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摘要 基于s o p c 的远程自动抄表系统的研究与设计 专业 ： 检测技术与自动化装置 硕士生 ：彭剑 指导教师：陈云洽副教授 摘要 水、电和燃气是生活中必不可少的，它们的发展直倍受人们的关注。随着国内经 济的发展和智能小区的兴起，实现住宅的三表( 水、电、煤气) 出户自动抄表、自动计 费，已成为新型智能小区的必备条件，同时也具有重要的工程应用价值。 国内目前的自动抄表系统大多采用单片机为主控单元，组网方式大多为4 8 5 总线模 式。虽然成本控制低，但诸如系统实时性差，系统不稳定等弊端也很突出。针对以上情 况，本论文提出了一种组合网络控制模式和新型的嵌入式控制单元。 论文首先对自动抄表技术产生、发展进行简要的介绍，并同时也分析了其在国内外 研究现状；然后围绕自动抄表通信网络的组建，对目前国内外几种流行的组网方式进行 了分析比较，从系统实时性、稳定性、可靠性、可升级出发，提出了以e t h e r n e t i p 和 c a n 总线的二级网络为基础的远程数据采集系统方案。 对于一个电子控制系统来说，主控单元的选择非常重要，它不仅关系到整个系统的 性能，而且影响到系统的通用性和可升级能力。为此本文首先对嵌入式系统的概念和发 展予以了简要介绍，然后分析了传统嵌入式设计弊端，提出了以s o p c ( 可编程片上系统) 技术为基础，以n i o s i i 软核处理器为中心的新型的嵌入式控制单元的设计实现。 在系统硬件设计上，除了完成自动抄表系统的脉冲采集、c a n 中继器的原理图和硬 件电路板设计，还构建了n i o s i i 软核处理器为中心的数据集中器嵌入式控制单元。在 软件设计上，编写实现了系统各个模块的底层驱动程序，并着重设计实现了c a n 中继器 的算法调度程序：研究了n i o s 系统的a v a l o n 总线，并实现了a v a l o n 总线与c a n 总线 控制器白定义逻辑接口；最后研究了以太网接口芯片l a n 9 1 c l l l 驱动程序的设计，并在 n i o s 实验开发系统上进行调试。 关键词：嵌入式系统，c a n 总线，s o p c ，n i o s i i ，l a n 9 1 c 1 1 1 l i a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n dd e s i g no fr e m o t ea u t o m a t i cm e t e r r e a d i n gs y s t e mb a s e do ns o p c m a j o r ：d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i o nd e v i c e n a m e ：p e n gj i a n s u p e r v i s o r ： a s s o c i a t ep r o f y u n q i ac h e n a b s t r a c t w a t e r ，e l e c t r i c i t ya n dg a sa r ee s s e n t i a lt o1 i f e ，t h e i rd e v e l o p m e n th a s a t t r a c t e dp e o p l e sa t t e n t i o n w i t ht h ed o m e s t i ce c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dt h e e m e r g e n c e o fs m a r th o u s e ，t h et h r e er e s i d e n t i a la c h i e v ed i v e r s i f i c a t i o n h o u s e h o l d sa u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gh a sb e c o m eap r e r e q u i s i t ef o rt h en e ws m a r t h o u s e ，b u ta l s oa ni m p o r t a n tp r o j e c ta p p l i c a t i o nv a l u e m c ui sc u r r e n t l yu s e df o rt h ec o n t r o lo fi n t e r n a lm o d u l e sa n dn e tm o d e l s a r em o s t l y4 8 5b u sm o d e l s a l t h o u g hl o w c o s tc o n t r o l ，b u tt h er e a l t i m en a t u r e o ft h es y s t e m ，p o o rs y s t e mi n s t a b i l i t yp r o b l e m sa r ea l s ov e r yc o n s p i c u o h s i n t h ea b o v e ，t h ep a p