（计算机应用技术专业论文）多通信方式的数据收集转发器的研究.pdf

武汉理t 大学硕十学位论文 摘要 自动抄表系统利用现代通信和计算机技术实现对远程流量计量器的实时监 控与数量采集，提高企业的运营效率，方便用户的使用。自动抄表系统中数据 收集转发器保障外部设备与远程流量计量器进行准确、稳定的通信。外部设备 通信接口的多样性要求数据收集转发器提供多种通信方式。 本文的研究工作围绕着多通信方式的数据收集转发器的功能需求展开，通 过分析本系统的功能需求，选择合适的软硬件开发平台，并在此基础上进一步 说明多通信方式的数据收集转发器的实现。 首先，分析研究了现代通信技术在国内外的发展情况，对以下三种通信技 术的理论体系进行了深入的研究：串口( 主要是r s 2 3 2 ) 通信技术；g p r s ( g e n e r a l p a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用分组无线业务) 通信技术；以太网网络接口通信技术。 其次，分析实时操作系统内核g c o s i i 组织结构，研究g c o s i i 中任务的 工作状态以及各种状态相互转化的关系，研究g c o s i i 中任务的通信与同步机 制，裁剪并移植g c o s i i 到基于l p c 2 2 1 0 的硬件平台上，简化本系统中软件部 分的开发过程。 再次，为了使本系统与外部设备可以使用以太网网络接口进行通信，本文研 究源码公开的t c p i p 协议栈l w i p ，分析了l w i p 中内存管理方法，接收数据与 发送数据的详细过程并将l w m 裁剪、移植到l p c 2 2 1 0 + c o s i i 的平台上，为 用户提供以太网网络接口， 最后，编写本系统中外围设备的驱动程序，屏蔽硬件细节，为用户提供规范、 简约的接口；设计外部设备与本系统通信时使用的通信帧，规范通信准则，并 且根据系统功能需要来划分任务，实现系统功能。 关键词： 串1 2 1 、通用分组无线业务、以太网网络接口、g c o s - i i 、轻型d 栈议 a b s t r a c t a na u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m ( a m r ) u s e sm o d e m c o m m i m i c a t i o n sa i l d c o m p u t e rt e c h n o l o g i e st oa c h i e v er e a l - t i m er e m o t em o n i t o r i n go ff l o wm e t e r sa n d c o l l e c t i n go p e r a t i o nd a t ao ft h e m ，i m p r o v i n go p e r a t i o n a le f f i c i e n c ya n du s e r u s i n g c o n v e n i e n c e ad a t a r e p e a t e r i na na m rf a c i l i t a t e s a c c u r a t ea i l ds t a b l e c o m m u n i c a t i o n sb e t w e e ns e r v e r sa n df l o wm e t e r s t h ed i v e r s i t yo fe x t e m a ld e v i c e c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e sr e q u i r e st h a tt h ed a t ar e p e a t e rp r o v i d e sa w i d er a n g eo f c o m m u n i c a t i o nm e t h o d s t h er e s e a r c hw o r kp r e s e n t e di n t h i st h e s i sf o c u s e so nt h e d e v e l o p m e n to fa m u l t i c o m m u n i c a t i o nd a t ar e p e a t e r ( m c d r ) ，i n c l u d e sa n a l y z i n gt h ef u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t so fm c d t l s e l e c t i n g t h e a p p r o p r i a t e h a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，d e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n gm c d r f i r s t l y , t h et h e s i ss t u d i e st h em o d e mc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e s s u c ha ss e r i a l p o r tc o m m u n i c a t i o n s ，g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ( g p r s ) c o m m u n i c a t i o n s a n d e t h e m e t p o r tc o m m u n i c a t i o n s s e c o n d l y ，t h er e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mp