（机械制造及其自动化专业论文）机电监控中嵌入式系统相关理论及应用研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要 嵌入式系统在现代机电监控中起着极其重要作用，它是各种智能传感器、高 性能检测与控制设备、网络与信息化控制的技术基础。机电监控中嵌入式系统的 应用水平和普及程度在一定程度上决定了机电监控技术的整体水平。本文围绕嵌 入式系统在机电监控领域的应用，依托国家自然科学基金等项目，按照“研究相 关理论、突破关键技术、实现工程应用”的技术路线，在对其相关理论进行分析、 研究和总结基础上，重点对若干关键问题进行了研究，并完成了三个典型工程应 用项目。论文的具体研究工作如下： 1 围绕嵌入式系统应用于机电监控领域的相关问题，分析、研究和总结了 现代机电监控网络、网络环境下的机电监控系统、机电监控中的嵌入式系统、以 及嵌入式系统软硬件协同设计方法等的相关理论，为嵌入式系统在监控领域应用 提供理论基础和依据。 2 针对困扰光纤光栅传感器应用的高性能解调问题，提出了基于嵌入式技 术解决多通道光纤光栅高速解调的基本方法和嵌入式系统结构，研究了多通道、 多点光纤光栅高速解调的实现原理和关键技术，解决了系统实现过程中高速信号 检测、实时数据处理与传输、多解调速率自动适应、扫描电压自动跟踪、测量时 间同步、系统硬件软件设计等系列技术问题，设计和实现了分布式多通道多点光 纤光栅嵌入式高速解调系统。 3 针对嵌入式控制系统的设计问题，提出了类p l c 概念，研究了类p l c 的体系结构、技术组成与应用问题，以及类p l c 与现有工业标准兼容和控制程 序自动生成问题，设计和实现了类p l c 嵌入式阀门控制基本系统及其应用开发 环境，解决了大型工业阀门控制中应用嵌入式系统所遇到的个性化设计问题。类 p l c 为解决嵌入式控制系统的设计问题提供了一种通用且实用的新方法。 4 针对嵌入式监控系统在特殊环境下的通信和组网问题，提出了一种现场 实时监测专用逻辑令牌环网，研究和设计了一种通信效率高、系统软硬件开销小、 网络自维护能力强、方便使用的通信协议。应用此协议，设计和实现了铁路道岔 液压转辙机工作状态实时监测系统。 论文的研究工作对促进嵌入式系统在机电监控领域的应用，提高机电设备的 智能化、网络化与精密程度，加强我国机电行业竞争能力有着积极作用。 关键词：嵌入式系统；机电监控；监控网络：高速解调：类p l c 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t t h ee m b e d d e ds y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nm o d e me l e c t r o m e c h a n i c a l m o n i t o r i n ga n dc o n t r 0 1 i ti s t h et e c h n o l o g yf u n d a m e n to fi n t e l l e c t u a l s e n s o r s ， a d v a n c e dm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ld e v i c e s ，a n dn e t w o r k - a n d i n f o r m a t i o n b a s e dc o n t r o l t e c h n o l o g y t oac o n s i d e r a b l ee x t e n t ，t h eo v e r a l lp e r f o r m a n c ea n dp o p u l a r i t yo f e l e c t r o - m e c h a n i c a lm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m sd e p e n d so nt h eq u a l i t ya n d p o p u l a r i t yo ft h ee m b e d d e ds y s t e me m p l o y e d t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h ，w h i c hi s p a r to fn a t i o n a lr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o j e c t s ，f o c u s e so nt h ea p p l i c a t i o no ft h e e m b e d d e ds y s t e mi ne l e c t r o - m e c h a n i c a lm o n i t o r i n ga n dc o n t r o lt e c h n o l o g y i ti s g u i d e db yt h er e s e a r c hp h i l o s o p h yo f “s t u d yr e l a t e dt h e o r i e