（计算机应用技术专业论文）深水拖曳水池数据采集系统.pdf

摘要摘要网络化、智能化是传感器的发展趋势。i e e e1 4 5 1 4 标准为传统模拟模式的传感器增加了自我标识机制。c a n 总线是国际上应用最广泛的现场总线之一，具有可靠性高、实时性强、成本低等特点，主要用于过程工业、机械工业、机器人、传感器等领域。本文以中国船舶科学研究中心( c s s i 比) 正在进行的数字化示范工程项目为背景，围绕深水拖曳水池数据采集系统的构建过程，阐述了一个基于c a n 总线的传感器自动识别方案。首先，本文讨论了基于c a n 总线的传感器自动识别方案的工作原理，并在阐述嵌入式系统相关知识的基础上，结合项目的具体需求，确定了传感器接线盒和传感器网关的开发平台方案。其次，本文还对网络通信和c a n 总线通信进行了深入的研究，分别设计了基于t c p i p 协议栈的网络通信协议d n p l 和用户自定义的c a n 应用层通信协议d n p 2 。最后，在详述i e e e1 4 5 1 4 标准的基础上，结合实际情况，提出了传感器连接器来标识传感器的身份；继而，又重点探讨了传感器自动识别的硬件结构和读取通道标识协议栈。基于c a n 总线的传感器自动识别方案实现了深水拖曳水数据采集系统对试验设备的身份识别，有效地提高了数据采集的自动化程度，提升了试验人员的工作效率，适应了中国船舶科学研究中心作为大型舰船性能试验基地对测控系统的需求。关键词：i e e e1 4 5 1 4 ；传感器标识；c a n 总线；嵌入式系统；c a n 应用层通信协议a b s t r a c ta b s t r a c tn e t w o r k i n ga n di n t e l l e c t u a l i z a t i o ni st h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fs e n s o r i e e e14 51 4p r o p o s e sam e c h a n i s mf o ra d d i n gs e l fd e s c r i b i n gb e h a v i o rt ot r a d i t i o n a la n a l o gs e n s o r s c a nb u si so n eo ft h em o s tw i d e l yu s e df i e l db u s ，w h i c hh a sm a n ya d v a n t a g es u c ha sh i g hr e l i a b i l i t y , h i g hr e a l - t i m ec a p a b i l i t ya n dl o wc o s t c a nb u si sm a i n l yu s e df o rm a n yf i e l d s ，s u c ha sp r o c e s si n d u s t r y , m a c h i n e r yi n d u s t r y , r o b o t ，s e n s o ra n ds oo n t h i sp a p e ri sb a s e do nt h eo n g o i n gd i g i t i z a t i o nd e m o n s t r a t i o np r o j e c tw h i c hi sb e i n gc a r r i e do u tb yc h i n as h i ps c i e n c er e s e a r c hc e n t e r ( c s s r c ) t h ed e s i g ns o l u t i o no fs e n s o ra u t o m a t i cr e c o g n i t i o nb a s e do nc a nb u si sd i s c u s s e di nd e t a i l ，w h i c hs u r r o u n d st h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i n gd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mf o rd e e p w a t e rt o w i n gt a n k f i r s to fa l l ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l ei sp r o p o s e d t h es e l e c t i o n so fs c h e m ea b o u ts e n s o rj u n c t i o nb o xa n ds e n s o rg a t ea r es t u d i e da c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n ta f t e rk n o w l e d g ea b o u tt h ee m b e d d e ds y s t e mi si n t r o d u c e d t h e n ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n