（电路与系统专业论文）基于internet的ups远程网络监控系统的研究与开发.pdf

摘要 y ，摹趁摹蜜 本文遇过对目前国内外阏络监控技术进行深入调查研究，对嚣张网络监控系统 缝残方式及其瑟存在弱嚣，骧及瓣决这些阕蘧熬方法及英瑟采嚣懿瀵爨技零透露鞍 为深入的探讨，以不间断电源u p s 的远程监控和故障诊断为倒，建立了适合大型机 电设镊的基于i n t e m e t 的远程集中监控和故障诊断平台，实现对网络中各设备节点 的远程嶷中监控管理，提鬻了设备运行效率和麓理效率，降低了鸷联成本，进一步 灌强了滚餐系统整钵豹稳定毪耨可靠毪。 本文重点研究了i n t e m e t 环境下嵌入式t c p i p 接入技术及其实现方法，研究了 基于w i n d o w s 操作系统的嘲络通信技术、串翻通信技术以及数据库通信技术，在此 基础上，通过对不间断电源u p s 远程监控和故障诊断平台的需求进行分析，提出了 基于i n t e m e t 豹u p s 远程蝴终整控系统解决方窳，菸棱建了基予嵌入式t c p 锺p 技 术的嘲络监控系统模型。文中对系统各构成模块进行了详细分拆，给出了设计原理 及实现方法j 并对嵌入式网旅模块的设计及实现作了重点介绍，叙述了嵌入式网关 的硬件组成及相应软件模块的实现，对远端般控及故障诊断平台的设计及实现作了 详缨奔缨，绘窭了该整控软 孛戆整个程序运行滚程、代码实现以及疆廖运行结果。 最赢，宠成了监控系统酌联调葶e 测试等工佟，势驳褥了莛抒的散聚。该系统成功运 行于嶷际并投入批量生产，充分表明本文研究成果的有效性和可靠性，也表明基于 嵌入戏i n t e m e t 技术的网络煅控系统具有广阔的应用前景和推广价值。 本课题磋究并构建了熬予i n t e m e t 环境下盼u p s 运程监控翻被障诊叛平台，有 效麓支终了籀逵商对客户豹设备维器服务，对邈逡金监萁它大鍪黻毫设备豹远程蕊 控及诊断，乃至整个中小激企业信息化工作的推进，都具有重要的示范作用和现实 意义。 关键溺：i n t e m e tt c p i p 强入式阚关簸羧u p s a b s t r a c t b a s e do na d e q u a t ei n v e s t i g a t i o nt ot h eo n l i n em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m s a n dd e e pa n a l y s i so fv a r i o u sc o n s t r u c t i o nm o d e so ft h e m ，t h i s p a p e re s t a b l i s h e s a p l a t f o r mf o ro n l i n em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gl a r g e - s c a l em e c h a n i c a la n de l e c t r o n i c e q u i p m e n t s i tt a k e su p s ( u n i n t e r r u p t e dp o w e rs u p p l y ) a sa ne x a m p l ea n dr e a l i z e st h e r e m o t eo n l i n em o n i t o r i n go fu p s i ti m p r o v e st h ew o r k e f f i c i e n c yo ft h e m m o r e o v e r , i t r e d u c e st h em a n a g e m e n tc o s ta n de n h a n c e st h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ew h o l e s y s t e m t h i sp a p e rt a k e se m p h a s e so ne m b e d d e dt c p i pt e c h n o l o g yb a s e do ni n t e r n e t ，a l s o h a sar e s e a r c ho nn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n 、s e r i a lc o m m u n i c a t i o na n dd a t a b a s e a c c e s s i n g u n d e rw i n d o w so s a f t e ra n a l y z i n gt h er e q u i r e m e n t so f t h er e m o t em o n i t o r i n g a n dc o n t r o l l i n gs y s t e mf o ru p s ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r das o l u t i