（信号与信息处理专业论文）rtu+internet网络接口技术研究.pdf

摘要 自动监控系统是信息化技术的重要组成部分，远程测控终端r t u 是自动监控系统的重 要组成部分之一。远程测控终端负责现场采集数据、存储数据、传输数据，其传输数据的 方式有：无线数据传输、工业以太网，g s m 短消息，g p r s 网络等等。如今i n t e m e t 技术 日新月异的发展，使我们生活方式发生了巨大改变，也使得r t u 通过i n t e m e t 网络传输数 据，接收控制命令成为可能。目前市场具有i n t e m e t 网络接口的主流r t u 大部分成本比较 高，功耗较大，不太适用于水情测控领域，本文结合t c p i p 通用技术标准，设计了一种 简单的低成本的r t u 的i n t e m e t 接口方案。 本文成功的在m s p 4 3 0 单片机系统中集成了对i n t e m e t 网络接口芯片c s 8 9 0 0 的驱动支 持，使得采集的数据可以通过以太网发送到i n t e m e t 网络。 文中首先分析了目前r t u 数据传输常用方式，再结合t c p i p 技术在m s p 4 3 0 上进行 了精简t c p i p 协议栈设计，详细阐述了t c p i p 协议族中的a r p 协议，i p 协议，i c m p 协 议，t c p 协议，t c p 状态机等有关实现t c p i p 协议栈的关键技术，并在这些技术基础上 讨论了整个测控系统网络接口技术的设计与实现。同时，考虑到未来i p v 4 地址即将枯竭， 文中还探讨了i p v 6 技术，尝试将系统的协议栈从i p v 4 升级到i p v 6 。 受到实验条件限制，系统虽然以水情自动化为应用背景，并没有实际采集水情数据， 但是通过传输m s p 4 3 0 内部模拟的水情数据，证明了采用r t u 的i n t e m e t 接口传输水情数 据是可行的，有效的。这种低成本的实用的具有i n t e m e t 接口的r t u 是水利行业应用中的 一个新的突破。 关键词：r t u 、i n t e m e t 、m s p 4 3 0 、c s 8 9 0 0 、t c p i p ，i p v 4 、i p v 6 a b s t r a c t t h ea u t om o n i t o rs y s t e mi sa l li m p o r t a n tp a r to ft h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y r e m o t e t e r m i n a t eu n i t ( r t u ) p l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ea u t om o n i t o rs y s t e m ，w h i c hr e s p o n s e s f o rt h ed a t ag a t h e r r i n g ，d a t as t o r a g e ，d a t at r a n s f e r r i n g ，e t c t h e r ea r em a n ys t y l e so ft h ed a t a t r a n s f e r r i n g o fr t u ，s u c ha s ：w i r e l e s sd a t at r a n s f e r , t h ei n d u s t r ye t h e m e tn e t w o r k ，s h o r t m e s s a g es e r v i c ei nt h eg s mn e t w o r k , g p r s ，e t c t o d a y , t h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ei n t e m e t t e c h n o l o g yh a sm a k eo u rl i f ec h a n g ee n o r m o u s l y , a n dm a k ei tp o s s i b l et ot r a n s f e rd a t aa n d r e c e i v et h ec o n t r o lc o m m a n db yt h ei n t e r a c t n o w , m o s tr t ut h a th a v et h ei n t e m e tn e t w o r k i n t e r f a c ea r eh i g h l yc o s t - - c o n s u m i n ga n dh i g h l ye n e r g y - c o n s u m i n g ，w h i c hi sn o ts u i tf o rt h e w a t e ri n f o r m a t i o ns y s t e mg a t h e r i n ga n dc o n t r 0 1 c o n s i d e r