（控制理论与控制工程专业论文）嵌入式网络终端及opc技术实现研究.pdf

嵌入式网络终端及o p c 技术实现研究 摘要 随着计算机通讯技术的发展，以太网的作用越来越重要，并且呈加速发展的趋势， 很多用微控制器控制的嵌入式系统也越来越多地应用于工业控制系统。而传统的工控 系统将一个系统划分为各个子系统，虽然降低了系统的复杂程度，改善了系统性能， 但是由于系统各个计算机的通信协议没有形成统一的标准，为了使客户访问的标准 化，使用户完全从低层的开发中脱离出来，建立一套在硬件供应商和软件开发商之间 相互遵循的规则势在必行。o p c 技术规范是o p c 基金会制定的一种新的工业控制标准， 它提供统一的数据访问软硬件接口，使得用户不再为不同的硬件而重复开发软件，大 大提高了开发效率，避免了大量人力和物力资源的浪费。 系统采用了微控制器+ 网络芯片模式，选用1 6 位m s p 4 3 0 单片机为主控制器， c s 8 9 0 0 a 为网络芯片根据本系统的实际需要以及协议可以裁剪等特点，对t c p i p 协 议栈进行了适当简化和实现t c p i p 协议的网络层实现的是u d p 协议，保证了数据传 输的实时性。应用层实现的是m o d b u s 协议，适用于工业控制领域。另外，在上位机 开发了o p c 服务器，用来接收单片机发送上来的数据，并与o p c 客户端进行通讯，用 于对作为服务器的嵌入式网络终端的查询。 关键词：嵌入式，以太网，t c p i p ，u d p ，m o d b u s ，o p c e m b e d d e dn e t w o r kt e r m i n a la n dr e s e a r c ho fo p ct e c h n o l o g y a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h ec o m p u t e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , e t h e m e ti sm o r e a n dm o r ei m p o r t a n t ，a n dp r e s e n t sf a s tt r e n d m o r ea n dm o r ee m b e d d e ds y s t e m sc o n t r o l l e d b ym c ua p p l yi n d u s t r yc o n f f o ls y s t e m n et r a d i t i o n a ld i v i d eo n es y s t e mi ns o m e s u b - s y s t e m ，r e d u c et h es y s t e m sc o m p l e xe x t e n t ，b u t e a c hc o m p u t e r sc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o ld on o th a v et h e u n i t e ds t a n d a r d ，s oe s t a b l i s h i n gas u i to f r u l ew h i c hh a r d w a r e s u p p l i e ra n ds o f t - w a r ed e v d o p e rm u s t i s i m p e r a t i v eu n d e rt h es i t u a t i o nf o rs t a n d a r d i z i n g t h ea c c e s sa n dl e t t i n gu s e r sd i v o r c ef r o mt h eb o t t o md e v e l o p i n g o p ct e c h n o l o g y s p e c i f i c a t i o ni san e wi n d u s t r yc o n t r o ls t a n d a r de s t a b l i s h e db yo p c f o u n d a t i w h i c h p r o v i d e sa nu n i t i v ed a t a - a c c e s s i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r ei n t e r f a c es t a n d a r d ，c a u s i n g u s e r n om o r ee x p l o i ts o r w a r ef o rd i f f e r e n th a r d w a r er e p e a t e d l y , b o o s t i n gt h ee f f i c i e n c y , a n d a v o i d i n gt h ew a s t eo f h u m a na n dm a t e r i a ln 嚣o u “：铭 