于慧彬 ，李小峰 ，齊 鵬

（1.山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；2.中國科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266071；3.中國科學(xué)院海洋環(huán)流與波動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071）

基于雙冗余以太網(wǎng)通信的氣象實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

于慧彬1，李小峰1，齊 鵬2,3

（1.山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；2.中國科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266071；3.中國科學(xué)院海洋環(huán)流與波動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071）

隨著以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的日趨成熟，在海洋和大氣觀測領(lǐng)域，人們希望對傳統(tǒng)不具備網(wǎng)絡(luò)通訊能力的觀測儀器進(jìn)行智能化和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)化改造。設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一套氣象實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)采集與網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于ARM的嵌入式系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了對外部傳感器實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)的采集和以太網(wǎng)通信。作為多級網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，該采集傳輸系統(tǒng)采用雙冗余以太網(wǎng)通信接口設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)中的雙路以太網(wǎng)在一路局部故障或線路受損時(shí)可以自動冗余切換。這一設(shè)計(jì)特點(diǎn)大幅提高了作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)在與外部其他設(shè)備通信時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｍㄟ^在以太網(wǎng)條件下，網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)控制運(yùn)行試驗(yàn)等測試，證明所開發(fā)的氣象實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，雙冗余以太網(wǎng)接口切換正常，數(shù)據(jù)采集傳輸及時(shí)準(zhǔn)確，可完全滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。

以太網(wǎng)通信；ARM嵌入式系統(tǒng)；冗余設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；船用氣象儀

隨著以太網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)控制領(lǐng)域正向以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)化控制方向轉(zhuǎn)變。這種設(shè)計(jì)思想的轉(zhuǎn)變，避免了以往由于各種設(shè)備采用不同的總線形式，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)現(xiàn)場總線技術(shù)互不兼容的缺點(diǎn)。隨著以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的日趨成熟，在海洋和大氣觀測領(lǐng)域，人們希望對傳統(tǒng)不具備網(wǎng)絡(luò)通訊能力的觀測儀器設(shè)備進(jìn)行智能化和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)化改造。本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正是應(yīng)用于船舶氣象儀這種船用氣象觀測設(shè)備。考慮到作為船用觀測設(shè)備，由于設(shè)備工作環(huán)境復(fù)雜多變，為保證系統(tǒng)與外界通信的可靠性，在設(shè)計(jì)通信接口時(shí)，采用了雙冗余以太網(wǎng)接口，即采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)有兩路獨(dú)立的以太網(wǎng)通訊電路，并通過軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的雙路以太網(wǎng)在一路局部故障或線路受損時(shí)可以自動冗余切換，提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與外界其他設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)船舶氣象實(shí)時(shí)觀測與傳輸設(shè)計(jì)了本文的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)。其基本工作原理是通過該系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集外部傳感器測量的氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向等氣象要素觀測數(shù)據(jù)，并將采集的各原始測量數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理和匯總，通過以太網(wǎng)通信接口發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的上級系統(tǒng)服務(wù)器。這樣，網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備就可以幾乎實(shí)時(shí)地得到這些氣象觀測數(shù)據(jù)，可用于業(yè)務(wù)部門進(jìn)行天氣實(shí)況分析和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)同化模式提供初始場。實(shí)時(shí)采集傳輸系統(tǒng)作為多級網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)源，與其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備共同組成一個(gè)如圖1所示的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行系統(tǒng)。

圖1 實(shí)時(shí)采集與傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)示意圖

本文設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)采集與傳輸系統(tǒng)采用了基于ARM的嵌入式系統(tǒng)集成方案，實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)外部各類傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和以太網(wǎng)通信。由于該系統(tǒng)是建立在ARM嵌入式系統(tǒng)上,所以通過編制實(shí)際的設(shè)備驅(qū)動程序就可以實(shí)現(xiàn)對外部傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)讀取操作和對外部控制器進(jìn)行相應(yīng)的控制,同時(shí)，利用嵌入式系統(tǒng)的強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)功能,建立了基于TCP/IP協(xié)議的接口服務(wù),方便遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)終端通信。

