（测试计量技术及仪器专业论文）基于工业以太网的远程测控通信技术研究.pdf

武汉理j i ：大学硕士学位论文 论文摘要 随着嵌入式应用的快速发展，计算机技术、通信技术以及以太网技术的广泛 应用，引发了工业控制领域的深刻技术变革。控制系统结构网络化与控制系统体 系开放化将是控制系统发展的未来。因此，工业以太网远程控制技术将是继现场 总线控制系统( f c s ) 技术后新的发展趋势。 c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 总线作为有效支持分布式控制或实时控制的 串行通信网络，在世界得到大面积的推广与应用。越来越多的工业设备采用c a n 总线联网，组成分布式控制系统。以t c p i p 协议等协议为基础的i n t e r n e t 除了在 通用计算机( p c 机) 上得到普及外，开始进入工业控制领域。现场设备接入以太 网将大大提高控制系统的分布式特性，所以研究基于工业以太网的远程测控通信 技术显得及时而且必要。 针对工业以太网与c a n 总线互联测控通信的研究，本文主要从以下两个方 面进行了研究：一、基于c a n 总线智能控制节点的设计。智能控制节点采用步 进电机作为控制单元，c a n 总线与控制节点的通信采用经典连接方式，并且通 过单片机实现智能节点的控制。二、基于e t h e r n e t c a n 总线的嵌入式网关的设 计。这部分介绍了嵌入式网关的硬件设计以及l x c o s 一1 1 下以太网与c a n 总线之 间的协议转换。通过这种不同总线的互联，实现对生产设备的控制。 本文正是基于i _ t c o s i i + t c p p + c a n 的解决方案，以i _ t c o s i i 为软件平台， a r m 为硬件模拟平台，开发了一种嵌入式的网关协议转换器；以单片机为平台 设计c a n 智能控制节点，最终实现以太网的远程控制。本文涉及c a n 总线技 术、t c p i p 技术、嵌入式系统等多方面技术，并主要针对系统的特点着重介绍 整个系统的设计思路、需要考虑的问题、整个硬件电路的设计原理以及软件部分 的实现。 关键词：工业以太网，嵌入式网关，智能控制节点，协议转换 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e da p p l i c a t i o n s ，t h ew i d e l ya p p l i c a t i o no f c o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , a sw e l la se t h e r n e tt e c h n o l o g y , h a s l e dp r o f o u n dt e c h n o l o g yr e v o l u t i o ni nt h ef i e l do fi n d u s t r i a lc o n t r 0 1 n e t w o r k i n g s t r u c t u r ea n do p e ns y s t e mw i l lb et h ef u t u r eo ft h ec o n t r o ls y s t e m t h e r e f o r e ，a f t e rt h e f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e mt e c h n o l o g y ( f c s ) ，t h ei n d u s t r i a le t h e r n e tr e m o t ec o n t r o l t e c h n o l o g yi san e wt r e n do fd e v e l o p m e n t c a nb u s ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) a sa ne f f e c t i v es e r i a lc o m m u n i c a t i o n s n e t w o r kw h i c hs u p p o r tf o rd i s t r i b u t e dc o n t r o lo rr e a l - t i m ec o n t r o l ，h a sb e e nf o u n di n l a r g er a n g eo fa p p l i c a t i o ni nt h ew o r l d c a nb u sa st h en e t w o r ki su s e di nm o r ea n d m o r ei n d u s t r i a le q u i p m e n t ，a n di s c o m p o s e do fd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m t h e i n t e r n e tb a s e do nt c p i pp r o t o c o li sp o p u l a rb e s i d e si nt h eg e n e r a