dc a nb u sc o m m u n i c a t i o na r es t u d i e dd e e p l y at c p i ps t a c kb a s e dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o np r o t o c o ln a m e dd n p1a n dac u s t o m i z e dc a na p p l i c a t i o nl a y e rc o m m u n i c a t i o np r o t o c o ln a m e dd n p 2a r ed e s i g n e dr e s p e c t i v e l y f i n a l l y , i e e e14 51 4s t a n d a r di sd i s c u s s e di nd e t a i la n ds e n s o rc o n n e c t o rf o ri d e n t i f y i n gs e n s o r ss t a t u si sp r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t a l s o ，t h eh a r d w a r ec o n s t r u c t i o na n dt h es o f t w a r ep r o t o c o ls t a c ka b o u tg e t t i n gt h ee q u i p m e n ti d e n t i f i e ra r ee m p h a s i z e d t h ed e s i g ns o l u t i o no fs e n s o ra u t o m a t i cr e c o g n i t i o nb a s e do nc a nb u sr e a l i z e st h a te x p e r i m e n t a le q u i p m e n t sc a nb ea u t o m a t i c a l l yr e c o g n i z e db yd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mf o rd e e p w a t e rt o w i n gt a n k i ti m p r o v e sa u t o m a t i z a t i o no fd a t aa c q u i s i t i o n ，e n h a n c e st h ee f f i c i e n c yo fe x p e r i m e n t a ls t a f f , a d a p t st od a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mr e q u i r e db yc s s r ca st h ee x p e r i m e n t a lb a s ef o rl a r g es h i pc a p a b i l i t y k e y w o r d s ：i e e e14 51 4 ；s e n s o ri d e n t i f i c a t i o n ；c a nb u s ；e m b e d d e ds y s t e m ；c a na p p l i c a t i o nl a y e rc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li i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。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，也不包含本人为获得江南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：毖兰堑日期：驯矿弓、，口关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定：江南大学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，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，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。签名：导师签名：易季易7 剜磊日期：训譬、弓、，。第一章绪论1 1 研究背景第一章绪论随着全球造船行业的飞速发展，我国的船舶工业面临着巨大的机遇和挑战。当今，美国一直是军船制造最强大的国家，韩国和日本船舶产量高达世界市场份额的7 0 左右。为了提升我国造船业的核心竞争实力，中国船舶重工集团公司制订了企业内部中长期发展的总体发展思路：贯彻“以信息化带动工业化”的方针，吸取国内外发展数字化制造技术的成功经验，充分利用现有物质、技术和人才条件，以技术创新和管理创新为根本，以数字样船为核心，以产品数字化设计、制造、试验与管理过程数字化为重点，以数字化标准规范和数据库建设为基础，以典型船舶产品为试验验证对象，全面推进产品开发、设计、生产、管理的数字化，实现数字化造船，提高生产效率，降低生产成本，努力提高竞争优势【l j 。