o nb a s e do ne m b e d d e d t c p i ei nt h i s p a p e ri t d e s c r i b e sd e s i g na n dr e a l i z a t i o nt h o u g h t so fa l lp a r t so ft h e s y s t e mi nd e t a i l i tp u t se m p h a s e so nt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f e m b e d d e dg a t e w a y , a n dg i v e si t sh a r d w a r ec o n s t i t u t i o na n ds o f t w a r er e a l i z a t i o n f u r t h e r m o r ei nt h i sp a p e ri t e x p l a i n sd e t a i l e d l y t h e d e s i g na n dr e a l i z a t i o n o fr e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n g p l a t f o r ma n ds h o w st h es o f t w a r ef l o w c h a r t s a tl a s t , i tl i s t sp a r t so f t h ep r o g r a mc o d e s a n d g i v e st h er u n n i n go u t c o m e o fs o f t w a r e a sar e s u l tt h es y s t e mi sd e b u g g e da n dt e s t e d s u c c e s s f u l l y t h es u c c e s so ft h es y s t e mp r o v e s t h ev a l i d i t yo ft h er e s e a r c ha n dt h e m a g n i f i c e n tf u t u r eo f t h eo n l i n em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mb a s e do ne m b e d d e d t c p i p t h ep l a t f o r mf o ro n l i n er e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n ge q u i p m e n t ss u s t a i n s e f f e c t i v e l y t h es e r v i c eo fm a n u f a c t u r e st o c l i e n t s ，p r e s e n t s a l lu n i v e r s a l w a y o f a d m i n i s t e r i n gl a r g e s c a l e m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i c e q u i p m e n t sr e m o t e l y , a n d h a s i m p o r t a n t e f f e c t so na d v a n c i n gt h ei n f o r m a t i o n i z a t i o no fs m a l la n dm e d i u m s i z e d e n t e r p r i s e s k e y w o r d s ：i n t e m e t t c p i pe m b e d d e d g a t e w a y m o n i t o ra n dc o n t r o lu p s 第一章绪论 1 1 引言 随着i n t e r n e t 的广泛应用，计算机技术和网络技术得到迅速发展，促使其相 关技术也逐渐走向成熟。这些不仅对人们传统的生活方式产生了巨大的冲击，而 且对其他领域技术的发展也带来了深刻的影响。网上图书馆，电子商务和网上虚 拟医院己被大家所熟悉，而基于i n t e m e t 的远程监控技术更引起工业界的广泛关 注，并在核电站监控、石油的输送管道远程监测、电网运行监控和机器人的远程 控制等领域得到应用。基于i n t e m e t 的远程监控系统实现了数据共享，具有信息 传递快捷和交互性强等特点，推动着控制技术向着网络化、分布性和开放性的方 向发展，这种发展趋势使控制系统功能的扩展更加灵活，性能不断提高，使用更 加简便。 国内外已积极地开展了远程监控的应用与研究，大型机电设备作为企业生产 的关键设备，是社会经济快速运转的源动力，而其能否安全可靠地以最佳状态运 行，对于确保产品质量、保障安全生产具有十分重要的意义。