数据通信的定义范文

导语：如何才能写好一篇数据通信的定义，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：无源定位 被动定位 数据融合 移动通信

中图分类号：TN92，TN96 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（a）-00-02

对移动通信设备的定位是移动通信系统的重要任务之一，为了提高定位精度，需要综合利用多种定位技术，数据融合定位实际上是利用多个不同参数测量或相同参数测量的定位信息对目标的综合定位方法。

不同于主动定位系统，被动定位系统的数据有其自身特点，主要是通过被动测量移动设备的辐射信号参数来对目标进行定位，这些参数主要包括目标信号的到达角（AOA）、到达时间差（DTOA）和多普勒频率（FD）等。在通信定位中，主要应用的是基于AOA的交叉定位方式和基于DTOA的双曲线定位

方式[1，2，5]。

在被动定位系统中，观测信息包括辐射源信号参数和位置数据两种，前者提供目标的信号属性，而后者提供定位信息，数据融合定位就是充分利用这些信息，提高的信息空间的维数，有利于提升系统的分辨特性，有利于提高被动定位系统的定位

精度[3]。

1 多参数融合定位

数据融合定位可以分为多个层次，一种最直接的方法是在信号参数部分进行融合定位，有时也称为多参数定位，这种方法所需处理的数据信息量大，并且需要多参数的定位算法。

对于平面目标来说，AOA测量确定一条方向线，TDOA测量确定一条双曲线，这两条曲线相交于一点，就是目标的位置。在直角坐标系中，设主基站的坐标为（0，0），测向角为β，辅助基站的坐标为（b，0），到达时间测量值分别为t1，t2，则到达时间差为τ=t1-t2，目标的坐标为E（rx，ry）。

图1 AOA-DTOA融合定位位置图

根据时差关系可以得到

（1）

可以解得目标的坐标为

（2）

当考虑基站的方位角测量噪声和时间差测量噪声时，且假设时间差和方位角测量噪声均值为零，相互之间独立。则定位精度的几何稀释（GDOP）为

（3）

（4）

其中，

它表示辅助基站到目标所在方向的距离与R2和R2在该方向投影之差的比值的平方。在基线中垂线上时，m=tg2β，距离越远，m值越大。

圆概率误差（CEP）为

（5）

由上面的分析可知，使用AOA和DTOA进行联合定位时，在整个定位空间中，相对于基站的不同位置，其定位的CEP相差是很大的，在某些位置上很小，在有些位置上很大，甚至说非常大，影响定位的可信度。

2 定位结果的融合定位

在对移动通信设备的被动定位系统中，可以利用单参数或多参数实现对目标的定位，但是其定位精度受空间位置的影响很大，因此必须采用更多的基站信息，对目标进行准确定位。我们可以通过对各种定位精度的先验信息选择合适的算法，来提高定位的准确度[4]。

增加定位目标信息特征矢量的维数，能够达到更好的定位效果。目标位置融合有以下五种方法：状态矢量加权法、简单协方差加权融合法、复杂协方差加权融合法、选择法、增强法。因此，被动定位系统的位置关联问题将立足于信号参数和位置的双波门的多维信息的综合处理技术。

数据融合技术的主要思想，是对各个子状态空间的重叠部分进行融合，对各个子状态空间的互补部分进行集成，构造高精度的全观测空间。

具体地说，在观测状态空间重叠时，采用加权法，根据每个系统定位误差的大小确定权因子的大小；在状态空间互补或者虽然重叠但定位性能差别较大时，采用选择法。选择法是加权法在传感器定位性能差别较大时的近似，在满足条件的情况下，精度和加权法相当，计算量却小很多。

因此，被动定位系统的融合算法应以加权法为基础，主要解决两个关键问题，即：

（1）不同模型的观测空间的划分。

（2）权因子的选择。

对于第一个问题，空间的划分准则和定位系统所采用的参数和定位算法等息息相关，并且独立于其他因素。对于第二个问题，由于空间位置是决定其观测误差的主要因素，故航迹算法应选择能够反映被动定位系统的空间观测特性的参数作为加权因子，简单有效地完成融合。

对于测角定位和测时差定位，或者用测角和测时差综合定位来说，它们的CEP是不同的，在不同的空间位置其区别是比较大的，这样用CEP作为衡量观测误差大小的指标，分别绘制交叉定位系统、双曲线定位或其他定位方法的误差分布图。我们可以看到，不同参数定位情况下，不同的基站配置、参数测量精度，不同的空间位置，CEP的大小是不一样的，并且有一定的规律性。某些区域CEP较小，某些区域CEP则较大。因此可以根据这一特点，对不同区域采用不同的加权值对定位值做处理，以提高定位精度。

当基站位置固定时，不同测量空间在空间上每一点的CEP是可以事先求得的，与目标特性无关。对于加权法的权因子选择，采用权因子法。因其计算简单，物理意义明确，经过仿真，能够验证其有效性。

设Xi是融合前各种定位的位置矢量，i代表定位系统序号，X是融合后的位置矢量，则有：

（6）

（7）

当CEPi之间相差不大时，融合定位相当于各种定位结果的算术平均，当CEPi之间相差比较大时，则最小的CEP所对应的ki最大，所占权重最大，最大的CEP所对应的ki最小，所占权重最小。

可以用等效等高CEP线来表示不同定位方法所得到的定位CEP。对于不同基站，不同定位方法，使用CEP加权融合算法，就意味着空间上一点对应于各种定位的多个CEP值，被加权求和，最后得到的值称为等效CEP，能够表征CEP加权融合算法之后全空间的误差分布。通过绘制等效等高CEP曲线图，就可以直观有效地分析经过加权算法后的空间误差分布。它和各个单站的原CEP等高线图相比较，可以辅助分析加权法的改善程度，进而分析适合使用加权法的区域。

3 结语

该文采用了多参数融合定位和对定位结果的加权融合定位方法，分析和仿真表明该方法的可行性和有效性。

参考文献

[1] 范平志，邓平，刘林.蜂窝网无线定位[M].北京：电子工业出版社，2002.

[2] 张正明，杨绍全，张守宏.平面时差定位精度分析[J].西安电子科技大学学报（自然科学版），2001（1）.

[3] 邓平，范平志.移动台定位估计数据融合增强模型及其仿真研究[J].通信学报，2003，24（11）.

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【关键词】 民航飞机 地空数据链 飞机通信寻址报告系统 ARINC

在数据链系统出现之前，地面人员和飞行人员之间的所有交流只能通过语音进行。这种通讯以甚高频或高频语音无线电通信方式实现。航空公司为了减少机组人员的工作负荷，提高数据的完整性，在2005年，我国民航推广了ACARS 系统新技术。ACARS意为飞机通信寻址与报告系统，其核心部分为空地数据链，它是空地数据通信系统的通称。

该系统在1980年代末期升级以满足ARINC724标准。ARINC724定义了航空电子设备数字数据总线接口。该标准后来又修订为ARINC724B。二十世纪90年代所有的数字化飞机都采用了ARINC724B标准。用于ACARS管理单元的ARINC724B规范，用于工业领域又出现了新的ARINC规范，称为ARINC758，它是为下一代ACARS管理单元―CMU系统设计的。

飞机通信寻址与报告系统，通过飞机机载设备和地空数据通信网络建立飞机与地面计算机系统之间的连接，实现地面系统与飞机之间的实时双向数据通信。

ACARS系统主要由机载设备和地面设备组成，其中机载设备由ACARS管理组件、综合显示控制器（CDU，通常也称MCDU（多功能CDU或MIDU）、第三部甚高频通信系统和相关线路、相应软件（操作软件和数据库）等部件组成；地面设备 由地面收发站和数据处理站、航空公司处理和分析终端等组成。

