（计算机应用技术专业论文）基于dsp的嵌入式远程监控系统的研究.pdf

摘要 随着计算机系统在工业过程和生产制造领域的应用发展，出现了几 种主要的工业控制网络，如d c s 、现场总线、工业以太网等。其中，工 业以太网由于其通讯协议的开放性和透明性，将会成为工业控制网络的 发展趋势。 嵌入式远程监控系统是工业以太网的重要应用领域。通过建立基于 智能仪表，智能传感器的远程监控系统，让仪器仪表在现场级就能实现 t c p ip 协议功能，使现场设备能与信息网络实时通信，这样就把工业控 制网络与信息网络统一起来，相关人员可以利用客户端在任何时候，任 何地方监控现场数据和设备，真正实现远程监控 本文提出了以d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e ss ) 芯片为依托，以t c p i p 为通信协议，实现仪器仪表、传感器等进入in t e r n e t ，从而实现远程监 控为目的的设计方案。 文中首先论述嵌入式远程监控系统的研究背景、研究现状及研究意 义，并给出了其研究重点和目标。在此基础之上，作者提出了嵌入式远 程监控系统的实现方案，并介绍了嵌入式控制器( 即本文实现的硬件部分) 在实现方案中的作用。随后，作者详细阐明了嵌入式控制器的硬件和软 件的设计和实现过程，包括微处理器系统硬件设计和实现、与智能仪表 的接口模块实现、t c p i p 协议分析和实现、应用程序的设计和实现等。 最后提出了解决系统安全的安全策略，给出了对远程监控系统的软件 进行仿真测试的模型，对系统的性能进行了分析。由分析可知，系统的 反映时间可以达到s 级，可以满足大多数工业控制网的实时性需求。 关键词：d s p嵌入式系统以太网 t c p i p远程监控 厂东：l ：业大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c et h ec o n t r o ln e t w o r ka p p e a r e d ，t h e r eh a v eb e e ns e v e r a lp r i m a r y i n d u s t r i a lc o n t r 0 1n e t w o r k ss u c ha sd c s ，f i e l d b u s ，a n di n d u s t r i a le t h e m e t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r i a lc o n t r 0 1n e t w o r k ，i n d u s t r i a le t h e r n e t b e c o m et h et r e n do ft h ei n d u s t r i a lc o n t r 0 1n e t w o r kb e c a u s eo fi t st h e o p e n i n g ，t r a n s p a r e n tc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 t h er e m o t em o n i t o rs y s t e mi sa ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o nf i e l do f i n d u s t r i a le t h e r n e t i fi n s t r u m e n th a v et h ef l l n c t i o no ft c p i pp r o t o c o l ， t h e s ef i e l dd e v i c e sc o u l dc o m m u n i c a t et ot h ei n f b r m a t i o nn e t w o r ka n dm a k e i tp o s s i b l et oi n t e g r a t et h ec o n t r o ln e t w o r ka n dt h ei n f o r m a t i o nn e t w o r k s o f i e l dd a t ac o u l db em o n i t o r e da ta n y t i m ea n da n y w h e r eb yt h ec l i e n ti nt h e w o r k s t a t i o n t h et h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，t h er e s e a r c h p r e s e n ts i t u a t i o na n dt h er e s e a r c hm e a n i n g t h e n ，a u t h o ri n t r o d u c e st h e s o l u t i o na b o u tr e m o t em o n i t o rs y s t e mi nd e t a i l sa n di l l u s t r a t et h ei m p o r t a n