（机械电子工程专业论文）远程智能控制系统的研究与实践.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着计算机和计算机网络技术的迅速发展，基于t c p p 协议的远程控制 网络己成为控制领域发展的一个重要方向。论文探讨了三种远程控制技术的 特点，选择了基于嵌入式w 曲服务器的远程控制网络。课题在a r m 7 t d m i s 3 c 4 4 b o x 开发板上开发了嵌入式w 曲服务器，通过嵌入式w 曲服务器可以 把被控设备接入h t e m e 幽心a n e t 网络，用户可以通过标准w 曲浏览器对被控 设备实现远程控制。 论文是在普通的3 2 位微处理器上实现嵌入式w 曲服务器的功能。由于 嵌入式系统的资源非常有限，论文对t c p 】p 协议栈进行了评估，对网络控制 器进行了分析，对心、p 、t c p 、i m 等协议进行了分析和裁减，完成 一个功能完善的精简协议栈的设计，以适应本系统的特点。 在s 3 c 4 4 8 0 x 单片机上最终实现的嵌入式w 如服务器可以为网络上的客 户提供互联网的服务，网络上的用户可以使用w 曲浏览器访问该w 曲服务 器，通过w 曲浏览器远程控制w 曲服务器上的i ，o 接口信号。论文提出的远 程控制方案，成本低、应用简单方便，具有广泛的应用前景。 关键词：远程控制，嵌入式w 曲服务器，t c p 佃，s 3 c 4 4 b o x 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题提出的背景 第一章绪论 控制技术的进步一直受计算机和计算机网络技术发展的制约。最初诞生 的传统测控系统是以单片机、p c 机、工控机为核心的多个分散单元的集合体。 当现场总线出现后，一般借助p c 机总线形成测控系统。但是一般现场总线 都非常昂贵，而且数据链路层的处理非常复杂，更重要的是多种总线标准分 割共存局面的存在，严重地影响了现场总线自身提出的开放性、分散性和完 全可互操作性等特点，限制了现场总线技术在工控领域的进一步应用。而且， 由于连线过长和过多，用这些总线形成的测控系统的稳定性较差，抗干扰能 力较弱，难以实现大范围的有效测控。 随后出现的是集散控制系统，它由多台微处理机分散在现场不同位置， 彼此之间以高速数据通道进行连接。而集散控制系统的联网技术较为复杂， 联网手段和网络结构均不灵活，并明显缺乏开放性。 随着数字信息技术和网络技术的高速发展，科技社会已经步入后p c 时 代。信息网络、通信技术、测控技术以及微控制器的各自发展与融合，特别 是h l t e m e t 技术的发展，使得测控技术不再是孤立的个体，而是基于某协议 的网络化测控系统，这种网络化测控系统就是所谓的嵌入式测控系统。随着 微控制器技术的迅速发展，以及以太网和t c p p 协议己成为世界范围内的事 实标准，这种基于t c p m 协议的嵌入式测控系统可满足控制系统各个层次的 需求，而且具有现场总线技术所无法比拟的优点，如更高的通信带宽、实现 现场设备层和企业管理层的无缝连接、低成本和更高的可靠性 i 】。在这种控 制网络中，任何具有w e b 访问功能的计算机用户都能够直接在计算机上操 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 纵控制远程设备，如工业机器人、智能仪器仪表等，其应用范围包括工业、 国防、家庭等，以及一些危险与恶劣工作环境或人们不易到达的地区，有着 广阔的应用前景。 1 2 嵌入式远程控制系统在国内外发展动态 随着计算机技术和网络技术的不断发展，控制系统正在向智能化、数字 化和网络化的方向发展。 计算机及网络技术与控制系统的发展有着紧密的联系。最早在5 0 年代中 后期，计算机就已经被应用到控制系统中。6 0 年代初，出现了由计算机完全 代替模拟控制的控制系统，被称为直接数字控制( d i r e c td i 画t a lc o n 嘶l ， d d c ) 。7 0 年代中期，随着微处理器的出现，计算机控制系统进入了个新 的快速发展的时期，1 9 7 5 年世界上第一套以微处理器为基础的分散式计算机 控制系统问世，以多台微处理器共同分散控制，并通过数据通信网络实现集 中管理，被称为分布式控制系统( d i s 曲u t e dc o n 怕ls v s t 锄，d c s ) 。 分布式控制系统是由多台微处理机分散在现场的不同位置、彼此之间以 高速数据通讯进行连接的系统。把分散的、单回路的测控系统采用计算机进 行统一管理，用各种工o 模板代替控制室的仪表，利用计算机的强大功能， 对被控系统集中进行实时监测、控制、调节参数、警告显示及存储历史数据 等操作，将集中管理与分散控制有机结合，极大地推动了控制尤其是工业控 制技术的发展啪。一般典型的如图1 1 所示。但是，在通信方式上，处于现场 的控制级和检测级仍采用信号电流为4 2 m n a 模拟量通信，信息传输速度慢， 开放性差，成本高。同时由于现场采集设备所占的比例很大，数据量也非常 多，这就使得布线方式相当复杂，安装费用增加，维护量加大。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 图卜1 工业过程典型d c s 结构图 8 0 年代中后期，随着工业系统的日益复杂，控制回路的进一步增多，单 一的d d c 控制系统已经不能满足现场的生产控制要求和生产工作的管理要 求，同时中小型计算机和微型计算机的性能价格比有了很大提高。