（机械电子工程专业论文）基于以太网技术的现场设备监控系统的研究与实现.pdf

武汉理1 大学硕十学位论文 摘要 嵌入式系统是计算机技术发展到一定阶段的产物。由于它的高度集成、体 积小、移动性强等特点，已经被广泛应用到各个行业之中。特别是与以太网的 紧密结合，使得嵌入式系统的应用更为广泛。随着以太网传送速率的提高，物 理层标准的工业化以及无碰撞全双工光纤技术的出现，传统应用于商业领域的 以太网技术在工业控制领域获得迅速发展。与基于现场总线的控制网络相比， 基于工业以太网技术的控制网络是一种开放的、高性能的控制网络解决方案。 本文对工业以太网技术应用过程中的关键技术进行研究，并在此基础上， 开发一个嵌入式远程监控系统作为应用实践。 该系统将以太网技术应用于嵌入式系统，通过构造基于t c p i p 协议的网络 智能节点，实现了通过以太网对工业现场设备的访问与控制。本文主要致力于 将嵌入式实时操作系统与应用广泛的嵌入式t c p i p 网络协议相结合，通过将其 移植到高性能、低功耗的3 2 位a r m 微处理器。从而实现了以太网的接入。 监控系统采用客户枫服务器模型进行设计，有利于系统实现水平和垂直性 扩展。设备状态数据的处理通过h t t p 服务器实现；业务控制请求消息由基于u d p 协议的业务处理服务器进行分发处理。系统实现了业务操作与数据处理的分离， 应用程序具有相对独立性，有利于新业务的扩展。 监控系统设计任务主要集中在以下几个方面：即嵌入式实时操作系统的移 植，t c p i p 协议的移植，应用程序服务器设计以及以太网驱动程序的编写。该 系统配置成功后，将成为局域网中一个独立的网络节点，局域网中的任意一台 计算机通过w e b 浏览器即可访问监控系统中采集到的现场设备状态数据。 本文通过上述工作，成功的实现了将现场设备接入以太网，为现场设备层 控制系统与企业管理信息系统的集成创造了条件。 关键宇：监控系统，嵌入式系统，实时操作系统，h t t p 服务器 武汉理j = 大学硕士学位论文 a b s t r a c t e m b e d d e ds y s t e mi st h ep r o d u c to fc o m p u t e rt e c h n o l o g yo nt h ec e r t a i n d e v e l o p i n gs t a g e f o ri t sg o o dc h a r a c t e r i s t i c so fh i g hi n t e g r a t i o n ，s m a l lv o l u m e ， s t r o n gm o b i l i t ya n ds oo n ，i th a sa l r e a d yb e e nw i d e l ya p p l i e dt ov a r i o u sp r o f e s s i o n a l d o m a i n s e s p e c i a l l yw h e ni ti sc o m b i n e dw i t he t h e r n e t ，i t sa p p l i c a t i o nb e c o m e sm o r e w i d e s p r e a d e t h e m e th a sb e e na p p l i e di nc o m m e r c i a lc o n t r o ls y s t e m s a l o n gw i t ht h e e n h a n c e m e n to fe t h e r n e tt r a n s m i s s i o ns p e e d ，t h ei n d u s t r i a l i z a t i o no fe t h e r n e t s p h y s i c a ll e v e ls t a n d a r da n dt h ea p p e a r a n c eo ff u l ld u p l e xo p t i c a lf i b e rw i t h o u t c o l l i s i o n ，e t h e r n e ti sa p p l i e di ni n d u s t r yc o n t r o ls y s t e m sr a p i d l y c o m p a r e dw i t ht h e i n d u s t r yc o n t r o ln e t w o r kb a s e do nt h ef i e l db u s ，t h ec o n t r o ln e t w o r kb a s e do nt h e i n d u s t r ye t h e r n e ti sm o r eo p e na n dh a sh i g h e rp e r f o r m a n c ei nt h es o l u t i o nf o rt h e i n d u s t r yc o n t r o ln e t w o r k i nt h i sd i s s e r t a t i o nt h ea u t h o rs t u d i e so nt h ek e yt e