（精密仪器及机械专业论文）基于嵌入式Internet的远程数据采集系统的设计(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 随着i n t e r n e t 在诸多领域的广泛应用，许多原本独立的设备和系统开始与 i n t e m e t 互联，使越来越多的信息资源共享成为可能。基于嵌入式i n t e r n e t 技术的 远程数据采集系统就为这种信息资源的共享提供了物质手段。它在工业控制领域 有着迫切的需求和广阔的市场，因此越来越多的企业和个人致力于这方面的研 究。 针对原油管道泄漏检测的实际应用，本文设计了一个基于嵌入式i n t e r n e t 的 远程数据采集系统。整个系统包含两大部分：数据采集网络和远程p c 监测平台。 其中，数据采集网络又是由多个嵌入式远程数据采集终端组成的。每个数据采集 终端都是一个完整的、具有数据采集功能的嵌入式w e b 服务器。其硬件部分主 要由六个模块组成：信号调理模块、时间校对模块、存储器模块、网络控制模块、 w d t 模块和电源管理模块。采集终端所具备的信号采集、数据传输控制和网络 传输的嵌入式t c p i p 协议支持都用c 语言编程实现。远程p c 的软件监测平台 构建于l a b v i e w 开发环境下，模块化地实现了远程终端的管理、网络数据的交 互、数据的分析和泄漏检测等功能。此外，论文还通过实验验证了采集终端进行 数据采集与处理的准确性，以及网络传输的稳定性和可靠性，从而进一步论证了 整个系统的稳定性和可靠性。 论文工作的突出之处主要体现在两个方面。其一，嵌入式采集终端的设计以 功能强大的系统级芯片( s o c ) 为核心、对各模块实行集中式设计并统一控制， 简化了硬件设计的同时，使得各模块的工作更加协调，也增强了采集终端的通用 性；其二，从系统解决方案来说，远程数据采集系统的采集终端用一个基于嵌入 式i n t e r n e t 的嵌入式终端替换了原来的工业p c + 数据采集产品的组合，这也是系 统内部结构上的一个重大改进。 关键词：嵌入式i n t e m e t 嵌入式t c p 1 p b o c l a b v i e w 嵌入式w e b 服务器 远程数据采集系统 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h e w i d ea p p l i c a t i o no fi n t e r n e ti n m a n yf i e l d s ，al o to fw h i l o i n i s o l a t e de q u i p m e n t sa n ds y s t e m sh a v eb e e n j o i n i n gu pw i t hi t ，w h i c hm a k e si tp o s s i b l e t h a tm o r ea n dm o r ei n f o n n a t i o nm 3 dr e s o u r c e sc a nb e s h a r e d ar e m o t ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nt h ee m b e d d e di n t e r n e tt e c h n o l o g ys u p p l i e st h es h a r e s w i t hap h y s i c a lm e a n s ，a n di th a s e x i g e n td e m a n d sa n dp r o m i s i n gm a r k e t si nt h e i n d u s t r i a lc o n t r o l f i e l d t h e r e f o r e ，m o r ea n dm o r ee n t e r p r i s e sa n di n d i v i d u a l sa r e t a k i n gu p w i t ht h er e s e a r c h a i m i n ga tt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o ni no i lp i p e l i n e 8l e a k a g ed e t e c t i o n ，ar e m o t e d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nt h ee m b e d d e di n t e r n e tt e c h n o l o g yi sd e s i g n e di nt h i s d i s s e r t a t i o n ，i tc o n s i s t so ft h ed a t a a c q u i s i t i o nn e t w o r ka n dt h er e m o t ei n s p e c t i o n s o f t w a r ep l a t f o r mf o rp c t h en e t w o r ki sb u i