（电路与系统专业论文）基于CS和BS混合架构的远程测控系统的设计与应用实例[电路与系统专业优秀论文].pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：菹壶日期： 盘5 j 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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：本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盏盎 导师签名： 山东大学硕士学位论文 中文摘要 监控系统即数据采集与监视控制系统，又称s c a d a ( s u p e r v is o r y c o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统。它是以计算机为基础的生产过 程控制与调度管理自动化系统，可以对现场的运行设备进行监视和控 制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警 等各项功能。随着以互联阚为代表的信息技术的广泛应用，地域不再 是影响企业竞争的重要因素，所以研究设备的远程监控已成必然。远 程设备监控包括设备的远程数据采集、设备控制系统的远程调试和配 置、设各的远程控制和设备的远程维护。然而，在早期开发的计算机 监控系统中，广泛采用的是集中式结构。对于大规模监控系统而言， 集中式的体系结构己不能满足系统动态变化和扩展的要求。 在b s 和c s 混合架构的基础上，本文设计了一种基于i n t e r n e t 技术的测控系统的远程监控方案。该系统由四部分组成：监控中心( 负 责数据处理) 、工业现场( 负责数据接收、处理和发送) 、现场监控端 ( 负责在现场附近实时监控) 、远程监控端( 负责异地实时监控) 。为 满足监控的实时性、数据处理的复杂性、现场安全性要求，远程监控 实行b s 模式，现场监控采用c s 体系。 系统以一台装有w i n d o w s 操作系统的普通p c 作为监控中心，实现 数据采集、数据库服务、w e b 服务等功能，它一方面与现场监控计算机 利用w in d o w ss o c k e t 通信；另一方面接收来自工业现场的信息并向其 发送控制命令；最后通过i n t e r n e t 与远程监控端通信。 本文将对监控对象一一电子式弹簧拉压试验机的智能测控系统的 主要参数和状态信息进行实时采集和远程动态监控。具体说明智能测 控系统的设计及其与监控中心的通信、监控中心与现场监控端的通信 并对监控中心与远程客户端的b s 架构作概括说明。 关键词：嵌入式系统，b s ，c s ，t c p i p 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o n it o rin ga n dc o n t r 0 1 s y s t e m n a m e l y c o n t r o la n dd a t a a c q u is i t i o n ( a b s c a d a ) ，i sa na u t o m a t i z a t i o ns y s t e mo fp r o c e s s m o n i t o r i n g a t t e m p e r i n g a n d m a n a g i n g h a s e d0 n c o m p u t e r t e c h n 0 1 0 9 y b y m e a n so ft h is s y s t e m w e c a n i m p l e m e n t d a t a a c q u is i t i o n ，a p p l i c a t i o n c o n t r o l ， m e a s u r i n g 。p a r a m e t e r m o d u l a t i o na n d g iv e w a r n in g s i g n a l so fm a n yk i n d s w i t ht h e e x t e n s iv ea p p l ic a t i o n0 fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ye s p e c i a l l yw w w a r e ais n ta ni m p o r t a n tf a c t o ri nc o r p o r a t i o nc o m p e t i t i o na n y m o r e ：t h e r e f o r e ，t h e r eisn e c e s s it yt or e s e a r t hr e m o t e m o r t i t o r i n go fin d u s t r i a la p p l ic a t i o n e a r l yi nt h ed e v e l o p m e n t o fm o n it o t i n gs y s t e