（控制理论与控制工程专业论文）远程设备监控系统设计与实现.pdf

浙江大学硕士毕业论文y8 7 6 9 8 8 摘要 本文的主要研究内容是远程设备监控的解决方案。系统客户端采用b s 结 构，即浏览器朋艮务器结构。为方便客户通过浏览器访问系统，客户端采用j a v a 编写的印p l e t ，放置于服务器中，客户端可下载执行。服务器上建立s q l 数据 库，记录设备数据以及用户数据，方便用户查询。控制端采用的是c s 结构， 主要功能即是将各设备的数据传到服务器的数据库中。本文根据现场状况的复 杂程度，提出了三种控制端解决方案。 第一种解决方案采用r s 4 8 5 总线。该方案服务器直接和设备传感器相连， 不需要中间处理芯片，结构简单，性能稳定，而且有线传输准确性高，抗干扰 效果好，但是需要布线，另一方面距离有限制，最大为1 2 0 0 米。 第二种方案采用无线网络。该方案适用于现场不能布线的特殊场合，补充 4 8 5 方案的不足。我们采用的控制芯片为t l 公司的m s p 4 3 0 ，无线传输模块采 用的是通用的微功率无线数传模块，串口通讯方式。由于资源只使用两个串口， 所以处理方法同样适用于其它低成本单片机如5 1 系列单片机。为使系统简单稳 定，我们采用一主多从的组网方式，软件同时维护二维状态机以确保程序正常 运行。 ， 第三种解决方案采用基于a r m 的工业以太网。该方案适用于大地域范围场 合，和4 8 5 总线以及无线网络组成局部系统，a r m 控制器当作小服务器，控制 局部系统的数据。a r m 控制器采用s 3 c 4 4 8 0 ，操作系统采用u c 0 s ，并移植 t c p i pl e a l l 作为网络传输协议。 本文最后对系统作了总结和展望。本系统现在监控的是设备的用电量，该 框架可以通用于一般设备物理量监控，只要设备传感器提供4 8 5 接口，同时软 件作相应修改，即可实现监控通用物理量。 关键字：设备监控，r s 4 8 5 总线，无线网络，删，u c o s 1 i t c p 仃p l e a n 浙江大学硕士毕业论文 t h i sp 印e rf o c u s e so nt l el o n g d i s t a i l c ed e v i c em o n i t o r i n gs c h e m e s t h es y s t e mc u s t o m e r e n du s e st h eb ss n l i c t u r c ，n 锄e l yb r o w s e r s e r v e rs 虮l c t u r e i no r d e rt of a c i l i t a t et h ec u s t o m e r s t ov i s i tt h es y s t e m 岫_ 0 u g hb r o w s e r 锄y w h e r e ，j a v aa p p l e ti s 印p l i e d w h e nl o c a t e di nt 1 1 es e r v e r a p p l e tc o u 】db ed o w n l o a d e db yt l l eu s e rf 如mb r o w s e lf o rt 1 1 ei n q u i r y i n gc o n v e n i e n c e ，t h es q l d a t a b a s ei se s t a b l j s h e do nt i i es e r v e rt or e c o r de q u i p m e n td a t aa i l dt 1 1 eu s e rj n f b n n a t i o n t h e m a i nf u n c t i o no ft h ec o n 们le n di st op 弱sv 撕o u se q u i p m e n t sd a t at ot i l es e r v e rw h i l ec s s t m c “鹏i sb c i n gt a l ( e n a c c o r d i n gt ot 1 1 ec o m p l e xd e 掣e e ，t l l 】广e ek i n d so fs o l u t i o n sa r ep m p o s e d i nt h i st h e s i sf o rt h ec o n 仃o le n d i nt h en r s ts o l u t i o n ，r s 4 8 5b u si st a k e n i nt 1 1 i sp l a r i ，s e r v e r 锄de q u i p m e n t s s e n s o r sa r e c o n n e c t e dd i r e c t l yt h es i m p l es 仃1 l c t l i r ei n s u r e ss t a b l ep e r f b m 柚c e ，w h i l ew i r e dt r 跚s m i s s i o n i n s u r e sh i g ha c c