（电力系统及其自动化专业论文）智能化电机保护器信息化技术研究.pdf

智能化l 乜桃保参、器信息化技术讲究摘受 a b s t r a c t i nt h e p o s t - p ce r a ，w i t h t h e r a p i dd e v e l o p m e n t o f d i g i t a l i n f o r r n a t i o n t e c h n o l o g ya sw e l la sn e t w o r kt e c h n o l o g y , i n t e r n e th a sb e e nw i d e l ys p r e a d w h i c h l e a d st h ec o n t i n u a l l yi m p r o v e m e n to fi n f o r m a t i o ns h a r ee x t e n t t h i ss i t u a t i o nu r g e n t l y r e q u i r e st h a tt h ei n f i e l di n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t ss h o u l db ea p p l i c a b l et on e t w o r ku s a g e a n dr e a l i z et h ed e m a n d so nt h er e m o t em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s e a st h ei n t e r n e tt e c h n o l o g yp e r m e a t e s ，e m b e d d e ds y s t e m sh a v eb e c o m em o r e a n dm o r ei n t e l l i g e n ti nn e t w o r ki n t e r f a c e s t h er a p i dd e v e l o p m e n to fw e b t e c b m o l o g y h a sp r o v i d e dap e r f e c tw a yf o re m b e d d e d s y s t e m st oe n t e ri n t e r n e t t h ea p p l i c a t i o no f e m b e d d e dw e bt e c h n o l o g yb yi n f i e l di n s t r u m e n t sa n di n d u s t r i a ld e v i c e l a y e rh a s b e c o m eam a i ns t r e a m b a s e do ns u c hs i t u a t i o n ，a f t e rr e s e a r c h i n gn e t w o r ki n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t sa n d r e m o t em o n i t o r i n gt e c h n o l o g y ，t h i sp a p e rh a sd e v e l o p e da ne m b e d d e dw e bs e r v e r ： m o d b u s t c p i pg a t e w a y , a n dl l s ei tt o i m p l e m e n tar e m o t ec o n t r o la n dm o n i t o r s y s t e mb a s e do ne t h e m e tt e c h n o l o g y t h i sp a p e rw i l lm a i n l yc o n t a i nt h r e es e c t i o n sa s f o l l o w s 1 ) t h i sp a p e rd i s c u s s e s s e v e r a lm e t h o d st oc m m e c te m b e d d e d s y s t e m s t o e t h e r n e ta n dc h o o s et h e ”m c u + t c p i ps o f t w a r e ”a st h e d e v e l o pm e t h o d o f i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s t h e nw ea n a l y z et h ep o s s i b i l i t yo f i t sr e a l i z a t i o n 2 1t h i sp a p e rd e s i g n sa ne m b e d d e dw e bs e r v e r ：m o d b u s t c i