l - p u r p o s ec o m p u t e r ( p c ) ，s t a r t i n gt oe n t e rt h ef i e l do fi n d u s t r i a lc o n t r 0 1 t h ee q u i p m e n tw i t he t h e r n e tw i l l g r e a t l ye n h a n c et h ed i s t r i b u t i o n a lc h a r a c t e r i s t i co fc o n t r o ls y s t e m s or e a s e a r c h i n gt h e r e m o t em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do ni n d u s t r i a l e t h e m e ti st i m e l ya n dn e c e s s a r y f o rt h er e a s e a r c ho ft h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lc o m r n u n i c a t i o ni ne t h e r n e ta n d c a nb u s ，t h ep a p e r sm a i n l ys t u d i e dt h ef o l l o w i n gt w oa s p e c t s ：t h ef i r s t ，t h ed e s i g no f i n t e l l i g e n tc o n t r o ln o d eb a s e do i lc a nb u s t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ln o d eu s i n g s t e p p e rm o t o ra sac o n t r o lu n i t c a nb u sc o n n e c t e dw i t ht h ec o n t r o ln o d e su s i n g c l a s s i c a lm e t h o d s ，a n dc o n t r o l l e di n t e l l i g e n tn o d ec o n t r o lt h r o u g ht h em c u t h e s e c o n d ，t h ed e s i g no fe m b e d d e dg a t e w a yb a s e do ne t h e r n e t - c a nb u s t h i ss e c t i o n p r e s e n t se m b e d d e dg a t e w a yh a r d w a r ed e s i g n sa n dt h eg a t e w a yp r o t o c o lc o n v e r t e r b e t w e e ne t h e m e ta n dc a nb u sb a s e do nt h eg c o s i io p e r a t i n gs y s t e m t h eg a t e w a y p r o t o c o lc o n v e r t e rm a d ed i f f e r e n tb u si n t e r c o n n e c t e da n da c h i e v e dt h ec o n t r o lt o p r o d u c t i o ne q u i p m e n t t h ed i s q u i s i t i o ni sp r e c i s e l yb a s e do ng c o s h + t c p 口+ c a ns o l u t i o ns c h e m e ， t a k i n g t c o s i ia st h es o f t w a r ep l a t f o r ma n da r ma st h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，h a s d e v e l o p e dak i n do fe m b e d d e dp r o t o c o lg a t e w a yc o n v e r t e r t h ed i s q u i s i t i o ni n v o l v e s t h ec a nb u st e c h n o l o g y ，t h et c p i pt e c h n o l o g y ，e m b e d d e ds y s t e m sa n ds oo n ，a n d m a i n l ya i m sa tt h ec h a r a c t e r i s t i co fe m b e d d e ds y s t e m st oi n t r o d u c et h ed e s i g n m e n t a l i t y ，q u e s