（交通信息工程及控制专业论文）基于PROFIBUSPA协议的嵌入式系统硬件平台的研究.pdf

中文摘要 摘要：现场总线是信息数字化、控制分散化、开放互操作的新一代工业自动化控 制系统；而以太网及t c p i p 通信技术则是i t 行业应用中首选的网络通信技术。 随着网络就是控制的理念越来越受到广泛的认可，以太网及t c p i p 技术逐渐在自 动化行业得到应用，并成为一种趋势。 正是在此背景下，课题“基于p r o f i b u s p a 协议的嵌入式系统硬件平台的研 究，对p r o f i b u s p a 总线与以太网之间数据通信进行了研究。 本文对p r o f i b u s 协议进行了介绍，重点对数据链路层进行了细致研究和分析， 并结合实际大胆提出了p a 设备应用的新方案。 本文在分析功能需求的基础上，搭建了以a r m 芯片为核心的硬件平台，作为 以太网与p r o f i b u s - p a 总线通信的介质，其中p a 总线接口部分采用了一款西门 子专用m o d e m 芯片一s i m l 2 。 在完成硬件平台的基础上，本文对嵌入式操作系统“c o s i i 做了深入的 研究，并完成了在$ 3 c 4 4 8 0 体系下的移植工作，从而方便实现多应用任务的调度。 针对该嵌入式系统网络功能的要求，选用了嵌入式t c p i p 协议栈i ，w i p ，移植 到操作系统下，并通过实验进行了验证。 最后，本文完成了应用程序的编写，通过优先级的划分实现多任务的实时调 度。而且，该系统在p a 设备的测试实验中得到验证，并指出需要改进以及进一步 研究的问题。 关键词：p r o f i b u sp a ；嵌入式a r mig c o s i i ；l w i p 分类号：t p 2 7 3 a bs t r a c t a b s t r a c t ：f i e l d b u si st h en e wg e n e r a t i o no fi n d u s t r i a la u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e m w i t hi n f o r m a t i o nd i g i t i z a t i o n , c o n t r o ld e c e n t r a l i z a t i o n ，a n do p e ni n t e r o p e r a b i l i t y h o w e v e r , t h ee t h e m e ta n dt c p i ph a sb e c o m et h ef i r s tc h o i c ea b o u tn e t w o r k c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi ni ti n d u s t r y w i t ht h ei d e am a tt h en e t w o r ki sc o n t r o l r e c e i v i n gw i d e s p r e a da p p r o v a lm o r ea n dm o r e ，t h ee t h e r n e ta n dt c p i pt e c h n o l o g y g r a d u a l l yo b t a i na p p l i c a t i o n si na u t o m a t i o ni n d u s t r ya n db e c o m eo n et e n d e n c y u n d e rt h eb a c k g r o u n d ，t h ew r i t e rh a sc o n d u c t e dr e s e a r c ht ot h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nt h ee t h e r n e ta n dt h ep r o f i b u sp ai nt h es u b j e c to f t h ee m b e d d e ds y s t e m h a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do np r o f i b u s - p ap r o t o c o l ” t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ep r o f i b u sp r o t o c o lb r i e f l y , a n dc o n d u c t sr e s e a r c ha n d a n a l y s i st ot h ed a t al i n kl a y e rc a r e f u l l y t h e nt h en e ww a y o f a p p l i c a t i o no fp ad e v i c ei s p r o p o s e d b a s e do nt h ea n a l y s i