（通信与信息系统专业论文）煤矿矿井嵌入式数据采集分站的研究与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 煤矿矿井数据采集分站是煤矿井下各安全监控模块与井上安全监控中心之 间数据传输的枢纽，负责安全监控中心与安全监控模块之间的数据的采集与通 信。数据采集分站能否有效工作决定了煤矿安全监控能否顺利进行，在煤矿安 监中发挥着重要作用。 针对数据采集分站的工作要求，本文采用了高性能a r m 7 芯片l p c 2 2 9 2 为 主控芯片，通过s p i 接口控制以太网控制器芯片实现t c p i p 通信，通过内嵌的 c a n 控制器模块实现c a n 通信，并移植了a c o s ，i i 操作系统使整个设计具有 可靠性高、扩展能力强等特点。 论文首先简要介绍了煤矿矿井数据采集分站的研究背景与意义，讨论了数 据通信部分的实施方案，得出该数据采集分站与井上监控中心之间用以太网组 网，与井下监控节点之问以c a n 网络组网的方案。 本文的中心工作围绕煤矿矿井数据采集分站的硬件设计中各个独立的模块 进行，详细介绍了t c p i p 通信模块的设计。对电源和复位、c a n 通信、l c d 显示、参数修改与存储模块也一并作了介绍。 在硬件设计的基础上，进行了基于i , c o s i i 操作系统的软件设计。软件设 计包括驱动程序与系统任务两部分。驱动程序部分包括各个模块的实现过程， 主要对t c p i p 通信的实现进行了详细介绍j 在系统任务部分，根据数据采集分 站各个模块的实际作用，分配了任务的优先级，并介绍了数据采集分站各个任 务的设计流程。 在整个系统的设计中，软硬件系统设计均采用了抗干扰措施，提高了系统 的电磁兼容性。实践证明整个系统运行正常，能够实现对煤矿矿井数据有效采 集。 关键词：数据采集分站，t c p i p ，c a n ，l j t c o s i i 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o a lm i n ed a t ac o l l e c t i o ns u b s t a t i o ni st h eh i n g eb e t w e e nt h es a f e t y m o n i t o r i n g m o d u l eu n d e rt h em i n ea n dt h es a f e t y - m o n i t o r i n gc e n t e ra b o v et h em i n e i tt a k e s c h a r g eo fd a t ac o l l e c t i o na n dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h es a f e t y - m o n i t o r i n gm o d u l e a n dt h es a f e t y m o n i t o r i n g i ti sd e t e r m i n e db yd a t ac o l l e c t i o ns u b s t a t i o nt h a tw e t h e r t h ec o a lm i n es a f e t y m o n i t o r i n gc a nw 0 r ke 衔c i e n t l y , a n dt h ed a t ac o l l e c t i o np l a y s i m p o r t a n tp a r ti nt h ec o a lm i n es a f e t y - m o n i t o r i n g a i m i n ga tt h er e q u e s t s h i g hp e r f o r m a n c e 删7c h i pl p c 2 2 9 2i sa d o p t e d 器 m a i np r o c e s s o rb yt 1 1 i sp a p e lt h r o u g i lt h es p i ，t h ee t h e m e tc o n t r o l l e rc h i pi sd r i v e n a n dt h et c p i pc o m m u n i c a t i o ni sr e a l i z e d t h r o u 吐t h ei n n e rc a nc o n t r o l l e ro f a r m t h ec a nc o m m u n i c a t i o ni sr e a l i z e df i t sw e l l e m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i o n s y s t e mi t c o s 1 1w h i c hi st r a n s p l a n t e dt ot h ep r o j e c t t h ew h o l es y s t e mh a st h e f e a t u r e so f h i g hr e l i a b i l i t ya n ds t r o n ge