s ，s t r i v ef o rc r i t i c a l t e c h n o l o g i c a lb r e a k t h r o u g h s ，a n dr e a l i z ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ”b u i l d i n gu p o nt h e a n a l y s i s ，r e s e a r c ha n ds y n t h e s i so fr e l a t e db a s i ct h e o r i e s ，w eh a v ei n v e s t i g a t e ds o m e c r i t i c a lt e c h n o l o g i c a lp r o b l e m sa n dc o m p l e t e dt h r e et y p i c a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n p r o j e c t s as u m m a r yo f t h es p e c i f i ca s p e c t so f t h ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c hi sa sf o l l o w s ： 1 f o c u s i n go nt h ea p p l i c a t i o no ft h ee m b e d d e ds y s t e mi ne l e c t r o m e c h a n i c a l m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ，w eh a v ea n a l y z e da n ds t u d i e dm o d e me l e c t r o - m e c h a n i c a l m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ln e t w o r k s ，m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m si ns u c hn e t w o r k s ， t h eu s eo ft h ee m b e d d e ds y s t e m ，a n dt h ea p p r o a c h e st ot h eh a r d w a r e s o f t w a r e c o - d e s i g no ft h ee m b e d d e ds y s t e m s w eh a v es u m m a r i z e da n ds y n t h e s i z e dt h e r e l a t e dt h e o r i e s ，p r o v i d i n gat h e o r e t i c a lb a s i sf o rf u r t h e ra p p l i c a t i o no ft h ee m b e d d e d s y s t e mi ne l e c t r o - m e c h a n i c a lm o n i t o r i n ga n dc o n t r 0 1 2 t om e e tt h er e q u i r e m e n to fh i 【g hp e r f o r m a n c ed e m o d u l a t i o ni nf i b e rg r a t i n g s e n s o ra p p l i c a t i o n s ，w eh a v ep r o p o s e da no r i g i n a lm e t h o do na p p l y i n gt h ee m b e d d e d s y s t e mt e c h n o l o g y t os o l v et h ep r o b l e mo fh i g h s p e e d d e m o d u l a t i o no f m u l t i c h a n n e la n dm u l t i n o d ef i b e rg r a t i n gs i g n a l s ( h s d m m f g s ) ，a n dd e s i g n e da f r a m e w o r ko ft h ee m b e d d e ds y s t e mf o rs u c ha p p l i c a t i o n b yr e s e a r c h i n gt h e p r i n c i p l e sa n dt h e c r i t i c a lt e c h n i q u e so fh s d m v i f g s ，as e r i e so fp r o b l e m sa r e a d d r e s s e da n ds o l v e df o rt h er