（控制科学与工程专业论文）网络化仪表的研究.pdf

网络化仪表的研究 摘要 随着信息时代的到来，传统的仪表已经远远不能满足人们对信息的需求， 如何充分利用i n t e r n e t 软硬资源是如今仪表发展应用中最热门的课题之一。网 络化仪表正是在这一背景下应运而生。它既可以像普通仪表那样按设定程序对 相关物理量自动进行测量、控制、存储、显示和通信；又可以允许被授权的人 员通过i n t e r n e t 对仪表进行远程操作，包括实时监控、获取历史数据、设置参 数和故障诊断等。因此，网络化仪表可以让人们不受时间地理位置限制，在任 何时间任何地点都能够共享、获取分布在世界各地的信息。本文所提出的网络 化仪表的设计方法，主要包括以太网硬件接口设计和相应的软件设计，在浙江 中控自动化仪表有限公司生产的c 3 0 0 0 过程控制器上得到了应用，解决了该仪 表不能支持多点实时通信、不能远程维护和软件升级等问题。 通过对几种以太网接入方案的分析，我们采用内置以太网通信卡的方式实 现了以太网通信。为了满足仪表可扩充性的要求，我们突破性地采用可编程逻 辑器件c p l d 配合r a m 来实现仪表主机板和以太网通信卡之间的内部数据交换， 同时还要考虑在有限资源的情况下实现大容量地址寻址和t c p i p 协议栈的方 法。在实现以太网通信的基础上我们还进一步研究和设计了嵌入式w e b 服务器、 仪表远程维护、仪表软件远程升级等网络化应用，使c 3 0 0 0 控制器从普通控制 器转变为网络化仪表。 关键词：网络化仪表嵌入式w e b 服务器远程维护远程软件升级 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no u re r ao fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , m a n yt r a d i t i o n a li n s t r u m e n t sc a n ts a t i s f y t h en e e do fp e o p l ef o ri n f o r m a t i o n i th a sb e c o m eo n eo ft h eh o t t e s tt o p i c si nt h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fi n s t r u m e n ti n d u s 打yt h a th o w t oe x t e n s i v e l ye m p l o y t h eh a r da n ds o f tr e s o u r c ei ni n t e r n e t n e t w o r kb a s e di n s t r u m e n t sc o m ei n t ob e i n gi n t h i se n v i r o n m e n t l i k cc o m m o ni n s t r u m e n t s n e t w o r kb a s e di n s t r u m e n t s c a n m e a s u r e ，c o n t r o l ，s a v e ，d i s p l a ya n dt r a n s p o r tm a n yp h y s i c a lq u a n t i t y f u r t h e r m o r e ， t h r o u g hi n t e r n e t ，a u t h o r i z e d u s e r sc a nd om a n ym a n i p u l a t i o n st ot h ei n s t r u m e n t s r e m o t e l y , s u c ha sm o n i t o r i n g ，s u p e r v i s i n g ，h i s t o r yr e t r i e v i n ga n df a u l td i a g n o s i s t h e r e f o r e ，u s i n g n e t w o r kb a s e di n s t r u m e n t s ，p e o p l ec a ns h a r ea n do b t a i n i n f o r m a t i o na l la r o u n dt h ew o r l d ，f r e ef r o mt h el i m i t a t i o no ft i m ea n dl o c a t i o n t h e d e s i g n m e t h o do fn e t w o r kb a s e di n s t r u m e n t s ，i n c l u d i n ge t h e m e th a r d w a r e d e v e l o p m e n ta n dr e l a t e ds o f t w a r ea p p l i c a t i o nd e s i g n ，p r e s e n t e di n t