（计算机应用技术专业论文）分布式多机系统在amrs中的研究和应用.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 目前使用的人工抄表方式己日益不能满足管理自动化的需要，故本文提出 了若干种实现自动化的方案，其中基于公共开关电话网络的调制解调器通信方 式自动抄表是最能体现自动意义的。 本文首先介绍了通信的基本概念，然后提出集中抄袁结构的硬件构成。 该系统主要由采集模块( 从站) 、信道、主站等设备组成。主要功能是实现 居民小区的水表、电表、煤气表的自动化抄表和管理，具有现实意义。在后台 软件设计章节提出了传输协议的设计和实现，各软件模块的功能和实现。此系 统中的数据传输( 包括m o d e m 、串口传输和i c 卡读写，也论及红外传输、g s m 传输及嵌入i n t e r n e t 式) ，方式多样化，可靠性比目前的系统要好。 关键字：远程通信，分布式多机系统，管理，水表 坌塑塞童塑墨笙生垄丝坚! 堕堑塞塑堡旦 a b s t r a c t t h em e t h o do fm a n u a la m m e t e rr e a d i n gc a n n o tm e e tt ot h en e e do fa u t o m a t i c m a n a g e m e n tn o w a d a y sn e w a u t o m a t i cm e t h o d sh a v eb e e np r e s e n t e di nt h i sp a p e f i nt h e s eb l u ep r i n t s ，t h em e t h o do fm o d e mc o m m u n i c a t i o nb a s i n go np s t n ( p u b l i c s w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ) i st h eb e s tf o re m b o d y i n ga u t o m a t i cm a n a g e m e n t t h eb a s a lc o n c e p to fc o m m u n i c a t i o ni si n t r o d u c e df i r s t a n dt h e nak i n do f h a r d w a r ec o m p o s i n gi sp r e s e n t e di nt h ep a p e f t h i s s y s t e m i s m a i n l y c o n s i s t e do fc o l l e c t i o n m o d u l e ( s e c o n d a r ys t a t i o n ) ， c h a n n e la n d p r i m a r y s t a t i o ni tc a nr e a l i z ea u t o m a t i ca m m e t e rr e a d i n ga n d m a n a g e m e n to f t h ew a t e ra m m e t e ri nc h a p t e r so ff i r m w a r e ，t h ei d e aa n dr e a l i z en o t o n l yo ft r a n s f e rp r o t o c o lb u ta l s oo f s o f t w a r em o d u l e sa r ep r e s e n t e di nt h i ss y s t e m ， t h e r e 盯em a n ym e t h o do fd a t at r a n s f e r ( i n c l u d i n g ：m o d e m , s e r i a lp o r t ，w ，ri cc a r d ， i n f r a r e d t r a n s m i t t i n g , g s mt r a n s m i t t i n g a n de m b e d d e d i n t e r n e t ) ，s o t h e d e p e n d a b i l i t yi sb e t t e rt h a n b e f o r e k e y w o r d s ：r e m o t ec o m m u n i c a t i o n ；d i s t r i b u t e ds y s t e m ；m a n a g e m e n t ；w a t e rm e t e r ； v b n 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 近年来，在远程通信网络的领域里已经发生了令人注目的变化，并且取得 了重要的成就。随着远程通信网络的发展，它在各个领域中的应用越来越广泛， 仅在现代化居民生活中的应用就有多种。