u r a c ya n dg o o d 柚t 硒a i l l m i n ge f f b c t o nt h eo 也e rh 柚d ，t h ed i s a d v a n t a g e sa r e 恤 w i r i n gr e q u e s t 锄dd i s l a l l c el i m i tu pt ol ，2 0 0m e t e r s t h ew i r e i e s sn e t w o r ki su s e di nt h es e c o n dp l 卸t h ew i r e l e s sc h a r a c t e ri se s p e c i a l l ys u i t a b l e t ot h ew i r ef o r b i d d e no c c 髂i o n ，s u p p l e m e m i n gr s 4 8 5i n s u 币c j e n c i e s w eu s e dt ic o r p o r a t i o n s m s p 4 3 0a sc o n t m lc h i p ，w h i l et o o kg e n e r a lw i r e l e s st r 锄s c e i v e rm o d u l ew “hu a r to p e n e da s c o m m u n i c a t i o nm e 绷s 1 no r d e rt os i m p h 黟t h es y s t e m ，s i n g l eh o s ti s 粘s u r e dj nt h es y s t e m ，a n d s i m u l t a n e o u s l ys o r w a r ec o n d i t i o nm a c h i n ei sm a i n t a i n e dt og u a r a n t e et l en o r n l a lo p e r a t i o n t h et h i r ds o l u t i o ni si n d u s t r ye t h e m e ts 0 1 u t i o nb a s e do na r m t h i sp l a ni ss u i t a b l ef o rt h e b i gr e g i o ns i t u a t i o n t h ea r mc o n 仃0 l l e lt r e a t e da sm i c r o s e r v e lc o n 仃0 l t h ed a t af r o mp a n i a l s y s t e m ，w h i c hj sc o m p o s e do fr s 4 8 5b u s 锄dw i r e l e s sn e m o r k w es e l e c t e ds 3 c 4 4 8 0 a st h e a r mc o n t r o l l e w h i l et o o ku c ，o sa so p e m t i n gs y s t e m ，柚d 咖s p l a i l t e d1 p 仃pl e a na st 1 1 en e t t r a n s c e i v e rd r o t o c 0 1 f i n a l i ya r et l l es u m m a r ya i l df o r e c a s t p r o v i d j n g4 8 5i n t e a c e ，m e 疗a r n e w o r ka i s oc a l l m o n i t o rm u t i p h y s i c a lq u 锄t i t ya sw e l l 越e l e c t i c 打y k e y w o r d s ：d e v i c em o n i t o n g ，r s - 4 8 5b u s ，w i r e l e s sn e t w o r k ，a r m ，u c o s - i j t c m pl e a l l l l 浙江大学硕士毕业论文 第一章概述 【摘要】本章主要介绍了远程设备监控系统的研究意义、发展历程以及国内外发展状 况。最后给出了课题背景以及主要内容。 1 1 引言 计算机监控系统是以监测控制计算机为主体，加上检测装置、执行机构与被 监测控制的对象( 生产过程) 共同构成的整体。在监控系统中，计算机实现了生 产过程的检测、监督和控制功能。随着生产力的进步，设备的分布得越来越复 杂化，设备监控系统从单一的、各自独立的监测系统发展到分布式系统。这种 系统以计算机网络为基础，使系统资源分配趋于合理。但是一方面由于目前运 行的绝大多数分布式监测系统还只是在局域网上，具有一定的地域局限性：另 一方面个厂家通信协议互不开放，无法形成统一形成大范围的监控系统。 在i n t e m e t 上，地域上的差别几乎被消除了， i n t e m e t 在人们之间、企业之 间架起一座桥梁，使信息的流量空前提高。