基于ARM的嵌入式智能仪表的研究.docx

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基于ARM的嵌入式智能仪表的研究

华北电力大学（保定）

硕士学位论文

基于ARM的嵌入式智能仪表的研究

姓名：

郝伟

申请学位级别：

硕士

专业：

控制理论与控制工程

指导教师：

马永光

20061225

华北电力大学硕士学位论文摘要

摘要

通过建立基于嵌入式智能仪表的远程监控系统，让仪表在现场级就能实现

ＴＣＰ／ＩＰ协议功能，使现场设备能与信息网络实时通信，这样就把工业控制网络与信息网络统一起来。

作者阐明嵌入式控制器在基于智能仪表远程监控系统方案中的作用，说明如何采用ＵＭＬ．ＲＴ和Ｐｌａｔｆｏｒｍ方法设计嵌入式控制器。

随后，作者详细阐明了嵌入式控制器的硬件和软件的实现过程，包括接口电路模块实现、嵌入式Ｌｉｎｕｘ的移植、嵌入式Ｗｅｂ服务器的实现等。

作者研制的嵌入式控制器具有体积小、成本低、抗干扰能力强，使用方便等特点，测试表明嵌入式控制器与现场智能仪表能很好的结合，实现远程监控功能。

关键词：

嵌入式智能仪表，嵌入式控制器，ＴＣＰ／ＩＰ，嵌入式Ｗｅｂ服务器，远程监控

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

ＩｆｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｈａｖｅｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆＴＣＰ／Ｗｐｒｏｔｏｃｏｌ，ｔｈｅｓｅｆｉｅｌｄｄｅｖｉｃｅｓｃｏｕｌｄ

ｔｏｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｔｏｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋａｎｄｍａｋｅｉｔｐｏｓｓｉｂｌｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌ

ｎｅｔｗｏｒｋａｎｄｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ

Ａｕｔｈｏｒｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓｎｅｔｗｏｒｋ．ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｗｈｉｃｈｉＳａｐｐｌｉｅｄｉｎｔｈｅｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｃｅｏｆｔｈｅｅｍｂｅｄｄｅｄ

ｓｏｌｕｔｉｏｎａｂｏｕｔｒｅｍｏｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｅｍｂｅｄｄｅｄｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．ＩｔｉＳ

ｍｅｔｈｏｄｇｉｖｅｎｄｅｔａｉｌｓｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｄｅｓｉｇｎｕｓｉｎｇｔｈｅＵＭＬ－ＲＴａｎｄｐｌａｔｆｏｒｍｍｅｔｈｏｄ．

ｏｆｔｈｅＳｕｂｓｅｑｕｅｎｔｌｙ，ａｕｔｈｏｒｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓｈｏｗｔｏｉｍｐｌｅｍｅｎｔｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅ

ｅｍｂｅｄｄｅｄｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｍｏｄｕｌｅｓｆｏｒｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ｅｍｂｅｄｄｅｄＬｉｎｕｘ．ｅｍｂｅｄｄｅｄＷｊｂＳｅｒｖｅｒａｒｅａｌｓｏｇｉｖｅｎｉｎｄｅｔａｉｌｓ．

１１１ｅｃｈａｒａｃｔｅｒｓｏｆｔｈｅｅｍｂｅｄｄｅｄｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ

ｇｏｏｄａｒｅ鹪ｆｏｌｌｏｗｓ：

ｓｍａｌｌｂｕｌｋ，ｌｏｗａｎｄＳＯｃｏｓｔ。

ａｎｔｉ－ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅａｂｉｌｉｔｙ，ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｆｏｒｕｓｉｎｇｏｎ．ＩｔｉｓｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｔｈｅｅｍｂｅｄｄｅｄｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｎｄｆｉｅｌｄｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｃＲｎｃｏｌｌａｂｏｒａｔｅｗｅｌｌ．

