（模式识别与智能系统专业论文）工程机械智能通信终端的研制.pdf

摘要 本文主要论述了工程机械的定位监控系统的重要组成部分一工程机械智能通信终 端的设计。工程机械的定位监控系统是集成了当今先进g p s 定位技术、无线局域网、 g s m g p r s 无线通信、计算机网络通信，g i s 、及m i s 等于一身的高技术产品。其工作原 理是利用车载移动定位通信终端，采集移动工程机械的定位信息( g p s 信息) 和状态信息， 通过覆盖范围极广、技术成熟可靠的g s m g p r s 无线通信网络发送到监控中心，处理后 插入服务器数据库，然后由定位监控软件在地图上实时标定目标的位置或跟踪目标的移 动轨迹：同时其状态信息( 与历史数据) 和厂方的技术资料等信息一起构成每台工程机 械的完整档案，由监控系统的m i s 子系统集中管理。 本文首先介绍了工程机械的定位监控系统的国内外研究现状，分析了本系统应用的 必要性，然后详细分析了工程机械智能通信终端的功能需求和需要达到的性能指标，根 据这些需求信息进行了系统的总体设计。 接着本文给出了终端的硬件设计及实现，从硬件电路的需求分析到器件的选择以及 各部分具体电路设计及实现。硬件电路以a t 8 9 c 5 5 w d 微控制器为核心，根据功能需 求设计了外围电路，包括存储器、实时时钟、接口电路、c a n 总线接口、r s - 2 3 2 接口、 6 p s 模块接口、g s m 模块接口、开关量模拟量采集等。同时，也提出了一些硬件电路的 抗干扰措施。另外，在本节中较详细介绍了终端自断电源的原理和控制方式，在车载终 端应用方面有其独创性。 接下来给出了终端的软件设计及实现。首先介绍了各种数据格式以及短消息p d u 格 式，接着详细介绍各个软件功能子模块的实现。包括g p s 数据接收和处理、短消息的接 收和发送、c a n 数据的接收和发送，以及做了一些通过g p r s 方式的初步通信试验，最 后对软件设计可靠性和调试中的问题做了一些分析。 最后对下一步的工作提出了一些见解，以及该终端今后往智能化方向发展提出了一 些设想。 关键词：工程机械，微控制器，g p s ，g s m ，c a n 总线，短消息，g p r s a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e rt h ed e s i g no f s o r w a r ea n dh a r d w a r eo f i n t e l l i g e n tc o m m u n i c a t i o nt e r m i n a l i nt h ee n g i n e e r i n gm a c h i n e sw h i c hi sf r o n ta p p a r a t u so f t h ee n g i n e e r i n gm a c h i n e sg l o b a l p o s i t i o na n dm o n i t o r i n gs y s t e mi si n t r o d u c e d t h ei n t e l l i g e n tc o m n l u n i c a t i o nt e m f i n a li s m a i n l yu s e dt oc o l l e c tt h el o c a t i o n ( b yo p s ) a n ds t a t u si n f o r m a t i o no f m o v i n ge n g i n e e r i n g m a c h i n e s a n ds e n di tt ot h es u p e r v i s o r yc o n t r o ld e s kt h r o u g hg s m ，g p r sw i r e l e s sn e t w o r k ( q u i t em a t u r ea n dr e l i a b l et e c h n o l o g i e sw i t hv a s tc o v e r a g e ) ，s ot h a tt h ec e n t e rc o u l d s u p e r v i s ea n dm a n a g ec a c ne n g l n e e n n gm a c h i n e s f i r s t l y , t h er e l a t e dw o r k o ng l o b a lp o s i t i o na n d m o m t o f i n gs y s t e mo f e n g i n e e r i n g m a c h i n e si si n t r o d u c e d , a n dt h ec a p a c i t ya n dr e q u i r e dc a p a b i l i t yo f t h e i ri n t e l l i g e n t c o m m u n i c a t i o nt e r m i n a l sa r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h eo v