以太網(wǎng)遠程監控系統實(shí)現遠程監測控制和管理技術(shù)設計開(kāi)發(fā)

隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應用日趨廣泛，基于以太網(wǎng)的遠程監控系統實(shí)現遠程監測、控制和管理的有效集成[2]。使用遠程監控系統通過(guò)網(wǎng)絡(luò )對工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監測，及時(shí)了解現場(chǎng)信息，快速進(jìn)行決策。

　　遠程控制的關(guān)鍵技術(shù)在于如何解決工業(yè)現場(chǎng)設備的網(wǎng)絡(luò )接入問(wèn)題。目前，主要有兩種方法：一種是使用PC機通過(guò)PC機端口（如RS232、USB接口）或數據采集卡來(lái)采集數據同時(shí)提供網(wǎng)絡(luò )接口[3]，這種方法利用強大的PC機軟件支持，容易實(shí)現網(wǎng)絡(luò )通信功能，但是PC機端口資源有限，專(zhuān)用采集卡成本較高，難以推廣;另一種就是在現場(chǎng)使用嵌入式系統實(shí)現網(wǎng)絡(luò )接入，嵌入式系統具有功耗低、體積小、成本低、可靠性高、實(shí)時(shí)性強等特點(diǎn)，使用在工業(yè)控制現場(chǎng)比較合適。

　　本文將嵌入式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)相結合，在現場(chǎng)利用嵌入式系統實(shí)現網(wǎng)絡(luò )通信功能以實(shí)時(shí)傳輸液位信號和控制信號，在客戶(hù)端PC機上通過(guò)套接字編程實(shí)現與現場(chǎng)嵌入式系統的遠程通信，從而達到對遠程液位的監控。

　　1 遠程液位監控系統結構

　　本文設計的遠程液位監控系統結構如圖1所示：其中，處理器芯片采用ARM微處理器S3C44B0X;S3C44B0X自帶8路10位ADC進(jìn)行A/D轉換來(lái)采集液位數據，通過(guò)擴展DAC0832實(shí)現D/A轉換以輸出控制量;S3C44B0X連接10M以太網(wǎng)卡RTL8019AS，提供網(wǎng)絡(luò )功能的硬件接口;μC/OS-Ⅱ移植到S3C44B0X上，提供操作系統的支持，方便了應用程序的開(kāi)發(fā)和對整個(gè)系統的管理;嵌入式TCP/IP協(xié)議棧LwIP移植到μC/OS-Ⅱ平臺上，實(shí)現對網(wǎng)絡(luò )數據的軟件處理，從而為嵌入式系統提供網(wǎng)絡(luò )通信功能;遠程PC機客戶(hù)端登錄到嵌入式系統服務(wù)器上，通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現兩端數據的實(shí)時(shí)交互。

圖1 遠程液位監控系統結構圖

　　2 硬件介紹與設計

　　三星的S3C44B0X微處理器芯片采用ARM公司16/32位ARM7TDMI RISC結構的CPU核，主頻為66MHz，通過(guò)擴展一系列通用外圍部件，提供豐富的外設功能。它的存儲系統具有8個(gè)存儲體，每個(gè)有32MB的存儲空間，通過(guò)nGCS0-7這8個(gè)片選來(lái)分配。本文使用的設計方案中nGCS0接Flash芯片AM29LV160DB，起始地址0x00000000，大小為2MB，nGCS6接SDRAM芯片HY57V641620ET-7，起始地址為0x0c000000，大小為8MB，nGCS3接RTL8019AS，起始地址為0x06000000。

　　RTL8019AS是一款高度集成的全雙工以太網(wǎng)控制器，收發(fā)可同時(shí)達到10Mbps的速度;支持8位、16位數據總線(xiàn)，8個(gè)中斷請求線(xiàn)可供選擇;支持UTP、AUI和BNC的自動(dòng)檢測;內置16K的SRAM，用于數據緩沖，以256B為單位的分頁(yè)結構，可以自行分配用于收發(fā)的分頁(yè)的大小和位置，一般前12頁(yè)用于發(fā)送緩沖，后52頁(yè)用于接收緩沖;硬件自帶收發(fā)CRC校驗、FIFO邏輯隊列等，減少了主CPU處理網(wǎng)絡(luò )數據的工作量。S3C44B0X對RTL8019AS的操作主要集中在對網(wǎng)卡寄存器的讀寫(xiě)和網(wǎng)卡內SRAM的處理。

　　3 軟件設計

　　3.1 基于嵌入式系統的服務(wù)器端程序設計

　　3.1.1 S3C44B0X上μC/OS-Ⅱ的移植

　　嵌入式操作系統μC/OS-Ⅱ可以運行于各種不同類(lèi)型的微處理器上，其內核小、效率高，并且具有高度的模塊化和可移植性，支持多任務(wù)實(shí)時(shí)調度，擴展后可支持網(wǎng)絡(luò )功能、圖形界面等，使得應用程序的開(kāi)發(fā)更加簡(jiǎn)單，功能更加豐富。

　　在使用μC/OS-Ⅱ之前，要先將它移植到S3C44B0X上，移植工作主要包括三個(gè)方面[4]：

　?。?） 設置與處理器和編譯器相關(guān)的代碼，包括一系列數據類(lèi)型的定義，開(kāi)中斷宏、關(guān)中斷宏的實(shí)現，定義堆棧的生長(cháng)方向;

　?。?） 用C語(yǔ)言編寫(xiě)6個(gè)操作系統相關(guān)的函數：OSTaskStkInit（）初始化任務(wù)的堆棧結構，和5個(gè)鉤子函數OSTaskDelHook（）、OSTaskSwHook（）、OSTaskStatHook（）、OSTimeHook（）、OSTaskCreateHook（）;

　?。?） 用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)4個(gè)與處理器相關(guān)的函數：運行優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)函數OSStartHighRdy（），任務(wù)級的任務(wù)切換函數OS_TASK_SW（），中斷級的任務(wù)切換函數OSIntCtxSw（），時(shí)鐘節拍服務(wù)函數OSTickISR（）。

3.1.2 μC/OS-Ⅱ上TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現

LwIP（Light-weight IP）是瑞典計算機科學(xué)院（Swedish Institute of Computer Science）的Adam Dunkels等開(kāi)發(fā)的一套開(kāi)源的TCP/IP協(xié)議棧[5]，LwIP在保持TCP/IP協(xié)議主要功能的基礎上減少對RAM的占用，這使得它適合在低端嵌入式系統中使用。

　　LwIP協(xié)議棧在設計時(shí)已經(jīng)把所有與硬件、操作系統、編譯器等移植相關(guān)的部分獨立出來(lái)，放在/src/arch目錄下。因此LwIP在μC/OS-Ⅱ上的實(shí)現就是修改這個(gè)目錄下的文件[6]。

　?。?） 與CPU、編譯器相關(guān)的部分

　　主要是cc.h、cpu.h、peRF.h文件中有關(guān)數據長(cháng)度、字的高低位順序等的定義，這些應該與實(shí)現μC/OS-Ⅱ時(shí)參數的定義保持一致。另外，一般情況下C語(yǔ)言的結構體struct是4字節對齊的，但是在處理數據包的時(shí)候，LwIP使用的是通過(guò)結構體中不同數據的長(cháng)度來(lái)讀取相應的數據，所以，一定要在定義struct的時(shí)候使用_packed關(guān)鍵字，讓編譯器放棄struct的字節對齊。

　?。?） 與操作系統相關(guān)的部分