机载设备的其它 计算机系统如数据管理组件（DMU），飞行数据接口组件（FDIU），飞机状态监控系 统（ACMS），以及全球定位系统（GPS）都和它交联。

DMU、FDIU、GPS、ACMS等负责 采集或收集飞机在线数据和飞行经纬度，再将这些数据发送到ACARS，ACARS通过 SATCOM（ Satellite Communication 卫星通讯）系统或VHF（Very High Frequency 甚高频）地面工作站传送到指定的地面数据控制中心（在中国，该数据中心在北京：ADCC -Air Data Control Center），由ADCC根据报文头的标志， 数据链服务提 供商（DSP）负责空地之间的消息分发。

ACARS主要功用：ACARS的第一个应用是去自动检测和报告飞机在主要飞行阶段（推出登机门――Out of the gate；离地――Off the ground；着陆――On the ground；停靠登机门――Into the Gate，工业上简称OOOI）的变化。

这些OOOI事件是由ACARS管理单元通过飞机上各种传感器（例如舱门、停留刹车和起落架上的开关传感器）的输出信号来确认的一方面，它可以使飞行的飞机在无须机组成员干预的情况下自动向航空公司地面应用系统提供飞行动态、发动机参数等实时数据信息，同时也可以向地面传送其他各类信息，使航空公司运行控制中心在自己的应用系统上获得飞机的实时的、不间断的大量飞行数据及相关信息，及时掌握本公司飞机的动态，实现对飞机的实时监控，满足航务、运营、机务等各相关部门管理的需要； 另一方面，地面可向空中飞行的飞机提供气象情报、航路情况、空中紧急故障排故措施等多种服务，提高飞行安全保障能力及对旅客的服务水平。

ACARS有三种报文类型：空中交通管制（ATC）、航空运行控制（AOC）、航线管理控制（AAC）。应当注意的是，ACARS报文的主体部分通常只有100到200个字符的长度。这种长度的报文可以在一次传输中完成。一个ACARS报文的主体最多只能包含220个字符。长于220个字符的下传ACARS报文只能分块多次传送。即便如此，任何报文也不能多于16块。地面站也只是在收到所有报文块后才开始处理和路由这个报文。

ACARS协议还支持失败重传机制，或在改变服务提供商时重新发送报文。一旦地面站接收到完整的报文就将通过地面线（landlines）其转发到数据链服务提供商（DSP）的主机系统。服务商根据主机上的路由表再将该报文转发到航空公司或其他目的地。

路由表由服务商维护，它可以根据尾号辨认出每一架飞机，并且可以辨识出它所能处理的报文类型。（航空公司必须向服务商提供自己的ACARS报文标记及每种报文的路由信息。）

CMU发送的每个ACARS报文都包含一个报文头，该报文头含有所需的路由信息。服务商将是根据这些信息将报文转发到不同的航空公司的。

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为了促进数据通信工程的稳定发展，我们首先要进行其构成原理的分析，促进其数据终端的有效分类，实现对其非分组型终端及其分组型终端的有效应用，确保整体运作环节的优化，确保工程的综合效益的提升。在此过程中，我们要进行分组型终端系统的健全，实现对其计算机环节、相关用户分组交换机、用户分组装拆设备环节的有效应用，确保其各个环节的终端设备的有效应用。为了满足数据通信工程的综合效益的提升，我们也要进行非分组型终端系统的应用，确保其个人计算机终端环节及其其他专用终端环节的优化，促进其数据通信模式的深化，确保其电路交换环节及其相关信息传输环节的优化，确保其相关信息的共享。为了满足实际工作的需要，我们也要进行其报文交换环节的优化，确保相关交换机的存储器的有效应用，确保其相关电路环节的优化，确保其交换机环节及其终端环节的有效应用，确保其方式环节的优化，确保其电路的利用效率及其中继线利用效率的提升，确保其分组交换环节及其相关环节的优化，确保其网内传输系统的健全。各种交换形式的适用范围，电路交换形式通常应用于公用电话网、公用电报网及电路交换的公用数据网等通信网络中。前两种电路交换形式系传统形式；后一种形式崐与公用电话网基本相似，但它是用四线或二线形式连接用户，适用于较高速率的崐数据交换。在实际工作中，我们要进行其报文交换形式的应用环节分析，确保其对相关数据通信模式的深化应用，确保其分组交换环节等的发展。该模式自身的优点是非常多的，具备一系列的电路交换的优势，及其报文交换模式的优势，满足了实际工作的需要。它适用于对话式的计算机通信，如数据库检索、图文信息存取、电子邮件传递和计算机间通信等各方面，传输质量高、成本较低，并可在不同速率终端间通信。其缺点是不适宜于实时性要求高、信息量很大的业务使用。

2关于数据通信分类环节的分析

为了满足数据通信工程的发展需要，我们要进行其相关种类的分析，促进其有线数据通信环节的优化，确保其相关光纤及其数字微波的有效应用，确保其相关数字数据传输网络的健全，确保其DDN系统的健全，通过对其光纤通信技术、数据通信技术及其数字交叉连接技术的有效应用，确保其数字通信网络的健全，我们也要进行其分组交换网系统的健全。崐又称为X.25网，将用户送来的报文分成具用一定长度的数据段，并在每个数据段上加上控制信息，构成一个带有地址的分组组合群崐体，在网上传输。崐帧中继网是从分组交换技术发展起来的。帧中继技术是把不同长度的用户数据组均包封在较大的帧中继帧内，加上寻址和控制信息后崐在网上传输。数据通信工程的稳定发展，离不开对其统计复用技术环节的优化，这一模式实现了对网络资源的有效应用，确保其相关信息流的共享，确保其网络资源的利用效率的提升。在此过程中，通过对其虚电路技术的有效应用，满足用户的数据信息工作的稳定发展，促进其相关环节的带宽的有效分配，促进其分组动态分配性的提升，实现对一系列的突发性业务的质量效率的提升，确保其交换功能的提升，满足了实际工作的需要。帧中继通常的帧长度比分组交换长，达到1024-4096字节/帧，因而其吞吐量非常高，其所提供的速率为2048Mbit/s。帧中继没有采用存储_转发功能，崐因而具有与快速分组交换相同的一些优崐点。其时延小于15ms。无线数据通信也称移动数据通信，它是在有线数据通信的基础上发展起来的。崐有线数据通信依赖于有线传输，因此只适合于固定终端与计算机或计算机之间的崐通信。

3关于数据通信网络及其相关环节的分析

3.1数据通信工程的稳定发展，离不开对其计算机网络系统的优化。通过对其光缆环节、及其计算机环节等的应用，确保其计算机通信网络的健全，确保其网络资源的有效共享，实现对打印机、相关程序的有效共享，通过对其局域网的应用，确保其工作环节的优化。如财务崐部门使用局域网来管理财务帐目，劳动人事部门使用局域网来管理人事档案、各崐种人才信息，公安刑侦部门使用局域网来管理犯罪信息系统、交警部门使用局域网来管理机动车辆、崐驾驶员信息等等。网络协议的定义并不复杂，它是计算机之间进行网络对话的语言模式，它的种类是非常多的，其网络协议数量也是比较的，比如其面向比特的协议等但最常用的是崐TCP/IP协议。它适用于由许多LAN组成的大型网络和不需要路由选择的小型网崐络。TCP/IP协议的特点是具有开放体系结构，并且非常容易管理。

