（检测技术与自动化装置专业论文）基于以太网的电力谐波远程测控系统的设计.pdf

基于以太网的电力谐波远程测控系统的设计 专业 ：检测技术与自动化装置 硕士生 ：石世光 指导教师：陈云洽副教授 摘要 论文首先分析了原有的电力谐波分析仪中的一个环节一远程测控系统，结合 现代以太网技术，提出了新的解决方案，对如何利用现有资源一计算机9 回络来整 合工业控制系统的数据传输具有重要的意义。论文的最终目的是：组建一个以电 力谐波为中心，具有数据采集、数据分析处理、数据远程传输为一体的智能型谐 波分析系统；同时，因为在系统软件设计过程中渗透了模块化的思想，因此，本 系统软硬件都可很方便的根据实际情况进行功能配置。 文中，结合以太网、t c m p 技术的原理，研究了它们在工业控制系统中存在 的问题，提出了改进措施：基于公用电话网的远程测控系统是以前普遍采用的一 个方法，针对以往系统中存在的开放性、互联性差以及带宽较低的问题，得出了 利用单片机p 8 9 c 5 2 r d 和以太网控制器r t l 8 0 1 9 a s 构建了基于以太网的电力谐波远 程数据传输测控系统，对系统进行改进，同时可以实现将设备低层网和企业内部 网乃至国际互联网无缝连接起来，为进一步解决此类问题提出了新思路和新方 法，为后续研究提供了参考模型。 本文深入地研究了t c p i p 协议模型，得出了在单片机上只需实现a r p 、p i n g 、 i p 、u d p 协议，根据以太网控制器r t l 8 0 1 9 a s 自身的特点，可以达到在计算机网络 中传输的目的；剖析了以太网控制器r t l 8 0 1 9 a s 硬件本身的结构，给出了单片机 与以太网控制器的接口，一编写了初始化程序；最后，针对上位机远程数据接收的 问题，分析了w i n s o c k e t 接口原理，提出了采用目前流行的w i n s o c k e t 接口来实现 数据的接收。 系统的结果基本达到了预定的设计指标，并证明了本文方法的正确性和可行 眭。 关键诃：以太网单片机t c 【p 协议电力谐波 i d e s i g no fr e m o t em e a s u r ea n dc o n t r 0 1s y s t e mf o rp o e rh a r o n i c b a s e do ne t h e r n e t m a j o r ： m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n da u t o m a t j o nd e v i c e n a m e ：s h is h ig u a n g s u p e r v i s o r ： a s s o c i a t ep r o f c h e ny u nq i a f i r s t l y ，t h i sp a p e ra n a l y s e sa ni m p o r t a n tp a r to ff o r m e rp o w e rh a r o n i ca n a l y s i s i n s t r u m e n t一一r e m o t em e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e m ，p u t sf o r w a r dn e wp r o j e c t w i t hm o d e r n e t h e r n e tt e c h n o l o g y i ti sa ni m p o r t a n ts i g n i f i c 卸c et or e a l i z ed a t a t r a n s m i s s i o no fi n d u s t r yc o n t r o ls y s t e mo nh o wt om a k eu s eo fc o p u t e rn e t w o r k t h e1 a s tp u r p o s eo ft h i sp a p e ri sc o n s t r u c t i n ga ni n t e l l i g e n tw a v ea n a l y s i ss y s t e m ， t h ef o c u so ft h i ss y s t e m p o w e rh a r m o n i c sr e s o u r c e t h es y s t e mc a np r o c e s sd a t a s a m p l i n g ，d a t aa n a l y s i sa n dt r a n s f e rr e o t ed a t a ，m e a n w h i l e ，b e c a u s eo ft h eb l o c k i n g t h i n k i n go fs o f t w a r e ， i ti se a s yt oc o n f i g u r es y s t 舢a c c o r d i n gt of a c t t h i sp a p e rh a sr e s e a r c h e dm a n