e rp r o p o s e dae o m b i n a t i o no fa ne m b e d d e dn e t w o r kc o n t r o lm o d e ， a n dn e wc o n t r o lm o d u l e f i r s ta u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gt e c h n o l o g yt op r o d u c ei nt h ep a p e r s ，ab r i e f i n t r o d u c t i o nt od e v e l o p m e n t ，a n da l s oa na n a l y s i so fi t sc u r r e n ts i t u a t i o na t h o m ea n da b r o a dt os t u d y t h e nf o c u s i n go nt h ef o r m a t i o no fc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s ，a n ds e v e r a lo ft h ec u r r e n tp o p u l a rn e tm o d e sa n a l y s e de a r l i e r ，b a s e d o nt h er e a l t i m e ，s t a b i l i t y ，r e l i a b i t i t y ，a n du p g r a d e ，s t a r t i n gt op u tf o r w a r d t ot h ee t h e r n e t i pa n dc a nb u sn e t w o r k b a s e dr e m o t ed a t ac o ll e c t i o ns y s t e m w i t ha ne l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m ，c o n t r o lm o d u l ei sv e r yi m p o r t a n t ，i t i sn o to n l yr e l a t e dt ot h ep e r f o r m a n c eo ft h ee n t i r es y s t e m ，b u ta l s oa f f e c t s t h eo v e r a lls y s t e ma n db eu p g r a d e dp e r f o r m a n c e t h ec o n c e p ta n dd e v e l o p m e n to f e m b e d d e ds y s t e m st ob eab r i e fp r e s e n t a t i o n ，f o l l o w e db ya na n a l y s i so ft h ed e s i g n s h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a le m b e d d e ds y s t e md e s i g n ，s o p ct e c h n o l o g ya sab a s i s a n dn i o s i ia st h ec e n t e r 。p u t t i n gf o r w a r dt oa nn e we m b e d d e dc o n t r o lm o d u l e s d e s i g ns c h e m e i nt h es y s t e mh a r d w a r ed e s i g n 。i na d d i t i o nt ot h ec o m p l e t i o no ft h ea u t o m a t e d 基于s o p c 的远程自动抄表系统的研究与设计 m e t e rr e a d i n gs y s t e mh a r d w a r ed e s i g n ，i n c l u d i n gc i r c u i tb o a r d s ，a l s ob u i i tt h e n i o s i is o f tp r o c e s s o r sa st h ec e n t e ro fa ne m b e d d e dc o n t r o lm o d u l e i ns o f t w a r e d e s i g n ，p r e p a r a t i o no ft h ev a r i o u s m o d u l e so ft h es y s t e mt oa c h i e v ea b o t t o m d r i y e ns o f t a r e ，a n df o c u so nt h ed e s i g no ft h ec a nr e l a yd a t as t r e a m a l g o r i t h m sa c t i v a t i o np r o c e d u r e s ：s t u d