（测试计量技术及仪器专业论文）基于网络化虚拟仪器对变频器测试系统的研究与开发.pdf

硕士学位论文 摘要 随着大规模集成电路技术、计算机技术、信息分析处理技术、软件技术的迅 速发展，现代测试工程对测试系统的信息获取能力、信息融合能力和信息处理能 力提出了越来越高的要求2 0 世纪末，虚拟仪器技术应运而生，它是测试技术 和仪器技术密切结合共同孕育的一项科技成果，是一种基于计算机的自动测试技 术，即采用计算机开放体系结构取代单机测量，它极大的提高了测试系统的处理 能力和灵活性。本文拟采用由美国国家仪器公司研究的l a b v i e w 软件，它是目前 国际上唯一的编译型图形化软件，其编程环境有一系列的优点；如流程式的编程、 丰富的函数、数值分析、信号处理和设备驱动等功能，得到极为广泛的应用。 以太网是最常用的网络，而t c p i p 是最常用的通信协议，把t c p i p 协议作 为一种嵌入式的应用，嵌入现场智能仪器的r o m 中，使信号的收、发都以t c p i p 方式进行，使数据采集、信息发布、系统集成等方面都以企业内部网络为依托， 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，网络 实实在在地介入到现代测量与控制的全过程。 变频器传动已成为实现工业自动化的主要手段之一，在各种生产机械有着非 常广泛的应用。它的优点在于可以提高自动化水平，提高机械性能，提高生产效 率，提高产品质量和节约能源等。通用变频器作为一种稳定性强的，精度高的调 速系统更是广泛地用于各类调速传动装置中交流变频调速系统具有节能、调速 范围宽、精度高、效率高、功率因数高、可靠性好、操作方便以及便于和其它设 备接口等优点，所以变频器取代直流调速器将成为必然趋势。 本文拟采用将t c p i p 协议和以太网技术的结合组成一个操作简单，成本低 廉的变频器质量检测和运行监控的系统，集合当前各类零散的技术于一体，利用 l a b v i e w 编制软件，设计虚拟仪器，再通过设计一定的电路来实现硬件的技术 功能要求，以保证信息的顺利采集，充分利用设备的各项功能，最大限度地发挥 虚拟仪器强大的功能。此系统既可以检测变频器的性能，以确保其质量，又可以 对设备的运行状态进行监控，以提高系统的稳定性，安全性；既可以提高操作人 员的素质，又可以提高工厂的自动化水平，具有很高的实际应用价值。 关键宇：l a b v i e w ；t c p i p 协议；以太网；变频器；现场总线 基于网络化虚拟仪器对变频器测试系统的研究与开发 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e g r a t e dd e v i c ee l e c t r o n i c s ，t h et e c h n o l o g yo f c o m p u t e li n f o r m a t i o na n a l y s i sa n dd i s p o s e ，t h et e c h n o l o g yo fs o f t w a r e ，m o d e r n i s t i c m e a s u r e m e n te n g i n e e r i n gp u t sf o r w a r dh i g h e ra n dh i g h e rr e q u e s tt ot h ea c q u i r e m e n t ， a m a l g a m a t i o na n dd i s p o s i t i o no fi n f o r m a t i o n t h et e c h n o l o g yo fv i r t u a li n s t r u m e n t i sc o m i n g ，w h i c hi st h ec o m b oo ft h et e c h n o l o g yo fm e a s u r e m e n ta n di n s t r u m e n t i t i sb a s e d0 nc o m p u t e ra u t o m a t i o n t h eh a n d l i n ga b i l i t ya n da g i l i t yo ft h es y s t e mo f m e a s u r e m e n ta r ei m p r o v e dg r e a t l yb e c a u s eo ft h eo p e n i n gs y s t e mo fc o m p u t e r r e p l a c i n gs i n g l em a c h i n et e s t t h el a b v i e ws o f t w a r ei n v e n t e db yn