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基于以太网的多任务测控节点的设计与实现 摘要 本文阐述了一种基于以太网的测控节点的应用设计方案。该节点具有数据 采集、控制量输出和以太网通讯的功能，使其能够较好的应用于以太网分布式 控制系统。 该节点以a d p c 8 3 4 单片机和r t l 8 0 1 9 a s 网络控制芯片为主要硬件架构，辅 以模拟量和数字量输入输出通道等外围电路。 该节点以p c o s i i 作为嵌入式操作系统，以u i p 软件作为以太网协议栈， 从而具有基于操作系统的多任务处理功能和以太网通讯功能。 随后，本文介绍了该节点在电阻炉温度控制系统中的具体应用，设计了满 足该温控系统要求的温度传感器接口和晶闸管驱动电路。另外在控制算法方面， 系统采用f u z z y p i d 参数自整定控制算法，有效的克服了一般p i d 控制算法 在大时间滞后控制系统中的不足。 关键词：p c o s i i ；以太网；嵌入式系统；测控节点；电阻炉；f u z z y - p i d t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fa ne t h e r n e t - b a s e dm u l t i t a s k m e a s u r ea n dc o n t r o l a b s t r a c t t h et h e s i si n t r o d u c e st h ei d e a ，d e s i g na n da p p l i c a t i o no fa ne t h e r n e t b a s e d m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ln o d et h a tc a nb eu s e da so n s i t ed a t aa c q u i s i t i o n c o n t r o l u n i tt ojo i na ne t h e r n e t b a s e dd i s t r i b u t e dm e a s u r e m e n t c o n t r o ls y s t e m t h eh a r d w a r ei sd e s i g n e da r o u n da d t c 8 3 4a n dr t l 8 019 a s ，a l o n gw i t ht h e d e s i g no fp e r i p h e r a lc i r c u i t ss u c ha sa n a l o g d i g i t a li o s w i t ht h ee m b e d d e dp t c o s - i ia so p e r a t i n gs y s t e ma n d u l pa se t h e r n e tp r o t o c o l s t a c k ，t h e n o d e p o s s e s e s t h e c a p a b i l i t y o f m u l t i t a s k i n g a n de t h e r n e t c o m m u n i c a t i o n t h et h e s i sa l s op r e s e n t sa na p p l i c a t i o no fs u c hn o d e si naf u r n a c et e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e m b e s i d e st h ec i r c u i t sd e s i g no fs e n s o r si n t e r f a c e sa n dt h et h y r i s t o r d r i v e r s ，t h ed e s i g np u t st h es t r e s so n a na d a p t i v ef u z z y - p i da l g o r i t h mt o o v e r c o m et h ed r a w b a c k so fc o m m o np i dc o n t r o l l e rw h i l eb e i n gu s e di ns y s t e m s w i t hb i gt i m ed e l a y k e yw o r d s ：i _ t c o s - i i ；e t h e r n e t ；e m b e d d e ds y s t e m ；m e a s u r ea n dc o n t r o ln o d e ； r e s i s t a n c ef u r n a c e ；f u z z y - p i d 插图清单 图2 - 1 节点硬件总体框图1 1 图2 2a d u c 8 3 4 的内部功能框图1 2 图2 - 3 外部3 2 k b 数据存储器接口电路1 