t h es y s t e mi sm a d eo fm c ua n dn e t w o r k - c h i p c h o o s i n gm s p 4 3 0a n dc s 8 9 0 0 a a c c o r d i n gt ot h er e a ln e e da n d c h a r a c t e r i s t i ct h a tt h ep r o t o c o lc a nb ec u to u t ，is i m p l i f y a n dr e a l i z et h et c p i pp r o t o c o ls t a c k 1 1 l en e t w o r k l a y e rp r o t o c o li su d p , a s s u r i n gt h e r e a l - t i m ec a p a b i l i l yo f d a t at r a n s m i s s i o n n 忙a p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o li sm o d b u s a p p l y i n gt h ei n d u s t r yc o n t r o lr e a l m a d d i t i o n a l ，id e s i g na no p c s c r v f f fi nu p p e rm o n i t o r , w h i c hi su s e df o rr e c e i v i n gt h ed a t aa n dc o m m u n i c a t i n gw i t ho p cc l i e n tf o i n q u i r i n gt h e e m b e d d e dn e t w o r kt e r m i n a l k e yw o r d s ：e m b e d d e d ，e t h e r n c t ，t c p i p ，u d p ，m o d b u s ，o p c 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图3 1 图3 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图4 一l 图4 2 图4 - 3 图4 4 图4 5 图4 6 图年7 图4 8 图4 9 插图清单 基于o p c 客户服务器模型的工业控制系统结构图5 系统硬件框图8 按键，指示灯接线图l o 以太网接口模块电路图1 2 电源模块电路图。1 3 主程序流程图1 4 封装过程2 1 网络数据处理流程图2 3 以太网帧格式2 4 a r p 报文格式2 5 a r p 报文处理流程图2 6 口报文格式2 7 口报文处理流程图2 9 i c m p 报文封装格式3 0 i c m p 报文格式3 0 i c m p 报文处理流程图3 1 u d p 的报文格式3 2 伪首部添加在u d p 数据报3 3 u d p 报文封装和拆装过程图3 5 u d p 报文处理流程图3 7 m o d b u s 报文格式4 0 m o d b u s 报文处理流程图4 2 o p c 接口4 6 标准服务器对象4 9 标准组对象4 9 添加c o m 对象5 0 设置c o m 对象属性l 5 1 设置c o m 对象属性2 5 1 可连接对象、连接点对象以及接收器之间的关系5 3 接收报文流程图5 4 发送报文流程图5 5 表3 - 1 表3 - 2 表3 3 表格清单 网络芯片操作模块函数1 6 o s i 与t c p i p 分层结构的对应 t c p f l p 协议集族 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金胆王些太堂或其他教育机构的学位 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谢意。 学位论文作者签字移叫签字吼口7 年朔枷 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目垦王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，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，允许论文被查阅或借阅。 本人授权金筵王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 籼名：罗獬一名；刊缔 签字日孥：。7 年月二f 日签字日期：0 7 年6 月叫日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位古带，母，天培 通讯地址：吃陔捷f l 哆 电话t | 毛s 铂1 _ o 邮编：t ? 