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以太网测控系统中实时数据传输的技术措施

时间:2013-01-21


以太网测控系统中实时数据传输的技术措施

习友宝, 等

以太网测控系统中实时数据传输的技术措施
Techn ica l App roaches to Rea-Tm e Da ta Transm is sion l i in Ethe rnet Based Measurem ent and Contro l System s -

习友宝


古天祥
610054)

(电子科技大学电子工程学院, 成都

要: 基于以太网的分布式测控系统已得到广泛应用, 其最大优点是可实现上层管理的信息网络与底层测控网络的无逢连接, 但

是, 以太网的实时性是影响测控系统数据传输的主要因素。根据以太网测控系统的实时性要求, 提出了有利于提高系统实时性的多 种技术措施, 以及基于典型分布式测控系统体系结构模型的大容量数据缓存和多级分布式数据库实现技术, 对工业应用与工程设计 具有一定的参考价值。 关键词: 工业以太网 中图分类号: TP393 分布式测控系统 实时性 数据传输 数据存储 文献标识码: A

A bstract Etherne- based DM CS( distributed m easure ent and contro l syste ) has been w ildly applied The best feature of th is syste is that : t m m . m it can be easily m ple ented in sea less integ ration of upper m anag ing infor a tion net orks and lower control net orks but its rea- tm e per i m m m w w , l i fo r ances are influenced by rea- tm e perfor ance of Etherne.t V arious technica lm easures for enhanc ing real tm e perfor ance of the system m l i m i m are put for ard based on the de ands of rea l tm e data transm ission in Etherne- based DM CS. TypicalDM CS architecture m ode andm ass da ta w m i t storage and m ultileve l distr ibuted data base m ple enta tion techno log ies based on the m ode are expla ined. These are va luab le as reference fo r i m eng ineering design and app lications . K eyw ords Industrial Etherne t DM CS R eal tm e perfor ance D ata transm ission D ata storage : i m

0 引言
20世纪 90年代, 为实现 各厂家 不同设备 的互联, 并克服集散控制系 统 ( DCS ) 的可靠 性低、 通信速 度慢 的缺点, 出现了新型现场总线 ( F ieldbus) 控制系统 FCS ( f ieldbu s con trol syste ) , 由 于 其优 异 的测 控 性能, 如 m 系统的开放性、 可互操作性与互用性、 对现场环境的适 应性 (总线供电、 本安防爆、 抗干扰 ) 等, 因而得 到较为 广泛的应用 (特别是北美和欧洲国家 )。但 是, 90 年代 后期, 由于各企业、 司出于 利益上 的考 虑, 出现 了多 公 种现场总线 共 存的 局面, 难 以实 现统 一标 准; 另 一方 面, 随着计算机网络技术的飞 速发展, 企业内 连网 ( In tranet)和 因特 网 ( In ternet) 得 到普 及并 在计 算 机 集成 制造系统 ( CI S ) 和生产 过程 综合自 动化等 信息 集成 M 方面发挥着重要作 用, 人们开 始关 注底层 的现场 总线 测控系统, 考 虑 直 接 采 用 信息 网 络 中 成 熟 的以 太 网 ( Ethern et)作为现场测控 网络
[1~ 3]

/ 管控一体 化 0。基 于以 太网 的分 布式 网络 化测控 技 术的研究和应用, 已成为一大趋势。 在军用测试和工业 过程 自动化 中, 大 容量实 时分 布式综合测 试系统 中的 各测 控 单元 ( 网 络节 点, 如 传 感器、 智能仪 表等 ) 的执 行一 般存 在 时间 上的 顺序 关 系。由于各测控单元、 测控子网众多而又分散化, 它们 在网络上的数据传输 ( 传输的开 始和每 次需传输 的数 据量 )是随机的, 传输 距离有远 有近, 因 而信息传 输的 时延 也是 随机的 ( 以太 网上典 型的 传输时 延为 5 Ls / km ), 另外, 子网结 构的 不同, 所采 用通 信协 议的 不同 以及子网中节点数量 的不同, 都将带 来不 同的网 络传 输效率, 这种随机性与 实时性 时序要 求的 时间确 定性 之间是矛盾的。正因为 如此, 尽管以 太网 具有许 多突 出的优势, 还是有人提 出以太 网不适 合于 现场级 网络 的反对意见, 这主要就 是针对 以太网 在工 业控制 中的 实时性和可靠性的特殊要求。 本文 主要就 以太网 测 控系 统中 实时 性 方面 进 行 研究 与探讨 , 给 出 了 多种 提 高 系 统 实时 性 能 的 技 术 措施 。