e a l i z a t i o no ft h es y s t e m ，i n c l u d i n gh i g hs p e e ds i g n a l d e t e c t i o n ，r e a l t i m ed a t ap r o c e s s i n ga n dt r a n s m i s s i o n ，s e l f - a d a p t a t i o nf o rm u l t i s p e e d d e m o d u l a t i o n ，a u t o t r a c kt os c a n n i n gv o l t a g e ，s y n c h r o n i z a t i o no ft i m em e a s u r i n g ，a n d s y s t e mh a r d w a r ea n ds o r w a r ed e s i g n b a s e d o nt h e s ea c h i e v e m e n t s ，w eh a v e d e s i g n e da n dr e a l i z e dad i s t r i b u t e dh s d m m f g ss y s t e m 3 t oa d d r e s st h ed e s i g no f t h ee m b e d d e dc o n t r o ls y s t e m ，w eh a v ei n t r o d u c e dt h e q u a s i - p l cc o n c e p t ，s t u d i e dq u a s i p l cs y s t e mf r a m e w o r k s ，t e c h n i c a ls t r u c t u r e sa n d t h e i ra p p l i c a t i o n s ，a sw e l la sc o m p a t i b i l i t yb e t w e e nq u a s i p l cm a de x i s t i n gi n d u s t r i a l s t a n d a r d sa n dh o wt oa u t o - m a k et h ec o n t r o lp r o g r a m w eh a v ed e s i g n e da n d 一 武汉理工大学博士学位论文 i m p l e m e n t e daq u a s i - p l ce m b e d d e dv a l v e c o n t r o ls y s t e ma n di t sa p p l i c a t i o n d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t t h eq u a s i p l cp r o v i d e sag e n e r a la n dp r a c t i c a ln e w m e t h o df o ra d d r e s s i n gav a r i e t yo f d e s i g np r o b l e m so f t h ee m b e d d e dc o n t r o ls y s t e m 4 t oa d d r e s st h ep r o b l e mo fc o m m u n i c a t i o na m o n ga n dg r o u p i n go fe m b e d d e d m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m su n d e rs p e c i a lc o n d i t i o n s ，w eh a v ep r o p o s e da d e d i c a t e dl o g i c a lt o k e nr i n gn e t w o r kf o rr e a l t i m ef i e l dm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ，a n d d e s i g n e dac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lc h a r a c t e r i z e db yh i g hc o m m u n i c a t i o ne f f i c i e n c y , l o wc o s ts y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，1 1 5 【g hs e l f - m a i n t e n a n c ea b i l i t y , a n de a s ef o r i m p l e m e n t a t i o n u s i n gt h i sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，w eh a v ed e s i