l tu pw i t hs o m ee m b e d d e dr e m o t ed a t a a c q u i s i t i o nt e r m i n a l s e a c ht e r m i n a li sa ui n t e g r a t e de m b e d d e dw e bs e r v e rw i t ht h e f u n c t i o no fd a t aa c q u i s i t i o n t h eh a r d w a r em a i n l y c o m p r i s e ss i xm o d u l e s ：s i g n a l p r o c e s s i o nm o d n l e ，t i m ea d j u s t i n gm o d u l e ，m e m o r i z e rm o d u l e ，n e t w o r kc o n t r o l m o d u l e ，w d tm o d u l ea n dp o w e rm a n a g e n a e n tm o d u l e t h ec o n t r o lf l i n c t i o n so f s i g n a la c q u i s i t i o na n dd a t at r a n s m i s s i o ni nt h et e r m i n a la r ep r o g r a m m e dw i t hc l a n g u a g e ，a s w e l la st h ee m b e d d e dt c p i p p r o t o c o l s t a c k sw h i c h u p h o l d d a t a t r a n s m i s s i o no nn e t w o r k u n d e rt h e d e v e l o p m e n tc i r c u m s t a n c e o fl a b v i ew t h e i n s p e c t i o np l a t f o r m a c h i e v e s m n l a g e n l e n t o fr e m o t e t e r m i n a l s ，j n t e r a c t i v e c o m m u n i c a t i o no fn e t w o r kd a t a ，d a t aa n a l y s i sa n d l e a k a g ed e t e c t i o n ，e t c a d d i t i o n a l l y ， b o t hd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g sa c c u r a c ya n dn e t w o r kt r a n s m i s s i o n ss t a b i l i t y a n dr e l i a b i l i t ya r ev e r i f i e dw i t hs o r t i ee x p e r i m e n t s ，t h u st h ew h o l es y s t e m ss t a b i l i t y a n dr e l i a b i l i t ya r ed e m o n s t r a t e dm o r ef o r o e f u l l y t h e o u t s t a n d i n gw o r ko f t h ed i s s e r t a t i o nm a i n l yl i e si nt h ef o l l o w i n gt w oa s p e c t s f i r s t l y , t h em o d u l e s c o n c e n t r a t i v el a y o u tr o u n dap o w e r f u ls y s t e m c l a s sc h i pa n d u n i t i v ec o n t r o le n h a n c en o t o n l y t h e m o d u l e s w o r k i n g h a r m o n y ，b u t a l s ot h e t e r m i n a l su n i v e r s a lc h a r a c t e r s e c o n d l y t h ed a t aa c q u i s i t i o nt e r m i n a lb a s e d0 1 1t h e e m b e d d e di n t e r a c tt e c l m o l o g yi su s e dt or e p l a c et h ep r i m a r yo n et h a ti sa g r o u po f a n i n d u s t r i a ip ca n da ne q u i p m e n to fd a t aa c q u i s i t i o ni