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基于嵌入式w e b 服务器的测控系统的开发 中文摘要 基于嵌入式w e b 服务器的测控系统的开发 中文摘要 嵌入式测控系统是当前工业自动化测控应用领域研究的热点之一。近年来，嵌入 式w e b 成为实现嵌入式测控系统主要方式之一。本文利用f r e e s c a l e 公司2 0 0 4 年年底 推出的集成了以太网模块的m c 9 s 1 2 n e 6 4m c u ，实现了嵌入式w e b 服务器，并在此 基础上，给出了基于嵌入式w e b 数据采集与控制系统的应用框架。 文章首先介绍了嵌入式测控系统的相关基础，接着详细阐述了以m c 9 s 1 2 n e “ 为主控芯片的嵌入式w e b 的测控系统的设计思想以及软硬件的实现。系统利用 m c 9 s 1 2 n e 6 4 内部1 0 位a d 模块和扩展1 2 位a d 芯片t l c 2 5 4 3 的方法，实现了多 达3 0 路的数据采集，利用主控芯片的以太网模块实现了嵌入式以太网驱动，并详细 给出了裁减的、适合嵌入式系统的t c p i p 协议的实现算法。同时编制了对多台嵌入 式w e b 测控仪器的采集和控制信息进行集中管理的总控软件。作为本文方法的可行 性的测试与验证，文章给出了利用该嵌入式w e b 对苏州西塘河的3 个闸站的室内温 度等物理量进行采集与控制。实验表明，本方案可行，且给出的软件、硬件系统性能 稳定，可以定制应用到实际的测控系统中。 本文的研究成果对于低端嵌入式产品和嵌入式以太网技术的深入应用具有参考 价值和实际意义。 关键词：嵌入式w e b 服务器，m c 9 s 1 2 n e 6 4 ，远程测控，t c p i p ，以太网 作者：郑洪静 指导老师：王宜怀 丝! 里! ! ：里旦! 旦! ：! ! 1 2 1 1 型! ! 坚! 竺! 堡型翌! ! ! ! 塑! ! z 塑翌! 竺塑! ! ! 坐! ! 塑! 堕! ! ! ! 竺 t h ed e v e l o p m e n to fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m b a s e do ne m b e d d e dw e bs e r v e r a b s t r a c t t h ee m b e d d e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mi so n eo f t h e r e s e a r c h i n gh o t s p o t si n m o d e mm e a s u r e m e n t & c o n t r o lf i e l d sa tp r e s e n t i nr e c e n ty e a r s t h ee m b e d d e dw e bh a ss s e r v e da so n eo fm o s ti m p o r t a n ta p p r o a c h e si nm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ：t h e p a p e rh a sg i v e na na p p l i c a t i o nf r a m e w o r ko fr e m o t ed a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o ls y s t e m b a s e do ne m b e d d e dw e b ，u t i l i z i n gm c 9 s 1 2 n e 6 4m c ui n t e g r a t e de t h e m e tm o d u l e b r o u g h to u tb yf m e s c a l es e m i c o n d u c t o r f i r s t l y , s o m eb a s i cc o n c e p t i o nr e l a t e dt ot h et h e s i si si n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h ed e s i g n i d e aa n dt h ei m p l e m e n t i n gm e t h o do fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h em e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e mh o s t e db ym c 9 s 1 2 n e 6 4a r ed e s c r i b e di nd e t a i l i ts u p p o r t su pt o3 0 c h a n n e l su s i n gi n t e g r a t e da dm o d u l ew i t h1 0 - b i tr e s o l u t i o