（控制理论与控制工程专业论文）工业以太网中的测控节点的设计.pdf

工业以太网中的测控节点的设计 摘要 随着以太网速度的不断加快及其在实时性、可靠性方面的不断改善，工业 以太网将在测控网络中扮演越来越重要的角色。在工业以太网中，测控节点无 疑是非常重要的单元，它们完成现场实时数据采集和执行控制任务。本论文主 要提出了基于嵌入式系统技术的测控节点的设计方案。 本论文首先介绍了工业以太网和嵌入式系统，接着对t c p i p 协议进行了详 细分析。测控节点的硬件设计主要与单片系统a d t t c 8 3 4 和以太网控制器 r t l s 0 1 9 a s 有关，其中a d u c 8 3 4 是节点的核心，r t l s 0 1 9 a s 实现网络通讯功能， 此外文中还详细说明了具有实时性的i o 通道和网络隔离接口的设计。在测控节 点的软件设计方面，根据8 位微处理器本身资源有限的特点，本文选用了极小型 的t c p i p 协议栈u i p ，通过对其进行移植和裁剪使它实现预定的功能，另外为了 使系统运作更为实时有效，选用了嵌入式实时操作系统t t c o s i i 并将其移植到 a d t t c 8 3 4 上。 本论文所设计的测控节点可以被开发成实际的产品并应用于分布式控制系 统当中。该节点可以被嵌入到各个装置、设备、仪器和仪表中，使得它们能通 过以太网交换信息。 关键词：工业以太网，嵌入式系统，t c p i p ，单片系统，i o 隔离，t t c o s i i ，u l p t h ed e s i g no fam e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ln o d ei n l n d u s t r i a le t h e m e t a b s t r a c t i n d u s 仃i a le t h e m , e tw i l lp l a yam o r ea n dm o r ei m p o r t e n tr o l ei nm e a s u r e m e n t a n dc e n t r e ln e t w o r k e ds y s t e mw i t ht h ed “a t c ds p e e da n di m p r o v e dr c l i a b i l i t 、rt 0 s u p p o r tr e a lt i m eo p e r a t i o n i na l li n d u s t r i a le t h e r n e tt h em e a s u r e m e n t c o n t r o ln o d e s a l e d o u b t l e s s l y t h e v e r yi m p o r t a n t u n i t s p e r f o r m i n g o i l s i t er e a l - t i m e d a t a - a c q u i s i t i o n c o n t r o lt a s k s t h et h e s i sp u t si t sf o c u so nt h em e t h o do f c o n s t r u c t i n g s u c han o d eh a s e do i lt h et e c h n i q u eo f e m b e d d e ds y s t e m f o l l o w i n ga ni n t r o d u c t i o no fi n d u s t r i a le t h e r n e ta n de m b e d d e ds y s t e m ，t h e t h e s i sg i v e sad e t a i l e da n a l y s i so f t c p i pp r o t o c o l s ，t 1 】eh a r d w a r ed e s i g no f t h em ，c n o d ei sm a i n l yc o n c e r n e dw i t ht h eu s a g eo fs o ca d l - l c 8 3 4t h a ti st h ek e r n e lo ft h e n o d e ，a n dt h ee t h e r n e tc o n t r o l l e rr t l 8 0 1 9 a st h a tp e r f o r m sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n d e s i g no ft h ei ，oc h a n n e l sw i t hr e a l t i m ea b i l i t y , 船w e l la st h ei s o l a t e dn e t w o r k i n t e r f a c e ，a r ea l s od e s c r i b e di nd e t a i l i