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摘 要 论文结合工程实际需要， 就多种通讯接口的网络化仪表和热网蒸汽流量监测系统的开 发设计进行深入研究。 整个系统由智能仪表模块、 通信模块和监测管理模块三个主要部份组成。 智能仪表模 块完成对热网蒸汽参数的采集和处理功能，并提供多种通信接口: 通信模块提供 i n t e r n e t , p s t n 、 无线数传电台 三种通信方式， 实现了蒸汽流量信息的集中 采集及管理; 监测管理模块通过高级语言编程完成了数据采集、 交换、 处理、 查询及报表打印等功能。 论文涉及智能仪表、 网络通讯、 计算机应用等多项技术。 论文的创新之处和关键问题 在于:在8 位普通处理器上实现了嵌入式工 n t e r n e t 技术。根据8 位普通处理器的特点及协 议子集划分和简化思想， 设计了 一套嵌入式i n t e r n e t 专用接入协议， 开发了具有w e b 服务 器功能的嵌入式网络化仪表， 实现了设备网络化，具有较高的实用价值和推广意义。 关键词: 智能仪表、过热蒸汽、 嵌入式i n t e r n e t 、网 络通讯、 监测系统 a b s t r a c t r e l a t i n g t o p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g d e m a n d s , t h e p a p e r r e s e a r c h e s o n t h e n e t w o r k i n s t r u m e n t w i t h m u l t i p l e c o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e s a n d t h e e x p l o i t i n g d e s i g n o f t h e f l o w m o n i t o r i n g s y s t e m h o t - n e t w o r k . t h e w h o l e s y s t e m i s c o m p o s e d o f t h e i n t e l l i g e n t i n s t r u m e n t m o d u l e , c o m m u n i c a t i o n m o d u l e a n d m o n i t o r i n g m a n a g e m e n t m o d u l e . t h e i n t e l l i g e n t i n s t r u m e n t m o d u l e a c h i e v e s t h e f u n c t i o n s o f c o l l e c t i n g a n d p r o c e s s i n g h o t n e t w o r k s t r e a m p a r a m e t e r s , a n d o f f e r s m u l t i p l e c o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e s ; t h e c o m m u n i c a t i o n m o d u l e p r o v i d e s t h r e e c o m m u n i c a t i o n w a y s o f i n t e r n e t , p s t n , w i r e l e s s s t a t i o n t o r e a l i z e t h e f u n c t i o n o f c e n t r a l c o l l e c t i n g a n d m a n a g i n g s t e a m f l o w i n f o r m a t i o n ; t h e m o n i t o r i n g m a n a g e m e n t m o d u l e , w h i c h a d o p t s a d v a n c e d p r o g r a m m i n g l a n g u a g e s , p e r f o r m s t h e f u n c t i o n s o f d a t a c o l l e c t i o n , e x c h a n g e , d i s p o s a l , q u e r y a n d r e p o r t p r i n t a n d s o o n . t h e p a p e r i n v o l v e s m u l t i p l e t e c h n i q u e s o f i n t e l l i g e n t i n s t r u m e n t , n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n