e r a l ld e s i g nb a s e do nt h e r e q u i r e m e n ti sa l s ol a i do u t s e c o n d l y , t h eh a r d w a r er e q u i r e m e n ta n dc h o i c eo ne a c hp a r to f a p p a r a t u sa n d t h ed e s i g n a n dr e a l i z a t i o no f c i r c u i t si ne a c hp a r ta r ep r e s e n t e d n l eg o r eo f h a r d w a r ec i r c u i t si s a t 8 9 c 5 5 w dm i c r o c o n t r o l l e r t h ec i r c u i tm o d u l e s i n c l u d i n gm e m o r y , r e a l t i m ec l o c k , i n t e r f a c e ss u c ha sc a n b u s ，r s - 2 3 2 ，g p r s ，g s mm o d u l e s ，d i g i t a la n da n a l o gs i g n a l s c o l l e c t i o na n ds oo nw e r ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n t m e a n w h i l e ， a n t i - j a m m i n gm e t h o d sf o rs o m eh a r d w a r ec i r c u i t sa r ea l s op r o p o s e d t h i r d l y , t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft e r m i n a ls o f t w a r ea r ep r e s e n t e d i nt h i sp a r t , f i r s t l y a l lk i n d so f d a t af o r m a t sa n dt h ep d uf o r m a to f m e s s a g e sa r ei n t r o d u c e d t h e nt h e r e a l i z a t i o n o f e a c h f u n c t i o n a l l yc h i l d m o d u l e s o f s o f t w a r e i s i n t r o d u c e d i n d e t a i l i n c l u d i n g r e c e i v i n g - p r o c e s s i n go f g p sd a t a , a n dt h er e c e i v i n g s e n d i n go f m e s s a g e sa n dc a n d a t a a t l a s t , s o m ee x p e r i m e n t so nc o m m u n i c a t i o ni ng p r sw a y sa r et a k e n a n dt h er e l i 曲i l i t yo f t h e s o f t w a r ea n dt h ee x i s t i n gp r o b l e m si nd e b u g g i n ga r ea l s od i s c u s s e d f i n a l l y ，f u t u r ew o r ki sd i s c u s s e d ，a n ds o m ei d e a so nt h ev i e wo f f u t u r et e r m i n a l sa r e p r o p o s e d k e y w o r d s ： c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y m i c r o c o n t r o l l e r g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) c a n b u s s m s ( s h o r t a g em e s s a g es e r v i c e ) g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南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。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论又的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文破查阋和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生躲龇翩躲啤日期衫州 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着知识经济时代的到来，高技术及其产业化已成为世人瞩目的焦点。