（模式识别与智能系统专业论文）嵌入式远程控制系统框架体系结构设计及实现.pdf

嵌入式远程控制系统框架体系结构 摘要 本论文是阐述了嵌入式系统在现代工业控制中的应用。首先、论文分析了嵌 入式操作系统与现代控制理论结合的可能性和必然性，并描述了目前的国际潮流 及国内外的发展趋势。然后，论文对系统设计中的各种性能指标进行了分析和调 研，并结合系统的特点提出了总体的解决方案。在分析中论文也密切地关注到了 目前控制工程与e t h e m e t 结合的主潮流，充分考虑了系统的扩展性。论文也对系 统的通信接口及m m l ( m a n m a c h i n el a n g u a g e ) 进行了设计，并将s n m p 协议 弓l 入了该系统中。通过剩甩v i s u a lc + + 及c 语言的程序设计论文完成了对系统 客户机和服务器的程序实现，并对系统进行了调试。同时，为了系统的进一步开 发和升级优化，论文还为下步的优化提出了建设性的意见。 在论文中，论文采用了控制工程的理论和嵌入式系统的思想，并利用了目前 主流的t c p i p 协议的优点，完成了本论文设计的要求。 关键字：控制系统嵌入式系统s n m pt c p p 协议 a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h ee m b e d d e ds y s t e m su s a g ef o rm o d e mi n d u s t r i a l c o n t r o ls y s t e m f i r s t ，d i s s e r t a t i o na n a l y z en o to n l yt h ep r o b a b i l i t ya n dn e c e s s i t y , b u t a l s ot h eg l o b a ld i r e c t i o na n dc u r r e n td e v e l o p m e n tt r e n d t h ed i s s e r t a t i o na l s oa n a l y z e s a n dt a k ea c c o u n to f m a n yp e r f o r m a n c ei ns y s t e md e s i g n e d ，a n dp r o v i d e st h es o l u t i o n o ft h ew h o l es y s t e m i nt h ed e s i g n e ds y s t e m ，d i s s e r t a t i o np a ya t t e n t i o nt ot h em a i n s t r e a mo f t h e i n t e g r a t i o nb e t w e e n o f t h ec o n t r o le n g i n e e r i n ga n de t h e m e t ，w h i c ht a k e s a c c o u n to ft h e s p r e a d o fs y s t e m d i s s e r t a t i o nd e f i n et h ec o m m u n i c a t i o na n d m m l ( m a nm a c h i n el a n g u a g e ) ，a n di n t r o d u c et h es n m p ( s i m p l en e t w o r km a n a g e p r o t o c o l li n t ot h es y s t e mm a n a g ei n t e r f a c e u s i n gt h ev i s u a lc + + a n dc l a n g u a g e d e s i g n ，t h ed i s s e r t a t i o nc o m p l e t e s t h ep r o g r a mr e a l i z a t i o no fc u s t o m e r s e r v e rm o d e l ， a n dd e b u g st h e s y s t e m i no r d e r t o s y s t e md e v e l o p m e n ta n do p t i m i z a t i o n ，t h e d i s s e r t a t i o np r o v i d e sal o to f c o n s t r u c t i n ga d v i c e s t h ed i s s e r t a t i o n a d o p t s t h ec o n t r o l e n g i n e e r i n g a n de m b e d d e ds y s t e m ，a n d a c c e p t st h ep r i o r i t yo f t c p i pp r o t o c o l ，a n dc o m p l e t e st h er e q u i r e m e n to f t h i ss y s t e m 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 及取得的研究成果。