a n d c o m p u t e r a p p l i c a t i o n . t h e i n n o v a t i o n a n d k e y p r o b l e m t o t h i s t h e s i s i s t o i m p l e m e n t e m b e d d e d i n t e r n e t ( e i ) i n n o r m a l 8 - b i t c p u . a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f 8 - b i t c o m m o n p r o c e s s o r a n d t h e i d e a s o f s u b s e t p a r t i t i o n a n d p r e d i g e s t i o n o f t h e p r o t o c o l s , w e h a v e d e s i g n e d a s e t o f i m b e d d e d i n t e r n e t p r i v a t e i n t e r f a c e p r o t o c o l s , d e v e l o p e d a e m b e d d e d n e t w o r k i n s t r u m e n t w i t h t h e f u n c t i o n o f e m b e d d e d w e b s e r v e r a n d r e a l i z e d t h e n e t w o r k o f e q u i p m e n t . i t t a k e s o n h i g h p r a c t i c a l v a l u e a n d e x t e n d i n g s i g n i f i c a n c e . k e y w o r d s : i n t e l l i g e n t i n s t r u m e n t s u p e r h e a t e d - s t e a m e m b e d d e d i n t e r n e t c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k m o n i t o r i n g s y s t e m 河海大学硕士论文基于嵌入式网络化仪表的 热网蒸汽流t监浦系统 第一章 绪论 1 . 1 热网蒸汽流量监测 技术 研究背景及意义 目 前国内 热网 系统自 动 化程 度低1) (2 1 ， 热网 蒸汽计 量点相 对分散， 需 要工 作人员 现场抄表， 管理比 较困 难， 给供热部门 在生产和考核方面造成了不便。 而国 外的 供热系统调度运营普遍利用计算机完成， 其功能是通过网 络及通讯系统 来完成热网系统的监测。 一方面随着网络技术的不断发展进步，网络对整个社会产生了深远的影响.网络 己 经渗入到科研、教育、商业、生产、生活等各个领域和部门， 在整个社会的发展中 起着极其重要的作用. 网 络的 发展使人们的生活变得更加丰富， 在当 今社会中， 许多 企业、 部门 都迫切的需要借助网 络实现远端监测。 例如电 信行业对各程控机房的 集中 监测要求， 电力系统对各变电 所运行状态的集中监测， 水利系统对各水情监测站的远 程控制等。 另一方面就热网蒸汽流量监测而言， 有利于加强供热部门的热网调控手段， 提高供 热服务质量和节约能 源，为加快信息处理，在提高工作效率方面做出了巨大的贡献。 计算机技术、 通信技术和网 络技术 在热网监测系统的应用， 提高了 热网 监测系统 的信息化、自动化水平。 本课题结合常州中天 钢铁公司工程项目 实际需要， 就多 种通讯接口 的网络化仪表和热网蒸汽流 量监测系统的开发设计进行深入研究. 热网蒸汽流量监测系统的研究具有多方面的意义，主要表现如下: 一方面现场设备具有自 诊断功能， 可以 将有关维护信息送往控制室， 有助于排除故 障，保证了计量数据的准确可靠。 另一方面减轻了 现场抄表的工作量。 管理部门能对蒸汽的产生和耗用进行监视， 及 时地进行调度和管理， 平衡供需关系， 保证供汽质量。 保证了 热网 系统内 部正 常、 快速、 可靠的 信息获取和传输， 具有良 好的社会和经济效益。 1 . 2嵌入式网 络化仪表基本概念及意义 1 . 2 . 1 基本概念 课 题 所 涉 及 的 嵌 入 式 网 络 化 仪 表 a 具 有 嵌 入 式 i n t e r n e t / i n t r a n e t ，和 r s 2 3 2 / 4 8 5 接口 功能的智能化仪表. 其中 嵌入式i n t e r n e t / i n t r a n e t 通 常可以 理 解为 嵌入式网 络 技术， 它 最 初主 要是 指 如何把嵌入式系统接入i n t e r n e t / i n t r a n e t . 嵌入式系统并没有一个确切统一的定义， 广义的 讲任何内 含中 央 处 理 器的 专用系 统都 可以 称之为 嵌 入式系 统19 1 . 