t i o nn e e d e dt oc o n s i d e r ，e n t i r eh a r d w a r ec i r c u i tp r i n c i p l eo fd e s i g na s w e l la ss o f t w a r ep a r t i a lp r i n c i p l eo fd e s i g ni nt h eo v e r a l ls y s t e m k e yw o r d s ：i n d u s t r i a le t h e r n e t ，e m b e d d e dg a t e w a y , i n t e l l i g e n tc o n t r o ln o d e ， p r o t o c 0 1c o n v e r t e l i i 此页若属实，请研究生及导师签名，并装订在学位论文的摘要前。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它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责献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：墨丝缝南盟 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部内容，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签孙墨丝缮导师( 签孙趁丝醐碰! ：乡 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着工业网络化智能化的快速发展，现场总线控制系统( f i e l db u sc o n t r o l s y s t e m ) 将逐渐代替传统的数字式直接控制系统和集散控制系统( d c s ) ，但目前 市场上现场总线存在百花齐放的态势，没有形成统一的标准，这必然制约现场总 线往更深的方向发展。当前以太网技术已经很成熟地应用于企业的管理决策领 域，通过以太网，我们可以访问世界的任何一个地方，但以太网用于工业控制领 域才刚刚兴起，正处于试用阶段，使工业以太网全面应用于工业现场，是当今世 界工业控制领域正在研究的问题。以太网可以克服现场总线不能与计算机网络技 术同步发展的弊端。以以太网作为现场总线，特别是高速现场总线框架的主体， 可以避免现场总线技术游离于计算机网络技术的发展之外，使现场总线技术与计 算机网络技术很好地融合而形成相互促进的局面i 。 1 1 课题研究意义 以太网技术发展迅速，使得以太网成为当前最流行、应用最广泛的通信网络， 在技术以及很多方面有其自身的优势，但要直接用于工业控制领域，仍然面临一 些未解决的问题。作为目前工业现场领域采用的现场总线控制系统则具有不可代 替的优点，与以太网相比，更适合用于控制网络。现场总线是连接智能现场设备 和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。它的关键是把网络 化、信息化的概念彻底引入到工业现场控制领域。 现场总线作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上作为网络节点的智能设 备连接为网络系统，实现基本控制、监控、优化以及控管一体化的综合自动化功 能。正因为现场总线和以太网存在各自的缺陷与不足，使得目前一些工业企业在 生产现场采用现场总线作为控制网络，而以太网的应用只限于企业管理层和生产 监控层。这种控制网络与信息网络相互独立的局面就是目前企业网络化、信息化 发展的最大障碍。将以太网接入现场控制网络将是当今面临解决的一个问题。对 以太网接入控制网络的研究，能推动以太网向工业控制领域的纵向发展，深入控 制系统的层面，使控制信息能传输到世界的各个角落。因此，解决以太网的与现 场控制网络的通信问题将是深入研究的前提。本课题就是针对以太网与现场总线 控制网络的通信技术作为研究要点，解决工业以太网与现场控制节点之间控制信 武汉理工大学硕士学位论文 息的传输。 1 2 论文研究相关知识背景 随着以太网技术的发展，以太网不再只运用在商业领域，以太网的工业领域 应用已是当前对以太网研究的热门课题。目前的工业控制领域已经由直接式的控 制系统逐渐到集散控制系统，再到目前最为热门的现场总线控制系统，控制系统 的发展正朝着集中化、规模化发展。基于工业以太网的技术研究，将控制系统的 发展推向网络化和远程化。 目前对以太网应用于控制领域的研究主要包括以下的两个方面：一、以太网 与现场总线相结合应用于控制领域；二、以太网直接应用于控制领域。 1 2 1 以太网与现场总线相结合应用于控制领域 现场总线作为一种先进的工业控制技术，讲当今网络通信与管理的观念带入 工业控制领域。把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带将 它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络与控制系统，是工厂的 底层控制网络。现场总线经过十多年的发展，出现了杂乱纷呈的局面，目前国际 上有4 0 多种现场总线。