so ff u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，t h ep a p e rh a sb u i l tt h eh a r d w a r e p l a t f o r mw i t ha r mc h i pa st h ec o r e ，w h i c h i st h ec o m m u n i c a t i o nm e d i u m e s p e c i a l l y , a d e d i c a t e dm o d e m c h i po fs i e m e n s i su s e di nt h ei n t e r f a c eo fp ab u s a f t e rt h ep l a t f o r mh a v i n gb e e nc o m p l e t e d ，t h ep a p e rm a k e sai n - d e p t hs t u d ya b o u t t h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e l l l 一一p c o s i i ，a n dt r a n s p l a n t si tu n d e rs 3 c 4 4 b o s u c c e s s f u l l y 1 1 1 et r a n s p l a n t a t i o no fl a c o s i i c o n t r i b u t e st ot h ea c h i e v e m e n to f m u l t i t a s ks c h e d u l i n g i no r d e rt om e e tt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n to fn e t w o r k ，t h ew r i t e r s e l e c t e sas u i t a b l ee m b e d d e dt c p i pp r o t o c o ls t a c k 一l w i p , a n dc o m p l e t e st h ej o b s o ft r a n s p l a n t i n gi tt ot h ei t c o s i i f i n a l l y , t h ea p p l i c a t i o np r o g r a mi sf i n i s h e d t 1 1 et a s k sa r es c h e d u l e db yt h e 埘o r i 吼 t h e n t h es y s t e mh a sb e e nv e r i f i e di ne x p e r i m e n to fp ai nt h el a b o r a t o r y t h ep a p e r p o i n t st h eq u e s t i o n sa n df l a w s ，a sw e l la st h ef u r t h e rs t u d y k e y w o r d s ：p r o f i b u sp a ；a r m ； _ t c o s i i ；l w i p c i 。a s s n 0 ：t p 2 7 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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。 学位论文作者签名：l 焉撰i 签字嗍 7 4 年月刁日 vj 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者躲鬲根、i v 签字日期移7 年6 月叼日 导师签名： 签字日期：哆年石月7 日 致谢 本论文的工作是在我的导师蒋大明副教授和机械工业仪器仪表综合技术经济 研究所欧阳劲松副所长的悉心指导下完成的，蒋大明副教授和欧阳劲松所长深厚 的专业知识、严谨的治学态度、科学的工作方法使我深受教诲和启发，严于律己、 仁厚谦和的人格魅力更是让我深受影响，受益匪浅。在此衷心感谢两年来蒋大明 老师对我的关心和指导。 蒋大明副教授、欧阳劲松副所长、梅恪主任悉心指导我们完成了实验室的科 研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向蒋大明老师、 欧阳劲松老师、梅恪老师表示衷心的谢意。 王麟琨博士、刘丹博士在论文课题的选定，以及研究过程中都给予了我很大 的帮助，更是在百忙之中解答我的问题，在此向王麟琨博士和刘丹博士表示衷心 的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，边兴田、张金哲等同学对我论文中的相关研 究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 第1 章绪论 现场总线导致了传统的控制系统结构的变革，形成了新型的网络化分布式控 制系统现场总线控制系统f c s ( r i d d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。