1 引言 　　在現實的工業(yè)控制領域系統中，各廠家產品兼容性差、價格昂貴、底層通信速度慢是現場總線技術一直沒有得到大力推廣的原因。工業(yè)以太網技術的出現和快速發(fā)展，不但很好的解決了這些問題，同時也為現場總線技術的發(fā)展開辟了一個更為廣闊的空間。另外，嵌入式技術應用于智能測控系統中，具有以下特點:可以完成數據測量、數據處理、過程控制等多種任務;能確保一些任務的實時性;具有一定自診斷、自校正的功能;便于連接工業(yè)以太網，利用工業(yè)以太網實現遠程監(jiān)控和數據通信。這些都大大提高了測控系統的性能。 2 工業(yè)以太網的特點 　　與其他現場總線或工業(yè)通信網絡相比，工業(yè)以太網具有以下優(yōu)點: 　　應用廣泛:以太網是目前應用最為廣泛的計算機網絡技術，具有廣泛的技術支持。幾乎所有的編程語言都支持以太網應用開發(fā)，如Java、Visual C++及Visual Basic等。這些編程語言由于廣泛使用，并受到軟件開發(fā)商的高度重視，具有很好的發(fā)展前景。因此，如果采用以太網技術，可以保證多種開發(fā)工具、開發(fā)環(huán)境供選擇。 　　成本低廉:由于以太網的應用最為廣泛，因此受到硬件開發(fā)與生產廠商的高度重視與廣泛支持，有多種硬件產品供用戶選擇。而且由于應用廣泛，硬件價格也相對低廉。目前以太網網卡的價格只有PROFIBUS，FF等現場總線產品的十分之一，并且隨著集成電路技術的發(fā)展，其價格還會進一步下降。 　　通信速率高:以太網的通信速率已由10M轉向100M的快速以太網，1000M以太網技術已經開始應用，10G以太網也正在研究，其速率比目前的現場總線快得多，可以滿足對帶寬的更高要求。 　　軟硬件資源豐富:由于以太網已應用多年，人們在以太網的設計、應用等方面有很多的經驗，對其技術也十分熟悉。大量的軟件資源和設計經驗可以顯著降低系統的開發(fā)和培訓費用，從而可以顯著降低系統的整體成本，并大大加快系統的開發(fā)和推廣速度。 　　可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?由于以太網的廣泛應用，使它的發(fā)展一直受到廣泛的重視和吸引大量的技術投入。并且，在這信息瞬息萬變的時代，企業(yè)的生存與發(fā)展將很大程度上依賴于一個快速而有效的通信管理網絡，信息技術與通信技術的發(fā)展將更加迅速，也更加成熟，由此保證了以太網技術不斷地持續(xù)向前發(fā)展。 　　易于與企業(yè)內部網（Intranet）和互聯網（Internet）連接:能實現辦公自動化網絡與工業(yè)控制網絡的信息無縫集成。 　　以太網在運用于實時的工業(yè)控制系統也有其不足之處，這主要是因為: 　　以太網采用CSMA/CD碰撞檢測方式，在網絡負荷較重（大于40%）時，網絡通信具有不確定性，不能滿足工業(yè)控制的實時性要求。 　　傳統以太網所用的接插件、集線器、交換機和電纜等是為辦公室應用而設計的，不符合工業(yè)現場惡劣環(huán)境的要求，在工廠環(huán)境中，以太網抗干擾（EMI）性能較差。 　　若用于可燃、易爆等危險場合，以太網不具備本安特性，同時以太網不具備通過信號線向現場儀表供電的性能。 3 工業(yè)以太網通信協議 　　工業(yè)以太網即應用于工業(yè)自動化領域的以太網技術。對應于國際標準化組織的開放系統互連參考模型（ISO/OSI），工業(yè)以太網協議在物理層和數據鏈路層均采用IEEE802.3標準，在網絡層和傳輸層則采用被稱為以太網上的"事實上"標準的TCP/IP協議簇（包括UDP、TCP、IP、ARP、ICMP、IGMP等），它們構成工業(yè)以太網的低四層，在高層協議中，工業(yè)以太網協議通常忽略掉會話層和表示層，而只定義應用層，也有的工業(yè)以太網協議還定義了用戶層，其通信協議模型如圖1所示。