据我所知，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 获得电子科技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 说明并表示谢意。 签名：至逡 日期；& 。掉多月细 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技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，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：量。丛导师签名；眨跹! ：垒z 嘞哆年3 月尹日 电子科技大学硕士论文 第一章绪论 1 1 嵌入式远程控制系统国内国外发展动态 国际发展动态 嵌入式系统开始于2 0 世纪8 0 年代单片机的使用。单片机技术已经渗透 到各个领域，且与人们的日常生活密不可分，给人们生活和工业生产带来极 大方便。单片机的功能强大，从信号采集、处理到传输都能由单片机来完成。 但是，随着网络时代的来临，许多电子设备需要联网和更智能化、更强的计 算能力，比如音频、视频的数据采集、处理和传输；丰富的图形界面等。 到目前为止，工业控制系统中的自动化设备仍然受专用硬件或工业化p c 平台的限制。专用硬件通常十分耐用，并能抗恶劣环境，但是只能用于单一 的、特定的用途。虽然工业化p c 比专用硬件更具有灵活性，但是由于振动、 灰尘、潮湿、高温以及其它环境问题的影响，工业化p c 平台经常会出现故障 和数据丢失。嵌入式操作系统是一个适合下一代互连工业自动化设备的理想 小体积嵌入平台。由于采用各种先进应用服务，使嵌入式操作系统实现与生 产现场i t 设旖的全面集成成为可能。它还具有很强的实时性能，支持确定性 的响应时间控制。嵌入式操作系统能从闪存启动，从而避免了暴露在灰尘、 高温和震动环境下，使它可以适应恶劣的生产环境。目前，国外很多大型的 控制系统公司，都开发了基于嵌入式控制系统提供统一的、可伸缩的解决方 案，将专用硬件的耐用性与p c 的灵活性结合在一起。其中，瑞士的数字逻辑 公司( d i g i t a ll o g i c ) 及德州仪器( t i ) 在这方面已经走在了国际前沿。因此 嵌入式控制系统在工业控制领域有着很好的应用前景 嵌入式远程控制系统在我国的发展应用 嵌入式系统在自动控制中的应用，在我国有广阔的前景。随着中国加入 w t o 及经济全球化的发展，各种工业、企业都从有效降低生产成本，提高产 品的技术含量，增加产品的附加值出发，提高产品生产线中的系统集成。于 是，可控，可管理的系统体系就提到了生产管理的首要议事日程。 目前，在很多大型的控制系统中，已经引进了国际先进的嵌入式系统。 但是，由于系统高昂的造价，系统维护的复杂性，这些系统多是用于航天， 军事等行业。而且，系统一般都采用国外的先进技术，为了系统在国内行业 中大面积推广应用，研究嵌入式远程控制系统是十分必要的。 1 2 课题在理论和实际应用方面的意义和价值 电子科技大学硕士论文 嵌入式控制系统在国际上的蓬勃发展，以及嵌入式控制系统能够应用到 各个行业的普遍性，无不证明了对嵌入式控制系统体系结构的研发是十分重 要的。 通过对嵌入式控制系统的学习，我t j 不仅能够从理论上加深对控制系统 的进一步认识，而且通过将系统移植到工业控制的实际环境中，还能对控制 系统的应用有实际的指导作用。 1 3 毕业设计的主要任务 根据系统的设计要求，我主要完成如下的工作： 完成对嵌入式远程控制系统设计需求的调研 完成嵌入式远程控制系统的整体体系结构的研究 完成远程控制系统中的通信协议的设计 完成嵌入式远程控制系统中服务端的详细设计 完成嵌入式远程控制系统中客户端的详细设计 对系统的迸一步开发提出优化设计方案 电子科技大学硕士论文 第二章嵌入式远程控制系统需求分析 目前，各种控制系统结构林林种种，相互之间独立，自成体系。从c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t i o nm a n u f a c t u r es y s t e m ) ，到各种控制总线技术，控 制技术的发展真可谓日新月异。但是，许多控制系统都存在个问题：即不 同控制系统之间，不同厂商之间的互联互通的问题，以及互操作性，可扩展 性，可向后兼容性的问题。 网络技术的发展对控制系统的发展带来了很大的影响。i n t e r n e t 技术及 e t h e r n e t 技术的发展将世界变得越来越小了。我们现在能够很方便地通过网 络访问分布在世界不同地方的主机，而不需要考虑距离。这种对空间的跨度 给控制系统带了很大的启发，传统的控制系统通过串口直接对被控对象进行 操作和控制。由于串口的特性决定了系统在空间上的局限性，借助于网络技 术，可以将控制的范围进一步拓展。 鉴于控制系统的特殊性和与对象有紧密的相关性，在一定程度上，目前 的大多数控制系统还不能提供一个独立于被控对象的通用控制系统。全球的 各大控制系统公司都在开发一种通用的控制系统控制模型。 