（计算机系统结构专业论文）嵌入式技术在远程控制与测量系统中的应用研究.pdf

摘要 摘要 电脑中的远程控制技术，始于d o s 时代，只不过当时由于技术上没有什么大 的变化，网络不发达，市场没有更高的要求，所以远程控制技术没有引起更多人 的注意。但是，随着网络的高度发展，电脑的管理及技术支持的需要，远程操作 及控制技术越来越引起人们的关注。 本文在总结与分类研究了当今主流的嵌入式远程测控系统所采用的各种技术 的基础上，设计并部分实现了一套引入c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 现场总线的 典型的嵌入式远程测控系统。该系统基于主流的3 2 位嵌入式处理器和嵌入式实时 操作系统设计，可以实时地采集c a n 总线传输的监测数据并在做进一步处理后汇 总到远程测控中心，从而完成实时测控的功能。该系统的设计与部分实现为现场 总线引入嵌入式远程测控系统提供了可能性验证。 第一章综述了本文研究工作的意义和主要工作内容。 第二章基于i n t e r a c t 的发展现状总结并且研究了当前应用于远程测控系统中 的主要嵌入式技术与当前发展状况，包括：测控系统接入i n t c r n e t 的主流技术、高 速测控系统的数据采集方案、数据处理方案和嵌入式系统的应对安全问题的解决 机制。 第三章在前文技术性总结的基础上设计了一套基于c a n 现场总线的嵌入式 远程测控系统，包括总体方案设计、硬件设计，并给出了实时任务模块、c a n 总 线通讯模块、网络通讯模块和远程维护模块的详细设计。 第四章重点介绍了c a n 总线控制器驱动程序的开发过程与软件实现。在 p o w c r p c 处理器开发板的软硬件平台上，实现并验证了c a n 总线控制器s j a l 0 0 0 的通讯模块，为系统数据采集子功能的实现提供了可行性。c a n 总线技术的引入 证明c a n 总线功能简化了现场设备与与数据采集子系统的联系，并能实时地传送 数据，构成分布式的测控系统，使工业控制测量系统与上层管理控制网络相联结， 实现信息共享的功能，使得生产控制者能够实时检测现场级工业设备的工作情况。 第五章给出了本文的主要研究结论，并对嵌入式系统可靠性和数据安全性 等方面给出了改进工作的展望。 关键词：嵌入式系统，远程测量与控制技术，实时系统，现场总线 a b s t r a c t t h e a p p l i c a t i o no fc o m p u t e rs c i e n c ei nr e m o t ec o n t r o lf i e l db e g u ns i n c ed o sa g e ， b u tb e c a u s eo ft h ea b s e n c eo fi n t e r n e t , a n dt h er e q u i r e m e n ti nm a r k e tw a sn o tt h a t r i g o r o u s ，t h et e c h n i q u eo f r e m o t ec o n t r o lw a sn o ta sa t t r a c t i v ea si ti st o d a y t h a n k st o t h ef a s tg r o w t ho fi n t e r n e ta n dt h ed e m a n do nt e c h n i c a lm a n a g e m e n ta n ds u p p o r t s ， n o w a d a y st h et e c h n i q u eo fr e m o t ec o n t r o lc a p t u r e sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n d u et ot h e c h a r a c t e r so fe m b e d d e ds y s t c r na n dt h er i s eo fi n t e m e t , t h e c o m b i n a t i o no fe m b e d d e dt e c h n o l o g i e sa n dr e m o t ec o n t r o l l i n ga p p l i c a t i o n si si n e v i t a b l e t r e n d b a s e d0 1 1t h er e s e a r c h e so nc u r r e n tp o p u l a rr e m o t ec o n t r o l l i n ga n dm e a s u r e m e n t s y s t e m s ，t h i sd i s s e r t a t i o nd e s i g n sat y p i c a ls y s t e mw i mc a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k s ) b u si n v o l v e d t h i ss y s t