之所以发展迅速，主要是由于现场总线拥有自身独特的 技术特点和不可替代的发展前景【2 】【3 1 。 系统的开放性 互操作性和互用性 现场设备的智能化和功能自治性 系统结构的高度分散性 此外，现场总线系统还有结构简化，节省硬件数量与投资，用户具有高度的 系统集成主动权，提高了系统的准确性与可靠性等优点【4 1 。 正因为现场总线有诸多优点，在工业控制领域有不可替换的作用。现场总线 会朝着功能多元化、系统开放性以及统一性方向发展，其发展趋势主要体现在以 下几个方面： ( 1 ) 现场总线的标准化工作。目前，中国的现场总线技术及产品的开发工作 已经起步，正积极按照i e c 的标准开展研究。 ( 2 ) 现场总线逐步转向工业以太网。市场和技术的发展需要统一标准的现场 总线，整合了e t h e r n e t 和t c p i p 技术的现场总线是今后发展的主流体系和应用 热点。 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 在今后很长一段时间内多种现场总线既相互竞争又相互共存，同时多种 现场总线也可共存于同一个控制系统中。 ( 4 ) 管控一体化。从现场控制层到管理层的全面无缝信息集成能给企业带来 整体效益。这也是现场总线最终发展的目标。 针对当前的研究事态，以及现场总线不可替代的优势，对工业以太网在工业 控制领域的研究，寻求以太网和现场总线相结合的方式来解决当前控制领域的研 究具有现实的价值意义。 以太网与现场总线的结合就需要解决其通信协议的转换问题。由于工业自动 化网络控制系统不单单是一个完成数据传输的通信系统，而且还是一个借助网络 完成控制功能的自控系统。它除了完成数据传输之外，往往还需要依靠所传输的 数据和指令，执行某些控制计算与操作功能，由多个网络节点协调完成自控任务。 因而它需要在应用、用户等高层协议与规范上满足开放系统的要求，满足互操作 条件。 对应于i s o o s ir m 七层通信模型，以太网技术规范只映射为其中的物理层 和数据链路层；而在其之上的网络层和传输层协议，目前以t c p i p ( t r a n s f e r c o n t r o lp r o t o c o l i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 体系结构为主。而对较高的层次如会话层、表示 层、应用层等没有作技术规定。并且这些高层协议所定义的数据结构等特性不适 合应用于工业过程控制领域现场设备之间的实时通信。 为满足工业现场控制系统的应用要求，必须在e t h e m e t + t c p i p 协议之上， 建立完整的、有效的通信服务模型，制定有效的实时通信服务机制，协调好工业 现场控制系统中实时和非实时信息的传输服务，形成为广大工控生产厂商和用户 所接收的应用层、用户层协议，进而形成开放的标准。为此，各现场总线组织将 以太网引入其现场总线体系中的高速部分，利用以太网和t c p i p 技术以及原有 的低速现场总线应用层协议，构成了工业以太网协议。 对于以太网应用于现场控制领域，为解决以太网的实时性要求，需对以太网 的通信模型进行修改。如图1 - 1 ( a ) 所示为通信网络在高层使用t c p i p 体系结构 的模型。目前，市场上已有的实时工业以太网标准分别通过以下三种方式实现【5 】。 ( 1 ) 基于t c p i p 的实现，如图1 - 1 ( b ) 所示。 协议仍然使用t c p i p 协议栈，通过上层合理的控制来应对通信中的非确定 因素。实时网络可以和商用网络自由通信，常用的通信控制手段有：合理调度， 减少冲突的可能性；定义数据帧的优先级，为实时数据分配最高的优先级；使用 交换式以太网等。使用这种方式的典型协议有e t h e m e t i p 。这种方式不可能实现 3 武汉理工大学硕士学位论文 很好的实时性，只适用于过程自动化。 ( a ) ( b )( c ) ( d ) 掣掣 实时应用 硬实时 应用 l t c p u d p i p +， l 以太罔 修改过的 i 以太网 l 通信电缆 图卜i 以太网通信模型 ( 2 ) 基于以太网的实现，如图卜l ( c ) 所示。 协议不改变以太网的通信硬件，使用一种特殊的以太网帧类型和重新定义的 实时协议。典型协议有e t h e r n e tp o w e r l i n k 、e p a ( e t h e m e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) ， p r o f i n e tc b a 等，这种方式可以实现较高的实时性。 ( 3 ) 修改以太网的实现，如图1 - 1 ( d ) 所示。 为了获得响应时间小于l m s 的硬实时，对以太网协议进行了修改，使用总线 型、环形等拓扑结构，并对介质访问控制进行修改，在实时通道内由实时m a c 接 管通信控制，彻底避免报文冲突，简化通信数据处理。 1 2 2 以太网直接应用于工业控制领域 随着以太网速率的不断提高，全双工通信、交换技术的发展，为以太网的通 信确定性的解决提供了技术基础，从而消除了以太网直接应用于工业现场设备间 通信的主要障碍，为以太网直接应用于工业现场设备间通信提供了技术可能。