毕业设计基于工业以太网的嵌入式监控系统的设计与实现.docx
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毕业设计基于工业以太网的嵌入式监控系统的设计与实现
分类号密级
UDC
学位论文
基于工业以太网的嵌入式监控系统的设计与实现
AThesisfortheDegreeofMasterinComputerArchitecture
DesignandImplementationofEmbeddedMonitoringSystemBasedonIndustrialEthernet
byChenJun
Supervisor:
AssociateProfessorDengQingxu
NortheasternUniversity
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。
论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。
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签字日期：
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：
即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。
本人同意东北大学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、交流。
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导师签名：
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签字日期：
基于工业以太网的嵌入式监控系统的设计与实现
摘要
随着信息技术的发展，工业控制网络正逐步朝着数字化、开放化、分散化的方向发展。
工业以太网作为一种新型控制技术，具有开放性好、结构简单、速度快、兼容性强、易扩展和成本低等优点，受到了工业控制领域的青睐，并获得广泛应用。
它实现了自动控制技术和信息网络技术的融合，为企业办公自动化与生产自动化的无缝结合提供了契机。
同时，随着嵌入式系统在工业领域的广泛应用，嵌入式技术和工业以太网技术相结合已成为一大发展趋势。
因此研究基于工业以太网的嵌入式监控系统是具有重要的现实意义。
本文主要研究了嵌入式工业以太网控制器和简单网络管理协议的相关技术，设计和实现了一个基于工业以太网的对设备节点具有信息检索、修改和故障诊断功能的嵌入式远程监控系统。
论文首先简要介绍了网络控制系统的组成和发展，阐述了研究的意义所在。
接着描述了工业以太网的发展，分析了工业以太网的优势和存在的问题以及工业以太网的通信原理和协议体系结构，研究了网络底层接口的工作原理，实现了由微处理器S3C44B0X和网络芯片RTL8019AS构成的嵌入式工业以太网络控制器，并设计了基于实时操作系统和嵌入式TCP/IP协议栈的软件平台方案。
在此基础上，探讨了用于监控工业设备的嵌入式SNMP代理的实现技术，设计并实现了该代理的各个组成部分，即网络通信模块、编码解码模块、消息处理模块、Trap模块和MIB访问模块，给出了SNMP代理扩展的步骤和方法。
最后对系统进行了相关测试，并对结果进行了分析，同时提出下一步需要完善的工作。
关键词：
工业以太网；嵌入式系统；工业以太网控制器；简单网络管理协议；嵌入式SNMP代理
DesignandImplementationofEmbeddedMonitoringSystemBasedonIndustrialEthernet
Abstract
Withthedevelopmentofinformationtechnology,industrialcontrolnetworkisbecomingdigital,openanddecentralized.IndustrialEthernet,asanewcontroltechnology,hasalotofmerits,suchasgoodopenness,simplestructure,quickspeed,goodcompatibility,easyexpansibility,lowcostsandsoon.Ithasbeenwidelyusedinindustrialcontrolfield.TheautomaticcontroltechnologyandinformationnetworktechnologyareintegratedviaindustrialEthernet,whichprovidesachanceforintegrationbetweenenterpriseofficeautomationandfactoryautomation.Meanwhile,theembeddedsystemisbeingwidelyusedinindustryfield.TheproductioncombiningwithembeddedtechnologyandindustrialEthernetisverypopularandhasabrightfuture.So,itisimportanttoinvestigateanddevelopanintellectualizedembeddedmonitoringsystembasedontheindustrialEthernet.
