（电力电子与电力传动专业论文）基于以太网的通信电源监控系统.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h ec o m m u n i c a t i o np o w e rs u p p l y s y s t e m sc a p a c i t yi sb i g g e ra n di t s s t r u c t u r ei sm o r ec o m p l e x t h ec o r n n a u n i c a d o np o w e r s u p p l ys y s t e m sr e l i a b i l i t y i sv e r yi m p o r t a n tt ok e e pt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mo p e r a t i n g s t e a d i l y i no r d e rt oe n h a n c et h cr e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l ys y s t e m ，i t sv e r yi m p o r t a n tt o m o n i t o r i n gt h eo p e r a t i o no fp o w e rs y s t e mb e s i d e so fi m p r o v i n gt h ep o w e rs u p p l ys y s t e m n o wt h ep o w e rs u p p l ym o n i t o r i n gs y s t e mi sd i v i d e di n t o3l e v e l s ：t h ef i e l dl e v e l ，t h ea r e a l e v e la n dt h ec i t yl e v e l t h u st h em a i n t a i ne f f i c i e n c yi sh i g h e r i nf i e l dl e v e l ，t h em o n i t o r i n g s y s t e m u s em o n i t o r i n gn o d e st om o n i t o rt h ep o w e r s u p p l ys y s t e ma n de n v i r o n m e n t v a r i a b l e s a tt h es a m et i m e ，t h em o n i t o r i n gc e n t e rc a l ls e n dc o n t r o li n f o r m a t i o nt o e v e r yn o d et o c o n t r o lp o w e r s u p p l ys y s t e m so p e r a t i o n t o o n o w , m o n i t o r i n g n o d e s u s u a l l ya d o p tr s 4 8 5 s e r i a lb u st oc o m m u n i c a t ew i t hc o m p u t e r s i nf i e l d b u tr s 4 8 5b u sh a ss o m e p r o b l e m s i t sb a u dr a t ei sl o w i t sd i f f i c u l tt or e a l i z ef r e e c o m m u n i c a t i o n sa m o n ga l ln o d e sa n dt h en e t w o r k si n s t a l l a t i o ni s c o m p l e x o t h e r w i s e ， r s 4 8 5b u sc a n tc o n n e c t 、i t hc o m p u t e r d i r e c t l ye x c e p t f o r t r a n s f e r r i n gt h ep r o t o c 0 1 i nt h i st h e s i s ，ac o m m u n i c a t i o np o w e r s u p p l ym o n i t o r i n gs y s t e mb a s e so ne t h e m e ti s p r o p o s e d e t h e m e tb u sh a sh i g hb a u dr a t e ，s u c ha sl o m b p sa n d1 0 0 m b p s i th a sl o n g c o m m u n i c a t i o nd i s t a n c ef o re x a m p l et h em a x i m u md i s t a n c eb e t w e e ne v e r yn o d ea n dh u bo