目前已經存在工業(yè)以太網協議有:Modbus/TCP（Schneider，1999）、Interbus （Phoenix，1999）、Ethernet/IP（ODVA，1999）、IDA（Vendor Alliance，2000）、HSE（Foundation，2000）、Profinet（Profibus，2001）。 4 系統分析及軟硬件選型 　　4.1 系統分析 　　開發(fā)工業(yè)以太網智能設備的關鍵是要在嵌入式系統中實現以太網技術即嵌入式以太網，而以太網上各種網絡協議的實現對嵌入式系統的運行速度和系統資源都有較高的要求。因此在進行系統方案設計時，除了要考慮常規(guī)因素外，還要滿足網絡功能所提出的需求。工業(yè)以太網智能設備的設計以高性能的微處理器和嵌入式操作系統為核心，所以這里主要探討它們的選型。 　　4.2 微處理器選型 　　目前市場上主流的32位微處理器有Power PC、68000、MIPS和ARM等。通常在選擇微處理器的時候，需要考慮性能、功耗、價格、配套的開發(fā)工具以及市場供貨等因素，而ARM在這些方面恰好都具有優(yōu)勢。ARM具有業(yè)界領先的RISC體系結構，提供各種性能和版本可供選擇，各類產品間互相兼容，方便系統升級。各大公司的支持使得產品性價比高，保證有穩(wěn)定和暢通的供貨渠道。此外ARM公司及其合作伙伴提供完整的技術支持，提供相對應的操作系統，提供軟硬件設計和開發(fā)工具。鑒于ARM微處理器的眾多優(yōu)點，用它來開發(fā)硬件平臺必定是理想的選擇。 　　由于ARM微處理器有多達十幾種的內核結構，幾十個芯片生產廠家，以及千變萬化的內部功能配置組合，所以還需要作進一步比較。根據工業(yè)以太網設備網絡應用的特點，重點考慮微處理的運行速度和片內外圍電路后，選擇了三星公司的S3C4510B芯片。該芯片屬于ARM7系列，典型處理速度為0.9MIPS/MHz，系統時鐘可達50MHz，速度已經能夠適應絕大多數應用的要求。S3C4510B在片內集成了以太網MAC層控制器，可以簡化網絡接口電路的設計并提高系統的可靠性。此外該芯片具有同步動態(tài)存儲器SDRAM控制邏輯，能夠以低廉的價格方便地擴展大容量的存儲器空間來運行操作系統。 　　4.3 嵌入式操作系統選型 　　雖然嵌入式系統的應用程序完全可以在"裸機"上運行，但是隨著測控設備功能的增強，嵌入式系統所需完成的任務越來越復雜，程序代碼越來越龐大，需要管理的外設越來越多，傳統的軟件開發(fā)模式已經顯得力不從心。而采用嵌入式操作系統作為軟件開發(fā)平臺，就可以由操作系統來完成任務的管理和系統資源的分配，開發(fā)工作的重點才能集中于實際應用系統性能的提高。此外，在操作系統基礎上可實現統一規(guī)范的編程，使程序具有良好的可讀性和可移植性，并可提高開發(fā)的效率。 　　嵌入式操作系統通常分為商用型和免費型兩類。商用的嵌入式操作系統有WindRiver（風河）的VxWorks和pSOS、美國ATI的Nucleus Plus以及Microsoft（微軟）的Windows CE等。免費的嵌入式操作系統有嵌入式Linux、uC/OS等。商用型操作系統功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術支持和售后服務，但往往價格昂貴。免費型操作系統具有源代碼公開和無需版稅的優(yōu)勢，但也存在著開發(fā)困難的不足。 　　嵌入式操作系統的選擇需要根據用戶的硬件平臺和實際應用來確定，本系統選用嵌入式uClinux作為軟件開發(fā)平臺。uClinux屬于免費型操作系統，是嵌入式Linux的一個分支，已經成功移植到多種像S3C4510B這樣不帶MMU的微處理器平臺上，并在穩(wěn)定性和其他方面都有上佳表現。