基于PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)NetX片上系統(tǒng)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、工業(yè)控制的不斷發(fā)展，遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，特別是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制嵌入式智能設(shè)備的通信和配置診斷，通過(guò)這些智能設(shè)備所提供的通信接口直接利用Internet將其接入集中監(jiān)控管理系統(tǒng)，采用Web Sever訪問(wèn)技術(shù)，在遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)獲取設(shè)備運(yùn)行的各種參數(shù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，發(fā)送遙控命令，配置參數(shù)，獲取設(shè)備的報(bào)警信息和運(yùn)行狀態(tài)等方面，具有深刻的現(xiàn)實(shí)意義和長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。PROFINET是一種最新的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，可以提供辦公室和自動(dòng)化領(lǐng)域的開(kāi)放、一致連接，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信的主流技術(shù)之一。德國(guó)赫優(yōu)訊NetX中包含EtherCAT，CANopen，Modbus，PROFINET等現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，是一種高度集成的網(wǎng)絡(luò)控制器，具有全新的系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，適合工業(yè)通信及大規(guī)模數(shù)據(jù)吞吐；研究基于NetX片上系統(tǒng)（NetX Soc）實(shí)現(xiàn)PROFINET實(shí)時(shí)以太網(wǎng)接入、本地?cái)?shù)據(jù)快速處理、數(shù)據(jù)存貯技術(shù)及基于Web Server的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問(wèn)，以便為一些工業(yè)實(shí)時(shí)通信控制提供良好的解決策略。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為分布式遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)與主站掛接的NXIO（赫優(yōu)訊實(shí)時(shí)以太網(wǎng)從站IO測(cè)試板），通過(guò)PROFINET實(shí)時(shí)以太網(wǎng)把若干個(gè)嵌入式控制器與主站監(jiān)控計(jì)算機(jī)連接，然后再將主站監(jiān)控計(jì)算機(jī)接入Internet，監(jiān)控計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，同時(shí)將采集到的從站數(shù)據(jù)和監(jiān)控信息可以發(fā)布出去。另外，主站監(jiān)控計(jì)算機(jī)還可以通過(guò)RS-232總線與NXIO從站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制處理。采用該方式，用戶無(wú)論在多遠(yuǎn)，只要能夠連接到Internet，就可以通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)所有控制設(shè)備的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器用來(lái)存儲(chǔ)采集到的從站數(shù)據(jù)及相關(guān)的配置數(shù)據(jù)，供主站監(jiān)控計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)讀取和寫(xiě)入并設(shè)置其自身的工作狀態(tài)。管理員可通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)和修改數(shù)據(jù)庫(kù)中的參數(shù)。Web應(yīng)用程序服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的發(fā)布，接受在Internet上的任一用戶查詢?yōu)g覽，并允許授權(quán)用戶更改監(jiān)控主站計(jì)算機(jī)工作參數(shù)，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上。有用戶請(qǐng)求時(shí)，Web應(yīng)用程序服務(wù)器通過(guò)Internet從數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中讀取用戶請(qǐng)求數(shù)據(jù)，再通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)把這些數(shù)據(jù)發(fā)送到請(qǐng)求數(shù)據(jù)用戶，用戶的一些參數(shù)設(shè)置信息保存到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上，或通過(guò)NetX主站將配置信息下達(dá)到NXIO從站。

2 NetX SoC主從站間數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)

2．1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及程序部署

利用赫優(yōu)訊cifX實(shí)時(shí)以太網(wǎng)主站板卡、赫優(yōu)訊實(shí)時(shí)以太網(wǎng)從站IO測(cè)試板NXIO，搭建PROFINET實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)主從站PROFINET網(wǎng)絡(luò)通信及相應(yīng)通信程序設(shè)計(jì)。圖2描述了主從站間基于PROFINET和RS232通信的主從站的控制程序、NXIO從站基于rcX嵌入式系統(tǒng)下的實(shí)時(shí)控制任務(wù)程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及Web方式下的數(shù)據(jù)訪問(wèn)程序的部署。

2．2 系統(tǒng)程序主要功能描述

1）主站W(wǎng)eb Server界面控制顯示程序：由ASP．Net設(shè)計(jì)的主站W(wǎng)eb Server界面程序，監(jiān)控從站按鈕、指示燈狀態(tài)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)主從站通信參數(shù)配置，并實(shí)現(xiàn)與主站通信程序的數(shù)據(jù)交互。

2）主站數(shù)據(jù)通信程序：SYCON．NET系統(tǒng)配置軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)卡驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)診斷并實(shí)現(xiàn)主從站PROFINET通信，另外，采用C#串口通信類事件驅(qū)動(dòng)完成基于RS232通信下對(duì)從站串口通信的配置和數(shù)據(jù)交互。

3）從站循環(huán)掃描控制IO程序：基于reX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)用板級(jí)支持包中的系統(tǒng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)IO控制。

4）從站數(shù)據(jù)通信程序：基于BSP、串口通信協(xié)議和PROFINET IO協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)與主站的通信。

5）從站間多任務(wù)數(shù)據(jù)交互：從站控制作業(yè)如LED控制任務(wù)與通信任務(wù)采用信號(hào)量通信的方式獲得共享內(nèi)存區(qū)（ARM數(shù)據(jù)POOL）的訪問(wèn)權(quán)限，實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的數(shù)據(jù)交互。