r s w i t c h i n g i s1 0 0 m t h e m o n i t o r i n g n o d ec a l lc o m m u n i c a t ew i t h e o m p u l e r w i t h o u t t r a n s f e r r i n gt h ep r o t o c 0 1 t h ei n s t a l l a t i o ni sv e r ys i m p l et o ow i t ht h es p e c i a lc o n n e c t o lt h i s t h e s i sa n a l y s e sh o wt or e a l i z el o wc o s te t h e r n e tc o m m u n i c a t i o n t h eh a r d w a r ei n t e r f a c e c i r c u i ti sd e s c r i b e d t h eu c o s - i ie m b e d d e dr e a lt i m ek e r n e li s t r a n s p l a n t e d a n dt w o s o f t w a r em e t h o d sa b o u tc o m m u n i c a t i o na r ea l s og i v e ni nt h et h e s i s a tt h ee n do ft h i st h e s i s ， a na c t u a ls y s t e mm a d e l l po f w i t h8 0 3 1s i n g l e - c h i pm i c r o p r o c e s s o r a n dr t l 9 0 1 9 a sn e t w o r k i n t e r f a c ei ci sb u i l t t h ct e s tr e a l i z e st h eh i g h s p e e dd a t ac o l l e c t i o na n dc o m m u n i c a t i o n s u c c e s s f u l l y i tp r o v e s t h a tt h es y s t e mb a s e do i le t h e r n e tb u si sf e a s i b l e k e y w o r d ：c o m m u n i c a t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ，m o n i t o r i n gs y s t e m ，r s 4 9 5s e r i a lb u s , e t h e r n e tb u s ，n c o s - i i ，e m b e d d e dr e a lt i m ek e r n e l ，d a t at r a n s f e r l l 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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律效果由本人承担。 学位论文作者签名：舭 日期：工口p 毕年5 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并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。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等幅值手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密日。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 忆色 日期：2 口口牛年j 月7 日 指导教师签名： 劫狒 日期：& 缈乒年广月7 曰 华中科技大学硕士学位论文 1 绪言 1 1 通信电源系统的发展状况 随着通信事业的发展，通信网络日益庞大。而通信电源系统是通信网络的核心组 成部分之一，通信电源向通信设备提供交、直流电能源，在通信网中的位置极其重要， 被喻为通信网和通信设备的“心脏”。如果一个电话局的供电系统发生故障而中断供 电，就会使整个电话局瘫痪，造成地区政治、经济的损失；如果一个长途干线通信站 或通信枢纽局因供电故障而瘫痪，就会造成更广泛的经济损失和不良的政治影响。 由于现代电力电子技术的发展，通信电源的发展经历了从线性电源、相控电源到 开关电源的发展历程，由于开关电源具有功率转换效率高、稳压范围宽、功率密度比 大、重量轻等优点，从而取代了相控电源，成为通信电源的主体，并向着高频小型化、 高效率、高可靠性的方向发展。另一方面，由于计算机控制技术的发展，开关电源控 制电路的数字化程度越来越高。 目前通信电源系统主要由交流配电柜、整流柜、直流配电柜组成，如图1 1 所示。 实际系统中可将交流配电柜、直流配电柜和整流柜放在不同楼层，实现分散供电。