i n t e m e t 最大的贡献就是资源共享， 它能互通有无，从而使人们有能力解决以前在极有限的资源下很难解决的问题， 为远程监控系统的发展提供了有利的条件。于是将设备监控与i n t e m e t 的连接无 疑将给设备监控带来翻天覆地的变化。 远程监控是建立在现代的计算机技术、通信技术、控制技术以及图形技术上 的一个新的应用。远程监控的监视点与控制中心分别位于两地，通过网络连接 传递信息，打破了地域的界限。它采用多元的信息传输、监控、管理和一体化 的集成技术，实现了信息、资源和任务的共享，达到了监控的实时、快速和有 效，并能够跟其它的计算机网络系统互连，向人们提供了一个更高效、更全面、 更安全和更快捷的服务模式，改变了传统的监控模式。 随着网络技术的不断发展，远程监控将更多地应用在工农业生产过程的管理 中，技术人员可以通过互联网来管理和维护生产过程，优化生产工艺，提高设 备的利用率，最终降低生产成本，提高效益。 浙江大学硕士毕业论文 1 2 国内外研究现状 远程监控与故障诊断技术是国内外研究的前沿课题，国内外都展开了积极 的研究。1 9 9 7 年1 月，首届基于i n t e m e t 的远程监控诊断工作会议由斯坦福大 学和麻省理工学院联合主办，有来自3 0 个公司和研究机构的5 0 多位代表到会。 会议主要讨论了有关远程诊断系统开放式体系、诊断信息规程、传输协议，以 及对用户的合法限制等，并对未来技术发展作了展望。由斯坦福大学和麻省理 工学院合作开发基于i i l t e m e t 的下一代远程诊断示范系统，这项工作同时也得到 了制造业、计算机业和仪器仪表业的s u i l ，h p ，b o e i n g ，i n t e l ，f o r d 等1 2 家大公司 的热情支持和通力配合。之后，由这些公司共同推出了一个实验性的系统 t e s t b e d 。t e s t b e d 用嵌入式w 曲组网、用实时j a 、，a 和b a y e s i a l l n e t 初步形成在 i n t c m e t 范围内的信息监控和诊断推理。 另一方面，许多国际组织，如m i m o s a ( m a c h i n e r yi n f o n n a t i o nm a i l a g e m e m 0 p e ns y s t e ma l l i a n c e ) ，m f p t ( s o c i e t yf o rm a c h i n e r y f a i l u r ep r e v e n t i o n t c c l l i l o l o g y ) ，c o m a d e m ( c o n d i t i o nm o n i t i o na 1 1 de n g i n e e r i n gm a n a g e m e n t ) 等， 也纷纷通过网络进行设备故障诊断咨询和技术推广工作，并制定了一些信息交 换格式和标准。许多大公司在他们的产品中加入了i i l t e m e t 的功能，如b e n t l y 公司的计算机在线设备运行监测系统d a t am a l l a g e r2 0 0 0 可以通过网络动态数 据交换e td d e ) 的方式向远程终端发送设备运行状态信息；著名的n a t i o n a l i n s t m m e n t s 公司也在它的产品l d b w i n d o w 她v i 以及l a b v i e w 中加入了网络通 讯处理模块，因而可以通过w w w f t p ，e m a i l 方式在网络范围内进行监控数据 的传送。法国”a l a r m ”研究组对生产过程的智能报警和监控系统进行了长期研 究，并在多个项目中进行了应用【2 j 。 国内也对远程监控技术开展了积极的研究。目前，西安交大、华中科技大 学、哈尔滨工业大学、南京理工大学等高校己取得了较为先进的研究成果，如 西安交通大学研制的“大型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统 r m m d ”、华中科技大学开发的“汽轮机工况监测和诊断系统k b g m d ”、哈尔 滨工业大学的“微计算机化机组状态监视与故障诊断专家系统m m m d e s ”等。 目前，远程监控技术的主流是应用i n t c m e t 技术，在t c p i p 协议和w w w 规范的支持下，工作人员通过访问网络服务器来迅速获取自己权限下的所有信 浙江大学硕士毕业论文 息并及时做出响应。将来，嵌入式系统与远程监控系统的结合，是监控系统未 来发展方向之一。嵌入式监控系统不仅成本低廉，同时可以使信息实现本地化 处理，改善服务器性能，可以使每一个设备具备上网与服务功能，即每一个设 备都可以独立进行服务，从而大大提高监控的质量和范围。 随着网络技术的飞速发展和监控范围的扩大，监控系统由过去的单机监控 过渡到现在的网络监控，但目前还存在着一些问题。首先是网络通信技术不足 的问题。网络通信技术是远程监控技术中最为关键的技术，然而，目前网络通 信一般简单地采用s o c k e t 技术，甚至f t p 或e m a i l 等，这些技术无论在传输 的数据量、编程的灵活性还是安全性方面都有很大的欠缺。