一種基于Ethernet接入模塊的監(jiān)控系統(tǒng)

2004年9月A版

摘  要：介紹了所開發(fā)的Ethernet接入模塊，重點論述了基于Ethernet接入模塊的機動車安全性能檢測線監(jiān)控系統(tǒng)各種功能的實現(xiàn)。

關鍵詞：Ethernet接入模塊；  TCP/IP協(xié)議；  監(jiān)控系統(tǒng)

引言

　　以太網(wǎng)(Ethernet)因其技術成熟，通信速率高，硬件產品種類豐富、價格低廉，已在商用計算機的通訊領域和工業(yè)控制系統(tǒng)的信息管理領域得到了廣泛的應用。但長期以來由于Ethernet采用的介質訪問控制方式是沖突檢測載波監(jiān)聽多點訪問CSMA/CD,決定了Ethernet通信具有不確定性，成為其應用于工業(yè)自動化控制網(wǎng)絡的主要障礙。

　　隨著以太網(wǎng)通訊速率成幾何級數(shù)的增長，百兆/千兆網(wǎng)技術的成熟、交換機技術和全雙工通信方式的發(fā)展，以太網(wǎng)在低網(wǎng)絡負荷時通信響應確定，并能可靠傳輸工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，使以太網(wǎng)用于工業(yè)現(xiàn)場具備了現(xiàn)實可能性。與其它現(xiàn)場總線相比，采用以太網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡具有結構簡單、設備成本低、傳輸距離遠等諸多顯著的優(yōu)點。

　　以太網(wǎng)進入控制現(xiàn)場的關鍵是現(xiàn)場設備的嵌入式Internet技術，目前已開發(fā)出的產品主要是在現(xiàn)場設備的16位或32位高性能MCU上駐留TCP/IP協(xié)議棧，通過與設備上的WEB服務器交互來達到監(jiān)控設備的目的。對于中小型的普通工業(yè)控制現(xiàn)場而言，這類產品價位偏高，并不實用。筆者開發(fā)了基于通用8位單片機的Ethernet接入模塊，應用于機動車安全性能檢測線現(xiàn)場，設計并完成了一套功能完備的機動車安全性能檢測線監(jiān)控系統(tǒng)。

監(jiān)控系統(tǒng)結構

　　機動車安全性能檢測線監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示?，F(xiàn)場各檢測設備(含光電管、繼電器等)通過Ethernet接入模塊與監(jiān)控節(jié)點、數(shù)據(jù)庫服務器、WEB服務器構成總線式Ethernet網(wǎng)絡，其物理層實質上是基于交換式集線器的星形結構。

　　系統(tǒng)中，Ethernet接入模塊嵌入各檢測設備，一端與檢測設備的I/O接口或RS-232等串口通信，另一端接入基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)。現(xiàn)場檢測的控制主要靠主控機來完成，依據(jù)流程，主控機通過Ethernet接入模塊和各檢測設備之間進行控制信息交互，從檢測設備讀取的檢測數(shù)據(jù)存入網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫中。監(jiān)控管理機除可以進行檢測項目、標準、權限設定等靜態(tài)管理外，還可對現(xiàn)場的任一檢測設備進行實時監(jiān)控。遠程監(jiān)控中心通過Internet訪問檢測線的Web服務器，根據(jù)權限實現(xiàn)對檢測線的遠程監(jiān)控，亦可借助Internet供應商提供的服務，通過Ethernet接入模塊直接對現(xiàn)場設備進行控制。

Ethernet接入模塊

模塊結構

　　Ethernet接入模塊實質上是一個網(wǎng)絡協(xié)議轉換器，主要完成TCP/IP協(xié)議與現(xiàn)場總線RS-232協(xié)議的轉換。模塊結構如圖2所示。該模塊將通用的8位單片機與以太網(wǎng)控制芯片相結合，加上相應的外圍電路而構成?？煞殖扇齻€子模塊：以太網(wǎng)控制芯片子模塊，負責接收以太網(wǎng)幀，并把數(shù)據(jù)送給單片機處理；接收單片機發(fā)來的數(shù)據(jù)，按以太網(wǎng)幀格式發(fā)到以太網(wǎng)。單片機子模塊，負責控制整個模塊，從以太網(wǎng)控制芯片子模塊中將數(shù)據(jù)包讀入內存，進行拆包處理，并將有關數(shù)據(jù)發(fā)向RS-232串行接口；將RS-232串行口來的數(shù)據(jù)按有關協(xié)議進行打包，送以太網(wǎng)控制芯片子模塊發(fā)至以太網(wǎng)上。擴展子模塊，單片機外圍擴展了程序和數(shù)據(jù)存儲器，滿足程序和數(shù)據(jù)的存儲需要。