在智能化小区中，智能小区的信息通 信服务功能，应保证小区住户具有连网能力和多种多样的接入服务；除可让住 在新型小区的居民用户深切地体验到用宽频通道上网与用电话上网时的巨大差 别外，还可把小区内各家各户的电脑同物业管理中心连接起来，实现新型物业 管理，也可以通过a d s l 高速专线等接入i n t e r n e t ，使小区居民真正实现网上教 育、网上购物、i f t v 、多媒体娱乐、网上交易、网上交费、v o d 视频点播和 家中办公等，还能实现对家电的远距离控制以及一卡通、可视对讲、三表自动 抄表、防盗防火监控、停车场管理等多种应用。本文在以往系统的经验上总结 了其不足，主要实现的是对水表的自动抄表。 1 2a m r ( a u t o m a t e dm e t e rr e a d i n g ) 技术的发展概况 现代城市家庭使用的电、管道煤气和自来水等，每次的使用量是由专门人 员每月或隔月挨家挨户抄录，然后又经人工逐一输入计算机，并经计算处理后 打印出账单，作为用户的交费凭据。这种传统的抄表方式，不仅花费大量的人 力，且会出现人为错误，更有不法之徒，假扮抄表人员进入用户住处，进行非 法活动。近年来国内外大力开发自动抄表系统，不断推广使用自动抄表或集中 抄表方式。 在8 0 年代末期，国外的有关杂志有过一些这方面的试验报道，这时还没有 达到完全实用阶段。到了9 0 年代初，就有了这方面的实际应用了。美国电世 界1 9 9 4 年l o 月号摘要介绍了c h a r t w e l l 公司对北美( 美国和加拿大) 2 2 个电力 公司和3 1 个产品供应商的调查结果，在1 9 9 4 年初，该地区已装3 1 4 0 6 3 块具有 自动抄表功能的电能表，年底计划发展到1 0 4 8 0 0 0 块。其中g e o r g i a 电力公司在 1 9 9 3 年内已经装设了5 0 0 0 0 个车载无线电自动抄袭单元；b o s t o n e d i s o n 公司已 经装设了1 7 0 0 0 个固定式和车载无线自动抄表单元；加拿大的q u e b e c 水电局也 已经安装了6 4 0 0 0 个自动读表单元。1 9 9 9 年6 月美国威斯康辛公司将他们第一 期自动抄表系统的合同授予了美国配电控制系统公司，该自动抄表系统为双向 自动通信抄表系统，以实现居民和商业用户的电能表与煤气表计自动化。近两 年来，我国电力系统的用电部门也已经在一些小的范围内进行了应用实践，取 得了不少宝贵的经验。 1 分布式多机系统中在a m r 中的研究和应用 国内以往的系统在实际应用中均有各自的缺点，由于现代住宅特别是高层住 宅均采用钢筋混凝土结构，对无线信号的传输有极大的影响，又因为无线数据 通信电缆，要投入大量的人力物力，也不适于原有住宅的安装，使范围有较大 的局限性。为了更好的适应发展，本文提出了一些方法。 南京航空航天大学硕士学位论文 2 1 数据通信 2 1 1 数据通信概述 第二章数据通信 数据通信是计算机与通信技术相结合，把数据的处理和传输合为一体，实 现数据信息的接收、存储、处理和传输，并对数据流加以控制、校验和管理的 一种的通信方式。即：在两台或多台计算机之间，经由传输链路传输各种类型 的数据。 分布式多处理机系统不仅包含有多个计算机，而且这些计算机分散在不同 的地域，这些计算机之间为了交换信息、完成控制等功能，必须进行数据通信。 数据通的基本结构如图1 11 所示： 鍪全划翁l 基1 1 量茎簋卜臣垂到磊芎鬈h ：蓊了瑟h 耋出设莩 1k!兰lr 1 一i 同步i 代码转换 图1 1 1 数据通信基本结构 2 1 2 数据通信完成的功能 代码转换 ( 1 ) 计算机内部的数据与通信编码之间的转换。例如：计算机内的数据是 用“0 ”或“1 ”表示的，通信时，必修采用编码技术，即进行调制解 调。 ( 2 ) 制定通信双方遵守的通信协议。饲如，常用的规程有，高级数据链路 规程h d l c 、数字通信报文规程d d c m p 。 ( 3 ) 通信同步方式常用的有报文同步、符号同步。另外，用时序控制来 实现同步或异步通信。 ( 4 ) 差错控制由于通信中干扰的存在，所以为了降低通信误码率，采取 差错控制技术。例如，在串行通信过程中采用奇偶校验等。 分布式多机系统中在a m r 中的研究和应用 2 1 3通信信道 从图1l1 知，各处理机之间的通信要经过一条通路，称之为通信信道。它 可以表示数据通信一个重要的品质指标通信距离，通信信道主要包括传输 介质、通信速率和通信频带。数据通信常用的介质有：双绞线，同轴电缆，光 纤电缆，微波等。其中双绞线价格低廉、性能良好、连接可靠、维护简单，是 家庭局域网络布线时最好的选择。目前，使用最广泛的双绞线是非屏蔽五类双 绞线( u t p ：u n s h i l d e dt w i s t e dp a i r ) ，最大带宽可至1 0 0 m b s 。非屏蔽双绞线 电缆具有以下优点： ( 1 )无屏蔽外套，直径小，节省所占用的空间； ( 2 )重量轻、易弯曲、易安装； ( 3 )将串扰减至最小或加以消除； ( 4 )具有阻燃性； ( 5 )具有独立性和灵活性，适用于结构化综合布线。 2 1 4串行通信总线 串行通信的特点是数据按顺序逐位传输，因此串通信设备之间只需一对传 输线，适合于远距离传输，这对分布式多处理系统中分散各处理机之间的通信 具有突出的优点。 