na n dt l c 2 5 4 3w i t h1 2 一b i t r e s o l u t i o n , d e v e l o p sn e t w o r kd r i v e ro fe t h e m e tm o d u l e ，s i m p l i f i e ss t a n d a r dt c p i p p r o t o c o l ，a n dp r e s e n t sr e s p o n d i n gi m p l e m e n t i n ga l g o r i t h m s a tt h es a m et i m e ，ak i n do f s o f t w a r ei sp r o v i d e dt om a n a g ei n f o r m a t i o nc o l l e c t e df r o me m b e d d e dw e bd e v i c e s a st h e v a l i d a t i o nt e s t , t h es y s t e mi sa p p l i e dt ot h i n eb a r r i e rs t a t i o n so ns u z h o ux i t a n gr i v e rf o r m e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gi n d o o rt e m p e a t u r ea n de t c i tp r o v e st h a tt h i sa p p r o a c hi s f e a s i b l e ，a n dt h es y s t e mi so fg o o dp e r f o r m a n c e i tc a nb ed e s i g n e df o rp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n r e s u l to ft h i sr e s e a r c hp r o v i d e sav a l u a b l er e f e r e n c ef o ra p p l i c a t i o no fh i g h p e r f o r m a n c ea n dl o w - e n de m b e d d e ds y s t e ma n dp o p u l a r i z a t i o no f e m b e d d e de t h e m e t k e yw o r d s ：e m b e d d e dw e bs e r v e r , r e m o t em e a s u r e m e n t & c o n t r o l ，m c 9 s 1 2 n e 6 4 ， t c p i p , e t h e m e t i i w r i t t e nb yz h e n gh o n k i n g s u p e r v i s e db yw a n g y t h u a i y9 5 6 7 0 6 苏州大学学位论文独创一| 生声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提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外，本论文 不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏 州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。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。本人承担本 声明的法律责任。 研究生签名：兰罄缚日期：壁蜘 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信恳研究所、国家图书馆、清华大学论 文合作部、中国社科院文献信息慝报中心有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：姜e 超缉 日期：鲤鱼! ：兰2 、，1 )j1 导师签名：一戤日期：苎4 ：坚：驾 基于嵌入式w e b 服务器的测控系统的开发 第一章概述 第一章概述 嵌入式测控系统是当前工业自动化测控应用领域研究的热点之一。微电子技术和 微处理器制造工艺的提高以及网络技术的飞速发展，使得构建基于w e b 的嵌入式远 程测控系统得以实现【l 】。这样的远程测控系统可以直接通过t c p i p 网络协议接入 i n t e m e t 实现远程测控，成为真正不受时间和空间限制的远程测控系统。本文利用带 有以太网模块的m c u 实现一个嵌入式w e b 服务器，并将其应用到远程数据采集与控 制系统中。 本章首先介绍测控系统发展的历程，随后给出基于嵌入式w e b 远程测控系统的 设计构思与课题的意义，最后给出本文的工作内容及论文结构。 1 1 测控系统简介 1 1 1 测控系统发展的历史与现状 远程测控系统是测量技术、计算机技术、通信技术和控制理论的结合。