nt h er e m o t ed a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m c o n s i d e r i n gt h es y s t e mr e s o l u t i o n ，i t i sas i g n i f i c a n t i m p r o v e m e n to ft h e s y s t e m si n t e r n a ls t r u c t u r e k e yw o r d s ：e m b e d d e di n t e r n e t ，s y s t e mo nc h i p ，e m b e d d e dw e bs e r v e r e m b e d d e dt c p i p , l a b v i e 辑ir e m o t ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 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，也不包含为获得鑫盗盘鲎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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：友签字日期：m j 年n 月彩日 苁 签字日期：m 5 年n 月彩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼叁茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘叠盘鲎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：磷勿及 导师签名 名冈者、 签字日期：瑚j 年f 月了g 日签字日期：。，年一月。r 日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 电子技术是半个多世纪以来发展最迅速、应用最广泛的技术学科之一。特别 是随着大规模集成电路和计算机技术的飞速发展，数字技术已渗透到其他技术领 域，各种以数字技术为基础的装置和系统也层出不穷。可以说，这是一个数字信 息的时代。 但是，自然界中绝大多数物理信号都是模拟信号，要对数字信号进行处理加 工，就必须将模拟信号转换成数字信号并保存下来，以各后续处理。这就是数据 采集所要完成的任务，完成相应任务的系统即为数据采集系统( d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m ) ，简称d a s 。 数据采集是获取信息的基本手段。由于人们对数字形式的信息的需求量越来 越大，数据采集及其应用技术受到了越来越广泛的关注和应用，并且收到了良好 的效益。数据采集技术作为信息科学的一个重要分支，它涉及到传感器、前期信 号处理、模数转换、数据存储与传输、微机总线接口技术以及设备驱动等多项关 键技术，是一门综合应用技术。它研究信息数据的采集、存储、处理及控制等 作业，具有很强的实用性。数据采集同时也是自动化测试系统中最重要的组成部 分，它为测试系统提供可供分析的数据。 1 1 常用的数据采集系统 随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统迅速得到广泛应用，它渗 透到地质、医疗器械、通讯、遥感遥测等各个领域，为获取信息提供了良好的基 础。在生产过程中应用这一系统，可实现对生产现场各种参数的采集、监视和记 录，为安全生产、提高产品质量、以及降低成本和减少损失提供信息和手段。 常用的数据采集系统有两种。一是以m c u 为核心的数据采集系统，即m c u + a d 形式。它的主要构成通常包括传感器、模拟多路开关、程控放大器、采样 保持器、a d 转换器、m c u 及特殊外设等组成部分。图1 - l 就是一个典型的采 用m c u 进行控制的小型数据采集系统川。这类系统具有价格低廉、体积小、结 构简单、功能强大、应用灵活、稳定可靠等许多优点，因而得到了人们充分的关 注并发展成熟起来，现已广泛应用于工业控制、仪器仪表以及简单的通讯设备中； 大津大学硕士学位论文 第一章绪论 而且，由于功能的添加和技术改进，它们在这些领域还占有相当的数量。 m c u 图1 - 1 基于m c u 的小型数据采集系统 这种数据采集系统注重的是数据采集和控制的实时性除了进行一些简单的 数字处理之外，一般不进行大规模的数据存储，这是由单片机本身的架构所决定 的。对于一些比较复杂的应用场合，比如通讯和控制领域，这种基于m c u 的数 据采集系统的应用就受到限制。 第二种是以计算机为控制核心的数据采集系统，可归结为p c + 数据采集板 卡的形式。自从i b m 公司的个人计算机问世以来，p c 及其兼容机的应用范围越 来越广泛。它不再仅仅局限于科学计算和事务管理，而是与基于p c 的各种内总 线的接口卡结合，逐渐被应用到实时数据采集等测控领域中。用于工业控制的 p c 采用了标准总线，包括工控标准总线s t d 、传输位总线b i t - b u s 、c a n 总线、 p c 总线等总线系统【4 】。