1 串行总线标准 常用的串行通信总线标准包括；r s 一2 3 2 一c 总线、r s 一4 8 5 总线、i e e e 4 8 8 总线、u s b 总线。 ( 1 )r s 2 3 2 一c 总线 r s - 2 3 2 一c 是美国电子工业协会e i a ( e l e c t r o n i c i n d u s t r ya 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 是英文“推荐标准”的缩写，2 3 2 为标识号，c 表 示修改次数。r s 2 3 2 c 总线标准设有2 5 条信号线，包括一个生通道和一个辅助 通道，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。r s - 2 3 2 一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，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 4 南京航空航天大学硕士学位论文 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 )r s 一4 8 5 总线 在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用r s 一4 8 5 串行总线标准。 r s 一4 8 5 采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收 发器具有高灵敏度，能检测低至2 0 0 m v 的电压，故传输信号能在千米以外得到 恢复。r s 。4 8 5 采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此， 发送电路须由使能信号加以控制。r s 4 8 5 用于多点互连时非常方便，可以省掉 许多信号线。应用r s 一4 8 5 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联3 2 台驱 动器和3 2 台接收器。本文所论述的系统中采用此种线标准。 ( 3 )u s b 总线 通用串行总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是由i n t e l 、c o m p a q 、d i g i t a l 、i b m 、 m i c r o s o f t 、n e c 、n o r t h e mt e l e c o m 等7 家世界著名的计算机和通信公司共同推 出的一种新型接口标准。它基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达 到方便用户、降低成本、扩展p c 连接外设范围的目的。它可以为夕 设提供电源， 而不像普通的使用串、并口的设备需要单独的供电系统。另外，快速是u s b 技 术的突出特点之一，u s b 的最高传输率可达1 2 m b p s 比串口快1 0 0 倍，比并口 快近1 0 倍，而且u s b 还能支持多媒体。 2 串行通信的传输模式 传送模式有三种：单工、半双工、全双工。 ( 1 ) 单工通信：数据仅在一个方向上传播，且方向永远不变。如图1 1 2 ( a ) 所示。图中设备1 总是出发送状态，设备2 总是出接受状态。 单工传输时，两设备间只需两根线连接。 ( 2 ) 半双工通信：两台设备交替的交换数据。也就是允许数据在两个方向 传递，但是在某一时刻，传递只能是单向的。即任何和时刻，只能一 个设备发送，另一个设备接受。如图1 1 2 ( b ) ( 3 ) 全双工通信：两台设备可以同时发送和接收数据。数据传输是双向的。 如图1 1 2 ( c ) 。半双工和全双工方式工作时，两设备之间需要三根 线，其中之一是信号地线。 很明显，全双工方式可以取得较高的数据传输速率，但在两台设备之间需 要两条可以进行全双工通信的信道。 厄 坌变壅兰墼墨竺! 垄垒塑坠! 堕堕壅翌壁旦一 3 串行通信的传送技术 比特的传送和接受是基于采用了定时时钟来完成的。发送机利用它的时钟来 决定每个比特的起始和终止。在接受端，时钟用来决定一个比特的结束和下一 个比特的开始。般情况下，使两个独立的时钟进行精确的同步是不太可能的。 他们自己产生的漂移，引起两个连续时刻之间的间隔与所规定的间隔有差别。 比如说，对一个产生l o o b p s 的数据流的时钟，应该每隔o0 1 秒有一个时钟时刻。 但由于时钟的漂移，时钟的偏移范围从00 1 一e 到0 0 l + e 。取决于其时钟 产生的方式。 接受方在采用自己独立的时钟来决定接受信号中一个比特的起始和结束时， 时钟漂移可能会使之产生一些问题。由于接受时钟与发送时钟的不同，接受端 有可能两次收到同一个比特，也可能跳过一个比特。例如0 0 1 0 这样一串比特， 可能被接受方认为0 0 1 1 0 或0 1 0 。图1 13 说明了此例。 发送方时钟 发送方信号 时钟较快 的接受方 ： 00 ： l j 0 t t tf 1 0 ：0ll0 ； j i 有两种方法解决上述问题。