随着网络技术、信 息技术和通信技术的发展，企业对大型机电设备系统的管理已经从常规的管理模 式提升为基于现代高科技的系统管理模式，事实证明，大型机电设备的远程监控 及其故障诊断技术一方面正向着信息化、网络化、智能化和集成化的方向发展； 另一方面，由于机电设备愈来愈复杂，其状态监测及远程传输本身又有许多新问 题和关键技术迫切需要解决和突破，因此，大型机电设备的远程监控和故障诊断 r 益成为研究的热点。 因此，研究和开发基于i n t e m e t 的大型机电设备的远程网络监控已成为互联 网时代新的研究热点和发展方向，是一项极具研究意义的课题。 1 2u p s 网络监控技术的研究状况 1 2 1 t i p s 网络监控的必要性 作为大型机电设备之一的u p s ( u n i n t e r r u p t e d p o w e rs u p p l y ) 不间断电源， 目的是改善对负载的供电质量f 1 1 并在市电故障时，保证负载设备的正常运行。 是为了解决供电系统存在的问题应运而生的，它的产生至今已经历了4 0 多年，在 这个漫长的过程中，u p s 设备的技术水平和功能在不断的变化着，当今的u p s 设备无论是在输出容量上，还是在基本性能、智能化管理和可靠性、可维护性和 可管理性上，都获得了长足的发展和进步【2 】。然而，从2 0 世纪9 0 年代中期开始， 随着信息技术的高速发展和网络时代的到来，对以u p s 为核心的整个供电系统的 可用性、可维护性、可管理性和可扩展性提出了越来越高的要求，用户关心的重 点开始从仅仅强调u p s 本身由设计和制造决定的可靠性，转移到由整个供电系统 和服务决定的可用性上来，原有的对u p s 的传统要求已经不能满足当今网络信息 时代对u p s 所提出的要求，对当今的u p s ( 尤其是中大功率u p s ) 来说它不仅仅能 具有不间断电源的作用，而且应具备非常完善的网络管理功能，尤其是应具有非 常安全可靠的远程监视及控制功能。 1 提高电源供电质量，使供电系统有更高的可靠性和经济性 u p s 所保护的负载绝大多数是用户非常重要的关键性设备，而且现在很多行 业都建有自己的局域网，u p s 所保护的设备往往都是与局域网上的其它设备进行 通信连接，一旦u p s 或供电系统本身出现问题，造成的后果是很难估量的。正因 为如此，对u p s 平时工作状态和工作环境的监视就变得非常重要。能够预先监测 到u p si 作状态和工作环境出现异常，人为地进行干预，使u p s 恢复到正常工 作状态，避免因u p s 故障而引发网络设各出现事故的工作变得越来越重要。 2 使网络管理趋于方便 由于网络的发展，网络管理员与u p s 以及受u p s 保护的计算机之间的物理 距离明显拉大了。因此，一方面在出现供电故障时，网络管理员可能来不及在u p s 电池电量耗尽之前关闭计算机和u p s 的电源，从而导致系统数据丢失，严重的还 会损坏硬件。另一方面，现代网络管理员一般都是“日理万机”：要管理多台服务 器和普通计算机，要管理集线器、路由器等网络设备，还要管理多台u p s ，管理 点的增加，使网络管理员很难亲自到“现场”监控每台设备，因此，将有关的信 息通过网络传递给网络管理员进行远程管理也是势在必行。 3 提高电源的维护管理水平和效益 通信网的不断扩大，面对越来越多的通信局( 站) ，传统的以分散式人工看守 为主的维护和管理方法、手段和体制已不能适应新形势的要求。动力维护和管理 体制向集中监控、集中维护、集中管理方向发展，提高设备维护质量，降低维护 成本，实现动力机房无人少人值守已是大势所趋。 综上所述，将u p s 系统与h l t e r n e t 技术紧密集成，利用i n t e m e t 技术实现对 u p s 的远程集中监控十分必要，它必将成为未来u p s 的主流技术之一。 1 2 2 国内外网络监控系统的研究现状 网络监控系统是基于传统模拟监控系统和数字硬盘录像监控系统后最新发展 的第三代监控系统，它正以无可比拟的绝对优势取代着前两代监控系统。它实际 上是一个监控中心通过计算机网络与远程设备连接起来的一个集中监控系统，可 以同时将多个远程机电设备的数据集中到监控中心来统一管理、诊断和控制【3 。 它完全基于计算机，以其为核心、结合安防监控的实际要求以及多年来不断完善 的安防理论和经验，运用最新的网络通信技术建立起的一套软硬件相结合、崭新 的、完整的安防系统。以通过互联网进行传输的远程诊断系统为例，每个用户网 络是一个简单的数据采集系统，将某个测点的数据、某台设备的数据传送到远程 监控平台，同时这一过程又是可逆的，监控中心可将诊断结果或控制指令传回用 户网络，网络监控系统是大型的、分散的地理区域监控系统的晟佳选择。 1 传统模拟监控系统 在2 0 世纪9 0 年代初以前，主要是以模拟设备为主的闭路电视监控系统，称 为第一代模拟监控系统。这种监控系统曾随着微处理器、微机的功能、性能的增 强和提高，多媒体技术的应用，在功能、性能、可靠性、结构方式等方面都发生 了很大的变化，构成方式也比较灵活，与其它技术系统的接口趋于规范，人机交 互界面更为友好，但由于监控系统中信息流的形态没有变，仍为模拟信号，系统 的网络结构主要是一种单功能、单向、集总方式的信息采集网络，介质专用的特 点，因此系统存在许多的不足。 ( 1 ) 通常适合于小范围的区域监控，模拟视频信号的传输工具主要是同轴 电缆，而同轴电缆传输模拟视频信号的距离不大于1 k m ，这就决定了模拟监控只 适合于单个大楼、小的居民区以及其它小范围的场所。 ( 2 ) 系统的扩展能力差，对于已经建好的系统，如要增加新的监控点，往 往是牵一发而动全身，新的设备也很难添加到原有的系统之中。 ( 3 ) 无法实现网络功能，不能进行数据资料的传输，不利于统一管理和分 析。 2 数字硬盘录像监控系统 2 0 世纪9 0 年代中期，随着计算机处理能力的提高和视频技术的发展，出现 了基于pc 机的多媒体监控系统，即数字硬盘录像监控系统，称为第二代网络监 控系统 4 1 。这种监控系统采用以硬盘录像机取代原来模拟式监控系统中的模拟录 像机，使系统结构大为简化；同时，由于采用了计算机网络技术，远程网络监控 不受距离限制。但是，这种监控系统只是在监控末端对视频图象或其他类型的数 据数字化后进行存储或监控，前端摄像机至末端数字硬盘录像主机之间仍采用传 统的模拟视频线路，再加上其基于p c 的结构形式，使得在实际工程应用过程中 暴露出许多不足。 ( 1 ) p c 机用于2 4 小时不间断工作时，其性能是不很稳定的，并不适用于 较复杂的工作环境。 ( 2 ) 以w i n d o w s9 8 为操作平台的系统，业内人士都知道，w i n 9 8 的稳定性 是有一定问题的，如果同时应用软件又不是很规范，这样就容易在使用过程中出 现工作不稳定、死机等问题。 ( 3 ) 成本比较高。 3 第三代网络监控系统 2 0 世纪9 0 年代末，随着网络带宽、计算机处理能力和存储容量的快速提高， 以及嵌入式技术的广泛应用，出现了第三代网络监控系统。这是一种以网络传输 技术和嵌入式技术为核心的监控系统，它使整个监控系统真正达到了布线单一、 结构简单、功能丰富、扩容方便、稳定可靠、成本低廉的目标。其以e t h e m e t 为 传输介质，由数据采集模块、控制执行机构、远程监控端和嵌入式设备端等组成。 嵌入式设备在监控前端和数据采集模块相连，将数据采集模块获取的原始信 号经过处理后，通过t c p i p 网络将数据传送给监控服务器1 5 j 。另外，嵌入式设 备还和控制机构相连，实现远程控制的功能。远程监控服务器由p c 加相应的应 用软件组成，接收嵌入式设备发送过来的原始信息，同时在监视器上显示以及存 储历史数据，必要时通过t c p f l p 网络发送控制信号给嵌入式设备，对受控的机 器设备实施控制1 6 j 。 这种嵌入式设备具备了嵌入式系统的处理速度快、性能稳定等许多优点，并 且由于嵌入了t c p i p 协议栈，因而可以将受控设备直接连入局域网，达到即插即 看，仅需设簧一个i p 地址，这种嵌入式设备称为嵌入式网关 7 j 。以嵌入式网关为 核心设备的第三代网络监控系统，采用全新的设计理念，集成当今最先进的网络 技术、计算机技术以及嵌入式技术，以t c p i p 协议来进行原始数据的传输，将会 具有其他监控系统无可比拟的优点1 8 l 。 ( 1 ) 布控区域广阔，嵌入式网关直接连入网络，彻底抛弃了地域的概念， 扩展了布控区域。 ( 2 ) 系统具有几乎无限的无缝扩展能力，所有设备都以i p 地址进行标识， 增加设备只是意味着i p 地址的扩充。 4 ( 3 ) 可组成非常复杂的监控网络，采用嵌入式网关为核心的监控系统，在 组网方式上与传统的模拟监控和基于p c 平台的监控方式有极大的不同，采用统 一的协议在网络上传输，支持跨网关、跨路由器的远程传输。 ( 4 ) 性能稳定可靠，无需专人管理，基于嵌入式技术的嵌入式网关，将数 据采集与网络通信功能集中到一个体积很小的设备内，直接连入局域网或广域网， 即插即看，系统的实时性、稳定性、可靠性大大提高，也无需专人管理，非常适 合于无人值守的环境。 1 3 本文主要研究工作 本课题是湖南省信息产业厅基金资助项目( 湘信函【2 0 0 3 】3 4 号) ，前期研 究工作由湖南大学与青岛创统科技有限公司合作开发u p s e p s 嵌入式网络监控 系统，该网络监控系统为青岛创统科技有限公司各种u p s 、e p s 提供远程网络监 控功能。青岛创统科技有限公司将其列为2 0 0 2 - - 2 0 0 3 年度重点科研项目。结合本 课题深入研究了嵌入式网关的实现技术、w i n d o w s 网络编程技术、串口通信技术 以及d a o 数据库访问技术，并成功的设计出了远程网络监控及故障诊断平台。 本文的结构安排： 第一章绪论。叙述基于i n t e m e t 的远程监控技术的研究所具有重大现实意 义，分析u p s 进行网络监控的必要性，对国内外网络监控系统技术发展历程及现 状进行详细的描述，指出每一种网络监控方式的特点及其存在的问题，指出以嵌 入式网关为核心设备的第三代网络监控系统代表未来的监控技术的发展方向。 第二章u p s 网络监控系统技术基础。主要是对基于i n t e m e t 的网络监控系 统的成功实现作进一步的理论与技术探索，先后讨论嵌入式系统技术、嵌入式 t c p i p 协议栈技术、w i n d o w s 网络通信技术、w i n d o w s 串口通信技术以及d a o 等数据库访问技术，深刻的研究每一种技术的特点及其实现方法。 