i e da v a l o nb u si nn i o ss y s t e m ，a n dd e s i g n e d t h el o g i ci n t e r f a c eb e t w e e nt h ec a nb u sc o n t r o l l e rt ot h ea v a l o nb u s ：f i n a l l y s t u d i e de t h e r n e ti n t e r f a c e c h i pl a n 9 1 c 1 1 1 ，i n c l u d i n g i t sd r i v e np r o g r a m d e s i g n ，a n dd e b u g g e d o nt h ed e v e l o p m e n ts y s t e mo ft h en i o s k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，c a nb u s ，s o p c ，n i o s i i ，l a n 9 1 c l l l 第l 章绪论 1 1 论文研究背景 第1 章绪论 水、电和燃气是生活中必不可少的，它们的发展一直倍受人们的关注。同时，随 着人们的生活水平不断提高，老百姓对生活环境提出了更高的要求；在政府政策的鼓 舞下，家居智能化得到了高速的发展。同时，随着科技的发展，小区住宅除了满足人 们最基本的居住要求，还要将方便、省时的物业管理带给住户。实现住宅的三表( 水、 电、煤气) 出户自动抄表、自动计费，已成为新型智能小区的必备条件。 建设部( ( 2 0 0 0 年小康城乡住宅科技产业工程城市示范小区规划设计导则( 修改 稿) 中明确指出：“推广应用户外计量( 含水，电，煤气) 技术”“3 。中国住宅户年 品发展纲要也明确提出：实现方便查表，不干扰住户，使大量人工抄表工作逐步过 渡到数字化传送，开发智能化的水、电、气计量装置和接口柜箱。智能化计量装置要 达到准确计量，抗干扰能力强，稳定性、耐久性好，使用安全，防盗等基本技术性能 指标。1 。自动抄表技术已成为智能小区不可缺的一部份。 1 2 课题研究现状 自动抄表a m r ( a u t o m a t i cm e t e rr e a djn g ) 自八十年代中期产生于美国后，自世 界各地迅猛发展。自动抄表就是将用户使用的水、电、气和其他等相关数据收集，通 过一定的通信传输介质，传送到管理部门，完成统一管理、收费、监控等功能。 目前，美国，西欧，日本很多国家都采用智能采集抄表代替原来的人工抄表，自 动抄表在一些国家已经发展了几十年，例如，在美国自动抄表已经发展成一个新兴产 业，由卜几家著名厂商联合组织了一个行业协会，即自动读表协会( t h ea u t o m a t i c m e t e rr e a d i n ga s s o c i a t i o n ) ，旨在推广和发展a m r 技术。 在我国，自动抄表技术发展较晚，开始于2 0 世纪九十年代后期。但随着经济的 发展，人民生活水平提高，特别是城市智能小区的发展，现在自动抄表在我国开始进 入一个快速发展期。 1 2 1 现场总线发展现状 目前远程自动抄表系统的组建主要围绕现场组网方式的选择，合理地选择组网方 式有利于系统的集成，运行的稳定性，控制成本。主要有以下几种组网方式： ( 1 ) 4 8 5 总线方式 基于s o p c 的远程自动抄表系统的研究与设计 4 8 5 总线抄表系统优点：技术简单、成熟，易于实现；对全电子式电能表，无需改 造。由于采用多表集中抄收的方式降低了每户成本，同时也降低了整个系统造价。 4 8 5 总线抄表系统缺点：施工布线工作量大，网线易受人为破坏。线路损坏后， 故障点不易查找。易受雷击和过电压的影响，稳定性差。速度慢。 ( 2 ) 电力线载波组网方式 电力载波最大的优势就是可以利用无所不在的电力线网络作为一种通信媒介，这是 世界上分布范围最广的、最现成的通信资源。并且构建抄表系统简洁，成本低廉，如果 技术成熟，将是电表抄表系统的最佳通信资源。目前，发达国家电网运营状况已非常完 善，电力环境十分纯净，电网管理水平高，电力干扰小，所以电力线载波通信方式在国 外应用非常广泛。由于我国电网干扰信号十分复杂，采用载波传输，通信可靠性得不到 保证。这也是电力载波抄表系统长期不能真正解决的问题，因为抄表的可靠性不高造 成整个系统的维护工作量和维护成本太高。因此电力载波抄表系统在我国还未普及。 ( 3 ) l o n u o r k s 总线方式 l o n w o r k s 总线技术由于其优良特性，已经成为实际上的现场总线推荐标准。 l o n w o r k s 的网络拓扑结构具有很大的灵活性，通过多种收发器提供各种典型的拓扑结 构，如总线型、星型、环型、混合型等，不同的通道之间网络信息以路由器作为通信桥 梁。使用路由器不但可以实现不同通信介质之间的数据传输，还能改善网络的响应时间 和安全性能。但组建成本比较高，国内应用还比较少。 ( 4 ) c a n 总线方式 组网方便，灵活，通信传输时间短、抗干扰性强。具有多种错误校验方式，形成强 大的差错控制能力。而且在严重错误的情况下，节点会自动离线，避免影响总线上其它 节点。采用无损坏的仲裁技术，c a n 芯片不但价格低而且供应商多。 ( 5 ) 无线组网方式 无线通信式智能集中抄表系统是中国目前最领先的无线智能抄表系统，它将是中 国智能集中抄表未来的发展方向，无线通信式集中抄表系统采集计数工作单元均装配在 表内并密封，表的数据采集、处理、存储等基础工作由表本身完成。无线通信式智能集 中抄表通过远程接收装置接收信号，此种表不需敷设线路和线路维护、安装方便。但也 有电波干扰，数据安全性差，技术还不成熟，投资成本较高等缺点。 1 2 2 嵌入式系统的发展趋势 嵌入式系统是指以应用为中心，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。它主要由嵌入式 微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用软件等部分组成。用于实现对 其它设备的控制、监视和管理等功能，它通常嵌入在主要设备中运行。嵌入式系统主要 2 第1 章绪论 围绕中央微处理器展开组建的。简单介绍一下其发展历程： 第一时期( 1 9 8 0 年一1 9 9 0 年) ： 以8 位、1 6 位为核心的微型控制单元( m c u ) ，即平常我们所说的单片机。其代表型 号有：i n t e l 8 0 5 1 系列、m o t o r o l a 的6 8 h c 0 5 系列、z i l o g 的z 8 0 系列。它们主要应用于 低端、对实时性要求较低、单任务的控制领域。 第二时期( 1 9 9 2 年至今) ： 以3 2 位、6 4 位为主的微型处理器( m p u ) 。其代表有著名的a r m 系列、m i p s 系列、 p o w e r p c 系列、x 8 6 系列等。其特点是：嵌入实时操作系统，多任务并发处理机制，人 机交互的图形操作界面。通常应用于数据处理量大，实时性要求高的高端领域。 第三时期( 2 0 0 0 年一未来) ： 目前嵌入式系统大多采用含有a r m 的3 2 位知识产权处理器核，尽管这些处理器功 能强大，速度快。但为了构建一个完整的嵌入式系统，除常规配置s r a m ，d r a m ，f l a s h 外，还得配置各种接口器件，如网络通信接口：s c i ( 串行通信) ，s p i ( 三总线接口) ，u s b 接口，c a n 接口，e t h e r n e t 接口等，这样会增加系统体积，功耗，降低系统可靠性。这 也是传统嵌入式处理器不灵活的弊端。 将a r m 或其他知识产权核，以硬核的方式植入f p g a 中，根据用户不同的需要，利 用可编程逻辑资源和i p 软核，来直接构成各种接口就可以解决这一问题。基于f p g a 的 i p 硬核的s o p c 嵌入式系统就应允而生。a 1 t e r a 和x i l i n x 都推出了这方面器件。如， a 1 t e r a 的e x c a l i b u r 系列的f p g a 就植入了a r m 9 2 2 t 硬核：x i l i n x 的v i r t e x i ip r o 系列中则植入了i b mp o w e r p c 4 0 5 处理器。 再有一种更为灵活的方案：基于f p g a 的i p 软核的s o p c 嵌入式系统。它的内部总 线，接口形式，指令模式都是可配置和自定义的。用户可以根据实际情况随意灵活构建 属于自己量身定做的嵌入式系统。 1 3 本文结构安排 本文主要包括以下几个方面的主要内容： l 、第一章首先系统地介绍远程自动抄表的发展、国内外的研究现状；然后详细介 绍了嵌入式系统的基本概念、研究现状及其发展趋势。从中可以看出文章所做的研究工 作是具有重要的实际意义及研究前景。 2 、第二章对系统设计所涉及到的关键技术进行了阐述。主要对现场总线中的c a n 总线标准和s o p c ( 可编程片上系统) 进行了分析。 3 、第三章首先扼扼要的介绍了远程自动抄表系统一般功能结构，然后根据本设计 的具体情况需求，详细地给出了本设计系统整体构架。 4 、第四章首先对硬件电路的设计原则作了一般的阐述，然后对系统单个模块结构、 基于s o p c 的远程自动抄表系统的研究与设计 功能需求分析，最后从模型到板卡级的硬件电路设计。 5 、第五章完成了对系统各个模块的系统驱动程序编写。主要是对c a n 通信协议、 t c p i p 通信协议的分析及程序实现流程以及具体的a v a o n 总线接口设计；并在实验箱 上s o p c 技术的实现。 6 、第六章主要是对系统各个模块进行调试及实验结果，还论述了在硬件调试过程 中的所遇到的问题。 7 、第七章对本文进行了最后总结以及对后续工作进行了展望。 4 第2 章系统关键技术阐述 第2 章系统关键技术阐述 远程自动抄表系统，从“远程”二字则理所当然涉及到网络选择和组建，“自动” 二字则涉及到主控嵌入式系统。本章在扼要介绍了如今应用流行的现场总线技术的基础 上，详细阐述了c a n 和e t h e r n e t i p 技术。以及对s o p c 技术进行了分析。 2 1 组网方式研究 工业控制从早期的就地控制、集中控制，已经发展到现在的集散控制( d c s ) ，在过 去的2 0 年中，过程工业对d c s 系统及相关的仪表装置进行了大量的投入，d c s 系统的应 用结果得到了用户的肯定。4 - 2 0 m a 信号是d c s 系统及现场设备相互连接的最本质特点， 这是控制系统和仪表装置发展的一大进步。然而现在，数字化和网络化成为当今控制网 络发展的主要方向。