（通信与信息系统专业论文）基于arm的嵌入式internet远程控制系统的研究与实现.pdf

摘要 随着嵌入式系统和网络技术的不断发展，嵌入式i n t e r n e e 技术以其体积小易 于集成、开销低以及应用广泛等特点成为现代社会各个领域的热门技术，在远程 控制领域也发挥了其强大的优势。 本文分析了传统远程控制技术和现有远程控制控制技术的不足，提出了一种 基于嵌入式i n t c 一m e t 技术的远程控制系统，并且利用本系统实现了对远程计算机 的一系列控制。本控制系统，选择了当前应用比较广泛，性价比较高的s a m s u n g 公司的a r m 7 芯片s 3 c 4 4 b o x 作为主要处理器，提出了在本控制电路中加入了一 个实时数据处理能力强的d s p 芯片c 5 4 x $ m s 3 2 0 c 5 4 1 6 的新方案，在综合考虑系 统各个指标的前提下，使系统的处理速度提高了近5 倍。采用应用简单的w e b c h i p 芯片接入i n t e r n e t 。实现了一个易于与服务器端和受控端相连的网间远程控制 系统。设计了整个系统的结构；将当前应用广泛的i lc o s i i 操作系统移植到处 理器芯片s 3 c 4 4 b o x 上；对s 3 c 4 4 b o x 进行了硬件初始化和调试；根据需要对 t c p i p 协议栈进行了剪裁；提出了软件设计总体结构；并且进行了成果验证和 展望。 经实验验证，本系统具有可行性，并且移植性和扩展性较好，总体开销也比 较小，对其他嵌入式系统有较强的借鉴作用，具有很强的现实意义。 关键词：嵌入式i n t e r n e t 远程控制a r md s p a b s t r a c t a st h e d e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e ma n di n t e m e t e m b e d d e di n t e r n e t t e c h n o l o g yh a sb e c o m ep o p u l a ri ne v e r yf i e l db e c a u s eo fi t sp o r t a b i l i t y 、 l o w - s p e n d i n g 、c o m p r e h e n s i v ea p p l i c a t i o na n ds oo i l ra l s os h o w si t ss u p e r i o r i t yi n r e m o t ec o n t r o lf i e l d ar e m o t ec o n t r o ls y s t e mb a s e d0 1 3e m b e d d e di n t e m e tt e c h n o l o g yi sp r o p o s e di n t h i s1 1 1 e s i sa n das e r i e so fc o n t r o lo v u - tr e m o t ec o m p u t e ro ni n t e r n e ti sr e a l i z e du n d e r t h i ss y s t e m a r m 7s 3 c 4 4 b o xo fs a m g s u n gi sc h o s e na st h em a i np r o c e s s o ra si t i sw i d e l yu s e da n dh a sh i g hp e r f o r m a n c ep r i c er a t i o ；ad s pt m s 3 2 0 c 5 4 1 6w i t hh i g h d a t ap r o c e s s i n gc a p a b i l i t yi sa d d e dt oi m p r o v et h ep r o c e s s i n gs p e e do ft h ew h o l e s y s t e mb a l a n c i n gb e t w e e nt h es p e n d i n ga n ds y s t e mp e r f o r m a n c e ；aw e b c h i pi s a d o p t e du s e dt o c o n n e c tt h e s y s t e mt oi n t e m e ts u p e r i o rt oo t h e rm e t h o d so n p r a c t i c a l i t y t h es y s t e mc a nb ec o n n e c t e dt oc o n t r o ls i d eo rc o n t r o l l e ds i d ef l e x i b l y t h ei n t e g r a t ef r a m eo ft h es y s t e mi si n t r o d u c e d ；t h ep o p u l a ro sp c o s 一1 ii s t r a n s p l a n t e dt o t h