t d e v i c e t h ee m b e d d e dc o n t r 0 1 l e r w h i c hi sl i n k e dt ot h ee t h e r n e t b a s e d c o n t r o ls y s t e m a f t e rt h es y s t e md e s i g nf i n i s h e d ，a u t h o ri l l u s t r a t e sh o wt o i n l p l e m e n tt h eh a r d w a r ea n ds o f 、w a r eo ft h ee m b e d d e dc o n t r o l l e r t h e s t r u c t u r eo ft h ee m b e d d e dc o n t r o l l e r ，t h es e l e c t i o no ft h ec o r ec h i p ，t h e i n t e r f a c em o d u l ef b ri n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ta n da p p l i c a t i o n sp r o c e d u r ea r e g i v e ni nd e t a i l s a l s oa n a l y z e dt c p i pp r o t o c 0 1s t a c k f i n a l l y ，t h et h e s i sp u tf b r w a r das e c u r i t ys t r a t e g yf b rr e s o l v i n gs e c u r i t y o ft h es y s t e m ；m a k eas i m u l a t i v et e s tt ot h es y s t e ms o f t w a r e ；p e r f o r m a n c e a n a l y s e so ft h es y s t e mi sg i v e n ，t h er e s u l to ft h ea n a l y s e ss h o wt h a tt h e r e f l e c t i o nt i m eo ft h es y s t e ma r “v e st om sl e v e l t h e s es a t is f yt h er e m o t e m o n i t o rs y s t e mi nr e a lt i m ed e m a n d k e yw o r d s ：d s p ；e m b e d d e ds y s t e m ；t c p i p ；e t h e r n e t ； r e m o t em o n i t o r i i 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在仪器仪表迅速发展的同时，计算机和网络技术也在迅速发展，p c 机已经从高速增长进入到平稳发展时期，单纯由p c 机带领电子产业蒸蒸 日上的时代己经成为历史，嵌入式系统的出现和广泛应用，使计算机和 网络进入了后p c 时代。把嵌入式系统应用到仪器仪表领域，让传统的仪 表，传感器和微处理器相结合，可产生功能强大包含网络接口的智能传 感器( s m a r ts e n s o r ) 、现场智能仪器仪表及现场测控单元。芯片、总线、 接口技术，成为仪器仪表的内核，嵌入式系统成为技术的代表，并由此 形成了仪器仪表行业发展的趋势。 基于嵌入式智能仪表远程崆控系统作为工业控制网络重要发展方向 之一，是工业数据通讯与控制网络技术、互联网技术等多种技术共同发 展的结果。其应用领域十分广阔，涉及工业生产控制、航空航天、智能 小区、网络化家电等各行各业，具有良好的发展前景。陔项技术的发展 与成熟将会给人们的生产生活带来深远的影响。 1 2 嵌入式远程监控系统的概念及特点 1 2 1 基本概念 嵌入式系统并没有一个确切统一的定义，广义的讲，任何内含中央 处理器的专用系统都可以称之为嵌入式系统”】。嵌入式系统另一种较为 通用定义是：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁， 适应应用系统，对功能，可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计 算机系统【4 】 6 】。它主要由嵌入式微处理器，外围硬件设备，嵌入式操作系 广尔：l 业大学硕：匕学位论文 统以及用户应用软件等部分组成，用于实现对其它设备的控制，监视和 管理等功能，通常嵌入在主要设备中运行。嵌入式系统是将先进的计算 机技术，半导体技术，电子技术和各个行业的具体应用相结合的产物， 这一点就决定了它是一个技术密集，资金密集，高度分散，不断创新的 知识集成系统。 工业控制网络是将多个分散在生产现场，具有数字通信能力的智能 仪表作为网络节点，采用规范的通讯协议，把现场控制设备连接成可以 相互沟通信息，共同完成自控任务的网络系统与控制系统。