这是继基地式气动仪 表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散式 控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 后的新一代控制系统。 但是，由于商业利益原因，现场总线技术一直没能实现统一的标准，这也在 很大程度上限制了该技术的发展和应用。为了能够形成更好的企业信息系统，越 来越多的人把目光投向了在i t 行业独领风骚的以太网及t c p i p 技术，并把它应 用到自动化行业中，事实上这已经成为了一种趋势。甚至有业内专家认为，以太 网会最终取代现场总线成为自动化行业中的工业网络标准。 1 1 现场总线技术 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的，根据国际电工委员会 i e c6 1 1 5 8 标准定义，现场总线是“安装在生产过程区域的现场设备、仪表与控制 室内的自动控制装置、系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线”，被 誉为自动化领域的计算机局域网。 ( 一) 现场总线系统的结构特点 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采用一对 一的设备连线，并按控制回路分别进行连接。而现场总线系统，把原来d c s 系统 中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备，并且这些现场设备具 有通信能力，使得现场的测量变送信号可以直接传送到阀门等执行机构，因此控 制系统功能能够不依赖于控制室的计算机或控制仪表，而直接在现场完成，实现 了彻底的分散控制。 由于现场总线系统采用数字信号代替模拟信号，并实现同一对电缆上既传输 信号，又为设备供电，这就为简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆与各 种安装、维护费用创造了条件【l j 。 ( 二) 现场总线的主要优点 全数字化。数字化信号固有的高精度、抗干扰特性能提高控制系统的可靠 性。 全分布。在现场总线控制系统中，各现场设备有足够的自主性，它们彼此 之间相互通信，完全可以把各种控制功能分散到各种设备中，实现真正的 分布式控制。 双向传输。对于传统的4 - 2 0 m a 电流信号，一条线只能传递一路信号。而 现场总线设备在一条线上既可以传递来自传感器的过程信号，也可以传递 发送给执行机构的控制信号。 自诊断。现场总线漫备本身具有自诊断功能，而且这些诊断信息可以送到 上位机等监控设备，并且必要时实现报警，而传统仪表一般不具有自诊断 功能。 节省布线及控制室空间。传统的控制系统每个仪表都需要一条线连到中央 控制室，在中央控制室装备一个搭配线架。而在f c s 系统中多台现场设备 可串行连接在一条总线上，这样就大量节省了布线费用，同时也降低了中 央控制室的造价。 多功能仪表。数字双向传输方式使得现场总线设备可以摆脱传统仪表功能 单一的制约，可以在一个现场设备中集成多种功能，做成多变量变送器， 甚至集检测、运算、控制于一体的变送控制器。 开放性。1 9 9 9 年底现场总线协议已被i e c 批准正式成为国际标准 i e c 6 1 1 5 8 ，从而使现场总线成为开放的技术。 互操作性。现场总线标准保证用户可以根据产品的性能、价格选用不同厂 商的产品，并将其集成在一个系统中，实现互操作，这就避免了传统控制 系统中必须选用同一厂家产品的限制，促进有效的竞争，降低控制系统的 成本。 智能化与自治性。现场总线设备具有很高的智能，能处理各种参数、运行 状态信息及故障信息，甚至能在部件、网络故障的情况下独立工作，大大 提高了整个控制系统的可靠性。 ( 三) 现场总线技术的标准化 现场总线技术标准之争不仅关系到市场的竞争，而且影响到一个企业甚至 一个国家在自动化领域的核心竞争力和持续发展能力。所以各大设备制造商纷 纷提出自己的现场总线标准。国际电工委员会i e c 于1 9 8 4 年提出制定统一的 现场总线技术标准i e c l1 5 8 ( 即i e c 6 11 5 8 ) ，以满足不同厂家不同设备的互连 问题。 1 9 9 9 年1 2 月，i e c 6 1 1 5 8 放弃了制定统一标准的设想，通过妥协方案，即： 以i e c 6 1 1 5 8 ( t s ) + a d d p r o t o c o l s 作为i e c6 1 1 5 8 技术标准的方案，其中 a d d p r o t o c o l s 包括c o n t r o ln e t 、p r o f i b u s 、p n e t 、f fh s e 、s w i f tn e t 、w b r l d f i p 和i n t e r b u s 总线暖1 。 2 1 2 工业以太网技术在自动化行业中的应用 自本世纪初世界上已有一些国际组织致力于推动以太网进入控制领域，如 i e e e ( 美国电气和电子工程师协会) 着手制订现场总线和以太网通信的新标准，该标 准将使网络能看到“对象”。