即：异步传输和同步传输。 ( 1 ) 异步通信 发送方和接受方的时钟脉冲不是同一个。如图1 1 4 ( a ) 所示。它可以使发 送方和接受方保持独立的时钟并周期性的进行同步。 每个字符之间没有任何定时信息。为了保证接受方能准确接收数据，异步 南京航空航天大学硕士学位沦文 通信的字符有规定的格式，如图ll5 所示。 从图1l5 ( a ) 中可以看出，每个字符前面有一个起始位，以逻辑“0 ”表示， 接着是一个字节的8 个数据位( 低位在前) ，紧接一位是奇偶校验位( 或无校验) ， 最后一位是停止位( 或一个半，或两个停止位) 以逻辑“1 ”表示。起始位表示 一个新字符的开始，用来使发送方和接受方同步。结束位表示一个字符传输结 束。在异步通信中，接受方和发送方是用各自的脉冲来控制发送和接受的，因 l 比两者的频率应该相等。但实际上会存在误差( 时钟漂移) 接受方正是通过串 行数据中的起始和停止位实现和发送数据的同步。即：时钟漂移被局限于一定 程度，这使得接受方能够和发送方的某一时刻进行同步。这样就能够在它丢失 或添加比特之前争取接受很多比特。 ( a ) 异步通信方式 l 。j ，。| 。 i 4 4 ”l 7 彳下i l uti 、7 位并行数据输入广= ： 1 接受的8 位并行数据 ( b ) 同步通信方式之一 图1 1 4 异步通信和同步通信示意豳 当一个新字符到达接受端口时，数据的起始位使端口电平变“0 ”，接受端发 现这个“0 ”后，按如下步骤操作： 当字符起始位出现时，接受端计数器清零。 接受端按一特定的外部时钟频率对输入数据采样，而且此外部时钟脉 7 分布式多机系统中在a m r 中的研究和应用 冲进入计数器计数。 当接受端对输入数据采样连续采到8 个0 时，接受端认为输入是一个 新字符的开始，而不是干扰信号。这时使计数器再次清零。 此后，每当计数器计到1 6 时，对输入信号的采样只作为输入数位的值。 同时计数器清零，重复计数、采样，直到最后的停止位被采样为止。 如果停止位是正确的，字符接受完毕并被送入缓冲器，然后从头开始接 受新的字符。图11 5 ( c ) 描述上述操作过程。 异步传送的最大缺点是有刖加比特( 用于提供起始位和停止位) ，它可以很 长，一般来说，这使得它只能用于低速传送( 11 0 b p s 到1 92 k b p s ) ，这时的起始、 附加比特最少。 ( a ) 异步通信字符格式 阳! ! ! 。! 阳。厂 厂 ( b ) 一个格式的示例圈 厂_ d i _ _ _ ( c ) 异步通信接受过程的时序表 圈1 1 5 异步通信字符格式 ( 2 ) 同步通信 在同步通信时，发送方和接受方的时钟脉冲必须同步。为此可以采用两种 方法：一是接受方和发送方采用统一时钟脉冲，如图1 1 4 ( b ) 所示；二是在接 受方设一时钟同步器，从接受的数据流中锁定接受数据的频率作为接受方的频 率，如图1 1 4 ( c ) 所示。 在异步通信中，每个字符在传输中有2 - 3 位是辅助性的，效率只有8 0 。 在进行大量的数据传输时，为了提高效率和速度，常采用同步通信。同步通信 r 南京航空航天大学硕士学位论文 中，比特同步是在大量数据传输开始时建立的，并在整个数据传输过程中一直 维持，这样就可以节省异步传输中所必需的起始和停止位，因此提高了数据传 输的效率和速率。它的字符格式如图1l6 所示。 | 墨| 116 i 司步通信的字符格式 同步通信的特点是： 以一个由用户选定的特殊8 位二进制字符作为传输开始信号，这个字符 称为同步字符。例如，可以选0 1 1 0 1 0 0 1 作为同步字符“s y n ”。 字符的每一位占用的时间相等。 字符之间不允许有空隙。没有字符发送时，应发送同步字符。 2 1 5噪声和错误检测方式 在接受端，无论信号在有线信道上传送还是在无线信道上传送，都有噪声 伴随。当接受的信号被接受机各级处理( 滤波、放大、解调等) 时，每一级也 都在信号上叠加上附加的噪声。噪声会讹误有用信号，并使正确确定数据原值 变得更加困难。 c l a u d es h a n n o n 在二十世纪四十年代初奠定了通信的数学理论基础，称为 信息理论。s h a n n o n 的信道容量定理指出：当信息速率小于或等于速率( 称为 信道容量) 时，相当完善的编码技术可以以任意小的错误概率传送信息。我们 仍然面临着这样一个任务，即找到一种编码，使它既能满足差错要求，而执行 起来又不太复杂。 目前用于纠错和检错的码的基本设计思想是：在输入的数据流中加入多余 的比特。检错码的例子有奇偶校验码。检错码正如它的名字一样，只能检查出 信息中的一个或多个错误，但不能指出错误的比特位置。纠错码的例子有汉明 码、b o s e c h a n d h u r i - h o e q u e n g h e m ( b c h 码) 、r e e d - s o l o m o n 码以及卷积码。 1 奇偶校验码 在奇偶校验码中，一个附加位即奇偶校验位，被加入到被编码字符的二进 制数据流来构成一个复杂的字符。奇偶校验位的选择是这样的：使整个字符中 二进制i 的个数是偶数( 称为偶校验) 或使整个字符中二进制1 的个数是奇数 分布式多机系统中在a m r 中的研究和应用 ( 称为奇校验) 。 