c o s - i ii sp o r t e dt ol p c 2 2 10b a s e d o na r m 7k e r n e lt os i m p l i f yt h ed e v e l o p m e n t p r o c e s so fe m b e d d e ds o f t w a r e t h i r d l y , i no d e rt o e n a b l em c d rt oc o m m u n i c a t ew i t hs e r v e r b ye t h e m e t n e t w o r ki n t e r f a c e t h et h e s i sa n a l y z e st h eo p e n - s o u r c et c p i pp r o t o c o ls t a c kl w i p , s t u d i e st h em e m o r ym a n a g e m e n ta n dd a t af l o wp r o c e s s i o ni nl w i p , t h e nl w l pi s p o r t e dt ol p c 2 2lo + 肛c o s - i ip l a t f o r m ，w h i c hp r o v i d e su s e r sw i t he t h e r n e tn e l 、釉r k i n t e r f a c e f o u r t h l y , t h et h e s i si m p l e m e n t sd r i v e r so fs y s t e mp e r i p h e r a l sw h i c hs h i e l dt h e h a r d w a r ed e t a i l sa n dp r o v i d eu s e r sw i t hs i m p l ei n t e r f a c e s ，t h e nt h et h e s i sd e s i g n st h e c o m m u n i c a t i o nf l a m eb e t w e e ns e r v e ra n dm e t e ra n dd i v i d e st h es y s t e mi n t ot a s k s a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：s e r i a lp o r t ，g p r s ，e t h e m e tn e t w o r ki n t e r f a c e ，i 工c o s i i ，l w l p 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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了谢意。 研究生签名：鲻丝日期：丝生垂龃! 塑 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部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或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：线童刍 导师签名： 喃社 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 随着社会的不断发展进步，越来越多的控制、采集仪表被引入到人们的生产 生活中来。随着各种仪表在各种场合应用的不断增多，对仪表的数据采集、仪 表的管理也成为人们越来越关心的问题。 早期的抄表方法都是抄表员现场手动抄表。这种抄表方式在仪表数量相对较 少、仪表位置相对集中的情况下效果很好。但在仪表数量较多、仪表位置比较 分散的情况下，这种传统的手动抄表方式存在着许多缺点：例如在工业现场， 一些仪表可能被放置在距离很远或者是工作环境很恶劣的地方，这些都很不利 于抄表人员去现场手动抄表：如果某个仪表发生故障，工作人员将很难发现： 传统的仪表手动抄写消耗大量的人力物力，效率低下。手动抄表不仅劳动强度 大、效率低，还存在抄表不到位、估抄、漏抄、错抄、错算及抄表周期长等问 题。所抄的数据要经过人工输入计算机才能进入管理系统，从而降低了现代化 管理系统的先进性。正是由于人工手动抄表存在着以上的不足，人们开始寻找 新的能替代劳动密集型的人工抄表方法，自动抄表系统也就应运而生了。自动 抄表( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ，简称a m r ) 【l 】是指采用通信、计算机等技术， 通过专用设备对各种仪表( 如水表、电表、气表等) 进行自动采集和处理表计 数据。它一般是通过数据采集器对表计的脉冲进行计数，然后通过传输控制器 将信息传至计算机中心，由计算机对数据进行处理、显示、存储、打印。必要 时还可以通过网络和营业收费系统相连实现抄表收费一体化。自动抄表系统的 出现解决了传统人工抄表过程中遇到的许多问题，并且提高了工作效率和数据 的准确性。随着近年来计算机技术、网络技术和微电子技术的飞速发展，越来 越多的新技术应用于自动抄表系统，它们能够降低设备成本，提高可靠性、准 确性和抄表效率，己展现出十分广阔的应用前景。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 自动抄表技术的研究现状 由于自动抄表技术相对于传统抄表技术存在明显的优点，并且在现实生活中 具有实际应用意义，所以，自动抄表技术成为人们研究的焦点问题之一。以下 将从研究背景与研究现状两方面介绍这一问题。 1 2 1 自动抄表技术的研究背景 自动抄表技术以其在天然气系统中的应用最具代表性。