信息网络一 般指以t c p i p 协议族为基础，融合各种w e b 技术的企业内部网( i n t r a n e t ) 和因特网( i n t e r n e t ) 【5 】 嵌入式的远程监控系统是信息网络与工业控制网络结合的产物，它 通过现场控制网络、企业内部网和i n t e r n e t ，把分布于各地的智能仪表 及控制单元互联起来，实现控制设备问的远程信息交互，完成远程监视 与控制任务。 1 2 2 主要特点 嵌入式的远程监控系统的主要特点可以从以下几个方面进行分析： 从远程监控系统的应用来看，它为传统的仪表提供了i n t e r n e t 接入 功能。在p c 机上就可以对现场设备进行监测和控制。 从嵌入式远程监控系统的实现形式来看，嵌入式智能仪表的实现可 以有两种方式，一是外挂式，这种方式不需要对工业现场的仪表进行改 造，嵌入式系统先与仪表对外的接口相连，再通过嵌入式系统提供的接 口与外部网络连通。二是内嵌式，对现有的仪表进行改造，把嵌入式系 统与仪表集成起来，通过提供的统一接口与外部网络相连。 从嵌入式远程监控系统的实现技术来看，监控系统要在现场的仪表 实现t c p i p 协议，服务程序。这对于拥有大容量存储空间的p c 机来说 不是一件难事，但是对于只拥有几百k 或者几m 存储容量的嵌入式系统 来说，则是一个技术上的挑战。 从嵌入式远程监控系统的运行环境来看，嵌入式智能仪表要运行在 帮一章绪论 工业现场，工业现场的温度，湿度，尘埃等条件十分恶劣，对设备的可 靠性提出了更高的要求。 从嵌入式远程监控系统的实现成本来看，嵌入式远程监控系统的实 现成本应该有着严格的控制，该系统即可用在一些价格昂贵的工业设备 上，也可用在一些低廉的仪器仪表上，其应用的广泛程度直接取决于其 实现成木。研究较低成本的实现技术是研究嵌入式远程监控系统的一个 重要的方面。 1 3 嵌入式远程监控系统研究背景和研究意义 1 3 1 研究背景 工业控制网络的发展，其基本趋势是逐渐趋向于开放性、透明的通 讯协议。控制系统对工业控制网络的主要有以下四点要求m 儿1 2 1 【2 5 】： 1 控制网络的通信系统应具有开放性，这里的“开放”是指通信协 议公开，不同厂商的设备可以互连为系统并实现信息交换：也指相关标准 的一致性，公开性，强调对标准的共识与遵从。作为开放系统的控制网 络，应该能与世界上任何地方的遵守同样标准的其他设备或系统连接。 这样才能把系统集成的权力真正交给用户，用户可按自己的需要，考虑 把来自不同供应商的产品按应用需要组成系统。 2 控制网络中的控制设备应具有互操作性与互用性。“互操作性” 是指互连设备间的信息传送与沟通：“互用”则意味着不同生产厂家的性 能类似的设备可实现互相替换。 3 控制网络的基本任务是实现测量控制。而有些测控任务是有严格 的时序利实时性要求的。若达不到实时性的要求或因时问同步等问题影 响了网络节点问的动作时序，则会造成灾难性的后果。这就要求控制网 络能提供相应的实时通信，同时也要求提高系统的通信的有效性。 4 控制网络还应具有对现场环境的适应性。即能安装在工业控制现 场，具有耐冲击、耐振动、耐腐蚀、防尘、防水以及较好的电磁兼容性， 广东工业大学硕士学位论文 在现场设备或网络局部链路出现故障的情况下，能在很短的时间内重新 建立新的网络链路。此外，工业控制网络力求简洁，以减小软硬件开销， 从而减低设备成本，同时也可以提高系统的健壮性。 控制网络产生以来出现了几种工业控制网络，主要以d c s 、现场总 线、工业以太网等为应用多数。 2 0 世纪80 年代产生和发展起来的现场总线技术，以全数字通信代 替4 2 0 m a 电流的模拟传输方式，使得控制系统与现场仪表之间不仅能 传输生产过程测量与控制信息，而且能够传输现场仪表的大量非控制信 息，使得工业企业的管理控制一体化成为可能，并且促使目前的自动化 仪表、d c s 和可编程控制器( p l c ) 等产品所面临的体系结构和功能结构产 生重大变革。然而，现场总线技术在其发展过程中也存在许多不足，具 体表现为： 1 ) 现有的现场总线标准过多，仅国际标准i e c 61 15 8 就包含了8 个 类型，未能统一到单一标准上来； 2 ) 不同总线之间不能兼容，不能真正实现透明信息互访，无法实现 信息的无缝集成： 3 ) 由于现场总线是专用实时通信网络，成本较高： 4 ) 现场总线的速度较低，支持的应用有限，不便于和i n t e r n e t 信息 集成。 由于以上原因，使得传统上用于办公室和商业领域的以太网悄悄地 进入了控制领域。以太网与现场总线的性能相比，以太网具有如下的优 势： 1 ) 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 号的价格只有p r o f i b u s 等现场总线网卡的十分之一。 2 ) 通信速率高。目前有1 0 m b p s ，1 0 0 p s ，1 0 0 0 m b p s 以太网，其速率 比目前的现场总线快得多。 3 ) 协议简单。以太网遵循i e e e 8 0 2 3 标准，采用带碰撞检测的载波 侦听多路访( 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。随着以太网的发展，因碰撞产生的信息传输时间的随机 4 第一章绪论 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。 