yc u r r e n tq u e s t i o n so fe t h e r n e ti ni n d u s t r y c o n t r o lf i e l d ，b r i n g su pa ni m p r o v e d e t l o d t h i sm e t h o dw a su s u a l l yu s e di nr e m o t e e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do np u b l i ct e l e p l o n en e t w o r k ，b u ti th a sm a n y d i s a d v a n t a g e s ，f o re x 硼p l ei t sb a d o p e n ，b a d u t u a lc o n t a c ta n d1 0 w b a n d w i d t h ，s o t h et h e s i sh a sp u tf o r 霄a r dan e wm e t h o dt oc o n s t r u c tad a t a t r a n s m i t s y s t e mb a s e d o ne t h e r n e tw i t has i n g l ec h i po fp 8 9 c 5 2 r da n da ne t h e r n e tc o n t r 0 1 l e ro f r t l 8 叭9 a s i t a yr e a l i z en 0 - g a pc o n n e c ta o n ge q u i p m e n tn e t 舶r ka n de n t e r p r i s e i n s i d en e t w o r k ，p r o v i d e san e wt h o u g h tt oi n v e s t i g a t et h i s p r o b l e md e e p l y ， a n d b r i n g su par e f e r e n c e dm o d e lf o r f a r t h e rr e s e a r c h 。 t h i sp a p e rh a sr e s e a r c h e dt c p i pp r o t o c o lm o d e l ，c o n c l u d e st h a ti tm u s tb e s u c c e s s f u lt ot r a n s m i td a t ai nc 伽p u t e rm e t w 0 r ki fo n l yi p ， a r p ，p i n ga n du d p p r o t o c 0 1 sa r er e a l i z e di ns i n g l ec h i p t h e ni ta n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e e t h e r n e tc o n t r 0 1 l e r so fr t l 8 0 1 9 a s ，w r i t et h ei n i t i a l i z a t i o np r o g r 柚f i n a l l y ，t h e p a p e ra r l a l y s e st h ep r i n c i p l eo ft h ew i n s o c ki n t e r f a c ea n da d o p ti tt or e c e i v et h e r e m o t ed a t a t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n t sb a s i c a l l ym e e t st h er e c o n v e r t e dp e r f o 珈a n c er e q u e s t i ta l s os h o w st h ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d s k e y 珊r d s ： e t h e r n e tc 彻t r d l l e r s i n g l e c h i pt c p i pp r o t o c o l p o 孵rh a 埘o n i c 第一章前言 第1 章前言 1 1 课题研究意义 电力能源是国民经济发展的命脉，随着国民经济的高速发展，用电负荷不断 增长，供电范围逐渐扩大，配电房的数量急剧增加，各地方的电力系统变得越来 越庞大复杂，现在己发展为多个电网联合为用户供电的形式。在这种情况下，如 何保证电网安全、经济地运行，以及优质、廉价的电力供应成为供电部门密切关 注的问题。 对电力负荷相关参数全面、及时的采集，对供电设备运行状况的连续监测， 实时故障检测与定位，是实现电网安全运行的必要条件，也是电网自动化系统的 基本组成部分之一。它不仅为我们全面掌握电网的运行情况提供了第一手的数 据，而且是实现电力系统远程遥控的基本保证。