（电力电子与电力传动专业论文）基于嵌入微处理器和can总线测控系统的研究.pdf

西华大学毕业论文 a r m 9 内核$ 3 c 2 4 1 0 微控制器，以及c o s i i 操作系统在$ 3 c 2 4 1 0 上的 移植和实现；然后在c a n 总线信息控制网络一节中，给出了基于c a n 总线信息测控系统的各个硬件模块，以及c a n 通信的软件编程思想。第 五章论述了基于嵌入式和c a n 总线分布式测控网络系统的实现，首先介 绍了嵌入式和i n t e m e t 技术实现方案和现有标准和通信协议t c m p 协 议，在此基础上介绍了整个系统的调试。第六章对全文进行了总结，给出 论文的主要结论、创新点以及存在的问题和展望。 关键词 ：网络控制，嵌入式系统，* c o s i i 操作系统，c a n 总线，分 布式控制网络 i i 西华大学毕业论文 r e s e a r c ho ft h em e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e mb a s e d o ne m b e d d e dm p ua n dc a nb u s p o w e re l e c t r o n i ca n dp o w e rd r i v e g r a d u a t es t u d e n ty a n g y a n q i u t u t o rd o n g x i u c h e n g a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yw h o s ek e r n e lt e c h n i q u e sa r e c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o na n dn e t w o r k sh a sp r o m o t e dt h es o c i e t yt ot h e i n f o r m a t i o na g e i ti sn e c e s s a r yt oa s s o c i a t em a n a g e m e n t ，p l a n ，a s s i g n m e n t ， p r o c e s so p t i m i z a t i o n ，f a u l td i a g n o s i n gw i t ha l lk i n d so ff i e l dc o n t r o l s t o p r o d u c en e wp r o d u c t sa tt h el e a s to fr e s o u r e s ，e n e r g yc o n s u m p t i o na n dt i m ei n c o r p o r a t i o n s s oa l lc o m p u t e r s ，i nt h ea r e ao fa u t o m a t i o nc o n t r o l ，o f f i c e ， m a n a g e m e n ta n dm a r k e t ，s h o u l db ec o n s t i t u t e di nan e t w o r kt os h a r et h e m e s s a g e sa n dd a t a e sw i t he a c ho t h e r e t h e r n e ti st h ei a nw h i c hh a sb e e n a p p l i e dw i d e l y b u ti th a sb e e na p p l i e dr a r e l yf o rm e e t i n gt ot h en e e do f i n d u s t r y s o i ti s s i g n i f i c a n c ei nt h ed o m a i no fc o n t r o lt or e a l i z et h el i n k b e t w e e ni n t e r n e ta n df i e l db u sf o rm e e t i n gt ot h en e e d so fi n d u s t r y a d o p t i n gu n i f o r mp r o t o c o ls t a n d a r dt ol i n kt h ec o n t r o ln e t w o r kb a s e do n c a nb u sa n dt h ee t h e r n e t ，t h i sm e t h o di st h ef i n a ls c h e m et or e a l i z et h e i n t e g r a t i o nb e t w e e nt h ec o n t r o ln e t w o r ka n dt h ee t h e r n e t i nt h i sp a p e r , t h e c o n t r o ln e t w o r kb a s e do nc a nb u sa n dt h ee t h e r n e th a v eb e e nr e s e a r c h e d d e t a i l e d l y , t