x p a n da b i l i t y n l em a i nt o p i co ft h i sp a p e ri st h ed e s i g no ft c p i pc o m m u n i c a t i o nm o d u l e w h i c hi sb e i n gi n t r o d u c e dd e t a i l e d l ya r o u n de a c hi n d e p e n d e n tm o d u l eo fc o a lm i n e d a t ac o l l e c t i o ns u b s t a t i o n n l ep o w e ra n dr e s e tm o d u l e c a nc o m m u n i c a t i o nm o d u l e 。 l c dd i s p l a ym o d u l e r e w o r ka n ds t o r a g ef o rp a r a m e t e rm o d u l ea r ei n t r o d u c e da s w e l l o nt h ef o u n d a t i o no ft h eh a r d w a r ed e s i g n , t h es o f t a v a r ed e s i g nb a s e do n o p o r a t i o ns y s t e mr t c o s i ii sp r o c e s s e d t h es o f t w a r ed e s i g nc o n t a i n st w op a r t s o n e i sh a r d w a r ed r i v e rp r o g r a m , a n o t h e ri ss y s t e mt a s k d r i v e rp r o g r a mc o n t a i n st h e r e a l i z a t i o n p r o c e s s o f e a c hm o d u l e a n dt h er e a l i z a t i o n p r o c e s s o ft c p i p c o m m u n i c a t i o ni sm a i n l yi n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lf u n c t i o no fe a c h m o d u l eo ft h es u b s t a t i o n , t h ep r io ft a s k si sa s s i g n e da n dt h ed e s i g nf l o w so fc o a l m i n ed a t ac o l l e c t i o ns u b s t a t i o n st a s k sa r ei n t r o d u c e di nt h es y s t e mt a s kp a r t i nt h ew h o l es y s t e md e s i g n , e a c hs o f t w a r ed e s i g na n dh a r d w a r ed e s i g na d o p tt h e a n t i - j a m m i n gm e t h o di no r d e rt oe n h a n c ee m ca b i l i t y t h ew h o l es y s t e mi sn m n i n g w e l li np r a c t i c e a n dt h ee f f e c t i v e l yd a t ac o l l e c t i o nf o rc o a lm i n ei sr e a l i z e d k e y w o r d s ：d a t ac o l l e c t i o ns u b s t a t i o n , t c p i p , c a n ，p c o s i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。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，也不包含为获得 武汉理工大学或其它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己在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 上， 一 签名：釜翘日期：塑坚 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：金麴 导师签名： ( 注：此页内容装订在论文扉页) 勉鹭日期：业 j 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 背景与意义 第1 章绪论 能源工业是我们国家经济发展的命脉所在，中国是世界上最大的煤炭消费 国和生产国。近年来，随着石油资源的紧张、石油价格的飚升，煤炭行业的重 要性和不可替代性也日益凸现。 