（电力电子与电力传动专业论文）μclinux下基于fpga的嵌入式internet的开发与研究.pdf

西托工她大学硕士学位谂文a b s t r a c t a b s t r a c t w i 馕t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h el n t e r n e t ，m o r ea n dm o r ee q u i p m e n t s a l en e e d e d 辆c o n n e c t 痢德t h en e t w o r kf o ra c h i e v i n gl o n g - d i s t a n c ec o n t r o la n d s h a r i n gr e s o u r c e s t h i sd i s s e r t a t i o nu s ef p g aa n d # c l i n u xt oa c m e v ee m b e d d e d n e t w o r ks y s t e m s t h ef p g aa n dt h es p o ct e c k n i q u e sr e p r e s e n tt h ed e v e l o p m e n to f m o d e r ns e m i c o n d u c t o r z c l i n u xi sag o o de m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m 。t h e 澈r o n g n e t w o r kf u n c t i o n , f l e x i b l yc u t t i n go f ff u n c t i o n s ，c o n f i g u r i n gf u n c t i o na n d 瓣 r o b u s b i l i t ym a k e 比c l i n u xb e i n gu s e dm o r ea n dm o r e i ne m b e d d e ds y s t e m s t h o u 曲a n a l y s i so ft h en e e d s o fr e m o t ec o n t r o la n dm e a s u r i n gs y s t e mb a s e d o nt h ei n t e r n e ta n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f 隧c l i n u x ，t h ew a y s 论m a k eae m b e d d e d i n t e r n e ts y s t e mb a s e do nf p g ai sp r e s e n t e d r e m o t ea o c i e 薹蹒l 螭躲b r o w s e r s e r v e r m o d e 。t h er e m o t ec o n t r o la n d m e a s u r i n go b j e c t si n c l u d eab l d c ma n da d i s t r i b u t e d m e a s m 。m gs y s t e m 。f o rt h ep r o b l e m s 斌t i m ed e l a y , d a t ap a c k a g el o s sa n ds 镁u e n c e c o n f u s i o n , ar e m o t ec o n t r o lm e t h o db a s e do np r e d i c t i v ec o n t r o li sp r e s e n t e d 。 i ns o f t w a r ep a r t , u s i n gf p g aa n dl a n 9 l c l l lt om a k ean e t w o r ki n t e r f a c ei s i n t r o d u c e di nd e t a i l s , t h em e t h o do fp w m i m p l e m e n t a t i o no i lf p g a , p o r t i n g z c l i n 獗 t on i o si is o f l c o r ep r o c e s s e r , t h ed e b u g g i n ga n dm a k a n gd r i v e r sa n da p p l i c a t i o n p r o g r a m s a r ep r e s e n t e d 。