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文献检索与科学研究方法课程考核报告 姓 名： 学 号： 专业班级： 上位机与下位机的数据传输摘要：随着计算机在工业控制中的广泛应用，同时监控的网络化迅速发展，导致很多的数据处理以及网络协同工作下位机无法完成。所以，上位机扮演的角色越来越重要。本文从上位机与下位机的数据传输方式以及传输协议做一个简单的阐述，同时对于协议的加密以及扩展进行新的探讨。1 基础知识 1.1 上位机 上位机是指可以直接发出操控命令的计算机，一般是PC/host computer/master computer/upper computer,屏幕上显示各种信号变化(液压，水位，温度等)。下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机，一般是PLC/单片机single chip microcomputer/slave computer/lower computer之类的。上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。下位机不时读取设备状态数据(一般为模拟量)，转换成数字信号反馈给上位机。简言之如此，实际情况千差万别，但万变不离其宗:上下位机都需要编程，都有专门的开发系统。1.2 下位机 下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机，一般是PLC/单片机之类的。1.3 传输协议是指计算机通信或网络设备的共同语言。现在最普及的计算机通信为网络通信，所以传送协议一般都指计算机通信的传送协议，如:TCP/IP、NetBEUI、DHCP、FTP等。然而，传送协议也存在于计算机的其他形式通信，例如:面向对象编程里面对象之间的通信;操作系统内不同程序之间的消息，都需要有一个传送协议，以确保传信双方能够沟通无间。2 上位机与下位机之间的传输方式 2.1 串行端口通信随着计算机网络化和微机分级分布式应用系统的发展，通信的功能越来越重要。通信是指计算机与外界的信息传输，既包括计算机与计算机之间的传输，也包括计算机与外部设备，如终端、打印机和磁盘等设备之间的传输。在通信领域内，数据通信中按每次传送的数据位数，通信方式可分为:并行通信和串行通信。 串行通信是指计算机主机与外设之间以及主机系统与主机系统之间数据的串行传送。使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。其只需要少数几条线就可以在系统间交换信息，特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。 串口通信时，发送和接收到的每一个字符实际上都是一次一位的传送的，每一位为1或者为0。 数据在单条一位宽的传输线上，一比特接一比特地按顺序传送的方式称为串行通信。 在并行通信中，一个字节(8位)数据是在8条并行传输线上同时由源传到目的地;而在串行通信方式中，数据是在单条1位宽的传输线上一位接一位地顺序传送。这样一个字节的数据要分8次由低位到高位按顺序一位位地传送。由此可见，串行通信的特点如下: 1、节省传输线，这是显而易见的。尤其是在远程通信时，此特点尤为重要。这也是串行通信的主要优点。 2、数据传送效率低。与并行通信比，这也这是显而易见的。这也是串行通信的主要缺点。例如:传送一个字节，并行通信只需要1T的时间，而串行通信至少需要8T的时间。 由此可见，串行通信适合于远距离传送，可以从几米到数千公里。对于长距离、低速率的通信，串行通信往往是唯一的选择。并行通信适合于短距离、高速率的数据传送，通常传输距离小于30米。特别值得一提的是，现成的公共电话网是通用的长距离通信介质，它虽然是为传输声音信号设计的，但利用调制解调技术，可使现成的公共电话网系统为串行数据通信提供方便、实用的通信线路。2.2 USB通信方式 USB，是英文Universal Serial Bus(通用串行总线)的缩写，而其中文简称为通串线，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。是应用在PC领域的接口技术。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。 下一代USB接口将会有改动方向，下一代的Type-C USB接口，可支持正反两面插，并且传输数据信号强，但目前(2014年)生产商有限。 针对设备对系统资源需求的不同，在USB规范中规定了四种不同的数据传输方式：1、等时传输方式（Isochronous）该方式用来联接需要连续传输数据，且对数据的正确性要求不高而对时间极为敏感的外部设备，如麦克风、嗽叭以及电话等。等时传输方式以固定的传输速率，连续不断地在主机与USB设备之间传输数据，在传送数据发生错误时，USB并不处理这些错误，而是继续传送新的数据。2、中断传输方式（Interrupt）该方式传送的数据量很小，但这些数据需要及时处理，以达到实时效果，此方式主要用在键盘、鼠标以及操纵杆等设备上。3、控制传输方式（Control）该方式用来处理主机到USB设备的数据传输。包括设备控制指令、设备状态查询及确认命令。当USB设备收到这些数据和命令后，将依据先进先出的原则处理到达的数据。4、批（Bulk）传输方式该方式用来传输要求正确无误的数据。通常打印机、扫描仪和数字相机以这种方式与主机联接。在USB设备开发中，上位机程序是用于与用户进行接口的。上位机程序通过USB设备驱动程序和外部的USB硬件进行通信，USB固件程序执行所用的硬件操作。一般来说，根据选择开发平台的不同，可以使用Visual C+、Visual C#和LabVIEW等开发上位机程序。