（控制理论与控制工程专业论文）面向高速以太网智能前端的开发与研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 互联网技术和嵌入式技术的迅速发展为网络控制系统提供了更加广阔的信 息交流平台和高集成的智能节点.本文分析和研究了网络控制系统的结构特征 以及嵌入式系统开发的基本方法。介绍了利用一种基于嵌入式操作系统的智能 前端构建面向高速以太网控制系统的基本原理和方法， 研究并设计完成了智能 前端的硬件和软件以及以太网通讯的实现. 智能前端以atg lrm920o 为核心，利 用其强大的实时处理能力和众多外设接口实现对下位设备的控制，同时利用 l xt971 a lc 实现与以太网的连接。软件开发上选用了源代码开放的 a r m linux 嵌 入式操作系统作为内核和交叉编译的开发环境。最后，通过标准的智能前端， 连接现场各种分散的仪表、传感器，采集并处理数据，方便地接入高速以太网， 实现一种智能分布式控制系统。 关键词:网络控制系统，以太网，嵌入式系统，智能前端 abs t r ac t p ro m p t d eve1 0 p m e o t of1 nt e m e t and e m b e d d e d s y s t e mb asp rd v 1 d e d v as t erin fo n 力 at i o n e x c hi m gi 雌 p 】 at fo rln andi nte邵 成 ed hi gh inte lli g e ntn odeton c s(ne two rk ed c or ltr o i sys te ln ) . t h l s p 越 ” r has b 沈 n 题 囚 y 双 月 助 d 别 刀 d i曰此 劝 m 改 位 e ofn c s as从 弋 1 1 asd e v e lo p i 昭 m 川 为 冈of周 m bed d eds y st e llla o d 抽v e in tr odu 优 d b 留 目p ri n c 功 l e and m e th odofe m 卜 月 d ed 运 忱 1 1 1 罗 nt . 画t itisuse d toe s t a b l i shc o n tr 0 1 斗 s l e mtohi gh sp 。 刁e th 朴 丸流浦目如 d desi 即edth e 加记， 左 吐 吧 助d sol 卜 胃 ar e ofth e w holein te ili g e n t- 切 吐 t and e th 。 刀 e t con n n 切 吐 c at i o n 此 a ll 乙 劝 l o n-in t e l li g e ni 绷吐 t isb as edona t 9 1 f m9200， 此 m g itsm ul ti 一 五 血d 执 沁阳d pow e 迁 国 找 习 1 . t in lep r o 嘟5 吨 toc o n 灯 习 l h yl ” g y n y 俪正 勿 . l x t 9 7la l cc anre 目 云 笼。 。 n n e ction初th e th e m 麒 . t b e s y s t e m理 沈 d a r 人 n 二 i nux th a t s o 切 闪 七 c o d e iso pen edastb e k 。 毛 e l ， 幼dc t o s s c o m p i l e r w a s u s e da sthe即p l i c at i o ns o ft w a r ed e v c l o pe n v i r o n m e n t . f in 目 ly，公 加 t e l li g e nt . 画t l 沉 ks初thd is pe r se加 峨 rum e ni即 ds e n s o r to6 n i sh data即 q 小 sition an d p r oc e s s i n g ， w l五 chcan bed i r ec t l y c o n 刀 昭 c 抚 滔 tothe hi ghs peede thcm e 气 socan e as l l y m ak e up 加d u g e n t di s tr ib u t e d c o n tr o l sys t e m. j i nl i p e n g ( c o nt ro l t 肠 扣 叮阳 dc o n 红 . 1 d i r e ct e d b y p r o f.l i n yon g j u n k e ywo r d s : n c s ，e t b e r n e t ，e mb e d d e ds y s t e .，l u t e l l i g e n t 一 u n i t 声明 本人郑重声明: 此处所提交的硕士 学位论文 面向 高速以 太网 智能 前端的开 发与 研究 ， 是本人在华北电 力大学攻 读硕士 学位期间， 在导师指导 下进行的 研究 工 作和取得的 研究成果。据本人所知，除了 文中 特别加以 标注和致谢之处 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 华北电 力大学 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 表示了 谢意。 ，文 储 狐.鳌 理 座 一 日 期 : 毕 3日2蟀 关于学位论文使用授权的说明 本 人完全了 解华北电 力大学有关保留、 使用学位论文的规定，即:学校有 权保管、 并向有关部门 送交学位论文的原件与复印 件; 学校可以采用影印、 缩 印 或其它复 制手段复制并保存学位论文; 学 校可允许学 位论文被查阅或借阅; 学校可以学术交流为目的 ， 复制赠送和交换学 位论文; 同意学校可以 用不同 方 式在不同 媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内 容。 潜 密的 学位论文 在解密 后遵守 此规定 ) 作者签名 : 日期 淦效 鹏 叫牵习 叫照 止 导 师 狐栖君 日 期 : 夕 祠 之 弓 ， f 华北电 力大学硕士 学位论文 第 1 章 绪论 近年来互联网技术和嵌入式技术在迅速发 展的同时，也对网络控制系统产生了 深刻的影响。互联网技术为网络控制系统提供了更为广阔的信息交换平台 ，嵌入式 技术为网络控制系统提供了高集成的智能节点。 在这一背景下， 相对其他通讯网络， 以 太网具有无可比拟的适用性。以 太网在信息网络中的统治地位使得工业以太网易 于实现与信息网络的无缝集成，而嵌入式技术的发展使得控制系统节点功能越来越 强大，以太网网络接口 逐步成为标准配置，这为嵌入式工业以 太网实 现提供了可 行 性 条 件 1-31. ， . ，控制网络的研究与发展 现场总线 ( f c s )的出现，为工业自 动化带来了 一场深层次的革命，被认为是 d c s的有力取代者。控制专家们纷纷预言，f c s 将成为 21 世纪控制系统的主流。 但是， 任何事物总是优点和缺点同在， 先进与落后并存，现场总线也不例外。多年 的工程实践使传统现场总线的低速率、高成本、多标准以及难以实现水平方向和垂 直方向的信息集成等种种缺点逐渐暴露出来。随着管控一体化技术的发展，迫切要 求能 将管理层的以太网向下延伸，直到设备层，实现企业从现场控制层到管理层的 全面无缝信息集成， 并提供一个开放的基础构架。 为此许多现场总线组织 ( 或生产 厂家)提出基于以太网的控制系统标准。目 前，各生产厂家的作法都是在自 身的现 场总线设备基础上，增加高速以 太网 ( h s e ) 连接器或相应转换设备。同 样存在不 同生产厂家设备的互换性问题。到目 前为止还没有完全基于高速以 太网的自 动化仪 表 ( 变送器和执行器) 。与此同时，在更广阔的信息交换与沟通领域里，以太网 ( e th e m e t ) 技术正日 渐显示其强大的生命力， 并逐步成为当今网络的主流. 在国际 互联网、各种商业网络以 及办公自 动化领域， e t h e m e t已 经成为事实上的标准。当 前， ( 1 压 1 o 0) m b p s 以 太网 技术已 经 成熟 ， 千 兆以 太网 技术日 臻 完善， 万兆以 太网 也开始初露锋芒。e th e rne t的成功是有目 共睹的，由于它具有高速与便宜的优点以 及建构在 t c p / u d p / ip 下的各种应用，足以弥补现有工业控制网络的不足， e t h e m e t 进入工业控制领域是控制网络发展的必然趋势。 e th e rn e t 成 为工 业现 场网 络的 主 要 选择 之一 11.4- 10 。 如 今， 一方 面非 屏 蔽电 缆和 光纤作为0 51模型物理层和数据链路层的一部分，意味着 e t b e m et已获得了进入工 厂现场的 许可;另一方面，e t h e met本身易安装、成本低、资源广泛、速度提升等 种 种因 素， 也 深深吸 引 着工 业自 动化 领域 . 集成 了 r t o s( 实时 操 作系 统) 、 rtc(实 时时钟) 和 rtc e(实时控制引擎) 的 e th e rn e t 现场控制器，使得控制功能被进一步下 放到底层， 控制算法功能不再需要通过昂贵的p l c 完成， 且由于具备对等通信能力， 华北电力 大学硕士 学位论文 可以 很方便和低成本地将现场信号传递到工厂的另一端乃至世界各地。 同时， 为适应市场趋势， 全球主要自动化厂商和组织加强了 工业ether o e t 实现。 美国电 气工程师协会 ( iee e ) 正着手制定现场装置与e t h e met通信的新标准。该标 准让网 络直接看到对象 ( o bj e ct ) . 事实上，从20世纪90年代中 后期开始， 基于以 太网的d c s ( 如 f uj i 的o p e na x、 浙大中控的jx 一 3 0 0 x、 f i s h . r 户 r o s e m o u o t 的 d e l t a . v 等) 、基于以 太网的p l c与远程 u o( 如 m o d ic0 n 、 c ef a n u c 等)以及基于以 太 网的 现场仪表和仪器 ( hp 、 浙大中控、n l 等) 等相继问世，并获得了 广泛应用。 ， .2网络化智能仪器 智能仪器是计算机技术与测量仪器相结合的 产物，是含有微型计算机或微处理 器的测量 ( 或检测 )仪器。由于它拥有对数据的存储 、运算、逻辑判断及 自动化操 作等功能，具有一定的智能作用 ( 表现为智能的延伸或加强等 ) ，因而被称为智能 仪器111 . 