武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 i n t e r n e t 以及嵌入式系統(tǒng)是目前最為常用的，將它們應(yīng)用于現(xiàn)代化智能測(cè)試 領(lǐng)域，使測(cè)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的主流技術(shù)很好地融合起來(lái)，不但 可以打破國(guó)外廠商的壟斷企圖，而且還可共享規(guī)模經(jīng)濟(jì)的效益，大大降低產(chǎn)品 開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)組建的成本。隨著計(jì)算機(jī)、通信及惻絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)大量智能 電子設(shè)備與i n t c r n e t 的結(jié)合，即電子設(shè)備w e b 化是信息時(shí)代的新趨勢(shì)。本論文以 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和信息傳遞為線(xiàn)索，利用s o c 單片機(jī)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)接口芯片，在硬件和軟 件上進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了瘦服務(wù)器的功能。文中還給出了瘦服務(wù)器的應(yīng)用 實(shí)例。 本論文首先給出了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和瘦服務(wù)器的概念，接著在比較了現(xiàn)有的幾 種嵌入式i n t e r n e t 技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了單片機(jī)系統(tǒng)作為瘦服務(wù)器實(shí)現(xiàn)大型印刷 機(jī)控制的新方案。接著詳細(xì)介紹了本方案中瘦服務(wù)器的硬件構(gòu)成、以太網(wǎng)接口 芯片的驅(qū)動(dòng)方式，著重分析和闡述了嵌入式t c p i p 協(xié)議棧的構(gòu)成、每個(gè)協(xié)議的 內(nèi)容、實(shí)現(xiàn)這些協(xié)議的各個(gè)程序模塊以及其中關(guān)鍵的編程細(xì)節(jié)等，并配有相關(guān) 的程序流程圖加以詳細(xì)說(shuō)明。同時(shí)，論文也介紹了圖形化編程語(yǔ)言l a b v i e w 設(shè) 計(jì)的客戶(hù)端軟件，它使網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器和遠(yuǎn)程控制成為可能。 本課題的研究工作以建立單客戶(hù)機(jī)多服務(wù)器的先進(jìn)工業(yè)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)為目的， 重點(diǎn)就網(wǎng)絡(luò)中的瘦服務(wù)器進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，具有一定的先進(jìn)性和廣闊的應(yīng)用 前景。 關(guān)鍵詞：嵌入式i n t e r n e t ，瘦服務(wù)器，t c p i p 協(xié)議，單片機(jī)，虛擬儀器 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t i n t c r n e ta sw e l la st h ee m b e d d e ds y s t e mi sc o m m o nn o w t h ea p p l i c a t i o no f t h e s et w o t e c h n i q u e si nm o d e r nm e a s u r e m e n t & c o n t r o lf i e l dm a k e st h et e c h n i q u e so f m e a s u r e m e n tc o n t r o ls y s t e ma n dt h en e t w o r kf u s e dw e l l i tc a nn o to n l yb r e a kt h e a t t e m p t o fm o n o p o l yf r o ma b r o a d m a n u f a c t o r i e s ，b u ta l s o d e c r e a s et h ec o s to f r e s e a r c hn e w p r o d u c t sa n dt h ec o n s t r u c t i o no ft h es y s t e m f r o mt h ep a p e r ，i tc a nb e c o n c l u d e dt h a ti ti sn e c e s s a r yt om a k e m a n y i n t e l l e c t u a le l e c t r o n i ce q u i p m e n t sa c c e s s t h e i n t e r n c ti nt h en e we r aw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o na n d t h en e t w o r kt e c h n i q u e w i t ht h et h r e a do ft h ed a t as t r u c t u r ea n dt h ec o m m u n i c a t i o n o ft h ei n f o r m a t i o n ，t h i sp a p e rd e s i g n st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es y s t e ma n d i m p l e m e n t s t h ef u n c t i o n so ft h et h i ns e r v e rb yu s i n gt h es o cs c me x t e n d e dn e t w o r k i n t e r f a c ec h i p s ，m o r e o v e r t h ep a p e rg i v e sa na p p l i c a t i o ne x a m p l eo fi h el h i ns e r v e r t h i sp a p e rg i v e st h ec o n c e p t i o no ft h en e t w o r ks e r v e ra n dt h et h i ns e r v e rf i r s t b a s e do nt h ec o m p a r i s o no fs e v e r a lc u r r e n te m b e d d e di n t e m e tt e c h n o l o g i e s , t h i s p a p e rg i v e s t h en e ws c h e m e st oc o n t r o lt h el a r g e - s c a l ep r i n t e rb yu s i n gt h es c m s y s t e m a st h et h i ns e r v e r i nt h ef o l l o w i n g p a r to f t h i sp a p e ri l l u s t r a t e st h et h o u g h ta n d m e t h o do ft h i ns e r v e rw i t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，i tj i i u s t r a t e st h ec o n s t r u c t i o n & f u n c t i o no fh a r d w a r e ，t h ed r i v i n gm e t h o do fe t h e r n e ti n t e r f a c ec h i p ，a n da n a l y z e s t h ec o n s t r u c t i o no fe m b e d d e dt c p i p p r o t o c o l ，t h ec o n t e n t o fe a c h p r o t o c o l ，a n de a c h f u n c t i o nm o d u l ea n d p r o g r a m m i n g d e t a i l sw i t hf l o wc h a r t s a tt h es a m et i m e , ak i n d o f g r a p h i c a lp r o g r a m m i n gl a n g u a g e