任 雯

(三明學(xué)院物理與機(jī)電工程系，福建 三明 365004)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，底層監(jiān)測(cè)設(shè)備(如數(shù)據(jù)采集模塊、智能儀表和數(shù)控機(jī)床等)與局域網(wǎng)或Internet實(shí)現(xiàn)了無縫連接。這就使遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)成為工業(yè)發(fā)展越來越迫切的需求。許多傳統(tǒng)的工業(yè)監(jiān)控設(shè)備基于RS-485、RS-232和CAN Bus等通信協(xié)議構(gòu)成輕量級(jí)串口網(wǎng)絡(luò)，但由于設(shè)備自身的特點(diǎn)和協(xié)議無法接入更大的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等原因，使得串行通信設(shè)備與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)主機(jī)之間橋接設(shè)備的研究，以及通過Web實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備和控制中心的交互成為當(dāng)前嵌入式技術(shù)的熱點(diǎn)問題。

1 嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

1.1 嵌入式Internet技術(shù)及網(wǎng)關(guān)簡介

嵌入式Internet技術(shù)的出現(xiàn)是Internet發(fā)展歷史上的一個(gè)里程碑，它依托于Internet、Web和嵌入式三大技術(shù)。嵌入式Internet技術(shù)是一種設(shè)備接入技術(shù)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)。它主要解決的問題是通過Web和嵌入式技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從不同子網(wǎng)和不同的物理區(qū)域?qū)尤氲絀nternet的設(shè)備和異類子網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控、診斷、測(cè)試、管理和維護(hù)等功能，從而使接入到Internet的各種設(shè)備或其他類型的子網(wǎng)具有遠(yuǎn)程監(jiān)控、診斷和管理的功能［1－2］。本文的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)是開發(fā)出低成本、高性能、配置簡便靈活、可支持多種簡單的通信協(xié)議以及針對(duì)不同類型的工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備及其網(wǎng)絡(luò)的Internet解決方案。

網(wǎng)關(guān)又被稱為網(wǎng)間協(xié)議轉(zhuǎn)換器，用于連接采用不同通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸和共享。如要將串行口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，就必須使用網(wǎng)關(guān)。

1.2 網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計(jì)方案

本文提出了一種基于嵌入式Internet技術(shù)的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案，以實(shí)現(xiàn)串口和以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。該網(wǎng)關(guān)采用32位高性能的ARM9嵌入式處理器S3C2410，通過移植嵌入式操作系統(tǒng)Linux，實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議和HTTP Server的運(yùn)行，形成一個(gè)用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問的服務(wù)器。同時(shí)，通過RS-485和CAN等輕量級(jí)網(wǎng)絡(luò)，將眾多的嵌入式設(shè)備連接起來，使用戶可以利用IE網(wǎng)頁直觀地看到界面，且通過嵌入式網(wǎng)關(guān)對(duì)嵌入式設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和管理，可實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)的集成。

以工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)為基礎(chǔ)的現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備接入Internet的實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

圖1 設(shè)備接入Internet框圖Fig.1 Connection diagram of equipment to Internet

2 網(wǎng)關(guān)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)電路以Samsung公司生產(chǎn)的、內(nèi)含ARM920T核的S3C2410芯片為核心，采用系統(tǒng)核心板和系統(tǒng)接口底板分開設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。網(wǎng)關(guān)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示［3］。

圖2 嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure of the embedded gateway

圖2中，核心電路板選用了北京博創(chuàng)興業(yè)科技公司生產(chǎn)的UP-NETARM2410系統(tǒng)核心板，包括S3C2410芯片;1片K29F2808，用來構(gòu)建64 MB的Flash存儲(chǔ)系統(tǒng);2片HY57561620BT-H，用來構(gòu)建64 MB的SDRAM存儲(chǔ)系統(tǒng)。系統(tǒng)接口底板電路為自行設(shè)計(jì)，主要單元電路及接口說明如下。

①系統(tǒng)電源電路為系統(tǒng)提供5 V、3.3 V兩組電壓，并為S3C2410及外圍電路供電;

②20腳JTAG接口可對(duì)芯片內(nèi)部的所有部件進(jìn)行訪問，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件調(diào)試和編程等;

