（控制理论与控制工程专业论文）工业以太网嵌入式控制器研究与应用.pdf

，l -1，慧。“捌，一证浮飞臻寝4“，奄_-1一媾配穗，镪葡幢。离，_0 一l c 至 ! i !：， 7 l i i j e n g i n e e r i n g r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n 0 fe m b e d d e d i n d u s t r i a le t h e r n e tc o n t r o l l e r b yj i a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rg ud e y i n g n or t h e a s t e r nu n i v e r s i 锣 j a n u a r y2 0 0 8 一 _ j，、】j1。 _ _ i j ) l o 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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诚挚 的谢意。 学位论文作者签名 蟛墙 ：茗丝 签字日期：沁客，；，杏 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：兰燕 铷签名：膨哆一 签字 日 期：扣啊，弓 签字日期：泸彦、弓 鑫j 小 0 l j 1lll - j 、 o 、 i 东北大学硕士学位论文摘要 工业以太网嵌入式控制器研究与应用 摘要 工业以太网( i n d u s t r i a le m e n l e t ) 是国际上现场总线领域研究的热点，各种现场总线 标准组织也加大了对工业以太网的研究。嵌入式系统的强大网络功能，为以太网应用到 工业现场起到很大的促进作用。 本文针对以太网应用到工业现场出现的带宽、实时性、稳定性等问题，设计了工业 以太网嵌入式控制器。 “ 本文首先介绍了工业以太网和嵌入式技术的发展现状，其次重点阐述了工业以太网 嵌入式控制器的硬件设计，主要包括以i h b b i t 3 0 0 0 处理器为核心的中央控制系统、存储 器单元、以太网接口、r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、1 2 位a d 转换、d a 输出和上电复位等。之后实 现控制器的软件设计，完成了控制器采集、滤波、控制、报警及与上位机的网络通讯功 能，与试验设备共同构成网络控制液位系统，并且针对设计过程中遇到的一些问题做出 分析及给出解决方案。最后在s i m u l i l l l ( 环境下建立控制系统进行仿真，与常规p i d 控制 比较分析，得出模糊整定p i d 控制具有鲁棒性强和动态性能好等特点。 关键词：工业以太网；嵌入式技术：r a b b i t 3 0 0 0 ；网络通讯；模糊p i d 控制 一i i 。l电瞄； ， 0 1 j 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a i c ha n da p p l i c a t i o no fe m b e d d e di n d u s t r i a le t h e r n e t c o n t r o u e r a b s t r a c t i n d u s t r i a le t l l e m e ti s t l l eh o 讹s tt o p i ci i lt h ei n l c e m a t i o n a jf i e l d b u sr e s e a r c hf i e l d ，a l l k i n d so ff i e l d b u so 曙a i l i z a t i o i l sa l s op u tl o t so fi i i v e s t m e n t 诚oi i l d u 妯a je 胁e m e tr e s e a r c h t h e 锄b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m sa r ec 印a b l eo fn e 觚o r k ，a l s op u s ht h ee 吐l e m c t 硫。 