2 图2 - 4 模拟输入主通道简化电路1 3 图2 - 5 开关量输出电路1 4 图2 - 6 模拟量输入通道电路图1 5 图2 - 7r t l 8 0 1 9 a s 内部结构1 9 图2 - 8r t l 8 0 1 9 a s 与d m a 相关的寄存器1 9 图2 - 9r t l 8 0 1 9 a s 硬件连接电路图2 1 图2 - 1 0r t l 8 0 1 9 a s 与a d “c 8 3 4 连接电路2 2 图2 - 11 网络隔离电路2 4 图3 - 1 灿c o s i i 任务在内存中的结构2 6 图3 - 2 “c o s i i 任务的状态2 6 图3 - 3 灿c o s i i 硬件和软件体系结构3 0 图3 - 4 发送数据流程图3 4 图3 - 5 接收数据帧的程序流程图3 5 图3 - 6u l p 协议栈运行流程3 7 图3 7u i p 与系统底层及应用程序的关系3 8 图3 - 8u l p 中i c m p 数据包处理流程4 0 图3 - 9u i p 中u d p 数据包处理流程4 1 图4 1 带过零触发的双向晶闸管温度控制电路4 4 图4 - 2 报警驱动电路4 4 图4 - 3 测控节点多任务流程图4 5 图4 - 4 测控系统主界面4 8 图4 - 5 流式套接字应用程序结构5 0 图4 - 6 参数自整定f u z z y - p i d 控制5 1 图4 - 7 参数自整定f u z z y - p i d 控制流程图5 2 图5 - 1 上位机与测控节点连通性验证5 4 表格清单 表1 1 工业以太网设备的区别8 表2 1r t l 8 0 1 9 a s 的n e 2 0 0 0 寄存器组1 7 表2 2 中断输出线选择表2 2 表2 3r t l 8 0 1 9 a s 地址线2 2 表4 1 测控节点创建的主要任务4 5 表4 2 k p 的模糊控制规则表5 2 表4 3 k i 模糊控制规则表5 3 表4 - 4 k d 模糊控制规则表5 3 独创性声明 本人声明所墨交靛学燕论文是本人在导狮搔导下进行的鳜究工作及取得的研究成果。 据我所知，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，也不包禽为获得佥壁玉些鑫堂 或其他教育机构盼学位或证书面使 髑过熬材料。与我一慝鼍箨的瀚志对本研究所徽的经翅贡献均已在论文中作了甥确的说明 并表豕谢意。 黝嫦躲刁1 窍 撕瓤滞箩月可窭 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金星曼玉壁太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向爵家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查酒和借阅。奉大授校金 勰三墼盔堂露| 譬乏将学位论文l l 孽全部线部分内容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届适用本授权书) 学位论文作者签名： 奎傅 签字删叼年。月：7 目 学位论文作者毕业后去向： 童作单位； 通讯地址： 导孀签名； 盘锢期：彳誓叫嚣 电话： 邮编： 致谢 首先我要感谢导师张崇巍教授，张老师不仅学识渊博，治学严谨，而且待 人诚恳，平易近人，对学生的谆谆教诲深深地记在我的心中。在两年多的时间 里张老师对我的学习给予了精心的指导，对我的生活给予了无微不至的关心。 再次衷心感谢导师的培养、支持和教诲，并祝张老师和家人永远幸福安康。 其次，感谢家人多年来物质和精神上的大力支持。他们为我付出了很多很 多，没有他们的支持，我是无论如何也难以完成学业的。 再次，感谢研究生期间给予我关心和帮助过的同学和朋友们。是师兄师姐 们带领我进入研究领域，同时对我严格要求、悉心指导，使我初步具有了发现 问题、分析问题和解决问题的能力。他们不仅是我研究工作上的导师，同时在 生活中，也是我的亲密挚友。 最后，感谢文中引用过文献的所有作者们。 4 作者：于博 2 0 0 8 年2 月 第一章绪论 1 1 当代网络与通信发展 在传统的仪表控制系统中，所有的仪表和执行器及其信息都通过一对一的 电缆连接到中央控制器，再加上与连锁控制有关的控制电缆，导致庞大、昂贵、 维护困难的电缆系统，规模较大的系统的安全性和可靠性也是一个令人头痛的 问题。现代工业控制系统将有关的物理量转换为数字信息在上位机与下位机之 间，或在智能节点之间进行数字化信息的交换，这大大克服了模拟系统的缺点。 数字通信在现代工业控制系统中发挥着越来越重要的作用。 基带传输的数字信息在电气上是与其通信速率有关的开关信号，覆盖相当 宽广的频谱，其传输不可避免地受到传输介质的分布参数和外界噪声的影响而 产生畸变，而这些影响是与传输距离成正比的。为了能在接收端从信号中还原 出原始信息，必须对信号的畸变加以限制，因而导致信息传输距离的限制。 对于距离有限的设备之间，用多条电缆线同时传输多位数据的并行通信方 式是可行和合算的。在设备分布范围很小的实验室仪器系统中，采用并行通信 的如g p i b 、v x i 等通信标准仍在广泛应用和发展之中，其通信距离视通信速率 而变，例如采用g p - i b 的仪器系统中，电缆总长度不得超过2 0 米。 