（检测技术与自动化装置专业论文）嵌入式无线网络测控平台的研制与特性研究.pdf

摘要 近年柬，工业测控已经从传统的单机仪器、局部的自动测控系统发展到全分 布式的网络化测控系统，网络化是现代测控技术的主要特点之一。以e t h c m e t 作为系统中的核心网，以工业级的现场总线作为本地设备节点问的传输媒介，这 就是一个工业网络测控系统的典型结构。现场总线本质安全，数据传输速率高、 传输距离远，并且有着较好的抗干扰性能。但是，物理链路受空测位置限制，网 络扩展性差，这是有线方式的不足。 随着无线通信技术的不断发展，尤其是一些短距离、非标准无线射频协议的 无线技术的兴起，无线网络在工业测控领域展现了良好的应用前景。本文就嵌入 式网络测控系统的功能要求，提出了一套基于无线技术的解决方案；该方案组网 简单，健壮性强，可随时根据需要增加或删减网络节点，具有较好的实用价值。 本文的工作主要体现在以下几个方面： l 、 设计了基于3 2 位a r m 7 处理器s 3 c 4 4 b o x 的嵌入式无线网络测控系 统的硬件平台。该平台提供了串口和网口，预留i i s 声音接口供后续 之用，通过网口连接到e t h e m e t ，利用n r f 2 4 0 1 无线芯片作主控节点 和各从节点间的通信媒介，采用的是主从式的无线网络结构。 2 、 移植了嵌入式实时操作系统t t c o s 1 i ，实现了u d p 协议，编写了 n r f 2 4 0 1 的驱动和通信程序，实现了主控节点与远端p c 机、主控节 点与各从节点的相互通信。 3 、 分析了系统实时性、安全性和可靠性的问题，并就如何提高这些性能 指标给出了具体的改善措施。 4 、 将该测控系统应用到粮情测控系统中，给出了具体的设计方案。 关键词：网络化测控无线网络嵌入式系统a r mn r f 2 4 0 1t c p i p i - l c o s i i实时性安全性可靠性粮情测控 a b s t r a c t r e c e n t l y , i n d u s t r ym e a s u r e m e n t & c o n t r o ls y s t e m w h i c ho r i e n t e df r o m as i n g l e i n s t r u m e n to ral o c a la u t o m a t i cs y s t e m ，h a sb e c o m eat o t a l l yd i s t r i b u t e dn e t w o r k s y s t e m n e t w o r ki st h e p r i m a r y f e a t u r eo fm o d e mm e a s u r e m e n t & c o n t r o l t e c h n o l o g i e s t h et y p i c a ls t r u c t u r eo fi n d u s t r yn e t w o r km e a s u r e m e n t & c o n t r o l s y s t e m ( i n m c s ) i n c l u d e se t h e m e tf u n c t i o n i n ga s ac o r en e t w o r k ，a n di n d u s t r i a l f i e l d b u sw h i c ha c t st h et r a n s m i s s i o nm e d i ao fl o c a ld e v i c en o d e s f i e l d b u sh o l d s m a n ym e r i t s ，f o ri n s t a n c e ，i th a si n t r i n s i cs a f e t yp e r f o r m a n c e ，h i g hd a t at r a n s m i s s i o n r a t e ，l o n g d a t at r a n s m i s s i o nd i s t a n c e ，a n dm o s to fa l l ，s t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c e c a p a b i l i t y h o w e v e r ，i t sp h y s i c a ll i n k ss u f f e rt h er e s t r i c t i o no fs p a c ep o s i t i o na n dt h e n e t w o r kh a sp o o re x p a n s i o n ，a l lo f t h o s ea r et h es h o r t a g eo f w i r e dc o n n e c t i o n w i t ht h ei n c e s s a n td e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，e