i n gt h et c p i pp r o t o c o l ，t h ep a p e r d e s i g n sas i m p l e 、l o w - c o s tr t u i n t e r n e ti n t e r f a c e t h i sp a p e rs u c c e e d si ni n t e g r a t i n gt h ed r i v e rs u p p o r to ft h ei n t e r n e tn e t w o r ki n t e r f a c e c h i p - c s 8 9 0 0a tt h em s p 4 3 0m c u ，w h i c hm a k ei tp o s s i b l et ot r a n s f e rt h ed a t at ot h ei n t e m e t n e t w o r kb yt h ee t h e m e tn e t w o r k f i r s t l y , t h ep a p e ra n a l y s i st h ec u r r e n tu s u a l l y u s e ds t y l e so ft h ed a t at r a n s f e r r i n g , t h e n c o n s u l t st h et c p i pp r o t o c o lt e c h n o l o g y , d e s i g nas i m p l yt c p 佃p r o t o c o ls t a c ki nt h em s p 4 3 0 d e t a i l l yd i s c u s st h ea r pp r o t o c o l ，i pp r o t o c o l ，i c m pp r o t o c o l ，t c pp r o t o c o l ，t c ps t a t u s m a c h i n e ，e t c ，w h i c ha r e t h ek e yt e c h n o l o g i e st or e a l i z et h et c p i pp r o t o c o ls t a c k b a s i n go nt h e t e c h n o l o g i e sd i s c u s s e da b o v e ，d i s c u s st h ed e s i g n i n ga n dr e a l i z a t i o no f t h ew h o l ea u t om o n i t o r s y s t e mn e t w o r ki n t e r f a c et e c h n o l o g y a tt h es a m et i m e ，c o n s i d e r i n gt h ei p v 4a d d r e s sw i l lb e e x p i r ei nt h ef u t u r e t h es y s t e mi sb e i n ga t t e m p t e dt ou p d a t ef r o mi p v 4p r o t o c o ls t a c kt ot h ei p v 6 p r o t o c o ls t a c k l i m i t e db ye x p e r i m e n t a le n v i r o n m e n t , t h o u g ht h i ss y s t e mi sd e s i g n e df o rw a t e rc o n s e r v a n c y , i td o e sn o tg a t h e ra c t u a lw a t e ri n f o r m a t i o n d e s p i t eo ft h e s e ，i ts t i l lt e s t st h a tu s i n gt h er t u i n t e m e ti n t e r f a c et ot r a n s f e rw a t e ri n f o r m a t i o ni sa na v a i l a b l ew a yo f d a t at r a n s f e r r i n g t h i sr t u w i t hl o w - c o s ti san e wb r e a c hi nw a t e r c o n s e r v a n c y k e yw o r d ：r t u 、i n t e m e t 、m s p 4 3 0 、c s 8 9 0 0 、t c p i p ，i p v 4 、i p v 6 i i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在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。与我一同工作的同事对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全 部责任。 