nt h ed e s i g no fs o f t w a r e ，u i ps t a c ki sa d o p t e d a n da d a p t e dt om e e tt h e8 b i tm i c r o - c o n t r o l l e r sl i m i t e dr e s o u r c e i no r d e rt oi m p r o v e t h es y s t e m sr e a l - t i m e p e r f o r m a n c e ，t t c o s - i io p e r a t i n gs y s t e mi su s e d n em e a s u r e m e n t c o n t r o ln o d ed e s i g n e dm i g h tb ed e v e l o p e dt or e a lp r o d u c ta n d b ea p p l i e dt od i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s ，a n da l s ob ee m b e d d e di n t oe q u i p m e n t s ， d e v i c e s ，a p p a r a t u sa n di n s l n n n e n t s ，s ot h a te n a b l et h e mt oe x c h a n g ei n f o r m a t i o nv i a e t h e m c t k e yw o r d s ：i n d u s t r i a le t h e m e t ，e m b e d d e ds y s t e m ，t c p ，珉s y s t e mo nc h i p ，i o i s o l a t i o n , p c o s 一1 1 ，u i p 插图清单 图1 1 工业以太网的体系结构图2 图1 2 以太网数据帧结构一2 图1 3 嵌入式系统组成6 图1 4 工业以太网控制系统总体框图。8 图2 1t c p ，口协议族分层结构1 0 图2 2a r p 报文格式1 l 图2 3m 数据报格式1 2 图2 4 差错报告报文和查询报文1 3 图2 5i c m p 报文的一般格式1 4 图2 6u d p 数据报格式l ； 图2 7u d p 伪首部的格式1 6 图2 8t c p 报文段的格式1 7 图2 9 建立连接：三次握手1 8 图2 1 0 关闭连接；四次握手1 8 图2 1 l 滑动窗口。1 9 图3 1 系统硬件框图2 b 图3 2a d g c 8 3 4 的内部功能框图。2 1 图3 3 外部3 2 k b 数据存储器的接口电路2 1 图3 4 模拟输入主通道的简化电路。i2 2 图3 5 开关量输入电路2 3 图3 6 开关量输出电路2 4 图3 71 1 l 3 0 0 的应用原理2 5 图3 8r t l 8 0 1 9 a s 硬件连接电路图。2 8 图3 9 网络隔离电路3 1 图4 1i t c o s i i 的任务在内存中的结构3 6 图4 2 任务的状态3 8 图4 3t t c o s i i 硬件和软件体系结构3 9 图4 4 发送数据流程图4 4 图4 5 接收数据帧的程序流程图4 8 图4 6u m 协议栈运行流程5 0 图4 7u m 与系统底层、应用程序的关系5 0 图4 8u l p 中的i c m p 处理流程5 3 图4 9u d p 数据包的处理流程5 2 表格清单 表3 1r t l s 0 1 9 a s 的n e 2 0 0 0 寄存器组2 8 表3 2r t l 8 0 1 9 a s 地址线。2 9 表3 3 中断输出线选择表3 0 表4 1a d c m o d e 位的部分功能3 3 表4 2a d c o c o n 位的部分功能3 3 表4 3a d c i c o n 位的部分功能3 3 表4 4d a c c o n 位的部分功能3 6 独创性声明 本人声明所星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 金匿王些盔堂 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傲的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：1 百砷吾 签字日期：刃卯年加彦日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒鼹王些太堂有关保留、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 被查阅和借阅。