这一观点已 逐渐被国内 外学术界所接受。 近年来， 智能仪器已开始从较为 成熟的数据处理向知识处理发展。它体现为模糊判断、故障诊断、容错技术、传感 器融合、机件寿命预测等，使智能仪器的功能向更高的层次发展。 网 络技术和计算机总线技术的发展，再加上测控任务的复杂以及远程监测任务 等迫切需求， 促进了测控仪器网络化方向的 快速发展。网络化仪器包括基于计算机 总线技术的分布式测控仪器、 基于 intem e 砚 ni r an c t 的虚拟仪器、嵌入式 inte m e t 的 网络化仪器、基于 iee e 1 4 51 标准的智能传感器系统以 及基于无线通讯网 络的网络 化仪器系统等，它们在智能交通、信息家电、工业自 动化、环境监测以 及远程医疗 等众多领域得到越来越广泛的应用。 1 . 2 . 1网 络化仪器的种类 网 络 化 仪 器 一 般 有以 下 两 种 112 14 : 1 .网络化个人仪器:硬件插卡完成数据采集 ( 包括信号调理、采集与处理、 t c p 胆 协议的嵌入以实现将数据传送到以太网 上) : p c 机则通过网 络接收数据， 并 分析、显示、存储等。这样设计成本比较低，网络化仪器的硬件插卡与应用程序相 互独立。该方案得到国内外很多公司的认可，也有很多优秀的相关产品，如: 美国 n l 公司的p x i 一 8 2 3 2 1 8 2 3 1 1 8 2 1 2 ， 支持 1 0 b as et， 1 0 0 b as e t x ， 协议完全符合 iee e48 8 . 2 标准，最快传输速度可以 达到7 .7 m b/s ， 支持多种操作系统; a gi le nt和flu k 。 公司 也有非常成熟的网络化仪器和软件包。 2 .嵌入式网络化仪器 :实际上是一个网络节点，一旦连接到 加t e rnet上，就可 以实现将采集到的数据上传到网络上，同时也可远程监控、操作远端节点 。在某一 时刻它作为服务器，在另一时刻又可能是客户机。这种仪器的处理器安装了实时操 作 系统， 成本 普遍较高. 如台 湾四 零四 一 moxa ( 摩莎) 科技 股份有限 公司的n po rt 2 华北电力大学硕士学位论文 e x p re s s n e 一 3 1 1 ， 体 积如 香烟 盒大 ，j，内 置t c p 江 p 协议， 支 持t c p s e rv e r/ c l io nt ， e th e r n e t m o d e m、自适应 1 0 / 1 0 0 硒p s ;再如鸿格公司 1 一 7 l s s e系列嵌入式 城e m e 灯 e t h em et控制器功能强大， 可以实现远程数据采集与监控，可连接现存的 各 种串口 设备，而且为了方便用户后续开发， 该公司还提供了3 种解决办法以实 现工 控产品网络化: w 比 浏览、 虚拟串口 技术、 t c 即p . 国内很多做嵌入式设备的公司， 如闻亭科技、傅立叶电子公司都有成熟的产品。 1 . 2. 2网络化仪器带来的 优势 网络化仪器由 于具备网络传输功能，与传统仪器相比，具有如下优势1l.12.1 4: 1 .通过网络，用户能够远程监测/ 控制过程和实验数据，实时性好。 对于远程 诊断是一种很好的途径: 一旦过程中发生问题， 有关数据也会立即展现在用户面前， 以 便采取相应措施，可靠性和实时性大为增强。 2 .通过网络，一个用户能远程监控多个过程，而多 个用户也能同时对同一过 程 进 行监 控. 例 如， 工 程技 术 人员 在办 公室 里 监 测一 个生 产 过程， 质量 控制 人员 可 在另一地点同时收集这些数据，建立数据库。 3 .通过网 络，大大增强了用户的工作效率。用户可利用普通仪器设备采集数 据， 然后指示另一台功能强大的远方计算机分析数据，并在网络上实时发布。 4 .通过网络， 用户还可就自己 感兴趣的问题在世界范围内 进行合作和访问， 比 如，软件工程师可以 利用网络化软件工具把开发程序或应用程序下载给远方的目 标系统， 进行调试或实时运行， 就像目标系统在隔壁房间一样方便。 ， .3嵌入式计算机技术 嵌入式系统是继rr 网络技术之后， 又一个新的技术发展方向。 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 行业应用的突出特点， 并随着计 算机技术与通信技术的发展，在不断解决现有问题的同时， 也在向更深的方向 发展， 而嵌入式计算机则是以嵌入式系统的形式隐 藏在各种装置、产品和系统中，目 前己 经广泛地应用于军事国防、消费电子、网络通信、 工业控制等各个领域。嵌入式系 统的研究与开发己 有着越来越重要的实际意义， 计算机技术也开始进入一个称为后 p c技术的时代一嵌入式计算机系统时代。 1 . 3. 1 嵌入式系 统概述 l嵌 入式 系 统定 义 115 切 嵌入 式系 统 ( e m b e d d edsy st e m ) 无疑 是当 今 最热门 的 概 念之 一， 对嵌入 式系 统的 定义大多是这样的:嵌入式系统是以应用为中，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 华北电力大学硕士学位论文 算机系统。 