pg a t e w a ya n d d e s c r i b e si nd e t a i lh o wi ti sr e a l i z e do nh a r d w a r el e v e la n ds o f t w a r e1 e v e l 3 ) t h i sp a p e rd i s c u s s e st h em e r i t sa n dd r a w b a c k s o fs e v e r a lm e t h o d st om a k i n g a ne t h e m e t t e c h n o l o g yb a s e dr e m o t ec o n t r o la n dm o n i t o rs y s t e m t h e nb a s e d o nt h i s ， w e p u tf o r w a r dap r o p e rs y s t e m i nt h es y s t e m ，i n t e m e te x p l o r e ro f t h eu p p e rm a c h i n e i nt h en e t w o r ki su s e dt ov i s i tm o d b u s t c p i p g a t e w a ya n dd r i v e rg a t e w a yt o c o m m u n i c a t ew i t ht h ei n t e l l i g e n tm o t o r p r o t e c t o rw i t ham o d b u si n t e r f a c e ，m o n i t o r i n g a n dp r o t e c t i n gt h em o t o r b yi n s p e c t i n ga n da d j u s t i n gt h ep a r a m e t e r so f t h ep r o t e c t o r k e yw o r d s ：r e m o t em o n i t o r i n g ，i n t e l l i g e n tm o t o rp r o t e c t o r , e m b e d d e dw e bs e r v e r 声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成博士硕士学位论文竺! 继衄堡槛往堡型竺塑。 除论文中已经注明引用的内容外，对论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。本论文中不包含任何未加明确 注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：倦奢 细 年c 月f 岁日 谢能化i u 机保护器信息化挫术研究 绪论 1 绪论 当今社会，科学技术正以前所未有的强劲动力推动社会的发展。随着这一过 程的发展，工业自动化程度不断提高，而自动化程度的每次革新都离小开智能 仪表的一次次质的飞跃。智能仪表是一项学科交叉和知识密集型的应用技术，该 技术要求人们熟悉被测量的特征，各种传感器，l f 确处理信号的各个环节。智能 仪表也f 是在以卜的各个方面不断改进与创新，同时，信息化时代又赋予智能仪 表特有的时代特征：信息化及网络化。 1 1 信息化时代仪表的发展方向1 当前，随菥i n t e r n e t i n t r a n e t 技术的普及应用，世界诈在迈向仝面信息化 时代。 信息化是指利用计算机技术和信息技术来获得、使用、管理各种信息。信息 化是在计算机技术和网络技术大行其道，对人类社会的方方面面产生深刻影响的 背景下产生的。信息化是科学技术发展的必然结果，它具有管理高效、调度科学 的特点，能够帮助我们对瞬息万变的客观环境作出实时、有效的反应，为科学决 策提供可靠依据。 随着以知识经济为特征的信息时代的到来，人们对仪器仪表的认识已经超越 般工具的范畴，进而发生着明显的观念更新。作为r 业自动化技术j 二具的工业 仪表与装置，在高新技术的推动下，正跨入真正的数字化、智能化、网络化的刚 代，其技术发展的主流趋势表现在：测量信息数字化、检测控制智能化、管理控 制集成化。 进入信息时代，仪器仪表技术发展的总方面，就是高新技术在仪器仪表领域 的广泛应用，在市场迫切需求和知识物质基础更新优化的双重推动下，场牵动 着仪器仪表更新换代的变迁已经到来。由精密机械零部件加工精度、电子器材和 电路质量决定仪器仪表水平和性能的时代将逐渐过去，仪器仪表软件( 包括操作 软件和应用软件) 将成为仪器仪表总体设计的主要基础和决定应用水平的主要闪 素之一。仪器仪表工作者从观念到知识素质都应该适应新技术发展潮流，要以信 智能化l 乜机保护器信息化技术研究绪论 息技术和网络思想指导仪器仪表设计应用，以构成仪器仪表的传感、数据采集、 处理、传输和控制等功能，通过计算机专用或公用i f 台，配上功能强大的软件， 在局域咧或远程网上实现，从而使仪器仪表功能更强、效率更高、适用性更盘_ _ 。 1 2 工业以太网的发展推动了仪表网络化1 3 1 1 7 1 1 8 现代信息技术的三大基础是传感器技术、通信技术和计算机技术。