更為重要的是uClinux具有完整的TCP/IP協議，可直接在其基礎上進行應用層協議開發(fā)，大大加快軟件開發(fā)進程。當然該系統也并非十全十美，它的非實時性就使應用受到一定的限制。不過目前存在兩種不同的方案提供uClinux對實時性的支持:RTLinux（RTL）和RTAI，可對內核進行修改使uClinux應用到對實時性要求較高的場合。 5 關鍵技術介紹 　　5.1 ARM微處理器 　　ARM（Advanced RISC Machines）是對一類基于RISC（精簡指令集計算機）架構的32位微處理器的統稱，這類微處理器由于采用英國ARM公司的知識產權（IP）而得名。ARM公司成立于1991年，是專門從事基于RISC技術芯片設計開發(fā)的公司。作為知識產權供應商，ARM公司本身不直接從事芯片生產，而主要出售芯片設計技術的授權。世界各大半導體生產商從ARM公司購買其設計的ARM微處理器內核，針對各自不同的應用領域，加入適當的外圍電路，從而形成自己的ARM微處理器進入市場。 　　ARM微處理器由于具有性能高、成本低、功耗低、體積小等優(yōu)點而在諸多領域得到廣泛應用。到目前為止，其應用已經遍及工業(yè)控制、消費類電子產品、通信網絡、無線通訊等領域，占32位RISC微處理器應用75%以上的市場份額。ARM在32位微處理器領域的領先地位就如同51系列單片機在8位微控制器領域的地位一樣。另外，全球已有幾十家大的半導體公司使用ARM公司的授權，這使得ARM技術可以獲得更多的第三方的工具、制造和軟件的支持。 　　ARM微處理器是典型的RISC架構，該架構是針對傳統CISC（復雜指令集計算機）架構存在的不足而提出來的。CISC架構指令集龐大，指令長度不固定，指令執(zhí)行周期有長有短，這使得指令譯碼和流水線的實現在硬件上非常復雜，給芯片的設計開發(fā)和成本降低帶來了極大困難。ARM微處理器采用RISC架構并結合一些獨特的技術，形成以下特點:采用固定長度的單周期指令和靈活簡單的尋址方式，執(zhí)行效率高;大量使用寄存器，數據處理指令僅對寄存器進行操作，指令執(zhí)行速度快;支持32位的ARM指令集和16位的Thumb指令集，能很好的兼容8/16位器件;可用加載/存儲指令批量傳輸數據，以提高數據的傳輸效率;硬件上采用桶型移位器，可在一條數據處理指令中同時完成邏輯處理和移位處理;在循環(huán)處理中使用地址的自動增減來提高運行效率。 　　RM微處理器目前主要包括ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、SecurCore以及Inter的Xscale和StrongARM等系列。每個系列除具有ARM體系結構的共同特點以外，都有各自的特點和應用領域。 　　5.2 uClinux嵌入式操作系統 　　uClinux是嵌入式Linux的一個分支，是專門針對沒有內存管理單元（MMU）的微處理器設計的嵌入式操作系統，是針對微控制領域的Linux系統。uClinux由Linux2.0/2.4內核派生而來，是通過對標準Linux進行小型化裁剪、優(yōu)化和代碼改寫后形成的一個高度優(yōu)化、代碼緊湊的嵌入式Linux操作系統。雖然uClinux內核非常小，但它仍沿襲了Linux系統的絕大部分特性，為在硬件平臺上更好的運行各種程序提供了保證。 　　