g n e da n dr e a l i z e da r e a l t i m em o n i t o r i n gs y s t e mf o raf l u i d d r i v e nr a i l w a yb r a n c hs h i f t e r t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c hc o n t r i b u t e ss i g n i f i c a n t l yt of u r t h e r i n gt h ea p p l i c a t i o n o ft h ee m b e d d e ds y s t e mi ne l e c t r o m e c h a n i c a lm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ，i m p r o v i n gt h e i n t e l l i g e n c e ，n e t w o r ka b i l i t ya n dp r e c i s i o no fe l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n t s ，a n d e n h a n c i n gt h ec o m p e t i t i v e n e s so f 血ec h i n e s ee l e c t r o m e c h a n i c a li n d u s t r y k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，e l e c t r o m e c h a n i c a lm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ， m o n i t o r i n ga n d c o n t r o ln e t w o r k ，h i g hs p e e d d e m o d u l a t i o n ，q u a s i p l c 独创性声明 本人声明，所呈交的论文足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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期 渺6 十，瞎 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) 繇秘聊躲贮脚出s 武汉理工大学博士学位论文 1 1 论文工作背景 1 1 1 项目来源 第1 章绪论 本学位论文的研究工作主要得到如下项目的资助： ( 1 ) 国家自然科学基金重点项目( 5 0 3 3 5 0 2 0 ) ：网络环境下的数字制造理 论与关键技术； ( 2 ) 教育部重点项目：基于f p s o c 的嵌入式微控器研究与设计( 0 3 1 2 0 ) ： ( 3 ) 武汉市计委产业化项目( 武计高技 2 0 0 3 1 4 8 8 号文) ：基于嵌入式和光 纤传感技术的智能监控系统研究与产业化开发： ( 4 ) 武汉市重点科技攻关项目( 2 0 0 4 1 0 0 1 0 0 7 ) ：嵌入式光纤传感监控系统 研究与开发。 1 1 2 研究目的与意义 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，适 应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求，嵌入到应用对象中 的专用计算机系统。嵌入式系统所具有的“嵌入”、“专用性”和“计算机”特 点给应用对象发挥其功能、性能和作用提供了强大的技术支持，甚至引起应用 领域的革命性变化。嵌入式系统在工业控制、仪器仪表、民用消费、航空航天、 汽车、通信等领域得到广泛应用，是计算机在继网络技术之后，又一个新的技 术和应用发展方向。美国汽车大王福特公司的高级经理曾宣称，福特出售的“计 算能力”已超过了i b m ，由此可以想见嵌入式系统应用的规模和广度。根据美 国嵌入式系统杂志报道，2 1 世纪初的十年中，全球嵌入式系统市场需求量具有 比个人计算机p c 市场大1 0 至1 0 0 倍的商机。嵌入式系统已逐渐代替p c 机， 成为引领世界经济潮流的高新技术产业。 机电监控是工业生产、机电产品、公共设施等众多应用领域广泛需求的应 用技术。如自动化生产过程( 车间、工厂) 、现代汽车工作过程、大型输油输气 管线远程监测与调度综合管理等，都离不开各式各样机电监控系统的配合。机 电监控技术越来越深刻地影响着相应领域的效率和水平。 武汉理工大学博士学位论文 如何提高机电设备、装置和系统的智能性、可靠性、精密性、兼容性、易 操作性、可管理性等，一直是我国机电产品厂商重点关注的问题。我国机电产 品竞争能力不强，特别是一些精度高和智能化程度高的机电产品，严重依赖进 口，其中核心问题之一是相应的机电监控技术直未能很好解决。 嵌入式系统在现代机电监控中起着极其重要作用，它是各种智能传感器、 高性能检测与控制设备、网络与信息化控制的技术基础。