m c o n c e n t r a t i v es t r h c t u r eise x t e n s i v et a k e n h o w e v e ritc a n tm e e tt h ed e m a n df o rd y n a m icv a t i a tio na n d e x t e n s i o n b a s e do nt h em i x e dc o n s t r u c t i o no fc sa n db s t h is p a p e r c o n t r i g e sar e m o t ec o n t r 0 1s c h e m ef o re m b e d d e ds e r i a ld e v ic eb y v i r t u eo fi n t e r b e t t h es y s t e m e m p l o y s ag e n e r a l c o m p u t e r a s m o n i t o rc e n t e r ：f i r s t l y ，b yt h ee m p l o y m e n to fw i n d o w ss o c k e t ， i tc o m m u n i c a t e sw i t hf ie l d - m o r t i t o r c o m p u t e f s ：s e c o n d l y 。 i t r e c e iv e sin f o r m a t i o nf r o mt h ef i e l da n ds e n d so r d e rt ot h e e m b e d d e d d e v i c e s ：f i h a l l y ，i t c o n n e c t sw i t hr e m o t e - m o r t i t o r c o m p u t e r sv i ai n t e r n e t t h ep a p e rd e s c r i b e si nd e t a i lh o wt od e s i g nt h ee m b e d d e d t 0t e n s i o na n d c o m p r e s s i o n te s t i n gm a c h i n e a n d h o wt 0 c o m m h n ic a t ew i t hr e m o t ec l i e n t sv i ai n t e r n e t k e y w o r d ：e m b e d d e ds y s t e m b sc st c p i p 4 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着i n t e r n e t 技术的发展和网络可靠性的提高，人们对网络的应 用已不仅仅局限于人与人之间信息的交流，如何能让各种电子设备与 1n t e r n e t 相连、实现设备的远程监控，已成为今天信息界关注的焦点。 这些电子设备内部都有嵌入式微控制器( m c u ) ( 或称单片机) ，能 够获取、利用信息并具有一定的控制功能，亦可称之为嵌入式设备。 所谓嵌入式设备是指以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可 裁减、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等的要求的 专用机设备“1 。 随着i n t e r n e t 在社会各个领域的渗透，电子设备也开始向互联网 方向发展，以实现远程监控。传统上电子设备的远程控制一般都采用 串行口r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 等总线，这些通信协议的硬件资源一般都 集成在单片机上。这种方案连接距离比较近，需要布线比较多，并且 是一个封闭的系统。 本文将采用在监控地点附近作为监控中心的p c 机与单片机、现场 监控计算机连接，同时通过网络与作为远程客户端的p c 机通讯实现 单片机的in t e r n e t 远程控制。 1 2 目前现状 当前的m c u 大多数都是8 位或1 6 位的，处理速度和内存先天不足， 再加上无操作系统和丰富的硬件接口支持，要较为完整地在一片m c u 上 实现t c p i p 协议和系统本身的控制功能几乎是不可能的。因此，要实 现基于m c u 的嵌入式系统接人i n t e r n e t ，在技术上有一定难度。 目前采取的策略主要来自两方面的考虑：一是精简t c p i p 协议 组，尽量省去不必要的协议；二是采用一片已在其上实现了t c p i p 的 芯片，专门充当系统的通信控制器”1 。当前，比较好的解决方案主要 山东大学硕士学位论文 有以下三种。 夺采用t c p i p 专用芯片 该方案将m c u 应用系统和内部固化了t c p i p 协议的芯片相结合。 m c u 应用系统借助t c p i p 专用芯片，通过直接拨号或者与以太网相连 的方式接人i n t e r n e t ，硬件电路相对简单，无需其它中间环节的支持。 