（电力电子与电力传动专业论文）基于嵌入式网关的电力设备远程监控系统的设计.pdf

江苏犬学硕枷* 究生论文 a b s t r a c t f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p i n gh i s t o r y ，a c t u a l i t ya n dt r e n do f e m b e d d e di n t e m e tt e c h n o l o g y t h e ni ta n a l y z e sa n dc o m p a r e sd o m e s t i ca n df o r e i g n d e v e l o p m e n to f e m b e d d e di n t e m e tt e c h n o l o g y ，a n dc o n c l u d e st h em a j o rp r o b l e m st h a t e x i s ti nt h ee m b e d d e di n t e r a c tw h e ni ti su s e di nt h ea r e ao fi n d u s t r i a lc o n t r 0 1 f u r t h e r m o r e ，i tp r o b e si n t ot h ed e v e l o p i n ga n da p p l i n gt r e n do fe m b e d d e dw e b g a t e w a y b a s e do nc a nb u sf r o mm a n ya s p e c t s t h es t u d yg o a lo ft h i s p a p e ri s t od e s i g na n df u l f i l lt h ee m b e d d e dg a t e w a y s y s t e mb a s e do nf i e l db u s ( c a n ) a st h eh i n g ew h e r et h ef i e l db u sa n di n t e r n e t e x c h a n g et h ed a t a , i tc a n 既l h a n c et h ee f f i c i e n c yo fm o n i t o r i n gt h ee l e c t r i cp o w e r s y s t e m d u r i n gt h ed e s i g no f t h es y s t e m , w ea d o p t e d3 2 - b i tc p u ( a r m 7 t d m i ) ：l p c 2 2 9 2 f o rt h ed e s i g no fs o f t w a r e ，w ea d o p t e dt h r e e l a y e rs t r u c t u r e ，a n da p p l i e d e 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 c o s - i i f o ru p p e rs o f t w a r e ，w em a i n l y d e v e l o p e dc o r es o f t w a r e ：e m b e d d e dw e bs e r v e r ，f u l f i l l e dt h et r a n s m i to fw o r d ， p i c t u r e ，e s p e c i a l l yf o rt h em o d u l eo f c g i d u r i n gt h ed e s i g no fc a nb u sm o d u l e ，w ea d o p t e dl p c 2 2 9 2 ，w h i c hi se m b e d d e d w i t hc a nc o n t r o l l e r w ed e s i g n e dt h ed r i v e rb a s e do np c o s i i w em a i n l yf u l f i l l e d t h ei n t e r r u p to fc a n ，o p t i m i z e dt h et r a n s m i ta n dr e c e i v eo ft h ec a nd a t a ，a l s ow e s i m p l yi n t r o d u c e dt h eu p p e rp r o t o c o lo f t h ec a n f i n a l l y , w es e t 叩t h et e s t i n ga n dr u n n i n ge n v i r o n m e n t ，t e s tt h ec a n c o m m u n i c a t i o na n dt o t a ls y s t e m ，a n da n a l y s e dt h er e s u l t s t h es y s t e mc a nc o n t r o