目前，中国船舶科学研究中心承担的数字化示范工程项目正是以上述思想为指导下，以构建先进的企业信息平台、增强船舶自主设计的能力、提高自身的管理水平为目标，从而对集团内部的其他单位的i t 规划起到良好的示范作用。从2 0 0 6 年下半年起，本文作者参与了数字化示范工程项目的部分工作，即数字化实验室建设分项目中的基于c a n 总线的传感器自动识别模块。本文正是在这样的背景下完成的。1 1 1 数字化示范工程项目简介数字化示范工程项目规划包含五部分【2 j ，如图1 1 所示。图1 - 1 数字化示范工程项目6 - 体规划1 ) 网络系统建设和其他硬件的升级改造为整个企业提供一个可靠稳定的硬件基础平台。2 ) 软件基础设施平台包含数据库、数据仓库和基础中间件，构筑了企业应用所必需的技术平台和管理这些技术平台的工具。3 ) 业务支撑软件平台提供支撑企业应用的服务框架，包括数据管理、应用集成服l江南大学硕士学位论文务、访问共享服务等。4 ) 企业应用平台建设包括行业专用软件和通用软件建设。5 ) 数字化实验室建设是以大型深水拖曳水池实验室为试点，实现对试验数据的采集、整理、分析和整合。1 1 2 深水拖曳水池数据采集系统大型深水拖曳水池是国家重点船舶实验室，国内重要的流体性能检测实验室之一，主要从事舰船等各类水中运动体水动力特性理论研究及实验测试，负责流场分析、船舶性能预测等工作，其水池长度位居世界第三。随着舰船力学性能研究的深入，它现有的测量、控制系统已经不能满足当前试验的要求，主要表现为不支持数据库，试验数据无法充分收集利用；不支持网络，不利于快速分析、交流；传统的传感器采用模拟小信号量传输，信号容易受到干扰；一些仪器、仪表需要手工设定参数，与采样系统脱节，易产生人为错误。因此，深水拖曳水池数据采集系统的改造需要结合网络和数据库以及设备的智能化技术完成传统“单机 数据采集系统向网络化数字试验系统的转变，满足新测试项目和新型传感器的需求。深水拖曳水池数据采集系统的改造建设可分为四大模块，如图1 2 所示，它的建设目标是：1 ) 数据采集系统测得的数据经简单的处理后，直接保存到实验室本地数据库；2 ) 实现在高速局域网上对常规试验的远程监控。图1 2 中的灰色方框部分是本论文的研究内容一基于c a n 总线的传感器自动识别，即通过对现有传感器等试验设备进行智能化改造，利用现场总线、计算机网络和数据库等技术，实现数据采集系统对试验设备的身份识别。图1 - 2 深水拖曳水池数据采集系统的改造建设1 ) 现场总线建设通过现场总线，在线监控试验过程中所有相关的测试设备和仪器的工作状态，实现设备、仪器问的实时通信及仪器、设备“网络身份”认证。2第一章绪论2 ) 设备智能化改造实现主要测试设备仪器和现场总线的接口，以及设备、仪器的“网络身份”标识。3 ) 数据采集系统建设更新升级数据采集系统硬件，对测控软件进行网络功能和数据库接口功能扩展，实现试验数据在线网络发布和数据库刷新。4 ) 远程监控系统试验数据高速无线传输，对试验环境状态及试验过程中的重点部位进行远程监控。深水拖曳水池数据采集系统的改造建设实现从设备资源管理、项目管理、试验过程管理、文件管理到试验控制、参数测量、在线监控、数据处理、数据融合与入库、试验报告编制等的标准化、程序化以及实时化、数字化和网络化，有效地提高了试验过程中各参试设备之间的同步和协调能力，为将来开展动态过程的测试等试验项目建立基础，为扩充试验项目、拓展试验能力提供必要的条件。深水拖曳水池数据采集系统的改造建设对中国船舶科学研究中心的网络化数字试验平台的建立，起到促进和示范作用，并以此为样本，搭建起中国船舶科学研究中心所网络化数字试验平台的基本构架。1 2 论文相关技术的发展现状1 2 1 传感器标识技术网络技术和计算机总线技术的发展，再加上测控任务的复杂化以及远程监测任务等迫切需求，促进了传感器等测控仪器向网络化、智能化的方向快速发展。传统传感器因本身的某些不足而束缚了这种发展。i e e e1 4 5 1 标准是一个关于网络化智能传感器标准，定义了一套智能网络化传感器接口内部标准和软硬件结构，其中i e e e1 4 5 1 4 标准为传统模拟模式的传感器和传动器增加自我标识机制。该标准定义了一个混合模式接口，把传统的模拟传感器信号与低成本的串行数字连接结合在一起，以访问传感器内嵌的传感器电子数据表( t e d s ) ，实现自我身份识别【2 刀。1 2 2c a n 总线现场总线是当今自动化领域发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。现场总线基金会对现场总线( f i e l d b u s ) 一词的定义为：现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之问、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。现场总线主要应用于过程自动化、医药领域、d h i $ , j 造、交通运输、航空、国防、农业、楼宇等领域。目前，有几种现场总线技术，比如c a n 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、h a r t 、f f 等，已逐渐形成其影响并在一些特定的应用领域显示优势【1 9 】。