oi n s u r et h ei n f o r m a t i o nc a nb et r a n s f e r r e da c c u r a t e l y , f l e e t l ya n d i n t e g r a l l t y , t h ed e s i g ns c h e m et h a ta d o p t i n gu n i f o r mp r o t o c o ls t a n d a r df r o m t h eu n d e r s t r a t u me q u i p m e n t st ot h er e m o t es u p e r v i s ea n dc o n t r o ls y s t e m ， t t t 西华大学毕业论文 b a s e do n a d v a n c i n gt h ec o m p a t i b i l i t yo f t h e p r o t o c o l s t a n d a r do ft h e i l l f o r m a t i o nn e t w o r k t h i sp a p e rh a ss i xc h a p t e r s ，i nt h ef i r s tt h r e ec h a p t e r s ，t h ed e v e l o p m e n t p r o c e s sa n dt h ew o r kp r i n c i p l eo ft h ee m b e d d e ds y s t e m ，t h ee m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m ，f i e l db u s ，c a nb u sa n dt h en e t w o r ks y s t e mh a v eb e e n i n t r o d u c e d ，a n dt h e d i s t r i b u t e dc o n t r o ln e t w o r kh a sb e e ns u m m a r i z e d a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gt e c h n o l o g ya n dt h es i t u a t i o no fo u i c o u n t r y , t h e n e t w o r ki n t e g r a t e ds c h e m e ，s y s t e mw o r kp r i n c i p l ea n dc o n s t i t u t i o nw i t h t e c h n o l o g yh a v eb e e ng i v e d i nt h ef o u r t hc h a p t e rw h i c hi st h er e a l i z a t i o no f e m b e d d e ds y s t e mi n f o r m a t i o nn e t w o r ka n dc a nb u si n f o r m a t i o nc o r t r o l i n g n e t w o r k ，t h ed e v e l o p i n gs i t u a t i o na n dc o r r e l a t i o nt e c h n o l o g ys u c ha st a s k i n g m a n a g e m e n t ，i n t e r r u p ta n dc l o c ke t c h a v e b e e ns u m m a r i z e d ，w i t ht h e y f a r m 9 一e d u ie m b e d e dt e s t b o x ，t h ec h i po fs 3 c 2 4 1 0 ，w i c hi st h ek e r n e lo f a r m 9 ，t h em i g r a t i o na n dr e a l i z a t i o no ft h e l c o s i io p e r a t i n gs y s t e mb a s e d o n $ 3 c 2 4 1 0m i r c o n t r o l l e rh a v eb e e ni n t r o d u c e dp a r t i c u l a r l y t h e n ，i nt h e i n f o r m a t i o nc o r t r o ln e t w o r ko ft h ec a nb u s ，v a r i o u sm o d u l e so ft h e d i s t r i b u t e dm e s u r ea n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ec a nb u ss u c ha sc p uc e l l ， p o w e rm o d u l e ，h u m a n m a c h i n e d i n t e r f a c em o d u l e ，i om o d u l e ，t h e c o m m u n i c a