但是，煤矿行业的安全生产情况不容乐观。2 0 0 1 2 0 0 5 年；全国煤矿共发 生事故1 8 5 1 4 起，死亡3 1 0 6 4 人，平均每年发生各类事故约3 7 0 2 起，死亡约6 2 1 3 人。其中，发生一次死亡3 0 人以上特别重大事故4 2 起，平均每年发生8 起多， 占全国各类特别重大事故起数的5 8 ；一次死亡l o 2 9 人特大事故2 1 4 起，平 均每年发生4 2 起多，占全国各类特大事故起数的3 6 。特别是从2 0 0 4 年第三 季度到2 0 0 5 年底煤矿相继发生了6 起死亡百人以上的特别重大事故，损失惨重， 造成了严重的社会影响1 1 1 。 “十五”时期，我国政府在煤矿安全生产方面采取了一系列重大举措，加 强和改进煤矿安全生产工作。国家投入国债资金9 0 多亿元，支持国有重点煤矿 实施安全技术改造，煤矿瓦斯治理取得进展。在各方面的共同努力下，煤矿事 故发生数、死亡人数、百万吨死亡率逐年下降，煤矿安全生产状况总体稳定、 趋于好转，但煤矿安全生产形势依然严峻。 ， 导致事故的发生固然有很多因素，但各煤矿生产企业安全监测不完备、管 理手段落后是造成事故频发的重要原因之一。 随着国家对煤矿安全生产工作的日益重视，以及煤矿企业自身现代化管理 的需求，煤矿安全生产监测系统越来越体现出其重要性。从技术和管理的角度 出发，煤矿安全生产监测系统已是必然趋势。如何利用现代化的信息技术从根 本上解决煤矿安全隐患问题，从而使得各级煤矿主管部门切实承担起监督管理 的职能，已经成为煤矿采掘业现代化进程的重中之重。 煤矿安全监测监控是保证矿井安全生产的重要手段，是煤矿现代化管理的 重要技术措施【2 l 。煤矿安全监测监控技术作为- n 综合学科，其发展速度很快。 特别是随着各种新型传感器的不断问世，超大型集成电路的普遍推广，以及电 脑的飞速发展，使监控装备日新月异。在煤矿中装备矿井监控系统、瓦斯遥测 武汉理t 大学硕士学位论文 断电仪、风电瓦斯闭锁装置、携带式瓦斯检定器、瓦斯警报矿灯等安全监测装 置是保障矿井安全生产的重要手段。 煤矿安全监控系统按照行政划分可分为多级监控中心，如省级、市级、县 级、矿级p j 。本文所要讨论的正式位于煤矿安全监控最前线的矿级安全监控系统 中的一部分。 矿级监控中心通过井下数据采集分站获得矿井现场状况的数据后，可将数 据存储或打印，再通过其它多种方式将数据传送至相关上级监控中心。这就构 成了整个煤矿安全生产监控的系统网络，完成了整个煤矿安全监控的整体过程。 如何将各个传感器及控制装置传送的信息有效的整合并最终发送到矿级监 控中心监控机上，对于整个监控方案的有效实施起到了至关重要的作用。数据 采集分站将井下各个监控装置的数据集中之后传送给监控机，使得整个矿级监 控过程能够顺利进行。 1 2 数据采集分站设计方案设计 数据采集分站作为井上监控中心对井下现场实时监控的纽带，合理的网络 与畅通、可靠的通信功能是其工作的重点。设计方案的制定也主要围绕此点展 开。 1 、t c p 仃p 通信协议的应用 矿井下有诸多监控模块分布于不同位置，它们之间的距离远近不同。根据 这一特点，井下应该布置多个数据采集分站，就近组织各个监控模块组成一个 局域网络。 组成局域网络的方式有多种，但是实际工程应用中对该局域网络也有一定 要求： 1 ) 数据能高速率传输。 2 ) 随着矿井挖掘的进行，会增加或减少一些数据采集分站。要求监控中心 能够动态识别数据采集分站。一般的现场总线不能满足这个要求。 3 ) 组网方式简单，便于实现。 以太网( e t h e m e t ) 作为最长使用的局域网，能够满足以上几点要求，因此 本文将数据采集分站与监控中心之间用以太网组成局域网络。 2 武汉理工大学硕士学位论文 t c p d p 协议无疑是当今流行最为广泛的网络互联协议 4 1 ，其中运输层协议 u d p ( u s e rd a m g r a mp r o t o c 0 1 ) 和t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 应用最为广 泛。两者各有优劣：u d p 提供无连接的不可靠传输，效率高，但是可靠性不高； t c p 提供面向连接的可靠传输，可靠性高，但是效率不及u d p 。鉴于矿井数据 监控对通信数据要求的不同，可选择灵活选择u d p 或t c p 作为通信协议。 但是，倘若整个井下监控网络均采用t c p d p 协议组网，也存在着成本过高， 整个网络复杂，软硬件实现困难，难以保证系统有效运行的问题。因此数据采 集分站与井下监控模块之间不宜用t c p i p 协议组网。 2 、c a n 总线的应用 ， 目前，我国煤矿监控系统信息传输中广泛采用串行通信总线，主要有 r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 或基于上述的调制解调器传输方式等。现有监控系统在信息传 输方面尚存在许多无法克服的缺点，主要表现在：监控系统种类繁多，但均为 主从式结构，网络上只能有一个主节点一中心站，无法构成多主冗余系统；现 有各种形式的分站，包括一些固定式智能传感器均是在同一水平上开发的，功 能相似，但缺乏统一的规范和通信协议；可靠性低、实时性差，难于实现有实 时性测控功能的要求【5 】【6 j 。 