嵌入式系统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 4 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。 电气工程师协会的定义似乎更权威一些:嵌入式系统是用来控制或者监视机 器、装置、工厂等大规模系统的设各。 北京航天航空大学的何立民教授是这样定义嵌入式系统的: “ 嵌入到对象体系 中的专用计算机系统” 。 “ 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。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。 m p3、 p d a 、 手机属于手持的嵌入式产品; d v d机、机顶盒是嵌入式产品;车 载g p s 系统、探测火星的机器人也可以 称做嵌入式系统产品。 广义地说，一个嵌入式系统是一个有特定功能或用途的计算机软、硬件的集合 体。因此，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 式系 统发 展的 最 高形 式 一片上 系 统(soc)， 将是这些技术的集大成者。狭义的嵌入式系统仅指装入另一设备并控制该设备的专 用计算机系统，包括目 标机与宿主机两部分，其中的目 标机是一种功能单一、处于 从属地位的计算机系统。 2 .嵌入式系统的开发 从嵌入式系统的组成可以看出，嵌入式系统开发所需要的软硬件技术包括:嵌 入式硬件系统开发技术、嵌入式系统板级支持软件包(bs p)配置或系统初始化技术、 嵌入式操作系统移植技术、嵌入式驱动程序开发技术、嵌入式网络开发技术和嵌入 式应用程序开发技术等。任何一个嵌入式产品都是软、硬件的结合体，是软、 硬件 综合开发的结果。 3 .嵌入式系统特点 与通用计算机系统相比，嵌入式系统有其自 身特点: 面向 应用，以应用为中 心; 专用性强且资源有限:软硬件紧密融合; 多任务实时并发;应用模式 多样化; 嵌入式软件作用更为突出; 嵌入式系统软件需要嵌入式实时操作系统 e o s ( e m b e d 业 d o p e r a t io u s y s te m ) 开发 平台 . 1 . 3. 2嵌入式硬件技术 单片机 ( 微控制器)曾是构成嵌入式硬件平台的主要器件之一，但嵌入式硬件 技术的发展已使其不仅限于以往的单片机、单板机或p l c( 可编程逻辑控制)的范 畴 ， 而且 还 广泛 地使 用了 各 种新 型 器件 118 ，l 9 . 1 .嵌入式处理器 据不完全统计，目前全世界嵌入式处理器的品种总量己经超过 1 0 00 种， 流行 的体系结构有 30 多个系列。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越 来越多的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从 64k b到 华北电 力大学硕士学位 论文 1 6 mb ，处理速度为 1 一 2 0 0 0 mi p s 。 通常，嵌入式处理器可以 根据功能和应用领域的不同分成下面几类: ( 1 )嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r 0 l l e r uni t : mc 功 ( 2 )嵌入式微处理器( e m b e d ded mi c ro p ro c e s s i n g u n i t :e m p 叨 ( 3 ) 嵌 入式d s p 处理 器 ( e mb弓 d d e d d i g ital s i即al p ro c e s s i叩: e d s p ) ( 4 ) 嵌入 式片 上系 统 ( s y s te mo n c hi p : s o c ) 2 .存储器与外围设备 传统的 r a m存储器有 s r a m， d r a m， r o m 存储器有掩膜 r o m， p r o m， e p r o m ， 而新 兴的 混合 型存 储 器 ( 如e e p ro m ， f las h ， n v r a m等 ) 更符 合 嵌入 式 系统的要求。其中采用代码驻留 或就地运行技术，用大块的 f l a s h来代替磁盘驱 动器构成所谓的 “ 电子盘” 或 “ 固态盘” ，在工业过程实时控制中有着很好的应用 前景。 3 .开发与调试 嵌入式系统的开发与调试总 是与硬件密切联系的，这一点与商业用的 软件开发 不大相同。 在实际应用中， 人们常常用在线( hic ircul t e m u l at o r) j ta g仿真器、 示波 器、 逻辑分析仪、 r o m仿真器、 设备编程器、 模拟器( si mu late r) 来开发或调试硬件。 1 . 3. 3嵌入式软件技术 1 .嵌入式系统软件特征 嵌入式系统软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式系统软件的要求也和 通用计算机有所不同。 ( 1) 软件要求固态化存储: ( 2 ) 软件代码高质量、高可靠性: ( 3) 操作系统( 0 5)软件的高实时性是基本要求. 2.