在国家十五8 6 3 项目“机 群智能化工程机械”中，通过利用计算机技术、网络技术、智能技术和电子技术已初步实现了对传 统工程机械单机的改造，使之不再是一个孤立自治的信息孤岛，而是能与主控站之间进行通信的智 能化设备。但是，面向机群的监控规模对工程机械的监控数量、监控范围都有很大的限制，因此， 无论在实用性方面还是在工程机械产品产业化发展方面都具有一定的局限性。为使传统工程机械产 品在短期内实现跨越式发展，提高同行业的竞争力，并促进产业化的形成，本课题研究了面向工程 机械的定位监控管理中心的构建和开发。可以说，本课题是对“机群智能化工程机械”这一项目的 继承与发展，因此本课题在研究过程中使用的技术大多是现成的成熟技术，开发风险较小。 现代车辆定位监控系统是一种集全球卫星定位技术、地理信息技术和现代通信技术于一体的高 科技系统。车辆监控系统是利用g p s 接收机、无线通信、地理信息技术对移动对象的动态位置( 经 度、纬度) 、时间、状态等信息实时地进行监控和查询、指挥的新型车辆管理系统。按照子功能划分， 车辆监控系统由三部分组成：定位部分、通信部分、显示部分。 普通的定位监控系统多用于交通工具上，应用于环境恶劣的工程机械上不多见。工程机械的定 位监控不仅需要工程机械的定位信息，还需要工程机械的工作状态信息，因此工程机械定位监控系 统区别于普通车辆定位监控系统的地方在于需要根据工程机械的特征定制特殊的移动车载终端，车 载终端系列的开发也是本监控系统研发的核心环节之一 1 1 1 国内外研究现状 将g p s 和g s m 技术用于工程机械定位监控，虽然兴起的时间不长，但受到人们的广泛重视。 国外几个主要的工程机械公司纷纷推出了带有g p s 定位与无线通信功能的新的车型：有的是为了对 危险环境下的工程机械遥控作业或辅助导航，如l e i c a 公司采用基于g p s 技术与数字地图技术的 d o z e r 2 0 0 0 导航系统，t r i m b l e 公司的产品是s i t ev i s i o n g p s 等；有的则是为以后构建工程机械的定 位监控系统作准备。而由生产厂商定制工程机械监控管理系统的可见类似产品，如日本小松公司为 其液压挖掘机推出的智能服务系统o m a t r a x 。它利用g p s 全球定位系统和g m s 无线通讯网，可 以时时刻刻地把设备的位置，状态等各种信息源源不断地传到设在小松公司专用服务器上。小松设 在全国各地的代理店的工作人员和用户可以通过互联网查看各自设备的有关情况，这样不仅可以帮 助用户管理设备的工作和健康状况，而且可以帮助用户进行更高效优质的设备维护，使小松的售后 服务工作更加主动和贴近用户。 在国内也有关于g p s 定位监控系统的研究和产品化，如北京天行九洲通讯导航技术有限公司是 较早开展g p s 与g s m 综合应用技术的产品研发工作的，在g s m 数字蜂窝移动通信技术、 g i $ ( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 地理信息系统以及计算机网络技术结合应用方面处于国内 领先水平。天泽信息产业有限公司在g 1 s 开发组件的基础上成功构建了天泽g i s 应用软件平台，它 投资建设的j s g p s 卫星导航公众运营系统示范工程已建成覆盖江苏、山东、安徽、浙江、上海等省 市的多级网络运营体系，用户范围已拓展到全国各地。 g p s 跟踪定位系统在我国的发展主要是从9 0 年代初期开始的，至今有十几年的时问，在这期 间g p s 移动跟踪系统的发展经历的两次起落。第一次在1 9 9 4 - 1 9 9 5 年，由于市场尚未形成，技术尚 未成熟，在这一阶段g p s 的应用一直未形成规模效应。从1 9 9 9 年开始为第二次浪潮，随着作为系 统的瓶颈问蹶的通讯网络通过采用g s m 公众网的s m s 的应用而找到了新的出路。 l 壅童盔兰塑主堂鱼堡皇 g p s 应用的发展方向主要有两个方向：一是相对独立的自主导航系统，它自各电子地图，主要 是目的地寻找、路径引导、信息查询等一系列功能，这类系统在发达国家得到很好的应用。二是车 辆定位跟踪系统，该系统在我国的市场需求日益明显，而且也初具规模。 无线数据通讯技术作为g p s 应用实现的主要技术手段，在近年得到长足的发展。g s m 网在我 国已经普及到城乡各地，g p r s 功能已经在很多地区开通运行，而第三代移动通讯网3 g 将使人们真 正进入无线互连的时代。作为g p s 应用主要载体的g i s 技术在各个领域的应用己经非常成熟，而且 我国目前已有自主版权的g i s 系统平台，如s u p e r m a p 等。相信随着g p s 和通讯手段的不断进步和 发展，g p s 车辆监控系统将会在更高层次和更大范围得到应用。 1 1 2 - i - 程机械定位监控系统介绍 工程机械的定位监控系统是集成了当今先进g p s 定位技术、无线局域网、g s m g p r s 无线通信、 计算机网络通信，g i s 、及m i s ( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ) 等于一身的高技术产品。