其次，网络通信中 多种结构并存的问题，要求集成网络中的不同平台，实现不同平台之间的通信， 而这些问题采用传统方法是难以解决的。 1 3 课题背景及本文主要内容 本课题是为温州市苍南县龙港镇浙江大发包装有限公司量身订做的一个项 目，用于对该公司的设备能耗等进行实时监控，同时记录设备器件的维护状况， 具有定时报警等功能。该系统整体为b s + c s 结构，客户端通过网络浏览器浏览 服务器，了解各设备的运行状况等信息，控制端通过4 8 5 总线、无线网络、因 特网等与服务器连接，传递传感器采集的信息。 本文内容结构如下： 第二章提出具体需要解决的问题，分析该问题，然后给出简单易行的解决 方案，同时将该系统推而广之，考虑在更复杂的情况下采取的解决措施，形成 设备监控系统的一揽子解决方案。 第三章重点讨论了基于4 8 5 总线的最小系统解决方案，该方案目前正在浙 江大发包装有限公司运行，工作稳定，可以很好地进行厂区设备的实时监控。 该系统控制端采用简单易用的4 8 5 总线采集传感器的信号，需要对现场进行布 线。 第四章介绍无线网络解决不能布线的特殊情况，该方案采用t i 公司的 m s p 4 3 0 作为核心芯片，模拟国标d l t 6 4 51 9 9 7 通过r s 2 3 2 对三相四线制电表 浙江大学硕士毕业论文 进行采样，并通过无线传递给服务器。该方案弥补了某些特殊场合不能布线的 问题。 第五章重点讨论了当传输距离超过了4 8 5 总线的范围，以及当4 8 5 总线的 带宽不够的情况下，采用以太网的形式连接服务器。这种情况下，我们采用 s 3 c 4 4 8 0 x 作为核心控制器，当作网关和内部4 8 5 总线传递数据，和服务器之 间通过以太网连接。这样，有效地扩展了设备监控系统的距离，突破了4 8 5 总 线的限制，使系统可以利用以太网的优势，基本上做到无地域范围限制。 第六章主要对课题今后的深入研究方向作了展望，并总结了本文的工作。 浙江大学硕士毕业论文 第二章设备监控系统构成 【摘要】本章从项目的实际要求出发，提出三种解决方案，同时给出各方案的框架 并具体选择硬件平台以及软件协议。 2 1 提出的问题 应浙江大发包装有限公司的要求，我们给大发公司量身订做了一套专门实 时监控设备的系统。大发包装有限公司主要生产铝模制品，应用的设备主要有 镀铝机、压纹机等大型设备。 经过实地考察，我们发现该车间大约长3 0 0 米，宽1 5 0 米，噪音大但电磁 干扰不强。所用设备具有价格昂贵、能耗大、设备一旦出故障即需停产维修等 特点，对这些设备的监控要求为达到对能耗的实时监控，对这些物理量的监控 可以使能源使用更加透明化，对节能及制订生产计划具有积极意义；为了合理 维护设备，还要求对开机时间进行记录，当设备零件使用时间达到限度时则自 动报警提示等。客户还提出了如何有效地保存这些物理量的问题。 具体设备参数如表2 1 所示： 该表格中参数由厂家提供，但很多也是经验值，并不十分准确，主要是在 购置传感器的时候做参考。 这里，我们总结一下需要解决的问题：在长3 0 0 米，宽1 5 0 米车间内对若 干耗电量大、价格昂贵的设备进行2 4 小时实时监控。一方面为使工作绩效同能 耗挂钩，需要可以查询各时段消耗的电量，这就要求可以动态地查询耗电量。 不仅如此，由于设备用电量大，无功损耗等造成的浪费不容忽视，需要绘制设 备实时的功率损耗图，可以通过功率补偿等手段有效地增加电量的利用效率， 并反馈在功率图上。另一方面，该厂流水线作业，各设备需要长期连续地工作， 如果发生冈设备损坏而造成停产的情况，则损失相当严重。我们考虑采用实时 监控设备零部件的有效运行时间，当到达额定工作时间的时候，自动报警提示 更换零部件的方式来尽量避免因为零部件损坏而导致停产的情况发生。最后， 为方便用户随时查询设备的运行状况，我们将该系统放置到网上，可以通过以 浙江大学硕士毕业论文 太网随时查询设备的使用状况。 表2 1 浙江大发公司主要设备及其参数 名称参数 l 号镀铝机 2 号镀铝机 3 号镀铝机 总柜容量：8 7 0 一1 0 0 0 a ，工作额定电流：4 5 0 a ，功率：2 6 0 k w 旋片泵电机功率：1 5 k w ，额定电压：4 0 0 v ，额定电流：2 8 a 小螺磁泵电机功率：7 5 k w ，额定电流：1 4 2 a ，电压：3 8 0 4 2 0 v 大螺磁泵电机功率：2 2 k w ，额定电流：4 1 a ，电压：4 0 0 v 收放卷电机功率：4 9 5 k w ，电流：1 3 5 a ，电压：4 0 0 v 扩散泵功率：7 5 k w ，电流：1 4 2 a ，电压；4 0 0 v 总柜容量：1 0 0 0 a ，工作额定电流：4 5 0 a ，功率：2 6 0 k w 旋片泵电机功率：1 5 k w ，额定电压：4 0 0 v ，额定电流：2 8 a 小螺磁泵电机功率：7 5 k w ，额定电流：1 4 2 a ，电压：3 8 0 4 2 0 v 大螺磁泵电机功率：2 2 k w ，额定电流：4 1 a ，电压：4 0 0 v 收放卷电机功率：4 9 5 k w ，电流：1 3 5 a ，电压：4 0 0 v 扩散泵功率：7 5 k w ，电流：1 4 2 a ，电压：4 0 0 v 