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一．引言
隨著以太網技術在Internet上的成功，它也逐步進入傳統(tǒng)的工業(yè)控制領域。在各種專用于工控的現場總線協(xié)議爭奪市場的同時，已經有人預言以太網將是最后的贏家。在各大公司紛紛推出其以太網計劃后，這個進程被大大加快了。
將以太網技術應用到工業(yè)底層網絡中有以下好處：
1． 其高速，大容量的特性適應不斷增長的信息要求。
2． 可以做到與上層信息管理層或決策層的無縫連接。
3． 設備和軟件成本大幅下降。
4． 以太網技術相對普及，人才成本下降。
這里開發(fā)的嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)就是充分利用以太網技術和嵌入式系統(tǒng)的特點，搭建的數據傳輸系統(tǒng)，可以應用于工控現場，智能大廈等多種領域。該系統(tǒng)體積小，可以放入機頂盒，控制面板，智能儀表等設備中，從而實現Internet無處不在。
二．嵌入式系統(tǒng)
嵌入式系統(tǒng)是指嵌入式計算機(Embedded Computer)及其應用系統(tǒng)，是指嵌入于各種設備及應用產品內部的計算機系統(tǒng)，它主要用于各種信號處理與控制，它體積小，結構緊湊，可作為一個部件埋藏于所控制的裝置中，它提供用戶接口、管理有關信息的輸入輸出、監(jiān)控設備工作，使設備及應用系統(tǒng)有較高智能和性價比。嵌入式系統(tǒng)由嵌入式硬件與嵌入式軟件組成，硬件以芯片、模板、組件、控制器形式埋藏于設備內部，軟件是實時多任務操作系統(tǒng)和各種專用軟件，一般固化在ROM或閃存中。軟件硬件可裁剪，適應對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。今天，嵌入式系統(tǒng)已經無處不在，從汽車、家用微波爐、PDA、電視機，到工控生產現場、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產品等方面，都能發(fā)現嵌入式系統(tǒng)的蹤影。
在本系統(tǒng)選用的是由美國LINEO公司出品的嵌入式系統(tǒng)uCsimm。它基于Motorola公司的DRAGONBALL-EZ CPU，使用SIMM72插卡并支持μClinux操作系統(tǒng)。它包括MC68EZ328 MPU、可啟動的FLASH MEMORY、DRAM以及UART、SPI、LCD、ETHERNET網卡等外圍設備接口。
其嵌入式操作系統(tǒng)μClinux就是微內核的LINUX操作系統(tǒng)，是在LINUX 2.0版本的基礎上裁減掉存儲器管理單元（Memory Management Unit, MMU）得到的。此外，為了將uCsimm設置成網絡服務器，又另外添加并調試通過了支持CGI（Common Gateway Interface共用通道界面）的web server軟件BOA。
它利用RS232串口線和以太網網線與PC機相連，組成可以交叉編譯的開發(fā)環(huán)境，支持C語言，而且可以對uCsimm內核進行擦寫，從而加入自己開發(fā)的應用程序或升級后的新操作系統(tǒng)。網上還有與之相關的郵件組，世界各地的開發(fā)人員通過它來溝通信息，彼此幫助。總之，這一切使得開發(fā)人員可以專心應用部分的系統(tǒng)開發(fā)，縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期。目前，國內幾家公司（如華恒公司）也開始類似uCsimm產品的開發(fā)工作，并且也已經有了相關產品。
三．系統(tǒng)結構簡介
其系統(tǒng)結構圖見圖1。
圖1 嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)
嵌入式系統(tǒng)uCsimm與下層數據采集節(jié)點組成主從（Master and Slave）關系，由主站不斷依次發(fā)出查詢信息，對下層節(jié)點進行輪詢，而數據結構參考Modbus協(xié)議。從站隨時監(jiān)聽網絡，當發(fā)現地址段與自己的地址相同時，繼續(xù)檢查下面的功能段，比如要是讀取信息，則把自己測量的數據打包返回，要是寫入信息，則把數據段的信息寫入相應內存。這就是該系統(tǒng)下層結構流程。