t i o nm o d u l ee t c ，a n dt h ei d e ao fs o f t w a r eh a v e b e e ng i v e d i nt h e f i f t hc h a p t e r , t h er e a l i z a t i o no fm e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nc a nb u s h a sb e e nr e a l i z e d f i r s t l y , t h et c p i pp r o t o c o la n dt h er e a l i z a t i o ns c h e m ew i t h t h ee m b e d d e da n di n t e r n e t t e c h n i q u e s h a v eb e e np r e s e n t e d ，t h e nt h e d e b u g g i n go ft h ew h o l es y s t e mh a sb e e ni n t r o d u c e d l a s t l y , i nt h es i x t h c h a p t e r , t h ec o n c l u s i o n ，i n n o v a t i o n ，p r o b l e ma n dp r o s p e c th a v eb e e ng i v e d 【k e y w o r d $ 】：n e t w o r kc o n t r o l ，e m b e d d e ds y s t e m ，a c o s - i 1o p e r m i n gs y s t e m ， c a nb u s ，t h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ln e t w o r k 西华大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 四川省“信号与信息处理”重点实验室 1 2 嵌入式系统及嵌入式应用现状和发展 嵌入式技术是近年来飞速发展的一种电子技术。嵌入式产品以其 体积小、功耗低、处理能力强等诸多优点，在通讯、网络、工控、医 疗、电子等领域发挥着越来越重要的作用【1j 。嵌入式网络控制技术目 前已经从研究领域向更广泛的应用领域发展，各种智能设备紧密结合 的嵌入式测控网络技术已经得到了学术、工业、军事等各领域的重视。 相信在不久的将来，嵌入式测控网络技术的应用必将更加广泛。人们 希望随时随地存取任意数据信息的愿望终将成为现实。 1 2 1 嵌入式技术的发展乖应用现状 ( 1 ) 嵌入式技术的发展的四个阶段1 2 j ： 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与 监测、伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专 业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语 言对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础，以简单操作系统为核心的嵌入 式系统。这一阶段的操作系统具有一定的兼容性和扩展性，但用户界 面不够友好。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。其主要特点 是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好； 西华大学硕士学位论文 操作系统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备 文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户 界面等功能；具有大量的应用程序接口( a p i ) ，开发应用程序简单； 嵌入式应用软件丰富。 第四阶段是以基于i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在 迅速发展的阶段。目前，大多数嵌入式系统均孤立于i n t e r n e t 之外， 随着i n t e r n e t 技术的发展特别是i n t e r n e t 技术与信息家电、工业控制技 术等结合日益密切，嵌入式设备与i n t e r n e t 的结合将代表着嵌入式技 术的真正未来【”。 嵌入式系统的发展对嵌入式操作系统提出了更高的要求。因此， 对嵌入式操作系统的结构、设计、用户界面等诸多方面进行深入研究， 对于嵌入式系统的应用和发展具有十分重要的意义。 ( 2 ) 嵌入式技术的应用现状 当今，嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1 万亿美元。1 9 9 7 年来自美国嵌入式系统大会( e m b e d d e ds y s t e mc o n f e r e n c e ) 的报告指 出，未来5 年内，仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品就将在 美国产生一个每年1 5 0 0 亿美元的新市场【3 】。