随着信息 科学和微电子技术及计算机技术的飞速发展，特别是针对测控特点而设计的微控制器 的出现，把测控系统的设计带到了一个崭新的领域1 2 。但是测控系统的发展经历了一 个较为漫长的过程。2 0 世纪8 0 年代以前，测控系统的发展分别经历了基地式仪表、 单元组合仪表、数据采集系统( d a s ) 、直接数字控制系统( d c c ) d a 及监督控制系统( s c c ) 这几种表现形式。该阶段测控模式特点为：整个测控系统在几十米的范围之内，系统 的信号处理和运算由测控计算机完成，而测量仪器和执行器由特殊功能元件构成，不 对信号进行运算处理。到了2 0 世纪8 0 年代，由于微处理器的出现产生了集散控制系 统( d c s ) ，又称分布式控制系统。该阶段的特点为：以微处理器为核心，实现控制分 散、信息集中的功能，利用高速数据通道连接各个模块或设备，并经过通道接口与局 域网络相连，保证设备间的信息交换及数据库和系统资源的共享，系统提供高可靠性 和友好而丰富的人机接口，其测控模式采用“操作站一控制站一现场仪表”。现场总 线控制系统( f c s ) 是2 0 世纪8 0 年代中期在国际发展起来的新一代分布式控制系统结 构。它采用了不同于d c s 的“工作站一现场总线智能仪表”结构模式，降低了系统 总成本，提高了可靠性，且在统一的国际标准下可实现真正的开放式互连系统结构， 第一章概述 基于嵌入式w e b 服务器的测控系统的开发 因此它是一种具有发展前途的真正分散控制系统。随着工业生产过程规模的日益复杂 与大型化，现代化工业要求远程测控系统在获取生产全部过程尽可能多的信息基础 上，进行整个生产过程的综合管理、指挥调度和经营管理，而实现该功能的测控系统 就称为计算机集成制造系统( c i m s ) ，它是工业过程自动化及远程测控系统发展的一个 方向。近年来，可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n 打o l l c r ，p l c ) 作为控制生产过 程的新型自动控制装置，在冶金、机械、石化、过程控制及河道管理等领域均有广泛 的应用。 目前，远程测控系统按照通信方式主要分为以下三种：基于r s 4 8 5 + i n t e m e t 方 式、基于i n t e m e t 方式以及基于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 ) + i n t e m e t 方式【3 j 。 1 1 2 嵌入式以太网的发展概况 1 9 9 9 年1 2 月，m c 6 1 1 5 8 对制定统一的现场总线技术标准努力的失败，使一部分 人自然转向了在i t 行业已经获得成功的以太网技术。因此，现场总线标准之争，给 以太网进入自动化领域创造了难得的机会【4 】。 由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件产品丰富以及应用支 持技术成熟等优点，目前它已经在工业企业综合自动化系统中的资源管理层、执行制 造层得到了广泛应用，并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势【5 】。在法国施 耐德公司推出的“透明工厂”系统中，以太网、嵌入式w e b 等商用互联网技术被应 用于信息管理层、监控层以及现场设备层。国内如浙江大学、浙大中控联合推出的基 于e p a ( e t h e m e tf o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 的分布式网络控制系统中，也将以太网直接应用 于变送器、执行机构以及现场控制器等现场设备间的通信，实现了从现场设备层、控 制层到管理层等网络基于以太网的统一，即所谓的“e f f t h e m e t ) 网到底”。 在硬件方面，国外一些著名大公司已经利用嵌入式技术将以太网用于它们最新推 出的现场总线控制系统。如g e 公司将以太网接口做在保护装置中，g e h a r r i s 公司 推出了带双以太网接口的d 2 5 测控单元装置，a b b 也推出了带以太网接口的间隔控 制器r 5 8 0 以及r a b b i t 半导体公司的r a b b i t 2 0 0 0 3 0 0 0 处理器、a m d 公司的a m l 8 6 系列嵌入式处理器和f r e e s c a l e 公司的h c s l 2 系列嵌入式处理器都集成了以太网接口 嘲。 与此同时，国际上的一些组织也正在研究以太网应用于工业控制现场的相关技术 2 基于嵌入式w e b 服务器的测控系统的开发第一章概述 和标准，它们是工业以太网协会( i n d u s t r i a le t h e m e ta s s o c i a t i o n ) 、工业自动化开放网 络联合会i a o n a ( i n d u s t r i a la u t o m a t i o no p e nn e t w o r k i n ga l l i a n c e ) 、i d a ( i n t e r f a c ef o r d i s t r i b u t e da u t o m a t i o n ) 小组等。