引言

隨著各個企業(yè)安全意識的增強以及現(xiàn)代化管理水平的提高，對分布式環(huán)境的遠程測控在工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應用。傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)多為遠程監(jiān)控主機通過傳輸網(wǎng)絡與代理服務器進行數(shù)據(jù)交互，此種方式需要額外的數(shù)據(jù)采集和控制設備負責現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)采集以及把采集到的實時數(shù)據(jù)發(fā)送給代理服務器，適應性較差，內(nèi)部網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速率不高，影響遠程監(jiān)控的實時性，而且當代理服務器出現(xiàn)故障時，遠程監(jiān)控主機將對所有的現(xiàn)場設備失去監(jiān)視和控制，可靠度不高。因此，筆作提出了一種基于嵌人式技術(shù)的遠程集中測控系統(tǒng)，它將嵌人式技術(shù)、無線通信技術(shù)和自動控制技術(shù)有機地結(jié)合起來，采用嵌人式硬件平臺和無線通信模塊，不需要額外的數(shù)據(jù)采集和控制設備。該系統(tǒng)實時性強、可靠性高、結(jié)構(gòu)小巧、開發(fā)費用低廉，更適用于現(xiàn)代工業(yè)測控系統(tǒng)川。

1、系統(tǒng)總體設計方案

嵌人式遠程測控系統(tǒng)實現(xiàn)方案如圖1所示。系統(tǒng)由客戶端瀏覽器，嵌人式服務器平臺，現(xiàn)場測控模塊3部分組成。客戶端瀏覽器是運行在桌面計算機中的通用瀏覽器應用程序，嵌入式服務器是以S3 C4510B芯片為核心組建的網(wǎng)絡服務平臺，現(xiàn)場測控模塊是以MCS-51單片機為核心構(gòu)成的測控執(zhí)行部件。其中嵌人式服務器平臺是系統(tǒng)的核心部件。負責對現(xiàn)場設備進行測控數(shù)據(jù)的采集、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)及與遠程客戶端瀏覽器的數(shù)據(jù)交互。

圖1 嵌入式遠程集中剛控系統(tǒng)實現(xiàn)方案

本方案中，服務器采用嵌人式硬件平臺，基于uClinux操作系統(tǒng)系統(tǒng)，建立嵌人式Web服務器和分布式現(xiàn)場的測控應用程序。測控應用程序通過驅(qū)動無線模塊，以主動輪詢方式實現(xiàn)嵌人式平臺與和分布式測控設備之間的通信。現(xiàn)場測控模塊負責對測控應用程序發(fā)出命令進行響應，以完成分布式現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和控制動作執(zhí)行。

通過公共網(wǎng)關(guān)接口CGI ( Common Gateway Interface)實現(xiàn)嵌人式Web服務器和分布式現(xiàn)場的測控應用程序接口。CGI可以使編寫的程序處理WWW上客戶端送來的表單和數(shù)據(jù)，并對此做出響應，可使編寫的程序和Web服務器間的接口標準化。

嵌人式服務器正常工作往往要引人文件系統(tǒng)，uClinux操作系統(tǒng)提供了很好的文件系統(tǒng)；同時利用uClinux操作系統(tǒng)自身所帶的TCP/IP ( Transport Control Protocol/Internet Protocol)協(xié)議棧，只要在應用層上利用操作系統(tǒng)提供的網(wǎng)絡API ( Application Programming Interface)編寫服務器端程序即可，大大節(jié)省了開發(fā)時間。

2、系統(tǒng)硬件設計

對于一個嵌入式系統(tǒng)而言，硬件系統(tǒng)設計相當重要，一方面要考慮所選擇的器件是否適合應用要求，硬件資源是否足夠用來編程調(diào)試并保證系統(tǒng)性能優(yōu)良；另一方面硬件資源要在滿足系統(tǒng)需求前提下盡可能降低成本。綜合考慮以上因素，設計本系統(tǒng)中的嵌人式服務器平臺結(jié)構(gòu)框圖如圖a所示。基于S3 C4510B核心芯片擴展了必要的Flash ， SDRAM ( Synchronous Dynamic Random Access Memory)以及網(wǎng)絡接口和無線通信接日模塊。