对于机电监控领域长 期关注的高速、高精度测量和精密控制问题，以及各种机电产品、设备、系统 在网络化、信息化、智能化、多功能化、先进性等方面不断提出的新要求，嵌 入式系统可为解决这些问题和要求提供有效方法和技术手段。 在机电监控中，嵌入式系统是最核心和最关键的部分之一，也是自主创新 的关键点。我国机电控制和计算机行业过去未能赶上世界范围技术发展的前几 次机遇。在我国开始走上科技兴国的道路时，i n t e l 、m i c r o s o f t 、s i e m e n s 等超级 公司已处于世界垄断地位，我们被限制在小范围努力、徘徊。嵌入式系统面向 应用，由于应用领域的广泛性决定了嵌入式系统不可能像通用计算机p c 机那 样，技术和产品被少数公司全面垄断。因此，嵌入式系统被认为是一个不可垄 断、高度分散、具有机遇和挑战的工业技术和产业。 嵌入式系统给机电监控领域带来了机遇与希望，但将嵌入式系统应用于机 电监控领域又是一个复杂、综合的系统问题，涉及到机电应用、嵌入式系统设 计方法、嵌入式系统应用于工业环境的可靠性、安全性、兼容性等理论、关键 技术和各种具体应用问题。因此，机电监控中的嵌入式系统成为了嵌入式系统 研究和应用的一个重要方向，机电监控中嵌入式系统的应用水平和普及程度在 一定程度上决定了机电监控技术的研究和发展水平。 抓住嵌入式系统给机电监控领域带来的大好发展机遇，开展机电监控中嵌 入式系统的研究，以创造我国机电监控技术的飞跃发展。 1 1 3 研究目标 本文围绕机电监控中的嵌入式技术与系统为研究核心，具体针对以下目标： 1 机电监控及其嵌入式系统相关理论研究 现代监控系统建立在网络和智能设备基础上，嵌入式系统的应用可以使更 多设备具备智能性和网络通信能力，从而促进现代监控技术的快速提高和发展。 论文针对嵌入式系统应用于机电监控领域的相关问题，介绍和分析了现代机电 监控中使用的通信网络模型、在开放性互联规范下进行异构网络互联原理、网 络环境下的机电监控系统结构、机电监控中的嵌入式系统特点和组成结构、嵌 2 武汉理工大学博士学位论文 入式系统软硬件协同设计方法等，总结了机电监控及其嵌入式系统的相关理论， 提供了嵌入式系统在监控领域应用的理论指导和依据。 2 嵌入式系统应用于高速高精度测量 针对困扰光纤光栅传感技术应用的多通道光纤光栅高速解调问题，研究基 于嵌入式系统方法解决多通道光纤光栅高速解调的相关理论、系统结构、解调 方法和关键问题，解决实用解调系统实现过程中的f p 扫描电压自动跟踪、 多解调速率自动适应、高速检测数据的传输、嵌入式系统通信、分布式测量系 统的测量时间同步、解调系统的硬件和应用软件设计等系列技术问题，设计和 实现分布式多通道多点光纤光栅嵌入式高速实用解调系统。 3 嵌入式控制系统的设计方法 针对机电监控中嵌入式控制系统的设计问题，研究嵌入式控制系统设计的 类p l c 体系结构、技术结构和实现技术，为嵌入式系统在监控领域的应用和推 广提供了一个具有一般性的实用设计方法，并解决大型工业阀门中嵌入式控制 系统的设计问题。 4 嵌入式系统在特殊环境下的通信和组网 针对铁路道岔液压转辙机工作状态实时应用需要，研究在特殊环境下的嵌 入式监控系统通信和组网技术，具有要求通信远距离、对通信介质要求低、通 信协议效率高、系统软硬件开销小、具有自维护能力、方便使用等性质，并且 设计和实现液压转辙机工作状态实时监测系统。 1 2 相关研究领域及其发展现状 1 2 1 机电监控技术研究现状 在大规模化生产的早期，人们为了在生产中自动获取更多的信息或使机器 自动生产，仅仅只是通过安装在生产设备现场、具备简单测控功能的基地式仪 表或气动装置，其信号仅在本地仪表或设备内部起作用，一般不会传给其它仪 表或系统，各测控点只能成为封闭状态，无法与外界沟通信息，只能通过人工 生产现场巡视，了解和管理生产过程。 随着生产的需要和技术的发展，更多控制信息可以实现统一造作和管理。 这个阶段出现了气动电动单元组合式仪表、统一标准的模拟信号，如o 1 0 m a 、 4 2 0 m a 直流电流、1 5 v 直流电压信号，出现了集中控制室。模拟信号和控 制信号通过一对一的物理连接接入控制室，控制室可以纵观生产流程各处的状 3 一 武汉理工大学博士学位论文 况，可以把各单元仪表的信号按需要组成复杂控制系统。 模拟信号的传输要求高、容易受到干扰、信号变化慢、提高处理速度和精 度难度大。在计算机小型化后，人们开始寻求用数字信号取代模拟信号，用一 台计算机代替控制室所有仪表面板和操作开关，这时出现了集中式数字控制系 统。由于当时计算机稀少、价格高、可靠性很差，一旦计算机出现故障，会造 成整个系统瘫痪、生产停产的严重局面，导致这种集中式系统结构很难被生产 过程接受 1 “l o l 。 随着计算机可靠性提高、价格大幅下降、体积大幅减小，出现了微控制器、 可编程逻辑控制器p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 、数字调节器、工业控 制计算机，以及由多个计算机组成梯级的集中与分散相结合的集散控制系统 d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 。在d c s 系统中，测量变送仪表一般为模拟 仪表，因而，d c s 是一个模拟和数字混合的系统。