和发展，控制领域又发生了一次技术变 革。这次变革使传统的控制系统( 如集散控制系统) 无论在结构上还是在性能上 都发生了巨大的飞跃，这次变革的基础就是现场总线技术的产生。 现场总线是连接现场智能设备和自动化控制设各的双向串行、数字式、多节 点通信网络，它也被称为现场底层设备控制网络( i n f r a n e t ) 13 1 。8 0 年代以柬， 各种现场总线技术开始出现人们要求对传统的模拟仪表和控制系统变革的呼声 也越来越高，从而使现场总线成为一次世界性的技术变革浪潮。美国仪表协会 ( i s a ) 于1 9 8 4 年开始制订现场总线标准，在欧洲有德国的p r o f l b u s 和法国的 f i p 等，各种现场总线标准陆续形成。其中主要的有：基金会现场总线f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 、控制局域网络c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 、局部操 作网络l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) 、过程现场总线p r o f i b u s ( p r o c e s s f i e l db u s ) 和h a r t 协议( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 等。但是，总 线标准的制定工作并非+ 帆风顺，由于行业与地域发展等历史原因，加上各公司 和企业集团受自身利益的驱使，致使现场总线的图际化标准工作进展缓慢。但是 不论如何，制定单的丌放国际现场总线标准是发展的必然。 1 1 1 现场总线系统的特点 现场总线系统( f c s ) 与传统的集散控制系统( d c s ) 相比，有以下特点： i 、线式结构 一对传输线( 总线) 挂接多台现场设备，双向传输多个数字信号。这种结构比 一对一的单向模拟信号传送结构布线简单，安装费用低，维护简便。 2 、开放互操作性 现场总线采用统一的协议标准，是开放式的互联网络，对用户是透明的，在传 1 湖南大学硕士学位论文嵌八式因特网接八技术在测控网络中应用研究 统的d c s 中，不同厂家的设备是不能相互访问的。而f c s 采用统一的标准，不f 一厂 家的网络产品可以方便地接入同一网络集成在同一控制系统中进行互操作，因 此简化了系统集成。 3 、彻底的分散控制 现场总线将控制功能一f 放到作为网络节点的现场智能仪表和设备中，做到彻 底的分散控制，提高了系统的灵活性、自治性和安全可靠性，减轻了控制站c p u 的 计算负担。 4 、综合、组态灵活 通过数字化传输现场数据，f c s 能获取现场仪表的各种状态、诊断信息，实现 实时的系统监控和管理。此外，f c $ 引入了功能块的概念，通过统一的组态方法， 使系统组态简单灵活，不同现场没备中的功能块可以构成完整的控制回路。 j 、输媒介和拓扑结构 f c s 由于采用数字通讯方式，因此可采用多种传输介质进行通信。根据控制 系统中节点的空间分布情况，可采用多种网络拓扑结构。这种传输介质和网络拓 扑结构的多样性给自动化系统的施工带来了极大的方便，据统计，f c s 与传统d c s 的主从结构相比，只计算布线1 ：程一项即可节省4 0 的经费。 1 1 2 现场总线网络模型 现场总线本质上是一种控制网络，因此网络技术是现场总线的重要基础。和 i n t e r n e t 、in t r a n e t 等类型的信息网络不同，控制网络直接面向生产过程，因此 要求很高的实时性、可靠性、数据完整性和可用性。为满足这些特性，现场总线 对标准的网络协议作了简化，一般只包括i s o o s l 7 层模型中的3 层：物理层、数 据链路层和应用层。此外，现场总线还要完成与上层工厂信息系统的数据交换和 传递。综合自动化是现代工业自动化的发展方向，在完整的企业网构架中，现场总 线控制丽络模型应涉及从底层现场设备网络到上层信息网络的数据传输过程。 基于上述考虑，统一的现场总线控制网络模型应具有三层结构，从底向j 二依 次为：现场智能设备层、现场，总线监控层、远程监控层。 1 、现场智能设备层。 依照现场总线的协议标准，智能设备采用功能块的结构，通过组态设计，完成 数据采集、a d 转换、数字滤波、温度压力补偿、p i d 控制等各种功能。智能转 换器对传统检测仪表电流电压进行数字转换和补偿。此外，总线上应有p l c 接i _ _ 】， 便于连接原有的系统。现场设备是以网络节点的形式挂接在现场总线网络上，为 保证节点之间实时、可靠的数据传输，现场总线控制网络必须采用合理的拓扑结 湖南大学硕士学位论文嵌八式因特网接入技术在测控网络中应用研究 构。