印p l i c a t i o n s 、) i ，i d e l y t i l i sp a p e ri sf 0 c u s e do ns e t t l i r 培t l l ep r o b l e m s ，w t l i c ha r ee i l c o 咖e r e di nt h ei 山仃i a l a p p l i c a t i o i l so ft h ee t l l e m e t ，s u c h 勰b a n d 谢d t l l ，r e a l t i m ea b i l i 饥咖l b i l 时e t c t 1 l i sp 印e r d i s c u s s e sd e s i g i l i n ga n dc a n y i n go u to fa n 朗1 b e d d e dc o n t r o l l e r st h a tb a s eo ne 曲e m e t f i r s n y ，、ei n t r o d u c ea c t u a l i 够o fe t h e m e t sa n de r l l b e d d e ds y s t e m s ，t h e n ，d i s s e r t a t i o n p r e s e n t si nd “ls o m eb a s i ck n o w l e d g er e l a t e dt 0t h ew o r ka b o u te m b e d d e ds y s t e ma n d e m b e d d e ds o f h a r e ，i tm a i l l l yi n c l u d e sc o n t l 0 la n dc o l l e c ts y s t e mb a s e do ni h b b i t 3 0 0 0 ， m e m o 巧u 1 1 i t s ，e t l l e m e ti n t e f f a c e ，r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，a dc o n v e n e rw h i c hi s 12 b i t s ，d ao u t 】p u ta l l d r e s e to np o w e r w bf i m s ht h ec o m r o l l e rs o 晰ed e s 培n ，a c h i e v et h ef u n c t i o l l so fs 孤i l p l i i 培， f i l e r i n g ，c o i l t r o l ，a l a r ma 1 1 dc o l 瑚n l i n i c a t i o n sw i lp c c o n t r o l l e ra n dt e s te q u i p m e n tt o g e t h e r c o n s t i t u t en e t 、) 的r kc o n t r o ls y s t e m t h e nd i s c u s ss o m ep r o b l e m sd l l r i n g d e s i 鲥n gt l l e c o m r o l l e ra i l dg i v et h es o l m i o n d e s i g nt h es i i l l u l a t i o nm o d e lo fc o n t r o ls y s t e mu s i n gt h et o o l o fs i m u l i i l l 【，谢斌t h ec o n 缸d l l i n gr e s u h si ne x p e r i m e n th a v et e s t i f i e dt h ep e 而m a n c eo f f 波：巧- p i dc o n t r o l l e r i ti sb e 愉rt h a i lp i dc o m r o l l e rf o rm ec o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s ：i n d u s t r i a l e t h e m e t ；e m b e d d e dt e c l l l l o l o g y ；n e 帆o r kc o m m u n i c a t i o n s ； 勋b b i t 3 0 0 0 ；f u z z y p i dc o n t l 0 l i i i 飞；j t、；： j， 、l矗 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r l c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景1 1 1 1 工业以太网发展现状：1 1 1 2 网络控制实时性能研究现状3 1 1 3 本文中的延时分析4 1 2 本文的意义。5 1 3 本文的主要工作6 第2 章嵌入式技术在工业网络控制中的应用。