将并行数据通过某种机制转换为串行数据，通过通信介质逐位发送出去， 而在接收方通过某种机制将串行数据恢复为并行数据的串行通信方式，可以大 量地节约电缆导线。对于存在大量设备且范围分布较广的过程控制系统来说， 采用g p - i b 之类的并行通信在经济上甚至在技术上都是不可行的。而采用每个 时刻只传送一位数据的串行通信则具有明显的优势。所以在现代长距离数字通 信系统中，包括过程控制系统中的数据通信，采用串行数字通信几乎是唯一的 选择。 串行通信指数据按位依次传递，要求发送和接收双方，必须遵守统一的规 定才能保证通信正常进行，如同人们用同一种彼此都能听懂的语言进行交流。 这种对数据传送方式的规定就是通信协议，包括数据格式和时间限制等方面的 定义和要求等。通信协议可由用户自己制定，也可采用标准通信协议。通信协 议的内容包括数据格式、通信速率、纠错方式等。 在串行通信中另一个大家必须遵从的是物理上接口标准( 如电气特性) ，是 通信协议中不可忽略的重要组成部分。为大家熟知且仍然广泛应用的通用串行 通信标准有r s - 2 3 2 c 、r s 一4 2 2 和r s 一4 8 5 等。 r s 一2 3 2 c 由于其单端信号的不平衡传输而容易受到共模信号的干扰，因而传 输速率和距离均有限，在电气特性上只适用于点对点传输，不能形成总线式网 络。r s 4 2 2 标准是为了在本质上提高串行通信电气特性，又考虑在数据格式上 与r s - 2 3 2 兼容而制订的，其关键在于采用了差分信号而提高了对共模噪声的抑 制能力，习达到比更远的传输距离和更高的传输速率。r s - 4 2 2 标准允许点对点 的全双工通信，但是也不能直接形成总线式网络。为此，在r s - 4 2 2 的基础上推 出了r s 一4 8 5 标准。r s - 4 8 5 在电气标准上与r s 一4 2 2 相同，可以使用与r s 一4 2 2 完全相同的接口芯片，它只能实现半双工的通信方式，但正是由于这一特点， r s 一4 8 5 系统可以形成总线式的网络拓扑。由于4 8 5 总线上缺乏仲裁机制。挂接 在4 8 5 总线上的所有设备中必须安排一个设备作为主设备，并为它编制软件来 调度其它设备的接收和发送，形成主从式总线网络。4 8 5 总线导致了现代总线 式网络的发展。 在现代高度信息化的时代，计算机的普及和大量的信息交换，导致了现代 计算机网络系统的高速发展，在这个发展中最引人注目的领域当然是基于以太 网技术的i n t e r n e t ( i n t r a n e t ) ，另一个是应用于控制领域的现场总线 ( f i e ldb i j s ) 。 1 2 控制系统现场总线 计算机1 9 4 6 年问世以来得到了飞速的发展。而计算机控制技术作为计算机 应用的一个极为重要的领域，一方面大大推动了控制理论和自动化技术向深度 和广度发展，另一方面也推动了用于控制的计算机技术本身的迅速发展。 计算机应用于工业控制中大体经历了如下一些阶段，首先是计算机直接数 字控制( d d c d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) 阶段，这种系统展现了计算机取代传 统的控制手段实现自动控制的可能性和潜力，但由于这种系统由于不能免除复 杂的电缆系统，以及一切操作和决策取决于计算机本身所导致的“危险集中”， 往往不能满足控制系统特别是过程控制系统的可靠性要求。 从克服d d c 的致命弱点出发，人们依据将危险分散的思想开发出集散控制 系统( d c s d is t r i b u t e dc o n t r 0 1s y s t e m ) 。d c s 系统的主要特点在主机通过网 络与新增的现场测控计算机联接，而现场测控计算机与现场i o 设备联接并协 调其工作。这样主机负责决策、现场i 0 设备负责执行，现场测控计算机负责 局部协调，实现了整个系统的决策、协调和执行功能的拆分。这种系统在适用 范围，可扩展性，可维护性以及抗故障能力等方面，较之分散型仪表控制系统 和集中直接数字控制系统都具有明显的优越性。d c s 的运行体现为“集中管理、 分散控制”的主一从方式。d c s 系统所以能够实现，取决于数字通信技术中网 络技术的发展。 d c s 系统虽然对d d c 系统中存在的可靠性问题作了根本性的改善，但仍存在 着局部危险集中的问题，d c s 中的现场测控计算机本身仍然是一个d d c 装置。 在分级控制中，越是高级的计算机发生故障时，其影响就越大，而且级数多， 使系统庞大、复杂、难以组织和控制。而随着现代工业的发展，要求工业控制 系统要向控制面向多元化，系统面向多级化，即负载分散，功能分散，危险分 散，地域分散的方向发展。 随着微电子技术的发展，微处理器和微控制器由于其性价比持续快速提高 而可以在工业控制领域得到广泛应用。各种仪表、仪器、装置和设备由于微处 理器的嵌入而智能化的趋势逐步在控制系统中向下渗透。这一形势与前面所述 的对工业过程控制系统的要求相结合，另一种实现危险彻底分散的控制系统 一一现场总线控制系统( f c s f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 于是就应运而生。 