lt h e d e v i c ec o n n e c t e dt ot h ep cb yn e t w o r ka n di n f o r m a t i o nf r o mt h ed e v i c ec a nb e u p l o a d e dt op c k e yw o r d s ：e m b e d d e dg a t e w a y , e m b e d d e dw e bs e r v e r ，a c o s - i i ，c a nb u s ， m o d b u sb u s i i 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， 同意学校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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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 描等复制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。 本学位论文属于 不保密圈。 学位论文作者签名： 球扫 签字日期：2 0 0 7 年5 月o 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：电话： 通讯地址： 邮编： q l j 星析 签字日期：2 0 0 7 年弓月3 ( 扫 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文。 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，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结果由本人承担。 学位论文作者签名： 丫 嗍1 年弓月日 江苏大学硕t 研究生论文 1 1 引言 第一章绪论 i n t e m e t 的发展正在改造着我们的社会：学生和科学工作者通过i n t e m e t 查阅 资料，交流学术；普通用户通过i n t e r n e t 进行购物，网上求职：企业通过i n t e m e t 进行研发和销售等等。i n t e m e t 将全世界的计算机系统和通信系统逐渐集成起来， 形成信息高速公路和公用数据网络，各种信息不断的聚集到i n t e r n e t 这个虚拟 空自j 当中，在该空间中频繁的流动和膨胀，形成一个巨大的，共享的“信息雪球”。 i n t e m e t 正变成我们社会生活中不可缺少的信息中枢体。 i n t e m e t 现在已经成为社会重要的基础信息设施之一，是信息流通的重要通 道。然而世界上大量的信息处理并非集中在p c 和服务器上，而是分布在“无处 不在”的嵌入式设备中，如果能够将嵌入式设备连接到i n t e m e t 上，那么信息就 可以方便，低廉的传送到几乎世界上的任何一个地方【l j 。i n t e m e t 作为社会“信 息中枢体”的地位促使越来越多的相对独立的设备要求接入到i n t e r a c t 这个大家 庭中，从而实现信息的多元流通。根据网络专家的预测，将来在i n t e r n e t 上传输 的7 0 的信息将来自小型嵌入式系统。当代的i n t e m e t 应用也随之由以p c 为中 心转向以嵌入式系统和设备为中心，信息家电认，家庭网络e h o m e 和智能化 网络化的控制设备i n c e 等概念的流行表明i n t e r a c t 应用已经进入了嵌入式 i n t e m e t 时代。可以预计2 0 世纪末的i n t e m e t 革命必然导致“嵌入式i n t e m e t ”这 场2 l 世纪的革命。 嵌入式i n t e m e t 是近几年发展起来的一项新技术，是指设备通过嵌入式模块而 非p c 接入i n t e m e t ，以i n t e m e t 为介质实现信息交互的技术 2 1 。例如，工业远程 监测系统是指利用i n t e r n e t 技术和总线控制技术实现远程数据的采集，分析并实 时监控设备运行，从而降低成本，提高效率；智能信息家电利用家庭网关接入 i n t e m e t ，实现远程操作和数据共享，极大的方便了我们的生活；手持智能设备通 过g p r s 等无线方式接入和i n t e m e t 相连，代替p c 在i n t e m e t 上进行个人数据传 输，处理和存储。如收发邮件，下载资料，即时聊天等等，其应用范围非常广泛。 嵌入式i n t e m e t 带来的不仅仅是传输方式的变化，更重要的是拓宽了传统设备信 江苏大学硕上研究生论文 息交流的范围。通过i n t e m e t ，任何时间，任何地点，任何两个设备的信息交换 都将成为可能，从而使我们的社会真正步入了“信息化”社会。 在工业控制领域，随着嵌入式i n t e m e t 技术，计算机技术，通信技术，和微电 子技术的迅猛发展，工业自动化技术也呈现出智能化，数字化和网络化的趋势， 基于i n t e m e t 的远程智能监测系统和现场总线网络成为近两年来研究的热点之 一。