根据对目前控制系统及工业控制现状的调研，我们从以下几个方面来对 系统作需求分析： 2 1 可控制- i 生 就一个产品生产线而言，可控制性是首当其冲必须考虑的重要指标。在 嵌入式远程控制系统中，控制的精确性，控制策略的正确性是第一位的。如 何在控制系统设计中最好的体现被控对象的所有控制特性? 如何针对被控对 象的特性选择行之有效的控制策略? 如何优化控制系统的控制策略? 在被控 对象发生变化时，如何动态的调整控制策略，如何使控制策略主动地根据控 制对象的变化而变化，都是该远程控制系统体系设计中必须要考虑的问题。 控制系统中，被控对象一般都会随薏系统的工作发生一些非线性的变化。 控制系统必须根据系统中被控对象的变化自动调整相关的系统控制参数，自 动校正控制系统中的相关参数，而且还要能够报告给控制中心，让控制中一心 及时地掌握系统中各个组元的变化。 2 。2 互操作性 对于一个大的控制系统而言，分布着各种不同类型厂商的控制系统。各个控制 电子科技大学硕士论文 系统之间自成体系，相互之间没有一个统一的协议接口。对于这样的控制系统来说， 相互之间协同工作的可能性就很小了，更不用说是有机配合。 在这样的一个大的控制系统中，如何使系统有机的融合，形成一个水乳交融交 融的整体就成为了我们关注的一个新问题。各个系统之间的互操作性，也就成为了 对一个已经在用系统优化的关键。 2 3 兼容性 由于工业控制发展至今已经涉足了各行各业，现有系统中分布着各种不同类型 的控制系统。如何有效的利用这些控制系统，尽量减少系统的投入成本，系统设计 中的兼容性问题是不能忽视的问题。通过对兼容性的考虑，可以使新的控制系统有 效的利用现有运营系统中已有的设备，既有效地利用了系统的现有资源，减少了系 统构建的投入，又能够扩展系统的适用范围。解决好这个问题对于系统的优化，产 品的推广都有深远的影响。 2 4 前瞻性 当今是一个信息磅礴发展的时代，各种新技术迅速发展，日新月异。如何保证 系统设计在个时间内具有技术上的先进水平，能够体现现在技术发展的潮流，紧 跟时代的步伐，这也是该控制系统设计中必须考虑的一个关键问题。 有效的利用现有的先进技术，将网络技术，控制理论，现场总线，t c p i p 协议， 综合网管有机的结合，作为系统设计中的理论基础。 同时，控制系统往往是针对一个具体的被控对象集，如何提取系统的抽象控制 对象描述，建立一个控制对象描述抽象数据库模型，将各种常见的对象进行抽象描 述，用数字化的思想来理解被控对象。 2 5 可扩展性 在系统设计中，必须充分考虑到系统的扩展性。无论是什么产品生产系统，它 都会根据系统的发展变化来调整系统。这就决定了控制系统设计中必须要考虑系统 随生产需求的变化而进行的修改及扩展。 在系统设计中就要求整个系统必须是按照功能组合的一系列可重组的模块，而 且模块之间的藕合和关联必须是最小，系统能够通过在最小范围内调整达到系统的 重组要求。 2 6 可管理性 目前，在各个生产线上分布着各个厂商的控制系统。这些控制系统都是 电子科技大学硕士论文 一个个独立的，就其自身而言都是一个很好的控制系统。但是，如何将本部 门下的所有控制系统统一管理，对于控制系统的管理人员来说就是个繁琐 的工作了，而且系统的复杂性同时也要求系统管理人员必须有丰富的工作经 验和娴熟的专业技能。 在这样一个系统中，就将系统的稳定和安全运行绑定到了系统的无误运 行和工作人员的专业素质上了。也就说，在某种程度上，系统的稳定决定于 人为的因数。对于一个系统的安全，稳定的生产而言，这无疑是一个系统隐 患。 方便、简单、快捷的系统管理，人性化的人机界面是每一个系统管理人 员所期望的。需要大量工作量，如履薄冰一样的对系统进行配置，简直就是 系统管理人员的恶梦。 现代技术的发展给系统管理带来了巨大的变化，图形化的人机界面不再 要求系统管理人员必须掌握大量的配置命令，复杂的操作，真正做到了人机 互动。特别是网络技术的发展规律，为我们开发新型的控制系统管理部分提 供了很好的启发。 电子科技大学硕士论文 第三章嵌入式远程控制系统的整体体系结构 为了实现系统设计中要求的各项性能指标，我们从以下几个方面进行考虑，完 成系统整体的体系结构的设计。 3 1 抽象控制对象模型 随着技术的发展，自动控制技术已经进入了社会经济发展的各个领域， 各种被控对象林林总总。为了适应各种不同类型的控制系统，我们必须将各 种不同类型的对象进行抽象，提取一个抽象的数据模型库。 控制系统工程发展到今天，已经形成了诸多稳定性好，鲁棒性强的控制 系统理论。在传统的控制系统中，常常采用的有以下几种： 1 、比例( p ) 比例就是在控制回路的反馈中，增加比例环节，可以减小被包围环节的 时间常数，起到扩展频带，提高响应快速性的作用 2 、积分( i ) 积分就是在控制回路的反馈中，增加积分环节，可以等效取代原系统的 中频段特性，提高系统的快速性、增强平稳性、改善系统的动态响应。 3 、微分( d ) 微分就是在控制回路的反馈中，增加微分环节，可以在不改变被包围环 节性质的条件下，增大其时间常数；也可以用来提高被包围环节的阻尼系数， 改善系统的动态平稳性。 目前在各种应用中，形成了诸多的系统控制解决方案，以下的几种解决 方案是控制系统业界比较成功和流行的方案： 3 1 1 现场总线技术 现场总线是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、 多节点通信网络，它也被称为现场底层设备控制网络( i n f r a n e t ) 。 