h i st h e s i s ，h a s b e e na p p l i e di nt h ec 3 0 0 0p r o c e s sc o n t r o l l e rm a n u f a c t u r e db y s u p c o n i n s t r u m e n t , t or e a l i z e m u l t i p o i n t r e a l - t i m e c o m m u n i c a t i o n ，r e m o t e m a i n t e n a n c e ，a n ds o f t w a r eu p d a t e ，e t c a f t e ra n a l y s i so fs e v e r a le t h e m e ti n t e r f a c ed e s i g n , as c h e m eo fi n t e r n a l l y i n s t a l l e de t h e m e tc a r dw a sa c c e p t e d t om e e tt h ed e m a n do fi n s t r u m e n te x t e n s i b i l i t y c p l d ，t o g e t h e rw i t hr a m ，w a so r i g i n a l l yu s e d t oc o m m u n i c a t ei n t e r n a ld a t a b e t w e e nt h em a i nb o a r do fi n s t r u m e n t sa n de t h e r n e tc a r d h o wt oa d d r e s si n l a r g e s c a l es p a c e sa n d r e a l i z et c p i pp r o t o c o ls t a c ki nr e s o u r c e - l i m i t e dc o n d i t i o n i s a l s ot a k e ni n t oa c c o u n t b a s e do nt h ec o m m u n i c a t i o nb ye t h e r n e t ，e m b e d d e dw e b s e r v e r , r e m o t em a i n t e n a n c eo fi n s t r u m e n t s ，r e m o t es o f t w a r eu p d a t eo fi n s t r u m e n t s ， e t c ，a r es t u d i e da n dd e s i g n e d t h en e t w o r kb a s e dc 3 0 0 0 i sf i n a l l yr e a l i z e d k e y w o r d s ：n e t w o r kb a s e di n s t r u m e n t s ，e m b e d d e dw e bs e r v e r , r e m o t e m a i n t e n a n c e ，r e m o t es o f t w a r eu p d a t e i i 网络化仪表的研究 1 1 仪表的发展概况 第一章绪论 人们对自然界的认识在很大程度上取决于检测和仪表。检测技术和仪表是现 代科学技术水平高低的一个标志。回顾仪器仪表的发展历史，可以把仪器仪表 分为三代【1 2 1 。 第一代仪器仪表是传统的模拟仪表。5 0 年代以前一直到6 0 年代都属于模拟 仪表。模拟仪表是仪器仪表发展的最初阶段。它的功能是完全由生产厂商在产 品出厂前就定义好的。传统的模拟仪器仪表几乎没有软件，用硬件本身实现仪 器仪表的功能。模拟仪器仪表的最大缺点是：体积庞大、功能单一、价格昂贵、 开放性差。 第二代仪器仪表是智能仪表。7 0 年代以来，随着微处理器的广泛应用，仪器 仪表技术在模拟仪器仪表的基础上有了一定的发展，应用了一些计算机方面的技 术。这种仪器仪表以微电子器件代替常规的电子线路，以微处理器为核心，具有 信息采集、显示、处理、传输，以及优化控制等功能，可以通过标准的i e e e 4 8 8 接口由普通计算机控制。智能仪器的出现与发展推动了仪器仪表行业的发展，并 对其产生了深远的影响。 第三代仪器仪表是个人仪表和虚拟仪表。8 0 年代初随着个人计算机的广泛 应用，出现的以个人计算机为基础的个人仪器也称为p c 仪器。它将传统的独立 仪器仪表与个人计算机的软件硬件资源结合起来，因而具有较高的性价比。8 0 年代后期，虚拟现实技术的引用，使个人仪器在意义与概念上更进一步，出现 了虚拟仪器。虚拟仪器从其结构上来说，就是把计算机硬件技术、软件技术和 仪器硬件有效结合在一起。