a t i o n a li n s t r u m e n t o fu si sa d o p t e d i ti st h ee x c l u s i v eg r a p h i cs o f t w a r ea n dh a sal o to fe x c e l l e n c e s ， t h ep r o g r a mo ff l o w , a m p l ef u n c t i o n s ，t h en u m e r i c a la n a l y s i s ，d i s p o s i t i o no f i n f o r m a t i o n ，d r i v eo fe q u i p m e n tw h i c ha r ep r a i s e db ym o s tc a ) n s u m e r $ e t h e r n e ti so f t e nu s e da n dt c p i pi sap r o t o c o lw h i c hi su s e dw i d e l y , t c p i i pi s e m b e d d e di nr o m b e l o n g e dt of i e l di n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ti no r d e rt ot r a n s m i ta n d r e c e i v es i g n a lw i t ht c p i p t h e nd a t aa c q u i s i t i o n ，i n f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o na n d s y s t e mi n t e g r a t i o na r ea s s e m b l a g e di ni n t r a n e t ，e t h e r n e ti n t r a n e ta n di n t e r n e ta r e c o n n e c t e dt om a k ei n t e r n e tt oi m p e n e t r a t et h ec o u r s eo fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1 t h ea c t u a t i o no ft h et r a n s d u c e ri so n eo ft h ei m p o r t a n tm e a n st oa c h i e v ei n d u s t r i a l a u t o m a t i o n t h i sh a saw i d e l ya p p l i c a t i o na n dc a ne n h a n c ea u t o m a t i o nl e v e l ， m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y ，a n dp r o d u c tq u a l i t ya n ds a v ee n e r g y g e n e r a lt r a n s d u c e ri sw i d e l yu s e do ne v e r yk i n do ft r a n s m i s s i o nd e v i c e sa sas t e a d y a n dh i g h l yp r e c i s i o ns p e e dc o n t r o ls y s t e m t h es p e e dc o n t r o ls y s t e mo fa c f r e q u e n c yc o n v e r s i o nh a sv i r t u eo fe n e r g yc o n s e r v a t i o n ，w i d er e g u l a t i n gr a n g e ，h i g h a c c u r a c y p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , h i g hp o w e rf a c t o r , h i g hr e l i a b i l i t y , e a s yo p e r a t i o n a n de a s yi n t e r f a c ew i t ho t h e re q u i p m e n ta n ds oo n t r a n s d u c e rr e p l a c i n gd cd r i v e r s y s t e