8 0 年代以来，各种现场总线技术开始出现，人们要求对传统的模拟仪表 和控制系统变革的呼声也越来越高，从而使现场总线成为一次世界性的技术 变革浪潮。美国仪表协会( i s a ) 于1 9 8 4 年开始制订现场总线标准，在欧洲有 电子科技大学硕士论文 德国的p r o f i b u s 和法国的r i p 等，各种现场总线标准陆续形成。其中主要的 有：基金会现场总线f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 、控制局域网络c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 、局部操作网络l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n g n e t w o r k ) ) 、过程现场总线p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 和h a r t 协议 ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 等。 当前流行的几类现场总线： 1 、基金会现场总线f f 基金会现场总线分为m 和高速h 2 两种通信速率。h l 的传输速率为 3 1 2 5 k b p s ，通信距离可达1 9 k m ，可支持总线供电和本质安全防暴环境。h 2 的传输速率可为1 m b p s 和2 5 m b p s 两种，通信距离为7 5 0 m 和5 0 0 m 。物理传 输介质可为双绞线、光缆和无线，其传输信号采用曼切斯特编码。 基金会现场总线以i s o o s i 开放系统互连模型为基础，取其物理层、数 据链路层、应用层为f f 通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。 用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用 设备描述语言规定了通用的功能块集。 f f 总线包括f f 通信协议、i s o 模型中的2 7 层通信协议的通信栈、用 于描述设备特性及操作接口的d d l 设备描述语言、设备描述字典，用于实现 测量、控制、工程量转换的应用功能块，实现系统组态管理功能的系统软件 技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。 l 、c a n 总线 c a n 总线最早是由德国b o s c h 公司推出，用于汽车内部测量与执行部件 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。它也是基于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 、l o n w o r k s 总线 它采用了o s i 参考模型全部的七层协议结构。l o n w o r k s 技术的核心是具 备通信和控制功能的n e u r o n 芯片。 n e u r o n 芯片实现完整的l o n w o r k s 的l o n t a l k 通信协议。其上集成有三 个8 位c p u 。一个c p u 完成o s i 模型第一和第二层的功能，称为介质访问处 电子科技大学硕士论文 理器。一个c p u 是应用处理器，运行操作系统与用户代码。还有个c p u 为 网络处理器，作为前两者的中介，它进行网络变量寻址、更新、路径选择、 网络通信管理等。由神经芯片构成的节点之间可以进行对等通信。 l o n h o r k s 支持多种物理介质并支持多种拓扑结构，组网方式灵活，其i s 一7 8 物理通道使得它可以应用于危险区域。l o n w o r k s 应用范围主要包括楼宇 自动化、工业控制等，在组建分布式监控网络方面有较优越的性能。 4 、p r o f i b u s 总线 p r o f i b u s 是符合德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 9 的现场总 线，包括p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s f m s 、p r o f i b u s p a 三部分。它也只采 用了o s i 模型的物理层、数据链路层、应用层。 p r o f i b u s 支持主从方式、纯主方式、多主多从通信方式。主站对总线具 有控制权，主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权。取得控制权的主站， 可向从站发送、获取信息。p r o f i b u s d p 用于分散外设间的高速数据传输， 适合于加工自动化领域。f y s 型适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、 低压开关等。而p a 型则是用于过程自动化的总线类型。 5 、h a r t 总线 h a r t 协议是由r o s e m o u n t 公司于1 9 8 6 年提出的通信协议。它是用于现 场智能仪表和控制室设备间通信的一种协议。