嵌 入式 系统 软件 构件 115 邵 刀 ( 1) 嵌入式实时操作系统( 盯0 5) 对于嵌入式系统，应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行，同时为了合 理地调度多任务、合理的利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必 须自 行选配 rto s 开发平台， 以保证程序执行的实时性、 可靠性， 并减少开发时间， 保障软件质量。 所以嵌入式 rto s是整个嵌入式系统软件的 核心。 r t o s从应用形 式上可分为集成式多任务r t o s 、 网络型rto s 与嵌入式rto s 。 而就嵌入式0 5 而 言，它可大致分为嵌入式0 5 与实时嵌 入式0 5 。尽管这些嵌入式r t o s 形式多样， 但一般都具有以下特点: 可裁剪的 微内核结构，高效的多任务优先级管理，微秒级的中断处理: 支持多处理器并行处理及任务间 通信: 华北电 力大学硕士学位论 文 共享内存， 有利于实时数据库的实现; 灵活的引导方式 ( 支持从r o m / f l a s h/ 本地盘/ 网络引导) ， 引导操作系统事件更 短， 甚至可以 一上电在秒级的时间内就跳转至用户程序处; 支持多 种 信号 灯(二进制 互斥的 、 计 数的 、 有 优 先级的 ) 等。 ( 2) 嵌入式实时数据库 实 时 数据 库 ( 盯d b)的 主 要目 标是 通 过对 运 行时 间的 估计 及 优化 任务 调 度策 略， 尽可能减少事务处理超过时限情况的发生。基于此目 的的分布式实时 数据库通常采 用cli e n t / s erv e r 方式，具有多线程，支持多个客户端的请求。 而这里所说的嵌入式 实时 数据库与前者并不完全相同， 它具有以下特点: 嵌入式:要求代码更小， 速度更快， 可靠性更高且可以与各种嵌入式 0 5 无缝 连接; 实时性:要求数据更新速度快，存取数据速度快且安全可靠，数据库的数据最 好位于共享 内存中，并可以实时刷新; 分布式:具有分层分布式的网架结构，数据可以快速地双向映射交换，具有较 强的网络、通信能力。 ( 3 )开发调试软件 嵌入 式开 发调 试软 件包 括编 译 器、 调 试器、 集成 开发 环 境a d e)， 模 拟模 型工 具 等。 较为成熟的嵌入式 0 5一般都支持广泛的开发 和运行平台，同时对每种微处理 器都提供相应的编译器、连接器、 调试器和加载工具以 及性能测试工具等一系列工 具链，从而形成从开发、调试到运行的一体化支持。就开发语言而言，目 前大多数 嵌入式 0 5 都要求支持通用的c语言编译器、连接器等开发调试工具以方便用户的 开发调试，而对自由软件以 及 3 a v a语言的支持也是一大热点。 1 . 3 .4嵌入式系统的现状与发展趋势 1 . 嵌入式系统现状 据赛迪呼叫中心合作发展的调查显示， ， ， : 户 目 前从事嵌入式开发的软件企业 占到了3 0 % 左右， 计划从事开发的企业占到了14% 。 尽管还没有从事该领域开发的 公司占到大多数，但我国国内的嵌入式软件市场已 处于整体启动阶段。国内嵌入式 软件市场未来的发展重点在于对应用范围的拓展， 而手持设备、信息家电 和工业控 制则 是近期市场的三大热点。 2.嵌 入式 系统的 发展 趋势【7 刀 刀 1 ( 1 )为设备网络通信提供标准接口 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网 需求， 面向 21 世纪的嵌入式系统要求 配备标准的一种或多种网络通信接 口。针对外部联网要求，嵌入设备必须配备 e therne t 网口，相应需要t c 即p 协议簇软件支持:由 于家用电器相互关联 ( 如防盗 华北电 力大学硕士学位论文 报普，灯光能源控制，影视设备等) 及实验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌 入式设备还需具备iee e 1 3 9 4 ， u s b ， c a n或ir d a通信接口 ， 同时也需要提供相应的 组网协议软件和物理层驱动软件。 ( 2) 支持小型电子设备实 现小尺寸， 微功耗和低成本 为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内存容 量和复用接口芯片，这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求 ( 如选用最佳的编 程模式和不断改进算法， 采用e c +编程模式， 优化编译器性能) ，因此既 要软件人 员有丰富经验，更需要发展先进嵌入式软件技术如we b 和硒 叭 p 等。 ( 3 )提供精巧的多媒体人机界面 之所以 亿万用户乐于接受嵌入式设备，重要因素之一是嵌入式设备与用户之间 的 亲和力，自 然的人机交互界面。 人们与信息终端交互要求以g u i 屏幕为中心的多 媒体界面。 手写文字输入， 语音拨号上网， 收发电 子邮件以及彩色图形图像都获得 了很大成功，先进的p d a已在显示屏幕上实现汉字写入， 短信息，语音发布。 (4)嵌入式网络 随着信息时代的到来， i ni e r o e t 技术已进入人们日常生活中的各个领域， 嵌入式 网络应运而生，从而在更好地利用 hit e me t 庞大的信息资源的同时，也实现了嵌入 式系统功能上的一次飞跃。