。如 1998年 底成立

的美国 I AONA 组织 ( industrial au tomation open n etwor k ing allian ce) 主要研究以太网 在工业自 动化领 域的应 用, 提出了工业以太网 ( industry ethern et)。 / 以太网无 处不 在 0 ( eth ernet everywhere)
[ 4]

, 可 以应 用 于 企业 的

1 基于以太网数据传输的实时性
实际上, 实时性只是一个相对概念, 应根据具体对

各级网络, 实现测控网络与信息网络的无缝连接, 达到

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以太网测控系统中实时数据传输的技术措施 象加以分析, 确定真正所需要的采样时间, 以兼顾网络 性能 QoS ( qu ality of service)和控制性能 Q oP( quality of performan ce)
[ 7]

习友宝, 等

⑤ 为提高数据帧的发送成功率, 采用短帧结构传 输
[ 8]

, 并采用限定一个站点的通信时间, 使得不至于一 ⑥ 对于实时性要求高或任务紧急的站点, 为保证

。这是因为, 若 采样 时间 较快, 可 以提

个站点占用信道太长而影响其他站点的通信; 其优先服务, 给予其较高的通信优先权; ⑦ 以 太网 采用 的数 据链 路层 协议 CSM A /CD 的 非确定性 是引 起测 控 系统 非实 时性 的 本质 原 因。但 是, 将以太网用于现场 总线, 又不能 修改其 协议、 标准 和现有的网络接口等硬件产品, 因此, 通过在以太网上 增加 / 实时通信控制层 0, 由该层 向上层 提供基于 以太 网的高速实时通信服务
[ 6 8] ,

高控制性能, 但是由此产生的数据量则很大, 加大了网 络通信负荷, 降低了网络性能, 而网络性能的下降最终 又影响控制性能, 甚至 使整 个测控 网络 瘫痪, 因 此, 根 据需要, 选择合适的采样时间非常重要。 比如, 对于一些高速瞬态测量场合, 由于试验过程 非常短暂, 一般由测量 (数据采 集 ) 系统 的硬件 将试验 数据存储下来后, 再通过网络进行数据传输, 进行离线 的数据处理, 实时在线 传输的 只是 部分数 据或一 些特 征数据。例如, 一个 50 M bps采样的高速测 量系统, 若 分辨率 为 8 b it 如 果要 实时传 输, 则 将产生 400 M bps , 以上的数据流, 即使是点到点的网络传输, 其要求的网 络带宽也要比 400 M bp s高得多, 这是难 以实现的。实 际上, 对于工业自动化测控系统, 一般为较低速的闭环 系统, 如制 造自 动 化 系统 响 应 时间 要 求 通 常在 10 ~ 500 m s 过程控制系统响应时间在 0. 5~ 2 s , 。 关于以太网测控 系统实 时性的 研究, 国内外 都有 较多的文 献 报道
[ 5~ 10]

。在实时通信控制协议中,

将网络节点分为总线 控制节 点和终 端节 点; 总线 控制 节点只有一个, 用于启动消息传输和管理总线事务; 其 余为终端节点, 只能响 应总线 控制节 点的 命令并 进行 相应的操作, 也就是说, 终端节点的通信开始时刻不再 是随机的, 而是受控的。 另外, 研究表明, 在 网络 负荷较 小的情 况下, 各站 点发送的数据帧碰撞的概率较小, 传输性能较好, 随着 网络负 荷 的 增 大, 传 输 性 能 将 恶 化 ( 系 统 趋 于 不 稳 定 )。相比较而言, 在存 取控制方 式上, 令 牌环网 与令 牌总线在实时性方面 表现出 优良的 性能, 因而在 网络 化测控系统中得到较好的应用; ⑧ 系统时钟同 步技术。 分布式 综合 测试系 统的 实时性是相对于时间 坐标而 言的, 由 于整 个系统 的复 杂性, 各节点的传输时延一般难于较准确的确定, 也就 是说, 接收方接收数据 的时刻 总是迟 于发 送方发 送数 据的时刻, 因此, 整个系 统必须 有统一的 / 系统时 钟同 步 0。在系统时钟同步 下, 发送方 发送数 据时, 通 过附 带的 / 时戳 0, 接收方就能准确知 道所接 收数据的 发出 时刻。 实现系统时钟同步的方法有硬件同步、 软件同步、 分层式混合同步等 3 种。硬件同步是通过借助于全球 卫星定位系统 ( GPS) 或时间 基准 UTC 接收机, 对 测试 系统中的设备进行绝 对时间 校准, 或 者对 时序关 系严 密的多个设备引入同 步时钟 信号线, 进行 相对时 钟同 步。硬件同步方法可以 得到 很高的 精度, 但成本 也很 高, 通常在一些军事 测控领 域应 用。软件 同步一 般是 由测控系统中的测控 主机发 送校时 命令, 使各测 控单 元以测控主机时钟为参考, 为提高同步精度, 需经过多 次发送、 接收的回合 逐次逼 近。分层 式混 合同步 是前 两种方法的结合, 即不同网段引入硬件同步, 而同一网 段内的测控单元则采用软件同步。 我们在为某研究院承担的一个飞机发动机测试的 高空台试验项目中, 就 采用了 硬件同 步时 钟信号 线和