本文設(shè)計(jì)的基于ARM的嵌入式數(shù)據(jù)采集處理總線系統(tǒng)其工作原理如圖2所示?？梢钥闯?，除以太網(wǎng)通信單元及電源模塊外，該數(shù)據(jù)采集處理模塊主要由ARM9_CPU核心單元和數(shù)據(jù)采集處理單元組成。這其中包括:電源電路，A/D轉(zhuǎn)換電路,并行I/O接口電路，F(xiàn)lash存儲器接口電路,SDRAM接口電路,以太網(wǎng)絡(luò)接口電路，光電隔離電路，串行通訊電路以及晶振電路與復(fù)位電路等。其核心是基于三星公司的32位ARM微處理器S3C2440。由于該課題的主要研發(fā)目標(biāo)是對當(dāng)前的船舶氣象儀實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集傳輸，使之成為網(wǎng)絡(luò)化的觀測節(jié)點(diǎn)，以及考慮到船舶氣象儀是經(jīng)過長期實(shí)踐檢驗(yàn)的成熟產(chǎn)品，各采樣電路均已經(jīng)過理論驗(yàn)證和長期實(shí)際應(yīng)用的檢驗(yàn)，技術(shù)成熟可靠，為此，這里的數(shù)據(jù)采集單元仍繼承之前數(shù)代產(chǎn)品積累的成熟技術(shù)，本文不再做過多的敘述。下面著重介紹雙冗余以太網(wǎng)通信的硬件設(shè)計(jì)及其軟件實(shí)現(xiàn)。

圖2 基于ARM的嵌入式數(shù)據(jù)采集處理總線系統(tǒng)原理圖

2 雙冗余以太網(wǎng)的硬件設(shè)計(jì)

圖3 以太網(wǎng)接口電路原理圖

在嵌入式系統(tǒng)中，為提高設(shè)備的可靠性和安全性，大多采用對硬件設(shè)備的冗余設(shè)計(jì)。S3C2440內(nèi)部沒有內(nèi)嵌的專用網(wǎng)卡控制器，在進(jìn)行以太網(wǎng)口的冗余設(shè)計(jì)時(shí)，選用了DAVICOM公司的10/100 Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)芯片DM9000，這款芯片是一款高綜合性、高性能、低成本的快速以太網(wǎng)控制器芯片，其性能包括：集成10/100 Mbps自適應(yīng)收發(fā)器，支持8位、16位、32位數(shù)據(jù)總線寬度，寄存器操作簡單有效，兼容3.3 V和5.0 V輸入輸出電壓。該芯片所需的外圍電路非常簡單，并且DM9000的物理協(xié)議層接口完全支持使用10 Mbps下3類、4類、5類非屏蔽雙絞線和100 Mbps下5類非屏蔽雙絞線，這完全符合IEEE 802.3u的規(guī)格。它的自動協(xié)調(diào)功能將自動完成配置以最大限度地適合其線路帶寬。此外，該芯片還支持IEEE 802.3x全雙工流量控制，所以用戶可以容易地移植任何系統(tǒng)下的端口驅(qū)動程序，在后面對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件進(jìn)行軟件編程時(shí)，這款芯片可以非常容易地完成針對嵌入式系統(tǒng)軟件驅(qū)動的開發(fā)。

以太網(wǎng)接口電路的原理如圖3所示。圖中僅給出了單路以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)電路，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，采用了兩路同樣的設(shè)計(jì)電路，只是在片選信號/CS的連接上加以區(qū)分，分別連接到S3C2440的ETH_CS0和ETH_CS1（在本圖中省去了S3C2440芯片）。另外，將兩組DM9000以太網(wǎng)芯片的中斷引腳INT分別引出，連接至S3C2440的ETH_INT0和ETH_INT1。DM9000外接25 MHz晶振為芯片提供25 MHz的工作頻率。DM9000的SD0～SD15與芯片S3C2440的數(shù)據(jù)總線相連接。NRESET為DM9000以太網(wǎng)芯片的復(fù)位信號。在輸出端的設(shè)計(jì)上，考慮到信號隔離和電路保護(hù)，在DM9000與以太網(wǎng)接頭RJ45之間，設(shè)計(jì)時(shí)選用了網(wǎng)絡(luò)變壓器HS9016。該芯片可增強(qiáng)以太網(wǎng)信號，使信號的傳輸距離更遠(yuǎn)；此外，它還能起到對信號（包括高頻噪音和干擾信號）濾波的作用。另外，考慮設(shè)備的初級與次級分屬不同的回路，該芯片還能起到使芯片端與外部隔離的作用，當(dāng)連接到不同電平的網(wǎng)口時(shí)，不會對彼此設(shè)備造成影響。