随着i n t e m e t 的逐步成熟和芯片技术的发展，利用嵌入式i n t e r a c t 和现场总 线技术，现场设备的数据可以通过i n t e r a c t 传送到远程主控站进行分析存储，并 且根据数据分析的结果对现场设备进行相应的远程控制。许多公司根据不同的需 求开发出了适用于各种应用环境的工业远程监控采集系统，其方案大多为一下两 种：一种是采用计算机或工控机作为上为机，间接使底层设备接入i n t e r n e t 的集 中式结构；另外一种是在每个终端设备中直接嵌入网络接口和t c p i p 协议栈， 使设备具备简单的i n t c r n e t 连接和数据传输功能的分布式结构。 然而，现存的一些方案只适合某种具体的应用环境和现场条件，不适合未来 工业设备远程监控的发展要求：低成本，小体积，高性能，多模块，高速率。上 位机相对昂贵的价格和庞大的体积以及简易i n t e m e t 模块带来的功能单一性和低 安全性，促使我们去寻找更加合适的解决方案。 同时，新一代的嵌入式系统，特别是加入了嵌入式i n t e m e t 功能的系统，功能 不再单一，电气结构更为复杂。为了满足应用功能的升级，系统大多采用功能更 加强大的嵌入式处理器，如3 2 位的r i s c 芯片或信号处理器以增强处理能力： 同时还可能采用嵌入式操作系统，实时多任务编程技术和交叉开发工具来控制功 能的复杂性，简化应用程序的设计。保障软件质量和缩短开发周期。软硬件结构 的复杂化使我们必须改进传统的嵌入式开发模式和开发思路。 本文所设计的嵌入式w e b 网关系统正是基于上述嵌入式i n t e r a c t 工业应用背 景和需求提出来的，并且利用了新一代的e l 技术理念进行设计和开发的。 1 2e m b e d d e d i n t e r n e t 技术及其工业应用 实现嵌入式i n t e m e t ( e m b e d d e di n t e r n e t ：e 1 ) 的关键技术难点有两点：一是 嵌入式系统自身的性能，这个要取决于芯片技术的进步；另外一点是嵌入式系统 上的通信协议的实现，这个既取决于软件的设计，更多的取决于系统的计算资源。 2 江苏大学硕l 二研究生论文 正如其它技术的产生一样，嵌入式i n t e m c t 技术也是在通用的i n t e m e t 技术的基 础上，为了解决某个需求而发展起来的。通用i n t e r a c t 的应用如火如茶，i n t e m e t 上通用的t c p i p 协议在多年的应用中得到了完善，相关的i n t e m e t 服务器以及应 用软件也运行稳定。那么，将已经成熟的i n t e m e t 网络硬件技术应用到嵌入式 i n t e r a c t 不就轻松实现了吗? 事实上，在嵌入式系统中，这一切都无法全盘照搬，原因就在于嵌入式系统 自身的特点：计算资源有限，应用环境特殊，成本体积敏感。i n t e m e t 上的各种 通信协议对计算机速度，存储容量等要求比较高，t c p i p 等协议以及i n t e r a c t 软 件将大量的占用资源，而当前嵌入式设备除部分采用了3 2 位处理器以外，大量 应用的是8 位和1 6 位的m c u ，存储空间比较小。这些“先天”不足使得嵌入式 i n t e r a c t 的接入方案变的相对复杂。 1 2 1e i 技术的四大模型 所有的e i ( e m b e d d e di n t e r n e t ，e i ) 模型都是围绕着如何在嵌入式系统有限 的资源的基础之上的，兼顾效率，成本和体积，通过有效的途径和适当的方法， 从而间接或者直接的在嵌入式系统上实现部分或者完整的t c p i p 协议和基于 i n t e r n e t 的某些应用。 嵌入式i n t e r n e t 技术的实现方法多种多样，体系结构不同，使用的芯片不同， 采用的底层技术不同，嵌入式上层软件不同等众多特殊的环境因素导致e i 在不 同的时期有着不同的实现方法。嵌入式i n t e r n e t 技术的历史虽然不是很长，但 是发展却十分迅速，许多芯片制造商已经研制出功能强大的嵌入式网络专用芯 片，软件厂商则开发出了微型的w e b 服务器，嵌入式t c p i p 协议栈等等。随着 芯片性能的提高和嵌入式软件开发技术的进步，嵌入式i n t e r n e t 技术也在“与 时俱进”，下述三个模型代表了嵌入式i n t e r n e t 不同时期，不同环境下的发展和 应用模式。当然万变不离其宗通用的i n t e r n e t 网络技术和t c p i p 协议还是嵌入 式i n t e r n e t 实现的技术和理论基础。 1 ) 处理机加t c p i p 协议方式 采用处理机加t c p i p 协议方式，m c u 处理机像p c 机一样直接处理t c p i p 协议，一般需要高档的处理机，如3 2 位的a r m ，s h 3 ，m i p s 等m c u 和一些单周期 江苏丈学硕 研究生论文 指令速度较高的8 位m c u ，如a v r 、s x 等。对t c p i p 协议的具体处理又有2 种 方法。一种方法是采用实时操作系统r t o s ，用软件方式直接处理t c p i p 协议。 实时操作系统的功能越来越强大，许多都具有对图像界面和t c p i p 的支持能 力。