一口，夕 谢辞 在我的3 年研究生即将结束之即，我要感谢我的导师陶维青副教授对我的关心和 指导，陶老师无论是在学习上，生活上还是在思想上都给了我极大的关心和帮助，陶 老师严谨的治学态度，勤奋的工作作风，扎实的学术基础，以及高尚的人格都是我今 后学习的榜样，在此谨向陶老师致以衷心的感谢和崇高的敬意。 同时，在我的论文完成期间，实验室的同学给予了我极大的帮助! 感谢余淼，李 林，张庆生，孙健，杨梅等同学在我做课题期间给予的帮助和鼓励l 最后，我还要特别感谢我的家人和朋友，感谢他们在我读研期间对我的帮助和支 持! 作者：罗清林 2 0 0 7 6 第一章绪论 在现代的日常生活中，因特网的作用越来越重要，并且星加速发展的趋势。如今， 很多用微控制器控制的嵌入式系统也加入了因特网这个大家庭中，因此上网不再是个 人电脑和网络工作站的专利。试想，如果可以通过网页浏览器，不仅能够接收到微控 制器采集的信号，而且能够完成对远处微控制器的控制，那将给人们的生活带来很大 的便利和极大地推动生产力的发展。例如，如果通过办公室的一台连接到因特网的电 脑和安装在家里的嵌入式控制器，人们在工作的时候就可以了解到家里发生的一切， 那么家居防盗等一系列问题将会等到很好的解决。 1 1 嵌入式网络终端 1 1 1 工业控制系统的发展 在上世纪六十年代，数字计算机进入控制领域，产生了第一代控制系统c c s ( 计算 机集中控制系统) 。在c c s 中，传统的模拟仪表被更先进的数字计算机取代，这样就能 够使用更为先进的控制技术，使自动控制发生了质的飞跃。但其直接面向控制对象， 并未形成控制网络体系，而且其可靠性也很低。 真正意义的工业控制网络体系是七十年代出现的第二代计算机控制系统d c s ( 集 散控制系统) 。它的特点是“集中管理，分散控制”，不会因为某个局部的不可靠而 造成对整个系统的损害。但其缺点也很明显，主从式的结构造成主机负荷过重，效率 低下；其次它是一种数字模拟混合系统，传输可靠性差，成本高；再加上各厂家 的d c s 自成标准，通讯协议封闭，极大的制约了系统的集成与应用。 到了八十年代出现的f c s ( 现场总线控制系统) ，是目前应用较为广泛的一种系 统控制结构。其特点可以简单概括为：信号传输、全数字控制功能、全分散标准统一、 全开放等。但也存在着不少问题，比如标准繁多，难以统一，其次是系统集成问题。 技术方面的瓶颈则凸现为：当总线电缆截断时，整个系统有可能瘫痪；本安防爆理论 的制约；总线组态参数过分复杂。 进入九十年代以来，以太网在工业控制系统中得到了前所未有的应用。相比于前 面所提的控制系统，以太网的t c p i p 协议的开放性使得在工控领域通讯这一关键环节 具有无可比拟的优越性。它以传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势， 支持几乎所有流行的网络协议而被广泛采用。在目前的工业控制领域，以太网的应用 已经成为热点，并以飞快的速度向前发展。【l 】 1 1 2 以太网技术的发展 以太网最初是由x e r o x 公司研制而成的，并且在1 9 8 0 年由d e c 公司和x e r o x 公司共 同使之规范成形。后来它被作为8 0 2 3 标准为电气与电子工程师协会( 正e e ) 所采纳。 以太网的基本特征是采用一种称为载波监听多路访问胂突检测c s m a c d ( c a r d e r s e n s e m u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 的共享访问方案，即多个工作站都连接在一 条总线上，所有的工作站都不断向总线上发出监听信号，但在同一时刻只能有一个工 作站在总线上进行传输，而其他工作站必须等待其传输结束后再开始自己的传输。冲 突检测方法保证了只能有一个站在电缆上传输。其发展经历了以下几个阶段： ( 1 ) 传输速率为1 0 m b p s 阶段。在这个阶段，出现了多种技术标准：1 0 b a s e 5 ， 1 0 b a s e 2 ，1 0 b a s e - t ，1 0 b a s e - f ，1 0 b a s e - f l ，1 0 b a s e - f b ，1 0 b a s e - f p 等等。现今应用比 较多的是1 9 9 0 年通过的以太网物理层标准1 0 b a s e - t 。1 0 b a s e - t 使用两对非屏蔽双绞线， 一对线发送数据，另一对线接收数据，用r j - 4 5 模块作为端接器，信号频率为2 0 m h z ， 站点中继器和中继器中继器的最大距离为1 0 0 m ，其局域网的最大直径为5 0 0 m 。 ( 2 ) 传输速率为1 0 0 m b p s 阶段。先后出现了1 0 0 b a s e - t ，1 0 0 b a s e - t x ，1 0 0 b a s e - f x ， 1 0 0 b a s e - t 4 ，1 0 0 b a s e t 2 等多种标准。1 9 9 5 年5 月正式通过的1 0 0 b a s e - t 规范，即m e e 8 0 2 3 u 标准，是对i e e e 8 0 2 3 的补充，是以太网标准的1 0 0 m 版。与1 0 b a s e - t - - 样采用星 形拓扑结构，但1 0 0 b a s e t 包含4 个不同的物理层规范，并且包含了网络拓扑方面的许 多新规则。 ( 3 ) 千兆以太网阶段。千兆以太网技术采用了与1 0 m 以太网技术相同的帧格式， 帧结构、网络协议、全半双工工作方式、流控模式以及布线系统。千兆以太网技术有 两个标准：i e e e 8 0 2 3 z 和i e e e 8 0 2 3 a b 。具有速度快、简易性好、可靠性高、可管理维 护等特点。 ( 4 ) 万兆以太网阶段。万兆以太网( 1 0 g e ) 使用的是i e e e8 0 2 3 以太网介质接入 控制( m a c ) 协议、i e e e8 0 2 3 以太网帧格式和i e e e8 0 2 3 帧格式，不需要修改以太 网介质接入控制( m a c ) 协议或分组格式。所以，能够支持所有网络的上层服务，包 括在o s i 七层模型的第二- - - 层或更高层次上运行的智能网络服务，具有高可用性、多 协议标记交换( m p l s ) 、含p 语音( v o i p ) 在内的服务质量( q o s ) 、安全与策略实施、 服务器负载均衡( s l b ) 和w e b 高速缓存等特点。 ( 5 ) 无线化阶段。以无线方式连上以太网络也是近年来的趋势，具有以下优点： 首先是移动性，便携操作者接口具有无线监控能力，允许操作者、工程师和维护人员 与设备远程连接，提高操作者的安全性和提供灵活的网络架构；其次是灵活性，无线 解决方案使得人们更容易对网络进行增减和改变。这对于变动或者扩张比较频繁且费 用昂贵的应用来说特别有用；最后还有成本问题，无线网络省去了以前的线缆成本， 并因此缩短了安装时间，显著降低材料和人工费用。 1 1 3 嵌入式系统的发展【2 】 嵌入式系统的出现至今已经有3 0 多年的历史。所谓嵌入式系统，是指以应用为中 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。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件 设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的 控制、监视或管理等功能。目前，嵌入式系统已经广泛渗透到人们的工作、生活中。 2 近几年来，嵌入式技术的应用越来越广泛，其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： ( 1 ) 以可编程控制器为核心的系统。这类系统大部分应用于专业性强的工业控制 系统中，没有嵌入操作系统，通过汇编语言程序对系统进行控制。这种嵌入式系统开 发简单，成本较低，在以前的工业控制领域应用较为普遍。但是其缺点样明显：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，已经不 能适应现代高效的、大容量的控制领域的要求。 ( 2 ) 以嵌入式c p u 为核心的嵌入式系统。其主要特点是：c p u 种类繁多，常见的 有8 0 c 5 1 , m o t o l o l a 等；各种c p u 的开发工具不一样，通用性较差；编程语言以c 语 言为主；开发成本低。 ( 3 ) 以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。其主要特点是：操作系统能够应用 于不同的微处理器上，目前应用最广泛的是a r i v l 处理器；操作系统内核小，效率高， 具有高度的模块化和扩展性；和p c 的操作系统类似，具有文件和任务管理、多任务、 网络支持、图形窗口以及用户界面等功能。 ( 4 ) 以以太网为标志的嵌入式系统。将嵌入式设备与以太网相结合，嵌入式设备 与嵌入式设备之间，或与p c 机之间通过以太网进行通讯。这是一个正在迅速发展的阶 段。可以这么说，嵌入式设备与以太网的结合将代表嵌入式系统的未来。 1 1 4 嵌入式网络终端的定义及研究现：哄习诩 通过硬件或软件方式将t c p i p 协议嵌入到微控制器中，微控制器在终端将采集到 的信号通过以太网传送给计算机，计算机在远程对微控制器进行控制，这就是嵌入式 网络终端。国内外有关嵌入式网络终端的开发应用可大致分为以下几类： ( 1 ) m c u + e m i t 协议+ e m g a t e w a y ： e m i t ( e m b e d d e dm i c r oi n t e r n e tw o r k i n gt e c h n o l o g y ) 是由美国e m w a r e 公司推出的 一套成熟、完善的实现微控制器与以太网相连的解决方案。e m i t 技术采用桌面计算 机或高性能的嵌入式处理器作为网关( e m g a t e w a y ) 。此网关支持t c p i p 协议并运行 h t f p 服务程序，形成一个用户可以通过网络浏览器进行远程访问的服务器。 e m g a t e w a y 通过r s 2 3 2 ，r s - 耳8 5 ，c a n 等与多个嵌入式设备联系起来，每个嵌入式设备 的应用程序中包含一个独立的通信任务( e m m i c r o ) 。