e mi sb a s e do np o p u l a r3 2 - b i te m b e d d e dc p ua n dr e a l - t i m eo s ， i th a st h ea b i l i t yt op r o c e s sr e a l - t i m ed a t aa n dt r a n s p o r td a t at or e m o t ec o n t r o l l i n gc e n t e r ，n l ed e s i g na n dp a r t l yi m p l e m e n t a t i o no ft h i s s y s t e mv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t yo f c o m b i n a t i o no fe m b e d d e dt e c h n o l o g i e sa n df i e l db u s ，n l em a i nc o n t e n to ft h ef i r s tc h a p t e ri st oi n t r o d u c et h i sd i s s e r t a t i o n sw o r ka n d p u r p o s e i nt h es e c o n dc h a p t e rt h ec u r r e n tm a i nt e c h n o l o g i e sa n dt r e n d si n v o l v e di n e m b e d d e dr e m o t ec o n t r o l i n ga n dm e a s u r e m e n ts y s t e m sa r ei n t r o d u c e a ，l e ya l et h e i n t e r a c ta c c e s s i n gm e t h o d s ，c o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gm e t h o d so fd a t ai nh i 曲- s p e e d s y s t e m ，a n dt h em e c h a n i s m si nd a t as e c u r i t ys o l u t i o n s i n t h et h i r d c h a p t e rt h i st h e s i si n t r o d u c e s t h ed e t a i l e d d e s i g n o far e m o t e m e a s u r e m e n ta n ds u p e r v i s i n gs y s t e mb a s e do nc j 悄f i d db u st e c h n o l o g y ，w h i c h i n c l u d e sg e n e r a ls y s t e md e s i g n , h a r d w a r ed e s i g n ，r e a l t i m ep r o c e s s i n gd e s i g n ，c a nb u s c o m m u n i c a t i o n ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n dr e m o t em a i n t e n a n c ed e s i g n n ef o r t hc h a p t e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p i n gp r o c e s so fc a nf i e l db u sd r i v e r w h i c hi n c l u d e s g e n e r a ld e s i g n a n ds o f t w a r e i m p l e m e n t a t i o np r o c e s s ，n l e i m p l e m e n t a t i o ni sr e a l i z e da n dv e r i f i e do i lp o w e r p cd e v e l o p i n gb o a r d ，a n dt h em a i n a c h i e v e m e n ti s 也ec o m m u n i c a t i o nm o d u l ef o r ( 凇nc o n t r o l l e rp h 匝d ss j a l0 0 0 t h e a b s t r a c t i m p l e m e n t a t i o no fc o m m u n i e a t i o nm o d u l ef o rc a nc o n t r o l l e rv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo f s y s t e m t h ei n t r o d u c t i o no fc a n f i e l db u sd e m o n s t r a t e st h ep o s s i b i l i t yo fs i m p l i f y i n g t h ec o n n e c t i o nb e t w e e nd e t e c t o r sa n dl o c a ld e v i c e s w h a ti sm o r e ，t h ec a n f i e l db u s c o u l db ea d o p t e dt of o r md i s t r i b u t e ds y s t e mw h o s ef u n e t i o ni st ot r a n s p o r tr e a l t i m e d a t a t h i sk i n do fs y s t e m sc o u l dc o n n e c ti n d u s t r i a ld e v i c e sw i t hh i g h - l e v e lm a n a g i n g a n dc o n t r o l l i n gn e t w o r k s ，t h es h a r i n gi n f o r m a t i o nm a k ei t e a s ya n de f f e c t i v et o s u p e r v i s ea n dc o n t r o lt e e dd e v i c e sv i ar e m o t ea p p l i c a t i o n t h el a s tc h a p t e rs u m m a r i z e st h e p u r p o s eo ft h i s d i s s e r t a t i o na n dg i v e st h e e x p e c t a t i o n so nh o w t oi m p r o v es y s t e mi n s p e c t so fs y s t e mr e l i a b i l i t ya n dd a t as e c u r i t y k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，r e m o t ec o n t r o la n dm e a s u r e m e n t ，r e a l - t i m es y s t e m ， f i e l d b u s m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：叠丛拯 日期：工p 矿拿年彳月2 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：壹叁捌- 导师签名：乏整垒至 饵飙1 年夕月多日 第一章绪论 1 1 问题的提出 1 1 1 远程控制的需求 第一章绪论 随着国民经济和工业化的高速发展，各种控制系统与工业自动化控制、测量 设备大量出现在生产过程中，大大提高了生产效率，产生了良好的经济效益，同 时节省了大量人力物力成本。远程控制是指在一定距离内，主机系统通过一定媒 介( 有线或者无线)向远端设备或者独立系统发出各种指令，同时定期按照被控 制设备回送的状态进行判断、诊断并做出相应处理的机制。远程控制与测量系统 一般应用于人员无法达到或者高危特殊工作环境中的，例如钢铁厂炼钢高炉的温 度控制器、携带放射源的医疗设备控制部分等等。还有一些应用场合是出于节约 成本提高效率的初衷，例如远程抄表系统，高速公路自动收费系统等等。正是以 上等等需求，促成了远程控制测量系统的大力发展。与此同时，更新更快一轮的 产业革命也对远程控制系统的各种性能提出了更高的要求。 1 1 2 远程测控技术与嵌入式系统的结合 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适 用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。 它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序 等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。虽然嵌入式 系统是近几年才风靡起来的，但是这个概念并非新近才出现。从2 0 世纪七十年代 单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器，微控制器的大规模应用，嵌入 式系统已经有了近3 0 年的发展历史。嵌入式系统的各种特点，例如：对实时多任 务有很强的支持能力、具有功能很强的存储区保护功能、可裁剪的软件结构、系 统低功耗等等。正是以上特点决定了嵌入式技术与远程控制技术的必然结合。为 了实现远程控制，主控端与被控端必须有良好连接保障，而网络与i n t e r n e t 的大发 展为远程控制提供了无可替代通讯媒介与机制。