随着信息 技术的飞速发展和工业自动化要求的不断提高，控制网络所担负的工作越束越 重。与数据信息网络不唰，工业控制领域需要的是一种高速廉价、实时性和开放 性妤、可靠性高的网络。以往的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 ) 使用的是 专用私有控制网络，由 ：其封闭性，已经越来越多地被丌放的现场总线技术所取 代。人们度认为现场总线技术的出现，会带来控制网络铷、议的标准化，但多种 现场总线并存的现实局面却打破了人们的梦想。由于现场总线是设备级的低速数 据总线，传输速率低，而随着仪器仪表智能化的进一步提高，将有越来越多的现 场设备图像和视频信息需要在现场级控制网络 = - 进行传送，这使得信息传递的瓶 颈任现场总线技术中仍然存在。在这种形势下，丌放的，高带宽的工业以太网就 逐渐进入控制领域。 以前，以太网( e t h e r n e t ) 应用于工业控制网络的主要障碍是在于：以太网 的c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o ll i s i o nd e t e c t i o n ) 介质 访l 刈机制导致网络传输延时和通信响应的“不确定性”。而对于工业现场控制网 络，以太网的这种通信“不确定性”可能会导致灾难事件的发牛。但近些年米山 现了快速交换式以太网技术，采用全双工通信，可以减少甚至可以完令避免 c s m a c d 中的碰撞，并且可以方便地实现优先级机制，保证网络带宽的最大利用 率和最好的实时性能。它完全避免了c s m a c d 、主从、令牌等可能的低效率。并 且网络速度也在不断提高，从最初的1 m b s ，发展到今天的l o g b s ，在通信摄不 变的6 u 提下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻，而网络负荷的减轻实际上 也就意味着确定性的提高。 据美固权威调查机构a r c ( a u t o m a t i o nr e s e a r c hc o m p a n y ) 报告指出，今 后e t h e r n e t 不仅继续垄断商业计算机网络通信和工业控制系统的上层网络通信 节场，也必将领导现场总线的发展，e t h e r n e t 和t c p u ( t r a n s m js s l o nc o n tr o l 镨能化i 毡机保护器信息化技术研究 p r o t o c o l i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 将成为器件总线和现场总线的基础协议。这样就 对现场仪器仪表提出了新的要求，即能够接入以太网。所以说工业以太网的发展 推动了工业仪表的网络化。 1 3 嵌入式技术的发展推动了仪表网络化 仪表智能化水平的高低，与嵌入式技术以及集成电路技术息息相关。以往嵌 入在现场仪表中的微处理器芯片，由于存储空间小、运算速度低，不足以处理以 太网和t c p i p 复杂的通信协议，这大大影响了现场仪表的智能化程度和网络性 能。 随着微电子、集成电路和嵌入式技术的快速发展，高速度的微处理器芯片已 经问世。这些高速微处理器提供了更大的存储空间和更高的运算速度，可以很好 地处理t c p i p 等复杂协议。设计者可以在单片机系统上实现以太网技术，将以 人网接【3 甑接嵌入到现场设备中去，使以太网通讯直接到达现场设备缴。从向， 使嵌入式系统和i n t e r n e t 结合起来的想法成为可能，并导致了嵌入式1 n l e r n el 技术的出现。通过引入t c p i p 协议，使得设备更加智能化，从而使嵌入式设备 具有越来越优良的网络特性。运用w e bs e r v e r 技术还呵以使得嵌入式设备变成 ，简化的w e b 服务器，在i n t e r n e t 通过i e 浏览器就能直接对其进行组态和维护 管理。 运用嵌入式i n t e r n e t 技术，将以太网接口、t c p i p 协议等直接内嵌在现场 设备中，从而产生了基于t c p i p 协议的网络化智能现场仪表( 有人将其称为“【p 传感器执行器”) 。所以说，嵌入式技术的发展推动了工业仪表的网络化。 1 _ 4 本文的研究背景及主要研究内容 1 4 1 研究背景 目前，信息技术的发展要求信息获取的快速性和全球嘲络化，因此迫切要求 仪表能够实现远程监控技术。 仪表的远程监控，是仪表智能化网络化技术发展的一个实用方面；反过来也 智能化l 也机保护器信留化技术研究绪论 足社会信息化与网络化的一个体现，其意义在于： 远程监控技术可以充分利用异地的智力资源。处于异地的专家学者【：l 以通过网络获得远程的监控数据，并进行分析和处理，找出问题所在， 提出改进意见。 远程监控技术可以建立网络范围内的监控数据的获耿，建立网卜_ 的知 识资源库。 远程监控技术可以对重点设备进行全方位的监控，确保该设备的安全 运行。 远程监控技术可以获取现场监控设备数据，对远程故障诊断技术提供 了物质基础。 