4 ) 软硬件资源丰富。由于以太网已应用多年，人们对以太网的设计、 应用等方面有很多的经验，对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设 计经验可以显著降低系统的开发和培训费用，从而可以显著降低系统的 整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。 5 ) 可持续发展潜力大。由于以太网的广泛应用，使它的发展一直受 到广泛的重视和吸引大量的技术投入。并且，在这信息瞬息万变的时代， 企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网 络，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，由此保证了 以太网技术不断地持续向前发展。 总之，工业以太网可以通过提高通讯速率，采用星型网络结构、以 太网全双工交换技术，大大减少或完全避免碰撞，提高通讯实时性，为 以太网技术应用于工业现场控制清除主要障碍。加之工业以太网具有传 统现场总线所不具备的优势，工业以太网必然是工业控制网络的发展方 向。 1 3 2 研究意义 通过建立基于嵌入式的远程监控系统，让仪器仪表在现场级就能实 现i c p i p 协议功能，现场设备能与信息网络实时通信，把工业控制网络 与信息网络统一起来。研究基于嵌入式的远程监控系统的意义： 借助嵌入式远程监控系统，可以实现对某些特殊或危险的无人值守 场合的监控；技术人员可通过信息网络远程监视生产现场的运行信息， 包括设备信息，历史曲线等，达到“近在眼前，远在天边”的效果；技 术人员可以远程操作生产现场的设备，如修改运行参数，改变开关位置 等，并可进行远程故障诊断和远程维护；便于企业内部的信息集成，为 经营管理和决策工作提供及时、全面、准确的信息资源； 广东工业大学硕士学位沦文 1 4 嵌入式远程监控系统的研究现状及关键问题 1 4 1 国内外研究现状及技术特点 近年来，新一代检测仪表和控制系统装置，跨入真正数字化、智能 化、网络化时代。生产企业系统的控制管理集成化程度越来越高，国内 外投入基于嵌入式的远程监控系统的公司越来越多。比较有代表的公司 有5 惭1 ： 北京和利时公司推出的是m a c ss m a r t p r 0 。它融合了现场总线技术 和开放计算机与网络处理技术，系统基于i n t e r n e t ，用户可通过互联网 浏览生产现场，进行远程设备维护和专家会诊。 上海海得控制系统股份有限公司i t 2 0 0 0 专用控制器，采用d s p 、f p g a 等新技术，具有联网、无线通讯等特点。适用于锅炉、空调、电梯和机 械设备等的控制和数采监控终端的应用。 威盛公司近期推出自主开发的f b 一3 0 0 0 新系统。它采用w in d o w s c e 平台、工业以太网、t c p i p 协议，具有远程访问功能和i n t r a n e t 功能。 o s ic o 公司研发了n e t + a r m 的系统级芯片( s o c ) 。它使用r i s c 技术 的4 0 m i p s 的3 2 位a r m 7 内核，加上以太网协议，使用实时操作系统p s o s 。 浚系统实现多种网络协议，如t c p u d p h t t p 等，因而可以比较方便的实 现网络互联。 u b i c o m 公司采用8 位单片机实现互联网接入。有两种协议集合可以 定制，一种为i s xw e bs e r v e r ，包含协议集合有p p p ，t c p i p ，h t t p ， 可以实现基本的w e bs e r v e r 功能。另一种为e s xe m a i l ，包含协议集 合有p p p ，t c p i p ，s m t p ，p o p 3 ，可以实现e m a i l 的收发功能。 可以看到，在这些公司嵌入式智能仪表远程监控系统技术中，嵌入 式系统占据了核心的地位，嵌入式系统与智能仪表相结合用于实时控制、 监视、管理或辅助其他设备运行。这些嵌入式系统的特点是具有i n t e r n e t 接入功能的芯片。这类芯片及在芯片上的监控程序起着桥梁的作用，使 工业现场的底层智能仪表与因特网连通成为可能。 6 笫一章绪论 以上这些产品是比较成功的，但电有很多不足之处，如应用对象较 单一、运行速度慢、需要二次开发、成本高等缺点。 1 4 2 嵌入式远程监控系统的关键问题 嵌入式远程监控系统的关键部分是嵌入式系统的设计与实现，这里 面临着两个关键问题【2 2 】，一是硬件系统如何接入in t r a n e t i n t e r n e t ， 二是软件如何支持i n t e r n e t 服务。 1 4 21 硬件系统接入in t ern e t 问题 嵌入式系统的硬件部分如何接入i n t e r n e t ，主要包括两个方面，一 个方面是接入的技术问题。实现i n t e r n e t 的通信协议对微控制器的要求 比较高，大量存在的8 位低速微控制器很难接入i n t e r n e t 。如果没有技 术上的突破，这些广泛应用的8 位处理器为核心嵌入式系统将被排斥在 i n t e r n e t 之外。 