美国汽车大王福特公司 的高级经理也曾宣称，福特出售的计算能力已超过了i b m ，由此可见， 嵌入式计算机工业的规模和广度。1 9 9 8 年1 1 月在美国加州举行的嵌 入式系统大会上，基于r t o s 的e m b e d d e di n t e r n e t 成为一个技术新热 点。美国著名未来学家尼葛洛庞帝1 9 9 9 年1 月访华时预言，4 5 年 后嵌入式智能( 电脑) 工具将是继p c 机和因特网之后最伟大的发明。 我国著名嵌入式系统专家沈绪榜院士1 9 9 8 年1 1 月在武汉全国第1 1 次微机学术交流会上发表的“计算机的发展与技术”一文中，对未来 1 0 年以嵌入式芯片为基础的计算机工业进行了科学的阐述和展望。 1 2 2 嵌入式系统的介绍 嵌入式系统一般指非p c 系统，有计算机功能但又不称之为计算 机的设备或器材。它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应于应用 2 西华大学硕士学位论文 系统且对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用 计算机系统【4 1 。简单的说，嵌入式系统集系统应用软件与硬件于一体， 具有软件代码短、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求 实时和多任务的体系。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技 术、电子技术和各个行业的具体应用相结合的产物。 嵌入式系统的硬件部分包括处理器、存储器、外设器件和i o 端 口图形控制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具 备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用e p r o m 、e e p r o m 或 闪存作为存储介质。嵌入式系统的软件部分，包括处理器系统软件和 应用软件。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一 般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体 中。在多任务嵌入式系统中，对重要性不同的任务进行统筹兼顾的合 理调度是保证每个任务及时执行的关键，单纯的提高处理器速度是没 有效率且无法完成的，这种任务调度只能由优化系统软件来完成，因 此系统软件的高实时性是嵌入式系统的基本要求。 嵌入式系统的高速发展主要体现在芯片技术的进步，以及在芯片 技术限制下的算法与软件的改进上。8 0 年代初，嵌入式系统的程序员 开始用商业级的“操作系统”编写嵌入式应用软件，随着对实时性要 求的提高，软件规模不断上升，实时的核心软件逐步发展为实时多任 务操作系统( r t o s ) ，并作为一种软件平台逐步成为目前国际嵌入式 系统的主流。r t o s 有两个重要的特性：实时性和可靠性。此外，r t o s 它还是多任务的，更有效地利用了系统资源，是开发嵌入式产品的有 力武器。 新一代r t o s 领域正是当前作为应用电子技术核心的片上系统 ( s o c ) 。s o c 是指以嵌入式系统为核心，集软、硬件于一体，并追 求产品系统最大包容的集成芯片，是目前嵌入式技术应用的热门领 域。所以，嵌入式s o c 是满足应用系统级的集成电路产品，它为现代 电子工程师提供了一个快捷经济的系统设计方法，使那些传统观念上 认为高性能、高复杂、高成本的嵌入式结构通过低成本的单片机芯片 实现。它的设计代表了高科技的设计方法和程序，为单片机技术提供 3 西华大学硕士学位论文 了更广阔的应用领域，使单片机应用技术产生了革命性的变化。 1 2 3 嵌入式网络 随着信息时代的到来，i n t e r n e t 技术已经进入人们日常生活的各个 领域，嵌入式网络应用应运而生，从而在更好的利用i n t e r n e t 庞大的 信息资源的同时，也实现了嵌入式系统功能上的一个飞跃。 嵌入式网络应用具有非常重要的意义，尤其体现在最贴近人类生 活的家居网络。目前，关于联网家电称谓有很多：h o m e n e t 、信息家 电、家居网络系统( h n s ) 和e h o m e 等。尽管名称不同，但是它们 的含义和所要完成的功能大体是相同的。典型的家庭网络结构如图1 1 所示。 图1 1 典型的家庭网络结构 已实现的智能家居网络系统丰富，涵盖对信息家电的集中控制、 集中查询、远程维护、功能升级以及其他功能，如信息反馈、网上购 物、股市行情等。它们之间的通信方式可采用r s - - 4 8 5 或电力载波通 信。家居网络连线的另一头，是由家庭p c 机通过i n t e r n e t 与各信息电 器生产商的客户服务中心、远程终端相连。这样，可以利用远程终端 来查询控制家中各电器的运行状态；通过登录生产商的客户服务器， 可以下载最新的驱动程序，进行远程通信等。它们的通信协议采用的 也是t c p i p 协议族。 目前，嵌入式系统和网络已经是一种不可分割的结合体。家电网 络和实现远程操作，其意义不仅在于所产生的经济价值，更在于使家 4 西华大学硕士学位论文 电从个体进入网络，实现了嵌入式系统的网络化。嵌入式系统和网络 连接关键之处在于协议转换。利用协议转换器实现远程控制如图1 2 所示。