基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程液位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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[2]。使用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)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(wèn)題。目前，主要有兩種方法：一種是使用PC機(jī)通過(guò)PC機(jī)端口（如RS232、USB接口）或數(shù)據(jù)采集卡來(lái)采集數(shù)據(jù)同時(shí)提供網(wǎng)絡(luò)接口[3]，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(guò)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(lái)采集液位數(shù)據(jù)，通過(guò)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(kāi)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(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)兩端數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互。

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(guò)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(guò)nGCS0-7這8個(gè)片選來(lái)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(kāi)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[4]：
（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(kāi)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(yǔ)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(yǔ)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(kāi)發(fā)的一套開(kāi)源的TCP/IP協(xié)議棧[5]，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(lái)，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[6]。
（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(yǔ)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(guò)結(jié)構(gòu)體中不同數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度來(lái)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