随着i n t e r n e t 技术的大力发展和工业以太网逐渐成为工、控制领域的t 导，0 i 可避免地促使智能仪表的远程监控技术建立在以太网甚至互联网的基础之 上。本课题的研究正是基于这样的背景，探讨了嵌入式w e b 服务器的具体实现， 并以智能电机保护器远程监控作为技术依托，将其运用于电机保护的实际系统 中。 i 4 2 主要研究内容 本课题的主要内容就是对基于互联网的智能仪表远程监控技术进行可行性 方案设计，并最终实现了智能仪表连入囊：联网的关键技术一嵌入式w e b 服务器的 软硬件设计。在此技术基础上，实现了远程监控系统并将其应用于电机监控保护 的实例中。本论文的主要内容安排如下： 第一：章比较了单片机系统接入i n t e r n e t 的几种方法，选择了简洁、力便的 “m c u t c p i p 软件”形式作为本文中智能仪表i n t e r n e t 接口的开发方式，并 在此纂础上简单探讨嵌入式t c p i p 协议栈的实现方法。 第i 章首先论述了基于嵌入式以太网技术的远程监控系统的特点，接着根 据第二章中选择的智能仪表i n t e r n e t 接口丹发方式提出了基于嵌入式以氐闷技 术的远程监控系统的两种实现方案，通过比较后选择了后一种方案，最后简单地 讨论了现场监控仪表的以太网网络接口开发方式。 第四章对智能电机保护器的构成、功能等各方面作了简单介绍，概述了 智能化电机保护器信息化技术研究 绪论 m o d b u s 通讯协议内容，重点分析了保护器m o d b u s 通讯的具体实现。 第血章详细介绍了嵌入式w e b 服务器，即m o d b u st c p i p 网关的硬件具体 艾现。 第六章详细介绍了嵌入式w e b 服务器，即m o d b u st c p i p 网关的软件具体 实现，并以智能电机保护器为监控对象详细介绍了监控系统的具体操作流程。 第七章对本课题的工作总结及展望。 文献综述： 1 吴钦炜信息时代的工业仪表与控制系统自动化仪表，第2 4 卷第9 期2 0 0 3 年9 月 2j 贾东耀汪仁煌工业控制网络结构的发展趋势：【：业仪表与自动化装置， 2 0 0 2 年第5 期 3 魏庆福现场总线技术的发展与工业以太网综述工业控制计算机，2 0 0 2 年 第1 5 卷第1 期 4 = = f 廷尧，马克城以太网技术基础( 一) 光通信技术，2 0 0 2 5 陈一雷，二f 俊杰工业以太网的研究与发展低压电器，2 0 0 2 ，n o 5 6 张凯洪，赵伟基于i n t e r n e t 的测控系统一网络化仪器电测与仪表，2 0 0 2 年第1 l 期 7 7 ：冯冬芹，金建样，褚健工业以太网关键技术初探信息l = 孑控制，2 0 0 3 年 第3 2 卷第3 期 【8 李玲玲网络化智能仪表是仪器仪表的发展方向自动化与仪器仪表，2 0 0 2 年第6 期( 总第1 0 4 期) 9 9李嘉，杨佃福引入以太网技术是现场总线技术发展的一个必然趋势自动 化仪表，2 0 0 1 年第2 2 卷第5 期 1 0 王鸿钰，颜重光，新一代的仪器仪表仪表技术，2 0 0 2 年第1 期 智能化l 乜机保护器信息化技术研究2 智能仪表接入i n t e r n e t 方案及其实现分析 2 智能仪表接入i n t e r n e t 方案及其实现分析 智能仪表接入i n t e r n e t 的方式决定着仪表远程监控系统的设计与结构，因 此在设计远程监控系统之前，首先要确定仪表接入i n t e r n e t 的方式以及此种方 式文现的可行性。 2 1 单片机系统接入i n t e r n e t 方案对比 当今国际国内很多厂商都提出了嵌入式设备i n t c r n e t 网络化的方案，总体 来说，可分为以下三类： ( 1 ) m c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) + 专用网络芯片，如w e b c h i pp s 2 0 0 0 等。 w e b c h i p 是武汉力源公司于2 0 0 0 年4 月丌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 e h i p 是独克于各种微控制器的专用网络接 l j 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 发送 m 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 m ，如图2 一l 所示。此种方案的主要优点是：应用系统设计者完全不必考虑任何 网络协议，只需要解释并执行网络芯片传送过来的指令和数据就可以实现与 i n t e r n e t 网络连接。 图2 一l专用j 占片w e b c h i p 方式 ( 2 ) e m i t ( e m b e d d e dm i c r oi n t e r n e tt e c h n 0 1 0 9 y ) 技术。