c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 总线正是现今流行的一种较为先进的、性能 出色的现场总线技术，被公认为是最有前途的现场总线之一1 7 】。 但是，如果c a n 总线也存在着组网时各节点i d 标识唯一，不能够动态分 布节点的缺陷，无法实现网络节点的动态分配与增减，不适合矿井对数据采集 分站增减的需要。如果运用现有的c a n 总线的应用层协议，如c a n o p c n 等， 虽然可以解决动态节点分布问题，但是应用层协议本身过于复杂，对软件设计 要求过高。 由于数据采集分站会随着工程的进行而进行增减，所以它与井上监控中心 之间采用t c p h p 组网：而与数据采集分站配套的现场各个监控模块个数在组网 之时基本确定，所以数据采集分站与现场各节点之间可采用c a n 总线组网。 3 、引入嵌入式实时操作系统肛c o s i i 的意义 单片机系统在程序设计上一般采用前后台方式或超循环方式( s u p e r - l o o p ) 峭j ， 如图1 - 1 所示。应用程序是一个无限的循环，在循环中调用相应的函数完成相应 的操作，这部分可以看成后台行为( b a c k g r o u n d ) 。而中断服务程序负责处理异步 事件，这部分可以看成前台行为( f o r e g r o u n d ) 。后台也可以称为任务级，前台也 武汉理工大学硕士学位论文 叫中断级。时间相关性很强的关键操作( c r i t i c a lo p e r a t i o n ) 是靠中断服务程序保证 的。因为中断服务程序提供的信息一直要等到后台程序运行到该信息处理的这 一步时才能得到处理，所以这种系统在处理信息的及时性上，比实际可以做到 的要差。 卜后台一卜一前台一 蕊阑 _ + 墨二 圆二 i s r 霞圆 丁 时间 黧= 豳i s r 翟黝一 图1 1 前后台式应用 这个指标称作任务级响应时间。最坏情况下的任务级响应时间取决于整个 循环的执行时间。因为循环的执行时间不是常数，程序经过某一特定部分的准 确时间是不能确定的【9 】。因此，如果程序被修改了，镛环的时序也会受到影响。 而随着嵌入式系统的不断发展，系统应用变的越来越复杂，系统可能要同 时监测、控制多个外部设备，要求较高的实时性，有多个任务要处理，如果在 这种情况下在系统软件设计上仍然采用上述的传统方式，就会在中断相应与任 务管理方面出现问题。 作为嵌入式系统灵魂的嵌入式实时操作系统( r e a l - t i m ee m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e m ，r t o s ) 是嵌入式系统发展到一定阶段的产物，它与通常意义上的操作系 统有一定的区别。嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软件和硬件资源的分 配、调度工作，控制和协调并发活动，它必须体现所在系统的特征，能够通过 装卸某些模块来达到系统所要求的功能。所有的任务都在操作系统( o p e r a t i o n s y s t e m , o s ) 上运行，由操作系统管理各个任务。嵌入式操作系统具有小巧、实 时性、移植性好、可装卸、可固化代码、强稳定性与高可靠性的特征f l o l 。 数据采集分站集数据采集、管理、传输等功能于一身，同时还要负责显示、 4 一 一 武汉理工大学硕士学位论文 掉电保护等任务。除此之外，还要实时分析矿井的各种状态数据并做出相应的 报警与现场处理。这么复杂的一个系统，如果采用传统的顺序结构编程思想， 将很难保证多个任务之间的协调执行，无法对各个对象的实时信息以足够快的 速度处理并做出快速响应；其程序设计的复杂性也将大大提高，不利于程序的 后期维护和修改。实时操作系统具有系统的可确定性，即系统能对运行情况的 最好和最坏等情况做出精确的估计。其实时性保证可以达到或接近理论上可以 达到的最好水平，系统能及时响应外部异步事件的请求，在规定的时间内完成 对该事件的处理，从而可以使系统更加稳定。 在数据采集分站引入嵌入式实时操作系统的另个主要优点是可以提高系 统的可靠性。在系统设计时，从软硬件两方面考虑，提高其电磁兼容性( e m c ) 的能力，传统的软件开发方式大都采用前后台系统，这种前后台系统在遇到强 干扰时，程序在任何一处产生死循环或破坏都会引起死机，只能依靠软硬件处 理复位，重新启动系统；而对于r 1 o s 管理的系统，这种干扰可能只是引起若干 任务中的一个被破坏，可以用另外的任务对其进行修复。 在确定引入嵌入式实时操作系统之后，剩下的工作就是如何选择_ 种适合 自己的实时操作系统。基本上，嵌入式操作系统分为商用和源码公开两种l l i 】。 商用的r t o s 软件价格昂贵，有的还对开发出来的产品按件收费，且代码庞大， 所以在一定程度上限制了r t o s 的使用与推广。源码公开的嵌入式实时操作系统 i , t c o s i i 由于其性能和价格上面的优势而成为了一个不错的选择。因此，本课 题从实际情况出发，选择肛c o s i i 作为实时操作系统，让它管理各个应用程序 进而达到提高系统性能的目的。 4 、主控芯片的选择 由于方案中需移植t c p i p 协议栈与心0 s i i 操作系统，则对主控芯片的存 储空间与处理速度有要求。