7 2 1 嵌入式技术7 2 1 1 嵌入式技术7 2 1 2 嵌入式技术在工业控制网络中的应用现状与优势8 2 2 嵌入式t c p i p 协议9 2 2 1 嵌入式t c p i p 协议9 2 2 2i p 协议1 0 2 2 3u d p 厂r c p 协议1 1 2 2 4 采用u d p 而非t c p 1 3 第3 章嵌入式以太网控制器设计1 5 3 1 控制器硬件设计1 5 3 1 1 控制器的微处理器1 5 3 1 2 存储器扩展1 8 3 1 3 通信接口1 9 3 1 4 模拟量输入接口2 2 3 1 5 模拟量输出接口2 3 3 1 6 电源供电2 4 3 1 7 控制器抗干扰措施和p c b 板设计2 4 3 2 软件设计2 6 3 2 1 上位机监控管理软件功能2 8 一一 东北大学硕士学位论文 目录 3 2 2 控制器的软件设计任务2 8 3 2 3 控制器开发软件2 9 3 3 控制器软件设计3 0 3 3 1 数据采集子程序3 0 3 3 2 网络控制器数据通讯子程序3 2 3 3 3 控制算法子程序3 5 3 3 4 输出控制子程序3 6 3 3 5 上位机监控界面子程序3 7 3 3 6 报警处理子程序3 8 第4 章基于模糊p i d 网络控制器设计4 1 4 1 模糊整定p i d 控制4 1 4 1 1 模糊控制系统4 1 4 1 2 模糊控制器的基本结构及维数4 2 4 1 3 模糊整定p i d 控制。：4 4 4 2 控制系统数学模型4 6 4 2 1 系统的模型辨识4 8 4 2 2 液位模型的过程辨识4 9 4 3 控制系统的仿真5 0 4 3 1m a t l a b 模糊工具箱5 0 4 3 2 模糊整定p i d 控制器的设计方案5 2 4 3 3s i m u l i n k 仿真及结果分析5 5 第5 章结束语_ 5 9 参考文献。6 1 致谢。6 3 附录6 5 一v 一 气 攀 j 哆 ： ： 尊 ? 一，一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着计算机技术和自动控制技术的高速发展，工业自动化水平已提高到了一个 崭新的高度。控制系统的结构从最初的计算机集中控制系统( c c s ) ，到第二代的集 散控制系统( d c s ) ，发展到现在流行的现场总线控制系统( f c s ) ，从简单到复杂，从 低级到高效，极大地提升了工业自动化水平。近年来，由于网络技术的飞速发展， i n t e m e t 正在把全世界的计算机系统、通信系统逐渐集成起来，形成公用数据网络。 在此基础上，传统的工业控制领域也正经历一场前所未有的变革，开始向网络化方 向发展，形成了新的控制网络一工业以太网控制系统( i e c s ，i n d u r s t r i a le t h e m e t c o n t r o ls y s t e m ) 【1 1 。 1 1 1 工业以太网发展现状 工业以太网技术是普通以太网技术在工业控制网络中的延伸。所谓工业以太 网，一般来讲是指技术上与商用以太网兼容，而产品设计上，在实时性、可靠性、 环境的适应性等方面能满足工业现场的需要，是一种典型的工业通信网络。由于现 有的工业以太网系统基于商用以太网，因此具有商用以太网的显著优点。同时为了 适应工业现场的应用需求，在商用以太网的基础上做了一些重大改进1 2 】：采用工业 级电源；网络采用冗余结构；网络抗干扰能力强；工作温度范围宽；具有特殊的组 态算法；安装方便：机械强度高：支持远程诊断和安装；易于和p c 机通讯；易于 挂接到互联网上。 为了促进以太网在工业领域的应用，国际上成立了工业以太网协会( i n d u s t r i a l e t h e m e ta s s o c i a t i o n ，i e a ) ，工业自动化开放网络联盟( i n d u s t r i a la u t o m a t i o no p e n n e t w o r k a l l i a n c e ，i a o n a ) 等组织，目标是在世界范围内推进工业以太网技术的发 展，在工业领域的各个层面应用以太网。目前，发展较好的有6 种实时以太网： e t h e r n e t i p 实时以太网；m o d b u s i d a 实时以太网；p r o f i n e t 实时以太网； e t h e r tp o w e r l i n k 实时以太网；e t h e r c a t 实时以太网：我国的e p a ( e t h e m e tf o r p l a n t a u t o m a t i o n ) 实时以太网。这6 种实时以太网目前都处于不断完善中，谁将成为 真正的国际标准，现在还很难下定论【3 1 。 网络控制系统是计算机技术和通信网络技术在控制领域的延伸和应用。