2 0 0 2 年4 月在北京召开的m c t c 6 5 全体会议上， i e cs c 6 5 c w g l 也将工业以太网有关的标准列为其未来工作内容，并在i e c6 1 7 8 4 2 中加入基于工业以太网媒体的行规，同时对工业以太网传输媒体、本质安全、总线供 电、通信安全性等几方面的标准进行研究，以适用工业控制网络未来发展之需要【7 1 。 1 2 本文测控系统的设计思路及意义 本文测控系统( 以下称为s d l 2 m c s ，s d 表示苏州大学：1 2 表示f r e e s c a l eh c s l 2 系列m c u ；m c s 表示测控系统，是m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m 的缩写) 是实现 嵌入式w e b 测控仪器，并将其接入i n t e r a c t ，成为i n t e m e t 中的独立节点，使其对相 关物理量进行测量和控制，同时提供管理多台测控仪器采集和控制信息的总控反馈软 件。用户可以通过w e b 浏览器或总控反馈软件查看测量结果与控制状态。根据系统 需求分析和市场情况调研，本文使用f r e e s c a l e 半导体公司于2 0 0 4 年年底推出的1 6 位m c um c 9 s 1 2 n e 6 4 ，实现远程数据采集、i o 控制及嵌入式w e b 通信，使用v i s u a l b a s i c6 0 和m i e m s o t t a c c e s s2 0 0 0 实现总控反馈软件。 1 2 1 s d l 2 - m c s 的设计思路 从测控系统的发展趋势、现有的技术基础以及实际应用需求出发，本文提出了 s d l 2 - m c s 的设计思路，其设计框架如图1 1 所示。从图中可以看出，它由测控对象、 匝母 卦l ：l l 翌叁型墨卜_仨刍1 基于嵌入式w 曲i 的测控仪器 l 图1 - 1 基于嵌入式w e b 服务器的测控系统结构框图 基于嵌入式w e b 的测控仪器以及w e b 客户端组成。测控仪器是系统的核心，一方面 负责采集测量对象的信息，通过以太网上传给远程客户端：另一方面接收远程客户端 第一章概述基于嵌入式w e b 服务器的测控系统的开发 的指令，并根据指令内容控制现场对象。w e b 客户端可以是p c 机的w e b 浏览器或者 是本文设计的总控反馈软件。这种基于b s 结构的设计模式，无需每个用户在客户端 安装专用软件，就能够实现对远程对象的测量和控制。 本系统要解决的关键问题包括三个方面：一是如何在资源有限的m c u 中实现嵌 入式w e b 服务器；二是如何实现较通用的数据采集和控制功能；三是如何将各个分 散的测控仪器的采集数据汇总起来。最终将这三种功能融合起来，达到对远程对象的 测量、控制以及保存测控信息的目的。 1 2 2s d l 2 - m c s 的开发意义 随着控制技术、通信技术和网络技术尤其是i n t e r a c t 的迅速发展，如何将现场测 控网络接入i n t c r n e t ，通过i n t e m e t 对现场设备进行远程诊断、维护和服务，实现企业 从现场控制层到上层管理层的无缝信息集成是现代化时代的基本要求嗍。因此将嵌入 式w e b 技术应用于远程测控系统，具有以下现实意义： ( 1 ) 为“e 网到底”提供简便、低成本的网络接口技术 ( 2 ) 开发具有自主知识产权的嵌入式以太网技术 ( 3 ) 为远程测控系统的应用提供快速原型，以缩短开发周期 ( 4 ) 为基于嵌入式w e b 服务器的测控系统的发展提供借鉴和经验 1 3 本文工作及论文结构 1 3 1 本文工作 本文的主要工作安排如下： ( 1 ) 总体设计 对软硬件设计的具体内容进行分析，确定软、硬件平台的设计方案。 ( 2 ) 设计测控系统模块硬件 芯片选型，分析以1 6 位m c 9 s 1 2 n e 6 4 为主控芯片实现测控系统的可行性； 结合主控芯片与系统功能的特点，分析主控芯片进行测控的最佳方式： 了解芯片的支撑电路，分析芯片间的接线方式，设计硬件原理图： 元器件的采购，了解各个元件的封装； 4 基于嵌入式w e b 服务器的测控系统的开发第一章概述 根据元件封装，绘制p c b 电路图，联系p c b 制作厂家生产； 焊接、测试、完成硬件系统。 ( 3 ) 设计测控系统模块软件 实现1 3 0 路模拟量数据采集以及1 1 6 路开关量的数据采集 实现1 8 路开关信号的控制； 。选取和实现u l p 协议( 简化的t c p i p ) ； 测控系统总控反馈软件的设计； 系统设计与开发过程中的体会。 1 3 2 本文结构 全文共分为七章，各章的内容安排如下： 第一章介绍了测控系统的发展概况与趋势、本文的设计思路，给出了毕业设计的 核心内容及论文结构； 第二章简述了系统设计相关的理论基础； 第三章详细讲述了硬件选型、远程数据采集系统的硬件设计及测试情况，测试内 容包括最小硬件系统、s c i 接口、a t d 接口以及以太网接口等； 第四章阐述了在硬件基础上的软件设计及测试情况，包括a t d 模块编程、嵌入 式以太网模块驱动、u l p 协议栈以及嵌入式w e b 服务器的设计： 第五章讲述了管理测控仪器采集与控制信息的总控反馈软件的设计； 第六章列出了本文测控系统的应用以及整个系统开发过程中的体会： 第七章对本文工作进行了总结，并提出了一些后继工作。 