总柜容量：1 0 0 0 a ，工作额定电流：4 5 0 a ，功率：2 6 0 k w 旋片泵电机功率：1 5 k w ，额定电压：4 0 0 v ，额定电流：2 8 a 小螺磁泵电机功率：1 1 k w ，额定电流：2 l a ，电压：4 0 0 v 大螺磁泵电机功率：2 2 k w ，额定电流：4 1 a ，电压；4 0 0 v 收放卷电机功率：6 0 k w ，电流：1 3 5 a ，电压：4 0 0 v 扩散泵功率：1 2 k w ，电流：2 l a ，电压：4 0 0 v 1 号分切机功率：4 4 k w ，电流：8 7 a 2 号分切机功率：4 4 k w ，电流：8 7 a 3 号分切机功率：4 4 k w ，电流：8 8 a 涂布机 额定电流：6 0 a ，功率：3 5 k w ( 工作时) ，电压：4 0 0 v 冷水机，空压机 工作电流：2 4 0 a ，功率：4 0 k w ( 工作时) ，电压：4 0 0 v 我们定下系统实现的目标： 1 、该系统为无人监控系统，对整个厂区的设备进行自动化监控； 2 、记录每台设备的用电量，有效地将生产效益同用电量进行挂钩，实现最 大投入产出比； 3 、记录设备的运行时间，可以实时提醒设备检修、更换等，有效地延长了 设备的使用寿命； 4 、记录有功功率、无功功率、功率因素等，供实现功率补偿等作参考，增 加电量利用效率； 5 、记录实时电流、电压，可用于检测电量利用率等； 6 浙江大学硕士毕业论文 6 、整个查询系统对i n t e m e t 开放。 2 2 分析问题 我们发现客户要求监控的物理量主要是电量、器件使用时间，而器件使用 时间完全可以通过实时功率来反映，当实时功率超过某个阈值则可以认为器件 开始使用，而小于该阈值则可以认为器件处于关闭状态，这样我们只要考虑如 何采集电量。 该厂区使用的设备均是三相四线制、电压3 8 0 v 的工业设备，一般有三相四 线制多功能电表和三相四线制有功电表可以采集这些设备的用电量。 我们查询杭州西子仪表公司带4 8 5 通讯接口的三相四线制电表，其参数如 表2 2 ： 表2 2 三相四线制电表参数 型号d t s d 5 4 ( 三相四线) 准确度等级 功耗 参比电压( v ) 基本电流( a ) 工作环境温度 标准规范 相对湿度 有功0 5 ，1 0 级无功2 0 级 ! l w ，6 v a 3 + 5 7 7 ，1 0 03 2 2 0 ，3 8 0 1 5 ( 6 ) 5 ( 6 ) 5 ( 2 0 ) 1 0 ( 4 0 ) 2 0 ( 8 0 ) 2 0 + 5 5 特殊要求时3 5 斗6 5 符合g b 厂r 1 7 2 1 5 2 0 0 2 标准d l 厂r 6 1 4 1 9 9 7 5 0 0 8 0 0 米，并提供r s 2 3 2 接口和主芯片通讯。 考虑到工场大小为3 0 0 m 1 5 0 m ，我们选择模块传输距离1 0 0 0 m 以内即可， 舍弃中继部分，这样软件可以不用考虑路由，直接利用m a c 层协议，既简化 了系统同时也增加了可靠性，但是由于无线通讯可靠性毕竟比以太网差许多， 所以必须制定可靠协议确保数据准确传输。 我们采用如图2 3 所示的一主多从组网方式，以主机轮询从机的方式进行通 讯，这样就可以避免复杂的冲突检测避免机制，同时满足了工场的要求。 主控芯片采用t i 公司的m s p 4 3 0 ，主要是考虑到m s p 4 3 0 可以免费申请， 我们实验室现有资源也比较丰富，可以直接使用，开发周期较短。由于编程语言 都是c 语言，程序移植比较方便。如果大批量生产，则从成本角度考虑，可以 直接采用价格便宜的5 l 单片机。系统需要的资源非常少，只要两个串口，一个 和无线模块通讯，另一个采集电表数据即可，故驱动移植的工作量非常小。由 于电表通讯协议采用的是国标d i ，厂r “5 9 7 ，我们需要在程序中采用该协议。同 时为确保系统的稳定性，我们实现一个状态机，保证了系统的可靠运行。 组l 蟮矗案 图 3 无线组网方案 2 3 3 采用基于a 跚控制器的以太网解决方案 无论是4 8 5 总线，还是无线网络， 区之间，或者是数据量很大的情况下， 都有距离和带宽的限制。如果在几个厂 采用4 8 5 总线效果非常不好。这时，我 0 浙江大学硕士毕业论文 们自然考虑到工业以太网技术。无论从普及率、带宽、技术的成熟度或资料的 充分性考虑，工业以太网都是上上之选【3 1 。当然，如果采用多个服务器，在服 务器之间资源共享，技术上是完全可行的，但是服务器的成本太高，一台工业 控制计算机成本至少6 0 0 0 ，不利于大面积使用。我们这儿采用现在非常成熟的 a r m 控制器，一方面a r m 可以实现我们的功能，成本低廉，一整套a r m 7 系统只要3 0 0 元，实现起来非常方便。其框架如图2 4 所示。 删芯片我们采用s 3 c 4 4 b o ，这是一款删7 芯片，一方面它符合工业 级标准，另一方面它价格低廉。根据2 0 0 5 年1 月1 日2 1 i c 网站上公布的s a m s u n g 公司s 3 c 4 4 b o 芯片价格为3 5 元。 采用了a r m 芯片，就要牵涉操作系统的选择和t c m p 协议的选择问题。 