1 引言 　　在現(xiàn)實的工業(yè)控制領(lǐng)域系統(tǒng)中，各廠家產(chǎn)品兼容性差、價格昂貴、底層通信速度慢是現(xiàn)場總線技術(shù)一直沒有得到大力推廣的原因。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)和快速發(fā)展，不但很好的解決了這些問題，同時也為現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展開辟了一個更為廣闊的空間。另外，嵌入式技術(shù)應(yīng)用于智能測控系統(tǒng)中，具有以下特點:可以完成數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)處理、過程控制等多種任務(wù);能確保一些任務(wù)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(wǎng)，利用工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)通信。這些都大大提高了測控系統(tǒng)的性能。 2 工業(yè)以太網(wǎng)的特點 　　與其他現(xiàn)場總線或工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)相比，工業(yè)以太網(wǎng)具有以下優(yōu)點: 　　應(yīng)用廣泛:以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最為廣泛的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有廣泛的技術(shù)支持。幾乎所有的編程語言都支持以太網(wǎng)應(yīng)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(wǎng)技術(shù)，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(wǎng)的應(yīng)用最為廣泛，因此受到硬件開發(fā)與生產(chǎn)廠商的高度重視與廣泛支持，有多種硬件產(chǎn)品供用戶選擇。而且由于應(yīng)用廣泛，硬件價格也相對低廉。目前以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價格只有PROFIBUS，F(xiàn)F等現(xiàn)場總線產(chǎn)品的十分之一，并且隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，其價格還會進(jìn)一步下降。 　　通信速率高:以太網(wǎng)的通信速率已由10M轉(zhuǎn)向100M的快速以太網(wǎng)，1000M以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用，10G以太網(wǎng)也正在研究，其速率比目前的現(xiàn)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(wǎng)已應(yīng)用多年，人們在以太網(wǎng)的設(shè)計、應(yīng)用等方面有很多的經(jīng)驗，對其技術(shù)也十分熟悉。大量的軟件資源和設(shè)計經(jīng)驗可以顯著降低系統(tǒng)的開發(fā)和培訓(xùn)費(fèi)用，從而可以顯著降低系統(tǒng)的整體成本，并大大加快系統(tǒng)的開發(fā)和推廣速度。 　　可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?由于以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，使它的發(fā)展一直受到廣泛的重視和吸引大量的技術(shù)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(wǎng)絡(luò)，信息技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展將更加迅速，也更加成熟，由此保證了以太網(wǎng)技術(shù)不斷地持續(xù)向前發(fā)展。 　　易于與企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)（Intranet）和互聯(lián)網(wǎng)（Internet）連接:能實現(xiàn)辦公自動化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的信息無縫集成。 　　以太網(wǎng)在運(yùn)用于實時的工業(yè)控制系統(tǒng)也有其不足之處，這主要是因為: 　　以太網(wǎng)采用CSMA/CD碰撞檢測方式，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較重（大于40%）時，網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)以太網(wǎng)所用的接插件、集線器、交換機(jī)和電纜等是為辦公室應(yīng)用而設(shè)計的，不符合工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的要求，在工廠環(huán)境中，以太網(wǎng)抗干擾（EMI）性能較差。 　　若用于可燃、易爆等危險場合，以太網(wǎng)不具備本安特性，同時以太網(wǎng)不具備通過信號線向現(xiàn)場儀表供電的性能。 3 工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議 　　工業(yè)以太網(wǎng)即應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)。對應(yīng)于國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的開放系統(tǒng)互連參考模型（ISO/OSI），工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層均采用IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層則采用被稱為以太網(wǎng)上的"事實上"標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議簇（包括UDP、TCP、IP、ARP、ICMP、IGMP等），它們構(gòu)成工業(yè)以太網(wǎng)的低四層，在高層協(xié)議中，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議通常忽略掉會話層和表示層，而只定義應(yīng)用層，也有的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議還定義了用戶層，其通信協(xié)議模型如圖1所示。目前已經(jīng)存在工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)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(tǒng)分析及軟硬件選型 　　4.1 系統(tǒng)分析 　　開發(fā)工業(yè)以太網(wǎng)智能設(shè)備的關(guān)鍵是要在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)以太網(wǎng)技術(shù)即嵌入式以太網(wǎng)，而以太網(wǎng)上各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實現(xiàn)對嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行速度和系統(tǒng)資源都有較高的要求。因此在進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計時，除了要考慮常規(guī)因素外，還要滿足網(wǎng)絡(luò)功能所提出的需求。