基于嵌入式控制器的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)

　　1 引言

　　在儀器儀表迅速發(fā)展的同時，計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也在迅速發(fā)展，PC機已經(jīng)從高速增長進入到平穩(wěn)發(fā)展時期，單純由PC機帶領(lǐng)電子產(chǎn)業(yè)蒸蒸日上的時代己經(jīng)成為歷史，嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，使計算機和網(wǎng)絡(luò)進入了后PC時代?；谇度胧街悄軆x表遠程監(jiān)控系統(tǒng)作為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)重要發(fā)展方向之一，是工業(yè)數(shù)據(jù)通訊與控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等多種技術(shù)共同發(fā)展的結(jié)果[1]。該項技術(shù)的發(fā)展與成熟將會給人們的生產(chǎn)生活帶來深遠的影響。

　　2 嵌入式控制器硬件設(shè)計

　　控制器的定義：嵌入式控制器以高速處理器為核心，由高速處理器和其他芯片協(xié)同工作來控制的電子設(shè)備或裝置，能夠完成監(jiān)視、控制等各種自動化處理任務(wù)[4]。嵌入式控制器是系統(tǒng)的核心部分。

　　2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

　　圖1 嵌入式控制器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

　　嵌入式控制器的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖見圖1所示。由5V、3.3V和1.8V二種直流電源供電。系統(tǒng)主要由DSP芯片TMS320C5402、256K FLASH存儲器、以太網(wǎng)接口芯片RTL8019AS、 A/D轉(zhuǎn)換芯片、串口芯片等組成。

　　從嵌入式控制器的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖以看出嵌入式控制器是嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。現(xiàn)場智能儀器儀表可以通過嵌入式控制器的模擬量和數(shù)字量接口輸入信號，由控制器內(nèi)嵌的服務(wù)程序，通過以太網(wǎng)或Modem，在遠程由客戶端程序?qū)ΜF(xiàn)場智能儀表進行信號的查看和控制，從而實現(xiàn)智能儀表的遠程監(jiān)控。

　　2.2 處理器DSP 5402最小系統(tǒng)設(shè)計

　　(1)復(fù)位電路。同時設(shè)計上電復(fù)位電路和人工復(fù)位電路，當系統(tǒng)運行中出現(xiàn)故障時可方便地人工復(fù)位。復(fù)位電路一方面應(yīng)確保復(fù)位低電平時間足夠長，保證DSP可靠復(fù)位;另一方面應(yīng)保證穩(wěn)定性良好，防止DSP誤復(fù)位。復(fù)位電路采用MAX706R芯片組成自動復(fù)位電路。MAX706R是一種能與具有3.3V工作電壓的DSP芯片相匹配的自動復(fù)位芯片。該芯片的具體接法如圖2所示。

　　(2)時鐘電路。一般DSP系統(tǒng)中經(jīng)常使用外部時鐘輸入，因為使用外部時鐘時，時鐘的精度高，穩(wěn)定性好，使用方便。由于DSP工作是以時鐘為基準，如果時鐘質(zhì)量不高，那么系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性就很難保證。因此，本系統(tǒng)擬采用外部時鐘源提供時鐘，如圖3所示。將外部的時鐘信號直接加到DSP芯片的X2/CLKIN引腳，X1引腳懸空。設(shè)置CLKMEI=1，CLKMD2=1，CLKMD3=1。復(fù)位后使DSP芯片的時鐘為外部晶振頻率的1/2，即2分頻。

　　圖2 系統(tǒng)自動復(fù)位電路

　　圖3 時鐘電路

　　(3)系統(tǒng)電源設(shè)計。TMS320VC5402芯片采用雙電源供電，DSP的核內(nèi)電壓和I/O接口電壓分別為1.8V和3.3V， 本系統(tǒng)需要三種電源，電壓為5V、3.3V和1.8V。其中，RTL8019AS網(wǎng)卡芯片和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路均采用5V電源供電。DSP的雙電源解決方案采用TPS73HD318實現(xiàn)，輸入的電源電壓為5V，輸出電壓分別為3.3V和1.8V，每路電源的最大輸出電流為750mA。

　　2.3 程序存儲器的擴展

　　FLASH存儲器與EPROM相比，具有更高的性能價格比，而且體積小、功耗低、可電擦寫、使用方便，并且3.3V的FLASH可以直接與DSP芯片連接。因此，采用FLASH作為程序存儲器存儲程序和一些固定數(shù)據(jù)是一種比較好的選擇。本系統(tǒng)的程序存儲器選用了一片AT29LV020 FLASH存儲器。此芯片有256K×8的存儲空間，最快讀取速度為100ns。所以在讀取程序時，要使主頻低于10MHz。