c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ，c a n ) 总线全称为控制局域网络总线，是国际上应用最广泛的现场总线之一。最早由德国b o s c h 公司提出，主要应用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。由于其具有高可靠性、高实时性、抗干扰性强、低廉的价格等特点，已经广泛应用于过程工业、机械工业、机器人、传感器等领域【1 8 - 1 9 l 。3江南大学硕士学位论文1 2 3 嵌入式系统嵌入式计算系统，简称嵌入式系统。i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义是：“d e v i c eu s e dt oc o n t r o l ，m o m t o r ，o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ，m a c h i n eo rp l a n t s 。微机协会的定义是：“嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统。目前被大多数人接受的一般性定义是：“嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、实时性、可靠性、成本、体积、功耗等严格约束的专用计算机系统”。嵌入式系统出现于2 0 世纪6 0 年代。4 0 多年来随着计算机技术、电子信息技术等的发展，嵌入式系统广泛应用于人们生产、工作中的各个方面，比如各种消费类电子产品、办公自动化产品、控制系统和工业自动化、现场仪器、网络通信设备、电信设备、生物医学系统等【3 。1 3 论文的主要研究内容和意义本论文的研究内容是基于c a n 总线的传感器自动识别方案，主要工作有以下几个方面：1 ) 讨论了基于c a n 总线的传感器自动识别方案的工作原理。2 ) 选择了合适的传感器接线盒和传感器网关两个嵌入式系统的开发平台。概述了嵌入式系统的组成、特定以及开发平台的选择策略，结合项目对传感器接线盒和传感器网关的功能需求，确定了两个嵌入式系统的开发平台方案。3 ) 通过讨论一款基于t c p h p 协议栈的网络通信协议d n p l ，简单介绍了w i n d o w ss o c k e t 规范，分析了d n p l 的客户机和服务器的通信模型，以及协议的消息类型和消息编码。4 ) 通过探讨一款用户自定义的c a n 应用层协议d n p 2 ，概述了c a n 总线技术，阐述了d n p 2 协议的主站和从站的通信模型，以及协议的消息类型和消息编码。5 ) 分析了传感器自我识别的实现机制。详述了i e e e l 4 5 1 4 标准，给出了传感器连接器的实现；重点探讨了传感器自动识别的硬件结构和读取通道标识软件协议栈。基于c a n 总线的传感器自动识别是深水拖曳水池数据采集系统改造建设的亮点。它提高了数据采集的自动化程度，提升了试验人员的工作效率，适应了中国船舶科学研究中心作为大型舰船性能试验基地对测控系统的需求。本文共包括六章，结构安排如图1 3 所示：总体设计方案( 笫二章)网络通信协议d n p l( 第三章)c a n 总线应用层通信协议d n p 2( 第四章)图l 一3 论文组织结构4传惑器自动识别的实现机制( 第五章)第二章总体设计方案2 1 总体方案第二章总体设计方案基于c a n 总线的传感器自动识别方案如图2 1 所示，主要包括以下几个部分：传感器连接器、通道标识载入接口、传感器接线盒和传感器网关。局域网图2 - 1 基于c a n 总线的传感器自动识别方案它的工作原理描述如下：1 ) 给传统传感器加装一个传感器连接器。对于多通道的传统测试设备，需要给每个通道都加装传感器连接器。传感器连接器内置的存储芯片保存了传感器中的某个通道在设备数据库中唯一的通道标识，即设备编号和通道编号。单通道传感器的通道号默认为l 。通道标识载入接口负责把通道标识写入传感器连接器。2 ) 试验中涉及的传感器通过传感器接线盒接入数据采集系统( 以开放式工业计算机总线标准p x i 为构架建立而成) ；传感器接线盒把一组传感器的通道标识和对应的物江南大学硕士学位论文理编号( 接线柱号) ，通过现场总线( c a n 总线) 输出至传感器网关。c a n 总线通信要遵循用户自定义的c a n 总线应用层协议d n p 2 。3 ) 传感器网关将接收到的所有c a n 消息打包成一个t c p i p 报文，通过实验室局域网转发送给数据采集系统。网络通信要遵循用户自定义的网络通信协议d n p l 。4 ) 数据采集系统解析t c p i p 报文，获得一组传感器的通道标识以及物理编号。根据这组信息依次查询设备数据库，能够得到各传感器的基本参数和相应测量通道的标定系数，供数据采集系统中电压量向工程单位转化时使用。这样就实现了数据采集系统对传感器及相应测量通道的身份识别。2 2 传感器接线盒和传感器网关2 2 1 嵌入式系统及开发平台的选择策略嵌入式系统由硬件和软件组成：1 ) 嵌入式系统的硬件是整个嵌入式操作系统和应用程序运行的平台，不同的应用通常有不同的硬件环境。嵌入式系统的硬件主要包括三部分：嵌入式处理器、存储器系统和外部接口。嵌入式处理器是构成系统的核心部件，系统中的其他部件均在它的控制和调度下工作。