但是，要对多现场、多目标进行 人工连续监察和管理是低效率的，而且不现实的。系统的监控和管理水平也达不 到整个电力系统及其各用电单位安全、可靠、经济运行的目标。因此，用计算机 系统对电力负荷进行远程监控势在必行。 随着计算机网络和控制技术的发展，产生了现场实时铡控网络。测控网络的 网络节点除一般计算机或工作站外，更大量包含具有网络接口的智能型传感器、 现场智能仪器、仪表以及现场测控单元，一般独立于i n t r a n e t i n t e r n e t 之外。 测控网络根据工业测控的要求，具有协议简单、短帧传送、高可靠性、实时性特 点。正是由于这些特点，测控网络技术一直沿着自己的道路向前发展，采用的通信 技术也自成体系，通信协议不开放，即使是典型的现场总线技术，如f f ，l o n w o r k s 等也需要通过复杂的网关才能够连接到企业的信息网络中，其开放性、互连性较 差，带宽也较低。 随着企业网络不同层次之间传送的数据信息变得越来越复杂，对测控网络的 开放性、互连性、带宽提出更高的要求，测控网络与信息网络的集成已成为工业 测控的发展方向。实现测控网络和信息网络的集成是建立企业综合实时信息库的 基础，为企业的优化控制、调度决策提供依据：通过测控网络和信息网络的结合， 可以建立统一的分布式数据库，保证所有数据的完整性和互操作性：现场设备与 第一章前言 信息网络实时通信，使用户能通过信息网络中标准的图形界面随时随地了解生产 情况，也便于实现远程监控、诊断和维护。 本实验室研究的电力参数实时监测与远程管理系统已经通过了省级技术鉴 定，并且在新会和顺德电力局挂阿运行了相当长的一段时间，取得了非常好的经 济效益和社会效益，但在运行过程中也暴露出了一些不足之处，比如，开放性、 互连性较差，带宽也较低。 e t h e r n e t 是目前应用最广泛的计算机网络技术，受到广泛的技术支持，也容 易获得测控领域生产厂家的认可。用e t h e r n e t 构造测试网络平台，就是在智能模 块( 如现场智能仪器仪表、智能传感器等) 中实现e t h e r n e t 的功能，直接成为一 个网络节点，连接到企业信息网中，从而实现信息网与测试网的集成。企业的管理 工作站通过i n t r a n e t 或i n t e r n e t 在直接监视现场设备的同时，实现对生产过程 的操作管理。因此，采用业已成熟的e t h e r n e t 技术构建集成测控网络平台具有重 要的意义。 1 2 研究现状 以太网最典型的应用形式是e t h e r n e t + t c p i p ，即灵活的e t h e r n e t 底层加上 几乎已成为通用标准的网络传输协议t c p i p ，使得以太网能够非常容易地集成到 以i n t e r n e t 和w e b 技术为代表的信息网络中。这一突出优点，加上能够满足各种 要求的足够带宽( 从1 0m 到1 0 0 0m ) 、开放性的统一标准、低廉的成本，促使以 太网在工业领域得到越来越多的关注。 9 0 年代中后期，国内外利用业已成熟的以太网技术，对基于以太网的工业 测试系统进行了大量研究和实践，国外对现场级高速以太网的研究则大约始于 1 9 9 7 年。尽管对以太网测控系统有不同的看法，但一般认为应是一种较好的解决 方案，并具有很好的发展前景，是未来现场总线发展的方向。 国际现场总线基金会f f 已经在2 0 0 0 年4 月发布高速以太网现场总线h s e 的最 终技术规范( f s i1 0 ) ，其他一些国际组织也在从事推动以太网进入控制领域 的工作，如原现场总线厂家如p r o f i b u s ( 德国西门子公司) 、c o n t r o lne t ( 美 国罗克韦尔公司) 等都在组织研究基于以太网的现场总线协议；i e e e ( 美国电 气和电子工程师协会) 正在着手制订现场总线和以太网盼新标准；0 d v a ( d e v i c e n e t 供应商协会) 也发布了一个为在工厂基层使用以太网服务的全球标准 第一章前言 e t h e r n e t i p ，它允许在开放的应用层中充分应用商业的以太网物理介质和元件， 来实现自动化领域中不同供应商的以太网产品之间可互操作性；1 9 9 8 年底成立 的美国i a o n o 组织( 工业自动化开放网络联盟) 最近与o d v a 和i d a ( 国际开发协会) 就共同推进e t h e r n e t 和t c p i p 达成共识。所有这些加上众多设备供应商围绕以太 网开发的一系列新技术和新产品，给以太网广泛进入实时控制领域创造了条件。 更有人乐观预测今后e t h e r n e t 和t c p i p 将成为器件总线和现场总线的基础。“ 我国配电网自动化研究开始的比较晚，发展的也不是很成熟，只是在一些经 济比较发达的地区安装了比较大的系统，而且很多系统还带有实验性质。即使是 已投入使用的系统，也存在着诸如系统实时性不好，自动化程度不高等缺点。 