常见的现场总线网络拓扑结构有：环形网、总线网、树形网和令牌总线网。 2 、现场总线监控层 这一层从现场设备中获耿数据，完成各种控制、运行参数的监测、报警和趋 势分析等功能，另外还包括控制组态的设计和下装。监控层的功能一般由上位计 算机完成，它通过扩展槽中网络接口板与现场总线相连，协调网络节点之间的数 据通信：或者通过专门的现场总线接口( 转换器) 实现现场总线网段与以太网段的 连接，这种方式使系统配置更加灵活。这一层处于以太网中，因此其关键技术是以 太网与底层现场设备网络间的接口，主要负责现场总线协议与咀太网协议的转换 保证数据包的正确解释和传输。监控层除上述功能外，还为实现先进控制和远程 操作优化提供支撑环境。 3 、远程监控层 其主要目的是在分布式网络环境下构建一个安全的远程监控系统。首先要将 中间监控层的数据库中的信息转入上层的关系数据库中，这样远程用户就能随时 通过浏览器查询网络运行状态以及现场设备的工况，对生产过程进行实时的远程 监控。赋予一定的权限后，还可以在线修改各种设备参数和运行参数，从而在广域 网范围内实现底层测控信息的实时传递。目前，远程监控实现的途径就是通过 in t e r n e t ，主要方式是租用企业专线或者利用公众数据网。由于涉及实际的生产 过程，必须保证网络安全，可以采用的技术包括防火墙、用户身份认证以及密钥管 理等。在这方面，w o r l d f i p 现场总线技术具有优势。w o r l d f i p 的报文比较灵活， 兼容t c p i p ，可以无缝连接in te r n e t ，同时又不影响实时数据的传送，因此，整个 控制网络可以采用统一的协议标准。此外，w o r l d f ip 的现场设备中有内嵌的w e b 服务器，用户可以直接通过i n t e r n e t 访问现场设备中的信息，无需中间的协议转 换器。 1 2 几种流行的现场总线 当前，各种形式的现场总线协议并存于控制领域 5 1 。在楼宇自控领域， f ，o n w o r k s 和c a n 网络具有一定的优势；在过程自动化领域，主要有过渡型的h a r t 协议、得到广泛支持的f f 现场总线协议以及同样较有竞争力的p r o f i b u s 协议。 t t a r t 协议将是目前几年内智能化仪表的主要通信协议；基金会现场总线是过程 自动化领域中较有前途的一种现场总线，得到许多自动化仪表设备厂商的支持； 由于l o n w o r k s 技术的开放性，国内出现了利用它开发控制系统的许多开发商。 考虑到统一的丌放式现场总线协议标准制定的长期性和艰巨性，传统d c s 的退出 湖南大学硕士学位论文嵌八式因特网接八技术在测控网络中应用研咒 将是一个渐进过程。在一段时期内，会出现几种现场总线共存、同一生产现场有 几种异构网络互连通讯的局面 1 2 1 基金会现场总线f f 基金会现场总线f f 是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景 的一种技术。其前身是以美国f is h e r r o s e m o u n t 公司为首，联合f o x b o r o 、横 河、a 1 3 b 、西门子等8 0 家公司制定的i s p 协议和以h o n e y w e l l 公司为首，联合欧 洲等地15 0 家公司制定的w o r l df i p 协议。这两大集团于1 9 9 4 年9 月合并，成 立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。 基金会现场总线分为h 1 和高速h 2 两种通信速率。h l 的传输速率为 3 1 2 5 k b p s ，通信距离可达1 9 k m ，可支持总线供电和本质安全防暴环境。h 2 的 传输速率可为l m b p s 和2 5 m b p s 两种，通信距离为7 5 0 m 和5 0 0 m 。物理传输介质 可为双绞线、光缆和无线，其传输信号采用曼切斯特编码。基金会现场总线以 i s o o s i 开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为f f 通 信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应 用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块 集。f f 总线包括f f 通信协议、i s o 模型中的2 7 层通信协议的通栈、用于描述 设备特性及操作接口的d d l 设备描述语言、设备描述字典，用于实现测量、控制、 工程量转换的应用功能块，实现系统组态管理功能的系统软件技术以及构筑集成 自动化系统、网络系统的系统集成技术。 