集散控 制系统、现场总线控制系统和工业以太网从某种意义上都属于网络控制系统。网络 控制系统是一种全数字式的、分散的、智能化、分层递阶的新型控制系统，这种控 东北大学硕士学位论文第一章绪论 制系统兼有d c s 和f c s 的优点。网络控制系统从整体逻辑结构上讲，呈递阶状， 系统在垂直结构上一般可分为现场层，监控层和管理层等，各层相互联系又相互独 立，每一层又可分为若干子集。网络控制系统体现了控制系统的控制功能下移，管 理功能上移的发展趋势。网络控制系统如图1 1 表示。 管理层设备 监控层网络 监控层设备 现场层网络 现场层设备 图1 1n c s 不惹图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fn c s 网络控制系统的发展经历了d c s 、f c s 、工业以太网等几个阶段。在d c s 中， 工业控制网络是一种数字一模拟混合系统，控制站与工程师站、操作站之间采用全 数字化的专用通信网络，而控制系统与现场仪表之间仍然使用传统方法，传输可靠 性差，成本高。2 0 世纪8 0 年代产生和发展起来的现场总线技术，以全数字通信代 替4 2 0 m a 电流的模拟传输方式，实现控制系统与现场仪表之间不仅能传输生产过 程测量与控制信息，而且能够传输现场仪表的大量非控制信息，使得工业企业的管 理控制一体化成为可能。然而，现场总线技术在其发展过程中也存在许多不足，具 ， 体表现为：现有的现场总线标准过多，仅国际标准i e c 6 1 1 5 8 就包含了基金会现 厂 场总线f f 、控制局域网络c a n 、局部操作网络l o n w b r k s 、过程现场总线p r o f i u s 、 h a r t 协议id e v i e n e t 、c o n t r o l n e t 及pn e t 等8 个类型，未能统一到单一标准上 ， 来；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；由于现场总线是专用实时通信网络，成本较高；现场总线的速度较低， 支持的应用有限，不便于和i n t e r n e t 信息集成。： 在世界各国研发机构的共同推动下，以太网技术获得了极其快速的发展，关键 技术正逐个被攻破，工业现场环境的安装应用将被解决。随着初期研发投资被消化 以后，工业以太网相对于现场总线的性价比优势逐渐凸现，工业以太网将成为工业 一2 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 控制网络的主流发展方向。， 、 1 1 2 网络控制实时性能研究现状 ； “ 一 网络控制系统本质上是一个网络，其具备网络的优点和缺点【4 】。网络的缺点在 过程控制中过去从未涉及，这给我们提出了一个新的课题和研究方向。网络控制系 统的局限性主要表现在：网络的延时。网络信息传递与导线信息传递是有区别的。 导线信息传递本质上是模拟量传输，而网络信息传递本质上是数字信号在网上传递， 与信息量和传送长度有关。信号从一个站点到另一个站点需要一定的时间，各站点 f 之间的距离是不一样的，这种分布式的时延环节影响了控制系统的运行。因此必须 建立起切合实际的网络结构，把分布式、随机的网络时延与过程被控对象统一考虑， 构成广义被控对象。 ， 以太网采用载波监听冲突检测( c s m a c d ) 的多路访问协议来解决通讯媒质上 的冲突。c s m a c d 协议被指定于i e e e 8 0 2 3 网络标准中，该协议的简单描述是： 当一个节点想要发送信号时，监听网络，如果网络忙，它等待直到网络空闲；否则 它就立刻传输。如果同时有两个或更多的节点监听网络并决定传输，传输节点的消 息将产生碰撞并损坏。在传输的同时，节点也一定要检测消息的冲突。监测到两个 或更多的消息冲突时，传输节点停止传输再等待随机长的时间后重新尝试传输。这 。个随机的时间由二进制指数后退算法( b i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k o f f a l g o r i t h m ) 决定：每 个节点有1 个计数器，用来记录连续冲突的次数。节点根据连续冲突次数产生一个 随机的时隙数进行等待。一般的，对第i 次冲突，等待时隙数在2 i l 中随机产生。 1 0 次冲突后，等待时隙数被固定在1 0 2 3 。1 6 次冲突后，节点将丢弃数据并向上层 报告发送失败。 由此可见，以太网在通信过程中存在延迟不确定性。当节点间发生冲突时，其 等待时间随机产生，具有不确定性。而在1 6 次冲突后，存在数据被丢弃的现象，对 于被丢弃的数据而言，其延迟时间等于无穷大，因此无法给出以太网延迟时间的上 界。然而，将以太网应用于工业过程控制，必须要求具有很高的实时性。