2 3 3 1 操作系统选择 图2 - 4 基于a 删的以太网解决方案 嵌入式操作系统为多样的嵌入式系统提供统一的基本操作系统特性和软件 资源支持，同时又满足目标系统特定的运行性能要求，而且达到隔离与系统结 构无关的应用层软件的目的。它是嵌入式系统极为重要的组成部分，通常包括 与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面 等。目前嵌入式操作系统主要包括v s w o r k s 、w i n c e 、u c l i n l l ) 【、u c o s 等，但 浙江大学硕士毕业论文 v s w o r k s 和w i n c e 需支付昂贵的使用费用，而u c l i l l l l ) 【、u c o s 属于开源操作系 统，可以免费使用。 u c l i n u x 是1 i n u x 的简化版本f 4 】，去除了m m u 内存管理部分，内含t c 肌p 协议，所以使用较为方便，但是u c l i n t l ) ( 为非实时内核，其内部时钟为l o m s ， 可能不满足一些实时的任务，最主要的是u c l i n u x 比较复杂，移植也比较麻烦。 u c o s i i 则以其简单、移植方便、占用空间小等优点获得许多用户的喜爱。 u c o s i i 最大的特点就是它的源代码开放，这是其它商业实时内核无法比拟的。 它是针对嵌入式应用而设计的，而且在设计之初就充分考虑到了它的可移植性， 它的大部分源代码都是用高可移植性的a n s ic 编写的。u c ，o s i i 可以移植到 很多的处理器上，它能运行在大部分的8 位，1 6 位，3 2 位，甚至6 4 位的微处 理器和d s p 上【5 l o u c o s i i 是一个完全抢占式的内核，它总是运行最高优先级的就绪任务， 但不支持轮转法任务调度。每个任务被赋予唯一的优先级，使用自己独立的堆 栈。u c o s i i 提供了许多系统服务，如邮箱机制、队列机制和信号量机制、固 定大小的内存分区以及时间相关的函数等等。 鉴于本系统较为简单，我们采用u c ，o s i i 操作系统，但u c o s i1 只是一个 实时的任务调度和通信内核，缺少对外围设备和接口的支持，如没有文件系统、 网络协议、图形界面和底层的硬件驱动等，所以我们需要自己实现t c p i p 协议。 2 3 3 2 嵌入式t c p i p 协议选择 完整的t c p i p 协议过于庞大，运行起来需要处理器有较快的运算速度，并 会占用大量的存贮空间，所以欲将t c p i p 协议应用于小型的嵌入式设备，就必 须对t c p i p 协议进行一些必要的裁剪【6 j 。常用的嵌入式t c p i p 协议有l w i p ， u i p ，以及t c p 几e a n 等，考虑到系统运行的稳定性以及移植的方便性，我们采 用单任务的t c p 几e a n 网络协议。 t c p i pl e a n 在无操作系统的情况下运行，这样可以极大地简化硬件成本以 及软件的代码量，非常适合中小型嵌入式控制器的要求。t c p ，i pl e a n 没有明显 的层次结构，所有的功能都是用一个大循环实现的，这是单任务操作系统下的 合理选择，也便于程序的理解和维护。 浙江大学硕士毕业论文 t c p i pl e a n 支持a r p 、i p 、i c m p 、u d p 、t c p 、h t t p 、p p p 、d h c p 、s m t p 以及p o p 3 等网络协议，用户可以完全根据需要对其进行裁剪。t c p i pl e a i l 下 的每个协议在不影响其正常工作的前提下，都做了尽量的简化，使其运行时占 用的r o m 和r a m 空间尽可能地少。例如，没有a r p 缓存，每次都需要重新 发送a r p 请求；支持i p 分段，但最多只支持分2 段；t c p 支持超时重传，但 并不支持平滑往返数据传递时间，以及固定数据窗口大小等。 t c p i pl e a l l 的移植需要修改的主要部分如下： 1 ) 、以太网卡的驱动程序，包括网卡初始化，收、发数据包的函数； 2 ) 、实现一个软时钟，能支持t i m e o u t ( ) 函数； 3 ) 、改造文件操作有关的程序段； 4 ) 、一些数据结构需要改为紧凑格式。 2 4 本章小结 本章从浙江大发公司的实际情况出发，在解决实际问题的基础上，从成本、 技术可行性、应用场合等情况出发，提出了设备监控系统的3 种解决方案。 首先为解决实际项目的问题，提出了最简单可靠的r s 4 8 5 总线方案，客户 端使用方便用户的印p l e t ，用户可以通过浏览器随时随地查询系统。在解决实 际问题的基础上，为增加系统的通用性，又提出无线网络和工业以太网解决方 案，使整个系统实现了最大程度上的通用性和可重用性。 本章同时给出了系统实现的技术难点以及选择系统硬件及软件协议。 浙江大学硕士毕业论文 第三章基于4 髓总线的最小系统 【摘要】本章具体介绍第一种解决方案，基于4 8 5 总线的最简单系统，包括c s 结构的 控制端和b s 结构的客户端。介绍了控制端软硬件，服务器的j a 悄程序、数据库以及印p l e t 。 