本人授权盒蟹王些态堂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，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) 学位论文作者签名：f 百j 治 签字日期：】由年6 月分日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：1 拍月7 日 电话： 邮编： 致谢 本文的研究工作是在我的导师张崇巍教授的精心指导和悉心关怀下完成 的，在我的学业和论文的研究工作中无不倾注着导师辛勤的汗水和心血。张老 师严谨的治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我感受深刻、终生受益。 从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、深厚的专业知识，也学到了做人的道 理。在此我要向张老师致以最衷心的感谢和深深的敬意，祝张老师身体健康， 带出更多优秀的学生 在这里还要感谢我的师兄孙磊博士在我课题研究期间给予我的帮助，真诚 的感谢我的同学朋友和那些关心爱护我的人们。 最后，衷心感谢我的家人多年来在生活和精神上给予我的支持和帮助，使 我能够一次又一次的鼓起奋斗的勇气。 作者：何璐 2 0 0 7 年5 月 第一章绪论 1 1 工业以太网 1 1 1 工业以太网定义 所谓工业以太网( i n d u s t r i a le t h e r n e t ) ，就是应用于工业自动化领域的以太网 技术，它是信息技术向工业自动化领域全面渗透的结果，是将以太网技术与现 场总线技术相结合，对其进行改进后，应用到控制系统中而产生的一种控制网 络。 以太网( e t h e r n e t ) 最初源白于美国施乐( x e r o x ) 公司，1 9 7 5 年由美国施乐 公司的p a l o 砧t o 研究中心研制成功 m e t c 7 6 1 ，该网采用无源电缆作为总线来传 送数据帧，故以传播电磁波的以太( e t h e r ) 命名。众所周知，以太网最初是为 办公自动化设计的，因此没有考虑到工业自动化应用的特殊要求，特别是它采 取的c s m a c d 胡t 质访问控制机制，具有通信延时不确定的缺点，不能满足工业 自动化控制中的通信实时性要求，因此在二十世纪九十年代中期以前，很少 争 人将以太网应用于工业自动化领域。 近几年来，随着互联网技术的普及与推广，以太网也得到了飞速发展，特 别是以太网通信速率的提高、以太网交换技术的发展，给解决以太网的非确定 性问题带来了新的契机：首先，以太网的通信速率一再提高，从1 0 m b p s 到 1 0 0 m b p s 、1 0 0 0 m b p s 甚至1 0 g b p s ，在相同通信量的条件下，通信速率的提高意 味着网络负荷的减轻和碰撞的减少，也就意味着提高确定性；其次，以太网交 换机为连接在其端口上的每个网络节点提供了独立的带宽，连接在同一个交换 机上面的不同设备不存在资源争夺，这就相当于每个设备独占一个网段；再次， 全双工通信技术又为每一个设备与交换机端口之间提供了发送与接收的专用通 道，因此使不同以太网设备之间的冲突大大降低( 半双工交换式以太网) 或完 全避免( 全双工交换式以太网) 。因此，以太网成为“确定性”网络，从而为 它应用于工业自动化控制消除了主要障碍。 工业以太网在技术上一般与商用以太网兼容，但在产品设计时，在材料的 选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本 质安全等方面要能满足工业现场的需要。 1 1 2 工业以太网体系 工业以太网协议有多种，如h s e ，p r o f i n e t ，e t h e m e t i p ，m o d b 啪们p 等， 它们在本质上仍基于以太网技术( e o l e e e 8 0 2 3 标准) 。对应于o s i i 霞信参考模 型。工业以太网协议在物理层和数据链路层均采用了i e e e 8 0 2 3 标准，在网络层 和传输层则采用被称为以太网上的“事实上”标准的t c p i p 协议族( 包括口， a r p ，i c m p ，i g m p ，t c p ，u d p 等协议) ，它们构成了工业以太网的低四层。 在高层协议上，工业以太网协议通常都省略了会话层、表示层，而定义了应用 层，有的工业以太网协议还定义了用户层( 如h s e ) 如图1 1 所示。 o s l 七层模型 应用层 衰示层 会话层 传输层 嘲络层 数据链路层 物理层 t ( ：p ，u d p i p i e e e8 3 图1 1 工业以太网的体系结构图 1 1 3 以太网协议简介 以太网协议是个数据链路层协议，它是一种无连接、不可靠的协议，它提 供了一个网络介质之间的统一接口，以使操作系统能够同时发送和接收多个网 络层协议。根据以太网标准的定义，该协议由下面三个基本部分组成哪： 一系列物理层的指导原则，用于确定电缆的类型，布线的设置和用于以 太网网络的信号传输方法。 数据帧格式，用于定义以太网数据包中传输的各个信息位的顺序和功能。 介质访问控制( m a c ) 机制，使用冲突检测的载波侦听多路访问 ( c s m c d ) 技术。 1 1 3 1 以太网的数据帧格式 以太网上发送的数据是按一定格式进行的，这种数据格式称为帧，i e e e 8 0 2 3 规定了以太网的帧结构，如图1 2 所示。 