基于嵌入式Web服務(wù)器的遠程故障診斷系統

1 系統原理及組成

圖1是基于嵌入式Web服務(wù)器的數據采集與故障診斷系統的結構圖。從圖1中可以看出，整個(gè)遠程故障診斷系統可分為三個(gè)部分：嵌入式Web服務(wù)器的數據采集、客戶(hù)方局域網(wǎng)、遠程診斷服務(wù)器與網(wǎng)上診斷資源。

1.1 嵌入式Web服

近年來(lái)互聯(lián)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢就是它被越來(lái)越多地用于低成本的場(chǎng)合，如手持設備、智能家電等。8位處理器已經(jīng)在很多場(chǎng)合替代昂貴的32位處理器實(shí)現互聯(lián)；而且這種策系統也有著(zhù)自身的優(yōu)點(diǎn)，例如：低廉的價(jià)格、易于與各種傳感器和采集器接口、體積小巧，而且能很方便地擴展各種協(xié)議如UART、I2C、SPI協(xié)議等與以太網(wǎng)協(xié)議的轉換，從而實(shí)現遠程數據采集和遠程控制。  本系統中嵌入式Web服務(wù)器為客戶(hù)方局域網(wǎng)提供網(wǎng)絡(luò )接口，同時(shí)具有現場(chǎng)數據采集的功能，實(shí)現現場(chǎng)采集數據到客戶(hù)局域網(wǎng)的數據傳輸?？朔藗鹘y方法中需要現場(chǎng)配置PC機的缺陷，而且更能克服環(huán)境條件的限制。

（1）硬件結構

嵌入式Web服務(wù)器硬件結構如圖2所示。

本系統中嵌入式Web服務(wù)器選擇SX52BD作為主控CPU。SX52BD是美國Ubicom公司專(zhuān)門(mén)為網(wǎng)絡(luò )通信設計的一款8位超高速控制器，運行速度可高達50MHz。該芯片基于RISC架構、運算速度高、靈活的I/O控制、高效的數據操作，而且支持ISP在線(xiàn)編程。

本系統選擇24LC256串行EEPROM作為數據存儲單元（網(wǎng)頁(yè)存儲單元）。24LC256是32K字節的串行EEPROM，通過(guò)I2C總線(xiàn)與SX52BD通信?？梢源娣挪杉瘮祿蛘呔W(wǎng)頁(yè)。如果需要存儲網(wǎng)頁(yè)，應該預留網(wǎng)絡(luò )下載接口（可以通過(guò)I/O口線(xiàn)擴展串行口，網(wǎng)頁(yè)內容通過(guò)PC機串口下載）。NIC芯片可選擇RTL8019AS或者美國DAVICON公司的DM9008。RTL8019AS是臺灣REALTEK半導體器件公司生產(chǎn)的10BaseT全雙工以太網(wǎng)收發(fā)控制器。

這兩款控制器與NE2000完全兼容，只是管腳分布有些不同。數據采集部分可以根據需要自行選擇，具有相當的靈活性。 

（2）軟件實(shí)現

本系統中嵌入式Web服務(wù)器的軟件主要由芯片初始化設置、TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現、數據采集及處理等模塊組成。在程序中加入基于TCP/IP協(xié)議的用戶(hù)自定義數據通信協(xié)議。這樣使客戶(hù)局域網(wǎng)中的PC機能夠與嵌入式Web服務(wù)器進(jìn)行自定義的通信，如：發(fā)送數據采集命令、采集參數初始化命令等。利用SX52BD實(shí)現的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧中，物理層功能由網(wǎng)絡(luò )接口卡（NIC芯片）來(lái)完成。

程序的初始化部分包含其驅動(dòng)程序。網(wǎng)絡(luò )層部分加入了地址解析協(xié)議（ARP），實(shí)現IP地址到物理地址的映射。整個(gè)結構如圖3所示。