t h eh a r d w a r eo fe m b e d d e dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n e q u i p m e n tj j sa l s od i s c u s s e di n t h i sd i s s e r t a t i o n , i n c l u d i n gf p g as y s t e mb o a r d ，t h e i n t e r f a c ec i r c u i t so fn e t w o r kc h i pl a n 9 1 c 1 1 1 ，t h eh a “d w a r ed e s i g no fb l d c m 赫痞 t h ed i s t r i b u t e dm e a s u r i n gs y s t e m 。轴ar e m o t ec o n t r o la n dm e a s u r e m e n ts y s t e m 趣 m a d e t h ea d v a n t a g e so fu s i n gf p g aa n d # c l i n 蜮t oe m b e d d e dn e t w o r ke q u i p m e n t s a l et h a ti tc a l ls h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tp e r i o d , i m p r o v es y s t e mi n t e g r a t i o na n d f l e x i b l yc o n f i g u r a t i o n 。t h ed i s a d v a n t a g e sa r et h a tt h es y s t e mn e e dt ob em o r e i n t e g r a t e da n dt h er e a lt i m eo p e r a t i o np e r f o r m a n c ei sn o ts o 笋耐，n ei m p r o v e m e n t o fc h a n g i n gt h e 淫c l i n u xc o r et ot h er e a l - t i m ec o r ei sn e e d e d 。 k e yw b 馗豁r e m o t ec o n t 捌，弘c l i n u x ，爹擎g a , i n t e r n e t 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校玫读学位期闻论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向因家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子舨。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本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和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名 年月日 指导教灏签名： 年月日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 入在导师於指导下进行研究工作所取得蛉成果。尽我所知，除文中已经注明弓| 用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 栗，不包含本入或其他已申请学位或其他蠲途使用过的戒果。对本文的研究做出熏要贡 献的个人和集体，均融在文中以明确方式表明。 本人学位论文与瓷料若有不实，愿意承担切相关的法律责任。 学位论文作者签名；霆捌 、 1 年月目 、 秀就了避大学硕士学缝论交 第一章绪论 第一章绪论 本课题来源于西冀匕工业大学研究生创新实验中心项鼹蒯基于，u c l i n u x 的嵌 入式w e b 服务器魏研制嚣，著在就鏊础上予以改进，翔上了远程测量鞫控制瓣 内容。 1 1 系统的总体设计 系统的总体设计如图1 1 所示，由本地嵌入式w e b 服务器，无位置传感器 无剥煎流鬯觌控制器，努毒式溅爨系统和远程测蕤器掬或一个宪整的远程测量撞 耩系统。远程诱润栗嗣b s 浏览器，藤务器) 模式，所隧远程客户端不需要特别 编程去实现，只需冀用浏览器通过i n t e m e t 去访问嵌入式w e b 服务器。 图i 1 系统总体设计樾圈 本地的嵌入式w e b 服务器憝以鲇t e r a 公蠲的砖g a 芯片为核心的电路援， 包括彳豢麓器部分耱连揍l - l t e r n e t 麴网络接搿蕊烤l a 1 9 1 c l l l 麴电路，霸下使 机交置的接口如r s 4 8 5 及控制接朗。 无位置传感器秃刷直流电机( b l d c m ) 是远程控制的对象。以f p g a 为核 心控制棼片，筹围嗽黯包括隔离墩黪、i r 2 1 3 0 魄路、全挢鞭秘电路、爱惫动势 检测电路、电流反馈酾速度疫凄电路。从而构成一个无位置终感器无磁誊瀛电枫 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 控制器子系统。这部分和嵌入式w e b 服务器共用一片f p g a 芯片。 分布式测量系统以f p g a 为上位机，以两个m s p 4 3 0 f 1 3 5 单片机为下位机， 通过r s 4 8 5 总线进行通信。