根据国际组织现场总线基金会( f f f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 的定义，现场总 线是一种全数字的双向多站点通信系统，适用于仪器、仪表和其它工厂自动化 设备。它将代替老式的电缆系统( c a b l i n gs y s t e m ) 。 上一定义过于笼统，有人将其具体化为：现场总线是用于现场仪表与控制 系统和控制室之间的一种全分散、全数字化的、智能、双向、多变量、多点、 多站的通信系统，按i s o 的0 s i 标准提供了网络服务，可靠性高，稳定性好， 抗干扰能力强，通信速率快，造价底，维护成本底。 现场总线技术是将微处理器嵌入传统的i o 设备内，使其在具备独立的测 控能力的同时还具备数字计算和数字通信能力，单个分散的i o 设备变成了网 络节点。它们无需各自专有的单向电缆接收或传送信号，一根通信电缆( 如双绞 线) 是所有的节点( 包括主控设备) 之间的唯一连接，工程设计人员和现场施工 人员发现可节省大量的电缆( 5 0 一8 0 ) 。f c s 的信号传输实现了全数字化，克服 了模拟信号传输过程中的漂移和所承受的干扰，降低了对环境如接地的要求。 所有的节点通过现场总线的沟通共同完成测控任务，从而使控制系统朝着智能 化、数字化、信息化、网络化、微型化、分散化的方向迈进。 现场总线充分集成了智能设备所提供的丰富的现场信息，如设备故障诊断 和参数配置信息等，系统维护人员能够准确及时地了解生产现场和设备的运行 状态，一旦发生故障就能够迅速排除，甚至还能及时发现潜在的故障，预先消 除隐患。现场总线是应用在生产现场、在微机测量控制设备之间实现双向串行 多字节数字通信的系统，也被称为开放式、数字化多点通信的底层控制网络。 它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前 景。 世界主要工业控制产品厂商争相发展现场总线技术，当前较著名的现场总 线标准就达到1 0 种以上。世界上较为流行的现场总线产品有：l o n w o r k s 、h a r t 、 p r o f i b u s 、f f 、c a n 、m o d b u s 等。另外还有d e v i c e n e t 、c a n o p e n 等是在c a n 的 三层协议基础上补充形成的现场总线标准。 目前的现状是，尽管存在需要统一标准的认识并建立了现场总线基金会( f f f ie 1d b u sf o u n d a tio n ) 组织，并提出了与任何厂家无关的f f 总线标准，但 由于利益驱动和性能多样化的需求，现场总线标准的统一仍然遥遥无期。这使 得各厂商的仪表设备难以在不同的现场总线中兼容。另外，现场总线的传输速 率也不令人满意，在有些场合下九法满足实时性要求。 市场迫切需要一个统一的标准，因为其它行业的经验表明，一个统一的标 准能够促进该行业的发展。但是，现场总线协议的长期争论不休，不但使用户 无所适从，也严重阻碍了现场总线控制系统的发展。这就为在信息网络中取得 巨大成功，因长期发展而技术成熟、因量大面广而成本低廉，在开发工具和技 术支持上具有明显优势的以太网进入控制网络领域提供了机会。目前以太网已 向现场总线产品形成挑战，支持以太网的现场单元的设计和制作已经没有明显 的难点，计算机控制系统的开发者和生产者已经把关注转向了在局域网中取得 重大成功的以太网技术，工业以太网已成为一种新的潮流乜1 。 1 3 以太网简介 1 3 1 以太网 以太网( e t h e r e n t ) 最初源自于美国施乐( x e r o x ) 公司。l9 7 5 年美国施乐公 司的p a l 0a 1 t o 研究中心研制成功，该网采用无源电缆作为总线来传送数据 帧故以传播电磁波的以太( e t h e r ) 命名；1 9 8 1 年美国施乐公司+ 数字装备公司 ( d ig it a l ) + 英特尔( in t e l ) 公司联合推出以太网( e t h e r n e t ) 规约，1 9 8 2 年修改 为第二版d i xe t h e r n e tv 2 ，在此基础上，电气和电子工程师协会( i e e e ) 制 定了i e e e 8 0 2 3 标准。 i e e e 8 0 2 3 标准实际上只是对0 s i 中数据链路层和物理层的描述，在 i e e e 8 0 2 3 标准中将数据链路层分为逻辑链路控制( l l c l o g i c a l l i n k c o n t r 0 1 ) 和介质访问控制( m a c m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 两个子层。严格来 讲，e t h e r e n t 与i e e e 8 0 2 3 在m a c 上采用相同的c s m a c d 协议以及极为类似的 帧格式，但并不完全相同，但人们习惯上通常将i e e e 8 0 2 3 标准即视为 e t h e r n e t 。 