③復(fù)位電路采用74HC04，可完成系統(tǒng)上電復(fù)位和在系統(tǒng)工作時(shí)的用戶按鍵復(fù)位;

④9芯RS-232C串行接口，選用MAX232CSE芯片;

⑤ 以太網(wǎng)接口芯片選用AS88796芯片，10/100 Mbit/s自適應(yīng);

⑥CAN總線接口芯片選用MCP2510芯片;

⑦通用I/O接口電路，外接7個(gè)LED顯示器和4個(gè)按鍵，主要用于硬件調(diào)試、程序控制流程和中斷等。

2.1 串行接口電路

RS-232C是目前較為通用的串行數(shù)據(jù)傳輸總線標(biāo)準(zhǔn)，采用的接口為9芯或25芯的D型插頭。在實(shí)際使用中，要完成最基本的串行通信功能，只需RXD(數(shù)據(jù)接收)、TXD(數(shù)據(jù)發(fā)送)和 GND(地)三根線。由于RS-232C標(biāo)準(zhǔn)定義的邏輯電平信號(hào)與S3C2410系統(tǒng)的LVTTL電路定義的邏輯電平信號(hào)完全不同:LVTTL的邏輯“1”電平對(duì)應(yīng) 2～3.3 V，邏輯“0”電平對(duì)應(yīng) 0～0.4 V;而 RS-232C標(biāo)準(zhǔn)采用負(fù)邏輯方式，邏輯“1”電平對(duì)應(yīng)－15～－3 V，邏輯“0”電平對(duì)應(yīng)+3～+15 V。因此，兩者之間要通信就需要進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。

本設(shè)計(jì)采用MAX232CSE芯片來實(shí)現(xiàn)RS-232C與S3C2410的邏輯電平轉(zhuǎn)換，并采用目前常用的9芯D型插頭為接口。相關(guān)的基本電路如圖3所示。同時(shí)，根據(jù)需要，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了2個(gè)RS-232接口，一個(gè)用來和主機(jī)通信，另一個(gè)用來讀取掛接的工業(yè)采集設(shè)備數(shù)據(jù)。

圖3 RS-232接口電路圖Fig.3 Circuit of RS-232 interface

2.2 以太網(wǎng)接口電路

網(wǎng)絡(luò)控制器S3C2410內(nèi)嵌了1個(gè)可以以10/100 Mbit/s的速率工作在半雙工或全雙工模式下的以太網(wǎng)控制器。在半雙工模式下，控制器支持 IEEE 802.3的CSMA/CD協(xié)議;在全雙工模式下，控制器支持IEEE 802.3 MAC控制層協(xié)議。以太網(wǎng)控制器的MAC層支持媒體獨(dú)立接口(media independent interface，MII)和帶緩沖的DMA接口(buffered DMA interface，BDI)。由于S3C2410片內(nèi)帶有1個(gè)MAC層控制器，因此，本系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口選擇了同時(shí)包含MAC層控制器和物理層接口的以太網(wǎng)接口芯片AX88796［4］。

S3C2410 的數(shù)據(jù)總線 XDATA［15，…，0］與 AX88796的數(shù)據(jù)總線SD［15，…，0］直接相連;IOCS16B腳通過一個(gè)電阻接高電平，使 AX88796工作在16位模式;AX88796的地址使能端與S3C2410的nECS＜3＞相連，提供AX88796作為外部I/O設(shè)備的片選信號(hào);IORB、IOWB分別為AX88796的讀、寫使能端，分別與S3C2410的nOE、nWBE＜0＞相連;為減少連線、降低成本，將JP腳接高電平，使AX88796工作在跳線模式。

S3C2410通過 AX88796收發(fā)數(shù)據(jù)，即通過控制AX88796的32個(gè)端口寄存器來完成收發(fā)功能，所以，只用S3C2410的5條地址總線與AX88796的地址總線相連即可。又由于AX88796作為S3C2410的一個(gè)外部I/O設(shè)備，且工作在16位方式，因此，其地址線SA［0，...，4］與 ADDR［1，…，5］相連。AX88796 為高電平復(fù)位芯片，其復(fù)位端與系統(tǒng)復(fù)位電路的非門前一級(jí)相連。AX88796的媒體接口TPIN±、TPOUT±與自帶隔離變壓器的RJ45接口相連，實(shí)現(xiàn)與以太網(wǎng)的物理連接。AX88796與S3C2401接口框圖如圖4所示。