认o n o ( i 业自动化开放网络联盟) 与o d v a 和i d a 集 团就共同推进e t h e m e t 和t c p i p 达成共识。o d v a ( d e v i e e n e t 供应商协会) 于2 0 0 0 年3 月1 7 日发布了一个为在工厂基层使用以太网服务的工业标准e t l l e r n 训i p 。 f f ( 现场总线基金会) 于2 0 0 0 年3 月2 9 日公布了高速以太网h s e ( i o o m b s ) 的最终 技术规范( f s l l o ) 。工业以太网协会与美国的a r c 、a d v i s o r yg r o u p 等单位合作， 开展工业以太网关键技术的研究。目前1 0 0 0 m b s 以太网的发展已进入实用阶段。 以太网在工业控制领域的应用有两种主要结构：控制中心网络结构和设备中 心网络结构，实际上反映了以太网在工业控制网络中应用的不同层次。在控制中 心网络结构中，以太网应用于企业网络的管理层和控制层，将管理计算机、操作 站及控制器连接起来作为作为整个控制系统的高速网段，设备层仍采用现场总线 连接现场设备，并通过网关连接到以太网，构成l a n f i e l d b u s 网络结构。在设备 中心网络结构中，现场设备全部是以太网设备，直接连接到以太网上。在这种结 构中，以太网取代了现场总线，真正构成了企业网统一的以太网结构。但是，目 前应用最多的还是控制中心网络结构。典型的企业自动化系统的结构，如下图所 示： 图1 1 企业综合自动化系统典犁金字塔结构图 f i g 1 1t y p i c a lp y r a m i da r c h i t e c t u r eo fe n t e r p r i s ei n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e m s 其中管理层主要运行企业的各种管理信息系统( m i s ) 、企业资源规划( e r p ) 和其它人机接口( h m i ) 软件进行企业的市场信息管理、资源分配与经营决策； 控制层运行各种监控软件、组态软件等对现场设备进行监控、管理、诊断以及控 制和调度策略的设计等；现场设备层安装生产现场的各种传感器、执行器和i o 设 备等形成分布式控制网络，实现实时数据采集、开环或闭环控制、报警等功能。 3 各种现场总线在现场设备层的应用已经很成熟，以太网与现场总线相结合， 可以进一步现场设备层延伸，形成基于工业以太网的通用网络化工业控制系统框 架。 ( 一) 以太网应用层的研究 对照i s oo s l 的参考模型，如图1 2 所示： 第7 层 第6 层 第5 层 第4 层 第3 层 第2 层 第1 层 应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 表示层( p r e s e n t a t i o nl a y e r ) 会话层( s e s s i o nl a y e r l 传输层( t r a n s p o r tl a y e r ) 网络层( n e t w o r kl a y e r ) 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 图1 2i s o o s i 参考模型 f i 9 1 2 i s o o s ir e f e r e n c em o d e l 从图中可以看到，应用层位于最顶层，工业以太网在应用层的研究取得了很 大进展，可以不改变下层通信协议，使以太网很好的向下兼容。 在以太网应用层中的主要的研究方案有以下三种： 1 封装方案 封装是将应用层报文帧嵌入到t c p 或u d p 的容器中。典型的例子有r o c k w e l l a u t o m a t i o n 和o d v a 开发的e t h e m e t i p 、f f 开发的h s e ( 高速以太网) 、s c h n e i d e r e l e c t r i c 开发的m o d b u st c p i p 。所有这些协议数据在发送到以太网之f j ，现场总 线报文基本上不做任何变化而作为用户数据嵌入到t c p i p 帧内。 这种方案的缺点是当传送较短长度的用尸i 数据时协议的效率低。以太网的首 部比用户数据大得多，增加了许多不必要的开销。凶此，封装方案只适用于传送 大容量的数据信息。 2 代理服务器 代理服务器( p r o x y ) 类似于对两个不同的通信协议进行转换的网关( g a t e w a y ) ， 但是其功能要比后者强得多。代理服务器的主要目标是将现场总线网络集成到工 业以太网网络，其主要优点是现有的现场总线设备在今后仍能长期使用，从而保 护用户的投资。支持这种方案的是p r o f i b u s 国际组织发布的p r o f i n e t ，它包 含两个概念：即开放的、面向对象的运行期概念和独立于制造商的工程概念。运 4 行期概念基于t c p i p 、u d p 、r p c 和d c o m ，并对这些基本机制进行加强和优化， 因而它适合于高实时性能要求的应用领域。