比 较典型的以太网技术有e t h e m e t i p 、f o u n d a t i o n 、f i e l d b u s 、s h s e 、m o d b u s t c p 和p r o f i n e t 等。其中e t h e r n e t i p 是一个面向工业自动化应用的工业应用层协议。 它建立在标准t c p i p 协议之上，利用固定的以太网硬件和软件，为配置、访问 和控制工业自动化设备定义的一个应用层协议。e t h e r n e t i p 以特殊的方式将以太 网结点分成预定义的设备类型。e t h e m e i p 应用层协议是基于控制和信息协议 ( c i p ) 层的，这个协议曾也用在d e v i c e n e t 和c o n t r o l n e t 中。建于这些协议之上 的e t h e m e f f l p 提供了从工业层到企业网络的一整套无缝整合系统【6 】【7 1 。 e t h e m e t i p 基于t c p i p ，利用t c p 进行数据采集和配置并利用u d p 进行实时 控制通信。这一切都是因为e t h e m e t i p 使用的是开放的并且得到行业验证的应用 4 武汉理工大学硕士学位论文 层c i p 。c i p 是同时应用于c o n t r o l n e t 和d e v i c e t 网络的应用。在工业控制领域， e t h e m e t i p 有一些不利因素阻碍以太网进入工业真的很领域，但随着技术的发 展，这些不利因素逐渐被消除，例如确定性问题则由于硬件的革新而得到解决。 应用层的标准问题也被e t h e m e t i p 所解决【8 】【9 1 。 1 3 与课题研究的国内外现状综述 1 3 1 以太网的研究现状 以太网的速度已经从最初的1 0 m b i t s 提高到现在1 0 0 0 m b i t s ，甚至出现了 1 0 g b i t s 的以太网。这种快速以太网和交换式以太网技术的出现，使得众多企业 希望用廉价的以太网设备替代控制网络中相对昂贵总线设备。正是在现场总线标 准争论处在不可开交之际，以太网悄然进军现场总线控制网络领域。 从工业控制领域来讲，由于现在工厂和生产在地域上越来越分散，要总揽现 场控制信息和生产状况，或要实现对分散在各工厂和生产线上的控制网络进行状 态监控、远程软件下载及设备的诊断维护，只有通过i n t e m e t 。所以，将控制网 络与i n t e m e t 结合将成为控制领域的一个新方向。应用t c p i p 协议的e t h e m e t 已经是成熟的网络技术。t c p i p 为e t h e m e t 和i n t e m e t 互连提供了高效的实现技 术。 硬件开发商为e t h e m e t 系统提供了广泛的硬件产品，几乎所有的编程语言都 支持e t h e m e t 的应用开发。应用t c p i p 协议的e t h e m e t 已经成为最流行的分组 交换局域网技术，同时也是最具开放性的网络技术。控制网络的发展需要成熟的、 鲁棒性好的、成本低的通信技术，而这些以太网技术均能满足要求。以太网作为 高性能、低成本的控制网络，简化了网络的网络结构与层次的关系，有助于解决 现场总线横向互联个纵向数据交换的难题，便于信息的集成。因此，各个现场总 线组织都在积极致力十开发与以太网技术结合的现场总线产品，与以太网技术结 合已经成为现场总线技术发展中的新亮点。 由于工业控制的方向是与i n t e m e t 集成，所以各大现场总线大多与e t h e r n e t 相连接，成为e t h e m e t f i e l d b u s 的典型网络结构。现场总线组织则准备直接开发 基于以太网的现场总线协议。f f 、p r o f i h u 、c o n t r o l n e t 等在工业以太网协议中直 接加入实时功能，实现工业以太网协议【1 0 】。 1 3 2 以太网控制网络的典型应用及发展 5 武汉理t 大学硕十学位论文 目前以太网控制网络的典型应用以交换式集线器或网络交换机为中心，连接 各种控制设备，如图l 一2 所示。 线 图卜2 以太网的典型控制网络 对于以太网控制网络，其控制设备可以是一般的工业控制计算机系统、现场 总线控制网络，p l c 及嵌入式控制系统等。一般的土业控制计算机系统通过以太 网接入网络交换机或交换式集线器；现场总线控制网络通过数据网关与以太网控 制网络互连；p l c 的接入有两种情况，带有以太网片的p l c 可通过以太网片接 入网络交换机或交换式集线器，普通不带以太网的p l c 要通过4 8 5 2 3 2 转换及土 业控制计算机接入网络交换机或交换式集线器；嵌入式控制系统可通过嵌入式控 制器自带的以太网接入网络交换机或交换式集线器1 1 1 1 。 随着工业控制领域出现嵌入式技术，利用嵌入式的软硬件设计，国内外的一 些设计者在单片机上实现以太网技术，设计出带有e t h e m e t 接口的嵌入式仪表和 设备。这样，e t h e m e t 就可直接到达传感器和执行器，从而抛开了传统的现场总 线。这使得整个网络的瓶颈效应集中在应用现场总线的设备层上的问题得以解 决。以太网应用于工业领域未来的发展是将以太网直接应用于工业现场，其构成 如图1 3 所示的网络控制结构，称之为扁平化的工业控制网络。其具有良好的互 连性和可扩展性，是真正义上的全开放的网络体系结构。 