【正文】 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù) 19 LabVIEW中的TCP通信 19 虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)軟件的構(gòu)成方案及工作原理 20 DataSocket通信編程 21 DataSocket客戶端網(wǎng)頁網(wǎng)頁發(fā)布功能 22 配置LabVIEW Web Server 22 在LabVIEX環(huán)境中操作Remote Panels 23 本章小結(jié) 24結(jié) 論 25致 謝 26參考文獻(xiàn) 27V沈陽工程學(xué)院畢業(yè)論文 第1章 緒論第1章 緒論 研究課題的引出網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展引發(fā)了工業(yè)控制領(lǐng)域的深刻技術(shù)變革?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化與控制系統(tǒng)體系開放性將是控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的趨勢。人們希望當(dāng)一臺(tái)設(shè)備具有網(wǎng)絡(luò)功能時(shí)，可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、使用任何平臺(tái)隨時(shí)察看設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并在遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)這臺(tái)設(shè)備的監(jiān)視、控制、診斷、測試和配置等操作。預(yù)計(jì)在不遠(yuǎn)的將來，每臺(tái)設(shè)備中都將有一個(gè)IP地址，與Internet網(wǎng)絡(luò)相連接，具有遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)等功能[1]。在工業(yè)控制中，普遍使用現(xiàn)場總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，現(xiàn)場總線是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置之間、以及現(xiàn)場裝置域控制室內(nèi)的自動(dòng)化控制裝置之間的數(shù)字式、串行和多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。國際上現(xiàn)有多種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，包括基金會(huì)現(xiàn)場總線FF、控制局域網(wǎng)絡(luò)CAN、局部操作網(wǎng)絡(luò)Lonworks過程現(xiàn)場總線包括PROFIBUS和HART協(xié)議，以及DeviceNet，Controlnet，PNet等，而且在今后相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)多種現(xiàn)場總線將并存。在工業(yè)現(xiàn)場使用現(xiàn)場總線通信主要有以下弊端：使用專用線纜通信、成本高、協(xié)議不統(tǒng)一、傳輸信息單一。因此，需要另一種通信網(wǎng)絡(luò)取代傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場通信。目前，以太網(wǎng)在確定性和速度方面有了很大的提高，已成為世界上應(yīng)用最多的網(wǎng)絡(luò)，正逐漸應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。與此同時(shí)，各種嵌入式系統(tǒng)也在不斷發(fā)展，越來越多的嵌入式控制設(shè)備都具有了以太網(wǎng)接入功能，因而能夠利用以太網(wǎng)的開放性實(shí)現(xiàn)嵌入式控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)通過瀏覽器訪問并監(jiān)控設(shè)備，為用戶提供了一種方便、快速、通用性強(qiáng)、傳遞信息多樣、成本相對(duì)低廉的現(xiàn)場通信方式。 嵌入式以太網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的歷史與現(xiàn)狀 嵌入式以太網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的歷史將嵌入式系統(tǒng)與以太網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合的想法由來己久，主要的困難在于當(dāng)時(shí)的以太網(wǎng)在速度和確定性等方面都有很大欠缺，不能滿足工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)要求；另外，各種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議對(duì)于嵌入式系統(tǒng)存儲(chǔ)器容量、運(yùn)算速度等的要求比較高，當(dāng)時(shí)的嵌入式系統(tǒng)中除部分32位以上的處理器外，都無法達(dá)到這一要求。隨著工業(yè)以太網(wǎng)在速度上不斷提高以及交換技術(shù)、全雙工工作方式等技術(shù)的融入，以太網(wǎng)與工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的差距正在逐步縮小。另外，從80年代起，一些IT組織和公司開始進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的研發(fā)，大部分新開發(fā)的嵌入式處理器都支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如AMD公司的AM 186系列嵌入式處理器、MOTOROLA公司的M68HC系列嵌入式處理器等等?？梢哉f，目前研究嵌入式以太網(wǎng)的條件已經(jīng)成熟。國外對(duì)嵌入式以太網(wǎng)的研究己從理論階段過渡到開發(fā)階段。