l 前导码l 帧首定界符i 目的地址l 源地址l 长度类型i 数据 填充i 帧校验序列i i ( 7 字节】i l 字节】 i 字节】i 6 字节) i ( 2 字节) 舶1 5 4 n 字节) l ( 不定) i 4 字节) 图1 2 以太网数据帧结构 前导码：这个字段有5 6 比特的交替出现的1 和0 ，其作用就是提醒接收 系统有帧到来，以及使到来的帧与计时器同步。 帧首定界符( s d f ) ：指示一帧的开始。编码为1 0 1 0 1 0 1 l 。 目的地址：指出帧要发往的节点，可以是单播地址、多播地址或广播地 址。 2 源地址：指出发送帧的节点，只能是单播地址。 长度类型：如果该值小于1 5 0 0 ，则表示数据字段长度；如果该值大于 1 5 0 0 ，则表示数据帧的类型，例如当该值为0 x 0 8 0 0 时，表示数据帧为口包：为 0 x 0 8 0 6 时，表示a r p 消息。 数据：这个字段包含从上层来的数据，数据长度必须在4 6 到1 5 0 0 字节 之间，如果数据长度小于4 6 字节，则要用0 补足。 填充：保证帧的长度不小于“字节，因为长度小于“字节的帧为违法 帧，在接收端将被自动丢弃。 帧校验序列：用于整个帧的差错校验，采用c r c 校验方式，发送接口 对要发送的数据进行c r c 计算，将结果放于此序列，接收接口对收到的数据作 相同计算并与帧校验序列比较，相同则接收，否则丢弃，由以太网控制器硬件 完成。 ： 1 1 3 2 带冲突检测的载波侦听多路访问c s 姒c d 以太网使用由i e e e 8 0 2 3 标准所定义的载波侦听多路访问冲突检测 ( c s m a c d ) 来实现介质访问控制，它包含三方面的内容：载波侦听、多路访 问、冲突检测。 载波侦听：由于以太网的所有节点都共享同一网络介质，因此每次只能 有一个节点可以发送数据。在某个节点开始发送数据之前，该节点必须先查看 是否有其它节点正在发送数据，所谓载波侦听就是检查网络传输介质是否已被 占用。 多路访问：以太网的所有节点可以共享同一传输介质且任意一个节点可 在任何时间对通过该介质传输的任何信号进行检测。 冲突检测：不仅要求每个节点在开始发送数据前必须确认没有其它节点 在使用传输介质，而且这些节点还必须能够借助一种机制来检测是否有其它节 点试图在同时发送数据。对上述事件的检测过程就是所谓的冲突检测。 每个节点在发送数据前，首先进行载波侦听，当介质空闲时，发送数据， 同时发送节点的收发器检测冲突，一旦检测到冲突就立即停止发送，并向总线 上发一串阻塞信号，通知总线上其它节点冲突已发生，等待一随机时间，再用 c s m a 的算法发送。 1 1 4 工业以太网与现场总线相比较 1 t 4 1 现场总线简介 现场总线是一种工业数据总线，它是自动化领域中计算机通信系统最底层 的低成本网络。根据国际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 标准定义：现场总线是指安装在 制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点 通信的数据总线”1 。可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、系统安 全符合环境保护要求、造价低廉、维护成本低是现场总线的优点。 现场总线技术是将微处理器嵌入传统的测量控制仪表内，使其在具备独立 的测控能力的同时还具备数字计算和数字通信能力，采用双绞线等通信介质把 多个测控仪表连接成总线式网络系统。在这样的网络系统中采用公开规范的通 信协议，使位于现场的多个微机化仪表之间实现数据传输与信息交换，形成全 分布式自动控制系统，即现场总线控制系统( f c s ) 。 现场总线的出现使传统的自动化系统产生了革命性的变革。它改变了传统 的信息交换方式、信号制式和系统结构，改变了传统的自动化功能概念和结构 形式，也改变了系统的设计和调试方法。 目前世界上较为流行的现场总线产品有：c a n 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、f f 、 h a r t 、m o d b u s 等。 1 1 4 2 工业以太网与现场总线相比的优势 从目前情况看来，市场和技术发展需要统一标准的现场总线，但是由于利 益驱动和性能多样化的要求，现场总线标准的统一有待时日甚至遥遥无期，这 使得现场总线控制系统( f c s ) 发展缓慢。此外，现场总线控制系统的传输速率 也不尽人意，以基金会现场总线( f f ) 正在制定的国际标准为例，其低速总线 h 1 的传输速度为3 1 2 5 k b p s ，高速总线h 2 的传输速度为1 m b p s 或2 5 m b p s ，这 在有些场合下仍无法满足实时控制的要求”“。由于上述原因，使现场总线控 制系统在工业控制中的推广应用受到了一定的限制。为了加速新一代控制系统 的发展，人们开始寻求新的出路工业以太网。 采用工业以太网通信，可以使用统一的标准，并且避免现场总线技术游离 于计算机网络技术的发展主流之外，使现场总线技术和计算机网络技术的主流 技术很好地融合起来。