嵌入 式 系统的 另 一 种较为通用的定义是: 以 应用为中 心、 以 计算机技术为基础、 软硬件可裁剪、 适应于 应用系统，对功能、 可靠性、 成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 河海大学硕士论文基于嵌入式网 络化仪表的热网蒸汽流t监测系统 对 于 嵌 入 式网 络 化仪 表， 使 用 下 面的 概 念: 嵌 入 式以 太网 是 指 把t c p / i p 协 议o- u ) 作 为一种嵌入式应用， 从而实 现接入以 太网的功能。 也可以 简单理解为是一种采用嵌入式 模块而非p c 系统直接接入以 太网的技术。 网 络化仪表是个全新的 概念， 它是适合在远程测控中 使用的 仪表，是嵌入式技术、 仪表测控技术、 网络通信技 术、 现代计 算机技术、 电 子技术深度融合的结果， 测控仪 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备可以 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、 存储和显示测量结果及控制状态; 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 可以 远程对仪表进行功能操作、获取测量 结果并对仪表实时监控、 设置参数和故障诊断， 控制其在因 特网 上动态发布信息为所有 授权者共享. 1 . 2 . 2研究意义 随 着嵌入式 工 n t e r n e t 产品的开 发和应用， 远程监控、 数据采集和系统重构将会发 生深刻的 变革。 其中 嵌入式网 络化仪表可以 提供w e b 服务器和远程s o c k e t 访问 功能， 通 过 它 既 可以 和单 一 的 现 场 设 备相 连 接， 也 可以 和r s - 2 3 2 / r s - 4 8 5 等网 络相 连 接。 因 此， 对嵌 入式网 络仪表的 研究具有十分重要意义， 嵌入式网 络结构如图1 . 1 所示: 图1 . 1嵌 入式网 络结构图 现在嵌入式仪表网络化己成为现代测控系统、 仪器仪表的重要发展方向， 研制嵌入 式网 络化仪表， 把嵌 入式仪表接入 i n t e r n e t / i n t r a n e t成为低成本网 络化仪表， 实现 p c 机所具有的远近程的 测量控制和信息发布等各项功能， 有着更广泛的 意义: 1 、 通过网 络， 用户能够远程检测/ 控制过程和实验数据。 2 、通过网 络， 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。 例如， 工程技术人员在他的办公室里检测一个生产过程， 质量控制人员可在 另一点同时收集这些数据，建立数据库. 3 、通过网络，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。 总之， 仪表进行网 络化改变了 测量技术的 面貌，打破了 在同 一地点 进行数据采集、 分析和显示的 传统模式， 依靠i n t e r n e t 和网 络技术， 人们就可以 有效地控制远程设各， 河海大学硕士论文基于嵌入式网 络化仪衷的热网燕汽流量监测系统 在任何地方进行采集、分析及显示。 1 . 3课题研究的 主要内 容 本课题主要研究以下几个方面的内容: 1 . 3 . 1构建多种通信方式的监测系统 本课题在深入充分的研究 t c p / i p协议、网 络体系结构的基础上提出一种基于嵌入 式网 络化仪表的 远程监 测网 络整体结 构in ， 整个网 络以 嵌入式网 络化仪表为 核 心，建 立了以i n t e r n e t 接入网为主、以 公用电 话交换网以 及数传电台传输方式为辅的多种通 信方式的监测网络。 1 . 3 . 2嵌入式网 络化仪表的 开发 在8 位 普通处理器y 1- 2 9 上实 现了 嵌 入 式工 n t e r n e t 技 术. 根据s 位普 通处理 器的 特点 及协议子集划分和简化思想， 设计了 一套嵌入式工 n t e r n e t 专用接入协议，开发了 具有 w e b 服务器功能的嵌入式网 络化仪表，实现了设备网络化。 在以8 位微控 制器为 核心的 设 备中 加入w e b s e r v e r 功能26 - 3 u ， 能向i n t e r n e t 或内 部网 提供基于 w e b的图形 化管理 接口， 用户可以 使用浏览器作为接口 来访问 接入式设 备。 这样不仅大大地提高设备的易用性， 而且可以 省去专用管理软件， 从而方便地进行 了统一管理。 目 前， 在普通处理器实现嵌入式网 络接入技术的 研究 还很少见， 本文将详细论述这 一问题并给出解决方法。 1 . 3 . 3监测管理软件设计 1 、 嵌入式w e b 服务器方式 在本系统中具有i n t e r n e t 接入条件的场合， 都使用了嵌入式网络化仪表( 本 系统为d j l 型 嵌入 式网 络 化累 积 流量 积算仪 ) ， 每 个嵌入 式网 络化仪表中 都具 有 嵌入式w e b 服务器功能， 监测人员可以 通过浏览器( 如i e , n e t s c a p e 等) 方式来 访问w e b 服务器网 页， 动态监测各计量点的 工作状态。 