采用这种方式最灵活，能按用户需求实现很多复杂的功能，当然灵活的同时 带来的是开发复杂度的增加，对开发人员的要求高，对操作系统和t c p i p 协议 都要有一定的熟悉程度，因此开发周期也较长，高档u 和r t o s 的价格也很高。 另一种是采用固化了t c p i p 协议的硬件芯片，如s e i k oi n s t r u m e n t s 公司的 $ 7 6 0 0 a 等，它支持h t t p 、s m t p 、p o p 3 、m i m e 等多种协议，通过外部硬件电路处 理t c p i p 协议。也可用u b i e 硼公司( 原s c e n i x 公司) 的s x 单片杌加虚拟外 设的方式0 1 。s x 单片机采用c p u 并行流水线和单时钟周期指令，其极限运行速度 系数等于l ，达到最大值，支持的晶振最大到1 0 0m h z ，因此执行速度可达i o o m i p s 。 s x 单片机的最大特点是支持虚拟外设，将许多功能模块( 如d t m f 接收与发送， t c p i p 协议等) 设计成软件功能模块，需要使用某功能时直接调用相应模块， 其效果等同于安装对应硬件外设电路，但虚拟外设方式更灵活更方便，且硬件电 路简单。该方式与前一种相比更方便，开发难度有所降低，但还是需要熟悉t c p i p 协议和相关接口。 2 ) w e b i t 方式 w e b i t 是沈阳东大新业信息技术股份有限公司研制开发的嵌入式系统接入 i n t e r n e t 的一个实用产品，它将眦u 和以太网控制器集成到一块小板卡上，将 它装入到嵌入系统中就可以完成嵌入系统与i n t e r n e t 网的联接。w e b i t 有自己 的i p 地址，与前面提到的第一种方式相似，但它有更高的集成度，将协议处理 部分独立出来，开发人员省去了网络部分的设计，可将主要精力放在应用系统本 身。 w e b i t 总体上是一个基于a v r 单片机的系统，在单片机内有用来存储系统服 务程序的8 千字节的f l a s h 空间、5 1 2 字节的r a m 空间以及用来存放系统参数( i p 地址、m a c 地址、串口波特率等) 的e e p r o m 。在单片机的外围，有用来存放w e b 页面的e e p r o m 。系统中包含一个1 0 1 4 以太网控制器，用来提供网络的联接。系 统提供的应用系统接口为t t l 电平的u a r t 口及1 4 位i 0 口，通过它与应用系 统相连。 4 江苏大学硕l 研究生论文 w e b i t 方式实际上与第一种方式类似，只是将协议处理部分分离出来由w e b i t 单独完成，开发人员可以不必考虑网络协议和相关接口，但也需要独立的i p 地 址。该方式也不需要网关，无需p c 机，软、硬件结构可以独立设计，其开发成 本相对较低。 3 ) 采用专用嵌入式网络协议 利用e m w a r e 公司开发的嵌入式微i n t e r n e t 网络技术( e m i t ：e m b e d d e dm i c r q i n t e r n e tw o r k i n gt e c h n o l o g y ) 。e m i t 由e m n e t 和e m g a t e w a y 两部分组成：e m n e t 协议运行在m c u 内部，是为嵌入式系统和其他网络( 如r s 4 8 5 、i r 、r f 和电力线 等) 进行联接的网络协议。同时，e m n e t 使得集成e m m i c r o 的嵌入式系统能够和 嵌入式微控制器网关e m - g a t e w a y 进行有效的通信。嵌入式微控制器网关( 即e l l l - - g a t e w a y ) 运行在计算机、t v 机顶盒或专用的家用电器服务器中，它是设备网 络和i n t e r n e t 之间联接的桥梁。应用系统运行m c u 内的e m n e t ，通过e m - - g a t e w a y 与i n t e r n e t 联接。 具体来讲，e m i t 采用桌面计算机或高性能嵌入式处理器作为网关e n l g a t e w a y ， 支持t c p i p 协议并运行i n t e r n e t 服务程序，形成一个用户可通过网络浏览器 进行远程访问的服务器，e m g a t e w a y 通过r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 、红外、射频等总 线将多个嵌入式设备联系起来，每个嵌入式设备的应用程序中包含一个独立的通 信任务，称为e m m i c r o ，监测嵌入式设备中预先定义的各个变量，并将结果反馈 到e m g a t e w a y 中；同时e m m i c r o 还可以解释e m g a t e - - w a y 的命令，修改设备中的 变量，或进行某种控制。 这种方式要求设计工程师必须熟悉e m n e t 协议和相关的接口，并且软硬件设 计的工作量仍然较大。应用系统的m c u 处理e m n e t 协议要占用一定的系统资源， 对m c u 的要求也较高，同时需要微机做网关。优点是网关中的一个i p 地址可以 联接多个嵌入式应用系统。 