论文作者( 签名) ： ( 注：手写亲笔签名) 学位论文使用授权说明 皂甬 m 年牛月2 - h 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) 皂丽 卅年牛月2 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1r t u 介绍 r t u ，英文全称r e m o t et e r m i n a lu n i t ，是一种远程测控智能装置。它不仅可以采集、 监测、计算和存储现场的设备信号，而且能独立地完成预定地控制程序、执行上位机指令， 并将执行结果和现场数据回传上位机，适用于恶劣的工作环境【i j 。 r t u 基本模块包括数据采集和处理及数据传输。远程测控r 1 u 由硬件和软件组成，它 主要完成对现场数据的采集和传输，同时接收监控中心的控制信号完成对设备的简单开 关，驱动。远程测控系统数据传输包括各种检测、监视、生产、报警信号等，行业涉及到 油田、环保、地震、水利、电力、气象、燃气、管道、自来水等各个部门。远程测控系统 数据有数据量小、定时或非定时及实时发送等特点【2 1 。 水文自动测报系统，也称水情遥测系统，是综合运行遥测、通信、计算机技术，完成 江河流域降水量、水位、流量、蒸发量等数据的实时采集、报送和处理的信息系统。水情 遥测站，一般由远程测控终端( r t u ) 、外部供电系统、避雷器、通信系统、各种水情数 据传感器等组成，通常采用定时和增量自报的方式工作【3 1 。 r t u 是水情遥测系统中必不可少的重要部分之一。r t u 设备主要完成对水情数据信息 的自动实时采集和存储，并通过各种通信方式向中心站传送，接收中心站的控制指令并发 送数据，r t u 具有现场实时显示、存储数据、参数设置、电源管理等功能。 水情遥测系统中，水情数据的采集、存储、传输是水情遥测系统中最重要的环节。本 论文主要研究水情信息通过i n t e r a c t 传输的技术即研究实现r t u 的i n t e m c t 网络接口。 1 2 i n t e r n e t 的迅猛发展 计算机通讯系统尤其是因特网在日常生活中扮演越来越重要的角色，如今网络已经逐 步改变了我们日常的生活，学习和工作习惯，而上网也逐渐从个人电脑和网络工作站扩展 到很多嵌入式系统，这种嵌入式系统可以称为嵌入式网络终端。嵌入式网络终端的应用不 仅给人们的日常生活带来很大的便利，而且还极大的推动了生产力的发展，也使得i n t e m e t 网络更加迅速的发展【4 】。 i n t e r e n e t 现在已经成为社会重要的基础信息设施之一，是信息流通的重要渠道。我们已 经进入t i n t c m e t 时代：从i n t c r e n t 网上浏览新闻；通过i n t e r a c t 网上的广告了解当前流行的消 费资讯；商家将网络应用于生产以提高效率，通过网络控制物流，商品报价，等等，i n t e r a c t 使全球化的信息交流变的容易。 第一章绪论 另一方面，嵌入式系统成熟起来并得到了最为广泛的工业应用。嵌入式系统被定义为； 以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、 成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统【5 j 。它以p c 机不可比拟的结构灵活性、稳定 性和经济性成为计算机工业的高速增长点。目前大多数嵌入式系统还处于单独应用的阶 段，以微控制器( m c u ) 为核心，与一些监测、伺服、指示设备配合实现一定的功能。 在一些工业和汽车应用中，为了实现多个m c u 之间的信息交流，利用c a n 、r s - - 2 3 2 、r s - - 4 8 5 等总线将m c u 组网，但这种网络的有效半径比较有限，并且一般是孤立于i n t e m e t 以 外的。 二十一世纪是一个i n t e m e t 时代，如果嵌入式系统能够连接到i n t e r n e t 上面，则可以方便、 低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一个地方。利用该技术，能够将i n t e r n e t 延伸到嵌 入式系统，并实现基于i n t e m e t 的远程数据采集、远程控制、自动报警、上传下载数据文 件、自动发送e m a i l 等功能，为i s t ( i n t e m e ts e n s o r t e c l m o l o g y f 目络传感器技术) 、信息 家电、工业自动化( 制药工业过程控制、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工 系统) 、局部环境自动监测、智能小区管理、网络自动抄表、高速公路出入口管理、p o s 网络及电子商务等技术的应用与发展提供了技术保证1 6 j 。 1 3基于r t u 的i n t e r n e t 网络接口的研究 上个世纪9 0 年代以来，科学技术迅速发展，人们的生产行为、生活方式都发生了重大 的变化，作为生活生产中非常重要的一项技术即监控技术的重要性正在逐渐被人们所认识 和重视。