s p e c i a l l y s o m eo n e sw i t hs h o r t d i s t a n c en o n s t a n d a r dr fp r o t o c o l s ，w i r e l e s sn e t w o r kh a sb e e n e x h i b i t i n gab r i g h ta p p l i c a t i o np r o s p e c ti nt h ef i e l do fi n d u s t r ym e a s u r e m e n t & c o n t r o l i nv i e wo ff u n c t i o nn e e d sf o re m b e d d e dn e t w o r km e a s u r e m e n t & c o n t r o ls y s t e m ，t h i s p a p e rd e s i g n e da n di m p l e m e n t e dar e s o l u t i o ns c h e m eb a s e do nw i r e l e s st e c h n o l o g y t h es c h e m ep o s s e s s e sab e n e ra c t u a lv a l u e ，f o re x a m p l e ，s i m p l ea n de f f e c t i v e t o p o l o g ys t r u c t u r ea n ds ”o n gr o b u s t n e s s t h en e t w o r kc a na d do rs u b t r a c tn o d e sa t a n ym o m e n t a sw e l l t h er e s e a r c hw o r ko f t h i sp a p e rl i e si nt h ef o l l o w i n ga r e a s 1 d e s i g n e da n dr e a l i z e dt h eh a r d w a r ep l a t f o r t no fe m b e d d e dw i r e l e s s n e t w o r km e a s u r e m e n t & c o n t r o l s y s t e mb a s e d 3 2 一b i ta r m 7 m i c r o p r o c e s s o rs 3 c 4 4 b o x ，s u p p l y i n gs e r i a l ，n e t w o r ki n t e r f a c e ，a n di l s f o rf u t u r eu s ea sw e l l t h ep l a t f o r mc o n n e c t se t h e m e td i r e c t l ya n d n r f 2 4 01p e r f o r m st h ec o m m u n i c a t i o nm e d i ab e t w e e nm a s t e rn o d ea n d s l a v en o d e sw i mc l i e n t s e r v e rm o d e s 2 t r a n s p l a n t e de m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，r e a l i z e du d pp r o t o c o l ， c o m p l e t e d t h ed r i v e r c o m m u n i c a t i o np r o g r a mo fn r f 2 4 0la n d a c h i e v e dt h ec o r r e s p o n d e n c ew i t hm a s t e rn o d ea n dd i s t a n tp c ，m a s t e r n o d ea n ds l a v en o d e s i i 4 a n a l y z e d t h ep r o b l e m so fs y s t e mr e a l t i m e c a p a b i l i t y , s e c u r i t ya n d r e l i a b i l i t y , f 1 1 r t h e rm o r e ，b r o u g h tf o r w a r ds o m ec o n c r e t em e a n st oi m p r o v e t h ep e r f o r m a n c e p r o v i d e dt h ed e s i g np r o p o s a lt h a ta p p l i e st h ei n d u s t r yw i r e l e s sn e t w o