一種基于Ethernet接入模塊的監控系統

2004年9月A版

摘  要：介紹了所開(kāi)發(fā)的Ethernet接入模塊，重點(diǎn)論述了基于Ethernet接入模塊的機動(dòng)車(chē)安全性能檢測線(xiàn)監控系統各種功能的實(shí)現。

關(guān)鍵詞：Ethernet接入模塊；  TCP/IP協(xié)議；  監控系統

引言

　　以太網(wǎng)(Ethernet)因其技術(shù)成熟，通信速率高，硬件產(chǎn)品種類(lèi)豐富、價(jià)格低廉，已在商用計算機的通訊領(lǐng)域和工業(yè)控制系統的信息管理領(lǐng)域得到了廣泛的應用。但長(cháng)期以來(lái)由于Ethernet采用的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方式是沖突檢測載波監聽(tīng)多點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)CSMA/CD,決定了Ethernet通信具有不確定性，成為其應用于工業(yè)自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò )的主要障礙。

　　隨著(zhù)以太網(wǎng)通訊速率成幾何級數的增長(cháng)，百兆/千兆網(wǎng)技術(shù)的成熟、交換機技術(shù)和全雙工通信方式的發(fā)展，以太網(wǎng)在低網(wǎng)絡(luò )負荷時(shí)通信響應確定，并能可靠傳輸工業(yè)現場(chǎng)數據，使以太網(wǎng)用于工業(yè)現場(chǎng)具備了現實(shí)可能性。與其它現場(chǎng)總線(xiàn)相比，采用以太網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )具有結構簡(jiǎn)單、設備成本低、傳輸距離遠等諸多顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)。

　　以太網(wǎng)進(jìn)入控制現場(chǎng)的關(guān)鍵是現場(chǎng)設備的嵌入式Internet技術(shù)，目前已開(kāi)發(fā)出的產(chǎn)品主要是在現場(chǎng)設備的16位或32位高性能MCU上駐留TCP/IP協(xié)議棧，通過(guò)與設備上的WEB服務(wù)器交互來(lái)達到監控設備的目的。對于中小型的普通工業(yè)控制現場(chǎng)而言，這類(lèi)產(chǎn)品價(jià)位偏高，并不實(shí)用。筆者開(kāi)發(fā)了基于通用8位單片機的Ethernet接入模塊，應用于機動(dòng)車(chē)安全性能檢測線(xiàn)現場(chǎng)，設計并完成了一套功能完備的機動(dòng)車(chē)安全性能檢測線(xiàn)監控系統。

監控系統結構

　　機動(dòng)車(chē)安全性能檢測線(xiàn)監控系統如圖1所示?，F場(chǎng)各檢測設備(含光電管、繼電器等)通過(guò)Ethernet接入模塊與監控節點(diǎn)、數據庫服務(wù)器、WEB服務(wù)器構成總線(xiàn)式Ethernet網(wǎng)絡(luò )，其物理層實(shí)質(zhì)上是基于交換式集線(xiàn)器的星形結構。

　　系統中，Ethernet接入模塊嵌入各檢測設備，一端與檢測設備的I/O接口或RS-232等串口通信，另一端接入基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)?，F場(chǎng)檢測的控制主要靠主控機來(lái)完成，依據流程，主控機通過(guò)Ethernet接入模塊和各檢測設備之間進(jìn)行控制信息交互，從檢測設備讀取的檢測數據存入網(wǎng)絡(luò )數據庫中。監控管理機除可以進(jìn)行檢測項目、標準、權限設定等靜態(tài)管理外，還可對現場(chǎng)的任一檢測設備進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。遠程監控中心通過(guò)Internet訪(fǎng)問(wèn)檢測線(xiàn)的Web服務(wù)器，根據權限實(shí)現對檢測線(xiàn)的遠程監控，亦可借助Internet供應商提供的服務(wù)，通過(guò)Ethernet接入模塊直接對現場(chǎng)設備進(jìn)行控制。

Ethernet接入模塊

模塊結構

　　Ethernet接入模塊實(shí)質(zhì)上是一個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議轉換器，主要完成TCP/IP協(xié)議與現場(chǎng)總線(xiàn)RS-232協(xié)議的轉換。模塊結構如圖2所示。該模塊將通用的8位單片機與以太網(wǎng)控制芯片相結合，加上相應的外圍電路而構成?？煞殖扇齻€(gè)子模塊：以太網(wǎng)控制芯片子模塊，負責接收以太網(wǎng)幀，并把數據送給單片機處理；接收單片機發(fā)來(lái)的數據，按以太網(wǎng)幀格式發(fā)到以太網(wǎng)。單片機子模塊，負責控制整個(gè)模塊，從以太網(wǎng)控制芯片子模塊中將數據包讀入內存，進(jìn)行拆包處理，并將有關(guān)數據發(fā)向RS-232串行接口；將RS-232串行口來(lái)的數據按有關(guān)協(xié)議進(jìn)行打包，送以太網(wǎng)控制芯片子模塊發(fā)至以太網(wǎng)上。擴展子模塊，單片機外圍擴展了程序和數據存儲器，滿(mǎn)足程序和數據的存儲需要。