从上面的 分析可知，传统的以太网是实时性不高的、非确定性的网络，不适合应用于工业控 制领域。这里的“不确定 是指：数据传输的响应和时延“不可预测 。 在理论研究领域，对于以太网通信的延迟不确定性，国内外的学者提出了各种 噜改进方法。这些方法可分为两类：硬实时改进方法和软实时改进方法。所谓硬实时 方法，是指通过设计适当的硬件电路，限制节点访问网络的时间和速率，来减少网 。络碰撞和排队延迟，以满足通信实时性的要求。但与目前广泛使用的以太网标准相 比，这种方法大大增加了节点的硬件成本，不利于大面积推广应用。所谓软实时改 进方法，是指在不增加节点成本的同时，用软件调度策略对c s m c d 和b e b 机制 一3 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 进行改进，以提高通信的实时性。该方法以改变以太网结构为代价，在不改变原有 结构条件下，通过适当的信息调度方法，并且合理利用以太网的特性，也可以在一 定程度上满足通信延迟的确定性要求。 随着互联网技术的发展和普及推广，以太网技术在近几年得到了迅速发展，通 信速率从1 0 m b p s 提高到1 g b p s ，甚至到目前的1 0 g b p s ，这些都为提高以太网实时 性提供了新的途径。同时，结合工业控制的实时性要求和通信特点，有人提出以下 关于以太网实时性的改进方法： 1 ) 使用全双工交换式以太网技术 2 ) 采用虚拟局域网( v l a n ) 技术 3 ) 质量服务( q o s ) 1 1 - 3 本文中的延时分析 本文研究的控制系统如图1 2 所示。控制回路中的信息是按照传感器一控制器 一执行器的顺序传递的，从传感器采样到执行器施加作用对象的整个过程构成了控 制系统的一次信号流传递。在理想的控制系统中，往往假设这个信号流传递过程是 瞬时完成的。但是，在实际的控制系统中，信号流的瞬时传递是无法完成的：传感 器对系统输出进行采样存在相应的处理时间；控制器根据传感信号计算控制信号需 要计算时间；执行器将控制量施加于对象的过程也需要驱动时间。这些在实际控制 系统中必需的时间都可以归为节点的处理时延，它和节点性能、计算能力以及所承 担任务的繁重程度有关。当节点的性能和计算能力比较强，而所承担的任务又不是 很繁重时，节点的处理时延往往较小。如果采样周期本身远大于这些节点处理时延 的总和的话，则可以认为该控制系统是一个理想的采样控制系统。但是，在网络控 制系统中，除了各节点的处理时延外，还有由于网络传输引发的时延。节点间不再 采用点到点的连接方式，而是采用共享的数字串行通信网络。节点间的竞争、跨网 络传输等都会导致数据包到达目的节点的延迟，这些处理时延和传输时延的总和构 成了回路总时延，其数量级往往与系统采集周期相当，有时甚至超过采样周期，从 而对系统的稳定性和控制性能产生不良影响。 一4 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 2 工业以太网控制系统示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fi n d u s t r i a le t h e r n e tc 0 n t r o ls y s t e m 从每个周期的信号流流向看，网络控制系统的主要时延主要有三个部分组成： 从传感器的采样操作到控制器获得数字化传感信号所需的时延；控制器根据数字化 传感信号计算得到数字化控制信号所需要的时延；从控制器设备发送数字化控制信 号到执行器真正施加作用于被控制对象所需的时延。这三部分时延在网络控制系统 中的分布如图1 3 所示。 刊竺竺兰卜 引竺兰陋刮垫竺兰h 被控对象卜 图1 3 时延在网络控制系统中的分布 f i g 1 3d e l a yo ft h en e t w o r kc 0 n t r o ls y s t e m 其中，处理器存在的处理时延，依赖于控制器的计算能力和控制算法的复杂度， 但总的来说，比t 1 、t 2 要小的多。 结合上述说明，虽然系统中存在时延问题，但由于被控对象选用的是实验室液 位设备，根据液位设备本身特点，对速度要求不高，而且实验室局域网环境比现场 实际环境优越很多，控制器选用的是高性能的r a b b i t 系列微处理器，所以时延t 1 、 心在本文本系统中暂时忽略不计。 1 2 本文的意义 一5 一 一。 砩 东北大学硕士学位论文第一章绪论 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，国际上还没形成统一的工业以太网标准。虽然比 起国外公司我们起步较晚，但是经过不断努力，我国正在研制的e p a ( 工厂自动化用 工业以太网) 标准已经进入了i e c s 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，并有 望成为国际标准。 