n x p 公司的a r m 7 芯片l p c 2 2 9 2 具有2 5 6 k b 片内 f l a s h 能够满足存储需求。同时，该芯片具有总线扩展功能，能够扩展片外r a m ， 满足移植操作系统中对r a m 的需求。 同时，l p c 2 2 9 2 具有丰富的资源，如s c i ，s p i ，1 2 c ，多个外部中断源等， 能够满足系统的需求。l p c 2 2 9 2 还嵌入有c a n 控制器模块，又使得整个设计更 为简化。 因此，本文选择l p c 2 2 9 2 为主控芯片。 综上所述，可以得出煤矿矿级安全监控系统的主要组成。数据采集分站采 武汉理工大学硕士学位论文 用a r m 7 芯片l p c 2 2 9 2 为主控芯片，与监控中心之问通过t c p i p 通信，与井 下监控模块之间通过c a n 通信。采用基于操作系统l a c o s 1 i 的软件设计，以提 高整个设计的稳定性与扩展能力。如图1 2 所示，为煤矿矿级安全监控系统组成 框图。其中，监控中心与上级相关部门之间采用i n t e r n e t 、g p r s 等多种通信渠 道保证通信畅通、及时。 上级相关部门 勰 图1 2 矿级煤矿安全监控中心系统组成框图 井下监控模块负责采集现场监控数据( 如c o 、瓦斯、温度、湿度等) ，通 过c a n 网络，或者直接传送数据给数据采集分站，或者判断数据之后，传送状 态量给数据采集分站。如图1 - 3 ，在此以瓦斯监控模块为例，简单给出监控模块 结构框图。 c a n 簋线 图1 3 井下c o 监控模块结构框图 由于煤矿矿井安全要求极高，本设计中涉及电气方面均以相关国家标准 ( g b 3 8 3 6 ，g b l 2 1 7 3 等) 为指导，严格按照相关要求进行选材。本文中不再特 别进行论述。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 矿井数据采集分站的组成与功能 1 、矿井数据采集分站的组成 图1 - 4 为数据采集分站的组成框图。矿井数据采集分站的主要由以太网 信、c a n 通信、现场应急、现场显示几部分组成。 以太网 c a n 总线 图1 4 数据采集分站的主要组成框图 2 、矿井数据采集分站的主要功能 1 ) 自检功能 数据采集分站在通电开始工作时， 信号或显示屏显示方式指示工作正常， 方式指示故障信息。 2 ) 数据通信功能 应首先进行自检，自检正常后应以绿 如有故障则应以红闪信号及显示屏显 数据采集分站能够按照数据通讯协议的要求通过c a n 接口、以太网接口 外部环境进行通信，实现数据的交互。而这也是数据采集分站的重要功能之一 对井上监控中心来说，它起到了一个t c p 通信服务器端的功能；对于井下监 模块，它同样作为现场总线上到一个节点，在总线上接收和发送数据，达到 各个监控模块通信的目的。 3 ) 数据采集功能 数据采集分站能够对井下各个监控模块实时传输的数据进行存储，整合 按照具体要求传送给井上监控中心。 4 ) 数据处理功能 数据采集分站能够按照具体要求，对所采集到的数据实时的进行处理， 在出现报警的情况下采取现场应急措施。 7 武汉理工大学硕士学位论文 5 ) 数据显示功能 数据采集分站的显示面板能准确显示各类信息，包括正常工作、故障代码、 实时日期以及各类现场重要参数的显示等。 6 ) 参数存储与修改功能 数据采集分站具有对主要参数( 如矿井号、采集分站i p 地址，合理管理权 限配置等) 存储与修改功能，便于采集分站的合理管理与有效运行。 s 武汉理工大学硕七学位论文 第2 章t o p ip 协议 2 1t c p i p 体协结构 t c p i p 协议就是i n t e m e t 网络专用的通信协议，它实际上是一个协议集 ( i n t e r a c tp r o t o c o ls u i t e ) 。由于t c p 和i p 在这个协议集中最著名，所以人们往 往将其简称为t c p ，i p 。 t c p i p 协议集具有分层的结构，通常被认为具有4 层结构：应用层、运输 层、网络层和链路层，图2 1 为t c p 仃p 四层结构示意图。t c p ，i p 的应用层相当 于o s i 七层协议的上三层。 h r r p 、f 1 p 、e m a i l 等 t c p 、u d p 、l c m p 、l g m p 等 设备驱动程序及接口卡 图2 1t c p i p 四层结构示意图 1 ) 链路层，有时也称作数据链路层或网络接口层，通常包括操作系统中的 设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。它们一起处理与电缆( 或其他任 何传输媒介) 的物理接口细节。t c p i p 支持多种不同的链路层协议，这取决于 网络所使用的硬件，如以太网、令牌环网、f d d i ( 光纤分布式数据接口) 等。 2 ) 网络层，有时也称作互联网层，处理分组在网络中的活动，例如分组的 选路。在t c p i p 协议族中，网络层协议包括i p 协议( 网际协议) ，i c m p 协议 ( i n t e m e t 互联网控制报文协议) ，以及i g m p 协议( i n t e m e t 组管理协议) 。 