d c s 较以前的各种控制系统 有了很大进步，可在此基础上实现装置级、车间级的优化控制。但是，由于d c s 在形成过程就存在系统封闭缺陷的影响，各d c s 厂家产品自成体系，不同厂家 设备不能互联在一起，难以实现互换和互操作，使得实现稍大范围的系统集成、 信息共享存在很多困难【l 。 广泛使用的现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 贝, t j 突破了d c s 系统封闭性缺陷。f c s 具有标准化、开放性和公开化的特点，可以把遵守同一 协议但不同厂商的检测和控制设备通过现场总线网络集成在一起，形成各种规 模的控制或监测系统，实现综合自动化和信息化的各种功能。f c s 将d c s 的集 中与分散相结合的集散系统结构，变成为新型的全分布式结构，将检测和控制 彻底下放到现场，而在现场则依靠设备的智能性实现基本控制。3 1 。 高速发展的网络和信息化继续带动着机电监控技术和相关企业、领域发生 变革，新型监控与管理一体化系统正在扩展和改变传统监控系统概念。将企业 的资源调度、市场营销、优化决策、产品设计、生产调度等网络化管理信息与 生产控制、状态监测等现场网络化监控互联在一起，形成网络化的企业、工厂 等。监控与管理一体化系统将为企业综合自动化与信息化创造有利条件：实时、 综合的信息为企业优化控制、生产调度、计划决策提供依据；为企业人力资源、 物力资源和设备资源提供协同工作条件；为设备远程控制、监测、诊断、维护、 更新提供手段【h 叫6 1 。监控与管理一体化系统可使监控系统能力指数发挥出更大 作用。图l 一1 示意了不同时期不同监控技术的能力指数j 。 嵌入式计算机系统、通信和网络技术是现代机电监控技术高速发展的巨大 技术支撑。嵌入式计算机系统的发展和广泛应用使传感单元、检测设备、控制 4 武汉理工大学博士学位论文 设备等的智能性、精确性和通信能力大为提高；通信和网路技术又使得这些现 场设备能够互联通信、互联控制。从而，实现各种功能和规模的现代监控系统 成为了可能。 图1 1 不同监控技术的能力指数 1 2 2 机电监控网络研究现状 机电监控也是一个信息采集、传递、处理、利用的过程，它的每一个发展 历程和变革与各个时期信息表达和交换范围、能力联系在一起，是一个与通信 网络的发展紧密相关的技术系统，尤其现代监控系统更是建立在通信网络的基 础上【2 】【1 15 1 。 自动控制的早期，信息用机械、气压、电信号、简单仪表等形式表达，在 动作回路内传递，只能实现一些基本动作的自动控制。将统一了标准的模拟信 号通过控制室或集中控制计算机进行集中控制，扩大的信息交互范围，也使监 控系统的能力提高到可以自动控制一个过程。 d c s 集散控制系统可以使多个独立控制小系统通过网络互联通信，信息交 互和通信网络扩大到生产线或车间级，从而也就可以使得一条生产线或一个车 间得到自动控制。d c s 部分信息仍然采用模拟量，各个厂商采用自成体系的通 信标准，使得只能使用同一厂商设备组成封闭性系统，这种先天缺陷限制了其 信息交互能力和互联范围，也限制了d c s 系统监控的最大能力。 f c s 现场控制系统基于现场总线通信网络，实现全数字化信息表示、通信 标准公开、系统开放，使得信息交互和互联范围扩大到更多厂商设备。f c s 通 信性能的提高也使得f c s 系统能够组成各种规模的现代化自动控制系统，并在 更大范围内获得广泛应用。 i n t e m e t 在影响人们日常生活方方面面的同时，也一样深刻影响着机电监控 一一 武汉理工大学博士学位论文 领域。i n t e m e t 中广泛使用的以太网( e t h e m e t ) 具有应用广泛、标准开放、技 术成熟、软硬件丰富、普及程度极高、通信速率高、组网价格低廉、支持广泛 等优点，也使人们努力尝试将以太网技术应用于监控领域，于是，出现了工业 以太网i l ”“。工业以太网解决以太网应用于检测和生产现场的恶劣环境、通信 实时性确定性、传输距离等应用的实质问题，为机电监控提供了高性能、资源 丰富、方便接入i n t e m e t 的现场网络。 i n t r a n e t ( 企业内联网) 【m 1 6 将企业内部地域相同或不同、通信协议相同或 不同的管理信息类和监控类的网络，如生产控制网络、企业管理网络、设计网 络、跨地域的部门等，通过技术手段将它们互联在一起，相互通信、享用共同 信息。建立在企业内联网基础上的现代监控与管理一体化网络，使监测和控制 信息延伸到整个企业、乃至整个行业或更大可能范围，网络达到从控制现场局 部到系统、车间、企业、t n t e m e t 的互联。更强互联能力、更大网络范畴的监控 与管理一体化网络也使监控与管理一体化系统具有无限潜力和空间。 i n f i a n e t 指底层基础设施控制网 1 4 1o 这种用于监控的底层网络，把具有通信 能力的智能传感器、控制设备等连接起来，组成分布式监控系统。它可以是 i n t r a n e t 底层的特殊网段，也可以是通过i n t e m e t 形成的特殊监控系统。i n f r a n e t 进一步拓宽了i n t r a n e t 和i n t e m e t 的应用范围，同时也拓宽了监控系统的构成范 围和视野。 无线传感网络【2 m 4 l 是近年来迅速发展起来的一种新的信息获取和处理模 式。