但由于t c p i p 协议实在复杂，没有一个专用芯片会实现所有的协议 组，所以这些t c p i p 专用芯片都有各自的局限性，并不一定符合用户 的具体要求。另外每一个电子设备都要申请一个i p 地址，i p 地址资源 是有限的，使用时还要付费，成本较高。采用这种方案的产品主要有 s c e l l ixs e m ic o n d u c t o r 公司的s x s t a c k ，s e i k o 公司的s 7 6 0 0 a 和r a b b i t 公司的r a b b i t2 0 0 0 芯片等。 夺利用网关技术 如图1 1 所示，整个系统通过一个网关与i n t e r n e t 连接，系统中的 m c u 只使用简单的、与网关通信的协议。该方案的优点是：( a ) 由于复 杂的t c p i p 网络协议是通过网关在p c 机上实现的，而m c u 只使用较简 单的内部协议，因而对m c u 的要求相当低，这样就将m c u 从复杂的协议 中解放出来，致力于应用系统的实现；( b ) 由于有了网关，整个实时控 制系统就有了统一的管理，与i n t e r n e t 相连只需在网关上设一个i p 地 址，使成本明显降低，同时大大增加了系统的实用性。目前市场上比 较流行e m w a r e 公司开发的e m i t ( e m b e d d e dm i c r oi n t e r n e t w o r k i n g t e c h n 0 1 0 9 y ) 技术就是采用这一方案。 图1 1 利用网关技术的实现方案 夺最原始的也是最直接的方案 该方案采用一片m c u 实现t c p i p 协议，并作为接入i n t e r n e t 的专 用通信控制器，它的作用和方案一中的专用芯片一样，将系统接入 in t e r n e t 。只不过方案一采用的是已固化的商业化的专用芯片，系统 集成方便工作量小。而本方案是要自行实现复杂的t c p i p 协议，研 6 山东大学硕士学位论文 发周期将大大增长。但是，由于是自己实现通信协议，就可以针对不 同的系统采用不同的协议，这种灵活性非常符合嵌入系统可裁减和量 身定做的特点。另外，对于研究m c u 系统接入i n t e r n e t 的核心技术来说， 这是一个不错的方案。一旦掌握了核心技术，就可根据一些固定的应 用，开发出专用的接入i n t e f n e t 的通信产品供用户使用。图1 2 为依据 该方案设计的实现m c u 接入以太网的原理框图。 巫互 母区亚亘，回 图1 2 实现m c u 接入以太网的原理框图 实现嵌入式设备的入网与p c 不同：第一，普通微控制器的系统资 源和运算速度无法运行复杂的t c p i p 协议；第二，微控制器型号各异， 指令系统各不相同，开发价值不菲。考虑到以上各点，本文将采用各 种嵌入式设备通过具有网关功能的p c 接入i n t e r n e t 的方式。与其他的 嵌入式系统网络接入技术比较，这种方式的优点在于，不需要在嵌入 式系统上有本地操作系统( n a t iv eo s ) ，也不需要在嵌入式系统上实现 t c p i p 等网络通信协议，由此大大降低了对硬件的需求，只要能实现 串口通信就可以实现网络接入，使其可以应用在更广泛的领域。 1 3 研究意义 在当前数字信息技术和网络技术高速发展的后p c ( p o s t p c ) 时 代，嵌入式系统已经广泛的渗透到科学研究、工程设计、军事技术、 各类产业以及人们的日常生活等方方面面。将嵌入式系统接入 in t e r n e t 、利用廉价的网络资源实现设备的远程监控是嵌入式系统发 展的方向之一。嵌入式串行设备的应用历史久远，在i n t e r n e t 日益发 展的今天，实现串行设各的远程监控具有重要的现实意义和紧迫性， 本文将以电子拉压试验机智能测控系统的远程监控实现为例，利 用廉价的i n t e r n e t 资源实现工业实时系统的远程监控，建立基于c s 和b s 混合架构的工业实时远程监控体系，实现工业实时数据的动态 发却和工业过程的远程监控，这无疑是个有意义的实用性很高的课 山东太学硕士学位论文 题。 1 4 课题任务 为实现嵌入式设备联网，一个现实的做法是采用专用网络( 如 r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a nb u s 等) 把一小批单片机连接在一起，然后再将该 专用网络连接到一个p c 上，该p c 作为监控中心将专用网络上的信息 存储到数据库服务器，既可以w i n d o w ss o c k e t 方式与现场监控端通信， 亦可以转化为t c p i p 协议数据包，发到网上实现信息共享和远程监控。 监控中心的作用是完成协议的解释、转换、执行及其数据的存储处理， 由一台w in d o w s 操作系统( 或其他操作系统) 为平台的普通p c 来实现。 一方面它支持复杂的in t e r n e tt c p i p 协议，完成协议的转换、封装 和传送，从而允许客户端通过i r l t e r n e t 来远程访问它：另一方面需与 微控制器系统组成的轻型网络进行通信；最后还需与现场监控机组成 c s 体系结构，进行数据的采集、处理并保证系统的安全性。 