e m i t 是山e m w a r e 公司提出来的，采用桌面计算机或高性能的嵌入式处理器作为网关，称为 e m g a t e w a y ，上面支持t c p i p 协议并运行h t t p 服务程序，形成一个用户可以通 过刚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 等轻 量级总线与外设联系起来，每个外设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 ic 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 6 智能化 u 机保护器竹包化技术研究2 智能仪表接入i n t e r n c t 方案及0 实小分析 控制。该方案中复杂的网络协议是通过e m g a t e w a y 在p c 机上实现的，应用系统 m c u 只处理较简单的e m n e t 协议，进行网际连接，如图22 所示。 p c l 系统+ e m n e tb = = = = = = o 叫 ( ) k ：= = = = 1 ，一 j 图2 2 采用专用嵌入式网络协议方式 ( 3 ) 把标准网络技术。直扩展到嵌入设备，由嵌入式系统自身实现w e b 服 务器功能。即采用m c u + t c p i p 协议形式。 对比上述三种实现方案，第三种方案在简洁、实用方便方面明显优于前两 者，是解决嵌入式仪表设备接入i n t e r n e t 的较好方案。 第三种方案的f c p i p 协议实现又分硬件固化和软件实现两种方式。硬件方 式指用网络芯片实现t c p i p ，形成独立于各种微控制器的专用芯片，通过其标 准的输入输出口，可与绝大多数单片机相连。目前市面上已有这种结构的芯片出 售，如韩国w i zn e t 公司的i 2 c h i pw 3 1 0 0 a 芯片，美国s e i k oi n s t r u m e n t s 公司 生产的i c h i p $ 7 6 0 0 等。这类芯片具有速度快、使用方便的特点。但对于现在只 实现简单应用的嵌入式设备来说，要连接完整协议无疑会增加硬件的成本，造成 浪费。软件方式是把t c p i p 协议以软件代码嵌入到r o m 中，这是同前最经济， 最易实现的方法，水文嵌入式w e b 服务器的设计就是采取了此种方案。 在软件方法具体实现时，又有以下两类不同的设计思想：对于高档m c u 片上 系统，如a r m 7 或3 8 6 e x 等，可运行嵌入式实时操作系统，实现较完整的1 1 c p i p 协议；对于低档的8 1 6 位m c u 的嵌入式系统，考虑到其系统速度和内存的限制， 不可能实现完整的t c p i p 协议，只能实现精简的t c p i p 协议。本章下面着重分 析了采用“8 位单片机十软件”方式( 如图2 3 ) 实现t c p i p 协议的一些要点。 图23 采用“8 位单片机卜软件”方式 智能化电桃保护揣信息化技术研究2 智能仪表接入 n l e m e t 方案及其实现分析 2 2 嵌入式t c p i p 协议栈的实现 t c p i p 协议栈是一个非常复杂和庞大的系统，它是i n t e r n el 互联网安全可 靠通讯的重要组成部分，通常在通用计算机和操作系统下实现。如何在价格低廉、 资源有限的嵌入式系统的环境中实现t c p i p 网络通讯功能首先需要了解t c p i p 协议。 2 2 1 t c p i p 协议简介1 2 i 很多f i 同的厂家生产各种型号的计算机，它们运行完全不同的操作系统，但 t c p m 协议族允许它们互相进行通信。t c p i p 起源于6 0 年代末美国政府资助的一 个分组交换网络研究项目，到9 0 年代已发展成为计算机之间最常应用的组网形 式。它是一个真正的开放系统，它成为被称作“全球互联网”或“因特网 ( i n t e r n e t ) ”的基础。 2 2 1 1 分层 网络协议通常分不同层次进行开发，每层分别负责不同的通信功能。一个 协议族，l b 女h t c p i i p ，是一组不同层次上的多个仂、议的组合。，r c p i p 通常被认为 是一个四层协议系统，如图2 4 所示。 应用层 运输层 网络层 链路层 t e l n e t 、f t p 和e m a i1 等 t c p 和u d p i p 、i c m p f n i g m p 设备驱动程序及接口卡 图2 4t c p i p 协议层次结构 每。层负责小同的功能： 1 ) 链路层，有时也称作数据链路层或网络接口层，通常包括操作系统中的 没备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。它们一起处理与电缆( 或其他任何 传输媒介) 的物理接口细节。 2 ) 网络层，有时也称作瓦联网层，处理分组在网络中的活动，例如分绀的 r 智能化i 匕机保护器信息化技术研究2 智能仪表接入i n t e r n c t 方案及c 实现分析 选路。在t c p f l l p 协议族中，网络层协议包括i p ( i n t e r n e tp r o t o c o l ：网际协议) 协议、i c m p ( i n t e m e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l ：互联网控制报文协议) l 办议 以及i g m p ( i n t e r n e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c o l ：互联网组管理协议) 协议。 