于是，由 中小型计算机和微机共同作用的分层控制系统得到了大量应用。 进入9 0 年代以后，由于计算机网络技术的迅猛发展，使得d c s 系统得 到了进一步发展，提高了系统的可靠性和可维护性，在今天工业控制领域d c s 仍然占据着主导地位，但是d c s 不具备开放性，布线复杂，费用较高，不同 厂家产品的集成存在很大困难。 从八十年代后期开始，由于大规模集成电路的发展，许多传感器、执行 机构、驱动装置等现场设备智能化，人们开始寻求一种用一根通信电缆将具 有通用的通信协议通信接口的现场设备连接起来，在设备层传递的不再是i ，o ( 4 2 删2 4 v d c ) 信号，而是数字信号，这就是现场总线系统 ( f i e l d b u s s y s t e m ，f c s ) 。f c s 是连接智能现场设备和自动化系统的数字式双 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 向传输、多分支结构的通信网络。现场总线系统具有以下的技术特点：系统 的开放性；可互操作性与可用性；现场设备的智能化与功能自治性；系统结 构的高度分散性；对现场环境的适应性。由于它解决了网络控制系统的自身 可靠性和开放性问题，现场总线技术逐渐成为了计算机控制系统的发展趋势。 从那时起，一些发达的工业国家和跨国工业公司都纷纷推出了自己的现场总 线标准和现场通信协议，如h a r t 、c a n 、p r o 舶u s 、w o r l d f d 、l o n w j r k s 等。 现场总线是一种工业总线，是自动化领域中计算机通信体系最低层的低成本 网络。它是以串行通信方式取代传统的4 2 0 m a 的模拟信号，一条现场总线 可以为众多的可寻址现场设备实现多点连接，支持底层的现场智能设备与高 层的系统通过公用传输介质交换信息。现场总线的核心是它的通信协议，这 些协议必须根据国际标准组织( i s 0 ) 的计算机网络开放系统互连( o s i ) 的 参考模型来制定。f c s 典型的系统结构如图卜2 所示，它由3 层网络组成， 最后一层为低速现场总线f i e l d s h l 连成的控制网络c n e t ，中间的一层为高 速现场总线f i e l d s h 2 连成的系统网络s n e t ，最上一层为普通商用管理网络 眦t 。 聪l s 骶l f i e l l n 皿 蕊l f i e l 卤，i 强1 图卜2f c s 结构图 2 0 世纪9 0 年代以各种网络互连成k t 锄e t 后，h l t e n l e t 已成为社会重要 的基础信息设施之一，是信息流通的重要渠道。相比其它的网络，h n 锄e t 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 有以下的突出优点： - 覆盖范围最广，最普及 价格最低； 协议公开，不需要自定义协议，支持任何一种标准浏览器 速度较快； 不需要专用的通信线路。 由于互联网的这些显著特点突破了传统工业控制系统网络的局限性。使 其能在控制领域得到广泛应用。 随着互联网的进一步普及和应用以及计算机网络技术的进一步发展，接 入i n t 啪e t 的已经不仅仅局限于狭义上的计算机，工业中的各种测量控制装 置、生活中的各种家用电器、社会不同领域和层面的各种公众设各等，都可 成为i n t e m e t 的客户端和服务端，这为网络化控制的实现提供了基础。 网络化远程控制实际上就是通过i n t e m e t ，控制系统可以跨地域对远方的 设备运行过程和各种参数进行监视和控制。网络化远程控制是建立在i n t e m e t 上的远程控制，是点对多点的控制行为，随着互联网技术的飞速发展，应用 在互联网上的远程控制技术也在不断的拓展，网上出现了越来越多的远程控 制实例，从最初的一般网络查询、信息浏览、保安监控设备、视频服务、 n e t - m e e t i i l g ，直到最后的机器人控制都有实现并在逐步完善。网络化控制方 便，快捷，而且成本很低。可广泛应用于公共场所、办公、安保、救险等场 所，使人们能对远处真实世界实施无界的交互，大大延伸了网络的功能，将 互联网的应用扩展到一个全新的领域。因此，现代的控制系统逐渐以i n t e m e t 为基础，工业、商业、楼宇、交通自动化、智能小区等自动化系统均可通过 网络构成信息与控制综合网络系统。全面的网络化带来了控制技术的深刻变 革。基于网络的远程控制主要由远程操作者通过网络发送目标命令给现场 w w w 服务器，通过它将目标命令传给现场控制设备，其结构见图卜3 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图卜3 网络化控制结构图 图卜3 中第一层是浏览器，用户通过浏览器登录系统；第二层是w 曲服 务器，负责接受浏览器发送的h t t p ( g e t 或p o s t ) 请求，进行事务处理，与 本地控制系统通信传送命令，返回相应的h n n l 页面给浏览器；第三层是数据 源，包括数据库、图像服务器、摄像头以及本地控制系统嘲。图中可以看到， 第二层由多台计算机构成，提供w 曲服务和控制通信，这些功能可以由一台 接入与服务p c 完成。 上述网络化远程控制是基于标准w 曲服务器的远程控制。随着微控制器 技术的迅速发展，一种基于更新的技术成为研究热点，这就是嵌入式w 曲服 务器( e w s ) 技术，这种技术就是把网络化设备设计成w 曲服务器，通过h t t p 协议和w 曲页面形式实现对设备的远程控制。