基于微處理器S3C44B0X和RTL8019AS網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程液位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者：何偉，江華明，俞立，徐建明

在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中液位對(duì)象是一種十分普遍的對(duì)象，對(duì)液位對(duì)象的監(jiān)測(cè)與控制是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其功能必不可少的環(huán)節(jié)。在過去，液位的監(jiān)控裝置多數(shù)是使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制和顯示，工作人員必須到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)操作這些儀器，且單片機(jī)功能十分有限，只能完成一些相對(duì)簡(jiǎn)單的操作。

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛，基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、控制和管理的有效集成。使用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)信息，快速進(jìn)行決策。

遠(yuǎn)程控制的關(guān)鍵技術(shù)在于如何解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入問題。目前，主要有兩種方法：一種是使用PC機(jī)通過PC機(jī)端口（如RS232、USB接口）或數(shù)據(jù)采集卡來采集數(shù)據(jù)同時(shí)提供網(wǎng)絡(luò)接口，這種方法利用強(qiáng)大的PC機(jī)軟件支持，容易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能，但是PC機(jī)端口資源有限，專用采集卡成本較高，難以推廣;另一種就是在現(xiàn)場(chǎng)使用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入，嵌入式系統(tǒng)具有功耗低、體積小、成本低、可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，使用在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)比較合適。

本文將嵌入式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，在現(xiàn)場(chǎng)利用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能以實(shí)時(shí)傳輸液位信號(hào)和控制信號(hào)，在客戶端PC機(jī)上通過套接字編程實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)嵌入式系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信，從而達(dá)到對(duì)遠(yuǎn)程液位的監(jiān)控。

1 遠(yuǎn)程液位監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程液位監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：其中，處理器芯片采用ARM微處理器S3C44B0X;S3C44B0X自帶8路10位ADC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換來采集液位數(shù)據(jù)，通過擴(kuò)展DAC0832實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換以輸出控制量;S3C44B0X連接10M以太網(wǎng)卡RTL8019AS，提供網(wǎng)絡(luò)功能的硬件接口;μC/OS-Ⅱ移植到S3C44B0X上，提供操作系統(tǒng)的支持，方便了應(yīng)用程序的開發(fā)和對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的管理;嵌入式TCP/IP協(xié)議棧LwIP移植到μC/OS-Ⅱ平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的軟件處理，從而為嵌入式系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)通信功能;遠(yuǎn)程PC機(jī)客戶端登錄到嵌入式系統(tǒng)服務(wù)器上，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)兩端數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互。

圖1 遠(yuǎn)程液位監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件介紹與設(shè)計(jì)

三星的S3C44B0X微處理器芯片采用ARM公司16/32位ARM7TDMI RISC結(jié)構(gòu)的CPU核，主頻為66MHz，通過擴(kuò)展一系列通用外圍部件，提供豐富的外設(shè)功能。它的存儲(chǔ)系統(tǒng)具有8個(gè)存儲(chǔ)體，每個(gè)有32MB的存儲(chǔ)空間，通過nGCS0-7這8個(gè)片選來分配。本文使用的設(shè)計(jì)方案中nGCS0接Flash芯片AM29LV160DB，起始地址0x00000000，大小為2MB，nGCS6接SDRAM芯片HY57V641620ET-7，起始地址為0x0c000000，大小為8MB，nGCS3接RTL8019AS，起始地址為0x06000000。

RTL8019AS是一款高度集成的全雙工以太網(wǎng)控制器，收發(fā)可同時(shí)達(dá)到10Mbps的速度;支持8位、16位數(shù)據(jù)總線，8個(gè)中斷請(qǐng)求線可供選擇;支持UTP、AUI和BNC的自動(dòng)檢測(cè);內(nèi)置16K的SRAM，用于數(shù)據(jù)緩沖，以256B為單位的分頁(yè)結(jié)構(gòu)，可以自行分配用于收發(fā)的分頁(yè)的大小和位置，一般前12頁(yè)用于發(fā)送緩沖，后52頁(yè)用于接收緩沖;硬件自帶收發(fā)CRC校驗(yàn)、FIFO邏輯隊(duì)列等，減少了主CPU處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的工作量。S3C44B0X對(duì)RTL8019AS的操作主要集中在對(duì)網(wǎng)卡寄存器的讀寫和網(wǎng)卡內(nèi)SRAM的處理。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 基于嵌入式系統(tǒng)的服務(wù)器端程序設(shè)計(jì)