将e t h e m e t 控制网络与i n t e m e t 结合将成为控制领域的一个新动向。事实上， 一些机构已经在做这些面的研究，如1 9 9 8 年成立的i a o n a ( i n d u s t r i a la u t o m a t i o r l o p e nn e t w o r k i n ga l l i a n c e ) 。该组织致力于分析在工业自动化领域应用e t h e m e t 和i n t e r n e t 协议的障碍，研究可能的实现方法，并提出相关的标准。 6 武汉理工大学硕士学位论文 图卜3e t h e r n e t 直接接入现场的工业控制网络 一些著名的大公司已利用嵌入技术将以太网接口做到变电站的保护装置中。目前 i c e 正在制订有关变电站自动化系统的内部通信协议，其目的在于使不同厂家的 产品有互操作性。该系统是一个分层的网络，主干网是以太网。以太网的发展势 头表明，以太网络将可能成为分布式网络的主要接入网络，并且将最终连接大多 数的传感器与执行器。让现场仪表具有e t h e m e t 接口而直接构成基于e t h e m e t 的 工业控制网络，这将是控制网络的发展方向。 1 4 论文研究的主要内容 基于工业以太网的远程测控通信技术研究主要从两个方面进行：一、以 a r 8 9 s 5 2 单片机为核心的c a n 总线智能控制节点的设计；二、以a r m 7 处理器 为核心设计基于l p c 2 2 9 2 的嵌入式网关。本论文主要研究成果如下： 为研究以太网的工业控制领域，设计基于c a n 总线的智能控制节点。c a n 总线智能控制节点是实现对两相步进电机的控制。控制模块采用经典的脉冲驱动 控制，其中l 2 9 7 产生脉冲时序，l 2 9 8 进行步进电机的功率驱动；通信模块则采 用典型的s j a l 0 0 0 + 光耦合+ p c a 8 2 c 2 5 0 结构进行设计。控制方法的采用基于k e i l 软件平台的c 语言编程实现。 远程测控系统中网关的设计则是基于嵌入式g c o s i i 的软件平台，对 c a n t c p i p 网关进行相关的研究，硬件平台以l p c 2 2 9 2 为网关的嵌入式处理 器，开发c a n 协议转以太网协议的网关转换器。嵌入式网关的设计包括以下几 个部分： 网关的主要硬件设计 g c o s i i 在l p c 2 2 9 2 上的移植 嵌入式t c p i p 协议的裁剪及在g c o s i i 上的移植 c a n 控制器的驱动设计 7 武汉理工大学硕士学位论文 c a n 协议与t c p i p 协议的转换 根据对测控通信系统的研究目的，选择了合适的控制方案，c a n 总线智能 控制节点采用基于a t 8 9 s 5 2 单片机进行设计，嵌入式网关则采用a r m 7 处理器 l p c 2 2 9 2 为核心，开发基于g c o s i i 的c a n 协议转t c p i p 协议的网关转换器。 通过对i t c o s i i 操作系统在开发板上的移植，编写g c o s i i 下c a n 总线设 备的驱动程序，c a n e t h e m e t 服务程序、实现以太网通过网关与c a n 总线相连 接，最终完成上位机服务器对远程c a n 智能控制节点的控制。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章工业以太网远程测控系统的基本构架 对于工业以太网的远程测控通信技术研究，首先要确定远程测控系统的基本 结构。本章主要针对课题所要研究的内容构架远程测控系统，从远程测控系统应 用到的知识结构，嵌入式系统的应用以及c a n 总线技术等背景知识为基础，构 建远程测控系统。下面分别从远程测控系统的核心部分做详细的阐述。 2 1 嵌入式系统 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机为基础，软硬件可剪裁，适用于系统 对功能、可靠性、成本、功耗严格要求的专用计算机系统。高实时性是嵌入式系 统的基本要求，其次，还要求代码尽可能小，运行速度尽可能快，可靠性尽可能 高。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具 体应用相结合的产物。 2 1 1 嵌入式系统结构 嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统，自底向上包含有三个部分：嵌入式 硬件平台、嵌入式操作系统、嵌入式应用软件，如图2 1 中左边框所示。随着嵌 入式越来越复杂的应用，如何简捷有效的使嵌入式系统应用于各种不同应用环境 是嵌入式系统发展中所必须解决的关键问题。经过不断的发展，原先嵌入式系统 的3 层结构逐步演化成为一种4 层结构【l2 1 。如图2 1 中右边框所示，这个新增加 的中间层次叫硬件抽象层，有时也叫板级支持包，是一个介于硬件与软件之间的 中间层次。硬件抽象层通过特定的上层接口与系统进行交互，实现操作系统的对 硬件的直接操作。硬件抽象层的引入大大推动了嵌入式系统的通用化。嵌入式应 用系统的设计包含硬件系统的设计和软件系统设计两个部分，并且这两部分的设 计是互相关联、密不可分的，嵌入式应用系统的设计经常需要在硬件和软件的设 计之间进行权衡与折衷。