4 ) 使用专用芯片w e b c h i p w e b c h i p 是武汉力源公司于2 0 0 0 年4 月开发出的使嵌入式电子设备和家用电 器与网络方便联接的实用解决方案。w e b c h i p 是独立于各种微控制器的专用网络 接口芯片，它通过标准的输入、输出口与各种m c u 相连。m c u 通过w e b c h i p 与网 关联接即可，接收并执行经由i n t e r n e t 远程传来的命令或将数据交给w e b c h i p 江苏大学硕士研究生论文 发送出去。m c u 应用系统通过w e b c h i p 网络芯片与g a t e w a y 联接，再进入i n t e r n e t 网。 w e b c h i p 内部固化了m c u n e t 协议，它与e m - - g a t e w a y 和o s g i 协议兼容，是 m c u 电子设备与计算机平台上的g a t e w a y 建立联系的一种软件协议，可以处理m c u 与g a t e w a y 之间的通信。m c u n e t 协议结构简单，但功能很强。w e b c h i p 作用就是 解释通信协议，控制数据传输，使m c u 应用系统不用去管理协议的具体内容，只 需要解释和执行w e b c h i p 送来的命令( w e b c h i p 与m c u 之间共有1 7 条命令) 。 w e b c h i p 将来自m c u 的数据编译成符合协议规定的格式，然后传给g a t e w a y ，而 由g a t e w a y 下传的命令和数据由w e b c h i p 负责解释，然后通过命令方式送给m c u 。 w e b c h i p 的简要工作过程是：w e b c h i p 通过s p i 三线串行接口与m c u 应用系统 联接。它与m c u 应用系统交换信息是由1 7 条简单的指令进行控制。w e b c h i p 的 另一端以r s - - 2 3 2 、r s - - 4 8 5 或m o d e m 等接口电路与基于p c 机平台的网关接口。 w e b c h i p 在m c u 应用系统接入i n t e r n e t 的过程中实际上是起了底层协议的编译、 解释和转换作用，将m c u 应用系统与网关再与i n t e r n e t 联接起来。这是由于p c 机网关能提供h t t p 服务，又可与网络浏览器接口。 这种方案相对更简单，对m c u 要求较低，无论是运行速度、硬件配置和存储 器容量等方面均无特殊要求；软件设计也只需在原应用系统的基础上增加一小段 接口程序，其它无需作大的改动。对设计工程师，不需要熟悉复杂的网络协议和 相关接口，完全不必考虑任何网络协议，只需要解释并执行w e - - b c h i p 传送过来 的指令和数据就可以实现与i n t e r n e t 网络联接。其开发周期更短，也较灵活。 同采用专用嵌入式网络协议方案一样，需要微机做网关，网关中的一个i p 地址 可以联接多个嵌入式应用系统。 1 2 2e i 发展趋势和应用领域 以信息家电为代表的互连网时代嵌入式产品，不仅为嵌入式市场展现了美好 的前景，注入了新的生命；同时也对嵌入式系统技术，特别是软件技术提出了新 的挑战。这主要包括：支持日益增长的功能密度，灵活的网络连接，轻便的移动 应用和多媒体的信息处理，此外当然还需要对付更加激烈的市场竞争【4 】。 随着嵌入式软硬件技术的进步，嵌入式i n t c m e t 技术也在不断的发展，主要有 6 江苏大学硕t 研究生论文 以下几个趋势： 1 ) 多功能化；随着芯片技术的进步和家用p c 机的普及，用户对e i 设备 功能的要求由原来的单一的数据传输功能提升到功能的多样化，例如可作为w e b 服务器进行访问，支持动态页面；支持e m a i l 报警；可发送s m s 短消息；可下 载或上传资料：可保持更新程序等等。 2 ) 多媒体界面：嵌入式设备要被多数用户接收，重要的因素之一就是它 们与使用者之间的亲和力，自然的人机交互界面。人们与e i 设备的交互逐渐演 变成为以g u i 屏幕为中心的多媒体界面。另外，手写文字输入，语音输入，语 音拨号上网，收发多媒体邮件和彩色图形，图象浏览器也逐步被要求。 3 ) 小巧轻便；功能更强，体积更小，移动应用等特点一直是嵌入式系统 所追求的目标。e i 设备也朝着“小型化”的方向发展，最终实现同等功能可被 完全嵌入到低层设备中。 4 ) 高安全性：i n t e m e t 提供的开放性的网络环境并不保障接入系统的安全 性，不难想象，如果接入网络的工业仪器被“黑客”所控制，将会出现什么样子 的后果。如果嵌入式i n t e m e t 不能很好的解决安全问题，工业设备是不会贸然接 入i n t e m e t 的，可以这样说，嵌入式i n t e m e t 的安全问题直接关系到嵌入式i n t e m e t 的发展及应用前景。因此，在未来e i 发展中必须把设备的安全性放到首要的位 置来考虑。 嵌入式i n t e m e t 具有广阔的应用前景，例如工业自动化，智能社区，信息家电， 智能公路，工业制冷，库房，环境工程和自然等等。 1 ) 工业自动化 网络化是提高生产效率和产品质量，减少人力资源的主要途径。如在制药工 业过程控制，电网设备监测，石油化工系统等应用场合，都迫切需要网络监控系 统应用在工业自动化领域，而且其应用场合正不断扩大，技术也越来越成熟。 