李昕澤，鄧中華

(1.華中科技大學(xué)，武漢 430074； 2.武漢華茂工業(yè)自動(dòng)化公司)

?

一種工業(yè)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

李昕澤1，鄧中華2

(1.華中科技大學(xué)，武漢 430074； 2.武漢華茂工業(yè)自動(dòng)化公司)

為了解決當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)通信距離短和傳輸速率慢的問題，提出了一種基于CAN總線和ModbusTCP的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案。該方案以異構(gòu)雙核處理器F28M35x為硬件平臺(tái)核心，移植了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II和LwIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，并開發(fā)了人機(jī)監(jiān)控程序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案有效地實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離、高速率的工業(yè)數(shù)據(jù)通信，達(dá)到了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。

F28M35x；實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)；ModbusTCP；LwIP

引 言

本文提出了一種基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II的采用ModbusTCP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的方案，有效地解決了工業(yè)應(yīng)用中設(shè)備與監(jiān)控系統(tǒng)通信速率慢、傳輸距離短的問題，并成功將其應(yīng)用于武漢華茂工業(yè)自動(dòng)化公司的印刷套色設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文采用的主控制器為TI公司生產(chǎn)的異構(gòu)雙核處理器F28M35x，該芯片雙核由主系統(tǒng)ARM Cortex-M3核和控制系統(tǒng)TMS320C28x核組成，實(shí)際應(yīng)用中，Cortex-M3內(nèi)核主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通信、協(xié)議轉(zhuǎn)換及操作系統(tǒng)的植入，TMS320C28x內(nèi)核的浮點(diǎn)運(yùn)算功能支持高效可靠的控制算法，雙核間通過片上IPC(Inter-Process Communication)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。本文中的監(jiān)控設(shè)備采用HITECH公司生產(chǎn)的支持Ethernet通信的HMI設(shè)備PWS6800C。

本遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)套色設(shè)備各通道數(shù)據(jù)采集通過CAN總線協(xié)議傳輸給主芯片F(xiàn)28M35x，CAN模塊將CAN郵箱里的數(shù)據(jù)取出來，分析計(jì)算后將核心參數(shù)交給協(xié)議棧進(jìn)程，協(xié)議棧對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行各層封裝后再通過EMAC模塊傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)總線上，在監(jiān)控設(shè)備和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制板已經(jīng)建立了通信的基礎(chǔ)上，遠(yuǎn)程的HMI人機(jī)設(shè)備可以通過以太網(wǎng)實(shí)時(shí)獲取套色設(shè)備的數(shù)據(jù)，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制板為TI公司研發(fā)的以F28M35x為主芯片的開發(fā)板套件Concerto開發(fā)板。本系統(tǒng)整體原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體原理圖

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要完成的主要任務(wù)有：嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II在F28M35x上的移植、CAN協(xié)議在F28M35x上的實(shí)現(xiàn)、基于LwIP協(xié)議棧的ModbusTCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在μC/OS-II上的實(shí)現(xiàn)及上位機(jī)HMI觸摸屏程序的開發(fā)。F28M35x軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 CAN協(xié)議在F28M35x上的實(shí)現(xiàn)

圖2 F28M35x軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

CAN(Controller Area Network)總線協(xié)議目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)通信中，是一種自動(dòng)化系統(tǒng)常用的多主方式的串行通信總線。CAN的標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

具體實(shí)現(xiàn)CAN協(xié)議的主要任務(wù)是CAN初始化函數(shù)和中斷處理函數(shù)。CAN初始化函數(shù)需要對(duì)各寄存器配置來完成模塊啟動(dòng)、位定時(shí)、郵箱參數(shù)、波特率設(shè)置、運(yùn)行模式選擇等任務(wù)，然后初始化函數(shù)打開內(nèi)核級(jí)中斷和子中斷。中斷服務(wù)程序完成的任務(wù)有檢測(cè)中斷來源、執(zhí)行相關(guān)的數(shù)據(jù)提取和回應(yīng)等。

圖3 CAN的標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文幀結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)中，在CAN基本通信實(shí)現(xiàn)后，加入了定時(shí)查詢報(bào)文，旨在獲取套色各通道的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。定時(shí)查詢報(bào)文在200 ms定時(shí)中斷服務(wù)程序完成，從節(jié)點(diǎn)會(huì)將自己的狀態(tài)數(shù)據(jù)返回主站，主站再通過Modbus/TCP協(xié)議將此狀態(tài)傳給遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)人機(jī)監(jiān)控設(shè)備。

2.2 μC/OS-II在F28M35x上的移植

μC/OS-II是一個(gè)完整的搶占式多任務(wù)內(nèi)核，執(zhí)行效率高，占用空間較小，實(shí)時(shí)性能和可擴(kuò)展性較強(qiáng)。其源代碼完全公開，移植性很強(qiáng)，適合在各種微處理器上運(yùn)行。μC/OS-II為每個(gè)任務(wù)賦予了不同的優(yōu)先級(jí)，不支持時(shí)間輪轉(zhuǎn)調(diào)度法。μC/OS-II提供了任務(wù)管理的各種函數(shù)可供移植者調(diào)用，包括任務(wù)的創(chuàng)建、刪除、優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)、掛起等。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，需要對(duì)任務(wù)進(jìn)行劃分。主要包括TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)程、CAN數(shù)據(jù)收發(fā)進(jìn)程、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)進(jìn)程、I/O任務(wù)、時(shí)鐘信號(hào)等任務(wù)。