它包括i s o o s i 模型的物理层、 数据链路层和应用层。h a r t 通信可以有点对点或多点连接模式。这种协议是 可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输 线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品， 因而在当前的过渡时期具有较强市场竞争力，在智能仪表市场上占有很大的 份额。 3 ，1 2 以太网与总线技术结合 自动化行业目前是一个多种总线技术标准并存的现实世界。随着以太网 技术+ t c p i p 技术在i t 行业的大发展，毫无疑问，它必将进入到现代工业控 制系统中。 几年以前，e t h e r n e t ( 以太网) 还被认为不能用于工业控制领域，这主要 是因为e t h e r n e t 的c s m a c d 媒体访问方式不能保证网络( 传输时间) 的确定 性，负荷重时网络的传输效率很低甚至崩溃。故在以往开放的d c s 中不得不 采用昂贵的令牌网如m a p 网。 但是e t h e r n e t 技术的快速发展和广泛应用以及低廉的价格吸引着工业 控制领域。l o o m b s 的快速e t h e r n e t 诞生以后，一些机构开发出适合于工业 电子科技大学硕士论文 环境的e t h e r n e t 器件，开始将e t h e r n e t 用于d c s 的监控级。事实证明，由 于其高速、低负荷率，完全能保证系统的实时性。 一般来讲，控制系统网络可分为3 层：信息层、控制层和设备层( 传感 执行层) 。传统的控制系统在信息层大都采用以太网，而在控制层和设备层一 般采用不同的现场总线或其他专用网络。目前，以太网已经渗透到了控制层 和设备层，几乎所有的p l c 和远程i o 供应商都能提供支持t c p i p 的以太网 接口的产品。 现在多个现场总线行业性组织都在进行e t h e r n e t 用作工业网络的研究 并推出了他们的解决方案。包括f fh s e ，以及e t h e r n e t i p ( t h eo p e n d e v i c e n e tv e n d o ra s s o c i a t i o n 支持) 、p r o f i n e t ( t h ep r o f i b u st r a d e o r g a n i z a t i o n 支持) 、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 ( t h ei d ag r o u p 支持) ，m o d b u s t c p ( t h em o d b u su s e r sg r o u p 支持) 等。 3 2 采用业界领先的服务器客户模型 在集中式计算技术时代广泛使用的大型机4 , 型机计算模型是通过一台 物理上与宿主机相连接的非智能终端来实现宿主机上的应用程序。在多用户 环境中，宿主机应用程序既负责与用户的交互，又负责对数据的管理；宿主 机上的应用程序一般也分为与用户交互的前端和管理数据的后端，即数据库 管理系统( d b m s ) 。 客户机服务器系统的基本思想是我们能在个统一的地方集中存放信 息资源。一般将数据集中保存在某个数据库中，根据其他人或者机器的请求 将信息投递给对方。 客户机服务器概述的个关键在于信息是“集中存放”的。所以我们 能方便地更改信息，然后将修改过的信息发放给信息的消费者。将各种元素 集中到一起，信息仓库、用于投递信息的软件以及信息及软件所在的那台机 器，它们联合起来便叫做“服务器”( s e r v e r ) 。而对那些驻留在远程机器上 的软件，它们需要与服务器通信，取回信息，进行适当的处理，然后在远程 机器上显示出来，这些就叫做“客户”( c l i e n t ) 。 客户机服务器技术正是一种分布式计算模式，它集中了大中型系统及文 件服务器的优点，并有良好的系统开放性和可扩展性，即寻找一种适当规模 化( r i g h t s i z i n g ) 。客户机服务器计算模式定义了台式机如何和服务器相 连，以实现数据和应用的共享，并利用台式机的处理能力将数据和应用分布 到多个处理机上。这种模式当时被用于工作组和部门的资源共享。客户机 服务器系统有三个主要部件：数据库服务器、客户应用程序和网络。 电子科技大学硕士论文 按照客户机服务器系统中各个部分的功能划分有以下部分： 服务器负责有效地管理系统的资源，其任务集中于： 数据库安全性的要求 数据库访问并发性的控制 数据库前端的客户应用程序的全局数据完整性规则 数据库的备份与恢复 客户端应用程序的主要任务是： 提供用户与数据库交互的界面 向数据库服务器提交用户请求并接收来自数据库服务器的信息 利用客户应用程序对存在于客户端的数据执行应用逻辑要求 网络通信软件的主要作用是： 完成数据库服务器和客户应用程序之间的数据传输。 应用程序从结构上一般分为四层：形式逻辑、业务逻辑、数据逻辑和数 据存储。c s 计算多是基于两级模式，所有的形式逻辑和业务逻辑均驻留在 c 1 i e n t 端，而s e r v e r 则成为数据库服务器，负责各种数据的处理和维护。 因此s e r v e r 变得很“瘦”，被称为“瘦服务器( t h i ns e r v e r ) ”。