基于Rabbit2000的嵌入式網(wǎng)絡(luò)智能測控系統(tǒng)

1 引言

Internet技術(shù)的飛速進(jìn)展，使得基于分組交換技術(shù)的通信性能、通信質(zhì)量和可靠性得到穩(wěn)步提高，基于8位、16位單片機(jī)的嵌入式設(shè)備(如儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和顯示、過程控制、工業(yè)自動(dòng)化等)的實(shí)時(shí)應(yīng)用，測控系統(tǒng)正在走向網(wǎng)絡(luò)智能化^[1]。這就要求企業(yè)從現(xiàn)場控制層到管理層能實(shí)現(xiàn)全方位的無縫信息集成, 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)、智能診斷以及遠(yuǎn)程管理功能^[2], 提供一個(gè)開放的基礎(chǔ)構(gòu)架，并具有高可靠性、分散控制、集中監(jiān)視和管理的功能。

Z-World^[3]公司以Rabbit2000微處理器為核心研制了一系列嵌入式系統(tǒng)模塊，使用這些模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)集成了網(wǎng)絡(luò)的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行快速開發(fā)。本系統(tǒng)以Rabbit2000微處理器為核心，采用模塊化和智能式的分布技術(shù)設(shè)計(jì)嵌入式網(wǎng)絡(luò)智能測控系統(tǒng)。

2 Rabbit2000的性能特點(diǎn)

Rabbit2000是Rabbit半導(dǎo)體公司為嵌入式環(huán)境設(shè)計(jì)的高性能低價(jià)位的8位微處理器，以其C語言友好指令集和快速數(shù)字處理功能而受到矚目。它和Z80系列微處理器有相似的結(jié)構(gòu)和高度的兼容性，但性能有很大的提高。具有多達(dá)40個(gè)通用I/O引腳。內(nèi)建日歷、時(shí)鐘、看門狗、定時(shí)器、多級(jí)中斷、雙DMA通道，可外擴(kuò)4~8MB Flash，用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。對(duì)于8位總線的微處理器，Rabbit具有很高的計(jì)算速度，這對(duì)于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是極為重要的。對(duì)于Rabbit2000，傳統(tǒng)的微處理器硬件和軟件的開發(fā)已被簡化，不再需要在線仿真。用1根接口電纜把PC串行口和基于Rabbit2000的目標(biāo)系統(tǒng)連接起來就可實(shí)現(xiàn)軟件的開發(fā)。Rabbit2000具有4個(gè)串行端口，具有很強(qiáng)的組網(wǎng)通信能力。它能精確地產(chǎn)生脈沖和邊沿，可實(shí)現(xiàn)多優(yōu)先級(jí)中斷。處理器速度和功耗在程序控制之下，在處理器持續(xù)執(zhí)行指令的時(shí)候，能使用超低功耗模式實(shí)現(xiàn)計(jì)算和執(zhí)行邏輯檢測，為實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)提供了方便。

Rabbit 2000芯片上外設(shè)包括5個(gè)8位并行I/O端口、4個(gè)串行端口、1個(gè)子端口、5個(gè)8位定時(shí)器、1個(gè)10位定時(shí)器、精確脈沖發(fā)生硬件和電池支持的RTC。其串口可采用同步或異步傳輸方式，采用29.4912MHz的系統(tǒng)頻率，異步傳輸速率最高可達(dá)91.6kbps。

Rabbit2000以Z-World’s公司的C語言開發(fā)系統(tǒng)Dynamic C^[4]編譯器為其開發(fā)工具。其特點(diǎn)是有1個(gè)交互式編譯程序、編輯程序和調(diào)試程序，通過1個(gè)10線的簡單接口可實(shí)現(xiàn)EPROM編程和在線仿真。此外，Rabbit2000可以運(yùn)行流行的Internet協(xié)議棧，如HTTP、SMTP、POP3、TCP、UDP、ICMP、IP等，還可以在外接一個(gè)以太網(wǎng)控制芯片RTL8019的情況下，實(shí)現(xiàn)Ethernet (IEEE802.3)協(xié)議處理，使該系統(tǒng)可以直接通過RJ-45連到以太網(wǎng)上。

3 嵌入式網(wǎng)絡(luò)智能測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 測控設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)