3.2我们也要进行数字数据电路应用范围的分析，其包括一系列的各种专用网、公用数据交换网及其可视图文系统等，这一系列的环节。这一系列模式的应用，满足了其数据信道环节的运行的需要，满足了其相关网络系统的健全，满足了实际数据通信工作的发展需要。利用DDN实现大用户局域网联网；如我区各专业银行、教育、崐科研以及自崐治区公安厅与城市公安局的局域网互联等。提供租用线，让大用户自己组建专用数字数据传输网；使用DDN作为集中操作维护的传输手段。为了满足数据信息工作的发展需要，我们要进行其分组交换网络的有效应用，确保其相关电路业务环节的优化，确保其相关通信平台的有效应用，确保其相关增值数据业务的稳定运行。确保其电子信箱系统的健全，满足实际工作的需要。在分组交换网平台上用户把需发送的信息以规定的格式送入电子信箱的崐存储空间，由电子信箱系统处理和传输后，送到接收用户的电子信箱并通知收信崐人。电子数据交换是计算机、通信和现代管理技术相结合的产物，又崐被称为“无纸贸易”。

4结语

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1、AADL的实时概念

AADL的核心支持实时系统的调度模式，这种调度模式是带有同步数据通信的的抢占式调度。这种实时调度模型由通过数据端口进行通信周期线程组成。因此系统执行模型的运行就是一个完全可预测的实时行为。

2、BIP语言概念

BIP语言从三个方面来定义建立构件：（1）原子构件：一类带有行为描述的构件，其行为里定义了一些迁移，（empty）交互和优先级。带有行为名的端口的触发迁移用于同步。（2）连接件：用于描述原子构件端口之间可能的交互模式。（3）优先级关系：通过在几种可能的交互方式中间选择一种，这种根据原子构件整体的状态来判定。下面详细描述这个语言的主要特征。

2.1原子构件

2.2连接件和交互

连接件γ是一个涉及交互的原子构件的非empty端口集。连接件来自涉及交互的每个原子构件最多包含的一个端口。γ的交互是这个集合的任何非empty子集。例如p1，p2，p3是不同原子构件的端口，连接件γ=p1|p2|p3有七种交互：p1，p2，p3，p1|p2，p1|p3，p2|p3，p1|p2|p3。例如，带有一个以上端口的交互代表了这些端口同步转换。

2.3优先权

给定包含交互构件的系统，优先权根据条件来确定这些可以执行交互的优先级。因此优先权可以通过设置执行迁移的约束条件来减少系统的非确定性。

2.4复合构件

复合构件是从已经存在的构件（原子的或者复合的）组合而来的新构件。这些包含在复合构件里的构件称为它的子构件。复合构件由子构件，连接件以及优先级构成。复合构件system如图2所示。它是由三个相互作用的子构件的复合而成的。在列表3里，C1作为一个客户端发送请求给C2或者C3。这里指定了连接件，优先级（如果两个构件都是empty,构件r2的优先权高于其他构件的）。

3、用BIP建立AADL周期线程模型

在AADL里，通信代码是带有任务调度的可执行代码的一部分。这确保了端口之间迁移时间是可定义的。迁移时间通过采样数据流来确定。在应用代码操作端口变量时，系统缓冲可以用于确保端口变量在任务执行时不被其他的任务所影响。下面图解释周期性线程在BIP里的建模和调度，它介绍了两种通信协议，即时通信和延迟通信。

4、用BIP建立AADL通信语义模型

4.1即时通信的BIP描述

图4描述了即时通信的自动控制过程。当时间与两个交互线程周期的最小公倍数对齐时，数据传输可以通过端口completion_immediate同步通信。在这种情况下，接收线程会延迟直到发送线程的完成才开始执行：在SYNC状态，execution不执行。在ASYNS状态，第一个线程的完成和第二个线程的执行不同步，数据传递不会执行。

4.2延迟通信的BIP描述

延迟通信的自动控制用BIP建模如图6所示。构件声明了两个变量：发送线程在完成时发送变量next。在发送最终截止时它被复制到变量current。current在调度时被传送到接收线程。因此，需要用这两个变量管理延迟通信。在这种同步通信过程中，读线程会在下一次周期的开始处获得新的输入。因此有必要确保数据发送的结束刚好在周期的截止处，即数据总是接近周期延迟才发送。

5、结论

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1、引言

IEEEStd1596-1992ScalableCoherentInterface(SCI)可扩展一致性接口[1]是一种专门针对并行计算机系统设计的,可以提供千兆位互连带宽和微秒级通信延迟的高性能系统互连技术。它提供了一种硬件实现的分布式共享存储(DSM)的并行计算机结构,支持硬件的缓存一致性,主要应用于高性能并行计算机系统互连,高性能I/O等领域。

SCI技术来源于传统总线技术的固有限制,传统总线是一种共享介质的互连技术,随着系统中连接节点的增加,系统性能下降,而SCI提供节点之间单向、点到点的互连,支持灵活的拓扑:寄存器插入环、2DMesh、交换式互连等。任何一种互连方式都支持消息的并发传输,从而在一定规模内,系统的性能随网络中的节点数增多而增加,具有可扩展性。本文主要研究WindowsNT环境下实现SCI数据通信的方法,给出了SCI数据通信软件的设计。

2SCI协议概述

SCI协议包括三个层次:物理层、逻辑层和缓存一致层(可选)。物理层对SCI的链路规范、拓扑方式及网络接口等做出了规定;逻辑层主要定义了SCI的数据包格式、逻辑事务协议;缓存一致层针对并行计算的分布式共享存储模型提供硬件缓存一致性的支持,是SCI协议的可选部分。

SCI可以采用各种灵活的拓扑构成互连系统,支持多种链路形式,其中18-DE-500并行链路宽18位,采用差分信号传输,每条信号线提供500Mbps的带宽,其中16位用于数据传输,因此理论上可提供8Gbps的互连带宽。基本的拓扑是寄存器插入环,支持消息的并发传输,如图1所示。SCI节点在发送数据的同时仍然可以接收数据并进行处理,考虑SCI环中每个节点都向其下游节点发送消息,则图1中的4节点SCI环中可以存在四个独立的数据流,使系统吞吐量达到单条链路吞吐量的四倍。SCI网络传输的基本单位是符号(Symbol),每个符号长2个字节(Byte),SCI使用复杂的技术克服了总线技术/共享介质0的固有限制,但是对互连系统应用提供了类似总线的服务:读事务(ReadXX)、写事务(WriteXX)、移动事务(MoveXX)和锁定事务(Lock)等。为使通信较少受到传输距离的影响,SCI采用了分离事务协议,使CPU在发出/请求0后不必等待/响应0,可以立即进行其它操作。

SCI中每一个事务都由子操作(Subaction)组成,每个子操作包含两种消息的传输,如图1中虚线所示,以节点1向节点3发起的Read64事务为例:(1)节点1应用层发送请求发送(RequestSend)消息,向节点3请求读64字节的数据;(2)节点3的SCI接口自动返回请求回应(RequestEcho),说明请求发送消息收到;(3)节点3应用层发送响应发送(ResponseSend)消息,附带有节点1请求的64字节数据;(4)节点1的SCI接口自动发送响应回应(ResponseEcho)消息,表明收到节点3的消息,从而完成节点1向节点3发起的Read64事务。