網(wǎng)絡傳輸接口由以太網(wǎng)物理層接口器DM9161、網(wǎng)絡隔離變壓器FC一巧岱和RJ45接口組成。本系統(tǒng)沒有單獨使用以太網(wǎng)控制器，因為S3C4510B內(nèi)嵌一個以太網(wǎng)控制器支持媒體獨立接口(MII：Media Independent Interface)和帶緩沖DMA接口(BDI：Buffered DMA Interface)，可在半雙工或全雙工模式下提供10 /100 Mbit/s的以太網(wǎng)接人。在全雙工模式下支持IEEE802. 3 MAC ( Media Access Control)層協(xié)議。DM9161完成物理層及數(shù)據(jù)發(fā)送/接收功能，支持100BaseT和lOBaseT網(wǎng)絡。由于S3C4510B片內(nèi)已有帶MII接口的MAC控制器，DM9161也提供了MII接口，各種信號的定義也很明確，因此DM9161與S3 C4510的連接較簡單。信號發(fā)送和接收端應通過網(wǎng)絡隔離變壓器FC-S15IS和RJ45接口接人傳輸媒質(zhì)。

數(shù)據(jù)通信采用無線數(shù)傳Modem模塊PTR2Q00完成。該器件是業(yè)界倍受推崇的一款無線數(shù)傳產(chǎn)品。它將數(shù)據(jù)的接收和發(fā)射合為一體；采用FSK調(diào)制/解調(diào)技術(shù)，可直接進行數(shù)據(jù)輸入/輸出，抗干擾能力強；采用DDS(直接數(shù)據(jù)合成)十PLL(Phase-Locked Lo叩)頻率合成技術(shù)；頻率穩(wěn)定性極好；其工作頻率穩(wěn)定可靠、外圍元件少、功耗極低且便于設計生產(chǎn)。另外，由于它采用了低發(fā)射功率、高靈敏度設計，因而可滿足無線管制的要求且無需使用許可證，是目前低功率無線數(shù)傳的理想選擇。利用S3 C4510B芯片的GPIO控制PTR2001〕的D0， DI和TXEN引腳，并通過對GPIO高低電平的設置來控制TXEN從而實現(xiàn)收發(fā)轉(zhuǎn)換岡，通過驅(qū)動GPIO(General-Purpose UO Port)模擬PTR2000的DO及DI收發(fā)時序，遵循多機通信協(xié)議，即可完成主動方式的數(shù)據(jù)通信。

此外，在設備現(xiàn)場，可利用MSC-51系列單片機控制PTR2000完成現(xiàn)場測控模塊的功能(其中包括無線信道的建立)。MSC-51的TTL電平與YTR2000的TTL電平相同，可直接將PTR2000的DO和DI與MSC-51的RXD和TXD相連。如圖3所示，現(xiàn)場測控的MSC-51和PTR2000的連接電路示意圖，把MSC-51的Pl. 7和PTR2000的TXEN相連，以控制模塊的發(fā)射控制、頻道轉(zhuǎn)換和低功耗模式。

圖3 現(xiàn)場測控MSC-51和PTR2000連接電路示意圖

3、軟件程序?qū)崿F(xiàn)

本設計的軟件程序編寫涉及到很多關(guān)鍵技術(shù)，包括嵌人式HTTP(Hypertext Transfer Protocol)服務器、公共網(wǎng)關(guān)接口CGI ， HTML和Java Applet技術(shù)以及在Linux下的進程間通信。嵌人式HTTP服務器是建立在客戶端/服務器端模式下的，由守護進程偵聽80端口提供服務，對嵌人式HTTP服務器而言，瀏覽器就是客戶端。在類linux下建立嵌人式HTTP服務器涉及到網(wǎng)絡Socket編程，Socket利用客戶端/服務器端模式在進程之間建立通信連接。對嵌入式HTTP服務器而言，服務被提供時必然存在服務進程和客戶進程，它們在通信前又必須創(chuàng)建各自的套接字并建立連接，然后才能對相應的套接字進行“讀”和“寫”操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

公共網(wǎng)關(guān)接口CGI是建立在HTTP服務器內(nèi)的一個軟件模塊，它可以執(zhí)行存儲在服務器上的程序。CGI腳本與HTTP服務器一起負責響應客戶請求。HTTP服務器根據(jù)請求調(diào)用相應的CGI程序進行處理，最后向客戶端返回處理結(jié)果并結(jié)束交互過程。傳統(tǒng)的純HTML文檔所包含的信息是靜止不動的，而利用CGI腳本則可根據(jù)用戶請求實時運行，并產(chǎn)生動態(tài)信息，具有很高的效率和更大的靈活性。

HTML的實現(xiàn)比較容易，Java Applet相對比較復雜一點。本系統(tǒng)的Java Applet由圖形界面和網(wǎng)絡連接交互兩部分組成，當然Java Applet的整體運行還是按照Java Applet生命周期（包括3個基本循環(huán):init()、start()和stop()）運行的。