c h n o l o g i e sm a i n l yi ni n d u s t r y e t h e m e t a p p l i c a t i o na n dt h e nd e v e l o p sa ne m b e d d e dr e m o t em o n i t o r e dc o n t r o l s y s t e ma si t sa p p l i c a t i o n b ym e a n so fe t h e m e tt e c h n o l o g ya p p l i e di nt h ee m b e d d e ds y s t e m ，n e t w o r k i n t e l l i g e n c ep o i n t sa r ee s t a b l i s h e db a s eo nt c p a pp r o t o c o la n dt h i ss y s t e mr e a l i z e s t h ev i s i t a t i o na n dt h ec o n t r o lf o r t h ei n d u s t r ys c e n ee q u i p m e n t st h r o u g he t h e m e t ； b yc o m b i n i n ge m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e mw i t he m b e d d e dt c p i pn e t w o r k p r o t o c o la n dt r a n s p l a n t i n gt h e mt o3 2b i ta r mm i c r o p r o c e s s o rt h a th a st h eh i g h p e r f o r m a n c ea n dt h el o wp o w e rl o s s ，t h es y s t e mr e a l i z e st h ec o n n e c t i o nw i t h e t h e m e t c l i e n t s e r v e rm o d e li su s e di nt h ed e s i g no ft h i sm o n i t o r e dc o n t r o ls y s t e m ，a n d a d v a n t a g e o u st ot h ee x p a n s i o nf o rt h es y s t e m t h es t a t u sd a t ao ft h ee q u i p m e n ti s d e m o n s t r a t e db yh t t ps e r v e r t h ep r o c e s ss e r v e rb a s e do nu d pp r o t o c o ld e a l sw i t h c l i e n t r e q u e s t sa b o u tt h es y s t e mc o n t r 0 1 t h es y s t e mr e a l i z e st h es e p a r a t i o no ft h e s e r v i c eo p e r a t i o na n dt h ed a t ap r o c e s s i n g ，t h ea p p l i c a t i o np r o c e d u r ei si n d e p e n d e n t r e l a t i v e l y , a n ds oi ti sa d v a n t a g e o u st ot h ee x p a n s i o nf o rn e w s e r v i c e s t h ed e s i g no fm o n i t o r e dc o n t r o ls y s t e mc o n s i s t so ft h et r a n s p l a n tf o re m b e d d e d r e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e ma n dt c p i pp r o t o c o l ，t h ed e s i g no fa p p l i c a t i o np r o g r a m s e r v e ra n de t h e r n e tc a r dd r i v e r a f t e rt h es y s t e mi sc o n f i g u r e ds u c c e s s f u l l y , i tw i l l 武汉理：大学硕 学位论文 b e c o m eo n eo fn e t w o r kp o i n t sa tl o c a la r e an e t w o r k a n dt h e na n yc l i e n tb yh i s c o m p u t e ra tl o c a la r e an e t w