3.1.1 S3C44B0X上μC/OS-Ⅱ的移植

嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ可以運(yùn)行于各種不同類型的微處理器上，其內(nèi)核小、效率高，并且具有高度的模塊化和可移植性，支持多任務(wù)實(shí)時(shí)調(diào)度，擴(kuò)展后可支持網(wǎng)絡(luò)功能、圖形界面等，使得應(yīng)用程序的開發(fā)更加簡(jiǎn)單，功能更加豐富。

在使用μC/OS-Ⅱ之前，要先將它移植到S3C44B0X上，移植工作主要包括三個(gè)方面：

（1） 設(shè)置與處理器和編譯器相關(guān)的代碼，包括一系列數(shù)據(jù)類型的定義，開中斷宏、關(guān)中斷宏的實(shí)現(xiàn)，定義堆棧的生長(zhǎng)方向;

（2） 用C語言編寫6個(gè)操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)：OSTaskStkInit（）初始化任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)，和5個(gè)鉤子函數(shù)OSTaskDelHook（）、OSTaskSwHook（）、OSTaskStatHook（）、OSTimeHook（）、OSTaskCreateHook（）;

（3） 用匯編語言編寫4個(gè)與處理器相關(guān)的函數(shù)：運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最高的就緒任務(wù)函數(shù)OSStartHighRdy（），任務(wù)級(jí)的任務(wù)切換函數(shù)OS_TASK_SW（），中斷級(jí)的任務(wù)切換函數(shù)OSIntCtxSw（），時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)函數(shù)OSTickISR（）。

3.1.2 μC/OS-Ⅱ上TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)

LwIP（Light-weight IP）是瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)院（Swedish Institute of Computer Science）的Adam Dunkels等開發(fā)的一套開源的TCP/IP協(xié)議棧，LwIP在保持TCP/IP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對(duì)RAM的占用，這使得它適合在低端嵌入式系統(tǒng)中使用。

LwIP協(xié)議棧在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)把所有與硬件、操作系統(tǒng)、編譯器等移植相關(guān)的部分獨(dú)立出來，放在/src/arch目錄下。因此LwIP在μC/OS-Ⅱ上的實(shí)現(xiàn)就是修改這個(gè)目錄下的文件。

（1） 與CPU、編譯器相關(guān)的部分

主要是cc.h、cpu.h、peRF.h文件中有關(guān)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、字的高低位順序等的定義，這些應(yīng)該與實(shí)現(xiàn)μC/OS-Ⅱ時(shí)參數(shù)的定義保持一致。另外，一般情況下C語言的結(jié)構(gòu)體struct是4字節(jié)對(duì)齊的，但是在處理數(shù)據(jù)包的時(shí)候，LwIP使用的是通過結(jié)構(gòu)體中不同數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度來讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，所以，一定要在定義struct的時(shí)候使用_packed關(guān)鍵字，讓編譯器放棄struct的字節(jié)對(duì)齊。

（2） 與操作系統(tǒng)相關(guān)的部分

LwIP中需要使用信號(hào)量通信，所以在sys_arch.h、sys_arch.c中應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)量結(jié)構(gòu)體sys_sem_t，和相關(guān)的信號(hào)量處理函數(shù)：包括創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量結(jié)構(gòu)sys_sem_new（），釋放一個(gè)信號(hào)量結(jié)構(gòu)sys_sem_free（），發(fā)送信號(hào)量sys_sem_signal（），請(qǐng)求信號(hào)量sys_arch_sem_wait（）。

LwIP使用消息隊(duì)列來緩沖、傳遞數(shù)據(jù)報(bào)文，因此要在sys_arch.h、sys_arch.c中實(shí)現(xiàn)消息隊(duì)列結(jié)構(gòu)體sys_mbox_t，以及相應(yīng)的操作函數(shù)：包括創(chuàng)建一個(gè)消息隊(duì)列sys_mbox_new（），釋放一個(gè)消息隊(duì)列sys_mbox_free（），向消息隊(duì)列發(fā)送消息sys_mbox_post（），從消息隊(duì)列中獲取消息sys_arch_mbox_fetch（）。

LwIP中每個(gè)與外界網(wǎng)絡(luò)連接的線程都有自己的timeout屬性，即等待超時(shí)時(shí)間，移植工作需要實(shí)現(xiàn)sys_arch_timeouts（）函數(shù)，返回當(dāng)前正處于運(yùn)行態(tài)的線程所對(duì)應(yīng)的timeout隊(duì)列指針。