因此，本文研究并设计小型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，期望能推动以太网在工业控制发展。 1 3 本文的主要工作 ( 1 ) 基于工业以太网及嵌入式技术的研究，分析比较以太网不同的通讯协议，本 文采用u d p 协议，设计并实现了控制器与上位机之间的通信。 ( 2 ) 设计了以r a b b i t 3 0 0 0 为核心工业以太网嵌入式控制器的硬件部分，具体包 括：存储器扩展电路、通讯接口电路、模拟输入输出电路、电源设计等；实现了控 制器的各功能软件设计，并用v b 6 o 编程语言根据控制要求编写上位机监控界面， 完成对底层控制系统的监控。 ( 3 ) 针对现有实验装置的特点，设计出模糊整定p i d 控制器。借助s i m u l i n k 软件 工具，比较采用p i d 控制算法及模糊整定p i d 控制算法的仿真结果，研究并分析不 同的控制算法对系统性能的影响，评估控制效果。 一6 一 东北大学硕士学位论文 第二章嵌入式技术在工业网络控制中的应用 第2 章嵌入式技术在工业网络控制中的应用 2 1 嵌入式技术 2 1 1 嵌入式技术 嵌入式系统是基于以应用为中心，以计算机技术为基础、软件硬件可剪裁、适 合应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。之所 以将其称为嵌入式系统，是因为设备内集成或嵌入了部分程序。 嵌入式系统的最大特点是它是面向特定应用的，具有目的性和针对性，即每一 个嵌入式系统的开发设计都有其特殊的应用场合与特定的功能【5 1 。嵌入式系统需要 潜入在特定应用系统中工作，需要和具体的应用有机的结合在一起。嵌入式系统在 物理结构上总是潜入于宿主系统中作为整个系统的一部分，并不独立存在；在功能 上，嵌入式计算机总是针对某种特定应用，一经编程，用户一般不能修改。嵌入式 系统与网络的耦合也越来越紧密。嵌入式系统的硬件和软件都必须保证高效率的设 计，在保证稳定、安全、可靠的基础上量体裁衣，去除冗余，力争在同样的系统规 模上实现更高的性能。这样，才能最大限度的降低应用成本，从而在具体应用中更 具有市场竞争力。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 化在存储器芯片或处理器内部的存储器中，而不存储在外部的磁盘等载体中。通常 嵌入式系统还需要能应付恶劣的环境和突然断点等情况。 嵌入式系统可分为硬件部分与软件部分，而相应的嵌入式技术也可分为嵌入式 硬件技术与软件技术两部分。嵌入式硬件技术包括了嵌入式处理器、嵌入式外围设 备等技术。嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件【6 】，它与通用处理器的最大不同 点在于嵌入式处理器通常把通用c p u 中许多板卡完成的任务集成到芯片内部，从而 有利于嵌入式系统设计的小型化，并且具有高效率、高可靠性等特征。嵌入式外围 设备，指在一个嵌入式系统中，除了处理器以外的完成系统存储、通信、保护、调 试、显示等辅助功能的其他部件，通常包括r a m 、s d r a m 、f l a s h 等存储设备、 串口、u s b 、以太网等接口设备和l c d 、触摸屏等显示设备。嵌入式软件技术包括 了嵌入式操作系统和嵌入式应用软件等技术。嵌入式操作系统是整个嵌入式系统的 核心，通常包括了与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协 议等部分，完成任务调度、内存管理、中断处理等功能。 嵌入式应用软件和普通的应用软件也有很大的区别。与通用的计算机系统相比 嵌入式系统的资源有限，尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、存储器容 一7 一 东北大学硕士学位论文第二章嵌入式技术在工业网络控制中的应用 量不断增加，但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，为此要求程序编写和编 译工具的质量要高，以减少程序代码长度，提高执行速度。而且嵌入式系统对成本 十分敏感，这就要求嵌入式应用软件不但要能够保证准确性、安全性、稳定性以满 足应用要求，还要尽可能的优化，提高系统的性能。 由于嵌入式系统具有体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的 突出特征，目前已经广泛地应用于军事国防、消费电子、网络通信等各个领域。随 着时代和技术的发展，嵌入式技术在工业控制领域也得到了非常广泛的应用。传统 的国内工业现场设备都采用低端的单片机构成，处理速度低，扩展性差，软件系统 通常都是使用中断的前后台系统，实时性不高。