第二章相关理论基础知识概要基于嵌入式w e b 服务器的测控系统的开发 第二章相关理论基础知识概要 在设计测控系统之前，首先必须了解其相关基础知识。本章主要简述了网络参考 模型、以太网技术及其标准、嵌入式以太网、u i p 协议以及w e b 服务器的基本概念。 2 1网络的参考模型 计算机网络是将在地理上分散的、具有独立功能的多台计算机通过通信媒体连接 在一起，实现相互之间的通信和信息交换，并配以相应的网络软件，实现资源共享( 硬 件和软件) 、数据传输，提高计算机的可靠性和可用性等目f 搀t g 。为了方便和清晰地研 究复杂的计算机网络，针对计算机网络所执行的各种功能，国际组织提出了“网络系 统层次模型”的概念，下面将简要介绍基于该概念的两种网络参考模型。 2 1 10 s l 参考模型 在1 9 8 3 年国际标准化组织( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d so r g a n i z a t i o n ，i s o ) 颁布的“开 放系统互连( o w ns y s t e m si n t e r c o r m e c f i o n ，o s 0 ”的参考模型中，将整个网络通信功 能划分为七个层次，从上至下依次是应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数 据链路层和物理层。参考模型结构如图2 - 1 所示，各层简明功能如表2 1 所示。 在国际电子电器工程师协会( t h ei n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r ， i e e e ) 定义的i e e e8 0 2 3 协议中，将图2 - 1 中的数据链路层划分为逻辑链路控制( l o g i c l i n kc o n t r o l ，l l c ) 和介质访问控制( m e d i u m a c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 。这两层的功能划 分如下： 【逻辑链路控制】：负责上层的网络在使用网络服务时不必去考虑其下层是如何 设置的，它会启动控制信号的交互、组合数据的流通、解释命令、发出响应，并执行 错误控制及恢复的功能。 【介质访问控制】：负责定义出许多种不同的访问控制方法，以决定如何控制实 际传送介质的使用。 6 基于嵌入式w e b 服务器的测控系统的开发 第二章相关理论基础知识概要 2 1 2t c p i p 协议模型 t c p i p 的层次比o s i 参考模型的七层要少，由四个层组成：应用层、传输层、 网络层及数据链路层。与o s i 参考模型对照，它的应用层对应于o s i 参考模型的会 话层、表示层以及应用层；数据链路层对应于o s i 的数据链路层和物理层；其他层为 一一对应的关系，如图2 1 所示。 按照协议的层次结构，数据从节点a 发送到节点b 将经过如下的过程：在节点 a ，数据由应用层开始使用应用层协议头封装，然后从上至下每经过一层均使用该层 的协议头进行封装；在节点b ，数据由数据链路层开始解封装，从下往上每经过一层 则解除该层的协议头，从而保证传输数据的格式完全一致。 表2 - 1 网络模型的各屡简明功能 0 s i 层次名称t c p f l p 层次名称功能 实现网络虚拟终端的功能以及实现用户终端功能之间的映射， 应用层 提供f t p 、h t f p 、s m t p 等功能 用标准编码方式对数据进行编码，对该数据结构进行定义，并 表示层应用层 管理这些数据 把要求建立会话的用户地址，转换成相应的传送开始地址，以 会话层 实现正确的传送连接 接收从会话层发出的数据，根据需要把数据划分为许多很小的 传输层传输层 单元( 叩报文) ，传送给两络层 ( 1 ) 处理来自传输层的分组发送请求，收到请求后，将分组装 入p 数据报，填充报头，选择去往信所宿机的路径。然后将数据 网络层网络层 报发往适当的网络接口； ( 2 ) 处理输入数据报，检查其合法性，然后再进行寻径； 处理i c m p 报文，处理路径、流控、拥塞问题 ( 1 ) 将待发送的数据封装在多个数据帧里，并顺序地发送每一 帧，同时处理接收方回送的确认帧； 数据链路层 ( 2 ) 该层通过在帧头和帧尾附加上特殊的二进制编码产生和识 数据链路层 别帧界 按照传送介质的电气机械特性传送数据，传送单位主要以b i t 物理层 为单位，并将信息按位逐一从一个系统经物理通道送往另一个系统 2 2 以太网和i e e e 8 0 2 3 x 标准 2 2 1 以太网的概念 以太n ( e t h e m e t ) 最早由x e r o x 研发，经d e c 公司和l n t e l 公司联合扩展，于1 9 8 2 年公布的一种基带局域网规范。以太网技术i e e e 8 0 2 3 规范就是以这个规范为基础制 7 第二章相关理论基础知识概要 基于嵌入式w e b 服务器的测控系统的开发 定的。按i s o 开放互联参考模型的分层结构，以太网规范只包括通信模型中的物理层 和数据链路层。