ThemaintechniquesinindustrialEthernetandsimplenetworkmanagementprotocolareintroducedinthisthesis,andanembeddedmonitoringsystembasedontheindustrialEthernetisdesignedandimplemented,whichhasthefunctionsofinformationretrieval,modificationandfaultdiagnosis.First,thehistoryandthestructureofthenetworkedcontrolsystemarepresentedinthisthesis.Meanwhile,thesignificanceofresearchisexpressed.ThenthedevelopmentdirectionofindustrialEthernetaredescribed,theadvantageanddisadvantageofindustrialEthernet,thecommunicationtheoryandtheprotocolarchitectureofindustrialEthernetareanalyzed.Theworkingprincipleofnetworkbottominterfaceisstudied,andanembeddedindustrialEthernetcontrollercomposedofthemicro-processorS3C44B0XandthenetworkchipRTL8019ASisdesigned.Atthesametime,thesoftwaresolutionbasedonreal-timeoperatingsystemandembeddedTCP/IPprotocolisprovided.TheimplementationtechniqueofmonitoringandmanagementsystembasedontheembeddedSNMPisresearched.Thedesignandimplementationofallpartsincludingnetworkservicemodule,encodeanddecodemodule,messagehandlingmodule,TrapmoduleandMBIaccessmoduleisdiscusseddetailedly.TheprocessandmethodofextendingSNMPagentisintroduced.Testsarecarriedoutandtheperformanceofthissystemisanalyzedbasedonthesetests.Conclusionandfutureworkaregiveninthelastpartofthisthesis.
Keywords：
IndustrialEthernet;EmbeddedSystem;IndustrialEthernetController;SimpleNetworkManagementProtocol;EmbeddedSNMPAgent
第一章绪论
研究背景
计算机技术和信息技术的迅猛发展，对企业自动化和信息化领域的发展产生了巨大的影响，使控制系统结构从原来基于模拟信号传输的控制系统，发展到了基于数字化、网络化、分布化、智能化的现场总线控制技术。
现场总线使用公开、规范的通信协议，通过双绞线把位于生产控制现场的多个微机化测控设备、现场仪表与用作监控、管理的远程计算机连接起来，实现数据传输与信息共享，使控制系统成为真正意义上“信息集中、控制分散”的分布式控制系统。
虽然总线技术具有系统开放性好、互可操作性与互用性、现场设备智能化、现场环境的适应性强等优点。
但是，随着工业过程系统规模的扩大和技术的发展，基于现场总线技术的集散控制系统也暴露出了一些问题：
（1）各个厂家的控制系统协议不统一，相互不兼容。
早在1984年，国际电工技术委员会/国际标准协会（IEC/ISA）就着手开始制定现场总线的标准[1]，至今统一的标准仍未完成，目前世界上仍然存在着40余种现场总线，如ProfiBus、LONWorks、CAN、MODBus、FieldBusFoundation、DeviceNet等。