监控系统的演变，是一个从集中监控向网络监控的发展历史。早期的监控系统， 采用大型仪表集中对各个重要设备的状态进行监视，并通过操作盘来进行集中式操作。而 计算机监控系统是以监测控制计算机为主体，加上检测装置、执行机构与被监测控制的对 象( 生产过程) 共同构成的整体【”。 随着i n t e m e t 的广泛应用，计算机技术和网络技术得到迅速发展，促使其相关技术也逐 渐走向成熟。这些不仅对人们传统的生活方式产生了巨大的冲击，而且对其他领域技术的 发展也带来了深刻的影响。网上图书馆，电子商务和网上虚拟医院已被大家所熟悉，基于 i n t e m e t 的远程测控技术更引起各界的广泛关注，并在核电站监控、石油的输送管道远程监 测、电网运行监控和机器人的远程控制等领域得到应用。基于i n t e m e t 的远程测控系统实现 了数据共享，具有信息传递快捷和交互性强等特点，推动着控制技术向着网络化、分布性 和开放性的方向发展，这种发展趋势使控制系统功能的扩展更加灵活，性能不断提高，使 用更加简便【剐。 2 第一章绪论 水利信息系统中，很多的水利信息的获取依赖于传感器采集的数据，这些传感器分布 在现场的各个区域，因此对传感器的维护以及其数据的统计非常不方便。早期对这些数据 统计需要工作人员到现场采集，然后将采集到的数据输入到计算机，再通过计算机网络传 送到数据处理中心，技术人员再对这些数据作分析，这样获取的数据不是实时的，有可能 存在大的误差，例如传感器中途由于某些原因出现了故障，后来又自动恢复了，那么它所 采集的有一段数据就是错误的。同时在数据中转的过程中不可避免有信息的延迟和误差， 从而会造成最终的数据分析无效或者不准确，如果传感器采集的信号可以直接通过网络传 输，不需要介入人力及计算机系统中转而传入网络，那么将会给水利信息系统带来巨大的 变化，并能从根本上改变目前水利信息传输共享技术落后的现状。 2 0 世纪8 0 年代以后，我国水情数据采集应用了计算机技术，可以将水情数据经过邮电 通信有线网、短波信道和卫星信道等进行远距离传输处理【9 】。现有比较成熟的水情数据通 信方式有：邮电通信有线网、无线通信方式( 包括短波通信、超短波通信、微波通讯，g s m 短消息通讲1 0 1 、g p r s 通讲1 1 l 【12 1 、卫星通信和流星余迹【1 3 】) 。i n t o n e t 为我们提供了另外一 种很好的通讯方式。它具有更强的实时性与交互性，通过i n t e m e t 我们可以在网上随时看到 传感器采集的信息，并有可能根据这些信息判断传感器是否工作在正常的状态，从而可以 大大改善原来的水文站网的规划和设置。 目前远程监控技术的主流是应用i n t e m e t 技术，在t c p i p 协议和w w w 规范的支持下， 合理组织软件结构，侵工作人员通过访问网络服务器来迅速获取自己权限下的所有信息并 及时做出响应将来，嵌入式系统的发展会越来越迅速，越来越成熟，这项新技术迟早必将 用于远程监控系统上，是监控系统未来发展方向之一。 本课题重点研究r t u 的i n t e r n e t 网络接口，在r t u 中设计嵌入式t c p i p 协议栈，实现r t u 通过i n t e r n e t 传输信息。 1 4 本论文主要内容 本论文对传统远程测控终端的软件和硬件体系进行了研究，针对试验背景对水文测量 仪器做了一些研究和了解，对研制开发的终端中选用的处理器型号进行了充分的考证和比 较，对能实现i n t e m e t 网络接口功能的各种网络接口控制芯片进行了性能上的比较测试。论 文接下来研究了测控终端现在的u s b 接口技术、大容量存储技术以及g s m 短消息技术，在 远程测控终端的软件和硬件结构方面提出了一种新的设计和应用。论文在m c u 的硬件平台 上集成i n t e m e t 接口，在软件上编程实现 t c p i p 协议栈、并且在其基础上，实现了h t t p 协议和s m t p 应用层协议。考虑到未来互联网的发展趋势，论文研究了口v 6 协议栈，在已 第一章绪论 实现i p v 4 协议栈的基础上，实现了一个精简的i p v 6 协议栈，并搭建了一个简单的i p v 6 实验 室，测试i p v 6 协议栈的运行情况。 以下是论文各个章节的主要内容。 第章：绪论。介绍论文研究的目的和技术背景，对远程测控终端r t u 的现状及发展 趋势做了介绍，对论文中的研究所涉及的行业背景和技术背景进行了说明，并对论文研究 工作的具体内容做了概括性的简单介绍。 第二章：基于i n t e m e t 的水情远程测控系统的总体设计。针对水利信息化的实验背景， 介绍了基于i n t e m e t 的水情远程测控系统的基本模型，由此引出其主要部分系统i n t e m e t 网络接口的设计问题，对该问题涉及到的硬件系统设计方案及网络协议选择方案做了介绍 和比较，从而确定了本文系统的总体设计方案。 第三章：系统的硬件结构设计。