本课题以拉压试验机的智能测控系统接入1 1 1 t e r n e t 为例讨论了嵌 入式串行设备接入in t e r n e t 的方案，主要解决三个方面的问题：一是 监控中心与远端p c 客户机之间的通讯，采用b s 模式，嵌入式设备通 过此体系接入i n te r t i e t ；二是使用d e l p h i 语言实现c s 体系；三是拉 压试验机智能测控系统的具体设计及其与监控中心的串口通信。 2 1 串口通信 第二章相关概念和技术 常用的串口通信有r s - 2 3 2 和r s - 4 8 5 两种，近年来相当盛行的u s b 及i e e e 一13 9 4 属于串行通信的扩展”1 。 r s 一2 3 2 的通信端口是每台计算机上的必要配置，通常含有c o m l 与c o m 2 两个端口。r s 一2 3 2 不仅实现简单，而且价格便宜，数码相机、 调制解调器等都提供r s 一2 3 2 作为与计算机通信的接口。 山东大学硕士学位论文 工业环境中进行串行通信时，通常会有噪声干扰传输线路，在以 r s 一2 3 2 进行传输时经常会受到外界的电气干扰而使得信号发生错误。 为此r s 一4 8 5 的通信方式应运而生。r s 一4 8 5 的信号( d ，) 被发送出去时会 分成正( d ) 负( d 一) 的两条线路，当到达接收端后再将信号还原成原信 号。即：( d ) = ( d + ) 一( d 一) 。这样如果此线路受到干扰，两条传输线上的 信号分别成为( d + ) + n o is e 及( d 一) + n o is e 。接收端接收后合成的运算 式是：( d ) = ( d + ) + n o is e 卜 ( d 一) + n o is e = ( d + ) 一( d 一) ，与原信号相同。所 以使用r s 一4 8 5 网络可以有效防止噪声信号的干扰，工业上的应用较适 合此种方式。 为了集成般计算机所使用的外围设备的连接方式，串行通信技 术史上出现了通用串行总线( u s b ) 接口。在此之前，每一种设备与计 算机通信都要使用一条专用的连接线与计算机后面的接头相连，使用 不方便。相同的外围设备若采用u s b 接口，则连接时只需用串接的方 式将各个设备连接在一起即可；如果设备较多，也可以使用u s b 集线 器进行集中管理。设备也可以有w i n d o w s 所支持的“即插即用”功能。 另外u s b 采用的速度高达1 2 m b p s ，而一般r s 一2 3 2 的最快传输速度为 115 k b p s 。 i e e e 1 3 9 4 ( 也称为f i r e w i r e ，火线) 与u s b 一样拥有即插即用功 能，同样具有使用容易和便利等优点，但i e e e 一13 9 4 在高速传输上有 优势，传输速度可达l0 0 0 m b p s ，另外还可提供异步和同步两种串行通 信方式。 2 ，2串口设备远程监控功能的实现 为适应在不同场合下进行串口远程监控的需求，目前已提出多种 串口设备远程监控解决方案“1 ： 夺长线驱动 通过驱动延长通讯距离是最简洁的做法。在小功率应用中，使用 双绞线，传送距离可以达到15 0 0 m ，采用串口窃电技术，小功率长线 驱动不必外部供电。在大功率应用中，采用外部供电的放大器，通讯 山东大学硕士学位论文 距离可以进一步延长到i o k m 。长线驱动通常都带有光电隔离，必须成 对使用。长线驱动通过放大，增强了信号的驱动能力。延长了串口的 传送距离。但是，它无法改变串口设备和上位计算机的拓扑结构。串 口设备和上位计算机为一对一的关系( 见图2 1 ) 。 匝受乎臣郾绞籼匿匾酽圆 图2 1 长线驱动方案 夺调制解调器( m o d e m ) 调制解调器采用了移频键控技术( f 5 k ) ，把0 1 数字信号调制到 双音频载波上，这佯就能够通过固定电话网来传送串口信号。m o d e m 必须成对使用。该方案中，通过电话交换设备作中介，串口设备和上 位计算机构成了多对多的星形拓扑关系。通过电话号码寻址，1 台计 算机能够访问多台串口设备，每台串口设备能够被多台计算机分别访 问( 见图2 2 ) 。m o d e m 对串口的通讯距离做出了极大的延伸。m o d e m 方案属于星形拓扑结构，每台串口设备和电话交换设备之间、每台计 算机和电话交换设备之间都必须敷设专用线路。当串口设备或者计算 机的位置变化时，必须重新敷设线路。使用外线电话时会有较高的通 讯费用。 图2 2 调制解调器方案 夺串口设备服务器 串口设备服务器通过硬件手段，直接把串口转换成网口，其实时 性好。如图2 3 所示。在数据发送侧，串口信号通过串口设备服务器转 换成数据包的形式，从网口进入以太网。数据接收侧计算机中装有虚 拟串口驱动程序，并创建虚拟串口。通过参数设定，计算机的虚拟串 口和远端的真实串口建立对应关系。工业用串口设备的通讯波特率为 9 6 0 0 1 9 2 1 0 0 b p s ，而以太网带宽为l o m b p s 、1 0 0 m b p s 甚至1 0 0 0 m b p s ， 0 山东大学硕士学位论文 所以在一个以太网中，可以同时传送成千上万路串口信号。