王学斌的关于数字技术的研究报告

流香

随着数字化技术和监控技术在工业领域的发展，工业化监控系统已由模拟监控转向了数字化监控。此时，现场总线技术成为工业现场测控中的主导，该技术综合地运用微处理器技术、网络技术、通信技术和自动控制技术于一体，把专用微处理器装置引入传统的现场仪器仪表，使其具有高性能数字化通信的能力，成为能够独立承载某些控制、通信任务的网络节点[1]。把包括DCS、PLC以及各类智能化的现场控制设备作为节点构成网络控制系统，基于统一、规范的通信协议，通过同一总线实现相互间的数据传输与信息共享，从而达到现场总线监控的目的[2]。
1.2 相关技术在国内、外研究发展现状
1.2.1 基于Internet的测控网络技术的发展状况
网络和通信技术伴随着网络化监控的发展，对当今智能化远程控制系统的发展起到了决定性作用，对远程监控系统中监控距离和安全性的要求也在不断提高。而工业控制从最初的计算机集中控制发展到集散式控制，直到后来的现场总线控制，体现了控制系统向网络化、分布式、高集成式发展的趋势。
基于Internet的测控网络通信构架至少有三种：C/S构架、B/S构架以及B/S与C/S混合构架等。目前，许多工业控制领域都采用传统的C/S两层结构的网络模型，由于其结构简单，在同一网段中的数据交换与监控性能是比较稳定的[11][12][13]。比如：基于C/S结构的邮政储蓄网点视频监控系统的研究与实现 <http://dlib.cnki.net/kns50/detail.aspx?QueryID=24&CurRec=3>、基于C/S结构的应用服务器多任务管理机制的研究与实现 <http://dlib.cnki.net/kns50/detail.aspx?QueryID=24&CurRec=19>以及基于C/S结构的卫星运行仿真系统分析及集成初步研究 <http://dlib.cnki.net/kns50/detail.aspx?QueryID=24&CurRec=34>等等。但对于客户机比较分散的应用系统来说，维护客户端程序较麻烦且灵活性差。随着IE浏览器技术的日益成熟，B/S结构应运而生，这种三层(或多层)之间相互独立，可以跨平台操作，在任何一台装有IE浏览器软件的机器上就可以轻松访问远程系统，无须开发客户端软件，而且维护和升级比较方便，特别对于远离办公现场的作业现场，可能无法实现内网连接时，这种模式更显示出其优越性[14][15][16]。例如：基于B/S 结构的直放站集中监控网管的设计与实现、基于B/S结构装备库房监控系统的研究、以及基于B/S结构生产监控与诊断系统研究等。但由于B/S结构与数据库之间独特的连接方式，对数据库的操作效率一般要比C/S结构的差，所以对于信息管理系统来说，当需要大量的数据维护或人机交互时，相对会比较困难，远没有C/S结构下的数据维护方便。在数据库系统中,数据的安全性、一致性及事务的并发控制等是重要的性能指标，B/S结构下此类要求的应用开发或维护相对来说比较困难，虽然有很多这方面的研究成果,但尚无成熟的技术可供使用。在此基础上，总结B/S和C/S结构的优点，提出了基于B/S和C/S混合构架的管理监控系统。例如在基于GPRS和C/S、B/S的挖掘机远程监控及故障诊断系统的研究中，通过利用C/S构架实现数据远程传输、中转和存储，B/S结构实现异地分布式地访问，从而实现对挖掘机的远程监控和故障诊断[17]。
网络监控系统在功能上也在不断地完善，不但需要对监控终端和服务器端的数据进行采集、传输、查询、分析、反馈以及诊断和决策等，而且需要最大限度地提高系统资源的利用率和占用率，减少任务的平均响应时间等。比如在MCS网络监控系统的研究论文中，解决了NAT (Network Address Translation 网络地址转换)内网穿透、高速数据缓存、终端实现等一些关键技术，这些技术用于解决服务器主动透过NAT与监控端模块进行实时通信，缩短等待时间，而且完成了以太网通信协议(如TCP/IP，ICMP，ARP，UDP等协议)下的数据包形成、接收、发送和判断等功能。减少网络中每个节点通过竞争来取得信息包的发送权也是非常必要的[18]。
对于网络发展以来，安全问题一直以来都是一个薄弱环节，对于工业测控网络来说，其要求相对更高，针对安全问题的解决方案也是层出不穷，较为典型的解决方案体现在分布式网络化远程测控系统中，该系统的网络安全问题一般体现在传输机密信息时，信息在通信过程中的泄漏。对此，需要要解决的安全问题就是各节点之间的安全通信，制定安全协议。其中，安全协议的安全性分析方法包括了攻击检测方法和形式化分析方法，后者于80年代兴起，在测控网络安全方面的应用及为广泛。目前，国内已有一些测控网络安全的解决方案和产品，不过与国外相关技术和产品相比尚有差距[19]。
1.2.2 ARM嵌入式技术的发展及研究现状
最早开发的嵌入式控制器是以单片机为核心来实现监控的，通过扩展外部总线接口模块，在控制器中实现对工业现场的监控。最近几年，嵌入式系统监控技术已在工业控制领域得到了广泛应用。此时，各种总线接口已集成在嵌入式智能芯片中，成为智能仪器仪表装置的核心部件。在ARM微处理器中，通过这些总线接口可对仪器仪表装置进行功能扩展，使仪器仪表在具有体积小携带方便、稳定性高等优点的同时还具有传感测量、补偿计算与信号分析处理等功能[20]，并由此形成了仪器仪表行业在工业智能控制领域新的发展趋势。
目前，嵌入式实时多任务操作系统已经从简单走向成熟，具有代表性的主要有VxWorks、QNX、ucLinux、uC/OS、Palm OS、WinCE.Net等。在众多嵌入式操作系统中，Windows Embedded CE是一个开放的、可裁剪的、32位实时多任务嵌入式窗口操作系统，它具有可靠性好、实时性高、内核体积小等特点，被广泛应用于工业控制领域的各种高性能嵌入式智能专有设备的开发。例如：基于ARM便携振动监测仪的WinCE.Net移植和驱动开发、基于IntelPXA270的WinCE操作系统移植、基于Xscale的车载系统的WinCE移植和驱动开发等，对嵌入式WinCE.Net系统的裁剪和移植方法进行了研究。在Windows CE平台下，利用集成开发工具Platform Builder裁剪适合于相应需求的操作系统，实现包括系统移植、驱动开发和应用程序开发等功能于一体的智能化控制系统。针对其实际要求，对相应嵌入式WinCE.Net操作系统裁剪、移植，并通过该操作系统对其进行应用软件开发和驱动程序开发[21][22][23]。
1.2.3 USB总线技术的发展及研究概况1.2.4 网络监控技术与嵌入式技术在针织比如：基于WinCE5.0的电脑绣花机花样管理系统的研究、基于WinCE的高速工业绣花机运动控制的研究与应用等。但是，目前在国内并没有相关的Ethernet监控技术与ARM嵌入式技术结合应用于人造提花毛皮的生产、监控和管理上。