随着计算机处理能力的迅速提高，具有很好性价比 的高分辨率图形显示设备和数千兆的高速硬盘的普遍应用，尤其是计算机总线 技术的发展，导致了v i 在p x i ( p c ie x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ，面向 仪器系统的p c i 扩展) 和v x i ( v m e b u se x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ，v l k t e b u s 在仪器领域的扩展) 两个领域中得到了高速的发展。v i 的优点在于：软件使得 丌发和维护的费用降至最低，技术更新周期短，价格低，可复用与可重配置性强， 浙江大学硕士学位论文 用户自己定义仪器功能，很好的开放性，可以与周边其它计算机互连等。 1 2 现阶段仪表发展趋势 现今仪表发展的主要趋势主要集中在智能化和网络化两方面。 1 2 1 智能化 智能仪表是将人工智能的理论、方法和技术应用于仪器仪表，使其具有类似 于人的智能或功能的仪器仪表。智能仪表中一般都使用高性能的嵌入式微处理器， 或数字信号处理器以及专用电路，并且仪器仪表内部带有处理能力强大，功能丰 富的智能软件【1 6 _ 1 8 1 。仪器仪表已不再是单纯的硬件实体，而是软件和硬件的结合。 软件的智能高低在智能仪表中起了重要的作用。 高性能嵌入式微处理器在仪器仪表上的应用，取代了原来许多笨重的硬件， 并且使仪器仪表的内部结构和人机界面得到了改观。功能丰富的智能软件和友好 的人机界面，使得仪器仪表的操作更为简单和人性化，节省了许多开关和调节旋 钮。智能仪表可以实现许多模拟仪表无法完成的功能，比如通过键盘或者遥控接 口接收命令，并用来控制仪表的运行，对测量得到的数据进行智能分析、处理、 显示和传送。 智能仪器具有如下特点： 1 ) 友好的人机交互界面。使用者可以通过界面和按键，用对话的方式选择 功能、设置参数、得至u 测量结果； 2 ) 强大的信息记忆功能：智能仪器仪表内置海量的存储器，既可以用来存 储测量公式、相关的数学模型，又可以用来存储各种实时数据、历史数 据和操作人员的操作信息； 3 ) 丰富的数字处理功能：智能仪器仪表可以按设定的程序对测量数据进行 求平均值、对数、方差、标准偏差等数学运算； 4 ) 复杂的控制功能：智能仪表可以对测量数据分析、比较和推理，按定 的策略输出相应的控制信息； 5 ) 自检自诊断功能：仪器仪表内含的自测试程序可以对仪器仪表自身各部 分进行检测，验证能否正常工作。自检合格后提示用户。如果自检不合 2 网络化仪表的研究 格，运行自诊断程序，进一步检查仪器仪表内出故障的部分，并显示相 应的信怠。若仪器仪表中考虑了替换方案，则经过内部协调和重组还可 以自动修复； 6 ) 自补偿自适应功能：智能仪器能适应外界的变化。比如，能自动补偿环 境温度、压力等对被测量的影响，能补偿输入的非线性，并根据外部负 载的变化自动输出与其匹配的信号。 1 2 2 网络化 随着传感器技术、通信技术和计算机技术的发展，出现了多种工业控制网 络。其中，以现场总线控制系统和工业以太网的应用最为广泛。 1 现场总线控制系统： 现场总线控制系统是利用开放的、可互操作的现场总线网络将现场控制器 和现场智能仪表连接起来，构成新一代实时网络控制系统。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的仪器仪表，使它们各自都具有了 数字处理和数字通信的能力，成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点。 它们通过双绞线等多种途径进行信息传输，把多个测量控制仪表、计算机等作 为节点连接成网络系统，通过公开、规范的通信协议，在位于生产控制现场的 自控设备之间、以及现场仪表与作为监控、管理的远程计算机之间，实现数据 传输与信息共享，形成各种适应实际需要的自动控制系统【1 。 现场总线是工业控制系统的新型通信标准。采用现场总线技术可以促进现场 仪表的智能化、控制功能分散化及控制系统开放化，符合工业控制系统领域的技 术发展趋势。世界各国的技术协会、各大公司、各国的标准化组织，还有国际电 工委员会以及国际标准化组织对现场总线技术的标准化工作都给予了极大的关 注，也使得目前现场总线国际标准化工作出现了复杂的局面。目前己开发出了4 0 多种现场总线，其中最具影响力的有f f 、p r o f i b u s 、h a r t 、c a n 和l o n w o r k s 1 1 - 1 4 。 2 工业以太网： 以太网具有传输速度高、低功耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，由于 它支持几乎所有流彳亍前网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。 3 浙江大学硕士学位论文 近些年来，随着网络技术的发展，以太网进入了控制领域，形成了新型的以 太网控制网络技术【”。这是由于工业自动化系统向分布化、智能化的方面发展， 这要求通信协议必须具有开放性和透明性。目前的现场总线由于种类繁多，互不 兼容，尚不能满足这一要求。而以太网的t c p p 协议的开放性和透明性使得它在 工控领域通讯这一关键环节具上有无可比拟的优势。工业以太网还具有通信速率 高、协议简单和软硬件资源丰富等优势。 1 3 网络化仪表概述 1 3 1 网络化仪表概念的提出 随着信息时代的到来，以前的仪器仪表已经远远不能满足人们对信息的需求， 因此，如何把现有i n t e r n e t 软硬资源充分利用是值得深思的一个课题。