交 流配电柜主要完成市电输入或油机输入切换和交流输出分配功能，并要求采取必要的 防护措施，交流配电柜一般具有三级防雷措施、单面操作维护、实时状态显示和告警 等功能：直流配电柜主要完成直流输出路数分配、电池接入和负载边接等功能，一般 要求可自由出线，可出面操作维护，可实现柜内并机和柜外并机，具有状态显示和告 警功能，能检测每一路熔断器的通断状态；整流柜的主要功能是将输入交流电转换输 出为满足通信要求的直流电源，它一般由多台整流模块并联组成，共同分担负载，并 能良好地均分负载，单模块故障不应影响系统工作。另外，为确保机房计算机系统供 电，还配备有u p s 系统，通过对交流配电柜输入的电能整流、逆变获得干净的交流供 给计算机系统使用。除此之外，电信机房还配有精密空调，烟尘和湿度传感器以及门 禁系统。 1 2 通信电源监控系统的发展状况 由于可能存在停电、设备故障等情况，为了保证整个通信电源系统能够正常工作， 除了采取备用措施，如设备的冗余，使用蓄电池和备用发电机组等，能够及时通知维 修人员进行故障设备的维修也是十分重要的手段，这就要求使用电源监控系统，对整 个电源系统运行情况进行监控，记录监控数据，一旦发现故障或者故障趋势，立刻发 华中科技大学硕士学位论文 出警报，通知维修人员采取措施。 图1 1 通信电源系统的基本框图 1 2 1 电源监控系统的早期发展 早期进行的电源监控，只能反映少量电源设备运行状况的开关量。电源设备与环 境参数的信息混在传输设备或交换设备的监控系统中进行传送和处理。一般由传输设 备或交换设备的监控系统提供1 至2 个字节供电源与环境监控使用。这种第一代的电 源监控系统，形式和功能都较为简单，所能提供的信息仅为少量开关量信号。在实施 了这种监控后，维护人员虽然能够更快地掌握系统在哪出现了故障，但知道故障时， 系统供电也出现了问题。这种维护方式仍就是被动的，不能真正大幅度减低电源维护 的工作量和提高电源维护质量。 1 2 2 第= 代电源监控系统”“”。 第二代的监控管理系统具有较全面的遥测、遥信和遥控功能，可以通过记录模拟 量信息来分析设备的运行状况。1 9 8 8 年，原邮电部设计院与广州市电信局合作承担了 原邮电部科技司下达的对通信电源、空调及环境做集中监控管理的科研项目，并且在 广州市电信局长途枢纽楼进行了实施。这是我国在通信电源领域第一次建设的以一定 理论为基础，经过开发研制，最终实施的第二代集中监控管理系统。近几年来，我国 通信电源系统现有的分散看管式的i e l 维护体制已越来越不适应新的形式，使得电源监 控系统向节约运行成本、提高运行性能的少人、无人值守和系统的集中维护管理的方 向发展，特别是近两年来，随着电源技术的发展，各电源设备的可靠性与智能化不断 2 负戴1丑嬲最f 鐾 丑恻疆l_| 蟊 一 孽圆 h l 到卤 华中科技大学硕士学位论文 提高，计算机技术的飞速发展，都给实现集中监控，少人、无人管理提供了技术基础 ”。国内电源厂家和监控厂家纷纷推出自己的监控产品，像洲际、艾默生、中达、 大诚、中兴等约二三十家公司都在集中监控上投入了大量的人力物力。移动通讯建设 电源监控系统的步骤相对较慢，但对于移动通讯站点众多又分散的情况，集中监控更 显得迫切需要“。 图1 2 是艾默生p s m s 动力设备及环境集中监控系统示意图“。，整个系统可以监控 低压配电柜、开关电源、电池组、智能空调、智能油机、环境变量及智能门禁等。图 中i d a 为集模拟量输入、开关量输入输出、电池采集及协议转换、通信接口转换、传 输等功能于一体的监控节点。这些监控节点的实质是采集模拟量( 如电压、电流等) 和 开关量( 如继电器、断路器通断状态) ，然后进行通信协议转换( 如r s 2 3 2 转换到r s 4 2 2 或r s 4 8 5 ) ，并按规定的通信协议将数据发送到现场的前端计算机，同时可以接收前端 计算机发送的控制信息，并将控制信息传递给被控设备。 前端监控主机除了可以接收并且存储监控节点采集的数据以外，还可以在分析以 后将设备运行情况通过计算机网络传递给上级监控中心。所有的采集及通信设备统一 由u p s 及组合电源供电。 图1 2 艾默生p s m s 动力设备及环境集中监控系统系统示意图 1 2 3 通信电源监控系统的主要监测内容 目前监控系统监测内容主要有5 1 ： 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 i 高压配电设备 遥测：三相电压或三相电流、高压操作电源电压。 遥信：变压器温度过高、瓦斯告警等。 2 低压配电设备 遥测：进线柜三相电压、三相电流、频率( 可选) 、功率因数( 可选) 、重要部位的 温度( 可选) 。 遥信：主要开关状态，缺相、过压、低压告警。 遥控：重要配电开关分合闸( 可选) 。 3 攘流配电设备 遥测：交流输入电压、电流，直流输出电压、电流( 总) 、主要熔断器温度，各台 整流器输出电流。 遥信：整流器工作状态，浮充、均充状态，整流故障、直流输出过压、欠压、熔 丝断等告警。 遥控：相控整流器的复位、开关机( 可选) 。 4 蓄电池 遥测：总电压、充放电安时数，各电池端电压。 5 自动化柴油发电机组 遥测：三相电压、三相电流、频率( 转速) 、燃油油位、启动电池电压等。 