将由高端微处理器和嵌入式实时操 作系统构成的嵌入式系统和以太网通信技术引入工业现场设备将有助于提高工业现 场设备的计算机处理性能和网络通信性能。 2 1 2 嵌入式技术在工业控制网络中的应用现状与优势 随着现场总线技术的发展，尤其是工业以太网的同益兴起，将网络功能与嵌入 式系统结合，使诸如变送器、执行器等终端设备具备网络功能，使现场设备能够直 接上网成为一种必然趋势。嵌入式系统的发展有如下几个方面的趋势： 1 嵌入式产品将与互联网应用相互促进，快速发展，嵌入式产品将成为互联网 的主要终端之一。网上将出现大量的服务于嵌入式产品的软件，并有专门服务于嵌 入式产品的内容。 2 随着微电子技术的快速发展，芯片功能更加强大，s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 将成 为趋势，这不仅能降低成本，缩小产品体积，还将增强产品的可靠性。同时，软件 硬件的紧密结合，使嵌入式软件与硬件界线更加模糊，嵌入式软件时常以硬件形态 存在，提高了系统的实时性，增强了系统的可维护性。例如i n t e m e tz w b r l d 公司推 出的r c m 核心模块系列，r c m 2 2 0 0 用硅芯片实现了t c p i p 协议和嵌入式软件的 硬件化，大大降低了嵌入式系统的开发难度。 3 无线通讯产品将成为嵌入式软件的重要应用领域。一方面，已有无线产品将 借助芯片技术和嵌入式软件来提高性能；另一方面，当前许多嵌入式产品都将增加 无线通讯功能。因此，未来几年，蓝牙等相关技术会与嵌入式软件相互促进，共同 发展，扩展其他产品的通讯功能，更好的为用户服务。 4 嵌入式操作系统会与嵌入式应用软件协同发展。嵌入式应用软件是嵌入式系 统中的重要角色，嵌入式系统应用领域干差万别，只有充分重视应用软件的发展， 才能满足各个领域的应用需求。 5 嵌入式操作系统是在多种硬件平台上发展起来的，随着嵌入式系统的广泛应 用，信息交换、资源共享的机会增多，与此相关的标准问题也将显得日渐突出，如 一8 一 东北大学硕士学位论文第二章嵌入式技术在工业网络控制中的应用 何建立相关标准将成为业界关注的问题。 由于技术的可行性和广阔的发展前景，很多公司和机构已经开始进行这方面的 研究，并推出了相关产品。美国g e 公司将以太网接口做在保护装置中，g e h a i 汛i s 公司推出了带双以太网接口的间隔控制器r 5 8 0 。美国c o 衄e t o n e 公司、 p h i l i p s 公司、e m w | a r e 公司、t a s k i n g 公司和国内的p & s 公司等均提供基于i n t e m e t 的d e v i c e n e t w o r k i n g 的软件、固件( f i m w a r e ) 和硬件产品。o p t 0 2 2 公司应用嵌入 式i n t e m e t 技术，研制开发了“以太网i o 系统一s n a pe t h e r n e ti o 系统，通过 i n t e m e t 对分布在现场的i o 进行访问，从而实现对远程设备的监测和控制。， 将网络功能嵌入终端设备中，用户便可直接通过i n t e m e t i n t r a n e t ( 企业内部网) 进行网络通信、数据交换、实现远程组态、参数修改等。该方式减少了诸如网关、 代理服务器等中间环节，简化了网络结构，降低了安装、维护的难度和成本。同时 现场设备通信速率和通信信道的利用率大大提高，可直接传送图像信息、多媒体信 息，满足了工业控制系统的高要求。实行“e 网到底是工业控制网络必然的发展趋 势，而实现最低层设备直接融入网络的嵌入式技术必将获得长足的发展。 2 2 嵌入式t c p i p 协议 2 2 1 嵌入式t c p i p 协议 i j ? 嵌入式系统与t c p i p 网络互联，这一技术在许多领域得以广泛的应用。但网 络协议的复杂性与嵌入式系统的m c u 相对简单之间的矛盾，极大的制约了嵌入式 系统实现网络化的进程。要解决这对矛盾可以从两方面进行考虑，一是应用更高性 能的m c u ，二是简化t c p i p 协议族。考虑现有芯片水平和价格，系统m c u 性能 提高的受制因素比较明显，那么解决矛盾的重点就应放在对i n t e m e t 协议一t c p i p 协议的研究上【7 】【8 】。传统的t c p i p 协议是以p c 机、服务器为应用平台，协议复杂， 功能强大，面面俱到，而且没有实时的概念，这种情况与嵌入式系统的要求是格格 不入的。嵌入式系统要求应用简单，以满足应用为目的，并不要求功能十分齐全。 嵌入式t c p i p 协议是以满足嵌入式系统的实际需要为目的，建立在嵌入式 i n t e m e t 理论的基础上，通过对庞大、功能齐全的t c p i p 协议的仔细研究，对标准 的t c p i p 协议进行一定的取舍，从而制定出的一套简单、适用于嵌入式系统的并 能完成相应网络功能的协议。 