在工業(yè)控制領(lǐng)域，美國OPT22公司采用嵌入式以太網(wǎng)，研制開發(fā)了“以太網(wǎng)I/O系統(tǒng)”—SNAPI/O系統(tǒng)，通過以太網(wǎng)對(duì)分布在遠(yuǎn)程設(shè)備現(xiàn)場的I/O口進(jìn)行訪問，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)一遠(yuǎn)程設(shè)備的監(jiān)測和控制。SNAPI/O己成功應(yīng)用于工業(yè)過程控制、路橋收費(fèi)系統(tǒng)監(jiān)控、輸油管線的監(jiān)控及樓宇的智能化監(jiān)控等多項(xiàng)工程中。此外，研制的嵌入式以人網(wǎng)控制器具有10BaseT以太網(wǎng)接口，能夠運(yùn)行FTP/HTTP/TCP/UDP協(xié)議，應(yīng)用于傳感器、驅(qū)動(dòng)器等現(xiàn)場設(shè)備。目前，國內(nèi)在基于嵌入式以太網(wǎng)方面的研究并不多見，對(duì)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的理論研究主要局限于現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)上，也有部分學(xué)者對(duì)建立工業(yè)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了探討，但仍停留在概念上，未能進(jìn)入到實(shí)質(zhì)研究階段[2]。 嵌入式以太網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法嵌入式以太網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是在嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，使嵌入式系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，接入以太網(wǎng)。將嵌入式系統(tǒng)與TCP/IP協(xié)議融合到一起主要有兩種方法：⑴硬件方式：使用己有的TCP/IP芯片直接作為以太網(wǎng)口。這種方一法的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，執(zhí)行速度快，但往往硬件電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴，硬件成本高；⑵軟件方式：將基于TCP/IP協(xié)議以軟件方式嵌入到嵌入式系統(tǒng)的ROM中。這種方法成本低廉、實(shí)現(xiàn)靈活，軟件編寫相對(duì)復(fù)雜，但只要選用的嵌入式系統(tǒng)帶有能夠可靠實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的軟件包，則開發(fā)比較容易。通過比較這兩種實(shí)現(xiàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，論文選用以軟件方式實(shí)現(xiàn)了基于TCP/IP協(xié)議的嵌入式系統(tǒng)。嵌入式以太網(wǎng)WEB就是在嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)上，使用其它的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)其WEB功能，如瀏覽器與服務(wù)器之間的信息交互，Socket數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?嵌入式以太網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的研究意義當(dāng)一臺(tái)設(shè)備具有網(wǎng)絡(luò)接入功能時(shí)，人們可以在任何地方、任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、使用任何平臺(tái)隨時(shí)瀏覽設(shè)備實(shí)時(shí)的狀態(tài)、并在遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)這臺(tái)設(shè)備的監(jiān)視、控制、診斷、測試和配置。使用現(xiàn)場總線控制技術(shù)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，需要通過專用通信線，不僅通信介質(zhì)是專用的，而且通信協(xié)議、配套軟件和硬件都要專門設(shè)計(jì)。與之相比，若采用嵌入式以太網(wǎng)，只要將嵌入式設(shè)備連接到以太網(wǎng)，就能很方便的實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能，其意義如下：監(jiān)控設(shè)備集網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、信號(hào)轉(zhuǎn)換、采樣及TCP/IP通信功能于一體，結(jié)構(gòu)簡單，體積微小，因而系統(tǒng)具有更加優(yōu)良的性價(jià)比；不需要專用的通信線路，可以使用現(xiàn)成網(wǎng)絡(luò)資源；由于采用TCP/IP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，傳輸數(shù)據(jù)多、速度快；不僅可以傳遞數(shù)據(jù)信息，還可以傳遞聲音及圖像信息；協(xié)議公開統(tǒng)一，監(jiān)控信息可以使用任意一種WEB瀏覽器讀取[4]。 現(xiàn)階段以太網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展 以太網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展目前，以太網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)得到迅速的發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，以太網(wǎng)的通信速率從最初的10M，100M提高到了1000M，10G，這些高速以太網(wǎng)為網(wǎng)絡(luò)通信提供了足夠的帶寬。