l a b v i e wi si n t r o d u c e d i tm a k e sn e t w o r k v i r t u a ld e v i c e sa n dr e m o t ec o n t r o lp o s s i b l e t h e p u r p o s eo ft h er e s e a r c hw o r k i st ou p b u i l dm o d e r ni n d u s t r ym e a s u r e m e n t & c o n t r o ln e t w o r kw h o s es t r u c t u r ei ss i n g l ec l i e n ta n dm a n ys e r v e r st h et h i ns e r v e ri s r e s e a r c h e da n dd e s i g n e di nt h i sw o r k ，w h i c hh a sb e t t e rp e r f o r m a n ea n dw i d ea p p l y t b r e g r o u n d k e y w o r d s ：e m b e d d e d i n t e r n e t ，t h i ns e r v e r ，t c p i pp r o t o c o l ，s c m ，v i r t u a l i n s t r u m e n t 武漢理工大學(xué)碩上學(xué)位論文 第1 章緒論 1 1 論文選題的背景及意義 1 1 1 嵌入式i n t e r n e t 技術(shù)的發(fā)展及趨勢(shì) 所謂嵌入式i n t e r n e t 是指電子沒(méi)備通過(guò)嵌入式模塊而非p c 系統(tǒng)直接介入 i n t e r n e t ，以i n t e r n e t 為介質(zhì)實(shí)現(xiàn)信息交互的過(guò)程。i n t c r n e t 技術(shù)的飛速發(fā)展帶來(lái) 了一個(gè)新時(shí)代。在討論嵌入式i n t c r n e l 技術(shù)之前，回顧一下i n t e r n e t 的發(fā)展和應(yīng) 用歷史是有意義且很必要的。 i n t e r n e t 的發(fā)展與應(yīng)用經(jīng)歷了并且正在經(jīng)歷著如下幾個(gè)階段： ( 1 ) i n l e r n e t 發(fā)展的萌芽階段( 1 9 8 0 1 9 9 0 年) 。 在這一階段，實(shí)現(xiàn)了異種計(jì)算機(jī)之問(wèn)的聯(lián)網(wǎng)和信息交換，采用t c p f l p 協(xié)議 進(jìn)行各種信息的交換，主要解決專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域如銀行、軍用系統(tǒng)采用不同操作系統(tǒng) 的大、中、小型計(jì)算機(jī)的聯(lián)網(wǎng)問(wèn)題，這時(shí)并不稱(chēng)之為i n t e r n e t ，t c p i p 網(wǎng)絡(luò)僅是 少數(shù)計(jì)算機(jī)專(zhuān)家的概念，這是i n t e r n e t 發(fā)展的萌芽階段。 ( 2 ) p c 機(jī)作為客戶(hù)機(jī)，i n t e r n e t 席卷全球( 1 9 9 0 2 0 0 0 年) 。 在t c p i p 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)之上發(fā)明的e m a i l 和w v c w 普遍應(yīng)用，i n t e r n e t 國(guó)際互聯(lián) 網(wǎng)被夫眾接受，這時(shí)一個(gè)重要的條件是p c 普及得非常廣泛，即形成了 c l i e n t s c r v e r 體系結(jié)構(gòu)( 客戶(hù)機(jī)服務(wù)器) ，進(jìn)而發(fā)展為b r o w s e r s e r v e r 結(jié)構(gòu)( 瀏 覽器朋艮務(wù)器) ，這時(shí)的客戶(hù)機(jī)是已廣泛普及的p c ，而服務(wù)器是相對(duì)復(fù)雜的，價(jià) 格昂貴的超級(jí)計(jì)算機(jī)，即我們所謂的“胖服務(wù)器”。在這一時(shí)期，i n t e r n e t 象場(chǎng) 革命改變了世界。 ( 3 ) 嵌入式i n t e r n e t 時(shí)代( 2 0 0 0 2 0 1 0 年) 。 在這一階段，人們將給地球披上一層“電子皮膚”，嵌入式片上系統(tǒng)成為瘦 服務(wù)器。預(yù)測(cè)未來(lái)i n t e r n e t 將向何處去，這是全世界科學(xué)家關(guān)心的問(wèn)題，包括美 國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室總裁m l u l ln e t r a v a l i 的一批科學(xué)家對(duì)此做出了預(yù)測(cè)：在這階段“將 會(huì)產(chǎn)生比p c 時(shí)代多成百上千倍的瘦服務(wù)器和超級(jí)嵌入式瘦服務(wù)器。這些瘦服務(wù) 器與我們這個(gè)世界你能想到的各種物理信息、生物信息相聯(lián)接，通過(guò)i n t e r n e t 自 動(dòng)地、實(shí)時(shí)地、方便地、簡(jiǎn)單地提供給需要這些信息的對(duì)象”。 莖堡里三奎蘭塑主蘭篁堡塞 1 1 2 嵌入式i n t e r n e t 技術(shù)的應(yīng)用前景 嵌入式系統(tǒng)接入i n t e r n e t 技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，其主要應(yīng)用領(lǐng)域可以包 括： 1 工業(yè)自動(dòng)化。工、l 衛(wèi)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用了大量的8 、1 6 、3 2 位嵌入式微控制器，其 網(wǎng)絡(luò)化是提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、減少人力資源的主要途徑，在工業(yè)過(guò)程控 制、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測(cè)、石油化工等系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用 前景： 2 智能大廈。智能大廈是信息( 自動(dòng)化) 技術(shù)與房地產(chǎn)相結(jié)合的產(chǎn)物。隨 著計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用以及網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，大廈內(nèi)所有公共設(shè)備都將 采用嵌入式智能系統(tǒng)來(lái)提高大廈的服務(wù)能力，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)大廈內(nèi) 各種操作和信息的共享，實(shí)現(xiàn)按需控制； 3 智能儀器。參考p c 機(jī)主板設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的嵌入式計(jì)算機(jī)智能儀器應(yīng)用 系統(tǒng)通用性強(qiáng)，并可根據(jù)不同要求，選擇其中的全部或部分電路，只需對(duì)軟件 做部分修改或刪除，簡(jiǎn)化系統(tǒng)，大大提高了開(kāi)發(fā)效率，降低了開(kāi)發(fā)成本，具有 廣闊的應(yīng)用空間； 4 信息家電。2 1 世紀(jì)是數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代，計(jì)算機(jī)、通信、控制、3 c 技 術(shù)相互融合，各類(lèi)消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品隨著數(shù)字化技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)的普及而走向數(shù)字 化、網(wǎng)絡(luò)化。嵌入式計(jì)算機(jī)是實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的技術(shù)基礎(chǔ)。隨著 數(shù)字化進(jìn)程的日益加深，人們的家居生活越來(lái)越明顯地印上了“網(wǎng)絡(luò)的烙印”， 最突出地表現(xiàn)就是家電開(kāi)始走向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化。 