。为 改善 现 场级 以太 网 的 实时

性能, 提出以下一些技术措施。 ① / 差值传输 0与 / 超界传输 0。在实时 测试与控 制过程中, 对于高速瞬态测试, 一般并不直接传输测试 的原始数据。通过分 析可知, 一般 相邻的 两个测 试数 据相差不会太大, 如对于 12 b it或 16 b it采样 分辨力, 可能相邻数据的高 8位或高 12位是相 同的。因此, 为 减小实时 数据 传输量, 可采 取 / 差值 传输 0, 或对 数据 压缩后传输, 或者抽 样数 据点传 输。对于 静态或 稳态 检测与控制, 测试数据 呈现 出平稳 性, 因 此, 可以 在测 试前设定数据传输的界限, 即不关心该界限内的数据, 当超过该 界限 ( 例外 报告, 或越 限报 警 ) 时 则传 输, 并 且传输时取差值; ② 以太网一般具有较好的可靠性, 为提高传输效 率, 测控单元的传输层 协议可 以采 用不可 靠的无 连接 的 UDP 协议, 而不采用面向连接的 TCP协议; ③ 为满足 强 实时 要 求, 可 采 用高 速 以太 网 HSE ( h igh speed ethern et )、 换 式 以 太 网、 拟 局 域 网 交 虚 ( VLAN )技术, 一般可以满足绝大多数应用要求; ④ RTPS ( real tm e pub lish / subscribe) 协 议 的 应 i 用
[ 7]

。 RTPS 协议是由 I ( in terface for d istributed au DA -

tom at ion )组织提出的基于 Ethern et TCP / IP的标准化开 放通信接口, 它是在 UDP之 上由 RTPS 中 间件来 实现 的, 通过公共应 用程 序接 口 ( API) 提供 的实 时通 信服 务访问 I 的通信对象; DA
《 自动化仪表》 27卷增刊 第 2006年 5月

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以太网测控系统中实时数据传输的技术措施 软件时钟校对的方法;

习友宝, 等 网络和上层网络融为一体, 减少协议转换, 提高通信效 率, 并有可能通过 In tern et直接访 问现场 单元 (通 过安 全认证以后 ), 从而实 现设备的 远程故 障诊断、 程校 远 准、 远程状态报告, 以至远程测试。 测控单元配置高速、 大容量缓存器, 作为嵌入式小 型实时实据库, 用于存 储该测 控单元 所需 的静态 配置 参数和实时测试数据, 其上层 是为测 试子 网配置 的数 据库 (图中的 / 子网 DB0 ) , 存储 该子 网内测 控单 元的 动态信息和部分测试 数据, 测 控单元 与子 网数据 库由 于位于同一子网内, 没 有跨 越网段, 不需 要路由 选择, 数据交换速度很快。测试子网数据库的上层就是厂级 / 过程数据 库 0, 用 于厂 级测 试系 统的 组态 配置、 程 过 调度等, 过程数据库一 般并不 直接与 测试 单元的 嵌入 式实时数据库交换数据, 而是与子网数据库交换数据。 企业级则有 / 企业数据库 0, 包括 测试任 务的综合 调度 与管理、 生产调度与管理, 它可与过程数据库进行数据 交换, 是实现企业 / 管控一体化 0的综合自动化核心。 多级分布式数据库的应用与集中式的中心数据库 模式相比, 大大降低了网络中的信息交换量、 提高了网 络传输效率, 并改善整个系统的实时响应性能。

⑨ 实时性 的提 高 还应 以 可 靠性 的 保障 为 基础。 工业以太网的应用环境一般较为恶劣, 如高温与高湿、 振动与冲击、 辐射与干 扰等, 因此, 系统可 靠性设 计极 为重要。在高可靠性 要求下, 可考 虑硬件 与软件 的冗 余备份措施, 如双网备份。