典型的嵌入式处理器主要有：m c s 5 1 系列、m o t o r o l a 微控制器m c 6 8 h c 0 8 系列、a r m 系列3 2 位处理器、x 8 6 处理器、p o w e r p c 处理器等。存储器系统，包括程序存储器( 例如r o m 、e p r o m 、f l a s h ) 、数据存储器( 例如w ) 和参数存储器( 目前一般使用e e p r o m ) 等。外部接口主要包括触摸屏、键盘、鼠标、语音识别、液晶显示屏刍苣 3 - 4 1寸o2 ) 嵌入式系统的软件包括嵌入式操作系统和应用程序。嵌入式操作系统完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能。目前比较流行的嵌入式操作系统有l i n u x 、w i n d o w sc e 、v x w o r k s 、q n x 、p c o s i i 等。嵌入式应用程序运行在操作系统之上，利用操作系统提供的机制完成特定功能的嵌入式应用。对于一些简单的嵌入式应用系统，应用程序可以不需要操作系统的支持，直接运行在底层1 5 j 。嵌入式系统是专用计算机，是面向专业领域、工作在特定环境下的应用系统，同通用计算机系统相比具有以下几个特剧弘7 j ：1 ) 嵌入式系统通常面向特定任务，如a r m 系列多用于手机中，m o t o r o l a 的龙珠系列用于中档p d a 中，p o w e r p c 用于网络设备中。一般地，决定这种“量体裁衣”型专用计算平台的应用环境的因素主要表现在如下几点：a ) 形式多样。在共同的基本计算机体统架构上，针对不同的应用领域系统构造不尽相同，处理器、硬件平台、操作系统、应用软件等种类繁多。b ) 对运行环境的依赖性。在众多应用背景下，温度、湿度、振动、干扰、辐射等因素构成了嵌入式系统赖以生存的环境，因此在系统设计时就需要充分考虑其运行环境的各种因素。c ) 综合考虑成本、资源、功耗等因素，对于大量的消费类数字化产品，成本是影响产品竞争力的关键因素之一，为了节省成本，就精简使用和利用资源。d ) 硬、软件必须紧密结合，高效设计，力争在同样的硅片面积上实现更6第二章总体设计方案高的性能。4 ) 嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，嵌入式处理器系统软件和应用软件的要求也和通用计算机有不同点：软件要求固件化，一般固化在非易性存储器中，如r o m 、e p r o m 、e e p r o m ；要求高质量、高可靠性的软件代码；要求系统软件具有实时处理能力。5 ) 嵌入式系统本身不具备自开发能力，即使设计完成以后用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，包括设计、编译、调试测试等工具，采用交叉开发的方式。6 ) 嵌入式系统是先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。嵌入式系统行业是一个高度分散的行业，充满了竞争、机遇和创新，无论是从体系结构、应用领域等面讲都是各不相同的，因此嵌入式系统不容易在市场上形成垄断。7 ) 嵌入式微处理器和嵌入式操作系统的支持。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器，具有以下若干特点：支持对实时多任务、保护存储区、处理器结构可扩展、功耗很低。嵌入式操作系统是嵌入式系统成功的关键，不仅具备通用操作系统的基本功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件功能等，还拥有自己独特的功能：比如良好的移植性，支持尽量多的硬件平台：占有更少的硬件资源；高可靠性；提供强大的网络功能，支持t c p i p 协议及其他协议；友好高效的g u i ( 图形用户接口) ；高实时性；可裁剪性等。嵌入式系统的开发平台由硬件平台、操作系统、编程语言和开发工具等组成。通常情况下，嵌入式系统的开发首先确定处理器，处理器的厂商或第三方合作厂商会提供所需的开发工具。此外，嵌入式操作系统厂商也提供必要的开发工具，比如用在操作系统上编写应用程序的a p i 、调试器等【3 n i l 7 1 。1 ) 嵌入式系统的硬件核心是嵌入式处理器，据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种数量已经超过1 0 0 0 种，流行的体系结构也有3 0 多种，因此嵌入式处理器的选择至关重要。理想的处理器选择方案是根据用户的需求和项目的要求选择处理器。选择处理器时要考虑的标准如下：a ) 处理器的处理速度。总的原则是应当让处理器的能力同项目的技术指标匹配。b ) 对选择的处理器是否熟悉。当在满足功能和开发人员熟练程度对立的时候，优先考虑处理器性能，而不是开发人员的熟悉程度。c ) 处理器上的i o 功能是否满足系统的要求。在选择处理器时，尽量选择单芯片方案，也就是说嵌入式系统所需要的i o 功能尽量集成在嵌入式处理器上。d ) 处理器的软件支持工具。e ) 处理器的调试支持。2 ) 硬件部件的选择。硬件部件的概念范围广泛，包括单个集成电路、单元电路板、磁盘驱动，直到整个自成体系的系统。选择硬件部件主要根据预算进行：a ) 产品的需求量。b ) 目标市场的几乎如何。c ) 软件对硬件的依赖程度。3 ) 一个优秀的嵌入式操作系统是嵌入式系统成功的关键。