em a i np r o c e s s o rs 3 c 4 4 1 3 0 x ；h a r d w a r ei n i t i a l i z a t i o na n dd e b u ga r e i s c o m p l e t e d0 1 1s 3 c 4 4 b o x ；t c p i pp r o t o c o li so p t i m i z e da c c o r d i n gt ot h es y s t e m r e q u i r e m e n t s o f t w a r es c h e m ei sd e s c r i b e da n dp e r f o r m a n c et e s ta n dp r o s p e c ta r ea l s o i n v o l v e d t h i ss y s t e mh a se x c e l l e n te x p a n s i b i l i t ya n dc a nb et r a n s p l a n t e df l e x i b l y t h u si t s u p p l i e sg o o dr e f e r e n c e t oo t h e re m b e d d e d s y s t e m a n dh a s g r e a tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：e m b e d d e di n t e r n e ta r md s p w e b c h i p 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘洼盘茎或其他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了谢意。 学位论文作者签名：徘签字日期：乒嘣 年。月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫壅盘茎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 桥 签字日期：抑6 年a 月a 弓日 导师签名：2 罾罾卸 导师签名： z 罾罾卸 签字日期：7 以年2 ，月2 ，1 日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 远程控制是在网络上由一台电脑( 主控端r e m o t e 客户端) 远距离去控制另 一台电脑( 被控端h o s t 服务器端) 的技术，这里的远程不是字面意思的远距离， 一般指通过网络控制远端电脑，不过，大多数时候我们所说的远程控制往往指在 局域网中的远程控制而言。当操作者使用主控端电脑控制被控端电脑时，就如同 坐在被控端电脑的屏幕前一样，可以启动被控端电脑的应用程序，可以使用被控 端电脑的文件资料，甚至可以利用被控端电脑的外部打印设备( 打印机) 和通信 设备( 调制解调器或者专线等) 来进行打印和访问互联网，就像你利用遥控器遥 控电视的音量、变换频道或者开关电视机一样。不过，有一个概念需要明确，那 就是主控端电脑只是将键盘和鼠标的指令传送给远程电脑，同时将被控端电脑的 屏幕画面通过通信线路回传过来。也就是说，我们控制被控端电脑进行操作似乎 是在眼前的电脑上进行的，实质是在远程的电脑中实现的，不论打开文件，还是 上网浏览、下载等都是存储在远程的被控端电脑中的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。远程控制一般支持下面的这些网络方式：l a n 、w a n 、拨号方式、互联网方式。 此外，有的远程控制软件还支持通过串口、并口、红外端口来对远程机进行控制 ( 不过，这里说的远程电脑，只能是有限距离范围内的电脑了) 。 远程控制软件一般分两个部分：一部分是客户端程序c l i e n t ，另一部分是 服务器端程序s e r v e r ，在使用前需要将客户端程序安装到主控端电脑上，将服 务器端程序安装到被控端电脑上。它的控制的过程一般是先在主控端电脑上执行 客户端程序，像一个普通的客户一样向被控端电脑中的服务器端程序发出信号， 建立一个特殊的远程服务，然后通过这个远程服务，使用各种远程控制功能发送 远程控制命令，控制被控端电脑中的各种应用程序运行，我们称这种远程控制方 式为基于远程服务的远程控制( 图1 - 1 为网络拓扑图) 。通过远程控制软件，我 们可以进行很多方面的远程控制，包括获取目标电脑屏幕图像、窗口及进程列表； 记录并提取远端键盘事件( 击键序列，即监视远端键盘输入的内容) ；可以打开、 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 关闭目标电脑的任意目录并实现资源共享；提取拨号网络及普通程序的密码；激 活、中止远端程序进程；管理远端电脑的文件和文件夹；关闭或者重新启动远端 电脑中的操作系统；修改w i n d o w s 注册表：通过远端电脑上、下载文件和捕获音 频、视频信号等。 