3 NetX SoC主從站數(shù)據(jù)通信及Web訪問(wèn)設(shè)計(jì)

3．1 主從站通信配置

SYCON．NET是基于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工具（FDT）／設(shè)備類型管理器（DTM）技術(shù)的配置工具。FDT不依賴通信協(xié)議及主機(jī)系統(tǒng)或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的軟件環(huán)境，它具有標(biāo)準(zhǔn)的接口規(guī)范，對(duì)智能儀表實(shí)現(xiàn)綜合集成；DTlM可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)、設(shè)置及通信，在FDT下運(yùn)行。采用FDT／DTM可提高系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行診斷和維護(hù)的能力，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。如圖3所示，SYCON.NET配置工具可以實(shí)現(xiàn)PROFINET IO網(wǎng)絡(luò)配置、連接、診斷和相關(guān)NXD配置文件的導(dǎo)出。方式是在SYCON．NET配置工具中，在右側(cè)Hilscher GmbH列表中選擇Master文件夾中的NetX500 PNM模塊拖到左側(cè)網(wǎng)絡(luò)線上。同樣的方法可以將NXIO從站加入到左側(cè)主站網(wǎng)絡(luò)線上，并利用DTM配置相應(yīng)的主從站。對(duì)于其他廠家的從站設(shè)備，需要加入設(shè)備的GSD文件。

3．2 主站通信設(shè)計(jì)

主站通信利用C-Toolkit配置cifX卡，包括初始化、內(nèi)存操作、字符操作、事件處理、文件處理、同步定時(shí)、PLC的配置讀寫(xiě)等，如圖4所示。Visual Studio．NET平臺(tái)下，采用C#（C-sharp）結(jié)合C-Toolkit下提供的關(guān)于cifX卡固件加載的Lab文件、API函數(shù)及通信授權(quán)協(xié)議實(shí)現(xiàn)主站通信程序的設(shè)計(jì)，包括從站數(shù)據(jù)并入庫(kù)、向從站發(fā)送相關(guān)的配置信息等。圖5是串口通信類事件驅(qū)動(dòng)完成對(duì)NXIO從站串口通信的配置，以及通過(guò)RS-232實(shí)現(xiàn)控制從站IO接口的開(kāi)關(guān)及LED狀態(tài)顯示，同時(shí)程序包含Socket類實(shí)現(xiàn)接受Web下發(fā)的從站配置和控制信息。

主站通信網(wǎng)絡(luò)程序中定義Socket類，用于監(jiān)聽(tīng)Web頁(yè)面上客戶端發(fā)送的配置信息。如下是主站Socket通信部分代碼：

3．3 Web控制及配置程序設(shè)計(jì)

基于VisualStudio．Net開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)Web Server服務(wù)器對(duì)Slave Device NXIO的串口配置及LED燈的監(jiān)控。圖6是二號(hào)從站LED燈控制的一個(gè)測(cè)試界面。Web頁(yè)面封裝一個(gè)含有Socket的ActiveX控件：用于與服務(wù)器端的Socket通信，當(dāng)配置從站信息和接受從站采集信息，觸發(fā)事件并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。Web方式不適合實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查詢顯示，可用Web頁(yè)面刷新方式查詢各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)狀態(tài)。如每?jī)擅胨⑿乱淮伪O(jiān)控頁(yè)面，則可在HTML文件中加入代碼：《meta http-equiv=“refresh”content=“2”》。

4 NetX SoC從站系統(tǒng)技術(shù)研究

4．1 嵌入式NetX硬件平臺(tái)的通信設(shè)計(jì)

NetX嵌入系統(tǒng)用戶程序包括實(shí)時(shí)通信和控制程序。在rcX嵌入式下進(jìn)行實(shí)時(shí)通信程序和控制程序設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)中依據(jù)時(shí)間片和中斷進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。圖7為NXIO從站軟件系統(tǒng)架構(gòu)。實(shí)時(shí)通信程序和控制程序可通過(guò)雙端口內(nèi)存（DPM）交換數(shù)據(jù)，相對(duì)獨(dú)立；實(shí)時(shí)通信程序采用消息通信機(jī)制時(shí)，利用接收發(fā)送標(biāo)志位可提高通信數(shù)據(jù)的完整性。

4．2 NetX從站程序設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

從站控制程序是基于rcX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)用板級(jí)支持包中的系統(tǒng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)IO控制、串口通信程序以及基于PROFINET實(shí)時(shí)通信程序的設(shè)計(jì)。從站的實(shí)現(xiàn)流程如下：在Hitop IDE開(kāi)發(fā)環(huán)境下完成硬件初始化，主函數(shù)實(shí)現(xiàn)任務(wù)的初始化及配置，LED控制任務(wù)、串口通信任務(wù)、PROFINET實(shí)時(shí)通信及各個(gè)任務(wù)間的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)程序下載并駐留到在rcX嵌入式控制器中。從站通信及控制程序的軟件層次如圖8所示。

5 結(jié)論

通過(guò)NetX SoC配置PROFINET協(xié)議棧等通信技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)了PROFINET實(shí)時(shí)以太網(wǎng)接入、NetX SoC主從站間PROFINET和UART數(shù)據(jù)通信，以及Web方式下依托控制主站對(duì)從站實(shí)施遠(yuǎn)程配置管理及監(jiān)控，為采用PROFINET實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、監(jiān)管提供了一種可行的技術(shù)解決方案。

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