嵌入式网络控制器的研究与设计.docx

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嵌入式网络控制器的研究与设计

摘要

随着计算机技术、通信技术、集成电路技术和控制技术的发展，传统的工业控制领域正经历着一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展。

但许多传统的工业设备基于ProfiBus、FF、CAN、LonWork等现场总线的通信方式构成的网络控制系统，它们一方面无法直接与以太网相连，另一方面，它们采用的协议的标准不统一，给各个厂商设备的一致性和互操作性造成了很大的障碍。

因此，当前的工业控制技术有了新的发展方向即工业以太网技术。

而目前许多的厂商转而采用的IPv4工业以太网技术应用工业控制，但它存在实时性问题。

本文将从基于IPv4工业以太网的实时性的发展需求出发，研究了下一代网络协议——IPv6协议，将其应用于网络控制系统中，利用报头中的流类别字段来部分的提高系统的实时性，减少端到端的时延。

本文首先分析了网络控制系统的发展历程，指出目前的IPv4工业以太网嵌入式网络控制系统中存在的网络地址的枯竭、网络信息传输时延、数据包丢失和数据的时序乱序等问题。

接着，从网络通信的角度出发分析了全双工交换式以太网、虚拟局域网、Qos服务质量和IPv6技术四种工业以太网实时性的解决方案，并对本中使用的实时性改进方案进行理论上的分析。

接着，分析和研究了IPv6协议栈，并通过利用在IPv6报头的流标签字段设置优先级，来保证所设计的嵌入式IPv6协议栈的实时性，并将其移植了到硬件方面选用以LPC2210控制器为核心，并配有RTL8019AS以太网接口，软件方面选用μC/OS-II操作系统为核心的开发环境中。

最后，对基于IPv6的网络控制系统的性能进行分析，通过组建实验室中的支持双协议栈的网络环境，通过改变网络中的流量干扰器的发包情况，来控制网络中的时延，验证在不同负载的网络环境下，两种不同通信协议方式在控制系统中的差别。

实验表明采用改进后的支持优先级IPv6协议栈进行通信在实时性控制和数据丢包控制方面比采用标准的IPv4协议栈好，进而表现出来的系统的动态性能和稳态性能也将好于IPv4。

目前，工业以太网统一标准没有被制定出来，同时考虑到网络技术的发展IPv6纵将会代替IPv4，可以以IPv6协议为基础，结合工业以太网的实时性需求，通过更改某些未统一标准定义的字段，来保证网络的实时性，制定一种基于IPv6的工业以太网的统一标准应用于网络控制中。

本文只是进行了一部分的尝试，为下一步的网络控制系统的发展和研究提供一种方向。

关键词IPv6；嵌入式系统；网络控制系统；LPC2210

Abstract

Withthedevelopmentofcomputer,aswellascommunicationandcontroltechnology,thetraditionalindustrycontrolfieldisgoingthroughanunprecedentedchange,developingtowardsnetwork.ButmanytraditionalindustryequipmentsconstitutelightweightnetworksbasedoncorrespondenceconnectionsuchastheProfiBus、FF、CAN、LonWork.Ontheonehand,thoseequipmentscannotconnectwiththeInternet/Intranetdirectly.Ontheotherhand,theagreementstandardisnotunified,whichcreatedasignificantobstacleforvariousmanufacturers.Therefore,thecurrentindustrialcontroltechnologyhadanewdevelopmentdirectionofindustryEthernettechnology.ButatpresentmanymanufacturersadoptedIPv4industryEthernettechnologyapplicationindustrialcontrol,butexistsreal-timeproblem.Inordertomeetthefutureindustrycontrolneeds,thispaperhasresearchedthenextgenerationnetworkprotocol——IPv6protocol,andappliesitinthenetworkcontrolsystemtopartlyenhancereal-timeofsystemandreducetheend-to-enddelay.