2 、基于高级语言编程方式 系 统 采用高 级编 程 语 言d e l p h i - 3 2 1 编 程， 完 成数 据采集、 交换、 处 理、 查 询 及报表打印 等功能， 并向 第三方程序提供接口， 方便资 源共享， 最终生成运行 稳定可靠的应用系统。 1 . 4课题设计的 关键问 题 本课题要解决的关键是: 低成本的8 位微处理器的工 n t e r n e t 的 接入。 根据8 位普 通处理器的 特点 及协议子集划分和简化思想，设计了 一套嵌入式工 n t e r n e t 专用接入协 议，开发具有w e b 服务器功能的嵌入式网络化仪表，实现了 设备网络化。 河海大学硕士论文 基于嵌入式网络化仪表的热网蒸汽流量监测系统 第二章热网蒸汽流量监测系统需求分析及总体设计 目前国内一般热网系统热网蒸汽计量和监测技术仍处于比较落后、自动化程度低的 状态。经过充分调研后，确定系统投入使用后应使热网系统的自动化程度得到极大的提 高，实现热网系统监测点参数集中监测和管理的目标。 2 1 系统需求分析 常州中天钢铁公司供热工程要实现总体功能目标为：一、完成对各热网管道的蒸汽 计量，二、完成对各监测点的蒸汽监视，三、完成对监测数据进行的记录、处理、管理 和分析。 本系统制定的功能目标如下： 1 、对蒸汽的产生和耗用进行监视，并对蒸汽参数( 温度、压力) 、瞬时流量、累积流 量进行监测。 2 、监测系统的软、硬件采用模块化结构，使之具有最大的灵活性和扩展性。以适应 不同规模监测系统网络和不同数据监控对象的需要，同时便于系统的更新与升级。 3 、本系统应具备良好的人机对话和汉字支持能力，安装容易，使用方便。 系统所需要进行的数据处理功能如下： 1 、应能自动显示其全部监控对象的工作状态，通过菜单方式可选择显示指定监测点 的工作状态、运行参数、历史数据等详细资料。 2 、应有汉字处理功能，用户利用监控系统提供的工具软件，应能方便地生成规定的 各种报表和曲线。应能根据需要灵活生成日报表、月报表和年报表。 系统所需要完成的管理功能有： 1 、配置管理。监测中心应有配置管理功能，用于监测对象和操作人员的建立、增加 和删除的管理。监测对象的配置参数包括监控对象的名称、通信方式、通信速率、地址 或电话号码等。操作人员的配置参数包括姓名、身份、口令、操作权限等。 2 、安全管理。监测管理中心应有操作管理功能。使用某些功能时必须输入口令，经 系统确认后方可进入系统进行操作。操作人员应有不同等级，以限制不同人员的操作范 围，维护系统安全。 2 2 系统总体设计 本课题将计算机技术、通信技术和网络技术融为一体，构建多种通信方式韵热网蒸 汽流量监测系统，在进行系统总体设计时既考虑到了系统的可靠性、可实现性还考虑到 了系统的可操作性和性价比。 本系统的总体设计结构图如图2 1 所示： 河海大学碗士论文基于嵌入式网络化仪表的热网蒸汽流量监测系统 圈2 1 系统总体设计结构圈 本系统主要由以下几个功能予模块构成： l 、智能仪表模块 系统开发了三种具有不同通信接口的智能仪表。这三种智能仪表都能完成对热 网参数( 如压力、差压、瞬时流量静温度等) 的采集、处理和流量累积功能。 其中d j l 型智能仪表是一种嵌入式网络化仪表，可以直接接入以太网；d j 2 型 智能仪表和d j 3 型智能仪表具有r s 2 3 2 4 8 5 接口，可以与调制解调器和g s m 模块连 接。由于d j 2 型和o j 3 型智器能仪表其实现比较简单，本论文将以o j l 型嵌入网络 化仪表i n t e r n e t 接入功能的实现作为重点讨论( 设计原理图见附录a 、附录b ，实 河海大学硕士论文基于嵌入式网络化仪表的 热网 蒸汽流盆监测系统 物图见附 录c， 附 录d ) 。 2 、通信模块 该系统为具有多种通信方式的热网蒸汽流量监测系统。主要的通信方式有: i n t e r n e t 通信、 m o d e m 通信以 及无线电台 通信。 在此系统上开发了一种具有以 太网接口功能的嵌入式网 络化仪表。 其实现了标 准的t c p / i p 协议( 包括a r p , i p , u d p , t c p , i c m p 等协议) ，具有w e b ( h t t p )服 务器功能， 支持i e和n e t s c a p e 的 访问，提供r s 2 3 2 / r s 4 8 5 接口，很好的解决了 嵌入式工 n t e r n e t 的 接入问 题。 嵌入式网络化仪表的 设计是本课题的重点， 在下一 章中将重点讨论嵌入式网 络化仪表的设计问题。 在本系统中 为了 满足开放性要 求， 保护己 有投资， i n t e r n e t 通信方式是一种首 选通信方式。 但是在一些没有网络条件的场合， 选用了m o d e m 通信及无线电台 通信 的 方式.因 为电 话网 和电台的 覆盖范围 广、 线路的获 取平努方便。 这将使本系统的 开放性和灵活性得到进一步增强， 适合不同 用户的需 求。 