另一个方面是接入的成本问题，如何低成本的实现嵌入式i n t e r n e t 直接关系到嵌入式远程监控系统的应用范围。随着技术的发展，一些高 性能芯片进入低价格行列，这给开发嵌入式远程监控系统带来很大机遇。 如何低成本实现嵌入式智能仪表监测系统将会有很大的研究价值及市场 前景。 1 4 2 2 软件系统支持ln t er n e t 服务问题 嵌入式远程监控系统使用c s 结构，还是b s 结构软件体系，这是 需要仔细斟酌的问题。但无论如何，它们均需要实现t c p i p 协议，均需 要应用程序或嵌入式w e b 服务器。由于嵌入式系统的存储空间是有限的， 要放入网络胁议和交互模块，对程序的编写提出了较高的要求。 1 5 课题的任务与目标 本文的研究重点是如何设计与实现一个嵌入式的远程监控系统的嵌 入式控制器一一其中包括软件设计和硬件设计，来对工业现场智能仪表 进行远程监控。 广东工业大学硕士学位论文 设计的系统要达到下列目标： 较强的实时性 由于面对的是工业控制，随时都要对被控对象进行操作，所以要求 实时性要好，至少应达到m s 级。 代码精简、存储开销小 由于嵌入式系统的存储空间都十分有限，因此对软件代码的规模有 定的限制，而不能像通用软件一样大而全。另外，在程序运行时要求 对存储空间的占用应尽可能的少。 实现与i n t e r n e t 无缝连接 由于是远程监控系统，从某种意义上来说，应当在任何时候，任何 地方都可以监控现场数据和设备，而没有时间和地域上的限制。 网络安全性 由于是通过i n t e r n e t 对现场的仪表和控制单元进行监控，所以应当 保证监控系统的网络安全性，被控对象不能随意被操作，数据信息不能 被泄露。 第二章嵌入式远程惴控系统的实现方案 第二章嵌入式远程监控系统的实现方案 2 1 引言 基于嵌入式远程监控系统是嵌入式i n t e r n e t 技术在工业控制场合的 重要应用。实现系统的方案有多种的选择，以下对两种主要的方案进行 介绍，每种方案都有各自的应用场合和应用范围，本章着重进行方案的 分析，最后重点介绍基于嵌入式远程监控系统采用的方案。 2 2 两种主要实现方案的分析 2 2 1 代理方案 使用代理方案实现远程监控系统的典型结构如图2 1 所示。 站 f i 9 2 1s y s t e mc h a r to f t h es c h e m eb a s e do na g e n t 由 1 8 1 9 2 3 和 2 4 可知，代理方案中代理服务器的作用十分重 要，代理服务器通常是能运行高级操作系统的工控机和嵌入式计算机如 p c1 0 4 等。代理服务器可以通过内嵌诸如a d 转换卡等接口硬件与底层 的工业仪表通讯。此外，由于代理服务器具有比较高的计算性能( 与桌面 p c 相近) ，又能运行高级操作系统( w i n d o w s l i n u x ) ，所以代理服务器 广东工业大学硕士学位论文 能够容易实现t c p i p 协议，甚至操作系统就自带了t c p i p 协议，不需 要再进行编写或移植的工作。这样代理服务器与远程监控工作站就能基 于t c p ip 协议进行in t e r n e t 功能的远程通讯，实现远程监控的功能。 代理方案的原理图如图2 2 所示。 从该方案可以看出，代理服务器性能高，可以同时和多个仪表设备 进行通讯，该方案适用于仪表设备较多，较集中的场合。代理服务器能 运行高级操作系统，并能完整的实现t c p i p 协议，故而使用代理服务器 可以很方便的解决底层工业仪表与i n t e r n e t 的通讯，并且开发相对容 易，利用操作系统和t c p i p 协议提供的a p i ，就能直接编写应用层程序。 在秦山核电站辐射监测系统中，利用代理方案，选用工控机作为代理服 务器，使现场辐射监测的传感器数据能进行远程监控。 代 、。 】匹 【工业测控单元岳坚 理1 p i p ，“、 i c p i p程 服n n 虹e t ，、h监 ( 如r s 2 0 2 )务 、! ! ：，：! ! ! 厂 控 器站 图2 2 代理方案的原理图 f i 9 2 2s c h e m e sp r i n c i p l eb a s e do na g e n t 该方案的不足之处在于价格相对较高，不适用于低价的仪表的远程 监控，并且代理服务器的体积比较庞大，也不适用于有严格体积要求的 某些场合，代理服务器运行高级操作系统，功耗较大，由于高级操作系 统一般是任务循环调度，实时性较差，不适用于实时性要求严格的场合。 2 2 2 嵌入式方案 嵌入式方案的系统结构图与代理方案差不多，区别就是把代理服务器 换成了嵌入式控制器。嵌入式方案的原理图】【2 5 1 如图2 3 所示。 第二章嵌入式远程监控系统的实现方案 工业仪表 远 i 、，、 程 工业仪表接口嵌入 h + 监 嵌入式服务器式控 、! ! 疑! 微处理器 制器 控 站 图2 3 嵌入式方案的原理图 f i9 2 3p r in c ip l eo ft h ee m b e d d e ds c h e m e 从嵌入式方案的原理图可以看出嵌入式控制器是工业仪表与 i n t e r n e t 连接的桥梁。嵌入式控制器是用于执行指定独立控制功能并具 有以复杂方式处理数据能力的控制系统。