当然配电网自动化技术是当前研究的热点，也是我国进行电力网系统改造的重 点，新的方案不断涌现，基于公用电话网的远程测控系统是以前普遍采用的一个 方法，而基于现场总线技术的远程测控系统己开始出现，但是把远程测控系统作 为一个基于以太网的设备低层网( i n f r a n e t ) ，和企业内部网( i n t r a n e t ) 乃至国际 互联网( i n t c m e t ) 实现无缝连接起来，实现数据共享也已成为广大技术人员努 力的方向。 1 3 本论文研究的主要内容 本论文研究的内容，是广东省十五规划攻关专项课题电力参数实时监测与 远程管理系统的后续研究内容之一。本课题主要是基于以太网的电力谐波远程 测控网络的设计，该论文内容集中在测控系统的底层设计和实现、测控系统通信 实现以及管理工作平台的设计说明。 第2 章系统的总体结构 第2 章系统的总体结构 2 1 系统整体结构 整个电力参数实时监测与远程管理系统由上位机( i b mp c 兼容机) 和基于 8 0 3 2m c u 的远程终端单元( r t u ) 通过i n t e r n e t 网联接而成( 如图3 1 所示) 。 r t u 可以增加网络接口r j 一4 5 ，直接通过网线连接到上位机，也可以在一个区域内 多台r t u 通过接至交换机，再通过网线与上位机连接。 图2 一l电力参数实时监测与远程管理系统 其中r t u 完成对配电房各种电力参数的实时测量和存贮，并且当检测到异常 情况时主动呼叫上位机报警，而上位机则作为配电管理调度中心的工作人员的人 机界面，可以远程点名呼叫某一个远程终端单元( r t u ) ，查看现场的各种电力参 数的实时情况，或者是提取已保存的历史数据，以备分析、调度使用。 2 2 远程测控系统接入i n t e r n e t 的方式 当前远程测控系统接入i n t e r n e t 的几种方式，可有几种方式：“” 1 ) p c 网关十专用网此方案采用专用网络( 如r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n b u s 等) 把一 小批单片机连接在一起，再将专用网络连接到一台p c 机上。由于它依赖p c 机作为 协议转换机制，因此在多个单片机系统分散情况下，专用网络布线不方便，同时 在p c 机上安装专门的协议转换机制软件，增加了开发成本 4 第2 章系统的总体结构 2 ) e m w a r e 的e m i t 技术该技术使用标准的i n t e r n e t 协议对8 位和1 6 位嵌入式 设备进行管理，利用网关在网络中桥接代理和t c p i p 协议栈采用e m i t 方案可选 用各档次的单片机，但系统设计工程师必须熟悉e m i t 协议和相关接口，工作量大 3 ) m c u 十网卡芯片单片机加载t c p i p 协议控制以太网网卡进行数据传输， 并通过t c p i p 协议接人i n t e r n e t 此方案不使用p c 机平台或网关，降低了开发成 本，但需对单片机、t c p i p 协议、网卡驱动程序有较深了解 通过以上方案的分析，以“m c u 十网卡芯片”实现方式最为经济，为首选方案 本系统设计即采用此种方案。 2 3 系统组成部分 整个系统可以大致分为两个部分：一部分是指电力谐波信号检测与采集模 块，另一部分是电力谐波信号数据的远程传送模块。 1 信号检测与采集模块 该模块的任务是把非电量信号转换为电量，或把电量转换成i 0 接口仪器 设备可以识别的信号范围( 包括信号处理) 。信号检测由传感器或者执行器来完成 而数据的采集由数采模块来完成。 电 压 跟 r 二 随 多 l 电f l 转换 器 路 + l 选 择 开 关 电流 电 倍数 流 斗 放大 跟 r 。“一 随 器 图2 - 2 采集部分硬件示意图 ，t l c d 显示 、1 ， 苴 0 纠键盘控制 片 机 0 刊数据存储 哥 田剧团剧 第2 章系统盼总体结构 2 远程数据传送模块 l 采集数据 t c p ，i p 协议以 太 交 oo 网 换 控 机 | 数孵黼h8 位微她器b 制 器 图2 3 以太网通讯硬件示意图 在图中，以太网控制器采用r t l 8 0 1 9 a s 芯片，微处理器采用飞利浦系列 p 8 9 c 5 2 r d ，具体内容后面有介绍。 实现的大致流程是：电力谐波分析仪采集来的数据进入公共数据存储器，单 片机予以接收，数据按照t c p i p 协议处理成以太网帧格式，打包后交给以太网控 制器，以太网控制器自动将数据输送至计算机网络中，上位机进行数据接收。 由于信号检测与采集模块已完成，所以本论文将重点放在后一模块。此部分 系统涉及到以太网技术、t c p i p 协议栈的实现以及以太网控制器r t l 8 0 1 9 a s ，在 下面的章节将分别予以分析。 第三章以太网技术分析 第3 章以太网技术分析 3 1 以太网及其发展 以太网( e t h e r n e t ) 最初源自于1 9 7 5 年美国x e r o x 公司建造的一个2 9 m b p s 的 c s m a c d ( 载波监听多路访问冲突检测) 系统，它以无源电缆作为总线来传送数 据，在1 0 0 0 m 的电缆上连接了1 0 0 多台计算机，并以曾经在历史上表示传播电磁波 的以太( e t h e r ) 来命名，这就是如今e t h e r n e t 的鼻祖。