o r kc a nv i s i tt h es t a t u sd a t ao fs c e n ee q u i p m e n t sb ym e a n s o ft h ew e bb r o w s e r , w h i c hi sc o l l e c t e dw i t ht h es y s t e m a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hr e s u l t sa b o u tt h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h em o n i t o r e d c o n t r o ls y s t e m ，t h i ss y s t e mr e a l i z e st h ec o n n e c t i o nb e t w e e ns c e n ee q u i p m e n t sa n d e t h e m e t i tc r e a t e st h ec o n d i t i o nf o rt h ei n t e g r a t i o no fs c e n ee q u i p m e n tl e v e la n d m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mi nt h ee n t e r p r i s e k e yw o r d s ：m o n i t o r e dc o n t r o ls y s t e m ，e m b e d d e ds y s t e m ，r t o s ，h ，n 甲s e r v e r 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 随着计算机网络技术与信息技术的发展，以太网技术不仅在i n t e r n e t 上取 得了巨大的成功，而且也逐渐进入传统的工业控制领域。 通常，工业企业综合自动化系统主要由企业资源管理系统e r p 、生产执行系 统m e s 和生产过程控制系统p c s 组成。基于工业控制网络最上层的管理信息层 网络，主要用于企业计划、销售、库存、财务等方面的信息传输。其特点是数 据量较大、吞吐量要求较高，通常要求网络必须具有较大的带宽。一般都使用 快速以太网( 百兆、千兆) 来实现。而中间制造层生产执行系统主要为上层管 理信息系统提供物料、设备、人员等资源的分配和使用信息。由于其信息传输 具有一定的周斯性和实时性，数据吞吐量也较大，因此也需要网络提供足够的 带宽来保证。而作为最底层的现场设备层网络，由于执行机构与现场设备直接 相连，因此，对数据传输和系统响应的实时性、可靠性要求比较高；对于这一 层网络，通常都采用低速、稳定可靠的现场总线网络来实现数据的传输与设备 的控制。 由此可以看出，工业控制网络各个层次上的应用系统采用不同的网络技术 与协议来实现。由于协议问存在差异，无法真正实现信息系统的无缝集成。在 2 0 0 0 年国际电工委员会发布了包括8 种现场总线的i e c 6 1 1 5 8 标准，该标准的发 布意味着已经放弃了制定单一现场总线的国际标准，最终导致了现场设备控制 层多总线并存的局面“1 。由于总线之间的不兼容，导致了在不同总线之间的通讯 存在较大的困难，不利于企业信息系统的集成。 伴随着以太网技术的发展，在工业控制领域，以太网进行现场通信的实时 性、稳定性、可靠性、安全性正在得到逐步改善和解决。利用嵌入式技术可以 在以单片机、微处理器等为主的嵌入式系统中实现以太网通信。由于在系统中 采用标准的t c p i p 协议，现场设备可以通过以太网与上层信息系统进行通信， 从而为工业综合自动化系统的集成仓q 造了条件。 工业以太网技术与嵌入式技术的结合，掀起了新一轮工业网络通信研究热 潮。 武汉理工大学硕十学位论文 1 2 国内外研究现状 现场总线本应当是一个开放的全互联系统，目前的多标准造成了不同总线 产品间的互联非常困难，这不仅使现场总线的开放性、可互操作性的特点难以 体现，而且也为现场设备层控制网络的选型、应用以及维护工作都带来了不便， 严重制约了现场总线技术的发展和推广。因此，迫切需要一种通用的现场总线 标准来解决这一难题。 随着工业以太网技术的发展，为适应市场全球化趋势，各大自动化厂商和 组织都在加强其产品向工业以太网接入方面发展”3 。法国施奈德公司几年前就推 出透明工厂战略，使其成为工业以太网应用技术的倡导者。该公司在1 9 9 9 年发 布的m o d b u st c p i p 协议是目前工业以太网事实上采用的标准。美国洛威尔自 动化公司也在2 0 0 0 年发布了其工业以太网规范，称为e t h e r n e t i p 。而基金会 现场总线f f 也在2 0 0 0 年发布了其工业以太网规范，称为h s e 。为促进以太网技 术在工业领域的应用发展，国际上还成立了工业e t h e r n e t 协会，并与美国知名 以太网技术研究机构合作，开展工业e t h e r n e t 关键技术的研究。美国电气工程 师协会( i e e e ) 也正着手制定现场装置与工业以太网通信的新标准。 