遥信：工作状态( 运行停机) 、工作方式( 自动手动) 、机油压力低、水温高、启 动失败、启动电池电压低、燃油油位低、电压异常、过电流、频率( 转速) 异常等告警。 遥控：开关机。 6 交流稳压器 遥测：原边电压、副边电压。 遥信：稳压器工作、市电直通，稳压器故障告警等。 7 u p s ( i o k v a 以上) 遥测：交流输入电压、直流电压、标示电池端电压，交流出电压、电流、频率等。 遥信：市电故障、整流器故障、逆变器故障、u p s 供电、旁路供电、电池电压低等。 8 局部空调设备( 风冷) 遥测：机房温度、湿度，进排气压力等。 遥信：工作状态、温度过高、温度过低、湿度过大、湿度过小、风机故障、压缩 机故障、加湿器故障、排气压力过高、进气压力过低等告警。 4 华中科技大学硕士学位论文 遥控：开关机。 9 中央空调设备 遥测：冷冻水进出水温度、冷却水进出水温度、重要机房温度，电源电压、电流。 遥信：电源缺相、机油温度高、压缩机运行停机等。 遥控：开关机。 1 0 机房环境 各电源空调机房温度、湿度、烟雾、地湿、机房门禁等。 1 2 4 通信电源监控系统的发展前景 由于采用监控系统的目的是实现端局级无人值守，区域和城市监控级集中监控， 统一维护，从而提高维护效率，所以有以下课题可以研究。 1 更加完善的功能“1 根据报警的性质、重要级别进行分类，与处理流程相结合，确保维护人员能从容 完成各项处理工作；系统自动判别告警等级，完成相应处理工作，包括：告警声、光 提示，打印机输出，维修人员的自动呼叫，智能分析软件快速的故障定位；提供了由 于重要告警被延时确认而触发的自动接管功能，保证系统所有重要告警都能被及时处 理，并为值班人员的考评提供了客观依据。实现整个系统的自动巡测、自动故障告警、 故障定位、自动派工、自动寻呼、自动记录等。 2 高速采集功能 目前，前端现场部分一般采用r s 4 2 2 或者r s 4 8 5 串行总线对各节点采集数据进行 传输，r s 4 2 2 与r s 4 8 5 总线的特点是成本低廉，可靠性较高。但也存在着传输距离较 短，通信速率较低，支持节点数较少等缺点。例如虽然r s 4 2 2 标准规定的最大传输距 离为4 0 0 0 英尺( 约1 2 1 9 米) ，最大传输速率为l o m b p s ，支持最多3 2 个节点。但其平衡 双绞线的长度与传输速率成反比，在l o o k b p s 速率以下，才可能达到最大传输距离。 同时只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般1 0 0 米长的双绞线上所能获得 的最大传输速率仅为1 m b p s 。假设在5 0 0 k b p s 的通信速率下并且不考虑处理器速度，如 果网络上存在2 0 个节点，每个节点只能占用2 5 k 的带宽，按一个信息字1 6 位计算， 即使连续发送，每秒只能传送1 6 0 0 个信息字。如果同时还需要传递一些控制信息，那 么采集到的数据就更少了。另外，实际数据率还与处理器速度有关，如果采用高速处 理器控制通信，那么r s 4 8 5 总线会成为主要速度瓶颈。 3 自由的点对点通信技术 华中科技大学硕士学位论文 采用r s 4 2 2 及r 8 4 8 5 总线，难以实现节点之间自由的点对点通信，一般采用主从 控制方式，一个主节点，其余都是从节点，从节点间无法自由通信。造成这一原因是 由于r s 4 2 2 及r s 4 8 5 总线标准没有冲突检测功能。在艾默生的p s m s 系统中，前端计算 机就是主节点，数据采集节点即从节点，前端机通过循检各数据采集节点收集数据。 如果采用一种支持点到点之间自由通信的总线协议，除了各节点自由发起通信传输数 据绘前端机以外，还可以实现各节点之间的信息交换，从而实现网络化分散控制，协 调备节点工作。在此基础上，还可以实现各节点采集信息的异步发送，即重要的监控 对象可以占用较多的带宽，次要的监控对象占用较少的带宽。 4 数据挖掘技术“”。 数据挖掘技术是一种从大量数据中自动的，智能的抽取有价值的知识和信息的技 术，它已经成功的运用于许多领域。如果对已经实现了数据高速采集的通信电源监控 系统采用数据挖掘技术，利用一定的算法和数据库系统强大的分析功能对采集的数据 进行分析，就可以提取许多有用信息，例如通过对每次系统故障发生前采集的历史数 据进行分析，找出其中的某些规律，就有可能在故障发生前对故障进行预测。 5 专家诊断系统“。 专家系统是人工智能研究发展的结果，又叫知识工程，将大量的专家知识和启发 性知识编制到一个程序里，以辅助解决困难的问题，完成人类专家需要完成的工作。 如果在通信电源监控系统中集成专家系统，就可以通过对故障情况的分析指导维护人 员进行维修。 6 低成本化 由于现代通信系统越来越庞大，通信端局及移动通信节点越来越多，所以监控节 点应当尽量实现小型化及低成本化，这样可以在增加节点的同时而不会提升整个监控 系统的造价。 1 3 本设计选题依据及研究内容 目前监控系统中各节点主要通过r s 4 2 2 及r s 4 8 5 串行总线与前端机通信，存在着 通信速率低，通信距离短，节点间不能自由通信，安装较困难等缺点。要克服这些缺 点，只有采用新的通信总线协议。本文提出使用8 0 3 1 单片机控制以太网络接口，利用 以太网总线作为通信介质，实现节点间通信。