随后，d e c ，i n t e l 及x e r o x 合作公布了e t h e r n e t 物理层和数据链路层的规范，称为d i x 规范。在此基础上， 电气和电子工程师协会( i e e e ) 制定了i e e e 8 0 2 3 标准。严格来讲，e t h e r n e t 与 i e e e 8 0 2 3 在h i a c ( 介质访问控制) 层上采用相同的c s m a c d 协议以及极为类似的 帧格式，但并不完全相同，只不过人们习惯上通常将i e e e 8 0 2 3 标准即视为 e t h e r n e t 。 1 4 以太网支持的传输介质为粗同轴电缆、细同轴电缆、双绞线、光纤等，其最 大优点是简单、经济实用，易为人们所掌握，所以深受广大用户欢迎。 随着网络的普及使用，传输的信息要求从单一的文本数据发展到多媒体信 息，因此对以太网应用范围、传输实时性等方面的需求急剧增长，以太网也得到 了飞速发展，主要体现在二个方面： 一是以太网的传输速率从原先的1 0 m b p s 发展到1 0 0 0 m b p ，甚至更高：另一个 重要方面就是网络结构从最初的共享式向交换式发展。 3 2 以太网的工作基本原理 以太网上各工作站间通信采用竞争方式，某一工作站要向总线发送数据，要 先监听信道，检测信道是钆e ”还是“闲”，如果信道处于“ 亡”状态，则工作 站就应该延缓它的信包发送，直到信道变成平静；如果信道处于“闲”状态，则 工作站就可以立即抢占信道，发送信包。但这样并不能完全避免碰撞的发生，因 此还需要检测碰撞的手段，利用收发器把已送出去的信息再收回来，进行比较， 发现不一致则认为产生碰撞，立即停止当前的发送并准备重发。为了避免二次碰 撞发生，每个工作站应在不同的延迟之后重发。“ 此即为c s m a c d 介质访问机制。以太网主要针对网上只传输数据的特点，网 第三章以太瞬技术分析 上所有节点访问网络的机会相等。c s 姒c d 的优势在于站点无需依靠中心控制就 能进行数据发送。当网络负荷较小的时候，冲突很少发生，因此延迟低。当网络 负载较重的时候，就容易出现冲突，网络性能也相应降低，不能保证数据在预定 时间内到达目的站，因此通信实时性不能保证。 3 3 以太网的帧协议 一个标准的以太网物理传输帧由七部分组成( 如下表所示，单位：字节) 。 p rs dd as at y p en a t ap a df c s 同步位分隔位目的地址源地址类型字段数据段可选帧校验序列 716624 6 1 5 0 04 图3 1以太网的物理传输帧结构表 每帧内容的含义如下： p r ：同步位，用于收发双方的时钟同步，同时也指明了传输的速率，是5 6 位 的二进制数1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 s d ：分隔位，表示下面跟着的是真正的数据，而不是同步时钟，为8 位的 1 0 1 0 1 0 l l ，跟同步值不同的是最后2 位是1 1 而不是1 0 。 d a ：目的地址，以太网的地址为4 8 位( 6 b ) 二进制地址，表明该帧传输给哪个网 卡。如果为f f f f f f f f f f f f ，则是广播地址，广播地址的数据可以被任何网卡接收 到。 s a ：源地址，4 8 位，表明该帧的数据是哪个网卡发的，即发送端的网卡地址， 同样是6 字节。 t y p e ：类型字段，表明该帧的数据是什么类型的数据，不同的协议的类型字 段不同。如：0 8 0 0 h 表示数据为i p 包，0 8 0 6 h 表示数据为a r p 包，8 1 3 7 h 为i p x s p x 包。( 小于0 6 0 0 h 的值是用于i e e e 8 0 2 的，表示数据包的长度。) d a t a ：数据段，该段数据不能超过1 5 0 0 字节。因为以太网规定整个传输包的 最大长度不能超过1 5 1 4 字节。( 1 4 b 为d a 、s a 、t y p e ) p a d ：填充位。以太网帧传输的数据包最小不能小于6 0 字节，除去( d a ，s a ， t y p e1 4 字节) ，还必须传输4 6 字节的数据，当数据段的数据不足4 6 字节时，后面 补0 0 0 0 0 0 ( 当然也可以补其它值) 。 f c s ：3 2 位数据校验值。为3 2 位的c r c 校验，该校验由网卡自动计算、自动 第三苹以太厨技术分析 生成、自动校验、自动在数据段后面填入。所有数据位的传输由低位开始( 但传 输的位流是用曼彻斯特编码的) 。 除了数据段的长度不定外，其他部分的长度固定不变。除去d a 、s a 、t y p e 1 4 字节，还必须传输4 6 字节的数据，当数据段的数据不足4 6 字节时需填充，填充 字符的个数不包括在长度字段里：超过1 5 0 0 字节时，需拆成多个帧传送。事实上， 发送数据时，p r 、s d 、f c s 及填充字段这几个数据段由以太网控制器自动产生； 而接收数据时，p r 、s d 被跳过，控制器一旦检测到有效的前序字段( 即p r 、s d ) ， 就认为接收数据开始。 3 ，4 以太网姒c 地址的组成 网卡m a c 地址不是随便定义的，它的组成结构如图所示。以太网的地址为 4 8 位，由m e e 统一分配给网卡制造商，每个网卡的地址都必须是全球唯一的。 