论文的目标是要研究和设计一种低成本的、适用于水 利信息系统的、采用i n t e r n e t 网络进行通讯的远程测控终端，在这一章中对系统的硬件平台 进行了设计，同时详细介绍了硬件设计所采用的主要芯片，介绍了网络接口芯片c s 8 9 0 0 的 工作方式，及其应用于本系统的方法；论文进一步参考了厂商提供的芯片资料，完成了硬 件接口部分设计；本章对硬件系统初步调试中的问题做了一些说明。 第四章：系统的协议栈设计。这一章是本论文的重点，主要介绍了t c p i p 协议簇，及 如何在本系统中实现t c p i p 协议栈。本章还将协议栈设计代码化，并将代码下载到己经搭 建好的硬件平台，然后借助一些网络工具，测试协议栈在硬件平台上的运行情况。 第五章：h t t p ，s m t p 协议实现基于i n t e m e t 网络的水情信息传输。本章通过在远程测 控终端上编程实现h t y p ，和s m t p 协议，测试了协议栈的运行情况，对测试中出现的问题 做了针对性的说明。 第六章：基于此系统的i p v 6 协议栈的研究与设计。这一章研究 i p v 6 协议，在前面i p v 4 协议栈成功运行的基础上设计了i p v 6 协议栈，组建了一个简单的i p v 6 n 试环境，测试i p v 6 协议栈的运行情况。 第七章：结论和展望。总结了本论文所作的工作，并对r t u 的i n t e m e t 应用前景进行了 展望。 4 第二一章基于i n t e r n e t 的水情远程测控系统的总体结构设计 第二章基于i n t e r n e t 的水情远程测控系统的总体设计 在进行系统设计之前，需要对本系统应用背景做一些了解，从而在总体上掌握设计的 原则，更好地选择设计方案。本章将对系统应用背景做一些介绍，同时提出现在比较通用 的几种设计方案，并通过各方案之间的比较，确定本系统的总体设计方案。 2 1水情测报系统模型 图2 1典型的水情测报系统 f i g 2 i at y p i c a lw a t e ri n f o r m a t i o no b s e r v i n ga n dp r e d i c t i n gs y s t e m 典型的水情测报系统模型如图2 1 所示【1 4 1 。系统包含以下几个功能：采集水情数据，处 理数据，传输数据，接收必要的控制信息。由水位传感器实现对水位数据的采集，采集后 的数据按定的格式( 通过编码器) 传送给水情测报仪，水情测报仪通过把t c p f l p 协议栈 嵌入其中实现w e b 服务器的功能，通过i n t e m e t 根据控制中心命令或根据一般用户的要求进 行相应的数据传输，将信息及时准确的传送到查询部门。控制中心远程监控各测试点数据， 并对其进行汇总分析，为水资源调度提供基本数据和决策依据；远程用户可以实时查询数 据，也可以通过邮箱接收数据。水文测报仪，即远程测控终端的一种形式，在这里是我们 研究的主要对象，我们主要研究系统的软硬件如何实现以及如何通过网络进行数据传输。 2 2 数据采集部分 数据采集一般是由传感器完成的，传感器将采集的信息经过编码转化为m c u 可以识别 的信息，传送给m c u ；通过内部中断程序m c u 接收到传感器的信息数据。由于环境所 限，在本文中没有为系统设计采集模块，但是系统为采集模块留出了接口，并采用m c u 内 部寄存器数据模拟从传感器采集的信息。 第二章基于i n t e m e t 的水情远程测控系统的总体结构驶计 2 3 数据传输部分 2 3 1 系统的i n t e r n e t 网络接口 在设计系统的i n t e r n e t 网络接口之前，必须考虑系统网络接入问题。系统可以通过多种 方式接入i n t e m e t 公共网，例如电话拨号，i s d n ，a d s l ，以太网等。以太网作为一种廉价、 高效的i n t e r a c t 接入方式已经得到了非常广泛的应用，因此本文的i n t e r a c t 连接指的是通过以 太网接入i n t e r a c t 。系统测试主要是在局域网中进行，系统需要设置正确的i p 地址和子网掩 码，以便系统i p 在局域网内可以被识别，不会和网络其他i p 冲突。 系统与i n t e m e t 连接以后，要真正实现通讯，最关键的问题是如何在m c u 中实现i n t e m e t 上普遍使用的t c p i p 通讯协议。计算机中应用的t c p i p 通讯协议对硬件存储器，处理器运 算速度要求比较高，普通的单片机无法满足这些要求，而且计算机中的通讯协议通常功能 设计比较完备，阵容豪华，即使能够勉强应用到到单片机中来，会占用单片机的大量资源， 由于单片机要实现的功能通常是和具体的需要相关的，只会用到标准协议栈中? l t d 的一部 分，这种方法显然是不可行的。因此必须设计适用于单片机的t c p d p 协议栈。在单片机上 实现t c p f l p 协议一般有以下几种方法1 1 6 1 ： 1 ) 高档m c u 芯片+ r t o s ( 实对多任务操作系统) 即在r t o s 实时多任务操作系统平台上，对3 2 6 4 位m c u 进行软件开发以实现t c p f i p 协 议。采用a r m 内核的系列处理器或者3 8 6 e x 等高档m c u ，其运算速度快，性能高，在芯片 上可以运行实时操作系统( r t o s ) ，同时也可以嵌入完整的t c p i p 协议【1 7 j 。 