uClinux嵌入式操作系統具有如下特點:遵循GPL版權協議，源代碼完全開放，可免費獲取和使用豐富的軟件資源，使軟件開發(fā)周期大為縮短;是一個功能強大，性能高效穩(wěn)定的多任務嵌入式操作系統;內核小巧（512k左右）且采用模塊化設計，可根據應用需要靈活地裁剪內核和定制功能;具有成熟、完善的網絡協議棧，支持所有標準因特網協議，可快速開發(fā)嵌入式系統在網絡方面的應用;支持多種體系結構，已經在多種硬件平臺上成功移植;同標準Linux系統的API函數保持一致，幾乎不受沒有MMU的影響;具有一整套開發(fā)工具，容易建立嵌入式系統的開發(fā)環(huán)境，并可直接使用內核調試器來進行調試和查錯;支持主要的文件系統，如:FAT、EXT2、ROMFS、JFFS等;本身不具有實時性，但已有方案可對內核修改以應用到對實時性要求較高的場合。 　　uClinux的基本架構如圖2所示: 　　Boot Loader:負責Linux內核啟動的代碼，用于初始化系統資源以建立Linux內核運行環(huán)境，并從Flash存儲器中裝載初始化ramdisk。 　　內核初始化:內核的入口點是start_kernel（）函數。它初始化內核的其他部分，包括捕獲，IRQ通道，調度，設備驅動，標定延遲循環(huán)，最重要的是能夠fork"init"進程，以啟動整個多任務環(huán)境。 　　系統調用函數/捕獲函數:在執(zhí)行完"init"程序后，內核對程序流不再有直接的控制權，此后，它的作用僅僅是處理異步事件（例如硬件中斷）和為系統調用提供進程。 　　設備驅動:設備驅動占據了uClinux內核很大部分。同其他操作系統一樣，設備驅動為它們所控制的硬件設備和操作系統提供接口。 　　文件系統:文件系統使得用戶能夠查看存儲設備上的文件和路徑而無須考慮實際物理設備的文件系統類型。uClinux透明的支持許多不同文件系統，將各種安裝文件和文件系統以一個完整的虛擬文件系統的形式呈現給用戶。 6 結束語 　　隨著以太網技術的飛速發(fā)展，以太網應用于工業(yè)領域的障礙已基本解除。首先是以太網通信速率一再提高。以太網產生遲延的主要原因是由于碰撞，而碰撞產生的概率是由網絡負荷決定的。通信速率的提高就意味著相同數據吞吐量條件下，網絡負荷減輕和傳輸延時減少。其次采用雙工星型網絡拓撲結構和以太網交換技術。以太網交換機實現沖突域的隔離，使各端口之間數據幀輸入輸出不再受CSMA/CD機制的制約，再加上全雙工通信方式使端口間兩對雙絞線（或兩根光纖）上可以同時接收和發(fā)送數據，以太網通信確定性和實時性得到保障。同時許多公司也相繼開發(fā)出適用于工業(yè)環(huán)境的以太網器件 　　。美國Synergetic微系統公司和德國Hirschmann、Jetter AG等公司專門開發(fā)和生產了導軌式集線器、交換機產品，安裝在標準DIN導軌上，并有冗余電源供電，接插件采用牢固的DB-9結構。美國NETsilicon公司采用NET+ARM體系，研制出低成本的工業(yè)以太網通信接口芯片。2003年公布的IEEE-802.3af標準中，對以太網的總線供電規(guī)范進行了定義。 　　凡此種種，給以太網進入實時控制領域創(chuàng)造了條件。正因為如此，美國權威調查機構ARC（Automation Research Company）預測今后以太網不僅將繼續(xù)壟斷商業(yè)計算機網絡通信和工業(yè)控制系統的上層網絡通信市場，也必將領導未來現場總線的發(fā)展，Ethernet和TCP/IP將成為器件總線和現場總線的基礎協議。美國VDC （Venture Development Corp）的調查報告也指出，Ethernet在工業(yè)控制領域中的應用將越來越廣泛，世界占有率將由2000年的11%增加到2005年的23%[3]。 　　S3C4510B與uClinux系統構成具有工業(yè)以太網接口的嵌入式智能設備，并利用TCP套接字實現工業(yè)以太網上的數據通信，這種方式綜合了uClinux嵌入式系統和工業(yè)以太網的優(yōu)點，能滿足當前工業(yè)控制領域對測控任務的要求，保證測控任務完成的實時性、可靠性，將會在工業(yè)控制領域得到越來越廣泛應用。