3 ) 运输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在t c p i p 协议 族中，有两个瓦不相同的传输协议：t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c ol ：传 输控制协议) 干d u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ：用户数据报协议) 。t c p 为瓶台 丰机提供高可靠性的数据通信。它所做的工作包括把应用程序交给它的数据分成 合适的小块交给卜面的网络层，确认接收到的分组，设置发送最后确认分组的超 时时钟等。由于运输层提供了高可靠性的端到端的通信，因此应用层可以忽略所 有这些细节。而另一方面，u d p i x i t j 为应用层提供一种非常简单的服务。它只是把 称作数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不保证该数据报能到达另 一端。任何必需的可靠性必须由应用层来提供。 4 ) 应用层负责处理特定的应用程序细节，通常包括： t e l n e t ：远程登录。 f t p ( f i l et r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) ：文件传输协议。 。s m t p ( s i m p l em a i t r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) ：简单邮件传送协议。 s n m p ( s i m p l en e t w o r km a n a g ep r o t o c 0 1 ) ：简单网络管理协议。 。h t t p ( i l y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) ：超文本传输协议。 2 2 1 2 互联网的地址 互联网上的每个接口必须有一个唯一的i n t e r n e t 地址( 也称作i p 地址) 。i p 地址长3 2b i t 。五类不同的互联网地址格式如图2 5 所示： a 类 b 类 c 类 智能化电机保护器信息化技术研究2 智能仪表接入i n t e r n e t 方案及h 实现分机 e 类 其中，i p v 4 为所有私有网络保留了三组专用地址：1 0 0 0 01 0 2 5 5 2 5 5 2 5 5 1 7 2 1 6 0 0 一1 7 2 3 1 0 0 ，1 9 2 1 6 8 0 0 1 9 2 1 6 8 2 5 5 2 5 5 。 2 2 1 3 域名系统 尽管通过i p 地址可以识别主机上的网络接口，进而访问主机，但是人们最喜 欢使用的还是t 机名。在t c p i p 领域中，域名系统( d n s ：d o m a i nn a m es e r v e r ) 是个分布的数据库，由它来提供i p 地址和主机名之间的映射信息。 2 2 1 4 封装 当应用程序用t c p 传送数据时，数据被送入西议栈中，然后逐个通过每一层 直到被当作一串比特流送入网络。其中每层对收到的数据都要增加一些首部信 息( 有时还要增加尾部信息) 。t c p 传给i p 的数据单元称作t c p j = e 文段或简称为t ( 、p 段( t c ps e g m e n t ) 。i p 传给网络接口层的数据单元称作i p 数据报( i pd a t a g r a m ) 。 通过以爪网传输的比特流称作帧( f r a m e ) 。 u d p 数据与t c p 数据基本一致。唯一的不同是u d p 传给i p 的信息单元称作u d p 数据报( u d pd a t a g r a m ) ，而且u d p 的首部长为8 字节。 由于t c p 、u d p 、i c m p $ 口i g m p 都要向i p 传送数据，因此t p 必须在生成的i p 首部 中加入某种标识，以表明数据属于哪一层。为此，i p 在首部中存入一个长度为 8b i t 的数值，称作协议域。1 表示为i c m p 协议，2 表示为i g m p 协议，6 表示为t c p 协议，1 7 表示为u d p 协议。 类似地，许多应用程序都可以使用t c p 或u d p 来传送数据。运输层协议在牛成 报文首部时要存入个应用程序的标识符。t c p s b u d p 都用一个l6b l t 的端ii 弓柬 表示不同的应用程序。t c p s d u d p 把源端口号和目的端口号分别存入报文首部中。 网络接【】分别要发送和接收i p 、a r p ( a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c 0 1 ) 和 智能化i 乜机保护器信息化技术研究2 智能仪表接入i n t e r a c t 方案及其实现分析 r a r p ( r e v e r s ea d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c 0 1 ) 数据，因此也必须在以太网的 帧首部中加入某种形式的标识，以指明q i 成数据的嘲络层协议。