近年来，嵌入式技术的发展进一步推动了以太网技术在工业控制领域中的 应用。由于嵌入式系统具有体积小、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突 出特点，目前已广泛地应用于军事国防、消费电子、网络通信、工业控制等各 个领域。而基于嵌入式t c p i p 通信协议的嵌入式w e b 技术推动了嵌入式系统在 工业控制领域的发展。微电子技术与嵌入式软件技术的发展使得3 2 位微处理器 在性能上得到很大的提升。因此，针对高性能、低功耗的实际现场应用中，传 统的上位机下位机的控制方式已经失去了原有的优势，而采用基于微处理器的 嵌入式系统则可以很好的满足工业控制系统的要求。目前，越来越多的网络通 信设备、网络控制设备、甚至测试仪器都已经着手开发内置的嵌入式w e b 服务 器，从而实现对设备运行状态的观测以及运行参数的配置。 工业以太网技术应用过程中存在的问题主要是其自身数据传输的不可靠性 以及不确定性。由于其数据传输采用c s m a c d 碰撞检测方式，当网络数据流量 较大时，冲突碰撞机率较高，从而导致了数据传输的不确定性“1 。当现场设备层 使用以太网技术进行通信后，系统处于开放的环境中，由于其数据传输基于标 准的t c p i p 协议，因此，在网络安全性方面也存在潜在的风险。 尽管基于以太网的数据传输具有不可靠性、安全性等方面的缺点，但是针 武汉理工大学硕+ 学位论文 对目前实际工业现场控制的应用，可以通过采取一些措施来避免或者减轻引入 以太网技术之后给工业数据传输带来的问题。为此，在国家科技部“8 6 3 ”计划 的支持下，浙江大学、浙大中控、清华大学等单位联合起来。经过两年多的技 术攻关，完成了工业以太网与现场设备之间实时通信方案设计。1 。从而制定了拥 有自主知识产权的现场总线国家标准用于工业测量与控制系统的e p a 通信标 准( 以下简称e p a 标准) ，并且已经通过国际电工委员会i e c 的认可，被作 为第十四种类型写入i e c 6 1 1 5 8 现场总线( 第四版) 。由此可以看出，以太网完 全可以用于现场总线。基于以太网技术的信息网络通信技术因其协议简单、稳 定、可靠、完全开放等特点，已经获得了全球范围内的技术认可和支持。与传 统的现场总线相比，以太网具有应用广泛、成本低廉、软硬件资源丰富等特点， 因此。具有良好的可持续发展趋势。 e p a 标准的发布为以太网引入工业控制系统提供了良好的解决方案。除通信 实时性、服务质量等要求以外，总线供电、工业网络安全性、可靠性、可互操 作性等关键技术一直都是e p a 中研究的核心问题。 基于e p a 标准的基本通信模型。1 如图1 1 所示： 二至堕三二 堕堕 功能模块应用进程 非实时应用程序 l 。，+ ，。，- - - - - - - - - - - - - - - - r - - - - - - - - - j l - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - u - - - - - - - - - - 一 厂面r r 一i 鬲五而忑磊面函面 图卜le p a 通信模型 除了t c p 、u d p 、i p 、s n m p 、s n7 r p 、d h c p 、h t t p 、f t p 等标准协议外，e p a 系 统中主要的部件还包括功能模块应用进程、e p a 应用层服务、e p a 管理功能块以 及基于x m l 的设备描述等模块。因此，通过采用e p a 标准的通信系统可以完成 一 殿 一 门u 武汉理t 大学硕十学位论文 以太网的接入，实现现场设备的远程访问及控制。 1 3 课题研究的目的和意义 伴随着工业控制网络发展的趋势，利用以太网进行现场设备层数据传输可 以很好地解决多总线系统之间不兼容的问题，同时它还具有向上兼容性，可以 很好的完成与上层信息系统之间的通信。目前，t c p i p 协议已成为标准的网络 通信协议。而交换机技术和底层协议的集成，也确保了以太网的整体性、确定 性和兼容性。当前工业以太网技术应用的关键是如何在现场级的节点控错”模块 中实现t c p i p 网络通信协议，以及如何实现统一的上层应用控制模块设计。 本次课题设计采用基于e p a 标准的通信模型，通过在3 2 位嵌入式微处理器 上移植嵌入式实时操作系统和精简的t c p i p 协议栈，完成监控系统网络通信模 块的设计。系统实现后，通过基本的网络配嚣，即可在局域网中任意一台计算 机上访问该网络控制器，从而实现对现场设备的访问与控制。若进一步对该系 统进行开发，则可以逐步实现企业管理信息系统与现场设备层控制系统的集成。 1 4 课题研究的主要内容 本次课题设计主要研究内容是如何将现场设备接入以太网。系统基于e p a 标准通信模型进行设计，采用嵌入式实时操作系统为应用程序开发平台。通过 在操作系统上移植t c p i p 协议，实现系统控制器与以太网之间的接口。 课题研究内容主要包括嵌入式实时操作系统的移植、t c p i p 协议栈的移植、 以太网网卡驱动程序的编写、与现场设备之间的接口设计以及上层应用程序设 计等。系统通过将嵌入式w e b 服务器引入到现场测试和控制设备中，在相应的 硬件平台和软件系统的支持下，使传统的测试和控制设备转变为以t c p i p 为底 层通信协议、以w e b 技术为核心的基于以太网的网络测试和控制设备。