串口设备 服务器把串口设备的通信距离延伸到以太网能够到达的任何地方。串 口设备和上位计算机构成多对多总线拓扑关系，通过i p 地址和串口号 寻址。由于是总线拓扑结构，当串口设备或者计算机的位置变化时， 不需敷设专线，只要附近有以太网就行。 口设鲁il 审口i 爱鲁 ii 计算机l i 计算机 口设鲁鲁il 口饿鲁m j l i li 童拽审nl l 直拙口 u 太一 图2 3 串口设备服务器方案 软串口设备服务器 本方法用软件代替价格昂贵的硬件串口设备服务器( 见图2 4 ) 。串 口设备把数据送到本地计算机，计算机中的串口服务器软件再通过网 口把串口数据包发送到以太网；远程计算机中的软串口客户机软件从 以太网接收串口数据包。并将监控命令反馈到串口设备。软串口设备 服务器的性能和串口设备服务器相似。在开发软件时，要注意搞清串 口设备的通讯协议和串口数据的传送格式。 图2 4 软串口设备服务器方案 夺无线数传电台 当地面没有可以利用的通讯介质时，可使用无线通讯方式( 见图 2 5 ) 。传送串口数据有专门的无线电台。称作无线数传电台。无线数 传电台采用扩频多址通讯技术。在数据发送侧，将串口数据调制变成 带宽为b ，的基带信号，再用扩频编码发生器产生伪随机编码( p n 码) 对基带信号作扩频调制，形成带宽为b ：( b ：远大于b ) 且功率谱密度极 山东大学硕士学位论文 低的扩频信号发射出去。在数据接收侧，用与发射时相同的伪随机编 码作扩频解调，把宽带信号恢复成常规的基带信号，然后再用常规通 讯处理数据，解调发送来的串口数据。由于一般干扰都是窄带的，所 以扩频通讯的抗干扰性特别好。无线数传电台带有串行通讯接口，串 口传送速率9 6 0 0 - 一1 9 2 0 0 b p s ，内置无线m o d e m 。通讯距离有几十公里。 拓扑结构为一对一或者一对多。无线数传电台使用时不需要支付通讯 费用。 夺移动无线接入终端 图2 5 无线数传方案 图2 6 移动无线方案 移动通讯接入商建造了很多分布广、性能优异的通讯中转基站， 不必自己建立基站就能实现串口设备的移动无线通讯( 见图2 6 ) 。 最常用移动网有g s m 和g p r s 两种。g s m 基站覆盖广，缺点是通讯速率 低，只有9 6 0 0 b p s ，且通讯费用按时间计算，价格较贵。g p r s 基站较 少，优点是通讯速率高，通讯费用按流量计算，价格便宜。串口设备的 移动无线通讯可以使用无线m o d e m 或短消息( s m s ) 方式。无线m o d e m 方 式利用无线接入终端内置的调制解调器。短消息方式利用移动网的短 消息收发功能。短消息适合数据量较小、不连续发送的场合。一条短 消息可以传送1 4 0 个a s c i i 字符或者7 0 个汉字。短消息发送覆盖很广 通讯费用很低。 本文拟采用软串口设备服务器方式。 山东大学颂士学位论文 系统配景中需要功能较强的p c 枫实现服务器功能，与单片机的通 讯仍采用传统方式，作为监控中心的p c 机，内部用软件实现网关功能， 目前流行的e m w a r e 公司的单片机互联网方案就是这种配置，这样单片 机只需要很少的软硬件资源就可以改造成与互联网通讯的方式，其主 要功能由p c 机来实现，这样很容易实现远程监控。但目前大多数计算 机采用的互联网都是地址浮动，要使每个单片机都有一个固定的i p 地 址，使远程计算机都能直接访阅到该单片枫，显然i p 旗址不够。一方 面目前的1 p 地址分配仍采用i p v 4 协议，这是一个3 2 位地址地址容 量有限。虽然i p v 6 目前正在制订中，地址可增加至6 4 位，理论上讲 每个单片机都可以有一个i p 地址，但庞大的i p 地址会使管理困难。 同时所有设备都直接连在i n t e f n e t 阏上，安全性较低。所以通用的解 决方法是采用网关，使内部单片机与外部i n t e r n e t 隔离，例如一个车 间内的单片枧利用轻型网络缀成一个局域网，通过网关与外部连接。 本系统中监控中心的功能类似于网关，不需要很多p c 资源，用户可以 在远程通过此中心与单片机系统连接，实现远程监控各个计算机。 2 3t o p 、u d p 、ip 协议 砖拱 表示层 会话屡 传输层 爵络层 敦撮链路屡 物理层 图2 7o s i 模型和瘸络协议方案 对应o s i 七层模型，t c p 和u i ) p 扔议是位于传输层的协议，而i p 位于网络层。如图2 7 所示。 t c p 是传输控制协议，它是一种匿向连接的协议，它向用户提 供可靠的全双工的字节流，t c p 关心确认、超时和重传等具体细节a 大 多数】n t e r n e t 应用程序使用t c p ，因为它是一种精致的、可靠的字节 山东大学硕士学位论文 流协议。t c p 套接口是流套接口的一种。应用程序利用t c p 进行通讯时， 发起方和接受方之间会建立一个虚拟连接，通过这一连接，双力可以 把数据当做一个双向的字节流来进行交换 打个比方，面向连接的服务就像是打电话。我们从摘机拨号开始， 到拨通后建立连接、进行通话，再到挂机断开连接这一过程，正是抽 象的面向连接服务的具体表现。首先，开始通话前，我们拨号，对方 响应，从而建立一条虚拟“链路”。只有双方都处活动状态，这条“链 路”才会保持存在。