随着计算机技术、微电子技术和网络技术的不断发展，嵌入式 系统在不断解决现有问题的同时，也在向更深的方向发展。 图1 2 利用协议转换器实现远程控制 1 3 网络控制系统的发展过程 企业网络起源于2 0 世纪7 0 年代中期，而其系统结构与技术也随 网络技术与企业应用的发展而变化。2 0 世纪8 0 年代问世的现场总线 是由过程控制技术、仪表技术和计算机网络技术相结合的产物。美国 仪表学会i s a s p 5 0 对现场总线做了如下定义，现场总线是一种串行的 数字数据通信链路，它沟通了生产过程领域的基本控制设备( 即现场 级设备) 之间，以及更高层次自动控制领域的自动控制设备( 即车间 级设备) 之间的联系。由于现场总线的通信协议参照了i s o o s i 参考 模型并做了简化，使得它可以与上层办公信息网集成到一起。现场总 线是综合运用微处理器技术、网络技术、通信技术和自动控制技术的 产物，它把微处理器置入现场自控设备中，使设备具有数字计算和数 字通信能力，这一方面提高了信号的测量、控制和传输精度，同时为 丰富控制信息的内容和实现其远程传送创造了条件【“i 。由于现场总线 强调遵循公开统一的技术标准，因而有条件实现设备的互操作性和互 s 西华大学硕士学位论文 换性。另外现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化 的发展方向，采用了基于公开化、标准化的开放式解决方案，实现了 真正的全分布式结构，将控制功能下放到现场，使控制系统更加趋向 于分布化、扁平化、网络化、集成化和智能化。 1 3 1 网络控制系统概述 工业生产向日益大型化、复杂化、集成化，推动了控制理论和控 制工程的迅速发展。首先，控制理论由古典控制理论发展到现代控制 理论，相继产生和发展了系统辨识与参数估计，随机、自适应、预测、 推理、模糊、神经网络和鲁棒控制，以及基于知识的专家系统，学习 控制和基于信息论的智能控制等一系列控制理论分支，极大地丰富和 扩展了控制理论内容，并且广泛地运用到许多领域。其次，过程控制 系统由简单的控制系统向先进过程控制( a d v a n c e dp r o c e s sc o n t r o l - - a p c ) 发展。具有代表性的体系结构分别是直接数字控制( d d c 、d i r e c t d i g i t a lc o n t r 0 1 ) 、集散控制系统( d c s 、t o t a ld i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ) 、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 ) 、网络 控制系统( n c s 、n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ) 1 1 2 1 。 1 3 2 集散控制系统d c s d d c 系统直接通过计算机或微处理器m c u 实现集中管理和集中 控制。而集散控制系统( d c s ) 出现于1 9 7 5 年，其核心思想是分散采 集控制，集中监视操作。d c s 的特点是：采用微机技术的智能化控 制装置；分级递阶结构；具有组态式的功能软件包：具有完善、 方便的人机接口；高可靠性。进入9 0 年代以后，d c s 发展的主要 特点是充分吸收相关领域的技术成果进行技术融合和系统集成。主要 体现在以下几方面：系统趋向开放式。大、中型d c s 系统，主要 表现在采用开放式的通讯规约和网络标准，而各公司的系统内部仍然 西华大学硕士学位论文 各是一套。充分吸收i b mp c 微机的技术成果，全面推出中、小型 d c s 系统，以适应中、小企业对d c s 的需求。这类系统的各级大都 采取了与i b mp c 微机兼容的策略；采用高可靠的结构工艺、高集 成度元器件、s m t 、低功耗c m o s 器件、金属板或封装壳体散热、标 准化全封闭模板结构；在系统的人机接口、控制单元、过程接口、 电源、i o 模板都采取冗余配置，信息处理器、通信接口、内部通信 总线、系统通信网络也都采取冗余措施；采用软件冗余的容错技术， 故障自检、自诊断技术；发展了全隔离、模块化的分布式系统，通 过硬件和软件的组态可以将控制和监测功能分散到每一个i o 点。 但是，随着现代测控技术的发展，人们逐步认识到d c s 存在以下 问题：系统被硬性地定义为“系统中每个处理器分配有一个特定的 任务”，不利于系统控制任务的灵活实时下载：系统通常为专用通 信网络，互换性差，不利于继续提高系统组建灵活性和可维护性； 智能前端设备技术的发展使得控制器越来越接近现场，而d c s 网络系 统通常只延伸到控制传感层之前的i o 单元，i o 单元与现场设备的联 系主要由一对一的4 2 0m a 电流环通信电缆实现，该方式限制了智能 前端设备这一技术的应用：出于对系统安全性的考虑，需要尽量减 小系统内数据网路的电源消耗，特别是控制传感层网路，需要寻求新 的网路供电方式；d c s 系统主要沿用了商业网络结构，在适应工 业现场环境方面还存在可靠性问题，特别是在控n 传感层，通讯线路 庞杂因而易受干扰。 1 3 3 现场总线控制系统f c s 传统d c s 通信网络的最大不足是现场控制设备和现场仪器设备 之间是一对一地进行信息传输。与传统d c s 相比，现场总线技术具有 以下几方面的特点：数字化通信。现场总线技术使自控设备具有数 字计算和数字通信能力，数字信号传输既提高了现场信号测量、控制 和传输的精度，又为实现其远程传送创造了条件。