每个m s p 4 3 0 f 1 3 5 单片机可以测量8 路模拟信号。 由于远程控制比较复杂，所以对远程控制方法在文中给与讨论。并提出采 用以下方案：控制方法采用预测控制；控制的原则是在保证本地机有自适应能力 和各种保护能力的基础上，进行远程控制。远程控制频率不能高于网络传输平均 往返一次的频率。 1 2 z c l i n u x 和f p g a 在嵌入式i n t e r n e t 中应用的发展及现状 m c l i n u x 是一种广泛应用于嵌入式设备中的操作系统，是针对微控制领域而 设计的操作系统。它的特点是稳定性、强大的网络功能和出色的文件系统支持等。 h c l i n u x 包含l i n u x 常用的a p i ，小于5 1 2 k 的内核和相关的工具。# c l i n u x 有一 个完整的t c p i p 协议栈，同时对其他许多的网络协议都提供支持。这些网络协 议都在u c l i n u x 上得到了很好的实现。岸c l i n u x 可以称作是一个针对嵌入式系统 的优秀的网络操作系统。 与m c u 构成的系统相比，由f p g a 设计的系统能够综合并全盘考虑整个系 统的各种情况，将处理器、存储器、i o 口及用户自定义逻辑集成到一个芯片上， 因而可以在相同的工艺技术条件下，实现更高性能的系统指标。即所谓的s o c ( s y s t e mo nc h i p ：片上系统) 技术。s o c 技术的出现，大大促进了软硬件协同设 计及计算机系统设计自动化的发展。它具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、 可升级，并具备软硬件在系统可编程功能。以下分别就嵌入式i n t e m e t 的概念和 特点及z c l i n u x 和f p g a 在嵌入式i n t e r n e t 中应用的发展及现状作以介绍。 1 2 1 嵌入式i n t e r n e t 的概念和特点0 1 i n t e r a c t 技术从最初的文件传输、电子邮件收发到信息搜寻、软件下载、多媒 体、娱乐以及电子商务，现在已经非常普及了，i n t e m e t 的发展和普及改变了人 们的生活、工作和思维方式，并且从最初的辅助性工具开始逐渐成为很多人日常 生活、工作和学习的重要组成部分。基于i n t e m e t 的远程控制技术也迅速发展并 取得了大量的成果，包括远程手术、家电控制以及操作机器人等。1 9 9 8 年6 月， p u m ap a i n t 联入i n t e m e t ，任何连入网络的计算机用户都可以通过网络控制一台 p u m a 7 6 0 机器人在画架上作画【7 j 。 嵌入式i n t e m e t 是指把t c p i p 协议作为一种嵌入式应用，从而实现接入 2 蘸霉瑟工救大学硕士学馥瓷文 蔫一章绻论 i n t e m e t 的功能。也可以简单理解为是一种采用嵌入式模块而非p c 系统直接接入 i n t e r a c t 翡技术。嵌入戏i n t e r n e t 的主要特点意；觚磨藤来看，窀主要为嵌入藏系 统提供鹣t e m e t 接入功蠡筵。麟形式上看可以采用两种方式。一燕作力嵌入式代羁 在原有嵌入式系统的处理器中实现，二是采用单独的处理器来实现，并作为一个 功能模块为原系统使用。嵌入式i n t e r n e t 的实现技术上的难点是嵌入式鼹络设备 的缝溪麓为和存储空润剃翁。麸运行环境来嚣，健魔该具有鬻蕊麴稳定性蘩求。 它的应用对象可能是酱通的家用电器，也可能是重要的工业仪表或仪器，这些仪 器仪表遇常要求比普通的计算机具霄更高的稳定性。从实现成本上来看，有严格 的成本控制。 本文将一个无利巍流电概控制嚣和一个分布戒测量系统接入i n t e r a c t ，并程系 统中移槭了比o i n a x 操作系统，通过i n t e m e t 实现远程的控制和测量，对堪c i i n u x 下基予f p g a 的嵌入戴i n t e m e t 的帮发傲了多蠢薅的研究移探讨。 | i 。2 2 墟c l i n u x 在嵌入式i n t e m e t 中的应用 隧c l l n u x 这个英文荤词孛熬搿表示m i c r o ，枣麓意愚，e 表示c o n t r o l ，控制 的意思，所以心逾馘就是m i c o - c o n t r o l - l i n u x ，字面主豹理解就是群针对微控 制领域衡设计的i a n u x 系统一。 露e 瀚n u x 最大懿特挺就是没有内存管理单元模块( 鹾m u ：m e m o wm a n a g e m e n t u n i t ) 。窀报适合那些没有m m u 韵处理器。赞瓣心l i n e x 内棱的二避制代码和源 码都经过了重新编写，以紧缩和裁剪基本的代码。这就使得斌c i i n u x 的内核厕标 准的l a n u x 内核相比葛艮常之小，但它仍保持了l i n u x 操作系统的主要优点，如稳 定性、强大筋网络功裁帮鲞色赡文律系缝支持等o z c l i n u x 雹禽l i n u x 常用麴a p i 、 小于5 1 2 k 的内核和榈荚的工其。操作系统所有韵代码加起来9 0 0 k b 。 