目前国内较为流行的r t o s 有l i n u x ，u c l i n u x ，w i n d o w c e 、f r e e r t o s ，u c o s 等，将 这些操作系统移植到m c u 上，再在操作系统上实现t c p i p 协议栈，可以自己编程实现，也 可以在操作系统基础上移植一些代码公开的t c p i p 协议栈，如a l p ， 1 w m 等。 如果比较熟悉嵌入式系统的移植工作，采用这种方案将会大大加快开发的进度，研发 人员可以把精力集中在协议栈与r t o s 接口，r t o s 与m c u 接口上，不必花很多的精力在 t c p i p 协议代码上。同时，移植成功以后的代码也比较容易维护。但是实现这种方法的硬 件代价比较高，对于水情远程测控终端来说不是合适的选择。 2 ) 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 d m i c r o i n t e m e t w o r k i n g t e c h n o l o g y ，嵌入式微型因特网互联技术。e m i t 利用e m g a t e w a y 先通过轻量级总线与多个嵌入式设备联系起来，形成轻型网络，然后再把 这个嵌入式系统轻型网络与大型高性能t c p f l p 网络( 如i n t r a n e t ，i n t e m e t ) 连接。连接后在 e m g a t e w a yk 运行t c p i p 协议并运行h t t p & 务程序，使之成为一个用户可以进行远程访问的 服务器，而同时在连接起来的每个嵌入式设备的应用程序中加入一个独立的通信任务程 6 第二章基于i n t e r a c t 的水情远程测控系统的总体结构设计 序，称为e m m i e r o ，用来监测嵌入式设备中预先定义的各种变量，并将结果反馈到 e m g a t e w a y q a ，这样通过增加一个e m g a t e w a y 网关，可以解决嵌入式系统利用i n t e m e t 通讯 的问题1 1 8 l 【嘲。 这种方案中，网络协议是通过e m g m e w a y 在p c 机上实现的，m c u 只需要使用较简单的 e m n e t 协议，但是它的硬件结构比较复杂，虽然m c u 不需要处理网路协议，处理e m n e t 也 要占用一定的资源，目前，一些智能家居系统采用了这种设计方案。但是它不适用于水情 远程测控终端。 3 ) m c u + w e b e h i p 2 0 1 2 1 】j m c u 应用系统加入w e b c l l i p 芯片，片内驻留m c u 鹏t 协议，使之通过w e b c l i p 网络芯片 与g a t e w a y 连接，再进入因特网，如图2 2 所示 m c u n e t 区丑爿盈 s p io r l 2 c 图2 2 m c u + w e b e h i pi n t e r a c t 实现方案 f i g 2 2 i m p l e m e n ti n t e m e ti n t e r f a c ew i t h 这种方案将复杂的因特网协议的处理任务转移到了网关，降低了系统与因特网连接对 m c u 性能的要求。对m c u 应用系统工程师来说，使用w e b e h i p 可以不用属于复杂网络协议 及其接口，软件设计只需要增加一段小的接口程序，无需作其他大的改动，简化了应用设 计工作量，可以缩短开发周期。 虽然这种方案对设计者来说技术要求不是很高，但是硬件成本较高，需要多增加一个 p c ，不利于水情环境中使用。 4 ) 8 1 6 位m c u + 通用网络接口芯片 使用8 1 6 位m c u 来处理t c p i p 协议，采用p c 机通用的网络接口芯片来处理与i n t e m e t 网络通讯时链路层的通讯协议。这种方案成本较低，除了m c u 芯片、网络接口芯片、外围 电路所需的基本芯片以外，几乎不需要增加其他硬件开销。 而且在这种方案中，单片机与h t e m e t 连接，可以使用p c 机通过h l t e r n e t 远程访问单片机 系统，也可以使用单片机系统将信息通过i n t e m e t 发送到远程p c 或其它网络终端上。 由于m c u 处理能力和存储能力有限，因此，不可能在m c u 上实现完整的t c p f l p 协议， 必须根据系统需要，对t c p i p 协议简化，保留其最根本的东西，应用层协议可以根据系统 第二章基于i n t e m e t 的水情远程测控系统的总体结构嫂计 具体应用的需要来简单实现。 这种方案的硬件成本较低，而且硬件结构相对比较简单，较适用于水情远程测控终端 系统，当然，这种方案需要设计者熟悉复杂的网络通讯协议及其接口。本文采用的是这种 设计方案。 2 3 2 网络协议选择 o s i 参考模型层次描述o s i 层次号 应用层 7 表示层6 会话层5 传输层4 网络层3 数据链路层 2 物理层 l 图2 3o s l 参考模型 f i g 2 3 o s ir e f e r r i n gm o d e l 互连参考模型o s i ( o p e ns y a e m i n t e r c o n n e c tr e f e r e n c em o d e l ) ，o s i 模型将通信会话 需要的各种进程划分成7 个相对独立的功能层次，如图2 3 所示。 