其工作 原理是利用车载移动定位通信终端，采集移动工程机械的定位信息( g p s 信息) 和状态信息，通过覆 盖范围极广、技术成熟可靠的g s m g p r s 无线通信网络发送到实验室监控中心，处理后插入服务器数 据库，然后由定位监控软件在地图上实时标定目标的位置或跟踪目标的移动轨迹；同时其状态信息 ( 与历史数据) 和厂方的技术资料等信息一起构成每台工程机械的完整档案，由监控系统的m i s 子 系统集中管理。下图为系统的结构图： 图l - 1 工程机械定位监控系统总体架构图 由上图可知该系统主要由上位机和工程机械通信终端组成。上位机主要起主服务器作用：保存 数据、运行监控软件、并驱动大屏幕显示器；上位机g s mm o d e m 主要接收工程机械通信终端发送来 的包含定位及状态的信息以及向其发送消息；在本定位监控系统中工程机械通信终端主要有三种类 型：( 1 ) c a n 总线接口接收带有c a n 接口的检测、控制设备输出的数据。完成对数据的采集；( 2 ) 通过r s - 2 3 2 异步串行通信获取带有r s 一2 3 2 接口的设备传出的数据，实现对数据的采集；( 3 ) 扩展 开关量、模拟量采集接口，增加检测和测量等电路，实现对数据的采集。 该定位监控系统主要的功能如下： 全天侯全球卫星定位 车载机所提供的车辆运动状态数据有：车辆方位( 精确到1 5 米内) 、时间信息( 精确到1 秒) 、其它 需要的这辆状态信息 移动工程机械定位控制 车载机开启后，由监控调度中心进行跟踪管理。车载机可单次报位，也可以按照指定时间间隔自动 报位； 信息查询 监控调度中心控制系统采用强大的数撂库系统，可识别各种客户并根据客户的不同要求，提供各种 2 第一章绪论 不同的服务内容：包括查询般和特定的车辆位置表，添加任务信息，打印各种表格等等。 历史数据记录、分析、回放 根据所保存的历史数据，可平面回放所选车辆的实际行车过程，准确再现所选车辆的行车路线轨迹 及时间。 监控目标开放式加入 原则上只要在任何一台工程机械上安装通信终端装置，就可以随时成为监控目标，加入监控网络。 远程故障诊断与报警( 后期实现) 。 出现异常报警。 该定位监控系统汇集8 6 3 智能化工程机群的研究成果，该系统主要技术大多是我们在与徐州工 程机械集团合作从事的“8 6 3 机群智能化工程机械”研究中的成果积累与汇集。本系统的建立，直接 建立了一个检测和完善这些技术的平台，这对这些技术成果的产业化的转变奠定了良好的基础。 1 1 3 课题关键技术 本项目涉及的关键技术有：、移动工程机械的定位技术；、移动目标与远程监控中心的无 线通信网络；，移动工程机械状态信息的采集与发送：关于移动工程机械的定位技术，目前可用 的技术方案有3 种：1 、直接基于g p s 的定位；2 、基于蜂窝通信的无线信号定位技术：3 、g p s 与蜂 窝通信相结合的定位技术。目前基于蜂窝通信的无线信号定位技的精度已达l o o m 级，但是由于我国 的基站建立时为考虑定位方面的应用，因此在目前应用中，还不能依托无线通信基站进行定位，而 只能利用技术成熟的g p s 定位技术，其精度设定为1 5 m 内即可满足本系统设计的要求。 至于移动目标与监控中心的无线通信的链接，考虑到与“机群智能化工程机械”课题的衔接与 继承，本系统开始将利用两套通信链路构成监控系统的无线通信网络。一种是g s m 短信息：g s m 由 于建网时间早、覆盖面广、盲区少，将作为本实验室监控中心与移动监控目标之间信息交换的主要 方式。第二种是采用g p r s 方式，g p r s 业务是移动通信从第二代( g s m 数字移动电话系统) 向第三代 ( 宽带c d i a ) 过渡的产品，属于2 5 代移动通信业务，作为第三代个人多媒体业务的重要里程碑， g p r s ( 通用分组无线业务) 的应用，将使移动通信与数据网络合二为一，使i p 业务得以引入广阔的 移动通信市场。g p r s 业务是”通用分组无线业务的英文缩写，它是在现有的g s m 数字移动通信网路 上增加一些硬件设备和软件升级，形成一个新的网络逻辑实体，它以分组交换技术为基础，采用i p 数据网络协议，使现有的g s m 移动通信网的数据业务突破了传统业务的速度。相对原来g s m 的拨号 方式的电路交换数据传送方式，g p i l s 是分组交换技术，具有”高速”和”永远在线。的优点。 1 1 4 本课题主要研究内容 目前市面上可购得移动目标的定位通信终端，基本是独立于车辆控制系统之外的，除定位有关 的信息外，有关车辆的状态信息基本上无法获取。考虑到监控目标的可能多样性，工程机械定位监 控系统将兼容4 种不同的定位通信装置搭载车辆作为监控目标：、g p s g s m w l a n c a n 智能型 控制器：能与任何具有c a n 通信接口的工程机械的控制器进行透明连接，并将采集到的g p s 定位信 息和状态信息通过无线局域网或g p s 短信息发送到实验室控制中心、g p s g s m 移动定位通信终端： 快速安装于自卸车等移动车辆中，实时采集车辆的定位信息和主要的开关量、模拟量，并通过g s m 短信息发送到监控中心；、g p s g s m r s 2 3 2 定位与通信装置：用于与具有r s 2 3 2 通信接口的工程 机械控制器透明连接，实时地将定位信息和状态信息透过g s m 短信息发送到监控中心；、 g p s g s m c a n 定位与通信装置：用于与具有c a n 通信接口的工程机械控制器透明连接。