由于w e b 技术的开放性和独立平台等特性，大大降低了软件系统和通信系统的设计、维 护工作量，提高了现场测试和控制设备的管理水平。 课题设计的目标是实现一个基于以太网的远程监控系统。考虑到系统实现 的复杂性，课题设计重点在其核心网络控制器的实现上，对于相关数据采集以 及控制系统接口设计仅作初步分析。 武汉理工人学硕士学位论文 第二章嵌入式系统研究与监控系统选型 2 1 嵌入式系统的概念与特点 嵌入式系统是一个以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪 的适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机 系统“1 。 “嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素“1 。 一般说来，嵌入式系统就是一个计算机硬件和软件的集合体。在嵌入式系统中， 计算机系统一般作为智能控制部件嵌入到整个应用系统中，它是整个系统的控 制核心。由于嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用而设计的专用系统， 所以它不同于通用计算机系统。一般说来，嵌入式系统具有以下特性“”“3 ： 针对特定产品开发，专用性强； 系统内核小，实时性强； 具备处理并发事件韵能力； 具备出错处理和自动复位功能； 功耗低、体积小、集成度高 系统硬件和软件耦合性强。 当前，嵌入式系统广泛应用于办公自动化、消费通信、汽车工业和军事领 域。其中，通信、办公自动化、消费电子领域占的比重较大，约为9 0 左右。嵌 入式系统的典型应用包括通讯设备、工业过程控制、智能仪器、消费电子产品、 军事电子设备等。 2 2 嵌入式系统的发展 早期的嵌入式系统没有操作系统的概念，其应用程序在设计时一般直接面 向系统硬件。在这种情况下，通常可以把系统分为两类”1 ：一种是基于无限循环 的轮询系统，一种是基于事件驱动的中断驱动系统。 ( 1 ) 轮询系统”1 对于轮询系统，应用程序通过循环依次检查系统的输入条件是否满足，若 满足则进行相应的处理。其软件结构通常设计如下： 武汉理t 一大学硕+ 学垃论文 v o i dm a i n ( v o i m 系统初始化： w h i l e ( 1 ) j f ( 输入条件1 成立) 执行对应的处理程序： i f ( 输入条件n 成立) 执行对应的处理程序： 对于简单的系统丽言，这种设计便于理解和实现。由于没有中断处理，程 序运行不会出现随机的情况。但是，对于比较复杂的业务逻辑的需求，这种设 计结构就无能为力了。而且，由于没有采用中断的方式，因此，对于外部事件 它不能及时响应处理，实时性不好。 ( 2 ) 中断驱动系统“1 所谓中断驱动系统，通常就是一个前后台系统。一般而言，应用程序主要 分为前台程序和后台程序两部分。前台程序由一些中断处理程序组成；而后台 程序管理整个嵌入式系统软、硬件资源分配，以及相应的业务处理，它是一个 系统管理调度程序。 在系统运行时，后台程序通常作为一个循环轮询系统一直运行。当外部事 件引起中断后，系统转到前台中断处理程序运行，处理完毕之后又返回后台运 行。这种系统极端的情况就是后台不作任何业务处理，完全由前台中断程序处 理业务逻辑。这样就导致了业务处理的单一性，而且容易引起中断嵌套，不利 于实现复杂的应用。通常基于中断驱动的系统都不会在中断服务程序中处理太 多的流程，般采用在中断服务程序中标记事件的方式返回后台程序处理。中 断程序仅完成i o 事件的读写操作即可。 这种系统需要考虑中断现场的保护与恢复，中断嵌套处理以及主程序共享 资源的协调等问题。系统的性能主要由中断延迟时间、中断响应和恢复时间来 衡量。 实际上，前后台系统的实时性比预计的要差。这是因为前后台系统业务处 理具有相同的优先级剐，业务的处理是一个先进先出的队列结构。因此，当有 武汉理工大学硕士学位论文 多个实时性要求较高的业务时，必然会出现某些业务不能得到立即处理的情况。 并且由于整个业务处理处于一个大循环体中，因此一旦该循环体正在处理的业 务崩溃，则整个系统也即崩溃。 ( 3 ) 嵌入式操作系统 在嵌入式应用领域一个非常重要的概念就是实时。系统的实时性体现了系 统快速响应外部事件的能力。实时系统是一个相对于传统非实时系统的概念， 它是指在确定的时间内完成既定的功能，并能对外部异步事件作出正确响应的 计算机系统。对于一个复杂的嵌入式实时系统，在采用中断处理程序加一个后 台主程序这种软件结构难以实时的、准确的、可靠的完成业务处理时，就需要 采用基于实时多任务的嵌入式操作系统。 随着计算机应用技术的发展，操作系统越来越多的被引入到嵌入式系统设 计中来。嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统，它是嵌入式 系统极为重要的组成部分。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，它 可以有效的管理系统资源。它能够提供基本的库函数调用，并且通过提供相应 的a p i 函数接臼为上层应用程序屏蔽了平台相关性，使得开发人员能够独立地 进行上层应用开发，大大提高了开发效率。