嵌入式網(wǎng)絡(luò )監控系統設計方案

摘    要：本文介紹了一種適合于工業(yè)場(chǎng)合、基于客戶(hù)機/服務(wù)器模型的嵌入式網(wǎng)絡(luò )監控系統的設計。服務(wù)器采用32位的Freescale ColdFire系列MCF5272為CPU,以mClinux為操作系統,客戶(hù)機可以是網(wǎng)絡(luò )上任何裝有客戶(hù)機軟件的PC機，系統中的監控界面由客戶(hù)端設計，可以通過(guò)升級客戶(hù)機軟件來(lái)滿(mǎn)足新的監控任務(wù)。該系統的通用性和靈活性強，利于用戶(hù)的二次開(kāi)發(fā)。
 
關(guān)鍵詞：嵌入式;  客戶(hù)機/服務(wù)器；網(wǎng)絡(luò )監控；PLC；二次開(kāi)發(fā)

引言
目前，嵌入式網(wǎng)絡(luò )監控系統以其本身體積小、功能多、支持以太網(wǎng)技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)，已成為工控領(lǐng)域中的新熱點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò )監控系統的方式可分為B/S(瀏覽器/服務(wù)器)和C/S(客戶(hù)機/服務(wù)器)兩種。對于B/S形式，要求嵌入式服務(wù)器的存儲器容量足夠大，而且對于監控設備結構調整或對監控內容更改頻繁的應用場(chǎng)合，就必須對嵌入式服務(wù)器中的網(wǎng)頁(yè)和CGI程序進(jìn)行更改，這無(wú)疑會(huì )使普通用戶(hù)在對服務(wù)器進(jìn)行維護和二次開(kāi)發(fā)時(shí)遇到很大的困難。本文介紹的一種采用C/S結構的系統設計可以克服以上問(wèn)題。由于監控對象和監控頁(yè)面的設置都由客戶(hù)機完成，服務(wù)器只需進(jìn)行數據采集、響應客戶(hù)請求、利用TCP/IP網(wǎng)絡(luò )發(fā)送客戶(hù)請求數據等工作，同時(shí)客戶(hù)機的監控頁(yè)面采用通用的微軟Windows風(fēng)格，降低了對操作人員的要求，利于二次開(kāi)發(fā)。

嵌入式網(wǎng)絡(luò )監控系統的
總體框架
以工廠(chǎng)生產(chǎn)自動(dòng)化中監控PLC和CAN總線(xiàn)設備為例，為了實(shí)現工廠(chǎng)生產(chǎn)透明化，希望在任何地方都能通過(guò)網(wǎng)絡(luò )監控生產(chǎn)情況，并能夠隨著(zhù)工廠(chǎng)生產(chǎn)內容的調整更換監控內容，因此，可采用C/S形式使監控對象及監控頁(yè)面由客戶(hù)自己根據具體要求定義。服務(wù)器由32位Freescale Coldfire系列中支持網(wǎng)絡(luò )通信的MCF5272芯片和專(zhuān)用于微控制的mClinux操作系統構成。
該系統的總體框架如圖1所示。由客戶(hù)機發(fā)出對設備的監控命令，嵌入式服務(wù)器接收并處理信息，根據客戶(hù)機請求對監控對象發(fā)出控制命令，或通過(guò)串口和CAN接口獲得客戶(hù)機感興趣的狀態(tài)，并將此信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接返回客戶(hù)端，由客戶(hù)端分析并與設計的監控界面建立動(dòng)畫(huà)連接或將現場(chǎng)設備的運行狀態(tài)顯示在界面上，并將此信息存儲到客戶(hù)端歷史數據庫供用戶(hù)打印輸出或統計。