其次，我们可以通过这条“链路”进行双向的会 话，并且在一般情况下，我们可以通过对方的问答来确定对方是否已 经正确的听到了我们所说的话，这相当于面向连接协议为保证传输无 误而进行的额外校验。 与面向连接的服务正好相反，无连接服务则不管目的方是否处于 待接收状态，源方只管将信息发送给目的方，也不管目的方是否接收 到了该信息，以及接收到的信息是否无误。u d p 是用户数据报协仪，数 据传输方法采用的是数据报。它是一种无连接协议。u d p 是一种简单的、 不可靠的数据报协议，与t c p 不同，u d p 不能保证每一个u d p 数据报可 以到达目的。u d p 套接口是数据报套接口的一种。 也打个比方说，无连接的服务就像是我们邮信。我们只需封好信 封，将其投到邮筒中，我们不能保证邮局会把信件发送出去和信件在 发送过程没有被损害。 面向连接的服务和无连接服务各有其优缺点。 面向连接的服务能够保证通信双方传递数据的正确性，但它却要 为此进行额外的校验，同时，通信双方建立通信信道也需要许多系统 开销。 无连接服务最大的优点就是速度快，因为它不用验证数据完整性 也不为数据是否已接受操心。 i p 是网际协议。i p v 4 ( 我们通常就称之为i p ) 自8 0 年代早期以来 一直是网际协议族的主力协议，它使用3 2 位地址，为t c p 、o d p 、i c m p 和i g m p 提供递送分组的服务。9 0 年代中期，又设计出了用以替代i p v 4 的ip v 6 它使用1 2 8 位的大地址。 山东大学硕士学位论文 2 4d el p hi 语言 2 4 1 关于d e i o h 十分流行的开发工具d e l p h i 是i n p r is e ( 原b o r l a n d 公司) 的主要 产品之一，是基于w in d o w s 的面向对象的可视化软件开发工具，具 有高效、优化和可扩展的数据库技术的优点，现已发展到d e l p b i8 a r ic h i t e c te d i t io r l ( 设计师架构版) 。 面向对象的程序设计( o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g ，简记为o o p ) 是d e l p h i 诞生的基础。o o p 立意于创建软件重用代码，具备更好地模 拟现实世界环境的能力，这使它被公认为是自上而下编程的优胜者。 它通过给程序中加入扩展语句，把函数“封装”进w i n d o w s 编程所必需的“对象”中。面向对象的编程语言使得复杂的工作条理 清晰、编写容易。说它是一场革命，不是对对象本身而言，而是对它 们处理工作的能力而言。对象并不与传统程序设计和编程方法兼容， 只是部分面向对象反而会使情形更糟。除非整个开发环境都是面向对 象的，否则对象产生的好处还没有带来的麻烦多。而d e l p h i 是完全面 向对象的，这就使得d e l p h i 成为一种触手可及的促进软件重用的开发 工具，从而具有强大的吸引力。一些早期的具有o o p 性能的程序语言 如c + + ，p a s c a l ，s m a l l t a l k 等，虽然具有面向对象的特征，但不能轻 松地画出可视化对象，与用户交互能力较差，程序员仍然要编写大量 的代码。d e p h i 的推出，填补了这项空白。用户不必自己建立对象，只 要在提供的程序框架中加入完成功能的代码，其余的都交给d e l p h i 去 做。欲生成漂亮的界面和结构良好的程序丝毫不必绞尽脑汁，d e l p h i 将帮助您轻松完成。它允许在一个具有真正o o p 扩展的可视化编程环 境中，使用它的o b j e c tp a s c a l 语言。这种革命性的组合，使得可视 化编程与面向对象的开发框架紧密地结合起来。 d e l p h i 的程序设计是基于事件驱动的。事件驱动围绕着消息的产 生与处理展开，d e l p h i 系统为我们提供了一个自然、彻底的事件驱动 山东大学硕士学位论史 开发环境，为我们准备了各种事件的驱动接口，开发者编程的重点是 在事件处理上，只要将相应的处理程序“对号入席”就行了。 可视化是指可视化的开发环境，在许多面向对象开发工具中均提供 可视化的开发外埔。这种开发环境使设计者可以在整个设计与开发的 过程中能对所开发的应用程序的外观有一个消晰的了解，而不必通过 代码的运行才能见到运行时的外观效果。例如，设计者在设计阶段可 以在窗体中布设界面组件，可以通过简单的操作设置它们的颜色、形 状、大小及初始选项等，并可调整它们的位置，直到设计者满意为止。 这种所见即所得的可视化的开发方式使系统的开发变得直观方便，且 易于控制。d e l p h i 提供了大量可视化的组件( 类) ，这些类体系完整， 能满足各类程序的需要。 d e i p h i 具有功能强大和性能良好的数据库管理系统，d e l p h i 提供 了一些数据库的操作工具，使用这些工具无需通过应用程序即可对数 据库进行各种操作。其数据库管理系统具有以下特点： 将程序设计语言与数据库操作语言相结合： 在数据管理中引入面向对象的概念：通过对象来管理数据，将数据 管理的文件细节封装在对象之中，d e l p h i 提供了各种类型数据存取和 控制组件，使用这些组件及其相应的编程接口。