mi sa ni n e v i t a b l ed i r e c t i o n a c h e a pm o n i t o r e ds y s t e mi sg o i n gt ob ed o n eb yl a b v i e ww h i c hi sm a d eb yn i c o m p a n y i ti sm a d eo ft h et e c h n o l o g yo f e t h e r n e ta n dt c p i pa n ds o m eo c c a s i o n a l t e c h n o l o g yi su s e d ，t h e nac e r t a i nc i r c u i ti sd e s i g n e dt oa c q u i s i t i o nd a t es m o o t h l y s o m et h e o r yi sb e c o m ei n t op r a c t i c et h r o u g ht h es y s t e m ，t h ef u n c t i o no ft h e e q u i p m e n ti sf u l l yu s e d ，a n dt h ef u n c t i o no ft h ev i r t u a li n s t r u m e n ti sp l a y e di n m a x i m u m t h e r ea r es o m er o l e so f t h es y s t e m f i r s t ，i tc a nd e t e c tp e r f o r m a n c eo f t h e 硕士学位论文 t r a n s d u c e rt oe n s u r ei t sq u a l i t y ：s e c o n d ，i tc a nm o n i t o rt h eo p e r a t i o no ft h e t r a n s d u c e rt oe n s u r ei t ss t a b i l i t y ：t h i r d ，i tc a ni m p r o v et h eq u a l i t yo f t h ew o r k e r ；l a s t i tg a nr a i s et h el e v e lo fa u t o m a t i o no ff a c t o r i e s s oi ti sam e a n i n g f u lt h i n gt oe x p a n d t h eu s e ds c o p eo ft r a n s d u c e ra n di m p r o v et h el e v e lo fa u t o m a t i o n a b s t r a c t ：l a b v i e w ；t c p i p ；e t h e r n e t ；t r a n s d u c e r ；f i e l db u s ； m 基于两络化虚拟仅器对变频器测试系统的研究与开发 插图索引 图1 1 方案控制流程图4 图2 1以太网现场总线系统结构图9 图2 2 主程序设计流程图l o 图3 1 进程工作示意图“1 5 图3 2 线程工作示意图“1 6 图3 3 现场总线控制系统及结构图1 9 图4 1 通用变频器的控制电路2 3 图4 2 基于虚拟仪器的测试电路图2 4 图4 3 交频器的电流电压的手动测量电路2 5 图5 1 虚拟仪器监测程序结构图2 9 图5 2 信号调理电路图”2 9 图5 3 交流电压变换图“3 0 图5 4 直流电压变换电路图3 l 图5 5 二阶低通滤波器结构图3 l 图5 6电源电路设计图3 3 图5 7 数据采集卡硬件结构框图“3 5 图5 8a d 7 8 7 4 与p c 机接口示意图一3 5 图5 9 前置低通滤波器电路结构图3 6 图5 1 0 锁相环同步采样原理图“3 7 图5 1 l 锁相环同步数据采集电路图3 8 图5 1 2 转换时钟发生电路原理图3 9 图5 1 3 中断控制电路接口图4 0 图5 1 4 用户应用程序流程图4 0 图5 1 5 监测系统软件结构图4 l 图5 1 6 驱动程序i o 口的读写4 l 图5 1 7c 语言的调用程序框图4 2 图5 1 8s t a r t & s t o pt r i g g e r 设置图”4 2 图5 1 8s t a r t & s t o pt r i g g e r 设置图4 3 图5 1 9 数据采集卡触发程序后面板4 3 图5 2 0 数据采集卡触发程序前面板4 3 图5 2 1a q u i r e d a t e 函数图4 4 i v 硕士学位论文 图5 2 2r e a