客戶(hù)端軟件設計
客戶(hù)端系統要完成的任務(wù)是監控界面的制定和監控任務(wù)的執行，所以客戶(hù)端軟件有兩個(gè)功能模塊：界面開(kāi)發(fā)環(huán)境和界面運行環(huán)境。本系統使用的是由VC6.0開(kāi)發(fā)的組態(tài)軟件，客戶(hù)可以自定義監控界面風(fēng)格，也可與國內生產(chǎn)組態(tài)軟件廠(chǎng)商合作設計通用的客戶(hù)端界面軟件。
客戶(hù)端軟件的結構如圖2所示。其中界面開(kāi)發(fā)環(huán)境的任務(wù)是生成監控的人機界面，開(kāi)發(fā)環(huán)境應提供構成現場(chǎng)畫(huà)面所需要的對象，如線(xiàn)、填充圖形、文本及可直接調用的圖庫，對于有實(shí)際意義的圖形運行界面，還將提供會(huì )話(huà)式的對話(huà)框來(lái)使這些圖形與現場(chǎng)的控制單元建立動(dòng)畫(huà)連接。當用戶(hù)通過(guò)開(kāi)發(fā)環(huán)境自定義監控界面后，開(kāi)發(fā)環(huán)境會(huì )根據此界面建立一系列數據文件，并生成最終的圖形目標應用文件，供運行環(huán)境使用。運行環(huán)境將開(kāi)發(fā)環(huán)境生成的目標應用文件裝入內存并投入實(shí)時(shí)運行，一般由多個(gè)線(xiàn)程來(lái)完成。界面運行線(xiàn)程接收用戶(hù)請求事件，將用戶(hù)的請求按一定的數據格式發(fā)送到運行與內存的上行/ 下行消息隊列，實(shí)時(shí)消息管理線(xiàn)程將對消息隊列進(jìn)行管理并收發(fā)數據。為了滿(mǎn)足監控對象的多樣性，消息收發(fā)線(xiàn)程在將用戶(hù)消息發(fā)送到服務(wù)器時(shí)，就會(huì )根據開(kāi)發(fā)環(huán)境提供的監控PLC類(lèi)型，在監控設備協(xié)議解釋層將發(fā)送消息根據此設備的通信協(xié)議進(jìn)行組織。利用此方式可以方便地監控各種設備。同時(shí)，驅動(dòng)程序用動(dòng)態(tài)連接庫的形式給出，方便系統升級。

嵌入式服務(wù)器端系統設計
嵌入式服務(wù)器采用32位Freescale Coldfire 系列的MCF5272加mClinux微操作系統的方案，硬件結構如圖3所示。5272是Freescale生產(chǎn)的基于68K第二代Coldfire內核、可用于工業(yè)場(chǎng)合的嵌入式芯片，它集成以太網(wǎng)接口,運算速度66MIPS。ColdFire 微處理器上可以運行很多操作系統，但是mClinux 可以說(shuō)是最合適，性?xún)r(jià)比最高的操作系統。
本系統中服務(wù)器端運行的mClinux系統的主要模塊有TCP/IP協(xié)議棧、PPPD模塊、以太網(wǎng)口、CAN驅動(dòng)和串口驅動(dòng)，應用程序有PPP撥號服務(wù)器模塊和經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò )通信響應客戶(hù)機請求及與被控對象通信的服務(wù)程序。在編譯mClinux內核時(shí)要加入所需組件，應用程序編譯采用交叉編譯的方式，在運行REDHAT9.0的PC機上用Freescale Coldfire系列 專(zhuān)用編譯器編譯后下載到服務(wù)器的FLASH中。在以太網(wǎng)接收及與PLC的通信驅動(dòng)程序中，服務(wù)器不斷監聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )端口，將客戶(hù)機發(fā)來(lái)的消息通過(guò)網(wǎng)絡(luò )通信得到，并將其轉發(fā)到連接PLC的串口。定義客戶(hù)機端發(fā)向服務(wù)器的請求消息就是符合該監控對象通信協(xié)議的請求消息，這樣服務(wù)器可連接任意系統支持的設備而不必設置監控對象的類(lèi)型，因為該任務(wù)已經(jīng)由客戶(hù)機在設計界面時(shí)完成。PPP服務(wù)器守護進(jìn)程主要在客戶(hù)機通過(guò)modem經(jīng)電話(huà)網(wǎng)撥入建立網(wǎng)絡(luò )連接時(shí)使用。