3WindowsNT4.0环境下SCI设备驱动模型

SCI支持WindowsNT4.0,Windows2000,Solaris,Linux,VxWorks,HP-UX等主流操作系统,其中在WindowsNT4.0环境下的测试性能最好,WindowsNT4.0对硬件的访问做了严格的限制,系统设计者必须严格遵循驱动程序开发规范进行硬件驱动程序的开发和使用。目前商用SCI接口适配卡由挪威的Dolphin公司[2]提供,主要基于计算机I/O总线。采用Intel平台上PCI总线的SCI接口适配卡D330[2]构成的SCI通信系统的设备驱动模型如图2所示。D330SCI适配卡支持64位和32位的PCI总线,完成SCI构成的DSM系统与SCI节点机的接口功能,同时实现SCI协议规范。SCI采用64位地址,提供整个DSM系统的全局地址空间,其中前16位表示节点地址,各节点机PCI总线的64位或32位地址则映射至SCI全局地址的后48位,各节点机只要对该全局地址空间的某一地址操作,节点机之间的数据传递即可由SCI硬件自动实现。Pcisci.sys提供了SCI网络的底层驱动,完成PCI总线设备的访问功能,并且将PCI总线事务映射成为SCI网络事务,提供透明的SCI设备访问机制。Pcisci.sys中的IRM驱动函数提供SCI协议相关的功能驱动。D330适配卡的参数可以通过调用IRM驱动函数进行更改。一般情况下,系统设计者不应随意调用IRM驱动函数对D330内部参数进行更改。Sisci.sys提供了SCI网络的高层驱动,它屏蔽了SCI协议细节,为系统设计者提供了基于共享内存、DMA、远程中断等的数据通信接口,Sisci.sys在WindowsNT平台上以同步通信方式工作,异步通信可以结合多线程技术实现。

Sisciapi.lib为Win32应用程序提供了用户模式下的接口函数(SISCIAPI)[3,4],SISCIAPI既支持共享内存的编程模式也支持消息传递的编程模式。在建立了内存映射之后,应用程序利用指针就可以实现数据在各节点机之间的传递,体现了SCI支持共享内存的特点;利用DMA实现数据通信,应用程序必须负责数据传输的全部过程,这体现了SCI对传统的消息传递模式的支持。

SCI提供了基于共享内存和DMA的两种同步数据通信方式,通信采用面向连接的方式,利用中断实现通信双方节点的事件通知,下面的讨论中我们称发送数据的节点为Client,接收数据的节点为Server。

3.1共享内存方式

共享内存是一种针对小规模数据传输的Programm-bleI/O(PIO)通信方式,SCI使用段(Segment)的概念将本地内存映射成本地段localsegmentt,将远端内存映射成远程段remotesegmentt,Server建立localsegmentt类型的变量使得本地内存可以为其它节点访问;Client建立remotesegmentt类型的变量使得访问其它节点上的内存资源成为可能。通信双方将各自的本地内存映射到SCI全局地址空间之后,依靠设定的内存标志完成数据通信。在图3中,Client节点和Server节点分别声明localsegmentt的变量localsegC和localsegS,利用这两个变量建立本地内存在SCI全局地址空间的内存映像,然后Client节点声明remotesegmentt的变量remotesegS用于连接Server节点在SCI全局地址空间的内存段,从而建立了各个节点在SCI全局地址空间中的内存映射关系。Server节点使用SCICreateSegment()申请本地内存,创建localsegS,指定该段标志8,然后调用SCIMapLo-calSegment()返回本地指针供Server节点中的进程访问,调用SCIPrepareSegment()将申请到本地内存的localsegS映射到SCI全局地址空间;SCISetSegmentAvailable()则使该localsegS为SCI网络中的所有节点机可见。

Client节点设定本地段localsegC的过程同上,欲完成向Server节点发送数据,Client节点必须调用SCI-ConnectSegment()与Server节点建立连接,将Server本地内存在全局地址空间中的映像映射到remotesegS,然后利用SCIMapRemoteSegment()返回属于Client进程的本地指针供访问Server节点时使用,连接建立之后就可以使用返回的内存指针或SCIMemCopy(本地指针,remotesegS)函数进行数据传输了。

3.2DMA方式

当进行大量的数据传输时,DMA数据传输方式可以充分利用带宽资源提高吞吐量。由于采用DMA方式时,存在DMA队列的建立、管理等通信开销,所以与共享内存方式相比,DMA方式的通信延迟略有增加。使用DMA方式,应用程序要创建DMA队列,将数据放入DMA队列,启动DMA队列,查询DMA队列的状态等,应用程序必须负责数据传送的整个过程。DMA方式的通信仍然建立在段(Segment)概念的基础之上,在编程方面与共享内存方式的区别主要体现在Client节点,具体过程如下:

(1)创建本地段,SCICreateSegment(&localsegC);(2)映射本地段,返回本地数据指针(void*)SCIMapLocalSegment(&localmapC);

(3)将本地段映射至SCI全局地址空间,SCIPrepare-Segment(localsegC);

(4)创建DMA队列,SCICreateDMAQueue(&dmaqueue);(5)连接Server节点本地段,SCIConnectSegment(&remotesegS);

(6)利用本地数据指针完成本地数据载入;

(7)将数据发送到DMA队列,SCIEnqueueDMATransfer(dmaqueue,localsegC,remotesegS);

(8)启动DMA传输,SCIPostDMAQueue(dmaqueue);

(9)等待DMA传输完毕,SCIWaitForDMAQueue(dmaqueue);

(10)确认DMA传输正常完成,SCIDMAQueueState(dmaqueue);

(11)删除DMA队列,SCIRemoveDMAQueue(dmaqueue)。从上述过程可见,DMA方式适合较大量数据的传输,而不适合少量数据的传输,否则不能充分利用DMA方式具有的一次传送大量数据的优点。

3.3中断方式

要完成通信双方的数据传递,通信过程中必须进行协调,SCI提供了中断方式专门用于实现SCI节点间的事件通知。与上述两种数据方式相同,中断分为本地中断(localinterruptt)和远程中断(remoteinterruptt)。远程中断是Server节点;本地中断在Client节点的映像。中断也是面向连接的,使用前必须建立连接;不同的是,中断方式并不传送任何数据,它只是作为事先定义好的某种事件(利用中断标志)的通知手段,使用中断完成通信协调的过程如图4所示。

4SCI数据通信软件的设计

上面我们详细讨论了SCI数据通信的几种方法,最后结合我们开发的SCI通信延迟测试系统的负载注入软件,说明SCI数据通信软件的设计过程。SCI负载注入软件是根据各个节点的通信表文件,向SCI网络中注入数据流,设定网络负载,同时配合网络端端延迟测试仪测定特点消息的传输延迟,从而实现对SCI网络通信性能细节的把握。通信表指定了数据流源节点、目的节点、长度以及更新速率等参数。

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【关键词】隔离信息交换网络信息安全

1前言

目前网络通讯安全通常采用的技术方案是：设置多种访问权限，每一位访问者根据不同的访问权限来对相应的内容进行访问，但是一旦某一位访问者的密码被破解，相应的网络安全防线也被破解，尤其是当administrator的密码被破解，所有安全防线将全部报废。

还有的企业将企业内部网络定义为内网，对应的外部网络为外网，他们为每一位有访问外网需求的员工配置两台工作电脑，一台工作电脑仅能访问内网，一台工作电脑仅能访问外网，同时对内网的所有电脑进行监控，这样有效地提高了内部网络的安全，可以有效防范设置访问权项产生的安全漏洞，但是同时也会导致工作上的不便，例如，工作中需要到外网下载一个参考资料，需要先访问外网将资料下载在外网工作电脑中，然后通过U盘等外部设备进行拷贝，将资料再传输到内网工作电脑上，十分耗费精力，导致工作效率降低。

因此，如何提供一种有效的、方便的网络安全管理系统及方法是业界亟待解决的技术问题。

2工作原理

本文为了解决上述现有技术的问题，提出一种网络安全管理系统，包括连接外网网域的外网网口，连接内网网域的内网网口，还包括：

中间网口，所述中间网口包括第一中间网口至第N中间网口，所述第N中间网口可与内网网口进行通讯，N为自然数；

切换电路，设有两种状态，在第一种状态下根据外网网口、第一中间网口至第N中间网口、内网网口的顺序对网口进行两两分组，允许同一组内的两个网口之间进行通讯；在第二种状态下根据第一中间网口至第N中间网口、内网网口的顺序对网口进行两两分组，允许同一组内的两个网口之间进行通讯；