而大家所俗称的以太网技术不仅包括了上述以太网规范，而且包括了 t c p i p 协议组。有时甚至把应用层的简单邮件传送协议s m t p 、域名服务d n s 、文 件传输协议f t p 等的应用协议都与以太网这个名词捆绑在一起。早期的以太网只有 1 0 m b p s 的吞吐量，现在已经发展成为1 0 0 m b p s 、1 0 0 0 m b p s 的以太网。目前以太网的 传输介质主要有双绞线、同轴电缆和光纤，其拓扑结构可以分为三种：总线拓扑、星 形拓扑和交换式拓扑【9 】。 o s i 模型t c p i p 模型 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 用户应用程序 h 丌卫f 1 只 s m t p , d h c p , d n s 等 套接字 a p i t c p , u d p w , a r p , i c m p 以太网控 网络接口 及物理 图一1 网络参考模型及协议对应关系 2 2 2l e e e 8 0 2 3 x 标准 本文使用的以太网芯片兼容i e e e s 0 2 3 u 标准，下面介绍该标准的两种网络控制 机制。 1 c s m a c d 机制 i e e e s 0 2 _ 3 系列标准1 0 】( 1 1 1 中的c s m _ a 协议算法包含1 坚持( 1 p e r s i s t e n t ) 算法和p 一 坚持( p - p e r s i s t e n t ) 算法两种。而后者更具一般性，其具体内容为：当线路空闲时，以 概率p 发送( o p 1 ) ，并以概率q - l - p 推迟。决定推迟的发送方在能够发送之前需要 等待，具体时间用如下方式分析：将时间分成离散的时间片，每个时间片对应于传输 一个完整帧所用的时间。只要节点有一帧要发送，并且它监听到一空时间片，就以概 率p 传输，并以概率q - - l - p 推迟到下一时间片。如果下一时间片也为空，那么发送方 仍分别以概率p 和q 决定传输或推迟。如果下一时间片不为空，那么该节点需要等待 下空闲时间片，并重复该算法。 基于嵌入式w e b 服务器的测控系统的开发第二章相关理论基础知识概要 i e e e 8 0 2 3 系列标准中的冲突监测机制( c d ) ：以太网支持冲突检测，所以每个发 送方都能确定冲突在发生。当适配器检测出自己的帧与其他帧冲突时，它首先确保传 输3 2 字节干扰序列，然后停止传输，接着等待一段随机长度的时间再重新发送。该 随机时间将由标准二进制指数后退算法b e b ( b i n a r ye x p o n e n t i a lb a c ko 确定，重发前 的时间在0 ( 2 1 1 ) 之间的时间片中随机选择( 此处i 代表被节点检测到的第i 次碰撞 事件) ，一个时间片为重发循环所需的最小时间。但是，在1 0 次碰撞发生后，该间 距将被冻结在最大时间片( 即1 0 2 3 ) 上，1 6 次碰撞后，控制器将停止发送并向节点微 处理器回报失败信息。 2 全双工模式 以太网的c s m a c d 介质访问机制导致了网络传输延时和通信响应的不确定 性。然而经过几十年的发展，以太网技术发生了深刻的变化。在新的i e e e 8 0 2 3 标准 中，百兆和千兆以太网既支持基于c s m a c d 工作的半双工模式，也支持不用 c s m a c d 协议的全双工模式。全双工以太网接口不检测冲突且忽略可延迟传送的载 波侦听，但是需要显式的流量控制机制，使交换机能够阻塞处于拥塞状态的站。全双 工以太网流量控制的标准( i e e e s 0 2 3 x ) 能够实现该要求。它规定了一个控制以太网 m a c ( m a c 控制) 的体系结构框架【1 2 】：m a c 控制是数据链路层的一个子层，是介于传 统以太网m a c 层和m a c 客户之间的可选功能。客户可以是网络层协议( 如狙) 或数 据链路层内部实现转发功能的网桥( 交换机) 。一旦对m a c 控制敏感客户发出请求， m a c 控制可以产生控制帧( c o n t r o lf r a m e ) ，这些帧被发送到底层使用标准m a c 的以 太网上。同样，以太网m a c 将接收m a c 控制帧( r h 其他站m a c 控制子层产生) ，并 把它们提交到m a c 控制子层中的相应模块。m a c 控制帧的长度都是以太网帧的最 小长度，即6 4 字节，不包括前导位和帧起始位。m a c 控制帧是通过唯一的类型域标 识符( 0 x 8 8 0 8 ) 标识出的。在控制帧的数据域内，前两个字节标识了m a c 控制的操作 代码( 如：p a u s e ) ，即帧请求的控制功能。操作代码后面的域是该操作所需的参数。 如果这些参数不能使用全部的4 4 字节，则帧中其余的位将以0 填充。 9 、f 第二章相关理论基础知识概要基于嵌入式w e b 服务器的测控系统的开发 2 3 嵌入式以太网和u i p 协议 2 3 1 嵌入式以太网模型 嵌入式以太网技术( e m b e d d e de t h e r n e t ) 是指将以太网标准应用于嵌入式系统组网 的技术1 3 1 。图2 2 给出了嵌入式以太网模型。