基于w e b b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 远程 电子科技大学硕士学位论文 监控技术的应用也越来越广泛。这种技术用于工业现场控制与监控，操纵人员可 以在任意有i n t c r n e t 接入的地方对网络中的所有受操纵与监控设备进行管理，是当 前真正意义上的备受关注的工业控制远程监控系统。典型的应用于网络的远程控 制系统基本结构如图1 1 所示： 图1 1 典型的应用于网络的远程控制系统基本结构 1 2 本文的主要工作 本文就是在这样的背景下，讨论了嵌入式系统与远程控制测量技术结合的发 展趋势，阐明了典型的系统实现方法。重点研究并实现了在模拟硬件开发平台上 的远程测控系统，同时采用了当今流行的现场总线技术，实践了流行总线技术的 实现。具体的主要研究和设计工作如下： ( 1 ) 对现有的远程控制嵌入式系统进行了综合归类和研究，详细讨论了各 种系统的特点； ( 2 ) 分别按照嵌入式系统接入i n t e r n o t 方式、高速系统的采集端技术、数据 处理端技术、嵌入式系统安全解决机制等介绍了当今相关主流技术。 ( 3 ) 详细研究并在设计中引入了当前流行的c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 现场总线用于系统当中，为现场总线技术应用于嵌入式远程测控系统 提供了可能。 2 第一章绪论 ( 4 ) 结合前文与现有的系统，对设计系统在数据安全与系统可靠性方面提 出了下一阶段的改进方案与建议。 1 3 本文的组织 本文围绕嵌入式技术与远程测控系统的结合进行了研究，在分析总结现有的 系统的基础上，结合当今主流现场总线技术，设计并在硬件仿真平台上部分实现 了系统功能。本文主要内容组织如下： 第一章系统阐述了嵌入式技术对测控系统的深刻影响，介绍了远程测控系统 的典型结构，以及本文课题的来源和主要工作。 第二章详细研究了远程嵌入式测控系统的产生和发展趋势，列举了典型的系 统并详细讨论了各个系统的特点，客观的评价了各种系统的适用环境和性能。 第三章的前半部分介绍了系统设计和实现的软硬件平台和主要用到的相关技 术。后半部分在前文技术性总结的基础上设计了一套基于c a n 现场总线的嵌入式 远程测控系统，并给出了实时任务模块、c a n 总线通讯模块、网络通讯模块和远 程维护模块的详细设计。 第四章重点介绍了c a n 总线控制器驱动程序的开发过程，包括总体方案设计、 硬件设计、软件实现。 第五章对系统特点的总结和对未来工作的展望，进一步指明了下步的工作重 点。 电子科技大学硕士学位论文 第二章对现有远程嵌入式测控系统的总结和研究 计算机技术和嵌入式技术的发展在2 0 世纪末给工业界带来了量和质的飞跃。 随着网络技术的兴起，控制测量系统向网络化、智能化、开放性的发展成为这一 领域的潮流。本章将在研究当今主流的远程嵌入式测控系统的基础上，对其进行 概述与分类，并对其应用环境和性能做出客观评价。并对第三章的设计工作起到 了参考与指导作用。 对现行的嵌入式远程测控系统的分类可以基于如下的几个方面： ( 1 ) 接入i n t e r a c t 的方式。在许多应用场合下主机( 管理人员) 与被控单元距 离非常遥远，并且需要有随时随地接入网络对设备进行管理，如数字移动电话基 站，带网络管理功能的路由器或者交换机等。 ( 2 ) 数据流量密度的不同。某些系统对数据的采集密度与传输速率要求非常 高。例如多媒体机顶盒，在应用于视频点播功能时，数据流对系统的稳定性与带 宽的要求非常高。某些简单的控制系统却没有这么高的性能要求。 ( 3 ) 对于安全性的要求。不同的嵌入式远程测控系统对不同的应用场合有着 不同级别的安全性要求。银行a t m 机，在处理与传输数据的过程中，对于数据的 保密性与容错性都有极高的要求。远程抄表系统却没有那么极端的要求。 2 1 接入in t e r n e t 不同方式的研究 本节介绍了嵌入式i n t o - n e t 接入技术的发展近况以及其基本概念和原理，重点 阐述了几种接入方式以其工作原理，t c p i p 协议族处理所需的软硬件环境，并列 举了相对详细的解决方案，最后对这几种方式进行了比较与总结。 2 1 1 技术背景介绍 嵌入式i n t e m e t 是嵌入式技术与i n t e m e t 的结合，嵌入式系统由嵌入式处理器、 嵌入式操作系统、嵌入式应用软件部分、外围功能电路组成。一般的外围电路包 括一些可编程逻辑器件，如c p l g 、d s p 、f p g a 专用处理器与适配电路等。而与 i n t e r n e t 相连部分必须有相应的接入协议，如通用的t c p i p 协议族。因此实现嵌入 式i n t c r n c t 的基本思想方法就是在嵌入式处理器与操作系统的基础上实现接入 4 第二章对现有远程嵌入式测控系统的总结和研究 i n t e m e t 协议的设计与实现工作。 ( 1 ) 嵌入式处理器 单片机系统就是典型的嵌入式系统，比较经典的有i n t e l 的8 5 0 1 系列、m s c s l 系列、m o t o r o l a 的m 6 8 h c 0 5 、a t m e l 的a v r 系列。