一捌露一鼍一i l 墨 羹靛端电_ 主燕端电 图卜1 ：一对一远程控制网络拓扑图 前面我们所说的是一台电脑对一台电脑的情况，其实，基于远程服务的远程 控制最适合的模式是一对多，即利用远程控制软件，我们可以使用一台电脑控制 多台电脑，这就使得我们不必为办公室的每一台电脑都安装一个调制解调器，而 只需要利用办公室局域网的优势就可以轻松实现远程多点控制了( 图卜2 为网络 拓扑图) 。在进行一台电脑对多台远端电脑进行控制时，我们发现，远程控制软 件似乎更像一个局域网的网络管理员，而提供远程控制的远程终端服务就像极了 办公室局域网的延伸。这种一对多的连接方式在节省了调制解调器的同时，还使 得网络的接入更加安全可靠，网络管理员也更易于管理局域网上的每一台电脑。 圭麓簟毫一丽囡 图1 - 2 ：一对多远程控制网络拓扑图 1 2 现有远程控制技术及其特点 1 集散控制技术 集散控制以1 9 7 5 年h o n e y w e l l 公司推出的t d c 2 0 0 0 型集散控制系统为开始 标志。它是4 c ( c o n t r o l ，c o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o n ，c a t h o d er a yt u b e ) 技术 2 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 的产物，以大型工业生产过程及其相互关系日益复杂的控制对象为前提，从生产 过程综合自动化的角度出发，按照系统工程中分解与协调的原则开发出来的，跃 微处理机为核心，结合了控制技术、通信技术和c r t 想象技术的新型控制系统。 由于具有集中监控、分散控制、操作方便的特点，集散控制系统广泛应用于在楼 宇控制、工业控制、污水处理、石油化工等方面。在经历了二十多年的发展之后， h o n e y w e l l 公司最新推出的e x e r t i o np k s ( 过程知识系统) 、e m e r s o n 公司的p l a n t w e b ( e m e r s o np r o c e s sm a n a g e m e n t ) ，f o x b o r o 公司的a 2 ，横河公司的r 3 ( p r m 一工厂资源管理系统) 和a b b 公司的i n d u s t r i a li t 系统为标志的第四代d c s 已 经形成。受信息技术( 网络通信技术、计算机硬件技术、嵌入式系统技术、现场 总线技术、各种组态软件技术、数据库技术等) 发展的影响，以及用户对先进的 控制功能与管理功能需求的增加，几乎所有的第四代d c s 都包容了过程控制、逻 辑控制和批处理控制，实现混合控制：采用i e c 6 1 1 3 1 3 标准进行组态软件设计 ( 该标准原为p l c 语言设计提供的标准) ：同时一些d c s ( 如h o n e y w e l l 公司的p k s ) 还直接采用成熟的p l c 作为控制站。所有的第四代d c s 都包含了各种形式的现场 总线接口，可以支持多种标准的现场总线仪表、执行机构等。此外，各d c s 还改 变了原来机柜架式安装i o 模件、相对集中的控制站结构，取而代之的是迸一步 分散的i o 模块( 导轨安装) ，或小型化的i o 组件( 可以现场安装) 或中小型的 p l c 。 2 现场总线控制技术 现场总线是自动化领域中计算机通信系统最底层的低成本网络。它依靠具有 检测、控制、通信能力的微处理芯片，数字化仪表( 设备) 在现场实现彻底分散控 制，并以这些现场分散的测量、控制设备单个点作为网络节点，将这些点以总线 形式连接起来，形成一个现场总线控制系统，它集中了自动化控制技术、网络通 信技术、计算机技术等多种科技成果，是网络集成式的全分布控制系统。它将原 来d c s 系统现场控制机的功能，全部分散在各个网络节点处，将原来封闭、专用 的系统变成开放、标准的系统。由它组成的双向、串行、数字化的开放式自动化 控制系统，在国内外得到了迅速发展和应用，使传统的自动化控制系统发生了重 大的变化，其技术革命的深度和广度在自动化控制领域是空前的，越来越受到电 力、冶金、交通、石化、楼宇、建材、轻工、纺织、矿山、环保、机械制造等行 业的广泛重视和应用。它以串行通信方式取代传统的4 2 0 m a 的模拟信号，一条现 场总线可为众多的可寻址现场设备实现多点连接、支持底层的现场智能设备与高 层的系统利用公用传输介质交换信息，其技术的核心是它的通信协议，这些协议 必须根据国际标准化组织i s o 的计算机网络开放系统互连的o r 参考模型来判断， 它是一种开放的七层网络协议标准，为了增加通信流量和减小传输时间，在现场 天津大学硕士学位论文第一章绪论 总线中都采取了不同程度的简化，减少由于层间转换的复杂性而产生的对实时响 应能力的影响。多数现场总线技术只使用其中的第1 ( 物理层) 、第2 ( 链路层) 、第 7 ( 应用层) 层协议，再增加一个用户作为网络节点，互连成底层总线网。由于它 和以往的控制方式有着本质上的区别，为了在这个领域可有立足之地，各国，各 大公司都投入了大量的人力、财力。经过十数年的竞争和发展，目前己开发出有 4 0 多种现场总线，如i n t e r b u s ，b i t b u s ，d e v i c e n e t ，m o d b u s ，a r c n e t ，p n e t ，f i p ， i s p 等，其中最具影响力的有5 种，分别是f f ，p r o f i t b u s ，h a r t ，c a n 和l o n w o r k s 。 