　　2.4 接口電路設(shè)計

　　(1)模擬量輸入接口。模擬量輸入通道采用了TI公司生產(chǎn)的TLV2544芯片，當與DSP芯片連接時，可用一個幀同步信號FS來控制一個串行數(shù)據(jù)幀的開始。采用TMS320VC5402提供高速、雙向、多通道帶緩沖串行端口MCBSP，可用來與串行A/D轉(zhuǎn)換器直接連接。

　　(2)以太網(wǎng)擴展接口。實現(xiàn)嵌入式智能儀表的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，首要的問題就是要讓智能儀表具有以太網(wǎng)接口。臺灣Realtek公司生產(chǎn)的RTL8019AS以太網(wǎng)接口芯片可以讓嵌入式控制器具有通用計算機的網(wǎng)絡(luò)接口。

　　(3)RS-232串行接口設(shè)計。RS-232-C并未定義連接器的物理特性，因此存在DB-25， DB-15和DB-9等多種類型的連接器。DSP為了同現(xiàn)場智能儀表的串口相連，我們用MAXIM公司的MAX3111來完成EIA到TTL電路之間的電平和邏輯關(guān)系的轉(zhuǎn)換。

　　(4)RS-485串行通信接口。RS-485是為了適應(yīng)遠距離、分布式控制系統(tǒng)的需要而制定的一種串行通信總線標準。它支持多節(jié)點、遠距離傳輸。RS-485標準采有用平衡式發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動總線。為了擴展終端連接設(shè)備的數(shù)量，本設(shè)計增加了RS-485接口。DSP與RS-485串口的連接使用MAXIM公司的MAX3140UART通信芯片來完成。

　　3 嵌入式TCP/IP協(xié)議設(shè)計

　　3.1總體數(shù)據(jù)流設(shè)計

　　嵌入式TCP/IP的總體數(shù)據(jù)流圖如圖4所示。

　　圖4 嵌入式TCP/IP的總體數(shù)據(jù)流圖

　　應(yīng)用程序通過Socket應(yīng)用編程接口使用TCP/IP協(xié)議棧提供的數(shù)據(jù)通訊功能[3]。發(fā)送數(shù)據(jù)時，如果選擇的是面向連接的TCP協(xié)議，則應(yīng)用程序?qū)⒂脩魯?shù)據(jù)交給TCP協(xié)議模塊處理，TCP模塊將其首部和數(shù)據(jù)封裝成TCP報文段;如果選擇的是無連接的UDP協(xié)議，則將用戶數(shù)據(jù)交給UDP協(xié)議模塊處理，UDP模塊將其首部和數(shù)據(jù)封裝成UDP數(shù)據(jù)報。然后將封裝好的TCP報文段或UDP數(shù)據(jù)報交給IP協(xié)議模塊，IP模塊在TCP報文段或UDP數(shù)據(jù)報上添加IP首部，并封裝成IP數(shù)據(jù)包，然后根據(jù)路由表為IP數(shù)據(jù)包確定路由;找到了路由則將數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)接口層，網(wǎng)絡(luò)接口層判斷發(fā)送的數(shù)據(jù)是從以太網(wǎng)接口還是從異步串口發(fā)出，如果是從以太網(wǎng)接口發(fā)出，則要利用ARP協(xié)議找到目的IP地址對應(yīng)的物理地址，然后封裝成以太網(wǎng)幀，由網(wǎng)卡驅(qū)動程序?qū)⒁蕴W(wǎng)幀發(fā)送出去。

　　3.2 總體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　TCP通過一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為每個TCP連接協(xié)調(diào)發(fā)送、接收和重發(fā)動作，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱作TCP傳輸控制塊TCB。TCP為每個活躍的連接保留一個TCB，TCB中包含了有關(guān)TCP連接的所有信息，包括連接端點的地址和端口號，當前平均往返時間的估計值，發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)，是否需要確認或重傳，以及一組有關(guān)該連接的使用情況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，所以TCB較大，本設(shè)計對TCB進行了簡化，只保留了用于控制面向連接的數(shù)據(jù)收發(fā)所必需的基本信息。

　　用于UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)收發(fā)控制塊UTCB包含了UDP端結(jié)點的所有信息：外部和本地IP地址、外部和本地端口號以及其它控制信息。UTCB的使用及分配與TCB完全一樣，只是因為UDP不需要建立連接，所以只要有數(shù)據(jù)進行發(fā)送，則立即分配UTCB，一旦數(shù)據(jù)發(fā)送完成，則釋放該UTCB。