比较高端的嵌入式处理 器，著名的有a r m 系列、m i p s 和m o t o r o l a 的p p c 系列，嵌入式处理器的种 类非常多，以上列举的是通用类型的嵌入式处理器，还有专业领域的嵌入式处理 器，如d s p ，f p g a 等用与高速数据处理的场合，这里就不详细介绍了。 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，直接影响了整个系统的性能与成本，决 定了接入i n t e m e t 的方式和成本。 ( 2 ) 嵌入式操作系统 通用的嵌入式系统与桌面系统一样，有相当多种类的软硬件资源需要管理与 协调，如处理器的时间片、内存、外围器件i o 端口等。嵌入式系统要实现复杂的 功能，例如和i n t e m e t 连接，就不能像单片机那样直接从驱动层直接编写应用软件， 必要要有操作系统作为运行平台，实现较为复杂和多样的应用软件。出于嵌入式 系统的应用场合和资源限制，系统硬件不能像桌面系统那样提供充足的存贮能力 与运行环境。一个典型的嵌入式操作系统大小在几百k 字节左右。同时，嵌入式 操作系统必须是实时的，必须在规定的时间内对特定的事件做出合理响应。最后 嵌入式操作系统适应性强，需要适应不同种类的嵌入式处理器。 当前主流的嵌入式操作系统多为实时多任务类型( r t o s ：r e a l t i m eo p e r a t i n g s y s t e m ) 。r t o s 是嵌入式应用软件的运行环境，与通用的桌面系统不同的是，其 是以源码或者代码库的形式存在，与应用程序共同编译成二进制文件加载到目标 平台执行。r t o s 是一个标准内核，将c p u 执行时间片、中断、i o 端口、定时器 等资源统一包装起来，用户根据系统提供的a p i 来访问这些资源。通过这种方式 r t o s 可以对访问资源的不同优先级任务给予不同的访问权限以及访问顺序。针对 处理器型号优化过的商业r t o s 内核可以适用于几十个系列的处理器，包括m c u 、 d s p 等，并且能够提供功能类似的a p i 。这使得相同的嵌入式应用程序能够在只 变换l s 的基础上，在不同硬件平台上实现移植性。同时在r 1 s 上可以用通 用性极强的c 或c + + 编写出硬件驱动和行业通用的库函数，产品库函数等等，为 行业内技术交流提供了良好的平刨1 | 。 典型的商业r t o s 内核有w h d r i v e r 公司的v x w o r k s 系列、微软的w i n d o w s 电子科技大学硕士学位论文 c e 、e n e a 的o s e 系列、n u c l e u s 、以及e m b e d d e dl i n u x 等等。 ( 3 ) 接入i n t e m e t 的协议种类 嵌入式系统接入i n t e m e t 和桌面系统一样，也需要相应的接入协议。由于目前 的i n t e m e t 广泛采用t c p i p 协议族，所以嵌入式设备要接入i n t e m e t 必须要支持 t c p i p 协议。嵌入式系统中的应用层数据经过系统中协议栈处理后变成可以在网 络上传输的数据包。如果采取网关或者防火墙形式接入i n t e m e t ，则可以在网关或 者防火墙前段加入专门处理专用协议的嵌入式系统，通过网关处理后变为标准的 口包在i n t e m e t 上传输。 由于嵌入式系统的处理能力不强，且网络上的报文的复杂程度高，使得处理 通信协议成为嵌入式系统接入i n t e r a c t 的关键技术。以下的部分将介绍几种接入方 式以及对协议的不同处理方法。 2 1 2 嵌入式系统接入in t e r n e t 的几种方法 ( 1 ) 通用嵌入式处理器实现t c p i p 协议栈方法 采用实现协议栈的方法，对嵌入式系统的硬件要求比较高，一般采用性能较 好的3 2 为嵌入式处理器，如3 2 位的a r m 、m i p s 系列，或者一些单周期指令但 是速率较快的8 位机，如富士通的m b 9 5 f 1 4 6 系列。系统的框图如图2 1 所示： 气 ：i 嵌入式处哩器 ， ， ， m 聊 、 n b 1 ，秒01 磁 生 i n t e m e t 滞ji w 曲豫嘲 j 图2 - 1 通用嵌入式处理器实现t c p t i p 协议栈法 实现t c p i p 的具体方式有两种。第一种是以r t o s 为运行平台，编写应用软 件直接处理t c p i p 协议内容。现在主流的实时嵌入式操作系统功能越来越强大， 许多商业的r t o s 具有对图形化界面和t c p i p 的支持能力。这种开发方式最为灵 活，能够根据用户的需求灵活剪裁操作系统的主要功能部分，当然灵活性带来的 也是复杂度的提高，对开发人员的要求也较高，对操作系统和t c p i p 都要有相当 的熟悉程度，因此开发周期也相对延长，另外一个方面r t o s 和高性能处理器的 成本较高。 另外种解决方案是利用固化了的t c p i p 芯片，如精工仪器的$ 7 6 0 0 a 等， 6 第二章对现有远程嵌入式测控系统的总结和研究 其支持h t f p 、s m t p 、p o p 3 、m m e 等多种协议，通过外部电路处理t c p i p 协议 报文，也可以利用s x 单片机加虚拟外设的情况。