通信协议的多样性使得不同总线产品间不能直接互连、互用和互可操作，使控制网络的系统集成与信息集成面临困难。
（2）数据传输速率低。
由于当初在开发自控设备间数据通信技术时，把注意力集中在满足控制实时要求、工业环境下的抗干扰、总线供电等方面，同时传统控制网络中要传输的数据量不大，因此那时开发的现场总线的传输速率大都较低。
随着自控设备智能化程度的提高[2]，传输的数据量也将越来越大，所以网络传输的高速性在工业控制中越来越重要。
（3）信息集成困难。
由于现场总线位于整个工业控制系统的底层，缺少统一标准的构架，不易与Internet互联，因此无法实现远程信息共享和与企业信息网的集成。
随着计算机、网络技术的发展，企业迫切希望将底层的生产信息整合到统一的全厂信息管理集成系统中。
而工业以太网技术的发展，恰好弥补了现场总线技术的缺陷，带来了新的契机。
工业以太网作为一种新兴、统一、快速发展的标准，满足了工业网络在开放性、互联性、带宽方面提出的高要求。
工业以太网技术的广泛应用，使企业的现场设备层、过程监控层和信息管理层能实现全面的无缝信息集成，真正达到“管控一体化”，为早日实现企业的“一网到底”做好准备。
研究意义
当前，企业网已渗透到企业的各个领域，推动着企业的发展，在促进产业经济信息化中也起到了关键性的作用。
作为底层网络的现场总线控制网络则是企业网的最重要的组成部分，它直接关系到一个企业的产品质量、生产效率和经济效益。
将嵌入式技术与工业以太网技术相结合，通过Internet使所有连接网络的设备彼此互通互联，从计算机、通讯设备到仪器仪表、现场设备等，已成为当前工厂企业构建信息化技术平台的发展趋势，其在自动化控制领域的应用前景被普遍看好。
因此，研究基于工业以太网的嵌入式监控系统平台具有重要的现实意义。
网络控制系统结构概述
网络控制系统NCS（NetworkedControlSystem）是指将不同地域的传感、控制、执行等分布对象通过网络互联起来形成闭环的反馈控制系统，是集散控制系统（DCS）和现场总线系统（FCS）的进一步扩充，正朝着网络化、集成化、节点智能化、分布化的趋势发展。
随着企业综合自动化系统的发展，企业要把市场信息、经营决策、管理、生产调度、故障诊断等紧密结合在一起，形成一个整体，进行综合信息处理，实现原料供应、产品开发与加工、产品储运、市场信息、企业管理、决策等过程的一体化解决方案，就需要将自动控制、办公自动化、经营管理等各层次计算机互连成网络，实现信息的沟通汇集与数据共享。
企业网络控制系统通常由三个部分组成，即：
信息管理层、过程监控层和现场设备层。
如图1.1所示。
图1.1企业网络系统的层次结构图[3]
Fig.1.1TheStructureofEnterpriseNetworkSystem
（1）信息管理层
信息管理层也被称为企业资源规划层ERP（EnterpriseResourcePlanning），位于企业网络系统的最上层，主要用于企业的计划、销售、库存、财务、人事以及企业的经营管理等方面信息的传输。
这一层使用开放的TCP/IP协议进行相互通信，数据报文通常都比较长，吞吐量也较大，因此要求网络具有较大的带宽，主要由快速以太网和千兆以太网组成。
（2）过程监控层
过程监控层又被称为制造执行层MES（ManufacturingExecutionSystem），位于企业网络系统的中间层，主要用于现场设备的监控、管理、调度、趋势分析、设备故障报警等功能，另外还包括控制组态的设计和安装。
这一层的网络节点多为各种计算机和及其外设，通过扩展槽中网络接口板与现场总线相连，或者通过专门的现场总线接口实现现场总线网段与以太网段的连接。
该层网络的特点是信息的传输具有一定的周期性和实时性，信息传输量大，对网络的带宽要求也比较高。
同时，该层还为实现先进控制和远程操作优化提供支撑环境，例如实时数据库、工艺流程监控、先进控制以及设备管理等。
（3）现场设备层
现场设备层又称过程控制层PCS（ProcessControlSystem），位于企业网络系统的最底层，用于完成生产现场测量控制功能。
该层所传输的信息内容包括生产装置运行参数的测量值、控制值、开关状态的监控、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数设置等，这些值都具有信息长度小、实时要求高、可靠性好等特点，因此使用现场总线或其他专用网络构建。