借助现场总线网络 及与之相连的其他网络，可实现现场设备的远距离操作和自动控制。 7 西华大学硕士学位论文 开放的体系结构。与传统d c s 采用的专用、封闭通信网络相比，现 场总线网络是开放式互连网络，用户可以自由集成遵守同一总线标准 的不同制造商的产品，实现“即接即用”，将d c s 基于封闭、专用的 解决方案变成了基于公开标准化的解决方案。分散的控制结构。在 现场总线的环境下，借助自控设备的计算、通信能力，在现场就可进 行相关的决策分析和控制，通过现场仪表构成控制回路，将控制功能 下放到设备现场，形成分散在设备现场的完整的控制系统。把d c s 集中管理与分散控制的集散系统结构变成了新型的全分布式结构，提 高了控制系统运行的可靠性和稳定性。f c s 是现场通信网络与控制系 统的集成，正是现场总线技术提供了f c s 的现场级测控设备的互连。 现场总线把通信线路一直延伸到生产现场或生产设备之间，组成了数 字化、现场双向和多点互访的通信网络。 较之d c s ，f c s 做出了如下变革：现场通信网络。传统d c s 通信网络只延伸到控制传感层之前的i o 单元，i o 单元与现场设备的 联系主要由一对一的4 2 0ma 电流环通信电缆实现，这种一对一结 构费用高、维护困难且易受干扰。现场总线把通信线一直延伸到生产 现场设备( 传感器、执行器、变送器与编程器等) ，一对n 结构使得现 场设备多点共享总线，实现现场数据的双向传输，费用低、易维护、 易扩充：现场设备互连。现场总线系统将现场设备通过一对通信线 互连，通信线可根据实际需要选择诸如双绞线、同轴电缆、光纤、电 源线等传输介质。现场设备的信息传递不仅仅局限于现场设备与控制 器之间，现场设备之间也可进行点对点、点对多点及广播式多变量通 信，从而可形成控制网络；互操作性与互换性。f c s 技术的主要优 点之一就是系统中现场设备的互操作性、互换性。因此，不同供应商 的现场设备通过“即插即用的方式组态在一起，对提高现代测控系统 的组建灵活性、可维护性具有重要意义：虚拟控制站与分散控制。 f c s 摈弃了d c s 的i o 单元和控制站，d c s 控制站的功能块被分散到 现场仪表中，各功能模块可由用户统一选择并组态，从而实现了虚拟 控制站技术并可实现更为彻底的分散控制。因为现场总线具有现场设 备的智能化与功能自治性的特点，f c s 实现了真正的分散控制，同时 r 西华大学硕士学位论文 使具有测量、控制功能的现场设备直接安放于现场，现场接线变得更 简单，如图1 3 所示。 操作台 现场总线 现场仪器设各 图1 3 f c s 简化现场接线 1 3 4 网络控制系统n c s 网络控制系统“n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ”这个名词于1 9 9 8 年 出现在马里兰大学g r e g o r yc w a l s h 等人的论著中。它有狭义和广义 之分。狭义的网络控制系统是指在某个区域内一些现场检测、控制及 操作设备和通信线路的集成，用以提供设备之间的数据传输，使该区 域内不同地点的设备和用户实现资源共享和协调操作。广义的网络控 制系统包括狭义的网络控制系统，还包括通过企业信息网络以及 i n t e r n e t i n t r a n e t 实现对工厂车间、生产线甚至现场设备的监控调变、 优化等。这里所说的是狭义上的n c s 。n c s 是目前网络过程控制系统 的最新概念，其定义是将控制回路通过实时网络闭合的反馈控制系 统。n c s 通过网络进行控制，而不是控制网络，其目的是有效利用有 限总线的能力，维持好闭环系统性能，即稳定性、上升时间、超调量 和其它性能准则。n c s 的每一个直接与网络连接的系统部件( 传感器、 变送器和执行器等1 都称为节点，通过网络进行各节点的信息交换，实 施控制功能。与传统的过程控制系统的不同在于n c s 把通信网络加入 到反馈控制回路，因此在进行n c s 系统分析和设计时，不能简单地将 已有的控制理论予以应用，必须重新评价。首先是网络诱导的时延( 包 括传感器、控制器) ，它们在连接到共享介质的装置交换数据时发生， 这种时延可能是定常的，也可能是时变的，如果不考虑时延的影响势 9 西华大学硕士学位论文 必降低控制系统的性能，甚至造成系统的不稳定；其次网络作为不可 靠的数据传输路径，传输包不仅存在传输延时，还可能在传输过程中 丢失，包丢失对n c s 的性能产生的影响必须研究；最后是网络带宽和 包尺寸的限制，使对象的输出必须采用多个网络包进行传送。 1 4 课题国内外研究现状和意义 2 0 世纪8 0 年代问世的现场总线是由过程控制技术、仪表技术和 计算机网络技术结合的产物。但目前，现场总线的种类多种多样，世 界上已有2 0 0 多种现场总线技术，其中有十几种在不同的领域得到了 广泛应用。由于各种现场总线代表着不同公司多年的研发投资和市场 利益，不同总线的技术侧重面不同，各有特色和相应的应用领域，且 从目前各种现场总线技术来看，没有哪种现场总线能够完全适用于所 有的应用领域。从现场总线国际标准制定过程的激烈竞争也可以看出 这点，最终，8 种现场总线同时成为i e c 现场总线标准的子集。因此， 多种总线共存的状况将在很长一段时间内存在。 因特网作为成功的网络技术，已广泛应用在办公自动化领域和各 个企业的管理层网络，特别是它成本低、稳定、可靠等诸多优点，使 其成为最受欢迎的通信网络之一。