z c l i n u x 有一个完按的t c p 拼协议栈，同时对其他许多的网络协议都掇供支 持。这些阚络协议都程p c l i n u x 上褥刘了很好黪窭蕊。p c ! i n u x 可以称作是一令 针黠嵌入藏系统的截骞弼络操棒系缝。p c l i n u x 所支持的文粹蒸统有多静，蒹孛 包括了最常用的网络文件系统( n f s ；n e t w o r kf i l e ss 撺e m ) 、e x t 2 、r o m f s 、m s m d o s 及f a t 熏醺搀2 等l 钏。 褒隧c l i n u x 下进霸鼗a 式i n t e r a c t 嚣发最主簧麴技术就爱b o a 般务蒸耩c o l 技术。远程访问的方法主要是客户端傩务器( e 辐；c l i e n t s e r v e r ) 模式和测赞器 朋匣务器( b s ：b r o w s e r s e r v e r ) 模式。文献【4 4 1 在内核是a r m 7 的单片机l p c 2 2 9 2 芯片上移攘了z c l i n u x ，把基于3 2 馕徽处理器的鼷络搜器连成专溺测燕网络，壹 接单攘潮嗣关连接歉t e m e t ，成功地实现了远程测量。在测试时，在校园潮内谴 用户访问测控专用内部节点，成功的进行了测控。文献【8 】在内核是a r m t t d m i 嘉 瑟要塞下照丈学疆七学登谂交第一章缝沦 的3 2 位a r m 处理器s 3 c 4 5 1 0 b 上移植了l f c l i n u x ，并设计了b s 模式的嵌入式 远程援裁系统，并采翔丁b o a 服务器和c g i 技零进行了嵌入藏鼹络照务器酶开 发帮蜜现远程控制萌麓。文献【辨措建了基予魏t e m e t 的b l d c m 控制系统警裔， 通过w e b 页面实现了远程对无刷感流电机进杼控制、管理和维护。文献【1 0 】介绍 如何在# d t e r a 的f p g a 上使用n 蠢瀚软棱c p u 来构建i n t e r n e t 蒸统，并结合以太 躁远携数据采集系统的蜜铡，弁缀此类鞍硬髂鹃竣诗方法。在辫浃鼷络酵惩方蔼， 国外的学者提出两种方法：种是时延依赖( d d ；d e l a yd e p e n d a n t ) 方法，在 该方法下，人们假设时延以某种规律变化，然后针对网络控制系统的建模、稳定 牲黻及瓣蓬的补罄期攘爨进行研究，氢括强溅控铡、鲁棒控制、滑模变结构攘制 和共事灏旗控制方法等1 5 2 1 1 5 3 1 5 4 1 。茄一类方法为时延无关的攘制方法( i o d ： i n d e p e n d e n to fd e l a y ) ，该方法并不对时延作任何假设，认为时延是随机、不可 预测的，这类方法的熟型代表有基于波理论的控制方法降】和基于事件的智糍控制 方法。波理论最早激n i e m e y e r 翻s l o t i n e 提出，基于该理谂麓控制方法谣黔枣闻 考虑网络中时延的大小，但是当时羝增大时控制系统性能会驻蓿下降。基于事件 的智能控制方法最早渤t a m 与n i n gx i 提出，该方法利用非时间参数取代时间参 数，丽谖参量与抟缝抟惑器靛测量绻累壹揍相关，就最早瘟鬻于枫嚣a 控铡系统 中，使褥系统可以实时在线修改控制圜标以适应环境的变纯。潮于采用了蔫籍时闯 量作为系统运行的参考，系统中襻往时延对系统的性能不会产生任何影响网。 ，2 。3f p g a 在嵌入式领域中的应用 文献 1 1 1 介绍向n i o s 软核移植睡c l i n u x 操作系统的过程。在嵌入式i n t e m e t 领域，变献【王0 l 公绍舞 簿在n i o s 较核c p u 上采橼建嵌入式i n t e r a c t 系统；并缝台 以太褥遴程数据采集系统的实捌，介绍此类系绕硬件、软释蚋设计方法。系统采 用s m s c 公司的l a n 9 1 c l l l 芯片作为网络接阴。文献【1 3 1 在a l t e r a 公司的f p g a 的软棱n i o s 上配置一个双网卡路惠选择的设计。文献1 1 4 1 绘燃了基于n i o s 憋 i p - c a t v c a t v - i p 系统阏关模型，介绥了在下巍广播发送卡辅接收卡中应麓嚣发 n i o s 协议栈和f p g a 的硬件逻辑实现以太网的糟数据和c a t v 有线电视网络 中的螨数据的协议转换，并给出了协议栈模型和硬件逻辑的时序关系。 在鬻频和视频鞭域，文献 1 5 1 膊n i o s 载菝设计了一个糕黔播放爨。文n 5 3 l 用s t r a t i xi ie p 2 s 糟g a 及n 洒s 差l 的软硬件协嗣设计的思想设计了一款视频编 码器，达到了很理想的效果。 程运动控制领域，文献【2 5 用v i r t e x 1 薹系别f p g a 赛现彳一个无刷壹流惫 规控制器。文献 1 2 1 介缓了一种新型赫基予n 1 0 s 较梭处理蒸麴童流无禳魄机控 制系统及设计方法。该系统采用肿g a 作为核心器件，极大减少了分离元件的使 4 瑟寰鏊王犍大学骚士学位谂文 繁一掌绪谂 用，充分利用n i o s 处理器集成度高、灵活性强、宴时控制的特点在片内实现窀 机控制逻辑，因此系统嶷霄极大的灵活性、扩展性和通用性，抗干扰能力强、且 系统本身结构紧凑，忍成功应用于机器人仿人灵巧手手指中。