目前的数据采集板卡一般都采用p c 总线，可以插入主 机内形成内插式工作方式。这些总线技术利用p c 机强大的数据处理能力、丰富 的软硬件资源，为数据的应用提供了非常有利的条件： a 用户环境好，系统投运时对操作人员的培训期短： b 软件开发便利，有许多成熟的支持程序和应用程序可利用和借鉴； c ，维护支持环境好。 与前一种数据采集系统相比，p c + 数据采集卡方式的数据采集和处理的速 度比较快：但是p c 的接口资源有限，而且需要对接口卡的硬件资源进行合理配 置，扩展难度较大。虽然后来推出的即插即用接口标准( p c i 和i s a p n p ) ，由基 本输入输出系统和操作系统自动完成对接口卡的资源配置，使得功能扩展接1 3 卡 的使用变得相对简单方便，但仍然存在如下一些问题 5 】： 第一，卡的配置必须停机，并且需要打开p c 机箱进行安装和拆卸，使用仍 然存在很大的不方便之处。 第二，接口卡设备驱动程序的安装、调试，甚至正常运行过程都需要各种技 术支持，特别是接口卡作为一种硬件设备插入p c 后，要占用p c 的各种硬件资 源，其安装配置过程仍然需要人工干预。当扩展卡较多时，常常会出现因一块或 多块插卡无法合理配置而不能正常工作的情形，严重时甚至导致整个系统崩溃。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第三，接1 ：1 卡的质量高低、兼容性、以及驱动程序的可靠性直接影响计算机 的寿命和系统的稳定性。 第四，对于笔记本电脑等小型p c 很难对插卡接口进行扩展。 第五，接口卡会受到p c 内部的射频干扰，使其性能受到很大影响。 1 2 远程数据采集系统 目前，大多数数据采集监控系统都为独立系统，只能进行数据的现场采集或 存储，已远远不能满足工业生产的需求，迫切要求接入网络实现远程测控。远程 数据采集系统不仅可以实现远程数据的采集，还能对远程设各进行故障诊断和控 制，充分利用了嵌入式系统集成度高、可靠性好、免维护的特点，提高了终端设 缶的工业适应性，满足了野外设站、无人值守的应用要求。 现有的远程数据采集系统中，通常采用的通讯途经主要有三种：电话线路传 输、无线传输和网络传输。 ( 1 ) 电话线路传输 数据通信的发展离不开现有的通信网络资源，即使在美国、日本和西欧等发 达国家，发展数据通信也都是首先利用建成的电话网资源，然后再建立专门的数 据交换网和公用数据交换网。在目前数据网已普及的情况下，世界各国在电话网 上传输数据量仍占有相当比例。我国也制定出“在电话网上开放数据业务的技术 体制”【，并已在全国开展电话网的数据通信业务。 。 _ 酒 中心 值 i ： 控 n 生 制h t i 雯 & 臼捆洲娥磷 盎 卢塑斗一数搬丽情秘扩+ 斗掣糍叫 图1 - 2 基于电话网的数据通信 电话网较其他网络在国内的发展较早也很成熟，已基本覆盖全国的每一个角 落。利用电话网进行数据传输不需要专门铺设专用的通讯介质，既方便又节约成 本而日大大缩短了系统的搭建周期，实现电话线路传输，需要对话路信号进行 天津大学颈十学位论文第一章绪论 调制和解调，这些技术也都相当成熟，系统的开发非常便利。电话网以其方便、 简易的特点在信息传送中被广泛采用。图1 2 为在电话网上实现数据通信的基本 构成方式。 电话网上的数据通信系统由中心计算机、数据信道及数据终端设备等组成。 主要数据通信业务有信息通信、远程数据处理、远程控制等。但在电话网中，数 据传输的速率还很低，不能满足大数据量的传输要求。同时电话网是一种公共网， 对可靠性的要求特别高，所以必须采取各种措施保证通讯的可靠性，例如即使线 路出现了故障也要能够经其他线路将通讯线路接通。利用电话网进行数据传输是 一种可行的方案。 ( 2 ) 无线传输 无线通讯正如其名称所表示的那样，不需要铺设有形的传送线路。克服了有 线传输中取绞线、同轴电缆或光缆等通讯介质的安装、维护和因地区环境的约束 带来的困难。总的说来，无线传输具有如下一些特征和便利【9 】： 不使用有形传送线路，抗灾害能力强： 可同时向多个接收方传送信号； 利用自由空间，可实现宽带通信： 可用于因物理原因或经济原因难于铺设传送线路的海、山、沙漠和人口 分散的地区。 由于以上优点，无线通讯被广泛应用到无线电广播、船舶通信、航天航空通 信等多种场合。图1 3 和图1 - 4 是应用中常见的两种网络结构。 图1 - 3v s a r 通信组网方式 v e r ys m a l la p e r t u r et e r m i n a l ，简称v s a t ，是一种工作在k u 频段( 1 1 1 4 g h z ) 或c 频段( 4 6g h z ) 的小型高度软件控制的卫星通信地球站。v s a t 利 用通信下旱转发器，通过v s a t 通信系统主站的控制，按需向终站用户提供相互 问的各种通信信道，实现数据、话音、图像等的传送。在通讯距离远、通信范围 天津大学硕士学位论文第一章绪论 大的情况下，采用v s a t 一般会比选择其他通信手段便宜2 0 5 0 ，并且系统 拥有的远端小站越多，单位成本越低、规模效益越好【6 。再有，v s a r 的组网灵 活，在网络中增减或搬迁站点都很容易，不受地理位置和通信线路的限制。 利用无线信道以分组方式传送数据或话音信息的通信又称为分组无线通信。 