網(wǎng)絡(luò )通信及冗余技術(shù)
在監控系統的客戶(hù)機上運行的Windows操作系統中的客戶(hù)機監控界面與嵌入式服務(wù)器之間的TCP/IP網(wǎng)絡(luò )通信編程方法是使用BSD Socket (套接口)界面編程。通過(guò)它，網(wǎng)絡(luò )端點(diǎn) (IP地址和端口地址)以套接口的形式出現。這種套接IPC(進(jìn)程間通訊)方式的設計是為了能讓網(wǎng)絡(luò )程序的設計獨立于不同的底層通信設施。本系統中客戶(hù)機和服務(wù)器之間的Socket通信是在異構環(huán)境中進(jìn)行的，客戶(hù)機采用WinSocket,服務(wù)器采用Linux下的Socket。
為了保證通信暢通，在利用以太網(wǎng)端口進(jìn)行通信的基礎上，同時(shí)提供利用串口和modem撥號的方式作為與遠端服務(wù)器建立通信鏈路的冗余。為了實(shí)現modem撥號連接，必須在客戶(hù)機端運行撥號軟件，在服務(wù)器端運行撥號服務(wù)器程序?？蛻?hù)機可以使用Windows自帶的撥號軟件，而在服務(wù)器端就必須在后臺運行撥號服務(wù)監控程序。撥號通信采用的是PPP點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議，mClinux中帶有這個(gè)協(xié)議組件，同時(shí)通過(guò)PPPD協(xié)議例程來(lái)提供PPP連接時(shí)的LCP(鏈路控制協(xié)議)、用戶(hù)認證、和IPCP(網(wǎng)絡(luò )協(xié)議配置)。
運行在嵌入式服務(wù)器端的撥號服務(wù)器守護進(jìn)程的工作機理如下：對串口進(jìn)行設置并打開(kāi)串口 ，發(fā)送AT指令檢查外部modem的存在；如modem正常，用標準AT指令設置自動(dòng)應答模式，之后進(jìn)入檢測串口輸入循環(huán)；當有遠程modem撥入的鈴流，即串口有RING字符收到后，軟件將強制摘機，進(jìn)入物理鏈路建立連接階段；連接成功后，串口出現CONNECT字符，此時(shí)程序將vfork一個(gè)進(jìn)程，啟動(dòng)PPPD進(jìn)入PPP連接階段與撥入客戶(hù)機進(jìn)行握手協(xié)商協(xié)議，用戶(hù)認證、配置遠程計算機IP，成功后將建立PPP連接；PPPD在連接成功后，將更改mClinux系統的路由表添加新的直接到達的路由路徑，這樣就可以在客戶(hù)端和嵌入式服務(wù)器端通過(guò)串口收發(fā)IP包進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )通信了。
結語(yǔ)
本文介紹的監控系統的服務(wù)器端采用32位CPU加mClinux操作系統的嵌入式方案，利于設備的小型化，采用C/S形式將監控界面交由客戶(hù)端設計，并且系統對監控對象無(wú)依賴(lài)性，可通過(guò)升級客戶(hù)機軟件來(lái)增加驅動(dòng)以滿(mǎn)足新的監控任務(wù)，這樣的設計模式增加了該系統的通用性、靈活性和產(chǎn)品生命周期，利于用戶(hù)的二次開(kāi)發(fā)。在嵌入式網(wǎng)絡(luò )設備日益滲透到工業(yè)生產(chǎn)和各種監控應用中的趨勢下，這種系統將會(huì )有很好的利用前景?！?/p>