人们意识到传统的模拟信号只能提供原始的测量和控制信息，而智 能变送器在4 - 2 0 m a 信号之上附加信息的能力又受其低通信速率的制约，所以对整个过 程控制系统的机制进行数字化和网络化，应是其发展的必然趋势。在这种条件下，现场 总线就应允而生。 现场总线是用于现场仪表与控制系统和主控室之间的一种全分散、全数字化、智能、 双向、多点的通信网络。对现场总线通常定义为：现场总线是一种应用于生产现场，在 现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字基带通信的技术。现场总线是当 今自动化测量控制领域内发展热点之一，被誉为自动化领域内的计算机局域网。它不仅 是一个基层网络体系，而且还是是一种开放式、全分布式的控制系统。现场总线技术是 综合运用微处理器技术、网络技术、通信技术、自动化技术的产物，我们对它做一个精 简的定义“”： 现场总线是一种低带宽的计算机局域网 现场总线是一种数字基带通信协议 现场总线是一种底层控制网络 2 1 1 几种流行的现场总线”1 现场总线自2 0 世纪8 0 年代诞生以来，国际上出现了几种流行现场总线，下面简要 的加以介绍。 1 、c a n 总线 c a n 由德国r o b e r tb o s c h 以及几个集成电路制造商一起开发，最初是专门为汽车 工业设计，后来推广到各个领域目前已由i s o t c 2 2 技术委员会批准为i s 0 1 1 8 9 8 ( 通信 基于s o p c 的远程自动抄表系统的研究与设计 速率小于1 m b p s ) 和i s 0 1 1 5 1 9 ( 通信速率小于等于1 2 5 k b p s ) 。c a n 是现场总线中唯一被 i s o 批准为国际标准的现场总线。值得注意的是一些微处理器的生产商也在微处理器芯 片中附加c a n 的接口，并且成为一种潮流。而其他现场总线的协议芯片基本上是以专用 的芯片来供应，这样c a n 在低成本方面优势明显，此外c a n 技术在抗干扰技术方面颇有 特色。与电器有关的是：a b b 公司的d e v i c e n e t 以及h o n e y w e l l 公司的s d s ( s m a r t d i s t r i b u t e ds y s t e m ) 也是c a n 产品。 2 、l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i o nn e t w o r k ) 局部操作网络 1 9 9 1 年3 月由美国的e c h e l o n 公司推出，是一种“智能网”，核心技术是节点由神 经元芯片( 含三个c p u ) 构成，带有o s i 的七层网模型，适应面最广，开发工具约l o 一 3 0 万人民币，价格较贵。据统计，产品的4 0 用于工业控制，3 0 用于楼宇自动化。 3 、p r o f i b u s 总线 p r o f i b u s 自1 9 8 4 年开始研制现场总线产品，现已成为欧洲首屈一指的开放式现场 总线系统，欧洲市场占有率大于4 0 ，广泛应用于加工自动化、楼宇自动化、过程自动 化、发电与输配电等领域。p r o f i b u s 技术特性：p r o f i b u s 以i s 0 7 4 9 8 为基础，以开放 式系统互联网络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 ) 作为参考模型，定义了物理传输 特性，总线存取协议和应用功麓。 4 、基金会现场总线 现场总线基金会包含1 0 0 多个成员单位，负责制订一个综合i e c i s a 标准的国际现 场总线。它的前身是可互操作系统协议i s p ( i n t e r p e r a b l es y s t e mp r o t o c 0 1 ) 基于 德国的p r o f i b i s 标准，和工厂仪表世界协议w o r l d f i p ( w o r l df a c t o r yi n s t r u m e n t a t i o n p r o t o c 0 1 ) 基于法国的f i p 标准。i s p 和w o r l d f i p 于1 9 9 4 年6 月合并成立了现场总 线基金会。 基金会现场总线采用国际标准化组织i s o 的开放化系统互联o s i 的简化模型( 1 ，2 ， 7 层) 。另外增加了用户层。 2 1 2c a n 通信技术”3 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k s ) 即控制器局域网络。最早由德国b o s c h 公司推出， 用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通讯。由于其高性能、高可靠性与独特的设计， c a n 越来越受到业界的重视，它在国内外的应用范围也在不断的扩展。目前己不再局限 于汽车行业，而向过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医 疗器械及楼字控制、智能住宅等领域发展。 