无线分组数据通信一般是在无线电话网上配接相应的终端节点通信控制器t n c ， 从而将分散的计算机及其他终端连接起来构成数据通信系统，即图1 4 所示。在 这类数据网上可进行实时或非实时无线分组数据的多点式交换。由于其易于扩 建，可移动，抗毁性强，它是一些特殊行业和单位组建计算机网络的理想方式。 但是该系统在技术上处于链路层水平，不能支持更广泛区域尤其是公众无线数据 业务网的应用，因此发展空间不大。 乡 终磐哩用_ i w 备 s p 伊。一j t l 一匪p 皆端 l 一嘤端 巴熙等端 图1 - 4 利用无线信道组建数据通信系统 同时，前面讲到的无线通讯的优势也有其相反的一面，比如由于利用的是自 由空削，信息的保密性差；因地形和气象条件的影响，电波的传播形态较为复杂； 信号质量容易受到雨、雷等自然现象的影响；电波容易相互干扰，频率的使用规 则繁多等等。此外，采用v s a r 组网实现无线传输需要租用卫星频段；采用无 线信道实现无线传输需要设计专用的发射机和接收机，当通讯距离较远时还需要 中继装置。由于种种限制，利用无线技术实现数据传输的应用并不像其他方式那 样广泛。 ( 3 ) 网络传输 自2 0 世纪9 0 年以来，互联网i n t e r n e t 得到了飞速发展。i n t e r n e t 加速了全球 信息革命的进程，正在造就和改变着我们的工作和生活。人们可以充分利用 i n t e r n e t 上丰富的网络资源为自己服务。“可以毫不夸大地说，i n t e r n e t 是自印刷 术以来人类通信方面最大的变革”。 随着h a t e r n e t 向智能化、科学化和规范化发展，许多原本独立的设备和系统 丌始与i n t e r n e t 互联。利用互联网实现远程数据采集系统，优点是： 不需要铺设专用的通信介质，只需借助现有的互联网基础设施就能将信 犬津人学硕十。仿论文 第一章绪论 息传送到任何需要的地方； 通信协议和实现协议的软件都是开放的、标准化的： 有着丰富的表现形式：文字、图像、表格、语音等： 系统的网络支撑是i n t e r n e t ，传输速度快，数据容量大，适应了多管线、 多站点、实时监控的生产需要。 无论从经济角度还是从技术角度来讲，这种通讯方式都具有其他通讯方式无 法比拟的优越性。据网络专家预测，将来在i n t e r n e t 上传输的信息中将有7 0 的 信息来源于小型嵌入式系统。随着“嵌入式i n t e m e t ”革命的兴起，越来越多的 嵌入式系统从单独应用逐步转到i n t e r n e t 上，使许多领域发生了或即将发生翻天 覆地的变化。 1 3 本文的研究意义和研究内容 基于嵌入式i n t e r n e t 的远程数据采集系统，既是嵌入式数据采集系统的发展， 也是远程数据采集系统的细分。它在工业应用中有着迫切的需求和非常广阔的市 场。 首先是用嵌入式远程数据采集终端替代控制网络中传统的工业p c 和数据采 集产品的必要性。它大大降低了工业生产中的成本，同时杜绝了工人利用p c 进 行游戏等娱乐活动。对于后者，不仅提高了工作效率，而且避免了由于工人滨职 可能造成的不可预计的损失。 其次是它具有不可抵挡的优势。工业控制或自动化生产中，采用远程接入方 案能提高个人生产力，减少专家用于管理的时间，降低外出办公次数，而所有这 些最终都转化为总体职员需求量的减少。对于一个企业，由于职员数量的减少所 带来的费用节约是最明显的经济效益。同时，它能提高工业自动化程度，间接起 到提升企业形象的作用，为企业的发展带来良性循环。 因此。本文将以石油管道的远程泄漏监测系统为例，就此展开深入研究和详 细设计。后续内容和论文结构安排如下： 第二章，对实现嵌入式i n t e m e t 的现实技术进行研究和归纳，并寻求可进行 大数据量采集和传输的采集终端的通用实现方案。 第三章，以实际应用为例，详细设计了一个基于嵌入式i n t e r n e t 的数据采集 终端，包括信号获取、数掘处理和网络传输等功能的硬件实现，以及过程控制的 软件实现。 第四章，着力于软件编程，以完成数据在网络传输中的协议支持。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第五章，把各数据采集终端搭建成数据采集网络，通过接入该网络的p c 实 现对各个终端的远程管理和网络数据交互，并验证系统的稳定性和可靠性。 最后，在第六章中对整个系统的设计过程和系统本身的性能作了简单总结， 并初步探讨系统进一步改进的可能。 天津大学硕士学位论文 第二章酞入式i n t m n e l 技术 第二章嵌入式i n t e r n e t 技术 嵌入式系统，是指嵌入到各种产品或工程应用中的以处理器或微控制嚣为核 心的软硬件系统，包括硬件平台、操作系统和应用软件三部分，基本体系结构如 图2 - 1 所示。嵌入式系统还可描述性定义为：以应用为目标，以计算机技术为基 础，软件硬件可剪裁，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严 格要求的专用计算机系统。 口 嵌 入 式 系 统 图2 - 1 嵌入式系统的基本体系结构 根据硬件平台的规模嵌入式系统可以划分为三类 1 6 】： ( 1 ) 芯片级的嵌入式系统 芯片级的嵌入式系统也就是传统意义上的单片机系统。