现场总线是将应用与生产现场的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通信网络，遵循ISO的OSI开放式系统互连参考模型的全部或部分通信协议。
根据现场总线的协议标准，智能设备采用功能块的结构，通过组态设计，完成数据采集、A/D转换、数字滤波、温度压力补偿、PID控制等各种功能，并应用智能转换器对传统检测仪表电流电压进行数字转换和补偿[4]。
此外，总线上应有PLC的接口，便于连接原有的系统设备。
现场设备以网络节点的形式挂接在现场总线网络上。
为保证节点之间实时、可靠的数据传输，现场总线控制网络必须采用合理的拓扑结构。
常见的现场总线网络拓扑结构有环形网、总线网、树型网和令牌总线网。
现场设备层通信介质不受限制，可用双绞线、同轴电缆、光纤、电力线、无线、红外线等各种形式。
在整个网络控制系统中，现场设备层是整个网络系统的基础，也是整个网络系统的核心，只有确保总线设备节点之间可靠、准确、完整的数据传输，上层网络才能获取信息以及实现监控功能。
当前对现场总线的讨论大多停留在底层的现场智能设备网段，但为了实现一体化解决方案，应更多地考虑现场设备层与中间的过程监控层、Internet应用层之间的数据传输与交互问题，以及实现控制网络与信息网络的紧密集成。
论文内容及安排
本论文所研究的基于工业以太网的嵌入式监控系统充分利用以太网技术和嵌入式系统的特点，搭建的设备监控系统平台，融合了现场采集控制技术与网络上层通信管理技术，使得在高速局域网里随时都可以对控制对象进行实时数据监控，可以方便地应用于工业控制现场等多种领域。
本文对工业以太网控制器进行了研究，研究了如何为现场控制器设计并实现由位微处理器和嵌入式实时操作系统构成的嵌入式工业以太网络控制器。
在此基础上，本文还对嵌入式网络监控和管理技术进行了研究，设计并实现了嵌入式网络管理代理（E-SNMPAgent）。
为工业以太网将来更广阔的应用作了一些探索。
全文共分6章，各部分内容安排如下：
第一章介绍了项目背景，并指出来了研究的意义所在。
同时介绍了网络控制系统的组成结构。
第二章分析了相关的技术内容，包括以太网的发展历程，工业以太网在现场应用的优点和不足，工业以太网的通信原理和协议体系结构，嵌入式系统的介绍以及在工业控制领域的应用前景。
第三章设计和实现了嵌入式工业以太网络控制器，包括硬件电路的设计和系统软件平台的实现。
第四章详细描述了基于工业以太网络控制器的简单网络管理代理的原理和实现过程，利用该平台实现对现场设备的远程监控。
第五章系统测试。
第六章总结与展望。
总结了本文所做的工作，并指出了其它有待深入研究的问题和今后工作的重点。
第二章相关技术介绍
本章介绍了以太网的发展过程，分析了工业以太网的优势和缺点以及工业以太网的通信原理和协议体系结构，同时介绍了嵌入式系统方面的内容，为后续章节做理论基础的铺垫。
以太网技术概述
以太网最初由美国施乐公司（Xerox）PARC（PaloAltoResearchCenter）研究中心的BobMetcalfe与DavidBoggs于1976年研制成功的一种试验网络，该网络采用无源电缆作为总线来传输数据帧，故以传播电磁波的“以太”命名[5]。
在1981年，数字装备公司（DEC）、英特尔公司（Intel）以及施乐公司（Xerox）联合推出了实现10Mbps基带传输的以太网规约，并于次年公布了第二版以太网规约DIXEthernetV2.0。
通常所说的以太网就是指DIXEthernetV2.0所描述的技术。
1983年，美国电气与电子工程师协会IEEE在DIX规范基础上进行了修改而制定了标准IEEE802.3，并于1990年2月被国际标准化组织ISO采纳，正式成为ISO/IEC802.3国际标准，成为国际上最流行的局域网标准之一。
此后，随着技术的发展，以太网的速度有了很大的提高，从最初的10Mpbs以太网发展到了100Mpbs，在1999年和2002年IEEE又相继发布了千兆以太网和万兆以太网标准，进入了快速以太网时代[6]。
随着互联网技术的发展与普及，以太网技术和应用的也得到了快速的发展，以太网传输速率的提高和交换技术的发展，给解决以太网通信的不确定性问题带来希望，使其从办公自动化领域走向了工业控制领域成为可能。
工业以太网相关技术
二.1.1工业以太网介绍
工业以太网即应用于工业自动化控制领域的以太网技术。