这也是嵌入式应用系统设计与其它的纯粹的软件设计或 硬件设计最大的区别【1 3 】【1 4 】。 9 武汉理工大学硕士学位论文 嵌入式幕统的三层结构嵌入式系统四层结构 嵌入式 嵌入式 应用软件 应用软件 嵌入式 人 嵌入式 操作系统 操作系统 硬件抽象层 嵌入式 硬件平台 嵌入式 硬件平台 图2 - 1 嵌入式系统的结构 2 1 2 嵌入式操作系统选型 采用这些商用操作系统，开发成本高，目前市场上也有一些免费的实时性操 作系统例如嵌入式l i n u x 、l - t c o s i i 等，下面简要介绍下这些操作系统的性能要 求。 1 ) 嵌入式l i n u x 、及i ，t c l i n u x l i n u x 可以移植到多个不同结构的c p u 和硬件平台，具有很好的稳定性。开 放源码，便于裁减，且l i n u x 的内核小，功能强大、运行稳定。g c l i n u x 则是继 承标准l i n u x 的优良特性，是高度优化的、代码紧凑的嵌入式l i n u x ，具有内嵌 网络协议、支持多种文件系统，开发者可利用标准l i n u x 先验知识等优势，但是 由于没有m m u 内存管理单元，采用实存储器管理策略，其多任务的实现需要一 定技巧，其编译后的目标文件可控制在几百k 量级。 2 ) g c o s i i l l 5 】 r t c o s i i 是一款多任务的实时操作系统，其最关键部分是实时多任务内核。 内核的基本功能包括：任务管理、定时器管理、存储器管理、事件管理、系统管 理、消息( 对列) 管理、信号量管理等，这些管理功能都是通过应用程序接口函数 a p i 由用户调用。适合小型控制系统，具有执行效率高、占用空间小、实时性能 优良和可扩展性强等特点，最小内核可编译至2 k 。l a c o s i i 是一种专门为嵌入 式应用而设计的免费的源代码公开的实时嵌入式内核，它的基本代码尺寸不到 5 k 字节，对存储器容量要求低，满足于嵌入式系统对容量的苛刻要求。由于 g c o s 。i i 可裁剪的，所以用户系统中实际的代码最少可达2 7 k 字节。g c o s i i 有完整的t c p i p 协议栈、g u i 和文件管路系统，可随内核一起移植。 综上所述，根据我们实际需要，选定r t c o s i i 作为实验板的实时操作系统。 在研究测控通信过程中不仅需要注意系统的实时性，还要进行测控系统的多任务 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 性。 2 2 以太网技术及其工业领域应用 2 2 1 以太网技术 以太网( e t h e m e t ) 最早来源于x e r o x 公司在1 9 7 3 年建造的网络系统，是一 种总线式局域网，以基带同轴电缆为传输介质，采用c s m a c d 协议。以太网标 准包括i s o 数据链路层和物理层的全部内容，国际i e e e 8 0 2 3 标准描述了运行在 各种介质上的数据传输速率从1 m b p s 一- , l o m b p s 的所有采用c s m a j c d 协议的局 域网，该规范规定采用载波侦听多路访问冲突检测c s m a c d ( c a r r i e rs e n s e m u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o nd e t e c o ，信号以1 0 m b p s 速率在同轴电缆上传输。 按照i s o 七层结构，以太网标准只定义了数据链路层和物理层，作为一个完 整的通信系统，以太网在成为数据链路层和物理层的协议之后，与t c p i p 协议 捆绑。由于目前的国际互联网采用以太网和t c p i p 协议，因此把这种技术称为 以太网技术【1 6 】【1 7 】。 2 2 2 以太网的工业领域的应用 1 、以太网应用于控制领域存在的问题 传统以太网是一种商用网络，要应用到工业控制领域还存在一些问题【l8 1 ，主 要表现在以下几个方面： ( 1 ) 存在实时性差，不确定性的问题 传统以太网采用了c s m a c d 的介质访问控制机制，各个节点采用 b e b ( b i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k o f f ) 算法处理冲突，具有排队延迟不确定的缺陷， 每个网络节点要通过竞争来取得信息包的发送权。通信时节点监听信道，只有在 发现信道空闲时，才能发送消息；如果信道忙碌则需要等待。信息开始发送还需 检测是否发生碰撞，正因为这些因素，无法保证通信响应的确定性，不能满足工 业控制领域的实时性要求，从而限制了它在工业控制领域的应用。 ( 2 ) 工业可靠性问题 以太网是以办公自动化为目标设计的，办公自动化领域所用的接插件、集线 器、交换机和电缆的抗干扰能力较差，不符合工业现场恶劣环境的要求，也不具 备安全特性和向现场仪表供电的性能。因此以太网的工业应用必须要解决可靠性 的问题。 武汉理工大学硕士学位论文 。 ( 3 ) 现存控制网络与新建以太网的集成问题以及安全性问题 在上述问题中，实时性、确定性以及可靠性问题是长期阻碍以太网进入工业 控制领域的主要障碍，为了解决这些问题，人们提出了工业以太网的解决方案。 