First，thispaperanalyzedthedevelopmentprocessofnetworkcontrolsystems,pointedoutsomeflawsinIndustrialEthernetofIPv4,suchasshortofnetworkaddress,networktransmissionretards,datapacketlossandchaotic.Thenfromtheperspectiveofnetworkcommunicationgivesfourwaystoimprovethereal-timeofnetworkcontrolsystems.Theyarethefull-duplexswitchedEthernet,VLAN,QosservicequalityandtheIPv6technology.Then,fromtheorypointofview,analysisthereal-timestrategywhichusedinthispaper.Inthispaper,onhardwareside,selectedLPC2210controllerandisequippedwithRTL8019ASEthernetinterface.OnsoftwaresideselectedμC/OS-IIoperatingsystem.Then,designofembeddedIPv6protocolstackandportedtotheaboveplatform.Finally,thepaperanalysistheperformanceofnetworkcontrolsystembasedonIPv6.Basedonsettinguplaboratoryenvironmenttosupportdual-stacknetwork,throghtchangethejammer'sbiddingtocontrolthenetworkdelay,thispaperverifiedthedifferencebetweentwodifferentcommunicationprotocolwaysincontrolsystem.

ExperimentsshowthatuseoftheimprovedIPv6protocolstacks,whichsupportforprioritycommunicateincontrolsystemisbetterthanthestandardIPv4protocolstack,inthefieldofreal-timeanddatapacket.Atthesametimedemonstratedthesystem'sdynamicperformanceandsteady-stateperformancewillbebetterthantheIPv4.

Atpresent,theindustryEthernetunifiedstandardshavenotbeenworkedout,takingintoaccountthelongitudinaldevelopmentofInternettechnologyIPv6willreplaceIPv4,atpresenttheIPv6protocolsomestandardshasnotbeenformallyidentified,wecanusethisfeatureandconjunctionwiththeneedofindustrialEthernet,changesomeheadlabelofIPv6inordertoensurethereal-timeofEthernet,developanuniformstandardsbasedonIPv6forindustrialEthernetnetworkscontrol.Thisarticleispartoftheattemptscarriedoutforthenextstageofthenetworkcontrolsystemtoprovideadirectionfordevelopmentandresearch.

KeyWordsIPv6;embeddedsystems;networkcontrolsystem;LPC2210

目　录

Contents

第1章绪论

本章简单地介绍本课题研究的背景及意义、国内外研究现状、以及本文的研究内容和主要工作。

1.1课题研究背景及意义

70年代中期以来，工业控制从早期的就地控制、集中控制发展到集散控制（DCS）。

随着计算机技术、网络通信技术和微电子技术的进一步发展及相互渗透和结合，尤其是现场总线技术的出现，带来了工业控制领域的第三次革命[1～3]。

现场总线打破了传统的集散式控制系统的结构形式，采用了智能设备，把原来DCS中处于控制室的控制模块、输入输出模块置于现场设备中，加上现场设备具有通信能力，各个设备间可以之间传送信号，控制系统功能可不依赖控制室里的计算机或控制器，直接在现场出现，实现了彻底的分散控制。

具有系统的开放性、可互操作性与互用性、现场设备的智能化与功能自治性、系统结构高度分散性等优点。

现场总线虽然突破了DCS相对封闭的限制，但目前现有的各类现场总线标准互不通用，这样必然会给各个厂商提供的设备的互操作性和一致性造成了很大的障碍[4～5]。

同时，现场总线通讯协议与上层管理信息系统所广泛采用的TCP/IP协议互不兼容，存在协议转换的问题。

另外，随着互联网技术的进一步的发展与推广，Ethernet技术也得到了迅速的发展，Ethernet交换技术的发展和Ethernet传输速率的迅速提高，为解决Ethernet通信的实时性和确定性问题带来了希望，使将Ethernet全面应用于工业控制领域成为可能。

因而当前的工业控制技术出现了工业以太网技术作为新的发展方向。

究其根本原因是由于以太网的自身的完全开放、有着广泛的技术支持、资源共享能力强、成本低廉、通信速率高、容易与办公自动化网络无缝连接等众多的优点，决定着许多厂商已经将以太网引入到工业控制网络中。

尽管目前将以太网技术应用于实际工业的前景，被学术界和一些控制系统服务厂商看好，但由于以太网的前身毕竟是面向商业局域网技术，因此，将以太网应用于工业控制仍受到一定的质疑[6～9]。