网络互连中，网络协议是应该被首先考虑的问题。在计算机网络标准中，广泛使用的 是i s o ，i n t e m a t i o n a ls t a n d a r d i z a t i o no r g a n i z a t i o n ，国际化标准组织提出的开放式局域网 ( l a n ) 参考模型，目前采用的标准主要是i e e e8 0 2 。i e e e 8 0 2 在物理层和媒体访问控制 层通常选择3 种协议：i e e e 8 0 2 3 ( 以太网) i e e e 8 0 2 4 ( 令牌总线网) ，i e e e 8 0 2 5 ( 令 牌环网) ，其中应用较为广泛的是采用i e e e 8 0 2 3 协议的以太网，它具有可靠性高，宜于扩 充等一系列的优点【2 3 1 。 应用层 应用( h t t p ，s m t p ) 传输层 可靠数据流( t c p ) 用户数据报( u d p ) 网络层i p ，i c m p ，i g m 【p 网络接口层网络接口a r p 图2 4t c p i p 协议概念行分层 f i g 2 4 t c p , q pp r o t o c o ll a y e ro l lc o n c e p t 以太网定义了物理层和数据链路层，它使用t c p i p 协议作为高层控制协议，此协议能 适应几乎所有的底层通讯技术。i p ，i n t e r n e tp r o t o c o l ，无连接数据报投递，它主要完成路 由选择的功能，但不保证每个数据报正确到达目的地。t c p 协议t r a n s m i s s i o nc o n t r o l 8 第二章基于i n t e r a c t 的水情远程测控系统的总体结构设计 p r o t o c o l ，在i p 基础上提供可靠的数据流投递服务确保机器数据流的正确投递。t c p i p 协 议有四层，如图2 4 。 随着i n t e m e t 的迅速发展，以太网已经成为事实上的工业标准，t c p i p 的开放简单使用 已经为广大用户所接受。因此网络化的远程测控终端采用以太网技术及t c p i p 协议比较合 适。 2 3 3t c p i p 协议分析 ( 1 ) 链路层协议 实现链路层的协议可以使用通用的网络接口控制芯片。以太网上的数据传输是采用网 络的m a c 地址来识别的，因此需要实现a r p 协议将数据报的i p 地址映射为m a c 地址。a r l a 协议可以分为a r p 请求协议和a r p 应答协议两种，系统要和计算机通讯必须实现a r p 响应 协议。a r p 请求协议在本地建立一个i p 地址到m a c 地址的映射，远程测控终端系统资源有 限，可以实现a r p 请求协议，但是在i p 地址与m a c 地址的映射表中只维持一条记录，该记 录是最近的执行a r p 请求的结果，之所以这样处理是因为，系统应用的领域比较特殊，一 般是固定的网络终端对它进行访问，或者是系统访问固定网络终端，因此系统基本上不需 要维护m 地址至i j m a c 的映射。m c u 每次传送信息之前首先判断目标i p 是否与映射表中唯一 记录的i p 地址一致，如果一致，就不需要再调用a r p 请求协议，否则需要调用a r p 请求协 议解析i p 地址，从总体上看，这样节约了系统存储空间，节省了维护映射所需的开销，同 时也从一定程度上提高了连接的速度。 ( 2 )网络层协议选择 网络层主要负责数据包在网络中的协议封装，网络层协议包含i p ( i n t e r n e t 协议) 协议， i c m p 协议( i n t e m e t 控制报文协议) ，以及i g m p 协议( i n t e m e t 组管理协议) 等。i p 协议 是网络层协议的核心，i c m p 协议主要用来传递差错报文，我们经常用p i n g 命令就是用i c m p 协议测试网络连通情况。系统没有涉及到i g m p 协议。 ( 3 ) 传输层协议选择 传输层协议包括t c p 协议，及u d p 协议。由于水情信息测控系统中，传输的信息有一 定的实时性，而信息数据量不大，在传输层实现t c p 协议就可以满足系统需要了。 ( 4 )应用层协议选择 应用层协议最常用的有t e l n e t ( 远程登陆协议) 、f t p ( 文件传输协议) 、s m t p ( 简 单邮件协议) 、h t t p ( 超文本传输协议) 等。不同的远程测控系统所采用的应用层协议 有不同的要求，可以根据具体需要进行选择。 第二章基于i n t e r n e t 的水情远程测控系统的总体结构设计 2 3 4t c p ，i p 协议在远程测控系统中的应用 远程测控系统基本模型是这样的：系统采集信息，通过以太网接入i n t e m e t ，监控中心 可以实时在网络上浏览信息，并可以向远程测控系统发送简单的控制命令。