实时地将定 位信息和状态信息通过g 跚短信息发送到监控中心。我们在前期的研究中已经成功地研制基于嵌入 式l i n u x 系统开发了g p s g s m w l a n c a n 于一体的通信定位装置，能通过c a n 2 0 a b 接口与工程机械 东南大学硕士学位论文 的控制系统相连：另外三种是基于单片机为核心的定位与通信装置。本课题的任务就是对这三种车 载移动通信终端的研制，包括硬件和软件的设计与实现。 i 2 课题的应用价值 我国近几年加大了国家基础设施建设的力度，并实施西部大开发，这为我国工程机械行业提供 了前所未有的机遇。到2 0 0 3 年我国工程机械的销售额已突破1 0 0 0 亿元，为机械工业中发展速度最 快的行业，很多省份象对待汽车工业那样，对工程机械进行重点支持和扶持。权威部门预测到2 0 1 0 年我国各类工程机械主要产品需求量将达到3 0 万台，市场销售收入总额将达2 0 0 0 亿元。工程机械 的拥有量和装备率、机械技术的先进性和管理水平、机械设备的完好率和利用率，标志着一个国家 机械化施工水平的高低，工程机械的产值在国民经济总产值中所占的比重，在一定程度上反映了一 个国家科学技术发展水平和经济发达程度。工程机械行业发展的速度超过了其他机械行业，成为增 长最快的行业之一，已成为国民经济的主要产业。“十一五”期间，随着基础设施建设投入强度继续 增大，工程机械必然在交通、能源、煤炭工业、水利水电建设中继续发挥更加重要的作用。工程机 械是基础设施建设的主要装备，是工程质量、施工效率、施工安全的重要物质保证，是完成国家基 础设施建设任务的物质保证。可以看出，工程机械具有十分广阔的市场前景。 工程机械监控管理中心的建立，对于工程机械生产厂商来讲，可以使之真正实现对所有产品的 集中管理。监控管理中心可以协助生产厂商维护各类工程机械的基本信息、或者选择性的对其中的 部分工程机械进行实时监控，工况信息查询等，利用远程控制指令还可以实现对工程机械的部分遥 控功能。这样更便于生产厂商向用户提供及时的故障诊断、定期的设备维护，以及更好的售后服务。 也为长期困扰生产厂商的设备租赁、分期付款等销售方式的弊端提供了技术保障。工程机械监控管 理中心的建立，使已研制开发出的车载终端设备更具实用价值，可以促成其产业化发展。 本课题中使用的技术大多是现成的成熟技术，开发风险较小，课题着重于各种现成通信技术的 综合，并成功的应用于实际的工程项目。本课题研究的原理及方法不仅可以应用于本项目，还可以 应用于车辆之间的无线通信和定位监控领域，若继续加于深入研究开发，其定型的产品将具有良好 的市场前景。 i 3 本文的章节安排 本文的主要内容安排如下： 第二章阐述了与本课题相关的各种技术：包括c a n 现场总线、g p s 全球定位系统、g s m 通信 网络和短消息服务s m s 、g p r s 技术。 第三章分析了控制中心对工程机械的信息需求，通信终端需求分析，以及终端的总体方案设计。 第四章给出了基于单片机系统方案的通信终端的硬件设计与实现。先阐述了硬件电路的需求分 析和器件选择，之后详细论述了各部分硬件电路的设计方案。 第五章给出了通信终端对软件设计。首先对软件的整体设计方案进行了一些介绍，其次是对一 些数据格式。如c a n 、g p s 、g s m 格式的数据进行了介绍，对主要程序模块进行了详细的阐述， 最后对g p r s 通信方式试验的结果进行了一些介绍。 最后对下一步的工作提出了一些见解，以及该终端今后往智能化方向发展提出了一些设想。 4 第二章相关理论与技术 第二章相关理论与技术 2 1 数据通信的层次结构 国际标准化组织i s o 在1 9 8 3 年推出了开放系统参考模型o s l r m 的标准i s 0 7 4 9 8 。o s l 参考模 型采用7 层协议结构”1 ，如下图所示 物理媒体物理嫩体物理撵体 图2 1o s i 参考模型 ( 1 ) 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) ：建立、保持和断开一条物理电路并提供时钟信号，以便透明地传送 比特流。它从第二层数据链路层( d l l ) 接收数据帧，并将帧的结构和内容串行发送即每次发送一 比特，然后这些数据流被传送给d l l 重新组合成数据帧。 ( 2 ) 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) ：在相邻结点之间无差错地传送以帧为单位的数据，提供数据有 效传输的端到端连接。帧结构包含控制信息和上层数据。帧中有地址、序号、校验等控制信息，可 以进行差错控制、流量控制等。 0 ) n 络层( n e t w o r kl a y e r ) ：负责在源机器和目标机群之间建立它们所使用的路由，并在网络端 端之间传送分组。网络层需要选择合适的路由，使分组通过分段的数据链路传到网络另一端。对大 型网络，路由选择和流量控制较复杂。网络层服务可分为面向连接服务和无连接服务。