dd a t e 函数流程图4 5 图5 2 3 虚拟仪器用户应用程序前面板4 6 图5 2 4 数据采集主程序流程图4 7 图5 2 5 数据分析结构流程图”4 8 图5 2 6 读取电子表格文件程序框图”4 9 图5 2 7d a t e s o c k e ts e r v e rm a n a g e r 配置圈一5 0 图5 2 8d a t e s o c k e ts e r v e r 连接示意图”5 1 图5 2 9d a t e s o c k e t 通信过程5 l 图5 3 0d a t e s o c k e t 服务器前面板5 1 图5 3 ld a t e s o c k e t 服务器程序面板”5 l 图5 3 2d a t e s o c k e t 客户机前面板5 l 图5 3 3d a t e s o c k e t 客户机程序框图5 l 图5 3 4 实现报警功能的框图程序”5 2 图5 3 5 稳态转速2 5 0 r m i n 时i a 的波形”5 4 图5 3 6 稳态转速2 5 0 r m i n 时的幅频特性“5 4 图5 3 7 稳态转速增大时i a 的波形5 4 图5 3 8 稳态转速为5 0 0 r m i n 时的幅频特性5 4 图5 3 9 数字存储器存储的稳态转速8 0 0 r m i n 时的i a 波形5 4 v 基于网络化虚拟仪器对变频器测试系统的研究与开发 附表索引 表3 1 传统仪器与虚拟仪器比较表格“1 3 表3 2w i n d o w s 操作系统优先级与相对优先级组合表1 6 表5 1 阐述协议形式举例5 2 v i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：诅碴庐日期：如9 年石月7 学位论文版权使用授权书 日 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本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 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 溯s 印吲 日期：脚 日期：妒7 年 i 月7 日 月7 日 硕士学位论文 _ ii _ - _ _ j - - - _ _ - _ - _ _ _ | = j - - - - t 目_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 第1 章绪论 1 1 各种总线和网络技术的发展 随着大规模集成电路技术，计算机技术，网络技术，信息技术及软件技术的 飞速发展，现代测试工程对测试系统的信息获取能力，信息融合能力和信息处理 能力提出了越来越高的要求，虚拟仪器的出现，更是被看作是测控领域的一次深 刻的变革，虚拟仪器始于上个世纪8 0 年代，美国国家仪器公司提出了虚拟仪器 的概念，从而引发了传统仪器领域的一场重大的变革，使计算机技术和网络技术 得以长驱直入仪器领域，开似了。软件就是仪器”的先河，虚拟仪器是测试技术 和仪器技术密切结合共同孕育的一项美妙的科技成果，它是一种基于计算机的自 动测试技术，即采用计算机的开放体系结构取代单机测量仪器，极大地提高了 测试系统的处理能力和灵活性，降低了成本费用 虚拟仪器主要是由硬件平台和应用软件组成，硬件包括两部分：一是计算机， 一般为p c 机或者是工作站，是硬件的核心；二是i o 接口设备，主要是完成信 号的采集，放大，模数转换等，虚拟仪器的总线主要有【l 】： 1 串行和并行口：此总线目前已经趋于淘汰； 2 p c 总线一插卡：受到p c 机箱和总线的限制，且电源功率不足，机箱内部 的噪声电平较高，插槽数目少和尺寸小等缺点，故普及不多； 3 g p i b 总线( i e e e - - 4 8 8 标准) ：典型的g p i b 系统有统一的一台p c 机，一 块g p i b 接口卡和若干台g p i b 形式的仪器，可以通过g p i b 电缆连接，在标准的 情况下，一块g p i b 接口可以连接1 4 台仪器，电缆可以长达4 0 m ，但是n i 公司 的g p i b 卡价格昂贵，不宜采用； 4 v x i 总线和p x i 总线：都是非常不错的总线，但是造价较高不适合我国一 般中小型企业； 5 现场总线有e c 6 1 1 5 8 ，c o n t r o l n e t ，p n e t ，f f h s e ，s w i f l n e t 等8 种现场总线 标准是i e c 现场总线国际标准子集。这些标准并没有一种标准可以覆盖所有的领 域，而且不同的现场总线标准中，异种现场总线之间不能直接的进行相互操作， 只能按照总线制定方所规定的方式，通过网关和o p c ( o l ef o r p r o c e s sc o n t r 0 1 ) 协议进行操作。