3 ,监测管理模块 监测管理模块主要完成数据采集、 数据交换、 数据处理、数据查询和显示， 报 表生成等功能，并向 第三方程序提供接口， 方便资 源共享， 最终生成运行稳定可靠 的应用系统。 本章小结 本章就热网蒸汽流量监测系统的需求进行了详细的分析， 介绍了系统总体设计方案 及功能模块。 河海大学硕士论文基于嵌入式网络化仪表的热网 蒸汽流盘监测系统 第三章 嵌入式网 络化仪表i n t e r n e t 接入的研究及实现 在本课题中开发的d j 1 型智能化仪表是具有嵌入式工 n t e r n e t 接入功能的网络化仪表。 嵌入式网络化仪表是把t c p / i p 协议作为一种嵌入式应用， 把t c p / i p 协议栈嵌入到智能仪 表中。嵌入式网络化仪表可理解为具有 工 n t e r n e t / i n t r a n e t接入功能的仪表， 能通过 t c p / i p协议和以 太网 协议与网 络上的其它仪表或计算机进行通信。本章就嵌入式网 络化 仪表工 n t e r n e t 接入问 题进行研究，并 给出 实现方法。 3 . 1研究现状及方案分析 3 . 1 . 1 研究现状 通过调研发现， 近几年来国内 外投入嵌 入式i n t e r n e t 研究的公司逐渐增多， 参与研究 的公司规模大小差异也很大，下面就国内 外的一些研究情况作简要介绍: 1 , r a b b i t 公司 代表产品 为e m b e d d e d i n t e r n e t t c p / i p 开发 包m， 它 包含一 个r a b b i t 2 0 0 0 8 位的处理器。 语言的编译工具、 实时 d e b u g 工具、以 太网 接口 等模块，它提供全 部的t c p / 工 p 源代码， 演示程序可以 实现h t t p , s m t p 等功能。 2 、 美国r e a d y 公司的 代表产品 为 i n t e r n e t t u n e r e t h e r n e t 。 这是 一 款把设 各连 接到 互 联网 的 系 统芯 片， 称为工 n t e r n e t - o n - c h i p ， 它 不 需 要软 件 或者 处 理 器 芯 核， 包 含 所有在互联网 上传送及接收数据的 协议， 可以 在低时钟速度下工作， 功耗小， 价格低。 它 可以 作为独立的芯片使用， 也可以 作为芯核放到其它专用芯片中. s e i k o 公司 基于re a d y i n t e r n e t t u n e r 技术推出的i c 芯片是 i c h i p s 7 6 0 0 a ， 它 用硬件实现7 t c p / i p 协议堆 栈。 3 , e d v i c e 公司的 代表产品为用于以 太网的带s m a r t s t a c k 的a n a l o g d s p 2 1 8 5 , s m a r t s t a c k / a d 1 2 1 8 x 芯片 组en . s m a r t s t a c k 是 一 种嵌 入 式软 件 解决方案， 它在 单个d s p 上同 时 完成m a c 层和i p 层。 它不需要额外的网 关和用户码。 d s p 还可用来执行其它开发者规 定的 功能。它仅需要标准的 快闪 存储器和 标准现成的p h y 元件来将d s p 与r j 4 5 连接器连 接. 开发者可以 选择简单地将s m a r t s t a c k 技术集成进他们自 己的 硬件解决方案的芯片组。 它可以 借助一种运行于d s p 的简单的、 类似a t 的 命令集与其应用接口。 他允许叨制造商 容易 地将现成l a n i n t e r n e t 连通性的 低成本和小外形的 解决方案集成进它们的设备。它 还可以在提供完整的i n t e r n e t 功能的同时，实现不需要p c 或专门工 s p 的 直接连通。 4 , m i c r o c h 工 p 公司一方面将保留 它在 传统产品 结构里的强项， 另一方面正在通过与软 件供应商( 如 l i v e d e v i c e s 和 c m x s y s t e m s ) 建 立的战略关系来适应因 特网时代的连接需 求。 5 、 捷克h w s e r v e r 公司的主要产品为w e b 5 1 系统， 采用8 位5 1 单片机实现互联网 接 入 功 能 mi . 已 经可以 提 供 商 用互 联 网 接 入 设 备、 t c p / i p 协 议 集 及。 e s i g n k i t , 6 , z i l o g 公司 的 代 表 产 品 为e 2 8 0 o e z 8 0 是 一 个 针 对 嵌 入 式 互 联网 产 品 和 应用 设 计 的 8位处理器， e z 8 0寻址能力达到 1 6 m b , e z 8 0内部包含和 d s p芯片中一样的 1 6位 河海大学硕士论文基于嵌入式网络化仪表的热网蒸汽流量监测系统 m a c ( m u l t i - a s s c o m p u t e r ) ， 可以 进行数字信号处理， 执行加密 算法。 e z 8 0 中包含7 种 网络协议，其中有t c p / i p 和h t t p 协议。 