目前高速以太网传输速率已经达到 1 0 b p s ”“，普通l o 1 0 0 m b p s 以太网在计算机通信领域已经得到广泛应用，并开发出多 种基于以太网的网络连接设备。i e e e 8 0 2 3 标准规定整个网络最大作用距离为2 8 k m ， 6 华中科技大学硕士学位论文 最大站点数为1 0 2 4 ，具体如i o b a s e t 网络通讯速率可达l o m b p s ，通过集线器，网桥， 交换机及路由器等设备，可以方便的组成一个完善的监控网络。 使用以太网总线取代传统的r s 4 8 5 总线组建端局级现场监控网络，具有许多优点： 首先，可以实现数据的高速传输，通过网络连接设备如集线器、交换机等，可以保证 长距离下依然有l o m b p s 的传输速率，这样可以大大提高采集的数据量。由于以太网总 线标准采用了载波监听多点接入冲突检测( c s 4 a c d ) 协议”“，所以网络上任何站点都 可以是主站，向其它任何站点发送信息。如果为各节点增加t c p i p 协议栈，可以实现 各节点的i n t e r n e t 连接，在监控对象较少时甚至可以省略前端机直接与监控中心通信。 另外，由于网络接口芯片及8 0 3 1 单片机价格低廉，可以提高各节点性价比。 本设计的主要工作是： 1 设计单片机系统硬件电路 1 ) 实现8 0 3 1 单片机r a m 和r o m 扩展。 2 ) 实现8 0 3 1 与网络接口芯片r t l 8 0 i g a s 的接口。 3 ) 实现8 0 3 1 与a d 转换芯片m a x l l l 的接口。 2 设计单片机系统软件 1 ) 移植嵌入式内核u c o s - i i 到8 0 3 1 单片机。 2 ) 在u c o s i i 的基础上实现r t l 8 0 1 9 a s 芯片的驱动程序及t c p i p 协议栈。 本设计中由于采集的数据通过u d p 包形式发送，所以省略了复杂的t c p 协 议，只实现了a r p 协议及i p 和u d p 协议。 3 ) 在u c o s i i 的基础上实现数据采集，数据发送，信息处理等任务级程序。 3 设计前端机软件 1 ) 网络通信部分程序的实现。由于本设计采用了两种方式实现网络通信，故 前端机软件通信部分实现采用了两种方法，一是采用w i n p c a p 开发包实现 单独协议的通信方式，第二种方法就是利用t c p i p 协议进行通信。 2 ) 后台数据库应用部分程序的实现。 3 ) 图形显示及控制部分软件的实现。 4 调试整个系统，验证结果 4 ) 使用s n i f f e r 软件捕获数据包，查看网络接口工作情况。 5 ) 与图形界面配合，能直观观察所采集的数据。 华中科技大学硕士学位论文 2 系统硬件部分设计 2 1 以太网总线 2 1 1 常用总线标准 在所有点到点通信方式中，采用串行总线方式最为经济。从对串行总线访问控制 权的仲裁方式来分，串行总线通信主要有集中式仲裁与分布式仲裁两种。集中式仲裁 指串行总线上只有一个主节点其余为从节点，主节点为从节点分配总线使用权限。 各从节点只有被主节点授予总线访问权，才能占用总线，常见的有r s 2 3 2 和r s 4 8 5 标 准。 1 r s 2 3 2 串行总线 r s 2 3 2 串行总线主要标准为r s 2 3 2 c ，r s 3 2 3 c 标准是美国e i a ( 电子工业联合会) 与 b e l l 等公司一起开发的于1 9 6 9 年公布的通信协议。它适合于数据传输速率在0 2 0 0 0 0 b p s 范围内的通信。这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电气 特性都作了明确规定。由于通信设备厂商都生产与r s 2 3 2 c 制式兼容的通信设备，因此， 它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。r s 2 3 2 c 标准中，数据线逻辑l 电平为一3 一1 5 v 之间，逻辑0 电平为+ 3 + 1 5 v 之间，控制线信号电平正好相反。当使 用1 9 2 0 0 波特率。普通屏蔽双绞线时，距离可达1 5 m 。 2 r s 一4 8 5 串行总线” r s 4 8 5 串行总线是一种基于差分信号传送的串行通讯链路层协议，它解决了r s 2 3 2 协议传输距离太近( 1 5 m ) 的缺陷，是工业上广泛采用的较长距离数据通讯链路层协议。 其电气特性为：两线间电压差在+ 2 + 6 v 之间时表示逻辑1 ，两线电压在一2 一6 v 之间 时表示逻辑0 。其最大传输距离约为1 2 1 9 米，最大传输速率为l o m b p s 。但只有通信速 率在l o o k b p s 以下时，才可能使用规定的最长电缆长度。只有在很短的距离下才能获 得最高速率传输，一般10 0 米长双绞线最大传输速率仅为1 m b p s 。 采用分布式仲裁方式的总线上各节点一般采用c s 姒c d 方法检测总线的使用情况， 当检测到总线空闲时，节点才可以发送信息，如果发生冲突，则延迟一段时间后再发 送信息。 