　　為模塊開(kāi)發(fā)的軟件主要有：模塊初始化程序、以太網(wǎng)控制器驅動(dòng)程序、TCP/IP協(xié)議棧程序、系統網(wǎng)絡(luò )配置程序等。模塊初始化程序用于設置單片機工作模式及外圍芯片選擇字；以太網(wǎng)控制器驅動(dòng)程序用于設置以太網(wǎng)控制芯片的工作狀態(tài)及工作方式，配置收發(fā)數據的緩沖區；TCP/IP協(xié)議棧程序實(shí)現ARP、IP、UDP協(xié)議；系統網(wǎng)絡(luò )配置程序用于給監測系統分配IP地址及域名。

TCP/IP協(xié)議“剪裁”

　　用于現場(chǎng)級的以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議如圖3所示。

　　受8位單片機自身結構和功能的限制，從實(shí)用、夠用角度出發(fā)，該模塊對嵌入單片機的TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行了“瘦身”處理，對TCP/IP進(jìn)行“剪裁”，主要保留數據傳輸的基本功能。

　　由于機動(dòng)車(chē)安全性能檢測線(xiàn)負責監控的站點(diǎn)相對固定，線(xiàn)上測控數據量非常小(一次數據傳送量一般不超過(guò)100Byte)，“剪裁”的方案是：在鏈路層，單片機維護一個(gè)靜態(tài)的IP地址與MAC地址的映射表，取消RARP，實(shí)現的ARP也僅響應網(wǎng)絡(luò )ARP請求，發(fā)送ARP回答包。請求者廣播出包含ARP請求的以太網(wǎng)幀(幀類(lèi)型為0X0806)，目的以太網(wǎng)地址為全１的廣播地址，本模塊收到后，發(fā)送一個(gè)包含自身MAC地址的ARP回答，以使以太網(wǎng)上PC主機建立和維護IP地址和MAC地址的映射表；在網(wǎng)絡(luò )層，取消ICMP協(xié)議，在處理IP報頭時(shí)，不考慮數據分片和優(yōu)先權問(wèn)題，在服務(wù)類(lèi)型和標志偏移域全部填“0”，在“協(xié)議”域填“17”，程序僅對頭核校和和上層是否是UDP協(xié)議進(jìn)行判斷； 在傳輸層，選擇基于無(wú)連接的UDP，而不用TCP。TCP雖然是基于連接的可靠性傳輸協(xié)議，但開(kāi)銷(xiāo)大，對汽車(chē)安全性能檢測線(xiàn)監控網(wǎng)絡(luò )而言，通過(guò)采用超時(shí)重發(fā)、應用層端口判斷、校驗值檢查等措施，可以有效解決UDP的無(wú)連接和不可靠問(wèn)題?！凹舨谩焙蟮腡CP/IP協(xié)議棧程序只有8KB大小，既適應了單片機的存儲結構，也完全滿(mǎn)足現場(chǎng)單片機通訊需求。

模塊工作流程

　　模塊上電、初始化后，單片機采用查詢(xún)方式判斷以太網(wǎng)控制芯片中是否收到數據包，若有就讀入內存，拆包，若是ARP包，則進(jìn)行ARP響應；若是UDP包，拆包，檢查應用層端口、檢驗值，判斷應用層數據是否為I/O操作命令，是則執行I/O操作命令，其中讀I/O端口的數據要打包發(fā)往網(wǎng)絡(luò )；若不是I/O操作命令，將應用層數據從TXD口送出。采用中斷方式接收RXD口來(lái)的數據，打包送以太網(wǎng)。UDP數據包在網(wǎng)絡(luò )中采用超時(shí)重發(fā)、出錯重發(fā)機制，保證模塊與控制節點(diǎn)間按流程進(jìn)行通信。

監控實(shí)現

　　主控機等監控計算機與現場(chǎng)檢測模塊之間的節點(diǎn)通信、現場(chǎng)測控管理的實(shí)現以及從遠程監控計算機對現場(chǎng)節點(diǎn)的訪(fǎng)問(wèn)等全面監控方式的實(shí)現在設計了Ethernet接入模塊后均可方便的直接觸及現場(chǎng)模塊，從現場(chǎng)實(shí)時(shí)采集數據、控制管理，真正做到點(diǎn)對點(diǎn)測控管理，簡(jiǎn)化監控管理的模型。