嵌入式測(cè)控系統(tǒng)與i n t e r n e t 結(jié)合具有以下優(yōu)點(diǎn)： ( 1 ) 速度越來(lái)越快，可以滿(mǎn)足各種數(shù)據(jù)傳送的實(shí)時(shí)性要求； ( 2 ) i n t e r n e t 傳輸?shù)男畔⒏迂S富，不僅可以傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，還可以傳輸聲 音和圖像，信息是以數(shù)據(jù)、文字、圖像、表格或語(yǔ)音等形式反映在網(wǎng)頁(yè)上，數(shù) 據(jù)的更新速度更快，可操作性更強(qiáng)； ( 3 ) 協(xié)議是公開(kāi)的，網(wǎng)頁(yè)上的信息可以更加方便地讀?。?( 4 ) 實(shí)現(xiàn)r 完全的分散控制，系統(tǒng)的功能更強(qiáng)大，可靠性更高，具有更加 優(yōu)良的性?xún)r(jià)比。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位、論文 1 1 3 服務(wù)器以及瘦服務(wù)器 在例絡(luò)技術(shù)和應(yīng)用快速發(fā)展的今天，作為網(wǎng)絡(luò)核心的服務(wù)器其熏要性日益 突出，網(wǎng)絡(luò)時(shí)代為服務(wù)器的應(yīng)用提供了廣闊的空間，服務(wù)器兇此進(jìn)入了技術(shù)、 應(yīng)用和市場(chǎng)互動(dòng)并迅速發(fā)展的新階段。 服務(wù)器是2 0 世紀(jì)9 0 年代的迅速發(fā)展的主流計(jì)算機(jī)產(chǎn)品，它是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境 下提供網(wǎng)f ：客，o 機(jī)共享資源( 包括查詢(xún)、存儲(chǔ)、計(jì)算等) 的設(shè)備，具有高可靠 性、高性能、高吞吐能力、大內(nèi)存容最等特點(diǎn)，并且具備強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能和友 好的人機(jī)界面。服務(wù)器首先是計(jì)算機(jī)，只不過(guò)是能提供各種共享服務(wù)( 網(wǎng)絡(luò)、 w e b 應(yīng)用、數(shù)據(jù)庫(kù)、文件、打印等) 的高性能計(jì)算機(jī)，它的高性能主要體現(xiàn)在 高速度的運(yùn)算能力、長(zhǎng)時(shí)間的可靠運(yùn)行、強(qiáng)大的外部數(shù)據(jù)吞吐能力等方面。 服務(wù)器的分類(lèi)有很多種，按其規(guī)?？蓜澐譃榇笮头?wù)器、中型服務(wù)器、小 型服務(wù)器、瘦服務(wù)器等。瘦服務(wù)器指的是剝?nèi)チ烁郊硬考?，只包含?zhí)行一些專(zhuān) 用任務(wù)所需功能的簡(jiǎn)化了的服務(wù)器。在本文中，綜合了將嵌入式系統(tǒng)接入n t e r n e t 的各種方法，提出了瘦服務(wù)器的概念。一方面，網(wǎng)絡(luò)功能的實(shí)現(xiàn)只在瘦服務(wù)器 卜完成，不需要占用嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量；另一方面，嵌入式系統(tǒng)一般都帶 有數(shù)據(jù)通信的接口，可以按照r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 等協(xié)議格式發(fā)送數(shù)據(jù)。瘦 服務(wù)器只要設(shè)置相應(yīng)的接口，便可以和嵌入式系統(tǒng)相互交換信息。這樣，便可 以將嵌入式系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立的模塊分離出來(lái)，網(wǎng)絡(luò)功能也和具體的嵌入式系 統(tǒng)脫離開(kāi)了關(guān)系，便于設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。 瘦服務(wù)器從功能上來(lái)說(shuō)還是一個(gè)服務(wù)器，它之所以能夠從軟件上和硬件上 “瘦”下來(lái)，是因?yàn)槭莘?wù)器不象一般的服務(wù)器那樣對(duì)操作系統(tǒng)軟件要求使用 w i n d o w sn t 、u n i x 、w i n d o w s2 0 0 0 等大型的操作系統(tǒng)。這樣的多任務(wù)操作系 統(tǒng)必然占用大量的存儲(chǔ)容量，同時(shí)要求c p u 有很快的運(yùn)算速度，內(nèi)存比較大， 硬盤(pán)有很大的容量等，對(duì)硬件的要求也比較高。而瘦服務(wù)器因?yàn)橘Y源的原因無(wú) 法使用多任務(wù)的操作系統(tǒng)，所以采用順序執(zhí)行和硬件中斷的方式，這樣一來(lái)， 對(duì)c p u 速度、內(nèi)存容量、硬盤(pán)容量的要求大大降低。 本文就是要利用嵌入式i n t e r n e t 技術(shù)實(shí)現(xiàn)一個(gè)瘦服務(wù)器并將它應(yīng)用于實(shí)踐。 1 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 以i n t e r n e t 為代表的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展及相關(guān)技術(shù)的日益完善，突破了 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 傳統(tǒng)通信方式的時(shí)空限制和地域障礙，使更大范圍內(nèi)的通信變得十分容易。 i n t e r n e t 擁有的硬件和軟件資源正在越來(lái)越多的領(lǐng)域中得到應(yīng)用，比如電子商務(wù)、 網(wǎng)上教學(xué)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制、高檔測(cè)量?jī)x器設(shè)備資源的遠(yuǎn)程實(shí) 時(shí)調(diào)用、遠(yuǎn)程設(shè)備故障診斷等等。與此同時(shí)，高性能、高可靠性、低成本的網(wǎng) 關(guān)、路由器、中繼器及網(wǎng)絡(luò)接口芯片等網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備的不斷進(jìn)步，又方便了 l n l c r n e t 、不同類(lèi)型測(cè)控網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)。利用現(xiàn)有i n t e r n e t 資源而無(wú)需 建立專(zhuān)門(mén)的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，使組建測(cè)控網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)以及它們與i n t e r n e t 的互 聯(lián)都十分方便，這就為測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的普遍建立和廣泛應(yīng)用鋪平了道路。 把t c p i p 協(xié)議作為種嵌入式的應(yīng)用，嵌入現(xiàn)場(chǎng)智能儀器的r o m 中，形 成瘦服務(wù)器，使信號(hào)的收、發(fā)都以t c p i p 方式進(jìn)行，如此，測(cè)控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采 集、信息發(fā)布、系統(tǒng)集成等方面都以企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)為依托，將測(cè)控網(wǎng)和企業(yè)內(nèi) 部網(wǎng)及i n t e r n e t 互聯(lián)，便于實(shí)現(xiàn)測(cè)控網(wǎng)和信息網(wǎng)的統(tǒng)一。在這樣構(gòu)成的測(cè)控網(wǎng)絡(luò) 中，傳統(tǒng)儀器設(shè)備充當(dāng)著網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立節(jié)點(diǎn)的角色，信息可跨越網(wǎng)絡(luò)傳輸至所及 的任何領(lǐng)域，實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)( 包括遠(yuǎn)程) 的在線(xiàn)測(cè)控成為現(xiàn)實(shí)。將這樣的測(cè)量技 術(shù)與過(guò)去的測(cè)控、測(cè)試技術(shù)相比不難發(fā)現(xiàn)，今天的測(cè)控能節(jié)約大量現(xiàn)場(chǎng)布線(xiàn)、 擴(kuò)大測(cè)控系統(tǒng)所及地域范圍。