3 ) 运输层，主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信，负责两点之 间的连接，建立一条无差错的点到点通信信道，管理数据传输服务，它使用多 路复用或分流的方式优化网络的传输性能。当传输层出现故障时，它还能对故 障进行恢复。 4 ) 应用层负责处理特定的应用程序细节，位于传输层之上，提供了许多通 用的应用程序协议，如h 丁r p ，f r p 等。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 以太网的m a c 层 以太网这个术语一般是指数字设备公司( d i g i t a le q u i p m e n tc o r p ) 、英特尔 公司( i n t e lc o r p ) 和x e r o x 公司在1 9 8 2 年联合公布的一个标准。它是当今t c p i p 采用的主要的局域网技术。它采用一种称作c s m a c d 的媒体接入方法，其意 思是带冲突检测的载波侦听多路接入( c a r r i e rs e n s e ，m u l t i p l ea c c e s sw i t h c o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 。它的速率为1 0 m b s ，地址为4 8 b i t 。 最常用的以太网- 协议是i e e e 8 0 2 3 标准1 3 1 i t 4 1 。符合i e e e8 0 2 3 标准的以太 网帧的长度一般介于6 4 字节与1 5 1 8 字节之间。它们由五个或六个不同的字段 组成，这些字段分别是：目标m a c 地址、源m a c 地址、类型长度字段、数据 有效负载、可选的填充字段和循环冗余校验( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ，c r c ) 字段【l 朋。另外，当通过以太网介质发送数据包时，一个7 字节的前导字段和一 个字节的帧起始定界符将被附加到以太网数据包的开头。图2 - 2 给出了以太网数 据包格式。 ， 字节数86624 6 1 5 0 0 4 卜一m a c 帧一 图2 2 以太网数据包格式 对于长度类型字段，若其值小于m a c 帧的数据最大长度1 5 0 0 时，这个字 段就表示m a c 帧的数据字段长度；若其值大于0 x 0 6 0 0 ( 相当于十进制的1 5 3 6 ) 时，则这个字段表示类型。比如，如果表示传递i p 数据报，则该字段为0 x 8 0 0 0 。 当m a c 用户数据字段的长度小于4 6 字节时，则应加以填充( 内容不限) 至4 6 字节。另孙，对于无效的m a c 帧就简单地丢弃，以太网不负责重传。 2 3t c p l p 协议 t c p i p 协议是一个协议集，其中包含了从链路层到应用层各层的不同的驱 动与协议。本文按照实现的过程，简单介绍在实现t c p i p 通信过程中涉及的主 要协议。 i o 武汉理工大学硕十学位论文 l 、i p 协议 i p ( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 是t c m 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i p 数据报格式传输。i p 提供不可靠、无连接的 数据报传送服务。不可靠的意思是它不能保证i p 数据报能成功地到达目的地； 无连接这个术语的意思是i p 并不维护任何关于后续数据报的状态信息。图2 3 为i p 数据报格式。 048 1 6 1 93 l 版本首部长度服务类型 总长度 标识标志片偏移 生存时间协议 首部校验和 源i p 地址 目的i p 地址 选项( 如果有) 数据部分 图2 3m 数据报的格式 2 、a r p 协议 由于i p 地址为4 b y t e ，而局域网硬件地址为6 1 3 y t e ，因此它们之间不能简单 的映射。在主机中存有一个从i p 地址到硬件地址的映射表，并且这个映射表还 必须能够经常动态更新。地址解析协议a r p ( a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c 0 1 ) 很好 地解决了这个向题：每一个主机都设有一个a r p 高速缓存，里面有所在的局域 网上的各主机和路由器的i p 地址以及对应硬件地址的映射表，这些都是该主机 目前知道的一些地址。 。 a r p 的工作原理如下：每一个主机都应有一个a r p 高速缓存，其中有i p 地址到物理地址的映射表，这些都是该主机口前知道的一些地址。当主机a 欲 向本局域网上的主机b 发送一个i p 数据报时，先在其a r p 高速缓存中查看有 无主机b 的i p 地址。如有，就可查出其对应的物理地址，然后将此物理地址写 入m a c 帧，然后通过局域网发送出去。若查不到主机b 的i p 地址，这可能是 主机b 才入网，也可能是主机a 刚刚启动，其高速缓存还是空的。这时主机a 就自动运行a r p ，发送a r p 请求分组，主机b 收到后响应并附上自己的物理地 址，主机a 在a r p 高速缓存中写入主机b 的i p 地址到物理地址的映射。图2 - 4 为a r p 请求应答分组格式。 