3 嵌入式系统远程控制技术 传统的远程控制技术应用范围比较狭小，专用性较强，并且设备往往比较庞 大，不适于当今设备小型化、智能化的发展趋势，而在当前数字信息技术和网络 技术高速发展的后p c ( p o s t - p c ) 时代，自上世纪六十年代晚期第一套在通讯中被 用于控制电话交换机的嵌入式控制系统产生以来，将嵌入式计算机( e m b e d d e d c o m p u t e r ) 嵌入到有关设备中，完成信号控制功能的嵌入式控制系统，以其任务 针对性强、体积小，结构紧凑，开发相对简单、易实现功能集成的特点广泛应用 于在社会各个领域。随着网络成为现代社会的必备信息手段，只要实现了嵌入式 设备与网络的接入技术，无论在何时何地，只需具备上网的条件，就可以基于网 络实现开放的、低开销的远程控制嵌入式控制系统的进步与硬件技术的进步息息 相关，主要体现在芯片技术的进步，以及芯片技术限制下的算法与软件的进步上。 在嵌入式通信方面比较成功的技术有蓝牙技术和嵌入式i n t e r n e t 技术及嵌入式 m o d e m 技术。 1 3 本文研究意义 通过大量资料，本人认为现有的嵌入式远程控制系统存在着多种原因使嵌入 式控制系统有待于进一步的发展。有线控制系统中，不同厂家生产的产品存在着 兼容性差、互操作性差、不易更新、不能有效利用现有网络设备、所需资金高昂 等缺点，从而在较长时期内，该类控制方式不能普遍地应用到实践中去，同时通 信价格过高等特点也使它很难普及。现将本人的见解叙述如下： 1 系统兼容性差、系统不易更新 目前，世界上嵌入式控制系统的生产己经呈现出激烈竞争的局面。各大厂 家都在致力于发展和维护自己的产品，并积极参与和把持标准的制定工作，希 望自己可以主导嵌入式控制技术的发展。这就导致在现有的产品结构和应用水 平上，控制标准、系统协议和控制方式很难统一：而且其技术都不是十分成熟， 有待于进一步的发展，还需要大量时间和复杂应用环境的检验。 4 天津大学硕士学位论文第一章绪论 由于协议、标准的不统一，生产出的产品也有很多种，每种产品都有自己 的长处和短处，可以适用的环境也不尽相同。这样，在选择了一种控制产品后， 因为生产的变化要更换另外一种更为适合的产品时，我们便不得不抛弃原先系 统的几乎所有的设备，而需要完整地购置另外一套系统。 2 网络控制花费高昂 现有的控制产品大多是利用专用网络来传输信号，而不是利用本来存在的网 络。这就需要在安装控制系统时必须要建立自己专用的网络线路，同时在设备的 维护改造和更新上，要投入大量的人力物力，使得代价比较高。 3 网络控制中节点个数受限 由于产品出厂时的负载能力和系统建立时的接口和节点个数己经被界定，所 以我们不可能无限制的扩展节点。同时，我们也有可能为了很少的节点而建立一 个庞大的控制系统，造成资源的浪费。 4 无线控制难度较大、电磁波对环境有污染、控制信号易受外界环境干扰 近年来，人们对于环境的要求不断提高，也更进一步认识到电磁波对人体的 危害。人们越来越倾向于使用更小的发射信号，更好的接收设备来实现。在接收 增益和发射功率达到一个平衡点后，进一步提高接收增益缩小发射频率，技术上 的难度必然增加价格的上升趋势。同时，更小的发射功率又使信噪比快速降低， 信号质量进一步降低，接收处理信号的难度也随之加大，这就势必造成控制精度 的降低、从而降低了有效控制距离。同时，除了i s m # f 的频率占用均需交纳不匪 的费用。 而随着信息技术的发展，数字化产品空前繁荣，网络的进一步普及和发展， 嵌入式控制系统必将沿着以下几个方向发展： 1 随着因特网技术的成熟、带宽的提高，i c p 和a s p 在网上提供的信息内容日趋丰 富、应用项目多种多样。像电话手机、电话座机及电冰箱、微波炉等嵌入式电子 设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。为了满足应用功能的升级，设计师 们一方面采用更强大的嵌入式处理器如3 2 位、6 4 位r i s c 芯片或信号处理器d s p 增 强处理能力：同时还采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复 杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。 2 随着硬件技术的发展，各大公司不仅相继推出更高级别的微处理器芯片，还同 时推出用于研发的各种配套开发包，使得微处理器的数据处理速度越来越高，提 供的功能也会更加完善，由此，设计出相同用途的系统，设计人员的付出必将大 量减少，从而可以大幅度地提高系统的功能及运行速度。 3 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向2 l 世纪的嵌入式控制系统要 求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入设备必需配有 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 警，灯光能源控制，影视设备和信息终端交换信息) 及实验现场仪器的协调工作 等要求，新一代嵌入式设备还需具备i e e e l 3 9 4 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 。 