为此，以太网的 帧首部也有一个1 6b i t 的帧类型域。 2 2 2 t c p i p 协议在嵌入式系统中的具体实现5 i 图26 基本协议流程图 智能化l 也机保护器信息化技术研究2 智能仪表接入i n t e r n e t 方案及其实现分析 t c p i p 协议最先是在u n i x 系统里实现的，后来的l i n u x 、d o s 、w i n d o w s 也 实现了7 f c p i p ，随后t c p i p 协议也被移植到其它嵌入式的处理器上。由于指令 的原因，以及资源上的原因，在u n i xl 实现的t c p i p 协议的源代码并不能直接 移植到8 位的单片机上。并且单片机根本没有足够的代码空间实现全部协议。一 般在单片机早只实现与需要有关的部分，0 i 使用的协议一概不支持。基于这思 想，我们在设计嵌入式i n t e r n e t 时就可以在i c p p 协议的了集中实现，从m 降 低没计的难度。下面就嵌入式i n t e r n e t 如何实现t c p i p 协议的要点问题加以详 细讨论。 t c p i p 协议栈通常包括a r p r a r p 、i p 、i c m p 、u d p 、h t t p 、s m t p 及丌p 等 l 办议。协议实现莳应首先明白各个协议之间的关系。基本的协议流程图如图2 - 6 所示。 链路层的主要作用是为上层协议发送和接收数据包。根掘物理层的不同，链 路层有很多协议选择。由于本论文主要实现基于嵌入式以太网的i n t e r n e t 远程 监控系统，【司时考虑适用的广泛性，所以只讨论以太网协议( 本文下述内容如不 加特别说明，所有的嵌入式i n t e r n e t 接入都是采用以太网方式) 。实现该f ，j - 议i t 以采用通用的网络接口控制芯片，这部分内容将在本文的第六章中详细分析。 2 2 2 1 链路层协议分析 链路层中需要重点分析的是a r p 协议。以太网上数据报的传输是采用网络的 m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 地址，即物理地址来进行识别的，这就要求系统 有实玑i p 地址到m a c 地址的转换功能，即a r p ( 地址解析) 协议。a r p 协议分成 a r p 请求协议和a r p 响应协议，系统要同其它计算机通信，就必须要实现a r p 请 求ju l q 应协议。a r p 请求协议建立了一个i p 地址到m a c 地址的映射即a i p 表， 如果嵌入式系统的资源有限( r a m 存储容量) ，可使用以太网广播帧发送数据分 组，也可以把数据分组发往一固定的路由器，由路由器转发数据分组。这两种方 式虽然都给网络造成了一定的压力，但可以大大节约嵌入式设备宝贵的资源。 r a r p ( 逆地址解析协议) 主要用于无盘工作站中，嵌入式i n t e r n e t 系统中无 须实现r a r p 协议。 2 智能化l 乜机保护_ ； 信息化技术珀f 宄2 智能仪表接入i n t e r n e t 方案驶儿实现分析 2 2 2 2 网络层协议分析 网络层主要负责按网络标准形式封装数据报。网络层协议包括i p ( 网际协 议) ，i c m p ( 控制报文协议) 和i g m p ( i n t e r n e t 组管理协议) 。 i p 胁、议使网络之问的通信成为可能。如果嵌入式i n t e r n e t 需要跨越不同的 网络进行通信就必须要实现i p 协议，所以i p 协议需要完整实现。 i c m p 协议主要用来传递差错报文以及其它需要注意的信息。i c m p 中规定了 多种协议类型和代码，如果完全实现要浪费不少的系统资源。对于普通的嵌入式 l n l ；e r n e t 的应用而言，能够测试网络的连通情况即可，因此只需实现i c m p 中类 型号为0 ，代码为0 的p i n g 应答协议即可。 网络层最后+ 个重要协议是i g m p 协议，它主要用于支持主机和路由器进行 组播。嵌入式i n t e r n e t 作为一种嵌入式设备接入i n t e r n e t 的技术，很少需要也 不必采用组播的方式进行通信。因此在通常的嵌入式i n t e r n e t 的设计中可以不 考虑实现i g m p 协议。 2 2 2 3 传输层协议分析 传输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。传输层有两种不同 的传输协议：t c p ( 传输控制协议) 和u d p ( 用户数据报协议) 。 t c p 是一种面向连接的协议，它提供高可靠性服务。通过使用顺序号和确认 信息，t c p 协议能够向发送方提供到达接收方的数据包的传送信息。t c p 是很复 杂的一个协议，本章要说明怎样简化t c p 协议使之能应用于单片机系统。