工程概念包括建立工程对象模型，这 不仅使用户能通过不同的制造商的组态工具进行开发，还可以采用分面( f a c e t ) 的方 法定义制造商和应用专用的扩展功能，因此支持在单个工厂范围集成不同制造商 的产品。 3 实时通信系统 i d a ( i n t e r f a c ef o rd i s t r i b u t e da u t o m a t i o n , 用于分布式自动化的接口) 采用美 国c a l i f o r n i a 公司开发的位于i s oo s i 模型第四层的n d d s 实时通信系统，n d d s 采用p u b l i s h e r s u b s c r i b e r 模式，提供宽范围强有力的应用服务。i d a 的另一重要特 性是基于w e b 的设备管理。所有现场设备均有其本身的w e b 页面，包括组态、操 作和诊断参数，并支持设备的互操作性和互换性。i d a 位于i s oo s i 模型的第七 层，它还定义从第四层到第七层和应用接口之间的通信，甚至还包括应用程序的 标准编程接口。i d a 集团在2 0 0 1 年的德国汉诺威博览会上公布了其技术规范。 ( 二) 嵌入式以太网f o 早在1 9 9 8 年，f o x b o r o 公司就成功地将其m i c r o i a 自动化系统中的以太网i o 用于德国b a y e ra g 公司的氯碱分厂，使用以太网将所有现场设备、控制器和p c 机工作站集成为一个高可靠、低成本的实时控制信息网络。近年来，一些公司已 推出不少用于自动化领域的以太网i o 产品，举例如下： ( 1 ) o p t o2 2 从1 9 9 8 年第四季度起开始提供以太网i o 产品，并不断扩展和改 进其产品，如开发符合8 0 2 1 1 和8 0 2 1 l b 的无线电访问以太网产品和用于管理。 s n m p 以太网产品； ( 2 ) n a t i o n a li n s t r u m e n t s 的f i e l dp o i n ti o 能提供现场设备到以太网的连接； ( 3 ) s i x n e t 提供嵌入以太网芯片的i o 模块； ( 4 ) g ef a n u ca u t o m a t i o n 在2 0 0 0 年的美国国家周上宣布其所有的自动化产品 均支持与以太网连接； r 4 ) a c t i o n 公司的子公司b u s w a r e 公布以太网的e 系列i o 模块。 此外，现在已有嵌入式以太网芯片的智能现场总线没备问世，如s c h n e i d e r e l e c t r i c 的a l t i v a r5 8 变频器，不仅能连接到本公司的p l c 系列，还能连接到内装 w e b 服务器的第三方控制器。 ( 三) 网络即控制器 德国j e t t e ra g ( l u d w i s b u r g ，g e r m a n y ) 发布的j e t w e b 自动化系统立意新颖， 它是基于1 0 0 m b s 以太网的分布式智能控制系统，宣称“网络即控制器”的观点。 其特点是：( 1 ) 类似i n t e r n e t 的结构，读数据的实时传输不需要编程，不需要考虑 网络的层次结构：( 2 ) 对用户来说，只有一组数据和个程序，所有数据在网络 5 中只需表达一次，程序和数据均可以重复使用，网络扮演真j 下服务器的作用；( 3 ) 从传感器到工厂管理层，只有一条以太网总线进行直接通信；( 4 ) 可连接到i n t e m e t ， 实现整个工厂全球化联网；( 5 ) 以太网既是连接各种智能模块的系统总线，又是 连接设备的现场总线，内部和外部的通信在此没有什么区别，集线器技术被集成 在每个控制器中，通过分配地址空间将内部通信从外部通信中分离出来【3 1 。 i 3 嵌入式技术 从上文的论述中可以看出，无论是现场总线技术，还是以太网技术应用于自 动化行业中，其实现都离不开另一项关键技术嵌入式技术。正是由于各种智 能仪表的出现，为现场总线技术奠定了基础，而嵌入式技术则是智能仪表研制的 关键和灵魂；又因为各种嵌入以太网芯片的i o 以及终端，才能使以太网技术在自 动控制领域发挥越来越大的作用。所以，嵌入式技术的应用为现场总线技术和以 太网在自动化行业应用提供了强有力的支持。 ( 一) 嵌入式系统的定义 嵌入式系统是指以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应 应用环境对功能、实时性、可靠性、成本、体积、功耗等严格约束的专用计算机 系统。嵌入式系统的内容广泛，小到一个芯片，大到复杂的分布式系统都可以称 为嵌入式系统，通常以s o c 、单片机、单板机、多板式箱式结构、嵌入式p c 等形 式嵌入到信息家电、数字通信、工业控制、航空航天、医疗设旖、军事电子等领 域的设备或系统中，作为处理和控制的核心。 嵌入式系统一般足实时系统，又被称为嵌入式实时系统。在实时系统中，时 间是一种重要资源，对外部事件的响应和任务的执行都必须在限定时间，即时限 ( d e a d l i n e ) 内完成。系统正确性不仅仅取决于计算的逻辑结果，还取决于结果产 生的时间。