目前，e t h e r n e t 按其传输速率可分成l o m b se t h e r n e t 、l o o m b se t h e r n e t 和1 0 0 0 m b se t h e r n e t ，每种e t h e r n e t 又根据不同的物理介质有多种物理子标 准，形成了一个i e e e 8 0 2 3 标准系列。无论何种e t h e r n e t ，其m a c 层均采用争 用型的介质访问控制协议，即c s m a c d 。 c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t ) ，即载波监 听多路访问冲突检测方法是一种争用型的介质访问控制协议。它起源于美国夏 威夷大学开发的a l o h a 网络所采用的争用型协议，并进行了改进，使之具有比 a l o h a 协议更高的介质利用效率1 。 以太网的帧发送过程即是前面所说的c s m a c d 过程，细节如下： 一发送信息帧时，首先要监听总线，以确定介质上是否有其它站点下在发 送信息。 一如果介质上是空闲的，则可以发送；如果介质上是忙碌的，则要继续监 听，一直等到介质空闲时才可以发送。 一在发送信息帧时，还要继续监听总线。一旦监听到冲突发生，便立即停 止发送，并向总线发出一串阻塞信号来加强冲突，以便通知总线上各个站点已 发生冲突。这样通道不致继续传送已损坏的数据帧。 一冲突发生后，随机延时一个时间段，再去争用总线。通常采用的延迟算 法是二进制指数退避算法，算法过程如下： 1 ) 对于每个帧，当第一次冲突发生后，设置参数l = 2 。 2 ) 退避时间间隔取l 到l 个时间片中的一个随机数。1 个时间片等于2 a ， a 为信息从始端到末端所需时间。 3 ) 每当帧重复发生一次冲突，则将参量l 加倍。 4 ) 设置一个最大重传次数，如果超过这个值，则不再重传，并报告出错 信息制。 1 3 2t c p i p 与因特网 以太网标准实际上只是对0 s i 中数据链路层和物理层的描述，而要将以太 网与俗称互联网或因特网的i n t e r n e t 联系起来，则需要引入t c p i p 协议。 t c p i p 是一套把因特网上的各种系统互连起来的协议族，用于保证因特网 上数据的准确快速传输。与0 s i 模型相对照，t c p i p 通常采用一种简化的四层 模型，分别为：应用层、传输层、网络层和链路层哺1 。 1 应用层 应用层实际就是完成对网络传输数据的处理和加工的任务。应用层要有一 个定义清晰的会话过程，如通常所说的h t t p ( 超文本传输控制协议) 、f t p ( 文 件传输协议) 、t e l n e t ( 远程登录) 、s m t p ( 简单邮件传送协议) 、s n m p ( 简单网 络管理协议) 等。本系统中上位计算机操作系统支持上述协议；而在基于单片 机的温控节点中，需要结合其功能编写自己的应用层阳1 。 2 传输层 传输层让网络程序通过明确定义的通道及某些特性获取数据，如定义网络 连接的端口号等，实现该层协议的t c p ( 传输控制协议) 和u d p ( 用户数据报协 议) 。 3 网络层 网络层让信息可以发送到相邻的t c p i p 网络上的任一主机上，i p ( 因特网 协议) 就是该层中传送数据的机制。同时为了建立网络间的互连还应提供a r p ( 地址解析协议) ，实现从i p 地址到数据链路物理地址的映像。 4 链路层 由控制同一物理网络上的不同机器间数据传送的底层协议组成，实现这一 层协议的协议并不属于t c p i p 协议组，而是属于具体的链路层。目前应用最广 的链路层协议就是以太网协议。在本设计中这部分功能击网络接口控制器( n i c ) 芯片r t l 8 0 1 9 a s 执行。 1 4 工业以太网的产生及发展 自动化技术发展使人们认识到单纯提高生产设备单机自动化水平并不一定 能给整个企业带来好的效益，因此企业给自动化技术提出的进一步要求是将整 个工厂作为一个系统，实现其自动化目标是实现企业的最佳经济效益。自动化 技术由单机自动化发展到系统自动化，自动化技术从单机控制向工厂自动化 ( f a ) 即系统自动化方向的发展提出了数字化通信及信息集成的的要求，即要 求应用数字通信技术实现工厂信息纵向的透明通信。 国际电工委员会( i e c ) 于1 9 8 4 年提出制定现场总线技术标准即ie c 6l l5 8 ， 然而经过十几年的努力，i e c 6 1 15 8 在1 9 9 8 年没有通过投票。统一的现场总线 技术标准的失败使一部分人自然转向了在i t 行业已经获得成功的以太网技术， 给以太网进入自动化领域提供了一个难得的机会。积极推进这种技术概念的如 法国施耐德公司面向工厂自动化提出了基于以太网的解决方案，称之为“透明 工厂”，望文生义可以理解为协议规范、统一信息、透明存取。 与现场总线相比，以太网有以下优点： 一应用广泛。以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，受到广泛的 技术支持。 一成本低廉。由于以太网的应用最为广泛，因此受到硬件开发与生产厂商 的高度重视与广泛支持，有多种硬件产品供用户选择。而且由于应用广泛，硬 件价格也相对低廉。