移植過程中，主要實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容是與處理器相關(guān)的文件編寫，包括C語(yǔ)言編寫的OS_CPU.H和OS_CPU_C.C，以及匯編語(yǔ)言編寫的OS_CPU_A.S。具體配置時(shí)，應(yīng)注意配置參數(shù)TCP_NODELAY，該參數(shù)用于屏蔽NAGLE算法。NAGLE算法是將網(wǎng)絡(luò)上的小包組成大包發(fā)出去，用于減少網(wǎng)絡(luò)阻塞。監(jiān)控系統(tǒng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包多為小包，為了提升實(shí)時(shí)性，即使小量的數(shù)據(jù)也應(yīng)該及時(shí)發(fā)送。

2.3 基于LwIP開源網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議移植

這部分任務(wù)是本系統(tǒng)的核心部分，ModbusTCP協(xié)議是通過移植LwIP開源協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)的。LwIP是由瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院開發(fā)的一套開源TCP/IP協(xié)議棧，它只占用了幾十KB的RAM和40 KB的ROM，是專用于嵌入式系統(tǒng)的協(xié)議棧。LwIP主要實(shí)現(xiàn)的模塊有IP、ICMP、TCP、UDP和ARP，另外也包括IGMP、PPPoE和DNS等服務(wù)。

F28M35x開發(fā)板的EMAC模塊為網(wǎng)絡(luò)報(bào)文幀的收發(fā)模塊，當(dāng)有數(shù)據(jù)包發(fā)來的時(shí)候會(huì)觸發(fā)以太網(wǎng)接收中斷，中斷子服務(wù)程序再通過μDMA(Micro Direct Memory Access)模塊將接收的數(shù)據(jù)通過接收線程傳給LwIP協(xié)議棧，協(xié)議棧再對(duì)接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析、重組、掛起、丟棄等操作。其中μDMA模塊為直接內(nèi)存訪問，數(shù)據(jù)直接傳輸而不需要CPU的參與，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和速率。EMAC模塊接收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如下所示。

以太網(wǎng)首部(14字節(jié))IP首部(20字節(jié))TCP首部(20字節(jié))Modbus報(bào)文MBAP(7字節(jié))功能碼數(shù)據(jù)以太網(wǎng)尾部

數(shù)據(jù)報(bào)交由LwIP協(xié)議棧處理的流程圖如圖4所示。

圖4 LwIP協(xié)議棧流程

圖4中，netif結(jié)構(gòu)為網(wǎng)卡參數(shù)結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體中的兩個(gè)指針函數(shù)netif->input()和netif->output()分別為數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)層的數(shù)據(jù)收發(fā)函數(shù)。接收到的數(shù)據(jù)包依次經(jīng)過IP層和TCP層解析，檢驗(yàn)校驗(yàn)和、協(xié)議類型、IP地址、端口號(hào)、序列號(hào)、連接狀態(tài)、確認(rèn)序號(hào)等是否正確，如果是正確的報(bào)文幀，LwIP就把它交給應(yīng)用層處理。這些數(shù)據(jù)是一個(gè)帶MBAP報(bào)頭的Modbus報(bào)文，MBAP報(bào)頭是Modbus/TCP協(xié)議定義的一個(gè)7字節(jié)的報(bào)頭，包括2字節(jié)標(biāo)識(shí)符、2字節(jié)協(xié)議碼、2字節(jié)長(zhǎng)度和1字節(jié)單元標(biāo)識(shí)符，接下來是1字節(jié)的功能碼和Modbus數(shù)據(jù)，應(yīng)用層部分再作出相應(yīng)回應(yīng)。

發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)用層要發(fā)送的數(shù)據(jù)先被掛到TCP層的發(fā)送隊(duì)列，執(zhí)行函數(shù)為tcp_enquene()。在符合窗口滑動(dòng)協(xié)議和擁塞控制協(xié)議情況下，將數(shù)據(jù)進(jìn)行TCP頭部封裝后發(fā)送至IP層，IP層封裝了IP頭部后，再在arp緩存表尋找有沒有符合目的IP地址的MAC地址。若有則調(diào)用netif->output()函數(shù)將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，若沒有找到則發(fā)送ARP請(qǐng)求獲取目的MAC地址后再發(fā)送數(shù)據(jù)。