使系統(tǒng)擴(kuò)充和維護(hù)都極大便利的原因，就是因?yàn)?在這種現(xiàn)代測(cè)量任務(wù)的執(zhí)行和完成過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮了不可替代的關(guān)鍵作用， 即網(wǎng)絡(luò)實(shí)實(shí)在在地介入了現(xiàn)代測(cè)量與測(cè)控的全過(guò)程。 單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連接i n t e r n e ! 的技術(shù)難點(diǎn)在于：如何利用單片機(jī)系統(tǒng)自身的 資源對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行t c w i p 協(xié)議處理，使之變成可以在i n t e r n e t 上傳輸?shù)膇 p 數(shù) 據(jù)包，從解決這技術(shù)問(wèn)題出發(fā)，目前出現(xiàn)了以下幾種方案： 1 采用e m i t 技術(shù) 5 1 e m i t ( e m b e d d e dm 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 ) 是由美國(guó)e m w a r e 公司 推出的一套成熟、完善的實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)與i n t e r n e t 相連的解決方案，e m i t 技 術(shù)體系結(jié)構(gòu)如圖1 1 所示。 e m m i c r o e m g a t e w a y p c 機(jī) 單片機(jī) r s 2 3 2 高性能 三 n ) n v r s 4 8 5 系統(tǒng)處理器 r f瀏覽器 i r d a le m n e t le m n e t 其它 圖1 - 1e m i t 技術(shù)體系結(jié)構(gòu) 一4 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 e m i t 采用桌面機(jī)或高性能的嵌入式處理器作為網(wǎng)關(guān)，稱(chēng)為e m g a t e w a v 一卜 面支持t c p i p 協(xié)議并運(yùn)行h t t p 服務(wù)程序，形成一個(gè)用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器 進(jìn)行遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)的服務(wù)器。e m g a t e w a y 通過(guò)r s 2 3 2 、r s 一4 8 5 、c a n 、紅外、射頻 等總線(xiàn)與多個(gè)嵌入式設(shè)備相連接，每個(gè)嵌入式設(shè)備的應(yīng)用程序中包含一個(gè)被稱(chēng) 為e m m i c r o 的獨(dú)立通信任務(wù)，該任務(wù)負(fù)責(zé)檢測(cè)設(shè)備中預(yù)先定義的各個(gè)變量，并 將結(jié)果反饋到e m g a t e w a y 中；同時(shí)它還可以解釋e m g a t e w a y 的命令，修改設(shè)備 中的變量或者進(jìn)行某種控制。e m i t 解決方案中還包括e m i t 應(yīng)用接口服務(wù)技術(shù)， 它提供一系列的開(kāi)發(fā)工具，如c + + 、j a v a 以及a c t i v ex 等。用戶(hù)可以根據(jù)需要 開(kāi)發(fā)客戶(hù)端的瀏覽界面。 e m i t 技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已經(jīng)在工業(yè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化中得到了廣泛的應(yīng)用， 得到了包括m o t o r o l a 、a t & t 、h i t a c h i 等多家i t 公司的支持。但該技術(shù)也存在 著以下的缺點(diǎn)：e m i t 起步價(jià)位很高，e m g a t e w a y 網(wǎng)關(guān)的使用需要具有許可證， 要繳納相應(yīng)的版稅；在多個(gè)嵌入式設(shè)備分散的情況下，網(wǎng)關(guān)和設(shè)備間的專(zhuān)用網(wǎng) 絡(luò)布線(xiàn)極為不便，通信的距離、速度都受到一定的限制。 2 采用w e b c h i p 芯片實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化【6 】 w e b c h i p 是我國(guó)武漢力源電子股份有限公司推出的可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)與 i n t e r n e t 連接的接口芯片。它是獨(dú)立于各種微控制器的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)芯片，在它的片 內(nèi)駐留著網(wǎng)絡(luò)協(xié)議解釋和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議編譯程序模塊，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的s p i 串口與嵌入式 系統(tǒng)中的微控制器相連接。微控制器可以通過(guò)w e b c h i p 接收并執(zhí)行經(jīng)由i n t e r n e t 遠(yuǎn)程傳來(lái)的命令，或?qū)⒁恍?shù)據(jù)交給w e b c h i p 發(fā)送出去。單片機(jī)系統(tǒng)采用w e b c h i p 接入i n t e r n e t 的網(wǎng)絡(luò)，還必須有一個(gè)支持復(fù)雜i n t e r n e t 協(xié)議并能提供h t t p 服務(wù) 的類(lèi)似于e m g a t e w a y 的網(wǎng)關(guān)。事實(shí)上，w e b c h i p 芯片，只是把在e m i t 技術(shù)中 由微型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器e m m i c r o 完成的網(wǎng)絡(luò)功能獨(dú)立于原來(lái)的微控制器，把軟件調(diào) 用變成了硬件多控制器之間的通信。因此它只是實(shí)現(xiàn)了e m i t 技術(shù)的一小部分功 能，距離用單個(gè)片上系統(tǒng)完成智能裝置網(wǎng)絡(luò)化的目標(biāo)還相差甚遠(yuǎn)。 3 采用硬件協(xié)議棧芯片 硬件協(xié)議棧芯片是一個(gè)獨(dú)立于各種微控制器的具有上網(wǎng)功能的專(zhuān)用芯片， 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出接口，可以和大多數(shù)的微控制器相連。這些微控制器可以 通過(guò)硬件協(xié)議棧芯片執(zhí)行由i n t e r n e t 遠(yuǎn)程傳來(lái)的命令，或是將數(shù)據(jù)交給硬件協(xié)議 棧芯片通過(guò)i n t e m e t 發(fā)送出去。典型的硬件協(xié)議棧芯片有目本s e i k o 公司以i r c a d y 芯核為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)的$ 7 6 0 0 ：卷片等。硬件協(xié)議棧芯片與w e b c h i p 芯片的最根本 壁翌堡三奎堂堡主堂垡堡壅 的區(qū)別在于，嵌入式系統(tǒng)連接i n t e r n e t 不需要再通過(guò)額外的網(wǎng)關(guān)。圖1 - 2 顯示了 一種典型的基于$ 7 6 0 0 芯片的嵌入式i n t e r n e t 的方案【5 1 。 s 7 6 0 0 c h i p 微處理器 i c p u 1 m p u 接口卜 甲甲 f i p 存儲(chǔ) ： 仲裁 l p p p l ： t 物理層 左t # 串行 7 i r l l 日i接口 控制器卜一1 0 k br a m 圖1 - 2 基于$ 7 6 0 0 的種方案 當(dāng)使用硬件協(xié)議棧芯片開(kāi)發(fā)具有網(wǎng)絡(luò)功能的單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)，只需要增加一 段和協(xié)議棧通信的接口程序即可，因此，系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)難度較小，周期也較短。 但是由于加入?yún)f(xié)議棧芯片以及與之配套的網(wǎng)絡(luò)連接層設(shè)備( 如嵌入式m o d e m 、 以太網(wǎng)控制器等) ，增加了系統(tǒng)的硬件成本。 