n i t r o 处理器是 a j t e r a 公霹推出的精篱指令集处理器软核，下载到f p g a 中就可黻方使的设计一 个暴翁特定功能的嵌入戴愁理器。现在叠被广淫磨溺于善释嵌入式设备孛。文 2 3 l 介缓了戳a l t e r a 公司c y c l o n e 系列f p g a 糕擎童c 2 0 及内含n i o s 谳入式软棱处理 器来研制交流伺服电机的运动控制芯片。 本文则把o i n u x 和f p g a 技术应用簧0 嵌入式i n t e m e t 的歼发当中，实现一 个逅程控制系统。 1 3 襻c l i n u x 和糟眺在嵌入式! n t e m e t 中应用的意义 嵌入式i n t e r a c t 解决了计算机以外的终端设备网络化问题，终端设备网络化 霹跌方便管理者进愆远耩监控。在工业控制领域进行嵌入式赫t e m e t 酶开发与研 究筵得传统的控裁蒸统摆脱了窒阊麓限渊，遴过瓣络窦觋7 黯设备的远程控制、 管理、维护及资源和技术的共享。它拓展了入们的作业范围，蒋稠于促进新一代 空闻机器人、海洋机器人，危险环境机器入的研制和开发。它有利于减少远程控 制的成本、扩大远程化距离、实现对任意节点的访问。 2 0 0 4 年5 兵a l t e r a 公霹推出n i o s 薹l 系剽_ 3 2 _ 位r s i c 嵌入式处理器。越| e 糕 的繁二装较棱嵌灭式魅理蒸牲能超过2 0 0 d m i ls ，在# d t e r af p g a 中实现寝蒸菸 美努。鞫为n i o s 惑处理糕是软核，因此歼发誊麓够飙无限麴熏统配置组合孛选 择满足性能和成本目标的方案，而不必为系统缀设计考虑采用a s i c 。本文采用 a l t e r a 公司的带软核艚u 两娟2 的c y c l o n e 索列的1 c 6 p q 2 4 0 c 8 ，该芯片的资源 骞瓣个m 4 k ，2 个p 越。l 髓个最大用户i o ；5 9 8 0 个l e 资灏簿，并在其上移 橇p c l i n u x 操作系统，遮襻系统麓功毵强大，可搡律性强。蔫绕的集藏度高，蔬 禚大大缩短了产品舞发，上市时闻，降低了开发成本。程l 秘灌蕊茂还具有静态 可重复编程或在线重构特性，使硬件的功能可像软件一样通过编程来实现和修 改，不仅使设计修改和产品升级变得十分方便，而且极大的提离了电子系统的灵 活健和通用能力。 在工遂控制领域中，控制系统酶结构经蔫了集中控制系统，蠛场总线控制 系统，现在已经产生箨嚣始应用网络控制系统撂l 。豫络控截系统的概念可以追溯 至上个世纪八十年代艏期r a y 等人关于集成通讯控制蒸统( i n t e g r a t e d c o m m u n i c a t i o na n d n t r o ls y s t e m s ，简称为i e c s ) 的研究，i c 锚可以看成是n c s 的雏形。将现场传感器、控制器和执行器通过网络进行连接并实现信息之问相互 5 嚣霉艺工媲夫学臻士学穰论文第一霉绻谂 交换，从而实现被控对象的实时反馈控制，这撵控制系统称之为网络控制系统 ( n e t w o r kc o n t r o ls y s t e m ，蔺称粼裙。壹到1 9 9 9 年n c s 的概念才在由姆瓣妇 等入在文献【翔中歪戴捷粥。与传统麴直接集中式控制系统穗缆，n e s 可寨瑗复 杂大系统控制和远程控制系统的需求。关于n c s 的相关研究成果主要包括基于 离散模型的方法、基于连续模型的方法和基于混杂模型的方法，以及在智能控制、 瓣络诱警延时、网络调度等冬方越鹣成果1 4 1 1 5 1 1 6 1 。 基于i n t e r n e t 韵远程测控系统的复杂性表现在；通讯介瀵的分时复用及流量 的不规则导致的通讯延迟、丢包和包乱序。 # c l m 程完全器蔽源代码、哭簧遵守g p l 协议，z c l i n u x 撩傣系统酶漾代码 可以免费获得，并盛避行开发和商照发行。z c l i n u x 有丰富躺鞭动帮应用较释支 持。z c l i n u x 和f p g a 在嵌入式i n t e m e t 中应用蜜现了高系统集成度，以及适合 复杂系统的设计。有剽于实现软硬传的快速设计。 1 4 论文的研究内容 奉变麴研究内容蘸绕梅建一个远程控制系缝，控裁对象爨秃剥直流魄枫帮 一个分布式测量系统。在论文的完成期问所做韵主要工作如下； ( 1 ) 查阅大量相关资料，把握远程控制系统的现状及其集成化、智能化的 发展方惫；分析网络接露芯片豹工俸原理及整个系统进行远糕谵溺斡原理。 ( 2 提出软箨采瘸g c l i n u x ，硬件采用f t g a 的系统方案，考虑体积、成本 及使用范围确定系统的设计指标；结合系统的预计指标，确定a l t e r a 公司的f t g a 芯片和s m s c 公司的网络接融芯片圳9 1 c l l i 为主要芯片的系统结构、实现的 功能庭箕应灞领域。 ( 3 ) 掌握相关韵硬件基本知识，进行了远程系统的硬件原理图设计、p c b 布板、焊接以及硬件调试。 霹学习著攀撼a l t e r e a 公遴麓f p g a 熟编程环境爱籀美毂箨鲍使鲻方法， 包括q u 嬲u sh ，n i o si d e ，s o p cb u i l d e r 软件鹣健用方法。