使得数据库应用程序 的设计过程变得直观、形象而又十分简单： 采用开放式平台：d e l p h i 数据库可以选择p a r d o x 、d b a s e 、i n t e r b a s e 等基本类型，并且可通过“开放式数据链接包”识别共它类型的数据 库； 强大的网络数据库功能：d e i p h i 系统支持网络应用程序的实现，使 用d e i p h i 数据库管理系统，不仅可以建立用于局域网的数据库应用程 序，而且可通过建立w e b 数据库，将数据库中的信息在互联网上进行 发布。 2 4 2d e lp h i 编写网络程序的方式 d e l p h i 在编写网络程序时可使用多种方式 6 山末大学硕士学位论文 ( 1 ) 使用d e l p h i 的网络组件 d e l p h i 支持强大的网络程序编写组件，涉及网络编程的p a l e t t e r 很多，如w e b s e r v ic e s 、j n t e r b a s e 、i n t e r n e t e x p r e s s 等，其中的 i n t e r n e t 和f a s t n e t 组件涵盖了从底层s o c k e t 编程到高层f t p 、s m t p 、 h t t p 等应用协议封装各个方面。应用这些组件我们能完成大部分常 规的网络应用程序的编写，同时还能节约时间，提高开发效率。 ( 2 ) 使用第三方网络组件 d e l p h i 编写组件的功能十分强大，而d e l p h i 在世界上众多的支持 者和爱好者们利用这一功能，写出许多封装好各种应用的组件供大家 使用，在互联网上发布。其中有许多网络组件都功能强大应用方便。 可以便我们的编程事半功倍。 ( 3 ) 使用w in s o c ka p l w i n d o w ss o c k e ta p i 是m ic r o s o f tw i n d o w s 的网络应用接口，常 常简称为w jn s o c ka p l 。它是个基于s o c k e t 模型的a p i ，包含一个标 准的b e r k e le ys o c k e t s 功能调用的集合，以及许多专为w i n d o w s 所作 的重要扩允。在d e l p h i 中，支持所有的w i n s o c k e ta p i 调用。使用该 方法编写网络应用程序的特点是较利用组件更加底层，控制上更为灵 活、全面、细致，但方法也要比利用组件复杂。 ( 4 ) 利用自己编写的网络组件 自己编写网络组件的难度相对来说较大，一般来说，我们只在完 成某些特殊的网络应用，又需要大多数程序员对其细节隔离时，才采 用这种力式。 ( 5 ) 利用a c t iv e x w i n d o w s 系统有着丰富的a c t i v e x 组件，其中的网络a c t iv e x 组件 不乏功能强大、集成度很高的优秀者。d e l p h i 是可咀利用各种a c t i v e x 组件的，它使程序编写更为轻松，可以更好的利用已有资源，避免重 复劳动。但是，利用a c t iv e x 组件，也存在着许多缺点，例如因无法 得到a c t iv e x 组件的源代码，对其内部细节不了解，在应用过程分析 和处理过程都较复杂，而且在程序开发过程中，常常需要包含该 a c t iv e x 组件，并在要安装时加以注册，增加了难度。 山东大学硕士学位论文 以上我们列举了d e lp h i 在编写网络相关程序时常采用的几种方 法，其实在实际编写的过程中，要具体情况具体分析，并不能拘泥于 某一定式，有时还要将各种方法结合使用以得到最佳的编程效果。本 文使用w i ns o c ka p i 实现客户端和服务器端的软件编程。 2 4 3w i1 9 s o c ka pi s o c k e t ( 即“套接字”) 可以让应用程序通过网络与其他系统通 信，我们可以将其理解为可以被命名和寻址的通信端点。利用s o c k e t 来进行网络通信的开发，可以根据需要采用不同的通信方式，提供不 同等级的服务质量( q o s ) ，为通信的顺利进行提供了强大的支持和极大 的灵活性。 w i n s o c ka p i 是s o c k e t 模型在w i n d o w s 操作系统下的具体实现。 对于众多的基层网络协议来说，在w i n d o w s 平台下，w i n s 0 c k 是访问它 们的首选接口，w i n s o c k 是网络编程接口，而不是协仪，它构成了 w i n d o w s 平台下进行网络编程的基础。从程序员的角度看，w i n s o c ka p l 是一组用c 语言编写的a p i ，用于通过互联网进行数据传输。虽然现在 有很多现成的工具如w w w 浏览器、f t p 程序可以实现在i n t e r n e t 上传 输数据和文件，但是，从源程序开始的w i n s o c k 编程可以获 ；晕更大的 灵活性和更高的效率。编写过w i n d o w s 应用程序的程序员都知道，利 用w i n s o c k 编写应用程序绝对不是一件轻而易举的事情。