要实现以上功 能，首先要实现以太网协议i e e e 8 0 2 3 ，实现此协议可以采用网络接口芯片。其次为了保证 系统在以太网中的通讯，还需要实现a r p 应答和a r p 请求协议。在网络层，要实现i p 协议， 和i c m p 协议中的p i n g 应答协议。传输层，实现t c p 协议，在应用层，提供两中信息查询方 式，网页浏览和e m a i l 查询，因此要实现h t t p 协议和s m t p 协议。 系统采用德州仪器的m s p 4 3 0 f 1 4 9 作为m c u ，采用c r y s t a l 公司的c s 8 9 0 0 作为网络接口 芯片。设计精简t c p i p 协议栈，在保证实现通过i n t e r a c t 网络正确传输信息的前提下，尽量 减小目标代码大小，以节省系统有限的存储空间。 1 0 第三章系统的硬件接口设计 第三章系统的硬件接口设计 在第二章中已经确定了系统的总体设计方案，接下来需要按照总体方案实现各个分层 的协议。从分层模型看，首先要解决物理层( 实现i e e e s 0 2 _ 3 协议) 及数据链路层的设计问 题。物理层及数据链路层协议的实现，需要借助网络接口芯片来完成，应用于计算机的网 络接口芯片是一个不错的选择。本章着重介绍如何利用通用网络接口芯片实现r t u 与其他 网络终端在物理层及数据链路层的连接。 3 1系统硬件结构 具有i n t e m e t 网络接口的远程测控终端的硬件结构图如图3 1 所示。 串口，程序 调试，模拟 传感器输 入。 j t a g 下载lil e d 指示灯 微处理器芯片 m c u 3 3 v 电源 1 0 m 以太网接口 芯片i c 以太网芯片隔 离变压器 i u 一 4 5 接 口 数据采集与转换控制模块网络接口模块 图3 1系统硬件结构图 f i g 3 is y s t e m sh a r d w a r es t r u c t u r e 数据采集模块由传感器负责对数据进行采集及转换，网络接口模块负责将m c u 传送过 来的信息送到网络，或者接收从网络传送过来的目的地为本地的信息，m c u 模块控制数据 的发送或者接收；为了方便程序下载调试，设计了j t a g e l ；由于测试环境有限，系统没有 设置传感器采集模块的硬件电路，但是为采集模块留了接口，采集数据暂时用m c u 内部数 据模拟，或者是采用串口传送数据模拟采集模块采集的数据；网络接口模块的以太网接口 芯片用于实现网络接口层的连接：系统通过r j 一4 5 接口接入到以太网，再通过以太网接入 n i n t e m e t ；在网络接口芯片与r j - 4 5 接口之间需要连接网络隔离变压器。网络隔离变压器 在这里所起的作用主要有两个：一是传输数据，把物理层送出来的差分信号用差模耦合的 线圈耦合滤波以增强信号，并且通过电磁场的转换耦合到不同电平的连接网线的另一端； 另一个作用是隔离网线连接不同网络设备问的不同电平，以防止不同电压通过网线传输损 坏网络接口芯片，而且它还能对芯片起到一定的防雷保护作用。 第三章系统的硬件接l j 设计 3 2系统芯片选型。 本系统要设计的是一种具有i n t e m e t 接口的远程测控系统，由于系统应用背景是水情数 据采集，对m c u 数据吞吐量要求不是很高，但要求系统实时性高。考虑硬件代价，芯片特 性及应用环境的需要，我们选用了t i 公司的m s p 4 3 0 f 1 4 9 芯片作为远程测控终端系统的 m c u 。m s p 4 3 0 单片机具有丰富的片内外设，针对不同的应用由各种不同的模块组成。该 系列微控制器可使用电池长时间工作，控制器具备1 6 位的r i s c 结构，c p u 中的1 6 个寄存器 和常数发生器使得m s p 4 3 0 微控制器能达到很高的代码效率，灵活的时钟源可以使得器件 达到最佳的低功率消耗，d c o ( 数字控制的振荡器) 可以使得器件从低功耗模式迅速唤醒， 在少于6 ps 的时间内激活到活跃的工作方式 2 4 1 1 2 5 1 。 m s p 4 3 0 系列单片机的工作电压是1 8 v 一3 6 v ，在1 m h z 的时钟条件下运行时的耗电电流 不n l m a ，具体功耗因工作模式的不同而不同。该单片机具备1 6 个中断源，并且可以任意 中断嵌套，使用方式灵活方便。用中断将c p u 唤醒只要6 i ts ，因此可以实现实时性要求特 别高的应用程序。m s p 4 3 0 单片机具有丰富的寻址方式、简洁的2 7 条内核指令以及大量的 模拟指令，大量的寄存器以及片内数据存储器都可以参加运算，再配合高效的查表处理指 令，使得应用程序具备较高的处理速度，在8 m h z 时钟条件下的指令周期为1 2 5ps 。 m s p 4 3 0 单片机具备良好的工作稳定性。上电复位后，首先由单片机内部集成的d c o 启动c p u ，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振和稳定时间。 应用程序可以设置适当的寄存器来选择最后的系统时钟频率，在外部晶体振荡器作为系统 时钟发生故障的时候d c o 能自动启动以保证系统的正常工作。 因此，论文中选择了美国德州仪器( t i ) 公司的m s p 4