与现场总线相比，工业以太网具有以下优点o “： ( 1 ) 广泛的技术支持 以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，受到广泛的技术支持。几 乎所有的编程语言都支持e t h e r n e t 的应用开发，如j a v a 。v i s u a lc + + 及v i s u a lb a s i c 等。这些编程语言由于广泛使用并受到软件开发商的高度重视，具有很好的发 展前景。因此，可以保证多种开发工具、开发环境供选择。 ( 2 ) 成本低廉，易于组网 由于以太网的应用最为广泛，因此受到硬件开发与生产厂商的高度重视与 广泛支持。有多种硬件产品供用户选择，而且由于应用广泛，硬件价格也相对 低廉。目前以太网网卡的价格只有p r o f i b u s ，f f 等现场总线的十分之一，并且 随着集成电路技术的发展，其价格还会进一步下降。 ( 3 ) 通信速率高 目前以太网的通信速率为1 0 m b p s ，1 0 0 m b p s 的快速以太网已开始广泛应用， 1 0 0 0 m b p s 以太网技术也逐渐成熟，1 0 g b p s 以太网也正在研究，其速率比目前的 4 现场总线快得多，可以满足对带宽的更高要求。 ( 4 ) 软硬件资源丰富 由于以太网已应用多年，人们对以太网的设计、应用等方面有很多的经验， 对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和 培训费用，从而可以显著降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广 速度。 ( 5 ) 易于与i n t e r a c t 连接 以太网可以使测控网和信息网统一起来。现场信号可以在企业的i n t c r n e t 上 及时发布并共享，还可以在i n t e r n e t 的任何位置对现场智能设备进行在线控制、 功能组态和远程监控等，达到真正的开放性和互操作性。 由于工业以太网技术的研究还只是近几年才引起国内外工控专家的关注， 而现场总线经过十几年的发展，在技术上日渐成熟，在市场上也开始了全面推 广，并且形成了一定的市场，所以就目前而言，工业以太网全面代替现场总线 还存在一些问题，需要进一步深入研究基于工业以太网的全新控制系统体系结 构，开发出基于工业以太网的系列产品因此，近一段时间内，工业以太网技 术的发展将与现场总线相结合，具体表现在嘲嗍： ( 1 ) 物理介质采用标准以太网连线，如双绞线、光纤等； ( 2 ) 使用标准以太网连接设备( 如交换机等) ，在工业现场使用工业以太网交 换机； ( 3 ) 采用i e e e8 0 2 3 物理层和数据链路层标准、t c p i p 协议组； ( 4 ) 应用层( 甚至是用户层) 采用现场总线的应用层、用户层协议； ( 5 ) 兼容现有成熟的传统控制系统，如d c s ，p l c 等。 1 1 5 工业以太网存在的几个问题7 就目前的研究情况而言，以太网应用到工业控制系统时需要解决下面几个 问题 ： ( 1 ) 实时性的问题 工业控制对通信的实时性要求很高，因为它常涉及安全，必须在任何时候 都及时响应且不允许有任何不确定性。由于以太网在通信过程中采用c s m a c d 机制，导致数据传输延迟的不确定性，因此，以太网要应用于工业控制必须解 决实时性问题。可以通过限制以太网通信负荷、提高以太网速度、采用交换式 以太网和全双工通信、采用信息优先级和流量平衡等方法来提高以太网的实时 性。 f 2 ) t 业可靠性问题 以太网是以办公自动化为目标设计的，并没有考虑工业现场环境的适应性 需要，如超高或超低的工作温度、大马达或大导体产生的影响信道传输特性的 5 强电磁噪声等。工业以太网如要在车间底层应用，必须解决可靠性的问题。在 目前的技术条件下，对以太网系统采用隔爆防爆的措施比较可行。 ( 3 ) 以太网络安全性问题 将工业现场控制设备通过以太网连接起来时，由于可以和民用以太网进行 对等的连接，并且使用了t c p i p 协议，因此可能会受到包括病毒、黑客的非法 入侵与非法操作等网络安全威胁。一般可采用网络隔离的方法，将控制区域内 部控制网络与外部信息网络系统分开。此外还可通过用户密码、数据加密、防 火墙等多种安全机制加强网络的安全管理。 1 2 嵌入式系统 1 2 1 嵌入式系统定义 嵌入式系统是可嵌入对象体系中的专用计算机系统，它对对象进行自动控 制而使其具有智能化。它以应用为中心，软硬可剪裁，“嵌入性”、“专用性”与 “计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。从嵌入式系统的构成上看，嵌 入式系统是集软硬件于一体的、可独立工作的计算机系统；从外观上看，嵌入 式系统像是一个可编程的电子器件，从功能上看，它是对宿主对象进行控制， 使其具有“智能”的控制器。嵌入式系统的硬件部分包括处理器微处理器、存 储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。