7 、中科院于海斌教授 “ 新一代分布式网络自 组织传感器网络系统研究及应用”得到 国家2 0 0 3 年国家自 然科学基金的资助。 3 . 1 . 2方案分析 从嵌入式工 n t e r n e t 研究现状分析可知， 实现i n t e r n e t 接入方案主要有以 下几种: 1 、硬件固化方案 这种方案由 硬件实 现了t c p / i p 协议堆栈， 例如s e i k o 公司基于 i r e a d y i n t e r n e t t u n e r 技术推出的i c 芯片是 i c h i p s 7 6 0 0 a 芯片。 这种方式实现嵌入i n t e r n e t 接入的优 点是开发简单，缺点是接入成本过高， 不 适合低成本工业仪表开发。 2 、软件实现方案 本方式又有两种方案: 一种开发方案是可以 采用嵌入式微处理器开发。 这种开发方式需要高速的 微处理 器， 如m o t o r o l a 的x p c 6 8 8 6 0 , a r m , d s p 等， 一般要借助r t o s ( 实时嵌入式操作系统 ， ， “ ， ) 开 发。 如 e d e v i c e 公 司 提 供 的s m a r t s t a c k 协 议 栈， 就 是 在a n a l o g d e v i c e s 公 司 的a d 1 2 1 8 x d s p 芯 片in 的 基 础 上 实 现的 。 这 种 方 式的 优 点 是 处 理 速 度快， r t o s 一 般都带有t c p / i p 协议栈。 缺点是芯片的结构复杂， 实时嵌 入式操作系统的移植比 较 困 难，价格比 较贵。 另一种开发方 案是 使用5 1 系 列单 片 机作为 控制 器的c p u (39 ， 而不采用嵌 入式 操作 系 统， 直 接 使 用c 5 1 的c 语言 编 程 (4 3 ， 实 现 数 据 链 路 层协 议 和t c p / i p 协议。 这 种 方案的最大优点就是可以 根据实际需求进行定制代码， 做到软件精简且硬件比 较简 单， 成本比以 上其它方案都低， 适合于 低成本的 工业仪表、 应用及消费类产品。 这种 设备缺点是软件工作量大， 难度也大; 引 用的资 源和处理能力有限。 因为没有现成的 操作系统， 数据链路层协议和t c p / i p 协议都要自 己 编程实 现。 在综合考虑本课题的 任务需求和产品 成本等因 素后， 拟采取自 行开发基于8 位微处理 器的嵌入式t c p / i p 协议栈的方案。 3 . 2嵌入式i n t e r n e t 硬件设计 3 . 2 . 1 硬件系统结构 一个嵌入式i n t e r n e t 系统结构至少 包括三部份:以 太网 物理层接口 单元、t c p / i p 协 议栈、 微控制单元。其结构如图3 . 1 所示: 塑塑查堂堡主丝塞 苎王壁垒壅塑竺垡堡塞塑垫竖菱墨鎏墨些型薹竺 m a c ( m u l t i - - a s sc o m p u t e r ) 。可以进行数字信号处理，执行加密算法。e z 8 0 中包含7 种 网络协议，其中有t c p i p 和h t t p 协议。 7 、中科院于海斌教授“新一代分布式网络自组织传感器网络系统研究及应用”得到 国家2 0 0 3 年国家自然科学基金的资助。 3 1 - 2 方案分析 从嵌入式i n t e r n e t 研究现状分析可知，实现i n t e r n e t 接入方案主要有以下几种： 1 、硬件固化方案 这种方案由硬件实现了t c p i p 协议堆栈，例如s e i k o 公司基于i r e a d yi n t e r n e t t u n e r 技术推出的i c 芯片是i c h i p $ 7 6 0 0 a 芯片。这种方式实现嵌入i n t e r n e t 接入的优 点是开发简单，缺点是接入成本过高，不适合低成本工业仪表开发。 2 、软件实现方案 本方式又有两种方案： 一种开发方案是可以采用嵌入式微处理器开发。这种开发方式需要高速的微处理 器，如m o t o r o l a 的x p c 6 8 8 6 0 、a r m 、d s p 等，一般要借助r t o s ( 实时嵌入式操作系统 g i l t 2 ) 开发。如e d e v i c e 公司提供的s m a r t s t a c k 协议栈，就是在a n a l o gd e v i c e s 公 司的a d l 2 1 8 xd s p 芯片嘲的基础上实现的。这种方式的优点是处理速度快，r t o s 一 般都带有t c p i p 协议栈。缺点是芯片的结构复杂，实时嵌入式操作系统的移植比较 困难，价格比较贵。 另一种开发方案是使用5 1 系列单片机作为控制器的c p u 哺1 ，而不采用嵌入式操作 系统，直接使用c 5 1 的c 语言编程”，实现数据链路层协议和t c p i p 协议。这种 方案的最大优点就是可以根据实际需求进行定制代码，做到软件精简且硬件比较简 单，成本比以上其它方案都低，适合于低成本的工业仪表、应用及消费类产品。