1 2 2o a n 总线 c a n 总线最早是由德国b o s c h 公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之闯 的数据通信协议。其总线规范已被i s o 国际标准组织制定为国际标准，并且广泛 应用于离散控制领域。它也是基于o s i 模型，但进行了优化，采用了其中的物理 层、数据链路层、应用层，提高了实时性。其节点有优先级设定，支持点对点、 一点对多点、广播模式通信。各节点可随时发送消息。传输介质为双绞线，通信 速率与总线长度有关。c a n 总线采用短消息报文，每一帧有效字节数为8 个；当 节点出错时，可自动关闭，抗干扰能力强，可靠性高 1 2 3l o n w or k s 总线 l o n w o r k s 技术是美国e c h e l o n 公司开发，并与m o t o r o l a 和东芝公司共同倡 导的现场总线技术【6 】。它采用了o s i 参考模型全部的七层协议结构。l o n w o r ks 技术的核心是具备通信和控制功能的n e u r o n 芯片。n e u r o n 芯片实现完整的 4 湖南大学硕士学位论文嵌八式因特网接八技术在测控网络中应用研冗 l o h w o r k s 的l o n t a lk 通信协议。其上集成有三个8 位c p u 。一个c p l 完成o s i 模 型第一和第二层的功能，称为介质访问处理器。一个c p u 是应用处理器，运行操 作系统与用户代码。还有一个c p u 为网络处理器，作为前两者的中介，它进行网 络变量寻址、更新、路径选择、网络通信管理等。由神经芯片构成的节点之问可 以进行对等通信。l o n w o r k s 支持多种物理介质并支持多种拓扑结构，组网方式 灵活，其i s 一7 8 本安物理通道使得它可以应用于危险区域。l o n w o r k s 应用范围 主要包括楼宇自动化、工业控制等，在组建分布式监控网络方面有较优越的性能。 1 3 嵌入式in t er n e t 技术与测控网络的集成 1 3 1 集成的必要性 现场总线控制网络作为现代网络测控系统的重要的一部分，由于其彻底的开 放性、分散性和完全可互操作性等特点，正成为未来新型工业控制系统的发展方 向之一 7 1 。然而就目前情况来看，现场总线技术的发展还存在诸多问题，最主要 的是没有一个统一的国际标准( 目前的现场总线国际标准i e c6 l l j 8 ，包含了8 种不同类型的现场总线，因此可以醴没有标准) ，并且由于支持各总线的集团蚓 的利益冲突等原因，近期产生统的现场总线标准是不可能的。由于不同现场总 线的通信协议有很大差异，要实现不同总线产品问的互联非常困难，同时，如果 需要访问现场设备，按照目前的测控网络结构体系，数据需要通过企业内部网和 现场总线，异地访问设备则必须通过i n t e r n e7 r ，到企业网，再到与现场控制器 紧密相连的控制系统的i o 服务器取数据，对于一些需要及时处理的数据来说， 这样的传送过程是不能接受的。给现场总线技术的推广咀及现场总线控制系统的 应用带来不利的影响。 以i n t e r n e t 为代表的计算机网络的迅速发展及相关技术的同益完善，突破了 传统通信方式的时空限期和地域障碍，使更大范围内的通信变得十分容易， i n t e r n e t 拥有的硬件和软件资源正在越柬越多的领域中得到应用，比如电子商务、 网上教学、远程医疗、远程数据采集与控制、高档测量仪器设备资源的远程实时 调用，远程设备故障诊断，等等。与此同时，高性能、高可靠性、低成本的网关、 路由器、中继器及网络接口芯片等网络互联设备的不断进步，又方便了i n t e r n e t 、 不同类型测控网络、企业网络问的互联。利用现有i n t e r n e t 资源而不需建立专门 的拓扑网络，使组建测控网络、企业内部网络以及它们与i n t e r n e t 的互联都卜分 方便，这就为测控网络的普遍建立和j 。泛应用铺平了道路 把t c p i p 协议作为一种嵌入式系统的应用，嵌入现场智能设备的r o m 中， 湖南大学硕士学位论乏嵌入式因特两接入技术在测控网络中压用研完 使信号的收、发都以t c p ip 方式进行，如此，测控系统在数据采集、信息发布、 系统集成等方面都以企业内部网络( inl r a n e t ) 为依托，将测控网和企业内部网 及i n t e r n e t 互联，便于实现测控网和信息网的统一。在这样构成的测控网络中 传统仪器设备充当着网络中独立节点的角色，信息可跨越网络传输至所及的任何 领域，实时、动态( 包括远程) 的在线测控成为现实，将这样的测量技术与过去 的测控、测试技术相比不难发现，今天，测控能节约大量现场布线、扩大测控系 统所及地域范围。