为了合理地调度多任务，7江南大学硕士学位论文管理和利用系统资源、系统函数、以及和专用库函数接口，用户必须自行选配嵌入式操作系统开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。选择嵌入式操作系统时应该注意如下因素：a ) 操作系统的功能。根据项目需要的操作系统的功能来选择实际的操作系统产品，具体考虑的问题有：需要操作系统的全部功能还是部分功能；文件系统、人机界面等；实时系统还是分时系统；操作系统是否可裁剪；如果系统很小，是否可以不需要操作系统。b ) 配套开发工具的考虑。c ) 操作系统的移植难度。d ) 操作系统是否包括特殊的调试支持e ) 操作系统的内存要求。f ) 项目程序员是否熟悉此操作系统，主要指此操作系统的a p i 。g ) 操作系统上包含所有需要的部件。蛐操作系统是否有可伸缩性。4 ) 目前比较流行的编程语言有c 语言、c 抖语言、j a v a 等语言。选择编程语言时主要考虑软件开发人员熟悉哪种语言，然后再考虑该语言使用的广泛程度以及性能。2 2 2 传感器接线盒1 ) 硬件平台的选择方案根据总体设计方案，传感器接线盒应该支持c a n 总线通信功能。目前，支持c a n总线通信功能的嵌入式微处理器主要有：p h i l i p s 公司的l p c 2 1 1 9 2 1 2 9 2 1 9 4 微控制器、a t m e l 公司的a t 9 0 c a n l 2 8 、m i c r o c h i pt e c h n o l o g y 公司的p i cr i s c 微控制器、专门支持c a n 功能的8 0 5 1 派生器件等。本文选用p h i l i p s 公司提供的l p c 2 1 1 9 a r m 7 t d m i s微控制器作为传感器接线盒的处理器。它具有体积小、功耗小、成本低、性能高等特点，带有1 2 8 k 字节嵌入的高速f l a s h 存储器、多个3 2 位定时器、4 路1 0 位a d c 、2 路c a n 以及多达9 个外部中断【8 。9 1 。对于c a n 收发器芯片，本文选用了c t m l 0 5 0 。c t m l 0 5 0是一款带隔离的高速c a n 收发器芯片，该芯片内部集成了所有必需的c a n 隔离及c a n 收、发器件，主要功能是将c a n 控制器的逻辑电平转换为c a n 总线的差分电平并且具有d c2 5 0 0 v 的隔离功能及e s d 保护作用i l0 。传感器接线盒不仅支持c a n 总线通信，还应该具有与1 一w i r e 总线通信的功能。在这里，本文选用了m a x i m d a l l a s 公司的d s 2 4 8 2 8 0 01 w i r e 主控制器。它是i z c 线至1 、m r e 总线的桥接器件，可直接与标准或快速的1 2 c 主机连接，完成1 2 c 主机和任意下游1 w i r e 从器件之间的双向协议转换【l l j 。2 ) 软件平台的选择方案根据总体设计方案，传感器接线盒仅对嵌入式操作系统的实时性、微内核等方面有严格的要求，对文件系统、网络通信、图形界面等功能不做特别规定。目前，比较适合的嵌入式操作系统有r t c l i n u x 、p c o s i i 、n u c l e u sp l u s 等。本文选用“c o s i i 实时操作系统。p c o s i i 是一个基于优先级的抢占式实时内核，只包含了任务调度、任务管理、时间管理、内存管理和任务间的通信和同步等基本功能，没有提供输入输出管理、文件系统、网络之类的额外服务。因为p c o s i i 公开源代码，所以它已经广泛应用到了诸多领域，如医疗器械、音响设施、发动机控制、网络设备、高速公路控制系统、机器人等1 1 2 。8第二章总体设计方案目前，针对a r m 处理器核的c 编译器有很多，如a d s 、i a r 、t a s k i i n g 和g - c c等。据了解，国内最流行的是a d s 和g c c 。a d s 是a r m 公司自己开发的，g c c 虽然支持广泛，但是比a d s 的编译效率低，这对发挥芯片性能很不利，所以选用了a d s 编译程序和调试1 1 3 1 。2 2 3 传感器网关1 ) 硬件平台的选择方案根据总体设计方案，传感器网关连接c a n 总线网和以太网，并且具有人机交互功能。本文中传感器网关由若干设备组合而成，包括p c 1 0 4 工业主板、具有p c 1 0 4 接口的c a n 通信卡、t f t 液晶屏和串口触摸屏等。2 ) 软件平台的选择方案根据总体设计方案，传感器网关注重嵌入式操作系统的图形界面、网络通信、微内核等方面的性能。目前，比较合适的嵌入式操作系统l a c l i n u x 、w i n d o w sc e 、v x w o r k s等本文选用了w i n d o w sc e 操作系统。w i n d o w sc e 是微软公司开发的一个开放的、可升级的3 2 位多线程、多任务嵌入式操作系统，主要应用于掌上电脑类的电子设备。与w i n d o w s 9 5 9 8 、w i n d o w sn t 不同的是，w i n d o w sc e 是所有源代码全部由微软自行开发的嵌入式新型操作系统，其操作界面虽来源于w i n d o w s 9 5 9 8 ，但w i n d o w sc e 是基于w i n 3 2a p i 重新开发的新型信息设备平台。