如果系统运行不满足时限要求，对于硬实时系统将导致灾难性后果， 对于软实时系统将导致系统性能下降。 ( 二) 嵌入式系统的特性及关键问题 随着技术的发展，嵌入式系统已经从单一功能的产品发展成为涉及计算、信 号处理、通信、控制等众多领域的多功能结合系统，其规模越来越大，复杂度越 来越高。同其它通用计算机系统相比，嵌入式系统的主要特性以及针对这些特性 开发系统时必须解决的关键问题如下： ( 1 ) 实时性( r e a l t i m e ) ：实时性是嵌入式系统最本质的特性，系统必须在可预 知的短时间内对外界事件做出处理与响应。数据延迟会导致计算错误甚至系统失 败，系统必须满足实时性要求。这使得设计必须准确描述系统的时间特性，最好 6 在系统实现前进行实时分析与验证。 ( 2 ) 并发性( c o n c u r r e n c y ) 在嵌入式系统中往往存在多个任务甚至多个处理器 同时运行。多任务和多处理器的通信、调度以及资源共享和优先级管理等问题处 理不好，将影响整个系统的确定性、安全性和可靠性等性能。 ( 3 ) 分布性( d i s t r i b u t i o n ) - 嵌入式系统越来越多地向网络化发展。一个应用可 以由分布在网络上的不同结点共同实现，结点间存在交互与通信，尤其当通信频 繁、过程复杂、通信量大时，必须处理好结点问的协调操作。 ( 4 ) 软硬件紧密结合( s o f t - h a r d w a r ec l o s e n e s s ) ：嵌入式系统软硬件一体共同实 现系统功能。软件计算系统和硬件物理系统的建模和验证技术一直沿着不同的路 径发展，嵌入式系统的开发则要求这些技术的全面集成。 ( 5 ) 高可靠性( 1 l i g l lr e l i a b i l i t y ) ：许多嵌入式系统运行失败将导致不可估量的损 失，因此对系统的健壮性和安全性提出很高要求。传统的原型化方法和模拟执行 方法已经不能满足或不适应这些系统的开发，系统实现前应该经过严格验证以保 证设计的可靠性。、 对上述特性需求的满足成为开发嵌入式系统所需解决的关键问题。此外，一 些嵌入式系统还可能对系统体积、重量、能源消耗等具有一定限制，并要求尽量 缩短开发周期。由于嵌入式系统的广泛应用以及解决这些问题的难度，学术界和 工业界都出现了大量针对嵌入式系统开发方法的研究。 ( 三) 嵌入式系统开发流程 当前，嵌入式开发已经逐步规范化，在遵循一般工程开发流程的基础上嵌 入式开发有其自身的一些特点，主要包括系统需求分析、体系结构设计、软硬件 及机械系统设计、系统集成、系统测试，最终得到最终产品。 系统需求分析。确定设计任务和设计目标，并提炼设计规格说明书，作为正式 设计指导和验收的标准。系统的需求一般分功能性需求和非功能性需求两方 面。功能性需求是系统的基本功能。如输入输出信号、操作方式等；非功能需 求包括系统性能、成本、功耗、体积、重量等。 体系结构设计。描述系统如何实现所属的功能和非功能需求，包括对硬件、软 件和执行装置的功能划分，以及系统的软件、硬件选型等。 硬件软件协同设计。基于体系结构，对系统的软件、硬件进行详细设计。为 了缩短产品开发周期，设计往往是并行的。嵌入式系统设计的工作大部分集中 在软件设计上，采用面向对象技术、软件组件技术、模块化设计是现代软件工 程经常采用的方法。 系统集成。把系统的软件、硬件和执行装置集成在一起，进行调试，发现并改 进单元设计过程中的错误。 7 系统测试。对设计好的系统进行测试，看其是否满足预期的功能要求。 ( 四) 嵌入式系统开发模式 嵌入式系统开发分为软件开发部分和硬件开发部分。嵌入式系统在开发过程 一般都采用“宿主机目标板”开发模式，即利用宿主机( p c 机) 上丰富的软硬件资源 及良好的开发坏境和调试工具来开发目标板上的软件，然后通过交叉编译环境生 成目标代码和可执行文件，通过串口、u s b 、以太网等方式下载到目标板上，利 用交叉调试器监控程序运行，实时分析，最后，将程序下载固化到目标机上，完 成整个开发过程【4 】。 1 4 课题研究背景及意义 s i e m e n se n e r g y & a u t o m a t i o n 的网络产品经理h o r s tk o h l b e r t 预言，“嵌入有以 太网的现场设备，以及嵌入的i n t e m e t 服务器不久都将成为现实 。这预示着以太 网即将进入现场控制级。但从目前的趋势来看，已有的现场总线有其自身的应用 领域和市场定位，不太可能退出历史舞台，而仍将继续存在，但必然要与以太网 相结合。以太网有巨大的发展潜力，应用领域也会不断得到扩展。甚至在现场级， 以太网可能占领一定的市场，但它是否能作为实时控制通信的单一标准，一时还 难以下定论，最有可能的是发展一种混合式控制系统。 另外，随着现场设备向着数字化、智能化、网络化方向发展，嵌入式技术会 得到更加广泛的应用。可以预见，对于现场设备从功耗、运算速度、稳定性等方 面的要求将越来越高。传统的8 1 6 位单片机已很难满足较高的功能需要，而3 2 位 嵌入式处理器价格逐渐降低。因此，将3 2 位嵌入式处理器应用到现场设备中已是 大势所趋。同时，现场设备能力的增强，会极大减轻中心计算机的负担，提高控 制系统的效率，简化系统结构。软件方面，现场设备运行程序的规模会越来越大， 需要操作系统的支撑，才能实现程序的顺利调度。