r k m e a s u r e & c o n t r o ls y s t e mt og r a i n - i n f o r m a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：n e t w o r km e a s u r e m e n t & c o n t r o l ，w i r e l e s sn e t w o r k ，e m b e d d e ds y s t e m ， a r m ，n r f 2 4 0 1 ，t c p i p ，p c o s i i ，r e a l t i m ec a p a b i l i t i e s ，s e c u r i t y ， r e l i a b i l i t y ，g r a i n - i n f o r m a t i o ns y s t e m 1 1 1 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：熟 参司年岁月孑j 日 中国科学技术大学硕十论文 第一章绪论 第l 章绪论 本章描述工业无线网络测控系统的基本概念和知识，包括测控系统的功能、 发展以及工业无线网络测控的特点、现状和发展趋势。最后介绍本论丈的大体构 成。 1 1 网络化测控系统概述 i i 1 网络化测控系统的定义 测控技术在现代科学技术、工业生产和国防等诸多领域中应用十分广泛，测 控技术的现代化已被认为是科学技术、国防现代化的重要条件和明显标志。2 0 世纪7 0 年代以来，计算机、微电子等技术迅猛发展，在其推动下，测控仪器与 技术不断进步，相继诞生了智能仪器、p c 仪器、v x i 仪器、虚拟仪器及互换性虚 拟仪器等微机化仪器及其自动测控系统，计算机与现代仪器设备间的界限日渐模 糊，测控领域和范围不断拓宽。近些年来，以i n t e r n e t 为代表的网络技术的出 现以及它与其它高新技术的结合，为测控与仪器技术带来了前所未有的发展空间 和机遇，以计算机为核心、以网络为纽带的网络化测控技术与网络化测控系统应 运而生。网络化测控是现代测控技术的主要特点之一。 两络化测控系统是将测控系统中地域分散的基本功能单元( 计算机、测控仪 器、测控模块或智能传感器) 通过网络互连起来，构成一个分布式的测控系统， 这类基于计算机网络通信的分靠式测控系统称为网络化测控系统。它是把测控系 统与计算机网络相结合，构成信息采集、传输、处理和应用的综合信息网络，具 有信息时代的特点。 网络化测控系统包含如下两大部分： ( 1 ) 组成系统的各基本单元，如测控仪器、测控模块和计算机等。 ( 2 ) 连接各基本单元形成系统的传输介质通信网络。 系统以网络为基础，将分布于各地的各种不同设备挂接在网络上，进行数据 传输，实现资源共享，协调工作，共同完成测控任务。 1 1 2 测控网络中网络的功能 网络技术已经成为现代测控技术中不可缺少的部分，利用网络可以实现如下 中凰科学技术犬学硕十论文 第一章绪论 功能： ( 1 ) 数据采集与处理 测控系统把通过网络进行的数据采集看作本身的一个测控仪器，通过其它高 速总线连接至计算机进行的操作，并通过网络实现完备、可靠及高效的数据处理 功能。 ( 2 ) 数据共享 在一个基于计算机的网络测控系统中，有时需要把采集到的数据分布到其它 地方以便进行分析处理和显示，这可以通过网络的数据共享来实现。 ( 3 ) 分布式测控 把基于计算机的测控系统分布到各测控仪器模块中是网络提供的又一功能。 例如有时某测控模块需要非常高的实时要求而需要特定的处理芯片，通过软件和 网络技术，就可以把对实时要求比较高的模块分布到网络中的特定测控仪器上进 行处理。 1 1 3 网络化测控系统的发展 网络化测控系统是在计算机网络技术、通信技术高速发展，以及对大容量分 布式测控的大量需求背景下，由单机仪器、局部的自动测控系统到全分布式的网 络化测控系统而发展起来的。网络化测控系统的发展可概括为以下几个阶段。 ( 1 ) 第一阶段 起始于2 0 世纪7 0 年代通用仪器总线( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ，g p i b ) 的出现，g p i b 实现了计算机与测量系统的首次结合，使得测量仪器从独立的手 工操作单台仪器开始走向计算机控制的多台仪器的测控系统，实现了将多台仪器 由g p i b 连接成一个系统，此阶段是网络化测控系统的雏形与起始阶段。 ( 2 ) 第二阶段 起始于2 0 世纪8 0 年代v x i ( v m eb u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ，v m e 总线在测量仪器领域的扩展) 标准化仪器总线的出现，v x i 总线实现了把最大 2 5 6 个v x i 总线仪器联系起来，组成一个更大的系统。v x i 系统可以将大型计算 机昂贵的外设、v x i 设备、通信线路等硬件资源以及大型数据库程序等软件资源 纳入网络，使得这些宝贵的资源得以共享，缓解了经济和技术等各方面因素的制 约，此阶段是网络化测控系统的初步发展阶段。 ( 3 ) 第三阶段 虽然由v x i 总线所组成的测控系统已经比较庞大，但它仍然属于一个更大 规模的测控系统的范畴，还不是真诈意义上的网络化测控系统。随着技术的发展， 现场总线技术的出现带动了现场总线控制系统( f c s ) 的迅速发展，现场总线控 2 中国科学技术大学颂 ：论文 第章绪论 制系统中大量采用具有由微处理器与传统传感器结合的智能传感器的现场总线 仪表，而且总线仪器仪表也大量使用智能传感器，使得可以在一个工厂范围内通 过总线将成千上万各智能传感器，变送器等智能化的仪表组成一个网络化测控仪 器系统，此阶段是网络化测控系统的快速发展阶段。 ( 4 ) 第四阶段 采用上述的各种仪器接口总线或者现场总线，可以方便的组建一个局部测控 网络系统，但是在对现代化要求极高的领域，如国防、气象、航空、航天等行业 或领域，传统的局部范围的测控系统已经逐渐无法满足用户的需求了。许多部门 或大型企业迫切要求构建较大范围内甚至全国性的测控系统或测控网络，建立基 于i n t e r n e t 的网络化测控系统，即通常所说的分布式测控系统，这是真正意义上 的网络化测控系统，此阶段是网络测控系统的成熟阶段。 目前，以i n t e m e t 为代表的计算机网络正迅猛的发展，随着网络信道容量的 扩大，网络速度将不再成为网络应用的障碍【2 1 。利用现有的i n t e m e t 网络设施， 网络化传感器已应用到分布式测控系统中，简化了系统建设和设备维护，降低了 费用并提高了系统的性能。随着测控网络的发展，测控网络和信息网络的互连技 术也将日臻完善，最终实现大规模的网络互连是一种必然的趋势，利用网络实现 远程数据采集、测量、监控、故障诊断、医疗等的范围和广度，也将以更快的速 度发展。 1 2 工业网络测控系统的特点 工业网络测控系统是网络化测控系统中的一个具体分类。相比于其它网络化 测控系统，工业网络测控系统具有如下的特点： ( 1 ) 大部分的工业网络测控系统包含主控站与分控站两部分。 分控站具有丰富的数字量、模拟量和开关量的f o 接口，装配有测控仪器、 传感器和测控模块，主要用来实现现场条件( 温度、湿度、气体浓度等) 的测量、 数据的采集、仪器仪表和电机的控制等。主控站是工业网络测控系统的核心部分， 主要进行各测控分站的任务分配与管理、对采集上来的数据进行计算、综合与处 理、数据存储、系统的故障诊断及报警、实现与i n t e m e t e t h e m e t 网络内其他服 务器的网络互连等。主控站既可以是一台p c 机，也可以是一个功能比较齐全的 嵌入式系统，单片机、a r m 或d s p 处理器都能够作为核心控制器。一般来说， 在一个网络测控系统中只有一个主控站，但是可以有多个分控站。 ( 2 ) 工业网络测控系统往往具有两种类型的通信网络。 作为整个系统的核心，主控站兼备两个角色。主控站一般是利用i n t e m e t 或 e t h e m e t 网络与其他服务器或网络相连p i ，进行数据的转达与共享此种网络成 中国科学技术大学坝i 。论文 第一章绪论 本低廉、技术成熟：通信速率高，1 0 1 0 0m b p s 的标准配置，带宽很高，实时性 好：协议标准具有良好的开放性。虽然目前该网络的安全性和互操作性问题在 一定程度上存在着缺陷，但并不能阻止其成为工业网络测控中的核心网。 作为网络内部的管理者，主控站与分控站一般以工业级的总线联系着，如 p r o f i b u s 、h a r t 、r s 4 8 5 总线和c a n 总线等。这些总线本质安全、传输速 率较高、传输距离较远和抗干扰性能较好，非常适合工业通信。 ( 3 ) 工业网络测控系统一般对数据传输速率的要求不高，但是要有强实时 性。 一般情况下，除了视频图像的传输速率超过兆级b p s 外，其它形式的数据传 输率的要求都不高，如语音的数据率是5 6 k b p s 。但是工业场合下，为了达到对 任务的控制与监控的要求，现场设备问的信息交互必须在一定的通信延迟时间内 完成，即必须满足实时性要求。 ( 4 ) 抗干扰性能好，能够适应恶劣的现场环境。 工业现场环境中干扰主要的通道有三条【训，即空间干扰、供电系统干扰和过 程通道干扰。空间干扰多发生在高电压、大电流、高频电磁场附近，并通过静电 感应和电磁感应等方式侵入系统内部；供电系统干扰是由电源的噪声干扰引起 的；过程通道干扰是干扰通过前向通道和后向通道进入系统的。干扰一般沿各种 线路侵入系统。系统的接地装置不可靠，也是产生干扰的重要原因。各类传感器、 输入输出线路的绝缘损坏均有可能引入干扰。在如此恶劣的环境下，要保持正 常的网络线路测控功能，就要有较强的抗干扰性能，避免或尽量减少因干扰引起 的工作异常或网络瘫痪。 1 3 工业无线网络测控系统 1 3 1 工业无线网络的优点 本文所说的“无线网络”指的是测控系统内部主控站和分控站的通信链路网 络。如前文所述，主控站与分控站多以有线方式的工业级总线互连，这种网络通 信方式，技术相对成熟，传输速率较高，距离远，在分布式测控系统中获得了广 泛的应用。 近年来作为一种工业通信手段，无线技术得到了迅猛的发展成为工业通 信市场的增长点，引起了愈来愈多人的关注l 。