目前情 况下都把嵌入式系统设计为w e b 服务器，把数据采集，运行参数等当前实时数据 存入r a m 中，t c p 协议只用支持h t t p 协议，在连接时只处在被动服务的状态， 所以可以将标准t c p 有限状态机的主动创建连接的s y ns e n t 状态省去。在设计 中还应省去c l o s e d 状态，让它开始就处于l i s t e n 状态，来监听客户端的连接 请求，避免了主动打开的操作，可更高效的应用于嵌入式设备。鉴于此提出了两 种简化t c p 协议的方案。 第+ 种方案最容易实现，如果网络的质量较高且对传输的性能要求不高， 可以来用此方案。下面详细分析： 智能化电机保护器信息化技术研究2 智能仪表接入i n t e r n e t 方案及其实现分析 嵌入式t c p i p l l | | 收到s y n 数据报 发出s y n + a c k 数据报 收到a c k 和请求数据报 ， 发送应答数据报 i 。 超时= 一关闭连接 关闭连接 ( a ) 嵌入式t c p 1 p u 收到。数据报 发出s y n + a c k 数据报 关闭连接k i 韶时收到a c k 和请求麴椐报 一 。一j j n v i 发送麻答数据报 收到a c k 应答数据报超吐 重发数据报l ， 关闭连接 i 超时n 次 关闭连接 ( b ) 图27t c p 处理数据报流程图 4 智能化i 也机保护器信息化技术研究2 智能仪表接八i n t e r n e t 方案及j l 实现分析 在u n i x 中，将端口号、i p 地址、序列号、窗口尺寸等和响应的传输控制块 t c b 结合，来标识不同的连接，可为不同客户的要求建立多个连接，并发执行。 而在嵌入式t c p 中实现如此复杂的操作不现实，也不需要建立多个t c p 连接。过 程可简化为当执行了必要的三次握手连接后，如果在定时间内没有接到包，则 关闭此连接；当从卜层协议传来一个报文时，不能比较报文段中的信息和r c b 中的信息来进行处理，因为并没有记忆过去所建立连接的有关信息，只能根据包 内的有关信息( 控制位和有无数据) 来判断所处状态，进行回应；嵌入式服务器端 因为不存储连接信息，只是对请求给予回应，给出回应后就立即关闭连接，不实 施四次握手关闭连接。这样可以做到对所有连接都响应，从而在有限的系统资源 的条件f 实现多连接。 由于网络问题出现超时丢包时，一般用超时重发机制来重发，而嵌入式系统 并不存储发出的数据包，因此不要考虑重发问题。当丢包后，对方接爿i 到确认包， 就会认为自己所发的包丢失，从而超时重发，而嵌入式系统此时再响应发包，仍 可保证可靠性。流程如图2 7 ( 8 t ) 所示。 如果嵌入式系统对数据报传输的可靠性要求较高，就可使用第种方案。第 一种方案与第种方案相比较，最大的区别是保留了简单的状态信息，以实现 功能更完全的t c p 协议：可以超时重发；可以三次握手建立连接和四次握手关闭 连接。用寄存器给每一个连接存入简单的状态信息，但并发的连接数要根掘r a m 所能存入的包数来决定。这种方案与p c 机上实现的t c p 协议又有很大区别，简 化如下：当嵌入式设备发出数据报时，并不存储这个数据包，只是记录下这个数 据报的状念信息。t c p 会规定一个时间，在这个时f s j 内如果没有收到响应包，就 重组这个包并发送，这样不需要用存储区来存储包，而熏传的次数由所需的可靠 。陀来决定。当收到客户机确认数据报后，就断丌连接；如果单片机的资源还算充 足，可以并发多个连接，也可以考虑在段时州内没有收到客户机的新数据再关 闭连接，这样可以充分利用每个t c p 连接。流程如图2 7 ( b ) 所示。 第二种方案在保征用户所需的可靠性的同时，也考虑到单片机的资源有限问 题，是嵌入式系统实现t c p 协议的一种比较好的方案。 传输层另外一个重要协议是u d p 协议。u d p 协议没有保证可靠性的机制，也 没有其它的关卡机制，可以实现全速地发送数据报。 背能化l u 机保护器f 膏息化技术州究 2 智能仪表接入i n t e r n e l 方案及扎实地分析 传输层有两个可选择的协议，理所应当就应该考虑该j = = i 那个协议传输数据 报。下面以实例说明：对楼宇散布各处的温度和湿度传感器的每秒一次的集中监 控来说，选用u d p 或t c p 都关系不大；而对于独立的、又不太重要的传感器监控， 选用u d p 也就够了；而对于需要传感器监控结果进入数据库的监控系统，因其可 靠性要求，则要用t g p 。由于微处理器的能力有限，不采用u d p 就难以上网的， 势必只能迁就于u d p ，如会议电视和i p 音响。实时播放的电视和音响传输率是 关键，也得选用u d p ，因为若选用t g p 会因可靠性要求而重新传数据，因此可能 错过了应播出的时阳j 反而引起混乱；再有，对于这种发与收应严格保持同步、宁 缺勿滥的应用还应在u d p 匕而的应用层增加数据顺序性的约束。剥于数据监控系 统，因传输可靠性的要求很高，照例应采用t c p 。w e b 和e m m l 也采用的是t c p 。 在此，本章对上层应用程序不予更加深入的讨论。因为在设计中用哪个应用 程序，主要是根据嵌入式系统的用途来确定。 2 2 3 单片机存储要点分析嘲 单片机存储是一个大家比较熟悉的问题，但是由于单片机要实现t c p i p 协 议，势