工業(yè)以太網(wǎng)智能設(shè)備的設(shè)計以高性能的微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)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(lǐng)先的RISC體系結(jié)構(gòu)，提供各種性能和版本可供選擇，各類產(chǎn)品間互相兼容，方便系統(tǒng)升級。各大公司的支持使得產(chǎn)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(shù)支持，提供相對應(yīng)的操作系統(tǒng)，提供軟硬件設(shè)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(dá)十幾種的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，幾十個芯片生產(chǎn)廠家，以及千變?nèi)f化的內(nèi)部功能配置組合，所以還需要作進(jìn)一步比較。根據(jù)工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特點，重點考慮微處理的運(yùn)行速度和片內(nèi)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(tǒng)時鐘可達(dá)50MHz，速度已經(jīng)能夠適應(yīng)絕大多數(shù)應(yīng)用的要求。S3C4510B在片內(nèi)集成了以太網(wǎng)MAC層控制器，可以簡化網(wǎng)絡(luò)接口電路的設(shè)計并提高系統(tǒng)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(kuò)展大容量的存儲器空間來運(yùn)行操作系統(tǒng)。 　　4.3 嵌入式操作系統(tǒng)選型 　　雖然嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序完全可以在"裸機(jī)"上運(yùn)行，但是隨著測控設(shè)備功能的增強(qiáng)，嵌入式系統(tǒng)所需完成的任務(wù)越來越復(fù)雜，程序代碼越來越龐大，需要管理的外設(shè)越來越多，傳統(tǒng)的軟件開發(fā)模式已經(jīng)顯得力不從心。而采用嵌入式操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺，就可以由操作系統(tǒng)來完成任務(wù)的管理和系統(tǒng)資源的分配，開發(fā)工作的重點才能集中于實際應(yīng)用系統(tǒng)性能的提高。此外，在操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上可實現(xiàn)統(tǒng)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(tǒng)通常分為商用型和免費(fèi)型兩類。商用的嵌入式操作系統(tǒng)有WindRiver（風(fēng)河）的VxWorks和pSOS、美國ATI的Nucleus Plus以及Microsoft（微軟）的Windows CE等。免費(fèi)的嵌入式操作系統(tǒng)有嵌入式Linux、uC/OS等。商用型操作系統(tǒng)功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù)，但往往價格昂貴。免費(fèi)型操作系統(tǒng)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(tǒng)的選擇需要根據(jù)用戶的硬件平臺和實際應(yīng)用來確定，本系統(tǒng)選用嵌入式uClinux作為軟件開發(fā)平臺。uClinux屬于免費(fèi)型操作系統(tǒng)，是嵌入式Linux的一個分支，已經(jīng)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(xiàn)。更為重要的是uClinux具有完整的TCP/IP協(xié)議，可直接在其基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用層協(xié)議開發(fā)，大大加快軟件開發(fā)進(jìn)程。當(dāng)然該系統(tǒng)也并非十全十美，它的非實時性就使應(yīng)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(nèi)核進(jìn)行修改使uClinux應(yīng)用到對實時性要求較高的場合。 5 關(guān)鍵技術(shù)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(jī)）架構(gòu)的32位微處理器的統(tǒng)稱，這類微處理器由于采用英國ARM公司的知識產(chǎn)權(quán)（IP）而得名。ARM公司成立于1991年，是專門從事基于RISC技術(shù)芯片設(shè)計開發(fā)的公司。作為知識產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商，ARM公司本身不直接從事芯片生產(chǎn)，而主要出售芯片設(shè)計技術(shù)的授權(quán)。世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從ARM公司購買其設(shè)計的ARM微處理器內(nèi)核，針對各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當(dāng)?shù)耐鈬娐罚瑥亩纬勺约旱腁RM微處理器進(jìn)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(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。到目前為止，其應(yīng)用已經(jīng)遍及工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信網(wǎng)絡(luò)、無線通訊等領(lǐng)域，占32位RISC微處理器應(yīng)用75%以上的市場份額。ARM在32位微處理器領(lǐng)域的領(lǐng)先地位就如同51系列單片機(jī)在8位微控制器領(lǐng)域的地位一樣。另外，全球已有幾十家大的半導(dǎo)體公司使用ARM公司的授權(quán)，這使得ARM技術(shù)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(gòu)，該架構(gòu)是針對傳統(tǒng)CISC（復(fù)雜指令集計算機(jī)）架構(gòu)存在的不足而提出來的。CISC架構(gòu)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(xiàn)在硬件上非常復(fù)雜，給芯片的設(shè)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(gòu)并結(jié)合一些獨特的技術(shù)，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(shù)據(jù)處理指令僅對寄存器進(jìn)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(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)的傳輸效率;硬件上采用桶型移位器，可在一條數(shù)據(jù)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(yùn)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(jié)構(gòu)的共同特點以外，都有各自的特點和應(yīng)用領(lǐng)域。 　　