例如：假设字符a 用a s c i 【码表示为1 0 0 0 0 0 1 。采用偶校验，第八比特位 应该是0 ，这样，全部1 的数目是偶数。所以a s c i i 码字符a 应该是1 0 0 0 0 0 1 。 如果某一位出错了，比如说第二位从0 变成了1 ，那么l 的数目就会变成3 ( 即 1 的数目为奇数) ，于是接受方就会在比特流中检出错误。另一方面，如果有两 位出错，比如说第二位和第三位出错( 即收到的码是0 1 0 0 0 1 1 1 ) 。这种情况下， l 的总数是4 ( 偶数) ，因此接受方将不能检出错误，所以必须采用另外的纠错 方法一块奇偶校验。 2 块奇偶校验 奇偶校验主要用于异步传送，而块校验码和循环码则用于同步传送。在块 奇偶校验码中，一群字符被作为一个块传送，字符之间没有时间间隔( 同步传 送) 。奇偶校验位根据每一个单个字符以及块中所有字符构成。因此一个附加的 字符( 称为块校验字符( b c d ) 或纵向冗余校验( l r c ) 字符) ，就跟在块的后 面。下面举例来说明如何对一个有三个字符( 字符a ，b ，c ) 的数据块使用块 奇偶校验。b c c 码的校验比特位是由b c c 码自身的比特位确定的，而不是由所 传送字符的奇偶校验位确定。一般块的大小大约为2 5 6 个字符。 例子 b c c 的计算( 偶校验) 区三三，一传勘向 b c c 跟在信息的最后。 奇偶校验位 a b c b c c 1 0 00 0 0 1 1 0 00 0 1 0 1 0 00 0 1 1 1 0 00 0 0 0 b c ccba 匝匦二至堕 至耍互耍堕 卜在附加了检查位之后传送的数据序列流 在如果字符a 中有两位出错，比如说第二位和第三位出错，字符a 的奇偶 校验不能检出这个错误( 因为偶数个比特为出错) ，但是b c c 能检测出这错误。 其过程如下： a b c b b c 0 l00 o i0 0 1 10 0 7 r 、慧 00 1l 000 0 检出错误 1 0 南京航空航天大学硕士学旺论文 块奇偶校验有时也称为垂直冗余码校验纵向冗余码校验( v r c l r c ) 。 然而还有一些错误用块奇偶校验也无法检出。例如，假设和前面一样，字 符a 第二位和第三位出错，同时字符b 的第二位和第三位也出错。这种情况下， 每一个字符校验以及块的奇偶校验字符将无法检出错误。因而出现了循环冗余 校验码来解决这种问题。 a b c b b c 3 循环冗余校验码( c r c ) o loo oloo l1oo ? r 弑： o 再l oo o o oo 无法检出错误 循环冗余码校验英文名称为c y c l i c a lr e d u n d a n c yc h e c k ，简称c r c 。它是 利用除法及余数的原理来做错误侦测( e r r o rd e t e c t i n g ) 的。实际应用时，发送 装置计算出c r c 值并随数据一同发送给接收装置，接收装置对收到的数据重新 计算c r c 并与收到的c r c 相比较，若两个c r c 值不同，则说明数据通信出现 错误。 根据应用环境与习惯的不同，c r c 又可分为以下几种标准：c r c 1 2 码、 c r c 一1 6 码、c r c c c i t t 码、c r c 3 2 码。 c r c 一1 2 码通常用来传送6 - b i t 字符串。c r c 1 6 及c r c c c i t t 码则用是来 传送8 - b i t 字符，其中c r c 1 6 为美国采用，而c r c c c i t t 为欧洲国家所采用。 c r c 3 2 码大都被采用在一种称为p o i n t t o p o i n t 的同步传输中。下面以最常用的 c r c 1 6 为例来说明其生成过程。 c r c 1 6 码由两个字节构成，在开始时c r c 寄存器的每一位都预置为1 ，然 后把c r c 寄存器与8 b i t 的数据进行异或，之后对c r c 寄存器从高到低进行移 位，在最高位( m s b ) 的位置补零，而最低位( l s b ，移位后已经被移出c r c 寄存器) 如果为1 ，则把寄存器与预定义的多项式码进行异或，否则如果l s b 为零，则无需进行异或。重复上述的由高至低的移位8 次，第一个8 b h 数据处 理完毕，用此时c r c 寄存器的值与下一个8 - b t 数据异或并进行如前一个数据 似的8 次移位。所有的字符处理完成后c r c 寄存器内的值即为最终的c r c 值。 下面为c r c 的计算过程： 2 设置c r c 寄存器，并给其赋值f f f f ( h e x ) 。 3 将数据的第一个8 i b h 字符与1 6 位c r c 寄存器的低8 位进行异或， 并把结果存入c r c 寄存器。 4 c r c 寄存器向右移一位，最高位补零，移出并检查最低位。 分如式g 0 t 系统中在a m rr 一的研究和应用 5 如果最低位为0 ，重复第三步：若最低位为l ，c r c 寄存器与多项式 码相异或。 6 重复第3 与第4 步直到8 次移位全部完成。此时一个8 - b i t 数据处理 完毕。 7 重复第2 至第5 步直到所有数据全部处理完成。 8 最终c r c 寄存器的内容即为c r c 值。 