e w s 与传统的w 曲应用相比， 简化了系统结构，将信息采集和信息发布都集成到现场的测试设备中。 目前，嵌入式w 曲技术在国内外应用很广泛，其应用领域可以包括： 智能公路：交通管理、车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务； 植物工厂：特种植物工场，如实现野生名贵药材的远程监控培养和种 植，无土栽培技术应用，智能种子工程等； 虚拟现实r ) 机器人：交通警察、门卫、家用机器人等； 信息家电：冰箱、空调等的网络化； 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 工业制冷：冷库、中央空调、超级市场冰柜； v r 精品店：客户可以在i n t e m e t 上实时地看到存货状况： v r 家政系统：水、电、煤气表的自动抄表，安全防火、防盗系统； 工业自动化：目前已经有大量的8 、1 6 、3 2 位嵌入式微控制器在应用 中，网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源的主要途径，如制药 工业过程控制、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统； p o s 网络及电子商务：公共交通无接触智能卡 ( c o n t a c t l e s s s m a n c a r d c s c ) 发行系统，公共电话卡发行系统，自动售货机； 环境工程与自然：水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤 坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。 1 3 课题主要内容 论文的目的是在普通的3 2 位微处理器上直接实现嵌入式w 曲服务器， 用户可以通过标准浏览器对其进行远程访问。课题的工作内容如下： ( 1 ) 分析几种典型控制网络的各自特点和发展趋势。 ( 2 ) 探讨嵌入式w 曲服务器技术的特点，确定嵌入式w 曲服务器技术的 实施方案。 ( 3 ) 设计嵌入式w 曲服务器硬件平台。 ( 4 ) 开发嵌入式w 曲服务器的软件包，主要包括l a n 9 l c l l l 驱动程序、 嵌入式t c p 仰协议栈的实现。 ( 5 ) 构建一个基于嵌入式w 曲服务器的远程控制网络，对嵌入式w 曲服 务器进行系统测试。 本课题的最主要的创新之处就在于在普通的3 2 位微处理器上直接实现 嵌入式w 曲服务器，通过它可以将被控设备接入h l t e 釉酬i n 廿a i l e t ，用户可以 通过标准浏览器对被控设备实现远程控制。到目前为止，真正的基于嵌入式 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 w 曲服务器控制网络的远程控制，在我国还是处于一个起步和探索阶段，没 有实用意义上的控制产品。本研究结果对设计和制造基于嵌入式w 曲服务器 控制网络的低端应用的嵌入式设备有重要的实用价值和意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第二章远程控制系统的总体设计方案 远程控制一般是指在网络上由一台电脑( 主控端r e m o 吲客户端) 远距 离去控制另一台网络设备( 被控端h o s “服务器端) 的技术，这里的远程不 是字面意思的远距离，一般指通过网络控制事物对象。从不同的角度出发， 远程控制网络可以划分成不同的类别。本章将从远程控制软件，网络协议和 硬件设备来探讨三种控制网络： ( 1 ) 基于远程控制软件的控制网络。 ( 2 ) 基于标准t 咖协议的控制网络。 ( 3 ) 基于嵌入式w c b 服务器的控制网络。 2 1 基于远程控制软件的控制网络 目前远程控制软件主要有p c a y w h e r c 、r c m o t e l y a n ”，h e r e 等。 p c a n y w h e r e 、r m l o t e l y a n y w h e ”等远程控制软件一般分两个部分：一部分 是客户端程序c e n t ，另一部分是服务器端程序s e r v e r ( 或s y s t r y ) ，在使用 前需要将客户端程序安装到主控端电脑上，将服务器端程序安装到被控端电 脑上。它的控制过程一般是先在主控端电脑上执行客户端程序，像一个普通 的客户一样向被控端电脑中的服务器端程序发出信号，建立一个特殊的远程 服务，然后通过这个远程服务，发送远程控制命令，控制被控端电脑中的各 种应用程序运行，称这种远程控制方式为基于远程服务的远程控制。通过远 程控制软件，可以进行很多方面的远程控制，包括：获取目标电脑屏幕图像、 窗口及进程列表；记录并提取远端键盘事件( 击键序列，即监视远端键盘输 入的内容) ；可以打开、关闭目标电脑的任意目录并实现资源共享；提取拨号 网络及普通程序的密码；激活、中止远端程序进程；管理远端电脑的文件和 网络及普通程序的密码：激活、中止远端程序进程；管理远端电脑的文件和 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 文件夹；关闭或者重新启动远端电脑中的操作系统；修改w i n d o w s 注册表； 通过远端电脑下载文件和捕获音频、视频信号等。 