嵌入式狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置的設(shè)計(jì)

1 引 言

　　傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置通常采用現(xiàn)場總線方式，但此方式具有很大局限性：現(xiàn)場總線類型多樣，相互之間差異較大，不能實(shí)現(xiàn)互操作，彼此連接困難，系統(tǒng)的信息共享和實(shí)時(shí)性不盡如人意。為了更好地搭起終端設(shè)備和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通信的橋梁，本文提出并設(shè)計(jì)了基于工業(yè)以太網(wǎng)的嵌入式狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置，和傳統(tǒng)裝置相比，它有以下優(yōu)勢：實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高效、統(tǒng)一;用戶可以通過Internet隨時(shí)隨地監(jiān)控大范圍的終端設(shè)備，取代了大量前置PC，具有更好的實(shí)時(shí)、實(shí)效性[1,2]。本裝置將現(xiàn)場采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)直接傳送到內(nèi)嵌的Web服務(wù)器上，服務(wù)器生成用于遠(yuǎn)程監(jiān)測和遠(yuǎn)程故障診斷的web頁面，用戶通過鍵入設(shè)備的IP地址，就可以隨時(shí)瀏覽到被監(jiān)測設(shè)備的現(xiàn)場運(yùn)行情況、數(shù)據(jù)采集信息以及報(bào)警信息等。

2 裝置結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

　　目前，機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 嵌入式狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本文設(shè)計(jì)開發(fā)了此體系的核心裝置――嵌入式機(jī)電設(shè)備監(jiān)控裝置，主要分為3個(gè)模塊：

　?。?）數(shù)據(jù)采集模塊：包括多個(gè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集單元。主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的檢測、采集。

　?。?）數(shù)據(jù)存儲與處理模塊：包括嵌入式現(xiàn)場總線/以太網(wǎng)監(jiān)控工控機(jī)和數(shù)據(jù)庫。它通過EtherNet/IP協(xié)議，和現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)靈敏檢測和數(shù)據(jù)存儲。

　?。?）在線監(jiān)測模塊：包括嵌入式Web服務(wù)器和監(jiān)測網(wǎng)站。服務(wù)器生成用于遠(yuǎn)程監(jiān)測和故障診斷的web頁面。網(wǎng)絡(luò)用戶可以隨時(shí)掌握現(xiàn)場運(yùn)轉(zhuǎn)情況，使遠(yuǎn)程監(jiān)控真正實(shí)現(xiàn)。

　　本裝置擁有以下三個(gè)先進(jìn)的特征：

　　1）應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)，使Ethernet/IP設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備能夠通信。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，我們將以太網(wǎng)協(xié)議移植進(jìn)嵌入式Linux。

　　2）通過瀏覽器支持機(jī)電設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控。我們在嵌入式Linux中移植了BOA，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)電設(shè)備。

　　3）支持大容量數(shù)據(jù)存儲，用一個(gè)黑匣子對設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)資源進(jìn)行監(jiān)控。通過大容量IDE總線的擴(kuò)展，連接IDE系統(tǒng)硬盤，存儲大量數(shù)據(jù)[3]。

3 裝置的硬件設(shè)計(jì)

　　AT91RM9200是ATMEL針對系統(tǒng)控制及通信領(lǐng)域推出的基于ARM920T內(nèi)核的新微型控制器。它具有獨(dú)立的16KB指令和16KB數(shù)據(jù)cache、全功能的MMU虛擬內(nèi)存管理單元、16KB SRAM和128KB ROM、64MB NAND Flash 存儲器、LCD控制器、EBI接口控制器、4個(gè)32位的PIO控制器、20通道的外設(shè)數(shù)據(jù)控制器（DMA）、3個(gè)同步串行控制器（SSC）、4個(gè)通用同步/異步接收/發(fā)送器（USART）、主/從串行設(shè)備接口SPI、16路12位ADC、1通道16位DAC、多媒體卡接口（MCI）、以太網(wǎng)10/100 Base-T 以太網(wǎng)媒體訪問控制器（MAC）、觸摸屏接口、IDE接口等。

　　在處理器豐富資源的基礎(chǔ)上，本裝置對其進(jìn)行了相關(guān)的配置和擴(kuò)展，將處理器通過16路12位ADC接口對機(jī)電設(shè)備的電壓或電流信號進(jìn)行采集，IDE接口外掛大容量IDE硬盤，用于存儲web、采集的數(shù)據(jù)等。通過DM9161芯片，該微處理器把EMAC接口外擴(kuò)為以太網(wǎng)接口RJ45，與工業(yè)以太網(wǎng)連接[4]。AT91RM9200通過SPI接口連接CAN控制器SJA1000，CAN控制器與CAN收發(fā)器PCA82C250相連，用于連接DeviceNet。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

4 裝置的軟件架構(gòu)

　　軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 軟件架構(gòu)圖

　　4.1移植工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議

　　工業(yè)以太網(wǎng)EtherNet/IP，是一種適用于工業(yè)環(huán)境的通訊體系，能夠在廣闊的區(qū)域中支持大量現(xiàn)場設(shè)備的連接。它采用通用工業(yè)協(xié)議（CIP）作為其應(yīng)用層協(xié)議。CIP協(xié)議支持各種控制、配置和信息處理服務(wù)，包括顯式報(bào)文（用于信息傳輸，靈活的報(bào)文交換）以及隱式報(bào)文（用于控制和實(shí)時(shí)I/O數(shù)據(jù)的傳輸），支持輪詢、周期和狀態(tài)改變數(shù)據(jù)傳輸觸發(fā)機(jī)制，點(diǎn)對點(diǎn)單播和廣播數(shù)據(jù)傳輸方式[5,6]。OE服務(wù)的設(shè)計(jì)簡化了EtherNet/IP的移植，只需要修改操作環(huán)境文件來適合ARM Linux操作體系。

　　4.2 移植BOA

　　從

圖4 UDP Socket通信B/S架構(gòu)

　　系統(tǒng)動(dòng)態(tài)頁面如圖5所示：

圖5 狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)主界面

5 結(jié)束語

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：將工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、嵌入式Web Server技術(shù)、CGI技術(shù)、動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)應(yīng)用于嵌入式狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置中，用戶通過URL就可以隨時(shí)查看現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行情況和報(bào)警信息，與傳統(tǒng)監(jiān)控裝置相比，提高了監(jiān)控的實(shí)時(shí)性，縮短了檢修時(shí)間，節(jié)省了檢修費(fèi)用，真正實(shí)現(xiàn)了維修制度從事故維修、定期維修向視情維修的轉(zhuǎn)變。