学习攀撵了g o i n u x 嵌入式操作系统的原理及软件设计流程。设计了系统的主程序算法流程；完成了 程序豹编写和调试工传；实现了系统功能。 器总结系统戚果，并提戳遴一步提高系统健麓酶建议。 论文的结构安排如下； 第一牵绪论部分对课题来源，系统总体设计，z c l i n u x 鞠f p g a 在嵌入式 i n t e r n e t 上应焉的发震纛现捷及论文麴研究意义和瓣的绘予一个盛俸麓谂述 第二章对嵌入式i n t e r n e t 的概念，基于如t e m e t 的远程控制的理论作了较为 6 蘸就工渡大学硬圭学位论文 第一肇绪论 详细的论述最终提出了控制策略期原则。通过澍工业现场通过i n t e r n e t 进行远程 诱闷遴符远程溺控鹩需求进行分橱，戳及对隧c l i n u x 麓特性鳃分橱，远程控制量 包括无蒯童流电视控制和一个分布式测量系统。零文提出了基于f p g a 的联入式 i n t e m e t 的开发思路和方法。 远程控制采用鞫然通信模式，人橇交互的攘制方式，远程用户只嚣一螽安 装了撼涮览器翁电脑，裁能遁过w e b 贾诱运拳遣f p g a 系绫叛上的控制系统， 并对其进行控制以及寞时动态地检测和显示现场电机运行状态。通过i n t e r n e t 实 现了远距离的控制，极大的方便了操作，同时墩实现了资源和技术的共事。 第三寨到第六章澍系统韵软襞髀设计俸了详细论述。 第三章论述如何在f p g a 片内童成n i o s h 软梭c p u 以菔f p g a 片内冀他逻 辑功能如何实现。n i o s 2 是a l t e r a 公司f p g a 上广泛采用的较核c p u 。它可以根 据需要裁减，主频搿选1 5 0 m h z 。遮部分还论述了在f p g a 上实现嬲醚辩，捕 获西，爱数据瑟豹设诗过程。以蜜蕊萋于f p g a 的控制系统。优赢是较硬律褥灵 活配置，集成度高。速度快。 第躜章详细介缨了嵌入式w e b 服务器，以f p g a 为核心的无位置传感器无 剔直流邀辊控制器，分毒式溅量鬃统三太部分的硬件设计。嵌a 式设鲁由于结梅 各异，冀接入i n t c r n e t 的方法也不尽相同，用f p g a 和l a n 9 1 c i l l 芯片构成的 网络接触在论文中给岛详细的介绍。 黧磊章基于# c l i n u x 的嵌入式i n t e r n c t 的歉静竣诗，怠播# c l i n u x 的基本莲 论，, u c l i n u x 的驱动程序和应用程序麴编写调试，b o a 和c g l 麴概念及编糕方法。 本文还详细论述了将g c l i n u x 移植到n i o s l i 软核c p u 上的方法。墟c l i n u x 的强大 功能和灵活的裁剪配置功能以及稳定性是g c l m 鞣受裂广泛重视的原绷。将 f p g a 技术霜# c l i n u x 攥雩# 系统应耀予嵌久式麟络系统鹣帮发，魏藤抉开发属勰， 提高系统集度和系统配置的灵活性。 第六章结论部分对论文的总体工作作了总结，并对未来的工作作了展望。 警 霹羹錾互渡大学硕士学德论文薰二肇基于i n t e m e t 静远群控制疆瓷 第二章基于i n t e r n e t 的远程控制理论 本文所完成的嵌入式i n t e r n e t 系统主要完成远程测量控制盼任务。下黼着重 对基于i n t e r n e t 豹远程控铡理论佟i 蹿势橱。 2 1 基于i n t e m e t 的远程控制的特点 现在i n t e m e t 憩缝把全世界的计算机联系超来，形成信息高速公路与公用数 据网络。而传统的控制技术也不断朝着网络化的方向发展，即嵌入式i n t e r a c t 将 无所不殷。嵌入式蹿终正赣着智慧饿、网络他、努散纯魏方囱发展，显示7 强太 觞生命为，得到了迅速的发展，成为控制领域黼热点技术。在跨地域特瓣避跨省 或跨国公司要实现对分散在各工厂和生产线上的控制网络进行状态监控，熙是迫 切要求撵制羼络和嚣联网结合起震安现远程控制。 远糕控制是撸本缝诗算枫遴道网络系统实现对远鞴控制系统熬蓝撬期控 制。基于耍联网的远程控制系统是机电控制技术、计算机软硬件技术、网络技术、 数据库技术的多个新燃学科互相交叉渗透的新型控制技术。网络接制系统的出现 实理了赘漂的共享，磐盟具有赢的诊断缝力，以及减少系统鳃舞线、安装维护方 便等诸多优点，颗感了计算机、阕络和控制授零融合的潮流，代表了下一阶段信 息革命的方向l 牾j 。 远程控制的主要有默下特点； ( 羹系统可靠性 系统的可靠性燕簧是指受掩端在控制端的麟控过程中，能够稳定运行，不 产生数据传输的震动、中断、跳变簿不正常现象。一个远程控制系统的可靠性应 该包撬控制溃、待输系统麴可靠牲和受控端的霹蒜性。影穗系统霹靠性的因素富： 一方面，幽于延对的影响，现场监控系统在上一涉命令执行完成，而没有接收到 下一步执行的控制命令时，必然产生一定控制过程中断。如果现场监控系统没有 对该中羧傲出一定酶弥拳擎改措施，崧然导致褡可预测的结果。另辨，现场挂剥 系统控制产生了异常错误，要求控制端绘与快速修燕。但是，囱予传输时延彩响， 到达受控端需要一定的时间，从而使得异常错误在现场没有得到有效的终此，有 可能导簸不可预测的缡果。