由于以太网通信时遵循t c p i p 协议， 因此，嵌入式以太网也需要支持t c p i p 协议。同时由于嵌入式 系统资源的有限性以及应用的特定性，一般并不实现全部 t c p i p 协议，而采用经过裁减的t c p i p 协议栈- u i p 。在保留传 统t c p i p 协议优点的同时，必须对它进行精简，尽可能做到代 码精简、存储开销小，从而满足嵌入式系统的要求。 应用层 1 c p m ：p i p 以太网m a c 以太网p i p 图2 - 2 嵌入式以太网模型 在实际应用中，由于应用需求不同，相应地，对t c p p 的 裁减也有所不同，因此，得到的u 口并不都完全一样。但是针对确定的u i p ，不同的 m c u 在实现时具有通用规律的。 2 3 2u i p 协议简介 下面介绍本文对t c p i p 裁减后的u i p 协议【1 4 1 。 1 以太帧格式 在以太网上传输的数据称为以太帧，其格式如表2 - 2 所示。它的传输必须经过以 太帧头的封装解封装，封装解封装，内容包括目的m a c 地址、源m a c 地址和长度 ，类型。其中，前导位、帧起始位和校验码由硬件自动添加删除，与上层协议无关， 因此以太网驱动程序只需要处理其他字段。 表 2 总线上传输的以太帧格式 7 字节l 字节6 字节 6 字节 2 字节4 扣1 5 0 0 字节 4 字节 前导位帧起始位 目的m a c 地址l 源m a c 地址l 长度类型 数据域c r c 校验 2 口协议 i p 协议( i n t e m e tp r o t o c o l ，网际协议) 是属于网络层的协议，负责将传输层的数据 报添加i p 报文头，再交由网络接口层处理；同时负责拆除网络接口层的数据报，交 由传输层处理。在i p 报文头中存放了路由所需的信息，使得数据报能够在网上进行 路由，从一节点传送至另一节点上。i p 报文格式见表2 3 。 1 0 基于嵌入式w e b 服务器的测控系统的开发第二章相关理论基础知识概要 表2 - 3i p 报文格式 版本( 4 位)头长度( 4 位)服务类型( 1 字节) 报文总长度( 字节数) ( 2 字节) 标识( 2 字节)标志( 3 垃)片内偏移( 1 3 位) 生存时n ( 1 字节) 协议( 1 字节)头检验和( 2 字节) 源地址( 4 字节) 目的口地址( 4 字节) 可选项 数据 3 u 】) p 协议 u d p 协议( 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) 是一个简单的面向数据报的 传输层协议，不提供可靠性，它负责将应用层传下来的数据添加u d p 报文头后发送 给网络层，并拆封网络层传上来的数据报文头传递给应用层。其报文格式见表2 4 。 虽然它提供的是不可靠连接，但数据的完整性可以很容易由应用层的超时和报文重传 机制解决。 表2 - - 4u 啤报文格式 源端口号( 2 字节)目的端r a 号( 2 字节) u d p 报文长度( 2 字节)| u d p 报文检验和( 2 字节) 报文数据 4 t c p 协议 t c p 协议( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ，传输控制协议) 是一种可靠的面向连接的 比特流方式的传输层协议。在通信开始需要建立连接，通信结束时需要切断该连接。 为了在并不可靠的网络上实现面向连接的可靠的传送数据，t c p 必须解决可靠性，流 量控制的问题，必须能够为上层应用程序提供多个接口以及为多个应用程序提供数 据，同时t c p 必须解决连接问题和通信安全性的问题。其报文格式见表2 5 。 表2 - 5t c , p 报文格式 序列号( 4 字节) 确认号( 4 字节) 校验和( 2 字节)i紧急指针( 2 字节) 选项( 3 字节)i填充( 1 字节) 报文数据 5 a r p 协议 网络通信过程涉及到两个地址：i p 地址和m a c 地址，这两个地址都是必须的。 第二章相关理论基础知识概要基于嵌入式w e b 服务器的测控系统的开发 口地址是指网络层i n t e r a c t 协议使用的地址，m a c 地址是数据链路层e _ t l e m e t 使用 的地址。要实现网络通信，仅有i p 地址是不够的，这是因为以太网硬件并不知道i p 地址，它有自己独特的寻址模式，这种寻址模块是基于每个网络适配器惟一的6 字节 地址，即m a c 地址。因此，t c p i p 协议栈需要具有将m 地址转换为m a c 地址的 功能。a r p 协议( a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l ，地址解析协议) 便是为实现这一功能而 制定的。其报文格式见表2 - 6 。 表2 咱a 胂请求和响应报文格式 硬件类型( 2 字节)上层协议类型( 2 字节) 硬件地址长度( 1 字节) i 上层协议地址长度( 1 字节) 操作( 2 字节) 源m a c 地址( 字节o - 1 )源m a c 地址( 字节2 - 3 ) 源m a c 地址( 字节4 - 5 )源口地址( 字节o - 1 ) 源m 地址( 字节2 - 3 )目的m a c 地址( 字节0 1 ) 目的m a c 地址( 字节2 - 3 ) 目的m a c 地址( 字节4 - 5 ) 目的m 地址( 字节0 - 3 ) 6 i c m p 协议 i c m p 协议( i n t e r a c tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l ，因特网控制消息协议) 为i n t e m e t 控 制报文协议，用于传递差错报文以及其他需要注意的信息，可以完成检查目的地址是 否可以到达。