所以使用多种现场总线标准的网络是在主机层面上互联的网络， 而并非是测试仪器上开放的网络，受各种有关技术保护，知识产权因素、应用领 域、商业竞争因素的限制，现场总线的硬件通信单元成本非常的高。这些情况给 使用现场总线为通讯方式的测控系统用户带来了选择上的混乱和困难【2 】 近年来随着网络技术的不断发展，使得网络技术得以长驱直入仪器领域，和 基于网络化虚拟仪器对变频器测试系统的研究与开发 仪器技术结合起来，能够通过网络借助o l e 、d d e 技术与企业内部网i n t r a n e t 连接，与外界进行数据通信，将实时测量的数据输送到i n t r a n e t 已经成了必然 趋势，而且作为新的仪器总线，以太网技术和t c p i p 技术已经在虚拟仪器组成中 崭露头角 一些发达国家的基于以太网+ t c p i p 的解决方案已经投入实际应用而且越 来越受到重视，它的主要的特点是：一是实现把t c p i p 协议嵌入现场智能仪器 ( 主要是传感器) 的r o m 中，使信号的收发都以t c p i p 方式进行【2 j 二是测控 系统在数据采集，信息发布，系统集成方面都以企业的内部网络( i n t r a n e t ) 为 依托，以以太网作为现场总线。三是在互联网上实现网络化的虚拟仪器，自由灵 活的组成数据采集系统和数据分析管理系统。四是将测控网和企业网i n t e r n e t 互联，实现测控网和信息网的统一，建立监控和管理的统一系统。加上它的低投 入、高性能的通讯方式，实现了完全自由的仪器联网的拓扑，彻底的实现了单一 的、开放性的总线标准和互操作性，增加了监测系统的稳定性，增强了数据处理 能力，实现了管理、检测的一体化，即网络实实在在地介入了现代测量与测控的 全过程1 3 l ，根据以t c p i p 协议和以太网在通讯方式的种种优点，所以在本系统 中拟采用此总线 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。相对以前的测控系统，现在的系统能节约大量现场布线、扩大系统所及地域 范围，使系统扩充和维护都非常方便。 内嵌t c p i p 协议的现场智能仪器通过以太网互联构成的以太网现场总线， 对硬件的开发能力要求较低，可以大量采用现有的成熟的硬件产品，而不需要开 发复杂的专用电路，主要工作集中在软件设计和开发上，由于采用技术成熟、应用 广泛、成本相对低廉，是我国生产企业所能够承担的p j 。 1 2 变频器的发展状况 变频器作为一种稳定性强，精度高的调速系统已经广泛应用于各类调速传动 装置，变频器调速系统取代直流调速装置已经成为必然趋势，交流变频调速系统 具有节能、调速范围宽、精度高、效率高，和功率因数高、可靠性好、操作方便、 及便于同其他设备接口等优点，被公认为是最理想、最有发展前途的一种调速方 式4 1 ，在国内有着巨大的市场潜力。 1 3 系统方案的提出及其意义 变频调速系统是一种非线性设备，其输出电压信号是经过调制的矩形波，电 流则呈现出强烈的非正弦性，谐波分量极大。而现有测试仪器采样速度较低只能 2 硕士学位论文 用于工频稳态参数测量，无法完成非正弦信号的测量；在电机的启动、切除或负 载发生变化、短路等涉及电流大而且变化较快的场合，会出现瞬变过程。对瞬变 过程中电流的分析所需用的测试数据一般达上百万个，而普通数字存贮式示波器 响应速度虽然快，但存储容量不大，一般仅为l o k 级，由于受存储容量和存储路 数所限，满足不了此要求随着电力电子技术的飞速发展，非线性设备和电子装 置越来越多，如电梯、电力牵引机车、大型整流设备等，都存在非正弦电参量的 准确测试、记录和分析问题，基于非正弦电参量的测试及测量装置需要包含如下 功能要求川： 1 直接测量三相电压、电流、有功功率及三相总功率或三相电能； 2 直接测量无功功率、视在功率、功率因数、频率等； 3 实时显示电压，电流、功率的瞬时值； 4 可选择同时显示三相电压、电流中任意两个瞬时波形，或显示任意一相的 瞬时功率波形； 5 选择三相测量或单相测量，所测电压、电流可实现历史存储和动态回放功 能，存储容量可达g b 数量级； 6 图形和数字量测试结果可输出至打印机或绘图仪等外部设备； 7 具备r s 一2 3 2 、r s 一4 8 5 、m o d e m 等多种计算机联网和通讯接口功能； 8 有自动校验功能； 但是现有测试仪器一般不具备上述的各项功能，如果采用计算机技术同仪器 技术相结合的虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t 缩写为v i ) 技术，就可以实现上述功 能，它由用户定制功能，依靠软件的强大数据处理能力，可以解决现有测试仪器 采样速度低、存储容量小、显示功能单调、非正弦电参量的测量误差大、数据分 析处理能力欠缺等问题，所以虚拟仪器技术完全满足上述的功能要求【，l 。