2 2 分布式多处理机系统 2 2 1 分布式多处理机系统的定义和分类 从广义角度来看，所谓分布式多处理机系统就是将计算机的功能分散，或 者说“智能”分散，即把计算任务和智能由主机分散到构成分布式处理系统的 各个子系统和外部设备中，实现系统和资源的动态管理和分配。如果从狭义上 理解，分布式处理系统可以认为是总系统的逻辑功能、处理功能、存储功能、 通信功能和输入输出功能等的分布，即将总任务分配给许多处理机或计算机去 做，不存在中央处理环节。也就是说，系统中各处理机或计算机彼此之间在地 位上是平等的，无主次之分，既没有控制整个系统的主机，也没有受控于它机 的从机，各自自治地进行工作，这种系统可以认为是纯分布式系统或狭义分布 式系统。从这个意义上讲，主从控制的计算机系统或分级控制计算机系统都不 是纯分布式系统。此外，分布式系统还可以以一种混合的方出现：在处理上是 分布的，而在存储上采用集中式方式。我们应该从本质上去理解分布式系统：“分 布式”是相对“集中”而言的，“分布”和“集中”只能是针对系统功能而言， 所以应该从计算机“功能分布”的角度来探讨分布式处理系统的概念或定义。 从这一概念或定义出发，要实现分布式处理系统就必须要有多个计算机或处理 机，这在某种意义上也反映了多机系统的含义，多个计算机或处理机之间必须 通过某种分布式结构( 即互联网络、通信网络或计算机总线) 加以互连，从而 实现其功能分布化。 根据各处理机在分布式系统中的地位，可以把分布式管理与控制系统分为： b ) 垂直式( 即分级式) ：其拓扑结构为典型的树状结构。 曲水平式( 即平等式) ：其拓扑结构可以是共享总线式结构、环形 结构或其他互连方式。 d ) 混合式：这是把垂直式与水平式结合起来的一种结构。 南京航空航天大学硕士学位论文 2 2 2 分布式多处理机系统的主要优点 ( 1 )资源共享，包括程序和数据的共享。许多昂贵设备可供各子系统共享， 不但用一个程序可以访问多个不同的处理机，而且一个处理机及其所属 的局部存储器可以被多个不同的程序所访问，实现全系统的数据共享。 ( 2 )可靠性高，即系统对故障的免疫力强。对于集中式系统，当一个部件 发生故障时，系统往往不能正常工作，所以集中式系统的可靠性要差一 些。而在分布式多处理机系统中，一个c p u 出故障，不一定会导致整 个系统的崩溃，失效c p u 所承担的任务可以用其它c p u 所接替，于是 这个系统作为一个整体，还能继续正常地工作，只是要损失些吞吐量而 己。 ( 3 )分布式处理效率高，有很高的性能价格比，即以较低的价格达到较高 的性能，尤其是微处理机价格低廉。因此用多微型计算机构成分布式处 理系统在经济上较使用高性能的单机系统具有很大的吸引力。分布式系 统可以并行地处理用户的各种要求，使得这些要求在用户满意的时间内 处理完毕；而单计算机所组成的分时系统在用户用机频繁的“高峰”时 间，往往不能及时处理所有用户的要求，因此，分时不是使用计算机的 最佳方法。 ( 4 )维护方便。维护由微型机或小型机所组成的分布式系统要比维护一台 中型机或大型机计算机方便的多。 ( 5 )扩充容易。分布式系统原则上可以由任意多台计算机组成。一个分布 式系统设计完成后，要追加若干台计算机是很容易的，既不需要修改软 件，也不要另行设计硬件。 2 2 3 分布式多处理机系统的结构 1 分级式分布式结构 分级分布式系统的拓扑结构成树状结构。在这种结构中，各处理机之间存 在着明显的层次关系。一般来说，系统中处理机的能力向着根节点的方向增加。 这经常是由于实际的而不是理论上的理由，它类似于团体的组织结构，基层的 能力( 下级处理机) 是与具体应用有关，具有专用能力，专门执行事先定义好 的、专门化的任务，而高层处理机则根据下级处理机所提供信息，执行综合处 理功能；最高层处理机( 树根) 具有较通用的能力，控制和协调整个系统。图 1 2l 是典型的三级分布系统 分抓式多机系统中征a m r 中的研究和应用 圈12 1 分级分布式结构 信息垂直地在各层之间传递，这些信息包括程序、数据、命令或他们的组合。 分级分布式计算机系统的优点是结构简单，缺点是计算机之间的信息传递 必须经过高层处理机转发；通信线路数目较多，不够经济；最高层处理机的故 障会对系统产生严重的影响。通常，在处理机数目较少以及层次不多时( 最多 三级) ，采用这种结构。 2 共享总线式结构 共享总线式结构是分布式系统的一种最简单最赢接的结构形式。公共总线 就是连接若干台计算机的一条公共通信线路。把处理设备( 处理机或外围设备) 通过接口各总线连接起来，便形成所谓共享总线系统结构。如图1 22 图12 2 共事总线式结构 连接在总线上的任意两台处理机均可通过总线直接通信。但是，对总线的 使用在时间上是错开的，即分时使用总线。 当若干处理器同时向总线控制器发出申请使用公共总线请求信号时，总线 控制器可根据其优先级别的大小或物理顺序响应优先级离的处理器的请求，发 出准许该处理器使用和占有公共总线的信号。当优先级较低的处理器正在使用 公共总线时，有一优先级较高的处理器请求时，此时总线控制器就暂时中止优 先级低的处理器占用公共总线的使用权，让优先级高的处理器享有公共总线使 用权。 1 4 南京航空航天大学硕士学位沦文 控制器可以置于连接在总线的一个设备中，也可以是独立的硬件设备装置。 