目 前嵌入式系统和网络已是一种不可分割的结合体。家 电上网和实现远程操作，其意义不仅在于这种网络的出 现所产生的经济价值，更在 于把家电 从个体进入网络，实现嵌入式系统网络化。 ， .4课题的提出与意义 在控制系统领域，随着微电子技术的发展，设备智能化水平的不断提高， 人们 对人与设备之间的 信息交流和设备与设备之间的信息交流也提出了越来越多的需 求。 抛开工业以 太网的细节问题， 研究如何将商业级的e t h e met技术真正应用到现 场控制器乃至传感器、变送器、执行器中去，已成为国内中小企业关注的重点， 这 样一旦工业以太网国际标准确定，就可以及时跟进，成为真正的赢家。 本文开发研究了一种通用的 面向 高速以 太网的现场智能前端，可以认为它是一 种网络化智能仪器， 它提供与e th ern et和现场设备的标准接口，可从 e t h e me t 上接 收上位操作站传来的 控制信息， 再对现场设备进行控制与操作，也可直接对下位现 场设 备 进 行控 制， 可取 代 现有d c 百 的 输入 /输出 单 元和 控 制站， 实 现了 控 制系 统的 全分散、 智能化、协调性和集成化，构成了一种智能分布式控制系统。 采用这样的控制系统可以 大量节省控制设备投资， 简化控制系统设计，整体提 高控制系统的 可靠性。打破国外 对现场总线控制技术的 垄断，为我国控制技术设备 在一个高层次上发展提供很好的技术支持，同时建立具有我国自 主知识产权的技术 华北电力大学硕士学位论文 体系。 ， .5课题的工作及内容编排 本文以为构建一种智能分布式控制系统提供一种面向高速以太网的智能前端 以 及实现嵌入式设备网络化的需求为目 标。基于 a r m嵌入式智能前端的开发， 可 以认为是对面向 高速以 太网 智能仪器接口 及其通用组态软件的开发。课题的工作主 要包括两大方面: ( 1) 对网络控制的研究，提出基于智能前端，面向高速以 太网 控制系统的结 构设计; ( 2) 面向高速以 太网智能前端的设计与开发，开发的工作过程如图 1 一 1 所示. 图卜 1开发流程图 本论文共分6 部分。第 1 章为绪论，主要提出课题来源、目 的、意义以 及相关 内容研究背景，同时介绍了 本文所做的主要工作。第2 章对现有的主要控制系统做 了研究和比 较，提出了基于智能前端控制系统的结构设计。第 3 章为智能前端的硬 件开发，介绍了 a r m芯片及华恒嵌入式 li nux 系统平台。第 4 章介绍了 智能前端 开发方法， 同时设计和构建了开发系统。 第 5 章介绍了系统启动代码的设计和l i n ux 内 核的编译和移植，驱动程序和应用程序的 设计开发。 第 6 章总结了本文完成的工 作，并对下一步工作进行展望. 华北电 力大学硕士学位论文 第 2章 基于智能前端的分布式控制系统结构设计 基于网络的控制系统经过近 30 年的发展，从原来基于模拟信号传输的控制系 统d c s ，发展到数字化、智能化、全分散的现场总线系统， 给工业自 动化带来一场 深层次的革命。 而以太网的快速发展， 更是给工业控制的研究提供了更广阔的平台。 2 . ，网络控制系统的研究分析 网 络 控制 系统 困e two rkc 。 咖 i syst e m ， n c s) ， 又 称为 控 制网 络。 分 布式 控 制系 统、工业以太网和现场总线控制系统都属于网络控制系统。它们的出现标志着控制 系统正向 着网络化、 集成化、分布化和节点智能化的方向发展【 2 4 夕 ， 】 。 目 前网络控制系统的定义尚没有统一，一般是指某个区域内传感器、执行器和 控制器等检测、控制和操作设备通过共享介质的网络实现资源共享和协调操作形成 闭 环回 路的 控制 系 统， 也可 称为 网 络 化的 控 制系统 (n e two rk-b as edc o n t r o l s y st e m ) 、 综合 通 讯和 控制 系统 ( hite g r at e d c o mm unic at i o n a n d c o n tr 0 l s y s te m ， i c c s ) 。 广义的 网络控制系统还包括通过企业信息网络及互联网实现的远程监控。网络控制系统是 基于分布式体系结构，图 2 一 1 给出了一个典型的网络控制系统结构。 图各 1网 络控制系统结构 从图中可 以看出网络控制系统具有以下特点: ( 1) 系统设备具有网络通讯能力，各设备节点包括传感器、执行器、控制器 等直接连接到网络上: ( 2 ) 控制系统通过通讯网络形成闭 环; ( 3) 采用共享和开放的网络通讯介质。随着嵌入式技术和信息技术的发展， 网络控制系统中的节点集成度越来越高，往往同时具备检测、执行、控制中的多项 功能，根据实际应用的需要，控制器、传感器、执行器三者或其中两者有时会被集 成在一起，三者没有绝对的界限。 华北电 力大学硕士学位 论文 其中，网络控制系统的技术特点如下: ( 1 )要求有高实时性与良 好的时间确定性: ( 2) 传送信息多为短帧信息， 且信息 交换频繁; ( 3) 容错能力强， 可靠性、安全性好; ( 4) 控制网路协议简单实用，工作效率高; ( 5 )控制网络结构具有高度分散性: ( 6 )控制设备的智能化与控制功能的自 治性: ( 7) 与信息网络之间有高效率的通信，易于实现与信息网络的集成. 