共6 个字节的长度。 4 7 。3 33 2 3 l 一2 4 2 3 一o l 制造厂商标识组播标志 制造厂商标识 系列号 表3 2 网卡m a c 地址组成结构 f f f f ：f f ：f f f f ：f f 为广播地址。只能用在目的地址段，不能作为源地址段。 目的地址为广播地址的数据包，可以被一个局域网内的所有网卡接收到。一般的 以太网地址第3 2 位组播标志必须为0 ，否则则是组播地址。组播地址只能作为 目的地址，不能作为源地址，组播地址可以被支持该组播地址的一组网卡接收到。 网卡可以接收以下3 种地址的数据包! 第一种目的地址跟自己的网卡地址是一样的数据包： 第二种目的地址为f f ：f f ：f f ：f f ：f f ：f f 广播地址的数据包； 第三种目的地址为跟自己的组播地址范围相同的数据包。 在以太网的应用当_ 中，如果希望数据包只发给一个网卡，目的地址用对方的 网卡地址；如果想把数据包发给所有的网卡，目的地址用广播地址：如果想把数 据包发给一组网卡，目的地址用组播地址。 3 5 以太网在工业控制上的优点 采用以太网作为工厂底层的现场级网络，具有许多独特的优点。 9 第三章以太阿技术分析 第一，由于以太网技术成熟，实现起来比较容易，丰富的以太网产品如 1 0 m 1 0 0 h l 集线器、交换机，接入设备的以太网卡、互连设备的网关、路由器、 网桥、中继器等可以直接选用。“” 第二，以太网比现场总线具有更高的带宽，而且还可以较容易地升级到 1 0 0 m 甚至1 0 0 0 m 高速以太网，其速率比目前的现场总线快得多。其可靠性也较 高，因而底层网络可以采用不可靠的u d p 协议通信，进一步提高了网络效率。 第三，协议简单。e t h e r n e t 遵循i e e e8 0 2 3 标准，采用带碰撞检测的载 波侦听多路访问( c s m a c d ) 协议解决介质访问冲突，因碰撞产生的信息传输时 间具有随机性。随着e t h e r n e t 的发展，因碰撞产生的信息传输时间的随机性大大 淡化。如在交换以太网中，任意站点之间的通信通过交换机实现透明的转发，不存 在信道共享引起的竞争问题，系统的通信容量成倍的增加：同时，还可以方便地实 现优先排队机制，使紧急信息的传送达到最快，其效率高，实时性好。 第四，成本低。人们对以太网技术的熟悉，可以显著降低系统的开发、培训 和维护费用。同时，因其应用广泛，硬件价格低廉。目前，以太网卡的价格只有 p r o f i b u s 等现场总线网卡的十分之一。 第五，易于与其它网络集成。将现场以太网、企业内部网i n t r a n e t 与 i n t e r n e t 集成，非常方便测试系统的维护，因为连接在底层以太网的智能仪表 等具有即插即用( p n p ) 功能，而且用户可以在任何时间、任何地点直接操作它， 从而通过f t p 、s mt p 、h t t p 等真正实现远程设置、远程测量、远程控制、远程 校准、远程故障诊断和远程报警等，真正实现测控网络和信息网络的无缝接口以 及测试系统的远程操作。 第六，以太网测试技术可以及时吸取以太网技术的最新成果，从而促进其 发展。 小结：e t h e r n e t 采用由i e e e 8 0 2 3 定义的数据传输协议c s m a c d ，该协议 虽然简单，但它由碰撞而引起的信息传输时间的随机性是一切争论和反对 e t h e r n e t 的根源。以太网被认为是一种非确定性的网络系统，对于响应时间要 求严格的控制过程会存在产生冲突的可能性，造成响应时间不确定，使信息不能 够按要求正常传递。当发展到今天的交换式以太网时，这些问题已基本得至4 解决。 o 第四章1 p ，【p 协议栈实现原理 第4 章t c m p 协议栈实现原理 4 1t c 跗p 协议解析 t c p i p 协议是2 0 世纪7 0 年代中期美国国防部( d o d ) 为其a r p a n e t 广域网( 即 现在的d a r p a n e t ) 开发的网络体系结构和协议标准，如今，t c p i p 协议成为最流 行的网际互联协议，并由单纯的t c p i p 协议发展成为一系列以i p 为基础的t c p i p 协议簇。尽管通常称该协议族为t c p i p ，但t c p 和i p 只是其中的两种协议而 已，t c p i p 族还含有许多其他的协议，具体选择哪一些要看具体应用。 n 7 3 广 l 应用程序 l 用户数据 箧鐾刍篚鲎 t c p 报文段u d p 数据报 i p 数据报 匝巫亟 o 二 图4 1 基本协议流程图 下面简要介绍各协议的功能： ( 1 ) 地址解析协议( a r p ) 和逆地址解析协议( r a r p ) i p 地址只在t c p i p 下才有意义，硬件是通过物理地址来标识节点的。a r p 为 第四章1 跏p 协议栈实现原理 i p 地址到对应的硬件地址之间提供动态映射，是t c p i p 的基础。r a r p 用于动态i p 地址请求，主要用于无盘工作站及动态地址分配等的应用。由于嵌入式t c p i p 应用一般都采用固定i p 地址，所以这里不实现i a r p 。 ( 2 ) 控制报文协议( i c m p ) i c m p 经常被认为是i p 层的一个组成部分，它被包含在i p 数据报内部传输，主 要传递差错报文以及其它一些信息。虽然i c m p 可以提供很好的网路状态报告，由 于嵌入式应用系统简单，一般不提供这方面的应用。唯一需要应用该协议的地方 是对p i n g 的响应。p i n g 是一种常用的检查目标i p 节点是否连通以及连通质量的简 单命令。通过对e c h o 类型的i c m p 包的正确响应，可以表明系统连接正常。 ( 3 ) i n t e r n e t 组管理协议( i g m p ) i g m p 用来把一个u d p 数据报组播到多个主机。这里考虑到上层协议一般不实 现组播以及网络管理功能，所以不实现该协议。 ( 4 ) 网际协议( i p ) i p 是t c p i p 协议中最为核心的协议，所有的t c p 、u d p 、i c m p 及i g m p 数据都 以i p 数据包格式传送，通过i p 头中的类型字段来区分各个协议。i p 协议不能保证 数据报能成功地到达目的地，它仅提供最好的传输服务，数据的可靠性由上层提 供。i p 协议只提供节点到节点的数据传送，对于数据的区分由上层解决。 ( 5 ) 传输控制协议( t c p ) t c p 提供一种面向连接的、可靠的端到端的字节流服务，每次传送都要对传 输字节数进行确认，并提供超时、流量和包大小控制。端口号的使用同u d p 相同， 许多应用服务程序如h t t p 、f t p ，都有标准的默认端口号。t c p 数据传送要经过三 个过程：建立连接、传送数据、拆除连接。 ( 6 ) 用户数据报协议( u d p ) u d p 为应用进程提供发送和接收数据报服务，提供一种不可靠的、简单的数 据传送服务。u d p 数据的可靠性由上层维护。它同t c p 一样，通过一对端口号区分 不同的应用数据。本地端口号对应于本地的一个应用进程，远程端口号对应于另 一端的应用进程。i p 地址加上端口号称为一个s o c k e t ，应用程序通过s o c k e t 进行 连接，这样可以唯一地确定不同的应用连接。对于一些简单的应用，u d p 能够提 供简单快捷盼传送服务。 第四章田e m p 协议栈实现原理 u d p 协议不提供端一端的确认和重传功能，不保证信息包一定能到达目的地， 因此称为不可靠协议。应用开发人员选择u d p 时，应用层协议软件几乎是直接与 i p 通信。乜叩 u d p 有下面几个特性： u d p 是一个无连接协议，传输数据之前，源端和终端不建立联接，当它想 传送时就简单地获取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上。 在发送端，u d p 传送数据的速度仅仅受应用程序生成数据的速度、计算机的能力 和传输带宽的限制；在接收端，u d p 把每个消息段放在队列中。应用程序每次从 队列中读一个消息段。 由于传输数据不建立联接，因此也就不需要维护联接状态，包括收发状态 等，因此1 台服务器可同时向多个客户机传输相同的消息。 u d p 信息包的标题很短，只有8 个字节，与t c p 信息包的2 0 个字节相比，额 夕 开销很，j 、。 吞吐量不受拥挤控制算法的调节，只受应用软件生成数据的速率、传输带 宽、源端和终端主机性能的限制。 4 2t c p 与u d p 的应用场合 传输层的作用是提供应用程序间( 端到端) 的通信服务，它提供两个协议：用 户数据报协议u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) ，其负责提供高效率的服务，用于 传送少量的报文，几乎不提供可靠性措施，使用u d p 的应用程序须自己完成可靠 性操作；传输控制协议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 0 1 ) ，其负责提供高可 靠的数据传送服务，主要用于传送大量报文，并为保证可靠性做了大量工作e 表 中列出它们之间的主要区别。 内容 t c pu d p 连接建立过程需要不需要 传输方式分组传输总是避免分组 报文分组顺序报文总是以发送的顺序到达主机，并报文以它们到达的顺序到 得到接收者的确认，以确保投递成功达主机 传输可靠性采用超时重发，三次握手，滑动窗口几乎不提供可靠性，须有 等保证可靠传输应用层来完成可靠性操作 第四章t c m p 协议栈实现原理 面向联接的t c p 不要求每一分组都含目的i p 地址，只要求包含一个很短的联 接号，所以非常适合于每个分组仅发送很少字符的交互式终端应用。另外，t c p 也适合于进行大数据量的文件传输，因为每次大文件传输可能要传送许多分组， 建立联接后就不必为每个分组进行单调的寻址，传输的效率显然比每个分组都进 行寻址高出许多。应用层依赖于t c p 的协议包括大量交互型的虚拟终端协议 t e l n e t 和远程s h e l l 执行以及文件传输型的电子邮件协议s m t p 、文件传输协议f t p 等。 虽然u d p 几乎不提供可靠性措施，但其实现机制简单，假如通信子网提供足 够的可靠性，使用u d p 将获得可观的效率。