采用分布控制方式时，总线没有集中的控制器，总线的控制逻辑大都分散于连 接在总线上的各设备之中，这是目前最广泛采用的方法。 总线结构的主要优点在于它的结构简单、处理设备的挂接或摘除比较方便， 系统的初始建立成本以及修改费用也比较低。某个处理设备发生故障不会对整 个系统造成严重威胁。缺点在于：若总线出现故障，将会造成整个系统瘫痪。 3 环式结构 环式结构是应用的较多的一种分布式系统结构。如图l2 3 环形数据通道的传输方向可以是单向的，也可以是双向的。某个处理设备 为了传递信息至其他设备，将信息通过环形接口放到环形通信线路上，然后依 次通过相邻结点设备送至指定的处理设备中。 在环式结构的系统中，各台处理机通过通信接口连成一个或多个环，所以 环式结构可以分为单环和多环两类。 图l23 环式结构 环式结构的优点是结构简单，控制逻辑简单，挂接或摘除设备比较容易。 其主要缺点是脆弱性和缺乏单点故障的容错能力。一旦传送出错就将影响环结 构的正常功能。 4 全互连及部分互连结构 如果系统中任何一个结点到其它结点都有线路相连，也就是说系统中任意 1 5 分布式多机系统。fa m p - c p 的研究和应用 两结点问均有直接通道，这种结构成为全互连结构，也称为点到点结构。这种 系统的复杂性随着连到系统中的处理机数目的增加而迅速增加。对于由n 各处 理机组成的全互连系统来说，需要n ( n 1 ) 2 条通信线路，每个处理机需要( n 一1 ) 个接口。一条链路的故障对系统的影响很小，所以系统的可靠性很高。但是， 当处理机之间的距离较远时，这种系统的造价相当昂贵。 为了避免全互连系统的造价过高的缺点，有兼顾其可靠性高的优点，可以 采用不互连系统结构。显然，环形结构是部分互连系统的一种特殊形式。 5 星形结构 星形结构的中心是一个中央转接器，用独立的线与所有其它处理设备连接 如图12 4 所示。 图12 4 星彤结构 星形结构的优点是结构简单，模块性比较好，缺点是中央转接器成为系统 的严重瓶颈，中央转接器一坏，整个系统就无法工作。所以，它的容错性能差， 中央转接器是可靠性的薄弱环节。 考虑到智能化小区中用户的不确定性、构建和修改费用，本文中的自动抄 表系统的采集器与集中器之间的连接方式采用共享总线式结构，即通过下位机 呼叫上位机，分时享用总线。 2 2 4 分布式多机系统的通信问题 在分布系统中，一方面，安装在现场的数据采集终端必须要将采集到的各 种在线数据准确、可靠、迅速她送到控制中心或调度管理中心；另一方面，控 制中心或调度管理中心的控制命令和调度命令必须准确无误地下发到各现地控 制单元。而完成这两方面的功能的关键在于其数据通信在这种场合下的数据 通信问题与一般的通信相比，有她自身的特点： ( 1 )可靠性高 ( 2 )侄数据传输过程中还涉及到“个优先级的问题，重要的采集f l i ( 如事故信息) 必须优先发送。 ( 3 )出于分布式系统中的检测设备、监控设备、监视设备都分布在不 同的地方，并且检测设备又较分敞，致使其通信点数较多、通信方式复杂， 它涉及到局域网中的点对点或点对多点通信以及计算机之间的串行通信 等。 一般晓来检测设备和监控设备相距较近，可直接通过r s 2 3 2 接口或r s 4 2 2 接口进行数据通信；而监视设备与监测监控设备相距较远，如果相距几十米或 几百米时，可以铺设专用的通信信道，采用异步m o d e m 专线传输方式进行数据 通信，这样实现起来比较容易，通信的可靠性较高：如果在几千米甚至上万米 以上，只得借助于公用电话网( p s t n ：p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ) 采 用异步m o d e m 拨号方式或其他的远程通信方式来进行数据通信。 本系统中采集器与集中器( 0 层到1 层之间) 的通信方式采用r s 一4 8 5 总线 连接，而集中器与工作站之间( 1 层到2 层之间) 采用基于p s 丁n 的异步m o d e m 方式。 2 3 分布式远程通信的应用 由于硬件( 特剐是微机) 性能不断提高而价格不断下降，再加上通信手段 日趋完善，目前分布式系统已广泛应用于管理，办公自动化等方面。 7 0 年代中期，计算机控制系统发生了突破性的进展。其标志就是以微处理 机为核心的集散系统的研制成功并迅速发展。集散系统是一种既分散又集中的 多级分布式计算机控制系统，是一种工程化了的多级分布式计算机控制系统。 在生产现场用若干台微机来控制，在分散控制的基础上，把大量的信息通 过数据通信电缆送到操作站。操作站将送来的信息进行显示和记录，同时与上 级管理机建立通信，从而，可以对生产过程实行集中控制和管理。可以用它进 行直接数字控制、数据采集与处理、管理与决策等。 本文主要探讨了远程通信自动抄表系统中的应用。 2 3 1一种新的远程微机集中抄表系统 分布式远程通信的一种应用远程微机集中抄表系统。 随着人民生活水平的不断提高，现代人对居住环境的质量要求越来越高， 传统的入户抄表方式已对居民的家庭生活造成干扰，甚至安全受到影响。本文 介绍一种是用于集中住宅区的集中抄表系统( 主要硬件构成) ，可自动的对用户 的当月用量进行显示抄表、统计、收费。使用电营业管理走向规范化和科学化。 1 7 分布式多机系统中在a m r 中的研究和应用 自动抄表( a m p , ) 的是实现是迈向配电自动化的第一步。