下面以p c a n y w h e r e 软件为例来说明这种远程控制。 p c a n h e r e 是赛门铁克公司的著名产品，该软件适用于所有版本的 w i n d o w s 操作系统，支持调制解调器拨号、并口串口直接连接和t c p i p 、 n e t b i o s 网络协议等多种连接方式。该软件的使用与管理方式比较灵活，用 户可以按照自己的需要单独安装主控端或被控端的软件，根据需要在被控端 上创建各种连接下的远程控制方案，并能根据不同的用户分配不同等级的权 限。在安全性能方面，p c a l l y w h e r e 提供了多种验证方式和加密方式，用户 可以直接使用网络系统上的用户资料库验证远程连接，也可以创建独立的远 程控制账户，根据需要选择加密数据的方式，保证在传输的过程中数据不被 窃取。在此次介绍的远程控制软件中，p c a n y w l l 盯e 的文件传输功能是最具 特色的。远程用户可以以文件传输界面登录，在远程传输文件时能暂时中止 远程操作功能，使文件传输线路更加稳定。此外，p c a 丑y w h e r e 提供同步文 件夹的方式传输文件，还可以通过自动化任务，让软件按照用户的设置，在 指定时间连接远程电脑，进行指定的文件传输操作或同步指定的文件夹。 这种远程控制的优点在于应用简单，只要把客户端程序安装到主控端电 脑上，将服务器端程序安装到被控端电脑上。同时这种远程控制的优点也是 其漏洞，比如通过远程控制技术进入对方计算机后，用户所看到的是对方的 计算机资源，而不是自己的。如果打开资源管理器或在d o s 下键入d 1 1 命令， 就可看到对方计算机上的磁盘、文件资源，此时的c ：、d ：等不再是本地机 上的相应磁盘了。从这一点可以看出“远程控制”技术功能的强大，同时也 体现了它给网络带来的不安定因素，因为一旦为远程控制端进行了远程控制 通信，则本地计算机资源就会在对方面前暴露无遗，这也是“远程控制”技 术被黑客们利用走上“邪路”的最根本原因。再比如记录并提取远端键盘事 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 件，也就是击键序列，即监视远端键盘输入的内容。因为本地计算机的屏幕 显示在远程控制端用户计算机上，所以本地所做的一切操作都会同步显示在 控制端用户屏幕上，就像在本地机上查看一样清楚。有的还专门有记录被控 制端计算机用户的击键盘操作过程，并形成文件，以供调用，然后黑客们利 用对这些记录文件的分析就可以查出对方正在进行的操作，这在黑客行为中 较为常见。关于远程控制在计算机网络应用方面的用途要根据具体应用目的 而定，有许多黑客在利用远程控制程序( 木马) 进行攻击时，他的目的裁可能 远不止以上这些了，所以这种“远程控制”技术要慎重使用【5 1 。 2 2 基于标准t c p i p 协议的控制网络 随着网络技术的迅速发展，因特网已经成为人们进行通讯交流和资源共 享的一种非常重要的手段。因特网的广泛分布和工业控制技术的不断更新， 出现了通过因特网来对设备进行远程控制的系统，这种系统具有很大的开放 性，任何人在任何时候、任何地方，只要能够连上因特网就可以实现对远程 设备的控制。由于因特网通信的协议普遍采用标准的t c p p 协议，因此又称 这种控制网络为基于标准t c p p 协议的控制网络。这种控制网络目前主要采 用c l i c n 馏e e r 结构和b m w s e r s e n r e r 结构。以现在流行的b s 结构为例来 说明这种控制网络。这种体系结构分为三层：表示层( p r e s e n t a t i o n ) 、功能层 u s i e s s l o 百c ) 、数据层( d a t a s e r v j c e ) ，分别放在三个独立的单元：w 曲浏览 器、w 曲服务器和数据库服务器，如图2 1 所示。 育曲渊览器一e b 服势辫数据库段务器 图2 1b r o w s e r s e r v e r 结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第 2 页 表示层位于客户端，它的任务是通过w 曲浏览器向w e b 服务器提出数 据请求和接受w 曲服务器传送过来的页面进行显示。功能层由w 曲服务器 来实现，它的任务是接受用户的请求，执行相应的应用程序访问数据库，并 将得到的结果处理后，以通用的格式( 通常是h t m l 文件格式) 传送回客户端。 数据层位于数据库服务器端，其任务是接受w 曲服务器对数据库操纵的请求， 实现对数据库查询、修改、更新等功能，把运行结果提交给w 曲服务器。 在三层的b s 结构中，由于事务处理逻辑模块从客户机任务中分离出来， 由w 曲服务器来负担，就使客户机的压力大大减轻，使客户机从沉重的负担 和不断对其提高性能的要求中解放出来，也把技术人员从繁重的维护升级工 作中解脱出来，形成了“瘦客户机胖服务器”模式。 这种结构模式具有以下优点： ( 1 ) 开发、维护成本低：b s 的应用只需在客户端安装通用浏览器，维护 和升级工作都在服务器端进行，不需要对客户端进行任何维护、开发，这样 就大大降低了成本。 ( 2 ) 系统安全性好：b ，s 结构模式在客户端与数据库服务器之间增加了 w 曲服务器，两者不直接连接，客户端无法直接对数据库进行操作，避免了 客户端对数据库的破坏。 ( 3 ) 扩展性好：b s 系统的三层结构，层与层之间相互独立，任何一层的 改变不影响其它层，系统扩展非常容易，且可使用不同厂家的产品来组成性 能更佳的系统。 ( 4 ) 操作方便，界面友好：客户端界面都统一在界面友好的浏览器上r 如 m 、n a 、，i g a t o r 等) ，使用者不用培训便可轻松操作，而且系统升级也不影响用 户操作。 由于b s 结构的这些优点，在实际应用中很多系统的开发都建立在这种 结构上。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 采用b s 结构的远程控制系统简单来说就是远程监控端通过网络发出控 制指令给现场的控制系统，现场的控制系统执行该指令并将执行情况返回给 远程监控端。根据b s 中的三层结构模型，可以把远程控制系统分成三部分： 监控层数据库管理层现场设备的数据采集与控制层。其整体结构如图2 2 所示。 魏 攀 鼎，、器客 户 黧繇 摩 弋! 少一 精 图2 2b s 结构的远程控制系统 监控层由运行浏览器的客户端组成，其功能主要包括设备状态数据的显 示和控制命令的发送。在远程监控系统中，现场设备运行过程中的数据必须 能够快速的、持续不断的传到监控端，这样就必须保证监控端和w 曲服务器 之间能够进行实时通讯，然而w 曲页面是一种静态的页面，当监控端访问完 该页面以后和w 曲服务器的连接就中止了。为了解决这个问题，可以在网页 中嵌入a c t i v e x 控件或者采用j a v a a p p l c t 插件。 数据库管理层主要包括w 曲服务器和实时数据库。w 曲服务器提供w 曲 页面供客户端浏览，把客户端发送的控制命令存入实时数据库，现场设备的 控制系统访问实时数据库，取出控制命令并且执行，执行完毕后把现场的数 据存入实时数据库供服务器调用，发布给客户端。在w 曲服务器上，需要完 成动态网页的编制以及实现与实时数据库的连接。目前，动态网页的制作可 以采用很多的方法，如a s p ( a c t i v es e e r p a g e s ) 、j s p ( j “a s e n r c r p a g e s ) 、 p h p ( h y p e r t e x t p r e p m c e s s o r ) 等等。而对实时数据库的访问具有专门的接口 程序。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 通过网络发出控制指令给现场的嵌入式w 曲服务器的控制系统，现场的逊潲 螬糯吓j 歹i 雠畴l 砸【陌镐引裂斋削盛籍霉一絮蚓瑁塔，竖羹m 型蒿；一。 囊? 一i 必瓤和舅舅 鞭尺轩囊y 旬薹名 嘲邵缘m 讯学菇潺猩箍鬟瓣戮拍鞋型瓣话嘲俑蠡蠢麓目! ! ! d ! i i i 匿型 錾；莲瞬唱馒洎巨百壹蹿姓静酩v 州薯篁薹i 苎嚣辅琳i 登萄裂如慧 攀蠡霉i 的r o m 和r a m 才算合理呢? 第二条和第三条似乎是相互 矛盾的，为了得到几k b 的r a m 买一个至少含有4 0 个管脚的片予，而且大 多数管脚都是用不上的。第五条也很难做到，一些廉价并广泛使用的c 编译 器不支持s n l l c t和u i l i o n ，或者在它们的代码生成过程中存在这样那样的错误。 市面上也有高质量的跨平台编译器，不过要卖上万元，这个价格对一个实验 性质的项目来说，显然是不现实的嘲。所以，在硬件选择上如何选择一个合 适的芯片和编译器尤为重要。 目前，世界上具有嵌入式功能特点的微控制器已经超过1 0 0 0 种，流行的 体系结构有3 0 多个系列。嵌入式微控制器的寻址空间一般从6 4 k b 到1 6 m b ， 处理速度最快可达2 0 0 0 m s 。目前市场上主流的微控制器是3 2 位微控制器， 有p o w e rp c、6 8 0 0 0 、m i p s 和a r m 等。通常在选择微控制器的时候，需要考 虑性能、功耗、价格、配套的开发工具以及市场供货等因素，而a r m 在这些 方面恰好都具有优势。a r m 具有业界领先的r i s c 体系结构，提供各种性能和 版本可供选择，各统升级。各大公司的支持使得 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 3 1 2a 刚微控制器简介 a 跚l 翳s j 目j i 霞目i 塑目目l i g ；l ；藿鍪鬻霎垂冀薹嚣塑霪蘑主。雾囊譬 薹霉窭羹一霪主薹甬粢法涤穗：鲁午磋邑缓嚣一甄坚鞋您霹婪! 4 件主酗氅更1 驻型鄞冀绱w j 型喇噎层舞氇咝蔫璃维馐臻陶j 霹鞋； 柏昌蠢削鼠f 釜趴别；! ；需跖终髀翳；缁喂南慷趟诎滔强l 喜涩嶝球捌， 主要包括： l a n 9 l c l l l 驱动程序、嵌入式t c p 仰协议栈的实现。 4 1l a n 9 1c 111 驱动程序 同大多数网络控制芯片一样，要使_ n 9 1 c 1 1 1 正常工作，首先得为它 编写驱动程序。即la n 9 1 c l l l 芯片复位、l a n 9 l c l l l 芯片初始化和数据帧 收发控制。 4 1 1l a n 9 1 c 1 1 1 复位 s 3 c 44 b q x 芯片的j 3 l 连接u 心9 t c l l l 的殛汀d r v 来进行复位操作， r e s dr v 为高电平有效，只要给该芯片复位引脚r s t 送一个延时高电平 即可。一般至少需要8 0 0 t l s 的宽度，为保险起见，程序中复位时间较长，由 函数r es e t n e t ( v o i d ) 。 4 ，1 2l a n 9 1 c 1 1 1 初始化 初始化工作主要是设置u 蝌9 1 c 1 1 芯片中的工作参数和m a c 地址设置。 