嵌入式操作系统的引入，使得 设备的功能更加强大和丰富，也使得嵌入式技术有了巨大飞跃。因此，f 是顺应 发展趋势，本文在对现场总线p r o f i b u s p a 和以太网之间的通信进行了研究的基 础上，完成嵌入式系统的设计，并在3 2 位a r m 体系结构下完成了嵌入式操作系 统的移植。这为现场总线与以太网通信领域的研究提供了一个思路，并为进一步 深入的研究积累了经验。 1 5 本论文的主要工作及组织 本文在对p r o f i b u s p a 现场总线和以太网技术研究的基础上，根据功能要 求，搭建了以a r m 芯片和m o d e m 芯片s i m l 2 为核心的基于p r o f i b u s p a 协议 的嵌入式系统硬件平台，并完成实时操作系统p c o s i i 、t c p i p 协议栈l w i p 的 移植工作，以及网络通信任务的编程。最后，将该系统应用于机械工业仪器仪表 综合技术经济研究所的p r o f i b u s p a 测试实验室( p i 和c n a s 双重授权) 的 p r o f i b u s p a 设备的认证测试实践中，通过测试结果表明该系统能实现预期功能， 并为p a 产品的预测试提供了新的途径。 本文的具体组织结构安排如下： 第1 章，绪论。首先介绍现场总线技术的概念、特点以及标准化的问题；然 后介绍了以太网技术在自动化行业中的应用；接下来介绍实现现场总线和工业以 太网技术的关键嵌入式技术及开发方法；在分析本课题研究的背景和意义的 基础上，介绍本文的主要内容和组织安排。 第2 章，p r o f i b u s 协议的分析及p a 的应用。按照分层的原理，对p r o f i b u s 协议做了分析，最后介绍p a 的现实应用，以及可能的发展趋势，并引出本文所开 发系统的实际意义。 第3 章，嵌入式系统硬件平台的搭建。简要介绍了整个硬件平台的总体结构， 并对各个模块分别进行设计。 第4 章，软件系统的设计与实现。在对嵌入式操作系统及嵌入式t c p i p 协议 栈进行认真分析的基础上，完成了在硬件平台上的移植工作，并做了简单测试。 在此基础上完成了应用任务的编程。 第5 章，实验验证。最后通过实验测试系统的性能。 9 第2 章p r o f i b u s 协议分析及p a 的应用 p r o f i b u s 是p r o c e s sf i e l d b u s 的缩写，是一种国际性的开放式的现场总线标 准，是i e c6 1 1 5 8 现场总线标准中的一种。p r o f i b u s 根据应用特点分为 p r o f i b u s d p ，p r o f i b u s p a 两个兼容版本。 p r o f i b u s d p ：经过优化的高速、廉价的通信连接，专为自动控制系统和设 备级分散i o 之间的通信设计，使用p r o f i b u s d p 模块可取代价格昂贵的2 4 v 或0 2 0 m a 并行信号。用于分布式控制系统的高速数据传输。 p r o f i b u s p a ：专为过程自动化设计，标准的本质安全的传输技术，实现了 i e c6 1 1 5 8 2 中规定的通信规程，用于对安全性要求高的场合及由总线供电的站点。 p r o f i b u s 协议的结构定向根据i s o7 4 9 8 国际标准，以开放系统互联网络i s o o s i 为参考模型。如图所示： 第7 层 第6 层 第5 层 第4 层 第3 层 第2 层 第1 层 应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 表示层( p r e s e n t a t i o nl a y e r ) 会话层( s e s s i o nl a y e r ) 传输层( t r a n s p o r tl a y e 0 网络层( n e t w o r kl a y e r ) 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 图2 1i s o o s i 参考模型 f i 簖i i s o o s ir e f e r e n c em o d e l 用户界面 应用层 第3 6 层 数据链路层 物理层 (d p) 一 (pa) 7 d p 行规 p a 行规 d p 基本功能 d p 扩展 未定义 现场总线数据链路层f d l f i e c 接| j m a c 介质存耿控制子层t o k e n _ p a s s i n g r s 4 8 5 光纤 i e c 6 1 1 5 8 2 图2 2p r o f i b u s 协议结构 f i 9 2 2 p r o f i b u sp r o t o c o la r c h i t e c t u r e 从图中可以看出，p a 与d p 是同属于p r o f i b u s 的子集，但是采用了不同的 行规。两者的不同仅体现在物理层上，以及数据链路层的报文帧结构上，下面将 从物理层和数据链路层加以具体分析： 2 1p r o f i b u s 物理层 p r o f i b u s p a 的物理层采用i e c6 1 1 5 8 2 传输技术，该技术可以满足化工和 石化工业的要求，可保持其本质安全并使现场设备通过总线供电，此技术是一种 位同步协议，可进行无电流的连续传输，通常称之为h 1 。 