ＨａｏＷｅｉ（ＰｏｗｅｒＰｌａｎｔＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ）

Ｐｒｏｆ．ＭａＤｉｒｅｃｔｅｄｂｙＹｏｎｇ・ｇｎａｎｇ

ＫＥＹＷＯＲＤＳ：

ｅｍｂｅｄｄｅｄ

Ｗｅｂｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ｅｍｂｅｄｄｅｄｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ＴＣＰ／ＩＰ，ｅｍｂｅｄｄｅｄＳｅｒｖｅｒ，ｒｅｍｏｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｉ

华北电力大学硕士学位论文摘要

摘要

通过建立基于嵌入式智能仪表的远程监控系统，让仪表在现场级就能实现

ＴＣＰ／ＩＰ协议功能，使现场设备能与信息网络实时通信，这样就把工业控制网络与信息网络统一起来。

作者阐明嵌入式控制器在基于智能仪表远程监控系统方案中的作用，说明如何采用ＵＭＬ．ＲＴ和Ｐｌａｔｆｏｒｍ方法设计嵌入式控制器。

随后，作者详细阐明了嵌入式控制器的硬件和软件的实现过程，包括接口电路模块实现、嵌入式Ｌｉｎｕｘ的移植、嵌入式Ｗｅｂ服务器的实现等。

作者研制的嵌入式控制器具有体积小、成本低、抗干扰能力强，使用方便等特点，测试表明嵌入式控制器与现场智能仪表能很好的结合，实现远程监控功能。

关键词：

嵌入式智能仪表，嵌入式控制器，ＴＣＰ／ＩＰ，嵌入式Ｗｅｂ服务器，远程监控

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

ＩｆｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｈａｖｅｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆＴＣＰ／Ｗｐｒｏｔｏｃｏｌ，ｔｈｅｓｅｆｉｅｌｄｄｅｖｉｃｅｓｃｏｕｌｄ

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ｎｅｔｗｏｒｋａｎｄｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ

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１１１ｅｃｈａｒａｃｔｅｒｓｏｆｔｈｅｅｍｂｅｄｄｅｄｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ

ｇｏｏｄａｒｅ鹪ｆｏｌｌｏｗｓ：

ｓｍａｌｌｂｕｌｋ，ｌｏｗａｎｄＳＯｃｏｓｔ。

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ＨａｏＷｅｉ（ＰｏｗｅｒＰｌａｎｔＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ）

Ｐｒｏｆ．ＭａＤｉｒｅｃｔｅｄｂｙＹｏｎｇ・ｇｎａｎｇ

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Ｗｅｂｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ｅｍｂｅｄｄｅｄｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ＴＣＰ／ＩＰ，ｅｍｂｅｄｄｅｄＳｅｒｖｅｒ，ｒｅｍｏｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｉ

声明

本人郑重声明：

此处所提交的硕士学位论文《基于ＡＲＭ的嵌入式智能仪表的研究》，是本人在华北电力大学攻读硬士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。

据本人所知，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，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而便用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已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：

——日期：

关于学位论文使用授权的说明

本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：

①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；＠学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。

（涉密的学位论文在解密后遵守此规定）

作者签名：

日导师签名：

日期：

期：

华北电力大学硕士学位论文

第一章绪论

１．１引言ｍ嘲啪

人们对自然界的认识在很大程度上取决于检测和仪表。

检测技术和仪表是现代科学技术水平高低的一个标志。

回顾仪器仪表工业的发展进程，可以清晰地看出：

时至今日，仪器仪表的应用范围己经覆盖了人类活动的所有领域，并且正从传统的化学成分分析、物理量检测、机械量测量、天文地理观测、工业生产过程自动控制、产品质量测控等传统应用领域，进一步向生物医学、生物工程、生态环境等非传统应用领域扩展ｎ，．

在仪器仪表迅速发展的同时，计算机和网络技术也在迅速发展，ＰＣ机已经从高速增长进入到平稳发展时期，单纯由ＰＣ机带领电子产业蒸蒸日上的时代已经成为历史，嵌入式系统的出现和广泛应用，使计算机和网络进入了后ＰＣ时代。