分 吩t蒜上螂 同旺 可 下i_f部iil上 武汉理工大学硕士学位论文 l 目的端发送端帧硬件协议选发送端发送端目的端目的 m a c t t l 址m a c 地址类型 类型类型 项m a c 地址 1 p 地址m a c 地址i p 地址 66222ll26464 卜一以太同首部蚪一一2 8 字节a r p 请求，应答叫 图2 - 4 用于以太网a r p 请求应答分组格式 3 、i c m p 协议 i c m p ( i n t e r n e tc o n t r o lm e s s a g e sp r o t o c 0 1 ) 因特网控制报文协议，实际上是 i p 的一部分，它也是通过l p 数据报传递的。图2 - 5 为i c m p 数据报格式。 i 二。i p 数据报| 图2 5i c m p 数据报格式 i c m p 提供了控制消息和差错报告传递机制，网关和主机均使用i c m p 将有 关数据报故障的报告传送回数据报的发送者。而且，它包含了回应请求，应答用 于判断某个目的站是否到达，硬件在可到达时是否有响应。简化起见，在此仅 给出最常见的回应请求应答报文格式，用户命令p i n g 便是利用此报文来测试 目的机的可到达性。图2 - 6 为i c m p 回显请求与应答格式。 类型代码校验和 标识符 序号 选项数据 lt 8 字节 上 图2 - 6i c m p 回显请求与应答格式 4 、u d p 协议 u d p 称为用户数据报协议，它是运输层能替换t c p 的重要协议之一。u d p 是简单的无连接协议，它仅提供给i p 层端口号和i p 地址，而不对原始数据进行 分段处理，所以不记忆信息的顺序。u d p 在某些应用场合是相当有效的。比t c p 武汉理工大学硕+ 学位论文 协议效率更高。其格式如图2 7 所示。 字节数4 4 il2 字节数 、 ! ! c = ：兰： !兰 i 伪首部1 源端口i 目的端口l 长度l 校验和 图2 7u d p 数据报格式 u d p 有两个字段：数据字段和首部字段。首部字段很简单，只有8 个字节， 由4 个字段组成，每个字段都是两个字节。 u d p 数据报首部的校验和的计算方法有些特殊。在计算校验和时，在u d p 数据报之前要增加1 2 个字节的伪首部，伪首部并不是u d p 数据报真j 下的首都， 只是在计算校验和时，临时与u d p 数据报连接在一起，形成一个过渡的u d p 数据报。校验和就是按照这个过渡的u d p 数据报来计算的。 伪首部的第l 、2 字段分别是源i p 地址和目的i p 地址；第3 个字段全是0 ： 第4 个字段是i p 首部中协议字段的值，对于u d p ，此协议字段值为1 7 ；第5 个字段是u d p 数据报的长度。伪首部在t c p 传输中也要用到，其格式跟u d p 伪首部基本一样。唯一不同的是协议字段值为6 ，表示是t c p 协议。 5 、t c p 协议 t c p 是面向连接的协议，连接的建立和释放是每一次面向连接的通信中必 不可少的过程。连接的管理是使连接的建立和释放都能正常地进彳亍【挖l 。 t c p 和u d p 不同，它向应用层提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。 连接是指发送数据前，发送方要向接收方发送建立连接的请求，然后等待接收 方发送确认和接收方的连接请求，发送方再发送给对方一个连接请求确认，这 是一个连接的建立，也称三次握手。可靠是指连接建立后，发送方开始向对方 发送数据，每发一个分组，就要等待分组被接收的确认。如果收到，就发下一 个分组；如果在规定时间内没有收到确认，就要重发。图2 _ 8 为t c p 确认重发 机制示意图。 武汉理工大学硕士学位论文 发送数据1 接收确认1 发送数据2 接收确认2 发送数据3 重发数据3 接收确认3 接收数据l 发送确认l 接收数据2 发送确认2 接收数据3 发送确认3 图2 8t c p 确认重发机制示意图 t c p 数据报格式分为报文首部和数据两部分，每个数据报均以固定格式的 2 0 字节的首部开始，固定的首部后面可能是报头的一些可选项，图2 - 9 为t c p 数据报首部格式。 源端口 目的端口 序号 确认号 首部长度 保留窗口 校验和 紧急指针 选项( 如果有)填充 图2 - 9t c p 数据报首部格式 1 ) 源端口和目的端口，它们分别标识出本地和远端的连接点地址； 2 ) 序号，是本数据报所发送的数据部分第一个字节的序号。在t c p 传输的 数据流中，每一个字节都有一个序号； 3 ) 确认序号，是期望收到对方下次发送数据的第个字节的序号，这可以保 证当序号重复使用时，旧序号的数据早已在网络中消失了； 4 ) 首部长度，指出数据开始的地方距离t c p 报文段的起始有多远； 5 ) 保留，供今后使用； 6 ) 控制字段，紧急比特u r g 、确认比特a c k 、急迫比特p s h 、重建比特 r s t 、同步比特s y n 、终止比特f i n ； 7 ) 窗口，设定源端口接收缓冲区的大小，来控制目的端口到源端口流量； 1 4 t i 蒜i 上脚 t豁上一 tlf上 武汉理工大学硕十学位论文 8 ) 校验和，该字段校验的范围包括首部和数据这两部分； 9 ) 紧急指针，记录了t c p 数据报中为紧急数据的字段。只有当u r g 标志 置1 时紧急指针才有效。 