网络化仪 表是一个软件和硬件的有机集合体，它突破了传统的仪器仪表的范畴，可以接受 不受时间地理位置限制的各种操作。但它并不是一些独立仪器仪表的简单组合， 而是借助于网络通信技术的可共享软硬资源的结合体。通过网络通信以及信息载 体的介入，网络化仪器仪表可以随时随地的信息获取各种信息。测量测试的结果 信息也可以通过电缆、光纤、移动通信、无线通信等媒介传输。网络化仪器仪表 是一种涵盖范围更宽、涉及多门学科、应用领域更广的仪器仪表l “”l 。 网络化仪表是个全新的概念，它适合在远程测控中使用，是嵌入式技术、仪 表删控技术、网络通信技术、现代计算机技术和电子技术深度融合的结果。测 量控制仪表接入i n t e r n e t i n t r a n e t ，成为i n t e r n e t i n t r a n e t 中的独立节点， 使之成为执行测量与控制任务w e b 站点。这种嵌入式网络化设各可以像普通仪 表那样按设定程序对相关物理量进行自动测量、控制、存储、显示测量结果以 及控制状态，同时具有重要的网络应用特征。经授权的仪表使用者，通过 i n t e r n e t 可班远程对仪表进行操作、获取测量结果，并对仪表实时监控、设置 参数和故障诊断和控制，其在i n t e r n e t 上动态发布信息可以为所有授权者共 参数和故障诊断和控制，其在i n t e r n e t 上动态发布信息可以为所有授权者共 享。 4 网络化仪表的研究 1 3 2 现有网络化仪表产品 现今，国内外一些大型的电子仪器公司已研究并开发了一系列的网络化仪 表产品，并投入到实际生产中，如网络化的传感器。传感器是一种以一定的精 确度将被测对象转化为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量 装置。网络化传感器是在智能传感器基础上，把t c p i p 协议嵌入到现场智能传 感器的软件中，从而使信号的收发都可以以t c p i p 协议的方式进行。如此，网 络化传感器像计算机一样成为了测控网络中的一个节点，并具有网络节点的组 态性和互操作性。利用局域网和广域网，处在测控点的网络传感器将测控参数 信息加以必要的处理后登陆网络，联网的其他设备便可获取这些参数，进而再 进行相应的分析和处理。此外，还有安捷伦科技有限公司研制出的具有网络功 能的逻辑分析仪，这种网络化逻辑分析仪可实现任意时间、任何地点对系统的 远程访问，实时地获得仪器的工作状态。通过友好的用户界面，可对远程仪器 的功能加以控制，对状态进行检测，还能将远程仪器测得的数据经网络迅速传 递给本地计算机【2 1 。 在信息技术日新月异的现代社会，各类用于生产生活的仪器仪表正向着数 字化、网络化和多媒体化方向飞速发展。网络化仪表作为其中之一显著产物， 也正开始体现出蓬勃生机。 1 4 课题的提出 1 4 1 本文的设计对象 本文的设计对象是浙江中控自动化仪表有限公司生产的c 3 0 0 0 过程控制 器。c 3 0 0 0 过程控制器是种采用3 2 位a r m 7 微处理器和5 6 英寸t f t 彩色液 晶显示屏的可编程多回路控制器。它主要有控制、记录、分析等功能。可通过 串口和c f 卡实现与上位机的数据交换。内部有3 个程序控制模块、4 个单回路 p i d 控制模块、6 个o n o f f 控制模块，可以实现多种复杂的控制方案。 c 3 0 0 0 过程控制器按照i e c 6 1 0 1 0 一l ：2 0 0 1 设计，己通过c e 认证，操作面板 防护等级符合i p 5 4 的要求，适用于冶金、石油、化工、建材、造纸、食品、制 5 浙江大学硕士学位论文 药、热处理和水处理等各种工业现场。 目前c 3 0 0 0 过程控制器已经在各种工业现场被广泛应用。主要应用有：串 级控制、分程控制、锅炉三冲量水位控制、比值控制等。 1 4 2 现有仪表存在的问题 虽然c 3 0 0 0 过程控制器能满足大多数用户的需求，但是还有一些要求无法 满足。比如，有些用户希望在办公室和现场同时和仪表通信，读取实时数据。 由于c 3 0 0 0 过程控制器只支持串口通信，不能支持多点同时通信，所以需要它 具有以太网接口以实现网络化。 c 3 0 0 0 过程控制器功能虽然强大，但也只是单台仪表进行控制。当需要多 台仪表共同进行控制，同时又要保证一定的控制策略时，c 3 0 0 0 过程控制器无 法完成。 在售后服务的过程中也需要c 3 0 0 0 过程控制器网络化。有些用户组态错误， 导致仪表不能正常工作，用户又无法说清楚错误在哪里，所以我们的客服人员 经常为了一个很小的问题要去现场服务，浪费大量人力物力。如果我们可以通 过网络监控仪表，远程为客户服务，那就可以大大提高客服人员的工作效率。 由于仪表内部的智能软件是不断升级的，如果需要客服人员到现场为用户 升级程序，或者通过邮寄的方式更换仪表部件，不但效率低，而且成本很高。 所以需要仪表能通过网络升级智能软件。 1 4 3 课题的主要工作 考虑到用户和客服人员的要求，本文的设计目标就是使c 3 0 0 0 过程控制器 网络化。首先要实现以太网接口，再在t c p i p 协议的基础上实现数据的实时通 信、远程故障诊断和远程的软件升级。 