如下为la n 9 1 c 1 1 的初始化过程： ( 1 ) cr = o 】【2 1 ，选择页o 的寄存器，l a n 9 l c l l 芯片停止运行； ( 2 ) t p蓟v 赶虻谝桓龇突撼迩 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 体积小、低功耗、低成本、高性能： 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器 件； 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 大多数数据操作都在寄存器中完成； 寻址方式灵活简单，执行效率高： 指令长度固定； a r m 微控制器目前主要包括a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 e 、s e c u r c o r e 以 及i n t e l 的x s c a l e 和s t r o n g a r m 等系列。每个系列除具有a r m 体系结构的共 同特点以外，都有各自的特点和应用领域。 a r m 7 系列微控制器是低功耗的3 2 位r i s c 处理器，具有如下特点： 具有嵌入式i c e r t 逻辑，调试开发方便； 功耗极低，适合对功耗要求较高的应用； 采用三级流水线和冯诺依曼结构； 提供o 9 m i p s 姗z 的性能，主频最高可达1 3 0 m i p s ，高速的运算处理 能力可胜任绝大多数的复杂应用； 代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集，指令系统与其它索列兼容， 便于产品升级换代： 对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w sc e 、l i n u x 等【9 】。 3 2 存储器系统 3 2 1 s 3 c 4 4 b o 存储器的特征 支持数据存储的对小端选择( 通过外部引脚进行选择) ； 具有8 个存储体，每个存储体可达3 2 m b ，总共可达2 5 6 m b 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 对所有存储体的访问大小均可以改变( 8 位1 6 位3 2 位) ； 8个存储体中，bankob锄k5可以支持rom、sam； b a 工l k 6 、b a l l k 7 可支持r o m 、s r a m 和f p e d o s d r a m 等； 7 个存储体的起始地址固定，1 个存储体的起始地址可变。图3 3 是复位后的s 3 c 4 4 8 0 的存储器映射表m 】： 图3 3 ( 存储器映射表)3 2 2f i a s h 存储器( s s t 3 9 v f l 6 0 ) 本系统选用闪存( f l a s h m e i i l 0 1 蜘作为程序存储器。n 船h 存储器是一种可带电在线进行修改，掉电后数据不丢失的新型存储器，几乎同时具有所有存储 器的优点：功耗低、容量大、价格低、密度高、不挥发、可更新m 】。f l a s h 存 储器作为一种非易失性存储器，已经在各种嵌入式系统中得到广泛的应用。 通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的重要数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 进行介绍。 lan9lclll是嵌入式intemet应用中广泛使用的以太网接口控制器。它 是和以太网传输介质相连接的硬件设备。它实现了基于ieee8023协议标准的m a c 层( m e d i a a c c e s s con咖1l a y e r ) 的所有功能，内置的双d m a 通道 和f i f 0 完成简单有效的包管理( 数据帧的接收和发送) 功能，本地d m a 通 道的传输速率高达1 0 l o o m b d s 。 1 。主要性能 ( 1 ) 符合e n l e m e t i i 与m e e 8 0 2 3 ( 1 0 b a s e 5 、1 0 b a s e 2 、1 0 b a s e t ) 标准。 ( 2 ) 全双工，收发可同时达到1 0 1 0 0 m b p s 的速率。 ( 3 ) 内置1 6 k b 的s r a m ，用于收发缓冲，降低鐾蠹鬟蓁窆薹耄孺滞曦际。 i l ! 掣牦；目确鬲萎萎鬻jg 俐套望i 翮* 爵剐 露鬻星群器付翁： ；j 骋琵莽黧i 摹 成功，t c p m 逐步成为u n i x 机器的标准网络协议。ne n l e t 的前身a r p a n e t 最初使用 n c p 心e c 、】l ，o r k c o ll 仃0 1 p r o t o c 0 1 ) 协议，由于t c p p 协议具有跨平台特性， a r p a n e t 的实验人员在经过对t c p 佃的改进以后，规定连入a r p a n e t 的 计算机都必须采用t c p佃协议。随着a r p a n e t 逐渐发展成为i n t e n l e l ， t c p 佃协议就成为h t e me t 的标准连接协议。 2 t c p ，p 四层协议系统 网络协议经常分不同层次进行开发，每一层分别负责不同的通信功能。 