目前一般定义为在技术上与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和安全等方面能满足工业现场需求的以太网[7]。
在工业控制领域采用快速以太网技术，以物美价廉的以太网设备替代控制网络中相对昂贵的专用总线设备是今后的发展趋势。
因为与其他现场总线和工业通信网络相比，工业以太网具有以下5大优点[8,9,10]：
（1）应用广泛
以太网技术是目前应用最广泛的局域网技术，受到广泛的技术支持。
基于国际标准规范IEEE802.3和TCP/IP协议族的以太网是一种标准的开放式网络，使不同厂商的设备很容易互联，非常适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作的问题。
（2）与信息网络无缝集成容易
由于采用相同的通信协议，工业以太网能轻松实现办公自动化网络和工业控制网络的信息集成，组建一个统一的企业网络。
无论用户处于什么地方，也无论设备资源的物理位置在何处，都能通过网络对企业地设备状态和生产过程进行监控，能便捷地访问远程系统、共享数据库等，极大地解除了地理位置上的束缚。
（3）数据传输率高
目前快速以太网支持的数据传输速率以达到了百兆、千兆甚至万兆，比目前任何一种现场总线都快。
在相同通信量的条件下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻，而网络负荷的减轻则意味着确定性的提高。
并且，随着以太网交换技术的快速发展，使任意终端之间的通信通过交换机实现透明的转发，不存在信道共享引起的竞争问题。
（4）成本和费用低廉
由于以太网的应用最为广泛，受到了许多硬件厂商的高度重视和广泛的支持，具有丰富地软硬件资源，存在多种以太网硬件产品供用户选择。
以太网产品的价格与现场总线相比也低廉的多，并且随着集成电路技术的发展，其价格还会进一步下降。
同时，人们对以太网的设计、应用等方面有很多的经验，对其技术也十分熟悉。
大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发、培训和维护费用，从而可以显著降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。
（5）可持续发展潜力大
以太网是目前最为广泛应用的计算机网络，它的发展一直受到广泛的重视和大量的技术支持。
工业控制网络采用以太网技术，就可以避免其发展游离于计算机网络技术的发展主流之外。
并且工业控制网络与信息网络技术相互结合、相互促进，共同发展，可以保证技术上的可持续发展，避免将来在技术升级时的再次投入。
虽然工业以太网有着许多的优点，但是我们也不能否认目前将以太网技术直接应用到控制领域仍然有着或多或少的不足和缺陷。
首先，最大的障碍是通信的非确定性，存在控制实时性差的问题。
其次，缺少统一的应用层协议，导致不同厂家设备之间不能互相操作性。
再次，目前的以太网设备不能适应工业现场环境，无法保证可靠性。
最后，以太网的安全性较差，会受黑客、病毒等攻击，造成信息的泄漏。
但随着工业以太网技术的不断发展和完善，相信这些问题都将逐步得到解决。
二.1.2工业以太网通信原理
工业以太网在技术上兼容商业以太网，因此也采用了相同的载波监听多路访问/冲突检测的介质访问方法和物理层规范。
（1）介质访问控制协议CSMA/CD
CSMA/CD协议是一种分布式介质访问控制协议，网络中的各个站（节点）都能独立地决定数据帧的发送与接收。
每个站在发送数据帧之前，首先要进行载波监听网络。
如果网络忙，它等待直到网络空闲，否则它就立刻传输。
如果两个以上的站同时监听到介质空闲并发送帧，则会产生冲突现象，这使发送的帧都成为无效帧。
在传输的同时，节点一定也要监听和监测消息冲突。
每个站必须有能力随时检测冲突是否发生，一旦发生冲突，则应停止发送并等待随机长的时间后重新尝试传输。
CSMA/CD的优势在于站点无需依靠中心控制就能进行数据发送。
当网络通信量较小的时候，冲突很少发生，这种介质访问控制方式是快速而有效的。
当网络负载较重的时候，就容易出现冲突，网络性能也相应降低。
（2）冲突退避算法
在802.3以太网中，当检测到出现冲突，就要重发原来的数据帧。
冲突过的数据帧的重发又可能再次引起冲突。
为避免这种情况的发生，经常采用错开
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