与之相反， 这种模式需要在客户端运行庞大的应用程序，这就是所谓的“胖客户机( f a t c 1 i e n t ) ”。 客户机服务器系统比文件服务器系统能提供更高的性能，因为客户机和 服务器将应用的处理要求分开，同时又共同实现其处理要求( 即”分布式应用 处理”) 。服务器为多个客户机管理数据库，而客户机发送请求和分析从服务器 接收的数据。在一个客户机服务器应用中，数据库服务器是智能化的，它只封 锁和返回一个客户机请求的那些行，保证了并发性，使网络上的信息传输减到 最少，因而可以改善系统的性能。在客户机服务器系统中，应用的处理是分布 在网络上的，所以在设计客户机方数据库应用程序时，若把过多的负担加在网 络上，没有充分利用数据库的存储过程，没有把网络访问最小化，结果是应用 程序要执行过多的网络i o ，使网络饱和，从而降低了整个系统的性能。 3 3 采用嵌入式操作系统 随着技术的发展，自动控制的低端设备也在不断发展，从开始的模拟 电子科技大学硕士论文 电路，到后来的单片机，在后来的p c 前端，控制设备的发展也与技术进步息 息相关。 目前，一方面要有效的提高设备的可用性，增加设备的附加功能，设备 要求在满足系统控制的基本功能的情况下，还能提供一些可拓展的功能。另 一方面，在考虑系统运行维护的成本情况下，要求系统中设备要尽可能的体 积小，成本低。各种嵌入式系统设备的特性能够满足了系统设计的要求。 “嵌入式系统”一般指非p c 系统，有计算机功能但又不能称之为计算机 的设备或器材。它是以应用为中心，软硬件可缩扩的，适应应用系统对功能、 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；主要由嵌 入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成。 与通用型计算机系统相比，嵌入式系统功耗低、可靠性高；功能强大、 性能价格比高；实时性强，支持多任务；占用空间小，效率高；面向特定应 用，可根据需要灵活定制。 将p c 与传统设备结合起来，使后者具备运算和联网能力，这就是嵌入式 应用，是p c 技术发展的必然趋势。工业现场和远程设备同样需要进行智能化 的开发和改造，因而嵌入式系统在工控界的应用前景非常广阔。 嵌入式系统主要有4 个发展趋势：( 1 ) 开放式平台架构，易于与其他系统 整合；( 2 ) 体积越来越小，性能要求更稳定，成本更低廉；( 3 ) 应用趋向多元 化，需要小批量、快速化的服务；( 4 ) 功能趋向单一，集成的功能与一般p c 不同。 嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 种类有一百种以上，代表 性的产品有以下几种： 1 ) 专用的实时操作系统( r t o s ) 。代表性的产品有v x w o r k s 、p s o s 、 r t l i n u x 。传统上，以往的嵌入式应用如果确定了要使用操作系统，一般选 上述其中之一。其特点是： 模块化好 实时性好 稳定性好 2 ) w i n d o w sc e 微软的嵌入式0 s 。与前述0 s 最大不同是其应用编程接口( a p i ) 与i n 3 2 a p i 兼容，这样w i n d o w s 上的程序都可以重新编译后移植到w i nc e 上来，开 发人员可用开发w i n d o w s 同样的开发工具来开发w i nc e 程序。 3 ) 嵌入式l ir l l x 这是嵌入式操作系统的一个新成员，其最大的特点是源代码公开并且并 电子科技大学硕士论文 且遵循g p l 协议，在近一年多以来成为研究热点，据i d g 预测嵌入式l i n u x 将占未来两年的嵌入式操作系统份额的5 0 。 由于其源代码公开，人们可以任意修改，以满足自己的应用，并且查错 也很容易。遵从g p l ，无须为每例应用交纳许可证费。有大量的应用软件可 用。其中大部分都遵从g p l ，是开放源代码和免费的。可以稍加修改后应用 于用户自己的系统。有大量的免费的优秀的开发工具，且都遵从g p l ，是开 放源代码的。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器般具备4 个特 点： ( 1 )对实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的 中断响应时间，从而使内部的代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限 度； ( 2 )具有功能很强的存储区保护功能，这是由于嵌入式系统的软件结 构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强 大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断； ( 3 )可扩展的处理器结构，以能迅速地扩展出满足应用的高性能的嵌 入式微处理器； ( 4 ) 嵌入式微处理器的功耗必须很低，尤其是用于便携式的无线及移 动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，功耗只能为m w 甚 至l l w 级。 