随着我国国民经济的 迅猛发展，资源消耗越来越惊人，天然气对国民经济的作用越来越重要，天然 气在电力、民用燃气、工业生产、汽车动力等方面有重要应用。随着人们生活 水平的不断提高，人们对天然气的需求已经不仅仅于满足日常生活的需要。良 好的供气质量和服务水平成为燃气改革当中狠抓的大事。在燃气管理发展过程 中，燃气部门为提高供气质量和服务水平迫切地需要有一套完善的燃气网络管 理系统对与用户直接相关的燃气管道网络运行状态进行实时监测，便于及时掌 握燃气管道网络运行的情况，适时根据供气需求的增长调整供气总量，及时发 现和定位供气管道网络故障，发现异常供气，杜绝供气隐患。为了提供更好的 供气质量和供气服务，燃气部门需要从用户处尽快获取更多的数据信息。燃气 管理的发展，需要迅速准确的读取用户用气数据。而传统抄表方式人工挨家挨 户抄取表具数据，不可避免地存在以下问题：统计数据不准确，无法真实反映 用户用气情况；操作难以规范化，造成不明损失增加；数据采集不及时，无法 实时反映系统状况，不能对用户行为进行有效监控；且耗费人工多，成本高， 效率低。显然，上述弊端使得人工抄表管理模式不能适应燃气服务体制的改革， 也直接阻碍了诸如分时燃气价格运营、预支气费等先进管理模式的推行。自动 抄表技术就是在技术与管理两方面亟待进步、改革的迫切需求下逐渐发展起来 的。传感器、自动化仪表以及集成电路技术和网络技术的进步，为自动抄表的 实现提供了现实可能。 1 2 2 自动抄表技术的研究现状 许多国家和地区都已广泛采用自动抄表系统代替传统的人工抄表，主要集中 在煤气表、电量表和流量表的自动抄表，特别是煤气抄表已经有几十年的发展 2 武汉理t 大学硕士学位论文 历史。抄表技术的快速发展得益于8 0 年代计算机技术、超大规模集成电路( v l s i ) 和通信技术的高速发展，它们使得a m r 系统在向着智能化、低功耗、低成本和 通信标准化设计的过程中迈出了坚实的一步，达到可以大规模推广的实用性阶 段。8 0 年代中期以来，美国在a m r 技术的丌发和应用上就己取得了长足的进 步：在科罗拉多卅j 月佛市，一家公用事业企业( p u b l i cs e r v i c e c o ) 将7 7 万余台 电表和6 7 万余台煤气表实现了自动抄表，成为当时美国推广应用量最大的一家 公司；1 9 9 4 年1 0 月美国电世界摘要介绍c h a r t w e l l 公司对北美2 2 个电力公 司和3 1 个产品供应商的调查结果也指出：北美( 主要指美国和加拿大) 在1 9 9 4 年初就已装了3 1 4 ，0 6 3 块具有自动抄表功能的电度表：安装了1 9 7 ，3 7 7 个自动 抄表单元：“1 9 9 8s c o r r e p o r to n a m r d e p l o y m e n t s ”资料披露，在1 9 9 8 年度， 美国共有7 9 1 项a m r 应用项目，其中约有5 5 0 万台电表实现了自动抄表1 2 j 。到 2 0 0 1 年已经有9 1 0 万美元的营业额。而在s c o r 报告中，截至到2 0 0 3 年1 月， 北美己经有4 9 ，3 1 1 ，3 7 2 个单位使用自动抄表。并且每年均发表关于市场份额、 每个单位用表数量和表的服务类别的调查报告，见图1 - 1 图l - 2 。 s u r v e yr e s p o d e tb yr m n t i g et y p e s u r w e ) 7r e s p o n d e n t sb ，7s e r v i c e 巧p e g 鹪 d 图1 - 12 0 0 3 年服务类别分类图1 22 0 0 4 年服务类别分类 在欧洲，由于官方宣称在2 0 0 0 年前后撤消对公共事业的某些管制( 例如供 货、销售等) ，引起了公用事业企业间的竞争加剧。a m r 技术成为企业提高服 务水平、争取用户并提供及时的耗用信息、降低销售成本的重要手段，于是英、 法、德、意等国的企业纷纷制订发展a m r 技术的计划。目前能生产自动抄表设 各的表具制造公司主要有英国的d r e s s e ri n d u s t r i e s ，法国的m a g n o l ，德国的 武汉理工大学硕士学位论文 s c h l u m b e r g e r 和意大利的m e t r u m 公司。 9 0 年代初，自动抄表技术被引进到中国。经过近十年的发展，a m r 技术在 中国得到一定的应用，各种高水平的a r m 技术和系统的研究，已成为各个a m r 系统生产企业和科研机构竞相追逐的热点。目前较常用的是使用g p r s 技术实 现自动抄表。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 ) ，通用无线分组业务，是一 种基于g s m 系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线口连接【3 】。 1 3 多通信方式的数据收集转发器的提出 自动抄表是指采用通信、计算机等技术，通过专用设备对各种仪表( 如水 表、电表、气表等) 进行自动采集和处理表计数据。它一般是通过数据采集器 对表计的脉冲进行计数，然后通过传输控制器将信息传至计算机中心，由计算 机对数据进行处理、显示、存储、打印。必要时还可以通过网络和营业收费系 统相连实现抄表收费一体化。可见，一般的自动抄表系统有三大部分组成：抄 收服务器、数据收集转发器与终端表具。其中抄收服务器对表具数据进行统一 管理，以多种形式提供给用户，如表格、柱状图、饼状图等，为用户提供直观、 便捷的服务；表具作为自动抄表系统的功能终端是自动抄表系统中的信息之源， 它记录用户消耗的有价实体( 如水、电、燃气) 的数量，及时、准确地将信息 上传至抄收服务器，使企业及时掌握用户的情况；数据收集转发器是自动抄表 系统中的转发设备，它负责抄收服务器与表具之间的有效通信，保证自动抄表 系统的良性运行。 