切换模块，与外网网口相连接，通过切换电路与中间网口及内网网口相连接，根据切换电路的不同状态，控制相应的网口之间连通；

控制模块，对切换电路及切换模块进行控制，使切换电路不停地进行状态转换，直至外网网口/内网网口的命令或数据传递至内网网口/外网网口为止。

数据处理模块，通过上述模块以及网口与外网进行间接通讯，既隔离了内网和外网，又可以使内、外网之间的数据可以被间接传递。

数据处理模块可以采用至少一种加密策略，对通讯的数据/命令进行加密，从而进一步提高系统的安全性。控制模块和数据处理模块还分别具有用于存储数据或算法的存储器。

本技术方案中，切换模块具有切换芯片，根据切换芯片端口的顺序来顺次与外网网口、第一中间网口至第N中间网口、内网网口直接连接或间接连接，当相邻两个端口对应的网口需要通讯时，切换模块将所述两个端口对应的VLAN寄存器的值置为1。

控制模块具有控制芯片，所述数据处理模块具有数据处理芯片，所述控制芯片和数据处理芯片的型号均为AM335X，所述切换芯片的型号为88E6172，所述切换芯片与控制芯片之间、控制芯片与数据处理芯片之间均通过RGMII接口连接。

外网网口通过网桥芯片与切换芯片相连接，中间网口及内网网口分别通过不同的网桥芯片与切换电路相连接，内网网口与控制芯片的eth0处于同一网段。

3体系结构

结构示意图如图1所示。

本系统所述系统包括：网络数据收发端和数据处理端，其中，网络数据收发端的AM335x通过RGMII总线连接88E6172，88E6172的五个口上挂了五块gst5009lf，其中四路经过切换电路与4个RJ45连接，而剩下的一路直接挂RJ45。网络数据收发端的AM335x通过SPI总线与flash连接，来读写FLASH。网络数据收发端的AM335x通过EMIF接口挂了DDR3。网络数据收发端的AM335x通过RGMII总线与数据处理端AM335x通信。数据处理端的AM335x通过EMIF接口挂了DDR3。数据处理端AM335x对数据进行处理后，把重要的数据通过SPI总线存储到FLASH上。这就出现了一个问题：如何更好管理五个RJ45口下的不同网域的通信。于是，本发明提出了对88E6172软设置及对切换电路的操作，实现某些网域可以访问数据处理端，而这几个不同网域又能通信，以达到网络安全管理的目的。

4软件流程

系统开机后，先读取GPIO2_25的值，然后询问是否启动切换电路。如果是，则启动切换电路，然后进入while1循环；如果否则直接进入while1循环。执行while1循环，系统询问lan1与lan2、lan3与lan4是否要数据通信，如果是，则执行判断是否启动切换电路，然后进行数据通信；如果否则直接执行数据通信。数据通信完毕，进入判断lan1与lan2、lan3与lan4是否要数据通信，如果是，则进入判断是否启动切换电路，如果是，则关闭切换电路，进入数据通信。如果判断是否启动切换电路为否，则直接进入数据通信。数据通信完毕，再询问lan5与数据处理端是否要数据通信，如果是，则进入判断是否启动切换电路。判断是否启动切换电路如果为是，则关闭切换电路，如果为否，则数据通信，然后再进入while1循环。

5结语

篇7

从设备上采集来的信号经过有效的分析处理，如相关分析，频谱分析，小波分析等，将结果存入基层数据库中作为设备历史运行数据以便今后分析之用［2］。故障诊断系统使用监测分析软件和故障诊断软件通过Internet从数据库中获取当前的数据，对机组故障进行诊断，得出诊断结果。数据通信的思想是通过Socket(套接字)和应用程序的消息机制来实现数据交换。Socket(套接字)最早是由Berkeley大学提出在UNIX操作系统下实现TCP/IP通信协议的开发接口。Sock-et的实质是通信端点的一种抽象，提供一种发送和接受数据的机制。应用Socket进程通信技术可以实现基于服务器的并发多机信息转发。本文利用VC++6．0编写一个服务器端和两个客户端程序，客户端程序通过串口接受WSN各网关节点传送的信息，将接受的实时数据插入到SQLServer数据库，实现对数据的利用，并利用Socket技术通过Internet将串口数据实时的发送到服务器端;同时服务器端可以下达命令给两个客户端。在客户端和服务器端也可以传输风电场静态配置文件，服务器端利用MSXML4．0解析器实现对WPPCL文档的解析，且将WPPCL文档以树形控件显示，方便用户理解WPPCL文档的层次型关系。基于C/S模型的通信系统结构示意图，动态数据传输系统客户和服务器之间的实时数据传输采用面向连接的TCP/IP通信协议，服务器必须首先启动，在一个众所周知的地址监听对服务的请求，服务进程一直处于休眠状态，直到一个客户程序提出了请求信息。此时，服务程序被“惊醒”为客户端创建工作线程，并由线程负责与该客户端的数据通信，完成与该客户端的各种请求服务。客户端程序采用多线程机制，负责数据接收和发送操作。本程序采用MSCOMM控件接受串口数据，串口数据模拟来自温度和湿度传感器采集的环境温度和湿度。客户端A接受串口数据后发送到服务器端，客户端B也可以接受到客户端A的信息;客户端A和客户端B可分别向服务器端发送设备运行信息，同时服务器可向两个客户端发送执行命令。配置文件传输系统借鉴IEC61850-6中SCL的定义，综合IEC61400-25风电机组信息模型的层次结构分析，风电场配置描述语言WPPCL(WPPsConfigurationLanguage)可定义3种对象模型:风电场(WPPs)模型、风电机组控制器(Controller)模型和通信网络模型。通过该语言，可以方便地通过搭建模型来描述风电场配置信息，从而在应用侧很好地屏蔽掉装置的差异性，实现配置状况的远方管理，降低系统运行成本，有效地提高系统自动化水平。风电场整个配置过程都是建立在对WPPCL文件进行处理和传送的基础上，而WPPCL文件实质上就是受固定的Schema文件约束的XML文件。配置文件传输系统实现的功能就是:利用Socket技术将WPPCL文件从客户端发送到服务器端。在完成上述的风电配置文档传输后，解析WPPCL文档成了主要问题。本文以VS2010作为开发平台，利用MSXML解析XML文件。MSXML是微软提供的用于处理XML文档的COM库，提供了丰富的API接口函数。利用MSXML解析器对WPPCL文档解析时，需要按照WPPCL文档的层次型关系将相应的节点添加到树型控件中，树型控件中的节点对应于WPPCL文档中的元素节点，各元素的属性以表格的形式显示。通过操作树型控件用户可以清楚理解WP-PCL文档的层次型关系，同时可以查看各元素节点的属性并可做出相应的修改。本节以描述风电场结构的WPPCL文档为例，通过建立解析程序实现用树型控件分层显示WPPCL文档。

基于SSLVPN技术的信息安全系统

SSL(安全套接层)协议是一个提供身份认证和加密数据的协议，指定了在应用层协议和TCP/IP协议之间进行数据交换的安全机制，为TCP/IP连接提供数据加密、服务器认证以及可选的客户认证。因而可以在客户端与服务器之间构建一条透明的安全通道，从而保证网络传输过程中数据的完整性和安全性。本系统在网络数据库系统的用户访问控制中使用基于SSL和证书的双向身份认证，应用代网关启动防火墙引擎并与远程监测中心以SSLVPN协议建立安全的远程数据传输通道。网络通信客户端和网络通信服务端首先建立TCP/IP连接，并经SSL握手消息的处理，进行双方身份的认证以及算法的协商，构建一个安全的传输通道，之后就可以在应用程序和数据库服务器之间转发访问请求和请求应答。网络通信客户端接收客户端转发的数据请求，将请求通过记录层模块的整合加密发送给网络通信服务端，并等待请求结果的返回。结果返回后，将其转发给应用程序。网络通信服务端处理来自网络通信客户端的数据请求，在记录层模块将请求进行解密，转发给服务端，并将服务端访问数据库服务器后的返回结果经记录层整合加密后转发给网络通信客户端。