对于变 频器，目前国内外的研究只是局限于对变频器部分故障的研究或者对个别型号的 变频器的测试方面的研究，利用网络化的虚拟仪器对变频器的测试系统的研究与 开发还没有比较明确的研究成果。根据几年的变频器的研究与维护方面的经验加 上目前比较流行的网络化虚拟仪器技术的迅速发展，拟对此系统进行相关的研究 与开发。如果此课题可以投入使用的话，那么就实现了监测系统的自动化，大大 提高系统的稳定性，减少故障的发生概率，还可以减少人力，彻底的实现生产管 理统一的自动化，同时对于变频器将来的市场普及也会产生深远而又巨大的影 响，根据测试要求和设计思路，系统的方案流程图如图1 1 所示： 3 基于网络化虚拟仪器对变频器测试系统的研究与开发 - _ _ _ _ _ l _ l l _ _ _ l _ i _ _ l - _ i - _ _ - _ l i _ _ _ ，_ i i _ _ - j i _ i l _ _ l _ - l _ _ _ - - l _ - _ _ i i i - 圈1 1 方案控制流程图 4 第2 章t o p i p 协议与以太网现场总线 2 1 以太网概述 2 1 1 以太网现场总线的基本概念 以太网现场总线，就是利用当今世界上最为流行的开放式局域网e t h e r n e t 作为连结工业1 o 控制模块的通信网络，作为真正的开放式现场总线系统，l ，o 控制分为传统的控制方法和现代控制方法 传统的远程i o 方法 一般来说，远程的i o 系统和主计算机的通信是通过r s _ 3 2 或 r s 4 2 2 ，4 8 5 以及c a n ，。d e v i c e n e t 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、f f 、h a r t 等现场总线，这些现场总线与e t h e r n e t 网相比有以下有缺点： 1 r s - 2 3 2 ：最简单最省钱的总线，但传输距离比较短，传输距离只有1 5 米， 而且是点对点的形式，通信速率较低。 2 r s - 4 2 2 4 8 5 ：使用差分通信，通信距离可以达劭4 0 0 米，缺点是缺少明确 的通信协议标准，要使一个多站系统工作，每个设备必须具有一个独特的位置， 以便把它同线上的其它设备区别开来，由于所有的通信都是在一条线上进行，必 须有某种方法分辨出数据流的信息地址，数据信息，主计算机必须协调每个设备 的工作状态，编程复杂阱。 3 c a n 总线，控制器局域网现场总线；l o n w o r k e s 总线，局部操作网络 总线：p r o f i b u s 总线，过程现场总线；f f 基金会现场总线；h a r t 总线。可 寻址远程传感器数据通路，但是因为这些总线的通信协议不开放造成的局限性， 导致其在使用上还有很大的局限性，而且价格比以太网昂贵很多【们 2 1 2 以太网作为现场总线的优点 应用于测控领域的现场总线关键特点在于它的数字式互联性，互操作性，开 放性和网络性能，网络性能包括实时性，可靠性等。开放性是所有因素中最重要 的一个，开放性不仅指技术公开，而且还要有广泛应用的特点，应用广泛是开放 性最重要的和量指标。从这个标准来看，以太网是高性能的现场总线的最好的选 择，因为它是目前世界上应用最广泛的计算机通信技术，采用以太网作为现场总 线有以下几大优点 7 1 ： 1 标准开放f 它是一个世界性的开放标准，t c p i p 协议是整个w i n d o w s 操 作系统韵一部分，而且几乎可以通用于u n i x 环境，采用t c p i p 协议，互操作 性好，这是传统的现场总线无法比拟的； 基于网络化虚拟仪器对变频器测试系统的研究与开发 2 通信速率高；具有1 0 m b p s 或更高的版本，可为远程i o 系统提供宽带。 比1 9 。2 k 波特通信率的r s - 4 2 2 4 8 5 网络快了接近三个数量级； 3 成本低：网络通信接口板的价格便宜，只要几十元就可以了； 4 有丰富的辅助设备：低价的集线器h u b 、桥接器b r i d g e 、路由器r o u t e r 、 交换器s w i t c h 等应有尽有； 5 通信介质多种类：同轴电缆、双绞线、光纤、无线技术都十分的成熟； 6 资源共享能力强：利用e t h e m e t 现场总线，很容易将i o 数据连结到信息 系统中，以实时方式共享工资信息系统上的资源，应用软件和数据库数据： 7 传输快：e t h e r n e t 是一个同层对同层的网络，在网络上任钶设备都可以 在任何时间发送数据，现场发生某一事件，远程i o 设备可以立即通知系统主机l e t h e r n e t 作为现场总线也有局限性：由通信介质的随机性，发送一个数据 包的时间量得不到保证，受网上的接点数和通信量所制约，通信量大将延长发送 时间，但所延迟的时间是毫秒级，对于工控系统来说几乎不影响实时性； 国际上很多的公司也采用了e t h e r n e t 作为现场总线，并在多处工业现场应 用，如在意大利其应用范围已经从流水线监控延伸到了制酒行业。 