移植過程需要將LwIP移植于μC/OS-II操作系統(tǒng)上，LwIP中需要使用信號(hào)量進(jìn)行通信，所以在sys_arch中應(yīng)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的信號(hào)量結(jié)構(gòu)體struct sys_semt、處理函數(shù)sys_sem_new()、sys_sem_free()、sys_sem_signal()和sys_arch_sem_wait()。μC/OS-II已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)量OSEVENT的各種操作，只需要稍作修改直接調(diào)用就可以了。另外，LwIP通過消息隊(duì)列來緩沖、傳輸數(shù)據(jù)報(bào)文，因此需要實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的消息隊(duì)列結(jié)構(gòu)和操作函數(shù)，在μC/OS-II中需要通過其內(nèi)存管理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)消息的創(chuàng)建、使用、刪除和回收。μC/OS-II中沒有線程(thread)的概念，因此移植時(shí)還需要在μC/OS-II中創(chuàng)建新線程函數(shù)，并為其分配好優(yōu)先級(jí)。

3 測(cè) 試

本次實(shí)驗(yàn)套色盒子和儀器設(shè)備均為武漢華茂工業(yè)自動(dòng)化公司設(shè)備，人機(jī)監(jiān)控設(shè)備使用的是HITECH公司生產(chǎn)的支持網(wǎng)絡(luò)通信的HMI設(shè)備PWS6800C，該人機(jī)設(shè)備程序的編寫使用的是專用于人機(jī)程序編程的軟件ADP6.5。在該軟件的工程參數(shù)設(shè)定中，選擇通信方式為Ethernet通信，人機(jī)類型為網(wǎng)絡(luò)型，PLC種類為ModbusTCP/IP master。

本次實(shí)驗(yàn)中人機(jī)設(shè)備接入路由器的網(wǎng)絡(luò)，該路由器IP地址為183.94.7.80，人機(jī)設(shè)備本機(jī)IP地址設(shè)為子網(wǎng)地址192.168.101.100。本公司有5M靜態(tài)IP網(wǎng)絡(luò)，將F28M35x板子接入該靜態(tài)IP網(wǎng)絡(luò)，靜態(tài)IP地址為113.57.163.146。程序中本地IP地址填為路由器子網(wǎng)IP：192.168.101.72，并在路由器設(shè)置界面的協(xié)議轉(zhuǎn)換選項(xiàng)中建立好映射192.168.101.72對(duì)應(yīng)于端口號(hào)502。人機(jī)程序軟件設(shè)定中將目的IP地址和目的端口號(hào)填為之前設(shè)定的靜態(tài)IP113.57.163.146和502端口。8個(gè)套色盒子通過CAN總線連到F28M35x上，然后上電系統(tǒng)開始正常工作。實(shí)驗(yàn)中在系統(tǒng)運(yùn)行后斷開通道4、6、7三個(gè)通道的總線，監(jiān)控系統(tǒng)顯示如圖5所示。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)顯示圖

檢查各通道參數(shù)，與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制計(jì)算機(jī)所存儲(chǔ)的參數(shù)一樣。通過實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)準(zhǔn)確地完成了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控任務(wù)，功能強(qiáng)大，可擴(kuò)展性強(qiáng)，使得工業(yè)監(jiān)控不再有地域的限制，工業(yè)設(shè)備調(diào)試未來也可通過遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)。

結(jié) 語(yǔ)

[1] Labrosse Jean J.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003: 40-153.

[2] 王慶雙. 基于ARM的CAN通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 航空電子技術(shù)，2011，42(1)：9-13.

[3] 王海，張娟，朱曉陽(yáng)，等．TCP/IP協(xié)議族[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2011:300-319.

[4] 司馬莉萍. 基于ModbusTCP協(xié)議的工業(yè)控制通訊[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2005,25(12)：29-31.

[5] 李素俠，段友祥. 嵌入式TCP/IP協(xié)議的分析與研究[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2005(21)：52-54.

[6] 王力生，梅巖，曹南洋. 輕量級(jí)嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)工程，2007，2(33)：246-248.

[7] 景柏豪，沈孟良.CAN-Modbus/TCP協(xié)議轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2013,5(34)：2-6.

李昕澤(碩士研究生)，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)開發(fā)、以太網(wǎng)通信及其他工業(yè)通信；鄧中華(博士生導(dǎo)師)，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)研究、自動(dòng)控制原理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等。

An Industrial Implementation of Remote Real-time Monitoring System

Li Xinze1, Deng Zhonghua2

(1.Huazhong University of Science & Technology, Wuhan 430074，China; 2.Huamao Industrial Automation Company in Wuhan)

In order to solve the problems of short communication distance and low transmission rate in nowadays' industrial production, the paper proposes a remote real-time monitoring system based on CAN-Bus and ModbusTCP. In this program, the heterogeneous dual-core processor F28M35x works as the core of hardware platform, it transplantes embedded real-time operating system μC/OS-II and LwIP network protocol stack, and the HMI monitoring program is developed. The experimental results show that the programs effectively achieves long-distance, high-speed data communications of industry,and reaches requirements of remote real-time monitoring system and remote real-time monitoring system requirements.

F28M35x; real-time monitoring system; ModbusTCP；LwIP

TP368.1

A

迪娜

2013-07-29)