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一．引言
隨著以太網(wǎng)技術(shù)在Internet上的成功，它也逐步進入傳統(tǒng)的工業(yè)控制領(lǐng)域。在各種專用于工控的現(xiàn)場總線協(xié)議爭奪市場的同時，已經(jīng)有人預(yù)言以太網(wǎng)將是最后的贏家。在各大公司紛紛推出其以太網(wǎng)計劃后，這個進程被大大加快了。
將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)底層網(wǎng)絡(luò)中有以下好處：
1． 其高速，大容量的特性適應(yīng)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(shè)備和軟件成本大幅下降。
4． 以太網(wǎng)技術(shù)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(wǎng)技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)的特點，搭建的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，可以應(yīng)用于工控現(xiàn)場，智能大廈等多種領(lǐng)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(shè)備中，從而實現(xiàn)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(yīng)用系統(tǒng)，是指嵌入于各種設(shè)備及應(yīng)用產(chǎn)品內(nèi)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(jié)構(gòu)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(guān)信息的輸入輸出、監(jiān)控設(shè)備工作，使設(shè)備及應(yīng)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(shè)備內(nèi)部，軟件是實時多任務(wù)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(yīng)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(jīng)無處不在，從汽車、家用微波爐、PDA、電視機，到工控生產(chǎn)現(xiàn)場、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產(chǎn)品等方面，都能發(fā)現(xiàn)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(wǎng)卡等外圍設(shè)備接口。
其嵌入式操作系統(tǒng)μClinux就是微內(nèi)核的LINUX操作系統(tǒng)，是在LINUX 2.0版本的基礎(chǔ)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(shè)置成網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，又另外添加并調(diào)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(wǎng)網(wǎng)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(nèi)核進行擦寫，從而加入自己開發(fā)的應(yīng)用程序或升級后的新操作系統(tǒng)。網(wǎng)上還有與之相關(guān)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?？傊?，這一切使得開發(fā)人員可以專心應(yīng)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(nèi)幾家公司（如華恒公司）也開始類似uCsimm產(chǎn)品的開發(fā)工作，并且也已經(jīng)有了相關(guān)產(chǎn)品。
三．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介
其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)采集節(jié)點組成主從（Master and Slave）關(guān)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)參考Modbus協(xié)議。從站隨時監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，當發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)打包返回，要是寫入信息，則把數(shù)據(jù)段的信息寫入相應(yīng)內(nèi)存。這就是該系統(tǒng)下層結(jié)構(gòu)流程。
而uCsimm與Internet的互聯(lián)以及與用戶的交互功能，則由其嵌入式操作系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器Web Server來完成。uCsimm上配有以太網(wǎng)接口RJ45，當用網(wǎng)線把uCsimm與Internet連接，配置好IP地址并運行網(wǎng)絡(luò)服務(wù)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(wù)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(wù)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(wù)器中其他程序如數(shù)據(jù)庫的橋梁。用戶可以通過點擊頁面，監(jiān)視下層數(shù)據(jù)，如溫度，開關(guān)狀態(tài)等；或發(fā)送命令，如開關(guān)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。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(nèi)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(shè)備發(fā)出請求，回應(yīng)請求，報錯等過程，并建立了一種通用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（見圖2）。它可以使設(shè)備識別傳遞給自己的信息，判斷信息類別，并解釋數(shù)據(jù)。如果請求需要回答，還會按照協(xié)議要求構(gòu)造回答信息。
圖2 Modbus數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
Modbus對于數(shù)據(jù)的表達有兩種方式：ASCII和二進制。前者的起始位是3AH，結(jié)束位是0D、0AH，里面的數(shù)據(jù)也都用ASCII碼表示。對于后者起始位和結(jié)束位是一段至少3.5個字符長度的間斷。本系統(tǒng)應(yīng)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(shù)據(jù)經(jīng)過較為復(fù)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(shù)據(jù)正確，否則數(shù)據(jù)有誤，將拋棄該數(shù)據(jù)。
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(shù)據(jù)區(qū)段及校驗段填上相應(yīng)的內(nèi)容。從站將與本地地址一致的幀接受進來，應(yīng)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(shù)據(jù)包，主站在規(guī)定時間內(nèi)沒有收到應(yīng)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(fù)信息為：
表2：主從站應(yīng)答數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
其主站程序流程圖如圖3：
圖3 主站程序流程圖
五．網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器配置及主頁設(shè)計
前面提到在uCsimm中安裝了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器軟件BOA。通過設(shè)置其配置文件，可以指定網(wǎng)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(yīng)用程序，如控制顯示燈的亮滅，處理串口數(shù)據(jù)等，只是它能由遠程瀏覽器通過點擊主頁而激活，從而實現(xiàn)瀏覽器和服務(wù)器的交互功能。流程如圖4：
圖4 客戶端與服務(wù)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?shù)玫椒?wù)器確認后，進入監(jiān)控界面。上面有對uCsimm上LED燈的開關(guān)控制，和串口數(shù)據(jù)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(xiàn)有IT技術(shù)，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(jié)
利用以太網(wǎng)和IT技術(shù)對傳統(tǒng)控制領(lǐng)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(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等功能，無疑要扮演重要角色。相信以太網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)的結(jié)合，將是后PC時代的新的市場技術(shù)增長點。 |
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