i e c 6 11 5 8 2 传输技术原理如下： 每段只有一个电源，供电装置； 站发送信息时不向总线供电； 每站现场设备所消耗的为常量稳态基本电流； 现场设备的作用如无源的电流吸收装置； 主总线两端起无源终端线的作用； 允许使用线型、树型和星型网络； 设计时可采用冗余的总线段，用以提高可靠性。 i e c6 11 5 8 2 传输技术特性如表2 1 所示。 1 2 表2 1 i e c6 11 5 8 - 2 传输技术特性 t l b 2 1t e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s m i s s i o no fi e c 61l5 8 - 2 数据传输数字式，位同步，曼彻斯特编码 传输速度 3 1 2 5 k b p s ，电压式 数据可靠性预兆性，避免误差采用起始和终止限定符 电缆双绞线( 屏蔽或非屏蔽) 远程电源可选附件，通过数据线 防爆型可能进行本质和非本质安全操作 拓扑线型或树型，或两者相结合 站数每段最多3 2 站，总数最多1 2 6 个 转发器可扩展至最多4 台 其中的曼彻斯特编码的技术特点是，首先，每一个比特时间中间有一次信号 电平的变化，前半个时间段则是比特值本身，后半段电平是比特值的反码，因此 携带有同步信息，这样就无需另外传送同步信号；第二，该编码中的正、负电平 各占一半，因而信号本身不存在直流分量时，信号传输时不会使电缆上的基本电 平发生变化，这样就符合了f i s c o ( f i e l d b u si n t r i n s i c a l l ys a f ec o n c e p t ，即现场总 线本质安全防爆构想) 模型中对本安保护的要求。波形图如图2 3 所示： 电平 i b + 9 m a i b - 9 m a i 0 l l ol jlj l i b ：i耋本哇 1r 1r 1r 1f 流 图2 3 曼彻斯特编码电平波形图 f i 9 2 3 m a n c h e s t e re n c o d e dw a v e f o r m p r o f i b u s d p 在物理层采用的是r s 一4 8 5 的传输方式，其传输数据的速率为 9 6 k b p s - 1 2 m b p s ，且一个系统中总线上的传输速率对连接在总线上的各个设备是 统一设定的。各个设备均连在具有线型拓扑结构的总线上。每一个线段可以连入 的最大设备数是3 2 ，每个线段的最大长度为1 2 0 0 米。当设备多于3 2 时，或扩大 网络范围是，可以使用中继器连接各个不同的网段。 1 3 2 2p r o f i b u s 数据链路层 由i s oo s i 参考模型的功能划分可知，一个网络互联系统的第2 层数据链路 层的任务是建立、维护和拆除链路的连接，实现无差错传输。它应该能在点到点、 点到多点的链路上，保证报文的可靠传递，同时还负责差错控制，把数据分割成 帧，进行两端的同步控制等，把可能出现差错的实际物理传输线路变成为一个让 网络层看起来是无差错的数据链路。数据链路层的功能是评价一个网络通信系统 的性能的重要方面。 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 在现场总线系统中常被称为f d l ( f i e l d b u sd a t a l i n k ) ，包括了介质访问控制m a c 子层和现场总线链路控制子层( f i e l d b u sl i n l ( c o n t r o l ，f l c ) 。两者在现场总线管理( f i e l d b u sm a n a g e m e n t ，f m a ) 下共同完成 “承接上层应用层的任务，下达给物理层；承接下层物理层的数据，上传给应用 层，【l4 1 。 2 2 1f d l 层服务功能集 ( 一) 数据传输功能 在主站( 控制器) 和从站之f b j ，p r o f i b u s 能周期性或非周期性地传递参数 和检测、控制数据，以实现数据交换，这是其基本功能。其中包括的基本功能有： s d n 发送数据，不需确认。用于一个主站向多个站点的数据广播及群发， 故不需要响应； s d a - 发送数据，需确认。一个主动发起者向另外的站点发送数据且接收 响应答复，s d a 只发生在主站间通信； s r d ：发送数据，且要求回复数据。通信的发起者发送数据到另一端的同 时，还要求响应者立即回复数据，通常用在主站对从站的轮询中； c s r d ：周期性发送且要求回复数据( 周期性数据交换) 。主站周期性地轮 询从站，采集前端数据等； m s r d ：发送数据且要求群发回复。 c s - 时钟同步信号。用于在一个系统内同步各站点的时钟，包括2 个广 播发送出的不需要响应答复的数据帧。 这些都是p r o f i b u s 的f d l 的基本功能，它们是构成各种规约功能的基础， 而且这些服务功能在不同的规约子集中应用会有所不同。 ( 二) 管理功能 管理功能包括了对物理层和数据链路层的控制，它可分为本地服务和普