它内置或外挂在工业仪表上， 由三部分组成：高速微处理器、嵌入式服务器、工业仪表接口。嵌入式控 制器以高速微处理器为核心，由高速处理器和其他芯片协同工作来控制 的电子设备或装置，能够完成监视、控制等各种自动化处理任务。嵌入 式控制器是一种很好的基本接入设备，它通过工业仪表接口与仪表相连。 把t c p i p 协议移植到高速处理器中，加上应用程序，构成了嵌入式服务 器。工业仪表通过嵌入式控制器内的服务器程序连接至i n t e r n e t ，与远 程监控站进行通讯，实现远程监控。 嵌入式控制器通过选择合适芯片组设计硬件，合理的规划软件设计， 可以有效的降低系统功耗。嵌入式控制器如果接入的仪表较多，需要处 理较多的中断任务，则可采用嵌入式操作系统，比较常见的嵌入式操作 系统有v x w o r k s ，p s o s ，uc l i n u x ，uc 0 s 等。嵌入式操作系统采用抢 断式调用任务，能较好的保证系统的实时性。由于嵌入式控制器带有专 门定制的意味，一旦开发完成，它的成本将大幅降低，并且可以具备体 积小，功耗低，实时性高等优点，使它在底层仪表的推广获得巨大的动 力。 嵌入式控制器的软件，硬件都需要针对某种具体的仪表进行设计， 需要选用合适的高速处理器芯片，进行相关协议或嵌入式操作系统的移 植，所以如果采用嵌入式方案进行开发，开发难度相对较大，开发周期 长，具有一定的开发风险。 广东工业大学硕士学位论文 2 3 嵌入式远程监控系统的方案选择 嵌入式远程监控系统采用嵌入式方案，也就是通过嵌入式控制器来 实现智能仪表的远程监控。下面对嵌入式控制器采用的处理器、网络接 入方式、软件架构逐一进行说明。在最后给出系统的整体方案，即嵌入 式控制器的系统功能。 2 3 1 微处理器选择 嵌入式控制器的处理器选择遵循成本低，性能高，开发相对容易的 标准，本方案选用美国t i 公司推出的d s p ( d i g i t a ls ig n a lp r o c e s s ) 芯 片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 。由 2 9 3 3 3 4 可知，t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 是为实现低功耗、 高速实时信号处理而专门设计的1 6 位定点数字信号处理器，采用改进 的哈佛结构，具有高度的操作灵活性和运行速度，c p u 时钟频率达到 1 0 0 删z ，运行速度可达1 0 0 m i p s ，即每秒可运行一亿条指令，适应于远 程通信等实时嵌入式应用的需要，现已广泛地应用于无线电通信系统中。 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 具有的主要优点如下： 围绕1 组程序总线、3 组数据总线和4 组地址总线而建立的 改进哈佛结构，提高了系统的多功能性利操作的灵活性。 具有高度并行性和专用硬件逻辑的c p u 设计，提高了芯片的性 能。 具有完善的寻址方式和高度专业化指令系统，更适应于快速算法 的实现和高级语言编程的优化。 模块化结构设计，使派生器件得到了更快的发展。 采用先进的i c 制造工艺，降低了芯片的功耗，提高了芯片的性 能。 采用先进的静态设计技术，进一步降低了功耗，使芯片具有更强 的应用能力。 另外，d s p 芯片的开发有一套完整的软、硬件开发工具，包括集成 第二章嵌入式远程监控系统的实现方案 开发环境c c s 、评估模板e v m 、硬件仿真器等。 值得一提的是它的集成开发环境c c s ，c c s 包含源代码编辑工具、代 码调试工具、可执行代码生成工具和实时性分析工具，并支持设计和开 发的整个流程。还有软件仿真器，给开发者带来很大的方便。 无论是硬件性能还是软件环境，t i 公司的d s p 5 4 0 2 都是很好的选择。 2 3 2 网络接入方式 接入i n t e r n e t 有很多种接入方式，如m o d e m 拨号接入，a d s l ，i s d n ， 以太网等。考虑到以太网接入在工业控制有着广泛的应用背景，嵌入式 远程监控系统就采用了这种网络接入方式。 在第一章的讨论中，已经指出了以太网在工业控制网络中的重要作 用。嵌入式远程监控系统显然需要包含以太网接口模块。以太网基本遵 循i e e e 8 0 2 3 标准，采用的是带冲突检测的载波监听多路访问协泌 ( c s 姒c d ) ，基本工作原理是：某节点要发送报文时，首先监听网络，如网 络忙，则等到其空闲为止，否则将立即发送：如果两个或更多的节点监听 到网络空闲并同时发送报文时，它们发送的报文将在网络上发生冲突， 因此每个节点在发送时，还必须继续监听网络。当检测到两个或更多个 报文之问出现碰撞时，节点立即停止发送，并等待一段随机长度的时间 后重新发送。该随机时间将由标准二进制指数补偿算法确定，重发前的 时间在0 2 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l o 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，l6 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。 