4 采用支持i n t e r n e t 的嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式操作系統(tǒng)是指運(yùn)行在嵌入式平臺(tái)上，內(nèi)核小、具有高度的模塊化和 擴(kuò)展性；具備文件和目錄管理、設(shè)備支持、多任務(wù)、圖形窗口以及用戶(hù)界面等 功能；具有大量的應(yīng)用程序接口( a p i ) ，能夠適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、 體積和功耗嚴(yán)格要求的系統(tǒng)軟件。由于i n t c r n e t 技術(shù)的發(fā)展，嵌入式操作系統(tǒng)己 逐漸向網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。目前市場(chǎng)上已有許多這樣的嵌入式操作系統(tǒng)，如 u c l i n u x 、r t l i n u x 、v x w o r k s 、n u c l e u sp l u s 以及v r t x s a 等1 7 】，它們通過(guò)內(nèi)核 自身或是附加的網(wǎng)絡(luò)組件提供對(duì)t c p i p 協(xié)議的支持?；谶@些操作系統(tǒng)的嵌入 式設(shè)備，由于操作系統(tǒng)自身的要求大都采用高檔的3 2 位處理器，如x 8 6 、p p c 、 a r m 、c o l d f i e 等，同時(shí)擁有較大容量的r o m 和r a m ，因此設(shè)備能實(shí)現(xiàn)多種 復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)功能。但這種方案存在如下缺點(diǎn)：高檔的3 2 位處理器價(jià)格較貴，開(kāi) 發(fā)周期較長(zhǎng)；需要購(gòu)買(mǎi)昂貴的嵌入式操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)組件以及配套的開(kāi)發(fā)軟件， 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 對(duì)開(kāi)發(fā)人員的開(kāi)發(fā)能力、經(jīng)驗(yàn)要求較高。 5 采用8 位或1 6 位高性能的微處理器+ 精簡(jiǎn)t c p h p 協(xié)議棧 根據(jù)嵌入式網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品應(yīng)用的特點(diǎn)，將標(biāo)準(zhǔn)的t c p i p 協(xié)議棧做較大幅度的簡(jiǎn) 化，根據(jù)需要保留其中基本的部分，這樣就可以大幅度減少對(duì)于系統(tǒng)資源的需 求，從而可以在低成本、小內(nèi)存的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)i n t e r n e t 連接的功能，這樣的方案 的優(yōu)點(diǎn)是廉價(jià)，便于廣泛應(yīng)用。該方案的重點(diǎn)和難點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)精簡(jiǎn)的t c p i p 協(xié)議 棧。以往人們認(rèn)為基于8 位或1 6 位微處理器的單片機(jī)系統(tǒng)由于在處理能力、r o m 和r a m 空間上的限制，不能實(shí)現(xiàn)t c p f l p 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧等這樣復(fù)雜的功能【8 1 1 9 1 。但 是，近年來(lái)隨著市場(chǎng)對(duì)超微型嵌入式應(yīng)用技術(shù)的不斷增長(zhǎng)，以及半導(dǎo)體技術(shù)和 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的進(jìn)步，在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)過(guò)去以為復(fù)雜的系統(tǒng)的時(shí)代已經(jīng) 來(lái)臨，并深刻地影響著傳統(tǒng)的集成電路產(chǎn)業(yè)【4 1 。不斷發(fā)展的具有高速處理能力的 智能化嵌入式芯片，使得單片機(jī)系統(tǒng)支持t c p i p 協(xié)議成為可能。 在綜合考慮了以上的方案后，本文采用的是通過(guò)精簡(jiǎn)嵌入式t c p i p 協(xié)議棧 實(shí)現(xiàn)嵌入式i n t e r n e t 的方案。 1 3 本課題的主要任務(wù)和目標(biāo) 綜合前文所述可知，隨著電于設(shè)備智能化要求的提高和各種功能強(qiáng)大的微 處理器的推出，單片機(jī)系統(tǒng)逐漸成為許多電子設(shè)備不可缺少的部分，并處在 前所未有的發(fā)展期；而互聯(lián)網(wǎng)的概念深入人心更為單片機(jī)系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合 提出了要求。計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)在i n t e r n e t 廣泛使用的推動(dòng)下得到迅猛的發(fā)展。 可以預(yù)見(jiàn)在未來(lái)十年中，這種發(fā)展速度不僅不會(huì)減慢，反而會(huì)加快并向人們活 動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域滲透。i n t e r n e t 這種廣泛應(yīng)用基本推動(dòng)力是源于現(xiàn)代人類(lèi)活動(dòng)的高 度流動(dòng)性，以及在其過(guò)程中對(duì)信息遠(yuǎn)程獲取( r e m o t ea c c e s s ) 的需求的不斷增 高。因此可以預(yù)見(jiàn)，對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行w e b 化，將成為信息時(shí)代即將來(lái)到的新浪 潮。電子設(shè)備的w e b 化，實(shí)質(zhì)上是嵌入式i n t e r n e t 技術(shù)的應(yīng)用，它將把互聯(lián)網(wǎng)方 式更加自然、深入地帶進(jìn)我們的日常生活1 1 叫。 由單片機(jī)系統(tǒng)、嵌入式網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境決定了嵌入式t c p i p 協(xié)議棧通常應(yīng) 用于特殊的、專(zhuān)用的領(lǐng)域，不可能像標(biāo)準(zhǔn)的t c p b p 協(xié)議棧一樣提供完整的協(xié)議 體系，往往是根據(jù)具體的應(yīng)用提供不同的協(xié)議模塊i “】。因此，嵌入式t c p i p 協(xié) 議棧區(qū)別于標(biāo)準(zhǔn)的t c p i p 協(xié)議棧的最突出的特點(diǎn)有如下三點(diǎn)。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 很好的可裁剪性 由于嵌入式應(yīng)用的要求千差萬(wàn)別，各種嵌入式應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)的要求不盡相同， 并且在嵌入式應(yīng)用中對(duì)產(chǎn)品的成本、價(jià)格比較敏感，存儲(chǔ)器的容量往往都是比 較有限的，兇此必須根據(jù)嵌入式網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的具體功能，對(duì)完整的t c p i p 協(xié)議棧 功能進(jìn)行裁剪，特別是對(duì)應(yīng)用協(xié)議提供可裁剪性，以滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。 2 很強(qiáng)的可移植性 由嵌入式應(yīng)用的多樣性決定了嵌入式應(yīng)用平臺(tái)也是變化多端的。因此，在 我們開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧軟件的過(guò)程中，保證軟件的可移植性是非常重要的。這樣， 在對(duì)嵌入式產(chǎn)品進(jìn)行軟、硬件升級(jí)的過(guò)程中除了與硬件直接相關(guān)的部分代碼需 要重新編寫(xiě)以外，不必再對(duì)上層協(xié)議進(jìn)行大的修改。 