以太网要想成为底层工业控制网络标准仍然存在着许多的问题需要进行解决，比如，网络通信的实时性；实时通信服务质量支持策略；如何减少和降低网络传输中的数据丢包和乱序；满足通信一致性和互可操作性的应用层和用户层协议规范；总线供电；网络的可靠性、可恢复性以及可维护性；网络的安全性；远距离传输等一些关键的问题。

目前，针对网络控制中所存在通信的实时性的问题解决，多数控制理论的学者从控制算法上进行算法的改良，来减少和降低网络时延，使其完成达到比较理想的效果。

而本文将从网络通信的角度考虑，将IPv6技术应用于嵌入式网络控制系统，通过设置优先级机制来保证网络控制系统的实时性。

它为将来发展的IPv6技术应用于嵌入式网络控制中进行了一些尝试，以期它能对将以太网用于工业控制做出有意义的探索。

相信利用IPv6网络本身具有的优势，对于网络控制的发展具有重要意义。

1.2国内外研究现状

随着嵌入式技术和网络控制技术的蓬勃发展，国内外各大厂商都相继推出了自己的嵌入式TCP/IP协议栈产品。

其中既有针对32位、64位高档嵌入式系统应用的协议栈，也有适合于中低档嵌入式应用的轻便型的TCP/IP协议栈产品，但它们都是基于IPv4的，其中比较有代表性的解决方案有：

1）风河公司（WindRiver）的TCP/IP协议栈[10]：

风河公司是著名的嵌入式操作系统的开发商，其标志性产品以Vxworks嵌入式操作系统为著。

它在Vxworks嵌入式操作系统中集成了该公司自己生产的TCP/IP协议栈，一般在军事、工业、通信等高端技术中应用。

该协议栈以BSD的5.4版本的TCP/IP协议栈为基础，并对嵌入式环境的应用作了特殊的优化。

在路由器、交换机等数据通信领域和基站等无线通信领域，应用尤其的广泛。

2）德州仪器公司（TI）的TCP/IP协议栈[11]：

该公司的TCP/IP协议栈是专门为自己生产的TMS320C6000系列DSP的网络应用而设计的。

该协议栈基于公司的DSPBIOS设计，适合于16位DSP的应用，它使视频和音频等嵌入式多媒体应用在各个网络之间的互联，变得更加轻松便捷，而且成本低廉。

另外，它还提供TCP/IP协议栈应用开发包，方便用户进行应用程序的开发。

3）Ubicom公司的TCP/IP协议栈[12]：

该协议栈是Ubicom公司专门为其SENIX单片机开发的，其特点是以汇编语言进行的代码编写，对硬件环境有较强的依赖性，不便于协议的移植。

目前，国外已有很多面向嵌入式系统的IPv6协议栈产品。

例如，Maxim公司已基于IPv6协议栈开发出了自己的商业化产品。

该产品支持IPv4/IPv6双协议栈，并向应用层提供了一个Java运行环境TINI接口。

而InterNiche实现了用于嵌入式设备的协议栈套件，不仅包括了基本的IPv4/IPv6协议，而其还包括IPSec协议及动态配置密钥的IKE协议。

在国内也有多公司正致力于推动IPv6应用的发展。

2003年6月，BII公司（天地互连技术有限公司）首家在国内建立了IPv6应用研究中心，展现了IPv6应用的最新成果。

该中心可以通过高速数据专线，连接美国、日本、韩国和欧洲等国家的IPv6实验网中，并陆续引入各种支持IPv6的嵌入式系统。

例如，支持IPv6的电冰箱、电视机、微波炉、电灯、网络游戏机；支持1Pv6的工业探头感应器以及支持IPv6的家庭网络智能控制系统。

尽管IPv6在各种嵌入式设备中已有了很多应用，但这些应用的解决方案的共同特点是，产品价格高，源代码不开放，实时性能好，不利于协议栈的移植、裁减、优化以及应用。

目前无论在工业控制还是商业用途大都采用的IPv4协议实现，究其原因是当前的IPv6仍在发展中，广泛使用的还是IPv4网络，IPv6网络还只是停留在某些地方或局部进行试用。