无线传感网络节点具有传感、信号处理和无线通信功能，它们既是信息包 的发起者，也是信息包的转发者。网络节点具有随机分布性，但除少数需要移 动以外，大部分节点一般位置又具静止性。各个节点通过自组织方式构成网络， 经多跳路由，将数据向网关发送。网关可以使用多种方式与外部网络通信，如 i n t e r n e t 、卫星或移动通信网络等。这种随机分布、自发组网的网络技术有望 给机电监控网络提供一种新监测模式。 1 2 3 嵌入式系统研究现状 国际电气和电子工程师协会( i e e e ) 对嵌入式系统的定义是：用于控制、 监视或者辅助操作机器和设备的装置( d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o ro ra s s i s t m eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。但国内普遍认同的定义是：嵌 入式系统以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，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1 2 “。 在计算机出现后，人们就努力将计算机嵌入设备中对设备进行控制。早期， 6 武汉理工大学博士学位论文 只能勉为其难地将通用计算机系统进行改装，在大型设备中实现嵌入式应用。 然而，对于众多亟待嵌入的控制对象( 如家用电器、仪器仪表、工控单元) ， 无法嵌入通用计算机，也无法承受通用计算机价格。体积小、价格低、功能一 定的嵌入式计算需求导致计算机发展初期朝大型、巨型、通用发展的同时，也 产生了向微型、嵌入式、专用发展的分支方向。 将微型计算机嵌入式应用，由于其体积、价位、可靠性都无法满足广大对 象系统的应用要求，因此，嵌入式系统必须走独立发展的道路。这条道路就是 芯片化道路。2 0 世纪7 0 年代末，人类实现了将计算机做在一个芯片上，从而 开创了嵌入式系统发展的单片机s c m ( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) 时代。 微控制器m c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 是在s c m 基础上，不断扩展满足 嵌入式应用时对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化 控制能力而发展起来的一类嵌入式c p u 。在寻求应用系统在芯片上的最大化解 决道路上，自然形成了单片系统s o c ( s y s t e mo n ac h i p ) 化趋势。随着微电子 技术、计算机技术、i c 设计、e d a 工具的发展，针对各种应用问题s o c 已开 始大量涌现。s o c 是嵌入式系统发展当前的最高境界。 随着嵌入式系统复杂程度和集成度越来越高，嵌入式系统的设计问题逐渐 体现出来，而且，已成为当前嵌入式系统应用和发展的主要障碍。关于嵌入式 系统设计方法的讨论和研究已是当前业界最活跃的话题之- - i ”“】。 在通用计算机发展道路上形成的p c 产业，8 0 计算机采用i n t e l 的8 x 8 6 体 系结构c p u ，8 0 9 0 计算机使用m i c r o s o f t 的w i n d o w s 及w o r d 。通用计算机工 业几乎由m i c r o s o f t 和i n t e l 垄断。嵌入式系统则不同，即便在体系结构上存在 着主流，但各不相同的应用领域决定了不可能有少数公司、少数产品垄断全部 市场。因此，嵌入式系统被认为是一个不可垄断、高度分散、具有机遇和挑战 的工业f 2 7 】。 嵌入式系统是将先进计算机技术，半导体技术和电子技术与各个行业的具 体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、 高度分散、不断创新的知识集成系统。 从2 0 世纪7 0 年代单片机出现到当今大规模、高性能、低功耗各种单片系 统s o c 的应用，嵌入式系统经历了软件和硬件逐渐发展和成熟的历程，在航天、 航空、军事、工业、民用等领域广泛应用。美国汽车大王福特公司的高级经理 也曾宣称d 0 1 ，福特出售的“计算能力”已超过了i b m ，由此可以想见嵌入式计 算机工业的规模和广度。根据美国嵌入式系统杂志报道，2 1 世纪初的十年中， 全球嵌入式系统市场需求量具有比个人计算机p c 市场大1 0 至1 0 0 倍的商机。 7 武汉理工大学博士学位论文 嵌入式系统已逐渐代替p c 机，成为引领世界经济发展的主要特征。 1 3 本文主要工作 论文研究工作围绕嵌入式系统在机电监控领域的应用问题，依托教育部和 武汉市科技攻关项目，采取“研究相关理论、突破关键技术、实现工程应用” 的技术路线，在对相关理论进行研究、阐述和总结基础上，重点研究嵌入式系 统在机电监控中应用的关键技术，解决工程实际应用问题。具体研究工作包括： 1 机电监控及其嵌入式系统相关理论研究。围绕嵌入式系统应用于机电监 控领域的相关理论问题进行研究、分析和总结，为嵌入式监控系统提供理论指 导和依据。