3 4 不同的传输模式 3 4 1 利用e $ h e r n 应用层 网 表示层 络 会话层 管 传输层 理 网络层 数据链路层 r 物理层 1 2 电子科技大学硕士论文 图3 1i s o 七层模型 i e e e 8 0 2 3 在制定时突出的一个基本思想是将系统进行逻辑划分，并研 究如何将连接在一起。如图3 一l 所示，i s o 组织将网络按其功能划分为7 个 功能层，每层都完成一个特定功能。 l a n 将数据链路层分割为两个子层，从而使l a n 体系结构能适应多种传 输媒体，换言之，在l l c 不变的条件下，只需改变m a c ( 媒体访问控制) 便可 适应不同的媒体和访问方法。 3 4 2 利用g p r s 技术 g p r s 是欧洲电信协会g s m 系统中有关分组数据所规定的标准。它可以提 供高达1 1 5 k b p s 的空中接口传输速率。g p r s 使若干移动用户能够同时共享一 个无线信道，一个移动用户也可以使用多个无线信道。实际不发送或接收数 据包的用户仅占很小一部分网络资源。有了g p r s ，用户的呼叫建立时间大为 缩短，几乎可以做到“永远在线”( a w a y so n l i a 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 ) 的中文是通用分组无线业务，是 在现有的g s m 系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务。g p r s 与g s m 系 统最根本的区别是，g s m 是一种电路交换系统，而g p r s 是一种分组交换系统。 g p r s 特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶 尔的大数据量传输。我们可以将g p r s 理解为g s m 的一个更高层次。采用t d m a 方式传输语音，采用分组的方式传输数据。 g p r s 采用信道捆绑和增强数据速率改进实现高速接入，目前g p r s 的设 计可以在一个载频或8 个信道中实现捆绑，将每个信道的传输速率提高到 1 4 4 k b p s ，因此g p r s 方式最大速率是8 x 1 4 4 - - 1 1 5 2 k b l s g p r s 发展的第二步 是通过增强数据速率改进( e d g e ) 将每个信道的速率提高到4 8 k b p s ，因此第 二代的g p r s 设计速率为3 8 4 k b p s 。 g p r s 基本原理是：当有数据传送需要时，将利用分组在网络中传送数据， 而非利用当前承载服务所采用的固定电路连接。这促进了多用户间对网络资 源的共享，并允许运营商最优地使用现有设备，同时利用已安装的设备创造 新的收入来源。在无线接口内，多个用户可共享一个时隙，或者一个用户最 多可使用八个时隙。在传输时，数据信息被封包到很短的分组里，每一分组 都含有一个报头，报头中包括了分组的始发地址和目标地址。来自多用户的 分组可交错传输，所以可按需分配传输容量，并在没有分组可传时释放容量。 g s m 无线资源也可在电路交换模式( 数据和话音) 业务与g p r s 之间共享。在 空中接口上，可分配给g p r s 业务使用的时隙( 根据o & m 程序) 必须能够工作 电子科技大学硕士论文 在业务信道( 一个全速率语音信道或两个半速率语音信道) ，或工作在g p r s 模式的分组数据业务信道。这里，我们定义一种新的物理信道类型一分组数 据信道( p d c h ) ，它由几个新的逻辑分组信道映射而成。在一个小区中，若没 有分配物理分组信道资源，则逻辑分组信道被映射到普通的g s m 物理信道上。 新的分组信道可被复用，这是在当前的g s m 中引入分组技术后带来的主要不 同。 为了实现g p r s ，需要在现有的g s m 网络中引入三种新的逻辑网络实体： 服务g p r s 支持节点( s g s n ) 、网关g p r s 支持节点( g g s n ) 和分组控制单元( p c u ) 。 s g s n 提供g p r s 网络与外部分组数据网络之间的交互操作。在基站子系统中， p c u 负责管理分组分段和规划、无线信道、传输错误检测和自动重发、信道 编码方案、质量控制、功率控制等。 首先，通过对基站子系统( b s s ) 进行软件升级，一种被称为分组控制单 元( p c u ) 的新型g p r s 实体将被用来处理数据业务量，并将数据业务量从g s m 话音业务量中分离出来。p c u 增加了分组功能，可控制无线链路，并允许多 用户接入同无线资源。 然后，g p r s 数据分组被g p r s 骨干系统( g b s ) 传送出去。这一过程将涉 及两个g p r s 网元，分别称为g p r s 业务支持节点( s g s n ) 和g p r s 网关支持节 点( g g s n ) 。根据地理条件和用户号码情况，g p r s 各节点可分布在网络中的 不同位置或位于同一局址。 s g s n 将为所服务的手机提供移动性管理、安全性( 数据加密和压缩) 、 管理控制、计费数据收集、鉴权以及逻辑链路和路径的管理。s g s n 还将为用 户和某些g g s n 提供分组路由和隧道功能。s g s n 的容量由路由范围和用户的 数量决定，并采取可饰缩和模块化的结构。 