比如远程过程调用( r p c ) ，生产过程数 据交换等，这种场合一次传输发送分组的数量不多，为这种有限几次的交互而建 立一个连接开销太大，让每个分组携带i p 地址并进行寻址也不会太影响效率，即 便传输出错，导致几次重传，其效率也比面向联接方式为高，所以r p c 建立在u d p 之上。例如本系统电力谐波远程测控系统就采用u d p 协议。 4 3 t c p ，【p 协议栈的实现 通过对协议功能的分析，嵌入式t c p i p 协议栈需要实现的协议主要有：a r p 、 i p 、i c m p 、u d p 。这里主要介绍a r p 、i p 的实现。“。 ( 1 ) a r p 的实现 系统维护一张本地的a r p 表，用于在发送i p 包的时候进行查找对应的m a c 地 址，如果地址表中没有找到，则广播a r p 包，请求该i p 节点回应m a c 地址。如果节 点收到对应自己i p 地址的a r p 请求包，则发送本节点的m a c 地址。同时每次收到a r p 回应包或i p 包，进行a r p 表更新，修改a r p 表条目的使用情况，以便插入新条目时 把最老的替换掉。为节约r a m ，系统不设置发送队列，发送a r p 请求包时采取直接 替换掉原来数据包的办法，原来数据包的重发由超时和丢包机制控制，超时后通 知应用层进行重发。 由于a r p 处于一直工作状态，对c p u 时间消耗比较大，尤其在比较繁忙的网络 上。为解决这个问题，系统可以配置成固定a r p 条目的方式，即在通讯前把对方 的地址设置到a r p 表中。这在网络繁忙、通讯固定的情况下非常适用。 ( 2 ) i p 的实现 i p 协议的实现比较简单，首先检查i p 包的合法性，包括版本、c h e c k s u m 、目 1 4 第四章t c m p 协议栈实现原理 标地址等，然后根据协议类型提交到对应的协议处理中。与标准协议相比，这里 i p 协议的实现进行了简化，主要有：只接受i p v 4 ，即3 2 位i p 地址；只接受i p 头长度为2 0 字节的包；不允许i p 包分段，这是因为系统不设置接收队列，只能 处理一个包；不处理与i c m p 、t c p 、u d p 无关的内容。 ( 3 ) 用i c m p 协议实现对p i n g 的响应 对于i c m p 协议，只对应答( e c h o ) 类型的数据包进行处理。处理时直接修改收 到的i c m p 包，然后就发送。这样该节点就可以被p i n g 通了。 4 4t c m p 协议软件设计流程 下面是t c p i p 协议处理的整体流程图。“ 第四章t c 肌p 协议栈实现原理 4 5 数据通信过程 e t h e r n e t 上的每一个网络接口都有一个i p 地址和唯一的物理地址( 嵌入式系 统通过网卡初始化程序实现物理地址) 。”1 假设在e t h e r n e t 上有一台计算机a 要与嵌入式系统b 进行数据通信。a 和b 之间 要通过t c p i p 通信，则双方都要知道彼此的m a c 地址。 在计算机启动的时候，a r p 表为空。如果系统b 的i p 地址为1 7 2 1 6 7 8 1 0 ，a 首先要查看自己的a r p 表，看其中是否有1 7 2 1 6 7 8 1 0 对应的a r p 表项。如果 找到了，则不用发送a r p 包，而直接利用a r p 表中的m a c 把i p 数据包进行帧封装， 发送到目的地b 。 如果a r p 表中没有对应的地址项，则把该数据包放入a r p 发送等待队列，然后 创建一个a r p 请求，并以广播方式发送( 把e t h e r n e t 的目的地址设置为 f f ：f f ：f f ：f f ：f f ：f f ) 。在a r p 请求包中有要请求的目的端的i p 地址，以及源端a 自己的i p 地址和m a c 地址。由于是广播方式发送，所以所有网上计算机都可以收 到，不过仅被请求的b 处理。系统b 首先把a r p 请求包中源端的i p 地址和自己的i p 地址进行对比，发现i p 地址匹配。然后系统b 组织a r p 响应包，在包中填入自己的 毗c 地址，发送给计算机a 。这个响应不是以广播的形式发送的，而是在e t h e r n e t 的目的地址端填入a 的m a c 地址等信息，直接发送到计算机a 。计算机a 在收到响应 后，将从包中提取目的i p 地址及其对应的m a c 地址，加入自己的a r p 表中，并且把 放在发送队列等待的所有数据包都发送到嵌入式系统b 。“”下图为数据通信示意 图。 图4 - 3 数据通信示意图 小结：通过以上分析，在本论文所实现的系统中，嵌入式t c p i p 协议栈需要实现 的协议主要有：a r p 、i p 、i c m p 、u d p 。其中，a r p 协议的实现是难点，对于i c 肝 1 6 第四章t c p i p 协议栈实现原理 协议，只要实现p i n g 命令，证明上位机与系统连接成功即可，在后面的章节均有 重点阐述。 1 7 第五章系统硬件的组建 第5 章系统硬件的组建 5 1r t l 8 0 1 9 a s 以太网控制器简介 由台湾r e a l t e k 公司生产的r t l 8 0 1 9 a s 以太网控制器，由于其优良的性能、