但是因特网的通信非确定性与控制 网络定时通信的实时性相抵触，阻碍了因特网进入现场控制网络。随 着i t 技术的发展，因特网取得了本质的飞跃，先后产生了高速因特网、 千兆因特网产品和国际标准，不久后还将出现万兆因特网。通过提高 通信速率来减轻网络负荷，提高网络通信的确定性，同时使因特网增 加双工通信技术、交换技术、信息优先级等来提高实时性，可确保因 特网技术在现场控制网络的成功应用。 将嵌入式系统与i n t e r n e t 结合起来的想法很早以前就产生了，其 主要的困难在于，i n t e r n e t 上面的各种通信协议对于计算机存储器、 运算速度等的要求比较高，而嵌入式系统中除部分3 2 位处理器以外， 大量存在的是8 位和1 6 位m c u ，支持t c p i p 等网络协议将占用大 量系统资源，或根本无法实现。嵌入式i n t e r n e t 与m c u 技术密切相关， 1 n 西华大学硕士学位论文 需要多方面的协作，因此可以说，嵌入式设备与i n t e r n e t 的结合代表 着嵌入式系统和网络技术的真正未来。 嵌入式网络技术具有广阔的应用前景，其应用领域主要包括【1 2 l ： 1 、智能公路：交通管理、车辆导航、流量控制、信息监测与汽 车服务： 2 、植物工厂：特种植物工厂，如实现野生名贵药材的远程监控 培养和种植，无土栽培技术应用，智能种子工程等： 3 、虚拟现实( v r ) 机器人：交通警察、门卫、家用机器人等； 4 、信息家电：冰箱、空调等的网络化： 5 、工业制冷：冷库、中央空调、超级市场冰柜； 6 、v r 库房：粮库、油库、食品库等： 7 、v r 精品店：客户可以在i n t e r n e t 上实时地看到存货状况； 8 、v r 家政系统：水、电、煤气表的自动抄表，安全防火、防盗 系统： 9 、工业自动化：目前已经有大量的8 、1 6 、3 2 位嵌入式微控制 器应用在工业生产中，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，如制药工业过程控制、电力系统、电网安全、电网 设备监测、石油化工系统等； 1 0 、p o s 网络及电子商务：公共交通无接触智能卡 fc o n t a c t l e s ss m a r t c a r d ，c s c ) 发行系统，公共电话卡发行系统，自动售 货机等； 1 1 、环境工程与自然：水文资料实时监测，防洪体系及水土质量 监测、堤坝安全、地震监测网、实时气象信息网、水源和空气污染监 测等。 目前因特网技术已应用到现场控制网络领域中，出现了基于因特 网的d c s 、f c s 和产品，如f f 与因特网结合的h s e ( h i g hs p e e d e t h e r n e t ) 和p r o f i b u s 的标准t c p i p 因特网的p r o f i n e t 等。总之，不 管是d c s 还是各种现场总线的制造厂商都在致力于发展与因特网的 结合，不断地拓宽其生存空间，因特网技术已深深影响着现场控制网 络通信技术。有专家预测，随着因特网通信速率等技术的不断发展， 1 1 西华大学硕士学位论文 因特网通信非确定性等不适合工业现场缺点的不断克服，因特网将最 终取代现场总线，在企业内部及企业与外界形成统一的网络。因此在 目前这种情况下进行这样的课题研究具有很大的意义和价值。 1 5 课题的主要研究内容及技术路线 本文基于我院省级“信号与信息处理”重点实验室的模拟工业企 业生产环境的过程控制系统，设计了一套基于c a n 总线和嵌入式因 特网的网络控制系统，提出了一种分布式控制网络的方案。 本文第一章介绍了本课题的来源、潜入式系统和网络控制系统 的发展现状、国内外对本课题研究的现状和研究本课题的意义以及课 题的主要研究内容和技术路线。第二章简单介绍了嵌入式系统、嵌入 式操作系统、c a n 总线、网络系统发展的几个过程以及因特网的发展 过程现状和工作原理。第三章概述了分布式控制网络技术以及分布式 控制系统的相关技术，结合现有技术和我国国情给出了本文提出的网 络方案并给出了系统工作原理和组成。第四章论述了嵌入式操作系统 的相关技术，结合y f a r m 9 e d u i 嵌入式试验箱详细介绍了a r m 9 内核$ 3 c 2 4 1 0 微控制器，以及“c o s i i 操作系统在$ 3 c 2 4 1 0 上的移 植和实现：然后在c a n 总线信息控制网络一节中，给出了基于c a n 总线信息测控系统的各个硬件模块，以及c a n 通信的软件编程思想。 第五章论述了基于嵌入式和c a n 总线分布式测控网络系统的实现， 首先介绍了嵌入式和i n t e r n e t 技术实现方案和现有标准和通信协议一 一t c p i p 协议，在此基础上介绍了整个系统的调试。第六章对全文进 行了总结，给出论文的主要结论、创新点以及存在的问题和展望。 西华大学硕士学位论文 第二章嵌入式和c a n 总线网络控制的理论基础 2 1 嵌入式系统 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，将应用程序 和操作系统与计算机硬件集成在一起，能独立工作，而且软硬件均可 裁减的专用计算机系统【6 i 。