实现嵌入式t c p i p 协议，可以从以下两个方面来加以考虑： 第一，选择适当协议。对各种不同的可用协议进行仔细评估，以决定哪些需要、 哪些可以省略。通过选择合适的协议，可以大大降低点m c u 硬件资源的需求，而 不会对系统的功能造成影响。例如，如果对可靠性的要求不高，可以只选择使用 一9 一 东北大学硕士学位论文第二章嵌入式技术在工业网络控制中的应用 u d p ( 用户数据报协议) ，避免采用t c p 协议那样的复杂程序，也就不必承担t c p 协 议所带来的时间和空问上的沉重负担，可以选择数据存储器和程序存储器更小的 m c u 芯片。如果对可靠性有一定的要求，还可以通过在应用层增加提高u d p 可靠 性的代码，来更正u d p 的“不可靠 。 “ 第二，协议实现适当的简化。对于已经选择使用的协议，在实际中也可以进行 简化，去掉在应用系统中不需要的选项，保留协议中必须具备的部分。要求嵌入式 联网设备越小、越经济，则将协议精简到只保留基本部分的任务就越艰巨。例如， 可以考虑完全放弃对拆分功能的支持，因为实现拆分和重组将浪费m c u 宝贵的程 序空间和执行时间，而访问该嵌入式网络设备的应用程序完全可以将数据包限制在 1 5 0 0 字节以下。在t c p i p 协议中，大多数协议都可以进行一定程度的简化。 2 2 2i p 协议 i p 协议位于网络层，是t c p i p 协议族中最为核心的协议【9 1 ，所有的t c p 、u d p 、 i c m p 及i g m p 数据都以i p 数据包格式传输。 i p 协议是一个无连接和不可靠协议，不可靠的意思是它不能保证i p 数据报能 成功地到达目的地，i p 协议仅提供最好的传输服务，如果发生某种错误，i p 协议丢 弃该数据包，然后发送i c m p 消息包给信息端，任何要求的可靠性必须由上层来提 供( 如t c p ) 。无连接是指i p 协议并不维护任何关于后续数据包的状态信息，每个数 据包的处理是相互独立的，即i p 数据包可以不按发送顺序接收。 i p 协议最重要的作用是将数据包封装成带有目的机i p 地址的数据报；另一个 重要的作用是将一个过长的数据包分解和重装配；i p 同样也处理因数据包经由 i c m p 而产生的传输问题；最后，i p 规定网关设备如何处理数据包。i p 包的头标结 构如图2 1 所示。 o 1 53 l 4 位头长 4 位版本服务类型 数据包长度 度 一 标识 d fm f 偏移量 生存期协议类型头校验之和 发送i p 地址 气 目的i p 地址 选项和填充位 。i 图2 1 i p 头标结构 f i g 2 1s t r u c t u r eo fi p 一1 0 一 东北大学硕士学位论文第二章嵌入式技术在工业网络控制中的应用 其中，头长度是指首部占3 2 位字的数目，包括任何选项；数据包长度是指整 个i p 数据报的长度，以字节为单位；标识字段唯一地标识主机发送地每一份数据报， 通常每发送一份报文它的值就会加1 ；t t l ( t i m e t o 1 i v e ) 生存期字段设置了数据报可 以经过的最多路由器数，它的初始值由源主机设置，一旦经过一个处理它的路由器， 它的值就减少1 ，当它为o 时，数据包被丢失；协议类型表示i p 上面的层所采用的 协议类型，如i p 上面的是u d p 协议，则取值为1 7 h ，；类似网络帧中的类型字段： 为了计算校验和，首先把校验和字段置为o ，然后对首部中每个1 6 位进行二进制反 码求和( 整个首部看成是由一串1 6 位的字组成) ，结果存在校验和字段中；选项和填 充是可变长度的，它是要保证数据报首部的长度是3 2 比特的整数倍，通过设置填充 字段添“o ”补齐。 2 2 3u d p t c p 协议 传送控制协议( t r a i l s p o r tc o n t r o lp r o c o t o l ，t c p ) 为用户进程提供可靠的虚拟电 路。丢失或受损的数据包都被重传。如有必要，进来的数据包被重组，以使与原来 的传送顺序匹配。顺序使按每个数据包中的序列号( s e q u e n c en u m b e r ) 来维系的。每 个被发送的字节，以及开发和关闭请求，均被单独标上不同的序列号( 见图2 2 ) 。除 最开头的那个数据包外，在一个会话期间，传输的所有数据包都包括一个确认号， 它给出了下一个成功接收的序列字节的序列号。每个t c p 报文都被标记为来自一个 特定的主机和端口号( p o r tn u m b e r ) ，以及抵达的目的地主机和端口号。以下四组数 据： 唯一地标识了一个特定的电路。同一台机器上许多不同的虚拟电路拥有相同本 地端口号，只要远程地址和端