2 ) 智能公路 交通管理，车辆导航，流量控制，信息监预4 和汽车相关的信息服务等。 3 ) 信息家电 冰箱，空调，微波炉等电器的网络化：水，电。煤气表的自动抄表，安全防 火和防盗系统等。 江苏丈学硕l 研究生论文 4 ) 库房以及工业制冷 冷库，中央空调，超级市场冰柜；油库，粮库，食品库等环境，通过网络可 以实现对库房以及设备的无人监控，既能节省大量的人力和财力，还能避免人力 现场监控的安全隐患问题。 1 2 3 工业控制网络化 2 1 世纪是信息化，网络化和智能化的时代，随着i n t e m e t 技术的迅猛发展， 以太网和t c p i p 协议已经成为世界范围内的事实标准，基于嵌入式i n t e r n e t 技术 的远程控制系统开始被应用到工业控制领域1 5 1 。与以往的控制网络相比较，基于 e i 的控制网络系统具有下面的优势： 1 ) 改变传统工作模式。传统的工业控制模式必须专人在现场进行数据采 集以及对设备的控制操作，而采用e i 技术可以使工业控制现场无人化，只需在 远程主控制站设定相应的程序，就可以完成所有的工作。基于e i 的新工作模式 尤其适用于偏远地区以及恶劣工作场所的设备控制。 2 ) 实现现场设备层和企业管理层的无缝连接。i n t e m e t 和以太网早已经成 为企业管理网络的首要选择，将e i 技术应用在现在设备的控制网络，实现企业 信息网和控制网络的融合，促进企业整个信息化的集成。通过通用的浏览器，并 经过身份认证后，企业决策层，生产管理者，设备维护者乃至用户可以方便地了 解到现场设备工作状态的信息。 3 ) 便捷高效。数据不需要经过人为中转传输及存储，而是利用i n t e m e t 这 个无处不在的网络，以最快的速度在主控站和底层设备之间流动，提高了工作效 率。 4 ) 降低控制成本。采用e i 技术的智能设备可以通过i n t e m e t 将数据和状 态信息及时送到远程控制站进行存储分析，根据分析结果主控站可以通过 i n t e m e t 及时传送控制命令，不需要专人在现场看护以及操纵设备节约人力成本。 同时，由于采用i n t e m e t 和嵌入式w e b 服务器，远程客户端可以通过浏览器来对 设备进行控制，不再需要开发第三方软件。 当然，将e i 技术应用于工业控制领域也会遇上不少的困难，例如i n t e r n e t 攻 击以及病毒带来的工业控制安全性问题，旧设备接入i n t e m e t 的必要升级带来的 s 江苏大学硕士研究生论文 成本问题等等，但这些问题会随着嵌入式i n t e m e t 技术的进步而得到解决，工业 控制网络化，智能化的趋势也不会改变。 1 3 现场总线技术 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算 机局域网。它是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节 点数字通信的系统，也被称为开放式，数字化，多点通信的底层控制网络【6 j 。 现场总线作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上，作为网络节点的智能 设备连接成为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现综合自动化功能。这是 一项以智能传感器，控制，计算机，数字通信，网络为主要内容的综合技术，使 自控系统与设备具有了通信的能力，且把它们连接成网络系统，加入到信息网络 的行列。因此，有理由相信现场总线技术开辟了一个控制技术的新时代。 现场总线系统被称为第五代控制系统f c s ，作为新一代控制系统，它一方面 突破了集散式分布控制系统( d c s ) 采用通信专用网络的局限，而采用了基于公开 化，标准化的解决方案；而且另外一个方面把d c s 的集中和分散相集合的集散 系统结构变成了全新的分布式结构，把控制功能彻底的放到了现场，依靠现场智 能设备本身就可以实现基本控制功能。现场总线具有如下的特点： l 系统的开放性 通信协议一致公开，不同的厂家的设备之间可实现信息交换，用户可按自己 的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统，通过现场总线构 建自动化领域的开放互连系统。 2 互操作性和互可用性 互操作性是指实现互连设备之间，系统之间的信息传送和沟通；而互用性则 意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。 3 系统的高度分散性 现场总线已构成一种全新的分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了现 有d c s 集中与分散相集合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠 性。 4 数字化通信 9 江苏大学硕士研究生论文 在传统的d c s 实际上是一个“半数字”的系统；而在现场总线控制系统中， 从变送器，传感器到调节阀等，信号一直是保持着数字的特性，f c s 是一个“纯 数字”系统。全数字化通信可以实现更复杂，更精确的信号处理。 