面向连接服 务也可称为虚电路服务，是一种可靠的、保证顺序的、无丢失的服务。无连接服务也常称为数据报 服务，不保证顺序，可能有丢失，但简单、易于实现。网络层提供的服务使它的上层不需处理网络 中的数据传输和交换问题。 ( 4 ) 传输层( t r a n s p o r tl a y e r ) ：提供类似于数据链路层所提供的服务，为端端用户提供完整可靠的 通信服务。不过与数据链路层不同，传输层的功能是在本 也l a n 网段上提供这种功能。传输层还提 供对乱序数据包的排序功能。 ( 5 ) 会话层( s e s s i o nl a y e r ) ：管理和协调两个计算机之间的信息交互，提供建立和使用连接的方法。 一个连接就称为一个“会话”，对会话进行管理，如单双工选择。为方便重传而进行通信任务分 5 壅妻盔堂堡圭堂丝堡塞 解和同步，当运输层连接出现故障时，整个通信活动不必从头开始，只需从同步点进行重传。 ( 6 ) 表示层( p r e s e n t m i o nl a y e r ) ：负责管理数据编码方式。例如，用户可以有哪些数据类型( 整数、 实数、字符等) ，每种类型如何编码等。各种计算机内部对各种数据类型的表示方法是不一样的，需 要由表示层加以转换。表示层还有加密和解密、数据压缩等功能。 ( 7 ) 应用层( a p p l i c a t i o n 脚e r ) ：确定应用进程的性质，为应用进程提供通信接口。根据不同应用 性质，应用层需要提供不同的功能和服务，如电子邮件、联系控制、可靠传输、远地操作等。由于 应用的种类很多，使得应用层很复杂。 以上7 层功能又可按其特点分为低层和高层。通常将1 3 层划分为低层，其目的是保证系统之间 跨越网络的可靠信息传输。高层为4 7 层，是一些面向应用的信息处理和通信功能。 2 2 现场总线的通信协议 2 2 1 现场总线及其分类 现场总线是新型自动化系统，又是低宽带的底层控制网络。它可与因特网( 1 砷珊武) 、企业内 部网( i n t r a n e t ) 相连，且位于生产控制和网络结构的底层，因而称之为底层网i n t r a n e t 。它作为网络 系统最显著的特征是具有开发统一的通信协议，肩负着生产运行一线测量控制的特殊任务。 现场总线与施工现场设备直接连接，一方面将现场测量控制设备互连为通信网络，实现不同网 段、不同现场通信设备间的信息共享；同时又将现场运行的各种信息传送到控制室，并进一步实现 与操作终端、上层控制管理网络的连接和信息共享。在把一个现场设备的运行参数、状态以及故障 信息等送往控制室的同时，又将各种控制，维护、组态命令，乃至现场设备的工作电源等送往各相 关的现场设备，沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高层控制管理层次之间的联系。由于 现场总线所肩负的是测量控制的特殊任务，因而它具有自己的特点。它要求信息传输的实时性强， 可靠性高，且多为短帧传送，传输速率一般在几k b p s 至1 0 m b p s 之间。 当前流行的几类现场总线有：基金会现场总线f f 、控制器局域网( c a n c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 总线、l o n w o r k s 总线、p r o f i b u s 总线、h a r t 总线。其中c a n 总线口1 是由德国b o s c h 公司推出。 用于汽车内部测景与执行部件之间的数据通信协议。其总线规范已被i s o 国际标准组织制定为国际 标准，并且广泛应用于离散控制领域。它是基于o s i 模型，但进行了优化，采用了其中的物理层、 数据链路层、应用层，提高了实时性。其节点有优先级设定，支持点对点、一点对多点、广播模式 通信。各节点可随时发送消息。传输介质为双绞线，通信速率与总线长度有关。c a n 总线采用短消 息报文，每一帧有效字节数为8 个：当节点出错时，可自动关闭，抗干扰能力强，可靠性高。 2 2 2c a n 现场总线 c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 总线网络口叫是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通 信网络，属于现场总线( f i d db u s ) 。c a n 总线最早由德国b o s c h 公司在上世纪8 0 年代末提出，被 应用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。c a n 总线具有成本低、数据传输距离长数据传 输速率高、抗干扰能力强和实时性好等优点。c a n 总线网络是多主方式的串行通讯总线，它基于非 破坏性的仲裁机制能够确保高优先级报文的无延迟传输，并且不需要在总线上设置主控制器，传输 的报文并非根据报文发送器器接收器的节点地址识别( 几乎其它的总线都是如此) 。而是根据报文 的内容识别，同时用于识别报文的标识符也规定了该报文在系统中的优先级。 