相比于有线技术，无线技术有如 下的优点； ( 1 ) 节约成本，建立方便。有线通信的建立必须通过物理链路，布置线缆 中国科学技术大学硕上论文第一章绪论 费时费力，有时，由于某些工业环境( 如高温高压) 及其地理位置( 如经过湖泊、 林区等) 的特殊性，不易布线。即使建好以后，还易遭受雷击、环境的腐蚀及鼠 虫的啮咬；一旦出了故障，不但不易查找，维修起来也很不方便。相比而言，无 线技术就要便利的多，无需布线，故障诊断也很容易，可以借助网络进行远程诊 断。 。 ( 2 ) 追加节点，扩展性强。一个通信网络建好以后，往往因为某种原因增 加新的设备节点，如果采用有线方式就要追加布线，更极端的情况可能破坏原来 的通信链路。但是，如果采用无线组网，就可以在已有的无线网络的基础上，增 加无线接入点( w i r e l e s sa c c e s sp o i n t ，w a p ) ，修改少量的软件设置就可以达到 扩展节点的目的。 ( 3 ) 移动灵活，不受限制。对于工业无线网络的节点而占，只要它能执行 自己的功能，我们可以把节点放置到某个工业区域的任何地方，物理移动有着很 大的自由性。 ( 4 ) 抗干扰强，安全可靠。无线技术有自己的安全协议，有独特的加密算 法，不易被窃听：由于采用了扩频或跳频技术，具有很好的抗干扰性，这在恶劣 的工业环境中极为重要。 1 3 2 工业无线网络测控的现状 工业发达国家和新兴崛起国家为提高其产品在全球市场的竞争力都力求在 提高生产率的同时，降低包括能源消耗、原材料消耗和劳务成本。对于发达国家 来讲，其劳务成本远远高于新兴崛起国家，因此特别重视促进创新和技术进步， 采用新的技术手段。在这场竞争同益激烈的比赛中，无线通信技术在工业中的推 广应用受到了特殊的重视，显然是基于这样的大背景。 在工业环境下任何地点均能安装使用的智能无线传感器及其网络，具有足够 的可靠性和自治处理能力，将为各种生产装置配备实时共享的数据采集能力，从 而为提高生产率，改善产品质量，降低成本发挥重要作用。 在欧洲，从2 0 0 4 年l o 月至2 0 0 5 年4 月，集中了2 5 个组织( 大小公司和研 究所) 制定了一个名为r u n e s 、在未来l o 年内无线技术在工业控制和自动化发 展应用的路线图。旨在及时而牢固地抓住无线网络为工业系统安装和运行的高度 灵活性和成本优势创造的机会。他们的目标是；到2 0 0 8 年将安装成本降低5 0 ， 运行成本降低3 0 ；到2 0 1 4 年将安装成本降低8 0 ，运行成本降低5 0 。 最近几年，随着z i g b e e 技术和无线传感器网络概念的兴起，人们愈加关心 无线技术在监控领域的应用f i 景。a b b 在瑞典的b o l i d e n 加工厂曾经利用e m b e r 的无线技术进行无线通信评估试验，结果表明对于实时数据，当节点较少时，通 中同科学技术大学颂卜论文 第一章绪论 过网状拓扑进行5 次接力( h o p ) ，运行结果很好在延迟、稳定性和功耗等方面 均符合要求，适用于工业过程控制、状态检测等领域。 作为自动化行业的龙头企业，西门予自动化与驱动集团自行开发的 s i m 汀i c 网络工业无线以太网成功的应用到了城市燃气换热站监控网络和立体 车库控制系统中，以其可靠、安全的特点获得好评。 美国德州某工厂的流程控制车间已经布胃了工业无线以太网络用于监控。在 我国，上海泰阳工业控制设备公司开发的监控系统已经应用了无线网络技术。 目i i ，无线通信己迅速进入了工控领域的现场设备层，以下是近年来若干有 象征意义的行动和产品，其中一个突破口是现场总线和无线通信技术的结合【6 1 。 ( 1 ) 2 0 0 4 年h o n e y w e l l 推出基于z i g b e e 无线传输协议的无线变送器x y r 5 0 0 0 系列可精确检测表压力、绝对压力、温度，还有专为能提供4 - 2 0 m a 接口 的各种传感器转为无线输出。 ( 2 ) o m r o n 推出无线连接d e v i c e n e t 现场总线主站w d 3 0 m e 和从站 w d 3 0 s e ，最多可支持d i d o 各1 6 0 0 点的通信。已成功应用于丰f 开汽车装配线 的控制系统中。 ( 3 ) 德国s c h i l dk n e c h t 公司推出的无线p r o f i b u s d p 产品d e3 0 0 0 系列。 可在主站与多个从站之自j 建立无线链接。d e3 0 0 0 系列产品使用的载频为 2 4 g h z ，无线通信协议为i e e e8 0 2 “b 和i e e e8 0 2 1 5 1 。 ( 4 ) 美国i s a 学会成立 s p l 0 0 用于自动化的无线系统标准委员会，主 要面向现场仪表和设备，着重在三方面制定标准：运用无线技术的环境，无线通 信设备和系统技术的生命周期，无线技术的应用。据悉在2 0 0 6 年一季度发表文 本草案， i 3 3 工业无线网络测控的发展趋势 无线运讯网络技术在工业中的应用已成为继现场总线与工业以太网之后的 又一个热点技术。