以太网的工作原理比较复杂，如果直接在嵌入式控制器上实现以太 网协议将会增加处理器的负担，一般采用n i c ( 网络接口芯片) ，如 r t l 8 0 1 9 a s 来专门处理以太网接入。n i c 遵循i e e e 8 0 2 3 所规定的c s m a c d 协议，除了提供物理链路所需要的电气性能外，还提供曼切斯特编码， 冲突检测和重发的功能，它可以与很少的外围电路一起完成数据的发送 和接收功能。微处理器只要为n i c 提供初试酉己置和数据接口即可，这样 广东工业大学硕士学位论文 就大大提高了微处理器的工作效率。 2 3 3 软件架构方式 软件架构方式大体分为两种”1 1 ：c s ( c 1 ie n t s e r v e r ) 和 b s ( b r o w e r s e r v e r ) 。在局域网时代，产生了c s 结构，这种模式将应 用分为服务器和客户机，客户机是指运行用户服务请求程序，并将这些 请求传送到服务器的计算机。服务器是指管理数据资源，响应并受理由 客户机发出的请求，并将计算结果传送给客户机的计算机，服务器可接 受多个客户机的多个请求，将请求排队或同时处理。c s 结构具有以下 优点： 1 ) 交互性强：基于c s 结构的系统往往具有专用的客户端。客户端 有一套完整的应用程序，在出错提示、在线帮助等方面都有强大的功能， 并且可以在子程序问自由切换。 2 ) 网络通信量较低：c s 结构的网络通信量只包括c 1 ie n t 与s e r v e r 之间的通信量。 3 ) 事务数据处理能力强：c s 结构目前已经非常成熟，有大量的优 秀开发工具支持，设计出的客户端系统往往具有事务数据处理能力强， 性能高的特点 当然，随着i n t e r n e t 的应用越来越广泛，w e b 技术日趋成熟。基于 i n t e r n e t 的b s 结构也应运而生。b s 结构用浏览器( b r o w s e r ) 代替了传 统的客户端，采用t c p i p ，h t t p 等标准协议进行通讯。b s 结构具有以 下优点： 1 ) 低成本、易维护：由于b s 的功能都在w e b 服务器上实现，只需 开发和维护服务器端应用程序，所以大大地降低了维护工作。 2 ) 开放的标准：b s 所用标准都是开放的、非专用的，保证了应用 的通用性和跨平台性。 3 ) 易扩展：这种结构是一种松散的无约束结构，系统扩展只是增加 服务器端应用及相应的中间层接口软件。 4 ) 界面统一：b s 结构简化了客户端。采用b s 模式不需要在客户 1 4 第二章瞻入式远程监控系统的实现方案 端安装用户界面程序，而是安装一个通用浏览器即可。 5 ) 易使用：用户操作变得相当容易。相对于c s 结构，客户端是一 个简单易用的浏览器 软件，无论是决策层还是操作层的人员都无需培训就可以直接使用。 由于嵌入式w e b 服务器方式有通信量大，比较占用存储空间，功能 相对简单等特点。所以本设计采用了c s 结构。 2 4 嵌入式远程监控系统的方案描述 通过以上对嵌入式控制器采用的处理器、网络接入方式、软件架构的 说明，总结起来，基于d s p 的远程监控系统采用嵌入式方案，嵌入式控 制器采用t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 微处理器，对底层智能仪表提供以太 网网络接入方式，整个系统的软件部分采用c s 架构。嵌入式远程监控 系统的整体框图如图2 3 所示。 嵌入式控制器是智能仪表能够实现远程监控的关键设备。嵌入式控 制器在基于t c p i p 数据传输基础上，加适当的应用程序，客户即可方便 地与控制器进行通信，对现场智能仪表进行过程参数的查看与设定，控 制对象的关闭与开启。而且控制器要求延时低于1 0 0 m s ，要求低功耗。 嵌入式控制器组织结构具体包括下面几个部分： 接入设备：嵌入式控制器提供多种设备接口，比如r s 2 3 2 ，工业 仪表4 2 0 m a 标准信号接入等。 嵌入式服务器：嵌入式服务器提供数据处理及数据传输的。有独 立的i p 地址，提供独立、稳定、安全的网络通讯。 客户端：客户端程序是起控制、显示作用的应用程序。应用程序 通过网络与服务器建立通信，用于传输数据、控制信息等。 基于d s p 的嵌入式远程控制器对工业现场智能仪表的模拟信号量和 数字信号量进行数据采集与控制，和远程监控站进行通信。嵌入式控制 器的系统功能如下： 提供通过网络接口芯片接入网络的功能。 工业现场智能仪表的数据可以由嵌入式模块采集并在客户端实时 广东工业大学硕士学位论文 显不。 对于有串口接口的智能仪表，提供网络查看和网络控制的功能。 实现嵌入式远程监控系统的整体方案的关键是实现嵌入式控制器 的结构组成和系统功能。嵌入式控制器的设计与实现可以分为硬件设计 实现和软件设计实现两个部分，后面章节将介绍嵌入式控制系统两方面 的设计方法及实现。 3 1 引言 第三章嵌入式控制器的硬件实现 在前面介绍嵌入式智能仪器仪表远程监控系统当中，给出了嵌入式 控制器的定义：嵌入式控制器以高速处理器为核心，由高速处理器和其 他芯片协同工作来控制的电子设备或装置，能够完成监视、控制等各种 自动化处理任务。嵌入式控制器是系统的核心部分。本章则把系统设计 具体化，给出嵌入式控制器的硬件设计实现。 3 2 系统硬件结构图 嵌入式控制器的系统硬件结构图见图3 1 所示。