使系统扩充和维护都极大便利的原因，就是因为在这种现代测 量任务的执行和完成过程中，网络发挥了不可替代的关键作用，即网络实实在在 地介入了现代测量与测控的全过程。 1 3 2 基于嵌入式in t e r n e t 的现代测控网络的网络模型 现场总线技术从工业现场设备底层向上发展，逐步扩展到网络化，开放性和 分布性，计算机网络从互连网i n t e r n e t 顶层向下渗透，直至和底层的现场设备可 以通信。基于i n t e r n e t 远程测控系统应运而生，它通过现场控制网络( 或现场总 线) 、企业网和i n t e r n e t 网把分布于各局部现场、独立完成特定功能的控制计算 机互连起来，以达到资源共享、协同工作、远程监测、远程诊断和集中管理为目 的的全分布式设备状态监测和故障诊断系统，它是嵌入式技术、i n t e r n e t 、w e b 数据库技术、t c p i p 网络通讯技术、现场总线技术、浏览器技术、设备故障诊 断技术发展的产物【。系统组成如图l l 。 其网络体系结构可分为四层：现场设备层、过程监控层、生产管理层、生产 决策层1 0 。 现场设备层主要负责现场生产设备等的按照预先编制好的程序或上层传递 下来的目标监控。其主要技术是现场设备总线。将现场设备用现场设备总线连接 起来，成为很多不同的网段，生产设备等通过其自带的现场总线接口模块与现总 线进行通信。由于现场总线有很好的开放线，所以不同厂家生产的遵循同一通信 湖南大学硕士学位论文嵌入式因特网接八技术在测控网络中应用研究 图1 1 基于嵌入式i n t e r n e t 的现代测控网络的网络模型 协议的网络产品极易互连，并且由于一般的现场总线均处理了所有的物理层和数 据链路层的问题，如：物理媒体访问、总线仲裁以及防止通信碰撞等问题，所以 对于用户来说，在此基础上进行组网并不困难。同时设备运行状态通过以太网 的t c p 或u d p 传送到远程监控设备处理和显示，这些数据存入数据库中。远程监 测设备可以进行简单的故障检测和分析，把结果告诉现场测控设备。还可以拥有 故障诊断数据库进行知识的学习，解决更复杂的现场问题。 过程监控层主要负责生产过程的监控，以及相应的数据采集，上报及超标 报警，保证现场设备安全高效地运行。这一层由于要和上下两层进行数据通信， 所以这一层的设计的优劣对整个企业的正常运行至关重要。过程监控层中主要采 用技术有网关技术( 包括不同总线之间的网关以及现场总线与以太网之间的网 关) 。这种网关技术包括：协议转换算法地址解析算法等。 生产管理层主要负责维护系统历史数据库、更新系统实时数据库、接受生 产决策层的生产决策并生成调度信息等。主要技术有遗产算法、模糊神经网络等 在c i m s 生产调度、优化排产中的应用。 生产决策层主要负责与分布得较分散的企业的营销单元之间的信息交换， 收集市场等方面的信息，以便于决策，另外，该层还要与其他已形成动态联盟的 敏捷企业进行信息交互，以进行协同生产。主要应用技术有基于b s 模式及 湖南大学硕士学位论丈嵌入式因特网接八技术在测控网络中应用研究 w w w 、h t t p 、a s p 等技术的远程信息交互，a t m ，b i s d n 等。 1 ，3 3 基于嵌入式in t e r n e t 的测控网络系统的应用和前景 i n t e r e t 和工业控制技术的结合，给控制技术带来了飞速的发展嘲”f “j 。目 内外己积极地开展了远程控制的应用与研究，并取得良好的效益。 中国科学院等离子体物理研究所的h t 一7 超导托卡马克装置规模大、参数多。 整个系统采用不同类型的计算机，操作系统也不同，而且各个子系统的控制计算 机分布在不同的实验现场，相距甚远。实验的特殊性要求控制系统能完成实时控 制，而且各功能子系统问的数据传输量也大。为实现整个系统的实时监控及诊断 保护，系统采用了基于交换式快速以太网的网络技术，利用基于t c p i p 协议的 s o c k e t 网络编程，不仅实现了数据共享、高速可靠的数据传输，而且系统具有组 网简单、升级方便和高的性能价格比等优点。 由西安交通大学开发的基于i n t e r n e t 的快速成型和快速加工技术，只要用 户安装w w w 浏览器，就可以通过h t i 、p 获得远程服务部t s b ( t e le s e r v i c eb u r e a u ) 在线技术支持和数据交换。比如提供3 dc a d 文件和物理模型，加工测试数据反馈 给t s b 等。另外此项目得到困家8 6 3 计划的资助。i 9 9 8 年，s w is sf e d e r a l 技术 学院的p s a u c y 博士进行了基于i n t e r n e t 的移动机器人的远程控制实验。 现在，基于in t e r n e t 的远程测控系统已投人到实际的应用领域，并取得很好 的经济效益，其应用前景是十分广阔的。