6 第2 章系统关键技术阐述 2 i 2 1c a n 总线特点n c a n 属于总线式串行通讯网络，由于采用了许多新技术和独特的设计，与一般的通 讯系统相比，c a n 总线的数据通讯具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可概括 如下： ( 1 ) c a n 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点 发送信息，而不分主从，通讯方式灵活，且无需地址等节点信息。利用这一特点可方便 地构成多机备份系统。 ( 2 ) c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时需要，高优先级的 数据可得到优先传输。 ( 3 ) c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较 低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响的继续传输数据，从而大大 节省了总线冲突仲裁时间。尤其在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪的情况。 ( 4 ) c a n 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传输 数据，无需专门的“调度”，大大减轻处理器负担。 ( 5 ) c a n 的直接通讯距离最远可达l o l ( i i l ( 传输速率5 k b p s 以下) ：通讯速率最高可达 i m b p s ( 此时通讯距离最长为4 0 m ) 。 ( 6 ) c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 l o 个；报文标识符可达 2 0 3 2 种( c a n 2 o a ) ，而扩展标准( c a n 2 o b ) 的报文标识符几乎不受限制。 ( 7 ) 采用短帧结构( 8 字节帧) ，传输时间短，受干扰率低，具有极好的检错效果。 ( 8 ) 每帧信息都有c r c 校验及其他检错措簏，保证了极低的数据出错率。节点在错 误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其它节点的操作不受影响。 c a n 的通讯介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。c a n 卓越的特性、极高 的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界 的重视，并己公认为最有前途的现场总线之一。 2 i 2 2c a n 分层结构 c a n 遵循i s o o s i 模型，按照o s i 模型，c a n 结构精简为三层：物理层、数据链路 层、应用层。其分层结构如下图2 - i ： 基于s o p c 的远程自动抄表系统的研究与设计 分层结构功能 应用层 应用协议 数l l c 子层 接受滤波、超载通知一恢复管理 据 链 路 m a c 子层 数据封装拆装、帧编码( 填充解除填充) 、媒体访问管理 层 错误检测、出错标定应答、串行化解除串行化 物理层位编码解码、位定时同步、驱动器楼收器特性 图2 1c a n 的分层结构 l l c 子层提供的功能包括：帧接收滤波、超载通告和恢复管理。 ( 1 ) 帧接收滤波：在l l c 子层上开始的帧跃变是独立的，其自身操作与先前的帧跃变 无关。帧内容由标识符命名。标识符并不能指明帧的目的地，但描述数据的含义，每个 接收器通过帧接收滤波确定此帧与其是否有关。 ( 2 ) 超载通告：如果接收器内部条件要求延迟下一个l l c 数据帧或l l c 远程帧，则通 过l l c 子层开始发送超载帧。最多可产生两个超载帧，以延迟一个数据帧或远程帧。 ( 3 ) 恢复管理：发送期间，对于丢失仲裁或被错误干扰的帧，l l c 子层具有自动重发 的功能。在发送完成前，帧发送服务不被用户认可。 m a c 子层是c a n 协议的核心，它描述由l l c 子层接收到的报文和对l l c 子层发送的 认可报文。m a c 子层由一被称为故障界定的管理实体监控，它具有识别永久故障或短暂 扰动的自检机制。在实际应用中m a c 子层被划分为完全独立工作的两个部分，即发送部 分和接收部分。 发送部分功能包括： ( 1 ) 发送数据封装：接收l l c 帧并接口控制信。g ；c r c 循环计算：通过向l l c 帧附加s o f r t r 、保留位、a c k ，c r c 和e o f ，构造m a c 帧。 ( 2 ) 发送媒体访问管理：确定总线空闲后，开始发送过程( 通过帧问空闲应答) m a c 帧串行化，插入填充位( 位填充) ，在丢失仲裁的情况下，退出仲裁并转入接收方 式，错误检测( 监控，格式校验) ，应答校验，确认超载条件，构造超载帧并开始发送，构造 出错帧并丌始发送，输出串行位流至物理层准备发送。 接收部分功能包括： ( 1 ) 接收媒体访问管理：由物理层接收串行位流，解除串行结构并重新构筑帧结构， 检测填充位( 解除位填充) ，错误检测( c r c ，格式校验，填充规则校验) ，发送应答。构造 出错帧并开始发送，确认超载条件，重激活超载帧结构并开始发送。 ( 2 ) 接收数据卸装 由接收帧输出l l c 帧和接口控制信号至l l c 子层。 第2 章系统关键技术阐述 2 1 3e t h e r n e t i p 技术 2 0 世纪九十年代开始，因特网开始了爆炸性的发展。