5 对现场环境的适应性 工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专门为现场环境而 设计的，可支持双绞线，光缆，射频，红外线，电力线等等，具有较强的抗干扰 能力，能采用双线制实现供电和通信，并可满足本质安全防爆要求等。 可以说，开放性，分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。由于现 场总线的这些特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计，生产， 安装到正常运行以及检修运行都体现出优越性：设计简单，易于重构，维护方便 等等。 正是由于现场总线技术具有上述一系列的优点，使得该系统在工业控制领域 中得到了快速的推广应用，促使了控制系统的网络化。究其深层次的原因，关键 在于现场总线技术顺应了工业控制系统分散化，网络化和智能化的发展趋势。然 而，由于现场总线自身技术的局限性以及多种总线标准分割共存局面的存在，限 制了现场总线技术在工业控制领域的进一步应用。此外，在企业自动化系统中， 由于采用了现场总线的控制网络孤立于i n t e m e t 之外，无法实现整个企业信息化 的集成，这种局限性促使了以太网和现场总线网络混合控制系统体系的出现，也 促使了“基于现场总线的嵌入式网关”的出现。 1 4 课题的背景以及研究意义 嵌入式i n t e m e t 和现场总线的混合通信结构是本课题的核心技术，但是每种产 品的设计同时需要考虑到客户的需求和应用环境，只有几种因素同时考虑才能设 计出实用，商业化的产品。电流表是电力设备中广泛存在的一种设备，它对我们 了解电力设备的运行状况，及时查找故障的发生有着重要的意义。 国外的电流表的发展趋势是现场总线通信模块内置和将“蓝牙”技术内嵌w e b 技术应用在电流表当中，以便故障时能够快速及时的通知检修人员能够直接通过 i n t e m e t 直接控制。基于以上形势，我们在充分调研国内外产品的基础上，研制 出具有高性能的网络化的智能电流表产品，将嵌入式i n t e m e t 技术，嵌入式w e b 1 0 扛苏大学硕k - 研究生论文 技术和现场总线技术应用到智能电流表当中，以提高我国在国际电力电器领域内 技术和产品的竞争力。 本课题的研究意义还不局限于此，由于本课题的核心是基于现场总线的嵌入 式w e b 网关混合通信系统，该系统不仅可以用于智能电流表的i n t e m e t 接入，也 可以用于电力系统中的其他带有现场总线接口的锢能终端设备。电力系统是一个 包含电能生产，传输和使用的复杂系统，各种生产设备地域分布广泛，设备类型 众多，数量巨大，对这些设备的监控，诊断和维护成为提高系统管理水平的重要 内容。将网关系统和嵌入式i n t e m e t 技术引入电力系统自动化，在局域或广域范 围之内，可以建立高效的电网控制通信平台和资源共享平台，符合电力设备自动 化发展的趋势，具有良好的市场前景和战略意义。 1 5 论文的主要工作和结构安排 课题的主要任务，从具体方面来说就是研究并实现三相智能电流表的i n t e m e t 接入，采用嵌入式网关和c a n 总线混合通信结构，从而实现对该设备的远程控 制。从更广泛的应用范围来说，课题研究了如何采用网关模型及混合通信结构实 现底层控制设备安全，多功能，低成本，高速率地接入i n t e m e t ，即本网关系统 也可以扩展到其他工业设备的i n t e r n e t 接入的应用中，并不仅局限于智能电流表。 本论文研究的任务主要分为以下几个方面 1 产品的需求调研和方案设计 通过对嵌入式系统设计，工业控制技术，i n t e r a c t 技术以及e i 技术的研究，从 而了解e i 技术的发展现状，各种方案以及应用场合。在此基础之上，结合智能 电流表以及其他工业设备的应用背景进行需求调研，从而确定e i 方案，根据需 求来进行软硬件的协同设计。 2 硬件电路设计和调试 确定方案以后，首先对硬件电路进行设计，m c u 选型，存储容量计算以及选 型，从而设计最小系统；接着选择网络接口芯片并设计接口电路；电源模块需求 分析和电路设计，外围电路及人机界面的设计；现场总线的设计包括c a n 控制 器的选择和电路设计，与主控板接口的设计；智能电流表c a n 接口设计；最后 还要考虑到电磁兼容性，稳定性等。 江苏大学硕e 研究生论文 3 系统软件设计 首先是调试工具以及i d e 的选取，接着设计基于i _ t c o s i i 的c a n 驱动程序， 设计i j c o s i i 下的w e b 服务器程序。 本论文的结构如下： 第一章通过对课题背景的描述，引出了课题的研究范畴以及意义，并且分析 了课题中的核心技术：e m b e d d e di n t e r a c t 技术及其在工业领域的发展和应用，同 时概括介绍了现场总线技术。 第二章对系统的硬件结构进行了详细的设计和描述。将系统分成三个部分， 分别是嵌入式网关主控板，c a n 总线通信模块和智能电流表的c a n 通信接口设 计。特别对集成了c a n 控制器的3 2 位微控制器进行了特别的介绍。另外对c a n 接口芯片电路和智能电流表的c a n 接口电路和通信协议也进行了分析。 第三章介绍了p c o s i i 下t c p i p 的实现以及在此基础之上的w e b 服务器 的实现，其中分别就我们在网络中常见的几种传输形式：文本，图片进行了详细 的介绍，其中在最后更详细的介绍了我们的设计中的关键部分：动态交互模块的 实现。 