这种 设备缺点是软件工作量大，难度也大：引用的资源和处理能力有限。因为没有现成的 操作系统，数据链路层协议和t c p i p 协议都要自己编程实现。 在综合考虑本课题的任务需求和产品成本等因素后，拟采取自行开发基于8 位微处理 器的嵌入式t c p i p 协议栈的方案。 3 2 嵌入式i n t e r n e t 硬件设计 3 2 1 硬件系统结构 一个嵌入式i n t e r n e t 系统结构至少包括三部份：以太网物理层接口单元、t c p i p 协 议栈、微控制单元。其结构如图3 1 所示： 河海大学硕士论文基于嵌入式罔络化仪表的热同蒸汽流量监测系统 图3 1 嵌入式i n t e r n e t 结构图 本课题中采用了基于8 位微处理器w 7 8 e 5 8 的嵌入式t c p i p 协议栈方案，其硬件结构 框图如图3 2 所示( 原理图见附录b 、实物图见附录d ) ： 坩 浅t 2 4 c 0 帅2 删卜_ x 5 la ，【 2 鹕l 槲2 4 2 扩舢5 7 卜一一 w i n d b o n dw 7 8 e 5 8 i l逻辑控墅单元l 一 i a t f l 6 v 8 b i l _ t p e t h 涨tk 1 4 5li 态慧嚣i 、t - i l 、，r i e e e8 0 2 3l o 电源卜i 辑1 。a x 2 撒3 2 卜- 图3 2 嵌入式i n t e r n e t 硬件结构图 嵌入式i n t e r n e t 的硬件系统主要由微处理器、网络接口芯片、外部存储单元、译码 电路、接口单元( r s 一2 3 2 r s - 4 8 5 ) 等几部分组成。 图3 3 嵌入式i n t e r n e t 电路扳 河海大学硕士论文基于嵌入式网络化仪表的 热网蒸汽流t监测系统 3 . 2 . 2微控制器单元 该嵌入式i n t e r n e t 系统的 微控制器是w i n b o n d 公司生产的8 位微控制器w 7 8 e 5 8 ，具 有3 2 k f l a s h r o m , 能够满足大程序开发设计的 要求。微控器一 方面处理与i n t e r n e t 的 连接， 另一方面要完成对系统的常规控制。 其部份引脚定义如表3 . 1 所示: 表3 . 1 w 7 8 e 5 8 部份引 脚定义 引脚标志功能说明引脚标志功能说明 p 0 . o - p o . 7 8 位地址/ 数据总线p 2 . 0 p 2 . 7数据总线高8 位 p l . 0 以 太网 控制器复位p 3 . 0 ( r x d ) r s 2 3 2 收控制 p l . 1 p l . 2 r s 2 3 2 收发指示灯p 3 . 1 ( t x d )r s 2 3 2 发 控制 p l . 3 电源指示灯p 3 . 2 ( / i n t o ) 外 部 中 断 源 来自 r t l 8 0 1 9 a s p l . 4 p 1 . 5 工 弋 e p r o m 控制p 3 . 6 ( / w r )写选通信号 p l . 6 - p 1 . 7数字i / 0 p 3 . 7 ( / r d )读选通信号 3 . 2 . 3网 络接口 单元 接口 芯片用了r e l t e c k 公司的r t l 8 0 1 9 a s ，它能完成物理帧的形成、编解码、 c r c 的 形成和校验、数据的收发等，它内嵌 1 6 k的s r a m ，具有全双工的通信接口，它可以 通过 交换机在双绞线上同时发 送和接收数据， 使带宽从1 0 兆增加到2 0 兆， 是用来进行以 太网 通讯的 理想芯片. 在后面将详细介绍这个它的 功能和使用方法. 3 . 2 . 4逻辑控制单 元 在控制单元内 部中建 立了一个标准的内 部总线，以 太网 控制器r t l 8 0 1 9 a s 、外扩r a m 通过这个总线与微控器相 连。 要实现嵌入式t c p / i p 协议栈，需要定义许多变量，2 5 6 字 节的1 7 8 e 5 8 的内 部r a m 是不够的，因此在，w 7 8 e 5 8 上外扩了 两片3 2 k r a m ， 用于变量和堆 栈的定义。 为了实现在内 部总 线在外扩r a m 和以 太网 控制器r t l 8 0 1 9 a s 之间的逻辑选址， 在设计 的时 候选用了 一片g a l 1 6 v 8 。 该g a l 逻辑可实 现外扩 ( 6 4 k - 2 5 6 字节) 存储器和以 太网 控 制器2 5 6 个工 / 0 口 的寻址功能， g a l 1 6 v 8 具体逻辑地址分配如表3 . 2 所示: 表3 . 2 g a l 1 6 v b 理辍 地址 分 东 器件寻址范围寻址大小 外扩i7 110 3 2 7 6 73 2 7 6 8 外扩 r a k 23 2 7 6 8 6 5 2 7 93 2 5 1 2 以 太网控制器 6 5 2 8 0 6 5 5 3 52 5 6 其中g a l 1 6 v 8 的部份引 脚定义和原理图如下所示: 河海太学硕士论文基于嵌入式网络化仪表的热网蒸汽流量监测系统 3 2 2 微控制器单元 该嵌入式i n t e r n e t 系统的微控制器是w i n b o n d 公司生产的8 位微控制器w 7 8 e 5 8 ，具 有3 2 kp l a s hr o m ，能够满足大程序开发设计的要求。