1 5 课题的意义 有些仪表虽然具有以太网接口，如横河的c x 2 0 0 0 ，但是不能称作网络化仪 表。因为它的以太网接口只是负责测量数据的接收和发送，各种各样的操作信 6 网络化仪表的研究 息无法通过以太网传达到仪表。所以这类仪表只能称为以太网接口的扩展，和 网络化仪表还有较大的距离。 本设计的对象是浙江中控自动化仪表有限公司生产的c 3 0 0 0 过程控制器。 随着网络技术的不断发展和深入人心，越来越多的用户要求我们的产品需要有 以太网功能，我们也希望通过以太网进行仪表的远程维护和升级。 网络化的c 3 0 0 0 过程控制器具有以下意义： ( 1 ) 顺应了仪器仪表的发展趋势 ( 2 ) 通过远程故障诊断和软件升级，降低了维护成本 ( 3 ) 提高了仪表的通信能力，用户能够远程检测控制过程和实验数据 ( 4 ) 一个用户能远程监控多个过程，而多个用户也能同时对同一个过程 进行监控。用户可利用普通仪表设备采集数据，然后指示另一台功 能强大的远方计算机分析数据，并在网络上实时发布。 1 6 本文的结构 第一章是绪论，主要介绍网络化仪表的发展概况和背景知识，阐明了课题 的任务和意义。 第二章是课题的设计思路。在比较了国内外现有的以太网接口实现方案后， 根据自身情况和特殊要求，提出了c p l d 配合r a m 的以太网接口方案。 第三章是以太网接口的具体实现。包括了硬件实现和软件实现。主要介绍 了仪表主机板和以太网卡通过c p l d 的通信方法和t c p 协议的实现。 第四章是嵌入式w e b 服务器的设计。介绍了使用j a v aa p p l e t 实现仪表实 时数据显示的w e b 服务器。 第五章是仪表远程维护的设计。介绍了一种在一定时间内，利用有限的资 源传输仪表显示界面的方法。 第六章是仪表远程软件升级。介绍了在仪表中加入b i o s 程序，利用t f t p 服务器实现软件的更新。 第七章是全文的总结。 7 浙江大学硕士学位论文 第二章设计方案 2 1 几种以太网接口方案的比较 目前国内外嵌入式仪器接入i n t e r n e t 主要有以下三种方案： 第一种方案是由3 2 位高档的微处理器构建的嵌入式仪器。因为3 2 位有足 够的资源可以扩充利用，r a m 和r o m 可以做的足够大，整个的t c p i p 协议族都 可以存放到系统里，甚至可以嵌入一个带t c p i p 协议族的操作系统。所以3 2 位微处理器除了可以实现复杂仪器仪表的功能外，还能较容易的进行网络通信 的t c p i p 协议处理，因而可以成为直接接入i n t e r n e t 的网络仪器。但其缺点 也是很明显：3 2 位微处理器开发难度大，开发工具昂贵，并且大多用在高端产 品，在成本较低的嵌入式测控系统中目前用的还比较少。 第二种方案是由低档的八位机组成的嵌入式仪器，采用专用网络 ( r s 一2 3 2 ，r s - 4 8 5 等) 把若干嵌入式仪器连接在一起，再将该网络与p c 相连，由 此建成p c g a t e w a y 专用网。此时把p c 作为网关，并由p c 把该网络上信息转换 为t c p i p 协议数据包，发送到i n t e r n e t 上实现信息共享。这样可以使嵌入式 测控仪器连到i n t e r n e t ，但必须要一台p c 机或类似p c 机功能的设备作为网关， 来进行协议转换，即把其它协议的信息转换成适合在i n t e r n e t 传输的i p 包。 这样也能实现信息的网络传输，并且在许多场合中得到了应用。这种方案的缺 点是：测量控制终端必须要专门配一台p c 来进行协议转换，这样应用场合就受 到了限制，并且成本也高。 第三种方案是由八位单片机组成直接接入i n t e r n e t 的嵌入式网络化仪器。 这种方案的好处是可以利用以前的基于8 位单片机的测量设备，它们大多都不 需要改造。通过外加网络接口芯片，由八位单片机直接驱动，成为嵌入式网络 化仪器。但由于接口和网络协议都比较复杂，占用的资源( r o m ，r a m 和c p u ) 比较 多，所以要求单片机要有足够快的运行速度，这样在微处理器执行数据采集和 控制功能的同时才能足够快地把数据发送到i n t e r n e t 上。 8 网络化仪表的研究 2 2 本文的以太网接口方案 确定使用哪种方案首先要从c 3 0 0 0 过程控制器的硬件结构分析。c 3 0 0 0 过 程控制器的硬件结构如图2 - 1 所示： 图2 一lc 3 0 0 0 过程控制器硬件结构图 c 3 0 0 0 过程控制器的主要部件有主机板、a o 板、d a 板、l e d 和键盘。 主机板是仪表的核心，他负责数据的采样、运算、输出、记录、显示和按 键处理等功能。他内部有高性能的3 2 位a r m 7 处理器，配合r a m 和f l a s h 构成 一个嵌入式系统。a d 板是数据采集卡，d a 板是信号输出卡，他们通过串口通 信和主机板交换数据。l e b 是液晶显示单元，它和键盘构成了人机交互界面。 第一种方案，在主机板中直接添加网络接口芯片是不可行的。因为c 3 0 0 0 过程控制器虽然采用了3 2 位a r m 7 处理器，但是他的功能非常复杂，在个周 期内需要完成采样、运算、显示等功能，没有足够的资源处理以太网事务。