结语

篇8

【关键词】搜救机器人;WiFi;数据采集;视频传输;数据传输

引言

我国是世界上自然灾害最为严重的少数国家之一[1]，灾后救援中尤以地震救援最为复杂和危险。根据近几年地震救援情况不难看出，由于地震发生后废墟结构极不稳定，很容易对废墟中的救援队员造成危险。伴随地震的还有爆炸，火灾，山体滑坡等等突况，救援工作困难重重。一部分伤亡在主震瞬间即刻发生，拯救生命，分秒必争[2]。灾后的救援工作往往遇到废墟极易坍塌，大型搜救设备无法快速到达，废墟空间狭小且稳定性差，存在有毒有害气体等困难[3]。因此在危险及复杂环境下使用具有感知环境有害气体、温湿度等环境参数、感知生命信息，实现视频回传等功能，且行动平稳，结构稳定，可远程控制的搜救机器人具有重要的现实意义。考虑受灾现场往往通信出现中断等故障，搜救机器人尽量避免需要依靠外界通信设备，其本身就应该具有通信功能。WiFi是目前广泛采用的一种短距离无线通信协议[4]，具有成本低、使用方便等优势，可以接入因特网与各种终端进行数据传送。

本文根据灾后救援中的各种问题，提出一种基于WiFi技术的小型无线搜救机器人设计方案。这种机器人体积较小，可以在狭小空间中自由移动，自带无线通信设备，可以与远在几百米以外的搜救队员进行视频和数据交互，帮助搜救队员掌握被困者位置和现场环境情况。搜救人员通过具有WiFi功能的操作终端（手持设备或PC机）连接和操纵机器人，根据回传的视频和环境数据进行实时分析，实时调整机器人的位置和行动情况，对搜救做出判断。本文研究了搜救机器人的设计结构，从硬件和软件两方面介绍了系统的设计，并给出了系统的测试结果。

1.系统框架设计

本系统由具有WiFi功能的移动机器人和位于远程的操作终端构成。移动机器人通过摄像装置采集的现场视频信息，搭载于机器人上的各种传感器检测到的环境参数，视频和各种数据通过WiFi网络传送到操作终端。同时移动机器人接收操作终端发出的控制命令，调整机器人的运动状态和摄像头的位置，完成指定的任务。操作终端显示当前的视频和数据信息，通过对实时图像和各类参数数据的分析，向机器人发出控制信号。移动机器人与操作终端之间应用mipg、streamer，socket等技术，通过WiFi网络实现数据的双向通信，完成探测、搜救等任务。图1为搜救机器人的系统结构示意图。

2.系统硬件设计

移动式机器人硬件主要包括处微理器模块、底盘及设备运动驱动模块、摄像头及云台控制模块、无线模块、环境参数感知模块和电源模块等几部分构成。

2.1 底盘及运动控制模块

机器人底盘采用双履带式驱移动平台，可以较好地适应灾后复杂的地形变化，以提高机器人在非平坦地面上的越障能力和灵活性[5]。2个独立的电机分别驱动车轮和履带。为保证电源供电，采用双电源供电形式。电源模块1为可重复充电的移动电源，为微控器、摄像头、WiFi模块及传感器提供DC5V电源。电源模块2采用航模锂电池，经过LM2596稳压，将12V电压降至9V电压，为移动驱动模块提供DC9V电源。

电机驱动采用恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N，驱动两个直流电机。L298N接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4.5～7V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为+2.5～46V。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。微控器产生PMW信号可由微控器或操作终端根据机器人的现场环境情况调节和更改，当电机需要调速行驶时，就可以通过调用中断函数实现正转，反转和左右差速转弯的动态调速。电机驱动控制电路如图2所示。

图1 搜救机器人的系统结构图

2.2 摄像头模块及云台控制模块

视频采集部分由高清网络摄像头和红外摄像头构成。考虑到灾后现场灰尘，烟雾，采光不好等干扰因素，光学摄像头和红外摄像头同时捕捉现场图像，增强黑暗情况下的图像捕捉能力，提高对人体等生命信息的识别能力，帮助搜救队员了解机器人前方路面情况，判别生命迹象。当机器人移动到特定位置时，云台控制模块工作，云台由三自由度平台和高度控制装置构成，通过PWM脉冲控制舵机转向来调节摄像头的上下高度位置，可以在360°内自由旋转，也可以小范围调节摄像头的仰角，控制摄像头的摄像角度，实现多方位多角度的观察。摄像头如图3所示。

图3 摄像头模块

2.3 环境参数感知模块

环境参数感知模块主要包括温湿度采集、烟雾探测和热释电红外感应等模块。

温湿度参数采集采用SH11温湿度传感器，它内部将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口集成于一个芯片内，输出为数字信号，传送给微控器。

热释电红外感应模块可以感知人体红外信息，由热释电红外传感器P2288实现。P2288是一种能检测人体发射的红外线而输出电信号的传感器。当感测到人体热释红外线的时候，P2288输出端输出一个很小的交流电流信号（约1.17毫安，0.3～10Hz的交流电流信号），经放大、I/V变换和电压比较后，输入到微控器。

烟雾探测模块由QM2实现，用于检测现场是否还存在烟雾，判别结构传送到微控器。

微控器将感知模块检测到的环境参数通过WiFi传送给操作终端并在终端上显示，提供给搜救队员以实时做出决策。

2.4 无线模块

无线模块负责构建一个可以运行底层协议的局域网。处于局域网中的各种终端，通过WiFi联网的移动机器人、通过以太网协议连网的上位机，都可在TCP/IP协议中的网络层及其之上各层进行数据的传输。

本系统中WiFi无线模块为GL.inet无线路由器，它具有150M无线速率，内置DDNS，具有独立访问域名，经Openwrt刷机后相当于一个Linux系统，支持连接USB摄像头，应用mipg.streamer，socket等可以很方便的实现PC机对移动机器人的控制。

WiFi模块与微控器之间通过串口方式进行双向数据通信，将摄像头采集的视频图像以及检测到的各种环境参数通过WiFi模块传送至控制终端。

3.软件设计

软件部分主要实现上位机与下位机的无线数据通信功能，上位机的操作界面，下位机与WiFi模块之间的通信协议以及下位机的数据采集及状态控制。

3.1 WiFi模块部分

WiFi模块实现构建一个可以运行TCP/IP协议的局域网。移动机器人与操作终端通过WiFi进行视频和各种检测数据以及控制命令的互相传送。本系统中无线通信采用TCP协议的Socket线程循环传输数据，具体过程如下：

机器人（服务器端）启动守护进程创建套接字Socket，建立IP地址，监听有效Socket端口，调用accept函数从连接请求队列中获得连接信息，等待与操作终端（客户端）建立连接。一旦连接成功，服务器端线程与客户端进行数据通信，服务器根据不同的请求，做出相应的处理，包括发送图像及环境参数数据或接受控制命令。客户端接受数据后，根据需要发送控制信号用来设置移动驱动信息给服务器端。数据通信完后关闭该线程，重新进入主线程循环建立发送线程。流程图如图5所示。

3.2 通讯协议包定义

由于单字符通信方式干扰较大，本系统下位机与上位机之间采用数据包格式传送指令，包头用0XFF，包尾用0XFF，无校验位，以不同的类型位表示不同的控制或操作命令。上位机利用无线网卡通过Socket发送数据包到路由器，路由器通过解包机制把数据包解开，通过串口发送到单片机并通过控制模块执行相关操作。上位机和下位机接受到数据包后只需去掉包头和包尾即可获得相应的指令信息。数据接收也是类似的方式。其协议规定如表1所示。