1 l o n w o r k s 总线剐删 l o n w o r k s 技术是美国e c h e l o n 公司于9 0 年代推出的一种现场总线技术，l o n ( l o c a l o p e r a t i n gn e t w o r k ) 的意思为局部操作网络，它是用于开发监控网络系统的一个完整 的技术平台，并具有现场总线技术的一切特点：l o n w o r k s 网络系统由智能节点组成， 华中科技大学硕士学位论文 每个智能节点具有多种形式的i o 功能，节点之间可通过不同的传输媒质进行通信， 并遵守i s o o s i 的七层模型，l o n w o r k s 技术包括监控网络的设计，开发，安装和调试 等一整套方法，要使用多种专用的硬件设备和软件程序，主要包括以下几个方面的内 容： n e u r o nc h i p 神经元专用芯片： 神经元芯片是l o n w o r k s 技术的核心器件，它是由e c h e l o n 公司研制的一种集通信、 控制、调度和i o 支持为一体的高级v l s i 器件，只授权m o t o r o l a 和t o s h i b a 公司生 产。它内含3 个8 位的流水线c p u 。在片内存储单元中固化了7 层通信协议中的6 层内 容，只有第7 层需用户编写。它有1 1 个可编程的i o 引脚，可组成3 4 种工作模式， 并有5 个通信引脚可组成3 种通信模式，最高时钟频率为l om h z 有2 个1 6 位定时器 计数器，一个4 8 位编码的内部标识符n e u r o ni d ，一个用于远程标识和诊断的s e r v i c e 引脚。 l o n t a l k 通信协议： l o n t a l k 是l o n w o r k s 技术的通信协议的标准。与其它现场总线技术不同的是它提 供了i s o o s l 七层协议所有内容的服务，并采用一种基于载波侦听多路访问介质访问 控制( c s m a m a c ) 的新型通信模式，称为带预测的p - p e r s i s t e n tc s m a 算法。l o n t a l k 协议支持多种传输介质，如双绞线，电力线，超声波，光纤，无线射频，红外线和信 源线( l i n ep o w e r ) 等。每一种介质称为一种信道，每一种信道都有专用的收发器 ( t r a n s e e l v e r ) 作为智能节点和通信介质之间的接口器件。不同信道之间使用路由器 ( r o u t e r ) 进行连接。各种传输介质具有不同的传输速率，最高为1 2 5m b p s 。传输报文 每帧的最高有效字节为2 2 8 个，最远的传输距离为2 7k m ，每个信道最多可连接3 2 万个节点。l o n t a l k 协议支持分散的p e e rt op e e r 的通信，节点可以组成总线型、环 型、树型等多种拓扑网络结构，特别值得一提的是还可以组成自由拓扑结构，它是各 种常规拓扑结构的组合。l o n t a l k 协议支持使用一种称为n e u r o nc 的语言进行编程， 并通过网络变量进行节点之间的逻辑安装，这是一种面向对象的开发和设计方法。 l o n b u i l d e r 及n o d e b u i l d e r 开发工具： l o n b u i l d e r 和n o d e b u i l d e r 是开发l o n w o r k s 网络系统和节点的工作平台，它是硬 件和软件开发工具的集合。l o n b u i l d e r 是系统级的开发工具，它提供了一个用p c 进行 操作的开发环境，可支持单个仿真应用节点。也可支持由2 4 个仿真节点和上百个远程 节点组成的复杂的分散式网络系统。其硬件包括p c 适配卡，l o n b u i l d e r 处理器板， n e u r o nc 仿真器，l o n b u i l d e r 单板计算机，路由器，收发器调试板等。l o n b u i l d e r 9 华中科技大学硕士学位论文 应用编程软件提供了编辑、编译、调试和测试n e u r o nc 软件所需的一切工具，包括 n e u r o nc 编译器和n e u r o nc 调试器等，此外还包括网络管理工具和启动工作包。 n o d e b u i l d e r 则是装置级的开发工具，它可用来编程和调试单个节点，它的硬件和软件 相对简单一些。 2 c a n 总线“” c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线属于现场总线的范畴，它是种具有很高保 密性、有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。c a n 总线是8 0 年代初德国 b o s c h 公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串 行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。 它的应用范围遍及从高速网到低成本的多线路网络。在自动化电子领域的汽车发动机 控制部件、传感器、抗滑系统等应用中，c a n 总线的通信速率可达成i m b p s 。同时，它 也可以廉价地应用到交通运输工具的电气系统中，例如：灯光聚束、电气窗口等等，以 替代所需要的硬件连接。 