2 . 1 . 1集散控制系统 d c s 1 .集散控制系统的产生与发展 集散控制系统 d c s ，又称为分散型综合控制系统( to回 d l s t r i b utedc o n t r o l sys t e m s) ， 产生于上世纪70年代中期，它开 始了真正的工业控制网络， 其特点是集 中管理、分散控制，即管理与控制相分离。集散控制系统可采用环形、总线形、分 级式等结构， 其中以分级式最常用，图2 一 2 给出了分级式集散控制系统的结构。 操 作 员站 1 ”。1 操 作 员 站 服务器及 其它功能 站 系统网络 控制站控 制 站 冕一 . 一晃 现 场 变 送 器 、 执 行 器 图2 . 2 集散控制系统结构 图中 现场设备层用于采集信息， 控制层向下接收信息进行分析处理， 并将结果 送往现场，向上发送重要的数据，并接收管理层的指令，管理层用于接收数据， 汇 总成报表等管理数据，并向 下发送指令。 这种结构也是目 前控制网 络的一个典型结 构12 5 。 集散控制系统d c s 是作为过程控制领域的 工程化产品提出的， 它广泛应用于各 工业领域并日 趋成熟。从分散控制发展到了以全面信息管理为重点的新型综合控制 系统，集散控制系统经历了三个阶段:第一代 d c s 将 c rt 操作站与过程控制单元 p c u相分离，采用主从式通信系统，实现了以微处理器为核心的 p c u分散化，是 华北电力大学硕士学 位论文 计算机、 过程控制、 通信和c rt 技术相互融合的产物; 在计算机局域网技术发展的 直接推动下产生了第二代 d c s ，它采用无主站的多对多通信，各 p c u、 上位机、 c rt 操作站等处于 “ 平等”地位，传输方式为点一点、点一多点和广播式， 媒体访 问 控制以令牌传送为主:第三代 d c s趋于采用标准化的网络通讯协议，如采用 m 叭 p 汉a n u fa c t u d ngaut o m ationp r o t o col) 和t o p ( tec hnl o aland o m c c p r o t o col) ， 力图 解决整个企业的综合管理问题。 近年来，为了使 d c s更加适用于工业生产现场，新一代 d c s 还进一步做一些 改进，比 如系统开放化、采用通用工作站、 超大型化和微型化、 通信介质多样化、 d c s 与f c s 集成、 d c s 与p l c相互融合以 及软件丰富化等1 剐 5 . 2.集散 控 制系 统的 优势 与 不足 128 一30 集散控制系统 d c s 采用了危险分散、 控制分散、 操作管理集中的基本设计思想 和多层次、 合作自 治的结构形式，这样不但具有控制算法先进、精度高、响应速度 快等优点，同时提高了控制器处理能力和可靠性， 从而满足安全可靠、维护方便、 风险相对分散等要求，实现了 装置级、车间级的 优化控制。 但在d c s 系统形成的过程中， 由于受计算机系统早期存在的系统封闭这一缺陷 的影响， 各厂家的产品自 成系统， 不同的d c s 厂家为达到垄断经营的目的而对其通 讯控制网 络采用各自 专用的封闭通讯协议，不同 厂家的设备之间难以实现互连互换 互操作， 难以 实现整个企业的信息集成。总的来说d c s 存在着以下问 题: ( 1) 系统被硬性地定义为 “ 系统中每个处理器分配有一个特定的任务” ，不利 于系统控制任务的灵活实时下载; ( 2) 系统在风险分散上存在缺陷，一台主控计算机的瘫痪依然会造成生产过 程的重大损失: ( 3 ) d c s 网络系统通常只延伸到控制/ 传感器层之前的刀 0单元， u o单元与现 场设备的联系主要由一对一的4 一 20n 为 a电流环通信电缆实现，该方式需要大量的 信 号电缆，同时限制了智能前端设备这一技术的 应用: ( 4) 由于通讯线路庞杂、工业现场电磁、高温、腐蚀、粉尘和震动等对模拟 信号的千扰，影响了d c s 的控制精度，存在着可靠性问题; ( 5) 系统内 存在不同 类型数据接口和通信方式，数据通信时效性受到限制; ( 6) 系 统通 讯协 议封闭， 无法实 现不同 系 统 和产品 互联 互换， 不利于 系统 灵 活性和可维护性; ( 7 )为实现系统本质安全性，需寻求新的网路供电方式，尽量减小系统内 数 据网路的电源消耗。 2 . 1 .2现场总线控制系统 f c s 现场总线控制系统的产生 华北电力大学硕士学位论文 为克服d c s 系统的缺点， 进一步满足现场设备通讯的需要， 现场总线技术于上 世纪 80 年代产生，它是一种连接智能现场设备和自 动化系统的全数字化、双向 传 输、 多 分 支结构的串 行通信网 络， 用 于构 筑最底层的 控制网 络， 其基础是智能 仪表131 . 国际电 工委员会 iec 6ll 58 标准将其定义为 “ 安装在制造和过程区域的现场装置与 控制室内的自 动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线” 。通过现场 总线，分散在各个工业现场的智能仪表连为一体，与控制室中的控制和监视器一起 共同构成现场总线控制系统f c s 。图2 一 3 给出了一个典型的层次状现场总线控制系 统结构. 