2.3 TCP/IP通信方式Transmission Control Protocol/Internet Protocol的简写，中译名为传输控制协议/因特网互联协议，又名网络通讯协议，是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。TCP/IP 定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。协议采用了4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的协议来完成自己的需求。通俗而言：TCP负责发现传输的问题，一有问题就发出信号，要求重新传输，直到所有数据安全正确地传输到目的地。而IP是给因特网的每一台联网设备规定一个地址。网络接口层物理层是定义物理介质的各种特性：1、机械特性；2、电子特性；3、功能特性；4、规程特性。数据链路层是负责接收IP数据包并通过网络发送，或者从网络上接收物理帧，抽出IP数据包，交给IP层。ARP是正向地址解析协议，通过已知的IP，寻找对应主机的MAC地址。RARP是反向地址解析协议，通过MAC地址确定IP地址。比如无盘工作站还有DHCP服务。常见的接口层协议有：Ethernet 802.3、Token Ring 802.5、X.25、Frame relay、HDLC、PPP ATM等。网络层负责相邻计算机之间的通信。其功能包括三方面。处理来自传输层的分组发送请求，收到请求后，将分组装入IP数据报，填充报头，选择去往信宿机的路径，然后将数据报发往适当的网络接口。处理输入数据报：首先检查其合法性，然后进行寻径-假如该数据报已到达信宿机，则去掉报头，将剩下部分交给适当的传输协议；假如该数据报尚未到达信宿，则转发该数据报。处理路径、流控、拥塞等问题。网络层包括：IP(Internet Protocol）协议、ICMP(Internet Control Message Protocol)控制报文协议、ARP(Address Resolution Protocol）地址转换协议、RARP(Reverse ARP)反向地址转换协议。IP是网络层的核心，通过路由选择将下一条IP封装后交给接口层。IP数据报是无连接服务。ICMP是网络层的补充，可以回送报文。用来检测网络是否通畅。Ping命令就是发送ICMP的echo包，通过回送的echo relay进行网络测试。传输层提供应用程序间的通信。其功能包括：一、格式化信息流；二、提供可靠传输。为实现后者，传输层协议规定接收端必须发回确认，并且假如分组丢失，必须重新发送，即耳熟能详的“三次握手”过程，从而提供可靠的数据传输。传输层协议主要是：传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol）和用户数据报协议UDP(User Datagram protocol）。应用层向用户提供一组常用的应用程序，比如电子邮件、文件传输访问、远程登录等。远程登录TELNET使用TELNET协议提供在网络其它主机上注册的接口。TELNET会话提供了基于字符的虚拟终端。文件传输访问FTP使用FTP协议来提供网络内机器间的文件拷贝功能。应用层协议主要包括如下几个：FTP、TELNET、DNS、SMTP、NFS、HTTP。FTP(File Transfer Protocol）是文件传输协议，一般上传下载用FTP服务，数据端口是20H，控制端口是21H。Telnet服务是用户远程登录服务，使用23H端口，使用明码传送，保密性差、简单方便。DNS(Domain Name Service）是域名解析服务，提供域名到IP地址之间的转换，使用端口53。SMTP(Simple Mail Transfer Protocol）是简单邮件传输协议，用来控制信件的发送、中转，使用端口25。NFS（Network File System）是网络文件系统，用于网络中不同主机间的文件共享。HTTP(Hypertext Transfer Protocol）是超文本传输协议，用于实现互联网中的WWW服务，使用端口80。3 上位机与下位机的工作方式3.1 通信特点 在工业控制系统中,各种数据的采集和执行机构的控制都是由下位机或探测站来完成。由于单片机具有体积小、价格低廉、可应用于恶劣工业环境的特点,在分布式控制系统中大多采用单片机作为下位机来进行数据采集和现场控制。在这些应用中,单片机只是直接面向被控对象底层。而对采集到的数据进行进一步分析和处理的工作是由功能强大的主控PC机来完成的。因此,PC机和单片机之间就有着大量的数据交换。 3.2 上位机控制 上位机的组态软件同样可以执行一定的控制动作，其优点在于脚本编写更容易，而且可以方便可执行涉及到多个设备以及关系数据库或者其他数据的控制动作，能充分发挥自身系统的优势。缺点在于有时会遇到上位机和下位机通讯的时间瓶颈，而且通常组态软件运行工控机在其他操作系统上，其稳定性和PLC等有差距。3.3 下位机控制 下位机可以执行一些相关的控制动作，优点在于其速度快，可靠性高，稳定。其缺点在于受到其自身的限制，对于一些特殊的复杂控制，以及和其他特殊设备相关或者涉及到关系数据库等控制功能作无法执行。4 结束语 本文首先阐述了上位机与下位机的基本概念，之后对通信方式进行了分析。下位机和上位机可以根据需要各执行相关部分控制功能，实时性要求较高的控制可以放到下位机，复杂的，关联其他数据的控制可以放在上位机，两者在一起构成一个完备的控制系统。合理的进行分配，不仅可以减少劳动量，而且可以提高工程的健壮性。参考文献：1徐亮。改进的以SMT为基础的实时系统限界模型检测J.软件学报，2014（7）：16-18.2刘敏兴。卓越的周杨.现代物流企业多维度协同分析研究J.计算机应用研究，Vol.29 3杨丽徙,曾新梅,刘蓉.变电站电气一次设备智能化问题的研究