把嵌入式系统应用到仪器仪表领域，让传统的仪表，传感器和微处理器相结合，可产生功能强大包含网络接口的智能传感器（ＳｍａｒｔＳｅｎｓｏｒ）、现场智能仪器仪表及现场测控单元。

芯片、总线、接口技术，成为仪器仪表的内核，嵌入式系统成为技术的代表，并由此形成了仪器仪表行业发展的趋势吲。

由这些智能仪表的组合产生了工业控制网络。

工业控制网络技术是我国仪器仪表领域“十五”期间重点扶植发展关键技术之一，最后要形成新型监、控、管一体化的自动化系统，应用于国民经济各部门。

基于嵌入式智能仪表远程监控系统作为工业控制网络重要发展方向之一，是工业数据通讯技术与控制网络技术、互联网技术等多种技术共同发展的结果。

其应用领域十分广阔，涉及工业生产控制、航空航天、智能小区、网络化家电等各行各业，具有良好的发展前景。

该项技术的发展与成熟将会给人们的生产生活带来深远的影响。

１．２仪器仪表的发展概况

回顾仪器仪表的发展历史。

第一代：

５０年代以前基于机电学理论，主要是指针式仪表；第二代：

５０至７０年代，出现了数字仪表；２０世纪７０年代后，随着计算机、微电子等技术的迅猛发展，出现了微处理器芯片，即进入了第三代的智能化仪器仪表阶段。

智能化仪器仪表是计算机技术向仪器仪表移植的产物，含有微计算机或微处理器的仪器仪表，由于拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，因而有着智能的作用。

智能仪表在测量过程自动化、测量数据处理及功能多样化方面ｌ

华北电力大学硕士学位论文

与传统仪表的常规测量电路相比较，取得了巨大进展。

智能仪表不仅能解决传统仪表不易或不能解决的问题，还能简化仪表电路，提高仪表的可靠性，更容易实现商精度、高性能、多功能的目的。

随着计算机技术、微电子技术和网络化技术的迅猛发展，仪器仪表将向着智能化、网络化、虚拟化的方向发展。

“九五”以来，我国仪器仪表工业发展很快，已经形成门类、品种齐全，具有一定技术基础和生产规模的工业体系，成为亚洲日本以外的第二大仪器仪表生产国。

２００１年１０月２３日至２６日，在上海世贸商城举办的仪器仪表展览会上展出的各类工业过程控制系统、智能仪器仪表、测量与监测装置、精密仪器、分析仪器、光学仪器、数据采集与辨识系统、传感器、执行器及驱动装置，国内产品均达到９０年代后期国外同类产品技术水准，但同时也看到，与国外产品相比仍有较大差距，其主要表现在以下几个方面：

①水平低②质量差③成套率低④软件落后⑤制造工艺落后⑥元器件、材料薄弱等等。

１．２．１智能仪表的发展以及相关技术

智能仪器是将人工智能的理论、方法和技术应用于仪器，使其具有类似人的智能特性或功能的仪器。

为了实现这种特性或功能，智能仪器中一般都嵌有微处理器（或数字信号处理器）及专用信号处理电路（ＡＳＩＣ），仪器内部带有很强的智能软件。

智能仪表已不再是简单的硬件实体，而是硬件、软件相结合，软件决定仪器智能高低的新型仪器，其硬件基本组成如图卜ｌ所示№１。

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圈ｌ・１智能仪表的基本组成螽

２匠近年来，智能化测量控制仪表发展很快。

国内市场已经出现了多种多样的智能化测量控制仪表，例如，自动进行差压补偿的智能节流式流量计，对各种谱图进行分析和数据处理的智能色谱仪，进行程序控温的智能多段温度控制仪以及实现数字ＰＩＤ和各种复杂控制规律的智能式调节器等。

国际上智能测量仪表更是品种繁多，不胜枚举。

特别是近２０年来，由于微电子学的进步以及计算机应用的日益广泛，智能化测量控制仪器仪表已经取得了巨大的进展，从技术背景上来说，归功于硬件

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