　　為模塊開發(fā)的軟件主要有：模塊初始化程序、以太網(wǎng)控制器驅動程序、TCP/IP協(xié)議棧程序、系統(tǒng)網(wǎng)絡配置程序等。模塊初始化程序用于設置單片機工作模式及外圍芯片選擇字；以太網(wǎng)控制器驅動程序用于設置以太網(wǎng)控制芯片的工作狀態(tài)及工作方式，配置收發(fā)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)；TCP/IP協(xié)議棧程序實現(xiàn)ARP、IP、UDP協(xié)議；系統(tǒng)網(wǎng)絡配置程序用于給監(jiān)測系統(tǒng)分配IP地址及域名。

TCP/IP協(xié)議“剪裁”

　　用于現(xiàn)場級的以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議如圖3所示。

　　受8位單片機自身結構和功能的限制，從實用、夠用角度出發(fā)，該模塊對嵌入單片機的TCP/IP協(xié)議棧進行了“瘦身”處理，對TCP/IP進行“剪裁”，主要保留數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕竟δ堋?/P>

　　由于機動車安全性能檢測線負責監(jiān)控的站點相對固定，線上測控數(shù)據(jù)量非常小(一次數(shù)據(jù)傳送量一般不超過100Byte)，“剪裁”的方案是：在鏈路層，單片機維護一個靜態(tài)的IP地址與MAC地址的映射表，取消RARP，實現(xiàn)的ARP也僅響應網(wǎng)絡ARP請求，發(fā)送ARP回答包。請求者廣播出包含ARP請求的以太網(wǎng)幀(幀類型為0X0806)，目的以太網(wǎng)地址為全１的廣播地址，本模塊收到后，發(fā)送一個包含自身MAC地址的ARP回答，以使以太網(wǎng)上PC主機建立和維護IP地址和MAC地址的映射表；在網(wǎng)絡層，取消ICMP協(xié)議，在處理IP報頭時，不考慮數(shù)據(jù)分片和優(yōu)先權問題，在服務類型和標志偏移域全部填“0”，在“協(xié)議”域填“17”，程序僅對頭核校和和上層是否是UDP協(xié)議進行判斷； 在傳輸層，選擇基于無連接的UDP，而不用TCP。TCP雖然是基于連接的可靠性傳輸協(xié)議，但開銷大，對汽車安全性能檢測線監(jiān)控網(wǎng)絡而言，通過采用超時重發(fā)、應用層端口判斷、校驗值檢查等措施，可以有效解決UDP的無連接和不可靠問題?！凹舨谩焙蟮腡CP/IP協(xié)議棧程序只有8KB大小，既適應了單片機的存儲結構，也完全滿足現(xiàn)場單片機通訊需求。

模塊工作流程

　　模塊上電、初始化后，單片機采用查詢方式判斷以太網(wǎng)控制芯片中是否收到數(shù)據(jù)包，若有就讀入內存，拆包，若是ARP包，則進行ARP響應；若是UDP包，拆包，檢查應用層端口、檢驗值，判斷應用層數(shù)據(jù)是否為I/O操作命令，是則執(zhí)行I/O操作命令，其中讀I/O端口的數(shù)據(jù)要打包發(fā)往網(wǎng)絡；若不是I/O操作命令，將應用層數(shù)據(jù)從TXD口送出。采用中斷方式接收RXD口來的數(shù)據(jù)，打包送以太網(wǎng)。UDP數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中采用超時重發(fā)、出錯重發(fā)機制，保證模塊與控制節(jié)點間按流程進行通信。

監(jiān)控實現(xiàn)

　　主控機等監(jiān)控計算機與現(xiàn)場檢測模塊之間的節(jié)點通信、現(xiàn)場測控管理的實現(xiàn)以及從遠程監(jiān)控計算機對現(xiàn)場節(jié)點的訪問等全面監(jiān)控方式的實現(xiàn)在設計了Ethernet接入模塊后均可方便的直接觸及現(xiàn)場模塊，從現(xiàn)場實時采集數(shù)據(jù)、控制管理，真正做到點對點測控管理，簡化監(jiān)控管理的模型。