3 1 控制端c s 结构实现 3 1 1r s 一4 8 5 总线 r s 4 8 5 总线可以方便地实现服务器和各仪表的通讯，对现场仪表进行数据 采样、参数设置等。工控机可以直接通过2 3 2 转4 8 5 模块将2 3 2 信号转换成4 8 5 信号发出，需要注意的是，2 3 2 是全双工的，4 8 5 是半双工的，如果同时收发， 需要考虑到时延问题，如果当作全双工操作会引起误操作。服务器和仪表之间 的连接如图3 。1 所示。 图3 1r s 一4 8 5 总线连接 r s - 4 8 5 总线速度快( 最大1 0 m b s ) ，传送距离远( 9 0 l ( b s 下可传1 2 0 0 米) ， 以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰能力，允许一对双绞线上一 个发送器驱动多个负载设备，因此很多工业现场控制系统中都采用该总线标准 进行数据传输，其电路结构图如图3 2 所示。通信网络各节点均带有r s 4 8 5 串 浙江大学硕士毕业论文 行通信接口。在总线末端接一个匹配电阻，吸收总线上的反射信号，保证正常 传输信号干净、无毛刺。匹配电阻的取值应该与总线的特性阻抗相符l ”。 r s 4 8 5 电路由发送器、平衡连接电缆、电缆终端负载、接收器几部分组成， 每个通道要用两条信号线，如果其中一条是逻辑“l ”状态，另一条就为逻辑“0 ”。 r s 4 8 5 是一种多发送器的电路标准，在总线上一个发送器最多可以驱动1 2 8 个 负载设备。负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器。电路结构在平衡连 接电缆两端有终端电阻，在平衡电缆上挂发送器、接收器和组合收发器。 3 1 2 三相四线制电表应用 图3 2r s 一4 8 5 总线结构 3 1 2 1d l t 6 4 5 1 9 9 7 多功能电能表通信规约简介 该三相四线制电表开放4 8 5 接口，通信规约符合电力工业部d l 厂r 6 4 5 1 9 9 7 多功能电能表通信规约。 电表通信为主从结构的半双工通信方式。数据终端为主站，电能表为从站。 每个电能表均有各自的地址编码。通信链路的建立与解除均由主站发出的信息 帧来控制。每帧由帧起始符、从站地址域、控制码、数据长度、数据域、帧信 息纵向校验码及帧结束符等7 个域组成。每部分由若干字节组成嗍。 1 、字节格式 每字节含8 位二进制码，传输时加上一个起始位( 0 ) 、一个偶校验位和一个 停止位( 1 ) ，共1 1 位。其传输序列如图3 3 所示。d 0 是字节的最低有效位，d 7 是字节的最高有效位。先传低位，后传高位。 浙江大学硕士毕业论文 一 传送方向 起始位8 位数据偶校验位停止位 图3 3 字节传输序列 2 、帧格式 帧是传送信息的基本单元。帧格式如图3 - 4 所示。 2 1 、帧起始符6 8 h ：标识一帧信息的开始，其值为6 8 h = 0 1 l o l o o o b 。 2 2 、地址域a o a 5 ：地址域由6 个字节构成，每字节2 位b c d 码。地址 长度为1 2 位十进制数，低地址位在先，高地址位在后。当地址为9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 h 时，为广播地址。 说明代码 帧起始符6 8 h a o a 1 地址域a 2 a 3 a 4 a 5 帧起始符 6 8 h 控制码c 数据长度域 l 数据域 d a l l a 校验码 c s 结束符1 6 h 图3 4帧格式 2 3 、控制码c ：控制码的格式如下。 1 6 浙江大学硕士毕业论文 答 d 7 _ o ：由主站发出的命令帧 d 6 = o ：从站正确应答 d 7 = 1 ：由从站发出的应答帧 d 6 = 1 ：从站对异常信息的应 d 5 = 0 ：无后续数据帧d 5 = 1 ：有后续数据帧 d 4 一d 0 ：请求及应答功能码 o o o o o ：保留 o o 0 0 1 ：读数据 0 0 0 1 0 ：读后续数据 0 0 0 1 1 ：重读数据 0 0 1 0 0 ：写数据 o l o o o ：广播校时 0 1 0 1 0 ：写设备地址 0 1 l o o ：厂家保留 0 1 1 1 1 ：修改密码 1 0 0 0 0 ：厂家保留 1 1 0 0 l ：厂家保留 1 1 0 1 0 ：厂家保留 2 4 、数据长度l ：l 为数据域的字节数。读数据时l 2 0 0 ，写数据时l 5 0 ，l = o 表示无数据域。 2 5 、数据域d a t a ：数据域包括数据标识和数据、密码等，其结构随控制码 的功能而改变。传输时发送方按字节进行加3 3 h 处理，接收方按字节进行减3 3 h 处理。 浙江大学硕士毕业论文 2 6 、校验码c s ：从帧起始符开始到校验码之前的所有各字节的模2 5 6 的和， 即各字节二进制算术和，不计超过2 5 6 的溢出值。 2 7 、结束符号1 6 h ：标识一帧信息的结束，其值为1 6 h = 0 0 0 1 0 1 1 0 b 。 不o 3 、传输 3 1 、前导字节 在发送桢信息之前，先发送1 4 个字节f e h ，以唤醒接受方。 