3 代碼精簡(jiǎn) 嵌入式t c p i p 協(xié)議棧是標(biāo)準(zhǔn)t c p i p 協(xié)議棧的子集，只需要實(shí)現(xiàn)基本的、 必要的功能，使生成的二進(jìn)制代碼盡量精簡(jiǎn)，這對(duì)嵌入式網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品降低開(kāi)發(fā)難 度、提高系統(tǒng)處理能力、節(jié)省有限的r o m 和r a m 空間是有著重要的意義的。 嵌入式t c p i p 協(xié)議棧的這些特點(diǎn)也將成為本課題研究工作的目標(biāo)與要求口”。 根據(jù)以上這些特點(diǎn)，本文精簡(jiǎn)了t c p i p 協(xié)議，實(shí)現(xiàn)的瘦服務(wù)器是采用5 1 處理器的單片機(jī)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制、通信設(shè)備、家用電器等 領(lǐng)域中。這些為數(shù)眾多的設(shè)備接入i n t e r n e t 后，將可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、管理 和升級(jí)等功能，改變以往單獨(dú)、孤立的存在方式，進(jìn)入一種開(kāi)放、互連的方式i l ”。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章瘦服務(wù)器應(yīng)用系統(tǒng)簡(jiǎn)介 2 1 瘦服務(wù)器應(yīng)用系統(tǒng)概述 本課題實(shí)現(xiàn)的瘦服務(wù)器應(yīng)用系統(tǒng)采用客戶(hù)朋務(wù)器( c l i e n w s e r v e r ) 模式。客 戶(hù)朋艮務(wù)器模型又稱(chēng)為主從式模型。在一一個(gè)信息處理系統(tǒng)中，用 二提供數(shù)據(jù)和服 務(wù)的計(jì)算機(jī)稱(chēng)為服務(wù)器( s e r v e r ) ；向服務(wù)器請(qǐng)求服務(wù)和數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)稱(chēng)為客戶(hù) 機(jī)( c l i e n t ) 。這樣的系統(tǒng)模式稱(chēng)為客戶(hù)朋疆務(wù)器模式。 客戶(hù)端向網(wǎng)絡(luò)上某一服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，該請(qǐng)求被t c p i p 網(wǎng)絡(luò)傳遞到所需的 服務(wù)器上，服務(wù)器對(duì)該請(qǐng)求做出響應(yīng)。同樣，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)該響應(yīng)被傳回客戶(hù)。在 客廣服務(wù)器模型中，服務(wù)器程序作為一個(gè)守護(hù)進(jìn)程，隨系統(tǒng)啟動(dòng)而啟動(dòng)。當(dāng)無(wú) 請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器處于等待狀態(tài)；當(dāng)請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，服務(wù)器立即處理請(qǐng)求并做出響 應(yīng)，而自己本身則回到等待狀態(tài)。在這種方式下，服務(wù)器可以很好地處理網(wǎng)絡(luò) 上客戶(hù)隨機(jī)的請(qǐng)求。 通信和資源共享是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的兩大功能，客戶(hù)月臣務(wù)器模型是這兩方面在 客觀現(xiàn)實(shí)中的完美體現(xiàn)。 首先，網(wǎng)絡(luò)通信是一種完全異步的通信，通信的發(fā)生完全是隨機(jī)的，相互 通信進(jìn)程之間不存在著父子關(guān)系，也不共享內(nèi)存緩存，因此需要一種機(jī)制，為 準(zhǔn)備通信的進(jìn)程之問(wèn)建立聯(lián)系，為兩者的數(shù)據(jù)交換提供同步?？蛻?hù)朋艮務(wù)器模型 很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。按照c s 模型，每次網(wǎng)絡(luò)通信均由隨機(jī)運(yùn)行的客戶(hù)進(jìn) 程發(fā)起，服務(wù)器進(jìn)程從啟動(dòng)開(kāi)始就一直處于等待狀態(tài)。這樣，就保證了服務(wù)器 隨時(shí)對(duì)客戶(hù)請(qǐng)求做出響應(yīng)。另外，客戶(hù)與服務(wù)器之間的請(qǐng)求應(yīng)答模式為相互通 信間的數(shù)據(jù)傳輸同步提供有力支持。 其次，從資源角度看，i n t e r n e t 上大量客觀存在著資源分布和運(yùn)算能力不均 等現(xiàn)象：小到一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)，某些主機(jī)擁有大容量的外存，某些主機(jī)則只有少 量甚至沒(méi)有外存；大到整個(gè)i n t e r n e t ，少數(shù)網(wǎng)點(diǎn)擁有超級(jí)運(yùn)算能力，大量網(wǎng)點(diǎn)只 有p c 機(jī)。同時(shí)，i n t e r n e t 上還存在人為的不均現(xiàn)象( 主要指信息資源方面) ，如域 名信息等。這些信息往往以數(shù)據(jù)庫(kù)形式存在于少數(shù)特權(quán)主機(jī)當(dāng)中，供局部或全 局訪(fǎng)問(wèn)?？傊Y源不均等的現(xiàn)象是不可避免，而客戶(hù)朋陵務(wù)器模型很好地適應(yīng) 了這種現(xiàn)象。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 正是基于以卜兩點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，我們將實(shí)現(xiàn)的瘦服務(wù)器應(yīng)用在印刷機(jī) 的套色控制中，組成c s 模式的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。瘦服務(wù)器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 1 所示p 目。 瘦服務(wù)器通過(guò)r j 4 5 接口接入局域網(wǎng)，再通過(guò)局域網(wǎng)連上i n t e m e t ?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò) 瘦服務(wù)器的傳感器接口、i o 接1 5 1 、r s 2 3 2 端口采集至l j c y g n a l 單片機(jī)上。這時(shí)，用 戶(hù)使用一臺(tái)連接& i n t e r n e t 電腦作為客戶(hù)機(jī)就可以通過(guò)瘦服務(wù)器實(shí)現(xiàn)e i j 屆i i 機(jī)的 遠(yuǎn)程控制。只是在客戶(hù)機(jī)上需要運(yùn)行一個(gè)應(yīng)用程序。 圖2 - 1 瘦服務(wù)器結(jié)構(gòu)示意圖 一般地，一臺(tái)大型印刷機(jī)有6 9 1 2 個(gè)印刷控制單元，每個(gè)印刷控制單元由實(shí) 現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的瘦服務(wù)器和印刷控制模塊兩部分組成，負(fù)責(zé)印刷種顏色。印刷時(shí)， 依次印刷不同的顏色以組成最后的圖案。如果每種顏色印刷準(zhǔn)確，也就是說(shuō)顏色 套準(zhǔn)，那么圖案清晰美觀，界限分明；如果顏色沒(méi)有套準(zhǔn)，則會(huì)出現(xiàn)圖案重疊或 者模糊。本文設(shè)計(jì)的；0 屆l l 控制系統(tǒng)由工業(yè)p c 機(jī)( 在系統(tǒng)中作為客戶(hù)機(jī)) 、1 7 寸彩 色顯示器( 觸摸屏) 、若干個(gè)瘦服務(wù)器、光電編碼器、精密電源、光電眼、執(zhí)行機(jī) 構(gòu)和控制軟件組成。各部件( 控制、電源、信號(hào)等) 通過(guò)集線(xiàn)器相連形成局域網(wǎng)， 再連接上i n t e r n e t 。各主要部件的功能、用途如下： 工業(yè)p c 機(jī)是本系統(tǒng)的客戶(hù)機(jī)，運(yùn)行客戶(hù)端程序。用于接收、發(fā)送和處 理各個(gè)瘦服務(wù)器、光電編碼器、光電眼等傳輸?shù)男畔ⅰ?e p ) $ l l 控制單元印刷控制單元包括瘦服務(wù)器和印刷控制模塊。印刷控制模 塊在接收光電眼檢測(cè)的色標(biāo)信號(hào)后，進(jìn)行處理和誤差計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果， 驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，完成自動(dòng)套色控制。