并 且直接添加网络接口芯片，会使主机板软件和硬件都产生较大的改动，开发难 度很大，风险很高。 第二种方案，采用p c 机作为网关也是不可行的。虽然仪表硬件不需要改动， 但是串口的速度无法和以太网匹配，图像传输和软件升级等海量数据传输无法 实现。 本设计采用的方案是在c 3 0 0 0 过程控制器内部添加以太网通信卡。由以太 网通信卡负责和以太网进行通信，处理大量的以太网事务。当需要c 3 0 0 0 过程 控制器对数据进行处理时( 如读实时数据和历史数据) ，再通过通信的方式和 c 3 0 0 0 过程控制器的主机板进行数据交换。其硬件结构图如图2 - 2 所示： 9 浙江大学硕士学位论文 图2 2 添加以太网卡后的结构图 这样的设计引入了一个新的问题，就是以太网通信卡和仪表主机板之间的 数据交换如何实现。实现板卡间的数据交换一般有两种方法： 第一种方法，使用总线进行通信。以太网通信卡接入仪表内部总线后只要 遵循总线的通信协议就能和仪表内部的所有模块进行通信。p c 机上的网卡就是 通过p c i 总线进行通信的，横河的c x 2 0 0 0 也是通过总线通信的。c 3 0 0 0 过程控 制器内部没有专门负责通信的总线，并且总线的通信协议非常复杂，所以无法 使用总线进行通信。 在没有通信总线的情况下一般采用第二种方法，使用双口r a m 进行数据交 换。由于双口r a m 内部实现了冲突处理机制，仪表主机板和以太网通信卡可以 像访问普通r a m 一样访问双口r a m 。通过双口r a m 实现数据交换，实现起来非 常方便。使用双口r f i m 通信的硬件结构如图2 3 所示： 图2 3 使用双口r a m 的结构图 双口r a m 虽然能完成数据交换的功能，且实现非常简单。但是考虑到仪表 功能的可扩充性和仪表的体积限制，今后可能在以太网通信卡上扩充u s b 通信 等功能模块。双口r a m 无法满足三者之间的数据交换。而且双口r a m 的容量比 较小，不能一次传输大量的数据。 1 0 网络化仪表的研究 综合上述的考虑，本设计采用独特的c p l d 配合普通r a m 的方法来实现仪表 主机板和以太网通信卡之间的数据交换。通过对c p l d 的编程，利用普通的r a m 实现双口r a m 的功能。充分的利用了c p l d 的灵活性。并且由于c p l d 的灵活性， 可以非常方便的更新c p l d 内部程序，实现新的功能。 最终以太网接口的实现方案如图2 - 4 所示： 图2 4c p l d 配合r a m 的方案 c p l d 分别连接仪表主机板的c p u 、以太网接口的c p u 和普通r a m 。通过少 量的握手信号线，把r a m 在两块板卡的总线之间切换，实现双口r a m 数据交换 功能。 今后如果要增加u s b 通信功能模块，可以把该模块也和c p l d 连接。通过 c p l d 实现三者甚至更多模块之间的数据交换。这样就可以在最短的时间内，改 动最少的软件和硬件，添加新的功能模块，大大提高了开发效率。 2 。3 以太网接口的软件设计方案 网络化仪表的网络功能都是基于t c p i p 协议的。以太网接口的软件首先要 实现t c p i p 协议。在实现t c p i p 协议的基础上还要考虑c p l d 的驱动程序，实 现仪表主机板和以太网接口之间的数据交换。最后还要保证数据的实时响应和 在仪表异常下的自我恢复功能。 嵌入式设备软件实现t c p i p 协议一般有两种方法： 一种方法是嵌入一个带t c p i p 协议族的操作系统到设备中，如l i n u x 、w i n c e 等。许多高端的网络设备、p d a 等都带有操作系统。这样不但很容易地实现 t c p i p 协议，并且还支持多任务的实时调度，减少开发的难度。但是操作系统 浙江大学硕士学位论文 需要的资源比较多，成本较高。对于功能相对简单、资源相对匮乏的嵌入式仪 表来说，不需要使用操作系统。 第二种方法是不使用操作系统，通过移植裁剪过的t c p i p 协议族实现部分 的t c p i p 协议。这种方法在许多嵌入式设备中得到广泛应用。该方法般采用 大循环的单任务结构，适合嵌入式设备资源有限、功能灵活的特点。 考虑到本设计的对象，c 3 0 0 0 过程控制器，是单任务结构的。所以以太网通 信卡没有必要支持多任务处理。又由于以太网通信卡的资源是有限的，所以本 设计采用第二种方法来实现t c p i p 协议。 1 2 网络化仪表的研究 3 1 引言 第三章以太网接口的实现 本章将具体介绍以太网接口软硬件的设计。本章首先介绍以太网接口的硬 件设计，这部分主要介绍芯片的接口电路。其次本章介绍c p l d 的逻辑，这部分 是本文的一个难点，我们使用4 条地址线，高效率的实现大范围寻址。然后本 章介绍以太网接口的软件结构，接着分析了t c p i p 协议，详细介绍了t c p 协议 的实现。最后本章对实现后的以太网接口做了简单的分析测试。 3 2 以太网接口的硬件设计 3 2 1 整体设计 以太网通信卡的硬件整体结构如图3 1 所示 图3 - 1 以太网硬件结构图 仪表以太网接口的硬件平台主要由a t 9 1 m 4 0 8 0 0 、a x 8 8 7 9 6 、f l a s h 、r a m 和 c p l d 构成。