c a n 总线网络具有下列主要特性：多主站依据优先权进行总线访问；无破坏性的基于优先权的 仲裁；借助接收滤波的多地址帧传送；远程数据请求；配置灵活性：全系统数据相容性；错误检测 6 第二章相关理论与技术 和出错信令；发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可自动重发送；暂时错误和永久性故障 节点的判别以及故障节点的自动脱离 c a n 总线网络在m a c 层的标准协议是c s m a c d ，叩载波侦听多路存取肿突检测( c a r r i e r s e n s e m u l t i p l e a c c e s s w i t h c o l l i s i o n d e t e c t i o n ) 。利用c s m a 访问总线，可对总线上信号进行检测。 只有当总线处于空闲状态时，才允许发送。利用这种方法。可以允许多个节点挂接到同一网络上。 当检测到一个冲突位时，所有节点重新回到监听总线状态，直到该冲突时间过后，才开始发送。在 总线超载的情况下，这种技术可能会造成发送信号经过许多延迟。为了避免发送时延，可利用 c s m a c d 方式访问总线。当总线上有两个节点同时进行发送时，必须通过“无损的逐位仲裁”方 法来使有最高优先权的报文优先发送。在c a n 总线上发送的每一条报文都具有唯一的一个l1 位或 2 9 位数字的i d 。c a n 总线状态取决于二进制数0 而不是。1 ，所以d 号越小，则该报文拥 有越高的优先权。因此一个为全0 标志符的报文具有总线上的最高级优先权。可用另外的方法 来解释：在消息冲突的位置，第一个节点发送0 而另外的节点发送l ，那么发送0 的节点将取得总 线的控制权，并且能够成功的发送出它的信息。 c a n 遵从o s i 模型，c a n 结构划分为两层，数据链路层和物理层，如下图所示； 图2 - 2 c a n 的分层结构 逻辑链路控制( l l c ) 子层 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。l l c 数据帧由三个位场，即标 识符场、数据长度码( d l c - d a t al e n g t hc o d e ) 场和l l c 数据场组成，如图2 3 所示： ( 1 ) ( 2 ) 图2 - 3l l c 数据帧结构 标识符：标识符长度为1 1 位，其晟高七位( i d - 1 0 i d 0 ) 不应全为“1 ” d l c 场：d l c 指出数据场字节个数。d l c 由4 位构成，数据场长度可为0 ，数据帧允许数 7 壅查盔堂塑主竺垡堡塞 据字节数目范围为肛8 。 ( 3 )数据场：数据场由数据帧内被发送数据组成，它可包括0 - 8 个字节，每个字节包括8 位。 标准c a n 的标志符长度是l l 位，而扩展格式c a n 的标志符长度可达2 9 位。c a n 协议的2 0 a 版本规定，c a n 控制器必须有一个1 1 位的标志符。同时，在2 0 b 版本中规定，c a n 控制器的标 志符长度可以是i1 位或2 9 位。遵循c a n 2 0 3 协议的c a n 控制器可以发送和接收11 位标识符的 标准格式报文或2 9 位标识符的扩展格式报文。如果禁止c a n 2 o b ，则c a n 控制器只能发送和接收 1 1 位标识符的标准格式报文，而忽略扩展格式的报文结构，但不会出现错误。目前p h i l i p s 公司主 要推广的c a n 独立控制器均支持c a n 2 0 1 3 协议，即支持2 9 位标识符的扩展格式报文结构。 m a c 数据帧结构 c a n 系统中，数据在节点间发送和接收以四种不同类型的帧出现和控制，其中：数据帧将数据 由发送器传至接收器；远程帧由节点发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧；出错帧可由任何 节点发送，以检测总线错误，而超载帧用于提供先前和后续数据帧或远程帧之间的附加延时。 一个m a c 数据帧由七个不同位场构成，如图2 4 所示，它们是：帧起始( s o f ，s t a ro f f r a m e ) 、 仲裁场、控制场( 两位保留位+ d l c 场) 、数据场、c r c 场、a c k 场和帧结束( e o f e n do f f r a m e ) 。 2 3 全球定位系统g p s 图2 4m a c 数据帧结构 全球定位系统1 4 l ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m g p s ) 是美国从本世纪7 0 年代开始研制，历时2 0 年，耗资2 0 0 亿美元，于1 9 9 4 年全面建成，具有在海，陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力 的新一代卫星导航与定位系统。其最初只以军事应用为开发目的，随着系统配置的日趋完善，其发 展方向和应用范围脱离了纯军用宗旨转而成为一种全球性信息资源，从而有效地支持了各种民用和 商用服务。 g p s 系统包括以下三大部分：( 1 ) g p s 卫星( 空间部分) ；( 2 ) 地面支撑系统( 地面监控部分) ； ( 3 ) o p s 接收机( 用户部分) 。g p s 系统利用无线电传输特性来定位。和过去地面无线导航系统 所不同的是，它由卫星来发射定时信号、卫星位置和健康状况信息，故具有发射信号能覆盖全球和 定位精度高的优点。