s x 系列单片机采用c p u 并行流 水线和单时钟周期指令，极限运行速度系数达到1 ，达到最大值，支持的外部晶振 频率为1 0 0 m h z ，因此最大执行速率可达1 0 0 m i p s 。s x 系列单片机的最大特点是 支持外设，可以将许多功能( 双音多频接收与发送，t c p i p 协议等) 设计成软件 模块，需要使用某种功能时就调用相应的模块，其效果等同于安装对应的外围电 路，但是虚拟外设的配置相当灵活，且对应的外围电路简单。这种方法比起全部 靠软件实现开发难度有所降低，但还是需要熟悉相关的t c p i p 协议和接口等【2 】。 这两种实现接入i n t e r a c t 的方式类似于在嵌入式系统上实现协议站与网卡的功 能，由嵌入式处理器直接实现协议栈功能，复杂度较高，且每个处理器需要一个 口地址，造成资源的浪费。这种实现方式成本较高，可以用在比较高端的系统中。 还有一个好处是不需要额外的网管设备。 ( 2 ) 通过w 曲i t 的方式接入i n t e r e n e t w e b i t 是国内厂商研发的一种嵌入式系统接入i n t c m e t 的方法，在一块电路板 上集成了微控制器( m c u ) 和网络适配器，再将这块电路板集成到嵌入式系统中 就可以实现系统与i n t e r n e t 的互联。w e b i t 电路板有自身的p 地址，与之前的两种 方式类似，不同的是将t c p i p 处理工作完全独立出来，由w e b i t 来处理，具有更 高的系统集成程度。这样系统的研发人员可将主要精力集中在系统本身的应用程 序上，大大的节约了开发时间，降低了系统复杂度【3 】。 w e b i t 系统的总体设计是一个基于a v r 的单片机系统，片上系统有8 k b 的f l a s h 空间来存放系统的应用程序，5 1 2 b 的r a m 作为内存空间，另外的5 1 2 b 的e e p r o m 作为存放系统参数( i p 地址，m a c 地址，串口的波特率等等) 。单片机的外围电 路中有一片专门存放w e b 网页的e e p r o m ，与一块1 0 m 的以太网适配器，用来 和以太网相连。w 曲i t 与嵌入式系统相连的部分则是1 匝电平，u a r t 的1 4 位f o 串口，系统的结构图如图2 2 所示：。 疗：，蠹啪e t ，霉：。 w e bb 誓羔5 1_ 图2 - 2w e b i t 方式实现系统接入i n t e m e t 这种接入方式也不需要独立的网关，无需p c 机，软硬件可以独立设计，开发 成本比较低【4 1 。 7 电子科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 利用专用的嵌入式网络协议 由e m w a r e 公司开发的嵌入式微型因特网互联技术( e m i te m b e d d e dm i c r o i n t e m e t w o r k i n gt e c h n o l o g y ) 是将嵌入式电子设备接入i n t e m e t ，实现i m e m e t 互联的 技术。e m i t 系统主要由e m m i c r o 微型w e b 服务器、e m g a t e w a y 网关、w e b 客户 机和e m i t 接入函数库四部分组成，e m i t 已广泛应用于智能建筑、智能家居、智能 社区中嗍。 近年来出现嵌入式i n t e m e t 概念，指设备通过嵌入式模块而非p c 直接接入 i n t e r n e t ，以i m e r n e t 为介质实现信息交互过程，国内有关单位也开始研制嵌入式 i n t e r n e t 有关产品。除了e m g a t e w a y 网关，另外的组件都运行在m c u 或者嵌入式 处理器上，为嵌入式系统和其他网络( r s 4 8 5 、i r 、r f 和电力线) 等提供连接方 法。而嵌入式微控制器网管( e m g a t e w a y ) 运行在计算机、多媒体机顶盒或专用的 家用电器服务器上，它是设备网络和i n t e t n e t 之间连接的桥梁。e m i t 的系统结构 如图2 3 【6 】所示： c l 比n t d e c e 图2 - 3e m i t 系统结构框图 具体来说，e m i t 系统利用桌面系统或者高性能嵌入式处理器作为网管 e m g a t e w a y ，其支持t c p i p 协议并运行i n t e r n e t 应用程序，形成了一个客户可以 通过浏览器访问的远程服务器，e m g a t e w a y 网关通过串i z lr s 4 8 5 、r s 2 3 2 ，和射频 口或者红外接口总线将多个嵌入式设备连接进来，在每个独立的嵌入式设备的应 用程序中有e m i t 系统的通讯任务叫做e m m i c r o ，可以监控嵌入式设备中预设的 各种状态并上报到e m g a t e w a y ，同时从e m g a t e w a y 传输进来的命令也是通过 e m m i c r o 来解析，并且通过修改嵌入式系统中的参数来达到控制的目的。 