3 2 、传输次序 所有数据项均先传送低位字节，后传送高位字节。 数据传输的举例：电能量值为1 2 3 4 5 6 7 8 k w h ，其传输次序如图3 5 所 图3 5传输次序图 3 2 、传输响应 每次通信都是由主站按信息帧地址域选择的从站发出请求命令帧开始， 被请求的从站根据命令帧中控制码的要求作出响应。 收到命令帧后的响应延时t d ：2 0 m s t d 5 0 0 m s 字节之间停顿时间t b ：t b 5 0 0 m s 3 3 、差错控制 字节校验为偶校验，帧校验为纵向信息校验和，按收方无论检测到偶 浙江大学硕士毕业论文 校验出错或纵向信息校验和出错，均放弃该信息帧，不予响应。 3 4 、传输速率 初始速率：1 2 0 0 b p s 标准速率：3 0 0 ，6 0 0 ，1 2 0 0 ，2 4 0 0 ，4 8 0 0 ，9 6 0 0 b p s 传输速率的变更，首先由主站以初始速率向从站发变更速率请求，从站 以初始速率发确认应答帧或否认应答祯。收到从站确认桢后，双方以确认的 新的速率进行通信，并在通信结束后恢复到初始速率，若在5 0 0 m s 内未建 立起通信链路，则双方均恢复至初始速率。每次通信只允许改变一次通信速 率。 4 、主要支持的命令 4 1 、读有功总电能 主站格式 f e h6 8 h a o a l a 2 a 3 a 4 a 56 8 h 0 l h 0 2 h5 2 h 3 h c s1 6 h 4 2 、读瞬时量，包括实时电压、电流、有功功率、无功功率和功率因素 主站格式 f e h6 8 h a o a l a 2 a 3 a 4 a 56 8 h 0 l h 0 2 h2 4 h e 9 h c s1 6 h 3 1 2 2 三相四线制电能表简介 我们采用的是杭州西子仪表公司的两款电表，一款是d t s d 7 l 型子式三相四 线多功能电能表( i i i 型) ，单价2 0 0 0 元，采用高性能d s p 数据处理器和日本优 秀的f l a s h 单片机制成的一款高可靠性和功能卓越的多功能表。另一款是d t s 7 2 系列电子式三相三线四线交流有功电能表，采用国外先进的三相双向功率电能 计量专用j 签片以及先进的s m t 工艺制造的电能计量新产品。符合g b 厂r 1 7 2 1 5 2 0 0 2 1 级和2 级静止式交流有功电能表标准。可选配r s - 4 8 5 通信接 口，适合远程抄表，采用了d l 仃6 4 5 1 9 9 7 多功能电能表通信规约，通信符 合国家电力行业要求【9 】1 10 1 。 l 、工作原理 如图3 6 所示，被测三相电压和电流经各自的取样电路变换成适当的电平输 入到三相双向功率电能专用集成电路，输出与被测三相功率成正比的脉冲信 1 9 浙江大学硕士毕业论文 号，驱动步进电机计度器，实现三相电能的计量，电能表具有电能测试脉冲输 出，脉冲的脉宽为8 0 2 0 m s 。 图3 _ 6d s s 7 2 、d t s 7 2 型电能表工作原理框图 2 、使用方式 d s s 7 2 和d t s 7 2 型电能表端子座接线如图3 7 、图3 8 和图3 9 所示。 图3 7 经电流、电压互感器接入式 三相三线交流有功电能表接线图 图3 8 直接接入式 三相四线交流有功电能表接线图 浙江大学硕士毕业论文 图3 9 经电流互感器接入式 三相四线交流有功电能表接线图 该系列三相电能表均具有光耦隔离的电量测试脉冲输出端口如图3 7 中的 2 3 、2 4 所示。 3 、功能 电子式三相四线制有功电表价格便宜，并带4 8 5 接口，支持r s 4 8 5 总线协 议，但只能测量用电度数。而电子式三相四线制多功能电表价格偏高，但除支 持r s 4 8 5 总线协议外，还支持许多功能。 3 1 、分时测量总及分费率正反向有功、无功电能、最大需量和四象限无功 电能。 3 2 、l c d 液晶显示各种参数设置情况和测量数据量。 3 _ 3 、对复位、编程、过压、失压、失流、断相等事件进行记录。 3 4 、具有大容量的实时数据和电能数据记录功能，数据存储采用铁电存储 器和计度器双备份。 3 5 、时段费率等自动切换功能。 3 6 、可设置不同的通信速率和脉冲常数。 3 7 、实时测量三相电压、电流、功率及功率方向、功率因数、电网频率、 视在功率、电压电流畸变率及2 1 次电压谐波分量。 3 8 、具有独特的内置停电抄表或停电激光唤醒功能。 3 9 、轮显的参数和时间可预先设置。 3 1 0 、具有有功、无功、远动脉冲输出端口。 3 1 1 、具有r s 4 8 5 光电及红外接口，完成编程设置和抄表。 浙江大学硕士毕业论文 3 1 2 、能提供三相有功电能反向指示。 3 1 3 、具有双r s 4 8 5 、r s 2 3 2 、m o d e m 、t c p i p 、载波等通信接口可选扩 展功能。 3 1 4 、具有用户定制功能。 3 1 5 、监测电表接线方式，错接线自动指示并记录报警，并能进行电量追 补。 3 1 6 、g p r s 和宽带网技术实现有线或无线远程抄表及电网线路的监测和分 析。 我们购买的是3 2 2 0 3 8 0 v 、3 1 5 6