第三章基于i n t e m e t 的u p s 远程网络监控系统总体设计。提出监控系统设 计的总体解决方案，描述系统构成及工作原理，分析嵌入式网关和远端监控平台 等模块的设计，最后，对系统所使用的通信协议进行说明。 第四章u p s 远程网络监控系统嵌入式网关的设计及实现。从硬件组成及软 件设计上对嵌入式网关的实现作详细介绍，给出该设备的各功能模块硬件电路及 其代码实现，对嵌入式网关实现网络通信的运作原理作具体的分析。 第五章u p s 远程网络监控系统远端监控平台的设计及实现。对远端监控平 台的三大构成模块网络通信模块、人机界面模块以及数据存储及查询模块进行详 细叙述，分析每一模块的设计原理及其工作流程，给出代码实现及相应的程序运 行结果。 最后进行总结与展望。 6 第二章u p s 网络监控系统技术基础 2 1 嵌入式in t e r n e t 系统 2 1 1 嵌入式系统 嵌入式系统涉及领域广泛，从硬件的芯片设计、电路与外围设备到软件、韧 件( f i r l t l w a r e ) 系统整合，以及各式各样的应用程序与服务提供，都是嵌入式系 统里最重要的技术与观念。它具备下列四项特征： ( 1 ) 执行特定的功能； ( 2 ) 以微控制器与外围芯片构成核心； ( 3 ) 严格的时序； ( 4 ) 全自动操作循环。 嵌入式系统是硬件和软件的综合体，设计的目的在于满足某种特殊的功能。 嵌入式系统的架构可分为5 个部分：处理机、内存、输入与输出、操作系统与应 用软件。它们常见于实验仪器、办公设备、交通运输设备、电信设备、制造设备、 建筑设备、医疗设备以及个人电脑等。 嵌入式系统的硬件设计包括单片机的控制电路设计、网络功能设计、无线通 信设计以及使用接口等。主要的微处理器产品有：a r m 公司a r mr i s c 架构微 处理器、i n t e l 公司的s t r o n g a r m 微处理器、德州仪器公司的t m s 3 2 0d s p 微处 理器、德州仪器公司的o m a p 架构微处理器、i n t e l 公司x s c a l e 架构微处理器等。 a m d 公司开发的嵌入式系统微处理器主要是以x 8 6 指令架构为主，主要是应用 在即时操作系统上，如：工业用电脑、终端处理机系统、自动化系统等，可以使 用在即时操作的系统控制。 嵌入式软件为信息、网络通信或消费性电子等产品系统中的必备软件，实现 产品的驱动、控制处理基本接口的功能，以提升硬件产品的价值，为该硬件产品 不可或缺的重要部分，它常以韧件形式( 如控制器或驱动程序等) 来实现。嵌入 式系统的软件开发的架构包括：人机界面、系统程序、模拟程序、模块集( 包括： c p u 模块、i o 模块、功能模块) 。整体系统的输出为软件的目的文件与硬件的规 划文件。用户依据硬件规划文件制作硬件，然后将软件刻录到r o m 上，即可得 到所需的嵌入式系统。 对于嵌入式系统软件开发，许多情况下是没有操作系统概念的，往往需要通 过系统手册上描述的各式各样的函数调用直接去取得处理器或外围寄存器状态进 行运算。这就是说，一切动作都是由应用程序自行负责，包括将硬件初始化、输 入数据的处理、运算动作的进行、将运算结果输出到对应的输出设备。对于设计 一个简单的应用程序，许多问题都可以自行解决。但由于现在的软件日益复杂， 往往需要一个操作系统来帮忙，特别是涉及到内存管理、多工管理、外围资源管 理等，可以由操作系统统一控制。 采用嵌入式系统扩充的网络通信功能可以有效地实现机电设备与远程诊断中 心的网络通信，而不必改变原有设备的控制系统。 2 1 2 嵌入式i n t e r n e t 技术 未来的i n t e m e t 向何处去，这是全世界科学家关心的问题，包括美国贝尔实 验室总裁a r u nn e t r a v a l i 在内的一批科学家对此做出了预测：2 l 世纪将会产生比 p c 时代多成百上千倍的瘦服务器和超级嵌入式瘦服务器。这些瘦服务器将与这个 世界各种物理信息、生物信息相连接，通过i n t e r n e t 网自动地、实时地、方便地、 简单地提供给需要这些信息的对象。 所谓嵌入式“瘦服务器”是相对“胖服务器”而言的，它以嵌入式设备代替 了p c 机作为实现服务器功能的硬件支持，将嵌入式系统与i n t e m e t 技术结合，把 t c p i p 协议作为嵌入式系统的种应用，嵌入到现场智能设备的r o m 中，使信 号的接收和发送都以t c p i p 的方式进行【9 】。嵌入式i n t e r n e t 对于网络控制来说， 是一个重要的基础技术。l p 协议具有目前工业系统中使用其他协议不可比拟的优 点，它可以把任何一台仪器、仪表、数字设备组成的控制网络作为 n t e m e t 的一 个终端，使不同地域的工业设备通过互联网连接在一起，因此，嵌入式i n t e m e t 技术不仅提供了连接可靠的网络连接技术，还提供了可以实现用户控制方案的现 代网络监控系统基本框架1 1 。 