除了e m g a t e w a y 的整个e m i t 系统也叫e m n e t 。整个系统的框架结构如图2 - 4 8 第二章对现有远程嵌入式测控系统的总结和研究 所示： 艚! i n t e r a c t 一 w e b b r o w s 嘞 - ， j - 图2 - 4 专用嵌入式网络协议接入方式 开发人员必须熟悉e m n e t 的各种协议与接口，并且软硬件设计的工作量依然 比较大。并且由于要运行e m n e t 对嵌入式处理器的要求比较高，同时需要p c 机 作为网关。有一个好处是利用一个口地址可以连接多个嵌入式系统到i n t e r n e t ，达 到资源合理利用的目的。 ( 4 ) 使用专门芯片w e b c h i p w e b c h i p 是由国内的力源公司开发出的使嵌入式电子设备或家用电器与网络 方便连接的解决方案。w e b c h i p 是独立于嵌入式处理器的网络专用接口芯片，它通 过标准的输入输出与各种嵌入式处理器或者微控制器相连接。嵌入式系统通过 w e b c k i p 与网关相连既可以接收并且执行由i n t e r a c t 远程传来的数据或者命令，也 可以将这些消息经由w e b c h i p 发送到i n t e r a c t 系统框图如图2 - 5 7 】所示： f t n i e r n e t ：= 甜j ：蠢 ，w e bb r o w s e r 。点：j “? 、二“ ：，- 图2 - 5w e b e h i p 专用嵌入式网络芯片接入方式 在w e b c h i p 的内部固化有m c u n e t 协议，其与e m i t 的e m g a t e w a y 协议是相 互兼容的，是m c u 电子设备与p c 平台上的g a t e w a y 建立连接的一种软件协议。 m c u 部分与g m e w a y 之间的通讯由m c u n e t 处理。m c u n e t 协议结构简单， 但功能强大。w e b c h i p 的主要工作就是解析通讯协议，控制数据传输，使m c u 应 用程序不用关心具体的网络协议内容，只需要解析和执行w e b c h i p 传送来的指令 即可。w e b e h i p 将m c u 传送来的数据封装成符合协议要求的格式，发送至g m e w a y 。 而由网络来的数据则经过相同的处理过程，只不过方向与顺序相反。 w e b c h i p 通过串行外围接口s p i 与嵌入式主机进行通讯，通讯协议是由基本的 1 7 条简单指令组成的。另一端则是通过通用串口协议r s 4 8 5 或者r s 2 3 2 等接口电 路与基于p c 的网管系统相连。w e b c b _ i p 在系统中起了底层协议封装、翻译与转换 的作用。增加基于p c 机的网关是出于网关能够提供h t f p 协议，又可与网络浏览 9 电子科技大学硕士学位论文 器接口。这种系统最大的优点是对处理器的要求不高，在运行速度、存储器容量、 硬件配置方面均没有特殊的需求。只要在原有的应用程序中加入一小段接口代码 既可以完成应用程序与w e b c h i p 的通信工作。开发工程师完全没有必要掌握网络 协议只需要解析并且执行w e b c h i p 传送来的指令即可。其开发周期更短，配置也 比较灵活。 2 1 3 典型的嵌入式系统上实现t c p ip 协议栈接入方案 本节将列举典型的嵌入式处理器上实现t c p i p 协议栈的方法，与以上介绍的 w e b i t 方法类似，同时讨论了在设计过程中出现的各种问题及其解决方案。此方案 涉及到的主要问题有如下的几个方面： 2 1 3 1 面向于测控的t c p i p 协议的分析 t c p i p 协议从上世纪七十年代诞生起一直是面向长距离、长时间、可靠性强、 高速的数据传输，对实时性等方面要求不高。但在嵌入式系统中底层传输的数据 多为实时触发的少量数据，因此在以往的嵌入式系统中采用的大多为专用数据传 输协议，例如c a n 、f f 、l o n 、p r o f i b u s 等控制网络总线协议【8 】。 以太网技术和i n t e m e t 的普及，t c p i p 协议的小型化技术的发展，以及底层控 制网络与上层应用层通信从而形成控制和管理一体化网络的需求越来越强，这些 外在客观条件都促使了面向于控制应用的t c p i p 协议研究【9 】。 由于嵌入式测控系统对系统响应时间、设备体积与功耗、成本等有比较严格 的要求，其特点不同于通用的桌面应用系统。因此当t c p i p 应用与嵌入式系统中， 它具有许多标准t c p p 协议不具备的特点【l o 】。 概括一下应用于嵌入式测控系统t c p i p 协议的特点： ( 1 ) 协议的简化 限制于嵌入式处理器的性能与应用的需求，嵌入式系统中的t c p i p 协议往往 不是t c p i p 协议族的全集。例如一些应用层协议如t e l n e t 、s m t p 等，一些应用 层一下的网络管理协议如i c m p 、s n m p 等通常不会包含在嵌入式系统中。 ( 2 ) 路由功能的弱化 由于大多数接入i n t e r n e t 的嵌入式系统( 专门的网络设备，路由器、交换机除 外) 都只作为网络终端而非具有路由转发功能的网络节点，同时系统的实时性要 求应用于测控的主机尽量不参与网络路由的管理，因此在主机系统中只保留少量 1 0 第二章对现有远程嵌入式测控系统的总结和研究 的路由信息，只负责本地的投递与默认路由。 ( 3 ) 出于系统实时性的要求 大多数嵌入式系统对系统的响应时间是有严格的要求的。而最初的t c p i p 协 议是为了连接不同物理层网络而产生的，故t c p i p 协议是按照分层原则来设计实 现的。然而这样的组织结构最终导致了实时通信的降低，在控制应用中这是对系 统很不利的因素。对于面向于测控系统的t c p i p 协议的改造，可以压缩协议栈的 层次，只要能够正确地拆分和组装协议报文即可，这样做使得原来的层次结构不 是很清晰，但是保证了系统实时性的要求。 ( 4 ) 以网关的形式出现 在当前的远程测控系统的网络中，专用的协议还是比较普遍。为了节约网络 资源与和现有的i n t e m e t 实现互联，远程测控系统中的t c p i p 协议的实现多是 以网关的实行出现的。它实现了通用协议与专用协议的转换。网关与专用测控子 网络通信，可以交换多个测控现场的数据，也有利于实现稳定的数据传输。下图 给出了基本的i s o 七层协议模型，通用的t c p i p 协议与经过简化的面向与嵌入式 测控系统的t c p i p 协议比较图如图2 _ 6 1 1 1 所示： 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 协议内容tcgip协议 嵌入式t c p i p 协议 图2 - 6 三种协议的层次结构比较 嵌入式操作系统直接面向硬件，且由于资源有限，所以嵌入式t c p i p 协议在 1 1 电子科技大学硕士学位论文 应用层相对于其他两种结构要简单很多。同时不同的连接到i n t c m a 的嵌入式系统 对应用层的要求不同，且应用的协议的实现还要与链路层实现的协议相对应。因 此系统的实现者应根据本身的需求和链路层协议的实现来选择或者简化应用层协 议。 2 1 3 2 面向于测控的t c p i p 协议的实现方案 目前应用于嵌入式测控系统的t c p i p 协议的实现方式有很多种，每种系统都 有各自的优缺点。下面列举两个设计方案，同时说明方案选定过程中的思路与技 术要点。 系统的设计目标：设计一套包含了基本的t c w i p 协议栈的网关系统，实现不 同嵌入式专用协议同t c p i p 网络互联的目的。系统一段连接到通用的以太网，另 一端通过通用串口或者专业通讯卡连接到某个测控设备或者设备控制子网，以实 现测控信息以p 数据报形式传递。同时，应综合考虑系统实现的成本与系统效率。 ( 1 ) 低成本解决方案 此方案适合于对成本比较敏感且对性能要求不高的用户，采用了价格较为便 宜的8 位或者1 6 为微控制器( m c u ) 与通用的以太控制器作为主要的硬件平台， 软件方面没有专用的嵌入式操作系统作为支持，只能实现较为单纯的网络连接处 理功能。典型的低成本微控制器有m i c r o c h i p 的p i c 系列、5 1 系列的增强型号 c 8 0 5 1f x x x x 等。低端系统对于数据流量要求不大，故可采用低速的网络控制器 设备，如r t l 8 0 1 9 ( 1 0 m ) 、d m 9 0 0 8 ( 1 0 m ) 、r t l 8 1 3 9 ( 1 0 0 m ) 等。网关的另一端是 通过r s 2 3 2 与单个测控单元相连接，或者是以速率较快的r s 4 2 2 4 8 5 、c a n 等 专用的控制协议与专用控制网络相连。解决方案的系统框架图如图2 7 所示： 控制网络 一， 数据总 工 专用控制网络 r x 线 以太网络 卜一 m c u 控制器 适配器 t x 佥 车 7 簿! 镳网 。t 乎 图2 7 低成本解决方案系统框架图 传统的t c p i p 协议栈的实现中需要很大的系统主存用来存放等待应答的t c p 包，在报文被应答后可被删除，超时则重传。出于低成本解决方案的硬件条件， 不可能提供大量的系统主存来存放未应答的t c p 报文。当系统需要重传t c p 报文 时，如果系统只保存了组成报文的数据，而不是包本身，则不需要大量的存储空 1 2 第二章对现有远程嵌入式测控系统的总结和研究 间用来存放未应答报文。现场组装重传报文，虽然增加了处理器负荷，拖延了报 文传输时间，但是在系统性能与功能实现、成本之间达到了平衡。如果在嵌入式 系统把所有报文都读入内存后再判断是否该丢弃也会占用大量的宝贵主存。所以 采取适当的机制，在把包读入主存的同时就判断是否丢弃该报文能节约大量的系 统资源与相应时间。如果在程序中能预先定义帧的各部分的相对位置，可以方便 的对帧的各部分寻址。这样是出于增加访问速度而考虑的。 s x 5 2 是美国s c e n i x 公司开发的8 位微控制器，它能够灵活配置通用f o 端口， 实现不同协议通讯网络的物理层接口。内置的f l a s h 和虚拟外设，降低了器件成 本。r t l 8 0 1 9 a s 为当今非常普及的1 0 m 以太网控制器，在应用中它有三种工作模 式：j