与通用操作系统相比，嵌入式操作 系统在系统实时高效性、软件周化性以及应用对象酶特定性上都有比较突出的 优点。 嵌入式操作系统可以分为实时操作系统和分时操作系统两类嘲。实时操作系 统，简称r t o s ，是指能在确定的时间内执行自身任务并对外部事件做出快速响 应的系统。实时操作系统的首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任 务，其次才着眼于提高计算机系统的使用效率。对于实时操作系统，主要任务 是对外部事件进行实时处理，系统必须具备在严格的时限范围内对随机发生的 事件做出响应的能力。而对于分时操作系统，任务的执行在时间上的要求并不 严格，时间上的延误或者时序上的错误，一般不会造成灾难性的后果。 2 3 引入嵌入式实时操作系统的原因 课题设计的目的是为了实现远程对现场设备的状态监视及控制。系统不仅 要完成现场设备各种状态数据的收集，设备数据的发布，同时还需完成客户端 对现场设备的部分控制功能。由于系统涉及到不同的业务处理，因此，希望在 武汉理j 二大学硕士学位论文 易操作性、实时性、易实现性方面得到保证。为此作者在设计中引入嵌入式实 时操作系统作为系统开发平台。 嵌入式实时操作系统在控制系统中的应用具有以下优点”1 ： ( 1 ) 实时性好 嵌入式实时操作系统一般都具有独特的任务管理调度体系，不同 的任务具有不同的优先级。因此，通过调整实际控制系统任务间优先 级的分配，可以保证多任务运行时优先处理级别较高的任务。 ( 2 ) 高可靠性 通常嵌入式实时操作系统内核提供一些系统进程的监控功能。在 系统某些任务崩溃的情况下，能够通过操作系统内核控制，以保证整 个系统不出现崩溃，并且还能对可能出现的异常情况提供相应的诊断 信息进行分析。这在极大程度上保证了系统稳定可靠的运行。 ( 3 ) 平台无关性 嵌入式实时操作系统代码大多采用c 语言进行编写，与硬件相关 部分的汇编代码相对比较集中，因此，操作系统具有良好的可移植性。 目前，对于针对多任务操作系统设计的3 2 位微处理器，嵌入式实时操 作系统可以充分发挥c p u 的多任务潜力。而且由于操作系统内核的硬 件无关性，可以在多种微处理器上稳定可靠的运行。 ( 4 ) 良好的应用开发性 通过嵌入式实时操作系统屏蔽了底层硬件对上层应用程序开发的 影响，大大提高了开发效率，缩短了开发周期。在嵌入式实时操作系 统环境下，应用程序开发可以按照模块化设计思想进行，将整个程序 分解为多个任务模块分别进行设计。每个任务模块的修改调试基本上 不影响其它模块的设计，各模块设计之间具有相对的独立性，可以很 好的实现模块并行开发。 如上所述，与传统的前后台系统相比，嵌入式实时操作系统具有良好的可 开发性，应用程序的设计和扩展相对比较容易。因此，作者在系统设计时选择 嵌入式实时操作系统作为系统开发平台，通过对操作系统合理的管理和协调软 硬件资源来确保系统的可靠性与稳定性。 2 4 嵌入式处理器与操作系统的选择 武汉理工大学硕十学位论文 通常，嵌入式系统的实时性需要硬件与软件的配合才能完成。对于系统硬 件，要保证硬件的处理速度满足实时要求：对于系统软件，则需要确保各个任 务的执行时间满足设计要求。 该系统设计选型工作主要围绕嵌入式微处理器和嵌入式实时操作系统来进 行。 2 4 1 嵌入式处理器的选择 嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。据不完全统计。全世界嵌入式处 理器的品种数量已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 多个，其中8 0 5 1 体系占 大多数。嵌入式处理器目前大多采用熬合集成的方式，以增强系统处理器的竞 争力。通常以一种微处理器内核为核心，在芯片内部集成存储器、定时器、a d 、 d a 等各种功能和外设。目前一种比较流行的分类方法是将嵌入式处理器分为以 下四类蛳：嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式d s p 处理器、嵌入式片 上系统。 针对本次开发，由于需要使用嵌入式实时操作系统作为系统应用软件的软 件平台，因此，所选择的处理器至少应该满足以下几点： 处理器对实时多任务操作系统必须具备良好的支持能力，并且要求有较 好的中断响应能力，从而满足系统实时性的要求。 处理器必须具备可扩展性。由于设计需要根据实际情况增加相应的外 设，因此，处理器应该具备良好的接口兼容性。 处理器应该具备一定的异常处理能力。基于异常的处理有利于软件的设 计与调试。 低功耗。对于基本的嵌入式系统设计，一般都对系统功耗要求较高，特 别是对便携式无线通信设备的系统而言。 目前，嵌入式实时操作系统大多运行在嵌入式微处理器上，多年来的实践 证明，嵌入式微处理器具有良好的嵌入式操作系统支持能力。近年来，嵌入式 微处理器主要向着小体积、高性能、低功耗的方面发展。而且市场上专业分工 越来越明显，已出现了专业的处理器内核提供商，例女 i a r m 、m i p s 等。 该系统设计采用a r m 7 系列微处理器。a r m 7 是一种小型的高性能、低功耗的 3 2 位处理器内核。它目前主要用于低端的设备，最适用于对价位和功耗敏感的 应用场合。