文献检索考核报告

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上位机与下位机的数据传输 摘要摘要 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 1 基础知识基础知识 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 2 上位机与下位机之间的传输方式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 3 上位机与下位机的工作方式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 4 结束语结束语 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