c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) ，b l u e t o o t h 或i r d a ( i n f r a r e dw i r e l e s s a d a d t e ru s b ) 通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支 持应用软件的特定编程模式，如w e b 或无线w e b 编程模式，还需要相应的浏览器， 如h t m l ( h y p e r t e x tm a r k u pl a n g u a g e ) 、呲( w i r e l e s sm a r k u pl a n g u a g e ) 等。 4 电子设备体积小型化、降低功耗和成本。这就要求嵌入式产品设计者相应降低 处理器的性能，限制内存容量和复用接口芯片：相应提高嵌入式软件设计技术水 平，如，选用最佳的编程模型和不断改进算法，采用先进嵌入式软件技术，如j a v a ， w e b 和w a p ( w i r e l e s sa p p l i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 等。 综上所述，在一些控制领域，设备的远程控制系统一般都是基于集散控制和现 场总线组成。随着网络技术不断发展，这种控制系统越来越暴露出它的缺点：如多 种现场总线并存，彼此之间互连接和互操作问题难以解决，用户需要统一、廉价的 通信协议标准：设备相关信息要想传递给远方，要通过w e b 服务器或电予邮件，另 外还要加设专门的网关才能上互联网，实现远程通信，既不经济，又影响系统整体 性能。为此，本文提出了一种基于嵌入式互联网的设备远程控制系统，嵌入式互联 网技术是近几年发展起来的新技术，目前已经逐渐渗透到日常生活和工业生产的 各个领域，基于它构建的远程控制系统有如下特点： 1 现场设备的数据采集及t c p i p 通信等功能可以集成在一块，结构简单，体积小。 价格低廉。 2 采用统一的网络协议t c p i p ，整个系统组网容易，数据传输快。 3 用户在远方通过p c 机上互联网登陆，就可以对设备进行控制。 本系统弥补了当前一些系统的扩展性不强的不足的同时，发挥了该操作系统 实时性能高的特点，同时具有性价比高、数据处理快、体积较小等特点，具有良 好的系统扩展和移植特性，在危险地区作业以及网络家电等各个方面有很好的应 用前景。满足设备小型化、成本最低化、可移植性和通用性较强的趋势，对很多 嵌入式i n t e r n e t 控制系统具有较强的借鉴意义和广泛的应用面。 1 4 本文主要任务 本文构建了一个基于a r ms 3 c 4 4 b o x 的嵌入式i n t e r n e t 的远程控制系统，设计 了硬件初始化程序，移植了uc o s - i i 嵌入式操作系统，在此基础上。给系统增 加了一个专用性价比较高的d s p 芯片，设计了接口电路，专门用于数据处理，提 高了整体系统的数据处理能力，也增强了实时能力，选择了对处理器要求较低、 6 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 体积较小、价格较低的w e b c h i p , 繁l , 片作为本系统与i n t e r n e t ：互连的接口，设计了 接口电路。根据实际系统，对t c p i p 协议进行了剪裁。设计了整体软件框图。 7 天津大学硕士学位论文第二章嵌入式i n t e r a c t 远程控制技术简介 2 1 概述 第二章嵌入式i n t e r n e t 远程控制技术简介 嵌入i n t e r n e t 技术是近几年发展起来的新技术，它创新性地提出以单片机或 微控制器( m c u ) 为核心的嵌入式系统完成监测任务，使底层监测设备与i n t e r n e t 的无缝连接有了可行方案，真正做到远程监测，这样构建的监测系统开销少、尺 寸小、功能强有如下特点： 1 监测设备同时也充当网络服务器，信号转换、采样及t c p i p 通信等功能集成到 一块，所以系统结构简单，尺寸微小，价格低廉： 2 采用t c p i p 网络协议标准，系统组网容易、传输数据多、速率快。 3 客户端可以做到无需任何程序、通过w e b 浏览器就可以对设备进行监控。 工业为了在不同的m c u 之间进行通信，通常是通过r s 一2 3 2 r s 一4 8 5 等来进行 组网，这种网络传输距离非常有限，速度也不高，需要专门的嵌入式网关 ( e m g a t e w a y ) 才能上i n t e r n e t ，实现远程监测。若使嵌入式系统具备i n t e r n e t 功 能，这样嵌入式系统便成了嵌入式i n t e r n e t 系统工程，g c u 相应成了一台微型网 络服务器。 