嵌入式狀態(tài)監測與故障診斷裝置的設計

1 引 言

　　傳統的狀態(tài)監測與故障診斷裝置通常采用現場(chǎng)總線(xiàn)方式，但此方式具有很大局限性：現場(chǎng)總線(xiàn)類(lèi)型多樣，相互之間差異較大，不能實(shí)現互操作，彼此連接困難，系統的信息共享和實(shí)時(shí)性不盡如人意。為了更好地搭起終端設備和遠程監控系統通信的橋梁，本文提出并設計了基于工業(yè)以太網(wǎng)的嵌入式狀態(tài)監測與故障診斷裝置，和傳統裝置相比，它有以下優(yōu)勢：實(shí)現了系統的高效、統一;用戶(hù)可以通過(guò)Internet隨時(shí)隨地監控大范圍的終端設備，取代了大量前置PC，具有更好的實(shí)時(shí)、實(shí)效性[1,2]。本裝置將現場(chǎng)采集到的實(shí)時(shí)數據通過(guò)以太網(wǎng)直接傳送到內嵌的Web服務(wù)器上，服務(wù)器生成用于遠程監測和遠程故障診斷的web頁(yè)面，用戶(hù)通過(guò)鍵入設備的IP地址，就可以隨時(shí)瀏覽到被監測設備的現場(chǎng)運行情況、數據采集信息以及報警信息等。

2 裝置結構與特點(diǎn)

　　目前，機電設備的狀態(tài)監測與故障診斷的整個(gè)系統結構如圖1所示：

圖1 嵌入式狀態(tài)監測與故障診斷系統結構

　　本文設計開(kāi)發(fā)了此體系的核心裝置――嵌入式機電設備監控裝置，主要分為3個(gè)模塊：

　?。?）數據采集模塊：包括多個(gè)現場(chǎng)數據采集單元。主要完成現場(chǎng)數據的檢測、采集。

　?。?）數據存儲與處理模塊：包括嵌入式現場(chǎng)總線(xiàn)/以太網(wǎng)監控工控機和數據庫。它通過(guò)EtherNet/IP協(xié)議，和現場(chǎng)總線(xiàn)數據采集單元進(jìn)行通信，實(shí)現靈敏檢測和數據存儲。

　?。?）在線(xiàn)監測模塊：包括嵌入式Web服務(wù)器和監測網(wǎng)站。服務(wù)器生成用于遠程監測和故障診斷的web頁(yè)面。網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)可以隨時(shí)掌握現場(chǎng)運轉情況，使遠程監控真正實(shí)現。

　　本裝置擁有以下三個(gè)先進(jìn)的特征：

　　1）應用工業(yè)以太網(wǎng)，使Ethernet/IP設備和現場(chǎng)設備能夠通信。為了實(shí)現這個(gè)功能，我們將以太網(wǎng)協(xié)議移植進(jìn)嵌入式Linux。

　　2）通過(guò)瀏覽器支持機電設備狀態(tài)的監控。我們在嵌入式Linux中移植了BOA，設計了動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)實(shí)時(shí)監控機電設備。

　　3）支持大容量數據存儲，用一個(gè)黑匣子對設備的實(shí)時(shí)數據資源進(jìn)行監控。通過(guò)大容量IDE總線(xiàn)的擴展，連接IDE系統硬盤(pán)，存儲大量數據[3]。

3 裝置的硬件設計

　　AT91RM9200是ATMEL針對系統控制及通信領(lǐng)域推出的基于A(yíng)RM920T內核的新微型控制器。它具有獨立的16KB指令和16KB數據cache、全功能的MMU虛擬內存管理單元、16KB SRAM和128KB ROM、64MB NAND Flash 存儲器、LCD控制器、EBI接口控制器、4個(gè)32位的PIO控制器、20通道的外設數據控制器（DMA）、3個(gè)同步串行控制器（SSC）、4個(gè)通用同步/異步接收/發(fā)送器（USART）、主/從串行設備接口SPI、16路12位ADC、1通道16位DAC、多媒體卡接口（MCI）、以太網(wǎng)10/100 Base-T 以太網(wǎng)媒體訪(fǎng)問(wèn)控制器（MAC）、觸摸屏接口、IDE接口等。

　　在處理器豐富資源的基礎上，本裝置對其進(jìn)行了相關(guān)的配置和擴展，將處理器通過(guò)16路12位ADC接口對機電設備的電壓或電流信號進(jìn)行采集，IDE接口外掛大容量IDE硬盤(pán)，用于存儲web、采集的數據等。通過(guò)DM9161芯片，該微處理器把EMAC接口外擴為以太網(wǎng)接口RJ45，與工業(yè)以太網(wǎng)連接[4]。AT91RM9200通過(guò)SPI接口連接CAN控制器SJA1000，CAN控制器與CAN收發(fā)器PCA82C250相連，用于連接DeviceNet。硬件結構如圖2所示：

圖2 硬件結構圖

4 裝置的軟件架構

　　軟件結構如圖3所示：

圖3 軟件架構圖

　　4.1移植工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議

　　工業(yè)以太網(wǎng)EtherNet/IP，是一種適用于工業(yè)環(huán)境的通訊體系，能夠在廣闊的區域中支持大量現場(chǎng)設備的連接。它采用通用工業(yè)協(xié)議（CIP）作為其應用層協(xié)議。CIP協(xié)議支持各種控制、配置和信息處理服務(wù)，包括顯式報文（用于信息傳輸，靈活的報文交換）以及隱式報文（用于控制和實(shí)時(shí)I/O數據的傳輸），支持輪詢(xún)、周期和狀態(tài)改變數據傳輸觸發(fā)機制，點(diǎn)對點(diǎn)單播和廣播數據傳輸方式[5,6]。OE服務(wù)的設計簡(jiǎn)化了EtherNet/IP的移植，只需要修改操作環(huán)境文件來(lái)適合ARM Linux操作體系。

　　4.2 移植BOA

　　從

圖4 UDP Socket通信B/S架構

　　系統動(dòng)態(tài)頁(yè)面如圖5所示：

圖5 狀態(tài)監測與故障診斷系統主界面

5 結束語(yǔ)

　　本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：將工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、嵌入式Web Server技術(shù)、CGI技術(shù)、動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)技術(shù)應用于嵌入式狀態(tài)監測與故障診斷裝置中，用戶(hù)通過(guò)URL就可以隨時(shí)查看現場(chǎng)設備的運行情況和報警信息，與傳統監控裝置相比，提高了監控的實(shí)時(shí)性，縮短了檢修時(shí)間，節省了檢修費用，真正實(shí)現了維修制度從事故維修、定期維修向視情維修的轉變。