而uCsimm與Internet的互聯以及與用戶的交互功能，則由其嵌入式操作系統(tǒng)中的網絡服務器Web Server來完成。uCsimm上配有以太網接口RJ45，當用網線把uCsimm與Internet連接，配置好IP地址并運行網絡服務器后，用戶在Internet上任何一臺機器上就可以在瀏覽器中敲入IP地址，訪問存在uCsimm中的主頁了。
而用戶與服務器的交互是通過CGI程序來完成的。CGI（Common Gateway Interface共用通道界面）簡單地講是個運行在Web服務器上的程序, 由瀏覽器的輸入觸發(fā)。這個腳本通常是客戶端與服務器中其他程序如數據庫的橋梁。用戶可以通過點擊頁面，監(jiān)視下層數據，如溫度，開關狀態(tài)等；或發(fā)送命令，如開關電燈等。
四．下層串行通訊協(xié)議及程序流程
為了系統(tǒng)的開放性，我們參照國際流行的Modbus協(xié)議來定義串口通訊中的數據結構。Modbus是美國Modicon公司推出的可編程序控制器 (PLC)之間進行通訊的總線標準，目前國內使用的大部分PLC都遵從這一標準。該協(xié)議描述如何向其他設備發(fā)出請求，回應請求，報錯等過程，并建立了一種通用的數據結構（見圖2）。它可以使設備識別傳遞給自己的信息，判斷信息類別，并解釋數據。如果請求需要回答，還會按照協(xié)議要求構造回答信息。
圖2 Modbus數據結構
Modbus對于數據的表達有兩種方式：ASCII和二進制。前者的起始位是3AH，結束位是0D、0AH，里面的數據也都用ASCII碼表示。對于后者起始位和結束位是一段至少3.5個字符長度的間斷。本系統(tǒng)應用ASCII表達方式，主站地址為00H，從站地址由01H到0FH。功能碼表示主站對從站的各種操作，Modbus有詳細的規(guī)定，這里借用其中幾個，見表1：
表1：系統(tǒng)中用到的功能碼
CRC為通信校驗碼，用以提高通信的可靠性。它由所發(fā)送的數據經過較為復雜的計算而得到。當接收到的CRC與本機計算的CRC一致時，方認為接收數據正確，否則數據有誤，將拋棄該數據。
在通訊中由主站發(fā)出具有上述格式的幀，在地址段填上從站的地址，在功能碼段、數據區(qū)段及校驗段填上相應的內容。從站將與本地地址一致的幀接受進來，應答幀的地址與功能碼不變，使主站能識別。在通訊過程中從站一直處于被動地位。若從站在接受過程中出錯，不發(fā)任何數據包，主站在規(guī)定時間內沒有收到應答則放棄。
舉例如下，如主站想看地址為11H的從站溫度測量值，可發(fā)信號如表2：
而從站的回復信息為：
表2：主從站應答數據結構
其主站程序流程圖如圖3：
圖3 主站程序流程圖
五．網絡服務器配置及主頁設計
前面提到在uCsimm中安裝了網絡服務器軟件BOA。通過設置其配置文件，可以指定網頁和CGI程序所在路徑。這里CGI程序用C語言編寫，其實就是一些應用程序，如控制顯示燈的亮滅，處理串口數據等，只是它能由遠程瀏覽器通過點擊主頁而激活，從而實現瀏覽器和服務器的交互功能。流程如圖4：
圖4 客戶端與服務器通過CGI程序交互
用戶在遠程瀏覽器輸入uCsimm的IP值以后，需要登錄用戶名及密碼，當得到服務器確認后，進入監(jiān)控界面。上面有對uCsimm上LED燈的開關控制，和串口數據的顯示和下傳界面，如圖5。用主頁來顯示監(jiān)控界面，不僅利用了現有IT技術，節(jié)省購買和開發(fā)監(jiān)控顯示軟件的費用，而且使用戶不受地域的限制。后一點在智能大廈中十分有意義，比如住戶可以在工作單位查看家里的情況，下班前打開家中暖氣等。
六．總結
利用以太網和IT技術對傳統(tǒng)控制領域進行革新，是市場的需要。在這個過程中，嵌入式系統(tǒng)因其體積小，處理能力強，支持以太網技術和網絡服務器等功能，無疑要扮演重要角色。相信以太網與嵌入式系統(tǒng)的結合，將是后PC時代的新的市場技術增長點。 |
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