而且以a r m 微处理为核心的硬件设计方案比较多，可供借鉴。 武汉理工人学硕十学位论文 2 4 2 嵌入式实时操作系统的选择 从2 0 世纪8 0 年代丌始，国际上就有一些i t 组织和公司丌始进行商用嵌入式 系统和专用操作系统的开发。其中著名的操作系统有：w i n dr i v e r 公司的 v x w o r k s 、微软的w i n c e 、m e n t o r 的v r t x 以及i s i 公司的p s o s 操作系统等。这些都 是商用的嵌入式操作系统，其系统性能较好，可靠性高，般用于各种通信产 品以及军事领域。由于这类操作系统属于商业化的产品，价格昂贵，且核心源 代码也是不公开的，因此，不适用于在中小型系统开发中应用。 c o s i i 是一个开放源代码的小型嵌入式实时操作系统内核，其内核代码 仅几到几十k ，己经通过了严格的测试，并且通过了美国航空管理局的认证。它 是一个简单、高效的嵌入式实时操作系统内核，已经被应用到各种嵌入式系统 中。它具有良好的可移植性、可固化性和可裁剪性”1 。同时，它具有可抢占的实 时多任务调度功能，可以很好的满足系统多任务设计的需要。 本次系统设计采用# c o s i i 嵌入式实时操作系统内核，主要完成数据采集 处理、数据对外发布以及相应的控制信号处理等项工作。操作系统的多任务调 度和同步机制确保了系统正常可靠的运行。同时，操作系统为业务处理和设备 驱动程序提供了信号量、邮箱、消息队列的服务。而且，由于操作系统在设计 时就考虑到了基于不同硬件系统的移植，操作系统与硬件相关部分的代码都集 中在有限的几个文件中，为系统的移植提供了方便。 2 5 本章小结 本章主要分析了嵌入式系统的特点以及其发展情况。并且结合课题设计的 需要，完成了系统中嵌入式微处理器、嵌入式实时操作系统平台的选择。 武汉理工大学硕+ 学位论文 第三章嵌入式远程网络监控系统整体设计 3 1 系统实现原理 系统以标准t c p i p 协议为基础，通过开发相应的应用程序，完成以太网与 测控设备之间的协议转换。由于它的平台无关性，测控设备可以通过以太网与 个人p c 之间进行数据通信，从而实现对测控设备的远程访问和控制。 传统的控制系统一般都采用现场总线或其它专用网络实现控制层和设备层 的接入，其成本较高。采用以太网架构以后，控制器的位置可以突破传统网络 架构的限制，既可位于现场，也可位于中央控制室。用户可以通过访问企业以 太网内部的网络控制器，通过其提供的w e b 服务获得现场设备相应的数据信息， 并可对设备进行控制操作。 该监控系统主要分为四层“：用户应用层、网络接入层、w e b 服务器应用层、 现场设各接口层。 ( 1 ) 用户应用层 用户应用层使用通用浏览器客户端访问以太网中的网络控制器智 能节点，通过该节点提供的w e b 服务获取设备运行状态信息。同时， 系统为用户提供专用的设备控制客户端，以满足用户对设备的业务控 制操作需求。 ( 2 ) 网络接入层 网络接入层是整个系统上下层信息交互的桥梁，它主要负责对数 据信息进行打包、拆包处理。它的性能直接影响着监控系统处理业务 请求的可靠性和实时性。 ( 3 ) w e b 服务器应用层 w e b 服务器为网络控制器应用系统的核心，其设计主要分为数据信 息处理模块设计、控制信号处理模块设计两大部分。数据信息处理模 块完成设备信息的整理和发布；控制信号处理模块完成来自于客户端 的控制信号分类处理工作。服务器应用层提供了简捷的信息发布窗口 以及用户对现场设备业务请求操作的通用接口。 ( 4 ) 现场设备接口层 现场设备接口层主要完成现场设备数据的采集、前端数据处理以 及与现场设备控制模块之间的通信。控制接口由现场设备提供，控制 武汉理工人学硕士学位论文 信令由上层用户层下发，通过以太网发送到w e b 服务器端。由服务器 按照与现场设备约定的控制方式转化为相应的控制信令传送给现场设 备控制模块，最终由设备控制模块完成相应的操作。 系统配置成功后，成为局域网中一个具有独立i p 地址的网络节点。局域网 中的任意一台p c 通过系统节点的i p 地址以及相应的端口，即可实现对现场测 控设备的访问控制。 3 2 系统设计 系统用户应用层客户端采用w i n d o w s 自带的浏览器作为通用的客户端，而 用户控制客户端软件的设计相对比较简单，在此不做详细介绍。系统要实现对 现场设备的控制，就必须与现场设备间有相应的控制接口。现场设备的控制模 块以及相应接口的设计由设备厂商提供。因此，监控系统最终设计任务主要集 中在核心网络控制器硬件和软件系统的设计上，下面将对其做进一步介绍。 3 2 1 网络控制器硬件系统设计 图3 一l 网络控制器硬件结构 如图3 一l 所示，系统采用a r m 7 系列微处理s 3 c 4 4 b o x 作为主控c p u ，它是 s a m s u n g 公司生产的基于a r m 7 t d m i 核的高性价比的嵌入式片上系统芯片。具有 体积小、功耗低、成本低、性能高等优点，并且支持片上调试。由于内部存储 器比较小，因此，可以通过扩展s s t 3 9 v f l 6 0 h y 5 7 v 6 4 1 6 0 存储器来加载程序以 及存储所采集的现场设备相应数据( 网页文件单元) 。系统网络接1 2 1 使用标准的 武汉理t 大学硕士学位论文 r t l 8 0 1 9 a s 控制芯片。