具体问题包括： 现代机电监控网络模型与异构网络互联 网络环境下的机电监控系统结构 机电监控中的嵌入式系统组成结构 嵌入式系统软硬件协同设计方法 2 嵌入式系统应用于机电监控领域的若干关键技术研究。具体包括： 高速高精度测量中的嵌入式系统设计技术 嵌入式控制系统的快速、有效设计方法 嵌入式监控系统在特殊环境下的通信和组网技术 3 利用研究结果解决三个工程应用问题，同时，验证相关理论和关键技术 研究结果的正确性。三个典型应用系统是： 多通道多点光纤光栅传感信号高速解调系统 大型工业阀门嵌入式控制系统的设计与应用技术 铁路道岔液压转辙机工作状态实时监测系统 1 4 本文结构组织 对机电监控中的嵌入式技术与系统，本文在相关理论与关键技术、应用系 统两个层面上，围绕嵌入式高速高精度测量系统方法、嵌入式控制系统设计的 设计问题、特殊环境下的嵌入式监控网络三个具体应用问题组织本文研究工作。 全文共分为8 章：第l 章介绍了本论文课题来源、研究的目的和意义、相 关研究领域的发展和研究现状以及本文的主要工作；第2 章研究并阐述了机电 监控及其中嵌入式系统相关理论；第3 章研究了利用嵌入式系统方法进行多通 道多点光纤光栅高速解调的基本方法和必须解决的关键问题，提出了多通道多 8 武汉理工大学博士学位论文 点光纤光栅嵌入式高速解调系统的基本结构：第4 章研究、设计并实现了分布 式多通道多点光纤光栅嵌入式高速实用解调系统；第5 章提出了类p l c 嵌入式 控制系统概念和技术，研究了类p l c 的体系结构、技术组成结构、类p l c 嵌 入式控制系统设计技术及其控制程序生成技术；第6 章研究、设计和实现了类 p l c 技术的嵌入式阀门控制基本硬件系统及其控制程序生成环境；第7 章研究 了一种现场实时监测用网络，并设计和实现了基于该网络和嵌入式技术的液压 转辙机工作状态实时监测系统；第8 章总结了本文所取得的成绩和展望了今后 的研究工作。全文组织结构如图1 2 所示。 碾 宦 * 蜒 捌 状 圻 盘 剐 斗k 罂 硬 奄 蠕 髅 旺 倒 嵌入式高速高精度测量系统 l 嵌入式控制系统的设计问题 特殊环境下的嵌入式监控网络 图1 2 全文组织结构 9 武汉理工大学博士学位论文 第2 章机电监控及其嵌入式系统相关理论研究 嵌入式系统在现代机电监控中起着极其重要作用，它是各种智能传感器、 高性能检测与控制设备和装置、网络与信息化控制的技术基础。机电监控中嵌 入式系统的应用水平和普及程度在一定程度上左右着机电监控技术的整体水 平。本章首先对机电监控及其嵌入式系统，包括监控系统网络、监控系统、监 控中的嵌入式系统、嵌入式系统设计等相关方面的相关理论进行讨论、研究和 总结，建立机电监控中嵌入式系统应用的理论基础。 2 1 机电监控系统网络模型与异构网络互联 2 1 1 开放性系统互联模型 网络形成初期，各个厂商设备自成体系，使得各自可组成封闭性网络系统， 但彼此间不兼容，难以实现不同厂商间设备互联操作。但随着应用日益普及， 人们已不能满足只能一个厂商设备互联状况，需要多个厂商设备互联构成系统 的情况越来越多。但由于缺乏一个统一通信系统体系结构，使得这种互联成为 一个难题。人们迫切希望建立一个开放性、标准化、中立的理想系统，在开放 性系统环境下，可以从不同的厂商得到功能相同或不同兼容设备来集成应用系 统。这个愿望的驱动促成了o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 参考模型的出 现。1 9 7 8 年，国际标准化组织建立“开放系统互联”分技术委员会，起草“开 放性系统互联基本参考模型”建议草案，1 9 8 3 年成为正式国际标准( i s 0 7 4 9 8 ) ， 1 9 8 6 年又进行完善和补充，现已成为网络系统遵循的国际标准 3 1 1 。 o s i 参考模型为实现系统开放性互联提供了一个概念上和功能上是共同框 架标准，并为保持相关标准的一致性和兼容性提供共同的参考。o s i 参考模型 采用标准分层结构，定义了物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、 表示层和应用层等七层，每一层明确定义和独立功能，相邻层之间定义接口， 每一层利用下一层提供的服务为上一层提供服务，而与其它层无关。两个开放 系统中的同等层之间的通信通过定义规则和约定，并称之为协议。o s i 参考模 型建议开放性系统间的通信、互联标准，允许任意系统支持某种可用标准的应 用进程，自由地与另一系统的支持同一标准的应用进程通信。o s i 互联参考模 型和两个开放系统利用o s i 标准互联通信的示意如图2 1 所示i z j 。 1 0 武汉理工大学博士学位论文 第七层 第六层 第五层 第四层 第三层 第二层 第一层 应用实体i 数据流路径应用实体i i j z * _ 1 i 应用层+ 一一一一一一一+ 应用层 表示层+ 一一一一一一一+ 表示层 会话层+ 一一一一一一一+ 会话层 传输层+ 一一一一一一一+ 传输层 网络层+ 一一网络层i i _ 一卜 网络层 数据链路层+ 一一数据链路层k 卜一卜 数据链路层 物理层 + 一叫l 物理层j 卜一- 物理层 物理路径i 物理路径i i 系统a中间节点 系统b 图2 一lo s i 参考模型和互联通信示意图 2 1 2 现场总线及其网络模型 a p p