图5 WITF通信流程图

表1 通信协议包定义

图6 视频传输流程图

3.3 视频及环境参数数据传送程序

当下位机接收上位机发送的需要传送视频或环境参数数据命令时，打开视频设备，读取设备信息，进行视频采集，图像传送至上位机，流程如图6所示。

3.4 上位机

上位机部分基于windows 技术，采用Visual Studio 2010编写C#上位机客户端，首先利用编程器自带的控件设置主视频界面、按钮和滚动条区域，再通过TCP/IP协议，创建Socket套接字的实例，对按钮设置相应的指令代码。为保证数据发送的安全性和准确性，我们在每个数据包中设置0XFF的包头和包尾，中间以6位16进制的数据位作为真实指令的内容，分别控制机器人前后左右移动，舵机旋转和各类传感器的数据采集等。再通过connect的连接到路由器，以Send的方式向路由器发送Byte格式指令，当发送结束时，使用Close的方式释放占用的资源。

3.5 下位机与WiFi的通信协议

WiFi模块与微控器模块之间通过串口进行数据通信，软件部分主要设置串口通信的波特率、通信协议等，这里不再详细论述。

4.系统运行实验

经试验证明本搜救机器人的无线数据通信可达到50米，采用履带式运z行机构在复杂情况下具有较好的越障功能，运行稳定可靠，实现了视频回传、环境参数检测、远程控制等功能，运行情况如图7所示。

5.结束语

本文设计的一个WiFi小型搜救机器人实现了无线视频传输，环境监测，数据传输和多机协同作业等多种功能。采集的视频、环境参数等信号可传输至任意可连接WiFi的上位机终端。因为WiFi无线模块本身就是一个无线信号的发射源，所以即使在没有WiFi网络的区域仍可使用。当机器人与控制终端距离较远或WiFi信号不足时，通过增加中继节点，可以提高WiFi功率，提高传输距离。经试验证明，本系统可用于狭小空间内的探测和搜救任务，完成环境参数检测，地形勘测等任务，可以极大的减轻救援人员的负担。

参考文献

[1]孙祁祥，郑伟，孙立明，等.中国巨灾风险管理：再保险的角色[J].财贸经济，2004（9）：3-10.

[2]易晓阳，刘学科.浅谈地震救援卫勤保障中应把握的几个重点[J].西南军医，2006，8.

[3]张策，赵国存，张国宏，等.地震废墟搜救机器人控制系统开发与应用[J].控制工程，2011，18（增刊）：76-77.

[4]杜毓聪，金连文.通过WiFi移动lP网络操控家用机器人方案在PDA上的实现[J].计算机应用，2009，29（7）：1865-1867.

[5]王鹏，李鑫，江文浩.地震搜救机器人构型设计综述[J].哈尔滨理工大学学报，2012（1）：15-19.

篇9

关键词：工业自动化；OPC通讯；SCADA；SIEMENS S7 PLC

中图分类号：TP323 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 12-0000-02

The Development and Application of OPC-based Services PC and PLC system in Automation Project

Peng Yabin

(Zhejiang Kaiyuan Engineering Co.,Ltd.,Jinhua321014,China)

Abstract:This paper briefly introduces the principle of OPC,KEP Server EX and three OPC servers,and through the implementation of OPC service communication of IFIX SCADA and SIEMENS S7 series PLC automation control system,and according to the engineering practice in the way of industrial automation control system structure and function,can be used for the fields of automation design and reference works.

Keywords:Industrial automation;OPC communication;SCADA;SIEMENS S7 PLC

在通常使用的控制类产品中，包括DCS、PLC两大类。随着时代的进步和控制理念的更新，我们又将DCS的概念拓展到FCS，而且在一个工业自动化系统中，会共存很多系统与设备，为了满足自动化控制的需要，不同设备，不同系统之间的连接和通信需要可靠并且相互开放，OPC定义了一系列规范来满足多种系统和设备之间数据通信的需求，OPC为不同厂商的硬件设备、软件和系统定义了公共的接口，使得过程控制和工厂自动化中的不同系统、设备和软件之间能够相互连接、通信、操作。作为应用之一，SIEMENS及GE FANUC公司的S7系列PLC和IFIX组态软件通过KEPWARE、PC-ACCESS等OPC服务器通信，具备了可靠性高，编程简单，连接方便，通用性好，便于维护等特点，可满足各种自动控制需要外，还有良好的扩展性及强大的指令功能。

一、基于OPC服务的控制系统结构

工业自动化系统的核心是合理的控制逻辑及可靠的数据通讯，各种工业总线和数据库系统是在为可靠的数据通讯服务，因此OPC服务器必须满足上述要求，通过PLC及SCADA系统完成的控制结构大体如下：

（一）OPC简介。OPC（OLE for process control）是一个工业标准。它是由一些世界上占领先地位的自动化系统和硬件、软件公司与微软合作而建立的、满足开放性的和互操作性的接口标准。OPC标准的建立基于微软的COM（Component Object Model，组件对象模型）技术规范，并由OPC基金会这个国际组织管理。

OPC定义了一系列规范来满足多种系统和设备之间数据通信的需求。主要包括OPC数据存取规范、OPC报警与事件处理规范、OPC历史数据处理规范等。OPC规范只是定义了COM接口，OPC服务器提供者必须去实现这些接口和方法。

OPC服务器通过OPC规范定义了OPC COM组件的接口实现对数据源进行存取（读/写）或通信的方法等，数据源可以是现场的I/O设备，也可以是其它的应用程序。通过OPC服务器中COM组件提供的接口，OPC客户程序可以通过一个或多个厂商提供的OPC服务器来对数据源进行存取（读/写）或通信。如下图：

（二）KEP Server EX OPC 服务器简介。KEP Server EX OPC服务器由Kepware公司提供，Kepware公司在工业界通讯领域有着很高的声誉，是全球最知名的OPC服务器产品供应商。其产品.KEP Server EX OPC服务器：Kepware的为全球工业界领先的超级OPC服务器，提供非常卓越的工业互连通讯能力。她嵌入了工业市场上广泛范围的超过100多种通讯协议支持数百种以上设备型号的可下载驱动程序。

二、基于OPC服务的化学工业自动化控制系统

该系统为基于OPC服务的自动化控制系统，下位机采用SIEMENS S7300PLC（CPU313C），OPC服务器选用了KEPWARE Kep server Ex OPC服务器，上位机采用GE FANUC IFIX组态软件；整个系统开关量包括各种泵、阀的开启，电机的启停及状态检测；模拟量包括了反应器压力、温度及车间易燃气体浓度等信号，全部信号通过PLC采集后，经由OPC服务器传输回监控室数据库，由组态软件实现人机的交互，计算机需要记录各个过程的参数并以趋势图的方式显示出来供工艺人员使用，并提过越限报警记录功能，备查，各个过程的逻辑就地位于各个现场PLC当中，避免当通讯被破坏时执行机构的误动作。

由此可见，该系统采用本文所述方案，依靠PLC作为现场采集运算单元，应用成熟组态软件构成SCADA系统，基于OPC服务器以实现PLC与SCADA之间的可靠通讯接口，采集到数据库，藉以完成整个系统各个参数与逻辑的集成与控制。

（一）就地PLC单元。就地PLC主要完成的任务有：监控要求的各个工艺参数信号的采集，并根据工艺需要和控制需求，开发与之相适应的运算逻辑并输出控制信号，利用CP-341模块的通讯能力，通过以太网方式，将数据上传至数据库。1#PLC硬件配置如下（其余略）：