无线局域网技术能够在工厂环境下，为各种智能现场设备、移 动机器人以及各种自动化设备之间的通信提供高带宽的无线数据链路和灵活的 网络拓扑结构，在一些特殊环境下有效地弥补了有线网络的不足，进一步完善工 业控制网络的通信性能，因此无线网络进入工业测控领域的趋势无可置疑。有人 估计再过三四年，即2 0 1 0 年静。大多数仪表和自动化产品都将嵌入无线传输的功 能。由于无线现场仪表的优点一定要体现在用电池长期供电上。所以一般来说无 线传输不适用于高速控制的场合。但是实践证明对大多数监控和慢速控制场合， 它足够可靠，也就是说可以用在将近8 0 的自动化和过程控制场台。今后工业测 控的无线技术重点在无线局域网这个方向。 6 中国科学技术大学颐士论文 第一章绪论 当然，大力推广无线网络测控并不是要摈弃传统的工业总线连接方式，我们 应该把无线通信看成是现有有线通信系统的一种发展和重要补充，决非一种替 代。 1 4 本文的主要工作及内容 从前文我们可以看出，工业网络测控技术已经发展到了一个比较高的层次， 计算机技术、通信技术和芯片集成技术的飞速发展，已经使无线网络进入测控领 域成为可能。本文所设计的嵌入式无线网络测控平台，以e t h e m e t 网络作为系统 通信的主要媒介，实现本地局域网与其他网络或服务器的数据共享；以无线芯片 n r f 2 4 0 1 作为网络内部主控节点和从节点设备问通信的接口，实现数据的采集、 传输和命令的下达、转发。 该无线平台作为有线平台的种补充方案，能够为在实验室环境下研究工业 控制、数据传输、网络测控等方面提供一个可供研究、应用和开发的硬件平台和 软件环境；文中设计了系统的硬件电路，编写了软件协议，并且从安全性、可靠 性和实时性等方面进行分析，研究通过什么样的配置，可以获得什么样的技术参 数指标，从而为具体的应用提供方案选择和确定的依据；在此基础上可以开展后 续工作、深入研究、进行二次丌发、实现故障的远程诊断与处理等。 本文共分六章，其结构和各章的安排如下： 第一章简要介绍了网络化测控系统的定义、功能和发展，分析了工业网络测 控系统的特点以及无线网络在测控领域应用的优点、现状和发展趋势等。 第二章通过对系统功能的分析，提出一种基于嵌入式的网路测控平台的设计 方案。 第三章设计了测控系统的硬件电路以及采取的抗干扰措施。 第四章实现了系统的软件设计，并且根据需要移植了g c o s i i 操作系统。 第五章从系统的实时性、可靠性和安全性方面考虑，提出改善系统性能的方 案。 第六章从系统应用对象入手，以粮情测控系统为例，介绍了具体的应用方案。 最后，对前面的工作进行了归纳和总结，指出工作中尚存在的问题，并对后 续的工作进行了展望。 7 中国科学技术大学预卜论文第2 章系统的功能分析和方案设计 第2 章系统的功能分析和方案设计 本章通过对嵌入式无线网络的功能要求进行分析，提出一种基于嵌入式系统 的无线网络测控平台的设计方案。 2 1 嵌入式无线网络测控平台的功能要求 工业测控系统是一个包含多种现场设备的复杂系统【7 1 。智能传感器、d c s 仪 器仪表年i j p l c 设备等都属于该系统中的现场测控单元。这些现场测控单元具有不 同的功能，如参数测量、过程控制、数据采集、数据处理等等。但是在许多工厂 企业中，这些现场测控单元都是单独工作、相互间不具有实时信息交换的功能， 这就给整个系统的管理带来了许多困难。如果将所有的现场测控单元都连接入一 个网络，那么无论系统维护管理，还是信息交互，都会得到显著的提高。因此， 工业测控系统的网络化成为工业测控技术发展的必然趋势。 网络测控系统可以实现以下功能： ( 1 ) 远程监督生产过程和参数以及设备运行状念【8 1 ： ( 2 ) 对生产过程故障和现场测控设备故障的远程诊断；根据生产过程或者 现场智能测控设备运行过程中的特征数据进行故障预测； ( 3 ) 根据要求对现场测控设备进行功能和工作方式的定义或调整： ( 4 ) 通过网络远程启、停某个设备，或者投入或切出某一调节控制回路等； ( 5 ) 远程整定现场测控设备的工作参数： ( 6 ) 远程对现场生产设备、测控设备进行实时在线维护管理。 2 2 嵌入式无线网络测控平台的网络构成 e t h e m e t 是现今发展较快、覆盖范围最广的工业网络，将工业测控系统接入 e t h e m e t 是工业测控系统网络化研究的一个可行方向。但是如果将所有的现场测 控单元直接联入e t h e r n e t ，则会使工业测控失去其特有的工业特性和相对的独立 性。因此本文的测控系统就是基于这样的一种结构：将一个本地的测控系统集成 为一个网络节点，再将该节点接入e t h e m e t 。这样，在e t h e r n e t 网络内，整个测控 系统只是该网络中的一个节点，只占用一个内部i p 地址，但是该“节点”与普通 的节点( 如远程的p c 机) 相比却具有了强大的通信能力和测控功能。这个“节 点”是基于无线技术构建的一个本地测控网络，所有的现场测控单元都被该网络 8 中国 学技术大学硕t 论文第2 章系统的功能分析和方案- 馥计 连接起来。结构如图2 1 所示。 