1 0 ) 选项，长度可变。 使用t c p 协议，必须建立并维持一个连接以提供数据的流动。通过在两个 站点问建立连接，提供给流入的数据一个适当的缓冲区域。站点a 与站点b 通 信，它首先建立允许序列号的同步和确认的两个站点的连接。t c p 标志之一是 s y n 位，用来显示连接建立时初始化序列号，通知接收者将它的检错手段与序 列号进行同步。因此，站点a 随s y n 和序列号发送t c p 段给站点b 。站点b 发送确认值s y n + i 进行响应，显示下一个所期望接收的序列数。站点b 会发送 自己的序列号a c k 给站点a 。站点a 发送a c k + l 进行确认。这样就建立了两 个连接。连接一旦建立，以站点a 逐一将序列号加l 及站点b 进行确认的方式， 站点a 将数据传送至站点b 。两个连接同时建立的这种方式就是全双工连接， 一个是a 到b 的连接，另一个是b 到a 的连接，这些连接保持建立直到终止。 所要求的数据传送一旦完成，两个连接必须终止以清空两个站点中的缓冲区域。 这有个标志f i n ，用来终止连接。站点a 带有编有一个序列号的f i n 标志的t c p 段。站点b 确认该要求，一旦确认被站点a 接收，自a 到b 的连接终止。这并 不表明自b 到a 的连接终止了。因此必须用同样方式终止全双工连接。 使用t c p 通信的两个程序可以使用关闭操作来结束会话。t c p 协议内部使 用改进的三次握手来关闭连接。t c p 连接是全双工的，可以看作两个不同方向 数据流的独立传输。当一个应用程序通知t c p 设计己发送完毕时，t c p 将单向 地关闭这个连接。为了关闭自己一方的连接。发送方地t c p 送完剩下的数据之 后等待确认，然后再发送一个将码元字段地f 1 n 置1 的报文段。接收方的t c p 软件对f i n 报文段进行确认，并通知本地的应用程序：整个通信已经结束，后 面再也没有数据了。 一旦在某个方向上的连接已经关闭，t c p 就拒绝该方向上的数据。这时， 在相反方向上，发送方还可以继续发送数据，直到发送方关闭连接。当然，尽 管连接己经关闭，确认信息还是会反馈给发送方。当连接的两个方向都已经关 闭后，该连接的两个端口的t c p 软件就会删除这个连接的记录。 流量控制指在两个站点间管理数据传送。根据站点的角色，是客户机还是 服务器，或是处理的能力，站点有时并不能与网络通讯同步。为减慢处理速度， 武汉理工大学硕士学位论文 t c p 报头有一个窗口字段。接收方在窗口字段中设置一个数值通知发送方它会 接收数据的多少字节。窗口是动态的且窗口会随着接收方缓冲空间的增加而增 加。窗口为零时停止传送。发送方仍然有重要的信息要通讯的情况下，会在紧 急指针字段中发送一个带有标志位置u r g ( 紧急) 标志的段，这表明了以下是 紧急数据的第一个字节。接收方应该一直提供空间给紧急的数据。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章采集分站系统硬件的设计与实现 3 1 硬件系统组成 如图3 - 1 所示，硬件系统由主控芯片及外扩存储器、t c p i p 通信模块、重 要参数存储与修改模块( e 2 p r o m 、逻辑加密卡、串口通信) 、c a n 总线通信模 块、现场显示模块( l c d ) 电源与复位电路组成。 图3 1 数据采集分站硬件系统组成 与已有方案的硬件设计相比，本方案采用a r m 芯片作为主控芯片，在性能 上远远优于采用8 位_ 1 6 位单片机作为主控芯片的系统的性能。t c p i p 通信模块 实现了t c p i p 通信。采用内嵌c a n 模块，使得整个设计电路简单，性能更加 稳定。同时，设计了多种修改参数的途径，如串口通信方式和逻辑加密卡读写 方式，十分方便硬件的移植使用，提高整个系统的可移植性与保密性。 3 2 主控芯片及外扩存储器 l 、主控芯片 主控芯片采用n x p 公司的a r m 7 芯片l p c 2 2 9 2 。l p c 2 2 9 2 是基于支持实时 仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s t mc p u ，内部有1 6 k b 的r a m ，并带有 2 5 6 k b 内嵌的高速f l a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构， 武汉理工大学硕十学位论文 使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用 1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ，而性能的损失却很小。由于l p c 2 2 9 2 的1 4 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、8 路1 0 位a d c 、2 路c a n 、 p w m 通道以及多达9 个外部中断使它们特别适用于汽车、工业控制应用以及医 疗系统和容错维护总线。l p c 2 2 9 2 包含7 6 ( 使用了外部存储器) 1 1 2 ( 单片) 个g p i o 口。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、 协议转