e m m i c r o 的任务是监测嵌入式设备 中预先定义的各个变量，并将结果反馈至i j e m g a t e w a y 中，同时还可以解释e m g a t e w a y 的命令，修改设备中的变量，或进行某种控制。这样仅通过增加了一个e m g a t e w a y 网 关，不仅解决了嵌入式设备上以太网的问题，而且还可以同时管理多个嵌入式设备， 从而提高嵌入式网络的结构化、智能化、测览信息资源的归一化，而且其性价比较低。 但该技术也存在着以下的缺点：e m r r 起步价位很高，e m g a t e w a y 网关的使用需要具有 许可证，要缴纳相应的版税；在多个嵌入式设备分散的情况下，网关和设备问的专用 网络布线极为不便，通信的距离、速度都受到一定的限制。因此它并不适合用在要求 低成本接入的网络系统中。 ( 2 ) m c u + 协议栈芯片： 硬件协议栈芯片是一个独立于各种微控制器的具有上网功能的专用芯片，通过标 准的输入输出接口，可以和大多数的微控制器相连。这些微控制器可以通过硬件协议 栈芯片执行由以太网远程传来的命令，或是将数据交给硬件协议栈芯片通过以太网发 送出去。典型的硬件协议栈芯片有w 3 1 0 0 a 等。应用此技术很方便，不需要再通过额 外的网关，只需要增加一段和协议栈芯片通信的接口程序即可。因此，系统软件开发 比较简单，周期也较短。但是由于加入协议栈芯片以及与之配套的网络连接层设备( 如 嵌入式m o d e m ，以太网控制器等) ，增加了系统的硬件成本。 ( 3 ) 支持以太网的嵌入式操作系统： 随着以太网技术的发展，现在的嵌入式操作系统已经逐渐向网络化发展。目前 市场上已有许多这样的嵌入式操作系统u c l i n u x , r t l i n u x , v x w o r k s 等等。它们自身或 是附加的网络组件提供对以太网的支持。这种方案的优点是：由于需要嵌入操作系统， 因此选用的多为3 2 位微处理器，如a r m 等，具有响应速度较快，r o m 和r a m 容量大 等优点。但其缺点也一样明显：由于选用的是3 2 位微处理器，而且需要购买操作系统、 网络组件以及配套的开发软件等，因此其开发成本较高；其次需要开发驱动程序和应 用程序，必要时还需要对操作系统进行裁减，因此对开发人员的要求较高，而且开发 周期也长。 ( 4 ) 采用8 位或1 6 位高性能的微处理器+ 非协议栈芯片： 由于采用的是非协议栈芯片，所以可以根据系统要实现的功能，适当的对t c p i p 协议进行裁减，根据需要保留其中的基本部分，如a r p 、i p 协议等，这样就可以减少 对系统资源的要求。该方案的优点是廉价，因为8 位或1 6 位高性能的微处理器的价格 相对于3 2 位微处理器要低，而且不需要购买操作系统；开发相对要简单，不需要开发 操作系统的驱动程序，只需要开发应用程序即可；灵活性高，可以根据需要实现所需 要的协议，如t c p ，或u d p ，抑或两者均实现。难点是实现精简的t c p i p 协议栈。这 也是本文所采用的方案。 由于嵌入式网络终端应用于工业控制领域，而一般工业控制系统作为分布式的结 构，实现了人机接口、通信、数据处理等功能在网络上的分布，同时将一个系统划分 为各个子系统，降低了系统的复杂程度，改善了系统性能，便于整个系统的开发，减 少了开发周期与维护费用。但由于系统各个计算机的通信协议依赖于某个厂家，没有 形成统一的标准，不同厂家之间的软件和硬件的集成难于实现，因此也没有真正实现 不同厂家的软件共享。而o p c 技术能实现访问的标准化，即不论是什么厂家生产， 也不论是用什么硬件实现，客户都能以统一的方式去访问，使得用户完全从低层的开 发中脱离出来。 4 1 2o p c 简介5 】【6 】【7 】 。 o p c 是o l e f o r p r o c e s s c o n t r o l 的缩写( ( o 代表o l e ( 对象链接和嵌入) ，p ( p r o c c s s 过程) ，c ( c o n t r o l 控制) ) ，即把对象链接与嵌入这项技术用于过程控制，o p c 以 o l f _ c o m d c o m 技术为基础，采用客户服务器模式，为工业自动化软件面向对象的 开发提供了统一的标准，这个标准定义了应用m i c r o s o f t 操作系统在基于p c 的客户机 之间交换自动化实时数据的方法。 o p c 规范采用客户服务器模型，建立了一套在硬件供应商和软件开发商之间相互 遵循的规则。只要遵循这套规则，数据交换对两者来说都是透明的，硬件供应商无须 考虑应用程序的多种需求和传输协议，软件开发商也无须了解硬件的实质和操作过 程。不管现场设备以何种形式存在，客户都以统一的方式去访问，从而保证软件对客 户的透明性。 如图1 1 描述了如何将o p c 技术应用于工业控制系统： 上位机监控系绕 软件模块软件模块 o p c 客户o k 客户 o p c 接口 o p c 服务器 物理接口 上上 【 物理设备l物理设备2 i现场控制系统 图i - i 基于o p c 客户服务器模型的工业控制系统结构图 采用o p c 技术的益处： ( 1 ) o p c 规范以c o m 为技术基础，实现了代码在二进制级上的重用和代码的 语言无关性，极大地提高7 软件的重用性，提高了开发效率。 ( 2 ) o p c 封装了系统功能的实现，只将接口方法暴露在外面，客户以统一的方 式去调用这个方法，从而保证软件对客户的透明性，使得用户完全从低层的开发中脱 离出来。 ( 3 ) o p c 利用d c o m 技术实现了远程调用，使得应用程序的分布与系统硬件的 分布无关，便于系统硬件配置以及扩展，使得系统的应用范围更广。 ( 4 ) 采用o p c 规范，便于系统的组态化，将系统复杂性大大简化，可以大大缩 短软件开发周期，提高软件运行的可靠性和稳定性，便于系统的升级与维护。 5 ( 5 ) o p c 规范了接口函数，不管现场设备以何种形式存在，客户都以统一的方 式去访问，从而实现系统的开放性，易于实现与其他系统的接口 ( 6 ) 采用标准的w i n d o w s 体系接口，硬件制造商为其设备提供的接口程序的数 量减少到一个，软件制造商也仅需要开发一套通讯接口程序。即有利于软硬件开发商， 更有利于最终用户。 1 3 本课题的技术难点以及意义 本系统不仅要实现嵌入式网络终端的遥测、遥控、遥信等功能，而且要在上位机 设计一个基于数据存取规范的o p c 服务器，其功能为接收网口的数据后与o p c 客户 程序进行通讯。综合起来，本课题在设计中遇到的技术难点为： ( 1 ) 在保证稳定性和实时性的前提下，根据系统要实现的功能，对t c p i p 协议 进行适当的裁剪和实现。 ( 2 ) 由于本系统应用于工业控制领域，为了实现数据传输的实时性，在网络层 协议中实现u d p 协议，在应用层实现的是基于u d p 之上的m o d b u s 协议。 ( 3 ) 基于数据存取规范的o p c 服务器的设计。 ( 4 ) 由于上位机在系统中充当网络终端中客户端的角色，因此设计的o p c 服务 器要实现具有接收网络数据的功能。 总之，本课题基本完成了嵌入式网络终端的设计，使其具有遥测、遥控、遥信等 功能，考虑到其数据传输的实时性，本系统在网络层和应用层分别使用了u d p 协议 和m o d b u s 协议。同时，本系统可以应用于工业控制领域，为了让其适用于任何语言 编写的客户端，本课题设计了一个基于数据存取规范的o p c 服务器，只要是任何一 个标准的o p c 客户端应用程序都可以与之通讯并获取数据，大大扩大了其应用范围。 6 第二章嵌入式网络终端的硬件设计 嵌入式网络终端主要功能是采集现场的数据并进行处理同时通过以太网与上位 机通信。本文的嵌入式网络终端系统是实验室的实验板，所以就数据的采集方面进行 了简化。本系统通过对电位器的电压采集表示对模拟数据的采集，通过对4 路按键值 的遥信和对4 路指示灯值的遥控作为对开关量的遥信和遥控。本章先后介绍了嵌入式 网络终端系统的组成，主控制器模块，以太网接口模块及电源模块。 2 1 硬件设计原则 嵌入式网络终端的硬件结构是实现系统整体功能的基础。硬件设计在实现系统功 能的基础上，还要考虑系统的各项性能是否能稳定和可靠的工作，以及系统的成本问 题。所以在硬件设计中需要遵循一些原则： ( 1 ) 嵌入式网络终端有较大的数据传输任务和数据采集任务，且系统体积不宜 过大，所以应选择响应速度快，具有丰富的集成外设功能的c p u 。这样可以提高系统 运行的稳定性、可靠性及抗干扰能力，同时也可以减少系统的设计成本。 ( 2 ) 本系统对网络数据的传输速度要求不大，因此可以选择一些传输速度较慢 但成本较低的网络芯片。 ( 3 ) 嵌入式系统的设计强调系统的低功耗，所以在硬件设计中要采用低功耗的 控制芯片和硬件电路。 2 2 系统组成 基于m s p 4 3 0 f 1 4 9 和c s 8 9 0 0 a 的嵌入式网络终端由主控制模块，以太网接口模 块，电源模块组成。 嵌入式网络终端的硬件框图如图2 1 所示： ( 1 ) m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机的p 5 7 p 5 0 作为数据总线与以太网控制器c s 8 9 0 0 a 的数据总线s d 7 s d o 相连。 ( 2 ) m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机的p 3 3 p 3 0 作为地址总线与c s 8 9 0 0 a 的地址总线 s a 3 s a 0 相连；单片机的p 3 6 、p 3 7 作为读写控制线分别与c s 8 9 0 0 a 的l o w 和i o r 相连。 ( 3 ) m s p 4 3 0 f 1 4 9 的p 2 3 - p 2 0 按接键k 4 k 1 p 2 7 - p 2 4 按指示灯l e d 7 一l e d 4 用于系统的遥信、遥控；单片机的p 6 7 a 7 连接电位器用于模拟信号的采集。 ( 4 ) c s 8 9 0 0 a 与隔离变压器e 2 0 2 3 连接，然后通过e 2 0 2 3 与r j 4 5 的连接，实 现与以太网的连接。 ( 5 ) 系统采用s p 3 2 2 3 芯片实现c m o s 电平与r s 2 3 2 的电平转换，单片机的p 3 4 和p 3 5 用于串行通信，通过与s p 3 2 2 3 相连，实现串口通讯。 ( 6 ) 1 2 v 的电源接m c 7 8 0 5 芯片将电压降为5 v ，再经过a s l l l 7 芯片将电压转 化为3 3 v 电压用于m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机。 图2 1 系统硬件框图 2 2 1 主控制器模块【8 】【9 】【l o 】 2 2 1 1 主控制器的选择 ( 1 ) 单片机的特点：所谓单片机就是在一块芯片上集成了c p u 、r a m 、r o m ( e p r o m 或e e p r o m ) 、时钟、定时计数器、多种功能的串行和并行i o 口，如i n t e l 公司的8 0 3 1 系列等。除了以上基本功能外，有的还集成有a d 、d a ，如i n t d 公司 的8 0 9 8 系列。概括起来说，单片机具有如下特点：具有位处理能力，强调控制和事 务处理功能；价格低廉，如低档单片机价格只有人民币几元钱；开发环境完备，开发 工具齐全，应用资料众多。 ( 2 ) d s p 器件的特点：与单片机相比，d s p 器件具有较高的集成度。d s p 具有 更快的c p u ，更大容量的存储器，内置有波特率发生器和f i f o 缓冲器。提供高速、 同步串口和标准异步串口。有的片内集成了a d 和采样保持电路，可提供p w m 输 出。d s p 器件采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程序 和数据。内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水线，使d s p 器件具有高速的数据运 算能力。d s p 器件比1 6 位单片机单指令执行时间快8 l o 倍，完成一次乘加运算快 1 6 3 0 倍。d s p 器件还提供了高度专业化的指令集，提高了f f t 快速傅里叶变换和 滤波器的运算速度此外，d s p 器件提供y r a g 接口，具有更先进的开发手段，批量 生产测试更方便，开发工具可实现全空间透明仿真，不占用用户任何资源。软件配有 汇编，链接c 编译器、c 源码调试器。 ( 3 ) a r m 处理器的特点：可以在a r m 处理器嵌入操作系统，常用的有u c o s ， v x w o r k s ，w i n c e ，l i n u x 等等。嵌入式操作系统将替代传统的由手工编制的监控程序 或调度程序，成为重要的基础组件。更重要的是嵌入式操作系统对应用程序可以起到 屏蔽的作用，使应用程序员面向操作系统级开发应用软件，并易于在不同的a r m 核 的嵌入式处理器上移植。嵌入式操作系统都具有一定的实时性，易于裁剪和伸缩，可 以适合于从a r m 7 到x s c a l e 各种a r mc p u 和各种档次的应用。但是其开发成本高， 周期长。【l l 】 综合d s p ，单片机，a r m 处理器等的优缺点，再考虑到系统的开发成本，周期 及低功耗要求，我们选用了具有丰富外设功能的低功耗单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 。 2 2 1 2 主控制器的特点及应用 主控制器采用的1 6 位高性能单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 是一种超低功耗的混合信号控 制器，其中包括一系列器件，它们针对不同的应用而由各种不同的模块组成。这些微 控制器被设计为可用电池工作，而且可以有很长使用时间的应用。他们具有1 6 位r i s c 结构，c p u 中的1 6 个寄存器和常数发生器使m s p 4 3 0 微控制器能达到最高的代码效 率；灵活的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗；数字控制的震荡器( d c o ) 可使器 件从低功耗模式迅速唤醒，在少于6 u s 的时间内激活到活跃的工作方式。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机具有4 8 k 的内部程序f l a s h 存储器，2 5 6 字节的信息f l a s h 存 储器，1 0 k b 的r a m 其超低功耗的特点可以满足在仪表中的使用，其主要特点： ( 1 ) 电压电源范围1 8 3 6 v 。 ( 2 ) 1 6 位r i s c 结构，1 2 5 n s 指令时间周期，从所有低功耗模式苏醒到活动模式 的时间少于6 u s 。 ( 3 ) 三个内部d m a 通道，片内集成比较器。 ( 4 ) 基本时钟模块配置：高速晶体( 最高8 m h z ) 、低速晶体( 3 2 7 6 8 h z ) 、d c o 。 ( 5 ) 1 2 位2 0 0 k b p s 的a d 转换器，自带采样保持。 ( 6 ) 具有3 个捕获比较寄存器的1 6 位定时器t i m e ra , t i m e r 。_b ( 7 ) 5 种节电模式。 ( 8 ) 4 8 个i o 口。 