其中a t 9 1 m 4 0 8 0 0 为a t m e l 公司生产的工业级3 2 位a r m 7 微处理器， a x 8 8 7 9 6 为a s i x 公司生产的n e 2 0 0 0 兼容快速以太网控制器。本设计采用的c p l d 是l a t t i c e 公司的i s p m a c h 4 1 2 8 v 1 4 4 。它分别连接a t 9 1 m 4 0 8 0 0 和仪表主机板的 内部总线，用以负责两块板卡之间的数据交换逻辑。r a m 分为r a m l 和r a m 2 两 块，r a m l 由a t 9 1 m 4 0 8 0 0 控制，作为程序运行时的临时存储单元；r a m 2 由c p l d 控制，作为以太网卡和主机板交换数据时的临时存储单元；f l a s h 则为固化程 】3 浙江大学硕士学位论文 序的存储单元。a x 8 8 7 9 6 外接一个网络变压器，通过r j 4 5 接1 ：3 连接外部网络。 本设计采用的a r m 7 处理器a t 9 1 m 4 0 8 0 0 是高性能的3 2 位r s i c 处理器，拥 有1 6 位高密度的指令集。拥有可编程的外部总线接口，最多可支持6 4 m 空间的 寻址，最多8 条片选信号线，软件设置总线的宽度。 a t 9 1 m 4 0 8 0 0 内部是由e b i ( e x t e r n a lb u si n t e r f a c e ) 控制对外部存储单 元或者设备的访问。它有8 个片选信号，2 4 位的地址总线。其中4 个片选信号 是固定的，其他的4 个片选信号是和地址的高4 位复用的。 b 8 盼a d d r e e * ：0 x f f e 0 0 0 0 0 ( c o d el a b e le 日i j 撬s 鼢 o f f m f t r 叫j 椭r n a m oa e 口8r e 硪s t a t e o 加0 0 0 2 0 3 e 泖 0 x 咖s 日l e c tr e g i , s t g roe b lc s r e曰o a d t r i t q 0 0 0 0 0 2 0 3 0 ：z o x 0 4 c r 印s e l m ar o m s 培 e 酬c s r l开e a d 删 r i 佃。j 【1 0 0 0 0 0 0 0 o x 0 8 c h i p $ e l a c tr e g i s t e r 2 e 删c s r 2f t o a d r w r i t q0 = 2 0 0 0 0 0 0 0 0 妣 c h i p s o l e d r e g i s 纽r 8 e 卧c s r 8r e a d w r i l a融3 0 0 0 0 0 0 0 似1 0 c l 4 p s a l q d r ag i s t e r4 e 圈c s r 4r “晰伪【舶0 0 0 0 0 0 o x l 4 c h b s a i n t r a g i s l 口r5 e b ic s r 5r a a d r i t o嘲0 0 0 o o x l 8 c h b s 0 1 日味r a g l 妇r 6 e b lc s 开6r e a c v w r i 船0 x 0 0 0 0 o x l c c h i p s e l a c lr e g i s t e r7 e 阱c s r 7r 础v r i l qo x 7 0 0 0 0 o o x 2 0 f 韬m a p c o n t r o lr e g i s t or e b lr c r 惭酗o n l y m e m or j i c o n l r o l0 o x 2 4 e b i m c r r 日自删r n 日 r = g b | e r n o l e s ：18 j 口ib o o t ( i f 刚5 1 8 d e 喳c 伯dh i g h ) 2 1 6 b i l b o o t ( i l b 材s i s d e t e c t e d l o w ) 图3 - 2e b i 的控制寄存器 图3 2 是控制e b i 的寄存器。c h i ps e l e c tr e g i s t e ro c h i ps e l e c t r e g i s t e r7 是8 个片选寄存器，用来定义外部存储器或者设备的地址和读写时 间等信息。r e m a pc o n t r o lr e g i s t e r 是只写的，用来退出启动模式。m e m o r y c o n t r o lr e g i s t e r 用来定义有效的片选线和数据的读写逻辑。 