数据采集通过相应的外部采样电路来实现。控制器采用串 口与被控现场设备间完成控制信号的交互。 3 2 2 网络控制器软件系统设计 用户层应用程序 | t c p o p 协议栈 文件系统 嵌入式实时操作系统 i ( p c o s i i ) 底层硬件驱动程序 图3 - 2 网络控制器软件系统结构 如图3 2 所示，系统软件部分设计主要包括嵌入式实时操作系统、底层硬 件驱动程序、t c p i p 协议栈以及上层用户层应用程序几大模块。 ( 1 ) 嵌入式实时操作系统 系统以p c o s i i 嵌入式实时操作系统为核心，通过开发相应的底层硬件驱 动，开发基于t c p i p 协议的服务器应用程序，实现对现场设备的远程访问和控 制。嵌入式实时操作系统的引入为上层应用程序的开发提供了通用的用户接口， 它屏蔽了上层应用程序与底层硬件的相关性。系统充分利用操作系统的任务管 理与调度机制，实现了对系统不同模块的管理。 ( 2 ) 底层硬件驱动程序 系统硬件驱动程序的设计主要包括网卡驱动程序、串口驱动程序以及数据 采集模块初始化程序的设计。网卡驱动程序的设计参考r t l 8 0 1 9 a s 芯片数据手 册，采用跳线的工作方式，8 位数据读写模式9 2 。以太网协议由网卡芯片自动完 成。网卡驱动程序主要完成芯片初始化、数据包的接收、发送等功能。串口驱 动程序提供了串口与现场设备之间的通信服务。串口通信方式设计为波特率 l1 5 2 0 0 ，8 位数据位，无流控、无奇偶校验的工作模式。数据采集模块程序的初 始化，主要包括a o 采样控制寄存器的初始化、采样中断处理程序的设计。 硬件驱动程序为应用程序提供了通用的接口函数，屏蔽了系统硬件对应用 程序设计的影响。 武汉理工人学硕：t 学位论文 ( 3 ) t c p l p 协议栈 系统通过移植t c p i p 协议栈到p c o s i i 实时操作系统，实现与以太网的通 信。同时，通过在协议栈的基础上进一步开发相应的应用层协议，为客户提供 了w e b 服务器的功能。由于t c p i p 协议的分层结构简化了应用程序的设计和调 试，而且各层协议相互独立，使得协议的开发更高效。 ( 4 ) 应用程序设计 系统应用程序设计主要涉及设备状态数据的收集、数据的发布、客户端业 务控制请求的处理。 系统通过实现h t t p 服务器来提供设备状态信息的发布。设计时，将基本的 静态页犀文件预先存储在扩展的存储器中，在客户端请求相应的页面文件时， 通过应用程序a p i 接口获取相应的资源文件进行发布。由于需要实现动态数据 的显示，因此，需要在静态页面中插入新的标识符来标志待更新的动态数据。 在响应客户端请求时，通过应用程序a p i 函数扫描静态页面文件中新增的标识 符来更新相应的数据。系统基本页面资源文件的管理通过开发相应的应用型文 件系统来实现。 由于现场设备控制需求的多样性，系统设计采用基于u d p 协议的业务处理 服务器来晌应客户端的业务控制请求。根据控制对象的不同，系统采用了一种 分对象处理机制来满足客户的需求。该设计基于对象i d 进行分发，可以很好的 实现增量式开发。当新增一种控制对象时，只需在系统消息入口处增加其对象 i d 进行分发，同时提供相应的对象消息处理函数即可。 3 2 3 系统客户机服务器结构设计 随着计算机技术和网络技术的发展，大多数数据处理系统都采用基于开放 式系统结构的客户机服务器数据处理模型“。其主要工作流程如下：客户机向 服务器提出服务请求，服务器对请求做相应的处理并执行被请求的任务，然后 将结果返回客户机。 该系统采用基于客户机服务器的应用模型，其结构如图3 3 所示。 武汉理工大学硕十学位论文 图3 - 3 客户机服务器业务处理模型 该系统采用三层e s 结构，即分为表示层、应用逻辑层、数据层三层。通 过分层结构使得业务逻辑更加清晰，与传统的二层结构相比，客户机的负荷将 相对减轻。而且功能层和数据层的分离，使得应用程序在逻辑上更加独立，易 于后期的应用程序扩展。 在这种三层c s 结构中，表示层是应用程序的用户接口部分，它担负着与 用户之间的数据交互功能；应用逻辑层相当于应用程序的主体，主要负责相应 业务逻辑的处理，例如采集数据的更新、控制信号的处理等等；而数据层则负 责管理对底层数据的操作。客户机表示层与服务器应用逻辑层之间通过标准 t c p i p 协议来进行交互。服务器应用逻辑层与数据层则通过提供基本的应用程 序a p i 函数来实现数据的交互。通常也把这些a p i 函数组成的软件层称为中间 件，它提供了上下层之间的透明接口，具有良好的可扩展性。 该系统同时实现了基于t c p 协议的h t t p 应用服务器和基于u d p 协议的业务 控制服务器。服务器程序通过监听不同的端口来响应客户机对服务的请求，通 常服务器进程一直处于休眠状态，直到一个客户提出连接请求。 客户机n 务器模型采用一种请求响应处理模式。这种客户机朋厦务器模型 具有以下优点： ( 1 ) 功能分离：应用程序分布在客户机和服务器上，易于实现并行开发。 ( 2 ) 资源共享：服务器可为多个客户机提供服务，并能对客户机的权限进 武汉理一1 ：大学硕士学位论文 行区分，从而实现了为不同的客户提供分类服务。 ( 3 ) 透明操作：服务器是专用程序，客户机通过业务请求消息获得特定的 服务。客户机不负责后台