w i n d o w sc e 具有模块化、可伸缩、实时性好、通信能力强等特点【_ 7 1 。开发工具选用了e m b e d d e dv i s u a lc * 4 0 。e m b e d d e dv i s u a lc + + 4 0 是w i n d o w sc e平台上的主流软件开发工具，主要用于本地代码开发，它支持m f c 、a t l 和s d k ( c语言) 编程。v i s u a lc + + 的程序员仍然可以使用开发w i n d o w s 应用软件时积累的经验。另外，在c p u 处理能力和内存大小受限的设备上，使用e m b e d d e dv i s u a lc + + 开发软件几乎是唯一的选择。9江南大学硕士学位论文3 1w i n s o e k 简介第三章网络通信协议d n p lw i n d o w ss o c k e t 简称w i n s o c k ，它以b e r k e l e y 大学b s du n i x 中流行的s o c k e t 接口为范例定义了一个基于m i c r o s o f tw i n d o w s 环境下的网络编程接口。它不仅包含了b e r k e l e ys o c k e t 风格的库函数；也包含了一组基于w i n d o w s 消息驱动机制的扩展函数 1 4 - 1 6 |o套接字( s o c k e t ) 是通信的基础，是支持t c p i p 协议的网络通信的基本操作单元。一个套接字描述为一个通信连接的一端，在一个通信连接中的两端通信程序应各自有一个套接字来描述他们自己的那一端。套接字存在于通信域中，通信域是为了处理一般的线程通过套接字通信而引入的一种抽象概念【14 1 。在客户机n 务器模型下，客户机随机向服务器申请一个套接字，服务器随机为之分配一个套接字端口号；服务器拥有一个全局公认的套接字端口，并在此处一直监听对服务的请求，任何客户都可以向其发出连接请求和数据请求。客户机朋艮务器模型工作时，通常有一套为客户机和服务器所共识的用户自定义协议来保证服务能够被提供( 或被接受) ，并且这套协议必须在通信的两端被实现【”d 6 】。w i n s o c k 支持两种套接字编程方式：流套接字和数据报套接字。流套接字提供面向连接的、可靠的、有序的、无重复且无边界记录的数据流服务。t c p 协议使用流套接字。流套接字的典型应用有远程登陆t e l n e t 等。数据报套接字是无连接的，以独立数据包形式发送数据，不保证可靠性、有序性和无重复性。u d p 协议使用该套接字。3 2 网络通信连接的实现为了确保数据传输的可靠性、正确性、有序性等，本文在网络通信时采用了流套接字。服务器为p x i 工控机上运行的测控系统，客户机是传感器网关运行的操作软件，两者均支持w i n s o c k1 1a p i ，通信过程如图3 1 所示。服务器的通信过程为：1 ) 调用s o c k e t 方法创建一个流套接字。2 ) 利用b i n d 方法绑定本机地址1 9 2 1 6 8 8 0 1 2 0 和端口号2 0 0 7 。3 ) 使用l i s t e n 方法进入侦听状态，等待客户机程序的连接请求。4 ) 客户机程序发出连接请求，服务器程序利用a c c e p t 方法产生一个新的套接字与客户端建立连接。5 ) 服务器程序利用s e n d 、r e c v 方法进行数据收发。6 ) 一旦任务完成，利用c l o s e 方法关闭连接。客户机的通信过程为：1 ) 调用s o c k e t 方法创建一个流套接字。2 ) 利用c o n n e c t 方法向服务器提出连接请。1 0第三章网络通信协议d n p i发。3 ) 服务器接受客户机程序的请求后，客户机程序利用s e n d 、r e c v 方法进行数据收4 ) 一旦任务完成，利用c l o s e 方法关闭连接。服务器一3 2d n p l 的设计方案图3 - 1 客户机和服务器的通信3 2 1 协议模型网络通信协议d n p l ( d a t aa c q u i s i t i o nn e t w o r kp r o t o c o lp a r t1 ) 协议是用户自定义的一个t c p i p 应用层协议。与h t t p1 1 协议相同的是，它也采用了请求响应模型以及面向连接的套接字，并以a s c i i 码数据流来传递消息【1 7 1 。建立t c p 连接的两个通信端点之间传递编码数据流，并以回车换行符( c r l f ) 表示消息的结束。d n p l 协议将p x i工控机作为服务器，传感器网关作为客户机。d n p l 仅考虑有一个客户机的情况。客户机与服务器之间一共包括四个通信过程，如图3 2 所示。1 ) 版本协商：客户机与服务器互发版本声明消息。2 ) 验证连接：客户机与服务器互发心跳消息。3 ) 获取、返回i d ：服务器发送获取i d 消息，客户机准备好i d 后再发送返回i d消息。4 ) 关闭连接：服务器向客户机发送结束消息。器进辫骆一篇麓帮烘麟蝴；墙胤懒螺错发送的飙嘴磊：兰蒜纛鬻三，表襁息已器接篷篓：器霎黧黧i l i d ) 蒙滟呦徽盖裟鬻3 务繁的应答消航表示焉取i d 的操作瓶服务器模型如图- 4 所示。“。叭瓠耿山削璨作完成。罢交燃絮一慧器鬻勰销嚣薹麓? 续辨机进蕃消嚣嚣茹篇嚣徽篓2 ) 服务器向客白加套；茁詹寸卜。