第四章主要介绍了pc o s i i 下c a n 驱动程序的开发，介绍了在uc o s i i 下c a n 驱动和一般常见的c a n 驱动的不同之处，需要注意的地方，以及对c a n 通 讯过程中要利用到的一些参数进行了介绍，重点介绍了波特率的计算：在介绍完 成了各个相关的软件模块以后，本章最后介绍了整个系统的软件结构。 第五章，介绍了我们设计完成以后进行的一些主要的测试工作，分为两部分， 第一部分主要是针对我们开发的c a n 驱动模块进行了c a n 模块和串口的相互通 信，接下来对整个系统进行了测试。 最后一章，主要是对目静的工作做了一些总结，分析了本设计的一些优点以及 还需要改进的地方。最后从长远来看，分析了一些还要实现的功能。 江苏大学硕f 研究生论文 第二章网关系统的硬件设计以及开发环境 硬件系统是网关运行的平台，其可靠性，稳定性，合理性关系到整个系统的 运行质量。本网关系统的硬件部分可以分为如下三个模块，硬件系统的框图如下 所示。 主控模块：网关系统的核心模块，包括主控制器和存储系统，以太网电路， 电源电路等等，主要运行p , c o s i i 实时操作系统，核心软件：嵌入式w e b 服务 器以及c a n 驱动程序等其他网络上层的应用软件。 c a n 总线模块：该模块主要实现网关的c a n 总线接口，从而可以和具有c a n 接1 2 1 的底层智能设备进行通信。c a n 控制器在p c o s i i 下的驱动程序是程序设 计的关键。为了连接下面的智能设备，还用到了一个c a n 收发器，用来和下面 的三相智能电流表进行通讯，它主要起到一个电平转换的作用。 智能电流表c a n 接口：由于该网关主要是实现三相智能电流表的i n t e m e t 接 入，所以在论文中也介绍了这个电流表，从而与上面的模块构成一个完整的系统。 2 1 主控模块硬件结构的概述 主控模块是硬件系统的核心，是联系系统上下层通信的桥梁，图2 1 是系统 的主控模块的结构框图，该模块由如下各个部分来组成，各个部分的设计和功能 描述如下 r l 【8 】： 1 ) 电源电路：l p c 2 2 0 0 系列a r m 7 微处理器都要使用两组电源，i o 口 供电电源为3 3 v ，内核以及片内外供电电源为1 8 v ，所以系统设计为3 3 v 应用 系统。首先由c z l 电源接口输入9 v 直流电源，二极管d l 防止电源反接，经过 c l 和c 4 滤波，然后通过l m 7 8 0 5 将电源稳压至5 v ，再使用l d o 芯片( 低压差 电源芯片) 稳压输出3 3 v 以及1 8 v 电压。 2 ) 复位电路：由于a r m 芯片的高速，低功耗和低工作电压导致其噪声 容限比较低，对电源的纹波，瞬态响应性能，时钟源的稳定性和电源监控等很多 方面也提出了很高的要求。对此，电路板的设计使用了专用微处理器电源监控芯 片s p 7 0 8 s ，以提高系统的可靠性。由于在进行j 1 a g 调试的时候，n r s t 和t r s t 是可由j t a g 仿真器控制复位的。所以使用了7 4 h c l 2 5 进行驱动。 江苏大学硕l 研究生论文 3 ) 系统存储电路：系统中扩展使用了4 mb i t 的s d r a m ( i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l ) 存储器为系统运行的主要区域，系统以及用户数据，堆栈都是位于s d r a m 存 储器中。 4 ) 系统时钟电路：l p c 2 0 0 0 系列a r m 7 微处理器可以使用外部晶振或者 外部时钟源，内部p l l 电路可以调节系统时钟，使系统的运行速度更快( c p u 最 大操作时钟为6 0 m h z ) 。假如不使用片内p l l 功能以及i s p 下载功能，外部晶振 的频率范围是1 5 0 m i z ；如果使用片内p l l 或者i s p 功能，外部晶振的频率范 围是1 0 2 5 m i - - i z ，外部时钟频率范围是1 0 2 5 m h z 。在设计中，电路板外部使用 了1 1 0 5 9 2 m h z 晶振，用l m 电阻r 4 5 并接到晶振的两端，使系统更容易起振。 用11 0 5 9 2 m h z 晶振的原因是使串口波特率更精确，同时能够支持l p c 2 0 0 0 系 列a r m 7 芯片内部的p l l 功能和i s p 功能。 5 ) j t a g 接口：采用a r m 公司提出的标准2 0 脚j t a g 仿真调试接口。根 据l p c 2 2 9 2 的应用手册说明，在r t c k 引脚接上一个4 7 k 的电阻，使系统复位 以后l p c 2 2 9 2 内部的，r a g 接口使能，这样就可以直接进行a g 仿真调试了。 如果需要使用p 1 2 6 p 1 3 l 做i o 口，不进行j t a g 仿真调试，则可以在程序设 置p i n s e l 2 寄存器来使l p c 2 2 9 2 内部的j t a g 接口禁能。另外，在t r a c e s y n c 引脚通过跳线器j p l 0 接一个4 7 k 的下拉电阻，可以在系统复位的时候使能禁 能跟踪调试端口，禁能时才可以使用p 1 1 6 p i