远程p c t 作站 n 网几丽n 丽 l 控节点ll 控甘点i l 控节点i 图2 1 无线网络测控系统的原理结构图 2 3 本地测控系统的网络构成 设计本地测控网络时，首先要考虑到它的网络构成，网络中的每个节点是基 于什么样的拓扑结构进行数据的交换的：其次还要考虑到网络的健壮性，网络要 具有一定的抗毁性，在某一个节点出现故障的时候不会影响到整个网络工作不正 常甚至网络瘫痪；第三，网络要有一定的扩展性，可以增加新的节点；最后还要 保证整个网络数据传输的安全性。 无线局域网的拓扑结构大体上有两类：无中心( p e e rt op e e r ，也称对等式) 拓扑和有中心( h u b b a s e d ) 拓扑【9 】。无中心拓扑的网络要求网中任意两个节点 均可直接通信。采用这种拓扑结构的网络一般是用公用广播信道，各节点都可竞 争公用信道。这种结构的优点是网络抗毁性好、建网容易。但当节点数过多时。信 道竞争成为限制网络性能的要害，并且为了满足任意两个节点可直接通信。网络 中节点布局受环境限制较大。中心拓扑结构的无线网络类似于有线网络中的星型 网络，它要求一个无线节点充当中心点，所有节点对网络的访问均由其控制。这 样，当网络业务量增大时，网络吞吐性能及网络时延性能的恶化并不剧烈。而且 网络中点站布局受环境限制也很小，数据的安全性和优先级容易控制。同时，中 心节点为接入有线骨干网提供了一个逻辑接入点，在网络测控等方面具有明显的 优势。 从上述方面综合考虑，本地测控网络采用中心拓扑的星型网络，建立主一从 9 中国科学技术人学顷匕论文 第2 章系统的功能分析和方案设计 式的通信链路。其中主控节点负责整个网络的调度，发起各项连接。而从节点只 与主控节点进行通信，从节点相互之间并无通信。当然，这种网络构成有一个必 要的前提，就是主节点足够健壮，不易出现故障，否则整个网络就会瘫痪。这主 要从主控节点的硬件与软件方面来保证。 当耵短距离无线通信技术主要有b l u e t o o t h ( 8 0 2 1 5 1 ) 、z i g b e e ( 8 0 2 1 5 4 ) 、 w i f j ( 8 0 2 1 1 ) 、u w b ( 8 0 2 1 5 3 a 和8 0 2 1 5 4 a ) 和w i m a x ( 8 0 2 1 6 ) 。这些技术 都有着标准化的协议，有着比较健全的安全机制，数据传输速率也很高。但是， 这些协议复杂，开发成本很高，开发难度也比较大，周期长。相比较而言，些 非标准的无线射频协议芯片功耗很低，射频部分、协议和滤波都集成在芯片罩， 大大降低了用户的成本，内部集成了某些软件功能。比如c r c 校验等。开发起 来也比较容易，使用户不必过多关心芯片自身的协议，而把精力放在应用上。 本文所采用的无线芯片正是这样的一种非标准射频协议芯片n r f 2 4 0 1 。 n r f 2 4 0 1 是挪威n o r d i c 公司推出的单片无线收发一体芯片，工作在2 4 g h zi s m 频段，具有接收灵敏度高、外围电路少、发射功率低、传输速率高和功耗低等特 点，可以实现点对点、点对多点的通信l l2 1 。 c l 田 吣团 c l k ：团 d o b l 2 团 c s d - 1 d r t 固 v d dp 帆一计v $ s 、卫dv s s 碍l f 圆圆圈圆圈回 田囡团圆回回 c l k l d a t ai ) 、 d dv s sx c = x c i 回v s s 回v d d 回v s s _ p a 回a n t 2 回v c r t 回v d d _ p a 图2 ，2n r f 2 4 0 1 芯片管脚示意图 n r f 2 4 0 1 采用o 1 8 a mc m o s 工艺制造，封装大小为5 5 m m ，只需少量外 围元件便可组成射频收发电路。简单方便的三线控制接口，便于与各种m c u 连 接；采用g m s k 调制，速率可达到l m b p s ；具有1 2 5 个频道，满足跳频和多频 道需求：内置硬件c r c 检错电路和协议，减少软件开销；发射功率和工作频率 等所有工作参数可全部通过软件设置；1 9 3 6 v 低电压工作，功耗很低；电流 1 0 中国科学技术大学硕士论文第2 章系统的功能分析和方案设计 消耗很小，一5 d b m 输出功率时的典型峰值电流为1 0 5 m a ：具有s h o c k b u 商刑( 突 发) 特性，使用片上f i f o ，允许微控制器以低数据率记录数据。而r f 收发器 可以非常高的速率发送数据；采用d u o c e i v e r ( 双通道接收) 技术可同时接收两 个r 龊f 2 4 0 1 的数据。 主控节点与从节点之间的通信正是利用n r f 2 4 0 1 模块，它的有效距离可以 达到几十米。这在一般的测控环境中足够满足要求了。 2 4 主控节点的构成 主控节点在系统中起着远端用户端和现场设备节点之问的桥梁作用。它的作 用体现在： ( 1 ) 用户端通过主控节点向从节点( 现场测控节点) 下达命令，设置整定 工作参数、启停某个设各，进行维护管理； ( 2 ) 从节点通过主控节点向用户端传递数据和状态信息； 因此，主控节点需要处理的数据量比较大，因此节点要求有足够大的r a m 存储器，其次处理速度要比较快，同时还有比较齐全的功能接口。综合以上因素， 主控节点采用3 2 位的嵌入式微处理器。