在广泛的工业领域中，可实现数据网络和 控制网络的集成，即现场总线和计算机网络融为一体，实现真f 的虚拟工厂 ( v i r t u a lp l a n t ) 和虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r e ) 。远程测控技术的成熟也将 促进其在环境监测、电网监控上巨大作用。另外，基于it 1 t e r r e t 的远程测控将使 机器人完成更多更复杂的任务，如深海探测、井下作业和空间探测等。 湖南大学硕士学位论文嵌八式因特网接八技术在测控网络中压用研究 2 1 嵌入式系统 第二章嵌入式系统的研究 提到c p u ( 中央处理器) 我们就会联想到p c ，但实事上c p u 的应用领域、 范围及采用的数量都远远超过p c 的范畴。以数量来看x 8 6 的c p u ，包含i n t e l 及a m d 公司所生产的，总起来也抵不过其他种类c p u 总消耗的0 1 ，其中应 用数量最大的是在嵌入式系统。今同举凡移动电话、手表、电子计算机、p d a 、 电视、冰箱等民用电子与通信产品，电动机车、电动脚踏车，乃至于电动汽车等 电动交通工具的控制核心，无不与嵌入式系统息息相关。而在后p c 时代的来临， 家电、玩具、汽车、新一代手机、数码相机，先进的医疗器械乃至于即将带来 的智能型房屋、智能型办公室等更是少不了嵌入式系统这个核一1 5 , 技术。 2 1 1 嵌入式系统的定义 以往我们按照计算机的体系结构运算速度、结构规模，适用领域，将其分 为i 大型计算机、中型机、小型机和微型计算机，这种分类方法沿用了近4 0 年。 近1 0 年来随着计算机技术的迅速发展，实际情况发生了根本变化 1 5 1 ，例如7 0 年代未定义的微计算机演变来的个人计算机( p c ) ，如今已经占据了全球计算机 工业的9 0 的市场，其处理速度也超过了当年大、中型计算机的定义。随着计算 机技术和产品对其他行业的广泛渗透，以应用为根据的分类方法变得更为切合实 际，也就是按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用将其分为嵌入式计算机和通用 计算机。 嵌入式系统的概念众说纷纭，目前为止还没有一个公认的统一的定义。比 较权威的一个是：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬 件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专 用计算机系统m 】。 嵌入式系统是电脑软件和硬件的综合体，也可涵盖机械和其他的附属装 嚣。整个综合体设计的目的在于满足某种特殊功能。嵌入式系统的架构可分为五 个部分：嵌入式微处理器、内存、输入与输出设备、嵌入式操作系统与应用软件。 2 1 2 嵌入式系统的特点 通用计算机具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件，以类同面目 湖南大学硕士学位论文嵌入式固特网接八拽术在测控网络中应用研究 出现并应用在社会的各个方面，其典型产品为p c ；而嵌入式计算机则是以嵌入 式系统的形式隐臧在各种装置、产品和系统中。 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的 外部设备中就包含了5 1 0 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示 卡、显示器、m o d e m 、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、u s b 集线器 等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽 车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用 领域。 嵌入式系统和通用计算机系统相比具有如下的特点】： 1 、嵌入式系统通常是面向应用的系统。嵌入式c p u 与通用型的最大不同 就是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、 体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯 片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的 耦合也越来越紧密。 2 、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与各个行业 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。 