本设计中的地址设计如下： c h i ps e l e c tr e g i s t e r0 e q u ( f l a s h _ b a s e ：o r ：0 x 2 0 a 9 ) c h i ps e l e c tr e g i s t e r1 e q u ( e x t s r a m _ b a s e ：o r ：0 x 3 0 2 9 ) c h i ps e l e c tr e g i s t e r2 e q u( n e tb a s e ：o r ：o x 3 e 3 d ) c h i ps e l e c tr e g i s t e r4 e q u ( c p l d b a s e ：o r ：0 x 2 2 2 6 ) f l a s h _ b a s e 、e x t j r a m b a s e 、n e t _ b a s e 和c p l d _ b a s e 分别是存储器或者设 备的起始地址。o x 2 0 a 9 等是存储器或者设备的读写时间。起始地址定义如下： 】4 网络化仪表的研究 f l a s h _ b a g ee q u o x 4 0 0 0 0 0 e x t s r a mb a s e e q uo x 8 0 0 0 0 0 n e t b a s ee q u o x c 0 0 0 0 0 c p l db a s e e q u o x l 4 0 0 0 0 0 所以f l a s h 的起始地址是o x 4 0 0 0 0 0 ，r a m 的起始地址是o x 8 0 0 0 0 0 ，网络接 口芯片a x 8 8 7 9 6 的起始地址是o x c 0 0 0 0 0 ，c p l d 的起始地址是o x l 4 0 0 0 0 0 。 本设计选用的网络接口芯片是台湾a s i x 公司推出的n e 2 0 0 0 兼容快速以太 网控制器a x 8 8 7 9 6 。其内部集成有l o 1 0 0m b s 自适应的物理层收发器和8 k 1 6 位的s r a m ，支持m c s 一5 1 系列、8 0 1 8 6 系列以及m c 6 8 k 系列等多种c p u 总线 类型。a x 8 8 7 9 6 执行基于i e e e 8 0 2 3 i e e e 8 0 2 3 u 局域网标准的l o m b s 和 l o o m b s 以太网控制功能，并提供i e e e 8 0 2 3 u 兼容的媒介无关接口m i i ( m e d i a i n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ) ，用以支持在其它媒介上的应用。 硬件设计可以分以下几个部分：网络芯片接口电路、f l a s h 的接口电路和 r a m 的接口电路、c p l d 接口电路。 3 2 2 网络芯片的接口电路设计 网络芯片接口电路的连接如图3 3 所示 a t 9 1 毗0 8 0 0 卜 a x 8 8 7 9 6 1 a o a g s a o 、s a o 广 广 d o 、d 1 5 o 渤j i u i c t 1卜 n 耽l i r 0 0 i r qt p o pt d + n o e 1 0 r d t p o n僻 n 驱 i o w r t p i pr d + p 7 r d n c s 2 c s 一一 一 广 c t 士网络变压器 t 了 l l 一 一 图3 - 3 网络接口芯片的接口电路 1 5 浙江大学硕士学位论文 a t 9 1 m 4 0 8 0 0 的地址线n a o 、n a 9 和a x 8 8 7 9 6 的s a o s a 9 相连，地址线n d o n d l 5 和s d o s d l 5 相连。由于是1 6 位的数据总线，a t g l m 4 0 8 0 0 的n w r i 连接a x 8 8 7 9 6 的b h e ，用于控制高8 位数据线n d 8 n d l 5 是否有效的寄存器。a t 9 1 m 4 0 8 0 0 的 读控制线n o e 连接i o r d ，写控制线连接i o w r 。网络芯片a x 8 8 7 9 6 的中断信号线 i r q 连接a t 9 1 m 4 0 8 0 0 的i r q 0 。a t g l m 4 0 8 0 0 用一条i o 线p 7 控制网络芯片的复 位。a x 8 8 7 9 6 的片选线连接的是a t 9 1 m 4 0 8 0 0 的n c s 2 。 网络芯片a x 8 8 7 9 6 的t p o p 、t p o n 、t p i p 和t p i n 分别连接网络变压器的t d + 、t d 一、r d + 、r d 一，再由网络变压器通过r j 4 5 连接到网络上。 3 2 3f l a s h 的接口电路设计 f l a s h 接口电路的连接如图3 4 所示 a t 9 l m 4 0 8 0 0 ah a t 4 9 b v 3 2 1 8 n a l n a 2 1a o a 2 0 nv n d o n d l 5 ，a卜 i 0 0 i 0 1 5 c f l a s h n v c e n o eo e 埘e 吡 r e s e tb e s e t b y t e 图3 - 4f l a s h 的接口电路 a t 91 m 4 0 8 0 0 的地址线n a t n a 21 连接f l a s h 的地址线a o a 2 0 ，数据线n d o n d l 5 连接f l a s h 的i 0 0 i 0 1 5 ，片选线c f l a s h ( n s c o ) 连接f l a s h 的c e ，读 写控制线n o e 、n w e