这类系统是以微控制 器为核心、辅以相应的外围电路而形成的具有一定控制功能的系统。微控制器一 般以4 到1 6 位微控制器为主，集成度高，体积小，性价比高应用范围广泛。 ( 2 ) 模板级的嵌入式系统 用8 位、1 6 位或3 2 位微处理器组成的单板机系统，这类系统有各种总线集 成的i n t e l x 8 6 或m o t o r o l a 6 8 k 微处理器等。常用的总线有s t d 总线、i n t e lm u l t i b u s 总线、v m e 总线和p c 总线等。这些系统都有较高的集成度，且功能齐全。 3 ) 系统级的嵌入式系统 系统级的嵌入式系统一般由工业p c 或p c 兼容机构成整个系统的核心，直 接对现场的各类设备进行控制。 嵌入式技术的发展很快，主要体现在以下几个方面【1 6 1 ： 芯片制造技术快速发展。半导体工艺日益提高，已经达到0 ，1 3 0 2 5 微米， 芯片体积更小、功耗更低。这对于嵌入式系统的集成非常重要，一方面使系统体 、i，lj厂ll， 天津大学硕士学位论文 第二章嵌入式i n t e r n e t 技术 积更小：另一方面，功耗降低后系统的使用寿命会越来越长，成本更低。 电子设计自动化程度逐步提高。用于电子设计的集成开发环境功能逐步 完善，很多带有艺术气质的开发经验得以规则化。 为了适应工业控制的需要，实时系统得到快速发展。在实时系统环境上， 复杂的多任务、多线程处理技术得到广泛运用。 多媒体技术被融入嵌入式系统。由于多媒体处理数据量大、算法复杂， 早期的嵌入式系统无法承受。 机电一体化技术助力嵌入式系统。目前，工业控制还是以机械和电气控 制为主，机电技术的集成化发展使得嵌入式系统的应用前景更加广阔。 网络技术拓展嵌入式系统。t c p i p 芯片一一登场亮相，嵌入式i n t e r n e t 前途远大，这是现今和将来的一个研究热点。 嵌入式系统的应用范围广泛，包括军事、工业、家用等各个方面。它的分布 性和成本优势是其具有广阔应用前景的直接原因。 2 1 嵌入式i n t e r n e t 技术的发展 目前，大多数嵌入式系统尚处于单独应用阶段。如果把这些相互独立的、分 散的嵌入式系统连接到i n t e r n e t 上，就可方便地、低廉地将封存在这些嵌入式系 统中的信息传送到几乎世界的任何地方这就是嵌入式i n t e m e t 。 人们还期望家用及工业领域能通过i n t e m e t 实现实时控制，充分利用现有的 十分成熟的技术，将i n t e m e t 嵌入式系统和模糊控制融合为一个完整的控制体系。 所以“嵌入式i n t e r n e t ”并不限于一般意义上的“嵌入式微控制器”的概念。 嵌入式i n t e m e t 技术的发展，从管理的角度可以分为三个阶段：集中式管理 阶段，分段式管理阶段，智能管理阶段7 】。 ( 1 ) 集中式管理阶段 最初，由于硬件技术不能满足嵌入式i n t e m e t 的应用要求，嵌入到设备中的 芯片没有网络接1 3 ，为了使那些没有网络接口的电器设备能接入到i n t e r n e t 上， 我们常采用一种前置一台p c 机的方法。这种方式称为集中式管理，有时也称为 基于网关技术的方法，因为这台计算机完成了t c p i p 协议到底层控制协议的转 换。 在集中式管理阶段，设备网关技术是核心技术，网关提供各种设备到i n t e r n e t 的连接。这些设备可以有多种类型： 直接与能够实现网关功能的计算机相连的设备； 天津大学硕十：学位论文 第二章战入式i n t e r n e t 技术 通过专业接口卡与计算机相连的设备。 在第一种情况下，设备直接连接到p c 端口上，如r s 2 3 2 口、r s 4 8 5 口、r f 口、并行口、u s b 口等等，这样的前置计算机不需要提供设备的专用驱动程序， 而只需完成端口间的数据传送。 然而，计算机的端口资源非常有限，这种做法难以进行控制扩展；而且在控 制复杂的设备时，固有端口功能有限。此外，当大量设备上网时，急剧增加的 p c 机会使成本增加到不可接受的程度。 通过专用接口卡将设备与计算机连接的方法部分解决了以上问题。缺点是技 术相对复杂，连接i n t e r n e t 的设备不仅需要相应的设备网关，同时还需要相应的 设备驱动程序。 ( 2 ) 分散式管理阶段 集中式管理的嵌入式i n t e m e t 技术已经实现了“通过网络访问行为”的目的， 但很笨拙。如果每台被控设备的前面都放置一台p c 机，成本太高；即使通过专 用接口卡扩展为一对多进行控制，也只能部分减少使用p c 机的数量。 为解决以上问题，人们提出分散式管理的概念。其原理在于让每台上网的设 备都捌有独立的i p 地址，可以在i n t e r n e t 环境下进行单独控制。 分散式管理的网络设备前不再需要放置一台p c 机，而是直接连到i n t e m e t 。 该技术仍然支持控制扩展，保留了集中式管理技术的这一优点。此外，分散式管 理技术要求控制模块做得足够“小”：体积小软件系统小。体积小是为了能适 应某些空间狭小的应用场合。软件系统小则是为了能够植入功能不是特别强大的 嵌入式芯片，同时成本也随之降低。 嵌入式t c p i p 协议栈、嵌入式w e b 服务器、嵌入式网关是实现嵌入式i n t e r n e t 的关键技术。