3 雙冗余以太網(wǎng)的軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件主要由三部分組成:運(yùn)行在ARM內(nèi)核上的嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核；針對外部硬件的嵌入式設(shè)備驅(qū)動程序；考慮到需要該系統(tǒng)對輸入輸出的傳感器信號和數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的運(yùn)算與處理,為此，還要在嵌入式系統(tǒng)中編寫相應(yīng)的應(yīng)用程序。

3.1 嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核

作為一款高性能的32位ARM微處理器,基于S3C2440的硬件系統(tǒng)無論是在運(yùn)行速度還是在尋址能力方面,都足以支持嵌入式操作系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,選用代碼開發(fā),性能優(yōu)秀的嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)。Linux豐富而強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持功能在本系統(tǒng)中得到了充分的體現(xiàn),極大地保證了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。

3.2 底層設(shè)備驅(qū)動程序

開放源代碼的嵌入式系統(tǒng)使得我們可以很方便地對其進(jìn)行擴(kuò)展,通過編寫適當(dāng)?shù)脑O(shè)備驅(qū)動程序,就可以對某個(gè)特定的硬件進(jìn)行操作。從本質(zhì)上講,驅(qū)動程序是常駐內(nèi)存的低級硬件處理程序的共享庫,設(shè)備驅(qū)動程序就是對設(shè)備的抽象處理,也即是說,設(shè)備驅(qū)動程序是內(nèi)核中具有高特權(quán)級的、常駐內(nèi)存的、可共享的下層硬件處理程序。在眾多驅(qū)動中，包含一種稱為Bonding的驅(qū)動程序，它能為網(wǎng)卡提供冗余的軟件支持，它是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)雙冗余以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。它可以把兩個(gè)網(wǎng)卡綁定到同一個(gè)IP地址，當(dāng)一塊網(wǎng)卡發(fā)生物理性損壞時(shí)，另一塊網(wǎng)卡也能提供正常的服務(wù)。Bonding驅(qū)動提供一種方法，用以把多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口（network interface）組合成一個(gè)邏輯的"bonded"接口。Bonded接口的工作方式取決于驅(qū)動的模式：不同的模式提供了熱備份或負(fù)載均衡等不同的服務(wù)，在提供這些服務(wù)的同時(shí)，該驅(qū)動還會監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)鏈路的可用性。

另外，作為應(yīng)用程序中需要調(diào)用的程序，Ifenslave也是實(shí)現(xiàn)雙冗余以太網(wǎng)設(shè)計(jì)的必須工具。該程序包是一款負(fù)載均衡工具，也包含在嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)核源碼中。Ifenslave共有（方式0～6）七種工作方式?？紤]到數(shù)據(jù)采集模塊的具體應(yīng)用需要，選擇工作方式1：主/備份策略模式。該模式下只有一個(gè)設(shè)備處于活動狀態(tài)。當(dāng)處于活動狀態(tài)的設(shè)備出現(xiàn)中斷、掉線等情況時(shí)，另一個(gè)馬上由備份轉(zhuǎn)換為主設(shè)備。該模式下的mac地址是外部可見的，此模式為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的以太網(wǎng)通信提供了容錯能力。

完成上述部分后,一個(gè)基本的包含網(wǎng)絡(luò)通信功能的嵌入式系統(tǒng)就完成了。若要該系統(tǒng)對輸入輸出信號能夠進(jìn)行一定的實(shí)時(shí)智能處理,那么就還需要在嵌入式系統(tǒng)中編寫相關(guān)的應(yīng)用程序,以調(diào)用設(shè)備驅(qū)動程序,完成信號邏輯關(guān)系的轉(zhuǎn)換,傳感器采樣數(shù)值的計(jì)算以及輸入輸出數(shù)據(jù)的處理。

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果

4.1 測試環(huán)境

如圖4所示，測試環(huán)境由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)樣機(jī)（目標(biāo)機(jī)）和PC臺式計(jì)算機(jī)（主機(jī)）以及10/100 Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)交換機(jī)組成。主機(jī)和目標(biāo)機(jī)分別通過網(wǎng)線與交換機(jī)相連。在測試開始前還要將主機(jī)和目標(biāo)機(jī)兩者通過串口相連，首先通過串口由主機(jī)向目標(biāo)機(jī)加載測試程序，同時(shí)在主機(jī)上運(yùn)行以太網(wǎng)口調(diào)試程序。測試程序加載完畢之后就可以針對以太網(wǎng)接口來進(jìn)行相關(guān)的測試工作。