　　4 嵌入式控制器軟件設(shè)計

　　根據(jù)系統(tǒng)的控制要求和編程的需要，將系統(tǒng)軟件的模塊劃分如下部分，共分六個模塊，分別是主控模塊、初始化模塊、協(xié)議封裝模塊、協(xié)議拆包重組模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊和應(yīng)用層應(yīng)用模塊。圖5分別是各模塊之間的邏輯關(guān)系。

　　圖5軟件系統(tǒng)模塊之間的關(guān)系

　　(1)主控模塊設(shè)計。主控模塊中通常包含一些變量的定義和函數(shù)的調(diào)用。另外一些重要的I/O端口定義也放在主控函數(shù)中。在主控模塊中定義了延時信號函數(shù)、端口設(shè)置函數(shù)、同步串口設(shè)置函數(shù)、中斷服務(wù)函數(shù)等。系統(tǒng)工作時程序從主控模塊的main()函數(shù)開始運行，首先是調(diào)用DSP及RTL8019AS的初始化程序，完成初始化之后，主程序以一個無條件循環(huán)進入工作狀態(tài)。

　　(2)初始化模塊設(shè)計。系統(tǒng)軟件在運行的時候首先要調(diào)用初始化程序，對系統(tǒng)的各資源進行初始化，然后才能正常工作。初始化模塊包括了四個初始化函數(shù)，分別是net_init()、dsp5402_init()、interrupt_init()、nic_atl_init()。

　　(3)協(xié)議封裝模塊設(shè)計。協(xié)議封裝部分的作用是將數(shù)據(jù)進行分組，并以不同的協(xié)議打包封裝使其成為符合TCP/IP協(xié)議規(guī)范的分組數(shù)據(jù)。在設(shè)計中，對于不同協(xié)議的封裝，分別由不同的函數(shù)實現(xiàn)。在本系統(tǒng)中，監(jiān)控終端系統(tǒng)需要對位于網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議、位于傳輸層的TCP協(xié)議進行封裝。封裝順序是先傳輸層協(xié)議TCP封裝，后網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議IP封裝。之后傳入網(wǎng)絡(luò)接口模塊發(fā)送出去。

　　(4)協(xié)議拆包重組模塊設(shè)計。本模塊的工作過程是這樣的，數(shù)據(jù)從以太網(wǎng)上被接收下來之后，首先會放在網(wǎng)卡芯片的片上內(nèi)存當中，由DSP即網(wǎng)絡(luò)接口模塊將其讀入后進行協(xié)議分解，根據(jù)協(xié)議的內(nèi)容進行相應(yīng)處理，如果是UDP封裝的數(shù)據(jù)則將其放入系統(tǒng)的接收緩沖區(qū)當中。由DSP根據(jù)協(xié)議中序列號字段的值對數(shù)據(jù)包進行重新分組排隊，最后將數(shù)據(jù)拆包、合并，形成連續(xù)的數(shù)據(jù)流后，傳送到應(yīng)用層進行進一步處理。

　　5 小結(jié)

　　本文詳細闡明了嵌入式控制器的硬件和軟件的設(shè)計和實現(xiàn)過程，包括微處理器系統(tǒng)硬件設(shè)計和實現(xiàn)、和智能儀表的接口模塊實現(xiàn)、TCP/IP協(xié)議分析和實現(xiàn)等。嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)的成功實現(xiàn)將有很大的實用價值和很好的應(yīng)用前景。它不僅僅應(yīng)用在工業(yè)控制方面，而且它還將會在氣象、環(huán)境監(jiān)測、智能家居等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。在以后的開發(fā)過程中，還可以提出比較標準化的應(yīng)用層通信協(xié)議，以實現(xiàn)多家產(chǎn)品的兼容通信。還可以嘗試將多個單系統(tǒng)連接在一塊，來進行協(xié)調(diào)工作，真正實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的遠程化和網(wǎng)絡(luò)化。

　　本文作者創(chuàng)新點

　　本系統(tǒng)采用了16位定點高速DSP微處理器(其程序易于移植到同類32位微處理器芯片上)，其運行速度可達100MIPS性能較早前流行的8位微處理器有明顯的提高。方案設(shè)計的本身就也是一種創(chuàng)新，通過采用較優(yōu)技術(shù)和高性能的硬件，組合出了高性能的監(jiān)控系統(tǒng)。借用了計算機的模塊化(包括軟件和硬件)設(shè)計思想，使系統(tǒng)可以根據(jù)需要進行重新組合。

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