目前以太网设备的价格为p r o f i b u s ，f f 等现场总线的十分 之一，并且随着集成电路技术的发展，其价格还会进一步下降。 一通信速率高。目前以太网常用的通信速率为10 m ，1o o m 的快速以太网已 开始广泛应用，10 0 0 m 以太网技术也逐渐成熟，1 0 g 以太网也正在研究，其速率 比目前的现场总线快得多，可以满足对带宽的更高要求。 一软硬件资源丰富。由于以太网已应用多年，人们对以太网的设计、应用 等方面有很多的经验，对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以 显著降低系统的开发和培训费用，从而可以显著降低系统的整体成本，并大大 加快系统的开发和推广速度。 一可持续发展潜力大。由于以太网的广泛应用，使它的发展一直受到广泛 的重视同时吸引了大量的技术投入。并且，在这信息瞬息万变的时代，企业的 生存与发展将很大程度上依赖于这样一个快速而有效的通信管理网络，信息技 术与通信技术的发将更加迅速，也更加成熟，由此保证了以太网技术不断地持 续向前发展。 6 一易与i n t e r n e t 连接。能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无 缝集成。 因此，工业控制网络采用以太网，就可以避免其游离于计算机网络技术的 发展主流之外，从而使工业控制网络与信息网络技术互相促进，共同发展，并 保证技术的可持续发展，在技术升级方面无需单独的研究投入。 以太网标准i e e e 8 0 2 3 实际上只涉及到o s i 体系的两个底层一一物理层和 数据链路层，而现代工业控制网络中的最流行做法是在其上层采用与i n t e r n e t 相同的t c p i p 协议，形成称为i n t r a n e t 的工业以太网系统阳1 。 1 4 1 工业以太网的定义 所谓工业以太网通俗地讲就是应用于工业的以太网。以太网是目前计算机 局域网最常见的通信协议标准，但它是为办公自动化的应用而设计的，并没有 考虑到工业现场环境的需求，比如高温、低温、防尘等，所以以太网不能直接 应用于环境恶劣的工业现场。为了将以太网这通信技术应用与工业控制领域， 工业以太网应运而生旧。 一般来讲，工业以太网在技术上与商用以太网( 即i e e e8 0 2 3 标准) 兼容， 但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度和适用性方面应能满足工业现场 的需要，即满足以下要求： 一环境适应性。包括机械环境适应性( 如耐振动、耐冲击) 、气候环境适 应性、电磁环境适应性或电磁兼容性。 一可靠性。能可靠地应用于严酷的工业控制现场环境。 一安全性。在易燃或可燃的场合，工业以太网产品还需要具有防爆要求。 一安装方便，适应工业环境的安装要求，如采用d i n 导轨安装。 工业以太网设备与商用以太网设备差别详见表卜1 。 表1 1工业以太网设备与商用以太网设备之间的区别 工业以太叫设备商用以太网设备 元器件工业级商用级 接插件 耐腐蚀，防尘，放水，如加固形r j 4 5 ，d b - 9 ，航空一般r j 4 5 接头等 工作电压 2 4 v ，d c2 2 0 v ，a c 电源兀余双电源一般没有 安装方式可采用d i n 导轨或其他方式固定安装桌面机床等 工作温度一4 0 + 8 5 ，至少为一2 0 + 7 0 5 一4 0 电磁兼容性 e n5 0 0 8 l 2 ( 工业级e m c ) ，e n5 0 0 8 1 2 ( 工业级e n5 0 0 8 1 2 ( 办公室 标准e m c )用) e n5 0 0 8 1 2 ( 办公使 用) m t b f 值至少1 0 年 3 5 年 为了解决在不间断的工业应用领域以及在条件下网络也能稳定地工作的问 题，美国s y n e r g e t i c 微系统公司和德国h i r s c h m a n n 公司专门开发和生产了导 轨式收发器、集线器和交换机系列产品，安装在标准d i n 导轨上。美国w o o d h e a d c o n n e c t iv it y 公司还专门开发和生产了用于工业控制现场的加固型连接件( 如 加固的r j 4 5 接头、具有加固r j 4 5 接头的工业以太网交换机、加固型光纤转换 器中继器等) ，可以用于工业以太网变送器、执行机构等。美国n e t si1 ic o n 公司也已研制出工业级以太网通信接口芯片，每片价格已降至1 0 l5 美元，与 各种现场总线芯片相比，具有很大的价格优势。 1 4 2 实时性问题 在商业应用中，对实时性的要求是软的，对响应时间的要求较低，一般是 2 6 s ；只要大部分时间满足要求就可以了，偶尔几次不及时响应是关系不大。 而过程控制对实时性的要求是硬的，工业控制对通信的实时性则要求更高，因 为它常涉及安全，必须在任何时间都及时响应且不允许有任何不确定性，其控 制周期在理论上至少要满足香农定理。为了满足监控任务的要求，现场设备间 的信息交互必须在一定的通信延迟时间内完成，满足实时性要求。 以太网在通信过程中由于采用在前面所述的c s m a c d 机制，导致数据传输 延迟的不确定性，在理论上似乎不能很好地满足工业控制的实时性要求。