最重要的是，采用e t h e r n e t 作为现场总线可以避免现场总线技术游离子计算 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的主流技术很好的结 合起来，形成现场总线技术和一般的网络技术互相促进的局面，也意味着可以实 现自动控制领域的彻底开放，从而打破任何垄断的企图，并且使自动化领域有更 多的其它行业参与，使其成为一个竞争更加激烈的领域，保证自动化技术能够得 到更加迅速的发展，并而最受益的还是广大的消费者【s 1 因为以太网和t c p i p 均是一种标准，所以在很多的情况下用以太网和 t c p i p 来搭建的网络能够简化结构，因为在现代化的智能小区里肯定有8 芯的 拴绞线，可以利用现成的以太网，如果用其它网络传输的话，则需要另外的布线， 不但布线复杂，还涉及到消防安全，从成本上来看，用以太网实现要比c a n ， r s 4 8 5 ，l o n w o r k s 等更加的便宜，而且将来电话、电视、计算机三网合一的 趋势是有的，即电话信号、电视信号、互联网都在以太网上传输，所以将来必定 是高速以太网的天下，我们采用以太网技术在现场总线中也顺应了网络技术的发 展平台【9 1 。 过去由于各方面的技术原因，微处理器的芯片和l ；i 太网的芯片都比较责。而 且体积也比较大，很难应用到现场总线技术中去，但是现在随着各方面技术的不 断发展，p c 机的应用量越来越多，现在微处理芯片和以太网芯片的价格越来越 低，性能越来越好，体积越来越小，采用高档的微处理器作i o 控制器的条件已 经具备，从而开辟了用e t h c r n e t 作现场总线的技术的发展的道路。 6 顼士学位论文 _ ii _ - 2 2 嵌入式t c p i p 协议 2 2 1t c p i p 协议概念 t c p h p 协议( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r n e tp r o t o c o l 传输控制协议 网际协议) 是当今最流行的协议，应用广泛且适用于任何网络。 t c p i p 将网络分为四层唧；应用层t 将数据传递给传输层；传输层：主要 的功能是提供应用程序之间的通信，只提供数据包传送服务，允许主机将数据包 发送到网络上；网络层t 定义通过瞬络传输的基本单元，并提供对共用寻址体系 和路由的支持；网络接口层：定义了确定主机如何访问局域网的规则，具体定义 了主机如何连接到网络，而物理网络的实际操作由其拓扑结构特属的第1 层协议 和第2 层协议决定。 t c p ：使用可靠的面向连接的传输层服务，实现两个用户的进程之间的端端服 务，提供的功能有监听输入对话建立；请求另一网络站点对话；可靠的发送和接 收数据：适度的关闭对话。 i p 互联阿上分组交换通信协议，负责在源主机和目的主机之间传输数据报 文，提供非连接性传递服务，在i n t e r a c t 中，每一台计算机都有唯一的i p 地址， i p 地址有4 个十进制数字段的形式表示，每个字段有三个字段，字段之间用句 点符号隔开l 字段1 字段2 字段3 字段4 【1 0 1 传递网关，如应用层网关，路由器或者防火墙，可以替代网络主机的部分功 能。主机可能只需要有限的i m e m c t 服务或者传递网关能够将专用的地址转换为 可以在i n t e m e t 上路由的地址【1 1 】。 2 2 2 嵌入式t c p i p 协议的实现与常规实现的不同 t c p i p 最先是在u n i x 系统里实现的，后来的l i n u x 。d o s ，w i n d o w s 也 实现了t c p i p ，随后t c p i p 协议被移植到其它嵌入式的处理器上，由于智能仪 器的资源有限，所以在仪器中嵌入的t c p i p 协议栈和日常用的计算机中的 t c p i p 协议栈有很大的不同。嵌入式t c p i p 不追求协议的完备性，一般以“够 用即可”为原则，需要根据实际需求来对协议栈进行裁剪，所以不能够直接移植 u n i x 上实现的t c p i p 协议源代码1 2 1 嵌入式t c p i p 与常规t c p i p 的实现有很大的不同。在电脑里编写t c p i p 程序，可以不考虑代码大小、代码速度，但在嵌入式系统上这些都是要考虑的问 题。综合来说，嵌入式系统t c p i p 实现与一般t c p i p 实现有如下区别l ”1 ： 1 操作系统：不论是w i n d o w s 、u n i x 、l i n u x ，它们都有一个多任务操 作系统，这使得代码编写简单化，而在本课题设计的嵌入式系统上，因为成本的 原因，没有采用实时嵌入式操作系统，这使得代码结构变为无限循环+ 硬件查询+ 顺序执行的方式。 