c a n 总线具有以下特征： 1 ) 多主站，依据优先权进行总线访问和无破坏性的基于优先权的仲裁 c a n 总线标准采用多主站方式，网络上任何节点均可主动向其它节点发送信息。网 络接点可以按照系统实时性的要求分成不同的优先级。c a n 总线结点数可达1 1 0 个。 2 ) 点故障类型的判别 c a n 节点有识别永久性故障和短暂故障的功能，对于短暂的扰动，c a n 给予错误标 定并堑发。对错误严重的故障，c a n 具有自动关闭总线的功能，切断它与总线上其它节 点的关系，使总线上的其它操作不受影响。这一特点可使局部故障不会影响系统其余 部分正常运转。 3 ) c a n 的强容错能力及数据传输中较好的同步保证了数据传输的可靠性 c a n 的每帧信息均有c r c 校验、总线检测、位填充及其报文格式检查等检错机制。 它的监测机构可以检测到所有的全局性错误、发送器所有的局部错误、报文中多至5 个随机分布错误、报文中任何奇数个错误等。对是错误而不能检出的报文的概率低于 】o 1 4 。并且，检测到错误的节点对报文作标志，这样的报文将失效。并主动重发。使 数据传输的可靠性得到迸步提高同时，c a n 的n r z ( 不复零) 编码解码技术和位填充 技术的使用，使数据传输能得到较好的同步，也提高数据传输的可靠性。数据传输的 可靠性提高了系统的可靠性。另外，c a n 采用短帧结构，使得信息传输时间短，受干扰 的概率低。而且，即使出错，自动重发时间也短。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 4 ) 开放性体系结构 c a n 总线是按照开放系统互连规范按层次结构设计的。按照i s o o s i 七层网络通信 模型的要求，并考虑到作为工业测控的底层网络，其信息传输量相对较少，信息传输 的实时性要求较高，现场连接方式也较简单，所以，c a n 网络的设计只采用了符合o s i 规范的三层结构模型，即物理层、数据链路层和应用层。c a n 的数据链路层又分为逻辑 链路控制( l l c ) 子层和媒体访问控制( m a c ) 子层。物理层定义信号怎样传输，完成电气 连接，实现驱动器接收器特性；m a c 子层是实现c a n 协议的核心，它的功能主要是传 送规则，即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定；l l c 子层的功能 主要是报文滤波、超载通知和恢复管理。网络的物理层和链路层的功能是由c a n 接口 器件完成的，而应用层的功能则由微处理器来完成。 5 ) 灵活的物理层 c a n 总线的通信介质可以是双绞线，也可以是光纤，而且现在的c a n 控制器有专门 的电磁兼容芯片，可使c a n 抗干扰能力尤其是抗电磁干扰能力大大加强。 2 1 2 以太网总线”町 以太网总线是一种基带总线。最初由美国施乐( x e r o x ) 公司的p a l oa l t o 研究中心 于1 9 7 5 年研制成功，当时的数据率是2 9 4 b p s 。1 9 8 1 年施乐公司与i n t e l 公司合作， 联合提出了以太网规约，并于1 9 8 2 年修改为d i xe t h e r n e tv 2 标准“”，在此基础上发 展为i e e e8 0 2 3 标准，这两种标准在数据字段的解释上略有不同，目前局域网中普遍 使用的是d i xe t h e r n e tv 2 标准，其数据帧格式见表2 】。 表2 1d i xe t h e r n e tv 2 标准数据帧格式 前导位分割位目的地址源地址类型数据段 帧校验域 5 6 b i t8 b i t 6 b y t e6 b y t e2 b y t e 4 6 - - 1 5 0 0 b y t e 4 b y t e 其中前导位用于收发双方的时钟同步还指明了传输的速率( i o m 和1 0 0 m 网络的时 钟频率不一样，但1 0 0 m 网卡可以兼容 o m 网卡) ，是5 6 位的二进制数 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 帧分割位表示下面跟着的是真正的数据，而不是同步时钟，为8 位 的1 0 1 0 1 0 1 l ，与同步位不同的是最后2 位是“而不是l o 。目的地址在以太网帧中为 4 8 位( 6 个字节) 二迸制地址，表明该帧传输给哪个网络节点。如果全为1 ，则表示是广 播地址，广播地址的数据可以被任何节点接收。源地址也是4 8 位，表明即发送节点的 华中科技大学硕士学位论文 的物理地址。类型字段表明该帧的数据是什么类型的数据，不同的协议的类型字段不 同。如：0 8 0 0 h 表示数据为i p 包，0 8 0 6 h 表示数据为a r p 包，8 1 4 c h 是s n m p 包，8 1 3 7 h 为i p x s p x 包，如果该字段的值小于0 6 0 0 h 则是用于i e e e 8 0 2 3 协议的，表示数据包 的长度。数据段则是上层协议交给以太网的真正数据部分，该段数据不能超过1 5 0 0 字 节，因为以太网规定整个传输包的最大长度不能超过1 5 1 4 字节( 1 4 字节为目的地址， 源地址和类型) 。