同時(shí)瘦服務(wù)器將誤差和修正結(jié)果報(bào) 告給客戶(hù)端?？刂茊卧獢?shù)與光電眼數(shù)是一對(duì)應(yīng)的。 光電編碼器是用來(lái)檢測(cè)版輥位置的，一般安裝在印刷機(jī)主軸上。和版輥 同步轉(zhuǎn)動(dòng)，一圈輸出1 0 0 0 個(gè)脈沖。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 光電眼也叫色標(biāo)傳感器。用于檢測(cè)印刷色標(biāo)位置。 在本應(yīng)用系統(tǒng)中，瘦服務(wù)器既負(fù)責(zé)接收客戶(hù)端用戶(hù)發(fā)送的操作指令，控制 印刷動(dòng)作準(zhǔn)確無(wú)誤地完成；又通過(guò)傳感器接口獲得光電眼采集的數(shù)據(jù)返回給客 戶(hù)端，以便用戶(hù)能根據(jù)實(shí)際的印刷情況及時(shí)調(diào)整和完成實(shí)時(shí)控制。最后組成的 控制系統(tǒng)如圖2 2 所示。 l工業(yè)p c 機(jī)i f 一一1 i 壹i 一一j 。f 一一 萄i 一一一j i l 匝巫姻；i 匝巫圃j ；印刷控制單元 l 一一一一一一一一一一一一一一- - ；印刷控制單元 l 一一一一一一一一一一一一一一_ _ 圖2 2 套色控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 在c s 模型中，客戶(hù)與服務(wù)器處于不平等的地位，服務(wù)器擁有客戶(hù)所不具 備的硬、軟件資源和運(yùn)算能力，服務(wù)器提供服務(wù)，客戶(hù)請(qǐng)求服務(wù)。同時(shí)，客戶(hù) 服務(wù)器模型對(duì)于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)意義。也就是說(shuō)，應(yīng)用程序的開(kāi) 發(fā)由此可以分為兩部分在客戶(hù)端的和服務(wù)器兩端進(jìn)行，而且大部分地集中在服 務(wù)器端。這充分利用了服務(wù)器的資源，不僅可以大大節(jié)約應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的精力， 同時(shí)也減輕了客戶(hù)的壓力，有利于應(yīng)用程序的推廣使用。 2 2 應(yīng)用系統(tǒng)中的客戶(hù)端 在應(yīng)用系統(tǒng)中，以一臺(tái)工業(yè)p c $ j l 作為客戶(hù)機(jī)，當(dāng)需要進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)量和控制 時(shí)，客戶(hù)機(jī)向瘦服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，瘦服務(wù)器收到請(qǐng)求后，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集程序， 并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇蛻?hù)機(jī)上，客戶(hù)機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處 理和顯示，然后用戶(hù)根據(jù)分析的結(jié)果做出相應(yīng)的控制，同樣通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送回瘦 服務(wù)器，最終完成對(duì)印刷機(jī)的遠(yuǎn)程控制。 本應(yīng)用中，客戶(hù)端需要運(yùn)行一個(gè)應(yīng)用程序。因?yàn)槭菓?yīng)用在工業(yè)上，并且客 武漢理工犬掌碩士學(xué)位論文 戶(hù)端還會(huì)使用觸摸屏來(lái)簡(jiǎn)化控制操作，所以該程序要求能提供友好的人機(jī)界面 最好設(shè)計(jì)成一些工業(yè)上常用的儀器儀表的界面，這樣最終的用戶(hù)就能熟悉地操 作和使用。同時(shí)，該程序還必須實(shí)現(xiàn)i n t e r n e t 網(wǎng)絡(luò)功能，既能將控制數(shù)據(jù)按網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)報(bào)的格式進(jìn)行打包，又能將收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)正確解包獲得有用信息?；?一卜述各方面的考慮，最后我們決定采用美國(guó)國(guó)家儀器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s n i ) 的l a b v l e w 軟件來(lái)編寫(xiě)這個(gè)應(yīng)用程序。 下面將對(duì)虛擬儀器及其編寫(xiě)軟件l a b v i e w 做簡(jiǎn)單的介紹。 2 2 1 虛擬儀器概念及l(fā) a b v i 酬 虛擬儀器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，v d 是在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，用戶(hù)根據(jù)自己 的需求來(lái)定義和設(shè)計(jì)測(cè)試功能的儀器系統(tǒng)。也就是說(shuō)虛擬儀器是由用戶(hù)利用 些基本硬件及軟件編程技術(shù)組成的各種各樣的儀器系統(tǒng)【4 2 】。虛擬儀器技術(shù)是測(cè) 控技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)的一項(xiàng)突破性進(jìn)展，是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試( c a t ) 的一項(xiàng)重 要技術(shù)。 虛擬儀器一般自系統(tǒng)硬件、系統(tǒng)軟件以及為進(jìn)一步擴(kuò)展功能所留出的軟硬 件接口等組成。系統(tǒng)硬件的核心部分可以是微型計(jì)算機(jī)、單片機(jī)或由其他類(lèi)型 計(jì)算機(jī)組成的混合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其余則可包括a d d 、d a 、量程自動(dòng)切換、功率驅(qū) 動(dòng)、濾波及其他一些處理電路。系統(tǒng)軟件則可包括數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析與處理、 系統(tǒng)仿真、控制算法等模塊，這些軟件資源一般都利用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方 法開(kāi)發(fā)，因此用戶(hù)可以方便地在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，充分體現(xiàn)了虛擬儀器 的“軟件就是儀器( t h e s o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t l ”的思想mj 。 通常在編制虛擬儀器的軟件時(shí)可以采用兩種編程方法：一種是傳統(tǒng)的編程 方法，采用高級(jí)語(yǔ)言，如v c + + 、v b 等編寫(xiě)虛擬儀器的軟件；另一種是采用現(xiàn) 在流行的圖形化編程方法，如用n i 公司的l a b v l e w ( l a b o r a t o r y v i r t u a l l n s t r u m e r i te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺(tái)) 或h p 公司的v e e 等編程。采用圖形化編程的優(yōu)勢(shì)是軟件開(kāi)發(fā)周期短、編程容易，特別適合不具 有專(zhuān)業(yè)編程水平的工程技術(shù)人員使用。 l a b v i e w 是個(gè)基于圖形化編程語(yǔ)言( g 語(yǔ)言) 的虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境，它提 供了一種全新的編程方法，即對(duì)稱(chēng)之為“虛擬儀器”的軟件對(duì)象進(jìn)行圖形化的 操作組合。利用l a b v i e w ，可以通過(guò)交互式的圖形化前面板來(lái)控制系統(tǒng)，例如： 可以對(duì)幾千種硬件設(shè)備( g p i b 、v x i 、p x i 、r s 一2 3 2 、r s 一4 8 5 、p l c 、插八式數(shù) 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 據(jù)采集卡等) 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、交互應(yīng)用通訊和結(jié)構(gòu)化查詢(xún)語(yǔ)言 ( s q l ) 等方式與其他數(shù)據(jù)源相連；可以利用其功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析程序?qū)υ?