- 。毒一一纛栅燃回m 帆嗍在操作裟务器收至喀户机发送的姗。磊菇，崮主晶回复一条应黼息，获取i d 的1 2第三章网络通信协议d n p i图3 - 3 客户机模型1 3江南大学硕士学位论文 开始)上上电后，从指定文件读取服务器的i p地址以及端口号、本机i p 地址、d i , i p 2版本号，并进行相应的设置上l 等待来自客户机的版本声明消息-图3 - 4 服务器模型1 4第三章网络通信协议d n p l验证连接过程：如果在一段时间内没有有效的消息通信，要求服务器或客户机向对方发送心跳消息以保持通信。具体做法如下：1 ) 在空闲( 即未向对方发送消息) 时间超过1 0 秒钟时，向对方发送一条心跳消息，从而保证在网络连接正常的情况下，一方能够在l o 秒钟以内收到另一方发送的消息；2 ) 双方独立地检查通信的情况。如果1 0 秒钟内没有收到对方发送的消息，计为1次通信超时。如果连续出现了6 次通信超时，则表示网络连接出现了故障。这时必须向试验人员发出警告，但不断开连接；3 ) 如果在发生6 次通信错误之前收到对方发送的消息，则表示通信正常，将超时计数清零，重新开始计数。3 2 2 协议定义d n p l 协议采用a s c i i 码字符集进行编码，即消息内容使用a s c i i 码字符表示。每一条消息都是由消息命令、消息文本和回车换行符( c i 也f ) 组成的。d n p l 协议一共定义了6 种消息命令，其编码格式为：”c ：x x x ”。其中， x x x ”为三个数字或大写英文字母的组合。消息文本表示消息的正文部分，一般使用空格、逗号和竖线分隔。d n p l 协议将回车符、换行符、空格、逗号、分号、冒号、竖线作为保留字符。在设备数据库中定义设备i d 时，上述7 个字符作为特殊字符，不允许出现。在消息文本中，只能使用数字”乱9 ”、大写英文字母”6 心”、小写英文字母”a ，z 、小数点”、加号，+ ，以及连字符”“和下划线”，一共6 6 个a s c i i 字符。d n p l 协议定义了6 种消息命令，当接收方收到一条包含无效消息命令的消息时，仅作忽略处理。1 ) 版本声明消息c ：v e r消息格式：消息命令+ 空格+ 协议版本号+ 回车符+ 换行符，例如：c ：v e r ui 2 ) 获取i d 消息c ：g i d消息格式：消息命令+ 回车符+ 换行符，例如：c ：g i d 3 ) 返回i d 消息c ：刚d消息格式：c ：d 一传感器接线盒i d s 列表l u 传感器接线盒i d s 列表2 u 每个传感器接线盒i d s 列表的格式如下：b i d i i d li i i d 2 i 每个i i d 的内容组成为：e i d ，c i d ，j i di d 信息的结构层次和各个编号的含义分别如图3 5 和表3 。1 所示。1 5江南大学硕士学位论文空格图3 - 5i d 信息结构表3 - 1 编号说明英文名称中文名称说明b i d传感器接线盒编号和设备编号一致。e i d设备编号设备编号字符串，类似1 2 3 4 1 2 3 4 的字符串。与c i d 合称为通道标识。c i d设备内部通道编号无符号整数， 0 2 5 5 j i d传感器接线盒上接线柱编号物理编号。无符号整数， o - - 一2 5 5 。例如：c ：r i d - 1 2 0 1 - 0 0 0 1 1 0 4 0 5 0 0 1 4 ，1 ，1 1 0 5 0 5 0 0 1 8 ，1 ，2 消息含义：客户机连接了一个b i d 编号为0 5 0 5 0 0 1 8 的传感器接线盒。该传感器接线盒连接两个采集设备，e i d 编号分别为0 4 0 5 0 0 1 4 、0 5 0 5 0 0 18 。采集设备0 4 0 5 0 0 1 4的测量通道( c i d = i ) 连接在该接线盒的接线柱( j i d = 1 ) 上；采集设备0 5 0 5 。0 0 1 8 的测量通道( c i d = 1 ) 连接在该接线盒的接线柱( j i d = 2 ) 上。4 ) 心夥b 消息c ：h b t消息格式：消息命令+ 回车符+ 换行符，5 ) 应答消息c ：a c k消息格式：消息命令+ 回车符+ 换行符，6 ) 结束消息c ：e n d例如：c ：h b t 例如：c ：a c k 消息格式：消息命令+ 回车符+ 换行符，例如：c ：e n d 图3 - 6 ( a ) 给出了服务器1 9 2 1 6 8 8 0 1 2 0 与客户机1 9 2 1 6 8 8 0 2 3 l 建立通信连接、通信维持、获取i d 消息的过程。当服务器接收到r i d 消息后，按照规则解析该消息，可以得到一组试验设备的通道标识。根据这些通道标识分别查询数据库，能够获得相应设备及相应测量通道的详细信息，如图3 - 6 ( b ) 所示。1 6第三章网络通信协议d n p i1 0 - 0 8 - 4 71 9 2 1 6 8b 0 2 3 11 9 2 1 6 8e 0 1 2 0c ：v i b r l加q 71 9 2 1 6 8 l 加1 9 2 1 6 08 02 3 1c ：v e r l1 0 0 8 + 4 81 9 2 瑚8 8 1 2 廿1 蛇1 6 88 82 3 1c ；g i d廿却1 9 2 1 6 88 02 3 1l 昵1 6 88 8 1 2 0c ：a c 1 0 - 0 8 - 5 0l 1 9 2 1 6