但随着IPv4协议逐渐被IPv6协议所取代，基于IPv6协议的网络控制必将会成为未来的发展方向。

1.3本文的研究内容和主要工作

本文从工业控制网络的发展需求出发，研究了下一代网络协议——IPv6协议，并将其移植到网络控制器以提高控制系统的实时性。

课题的内容包括以下几个方面：

第1章主要介绍了课题的研究背景及意义、国内外研究现状，并简单的概述了本文的研究内容和主要的工作。

第2章对嵌入式网络控制系统进行分析研究，指出目前嵌入式网络控制系统存在的问题和从网络通信的角度出发给出了网络控制系统四种实时性改进方案，并指出本文所使用的实时性的改进方案，并进行了理论分析。

第3章讲述了嵌入式控制器的硬件设计电路及驱动的完成。

第4章主要对目前IPv6协议栈进行研究与设计，首先给出了嵌入式实时IPv6协议栈设计的原则和关键技术，并依据这一原则进行设计对嵌入式系统的IPv6协议栈进行设计。

最后将IPv6协议栈移植到硬件平台以LPC2210为核心，并配有RTL8019AS网络接口，软件平台为μC/OS-II的实时嵌入式操作系统的开发环境中。

第5章对基于IPv6的网络控制系统的进行了性能分析。

首先对网络控制系统的组成部分被控对象和控制器两方面进行设计，两者之间采用的是TCP方式下的C/S模式进行通信。

在控制器端，主要实现了系统的启动模块、数据的通信模块、数据处理模块以及对采集的数据进行了离线分析的几大功能模块。

然后，在现有的实验室环境下搭建一支持双协议栈的局域网环境，通过建立干扰节点流量发生器，动态调节网络的运营状况进行调节，并离线分析了在不同的网络环境下，采用支持优先级的IPv6协议下和标准的IPv4两种通信模式下，对控制对象输出的影响。

结果表明采用支持优先级的IPv6下的控制对象的输出比标准的IPv4下的控制对象相比，采用支持优先级IPv6协议保持着良好的控制输出，控制量输出波动较小，保证了闭环网络控制系统的稳定性。

主要是因为采用了优先级机制减少了网络的延时，故能达到较好的控制效果。

最后，对全文所做的工作进行总结，并指出今后需要深入研究和改进的内容。

第2章嵌入式网络控制系统的研究

本章简要介绍嵌入式网络控制系统的基本概念和研究的主要内容，主要分析了网络的实时性问题，并从网络通信的角度给出了四种实时性的解决方案。

2.1嵌入式控制网络系统基本概念

2.1.1嵌入式系统的概念

从技术的角度出发，嵌入式通常被定义为，以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，使用应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。

从系统的角度上出发，嵌入式通常又被定义为设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统[13]。

术语“嵌入式”反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整的部分。

大多数情况下，嵌入式系统被真正地嵌入，即它们是系统中的系统，不能够或没有自身的功能，比如数字机顶盒。

但某些情况下，嵌入式系统上独立的系统，比如嵌入式网络路由器。

2.1.2网络控制系统的概念

在反馈控制系统中，控制回路通过实时网络封闭的控制系统，称之为网络化控制系统（network-basedcontrolsystem，NCS），简称网络控制系统[14～17]。