简单的说，嵌入式系统主要由嵌入式微处 理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部 分组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的“器件” 从另一个角度，也可以说嵌入式系统是计算机技术、半导体技术、 电子技术与各行业具体应用相结合的产物，这就决定了它必然是一个 技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。嵌入式 系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、应用软件以及嵌入式操作 系统等组成。 2 2 嵌入式操作系统 在计算机发展的初期阶段，计算机系统中没有操作系统这个概 念。为了给用户提供一个与计算机之间的接口，同时提高计算机的资 源利用率，便出现了计算机监控程序( m o n i t o r ) ，使用户能通过监控 程序来使用计算机【1 7 】。随着计算机技术的发展，计算机系统的硬件、 软件资源也愈来愈丰富，监控程序己不能适应计算机应用的要求。于 是在6 0 年代中期监控程序又进一步发展成了操作系统( o p e r a t i n g s y s t e m ) 。现在广泛使用的有三种操作系统，即多道批处理操作系统、 分时操作系统以及实时操作系统。 2 2 1 嵌入式系统开发人员对操作系统的依赖性 早期的硬件设备很简单，软件的编程和调试工作也很原始，与硬 西华大学硕士学位论文 件系统配套的软件都必须从头编写，程序大都采用宏汇编语言，调试 十分麻烦。随着系统越来越复杂，操作系统就显得十分必要了。操作 系统主要具有以下功能： ( 1 ) 操作系统能有效管理越来越复杂的系统资源。 ( 2 ) 操作系统能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动 程序移植和维护中解脱出来。 ( 3 ) 操作系统能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程 序。 在7 0 年代的后期，出现了嵌入式系统的操作系统。在8 0 年代末， 市场上出现了几个著名的商业嵌入式操作系统，包括v x w o r k 、 n e c u l e u s 、q n x 和w i n d o w sc e 等，这些系统提供性能良好的开发环 境，提高了应用系统的开发效率。 2 2 2 嵌入式操作系统的特点 与其他类型的操作系统相比，嵌入式操作系统具有以下特点1 8 l 。 ( 1 ) 体积小。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不 具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用闪存( f l a s hm e m o r y ) 作为存储介质。这就要求嵌入式操作系统只能运行在有限的内存中， 不能使用虚拟内存，中断的使用也受到限制。因此，嵌入式操作系统 必须结构紧凑，体积微小。 ( 2 ) 实时性。大多数嵌入式系统都是实时系统，而且多是强实 时多任务系统，要求相应的嵌入式操作系统也必须是实时操作系统 ( r t o s ) 8 1 。实时操作系统作为操作系统的一个重要分支已成为研究的 一个热点，主要探讨实时多任务调度算法和可调度性、死锁解除等问 题。 ( 3 ) 特殊的开发调试环境。提供完整的集成开发环境是每一个 嵌入式系统开发人员所期待的。一个完整的嵌入式系统集成开发环境 一般需要提供的工具是编译连接器、内核调试跟踪器和集成图形界 面开发平台。其中的集成图形界面开发平台包括编辑器、调试器、软 1 4 西华大学硕士学位论文 件仿真器和监视器等。 国外嵌入式操作系统已经日趋成熟，主要有v x w o r k 、q n x 、 p a l m o s 、w i n d o w sc e 、l c o s i i 等。国内的嵌入式操作系统研究开 发有2 种类型，一类是基于国外操作系统二次开发完成的，如海信公 司基于w i n d o w sc e 的机顶盒系统；另一类是中国自主开发的嵌入式 操作系统，如凯思集团公司自主研制开发的嵌入式操作系统h o p e no s ( “女娲计划”) 等。 w i n d o w sc e 内核较小，能作为一种嵌入式操作系统应用到工业 控制等领域。其优点在于便携性好、提供对微处理器的选择以及非强 行的电源管理功能。内置的标准通信能力使w i n d o w sc e 能够访问 i n t e r n e t 并收发em a i l 或浏览w e b 。除此之外，w i n d o w sc e 特有的与 w i n d o w s 类似的用户界面使最终用户易于使用。w i n d o w sc e 的缺点 是速度慢、效率低、价格偏高、开发应用程序相对较难。 3 c o r n 公司的p a l mo s 在掌上电脑和p d a 市场上独占其霸主地 位，它具有开放的操作系统应用程序接v i ( a p i ) ，开发商可根据需要自 行开发所需的应用程序。 q n x 是由加拿大q s s l 公司开发的分布式实时操作系统，它由微 内核和一组共操作的进程组成，具有高度的伸缩性，可灵活地进行剪 裁，最小配置只占用几十k b 内存。因此，可以广泛地嵌入到智能机 器、智能仪器仪表、机顶盒、通讯设备、p d a 等应用系统中去1 6 i 。 h o p e no s 是凯思集团自主研制开发的嵌入式操作系统，由一个体 积很小的内核及一些可以根据需要进行定制的系统模块组成。其核心 h o p e nk e r n e l 一般为1 0 k b