管理计算机管理计算机 控制计算机 11 控制计算机 链路设备 11 链痛设蕃 恶日蟹誓段日梦 ! 瞥 图2-3 现场总线控制系统结构 在f c s中， 控制功能由过去的控制室设备变为智能现场仪表来承担， 从根本上 突破了传统的 “ 点对点尸式的模拟信号和数字一模拟信号控制的局限性，构成一种 全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统，体现 了“ 控制分散、危险分散”的思想。根据应用场合和用途，现场总线可以分为低速 现场总线和高速现场总线，前者需解决总线供电问题。 2 .现场总线控制系统的特点: 与d c s 相比， 现场总线控制系统f c s 具有以 下特点 t31 邵 1 ( 1) 系统开放性:f c s采用公开化的通信协议，遵守同一通信标准的不同厂 商的设备间可以互连互操作，用户可以按自己的需要和考虑，采用来自 不同供应商 的产品组建系统， 达到最佳的系统集成。同时f c s 可实现网络数据库共享， 通过网 络实现现场设备与功能块的统一组态。 ( 2) 设备互联 性: 现场总 线把 通信线一直延 伸到生 产现场设备 ( 传感器、 执 行 器、 变送器与编 程器等) ， 并通过 1 对n的结构使得 现场设 备多点 共享总线， 实现 现场数据的双向传输。具备网络寻址能力的现场设备的信息传递不仅局限于现场设 备与控制节点之间， 现场设备之间也可进行点对点、 点对多点及广播式多变量通信。 ( 3) 设备互操作性与互用性: 在设备互联性的基础上，不同厂家的 现场设备 l 2 华北电 力大学硕士学位论文 通过 “ 即插即用”的方式组态在一起，实现信息的传递与沟通，不同 厂家性能类似 的设备也可实现相互替换，具有灵活性和易维护的特点。 ( 4 )设备智能性:在 f c s中，测量、计算和控制功能被分散到现场设备中完 成，同时设备的可操作性和互联性使得大部分 pi d 、数字滤波、补偿处理等简单控 制任务可驻留下载到现场设备，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能和设备 状态的诊断。 ( 5) 高度分散性:现场设备本身属于智能化设备，具有独立自 动控制的基本 功能，实现了控制功能的彻底分散，形成分布式的体系结构。底层设备在现场总线 与上一级网络断开的情况下仍可维持独立正常运行。 ( 6) 环境的适应性:现场总线专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴 电缆、光缆、射频、红外线、电力线等多种通信介质，具有较强的抗千扰能力，能 采用两线制实现供电与通信，并可满足本安防爆要求等。 由于现场总线的以上特点， 使得f c s 具 有节省硬件数量与投资、 节省安装费用、 降低维护开销、 易于系统集成、 准确性与可靠性高、 设计简单、 系统易重构等优点。 3 .现场总线控制系统的发展现状与不足 现场总线的发展迅速，市场上出现了大约 60 多种，处于群雄并起、百家争鸣 的阶段。 其中 最有影响力的有五种， 分别为f f，pro fi b us ， h a r t，c a n和l o n works。 现场总线控制系统和d c s 系统相比具有明显的优点，曾被视为是21世纪控制 系统的主 流， 但随着网络控制系统的发展，也暴露了以 下不足29 1 : ( 1) 没有统一的标准 由于各种现场总线代表着不同的商业利益，厂商出于保护市场的考虑制定了各 自的现场总线标准， 各种现场总线并存， 竞争激烈。 而不同总线的技术侧重面不同， 各有针对的应用领域，缺乏可以满足不同工业应用需求、为各工业领域所普遍接受 的统一的现场总线标准，不同总线设备之间难以实现互联互换相互操作。iec组织 制订的现场总线国际标准实质上也是对这种情况的一个妥协.而事实上有些未成为 国际标准的现场总线， 如l onw b rk s ， 同样占 有很大的市场份额， 可能在某一个或者 某几个领域占有主导地位。 ( 2 )开放性差，系统集成难度大 由于不同类型的现场总线各有各自 的应用位置， 如f f 的h l 和d evic enet主要 用于控制网络的最底层， 连接各种现场设备: p rofi b us的d p 主要用于控制层的控制 器、数据集中器等设备。这就使得在实际应用中，系统可能采用多种形式的现场总 线，从而造成工业控制网络与数据网络的无缝集成难度很大。由于不同现场设备功 能块可能存在着雷同，因而设计网络布局时不仅要考虑现场节点的距离，还要考虑 现场节点之间的功能关系、信息在网络上的流动情况等，增加了系统集成的难度。 同时各种现场总线需要采用各自 相应的专用开发工具，影响了现场总线的推广应 l 3 华北电力 大学硕士学 位论文 用。 ( 3 )通讯能力不够 随着现场设备功能的增强和企业信息交换需求的不断增长，现场设备交换的数 据量发生了成倍的增长，而现场总线通讯速率普遍较低，难以 保证通讯。尽管有些 总线可以 得到更高的 通信速度， 但需要 特定通 信芯片的支持， 难以 达到市场所提出 的技术成熟度高、鲁棒性好、成本低的要求。 为了解决以上问题，现场总线技术也在不断地发展完善，如在原有的现场总线 的技术上引入 t c p 江 p协议、在以太网物理层和链路层的基础上引入已有的现场总 线应用层协议、 采用基于发布/ 订阅模型的