典型的网络控制系统结构如图2.1所示。

图2.1典型的网络控制系统结构

Fig.2.1Typicalstructureofnetworkedcontrolsystem

网络控制系统将某区域的传感器、控制器及执行器通过通信网络组合，实现提供设备间的数据传输，使不同地点的用户实现资源共享和协调操作。

在网络中所传送的不仅包括简单的系统命令信号，而且还包括传感器的测量值和控制器的控制信号值。

网络控制系统是一个开放的系统，它可以根据实际的需要灵活添加控制回路或不同厂家的一些智能设备。

网络控制系统与常规的计算机控制系统相比，具有结构网络化、节点智能化、控制现场化和功能分散化、系统开放化和产品集成化等优点。

2.1.3嵌入式网络控制系统

工业以太网、光纤网络和高性能处理器的出现，使得TCP/IP协议应用于实时测控系统中成为一种可能，从而导致了嵌入式控制网络系统的产生[18～20]。

与现场总线相比，工业以太网有着显著的特点：

1）广泛技术支持，成本低廉。

以太网已被使用多年，受到广泛的软、硬件资源和开发设计的技术支持。

应用于以太网上层的TCP/IP协议也日益成熟。

基本上所有的操作系统均支持TCP/IP协议。

几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发。

2）通信速率高。

随着以太网技术的发展，百兆、千兆以太网已经广泛应用，正向10G高速以太网迈进。

同时，高速以太网所采用的帧格式不变，使之进行向下兼容，升级成本低，使它成为最理想的高性能的网络载体。

3）实现网络的无缝连接。

在以太网上均使用TCP/IP通讯协议，它为控制网络与信息网络集成提供了最完美的解决方案，不再存在协议转化的问题。

它的开放性可以使测控网和信息网统一起来，实现了E网到底的构想。

现场信号和数据可以及时的在企业的Intranet上进行发布和共享，还可以在Internet/Intranet的任何位置对现场的一些智能设备完成在线控制、功能组态以及远程诊断等操作，真正意义上实现网络控制系统的开放性和互操作性。

4）应用范围广，高新技术推动强。

随着近几年的嵌入式技术的迅速发展，使得控制系统节点的功能越来越强大。

比如，以TCP/IP协议为技术基础的远程测控仪表和智能家居化系统的应用和出现，借助局域网和互连网实现遥感控制等高新技术的研发推动了工业以太网的发展。

2.2嵌入式网络控制系统研究内容

嵌入式网络控制系统采用数字通信系统，具有传输速率高、协议完全开放、便于安装与维护等多种优点，但同时也将网络的不确定性引入到控制系统中，这对于在高可靠性和高实时性需求的工业现场是不可以接受的，目前主要从以下几个方面对其进行研究，分析网络对控制系统造成的影响。

2.2.1网络时延

网络控制系统的数据通信是通过串行数字链路来实现，各节点之间共同竞争公共网络资源，这样不可避免引入网络时延。

网络协议中的数据链路层协议将会决定网络中时延的产生方式和特性。

采用令牌总线和令牌环方式，时延往往是周期性的、固定的。

而采用随机访问机制的以太网，网络节点由于需要竞争网络资源，竞争失败就必须等待一定的随机时段后重复竞争，故表现出来的网络时延则是不确定的。

即便是采用交换式以太网，交换机的存储转发机制和访问端口冲突同样不会避免时延的产生，必然会导致网络时延[21～24]。

当网络控制系统跨越多个局域网时，除了局域网内部节点间的竞争网络资源带宽引起网络时延外，数据包在局域网间的传输也会由于引入了路由器等网络设备引入在路由器处排队等待时延。

除此之外，网络传输层协议的定时未达、重传等保证数据可靠的机制也会加重数据包所经历的网络时延。

时延的引入必然会直接影响到网络控制系统的控制性能，严重时会引起系统不稳定。

研究网络时延的产生机理，从而分析网络时延对控制系统的性能影响，是网络控制系统设计与综合的核心问题。

2.2.2数据丢包

对于任何一个网络控制系统，数据丢包也是影响系统稳定性和控制性能的一个重要因素。

由于传输介质本身的局限和外界干扰的影响，不可避免地会存在网络阻塞和连接中断现象，这样必然会导致数据包的丢失。

网络一般被认为是一个不可靠的数据传输通道，在传送数据时可能会发生信号突变，数据包在传送时发生碰撞，网络连接失败和接收节点在检验数据包校验和时出错等都会引起数据包丢弃情况的发生，数据丢包是网络控制系统中实际存在中常见的问题。

带有数据丢包的网络控制系统可以被认为是在网络信道上加入了开关环节[24～25]，如图2.2所示。

开关闭合时，数据包正常传输；开关打开时，数据包丢失。

由于数据的丢包使得一些控制信