i c m p 报文是在m 数据报内部被传输的，因此常被认为是p 层的一个 部分，其报文格式如表2 7 所示。 表2 7i c 肿回显请求和应答报文格式 耋型f ! 兰蔓2垡塑f ! 兰蔓2垒墼型垡兰蔓! 堡望塑! ! 堇2壁型呈垡兰堇2 数据 2 4w e b 服务器 w e b 服务器使用h t m l ( h y p e r t e x tm a r k e dl a n g u a g e ，超文本标记语言) 描述网络 的资源，创建网页，以供w e b 浏览器阅读。w e b 服务器可以解析h t t p 协议。当w e b 服务器接收到h t t p 请求时会返回一个h t t p 响应，如返回一个h t m l 页面。为了 处理请求，w e b 服务器可以响应静态页面或图片，进行页面跳转，或把动态响应的产 生委托给一些其他的程序例如c g i 脚本、j s p 脚本、s e r v l e t s 、a s p 脚本、服务器端 j a v a s c r i p t ，或其他的服务器端技术。无论脚本实现什么功能，这些服务器端的程序 通常产生一个h t t p 的响应供浏览器浏览。 基于嵌入式w e b 服务器的测控系统的开发第二章相关理论基础知识概要 2 4 1 h t t p 协议 h r r p 协议m y p 盯t e x tt r a n s f e rp r o t o c o l ，超文本传输协议) 是用于从w e b 服务器 传输超文本到本地浏览器的传送协议【1 5 】。h t t p 协议是基于请求响应范式的，有使 用非持久连接的h t t p1 0 和默认使用持久连接的h t t p1 1 两个版本。基于h t t p 协 议的客户朋艮务器模式的信息交换分四个过程：建立连接、发送请求信息、发送响应 信息以及关闭连接。 2 4 2b s 模式 b s 模式指的是浏览器朋艮务器模式( b r o w s e r s e w e r ) ，它是随着i n t e m e t 技术的兴 起，对c s ( c l i e n t s e r v e r ) 模式的一种变化或者改进的模式【l6 1 。使用该模式，其请求网 络服务的一端没有专门的程序，直接使用w e b 浏览器，所以要求服务的操作全部在 浏览器中实现。这种结构的优点是显而易见的，它可以随时随地要求服务器提供服务， 突破了传统时间和空间的限制。因此本文实现的支持是b s 模式的远程测控系统，客 户端不需要安装专门软件，直接使用m 浏览器或者其他的常用浏览器即可。 2 4 3c g i 技术 c g i ( c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e ，通用网关接口1 ，是w e b 技术提供的具有交互 功能的标准接1 2 1 1 7 】。作为w e b 浏览器和服务器之间的“网关”接口，它既可以使客 户机的浏览器和w e b 服务器间进行交互操作，也可以通过应用编程接口与数据库服 务器等外部数据流进行通信。c g i 的应用大大加强了客户端与服务器的交互，拓宽了 服务器的服务范围，允许用户根据需要采用各种语言去实现无法用h t t p 、h t m l 实 现的功能，因而为w 曲应用提供了更广阔的空间。 当客户端的请求是一个c g i 程序时，w e b 服务器将激活客户端所请求的c g i 程 序并把程序的执行结果传给客户端，标准的c g i 程序是通过环境变量和标准输入输 出与w e b 服务器交换信息的。当c g i 程序被w e b 服务器激活以后，它的标准输入被 连接到w e b 服务器的标准输出上，而c o i 程序的标准输出则被连到服务器的标准输 入上。因此c g i 程序从标准输入读取信息也就是从w e b 服务器的标准输出读信息， 而它向标准输出写信息也就是向w e b 服务器的标准输入写信息。 第三章s d l 2 m c s 的硬件设计 s d l 2 - m c s 的目标是通过嵌入式w e b 方式对测量对象进行数据采集以及对受控 对象进行控制。因此首先要解决的问题是如何将这些测控仪器连接到相应的网络中， 使之成为通信网络上的节点；其次要解决的问题是如何采集测量对象信息以及如何控 制受控对象。本系统采用的嵌入式以太网技术，属于嵌入式系统的一个应用，因此硬 件设计是实现整个系统的基础。本章首先介绍了芯片选型的相关知识，然后从硬件的 最小系统设计开始，依次介绍主控芯片的支撑电路、s c i 接口、s p i 接口、以太网接 口、a d 接口的硬件设计及相应测试，最后给出了完整的测控系统硬件设计。而本章 中用于硬件测试的软件将在第四章介绍。 3 1 硬件选型 在嵌入式产品设计中，硬件选型是一个重要环节，它将直接影响着产品设计进度， 同时也决定了产品的性能，还可能会影响到产