这种系统有别于一般的计算机处理 系统，比如它通常不使用像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用e p r o m 、 e e p r o m 或闪存作为存储介质。嵌入式系统的软件包括操作系统和应用软件。 操作系统一般应该具有较强的实时性并可以对多任务进行管理，而应用软件 都是一些专门性很强的应用程序。如图1 3 所示为嵌入式系统的组成结构。 应用软件 t上 嵌入式操作系统 t上 嵌入式硬件平台 2 p ul 外围硬件 图1 3 嵌入式系统组成 目前，嵌入式系统的应用技术已成为通信和消费类产品的共同发展方向。 在现代生活中。几乎所有电器设备上都有嵌入式系统的应用，例如移动电话、 数字电视、汽车、洗衣机、电梯、空调、自动售货机、工业自动化仪表及医疗 仪器等。显然，嵌入式系统的这些应用对于提高人们的生活质量作出了极大的 贡献，同时也深刻的影响了人们的生活方式。 6 1 2 2 嵌入式系统的发展历程 由于嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系中，实现的是对象的智能化控制， 因此，它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向。通用计 算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算，技术发展方向是总线速度的无 线提升、存储容量的无限扩大等；而嵌入式系统的技术要求则是对象的智能化 控制能力，技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制 的可靠性等。 嵌入式系统起源于微型计算机时代，人们把微型计算机装置在机器设备内 来完成对机器设备的控制工作。随着时代的发展，嵌入式系统走上了系统芯片 化道路，力求将c p u 与包括存储器、接口在内的计算机系统集成在一个芯片上， 我们将之成为单片形态的嵌入式系统，从而开创了嵌入式系统独立发展的新时 代。 单片形态的嵌入式系统硬件自2 0 世纪7 0 年代末以来，大体上可分为m c u ( 微控制器) 、s o c ( 单片系统) 两个阶段。微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ， m c u ) 阶段，主要的技术发展方向是：不断的在一个芯片上扩展满足宿主对象 系统所要求的各种外围电路与接口电路，以增强其对宿主对象的智能化控制能 力。单片系统( s y s t c mo nc h i p ，s o c ) 阶段，主要的技术方向是：把通用串行 接口( u s b ) 、数字信号处理器( d s p ) 、t c p i p 通信模块、g p r s 通信模块、蓝 牙模块接口等功能模块与m c u 进行有机的结合，制造出集成度更高的系统级的 芯片目前，随着现代微电子技术、i c 设计、e d a 工具的飞速发展，基于s o c 的单片应用系统正在成为嵌入式系统的主流器件 1 2 3 嵌入式系统的特点 嵌入式系统与通用型计算机系统相比，具有以下特点： 专用性强。嵌入式系统通常是面向某个特定应用的，所以嵌入式系统的硬 件是为特定用户群来设计的，它通常都具有某种专用性的特点。 可剪裁性好。嵌入式系统的硬件和操作系统都必须设计成可剪裁的，以便 用户可根据实际应用需要量体裁衣，去除冗余，从而使系统在满足应用要求的 前提下达到最精简的配置。 实时性与可靠性好。嵌入式系统中的软件一般不是存储于磁盘等载体中， 而都固化在存储器芯片或单片系统的存储器里，再加上精心设计的嵌入式操作 系统，从而可以快速地响应外部事件，同时也大大提高了系统的可靠性。 功耗低。由于嵌入式系统中的软件一般不是存储于磁盘等载体中，而都固 化在存储器芯片或单片系统的存储器中，所以它具有功耗低的特点，从而便于 它应用在m p 3 、掌上p d a 、数码相机等移动设备中。 7 1 2 4 嵌入式操作系统 运行在嵌入式硬件平台上，对整个系统及其所操作的部件、装置等资源进 行统一协调、指挥和控制的系统软件叫做嵌入式操作系统“”。它的主要特点有： 微型化、可裁剪性、实时性、高可靠性和易移植性嵌入式操作系统在嵌入式 系统中的地位如图1 3 所示。因为嵌入式系统主要是对设备和装置进行控制的， 在这些应用场合中，系统能否及时快速地响应外部事件，常常是对系统的第一 要求，所以嵌入式操作系统大多是实时操作系统。对于一个实时操作系统来说， 就是要求它在现有的硬件条件下，在接收输入后要尽可能快地计算出输出结果。 目前，大多数嵌入式操作系统主要提供三项服务来辅助应用程序设计人员， 分别是内存管理、多任务管理和外围资源管理。目前比较常见的嵌入式操作系 统有v x w o r k s 、p s o s 、w i n c e 、t t c l i n u x 和t t c o s i i 等等。 1 3 基于嵌入式技术的工业以太网测控节点体系框架 7 本论文所要设计的测控节点是整个工业以太网控制系统中的一个重要组成 部分，如图1 4 所示。它的主要作用是进行实时数据采集及执行各种控制功能， 它通过以太网与上位机进行通信，使得上位机能够对现场进行远程监控。 