选择m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机的优势是m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机的l o k b r a m 可以满足嵌 入式网络终端系统的大量数据传输需要，1 2 位a d 转换器可以提供高速的a d 转换 而不需另加a d 转换电路。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 通过x i n 和x o u t t c l k 接8 m h z 晶振用于产生系统所用的时钟频 率；同时m s p 4 3 0 f 1 4 9 外接一个j t a g 口，通过j t a g 口接m s p 4 3 0 仿真器用于系统 9 与m s p 4 3 0 开发软件i a r 之间的程序调试；m s p 4 3 0 f 1 4 9 的r s t n m i 连接一个接地 按键k 0 ，作为系统的复位重启。 如图2 2 ，m s p 4 3 0 f 1 4 9 的p 2 3 - p 2 0 和p 2 7 一p 2 4 分别接4 路按键和4 路指示灯 作为系统的模拟量的遥测和开关量的遥信、遥控。 图2 - 2 按键，指示灯接线图 m s p 4 3 0 f 1 4 9 的p 3 3 p 3 0 接c s 8 9 0 0 a 的s a 3 s a 0 ；p 3 7 干3 6 接c s 8 9 0 0 a 的 i o r 和i o w ；p 5 7 p 5 0 接c s 8 9 0 0 a 的s d 7 s d 0 。 主控制器主要完成以下功能： ( 1 ) 完成系统上电复位，初始化以及低电压检测； ( 2 ) 根据上位机的指令完成相应的数据采集和处理工作； ( 3 ) 控制以太网接口模块完成网络数据包的发送和接收以及相应的装与解包工 作。 2 2 2 以太网接口模块1 1 2 】 2 2 2 1 以太网芯片的选择与比较【1 4 】【”】 在以太网芯片的选择上我们有协议栈芯片和非协议栈芯片两种选择。如果选择协 议栈芯片，典型的有w 3 1 0 0 a 。这种方案，因为不需要实时操作系统的支持，所以在 非大批量生产时有设计简单、灵活的特点；但是在大批量生产时成本高，因为每个智 能设备都要嵌入t c p i p 协议栈芯片。而如果选择非协议栈芯片，这种方案开发周期- 比较长，对开发人员的要求高，要求对操作系统和t c p i p 协议都要有一定程度的熟 悉，但是这种方案在大批量生产时，具有成本低的优点，因为用软件设计的t c p i p 协议栈，是一次投资多次使用。 目前市场的非协议栈以太网芯片品种很多，按照传输速度大致可分为以下几种： l o 1 0 m ，1 0 0 m ，1 0 0 0 m ，1 0 0 0 0 m 四种。l o m 级芯片主要l a n 9 1 c 9 6 , e n c 2 8 j 6 0 。c s 8 9 0 0 a 等。其中l a n 9 1 c 9 6 是s m s c 公司生产的专门用于嵌入式产品的1 0 m 以太网控制器。 其优良的性能、低功耗及小尺寸，使l a n 9 1 c 9 6 成为嵌入式n i c 中的主流产品。 e n c 2 8 j 6 0 是m i e r o c h i pt e c h n o l o g y ( 美国微芯科技公司) 推出全球首枚2 8 引脚独立 以太网控制器，可为嵌入式应用提供低引脚数、低成本且高效易用的远程通讯解决方 案。设计人员可采用m i c r o c h i p 的e n c 2 8 j 6 0 以太网控制器，创建占位小、成本低、 精简的嵌入式网络应用。目前市场上大部分以太网控制器采用的封装均超过8 0 引脚， 而符合i e e e8 0 2 3 协议的e n c 2 8 j 6 0 只有2 8 引脚，就能既提供相应的功能，又可以 大大简化相关设计，并减小占板空间。c s 8 9 0 0 a 是c i r r u sl o g i c 公司生产的低功 耗、性能优越的1 6 位以太网控制器，功能强大。该芯片的突出特点是使用灵活，其 物理层接口、数据传输模式和工作模式等都能根据需要而动态调整，通过内部寄存器 的设置来适应不同的应用环境。1 0 m 1 0 0 m 芯片主要有a x 8 8 7 9 6 a 以太网控制器等。 由a s i x 推出的a x 8 8 7 9 6 a 以太网控制器是为嵌入式设备设计的，提供8 1 6 b i t 1 0 l o o m 快速以太网连接功能，内建有p h y 和8 k x l 6 b i t 的s r a m 。a x 8 8 7 9 6 a 支持 8 b i t 和1 6 b i t 的c p u 接口，支持m c s 5 1 、8 0 1 8 6 、m c 6 8 k 等多个系列处理器以及i s a 总线，采用i e e e 8 0 2 3 i e e e 8 0 2 3 u l a n 标准，提供m e 接口支持多媒体应用。通过 a s i x 的这个产品，家庭多媒体网络设备可以降低成本，同时芯片兼容2 0 0 0 ，可以方 便软件驱动开发和硬件设计工作。l o o o m 芯片主要有b r o a d c o m s t r a t a x g s i i i b c m 5 6 5 1 0