對于圖形界面，Java的抽象窗口工具集AWT中包含很多的類，以支持GUI的設計，建立標準的圖形界面。利用AWT提供的基本組件，設置按鈕、復選框、標簽、菜單、滾動條和文本區(qū)；利用容器組件，創(chuàng)建面板、窗口、框架和對話框等；利用提供的布局管理器(例如F1owLayout、BorderLayout和GridBagLayout )，AWT還提供繪圖方法和事件處理機制。

本系統(tǒng)還涉及到多個進程。例如，無線串口模塊管理進程要從串口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)和指令，同時還要向CGI進程返回測量結(jié)果。這些都必須通過兩個進程間的通信實現(xiàn)。在Linux下進程間通信的實現(xiàn)方式有信號、管道、System V進程間通信(消息隊列、信號燈、共享內(nèi)存)等。

由于老版本的uClinux不支持System V進程間通信機制，可以采用共享文件來實現(xiàn)CGI進程與無線串口模塊管理進程間的通信。為便于進程間的通信，建立文本文件note. txt，無線串口模塊管理進程向note. txt寫人從串口傳過來的數(shù)據(jù)，CGI進程從note. txt讀取數(shù)據(jù)。

但是兩個進程對note. txt的訪問是互斥的，即同一時刻最多只能有一個進程訪問這個文件。用文件write. lock可以實現(xiàn)互斥訪問，即無線串口模塊管理進程在訪問note. txt文件之前先判斷read. lock是否存在，若有則等待，若沒有就先創(chuàng)建write. lock文件鎖，然后就可以打開note. txt文件進行訪問，文件訪問完成后刪除文件鎖。同樣，使用read. lock文件鎖可以實現(xiàn)CGI進程從note. txt讀取數(shù)據(jù)。

當uClinux支持System V進程間通信機制時，一般采用消息隊列、信號量、共享內(nèi)存等。這里采用信號量和共享內(nèi)存共同作用方式。共享內(nèi)存是由IPC為一個進程創(chuàng)建的一個特殊的地址范圍，它將出現(xiàn)在進程的地址空間中。其他進程可把同一段共享內(nèi)存段“連接到”它們自己的地址空間。所有進程都可以訪問共享地址。如果一個進程向這段共享內(nèi)存寫了數(shù)據(jù)，所做的改動會立刻被有權(quán)訪問同一段共享內(nèi)存的其他進程看到。共享內(nèi)存本身沒有提供任何同步功能，使用一個信號量在程序的讀、寫這兩部分之間進行同步并利用其保護機制，防止內(nèi)存的不正確共享的現(xiàn)象。

圖4 嵌入式HTTP服務器index.html界面

4、測試結(jié)果和結(jié)論

基于上述方案對實現(xiàn)的嵌人式遠程集中測控系統(tǒng)進行了網(wǎng)絡應用測試。測控執(zhí)行部件完成對現(xiàn)場的溫度的采集和顯示設備的控制等任務。在瀏覽器URL處輸人:http: //192. 168.0.2/index. html(192. 168. 0. 2是嵌人式HTTP服務器的IP地址)。嵌人式HTTP服務器index. html界面如圖4所示。雙擊“嵌人式溫測系統(tǒng)”，出現(xiàn)如圖5所示的Java Applet交互界面。該界面中給出了實際測量的溫度曲線。測試結(jié)果表明，該嵌人式遠程集中測控系統(tǒng)設計方案合理，可靠性、實時性和開發(fā)成本優(yōu)于同類相關(guān)技術(shù)，同時也為嵌人式系統(tǒng)的網(wǎng)絡應用提供了成功的參考實例。

圖5 Java Applet交互界面

基于嵌人式系統(tǒng)的遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡傳輸、計算機軟件等多種技術(shù)的綜合應用，適用于對遠端現(xiàn)場環(huán)境進行實時監(jiān)控，自動化管理，保障工業(yè)生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運行。它不僅具有基本的環(huán)境指標監(jiān)測功能，而且通過無線傳輸將控制端和現(xiàn)場設備連接起來，可在上位計算機上進行集中監(jiān)控以及查詢和統(tǒng)計工作，具有結(jié)構(gòu)靈活、人機界面好、集現(xiàn)代化控制和管理技術(shù)于一體等優(yōu)點，提高了生產(chǎn)效率。此系統(tǒng)也可以應用于其他遠距離分布式控制場合。