数据段以后可能还有填充位，因为以太网帧传输的数据包最小不能小 于6 0 字节，除去1 4 字节的目的地址，源地址和类型，还必须传输4 6 字节的数据，当 数据段的数据不足4 6 字节时，后面必须补足。帧校验域有3 2 位，为c r c 校验值，该 校验域发送时由网络接口芯片自动计算，自动生成，自动在数据段后面填入，接收时 也由网络接口芯片自动检验，帧校验值不包括对前同步码的校验。 以太网可以使用多种传输介质，例如i o b a s e 5 采用5 0 q 的粗缆，i o b a s e t 采用r j 4 5 插头的双绞线。以太网采用1 坚持的c s m a c d 策略实现总线的访问控制删，l 坚持的 c s 姒策略是一直进行载波监听，如果没有监听到载波，就发送数据，c d 策略则是发送 数据的同时监听信道，看是否有冲突产生，一旦检测到信息发送冲突，则冲突双方立 刻停止发送信息，这样信道就很快空闲下来。利用c s m a c d 策略可以提高信道的利用 率，在实际网络中，为了使每个节点都能及早正确的判断是否发生了冲突，除了立即 停止发送数据p a 夕i ，还继续发送若干比特的人为干扰信号。图2 1 为c s m a c d 的流程 图。 菁幸由单 i 釜 午盘 否lr _ j l l ll 苎兰竺竺苎兰l t 图2 1c s m a c d 流程图 1 2 华中科技大学硕士学位论文 以太网的扩展十分容易，利用集线器，交换机等廉价设备就可以实现多个节点多 个网段的互联。本设计中采用r j 4 5 插头的双绞线作为传输介质，使用l o m b p s 的网络 接口芯片r t l 8 0 1 9 a s 作为总线接口，使用集线器作为网络节点的互联设各。 以太网总线对数据采用曼彻斯特编码，如图2 2 所示，实质就是将数据与时钟 信号异或得出的编码，接收方将接收的信号与同步时钟异或即可以还原出数据。可见 时钟的同步在以太网信息传输中十分重要，所以采用一共6 4 位的前导码和分割位进行 时钟同步。图2 3 为调试时实际测得的经过曼彻斯特编码后的信号波形。该信号为基 带信号，频率为i o m h z 。 图2 2 曼彻斯特编码 ! i ”- o 谳删8 l0 撇山山岫山 煳蜊删洲哪唧哪唧 ， ! i j - 竹啪l l 雕f 1 v1 帏 一：j l l 。nn 。nn 。q n 。n i 、l n i u wvu ! uvu vu 10： ”：? 置1 j ? ? _ 图2 3 实际测得的曼彻斯特编码波形 ( 左图时基为l u s ，右图时基为l u s ) 2 2 利用r t l 8 0 19 a s 与8 0 3 1 实现网络接口 本设计中采用单片机控制网络接口芯片进行网络通信，单片机选择性价比较高的 华中科技大学硕士学位论文 8 0 3 1 c p u 。目前市场上网络接口芯片有多个品牌的产品，由于网络接口芯片主要是为p c 机设计的，所以其一般只提供i s a 总线接口或p c i 总线接口。基于i s a 总线接口的芯 片有r e a l t e k 公司的r t l 8 0 1 9 a s ，c r y s t a l 的c s 8 9 0 0 a ，d a v i c o m 的d m 9 0 0 8 ，n s i 的d p 8 3 9 0 以及m x i c 的m x 9 8 9 0 5 等，这些都是l o m b p s 的接口芯片，基于p c i 总线的有r t l s 0 2 9 a s 和r t l 8 1 3 9 等，前者为l o m b p s ，后者为i o m i o o m 自适应型。由于i s a 总线接口简单， 且芯片价格便宜，传输速度足以达到应用要求，所以本设计中选用在8 1 6 位嵌入式领 域应用较广泛的r t l 8 0 1 9 a s 芯片作为网络接口芯片。 2 2 ir t l 8 0 1 9 a s 芯片介绍“ 1 主要特点 1 ) 符合e t h e r n e ti i 与i e e e 8 0 2 3 ( 1 0 b a s e 5 、l o b a s e 2 、l o b a s e t ) 标准； 2 ) 全双工，收发可同时达到l o m b p s 的速率； 3 ) 内置1 6 k b 的s r a m ，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求； 4 ) 支持8 1 6 位数据总线，可以用于8 位或1 6 位的系统，8 个中断申请线以及1 6 个i o 基地址选择； 5 ) 支持u t p 、a u i 、b n c 自动检测，还支持对l o b a s e t 拓扑结构的自动极性修正； 6 ) 允许4 个诊断l e d 引脚可编程输出； 7 ) 1 0 0 脚的p q f p 封装，缩小了p c b 尺寸。 2 内部结构 1 ) r t l 8 0 1 9 a s 内部可分为远程d 姒接口、本地d m a 接口、m a c ( 介质访问控制) 逻辑、 数据编码解码逻辑和其它端口 远程d m a 接口是指单片机对r t l 8 0 1 9 a s 内部r a m 进行读写的总线，即i s a 总线的 接口部分。单片机收发数据只需对远程d m a 操作。本地d m a 接口是指r t l