在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，通信速度的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)的減小，也就意味著網(wǎng)絡(luò)碰撞幾率大大下降。其次，在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的以太網(wǎng)中使用交換機(jī)將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)網(wǎng)段。以太網(wǎng)交換機(jī)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能，能夠?qū)σ蕴W(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀進(jìn)行緩沖，降低數(shù)據(jù)碰撞的幾率；同時(shí)以太網(wǎng)交換機(jī)可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行包過濾，使每個(gè)網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的傳輸只限在本網(wǎng)段內(nèi)進(jìn)行，不需要經(jīng)過主干網(wǎng)，不占用其它網(wǎng)段的帶寬，從而降低了主干網(wǎng)和子網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。再次，全雙工通信方式使得以太網(wǎng)中的沖突域不復(fù)存在。全雙工通信是在端口間使用兩對(duì)雙絞線（或兩根光纖）上分別接收和發(fā)送報(bào)文幀，從根本上解決了數(shù)據(jù)沖突的產(chǎn)生。絕大多數(shù)以太網(wǎng)接插件、集線器、交換機(jī)和電纜均是為辦公領(lǐng)域設(shè)計(jì)的，其抗干擾性能差，不符合工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的要求，也不具備本質(zhì)安全特性和向現(xiàn)場儀表供電的性能。為了解決在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，在極端條件下網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定工作的問題，目前提出了采用DB9結(jié)構(gòu)代替RJ45插口的方法，這種方法牢固抗振動(dòng)，并易于實(shí)現(xiàn)向現(xiàn)場儀表供電。在可靠性方面，提出了以太網(wǎng)環(huán)冗余的概念，在一定程度上提高了以太網(wǎng)通信的可靠性。 嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了3個(gè)階段：第一階段：以單片機(jī)為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)，同時(shí)具有與監(jiān)測指示設(shè)備相配合的功能，一般沒有操作系統(tǒng)的支持。第二階段：以嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為標(biāo)志。操作系統(tǒng)內(nèi)核精小、效率高，具備文件和目錄管理、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)支持等，嵌入式應(yīng)用軟件豐富，但與互聯(lián)網(wǎng)無關(guān)。第三階段：以基于互聯(lián)網(wǎng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。目前，嵌入式系統(tǒng)發(fā)展迅速，并趨于小型化、智能化，為嵌入式以太網(wǎng)的應(yīng)用提供了理想的實(shí)施對(duì)象[6]。 以太網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)中尚需解決的主要問題以太網(wǎng)在應(yīng)用于工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，還需要解決以下關(guān)鍵問題：所謂實(shí)時(shí)通信服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS），是指以太網(wǎng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場時(shí)，為滿足工業(yè)自動(dòng)化實(shí)時(shí)控制要求，而提出的一系列通信特征需求，主要用來反映工業(yè)過程控制中的實(shí)時(shí)性能。工業(yè)控制現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)中傳送的數(shù)據(jù)信息，除了各種測量數(shù)據(jù)、報(bào)警信號(hào)、組態(tài)監(jiān)控和診斷測試信息以外，還有歷史數(shù)據(jù)備份、工業(yè)音頻視頻數(shù)據(jù)等。這些信息對(duì)于實(shí)時(shí)性和通信帶寬的要求各不相同，因此要求工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)能夠適應(yīng)各種信息的通信要求，為緊急任務(wù)提供優(yōu)先服務(wù)，同時(shí)為非緊急任務(wù)提供（BestEfort，BE）服務(wù)，從而保證整個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng)的性能。在以太網(wǎng)上使用TCP/IP協(xié)議，有可能會(huì)受到包括病毒、黑客侵入等網(wǎng)絡(luò)安全威脅。對(duì)此，一般采用網(wǎng)絡(luò)隔離（如網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器隔離）辦法，將控制區(qū)域內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)與外部信息網(wǎng)絡(luò)分開。還可以通過用戶密碼、數(shù)據(jù)加密、防火墻等多種安全機(jī)制加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全管理。但目前還沒有針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)安全的成熟軟件。