3 、嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余， 力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选 择更具有竞争力。 4 、嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产 品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 5 、为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存 储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 6 、嵌入式系统本身不具备自举丌发能力，即使设计完成以后用户通常也是 不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套刀：发工具和环境才能进行开发。 7 、嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业。当代的通用计算机工业 的基础被认为是由w i n t e l ( m i c r o s o f t 和i n t e l9 0 年代初建立的联盟) 垄断的工业。 嵌入式系统则不同，它足一个分散的工业，充满了竞争、机遇与创新，没有哪一 个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场。 2 1 3 嵌入式系统的分类 根据嵌入式系统的复杂程度可以把它分为以下四类： 1 0 j 胡南大学硕士学位论文嵌入式因特网接八技术在测控网络中应用研究 1 、处理器系统。这类系统i f 以在小型设备中( 如温度传感器、烟雾和气体 探测器及断路器) 找到。这类设备是供应商根据设备的用途来设计的。 2 、不带计时功能的微处理器装置。这类系统可在过程控制、信号放大器、 位置传感器及阀门传动器等中找到。 3 、带计时功能的组件。这类系统可见于开关装置、控制器、电话交换机、 电梯、数据采集系统、医药监视系统、诊断及实时控制系统等。它们是一个大系 统的局部组件，由它们的传感器收集数据并传递给该系统。这种组体可同p c 机 一起操作，并可包括某种数据库( 如事件数据库) 。 4 、在制造或过程控制中使用的计算机系统。对于这类系统，计算机与仪器、 机械及设备相连来控制这些装置的工作。这类系统包括自动仓储系统和自动发货 系统。在这些系统中，计算机用于总体控制和监视，而不是对单个设备直接控制。 过程控制系统可与业务系统连接以求得更好的效果( 如根据销售额和库存量来决 定定单或产品量) 。 2 14 嵌入式实时系统 嵌入式实时系统除了具有嵌入式系统的一般特点外，还具有实时性，即具有 能及时响应外部随机事件，并以足够快的速度完成对事件处理的特点。 1 、对外部事件的响应必须在一定时间内完成。同样，要求各种输出也必须 在一定时间内完成。事实上，数据的采集、处理以及数据的输出，都需要在特定 的时间内完成。这一时剧的总和叫做系统的反应时问。保证在规定的时间限度之 内做出响应是嵌入式实时系统设计的关键。 2 、须满足一定的峰值负荷要求。系统的负荷可能是不均匀的，有时负载重， 有时负载轻，甚至大部分时间没有被充分利用。但是，在负载重，甚至在超负荷 的情况下，某些关键任务一定要得到满足。 3 、系统的可靠性至关重要。一般的系统都是工作在环境恶劣的情况下。温 度变化大、震动强烈和电磁干扰强的特点，要求嵌入式实时系统不但需要采用工 业级元器件，而且还要求在系统级的设计上采用容错设计。 2 1 5 嵌入式系统的应用 后p c 时代的到来，使得人们开始越来越多地接触到一个新的概念一一嵌入 式产品。像手机、p d a ( 如商务通等) 均属于手持的嵌入式产品，v c d 机、机 顶盒等也属于嵌入式产品，而像车载g p s 系统、数控机床、网络冰箱等同样都 采用嵌入式系统。形式多样的数字化产品已经开始继p c 机之后成为信息处理的 湖南大学硕士学位论文嵌入式因特1 司4 i - 入技术在测控网络中应用研究 一大主要工具，并且| f 在逐步形成一个充满商机的巨大产业。 中国有世界上最大的家用电子产品消费市场，彩电、v c d 等拥有量都居世界 第一：随着消费结构的改变，人们对家电的灵活性和可控性提出了更高的要求； 这些只能通过家电的数字化和网络化来实现：随着电话通信费用和通信类电子产 品的价格进一步下调，p d a 结合数字手机将成为今后个人数据通信和事务处理 的最佳选择；同时，对于现代化的医疗、测控仪器和机电产品也需要有专用的嵌 入式系统软件的支持。这