幸运的是， 在d e l p h i 中t c l ie n t s o c k e t 和t s e r v e r s o c k e t 组件对w i n s o c ka p i 进 行了封装，使得我们对w i n s o c ka p i 的调用大大简化。 在使用该组件编写网络应用程序之前，先了解s o c k e t 通信的基本 原理。 要通过网络传输数据，至少要跟一对s o c k e t 打交道，其中一个在 客户端，一个在服务器端。一旦客户端和服务器端的s o c k e t 接通，客 户端和服务器端就可以相互通信。用s o c k e t 建立的连接是构建在t c p i p 协议基础上的，同时，它也支持其他相关的协议，如i p x s p x 等。d e l p h i 分别用t c l i e n t s o c k e t 组件和t s e r v e r s o c k e t 组件来操纵 山束大学硕士学位论文 客户端s o c k e t 和服务器端s o c k e t 的连接和通信。这两个套接字控件 简化了w i n d o w s 环境下的t c p i p 编程。t c l ie n t s o c k e t 控件可以通过 程序设定通信端口，设置i p 地址，发送相应数据。t s e r v e r s o c k e t 控 件监听客户端数据，但必须设置与t c l i e n t s o c k e t 一致的通信端口。 使用套接字控件时，使用下列属性确定主机和服务： a d d r e s s 属性用于指明要连接的服务器的i p 地址，其“优先级” 没有h o s t 属性高； 1 1 0s t 属性指明的是要连接的服务器的主机名； p o r t 属性用来指明服务器的端口号，对应于服务器上的某个特定 服务( 端口号分为已知端口、已注册端口、动态或私用端口。0 1 0 2 3 由i a n a 控制，是为固定服务保留的，如f t p 和h t t p 对应端口2 1 和8 0 ； 1 0 2 4 4 9 l5 1 是i a n a 列出来的，已注册的端口，供普通用户的普通用 户进程或程序用；4 9 1 5 2 - - 6 5 5 3 5 是动态或私用端口) ： s erv ic e 属性用来指明服务器上的“己知”服务。 7 r c l ie n t s o c k e t 和t s e r v e r s o c k e t 控件内部都是消息驱动的发送、 接受、连接错误等消息事件都会触发相应的函数，程序需要在相应的 函数里填入相应的执行代码完成相应的任务。 对应于o s i 七层参考模型，w i n s o c ka p i 是位于会话层和传输层之 间的，它提供了一种可为指定的传输协议( 如t c p 、0 d p ) 打开、进行和 关闭会话的能力。在w i n d o _ i i r s 操作系统下对o s j 七层参考模型的上三 层( 即应用层、表示层和会话层) 进行网络编程时，就要通过w i n s o c k a p i 和位于系统内核的t c p ( u d p ) 、l p 协议栈部分来打交道。每个 t c p u d p 连接都是通过端口实现的，端口用一个1 6 位数字表示，i p 地 址加上t c p i p 端口可以指定一个i n t e r n e t 连接( 套接字) 。 2 5 多线程技术 一般的串行通信方式有两种：一种是轮询( p 0 1 l i n g ) 方式，不断 检测是否有数据被接收或是事件发生；另一种是建立线程，由线程进 行数据的发送接收和事件的检测。 9 山东大学硕士学位论文 如果是简单的串行通信动作，一般使用轮询方式：若是动作较复 杂，可以另外建立独立的组件执行串行通信功能。本文拟采用后者。 w if l o w s9 8 以后的系统采用一种全新的任务调度策略，它把一个进 程划分为多个线程。每个线程轮流占用c p u 的运算时间，操作系统不 断的把线程挂起、唤醒、再挂起、再唤醒，如此反复，由于现代c p u 运行速度比较快，给人的感觉是多个线程同时执行，犹如多个c p u 在 同时执行。 在讨论多线程之前，有必要明确进程和线程的概念：所谓进程， 就是操作系统要完成的作业，通常就是调入内存正在执行的程序。系 统为每个进程单独分配一个虚拟的地址空间，线程之间可以共享进程 的全部数据和资源。根据线程的优先级，操作系统分配c p u 的运算时 间。若优先级相同，则均匀分配。当一个线程占用c p u 到预定的时间 后，系统就把它挂起，然后唤起下一个进程。若优先级不同，只有当 将优先级较高的线程被挂起时，优先级较低的线程才有被唤起的机会。 系统将应用程序启动后，自动创建一个主执行线程，用户根据需要 在应用程序中创建其它线程，多个线程并发的运行在同一个进程中 一一个进程的所有线程都在该进程的虚拟地址空间中，使用这些虚拟地 址空f b j 、全局变量和系统资源，所以线程之间的通讯比进程之间的通 讯容易。 进行多线程程序设计时，要充分考虑到设计的可行性和安全性 发挥并行运行的高效性，最大限度地提高程序的效率。 在d e l p h i 下进行多线程程序设计并不需要过多学习庞大的w i n 3 2 p l 函数，可以利用d d e l p h i 下标准的多线程类t t h r e a d 来完成多线程