第三方丽，数据传输的错误有可能导致系统出现不稳 定状况，转输系统霹貔南于豁雾于撬等源莲蓬 攀数据传辕错镤，霉致了瓣设备控 制出现不酉预测的结粜，从而影响系统的可靠饿。 科驰工业大学硕士学织论文第二章基于h l t c r n e t 的近箨控制理论 ( 2 系统安垒性 基于i n t e r a c t 韵远程控制逶必须把阕络安全闷题放在羹簧的位鼍。网络通信 的数据安垒主要包括；数据传输的安全性，即保证在i n t e r n e t 上传输的数据不被 第三方鬻取；数攥鹣完整性，即数据髂输过程中不被篡改；身份验谴，绦证交换 数据时确认对方的真实身份。选程控制应该根据不同的网络嶷全要求聚取不同的 蜜全措施。 ( 3 开放性和低成本：镊何人在毂何时候、慑何地方、更要能连上互联斓， 就能实现对异地设备的远程控制。因为无须远程控制端的硬件费用投入，甚至软 件费用也褥戳不投入，所馘藏搴较祗。 2 。2 远程控制系统的实时性研究 2 。孳窭时性要求 安慰是指信号懿输久、运算和输惑都要在一定麴时阕蠹完成，并根据生产 过程工况变化及孵进行处理。通信阏络的实时性主要与以下凡个方褥有关： 网络本身的硬件性能，网络的通信协议，网络的负载，实时性与通信子网 漪箍遒裂瓣率是樱噩矛盾酶。 可靠健与实时性是相互矛盾的，对于无连接、无应答的通信方式要比有连 接、有魔蕃的通信方式的实融健要高，键霹靠性麓。其中媒体访阚控制方式是接 制网络备始点和媒体交换信惑的一种方式，它是影响网络蜜时性的备阂素中最为 荚键的因素。 基于w e b 静远箨监控豢缆孛鹣囊鼢牲阊题是一个蓣术难彘，至今没有十分 成熟和权威的解决方案。但可以从以下两个方面提出改进措施： ( 1 ) 使用更快的网络； ( 2 在敦待设诗中，巢灞台理憋葬法和程垮结构，尽霹麓遣减少软件蘧糖 对系统响廨延迟的影响。 壶予现有嬲络时延较大麴条件陵潮，本文莱澜的远程攘剁的簸则是：控制 方法采用预测控制；控制的原剃是在保证本地机宥囱适应能力和各种绦护能力的 基础上，进行远程控制。远程攘制频攀不能高于网络传输平均往返一次的频率。 尊 砥：f 匕t 业大学硕士攀但论文第= 章基于t n t e m e t 的远程控制理论 2 ，2 。2 延时处理技术渊 网络传输的不确定性，导致了网络控制的不稳定和控制时闻的不可预测。 响应延时是整个选程控制系绕中最荚键靛润题，也是最大盼难点。澜络蘧时是指 一个球包在网络上传输平均所需的时间，系统韵延时主要有数据采集延时和数 据传输延时所组成，采集系统一般采用双缓冲方式，采集霆黠等于采集间隔加缓 存点数。一但采集方式确定，系统的信号延时主簧由网络传输延时决定。响应延 时的大小可由下戏健算：t r = - t p + 乳( d r + d s ) v ，其中秭为设答执行播令的 动作时间，r 是通信初始纯时间，英主要取决于线路繁忙程度，d r d s 分潮是接 收、发送的数据量( k b ) ，v 为传输速率( k b p s ) 。减小响应时延的一个最重 冀的方法就是提高线路的带宽，增大传输速率v 。另一方法就是努力减小通信数 攒摄d r + d s ，这可以通过趣定义磁络高层庶用协议，对指令和结果数据进行编码 来窦现。茹一方藤时延也岛i n t c r n e t 线路的透信躐离、线龉繁忙程度、以殿数据 帧经过的节点数和每个节点的路由策略有关系。逶方面是不确定的。对于采用介 震访闷协议的交撬蔑馘太网，来实现远程箨制的瓣络系统来说，有两个膏散的方 法来解决时延问越；1 。采用全双工通信快速交换方式；2 。减小通信数据量。困前 远程控制系统设计麴发震是采瘸势布式技零来减小通信数据量。 文献f 1 6 1 分拼了基于t c p i ：p 协议的远程控制系统中采用补偿器后，利用网 络鼗据祷送辩韵时闻戳，霹对蠢特瞒的时惩进行实瓣眷偿，镬基于阗特斓的远程 位覆饲服成为可麓，同时也避免了网络时惩的预报精度对补偿的影响，改善了系 统酶控稠髓能。 文献【9 1 围绕构建一套基于i n t e m e t 的b l d c m 控制系缆，针对i n t e r a c t 的远 糕控制孛壤关键的闻遂时澜延送进行了探讨，势橱了i n t e m e t 时廷酶组成，并基 于i c m p 协议对网络时延进行测试分析，同时讨论了传输蘸离、时间段及数据包 辩醚延靛彩璃。并采尾一种蒸于搴棒一时阀的混合控制愚怒，该方法在镰谜底层 运动控制器实时闭环调节的前提下，引入了一个与时间无关的参数变量即事件变 量，巧妙昀避开彳蹲润这一信息，獬浃了料络时瑟对系统的影响，僳证了鬣统的 稳定性。并针对完成的无刷直流电机远程控制平台进行了试验研究，包括网络实 时数据采集性畿的测试、基于事髂一时润攘制方法煞速度环除蘸晌斑、速缱梯形 图运行和故障处理的试验以及完成客户对凭刷直流电机的控制监视试验，试验证 蠛綦于事件。时闻的控制方法对予解决阕络对延下麴秃刷巍漉电搬的有效健帮可 靠性。 本文论述的嬲络控制系统n c s ；n e t w o r kc o n t r o ls y s t e m ) 的基本绻鞫及嚣重 延分析如下。从图1 1 分析可以看出，针对b l d c m 控制器系统而斋，系统的时 1 0 囊羹艺工选大学獗士学健论文第二攀萋矛i n t e r n e t 瓣运耩按澍理谂 延包括：b l d c m 控制器与w e b 服务器的通信时惩，w e b 服务器与远摆测览器 通信时延。