3 4 3 用w a v e l a n 技术 作为全球公认的局域网权威，i e e e8 0 2 工作组建立的标准在过去二十年 内在局域网领域内独领风骚。这些协议包括了8 0 2 3e t h e r n e t 协议、8 0 2 5 t o k e nr i n g 协议、8 0 2 3 z 1 0 0 b a s e t 快速以太网协议。在1 9 9 7 年，经过了 7 年的工作以后，i e e e 发布了8 0 2 1 1 协议，这也是在无线局域网领域内的第 个国际上被认可的协议。在1 9 9 9 年9 月，他们又提出了8 0 2 1 1 b “h i g h r a t e ”协议。用类对8 0 2 1 1 协议进行补充，8 0 2 1 1 b 在8 0 2 1 1 的l m b p s 和 2 m b p s 速率下又增加了5 ，5 m b p s 和1 1 m b p s 两个新的网络吞吐速率。利用 8 0 2 1 1 b ，移动用户能够获得同e t h e r n e l 一样的性能、网络吞吐率、可用性。 这个基于标准的技术使得管理员可以根据环境选择合适的局域网技术来构造 电子科技大学硕士论文 8 0 2 1 自己的网络，满足他们的商业用户和其他用户的需求。 l 协议王蚩上作 在i s o 协议的最低两层上，并在物理上进行了一些改动，加入了高速数字传 输的特性和连接的稳定性。 8 0 2 1 l 标准是i e e e 制定的无线局域网标准，主要对网络的物理层和媒 质访问控制层( m a c ) 进行了规定，其中对m a c 层的规定是重点。各厂商的产品 在同一物理层上可以互操作，而逻辑链路控制层( l l c ) 是一致的，即m a c 层以 下对网络应用是透明的。这样就使得无线网的两种主要用途( 同网段内) 多 点接入和多网段互连一易于质优价廉地实现。 8 0 2 1 1 协议的主要内容包括 1 、8 0 2 1 l 工作方式 2 、8 0 2 1 1 物理层 3 、8 0 2 1 1 b 的增强物理层 4 、8 0 2 1 1 数字链路层 5 、联合结构、蜂窝结构和漫游 为了支持在有噪音的环境下能够获得较好的传输速率，8 0 2 1 l b 采用了 动态速率调节技术，允许用户在不同的环境下自动使用不同的连接速度来补 充环境的不利影响。在理想状态下，用户以1 】m 的全速运行，然而，当用户 移出理想的1 l m 速率传送的位置或者距离时，或者潜在地受到了干扰的话， 这把速度自动按序降低为5 5 m b p s 、2 m b p s 、l m b p s 。同样，当用户回到理想 环境的话，连接速度也会以反向增加直至l l m b p s 。速率调节机制是在物理层 自动实现而不会对用户和其它上层协议产生任何影响。 在m a c 层以下，8 0 2 1 l 规定了三种发送及接收技术：扩频 ( s p r e a d s p e c t r u m ) 技术；红外( i n f a r e d ) 技术；窄带( n a r r o w b a n d ) 技术。而扩 频又分为直接序列( d i r e c t s e q u e n c e ，d s ) 扩频技术( 简称直扩) 和跳频 ( f r e q u e n c y h o d p i n g ，f h ) 扩频技术。 扩频技术是利用开放的i s m 2 4 g h z 频段。也正是由于这个2 4 2 4 8 4 g h z 频段无需申请许可证( 但发射功率受限制) ，因而此频段很拥挤，微波噪声最 大，采取何种发送及接收技术，都将直接影响到微波传输的速率和质量。 比较而言，直扩采取主动占有方式，跳频是被动适应。直扩技术同时使 用整个子频段，信号被扩展多次而无损耗；跳频技术是连续间断跳跃使用多 个频点，当跳跃至某个频点时，判断该频点是否有噪声干扰，若无则传输信 号，若有则依据算法跳至下一频点继续判断。在发射端，用数字位信号表示 的源信号，与一个唯一的伪随机码复合，经过调制产生微波信号发射出去。 电子科技大学硕士论文 这种代码信元是由代码发生器产生的唯一高速多位随机码。在接收端，能产 生与发射端同步并相同的随机码，按照发射的逆过程解调，即能解析出源信 号。 c s m a c a 协议 总线型局域网在m a c 层的标准协议是c s m a c d ，即载波侦听多点接入冲 突检测。但由于无线产品的适配器不易检测信道是否存在冲突，因此8 0 2 1 1 全新定义了一种新的协议，即载波侦听多点接入避免冲撞( c s m a c a ) 。一方 面，载波侦听一查看介质是否空闲；另一方面，避免冲撞一通过随机的时间 等待，使信号冲突发生的概率减到最小，当介质被侦听到空闲时，则优先发 送。不仅如此，为了系统更加稳固，8 0 2 1 1 还提供了带确认帧a c e 的c s b l a c a 。 在一旦遭受其他噪声干扰，或者由于侦听失败时，信号冲突就有可能发生， 而这种工作于m a c 层的a c k 此时能够提供快速的恢复能力。 r t s c t s 协议 r t s c t s 协议即请求发送允许发送协议，相当于一种握手协议，主要用 来解决”隐藏终端”问题。隐藏终端多发生在大型单元中( 一般在室外环境) ， 这将带来效率损失，并且需要错误恢复机制。当需要传送大容量文件时，尤 其需要杜绝隐藏终端现象的发生。w a v e l a n 8 0 2 1 1 提供了