圖4 雙冗余以太網(wǎng)測試環(huán)境示意圖

4.2 雙冗余以太網(wǎng)通信功能的測試

測試過程中，在目標(biāo)機(jī)上分別運(yùn)行自行編制的基于TCP協(xié)議的netsend()和netrecive()兩個(gè)測試用程序，其功能是實(shí)現(xiàn)最簡單的TCP服務(wù)器端程序和Client客戶端程序。上位機(jī)運(yùn)行NetAssist以太網(wǎng)調(diào)試助手，由兩端組成基于TCP的Client-Sever系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接口的連接測試、冗余切換測試和可靠性測試。測試項(xiàng)目、方法及測試結(jié)果見表1。

表1 測試項(xiàng)目、方法及結(jié)果

4.3 測試結(jié)果評價(jià)

通過對所開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以太網(wǎng)傳輸功能的測試，證明該系統(tǒng)雙冗余以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)了所有先期設(shè)計(jì)的功能，并在數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛿?shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性上得到了驗(yàn)證。試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能夠滿足大批量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸工作。

5 結(jié)語

本文研發(fā)的帶雙冗余以太網(wǎng)通訊接口的船用氣象數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集傳輸系統(tǒng)，由于采用了高集成度的ARM嵌入式處理器，并對通訊接口采用了冗余設(shè)計(jì)，使之具有系統(tǒng)小型化，低成本，低功耗，運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。通過系統(tǒng)測試和樣機(jī)在實(shí)際海上環(huán)境中的應(yīng)用，證明其功能和工作可靠性完全滿足實(shí)際復(fù)雜海洋環(huán)境下實(shí)時(shí)觀測的需要。所開發(fā)的觀測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集傳輸網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)適用于對傳統(tǒng)不具備網(wǎng)絡(luò)通訊能力的觀測儀器設(shè)備進(jìn)行智能化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)化改造，同時(shí)也適用于新型智能觀測儀器的開發(fā)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]于明，范書瑞，曾祥燁.ARM9嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2]柴毅，王玉堂，陳禾.基于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與控制模塊的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2004,12（12）：1188-1190.

[3]陳學(xué)泉，關(guān)宇東.嵌入式TCP/IP協(xié)議單片機(jī)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)通信中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2002,（8）：48-49.

[4]周立功，等.嵌入式設(shè)計(jì)及Linux驅(qū)動開發(fā)指南—基于ARM9處理器[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

Design&Implementation of Acquisition and Transmission Network System for Meteorological Real-time Data Based on Dual-redundancy Ethernet Communication

YU Hui-bin1,LI Xiao-feng1,QI Peng2,3
(1.Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environment Monitoring Technology,Shandong Academy of Sciences Institute of Oceanographic Instrumentation,Qingdao Shandong 266001,China;2.Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Qingdao Shandong 266071,China;3.Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves(KLOCAW),Chinese Academy of Sciences,Qingdao Shandong 266071,China)

With Ethernet technology maturing,in the field of ocean and atmosphere observation,it is hoped that the traditional observation instruments without network communication ability could become intelligent and networking.A meteorological real-time data acquisition and transmission network system was designed and implemented based on the Ethernet communication technology,which adopts the embedded system single-chip solution based on ARM,collects the external sensors data and communicates in the Ethernet.As a network node in the multi-level system,this acquisition system adopts dual-redundancy Ethernet communication connector design and makes the twin channel Ethernet in the system redundancy switch automatically when one part breakdowns or the communication line fault happens.It increases the dependability of data transmission when communicates between the data acquisition system as network node and other external equipments.Under the condition of network,the closed-loop control experiment proved that the real-time data acquisition system could run steadily and dependably,the dual-redundancy Ethernet connectors could switch normally,data acquisition could communicate timely and accurately.The system could fulfill the needs of practical application completely.

Ethernet communication;ARM embedded system;redundancy design;data acquisition system;marine meteorological instrument

TP311.13

B

1003-2029（2012）01-0031-05

2011-08-20

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目子課題（201105002-2）；青島市公共領(lǐng)域科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（09-1-1-92-nsh）

于慧彬（1980-），男，碩士，主要從事海洋儀器軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)工作。

齊鵬，博士，研究員。Email：pqi@qdio.ac.cn