微控器一方面处理与i n t e r n e t 的 连接，另一方面要完成对系统的常规控制。其部份引脚定义如表3 1 所示： 表3 1w 7 8 e 5 8 部份引脚定义 引脚标志功能说明引脚标志功能说明 p o 0 “p o 7 8 位地址数据总线 p 2 o p 2 7 数据总线高8 位 p 1 o 以太网控制器复位 p 3 。0 ( r x d ) r s 2 3 2 收控制 p 1 1 p 1 2 r s 2 3 2 收发指示灯p 3 1 ( t x d )r s 2 3 2 发控制 外部中断源来自 p 1 3 电源指示灯 p 3 2 ( i n t o ) r t l 8 0 1 9 a s p 1 4 p 1 5i e = p r o m 控制p 3 6 ( w r )写选通信号 p l - 6 “p 1 7 数字i 0 p 3 7 ( r d ) 读选通信号 3 2 3 网络接口单元 接口芯片用了r e l t e c k 公司的r t l 8 0 1 9 a s ，它能完成物理帧的形成、编解码、c r c 的 形成和校验、数据的收发等，它内嵌1 6 k 的s r l l ，具有全双工的通信接口，它可以通过 交换机在双绞线上同时发送和接收数据，使带宽从1 0 兆增加到2 0 兆，是用来进行以太网 通讯的理想芯片。在后面将详细介绍这个它的功能和使用方法。 3 2 4 逻辑控制单元 在控制单元内部中建立了一个标准的内部总线，以太网控制器r t l 8 0 1 9 a s 、外扩r am 通过这个总线与微控器相连。要实现嵌入式t c p i p 协议栈，需要定义许多变量，2 5 6 字 节的w 7 8 e 5 8 的内部r i l 是不够的，因此在w 7 8 e 5 8 上外扩了两片3 2 kr a m ，用于变量和堆 栈的定义。 为了实现在内部总线在外扩r a m 和以太网控制器r t l s o l 9 a s 之间的逻辑选址，在设计 的时候选用了一片g a l l 6 v 8 。该g a l 逻辑可实现外扩( 6 4 k - 2 5 6 字节) 存储器和以太网控 制器2 5 6 个i o 口的寻址功能。g a l l 6 v 8 具体逻辑地址分配如表3 2 所示： 表3 2g a l l 6 v b 逻辑地址分配 器件寻址范围寻址大小 外扩r a m l 0 “3 2 7 6 73 2 7 6 8 外扩l l a 舵 3 2 7 6 8 6 5 2 7 93 2 5 1 2 以太网控制器 6 5 2 8 0 6 5 5 3 52 5 6 河海大学硕士论文基于嵌入式网络化仪表的热网蒸汽流量监测系统 图3 46 a l l 6 v 8 逻辑图 表3 3g a l l 6 v 8 部份引脚定义 输入引脚输出引脚 引脚信号引脚信号 1 0 2r a m 2 i n l i n 8 d a b “d a l 5 1 0 1r a m l 1 0 0c se t h 其中6 a l l 6 v 8 的逻辑为： n e t u 20 = d a 8 d h 9 d a i o d a i i d a l 2 d a l 3 d a l 4 ： n e t u 3 _ o = d a l 5 ! n e t u 2 _ o ： n e t u 4 _ o = n e t u 2 _ o d a l 5 ： r a m l = d a l 5 ：$ 第一片3 2 kr 枷选址水 r a m 2 = n e t u 40 # ! d a l 5 ：$ 第二片3 2 kr a m 选址丰 c s #!da：术rtl8019as选址eth=netu3 01 5 3 2 嵌入式i n t e r n e t 中t c p i p 协议的选择 t c p i p 协议族有几百个协议，由于嵌入式微控制器的资源有限，在嵌入式网络化仪 表中和通常意义下计算机t c p i p 协议的实现有很多的不同，不可能将所有的t c p i p 协议 都嵌入到8 位微处理器中，嵌入式t c p i p 协议族不追求协议的完备性，一般以“够用即 可”为原则，因此必需对t c p i p 协议进行选择啪n o 小1 。 t c p i p 协议一般可以划分为四个层：数据链路层、网络层、运输层以及应用层。其 层次结构和各层主要协议如表3 4 所示： 表3 4t c p i p 协议族层次 协议层主要协议 应用层h t t p 、f t p 和t e l n e t 等 运输层 u d p 和t c p 网络层i p 、i c 冲和i g m p 链路层设备驱动程序及接口卡 1 、数据链路层协议的选择 数据链路层的主要作用是为其上层协议发送和接收数据帧，根据物理层采用的标准不 同，链路层有多种协议可以选择，在这里主要考虑以太网的接入问题，采用了i e e e 8 0 2 3 塑坚查堂堡主堕茎茎主堂苎璺塑垡堡墨箜垫里蔓垒鳖墨鉴篓塑 所规定的c s m a c d ( 载波监听多路访问及冲突监测) 协议，该协议使同一个局域网上的多 台计算机共享同一物理传输介质成为