5.2 uClinux嵌入式操作系統(tǒng) 　　uClinux是嵌入式Linux的一個分支，是專門針對沒有內(nèi)存管理單元（MMU）的微處理器設(shè)計的嵌入式操作系統(tǒng)，是針對微控制領(lǐng)域的Linux系統(tǒng)。uClinux由Linux2.0/2.4內(nèi)核派生而來，是通過對標(biāo)準(zhǔn)Linux進(jìn)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(tǒng)。雖然uClinux內(nèi)核非常小，但它仍沿襲了Linux系統(tǒng)的絕大部分特性，為在硬件平臺上更好的運(yùn)行各種程序提供了保證。 　　uClinux嵌入式操作系統(tǒng)具有如下特點:遵循GPL版權(quán)協(xié)議，源代碼完全開放，可免費(fèi)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(qiáng)大，性能高效穩(wěn)定的多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng);內(nèi)核小巧（512k左右）且采用模塊化設(shè)計，可根據(jù)應(yīng)用需要靈活地裁剪內(nèi)核和定制功能;具有成熟、完善的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，支持所有標(biāo)準(zhǔn)因特網(wǎng)協(xié)議，可快速開發(fā)嵌入式系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)方面的應(yīng)用;支持多種體系結(jié)構(gòu)，已經(jīng)在多種硬件平臺上成功移植;同標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)的API函數(shù)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(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，并可直接使用內(nèi)核調(diào)試器來進(jìn)行調(diào)試和查錯;支持主要的文件系統(tǒng)，如:FAT、EXT2、ROMFS、JFFS等;本身不具有實時性，但已有方案可對內(nèi)核修改以應(yīng)用到對實時性要求較高的場合。 　　uClinux的基本架構(gòu)如圖2所示: 　　Boot Loader:負(fù)責(zé)Linux內(nèi)核啟動的代碼，用于初始化系統(tǒng)資源以建立Linux內(nèi)核運(yùn)行環(huán)境，并從Flash存儲器中裝載初始化ramdisk。 　　內(nèi)核初始化:內(nèi)核的入口點是start_kernel（）函數(shù)。它初始化內(nèi)核的其他部分，包括捕獲，IRQ通道，調(diào)度，設(shè)備驅(qū)動，標(biāo)定延遲循環(huán)，最重要的是能夠fork"init"進(jìn)程，以啟動整個多任務(wù)環(huán)境。 　　系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)/捕獲函數(shù):在執(zhí)行完"init"程序后，內(nèi)核對程序流不再有直接的控制權(quán)，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(tǒng)調(diào)用提供進(jìn)程。 　　設(shè)備驅(qū)動:設(shè)備驅(qū)動占據(jù)了uClinux內(nèi)核很大部分。同其他操作系統(tǒng)一樣，設(shè)備驅(qū)動為它們所控制的硬件設(shè)備和操作系統(tǒng)提供接口。 　　文件系統(tǒng):文件系統(tǒng)使得用戶能夠查看存儲設(shè)備上的文件和路徑而無須考慮實際物理設(shè)備的文件系統(tǒng)類型。uClinux透明的支持許多不同文件系統(tǒng)，將各種安裝文件和文件系統(tǒng)以一個完整的虛擬文件系統(tǒng)的形式呈現(xiàn)給用戶。 6 結(jié)束語 　　隨著以太網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的障礙已基本解除。首先是以太網(wǎng)通信速率一再提高。以太網(wǎng)產(chǎn)生遲延的主要原因是由于碰撞，而碰撞產(chǎn)生的概率是由網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷決定的。通信速率的提高就意味著相同數(shù)據(jù)吞吐量條件下，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷減輕和傳輸延時減少。其次采用雙工星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和以太網(wǎng)交換技術(shù)。以太網(wǎng)交換機(jī)實現(xiàn)沖突域的隔離，使各端口之間數(shù)據(jù)幀輸入輸出不再受CSMA/CD機(jī)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(shù)據(jù)，以太網(wǎng)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(wǎng)器件 　　。美國Synergetic微系統(tǒng)公司和德國Hirschmann、Jetter AG等公司專門開發(fā)和生產(chǎn)了導(dǎo)軌式集線器、交換機(jī)產(chǎn)品，安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌上，并有冗余電源供電，接插件采用牢固的DB-9結(jié)構(gòu)。美國NETsilicon公司采用NET+ARM體系，研制出低成本的工業(yè)以太網(wǎng)通信接口芯片。2003年公布的IEEE-802.3af標(biāo)準(zhǔn)中，對以太網(wǎng)的總線供電規(guī)范進(jìn)行了定義。 　　凡此種種，給以太網(wǎng)進(jìn)入實時控制領(lǐng)域創(chuàng)造了條件。正因為如此，美國權(quán)威調(diào)查機(jī)構(gòu)ARC（Automation Research Company）預(yù)測今后以太網(wǎng)不僅將繼續(xù)壟斷商業(yè)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信和工業(yè)控制系統(tǒng)的上層網(wǎng)絡(luò)通信市場，也必將領(lǐng)導(dǎo)未來現(xiàn)場總線的發(fā)展，Ethernet和TCP/IP將成為器件總線和現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)協(xié)議。美國VDC （Venture Development Corp）的調(diào)查報告也指出，Ethernet在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)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(tǒng)構(gòu)成具有工業(yè)以太網(wǎng)接口的嵌入式智能設(shè)備，并利用TCP套接字實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)上的數(shù)據(jù)通信，這種方式綜合了uClinux嵌入式系統(tǒng)和工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)點，能滿足當(dāng)前工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)y控任務(wù)的要求，保證測控任務(wù)完成的實時性、可靠性，將會在工業(yè)控制領(lǐng)域得到越來越廣泛應(yīng)用。