因特网的基础是t c p i p 协议族， 应用t c p i p 协议的以太网是目前使用最广泛的一种局域网。因此，人们很容易想到把 以太网应用于工业中。其中最成功的一种是e t h e r n e t i p ，其中“i p ”是工业协议 ( i n d u s t r i a lp r o t o c 0 1 ) 的缩写，它是工业应用使用t c p i p 的工业以太网。 t c p i p ( t r a n s m i s s i o n c o n t r o l p r o t o c o l i n t e r n e t p r o t o c o l 的简写，中文译名为传 输控制协议互联网络协议) 协议是i n t e r n e t 最基本的协议，简单地说，就是由底层的 i p 协议和t c p 协议组成的。t c p i p 协议的开发工作始于7 0 年代，是用于互联网的第一 套协议。 2 1 3 1t c p i p 参考模型 t c p i p 协议的开发研制人员将i n t e r n e t 分为五个层次，以便于理解，它也称为互 联网分层模型或互联网分层参考模型，如下表： 物理层：对应于网络的基本硬件，这也是i n t e r n e t 物理构成，即我们可以看得 见的硬件设备，如p c 机、互连网服务器、网络设备等，必须对这些硬件设备的电气特 性作一个规范，使这些设备都能够互相连接并兼容使用。 网络接口层：它定义了将数据组成f 确帧的规程和在网络中传输帧的规程。 互联网层：本层定义了互联网中传输的“信息包”格式，以及从一个用户通过一 个或多个路由器到最终目标的”信息包”转发机制。 传输层：为两个用户进程之间建立、管理和拆除可靠而又有效的端到端连接。 应用层：它定义了应用程序使用互联网的规程。 1 、网间协议i p i n t e r n e t 上使用的一个关键的底层协议是网际协议，通常称i p 协议。我们利用一 个共同遵守的通信协议，从而使i n t e r n e t 成为一个允许连接不同类型的计算机和不同 操作系统的网络。要使两台计算机彼此之间进行通信，必须使两台计算机使用同一种” 语言”。通信协议正像两台计算机交换信息所使用的共同语言，它规定了通信双方在通 信中所应共同遵守的约定。计算机的通信协议精确地定义了计算机在彼此通信过程的所 有细节。网际协议i p 协议提供了能适应各种各样网络硬件的灵活性，对底层网络硬件 几乎没有任何要求，任何一个网络只要可以从一个地点向另一个地点传送二进制数据， 9 基于s o p c 的远程自动抄表系统的研究与设计 就可以使用i p 协议加入i n t e r n e t 了。如果希望能在i n t e r n e t 上进行交流和通信，则 每台连上i n t e r n e t 的计算机都必须遵守i p 协议。为此使用i n t e r n e t 的每台计算机都 必须运行i p 软件，以便时刻准备发送或接收信息。 i p 协议对于网络通信有着重要的意义：网络中的计算机通过安装i p 软件，使许许 多多的局域网络构成了一个庞大而又严密的通信系统。从而使i n t e r n e t 看起来好像是 真实存在的，但实际上它是一种并不存在的虚拟网络，只不过是利用i p 协议把全世界 上所有愿意接入i n t e r n e t 的计算机局域网络连接起来，使得它们彼此之间都能够通信。 2 、传输控制协议t c p 尽管计算机通过安装i p 软件，从而保证了计算机之间可以发送和接收数据，但i p 协议还不能解决数据分组在传输过程中可能出现的问题。因此，若要解决可能出现的问 题，连上i n t e r n e t 的计算机还需要安装t c p 协议来提供可靠的并且无差错的通信服务。 t c p 协议被称作一种端对端协议。这是因为它为两台计算机之间的连接起了重要作用： 当一台计算机需要与另一台远程计算机连接时，t c p 协议会让它们建立一个连接、发送 和接收数据以及终止连接。传输控制协议t c p 协议利用重发技术和拥塞控制机制，向应 用程序提供可靠的通信连接，使它能够自动适应网上的各种变化。即使在i n t e r n e t 暂 时出现堵塞的情况下，t c p 也能够保证通信的可靠。t c p 协议具有自动调整”超时值”的 功能，能很好地适应i n t e r n e t 上各种各样的变化，确保传输数值的正确。因此，从上 面我们可以了解到：i p 协议只保证计算机能发送和接收分组数据，而t c p 协议则可提供 一个可靠的、可流控的、全双工的信息流传输服务。 综上所述，虽然i p 和t c p 这两个协议的功能不尽相同，也可以分开单独使用，但 它们是在同一时期作为一个协议来设计的，并且在功能上也是互补的。只有两者的结合， 才能保证i n t e r n e t 在复杂的环境下正常运行。凡是要连接到i n t e r n e t 的计算机，都必 须同时安装和使用这两个协议，因此在实际中常把这两个协议统称作t c p i p 协议。 3 、地址解析协议a r p 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 ) 是负责将网络地址映射到硬件物理地址的协议， 协助完成t p 地址到m a c 地址的转换。在i p v 4 中，i p 地址的长度是3 2 位。