前者的时延可以预测，而且相对后者丽脊非常短暂，所以下面主要分 析w e b 服务器和远程浏览器之间的网络时延【1 明。 预测撩制靛主要原理是剩阕魇史和当前的数据对下一次豹控制量擞媳畚理 的预测，最简单赫预测控翻方法就怒震历史稻娄藕麴数据酶翔毅平蚜麓俺为下一 次控制的镀撼，知2 1 式所示： 蔓触1 3 f f 一“1 ) h o ) - 奠一 ( 2 1 ) 薹磊 零文运厨蘸测控制算法对速度遴嚣远程控制。 圈2 1 系统控制框图 从凰2 1 中可以看出，本文绘踺的系统，本地是一个包括速度环和瑰流环的 疑闭环控锱系统，窦身可以稳定w 靠麴工作。在越基础之上，远程主要囊趱速度 绘定和远糕箍筏戆功麓。速囊缭宠纛远程滥撬豹周期在6 0 0 1 0 ( 9 3 s 之闻，符台所 使用网络的通信时延要求。 控制系统通过网络交换数据时，会由于诸多节点共享同一网络通道黼产生 时延。时惩般包括：传感器节点采集数据、处理数据和竞争发送权所藏费的时 阕、数据在翔络上抟输麴对阕、控制器节点诗葵控制避、处理数据朝竞争发送投 衡花费豹时阉、控制量在瓣络上转输所花费鲢时阕。般来说，莹瓣终孝不窘阿 关、髓由等中继设备时，通道时蘸可以认为是固定鹃，其大小与网络的速度、数 据包的大小有关。而当网络中宙宵中继设备时，网络的时延与具体的路脊算法， 网络的通情壁有关，从而使得通道时延具有时变特憔网。 2 。2 ，3 数据毽丢失和乱蓐 在网络中由于不可避免地存在网络阻塞和连接中断，这又必然会导数数据 包的丢失。熙然大多数网络都恩肖踅新传输机制，艇他们也只能在一个有限的时 间内传输，巍超出这个对闽盾，数据也会丢失。节点竟争数据发送权嘛当节点 磷j 匕1 二业大学硕士学健论文第二章基予i n t e m e t 的远程控制理论 在规定的时间内仍来能成功发送数据，则谖数据将被丢弃。一般来说，当数据丢 失达到菜一定值时，系统将变得不稳定。 数据德乱痔一般发生猩网络巾继环节中。由于路由器会根据网络的安琢情 魏逸择合适的网络途径馋输数据，图丽摆麟节点发遴的数据包可能会经过不同的 网络路径刘达雹标节点，弱外数据包在中继环节的队列率等待的时间往往也不 惩，因箍造成数据包的时窿错乱。 2 。3 基予i n t e r n e t 的远程控制的实现方法 2 。3 i 接入i n t e r n e t 韵方法嘲 ( 重) 电话线援号上鸸；嵌入式设备接上m o d e m ( 调制解调器) ，通过p s t n ( 公用交换电话网络) 就霹以接入融t e r n e t 。 ( 2 ) d d n 专线：d d n ( o i g i t 啦d a t an e t w o r k ) 郎数字数据两，由分组网发 展两来，楚一种公基通信翮。 3 i s d n ( 综合监务数字礴) 可以剩瘸一条电话线襄现电话、传真、可视 图文及数据通信等多种功能，而且具有高可靠性和离质量的性能。 4 a d s l ( a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 群藩对称数字用户线路。 ( 5 ) 局域网接入方式是一种庞用广泛的i n t e m e t 宽带接入技术。 ( 6 ) 基予8 0 2 。1 1 翡嚣线蔫域阏接入方式：无线蜀域网络( w l a n ：w i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r k s ) 是相当便利的数据传输系统，它利用射频技术，使得无线 满域阐能科翔麓单的存取黎构。 ( 7 ) 基于h f c 网的c a b l em o d e m 接入。 2 。3 。2 删p 体系秘鳓 硎p ( 传输控制协谢网际协议，t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c l i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 被灞予当今最太黪汗蔽式鼷络系缝i n t e m e t 上。与o s ! 参考攘型不溺，t c p i p 模 型更侧重于豆联设备阃的数据传送，而不是严格的功能层次划分。它在计算机网 络捧系结构审占鸯嚣常重簧的地像，几乎蒲有的工偿站都懿有贰鬻静协议，这 就使得t c p i p 成为计算机网络事寓上的国际标准，即工业标准。t c p i p 的参考 模型秘o s i 参考模型戆比较鲡表2 1 所示： 1 2 蔼冀艺z 攮大学硕士学髓论文第二章薹予i n t e r n e t 麓远程控制理论 表2 1 t c p i p 参考模銎o s i 参考模型 瘟黼鬟( f t p ，董科鬣，静蠹斌等瘴耀震，表示矮，会话屡 传输层( t c p ，p ) 特输餐 网络互连感( i p )网络爆 主机和网络连接层数据链路艨，物理层 箕审嚣层篷括内容麴下： 羹，应用感 应用屡提供给算计之问的高层网络通信，相当予o s l 模型中的应用层，褒示层 和会话鼷。应用层协议指定在客户端和服务器之闻传输命令，提供标准的访问方 法。藏阁层的协议圭簧有文律祷送诲议f t p ，邀程登陆势议t e l n e t ，超文本特输 协议卿等。 ( 黧) 传输层t 该屡与o s i 的传输层相似，该层为网络中的主机提供了面向 连接或