2 1 3 实现嵌入式i n t e r n e t 的主要方法 将嵌入式系统与 n t e m e t 结合起来的想法其实很早以前就有了，主要困难在 于，i n t e r n e t 上面的各种通信协议对于计算机存储器、运算速度等的要求比较高， 而嵌入式系统中除部分3 2 位处理器以外，大量存在的是8 位和1 6 位m c u ，支 持t c p i p 等i n t e r n e t 协议将占用大量的系统资源，或根本不可能支持t c p i p 等 i n t e r n e t 协议【u a 2 l 。实现嵌入式i n t e m e t 的关键，就是要在嵌入式系统中实现t c p i p 协议。 1 采用专门的t c p d p 协议栈软件包实现 提供从8 位到3 2 位嵌入式微处理器的实现能力。这种实现t c p i p 协议栈的 方法主要是通过选用能够支持t c p i p 协议的嵌入式实时操作系统【1 3 h 】。然而，大 部分商用的r t o s 的价格昂贵，使得一些中小公司望而却步。此时，l i n u x 的兴 起促使系统开发商考虑剪裁l i n u x ，将l i n u x 强大的网络功能移植到嵌入式系统 中，而且还可以利用l i n u x 源代码公开的优点，写出更符合应用的t c p o p 协议栈 的代码来，使系统所需内存更小，运行更可靠。 2 通过嵌入式网关实现t c p d p 的连接 通过网关，嵌入式系统( 即使是建立在低端微处理器上的嵌入式系统) 能够 具备上网的能力【1 5 ，1 6 ，1 t1 羽。网关在重型网络协议( 如i m e m e t ，i n t r a n e t ) 与轻型 网络协议( 如r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ) 之间充当了一个中间媒介的角色，它既可驻留在 p c 机中，也可驻留在单片机中，甚至可驻留在具有足够资源的嵌入式设备中。图 2 1 为一个典型的通过嵌入式网关上网的方案图。 服务器或嵌入式网关8 位、1 6 位 客户端获入式系统 t c p i p 网络 服务器或l 轻型网络 浏览器 客户端i 通信接口l 应用程序 应用程序应用程序 图2 1 一个典型的网关上网方案图 通过嵌入式网关上网具有如下的特点： ( 1 ) 协议转换，网关为设备的连通性提供多种硬件和软件的解决方案，使 设备能够与基于t c p h p 协议的应用程序通信 1 9 , 2 0 。 ( 2 ) 设备的看门狗，网关能够监视设备的状态，如：设备是否已经连通， 网络和设备是否出错，当设备不能用时，向指定的用户发送报告。 ( 3 ) 设备服务，网关为嵌入式应用的客户提供可使用的网络服务。 ( 4 ) 多种人机接口方式的选择1 2 ”，嵌入式设备有多种人机接口方式，包括 w i n d o w s ，w e b 浏览器和电话。对于某些类型的应用来说，简单、基于文本的h t m l 接口就能满足需要，但是，对于其他的应用来说，h t m l 接口就会显得复杂或者 过于简单，因此，人机接口的选择应该是多样化的，选择范围从简单的d t m f 到 复杂的企业数据库和资源计划应用。 3 在硬件上实现t c p d p 协议 工业设备中采用软件嵌入i p 协议存在无法并行处理或者成本过高的缺点。而 9 在通过硬件实现，则可以克服这些不足，为工业设备提供了实用的、具有较高性 能价格比的网络技术。硬件实现的i p 协议，其并行工作的数字电路系统必须保证 数据处理的稳定性，根据有限状态机和时序逻辑电路理论，实现并行工作的各级 处理电路都必须是同步时序逻辑电路阮”i 。 2 2 w i n d o w s 串口通信技术 串行通信中的关键是串行通信设备的初始化、数据的发送和接收及其实现方 式。在d o s 环境下，用户可以直接对通信设备编程，可以通过查询中断的方式使 用通信设备。但是w i n d o w s 不提倡应用程序直接控制硬件，而是通过w i n d o w s 所提供的设备驱动程序来进行数据传递。在w i n d o w s 环境中，通信支持中断功能， 当通信设备接收到一个输入字符的时候就产生一个硬件中断，该中断暂停应用程 序的执行，并把接收到的字符存入到一个叫接收数据队列的内存缓冲区中。而待 发数据也先存入到一个叫发送数据队列的内存缓冲区中，再由w i n d o w s 系统负责 在后台进行发送。因此，在w i n d o w s 下接收和发送数据的关键就是如何从接收队 列取数据和如何向发送数据队列发数据。w i n d o w s 提供了相应的a p i 函数来实现 这些功能。 串行口在w i n 3 2 中是作为文件来进行处理的，而不是直接对端口进行操作。 在w i n 3 2 环境下，可以把串口看作由文件系统访问的设备。使用标准的c r e a t e f i l e ( 1 函数打开端口，再使用r e a d f i l e o 和w r i t e f i l e o 函数读写数据，就如同端口只是一 个文件对象一样。对于串行通信，w i n3 2 提供了相应的文件i 0 函数与通信函数， 使用这些函数，可以编制出符合不同需要的通信程序。 1 实现步骤 c 1 ) 按协议的设置初始化并打开串行口，这样做就是通知w i n d o w s 本应用 程需要这个串口，并封锁其他应用程序使它们不能使用此串口。 ( 2 ) 配置这个串行口。 ( 3 ) 在串口上往返地传输数据，并在传输过程中进行校验。 ( 4 ) 不需要此串口时，关闭串口，即释放串口以供其它应用程序使用，流 程如图2 2 所示。 1 0 图2 2 串口通信流程 2 实现方法 ( 1 ) 采用a c t i v e x 控件( m s c o m m 控件) 编程 虽然在w i n d o w s 下w i n 3 2 a p i 提供了使用c r e a t e f i l e w r i t e f i l e 等文件i o 函 数进行串行口操作的方法，但是在编程实现上比较复杂。w i n d o w s 平台先进的 a c t i v e x 技术使得对串行口编程时不再需要处理烦琐的细节。利用已有的a c t i v e x 控件，只需要编写少量的代码，就可以轻松高效地完成任务。 m i c r o s o f tc o m m u n i c a t i o n sc o n t r o l ( 以下简称m s c o m m ) 是m i c r o s o f t 公司提 供的简化w i n d o w s 下串行通信编程的a c t i v e x 控件，它为应用程序提供了通过串 行接口收发数据的简便方法。具体地说，它提供了两种处理通信问题的方法：一 是事件驱动( e v e n t - - d r i v e n ) 方法：主要是在c o m e v r e c e i v e ( 接收到数据) 事件 发生时响应并获取缓冲区的数据。一是查询法：在这种情况下，每当应用程序执 行完某一串行口操作后，将不断检查m s c o m m 控件的c o m m e v e n t 属性以检查执 行结果或者检查某一事件是否发生。 ( 2 ) 联合采用m f c 类以及w i n 3 2 a p i 函数进行串口通信编程 w i n 3 2 系统把文件的概念进行了扩展，无论是文件、通信设备、命名管道、 邮件槽、磁盘还是控制台都被看作是文件。因此，可以用m f c 中的c f i l e 类来实 现对串口的操作，并且w i n 3 2 中的文件i o 函数支持重叠式输入输出，这使得线 程从费时的i 0 操作中解放出来。w i n 3 2a p i 包含了一系列访问通信资源的通信 函数。利用w i n 3 2a p i 函数编写的串口通信类实现串口通信有两种方式： 在单线程中实现自定义的串口通信类 其实现步骤是：首先，在m a i n f r m c p p 中定义全局变量h a n d l eh c o m ( 准 备打开的串口的句柄) ；其次，打开串口，w i n d o w s 通信会话以调用c r e a t e f i l e o 函数打开串行口开始，通信程序从c r e a t e f i l e 处指定串口设备及相关的操作属性， 并返回一个句柄，该句柄将被用于后续的通信操作；再次，串口初始化，在打开 通信设备句柄后，通常要对串口进行初始化工作( 即配置参数如波特率、数据位 警 数、谤止位数、奄爨校验良及握手帮滚控揍议等) ，酝饕串秘逶逑改变数撂结构一 一设备控制块d c b ( d e v i c e c o n t r o lb l o c k ) 米实现，结构d c b 有近3 0 个数据成员， 对予采露3 线方式驰宰孬遽痿来说，只要浚霍好波特率、数据垃、簿盘鬣、援验 位髂几个关键参数就可以，除了在结构d c b 中的设置外，程序一般还需缨设置 f o 缓捧送豹大小帮趣瓣，怒嚣设鬟是为了避免当逯箍逮糕中由予数据费辕突然 中断时而造成对串口的读写操作进入无限期的等待状态：接着，读笃串口；最后， 关 l l 事日，串行翻燕 # 共事资源，掰鞋当不再需鬟率口露，一定黉美阕枣嗣。 在多线程中实现自定义的串口通信类 多线戆遥信类的编写焱鞴臼熬疑萋，连接帮分与单线稷通信类裙同，在端日 配溉完毕咸，最重鬻的是根据实际情况，建立多线程之间的同步对象，如信号灯， 冁莽区，事侔等，疆便在指定静事件发生辩囱裙关豹窗口发送逶鲡消愚。 ( 3 ) 利用v c + + 避行时库的标准通信函数嶷现串口编程 利用c 语言逡行异步通信编裁，其实怒对u a r t 内部繇存籍豹读出或驾入操 作。v c 可利用v c + + 类库中提供的标准通信函数- - i n p 0 - - o u t p o i 丽数对蕻进行 编程。其工作原理是：在确定诗算机的通信口缝歉之后，计算梳通过率行通信日 与外设进行数据传输和控制时，首先要对端口的状态进行检测，然后通过u a r t 芯片把传送来的数字信号转换为模拟信号，数据缀过移位寄存器将并行的戳字节 为荤位的数据以位为单位串行发送到串行通信端翻，当数搬到达串行通信端口时， 按照r s - - 2 3 2 通信协议翘定传送数据至外设。这就是主机进行串行通信从而实现 控制外设的整个过程。反之，当主机获取处设当前状态和相关数搌，或者外设向 主机回送数据时，端口检测到有数据信号，则通过r s - - 2 3 2 总线协议传送信号至 u a r t 芯片，u a r t 芯片搬传送来的模拟信号转换走数字信号，数据经过移位寄 存器将串行数据合为并行数据，送至c p u 进行处理。 ( 4 ) 三种方法优缺点的比较 采用m f c 串口通信编程是最灵活、最常用并且功能强大的方法，适用于与 各耱不感麴辨设遴器串嚣逶信，德嚣要程摩员对疆停工终原理有较深入黪了解； a c t i v e x 控件编程容易实现，不需撰处理烦琐的细节，但怒灵活性较差；利用v c 运行薅疼靛栝准遴簧函数嶷现串鲻编程骧理簿蕈，不足之处蹙实髑牲彝灵活性较 整。 