目前用得较多的是将普通8 位m c u 与以太网控制芯片结合，在m c u 上嵌入 t c p i p 协议栈及以太网控制芯片驱动程序，根据现代工业控制的要求，对t c p i p 协议进行裁剪，只保留满足功能的基本协议，这种嵌入式网络服务器结构非常简 单，采用现代集成技术可使物理尺寸非常小，其功能结构如图所示： 图2 - i 嵌入式网络结构图 天津大学硕士学位论文第二章嵌入式i n t e r n e t 远程控制技术简介 嵌入式i n t e r n e t 技术主要解决的问题是通过w e b 和嵌入式技术实现从不同 子网、不同物理区域对接入到i n t e r n e t 的设备和异类子网进行监控、诊断、测试、 管理、及维护等功能，从而使接入到i n t e r n e t 的各种设备或其它类型的子网具有 远程监控、诊断和管理的功能。嵌入式i n t e r n e t 是从设备的角度来看i n t e r n e t ， 这时的i n t e r n e t 是一种嵌入式i n t e r n e t ，设备连入i n t e r n e t 是指把i n t e r n e t 的功 能嵌入到设备中，称为e m b e d d e di n t e r n e td e v i c e ，简称e i d 。在这种技术产生 之前，如果想要控制远程设备，人们必须利用专有线路，费时、费力且非常不方 便，如果想要控制可以移动的设备简直是不可能。现在有了嵌入式i n t e r n e t 技术， 可以利用浏览器通过现有的i n t e r n e t 来控制设备，而不是专线；人们可以控制他 们想要控制的一切，只要在设备的旁边有i n t e r n e t ，而不管该设备现在或将来移 动到什么地方。嵌入式i n t e r n e t 技术的历史虽然不长，但发展却十分迅速，人们 还没有来得及适应它的时候，很多相关的技术已经出现了，很多大的芯片制造商 开始研制功能更强大的嵌入式芯片，软件厂商则开发出了微型的w e b 服务器、 t c p i p 协议栈。嵌入式i n t e r n e t 技术的实现方法有很多种，体系结构不同，使用 的芯片不同，采用的底层技术不同、采用不同的软件技术等等。从管理的角度可 以把嵌入式i n t e r n e t 技术的发展分为三个阶段，即集中式管理阶段、分散式管理 阶段、智能管理阶段。在不同的阶段有不同的实现方法。 2 z 系统结构 早期远程监控技术是非实时非在线监控方式，而现代远程监控技术是实时在 线监控方式，借助于计算机、网络和通信技术，操作者可以依靠安装在现场的各 种传感器及音视频设备，远隔千里便可随时了解现场生产与设备情况，对生产现 场进行监控、诊断与控制。系统框图如下： 现场 控制数据 一 状态数据 j 1 监控远程方系统 图2 2 远程控制系统系统框图 9 天津大学硕士学位论文第二章嵌入式i n t e r a c t 远程控制技术简介 监控远程方系统( 以下简称监控终端或监控端) 是用户与现场设各的进行交 互的界面。从功能角度来看，主要包括远程设备状态的终端显示，控制命令及参 数的输入，对命令参数和状态数据进行必要的处理，以及其他操作。目前，由于 微机的广泛应用和价格越来越低廉，并且用于远程监控的微机远离工业现场，所 以基于微机的远程控制终端软件技术发展迅速，微机成为远程监控终端系统的主 要操作平台。 2 远距离数据传输系统 远距离数据传输系统作为远程控制的信息的传输通道，进行各类控制数据的 传输。传输系统的目的就是将现场的设备状态信息尽快的传输到监控端，使操作 人员通过对现场设备状态的了解，决定下一步的措施( 比如通过传输系统发出控 制命令等) ：另外还需要将监控端的控制信息传输到现场的控制h 机，以便对设 备进行控制。当然，视频图像在某些远程监控应用中起很重要的作用，d u 图像信 息量特别大、传输的质量要求高、不出现间断，对通信线路有一定的要求。目前， 一般采用将视频音频信号和数据信号分开传递，使它们占用不同的通道、波段或 频段。例如，在采用i s d n 方式时，i s d n 的2 b 通道用来传递视频和音频信号，d 通道用来传输数据信息。将来随着因特网的带宽和可靠性的增加，基于因特网的 远程控制更具有前景。一个通信系统通常由通信介质、通信协议、通信软件硬件 系统等组成。 3 现场监控系统 现场设备监测与控制系统简称为现场监控系统。是直接对现场设备进行监测 控制的系统。主要任务是根据监控终端的控制数据对设备进行控制，同时监测设 备的状态，并作必要的分析，再将这些状态通过传输通道反馈到监控端。现场监 控系统实际是一个计算机控制系统，是以计算机为中心的集现场控制、管理、数 据采集为一体的控制系统。 2 3 远程控制系统的控制方式 虽然我们认为一个远程控制系统属于计算机控制系统，但是应该看到远程控 制系统也有着自身的一些特点。下面我们从控制方式上对远程控制系统加以分 析。从控制方式来说，远程控制可以分为四种控制方式：保持型的远程监控方式、 完成型的远程监控方式、完全型的远程监控方式、人机交互远程监控方式。 1 保持型的远程监控方式 在不断的提高设备本身智能化水平、提高设备对突发事件的应对能力和系统 的鲁棒性的情况下，远程监控端仅仅向设备控制系统发出控制命令，而由设备自 1 0 天津大学硕士学位论文第二章嵌入式i n t e r a c t 远程控制技术简介 主的完成这个命令，监控设备只对设备进行监视，在必要时对设备进行干预。