由于其诱人的应 用市场，许多公司尽管认识到a m p 系统昂贵的开发费用，也纷纷把目光瞄准了 这一新技术，a m r 系统不仅可以增强遥控功能，及时发现各种窃电行为，还可 以提供增值服务，如故障报警，温度、水位报警等。 2 3 2 集中抄表系统的组成原理 参考原有系统的优点，笔者提出了新的集中抄表系统的一种设计，此系统 采用较多方式的数据传输，避免了传输单一的缺点。 工作站通过电话网对用户水表进行用水信息采集和水表参数设置，中继器 负责在管理系统和水表之间传递消息，它通过调制解调器和电话网或通过g s m 方式、红外方式与主控机通信，并且通过r s 4 8 5 总线与居民水表通信。采集终 端采用单片机为主芯片，从可靠性和稳定性的要求出发，对多达十几户居民水 表的用水量进行采集并进行处理，实现单元集抄功能。 1 8 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章自动抄表系统的系统构成 3 1体系结构 带断线和短路故障检测的多功能新型水量抄表系统如图21 l 。 图2 l1 系统的体系结构 系统主要由数据采集器、楼栋集中抄表器、小区数据集中器、远程控制终 端及相应通信接口等组成。数据采集器完成对水量计量的数据采集及短路、断 线检测；楼栋集中抄表器获取数据采集器的数据并可利用i c 卡或手持红外抄表 器进行抄表，也可向小区传送数据；小区集中器完成对各楼栋集中器的数据集 中，以便根据远程控制终端的要求传送小区所有用户的用水量等信息；远程控 制终端负责向各小区集中器发送传送数据的命令，接收所有用户的用电情况并 进行数据处理和分析；相关通信接口负责上位机和下位机的通信信号格式转换 和电平匹配，完成数据传输任务，其中个楼栋中数据采集器与楼栋集中抄表 器之间以及楼栋与小区集中器之间均采用差分传输的r s 一4 8 5 接口，用双绞线连 接，而小区与远程控制终端之间由于距离长，采用m o d e m ，通过电话线路，借 助于公用电话网完成信息传递任务。抄表方式可根据不同情况来配置，如i c 卡 抄表、手持抄表器抄表、通过公用电话网自动抄表等。数据采集器采集水量数 据，同时能判断并记录断线和短路情况，将这些信息上传到楼栋集中抄表器。 如果经济条件不允许，可仅选用i c 卡抄表方式，只带一张i c 卡插入抄表卡座， 按一下抄表按钮即可将一栋楼的所有用户水量抄录完毕，然后将i c 卡带回公司， 通过i c 卡读写器将数据读入计算机，经计算机分析处理后，打印出收费单据。 如果有一定经济实力，也可配备手持器抄表，更可选择远程自动抄表方式。楼 分布式多机系统中在a m r 中的研究和应用 栋抄表器的数据上传到小区集中器，然后由远程控制终端通过公用电话网向各 小区发送抄表命令，各小区逐一进行数据传输，达到自动抄表目的。 由图211 可以看出，整个系统的体系结构是一个典型的集散控制系统；从 网络角度看，它具有树型网络结构。它可划分成三级，一级是远程控制终端( 工 作站) ，二级是小区集中器( 中继器) ( 含远端的数据转接器) ，三级是采集器。 一级和二级之间的数据传输可利用各种类型的通信网络，既可利用现有的布线 系统，如市话网、有线电视网或电力线等；也可利用各种网络资源，如小区综 合布线系统( p d s ) 或光纤同轴混合网( h f c ) ；以及无线方式( 红外、g s m ) ； 或i c 智能卡；二级和三级之间传输可通过、基于电力线载波的通信方式、平衡 传输的通信方式和无线方式等形式获取水表示数或水表的脉冲信号量。 各部分的主要功能为： 1 远程计算机终端( 管理终端) 主要管理整个系统的运行，收集远程水表的数据并建立相应的数据库；同 时也可通过广域网与电力公司、自来水公司、煤气公司以及银行计算中心联网， 实现表计的数据交换和费用的收取。 ( 1 ) 于w i n d o w s 的应用程序设计，界面友好，操作方便； ( 2 ) 可选择自动抄收或手动立即抄收； ( 3 )可查看和校对水表和集中器时钟： ( 4 ) 可设置水表的各种初始化参数( 水量底数，水表密码等) ，以及计费时 段； ( 5 ) 可随时查询用户本月、上月、总水量数据，并可生成收费表； ( 6 ) 采用双重校验手段，确保通信数据准确、可靠，具有全程通信跟踪和 记录功能，随时了解通信状况和查看通信结果。 2 集中器 集中器是单片机应用系统，采用单片机g m s 9 7 c 5 2 为主芯片，具有多个通 信端口，能非易失性存储各种数据。并且具有万年历实时时钟，及时响应工作 站的各种通信命令，抄录水表的用水信息，回送工作站。该集中器可独立进行 抄表显示，又可通过m o d e m 向工作站传送抄表信息，并接收控制命令。 3 楼栋集中抄表器 楼栋集中抄表器是对一栋楼中所有用户进行集中收集数据的抄表器，安装 在一楼某单元走道。 4 数据采集模块 采用单片机系统和电磁传感器，及时把表的转动变换成脉冲信号，然后通 过r s 4 8 5 通信接口送到中继器的c p u 进行数据处理分析。 南京航空航天大学硕士学位论文 3 2 抄表系统中的通信方式及其选择 远程自动抄表系统的核心是利用计算机网络与通信技术，通过双绞线、电 话线、电力线载波、无线通信或红外线、g s m 等通信方式，自动