自动抄表系统已经广泛应用于社会生活生产，但大多数自动抄表系统中所 使用的通信方法比较单一，它虽然可以保证系统的运行，但无法保证系统使用 较好的通信方法维持系统的运转。如果系统采用串口通信方式进行通信，随着 用户数量的增加，数据收集转发器的数目随之增加，则抄收服务器与数据收集 转发器之间的通信速率不能满足系统的需要，于是通信瓶颈影响系统性能；如 果系统使用以太网网络通信，但用户数量较少，并且抄收服务器与数据收集转 发器距离较近，这时，使用以太网网络通信成本过高。所以本文提出一种多通 信方式的数据收集转发器，它采用串口、以太网接口、g p r s 与抄收服务器进行 通信。这一设备可以适应环境，保证自动抄表系统的高效、准确运转。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 论文内容结构 鉴于现有传统的抄表存在的上述不足，本文提出了多种通信方式( r s 2 3 2 、 有线网络、g p r s ) 作为自动抄表方式。运用这些通信方式，有效地解决了长期 困扰抄表发展的建设费用高、抄表距离短等一些问题，极大地降低了抄表的工 作强度和成本，并且能够更好的帮助燃气管理部门科学地统筹规划燃气资源。 论文内容将如下安排： 第一章，绪论，主要介绍自动抄表技术的研究背景和国内外研究现状。 第二章，主要研究现代通信技术，其中主要研究了三种通信技术，它们包括： 实现简单，用于近程通信的串口通信；应用广泛，传输速率高的以太网网络通 信；以及g p r s 无线通信技术。 第三章，分析多通信方式数据收转发器的功能需求，设计该系统的功能模块 划分，根据模块划分来选择硬件平台与软件平台，决定本系统的总体设计方案。 第四章，介绍实时操作系统内核p c o s i i ，就p c o s i i 中的关键技术如： g c o s i i 中的中断管理与时间管理进行简要介绍；裁剪并移植g c o s i i 到基于 l p c 2 2 1 0 的硬件平台，提高系统的实时性与并发性。 第五章，介绍t c p i p 协议栈l w i p ，研究l w i p 的进程模型以及l w i p 收发 数据时的工作过程；裁剪、移植l w i p 到l p c 2 2 1 0 + u c o s i i 的平台上，使本系 统支持以太网接入。 第六章，实现串口、g p r s 、以太网接口的底层驱动；设计通信时使用的通 信帧；实现多通信方式的数据收集转器。 第七章，总结与展望。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章相关通信方式研究 计算机通信的目的是交换信息，信息的载体可以是数字、文字、语言、图 像或图形。计算机产生的信息一般是字母、数字、语音或图形的组合；为了传 送这些信息，首先要将字母、数字等用二进制代码的数据表示；为了传输二进 制代码的数据，必须将它们用模拟或数字信号编码的方式表示；数据通信是指 在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制代码比特序列的模拟或 数字信号的过程【4 】。本文主要介绍三种通信方式：串口通信、g p r s 通信、以太 网接口通信。 2 1 串口通信 串行通信就是指一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通信方式。由于 串行通信方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线 路特性的不一致而被广泛采用。在串行通信时，要求通信双方采用一个标准接 口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通信。r s 2 3 2 c 接口是最常用的一 种串行通信接口。 2 1 1r s 2 3 2 c 标准 r s 2 3 2 c 是美国电子工业协会e i a ( e l e c t r o n i ci n d u s t r y a s s o c i a t i o n ) 制定的 一种串行物理接口标准。r s 2 3 2 c 总线标准设有2 5 条信号线，包括一个主通道 和个辅助通道。r s 2 3 2 作为一种通用标准，目前已在微机通信接口中广泛采 用【矧。 在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可 实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。r s 2 3 2 c 标准规定的数据传输 速率为每秒5 0 、7 5 、1 0 0 、1 5 0 、3 0 0 、6 0 0 、1 2 0 0 、2 4 0 0 、4 8 0 0 、9 6 0 0 、1 9 2 0 0 波特。 6 武汉理工大学硕士学位论文 r s 2 3 2 c 标准规定，驱动器允许有2 5 0 0 p f 的电容负载，通信距离将受此电 容限制，例如，采用1 5 0p f m 的通信电缆时，最大通信距离为1 5 m ：若每米电 缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是r s 2 3 2 属单端 信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于2 0 m 以内 的通信。 2 1 2 接口的信号内容 r s 2 3 2 c 标准规定设备间使用带“d 型2 5 针连接器电缆通信。这2 5 根 引线中，有2 0 根用做信号线，其它3 根未定义用途，2 根备用。实际上，r s 2 3 2 c 的2 5 根引线中有许多是很少用的，在计算机终端通信中一般只使用3 - 9 根引线。 r s 2 3 2 c 最常用的根引线信号内容见表2 1 ： 表2 1r s 2 3 2 c 常用的9 个引脚 引脚序号信号名称符号流向功能 2发送数据下x dd t e d c ed t e 发送串行数据 3接收数据i d t e d c ed t e 请求d c e 将线路切换