基于嵌入式技术的工业以太网中的测控节点体系在实现上的整体思路是： 硬件方面，采用a n a l o gd e v i c e s 公司的8 位单片系统a d ；_ t c 8 3 4 和网络控制器芯 片r t l s 0 1 9 a s 作为节点的核心，完成相应的数据采集、指令执行等相关功能， 同时实现与以太网的数据包的交换及相应的打包、拆包等过程。软件方面，网 络协议采用适用于8 位微处理器的小型t c p i p 协议栈u i p ，同时采用嵌入式实 时操作系统p c o s - i i ，合理地安排程序流程的优先级，保证合理的任务调度。 几函丽 厂函翮n 压赢a 测控节点2 l 测控节点n 兆雏 图1 4 工业以太网控制系统总体框图 工业以太同 1 4 论文的工作内容和目标 本论文的主要目标是设计一个基于嵌入式技术的工业以太网测控节点，并 试图用该节点和工控计算机相结合，组成一个小型的基于工业以太网的测控系 统。 论文工作的主要内容有： ( 1 ) 测控节点的硬件系统的设计 本文设计了以单片系统a d t t c 8 3 4 和以太网控制器r t l s 0 1 9 a s 为核心的测 控节点的硬件系统，侧重点在于现场采集控制模块和嵌入式以太网接口的开发， 主要包括：设计硬件原理图、绘制p c b 电路图、联系厂家制做电路板、元件的 选型与采购、焊接和测试。在对r 1 1 名0 1 9 a s 内部结构详细研究的基础上，开发 了单片系统对以太网控制器的接口驱动。 ( 2 ) 嵌入式t c p i p 协议的研究和实现 t c p i p 协议是以太网中最常用、最有效的传输协议但是一个完整的t c p i p 协议的内容纷繁复杂容量很大，无法直接移植到单片系统中。在本文中选用了 一个小型的t c p i p 协议u i p 协议，通过对其进行移植和裁剪使它实现预定的功能。 ( 3 ) 嵌入式实时操作系统i _ t c o s i i 在5 1 内核的微控制器中的移植 在本文中为了使得系统运作更为实时有效，选用了嵌入式实时操作系统 t t c o s 并将其移植到单片系统a d t t c 8 3 4 上。在深入理解操作系统运转机理的 基础上，充分利用系统提供的各类服务，包括操作系统的任务调度、同步与通 信等机制等，设计相关任务和数据结构，为实现t c p i p 协议提供支持。 9 第二章t c p i p 协议 t c p i p 的全称是传输控制协议互连网协议( t r a n s m i s s i o nc o n t r o l p r o t o c o l i n t e r a c tp r o t o c 0 1 ) ，它是7 0 年代中期美国国防部为其a r p a n e t 广域网 开发的网络体系结构和协议标准，它提供了面向数据报的虚电路服务，即保证 数据的可靠传输，具有差错控制( 检测任何数据丢失、错序或重复的信息) 、流 控制( 发送方，接收方同步处理数据) 、连接控制( 端到端的连接建立，终止和 中断) 等功能。 2 1t c p i p 协议体系结构。瑚 广泛地讲，t c p i p 协议族由五层组成：物理层、数据链路层、网络层、运 输层和应用层图2 1 给出了这些层次结构以及各层包含的一些协议。 图2 1t c p i p 协议族分层结构 应用层。应用层由使用t c p i p 进行通信的程序所提供。在这个最高层 申，用户调用应用程序通过t c p i p 互联网来访问可用的服务。主要包括s m t p ( 简单邮件传输协议) 、f i t ( 文件传输协议) 、t e l n e t ( 远程登录) 、h r r p ( 超 文本传输协议) 等。 运输层。运输层的基本任务是提供应用程序之间的通信服务，也叫端到 端通信。最常用的运输层协议是t c p ( 传输控制协议) 和u d p ( 用户数据报协 议) 。 网络层。网络层用来处理主机之间的通信问题。它接收运输层的请求， 传输某个具有目的地址信息的分组。该层把分组封装到m 数据报中进行传输。 i p ( 网际协议) 是该层中最重要的协议，其它协议有i c m p ( 网际控制报文协议) 、 i g m p ( 网际组管理协议) 、a r p ( 地址解析协议) 和r a r p ( 逆地址解析协议) 。 物理层和数据链路层。在这两个层内，t c p f i p 并没有定义任何特定的协 议，它支持所有标准的和专用的协议。它们负责接收m 数据报并把数据报通过 选定的网络发送出去。本文中该层采用i e e e 8 0 2 3 协议。 1 0 2 2t c p i i p 协议族中几个主要协议的介绍埘。m ” 2 2 1a r p 协议 2 2 1 1a r p 工作原理 a r p ( 地址解析协议) 提供一种把口地址映射到物理地址的机制。当主机 或路由器需要找出另一个主机或路由器在此网络上的物理地址时，它就发送一 个a r p 请求报文，这个报文包括发送站的物理地址和p 地址，以及接收站的m 地址，目标硬件地址填的是广播地址，因此该网络上的每一个主机或路由器都 接收并处理这个a r p 请求报文，但只有符合接收站地址的接收者才发送一个 a r p 应答报文，这个报文中包含了目的主机的口地址及对应的硬件地址，并直 接用单播发送给查询者。 