这 样就要求设备不断向远程监控系统发送设备运行信息，远程监控系统保持对设备 的监控能力。这样远程监控系统必须维持和设备建立起来的通讯连接，信息的传 输允许有一定的滞后。因为现场设备有一定的智能，有能力处理现场的意外事件， 防止事故和故障的进一步扩展。在事故发生时可及时处理，或暂停任务，等待远 程监控系统的解决方法。这种模式可实现远程设备的无人控制，可应用于危险环 境和人力不能到达的地方等。 图2 - 3 保持型远程监控方式框图 2 完成型的远程监控方式 远程监控系统仅仅向设备控制系统发出控制命令，而由设备自主的完成这个 命令，远程监控系统不对设备的具体实现过程进行监控，设备完成任务后向远程 监控系统报告。设备的操作控制完全由本地进行，设备在本地操作人员的监控下 完成任务 3 完全型的远程监控方式 设备的本地控制系统仅仅控制设备的执行机构，全部的操作控制由远程监控 系统完成。这种方式的控制系统和设备是分离的，而在控制系统内，设备的信号 传递速率要求很高，控制系统能够立刻对现场做出反应，要求通信线路高速可靠。 这种系统一般用于特殊行业。 4 人机交互远程控制方式， 设备在本地操作人员和远程监控系统的协同控制下工作，往往在远程监控系 统的指挥下工作，由本地操作人员对设备进行控制和维护工作。在任务的执行过 程中，可随时建立连接，进行设备之间和人员之间的交互，设备的状态信息可随 时在远程监控端采集。根据实际的控制情况，基于因特网的远程控制方式可以采 取上面1 ，2 ，3 三种方式来解决问题。而对于完全型的远程控制方式，由于因特 网传输时间的不确定性，所以实现起来比较困难。 2 4 嵌入式i n t e r n e t 的几种方案选择 实现嵌入式设备的i n t e r n e t 网络化，需要实现t c p i p 网络协议，但由于 i n t e r n e t 上面的各种通信协议对于计算机存储器、运算器速度等的要求比较高， 天津大学硕士学位论文第二章嵌入式m t e r n c t 远程控制技术简介 对嵌入式系统产生了很大的挑战。针对嵌入式i n t e r n e t 的问题，国际国内很多厂 家都进行了开发，推出的方案，可分为如下几类： 1 通过专用的w e b 服务器实现，首先利用轻网络通信技术( c a n ，r s 一2 3 2 ，r s 一4 8 5 等) 将m c u 组网构成一个子网，再通过专用的w e b j 艮务器作为子网设备路由器来转 换实现嵌入式系统与外部网的通信。 2 通过专用的嵌入式网关连接，即嵌入式系统使用轻网络通信技术与专用嵌入 式网关连接。运行t c p i p 协议，并提供t c p i p 至u 用户的轻型网络的连接和路由功 能。 。 3 把标准网络技术( t c p i p ) 一直扩展到嵌入式设备，由嵌入式系统自身实现 w e b 服务器功能，是解决问题的最佳方案。 对于第三种方案，由于t c p i p 需要占大量的系统资源，所以要求高档的m c u ， 这样可运行嵌入式实时操作系统，实现较完整的t c p i p 协议。 对于嵌入式t c p i p 的实现又有硬件固化和软件两种方式：硬件固化方式指将 t c p i p 协议栈用硬件方法予以实现，嵌入式系统直接与t c p i p 协议栈硬件连接 由它实现协议的转换，从而使之与互联网连接。但这增加了硬件的成本软件实 现是指用软件的方法实现使系统支持t c p i p 协议，可以与网络连接。 2 5 嵌入式系统与i n t e r n e t 网互连实现 2 5 1 t c p i p 协议栈 因特网协议是基于i n t e r n e t 的远程控制必不可少的部分，而t c p i p ( 传输控 制协议因特网协议) 是建立因特网的基础，是i n t e r n e t 的开放系统平台。作为 嵌入i n t e r n e t ，更离不开网络协议，嵌入式i n t e r n e t 技术要解决两个问题：传送 信息的媒质和采用的协议，用的较多的是以太网通信介质的有线连接与t c p i p 协议。利用网络接口控制器来实现与i n t e r n e t 连接。 天津大学硕士学位论文第二章嵌入式i n m m c t 远程控制技术简介 o s l t s o 锻t c p ，i p 协议 应用层 表示屡 应用屡 会话层 信输晨 信喻层 网络层l 晰协议层次网络层 链路层 逻辑链路控制千层 网络 介质访问控制子层 界面 子层 物理雇物理收旋信号子层 介质附鹰单元w u - - 7 阿络揍 口控制 驱动 电路 图2 4 网络协议层模型 其中网络接口控制芯片处于物理层和链路层上，实现了网络控制逻辑和与处 理器的接口逻辑。逻辑链路控制子层( l l c ) 向高层提供逻辑接口，具有帧发送和 接收功能。发送时把要发送的数据加上地址和c r c 校验构成帧：接收时把帧拆开、 执行地址识别和c r c 校验，并具有帧顺序控制、差错控制和流控制等功能介质访 问控制子层( m a c ) 管理链路上的通信和各节点之间通信如何控制。在物理层，根 据标准规定的信号编码和介质，建立物理连接，包括位流的传输和接收、同步字 符的产生和删除等。 在网际层，i p 协议是t c p i p 的基础，为不同网络的主机之间发送数据报的操 作序列，提供的是无连接的服务。