一个协议族，比如t c pp ，是组不同层次上的多个协议的组合。t c p 佃 通常被认为是一个四层协 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 l 队总蟪接霸 1 丽丽 f一厂：了 l ! 鲨! l 鼍 j 期口r 一 唪 i 柏口r 士 e n a ( 箱鹕译鹕) 逻辑 图3 5l a n 9 1 c 1 1 1 内部结构 远程d m a 接口是指单片机对l a n 9 l c l l l 内部r a m 进行读写的总线， 即i s a 总线的接口部分。单片机收发数据只需对远程d m a 操作。本地d m a 接口是l a n 9 1 c 1 1 1 与网线的连接通道，完成控制器与网线的数据交换。m a c 逻辑完成以下功能：当单片机向网上发送数据时，先将一帧数据通过远程 d m a 通道送到l a n 9 l c “l 中的发送缓存区，然后发出传送命令；当 l a n 9 1 c 1 1 1 完成了上帧的发送后，再开始此帧的发送。l a n 9 l c l l l 接收到 的数据通过m a c 比较、c r c 校验后，存到接收缓冲区；收满一帧后，以中 断或寄存器标志的方式通知主处理器。 3 内部r a m 地址空间分配 l a n 9 l c l l l 内部有两块蝴区。一块1 6 k 字节，地址为 o x 4 0 0 x 7 f f f ；一块3 2 字节，地址为o x o o o o 0 x 0 0 l f 。r a m 按页存储， 每2 5 6 字节为一页。一般将r a m 的前1 2 页( 即o x 4 0 0 0 o x 4 b f f ) 存储区作 为发送缓冲区；后5 2 页( 即0 x 4 c o o o ) 【7 f f f ) 存储区作为接收缓冲区。第o 页口qp r o m 页，只有3 2 字节，地址为o x o o o o 如x 0 0 1 f ，用于存储以太网物理 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 地址。要接收和发送数据包就必须通过d m a 读写l 蛾9 l c l l l 内部的 1 6 r a m 。它实际上是双端口的r a m ，是指有两套总线连接到该r a m ， 一套总线l a n 9 1 c 1 1 l 读或写该r a m ，即本地d m a ；另一套总线是单片机 读或写该r a m ，即远程d m a 。 4 i d 地址分配 l a n 9 1 c 1 1 1 具有3 2 位输入输出地址，地址偏移量为o o h 1 f h 。其中 o o m f h 共1 6 个地址，为寄存器地址。寄存器分为4 页：p a g e 0 、p ! a g e l 、 p a g e 2 、p a g e 3 ，由l a n 9 1 c 1 1 1 的c r ( c o 舢瑚dr e g i s t e r 命令寄存器) 中 的p s l 、p s o 位来决定要访问的页。但与n e 2 0 0 0 兼容的寄存器只有前3 页， p a g e 3 是l a n 9 l c l l l 自己定义的，对于其他兼容n e 2 0 0 0 的芯片如d m 9 0 0 8 无效。远程d m a 地址包括1 0 h 1 7 h ，都可以用来做远程d m a 端口，只要 用其中的一个就可以了。复位端口包括1 8 h 1 f h 共8 个地址，功能一样，用 于l a n 9 1 c 1 1 1 复位。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 第四章远程控制系统软件系统的分析与设计 硬件系统设计工作已经完成，现在开始进行软件系统设计。从前面的总 体设计中已经分析了远程控制系统的实现关键是嵌入式w 曲服务器功能的实 现。而嵌入式w 曲服务器技术的核心在于t c p 口协议的实现，软件设计主 要是在a r m 7 t d m i 系列的s 3 c 4 4 8 0 x 单片机上完成相应的程序开发，主要包括： l a n 9 l c l l l 驱动程序、嵌入式t c p 仰协议栈的实现。 4 1l a n 9 1 c 1 1 1 驱动程序 同大多数网络控制芯片一样，要使_ n 9 1 c 1 1 1 正常工作，首先得为它 编写驱动程序。即l a n 9 1 c l l l 芯片复位、l a n 9 l c l l l 芯片初始化和数据帧 收发控制。 4 1 1l a n 9 1 c 11 1 复位 s 3 c 4 4 b q x 芯片的j 3 l 连接u 心9 t c l l l 的殛汀d r v 来进行复位操作， r e s d r v 为高电平有效，只要给该芯片复位引脚r s t 送一个延时高电平 即可。一般至少需要8 0 0 t l s 的宽度，为保险起见，程序中复位时间较长，由 函数r e s e t n e t ( v o i d ) 。 4 ，1 2l a n 9 1 c 1 1 1 初始化 初始化工作主要是设置u 蝌9 1 c 1 1 芯片中的工作参数和m a c 地址设置。 如下为l a n 9 1 c 1 1 的初始化过程： ( 1 ) c r = o 】【2 1 ，选择页o 的寄存器，l a n 9 l c l l 芯片停止运行； ( 2 ) t p s r = o x 4 0 ，发送页的起始页地址，初始化为指向第一个发送缓冲区 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 d c r 为数据配置寄存器，设置为使用f 正o 缓存，普通模式，8 位数据 传输 模式，字节顺序为高位字节在前，低位字节在后。 ( 4 ) m a c 地址设置 u 蝌9 lc 1 l 需要设置m a c 地址之后才能正常工作，设置m a c 之后， l a n 9 1 c l l 就只接收和自己m a c 符合的以太网数据包，或者广播包( d a 寻f f f f f ff f f f f f ) ，或符合自己设定的组播包。 在软件中设定本系统的物理地址为0 2 ：8 0 ：a d ：1 4 ：0 3 ：2 6 ，然后写入 p a r o 印a r 5 这六个地址寄存器中就可以了。 4 2t c p ip 协议栈的总体结构 4 2 1t c p l p 协议 1 t c p p 协议的历史及发展过程 t c p 佃协议最早由斯坦福大学的两名研究人员于1 9 7 3 年提出。1 9 8 3 年， t c p p 被u n i x 4 2 b s d 系统采用。随着u i x 的成功，t c p m 逐步成为u n i x 机器的标准网络协议。n e n l e t 的前身a r p a n e t 最初使用 n c p 心e c 、】l ，o r k c o l l 仃0 1 p r o t o c 0 1 ) 协议，由于t c p p 协议具有跨平台特性， a r p a n e t 的实验人员在经过对t c p 佃的改进以后，规定连入a r p a n e t 的 计算机都必须采用t c p 佃协议。随着a r p a n e t 逐渐发展成为i n t e n l e l ， t c p 佃协议就成为h t e m e t 的标准连接协议。 2 t c p ，p 四层协议系统 网络协议经常分不同层次进行开发，每一层分别负责不同的通信功能。 一个协议族，比如t c p p ，是组不同层次上的多个协议的组合。t c p 佃 通常被认为是一个四层协议系统，如图4 一l 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 撼傩 图4 一lt c p i p 四层协议系统 每一层负责不同的功能： 摩用属 棒柏廛 网络晨 链雕屡 ( 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。 ( 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 口协议族中，网络层协议包括协议( 网际协议) ，i c m p 协议( 嫩e n l e t 互联网控制报文协议) ，以及i g 猢p 协议( i n t e m e t 组管理协议) 。 ( 3 ) 传输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在t c p 口 协议族中，有两个互不相同的传输协议：t c p ( 传输控制协议) 和u d p ( 用户数 据报协议) 。 ( 4 ) 应用层负责处理特定的应用程序细节。几乎各种不同的t c p 坤实现 都会提供下面这些通用的应用程序：h t t p ( 超文本传输协议) 、t c l i l e t ( 远程登 录协议) 、f 坤( 文件传输协议) 、s m t p ( 简单邮件传送协议) 及s n m p ( 简单网络 管理协议、口5 】口7 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 3 t c p 口分层结构的数据传送 下面简要描述一下h n 锄e t 上数据通信的过程。 这一过程可由图4 2 来形象描述。假定连接于h n 锄e t 上的计算机a 要 向计算机b 发送一组数据，首先由计算机a 的应用程序调用t c p 的连接服 务，建立与计算机b 的连接；然后将要传送的数据送给传输层的t c p 的处理 程序；t c p 处理程序在数据前面加上t c p 首部，形成t c p 报文段，然后将 t c p 报文段送到网络层的p 处理程序；d 处理程序在t c p 报文段的前面加 上口首部，形成数据报，然后将它送给网络接口层处理程序；网络接口 层在球数据报前面加上帧头，形成数据帧，然后通物理层的网络接口发出去。 数据包在网络中传送，遇到路由器时，路由器会根据坤首部的目的地址确定 包向何处转发。数据包最终到达计算机b ，接收过程与计算机a 的发送过程 正好相反，数据包从下到上被逐层去掉首部向上传送，最后到达计算机b 的 应用程序。数据传送完毕，终止连接， 计嚣帆 一个完接的通信过程结束。 计算帆丑 图4 2t c p i p 分层结构的数据传送 4 2 2 嵌入式t c p lp 协议 1 嵌入式协议栈体系结构设计 嵌入式w e b 服务器开发与在普通p c 机上开发w 曲服务器有很大的不 同。嵌入式系统的资源非常有限，本课题中所选用的s 3 c 4 4 b o x 单片机的程序 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 存储空间只有2 m 字节，而无论是t c p 、印，还是h r 四，每个协议都是庞 大的，嵌入式设备不具有处理某个完整协议栈的存储资源，所以必须对上述 协议进行仔细地评估，确定协议中哪些部分是必须的，哪些部分又是可省的， 对不同的协议采用不同的处理方法，即完成一个功能完善的精简协议栈的设 计。这要求实现协议时应从具体需求着眼，而不是以实现完整的协议为主