LwIP中網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理需要線程來操作，所以需要實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建新線程函數(shù)sys_thread_new（）。而在μC/OS-Ⅱ中，沒有線程的概念，只有任務(wù)。因此必須要把創(chuàng)建新任務(wù)的函數(shù)OSTaskCreate（）封裝一下，才可以實(shí)現(xiàn)sys_thread_new（）。

（3） 相關(guān)庫(kù)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

LwIP協(xié)議棧中用到了8個(gè)外部函數(shù)，主要是來完成16位數(shù)據(jù)的高低字節(jié)交換、32位數(shù)據(jù)的大小頭對(duì)調(diào)、返回字符串長(zhǎng)度、字符串比較、內(nèi)存數(shù)據(jù)塊拷貝、指定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)塊清零等功能，與系統(tǒng)或編譯器有關(guān)，需要用戶實(shí)現(xiàn)。

（4） 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

在LwIP中可以有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口都對(duì)應(yīng)了一個(gè)netif結(jié)構(gòu)，這個(gè)netif包含了相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口的屬性、收發(fā)函數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中主要就是實(shí)現(xiàn)四個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口函數(shù)：網(wǎng)卡初始化、網(wǎng)卡接收數(shù)據(jù)、網(wǎng)卡發(fā)送數(shù)據(jù)以及網(wǎng)卡中斷處理函數(shù)。

3.2 PC機(jī)上客戶端程序的設(shè)計(jì)

VC++6.0環(huán)境下客戶端程序?qū)崿F(xiàn)包括以下幾個(gè)部分：

（1） 建立客戶端的Socket：客戶端應(yīng)用程序首先構(gòu)造一個(gè)CAsyncSocket對(duì)象CltSock，然后調(diào)用CltSock.Create（）函數(shù)來建立CltSock實(shí)體。

（2） 提出連接請(qǐng)求：客戶端套接字CltSock通過調(diào)用CltSock.Connect（strAddr，nPort）函數(shù)向服務(wù)器套接字提出連接請(qǐng)求。

（3） 傳輸數(shù)據(jù)：在客戶端應(yīng)用程序中重載消息處理函數(shù)OnReceive（）和OnSend（）。在OnReceive（）中通過調(diào)用CltSock.Receive（）函數(shù)從服務(wù)器端接收數(shù)據(jù);在OnSend（）中通過調(diào)用CltSock.Send（）函數(shù)向服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)。

（4） 關(guān)閉連接：客戶端套接字CltSock通過調(diào)用CltSock.Close（）函數(shù)來關(guān)閉連接。

4 遠(yuǎn)程液位監(jiān)控應(yīng)用程序的開發(fā)

本文設(shè)計(jì)完成的基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程液位繼電自整定PID控制系統(tǒng)，其控制算法在遠(yuǎn)端主機(jī)（客戶機(jī)）上實(shí)現(xiàn)，兩端通過TCP協(xié)議通信，本地的嵌入式系統(tǒng) （服務(wù)器）上一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理，一方面完成對(duì)液位高度的采集與控制;遠(yuǎn)端PC機(jī)上一方面處理網(wǎng)絡(luò)上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，一方面通過PID計(jì)算出控制量，顯示相關(guān)參數(shù)。實(shí)時(shí)液位變化狀況如圖2所示，從圖中可以看出，實(shí)際液位（紅色曲線）能夠穩(wěn)定在液位設(shè)定值（藍(lán)色曲線）處。同時(shí)，從用戶界面上既可以讀出液位高度值，PID自整定參數(shù)等，還可以改變液位高度設(shè)定值，從而真正實(shí)現(xiàn)了液位對(duì)象的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖2 遠(yuǎn)程液位繼電自整定PID控制效果圖

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)解決了在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的問題，引入并實(shí)現(xiàn)了一種新的設(shè)計(jì)方案，即采用三星ARM7處理器S3C44B0X+Realtek的10M網(wǎng)卡RTL8019AS硬件組合，通過在μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)內(nèi)核的支持下，添加嵌入式TCP/IP協(xié)議棧LwIP，來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的功能，與PC機(jī)客戶端的Socket通信，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程液位監(jiān)控系統(tǒng)，達(dá)到了良好的控制效果?？梢钥闯觯@類系統(tǒng)在遠(yuǎn)程監(jiān)控中的具有良好的應(yīng)用前景。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文將嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入到工業(yè)過程遠(yuǎn)程監(jiān)控領(lǐng)域，提出了自己的設(shè)計(jì)方案，并成功開發(fā)了一個(gè)遠(yuǎn)程液位監(jiān)控系統(tǒng)。

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