在以太网中， 设备的m a c 地址是4 8 位。运行a r p 协议软件的设备维护管理着一个a r p 表格，表格中 记录着设备m a c 地址和i p 地址之间的一一对应关系。 a r p 提供的功能主要有两个部分，第一部分功能是在进行数据发送时，通过查询，将 i p 地址映射到设备的物理地址( m a c 地址) ；第二部分功能是处理和回答来自其他设备的 a r p 请求报文。互联网层的i p 协议在工作中每构造好一个i p 数据包后，就请求a r p 查 询出与数据包中目的i p 地址对应的设备物理地址，下传给网络接入层构造刚于在数据 链路上传输的数据帧。网络接入层使用a r p 查询出的源和目的设备的物理地址构造数据 帧的帧头，将i p 数据包作为帧的数据负载封装到数据帧中，然后通过物理线路发送出 去。 0 第2 章系统关键技术阐述 4 、用户数据报协议u d p u d p 协议是英文u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l 的缩写，即用户数据报协议，主要用来支 持那些需要在计算机之间传输数据的网络应用。包括网络视频会议系统在内的众多的客 户服务器模式的网络应用都需要使用u d p 协议。u d p 协议从问世至今已经被使用了很多 年，虽然其最初的光彩已经被一些类似协议所掩盖，但是即使是在今天，u d p 仍然不失 为一项非常实用和可行的网络传输层协议。与我们所熟知的t c p ( 传输控制协议) 协议 一样，u d p 协议直接位于i p ( 网际协议) 协议的顶层。根据o s i ( 开放系统互连) 参考 模型，u d p 和t c p 都属于传输层协议。 2 1 3 2e t h e r n e t i p 模型 首先把e t h e r n e t i p 网络模型与o s i 开放式模型进行比较以下，如下图2 2 i s o o s ie t h e r n e t i p 应用层 表示层 c i p 、h t t p 等 会话层 传输层t c p u d p 网络层 i p 、i c m p 数据链路层以太网 物理层 图2 2e t h e r n e t i p 网络模型与o s i 开放式模型对比 e t h e r n e t i p 网络模型的应用层c i p ( c o n t r o la n di n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) ，控制及信 鼠协议是其区别于其它工业以太网协议的主要不同点。 c i p 协议具有以下特点： 可以传输不同类型的数据，包括i o 数据、配置、故障诊断、程序上下载等； 面向连接，通信之前必须建立连接； 用不同方式传输不同报文，支持多种通信模式：主从、多主、对等： 支持多种i l o 数据触发方式； 运用对象模型来描述应用层协议，方便丌发人员开发。 2 2s o p c 技术 s o p c “”是s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p 的简称，即可编程片上系统。s o p c 实质 是f p g a 与a s i c 融合的结果。既具有f p g a 的灵活性又可具备a s i c 通用性。它是对传统 电子设计的一次挑战，它以i p 为基础，以硬件描述语言为主要手段，借助计算机为平 基于s o p c 的远程自动抄表系统的研究与设计 台的e d a 工具进行的，它与传统电子设计相比，具有以下特点： 有利于系统集成度，减少板卡面积，内嵌的线路可避免外部干扰，有利于系统稳 定： o i p 核复用，系统可重构和裁减，减少开发难度和风险，有利于系统升级开发： 软硬件协同设计方法可减少开发难度和产品上市时间。 2 2 1 基于f p g a 的i p 软核s o p c 嵌入式系统 将i p 硬核植入f p g a 的解决方案存在以下几点不足之处。 ( 1 ) 由于i p 硬核都来自第三方公司，使用它必须支付知识产权费用，从而导f p g a 价格偏高，影响其推广应用： ( 2 ) 由于硬核是事先植入的，设计者往往无法根据实际需要改变处理器结构，比如， 总线方式，接口模式，指令形式，更不可以使用自定义指令作为硬件加速单元； ( 3 ) 无法根据实际情况在同一f p g a 内部使用多个处理器； ( 4 ) 无法裁减处理器硬件资源，已合适成本满足不同应用的需要； ( 5 ) 只能在特定f p g a 使用硬核处理器。 使用软核嵌入式处理器就能很好的解决以上个问题。比如a l t e r a 公司推出的n i o s i i 软核处理器。n i o s 核是用户可随意构建1 6 3 2 位总线指令集和数据通道的嵌入式微 处理器i p 核，采用a v a l o n 总线结构同线接口带有增强内存，调试，软件功能。 2 2 1 1n i o sc p u 介绍 n i o si i 是一个用户可配置的通用r i s c 嵌入式处理器。a l t e r a 推出的n i o si i 系 列嵌入式处理器扩展了目前世界上最流行的软核嵌入式处理器的性能，把n i o si i 嵌入 到a l t e r a 的所有f p g a 中，例如s t r a t i x i i 、s t r a t i x 、c y c l o n e i i ，c y c l o n e 、a p e