圖4 AX88796與S3C2410接口框圖Fig.4 Interfacing block diagram between AX88796 and S3C2410

3 網(wǎng)關(guān)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括嵌入式Linux操作系統(tǒng)的移植(Boot Loader、內(nèi)核和根文件系統(tǒng)的移植)、嵌入式Web服務(wù)器Boa的移植和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序編寫3部分［5－7］。由于前兩部分實(shí)現(xiàn)方法比較規(guī)范［8］，參考資料較多，限于篇幅，其內(nèi)容不做說明，請(qǐng)參考文獻(xiàn)［8］。

許多企業(yè)在逐年的設(shè)備改造與升級(jí)過程中，由于沒有足夠的資金一次性投入購置同一品牌的設(shè)備，因此，往往是分階段采購設(shè)備。而各種設(shè)備自動(dòng)化水平參差不齊，就會(huì)出現(xiàn)多種設(shè)備和多種信息子系統(tǒng)并存的異構(gòu)環(huán)境。為了在企業(yè)升級(jí)的過程中降低成本，需要將以往的分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(fieldbus control system，F(xiàn)CS)整合起來。但這些子系統(tǒng)獨(dú)立性強(qiáng)、軟件封閉和互操作性差，導(dǎo)致系統(tǒng)集成難度較大。對(duì)此，本網(wǎng)關(guān)采取把特定工業(yè)監(jiān)控設(shè)備串口通信協(xié)議集成到網(wǎng)關(guān)軟件里的辦法，使這些被監(jiān)控的數(shù)據(jù)對(duì)象都能通過Internet/Intranet傳送，實(shí)現(xiàn)多總線異構(gòu)系統(tǒng)的集成。

為了實(shí)現(xiàn)在線測(cè)試，以廈門宇電AI808智能儀表為例，介紹其采集THJ-2型高級(jí)過程控制系統(tǒng)試驗(yàn)裝置提供的鍋爐液位值的過程。AI系列儀表使用異步串行通信接口，接口電平符合RS-232C或RS-485標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，數(shù)據(jù)格式為1個(gè)起始位、8位數(shù)據(jù)、無校驗(yàn)位、1個(gè)或2個(gè)停止位。所開發(fā)的網(wǎng)關(guān)中嵌入了廈門宇光自動(dòng)化公司生產(chǎn)的AI系列顯示控制儀表的專用串行通信協(xié)議——AIBUS。

AIBUS采用16進(jìn)制數(shù)據(jù)格式表示各種指令代碼和數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)的通信指令有兩條，即讀指令和寫指令。兩條指令使得上位機(jī)軟件編寫更容易，且能完整地對(duì)儀表進(jìn)行操作。標(biāo)準(zhǔn)讀、寫指令格式如下。

讀:地址代號(hào)+52H(82)+要讀的參數(shù)代號(hào)+

寫:地址代號(hào)+43H(67)+要寫的參數(shù)代號(hào)+

為了在一個(gè)通信接口上連接多臺(tái)AI儀表，需要給每臺(tái)AI儀表編一個(gè)互不相同的通信地址，即地址代號(hào)。有效的地址代號(hào)為0～80(部分型號(hào)為0～100)。所以，一條通信線路上最多可連接81臺(tái)AI儀表，儀表的通信地址由參數(shù)ADDR決定。

儀表參數(shù)采用1個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)(一個(gè)字節(jié)，寫為16進(jìn)制數(shù))的參數(shù)代號(hào)來表示。它在指令中表示要讀/寫的參數(shù)名。

校驗(yàn)碼采用16位求和校驗(yàn)方式，其中讀指令的校驗(yàn)碼計(jì)算方法為:

寫指令的校驗(yàn)碼計(jì)算方法為以下公式做16位二進(jìn)制加法計(jì)算得出的余數(shù)(溢出部分不處理)，即:

無論是讀還是寫，儀表都會(huì)返回以下10個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，即:測(cè)量值PV+給定值SV+輸出值MV及報(bào)警狀態(tài)+所讀/寫參數(shù)值+校驗(yàn)碼。

系統(tǒng)采用主從式多機(jī)通信結(jié)構(gòu)，每向儀表發(fā)一個(gè)指令，儀表即返回一個(gè)數(shù)據(jù)。編寫客戶端(上位機(jī))軟件時(shí)，注意每條有效指令儀表應(yīng)在0～150 ms內(nèi)作出應(yīng)答，而上位機(jī)也必須等儀表返回?cái)?shù)據(jù)后，才能發(fā)送新的指令，否則將引起錯(cuò)誤。如果儀表超過最大響應(yīng)時(shí)間(150 ms)仍沒有應(yīng)答，則原因可能是指令無效、通信線路故障、儀表沒有開機(jī)或通信地址不合等，此時(shí)上位機(jī)應(yīng)重發(fā)指令或跳過該地址儀表。

在本測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部，廈門宇電AI808智能儀表的通信協(xié)議以文件的形式在Linux下實(shí)現(xiàn)，以便日后擴(kuò)展和集成更多的工業(yè)監(jiān)控設(shè)備的通信協(xié)議。

由于要通過客戶端的IE瀏覽器訪問網(wǎng)關(guān)內(nèi)嵌的Web服務(wù)器，因此，需要在網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)配置中添加網(wǎng)口的IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)地址和DNS(域名服務(wù)器)地址。這就需要修改Linux中的一部分網(wǎng)絡(luò)配置文件。修改的文件如下。

① /linux-dist/vendors/Samsung/2410/rc文件:rc文件主要定義了操作系統(tǒng)在啟動(dòng)過程中需要完成的一些初始化工作。網(wǎng)卡的IP地址、子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關(guān)地址都在此配置。

② 在/linux-dist/vendors/Samsung/2410/路徑下添加resolv.conf配置文件，用來配置DNS服務(wù)器地址。在這個(gè)文件中，可以配置最多3個(gè)DNS服務(wù)器地址，網(wǎng)口在進(jìn)行域名解析時(shí)，依次查找服務(wù)器地址。

③ /linux-dist/vendors/Samsung/2410/Makefile，由于在下載的Linux源碼包中并沒有加入resole.conf文件，因此，如果要將該文件編譯進(jìn)文件系統(tǒng)，還需要修改Makefile。在文件中添加 $(ROMFSINST)/etc/resolv.conf，再重新編譯 romfs文件系統(tǒng)，即 make romfs，就可以在etc/文件夾中看到此DNS的配置文件。

以上文件修改好之后，重新編譯內(nèi)核，并下載啟動(dòng)Linux系統(tǒng)，系統(tǒng)中以太網(wǎng)口的IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)地址和DNS服務(wù)器的地址就生效了。

試驗(yàn)結(jié)果表明，通過對(duì)客戶端IE網(wǎng)頁中tempr變量的刷新，能實(shí)現(xiàn)廈門宇電AI808智能儀表所采集的液位值的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)刷新，實(shí)現(xiàn)在客戶端通過Web瀏覽器實(shí)時(shí)監(jiān)控宇電AI808智能儀表。

4 結(jié)束語

本文基于嵌入式Internet技術(shù)，探索設(shè)計(jì)了工業(yè)以太網(wǎng)智能高速網(wǎng)關(guān)的方法，為工業(yè)現(xiàn)場大量實(shí)際使用中的監(jiān)控設(shè)備提供了上網(wǎng)解決方案，提高了系統(tǒng)的開放性和兼容性，實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)集成，使得遠(yuǎn)程用戶可隨時(shí)隨地通過Web瀏覽器的友好界面，瀏覽和管理現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備。本文提出的使用嵌入式網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)集成方案已成功應(yīng)用于某針織廠的信息化改造工程，通過將不同總線PLC控制器的通信協(xié)議集成到網(wǎng)關(guān)，為該廠節(jié)約了大筆更換設(shè)備的費(fèi)用。實(shí)踐表明，本方案能為企業(yè)信息化系統(tǒng)的建立及自動(dòng)化改造提供高性能和低成本的解決途徑，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。

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