通过在数据前添加i p 协议头，使每个数据报具 有寻址能力。嵌入式系统只把i p 作为传输工具，进行简化以完成主要的操作。得 到i p 包后，检验i p 头部的版本、目的地址、校验和正确。就解析出协议类型字段， 由此交给相应的高层协议处理。发送i p 包时，将缓冲区内的源地址与目的地址互 换，设置校验后，然后交给下层协议处理，不符合要求，则将此包丢弃。 2 5 2 嵌入式系统与i n t e r n e t 网互连的具体实现 由于t c p i p 协议是一组非常复杂的协议族，故一般的单片机系统无法全部用 软件来解释t c p i p 协议，必须采用硬件芯片实现该功能。因此，目前嵌入式系统 实现i n t e r n e t 有三种方式，在第四章我们将详细介绍，并做出方案选择。 2 6 影响远程控制正常运行的一些因素分析 要真正实现基于i n t e r n e t 远程测控，不仅要考虑控制系统本身的精确性和实 时性，也要同时考虑网络带给系统的新特性。比如网络传输的安全性，数据传 1 3 _笑式处理 天津大学硕士学位论文 第二章嵌入式i n t e r n e t 远程控制技术简介 输的可靠性和准确性，网络和现场设备、仪器的接口，t c p i p 协议和现场总线 协议的兼容性。真正达到数据传输的畅通无阻。下面就部分关键技术进行讨论。 l - 网络安全因素 随着i n t e r n e t 应用普及，网络安全问题日益突出。网络安全是指网络系统的 硬件、软件及其系统中的数据受到保护，不受偶然的或者恶意的原因而遭到破坏、 更改、泄露，系统连续可靠正常地运行，网络服务不中断。 在网络上传输时受到机密性、完整性和真实性的保护，避免其他人或对手 利用窃听、冒充、篡改、抵赖等手段进入控制网络，是我们完成控制的先决条 件。基于i n t e r n e t 的远程测控必须把网络安全问题放在重要的位置。没有一个有 效防护的网络，控制系统很容易就被他人进入，这样，我们的受控系统就会被 非法操作，甚而造成严重的后果。 网络安全应具有以下几方面的特征： ( 1 ) 信息应当具备不泄露给非授权用户、实体或过程，或可被非法利用的特 性，即保密性。 ( 2 ) 数据未经授权不能进行改变，即信息在存储或传输过程中保持不被修 改、不被破坏和丢失的特性，即数据的完整性。 ( 3 ) 被授权实体访问并按其需求被使用，即当需要时能存取所需信息的特 性，即可用性。例如网络环境下拒绝服务、破坏网络和有关系统的正常运行等 都属于对可用性的攻击。 目前，网络安全已成为数据通信领域的一个重要研究方向，人们研究开发 了各种各样的网络安全技术来保证网络通信的安全，采取的安全措旌主要有防 火墙技术、数据加密技术和身份确认技术等。远程测控可根据不同的网络安全 要求采取不同的安全措施，对安全有特殊要求的系统，可以采用专用的网络： 对网络安全要求一般的系统，可使用网络防火墙，并对数据进行加密。无论采 用何种安全措施，最重要的还是要加强网络安全管理意识。 2 可靠性因素分析 一个远程控制系统的可靠性主要的是指远程监控终端系统、传输系统的传输 可靠性和现场监控系统的可靠性。可靠性是一个控制系统的基本要求之一。对于 远程控制来说，传输系统的可靠性是最为重要的一个方面。而传输系统的可靠性 在于传输的介质与传输方式等因素。 3 稳定性因素分析 稳定性因素是指现场监控系统在监控终端的监控卜，能够稳定运行，不产生 震动、中断、跳变等不正常现象。一方面，山于时延的影响，现场监控系统在上 一步命令执行完成，而没有接收到下一步执行的控制命令时，必然产生一定控制 1 4 天滓大学硕士学位论文 第二章嵌入式i n t e r n e t 远程控制技术简介 过程中断。如果现场监控系统没有对该中断做出一定的弥补修改措施，必然导致 不可预测的结果。另外现场控制系统控制产生了异常错误，要求监控终端给子决 速修正。但是，由于传输时延影响，到达了监控终端需要一定的时间，从而使得 异常错误在现场没有得到有效的终止，有可能导致不可预测的结果。第三方面， 数据传输的错误有可能导致系统出现不稳定状况，传输系统可能由于外界干扰等 原因使得数据传输错误，导致了对设备控制出现不可预测的结果，从而影响系统 的控制稳定性。当然，根据实际情况，可能还有许多其它因素影响着远程控制系 统的稳定性，只有具体问题具体分析。 4 数据传输技术 数据传输技术主要包括数据传输的及时性和正确性。系统中数据的传输技术 和延迟处理技术是实现i n t e r n e t 远程控制技术的关键，处理不好将影响整个系统 的性能。数据传输的可靠性和准确性。数据传输的准确性是远程控制系统的首要 要求，没有可靠的数据是不可能进行远程控制的。 数据总是要加载到一定的物理线路上进行传输的，而在物理链路上传输的 数据难免受到噪声等各种不可靠因素的影响，产生差错，为了弥补物理层的不足， 对上层传输可靠数据，就要进行有效的纠错和检错。 引起差错的原因包括：热噪声和冲击噪声。由热噪声引起的差错是一种随机 差错，亦即某个码元的出错具有独立性，与前后码元无关。冲击噪声引起的差错 是成群的，其差错持续时间称为突发错的长度。冲击噪声呈突发状，由其引起的 差错称为突发错。冲击噪声是由短暂原因造成的，例如电机的启动、停止，电器 设备的放弧等，冲击噪声幅度可能相当大，无法靠提高幅度