w e b 服务器需要t c p i p 协议栈来控制数据的传输和路由功能，传 统t c p i p 协议栈需要1 0 0 k 2 0 0 k b 内存空间! 而嵌入式t c p i p 协议栈仅需要 3 8 k b 的内存空间，即便加上嵌入式w e b 服务器，对内存的需求也只有5 k b 。 嵌入式t c p i p 协议栈是目前最小的t c p i p 协议栈，这种协议栈在运行时甚至不 需要操作系统的支持。嵌入式w e b 服务器是一种小巧精悍的w e b 服务器，能提 供传统w e b 服务器所能提供的几乎所有功能。从最复杂的网络设备到最小的消 费类电子产品，它的应用无处不在。嵌入式网关提供了轻型网络通信设备( 如 r s 2 3 2 接口、r s 4 8 5 接口、r f 接口等) 与大型高性能网络( 如i n t e r n e t ) 的连接。 分散式管理技术日趋成熟，并走向产品化。 ( 3 ) 智能管理阶段 不论是集中式管理阶段还是分散式管理，人们注重的是如何把一个具体的设 备真实的嵌入到i n t e m e t 中，实现通过浏览器对设备的动作和状态进行远程监视。 天津大学硕士学位论文 第二章嵌入式i n t e r n e t 技术 在解决这些问题之后，人们考虑更多的则是如何利用现有的技术更好地进行远程 控制、丰富控制功能。 使嵌入到i n t e r n e t 上的设备智能化，应该是嵌入式i n t e r n e t 技术今后要解决 的问题。设备的智能体现在设备对人发出的信息的识别和反应能否满足人的需 求，以及是不是具有处理某项事件的能力、提供对设备本身的动态配置功能等问 题。 智能管理阶段利用已有的分散式接入技术，增加应用设计平台，从而使用户 可以增加自己的智能应用。而且，在平台之上提供现成的设计框架，使用户不必 关心如何实现设备之间的相互控制，把主要精力集中在控制逻辑上。 2 2 嵌入式i n t e r n e t 的现实技术馆喇j 从结构上来分，嵌入式网络监控系统有集中式和分布式两种结构。以微机为 中心的集中式结构的弊端和不足，可总结为价格高、体积大、系统冗余、容错能 力小。因此，弥补以上不足的分布式结构就倍受推崇。 采用基于i n t e r n e t 的分布式结构，其技术核心是如何利用m c u 自身有限的 资源对信息进行t c p i p 协议处理，形成可以在i n t e m e t 上传输的i p 数据包。从 解决这一技术问题出发，目前嵌入式系统的i n t e m e t 接入主要有以下几种形式。 2 2 13 2 6 4 位m c u + r t o s 3 2 6 4 位m c u + r t o s ，即在r t o s ( 实时多任务操作系统) 平台上对3 2 6 4 位高档单片机进行软件开发以实现t c p i p 协议处理。目前国内较为流行的r t o s 有v x w o r k s 、p s o s 、n u c l e u s 、q n x 、w i n d o w sc e 等l i n u x 也参与其中。网虎 国际( x l i n u x ) 公司已开发出目前世界上最小的、仅为1 0 0 k 大小的l i n u x 内核 0 u a r k ( 夸克) ，和容量不到2 m 的嵌入式l i n u x 操作系统，并且在i n t e l 公司新推出的芯片s t r o n ga r m 上获得了成功应用。这些r t o s 各有特点，后三 种对图形界面( g u i ) 的支持较好。 采用高档单片机，系统功能强大：但不足之处是硬件成本高、开发周期长， 需要购买昂贵的r t o s 开发软件，而且对开发人员的技能要求极高。 2 2 28 16 位m c u + t c p i p 协议芯片 这种方案是将8 1 6 位m c u 与固化有t c p i p 协议的芯片组合，共同构成应 天津大学硕+ 学位论文 第二章嵌入式i n t e r n e t 披术 用系统的核心部分，如图2 - 4 ( a ) 所示。它与第一种方案类似，都是使系统内部支 持t c p i p 协议。 该方案的硬件电路简单，但 需要大容量存储器。t c p i p 协议 的支持有软件固化和硬件固化两 种形式( 如果使用的芯片是软件 固化协议，要求m c u 有较高的运 行速度) 。采用此方案时常用的协 议芯片有s c e n i xs e m i c o n d u c t o r 公 守 l 嚣：1 图2 - 4 ( a 1 嵌入式i n t e r n e t 实现 司的s x s t a c k 、s e i k o 公司的$ 7 6 0 0 a 、i r e a d y 公司的i n t e m e tt u n e r 、r e a l t e k 公 司的r t l 8 0 1 9 系列，以及c o n n e c t o n e 公司的i c h i p 等。 这种方案的优点是将8 位单片机系统与i n t e r n e t 相连，可以使用p c 机通过 i n t e r n e t 远程访问8 位单片机系统；也可以使用8 位单片机系统将信息通过i n t e m e t 发送到远程p c 或其它终端上。但应用系统的设计工程师必须熟悉t c p i p 协议 和相关接口，开发难度大。