2 ，3 网络通信技术 把远程憨竣器状态数握传递刘簸控平螽，零要逶过嘲终实骥，网络邋售是磷 2 究的另一个关键的通信技术。为了方便网络编程，9 0 年代初，由m i c r o s o f t 联合 了其他几家公司共同制定了一套w i n d o w s 下的网络编程接1 3 ，即w i n d o w ss o c k e t s 规范，它不是一种网络协议，而是一套开放的、支持多种协议的w i n d o w s 下的网 络编程接口1 2 4 2 5 o 现在的w i n s o c k 已经基本上实现了与协议无关，可以使用 w i n s o c k 来调用多种协议的功能，但较常使用的是t c p i p 协议。s o c k e t 实际在计 算机中提供了一个通信端口，可以通过这个端口与任何一个具有s o c k e t 接口的计 算机通信。应用程序在网络上传输，接收的信息都通过这个s o c k e t 接口来实现。 s o c k e t 有两种类型，基于t c p 的流套接字和基于u d p 的数据报套接字，前者保 证传输的正确性，适用于i n t e r a c t ：后者虽然不能保证传输的准确性，但速度快， 适用于i n t r a n e t 。在w i n 3 2 平台上实现网络通信通常使用以下三种方法： ( 1 ) 微软公司提供的m i c r o s o f tw i n s o c k 控件； ( 2 ) 利用m f c 类库中的c a s y n c s o c k e t 类和c s o c k e t 类【2 6 】； ( 3 )直接利用w i n s o c k a _ p i 函数编写相应的通信类。 对于上面的三种实现网络通信方法，其归根结底都是对w i n s o c ka p i 网络通 信函数不同形式的封装，因此，直接研究w i n s o c ka p i 函数在两种不同的通信方 式下实现方式对于了解s o c k e t 的工作原理具有十分重要的意义。 2 3 1 面向连接的流式套接宇编程模型 通信原理为：首先，服务器端和客户端都必须建立通信套接字，而且服务器 端应先进入监听状态，然后客户端套接字发出连接请求，服务器端收到请求后， 建立另一个套接宇进行通信，原来负责监听的套接字仍进行监听，如果有其它客 户发来连接请求，则再建立一个套接字。默认状态下最多可同时接收5 个客户的 连接请求，并与之建立通信关系。因此程序的设计流程应当由服务器首先启动， 然后在某一时刻启动客户机并使其与服务器建立连接。服务器与客户机开始都必 须调用w i n d o w ss o c k e t s a p i 函数s o c k e t ( ) 建立一个套接字s o c k e t s ，然后服务器方 调用b i n d ( ) 将套接字与一个本地网络地址捆扎在一起，再调用l i s t e n ( ) 使套接字处 于一种被动的准备接收状态，同时规定它的请求队列长度，在此之后服务器就可 以通过调用a c c e p t ( ) 来接受客户机的连接1 2 7 1 。 相对于服务器，客户端的工作就显得比较简单了，当客户端打开套接字之后， 便可通过调用c o n n e c t 0 和服务器建立连接。连接建立之后，客户和服务器之间就 可以通过连接发送和接收资料。最后资料传送结束，双方调用c l o s e s o c k e t o 关闭 套接字来结束这次通讯。 整个通信过程的具体流程框图可大致用图2 3 来表示【2 8 1 。 服务器客户端 s o c k e t 0 建立流式套节字 b i n d 0 将s o c k e t s 与本 地地址相连 l i s t e n 0 通知p ，服务 器准备好 a c c e p t 0 接收数据。得 到- - - s 2 ， 阻塞，等待客户数据 s o c k e t 0 建立流式套节字 c o n n e c t0 将套节字与远 地主机连接 r e c v ( ) s e n d ( ) ，在s 2 上读 写数据 c l o s e s o c k e t 0 ，关闭套节 字s 2 c l o s e s o c k e t 0 ，关闭最初 的套节字 s e n d ( ) r e c v ( ) ，在套节字 上读写数据 c l o s e s o c k e t0 ，关闭套节 字。结束1 删话 图2 3 面向连接的s o c k e t 通信流程 根据前面设计的程序流程，可将程序划分为两部分：服务器端和客户端2 9 ，3 0 】。 1 服务器端的操作 ( 1 ) 初始化阶段调用w s a s t a r t u p 0 ，此函数在应用程序中初始化 w i n d o w s s o c k e t sd l l ，只有此函数调用成功后，应用程序才可以再调用其他 w i n d o w ss o c k e t sd l l 中的a p i 函数。 ( 2 ) 建立s o c k e t ，初始化w i n s o c k 的动态连接库后，需要在服务器端建立 一个监听的s o c k e t ，为此可以调用s o c