2 、工业领域应用前景 工业以太网是专门为工业应用环境而设计的标准以太网，工业以太网在技 术上与商用以太网兼容，工业以太网要满足工业现场的需要，必须能够适应恶 劣的工业现场环境，对以太网产品的可靠性也提出了更高的要求。 随着以太网技术以及相关技术的发展，可以提高以太网在工业应用领域的实 时性，目前大多采用以下几个方面的方法来解决这一问题。 ( 1 ) 采用交换技术 传统以太网采用共享式集线器，其结构和功能仅仅是一种多端口物理层中继 器，连接到共享式集线器上的所有站点共享一个带宽，遵循c s m a c d 协议进行 发送和接收数据。交换式集线器可以认为是一个受控的多端口开关矩阵，各端口 之间的信息流是隔离的，在源端和交换设备的目标之间提供一个直接快速的点对 点连接。随着现代交换技术的发展，交换机端口内部的传输速率比整个设备的以 太网端口间的传输速率之和还要大，因而减少了以太网的冲突率并为冲突数据提 供缓冲，当然交换机的工作方式必须是存储转发方式，这样在系统中只有点对点 的连接，不会出现碰撞。这样大大提高了网络每个站点的带宽，从而提高了交换 式以太网的网络性能和确定性【1 9 】。 交换式以太网没有改变原有以太网协议，但从根本上解决了以太网通信传输 延迟存在的不确定性问题。研究表明，通信负荷在1 0 以下时，以太网因碰撞而 引起的传输延迟几乎可以忽略不计。在工业控制网络中，传输的信息多为周期性 测量和控制数据，报文小，信息量小。这些信息包括生产装置运行参数的测量值、 控制量、开关与阀门的工作位置、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、 参数修改、零点与量程调校信息等。其长度一般为较小，通常为几位到几十个字 节，对网络传输的吞吐量要求不高。 ( 2 ) 采用高速以太网【2 0 】 随着网络技术的迅速发展，先后产生了高速以太网( 1 0 0 m ) 和千兆以太网的产 品和国际标准。1 0 g 以太网产品也已经面世，通过提高通信速度，结合交换技术， 可以大大提高通信网络的整体性能。 ( 3 ) 采用全双工通信模式 交换式以太网中一个端口是一个冲突域，在半双工情况下仍不能同时发送和 1 2 武汉理：1 ：大学硕士学位论文 接收数据。采用全双工模式，同一条数据中的两个站点可以在发送数据和同时接 收数据，解决了这种情况下半双工存在的需要等待的问题。全双工通信技术可以 使设备端口间两对双绞线上同时接收和发送报文帧，从而不受c s m a c d 的约 束，同时采用报文帧优先级技术，使工业现场的紧急事务信息能够几十成功的传 送到中央控制系统，以便得到及时处理。 针对以太网传输信息延迟的不确定性，通过采用适当的流量控制、交换技术、 全双工通信技术以及信息优先级等来提高实时性，这样以太网完全能够用于工业 控制网络。事实上，2 0 世纪9 0 年代中后期，国内外各大工控公司纷纷在其系统 中采用以太网，推出了基于以太网的d c s 、p l c 、数据采集器，以及基于以太网 的现场仪表、显示仪表等产品。 2 3c a n 总线技术及应用 早在1 9 8 6 年，b o s c h 公司就在s a e ( 汽车工程人员协会) 上提出了c a n 总 线，这个由b o s c h 公司设计的新的总线系统，称为汽车串行控制局域网 ( a u t o m o t i v es e r i a lc o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 。 2 3 1c a n 总线技术规范 1 、c a n 总线的特点及分层结构1 2 1 l 由于c a n 总线本身的特点，其应用范围目前已经不再局限于汽车行业，而 扩展到机械行业等其他领域发展。c a n 总线已经形成国际标准，并已被公认为 几种最有前途的现场总线之一。 由于采用了新技术及独特的设计，c a n 总线数据通信具有突出的可靠性、 实时性和灵活性。其特点如下： c a n 总线是目前为止唯一具有国际标准的现场总线。 c a n 总线为多主方式工作，网络上任意节点均可在任意时刻主动向其他 节点发送数据信息，不分主从。 在报文标识符上，c a n 节点分成不同的优先级，可满足不同实时性要求。 c a n 采用非破坏总线仲裁技术。当多节点同时向总线发送信息出现冲突 时，优先级较低的节点会主动退出发送，节省总线仲裁时间。 c a n 节点只需通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点传 送接收数据。 1 3 武汉理工大学硕七学位论文 c a n 总线节点数主要取决于驱动电路，目前可达1 1 0 个。 c a n 总线的直接通信距离最远可达1 0 k m ( 速率5 k b p s 以下) ，通信速率 最高可达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 。 报文采用短帧结构，传输时间短，数据出错率极低。 c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，具有较好的检错效果。 c a n 总线具有较高的性价比。开发技术容易掌握，能充分利用现有的单 片机开发工具。 c a n 协议是建立在国际标准组织的开放系统互联模型基础之上的。其模型 结构只有3 层，即只取0 s i 底层的物理层、数据链路层和应用层。