由5 v 、3 3 v 和1 8 v 三种直流电源供电。系统主要由d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 、2 5 6 kf l a s h 存 储器、以太网接口芯片r t l 8 0 1 9 a s 、a d 转换芯片、串口芯片等组成。 r t l 8 0 1 9 a s 以 太网接口：占片 j t a g 接口 2 5 6 k f l a s h 从4 5 毗太网接口l 图 。m 钴ii ! 睾塑 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 a ，d 转换芯 片t l v 2 5 4 4咂 r s 2 3 2 接口芯 1r s 一4 8 5 芯片 制lm a x 3 14 0 现场设备数 r s 4 8 5 设 籍接口 平 广东工业大学硕士学位论文 从嵌入式控制器的系统硬件结构图以看出嵌入式控制器是嵌入式远 程监控系统的关键部分。现场智能仪器仪表可以通过嵌入式控制器的模 拟量和数字量接口输入信号，由控制器内嵌的服务程序，通过以太网或 m o d e m ，在远程由客户端程序对现场智能仪表进行信号的查看和控制，从 而实现智能仪表的远程监控。 3 3 处理器d s p5 4 0 2 最小系统设计 3 3 1 复位电路 复位电路。同时设计上电复位电路和人工复位电路，当系统运行中出 现故障时可方便地人工复位。复位电路一方面应确保复位低电平时间足 够长，保证d s p 可靠复位；另一方面应保证稳定性良好，防止d s p 误复 位。 复位电路采用m a x 7 0 6 r 芯片组成自动复位电路。m a x 7 0 6 r 是一种能与 具有3 3 v 工作电压的d s p 芯片相匹配的自动复位芯片。该芯片的具体 接法如图3 2 所示。引脚6 为系统提供的监视信号c l k ，来自d s p 芯 片一个输出端，是一个通过程序产生的周期不小于1 0 h z 的脉冲信号。 引脚7 为低电平复位输出信号，是一个不小于1 6 5s 的复位脉冲，用 来对d s p 芯片复位。 图3 2 系统自动复位电路 f i9 3 2a u t o m a t i cr e s e tc i r c u i t 图3 3 时钟电路 f i 9 3 3c l o c kc i r c u i t 第三章嵌入式控制器的硬忭实现 3 3 2 时钟电路 为d s p 芯片提供的时钟一般有两种方法：一种是使用外部时钟的时钟 信号；另一种是利用d s p 芯片内部的振荡器构成时钟电路。 一般d s p 系统中经常使用外部时钟输入，因为使用外部时钟时，时 钟的精度高，稳定性好，使用方便。由于d s p 工作是以时钟为基准，如 果时钟质量不高，那么系统的可靠性、稳定性就很难保证。因此，本系 统拟采用外部时钟源提供时钟，如图3 3 所示。将外部的时钟信号直接 加到d s p 芯片的x 2 c l k i n 引脚，x l 引脚悬空。设置c l k m e l = l ， c l k m d 2 = l ，c l k m d 3 = l 。复位后使d s p 芯片的时钟为外部晶振频率的 1 2 ，即2 分频。 3 3 3 系统的电源设计 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2j 吝片采用双电源供电，d s p 的核内电压和i o 接口电 压分别为1 8 v 和3 3 v ，因此，本系统需要三种电源，电压为5 v 、3 3 v 和1 8 v 。其中，r t l 8 0 19 a s 网卡芯片和模数转换电路均采用5 v 电源供 电，由系统外部提供，而程序存储器f l a s h 需要3 3 v 供电。d s p 的双 电源解决方案采用t p s 7 3 h d 3 1 8 实现，该芯片的输入的电源电压为5 v ， 输出电压分别为3 3 v 和1 8 v ，每路电源的最大输出电流为7 5 0 m a ， 其应用电路【5 2 1 如图3 4 所示。 9 j 。东工业大学硕士学位论文 图3 4 系统的双电源电路 f i 9 3 4d u a 】一v ol a g ec jr c u i t 3 4 程序存储器的扩展 目前，市场上的e p r o m 工作电压一般都为5 v ，与3 3 v 的d s p 芯 片连接时需要考虑电平转换的问题，而且体积都很大。f l a s h 存储器与 e p r o m 相比，具有更高的性能价格比，而且体积小、功耗低、可电擦写、 使用方便，并且3 3 v 的f l a s h 可以直接与d s p 芯片连接。因此，采用 f l a s h 作为程序存储器存储程序和一些固定数据是一种比较好的选择。 本系统的程序存储器选用了一片a t 2 9 l v 0 2 0f l a s h 存储器。此芯片有 2 5 6 k 8 的存储空间，最快读取速度为1 0 0 n s 。所以在读取程序时，要使 主频低于1 0 m h z 。d s p 5 4 0 2 与f l a s ha t 2 9 l v 0 2 0 的连接图2 9 1 如图3 5 所示。 其中c e 为芯片使能( c h i pe n a b l e ) 、o e 输出使能( o u t p u te n a b l e ) 、w e 写使能( w r