2 大容量数据缓存和多级分布式数据库
测控单元的高速、 大容量数据缓存, 多级分布式实 时数据库技术, 有利于 减少测 试过 程中测 控单元 与中 心数据库交换数据 的通信量, 提高 数据通 信效率 和系 统实时性。 分布式综合测试 系统中 都有中 心数 据库, 存 储大 量的设备信息、 管理信息、 测试数据等, 在测试之前, 可 以对各测控单元传 送其所需 要的 静态配 置信息; 测试 过程中, 各测控单元、 测控子网根据测试状态需要从中 心数据库得到动态 配置信息, 同时 将测试 数据送 往中 心数据库, 或者测控单元、 测控子网之间需要协调同步 工作时, 也要进行大量信息交换。显然, 如果只有中心 数据库, 将 使得 测控 单元、 控子 网对 其访 问 过 于频 测 繁, 加大了 网络 负荷, 在一 些 大系 统中 甚至 使 网 络瘫 痪。 为此, 提出典型分 布式测 控系 统的体 系结构 模型 和基于该模型的高速大容量数据缓存与多级分布式数 据库实现技术, 其组成框图如图 1所示。

3 结束语
面向工业现场的通信网络是实现分布式测控系统 的基础, 现场总线以其 优异的 性能在 国外 得到较 广泛 的应用, 我国也引进了 一些 现场总 线控 制系统, 但是, 其产品与技术受到一定制约且成本较高。工业以太网 则以其成熟的技术、 良好的开放性、 应用的广泛性和易 于实现企业综合自动 化的信 息集成, 已成 为测控 技术 领域的一大趋势, 也比较符合我国国情。 工业以太网用于现 场测 控网络, 需要 研究并 解决 系统的实时性和可靠 性, 本文 提出的 基于 以太网 的实 时数据传输策略、 基于 分级分 层的典 型分 布式测 控系 统体系结构的高速大容量数据缓存与多级分布式数据

图 1 大容量数据缓存和多级 分布式数据库组成框图 F ig 1 B lo ck diag ram of bu lk da ta buffe r and . m ultiple layers d istr ibuted database

库技术, 对于工业应用 与工程 设计具 有一 定的参 考价 值。
参考文献
1 习友宝, 古 军. 分布式网络化测试技术综述 [ J]. 仪器仪表学 报 (增刊 ), 2002, 23( 5 ): 212 - 2161 2 徐皑冬, 等. 基于 以太网 的工 业控 制网 络 [ J]. 信息 与 控制, 2000, 29( 2 ): 182 - 186 . 3 Lee K. B. , Schneem an R. D. In terne-based d istributed m easure t m ent and con trol app lications [ J]. z ine, 1999: 23- 27 4 H arrold, D. E thernet E veryw here[ J]. Contro lEng ineering, 1999 , I EEE I strum. &M eas M aga n . -

典型分布 式 测 控系 统 的 体 系结 构 模 型共 分 为 4 级, 底层现场单元具 有自治 功能, 可以直 接相互 通信, 使得测控功能分散化, 并缩短了信息通路, 从而提高了 系统的实时性能和可靠性。各级之间也可运行不同的 网络协议, 通过 G ateway (这 里指 通用 的 通信 控制 器 ) 进行路由选择和协 议转换, 实 现异 构网络 的可互 操作 性 ( interoperab ility )、 连 性 ( in terconn ection ) 和 互 用 互 性。当采用以太网作 为底层 现场总 线时, 可以使 底层

( 下转第 128页 )

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基于 M SC1211单片机的防火报警网络系统
{ while( ! ( A IE& 0X20) ); ave+ = bipo lar( )* L SB } vo lts= ave / sa ples m ; te p= ALPHA* vo lts m -282. 14; / /由芯片电压温度曲线求温度 } } / /wh ile / /m a in



兵, 等 收方处 于 相 同 的地 位, 没 有 主 次 之 分。 利 用 CA synSocket类操纵 无 连 接 的数 据 发 送较 简 单。利 用 UDP 协议 可以 使管理 主机和 M SC1211 网 关实现 双向 的数 据通信。同时, 这种传输方式也易于使数据 M SC1211 网关透明化。 以 太网 控 制 器 协 议 转 换 模 块 主 要 负 责 从 U DP 数 据包 中 解 析 出 完 整 的 CAN 协 议 报 文 , 并 存 入 数 据 缓冲 区 A, 也可 能将 数据 缓 冲区 B中 完 整 的 CAN 协 议报 文 封 装 成 UDP 数 据 包, 然 后 将 其 发 送 到 以 太 网上 。