協(xié)議棧的實(shí)現主要分為接收數據包的解釋以及發(fā)送數據包的打包。以太網(wǎng)數據以幀的格式進(jìn)行傳輸，其幀格式如下：（字段沒(méi)有按比例畫(huà)出，數據單位為Octet） 如果幀類(lèi)型字段值為0x0806，則為ARP包；如果為0x0800，則為IP數據包。接收幀時(shí)，根據不同的幀類(lèi)型由不同的軟件模塊對它進(jìn)行處理。發(fā)送數據幀時(shí)，也根據不同的幀類(lèi)型由不同的程序進(jìn)行打包處理?；痉椒ê吞幚斫邮諑嗤?，只是把讀操作改為寫(xiě)操作。幀的接收和發(fā)送都是基于物理層對NIC的操作，包括讀接收緩沖區、寫(xiě)發(fā)送緩沖區。NIC采用8位工作方式，對其緩沖區的操作需要逐一讀寫(xiě)每個(gè)8位組。讀接收緩沖區時(shí)對不同的字段進(jìn)行判斷、記錄處理。NIC操作具體內容可以參考芯片資料，限于篇幅，不作詳細介紹。

由于在Internet中都使用約定俗成的TCP/IP協(xié)議，因此，基于IP的TCP和UDP協(xié)議起著(zhù)非常重要的作用。由于SX52BD是一種嵌入式微控制器，內存較小，不能用傳統的方法實(shí)現TCP和UCP。因此它們需要很大的緩沖區來(lái)構造套接字（SOCKET），一邊進(jìn)行應用層的處理。發(fā)送數據時(shí)也是這樣，邊處理實(shí)用數據邊填充發(fā)送數據。這種方法極大地節約了內存資源，而且有效地提高了應用程序的處理速度。由于程序的主要功能是接收數據采集命令，真正傳送的數據量很小，不需巨大的緩存空間。

1.2 客戶(hù)方局域網(wǎng)

客戶(hù)方局域網(wǎng)對設備進(jìn)行在線(xiàn)監測及一般故障的診斷，主要負責重要信息的存儲，為數據采集站或現場(chǎng)工作站提供簡(jiǎn)單的診斷服務(wù)，與外界溝通獲得幫助。數據庫技術(shù)是這種監測與診斷系統的一項關(guān)鍵技術(shù)。系統必須利用數據庫對采樣子系統所采集的實(shí)時(shí)數據進(jìn)行分析和處理生成歷史數據庫。庫中數據可以被用戶(hù)查詢(xún)并進(jìn)一步分析，從而了解設備的運行狀況和發(fā)展趨勢。在故障發(fā)生后也可對相關(guān)測點(diǎn)進(jìn)行追憶，為診斷和維修提供依據。在本系統中，客戶(hù)局域網(wǎng)能夠與嵌入式Web服務(wù)器進(jìn)行通信，對嵌入式Web服務(wù)器進(jìn)行控制?？赏ㄟ^(guò)命令應答的方式將采集的現場(chǎng)數據取回進(jìn)行處理。如果嵌入式Web服務(wù)器配置了網(wǎng)頁(yè)存儲資源，也可通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)嵌入式Web服務(wù)器的網(wǎng)頁(yè)內容與之進(jìn)行交互。

1.3 遠程診斷服務(wù)器與網(wǎng)上診斷資源

遠程診斷服務(wù)器是診斷服務(wù)提供者在Internet上建立的服務(wù)站點(diǎn)

2 系統實(shí)現與應用

本系統用于發(fā)電機及低壓配電網(wǎng)中的變壓器故障檢測診斷，如振動(dòng)、掉相、欠壓、過(guò)壓、超載、功率越界等。數據采集在嵌入式Web服務(wù)器的I/O端口上接入相應傳感器，使用實(shí)驗室的局域網(wǎng)資源，用一臺微機作為客戶(hù)機與嵌入式Web服務(wù)器通信，同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)遠程診斷服務(wù)器。遠程診斷服務(wù)器利用Windows NT4.0及IIS4.0作為操作系統和WWW服務(wù)器，并在此基礎上分別利用Microsoft Interdev和Visual C++開(kāi)發(fā)建立遠程診斷系統。

診斷時(shí)，客戶(hù)端微機利用WWW瀏覽器登錄診斷服務(wù)器，并在交互式網(wǎng)頁(yè)中，利用表單提供故障征兆信息和數據文件，請求診斷服務(wù)。診斷服務(wù)器調用診斷資源進(jìn)行診斷得到的診斷結果，利用交互式網(wǎng)頁(yè)和Java小程序返回給客戶(hù)機。