2 2 1 2a r p 高速缓存 发送站往往有一个以上的职数据报要发送到同一个目的地，对发送到同一 个目的地的每一个数据报都使用a r p 请求和应答是低效率的。解决这个问题就 是使用高速缓存表。每台计算机上都有一个a i 冲高速缓存，存放了最近的口地 址到硬件地址之间的映射记录。也就是说，当一台计算机发送一个a r p 请求并 接收到一个憎应答时，就在高速缓存中保存口地址及对应的物理地址，便于 以后查询。当发送报文时，计算机在发送a r p 请求之前总是先搜索a r p 高速缓 存表查看是否有与该口地址匹配的a r p 表项，如果找到则a i 心地址解析完成； 没有找到的话才向网络发出a r p 请求报文。 2 2 1 3a r p 报文格式 图2 - 2 为一个a r p 报文的格式。 硬件类型( 1 位】 协议类型( 1 位) 硬件地址长度协议地址长度 操作代码( i 位) ( 8 位：( 8 位) 发送方硬件地址( 以太网为6 字节) 发送方协议地址( 1 p 地址为4 字节) 目标方硬件地址( 以太同为6 字节) 目标方协议地址( i p 地址为4 字节) 图2 2a r p 报文格式 硬件类型：指明了发送方想知道的硬件接口类型。对于以太网，该类型 值为1 。 协议类型：指明了发送方提供的高层协议地址类型。对于1 1 ，v 4 协议，这 个字段的值时0 x 0 8 0 0 。 硬件地址长度：用来定义以字节为单位的物理地址的长度。对于以太网， 该值为6 。 协议地址长度：用来定义以字节为单位的逻辑地址的长度。对于i p v 4 这个值是4 。 操作代码：用来定义报文的类型，1 为a r p 请求，2 为a r p 应答。 发送方硬件地址：这是一个可变长度的字段，用来指明发送方的物理地 址 发送方协议地址：这是一个可变长度的字段，用来指明发送方的逻辑地 址。 目标方硬件地址：这是一个可变长度的字段， 址，对于以太网的a r p 请求报文，这个字段是全l 。 目标方逻辑地址：这是一个可变长度的字段， 址。 用来指明目标方的物理地 用来指明目标方的逻辑地 2 2 2i p 协议 口协议( 网际协议) 位于网络层，是t c p i p 协议族中最为核心的协议，所 有的t c p ，u d p ，i c m p 及i g m p 数据都以口数据包格式传输。口是一种不可 靠的无连接数据报协议，它只是尽最大努力进行交付，不提供差错检验或跟踪。 在传输过程中数据报有可能丢失、重复、延迟或不按序交付等，但讲协议不检 查这些情况，也不提醒发送方和接收方，传输的可靠性要由更高层的协议( 如 t c p ) 来保证。 口协议的主要作用是将数据包装成为带有目的口地址的数据报以及将过长 的数据报分片并重新装配。 p 数据报是一个变长分组，它由首部和数据两部分组成，如图2 3 所示。 1 6i ，l 版本 首部 服务类型 总长度 长度 标识标志分片偏移量 生存时问协议首部校验和 源坤地址 目的l p 地址 选项 数据 图2 3l p 数据报格式 版本：定义口协议的版本，目前的版本是4 。 首部长度：定义数据报以4 字节为单位的首部长度，最常见的首部不含 选项和填充，长度为2 0 字节，因而这时首部长度字段为5 。 服务类型：定义了路由器应如何处理此数据报。 总长度：定义数据报以字节为单位的总长度( 首部加数据) 。因为这个 1 2 字段是1 6 位长，因此i p 数据报的长度限制是6 5 5 3 5 字节。 标识：唯一地标识主机发送的每一份数据报。 标志和分片偏移量：用于对i p 数据报进行分片和重组。 生存时间( r r r l ) ：用于控制一个数据报所通过路由器的最大跳数，每一 个路由器在处理数据报时就将此字段减1 ，若在减1 之后此字段的值为0 ，就丢 弃该数据报。 协议：定义使用此口服务的高层协议。1 表明是i c m p 协议，6 表明是 t c p 协议，1 7 表明是u d p 协议。 首部校验和：用于保证首部数据的完整性。肼校验和计算是把首部看成 一个1 6 比特整数序列( 按网络字节顺序) ，对每个整数分别计算其二进制反码， 然后相加，再对结果计算一次二进制反码而求得。为了计算校验和，假定首部 校验和字段为0 。： 选项：长度不定，为可选信息，以3 2 位作为界限，在必要的时候插入 值为0 的填充字节。包含的选项主要用于网络测试或调试，比如记录路由选项、 时间戳选项。 2 2 3 i c m p 协议 2 2 3 1l c l i p 报文类型 i c i v i p ( 网际控制消息协议) 的主要任务是差错报告和查询，用来支持不可 靠的和无连接的口协议。i c m p 报文的类型有很多，不同类型的报文由报文首 部中8 位的类型字段和8 位的代码字段来共同决定，主要分为两大类：差错报 告报文和查询报文。差错报告报文报告路由器或主机在处理一个p 数据报时可 能遇到的一些问题。但是i c m p 不能纠正差错，只报告差错，差错纠正留给高层 协议去做，差错报文总是发送给原始的数据源。查询报文是成对出现的，它帮 助主机或