2. 3

TCP / IP软件设计 Internet网上的协议格式很多, 单片 机不可 能支持

太多的协议格式。根据以太网封装格式的物理传输帧 整个系统的软 件设计 可以 分为 CAN 总线设 备接 口通 信程序、 透明网关协议 转换程 序和 以太网 层应用 程序 设计等 3部分。 CAN 控制器协 议转 换模 块 程序 主要 由寄 存 器读 程序 CANR ead ( ) 、 程 序 CANW rite( ) 、 始化 程 序 写 初 CAN In it( ) 、 发送程序 txd sub( )、 接收程 序 rxdsub ( ) 等 组成。选用 CAN 21 0A 协 议构 建 CAN 总线 控制 网络, 初始化 主 要 完 成 控 制 寄 存 器 CR、 收 代 码 寄 存 器 验 ACR、 验收屏蔽寄存器 AMR、 总线定 时寄存 器 BTR0, 1 和输出控制寄存器 OCR 的设置。初始化完 成后, 由总 调度模块监控控制器。当 CAN 总线上有数 据到达时, 它调用接收子程序 rxdsub ( ), 把这 一帧数 据包存 入数 据缓冲区 B中, 然 后释 放接 收缓 冲 器。同样, 当 有按 CAN210A 协议格式 组合 成的 一帧 数据报 文在 数 据缓 冲区 A 中要发送到 CAN 总线上去时, 总调度模块将调 CAN 发送子程序 txd sub( ) 发送。 以太网上的通 信协 议一般 采用 TCP / IP 协议。该 系统采用流行的 SOCKET 套 接字编 程, 传 输层协 议选 择 UDP (用户数据报协议 ), 通过 V isual C+ + 编写用户 层程序。W inSock提供了对 UDP的支持, 通 过 UDP协 议可以向 指定 IP 地 址的 透 明 网关 发 送 CAN 协议 数 据, 同时也可以通过它接收 CAN 协议数 据。发送和接 (上接第 124 页 )
46 ( 6): 46- 48 501 , 5 Feng iL ian, Jam esM oyne Daw n T ibu ry N etw or Design C ons id -L , . k eration for D istribu ted Control Sys tem [ J ]. 6 I EEE Trans Contro l . System T echnology, 2002 10 ( 2): 297- 3061 , W ang zh ip ing. D es ign and I plem en tation of a H ard Rea- ti e m l m C ommun ication Protoco l[ C ] / /W orld Compu ter C ongress Beijing, , C h ina 20001 , 7 王 8 沈 威, 缪学勤. 试论工业以太网实时通信技术 [ J]. 自动化仪 艳, 古 天祥. 基 于以太 网现场 总线的 实时测 试技术 研究

3 结束语
该系统各 监 控点 通 过 In tern et网 互 联, 监 控范 围 广, 并采 用 M SC1211 单 片 机 作为 各 监 控 点模 块 的 核 心。M SC1211单片机高 速的 处理能 力、 善的功 能模 完 块以及强大的网络功 能简化 了整个 系统 的硬件 电路, 增强了系统的可靠性、 提高了系统的反应速度, 使该系 统具有极大的实用价值。
参考文献
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收稿日期: 2006- 01- 27 。 第一作 者朱兵, 男 , 1 975 年生, 199 8年 毕业于南昌 大学计 算机 科 学工程 系, 获 学士学 位, 讲 师; 从 事单片 机与嵌 入式 系统的 研究 与应用 。

9 陈积明, 王

智, 孙优贤. 以太网 在工业应用 中的实时 能力分

析 [ C ] / /Proceed ings ofThe 4th W orld Congress on Intelligen tC on tro l and Autom ation Sh angha, Ch ina, 2002: 2227- 22301 , i 10 M atteo Bertocco, Fran co Ferraris Carlo O ffell, and M arco Parv is , i . A C lien- Server Arch itecture for D is tributed M easurem en t System s t [ J]. I EEE T rans Instrum. M eas , Oc. 1998, 47 ( 5 ): 1143 . . t 11471

收稿日期: 2006- 03- 16 。 第一作者习友宝, 男, 1964年生, 1990年毕业于电子科技大学, 获硕 士学位, 副教授; 主要从事测控技术及仪器、 数据采集、 检测与控制的教 学与研究。

表, 2003 24 ( 2): 1- 4 , . [ J]. 电子测量与仪器学报, 2002, 116 ( 12): 39- 431

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