工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境可能存在易燃、易爆及有毒氣體，以太網(wǎng)用于工業(yè)現(xiàn)場的通信網(wǎng)絡(luò)必須采取一定的保證安全的措施。 本文研究的內(nèi)容和組織安排。從總體上看，整個(gè)文章可分為以下幾個(gè)部分：第一部分是從下位機(jī)的角度，為嵌入式開發(fā)板建立系統(tǒng)移植、數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)開發(fā)和uClinux網(wǎng)絡(luò)通信程序；第二部分是從服務(wù)器和客戶機(jī)的角度，建立基于CS模式的socket上下位機(jī)多機(jī)通信；第三部分是從服務(wù)器的角度，開發(fā)數(shù)據(jù)庫以便進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的保存。因此，基于以上考慮，全文共分為七章對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行論述。第1章闡述了嵌入式網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的概念，介紹了該系統(tǒng)的歷史，研究方法及研究意義，對(duì)該系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行了展望。第2章介紹嵌入式操作系統(tǒng)uClinux的主要功能模塊，同時(shí)對(duì)uClinux在實(shí)際應(yīng)用的一些方面進(jìn)行相應(yīng)的分析；然后介紹移植的概念，主要介紹了嵌入式操作系統(tǒng)uClinux的移植過程，包括編譯環(huán)境的建立、針對(duì)硬件的改動(dòng)和裁減，對(duì)uClinux的文件系統(tǒng)進(jìn)行了簡要的分析。第3章從嵌入式控制器ARM7 S3C444B0入手，詳細(xì)介紹了人機(jī)接口、A/D數(shù)據(jù)采集模塊，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序在uClinux操作系統(tǒng)平臺(tái)上的移植和驅(qū)動(dòng)開發(fā)，完成了基于TCP協(xié)議的uClinux socket數(shù)據(jù)通信功能。第4章介紹了圖形化處理語言LabVIEW，并將此語言作為客戶機(jī)/服務(wù)器模式下的編程語言。重點(diǎn)論述了LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)下的DataSocket機(jī)制，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)量經(jīng)過服務(wù)器向網(wǎng)絡(luò)客戶機(jī)發(fā)布的功能，實(shí)現(xiàn)了基于客戶機(jī)/服務(wù)器模型下的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)的C語言代碼。實(shí)驗(yàn)效果表明，用戶不但可以采集嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而且可以將該數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測，診斷和配置功能。嵌入式WEB技術(shù)的實(shí)現(xiàn)對(duì)將信息網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場分布式控制作出了有意的嘗試，這種技術(shù)還可以推廣到其他工業(yè)現(xiàn)場的控制要求中去。 整體設(shè)計(jì)框圖 本章小結(jié)本章從總體上介紹了本課題的研究背景，論述了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的歷史，研究方法和發(fā)展情況，并提出了今后網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)研究總需要解決的相關(guān)問題。最后概括出本實(shí)驗(yàn)的整體設(shè)計(jì)框圖。28沈陽工程學(xué)院畢業(yè)論文 第2章 嵌入式操作系統(tǒng)及UCLINUX第2章 嵌入式操作系統(tǒng)及uClinuxuClinux是Lineo公司的主打產(chǎn)品，同時(shí)也是開放源碼的嵌入式Linux的典范之作。uClinux主要是針對(duì)口標(biāo)處理器沒有存儲(chǔ)管理單元MMU（Memory Management Unit）的嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。本系統(tǒng)采用uClinux做為嵌入式操作系統(tǒng)的主要是基于uClinux的許多優(yōu)良特點(diǎn)，例如開源、穩(wěn)定、良好的移植性等。 uClinux操作系統(tǒng)介紹Linux是一種很受歡迎的操作系統(tǒng)，它與UNIX系統(tǒng)兼容，開放源代碼。它原本被設(shè)計(jì)為桌面系統(tǒng)，現(xiàn)存廣泛應(yīng)用子服務(wù)器領(lǐng)域。而更大的影響在于它正逐漸的應(yīng)用于嵌入式設(shè)備。uClinux正是在這種氛圍下產(chǎn)生的。在uClinux這個(gè)英文單詞中u表示Micro，小的意思，C表示控制的意思，所以u(píng)Clinux就是McrocontrolLinux，字面上的理解就是“針對(duì)微控制領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的Linux系統(tǒng)”[10]。uClinux最大的特征就是沒有MMU（內(nèi)存管理單元模塊）。它很適合那些沒有MMU的處理器。這種沒有MMU的處理器在嵌入式領(lǐng)域中應(yīng)用得相當(dāng)普遍。本系統(tǒng)中使用的ARM7內(nèi)核微赴理器，其本身也沒有MMU。同標(biāo)準(zhǔn)的Linux比，由于uClinux自身不支持MMU，多任務(wù)的實(shí)現(xiàn)就需要技巧了。但是，在uClinux上運(yùn)行的絕大多數(shù)的用戶程序并不需要多任務(wù)。另外針對(duì)uClinux內(nèi)核的二進(jìn)制代碼和