另外每个电子设备都需要一个i p 地址，因此需要扩 充i p 协议才能得到更好的支持。 2 2 3m c u + e m i t 协议+ e m g a t e w a y 这种方案是利用e m g a t e w a y 开发的e m i t ( e m b e d d e d m i c r oi n t e m e t w o r k i n g t e c h n o l o g y ，嵌入式微i n t e m e t 网络技术) ，在应用系统的m c u 内部使用e m n e t 协议，再通过e m g a t e w a y 与i n t e m e t 连接。如图2 - 4 ( b ) 所示。 图2 - 4 ( b ) 嵌入式i n t e m e t 实现 e m g a t e w a y 网络软件接i s l 可以安装在微机、t v 机顶盒 或专用的家用电器服务器中。 它支持t c p i p 协议并运行 h t t p 服务程序，作为用户可 以通过网络浏览器远程访问 的服务器。e m g a t e w a y 通过 r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 、红外 及射频等通信方式与多个嵌 入式设备相连。每个嵌入式设备的应用程序都包含一个独立的通信任务，称为 e m m i c r o ，监测嵌入式设备中预先定义的各个变量，并将结果反馈到e m g a t e w a y 中：同时，e m m i c r o 还可以解释g a t e w a y 的命令，修改设备中的变量或进行某种 天津火学硕士学位论文 第二章嵌入式i n t e r n e t 技术 控制。e r a w a r e 公司开发了大量软件来建立访问和监控m c u 应用系统的接口， 这些接口可以用在不同的设备中。e m m i c r o 和e m g a t e w a y 一起为嵌入式设备提 供了i n t e r n e t i n t r a n e t 功能。 由于复杂的网络协议是通过e m g a t e w a y 在p c 机上实现的，只需应用系统 m c u 使用较简单的e m n e t 协议，但软硬件设计的工作量仍然较大。另外，应用 系统的单片机在处理e m n e t 协议时要占用一定的系统资源。 2 2 4m c u + w e b c h i p + p c 网关 这种方案是将m c u 应用系统通过w e b c h i p 网络芯片( 如p s 2 0 0 0 ) 与基于 p c 平台的网关连接后再进入i n t e m e t 的。结构示意图如图2 - 4 ( c ) 所示。 幽2 - 4 ( c ) 嵌入式i n t e r n e t 实现 所谓w e b c h i p ，是独立于各种微控制器的一种专用网络接口芯片。它通过标 准的输入、输出接口与各种m c u 相连。m c u 通过w e b c h i p 与网关连接，就可 接收并执行经由i n t e r n e t 远程传来的命令，或将数据交给w e b c h i p 发送出去。 w e b c h i p 的主要优点在于：对m c u 应用系统的设计工程师来说，无需熟悉 复杂的网络协议及其接口；对m c u 芯片来说，运行速度和存储器容量没有特殊 需求：软件设计只需要增加一小段接口程序，无需作其它大的改动，简化了应用 设计的工作量，可以缩短m c u 应用系统的设计周期。 2 2 5 现场总线+ i n t e m e t 服务器 此结构可用于在一对电线上传递多个信号，同时可为多个设备提供电源，起 到简化系统结构、节约硬件设备和连接电缆的作用。同时，现场总线采用公开的、 一致的通信标准，不同厂家的设备可实现互操作，是真正意义上的开放系统。 在c a n ( c o n t r o l a r e a n e t w o r k ) 、p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 、f f ( f o u n d a t i o n f i e l d b u s ) 、c o n t r o l n e t 等诸多现场总线标准中，l o n w o r k s 尤其具有显著的开放 天津大学硕士学位论文第二章嵌入式i n t e r n e t 技术 性和智能性。它有9 0 多种硬件、软件产品，是提供一整套服务的完整平台。其 通信协议l o n t a l k 支持o s i 的七层模型，网络结构可以是总线型、星型、环型、 自有网络拓扑结构。设备之间以对等的方式通讯，每个节点所采集的数据或经过 处理的信息都可以通过网络共享；任意一个节点都可调用其它节点的信息。网络 中没有中央控制器也没有故障集中点，实现了真正的全分布式智能控制，比传统 的上下、主从式控制结构更灵活、更可靠。它采用面向对象的设计方法，通过网 络变量把网络通信的设计简化为参数设置。通讯介质支持双绞线、电力线、同轴 电缆、光纤、无线射频、红外线等，而且多种介质可以在同一网络中混合使用。 通信速率3 0 0b p s 1 5m b p s ，直接通信距离( 双绞线，7 8 k b p s ) 可达2 7 0 0 米。 2 3 方案选择 以上5 种嵌入式i n t e