3 2 位微处理器的时钟频率通常可以达到 六七十兆甚至上百兆赫兹，每秒钟可以提供几百万条的指令运算能力，能够进行 高速的数据处理，符合系统实时性要求。3 2 位微处理器目前市场上也有很多种。 本文采用目前应用最为广泛的a r m 核微处理器。a r m 核微处理器具有以下几 个主要特点 1 3 】： ( 1 ) 体积小，低功耗，低成本； ( 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) 和a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位 1 1 6 位器件； ( 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度极快； ( 4 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成； ( 5 ) 寻址方式简单，执行效率高； ( 6 ) 指令长度固定； ( 7 ) 全球有众多的合作伙伴 目前，a r m 核处理器包括以下几个系列的产品；a r m 7 t d m i 、s t r o n g a r m 、 a r m 7 2 0 t 、a r m 9 t d m i 、a 黜“9 2 2 t 、a i 洲9 4 0 t 、a i 己m 9 6 6 t 和a i l m l o t d m i 等。其中，a r m 7 是低功耗的3 2 位微处理器，我们考虑到系统的性能要求以及 成本选择了以a r m 7 为内核的处理器。 中田科学技术大学顾卜论文 第2 章系统的功能分析和方案瑷计 2 5 现场测控节点的构成 现场测控节点也称为设备节点，由于它在本地测控网络中处于附属的地位， 所以也叫做从节点或分节点。从节点采用的控制器是5 l 系列的8 位单片机。因 为设备节点只需对单个设备进行控制，需要处理的数据比较少，采用8 位单片机 完全可以满足实时性要求。设备节点提供多路模拟量和开关量的输入输出处理模 块。 综合以上观点，本文设计的系统结构如图2 3 所示。 主节点 从节点i 从节点2 从节点n 图2 3 系统结构图 其中，以太网接口实现主控节点和远端监控p c 机、服务器的网络通信， n r f 2 4 0 1 实现主控节点与从节点的无线通信，f l a s h 与s d r a m 用束固化启动程 序、运行应用程序和提供数据的存取空间，1 2 c 接口用来保存一些重要的数掘和 信息，j t a g 接口提供程序下载和调试的通道，串口用来显示调试信息。 主控节点、从节点具体的硬件电路将在第3 章详细介绍。 1 2 中国科学技术大学顾士论文第3 章硬件系统设砖 第3 章硬件系统设计 本章将具体介绍无线网络测控系统中主控节点和从节点的硬件构成，以及采 取的必要的硬件抗干扰措施。 3 1 主控节点设计 3 1 1 处理器芯片选型 本系统选用的a r m 7 芯片是s 3 c 4 4 b o x 。s 3 c 4 4 b o x 是三星公司专为手持设 备和一般应用提供的高性价比和高性能的微控制器解决方案，它使用 a r m 7 t d m i 内核，最高频率为6 6 m h z ，采用o 2 5 9 mc m o s 工艺制造， 1 6 0 l q f p ，1 6 0 f b g a 封装。s 3 c 4 4 b o x 通过提供全面的、通用的片上外设，大大 减少了系统中除处理器以外的元器件配置，从而使系统的成本大为降低【1 0 。1 1 。 s 3 c 4 4 b o x 集成的各种片上功能如下： ( 1 ) 2 5 v a r m 7 t d m i 内核，带有8 k bc a c h e ； ( 2 ) 可选的内部s r a m ； ( 3 ) l c d 控制器( 最大支持2 5 6 色d s t n ，l c d 具有专用d m a ) ； ( 4 ) 2 通道u a r t 带有握手协议( 支持i r d a i 0 m h y t i y1 6 b y t ef i f o ) ： ( 5 ) l 通道s i o ： ( 6 ) 2 个通用d m a ； ( 7 ) 2 个外设用d m a ，具有外部请求引脚； ( 8 ) 外部存储控制器( 片选逻辑，f p ，e d o s d r a m 控制器) ； ( 9 ) 5 个p w m 定时器和l 通道内部定时器； ( 1 0 ) 看门狗定时器： ( 1 1 ) 7 1 个通用i o 口； ( 1 2 ) 8 个外部中断源： ( 1 3 ) 具有日历功能的r t c ； ( 1 4 ) 8 通道l o 位a d c ： ( 1 5 ) 1 个多主i i c 总线控制器： ( 1 6 ) l 通道i i s 总线控制器； ( 1 7 ) 片上p l l 时钟发生器。 s 3 c 4 4 b o x 的体系结构如图3 1 所示。 中国科学技术人学硕l 论文 第3 章硬件系统设计 图3 1s 3 c 4 4 b o x 微处理器体系结构框图 3 1 2 片上存储器地址分配 s 3 c 4 4 b o x 的存储系统具有以下一些主要特性： ( 1 ) 支持数据存储的大、小端选择( 通过外部引脚进行选择) ：