對(duì)于所要實(shí)現(xiàn)的嵌入式系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是圍繞Rabbit 2000微處理器來進(jìn)行的，包括存儲(chǔ)器、處理器、振蕩晶體、標(biāo)準(zhǔn)編程口、以太網(wǎng)接口、串行接口（RS232、RS485）、數(shù)字量I/O（DI/DO）接口、模擬量I/O（AI/AO）接口、擴(kuò)展接口，在一些情況下還要包括功率控制器和系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)，具體應(yīng)用時(shí)可根據(jù)不同的應(yīng)用要求對(duì)各種功能模塊進(jìn)行適當(dāng)增減。圖1為硬件實(shí)現(xiàn)框圖。

圖1 網(wǎng)絡(luò)智能測控裝置（MCD）

3.2 實(shí)現(xiàn)方案

圖1所示的測控裝置可實(shí)現(xiàn)多種監(jiān)測和控制功能，并通過以太網(wǎng)接口（RJ-45接口）連到Hub后由路由器接入Internet構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)智能測控系統(tǒng)。如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)智能測控系統(tǒng)

本系統(tǒng)中，每臺(tái)主機(jī)和測控裝置（MCD）都有自己獨(dú)立的IP地址，互相之間可進(jìn)行通信，遠(yuǎn)程主機(jī)（Remote PC）可通過撥號(hào)連接(圖中所示就是這種情況)或通過以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接入Internet來訪問測控裝置，使用其提供的服務(wù)或?qū)ζ溥M(jìn)行系統(tǒng)編程和遠(yuǎn)程啟動(dòng)。測控裝置具有一般單片機(jī)系統(tǒng)的所有測控能力，并且可根據(jù)需要提供各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，包括：作為一臺(tái)簡單的Web服務(wù)器，提供簡單的網(wǎng)頁供外部主機(jī)訪問，提供可被遠(yuǎn)程主機(jī)修改的表格資料；提供文件傳輸服務(wù)（FTP），可作為FTP客戶端或服務(wù)器；提供SMTP（簡單郵件傳輸協(xié)議）服務(wù)，自動(dòng)或定時(shí)向指定的電子郵箱發(fā)送E-mail，以傳遞系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或報(bào)警信息；提供遠(yuǎn)程登錄（TELNET）服務(wù)以及其他的Internet服務(wù)。

3.3 工作過程

圖2中測控裝置的主要任務(wù)是與探測器通信，以獲取現(xiàn)場信息并對(duì)信息進(jìn)行集中處理后， Rabbit2000的串行口將這些信息傳至PC，或由PC來查詢。PC機(jī)在獲取測控裝置上的報(bào)警信息后，按一定的協(xié)議格式對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行包裝，并將之傳送到遠(yuǎn)程PC上，這樣形成一個(gè)星形的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以此構(gòu)成測控信息的局域網(wǎng)

系統(tǒng)有兩種類型的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)：一種是與PC進(jìn)行通信的節(jié)點(diǎn)；另一種是測控裝置與探測器進(jìn)行通信的探測器節(jié)點(diǎn)。傳輸協(xié)議采用規(guī)范化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)有BBC校驗(yàn)位，且采用軟件容錯(cuò)技術(shù)。管理軟件設(shè)有容錯(cuò)陷阱，有效地消除隨機(jī)干擾引起的死機(jī)或誤報(bào)現(xiàn)象。主機(jī)為PC機(jī)，其網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)為0，每個(gè)測控裝置都有1個(gè)唯一的大于0的ID號(hào)。PC與測控裝置通信采用標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議格式，它所發(fā)出的信息幀中攜有目的控制器的ID號(hào)。如果目的控制器的ID號(hào)為0，則為廣播信息，否則只有和目的控制器的ID號(hào)相同的控制器才接收該幀并對(duì)幀格式和CRC檢驗(yàn)和進(jìn)行判斷。在緊急報(bào)警時(shí)，探測器的報(bào)警信息中攜有地址編號(hào)和時(shí)間信息，而在自動(dòng)故障報(bào)警時(shí)，報(bào)警信息由故障地址編號(hào)和故障等級(jí)信息組成。控制器有2種運(yùn)行模式：模式A是雙向運(yùn)行，收到報(bào)警信息時(shí)立即將該信息轉(zhuǎn)發(fā)給PC機(jī)；模式B是單向運(yùn)行，收到報(bào)警信息后首先在控制器的數(shù)據(jù)庫中保存該條信息。當(dāng)PC機(jī)來查詢火警信息時(shí)才發(fā)送給PC機(jī)。