但是 随着互联网技术的发展和普及推广，以太网技术在近几年也得到了迅速发展， 出现了交换技术、全双工通信、信息优先级、流量控制等一些新技术。以太网 的通信速率也从1 0 m b i t s 提高到i g b i t s ，甚至到目前的1 0 g b i t s ，这些都为 提高以太网实时性提供了新的途径。提高实时性可有如下措施： 1 限制以太网通信负荷。通过降低通信负荷，可以使以太网上的冲突大大 降低，从而有效地提高以太网的通信实时性。实际应用经验表明，对于以太网 来说，当通信负荷在2 5 以下时，可保证通信畅通；当通信负荷在5 左右时， 网络上碰撞的概率几乎为零。通信负荷主要由节点数目、数据长度和发送频率 决定。在过程控制中，数据的发送频率一般是固定的，为0 5 2 s 。每个节点 发送的数据长度也很小，一般仅为几位或几个、十几个、几十个字节，而且突 发性的大量数据传输也很少发生，因此通信负荷的大小主要取决于节点数量。 完全可以通过限制每个网段的节点数目，降低网络信息流量。同时，使用u d p 通信协议，可以充分保证报文传输的有效负荷，避免不必要的数据在网络上传 输。 2 提高以太网速度。近年来，以太网的通信速率不断提高，目前i o g 以太 网的标准也已经推出。高速率意味着对于相同大小的数据，其传输时间大大缩 短，这使得以太网的通信延迟大大缩短，提高了网络的实时性和确定性。 3 采用交换式以太网和全双工通信。在交换式以太网中，交换机将以太网 8 划分为若干个网段，这样就增加了每个网段的吞吐量和带宽。交换机由于具有 数据存储、转发的功能，使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲，不 再会发生碰撞；同时交换机还可以对网络上传输的数据的传输只限在本地网段 内进行，而不需经过主干网，也不占用其他网段的带宽，从而降低了所有网段 和主干网的网络负荷。全双工通信可以同时发送和接收数据，不仅增加了可利 用的宽带( 相对半双工，带宽增加了一倍) ，而且使数据可以及时传送，减小甚 至消除冲突区域，使以太网具有有限的通信延迟，增强了其实时性。 4 采用信息优先级和流量平衡。在工业控制中，将测量和控制信号等实时 数据与其他数据进行优先级地划分，首先保证现场实时数据地传送，然后考虑 其他相对次要数据的传送。对于紧急事件信息，可以分配最高优先权，使其不 必进行排队，优先完成传输。主要通过在u d p 或t c p 在以太网间加一个流量平 衡器，作为它们之间的接口，在本地节点，它给实时数据包以优先权来消除实 时信息和非实时信息竞争，同时平衡非实时信息，以减少和其它节点实时信息 间的冲突】。 1 4 3 嵌入式设计问题 嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可 裁剪、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。嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计 算机的外部设备中就包含了5 1 0 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、 显示卡、显示器、网卡、m o d e m 、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、u s b 集线 器等均是由嵌入式处理器控制。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、 汽车、船舶、航空、航天、军事装备消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应 用领域。 嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式处理器 系统软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同。这些要求有：软件要求 固态化存储，软件代码要求高质量、高可靠性，系统软件( 0 s ) 要求高实时性等。 将嵌入式系统与i n t e r n e t 结合起来的主要的困难在于将t c p i p 通信协议 根据工业应用的特点，加以适当的选择和剪裁并嵌入到工业系统大量应用的以 8 位和l6 位m c u 为核心的智能节点( 测控单元、传感器和执行器等) 中，并进 而实现嵌入式设备的i n t e r n e t 化。 1 5 本文的任务和解决的问题 论文工作是在安徽省教育厅重点科研项目“测控以太网”的支持下进行的。 该课题的主要目标是采用嵌入式技术，实现现场设备基于以太网技术的智能化 和网络化，与t c p i p 协议结合形成基于以太网的分散式工业管控一体化系统。 本论文的主要内容是一个嵌入式温控节点的开发，并与工控计算机通过以太网 相连接，形成一个小型的基于以太网的温度控制系统；另一方面，该节点工作 于嵌入式实时操作系统屺o s - i i 之上，借助于操作系统的多任务工作特性，该 节点可以同时完成工业控制领域内的各项复杂任务。