節(jié)點通信實現(xiàn)

　　主控機、監(jiān)控管理機和WEB服務器與各Ethernet接入模塊的通信基于Delphi6.0的TNMUDP組件，是無連接的Socket機制。UDP數(shù)據(jù)報傳送時，雙方各先建立一個套接字，然后將各自的套接字和本地網(wǎng)絡地址綁定在一起，調用sendto()函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，調用recvfrom()函數(shù)接收，UDP數(shù)據(jù)拆包后按定義的通信協(xié)議進行處理(包括安全驗證、出錯重發(fā)等)。

現(xiàn)場測控管理實現(xiàn)

　　用Delphi6.0結合SQL Server 2000開發(fā)主控機程序和監(jiān)控管理機程序。主控機將檢測項目分成若干工位，上線檢測的汽車登錄后在線上獲取唯一ID標識，并利用多線程技術控制多輛汽車同時在線，按登錄時確定的項目進行檢測。主控制機工作時，禁止網(wǎng)絡其它主機與現(xiàn)場檢測設備進行通信。監(jiān)控管理機一是在現(xiàn)場檢測設備工作時，從數(shù)據(jù)庫服務器實時地讀取車輛的檢測信息和設備狀態(tài)信息，監(jiān)控數(shù)據(jù)超差和狀態(tài)異常等情況；二是在檢測線空閑或出現(xiàn)故障時，可直接與現(xiàn)場設備分別進行通信，讀取設備的自檢信息和設備的狀態(tài)信息，分析判斷設備正常與否或故障原因。

遠程監(jiān)控實現(xiàn)

　　由于采用以太網(wǎng)技術給每個現(xiàn)場模塊設定IP地址，使其在網(wǎng)絡上具有了唯一性的節(jié)點，對其的訪問也就變得比其他總線形式更加簡單，主機只需要根據(jù)Socket編寫通用的訪問網(wǎng)絡節(jié)點的程序，Ethernet接入模塊均可按照UDP協(xié)議進行識別和處理，使得程序結構簡化。

　　本系統(tǒng)遠程監(jiān)控基于B/S模式，采用ActiveX控件通過Socket的機制與網(wǎng)關接口服務程序相連，由服務程序讀取數(shù)據(jù)庫檢測數(shù)據(jù)和信息，并送到客戶端。當檢測線需要遠程維護或診斷時，服務程序與各檢測設備的Ethernet接入模塊通信，讀出設備自檢和光電管、繼電器狀態(tài)等信息，顯示在遠程客戶端瀏覽器頁面上。為使遠程監(jiān)控或診斷具有更強的現(xiàn)場感和實時性，可將監(jiān)控管理機的程序功能移植于遠程客戶端，借助Internet上的VPN服務，遠程對現(xiàn)場各檢測設備直接進行測控。

安全控制措施

　　監(jiān)控系統(tǒng)在檢測線內網(wǎng)加裝測毒、殺毒軟件，內網(wǎng)與外網(wǎng)之間構筑防火墻，采用包過濾、應用網(wǎng)關技術和身份認證技術，防止非授權的外網(wǎng)用戶訪問內網(wǎng)數(shù)據(jù)或操作控制現(xiàn)場檢測設備。

結語

　　Ethernet接入模塊體積小，功耗低，成本低廉，接入方便，在機動車檢測線現(xiàn)場使用，減少了監(jiān)控網(wǎng)絡的結構層次，使整個工業(yè)管理現(xiàn)場總線統(tǒng)一化，信息管理層與現(xiàn)場控制層首次采用一樣的總線技術完成；省去了485總線方式中的多串口卡、串并行數(shù)據(jù)線等硬件設備和大量的數(shù)據(jù)線路；使控制程序與檢測設備之間的通信統(tǒng)一起來，有效解決了為適應不同設備的不同通信方式而更改控制軟件的問題，提高了控制軟件的獨立性，增強了軟件的移植性。通過現(xiàn)場工作驗證，本系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定、可操作性強、通訊實時性好等特點。

參考文獻：

1.  鄭文波，‘控制網(wǎng)絡技術’，清華大學出版社,2001

2.        楊清宇、施 仁，‘基于因特網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡體系結構研究’，信息與控制, 2002,31(5):466-471