（二）PLC的OPC通讯服务器单元。OPC服务器采用的KEP Server EX OPC，内置的协议满足通过SIEMENS TCP/IP Ethernet方式与KEP Server EX通讯，配置如下：

通讯建立后，按规定格式，添加TAG，并与PLC测点表地址匹配，将自己需要通讯的数据按一定的命名规则，数据OPC服务器；完成后如下图。

（三）SCADA单元（OPC CLIENT）。上位机采用了主流的组态软件制作，GE FANUC公司出品的IFIX，GE Fanuc的iFIX是世界领先的工业自动化软件解决方案，提供了生产操作的过程可视化、数据采集和数据监控。在安装了IFIX OPC CLIENT驱动后，即可将PLC侧数据与上位机数据库数据通过OPC服务连接并通讯，如下：

通过VB脚本，完成控制界面及功能的制作：

至此，我们就已经建立了一条由PLC开始，通过OPC服务（PLC及上位机），到用户界面的数据通路，依靠这样一条通路，我们实现了数据的通讯，可满足在工业自动化要求的自动控制。通过上位机组态软件，我们可以利用过程数据库制作实时报表、趋势图以及历史数据查询等功能，在此不在敖述。最终HMI界面如下：

目前，该系统已投入运行多年，依靠该系统，可以实现以下功能：

1.获取工程现场电机及阀门状态。

2.获取现场主要工艺参数如压力、温度、浓度、电机电流等实时值，并记录，重点参数连锁逻辑自动控制。

3.数据记录，超限报警、报表显示。

自投运以来，通过OPC服务器运行稳定，数据丢包率极低，采集的数据准确可靠，满足工业运行的需要。

三、结束语

篇10

关键词：单片机；监控；数据；通信技术

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）02-0098-02

随着半导体技术的飞速发展，当前将超大规模集成电路集成到一个很小硅片上的技术已经得到了实现，由此带来了单片机技术的飞速发展。目前的单片机，已经由最初的4位、8位单片机，发展到现在的32位300 M高速单片机。32位单片机由于内部采用了RISC（精减指令系统计算机）机构，因而优化了指令系统，同时也带来了快捷的运算速度和超强的数据处理能力，同时由于其使用方便，具有强大的中断控制系统、定时/事件控制系统，同步/异步通信控制系统，因而可以利用单片机实现对分散测控对象的监控。目前，这项技术已经被越来越广泛地应用到野外作业、企业生产和军事指挥控制之中了。

1 单片机监控系统方案介绍

监控系统需要有一个主站、若干个机动从站构成。主站的作用在于收集来自传感器的数据信息，控制命令及实现自动化转台。从站位于固定机房、无人值守间及野外作业站等地方，其主要功能是对传感器的指示数据进行检测验收、对Karlman滤波后的生产工艺方程进行解算和相关显控处理等。主站与从站之间的通信方式采用点与点之间的码分多址通信。

从站电路功能如图1所示。

①主站和从站自定义了60芯的专用系统信号，结构采用双CPU（80C196、8031）扩展STD总线结构。为了和数据通信板的8031之间数据交换的便利，将0C000H-0C3FFH分配给双口RAM（IDT7130）。为了方便调试非全地址译码I/O空间，芯片类型选择了在线可编程芯片ISP2031。

②付站显控电路。显控主芯片采用MC6847，将80C196地址空间的0A000-0C000H分出供显存占用，监视器选择工业级CRT，屏幕分辨率800×600.自建专用12×12非标准汉字库。选择8279型号主芯片进行键盘控制。

③使用I/O板，进行数据接收。采用数字滤波技术消除模拟输入信号的噪声，为了使运行混乱的程序重新步入正规，采用在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的NOP，造成指令冗余的方式，避免后面的指令被当作操作数执行，从而使程序自动纳入正轨。

④智能接口板芯片采用3片MC6821控制芯片，通过对信号实现定位，达到和模拟器数据通信的目的。

⑤转台方位转换电路。同步传输机的模拟方位信号经由分立元器件电路获取后，予以一定的信号分离处置，转变成直流电平，经CPU切换后由AD变换电路分析出方位数据。其他传感器转换电路，采用高性能计数器记录下同步脉冲信号，最后由CPU进行处理。

2 有线/无线数据通信设计

实现单片机监控的重要环节在于中远距离通信方案的选择，对于单片机串行口来说，目前尚无法有效适应中远距离通信的需要，如果从站间距离较远，则点与点之间的距离就将超过1 km，这时候，需要采用调制解调技术。

2.1 有线数据通信

有线数据通信主要以电话线为主，经过数字调制解调器处理（Modem），形成FSK调制信号。我们可以选用TI公司生产的单片CMOS工艺的Modem，这种调制解调器符合CCITTV.23建议和BELL202标准，可以实现对通信信号的调制解调、载波检测，以及群延时均衡等功能。单片机的串行口RXD、TXD可以实现和RD及TD脚的直接相接。RXB脚的作用在于对接受信号偏压调整，门限电平则进行片内调整。为保证良好的收发性能，需要精确调整CDL脚作载波检测电平的W1、W2参数。RC、TC经过两级调制解调运放及1∶1变压线圈隔离后外接电缆插件。

2.2 无线数、话一体通信

当前，随着无线数据传输技术的日益成熟，在遇到复杂地形或者无法架设有线传输设备的时候，我们常常选择无线设施进行通信数据的传输。无线数据模块的选择在过去经常以MSM6927为主，该模块是日本OKI公司生产的一种单片集成、采用FSK调制的Modem。目前，随着我国无线通信模块技术的快速发展，国内一些厂商的设备也达到了国际先进工艺水平。如东莞博银KY-903，采用采用温补频率基准源，频率合成技术，可以实现点对点、点对多点，灵活组网。另外，提供了模拟通道，在实现无线数据传输的时候，也可以实现话音的传送，从而为系统监控提供了更大的便利。

2.3 通信软件设计

具体通信方法，采取先对主机写入数据，然后向各从机通信信息，以检验各从机是否及时相应，如未及时响应的从机，就将之从通信序列中清除出去，在实现这一过程之前，应设定主机与从机之间的响应规则，以避免多点同时响应导致的通信拥堵现象发生。

3 单片机监控系统保护措施

单片机监控系统常作为外部嵌入式系统而发挥监控作用，因而，为保证其正常工作，务必需要采取一定的保护措施，以时期可靠地进行工作。

①适时优化系统，进行冗余设计，不断提高软硬件的抗干扰能力。

②外接电源、通信电缆等装置都要加装防雷击、防风雨、防腐蚀装置，如加装防雷保护器，选用防腐蚀套管等。此外，应经常对外露设施进行定期检验，做到发现问题及早解决。

③不断优化算法设计。算法优化能够有效提高系统的可使用性。如Karlman滤波、AD采样后的“野值”剔除处理等。通过不断优化算法，达到提高运算速率，增强处理能力的作用。

④做好非正常复位工作。由于野外环境复杂，系统在使用过程中，难免会出现电压异常或者断电事故的发生，一旦出现意外，系统就将出现非正常复位现象。当系统非正常复位的时候，先要恢复一些必要的系统数据，如显示模块的初始化、片外扩展的初始化等。然后再对测控系统的系统状态、运行参数等予以恢复。之后再把复位前的任务、参数、运行时间等恢复，再进入系统运行状态。

4 结 语

目前，单片机以其强大的数据处理和通信、控制能力，已经被广泛应用到了众多的监控系统之中了。随着单片机系统模块集成度越来越高，利用单片机监控系统功能，必将会更加的便捷、可靠。

参考文献：

[1] 王丽娟，陈海涛.单片机监控系统及其应用研究[J].华北水利水电学报，2005，（4）.

[2] 薛万钧.基于单片机监控系统的研究[J].科技风，2009，（6）.