7 基于网络化虚拟仪器对变频器测试系统的研究与开发 2 内存分配：w i n d o w s 的内存分配是动态的，根据需要随时分配、随时 撤消在l i n u x 。u n i x 操作系统中，它们都是m b u f 的存储结构m b u f 是一个 存储链，这个链可以动态地增加和减小比如在数据包很少的情况下，u n i x 分 配一个2 k 字节的缓冲区可能就够用了，但如果数据包很多，就有可能要分配6 4 k 甚至更多的缓冲区，可分配的内存要根据c p u 的可用内存来调整但是在嵌入 式系统中却不能够这样做。一个最大的以太网数据包有1 5 0 0 多个字节，分配一 包的缓冲区就要1 5 k 字节，而单板机上只外接了5 1 2 k 字节的s r a m 。而这5 1 2 k 字节的r a m 要被各个协议所用，而不仅仅是存放收到的数据包。一般的做法是 分配一个2 5 6 6 = 1 5 3 6 个字节的r a m 来存放收到的以太网数据包，收到一包就处 理一包。而u n i x 却可以收到很多包后才处理 ”】。在本嵌入式系统中，存放收 到的以太网数据包的r a m 是固定的，而不是动态分配的。u n i x 中的m b u f 结构 以及所有的内存管理、内存分配机制在本设计中并不适用，因此相关的代码对本 系统也是无用的 3 协议支持：t c p i p 包含从应用层、传输层、网络层到物理层的一系列协议， 且每层可采用的协议又有好几种。在u n i x 里可支持比较完整的t c p i p 协议， 但在嵌入式系统里却无法做到。这是因为嵌入式系统应用针对性非常强，只需要 实现与需求相关的部分协议，而不使用的协议则一概不支持。例如文件共享s m b 协议，u n i x ，w i n d o w s 操作系统都支持，但在嵌入式系统中却没有必要。本课 题的嵌入式系统主要是为了完成远程数据采集和数据传输，而不是网页浏览、文 件传输这些功能，所以只需实现最精简的t c p i p 协议栈( 包括a r p ，i p ，i c 肝，u d p 这四个协议) 即可，而更高层的协议，如h t t p 、s m t p 、f t p 等一般是不需要支 持的。嵌入式应用的t c p i p 协议是针对某一协议而言，例如a r p 协议，u n i x 系 统支持以太网、令牌环等网络的a r p ，但嵌入式只需支持以太网的a r p 就行了 也就是说，对于某一协议，也要尽可能地简化。i p 包的最大容量可以为6 5 k ， 可以分段传输，但在嵌入式系统中无法容纳如此大的数据包，因此一般是不支持 分段的。嵌入式系统一般采用发送小数据包的方式，以避免分段 2 2 3 嵌入式t c p i p 的几种实现方案 目前实现嵌入式t c p i p 有以下几种方案： 1 通常是通过选择能够支持t c p i p 的实时操作系统r t o s 例如，q n x 公 司的n e u t r i n oi 江0 s 内，就有各种t c p i p 模块，可以提供完整的t c p i p 协议 栈，也可以提供部分嵌入式的协议栈。但缺点是嵌入式实时操作系统太贵，而且 r t o s 内部实现的t c p i p 协议栈是通用的，针对性不强，难免会有相对于具体应 用多余的代码，不能保证代码尽量精简【i 们。 2 采用第三方提供的嵌入式协议栈。市场上主要的网络协议公司有 i n t e r n i c h e 公司、p a c i f i cs o f t w o r k s 公司、c m x 公司、m u l t i p o r t 公司等，它们可以 8 硕士学位论文 _ t i - - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ e - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - - - _ _ - - - - - - _ _ _ - _ - 一 根据客户的需求提供独立的嵌入式t c p i p 协议栈这类协议栈一般用c 语言编 写与硬件平台和操作系统无关，适应性较强，但价格一般较贵 3 自己开发协议栈。优点是可以根据实际需求进行定制，代码可以做到最精 简，而且硬件比较简单，成本比以上其它方案都低，适合于低成本的应用如消费 类产品、测试头等。缺点是软件工作量大，难度也大美国s c e n i x 公司推出的 新一代s x 微处理器，就是根据自己的特点自行开发的t c p i p 协议栈 4 采用网关代理的方式，这样也能满足仪器上网的需求。这种实现方式采用 桌面计算机作为网关，上面支持t c p i p 协议并运行h t t 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。该服务器通过r s - 2 3