數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到有意義的結(jié)果并加以顯示輸出；可以倉(cāng)建執(zhí)行速度較快的 3 2 位編譯程序，用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集等測(cè)試任務(wù)。l a b v i e w 帶有大量數(shù)據(jù)采集、 分析、顯示、存儲(chǔ)的函數(shù)庫(kù)以及眾多的程序開(kāi)發(fā)工具，還通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)d l l 、 共享庫(kù)函數(shù)、a c t i v e x 等提供了大量的外部代碼接口。在調(diào)試方面，具有設(shè)置斷 點(diǎn)、單步運(yùn)行等有力的功能。 2 2 2 虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)化 當(dāng)今時(shí)代，自動(dòng)測(cè)試儀器系統(tǒng)的發(fā)展方向是：智能化、標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化； 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的迅速普及和深入發(fā)展，為儀器的網(wǎng)絡(luò)化奠定了基礎(chǔ)。將網(wǎng)絡(luò)技 術(shù)與虛擬儀器相結(jié)合，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器系統(tǒng)，是虛擬儀器系統(tǒng)發(fā)展的方向 之一。 l a b v i e w 作為一個(gè)優(yōu)秀的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，不僅充分體現(xiàn)了“軟件就是 儀器”的虛擬儀器概念，而且，l a b v i e w 為構(gòu)建基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試系統(tǒng)， 提供了多種功能強(qiáng)大的工具，通過(guò)l a b v i e w 的網(wǎng)絡(luò)功能，可以很方便地實(shí)現(xiàn)虛 擬儀器的“網(wǎng)絡(luò)化”擴(kuò)展。 虛擬儀器在以下幾個(gè)方面具有傳統(tǒng)儀器無(wú)可比擬的特點(diǎn)h 4 】： 1 虛擬儀器的功能、性能、指標(biāo)可由用戶(hù)定義，徹底打破了傳統(tǒng)儀器一經(jīng) 設(shè)計(jì)、制造完成后，其功能、性能、指標(biāo)不可改變的封閉性、單一性。 2 可以將多種儀器的功能、性能、指標(biāo)等以軟件的形式集成在一個(gè)“功能 軟件庫(kù)”虛擬儀器庫(kù)內(nèi)，通過(guò)它們的不同組合以及與各種不同類(lèi)型的硬件 接f j 搭配，使得在一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)就可實(shí)現(xiàn)各種儀器的不同功能，大大提高了 儀器功能的靈活性，甚至可以進(jìn)行非常復(fù)雜性的測(cè)試工作。 3 由于計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大的圖形界面功能和數(shù)據(jù)運(yùn)算功能，因此虛擬儀器的 操作簡(jiǎn)單直觀，數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)處理、結(jié)果與圖形曲線(xiàn)的顯示功能也非常強(qiáng)大。 4 同一一系統(tǒng)中的儀器之間可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)資源共享。 5 開(kāi)發(fā)周期短、成本低、維護(hù)方便，易于應(yīng)用新理論、新算法和新技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)儀器的換代升級(jí)。 正是由于這些原因，所以在客戶(hù)端利用l a b v i e w 編寫(xiě)應(yīng)用程序。但本文主 要介紹的是系統(tǒng)中瘦服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用，故應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)部分在此 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 不再贅述。 2 3 應(yīng)用系統(tǒng)中的瘦服務(wù)器端 在本應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行中，瘦服務(wù)器始終處于等待狀態(tài)，直到客戶(hù)向它發(fā)出 請(qǐng)求。當(dāng)它接收到客戶(hù)端的請(qǐng)求后，要根據(jù)請(qǐng)求做出響應(yīng)。一方面，瘦服務(wù)器 要負(fù)責(zé)接收客戶(hù)端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過(guò)來(lái)的控制指令；另一方面，瘦服務(wù)器還要負(fù) 責(zé)將各種現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)按要求通過(guò)網(wǎng)絡(luò)返回給發(fā)出請(qǐng)求的客戶(hù)機(jī)。所以， 要實(shí)現(xiàn)瘦服務(wù)器實(shí)際上就是要在一個(gè)特定的嵌入式系統(tǒng)( 即瘦服務(wù)器硬件) 中 實(shí)現(xiàn)精簡(jiǎn)的t c p i p 防議。 瘦服務(wù)器的硬件框圖參見(jiàn)圖2 1 ，其中主要的功能芯片是c y g n a l 單片機(jī)和以 太網(wǎng)接口芯片r t l 8 0 1 9 a s 。 瘦服務(wù)器軟件程序的總體數(shù)據(jù)流圖如圖2 3 所示。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，印刷機(jī)的控 制程序?qū)⒉杉降默F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)交給u d p 協(xié)議模塊處理，u d p 模塊將其首部和數(shù)據(jù) 封裝成u d p 數(shù)據(jù)報(bào)。然后將封裝好的u d p 數(shù)據(jù)報(bào)交給i p 協(xié)議模塊，i p 模塊在 u d p 數(shù)據(jù)報(bào)上添加i p 首部，并封裝成i p 數(shù)據(jù)報(bào)，然后根據(jù)路由表為i p 數(shù)據(jù)報(bào) 確定路由，如果找不到相應(yīng)路由，則向i c m p 協(xié)議發(fā)送出錯(cuò)報(bào)文，由i c m p 協(xié)議 模塊進(jìn)行處理；找到了路由則將數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)接口層，網(wǎng)絡(luò)接口層利用a r p 協(xié)議找到目的的i p 地址對(duì)應(yīng)的物理地址，然后封裝成以太網(wǎng)幀，由網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程 序?qū)⒁蕴W(wǎng)幀發(fā)送出去。 接收數(shù)據(jù)時(shí)，由網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，然后由中斷處理程序喚醒數(shù) 據(jù)接收任務(wù)，由數(shù)據(jù)接收任務(wù)將接收到的數(shù)據(jù)幀交給網(wǎng)絡(luò)接e l 層。網(wǎng)絡(luò)接口層 取出幀頭，判斷接收數(shù)據(jù)的類(lèi)型，如果是a r p 報(bào)文，則將a r 對(duì)艮文交給a r p 協(xié)議 模塊處理：如果是i p 數(shù)據(jù)報(bào)，則將i p 數(shù)據(jù)包交給i p 協(xié)議模塊處理，i p 協(xié)議模塊取 出i p 首部信息，然后根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)的類(lèi)型，將報(bào)文交給相應(yīng)的協(xié)議模塊( u d p 模塊 或i c m p 模塊) 處理；u d p 模