系统中所有卫星构成o p 8 系统的空间部分。 卫星由地面站( 地面监控部分) 监测和控制，它监测卫星健康状况和空中定位精度。定时向卫星发送控制指令、轨道参数和时间改 正数据。 一、o p s 空间卫星部分 图2 - 5 卫星在空间的分布图 8 第二章相关理论与技术 g p s 工作卫星及其星座由2 1 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星组成g p s 卫星星座，记作( 2 1 + 3 ) g p s 星座2 4 颗卫星均匀分布在6 个轨道平面内，轨道倾角为5 5 度，各个轨道平面之间相距 度， 即轨道的升交点赤经各相差6 0 度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差9 0 度，一 轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前3 0 度。在两万公里高空的g p s 卫星。当 地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为1 2 恒星时。这样，对 于地面观测者来说，每天将提前4 分钟见到同一颗g p s 卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时 间和地点的不同而不同，最少可见到4 颗，最多可见到儿颗。在用g p s 信号导航定位时，为了结 算测站的三维坐标，必须观测4 颗g p s 卫星，称为定位星座。这4 颗卫星在观测过程中的几何位 置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间 隙段”。但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的 点位坐标。 二，g p s 地面监控部分 地面监控部分包括1 个主控站、3 个注入站和5 个监测站。主控站位于美国科罗拉多的斯平士 ( c o l o r a d os p n n g s ) 的联合空间执行中心( c s o c ) ，三个注入站分别设在大西洋、印度洋和太 平洋的三个美国军事基地上，即大西洋的阿松森( a s c e n s i o n ) 岛、印度洋的狄哥伽西亚( d i e g o g a r c i a ) 和太平洋的卡瓦加兰( k w a j a l e i n ) ，五个监测站设在主控站和三个注入站以及夏威夷岛。 静s 卫簋缝器盏瑟嫱示意覆 图2 - 6 监测站在全球的分布图 监测站的主要任务是对每颗卫星进行观测，精确测定卫星在空间的位置，向主控站提供观测数 据。每个监测站还配有g p s 接收机，对每颗卫星连续不断地进行观测，每6 秒进行一次伪距测量 和积分多普勒观测，并采集与气象有关数据。监测站受主控站的控制，定时将观测数据送往主控站。 主控站拥有大型电子计算机，作为数据采集、计算、传输、诊断、编辑等功能的主体设备。它实现 下列功能：( 1 ) 采集数据：主控站采集各个监测站所测得的伪距和积分多普勒观测值、气象要素、 卫星时钟和工作状态数据，监测站自身的状态数据，以及海军水面兵器中心发来的参考星历。( 2 ) 编辑导航电文：根据采集到的全部数据计算出每颗卫星的星历、时钟改正数、状态数据以及大气改 正数，并按一定格式编辑为导航电文，传送到注入站。( 3 ) 诊断功能：对整个地面支撑系统的协 调工作进行诊断；对卫星的健康状况进行诊断，并加以编码向用户指示。( 4 ) 调整卫星：根据所 测的卫星轨道参数，及时将卫星调整到预定轨道，使其发挥正常作用。而且还可以进行卫星调度， 用备份卫星取代失效的工作卫星。主控站将编辑的卫星电文传送到位于三大洋的三个注入站，而注 入站通过s 波段微波链路定时地将有关信息注入各个卫星，然后由g p s 卫星发送给广大用户，这 就是所用的广播星历。 9 东南大学硕士学位论文 三，g p s 用户部分 用户部分包括用户组织系统和根据要求安装相应的设备，但其中心设备是g p s 接收机。它是 一种特制的无线电接收机，用来接收导航卫星发射的信号，并以此计算出定位数据。根据不同性质 的用户和要求的功能，要配置不同的g p s 接收机。其结构、尺寸、形状和价格也大相径庭。例如： 航海和航空用的接收机，要具有与存有导航图等资料的存储卡相接口的能力；测地用的接收机就要 求具有很高的精度，并能快速采集数据；军事上用的，要附加密码模块，并要求能高精度定位。g p s 接收机种类虽然很多，但它的结构基本一致。分为天线单元和接收单元两部分。天线单元由接收天 线和前置放大器组成。常用的天线形式有：定向天线、偶极子天线、微带天线、线螺旋天线、圆螺 旋天线等。前置放大器直接影响接收信号的信噪比。要求噪声系数小、增益高和动态范围大。现时 一般都采用f e t 放大器。接收单元包括有：信号通道、存储、计算与显示控制及电源等部件。信号 通道的主要功能是接收来自天线的信号，经过变频、放大、滤波等一系列处理，实现对g p s 信号 的跟踪、锁定、解调、检出导航有关信息。根据需要，可设计成1 至1 2 个通道，以能接收多个卫 星信号。其它几个部件的作用，主要是：根据收到的卫星星历、伪距观测数据，计算出三维坐标和 速度；进行人机对话、输入各种指令、控制屏幕显示等。 图2