PC機(jī)由后臺(tái)的基于Winsock的網(wǎng)絡(luò)程序?qū)?bào)警信息發(fā)往外部網(wǎng)絡(luò)。在Rabbit2000的協(xié)議棧中，對(duì)TCP/IP的實(shí)現(xiàn)是通過Dynamic C提供的TCP/IP應(yīng)用程序接口來實(shí)現(xiàn)的：

#define MY-GATEWAY “202.196.187.1” //網(wǎng)關(guān)

#define MY-IP-ADDRESS “202.196.187.28” //IP地址

#define MY-NETMASK “255.255.255.0” //子網(wǎng)掩碼

#memmap xmem //代碼存儲(chǔ)在擴(kuò)展存儲(chǔ)區(qū)

#use “dcritcp.lib” //數(shù)據(jù)庫

Sock_init() //TCP連接初始化

tcp_reserveport(MY_PORT) //TCP連接保持

tcp_open(socket,0,ip,PORT,NULL) //主機(jī)建立會(huì)話

tcp_listen(socket,MY_PORT,0,0,NULL,0) //監(jiān)聽端口

sock_established(socket) //建立TCP連接

sock_dataready(socket) //取得等待輸出的字符數(shù)

sock_gets(socket,buffer,len) //從套接字中讀取字符串

sock_twrites(socket,buffer,len) //向套接字中寫入字符串

sock_close(socket) //連接斷開

圖3 系統(tǒng)程序執(zhí)行過程圖

系統(tǒng)的工作過程如圖3。

通過安裝在上位機(jī)中的Web瀏覽器，在客戶端的瀏覽器中輸入現(xiàn)場設(shè)備的IP地址（202.196.187.28），即可獲得對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的訪問權(quán)，可直接訪問接入工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)場設(shè)備，獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 監(jiān)控頁面

4結(jié)論

隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)與以太網(wǎng)相結(jié)合應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域是一種發(fā)展趨勢。Rabbit2000微處理器在同類8位微處理器中具有功能強(qiáng)、成本低、速度快等特點(diǎn)，同時(shí)提供了一套嵌入式開發(fā)工具以及網(wǎng)絡(luò)支持的Dynamic C，使得網(wǎng)絡(luò)功能開發(fā)簡便、快捷，也證明了將嵌入式系統(tǒng)和以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制的可行性和實(shí)用性。

本系統(tǒng)的應(yīng)用較廣：

1）智能大廈。隨著計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用以及網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，大廈內(nèi)所有公共設(shè)備都將采用嵌人式智能測控系統(tǒng)來提高服務(wù)能力。

2）工業(yè)自動(dòng)化。工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用了大量的8、16、32位嵌入式微控制器，其網(wǎng)絡(luò)化是提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、減少人力資源的主要途徑，在工業(yè)過程控制、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測、石油化工等系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

3）智能儀器。根據(jù)不同要求，只需對(duì)軟硬件做部分修改，簡化系統(tǒng)，大大地提高了開發(fā)效率，具有廣闊的應(yīng)用空間。

4）礦井智能監(jiān)測。能解決礦山網(wǎng)絡(luò)傳輸中有關(guān)安全信息數(shù)據(jù)的采集問題，應(yīng)用前景廣闊。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：1. 64路開關(guān)量輸入、8路模擬量輸入及16路開關(guān)量輸出，反映敏捷；2.輸入、輸出全部電氣隔離、具有聲光報(bào)警的功能；3. 控制器有2種運(yùn)行模式：雙向運(yùn)行和單向運(yùn)行，保證信息傳遞的目的性；4. 支持Dynamic C，支持多任務(wù)，可以滿足各種復(fù)雜控制、運(yùn)算的要求及遠(yuǎn)程在線編程、維護(hù)；5. 與同類產(chǎn)品相比，具有功能齊全，性能可靠，使用方便等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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