節點(diǎn)通信實(shí)現

　　主控機、監控管理機和WEB服務(wù)器與各Ethernet接入模塊的通信基于Delphi6.0的TNMUDP組件，是無(wú)連接的Socket機制。UDP數據報傳送時(shí)，雙方各先建立一個(gè)套接字，然后將各自的套接字和本地網(wǎng)絡(luò )地址綁定在一起，調用sendto()函數發(fā)送數據，調用recvfrom()函數接收，UDP數據拆包后按定義的通信協(xié)議進(jìn)行處理(包括安全驗證、出錯重發(fā)等)。

現場(chǎng)測控管理實(shí)現

　　用Delphi6.0結合SQL Server 2000開(kāi)發(fā)主控機程序和監控管理機程序。主控機將檢測項目分成若干工位，上線(xiàn)檢測的汽車(chē)登錄后在線(xiàn)上獲取唯一ID標識，并利用多線(xiàn)程技術(shù)控制多輛汽車(chē)同時(shí)在線(xiàn)，按登錄時(shí)確定的項目進(jìn)行檢測。主控制機工作時(shí)，禁止網(wǎng)絡(luò )其它主機與現場(chǎng)檢測設備進(jìn)行通信。監控管理機一是在現場(chǎng)檢測設備工作時(shí)，從數據庫服務(wù)器實(shí)時(shí)地讀取車(chē)輛的檢測信息和設備狀態(tài)信息，監控數據超差和狀態(tài)異常等情況；二是在檢測線(xiàn)空閑或出現故障時(shí)，可直接與現場(chǎng)設備分別進(jìn)行通信，讀取設備的自檢信息和設備的狀態(tài)信息，分析判斷設備正常與否或故障原因。

遠程監控實(shí)現

　　由于采用以太網(wǎng)技術(shù)給每個(gè)現場(chǎng)模塊設定IP地址，使其在網(wǎng)絡(luò )上具有了唯一性的節點(diǎn)，對其的訪(fǎng)問(wèn)也就變得比其他總線(xiàn)形式更加簡(jiǎn)單，主機只需要根據Socket編寫(xiě)通用的訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的程序，Ethernet接入模塊均可按照UDP協(xié)議進(jìn)行識別和處理，使得程序結構簡(jiǎn)化。

　　本系統遠程監控基于B/S模式，采用ActiveX控件通過(guò)Socket的機制與網(wǎng)關(guān)接口服務(wù)程序相連，由服務(wù)程序讀取數據庫檢測數據和信息，并送到客戶(hù)端。當檢測線(xiàn)需要遠程維護或診斷時(shí)，服務(wù)程序與各檢測設備的Ethernet接入模塊通信，讀出設備自檢和光電管、繼電器狀態(tài)等信息，顯示在遠程客戶(hù)端瀏覽器頁(yè)面上。為使遠程監控或診斷具有更強的現場(chǎng)感和實(shí)時(shí)性，可將監控管理機的程序功能移植于遠程客戶(hù)端，借助Internet上的VPN服務(wù)，遠程對現場(chǎng)各檢測設備直接進(jìn)行測控。

安全控制措施

　　監控系統在檢測線(xiàn)內網(wǎng)加裝測毒、殺毒軟件，內網(wǎng)與外網(wǎng)之間構筑防火墻，采用包過(guò)濾、應用網(wǎng)關(guān)技術(shù)和身份認證技術(shù)，防止非授權的外網(wǎng)用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)內網(wǎng)數據或操作控制現場(chǎng)檢測設備。

結語(yǔ)

　　Ethernet接入模塊體積小，功耗低，成本低廉，接入方便，在機動(dòng)車(chē)檢測線(xiàn)現場(chǎng)使用，減少了監控網(wǎng)絡(luò )的結構層次，使整個(gè)工業(yè)管理現場(chǎng)總線(xiàn)統一化，信息管理層與現場(chǎng)控制層首次采用一樣的總線(xiàn)技術(shù)完成；省去了485總線(xiàn)方式中的多串口卡、串并行數據線(xiàn)等硬件設備和大量的數據線(xiàn)路；使控制程序與檢測設備之間的通信統一起來(lái)，有效解決了為適應不同設備的不同通信方式而更改控制軟件的問(wèn)題，提高了控制軟件的獨立性，增強了軟件的移植性。通過(guò)現場(chǎng)工作驗證，本系統具有工作穩定、可操作性強、通訊實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。

參考文獻：

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