论文工作的主要内容有： 1 具有以太网接口的智能测控节点硬件设计 2 嵌入式t c p i p 协议的研究和实现 3 嵌入式实时操作系统此0 s i i 在5 1 内核微控制器中的移植 4 针对控制对象、基于斗c o s i i 的多任务测控结点设计 基于以上的研究内容，目标是以5 l 内核的微处理器芯片a d 此8 3 4 和以太网 芯片r t l 8 0 1 9 a s 为硬件架构，以嵌入式实时操作系统p c o s - i i 为软件平台，构 建一个在工业环境下支持以太网通讯，具备现场数据采集处理能力和执行控制 输出能力，同时具有越限报警等复杂任务的嵌入式测控节点。最后概述该节点 基于电阻炉温度控制系统的实际应用方案，并阐述其软硬件组成。 第二章测控节点硬件结构设计 2 1 温控节点总体设计 本节点作为温控装置，其模拟量输入部分与p t l 0 0 相配的温度传感器接口； 其模拟量输出通道通过p w m 输出控制一个双向晶闸管加热器；其数字量输入输 出通道用于温控系统的逻辑控制； 因为要考虑t c p i p 甚至实时操作系统的嵌入，硬件设计应该支持大的程序 存储和数据存储空间，因此需要确定的一个关键问题是主控单片机的选择。本 设计选用了a n a l o gd e v i c e s 公司的a d 此8 3 4 ，其特点是集成了微处理器、存储 器、a d c 、d a c 等功能单元，使现场接口的设计大为简化n 。 另一个关键器件的选择是太网接口控制器，采用了目前广为流行且价格低 廉的r t l 8 0 1 9 a s ，该芯片符合e t h e r n e ti i 与i e e e 8 0 2 。3 标准，收发可同时达到 l o m b p s 的速率，可以满足本节点正常的以太网通讯要求。 本测控节点的硬件系统结构如图2 - 1 所示。 图2 - 1 节点硬件总体框图 软件设计方面的主要任务，一是使节点支持t c p i p 协议栈、支持以太网通 讯，二是基于操作系统的多任务程序设计。因此，其软件设计主要分为嵌入式 实时操作系统此0 s i i 的移植、网络协议栈u l p 的移植和基于操作系统“c o s i i 的多任务程序编写三部分。其中多任务程序主要采用k e i lc 结合汇编语言编 写。 2 2a d i 上c 8 3 4 单片机芯片 a d “c 8 3 4 是高性能、高集成度的单片系统，它的芯片内部功能结构如图2 2 所示。 图2 - 2a d 斗c 8 3 4 的内部功能框图 对a d p - c 8 3 4 的技术特性可描述如下： 1 ) a d 灿c 8 3 4 将8 0 5 2 内核、8 0 5 2 的标准外围配置以及存储器、a d c 、d a c 等 外围集成于一个5 2 引脚芯片之中。该芯片利用3 2 7 6 8 h z 晶振来驱动片内锁相环 ( p l l ) 以产生1 2 5 8 m h z 时钟，c p u 可根据对速度和功耗的权衡采用这一时钟 频率或某一分频作为系统时钟。 2 ) 片内集成的6 2 k b 闪速电擦除程序存储器以及2 3 0 4 字节r a m 在大多数 应用场合可避免存储器的扩充设计。另外它还可以外接6 4 k b 的外部程序存储器 ( e p r o m ) 和1 6 m b 的外部数据存储器。在本节点设计因考虑uc o s - i i 和pi p 的需要，外接了一个3 2 k b 的数据存储器6 2 2 5 6 ，如图2 - 3 所示。 a d 此8 3 4 6 2 2 5 6 p 0 d o d 7 a 0 a 7 a l e 一7 4 h c 5 7 3 l p 2 a 8 a 1 5 r do e m 乇w e 图2 - 3 外部3 2 k b 数据存储器接口电路 3 ) a d 肛c 8 3 4 具有两个独立的a d c ，其中主a d c 为2 4 位，辅助a d c 为16 位， 有5 个模拟输入引脚a i n l a i n 5 ，通过对与其有关的专用寄存器的编程可灵活 地实现多路不同位数的差分或单端输入。模拟输入主通道的简化电路如图2 4 所示。利用模拟多路转换器，可选择不同的差分通道( a i n l a i n 2 、a i n 3 a i n 4 或a i n 2 a i n 3 ) 接输入电压信号u i n 。 a i n a i n a i n a i n 。和o n 潲1 卜 、l 叫 秽 吾缈户 p 哆叫幽笆竺1 1 入 图2 - 4 模拟输入主通道简化电路 数字量 输出 主a d c 采用2 4 位一式a d 转换器，内含一调制器和数字滤波器， 可确保达到无遗漏码的2 4 位精度，非常适合于宽动态范围的低频信号测量。主 a d c 的输入电压绝对值范围被限定在( u a g n d + io o m v ) ( u a v d d 一1o o m v ) 之间。 模拟输入辅助通道只有3 个模拟输入端( a i n 3 a i n 5 ) 并且是对地的单端输入， 通道中没有b u f 和p g a 电路，它的输入电压范围是o v - - 参考电压。参考电压可 以是内部参考电压，也可以是外部参考电压。辅助a d c 还可以接入片内集成的 一个温度传感器，从而测量现场的温度。 4 ) 两个1o o n a 电流源向外部传感器流出电流，供用户来检测外部传感器是 否发生开路或短路故障。若