李嘉 楊佃福</P><P> 摘要：隨著以太網技術的迅猛發展，將其應用到工控領域，可以達到降低成本，簡化結構等成效。而嵌入式系統以其本身體積小，功能多，支持以太網技術等優點，成為工控領域中的新熱點。本文所介紹的數據監控系統以嵌入式系統為核心，利用其串口與底層I/O節點相連，上層則直接聯入Internet，允許授權的用戶在Internet任意一點應用瀏覽器訪問該系統，并實現對下層設備的監控。該系統在樓宇自動化、工廠底層網絡等場合有著廣泛應用的前景。</P><P> 關鍵詞：嵌入式系統，數據監控，網絡服務器，串口通訊</P><P> </P><P> <BR> Abstract: With the rapid development, Ethernet has been ready to be introduced into industry control field to save cost and simplify the system. In this process, embedded system takes an active part in because of its small volume and technique for Ethernet. The watch and control system is based on embedded system, communicates with data nodes by serial port and is directly connected to Internet on the other side. Authorized users can watch and control this system by Internet in any place. There is widespread usage of it in automation building, control system and other fields. </P><P> Keywords: embedded system, control system, web server, serial port</P><P> 一．引言</P><P> 隨著以太網技術在Internet上的成功，它也逐步進入傳統的工業控制領域。在各種專用于工控的現場總線協議爭奪市場的同時，已經有人預言以太網將是最后的贏家。在各大公司紛紛推出其以太網計劃后，這個進程被大大加快了。</P><P> 將以太網技術應用到工業底層網絡中有以下好處：</P><P> 1．其高速，大容量的特性適應不斷增長的信息要求。</P><P> 2．可以做到與上層信息管理層或決策層的無縫連接。</P><P> 3．設備和軟件成本大幅下降。</P><P> 4．以太網技術相對普及，人才成本下降。</P><P> 這里開發的嵌入式遠程監控系統就是充分利用以太網技術和嵌入式系統的特點，搭建的數據傳輸系統，可以應用于工控現場，智能大廈等多種領域。該系統體積小，可以放入機頂盒，控制面板，智能儀表等設備中，從而實現Internet無處不在。</P><P> 二．嵌入式系統</P><P> 嵌入式系統 (Embedded System)被定義為：以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁剪，適應對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。今天，嵌入式系統已經無處不在，從汽車、家用微波爐、PDA、電視機，到工控生產現場、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產品等方面，都能發現嵌入式系統的蹤影。</P><P> 在本系統中，我們選擇的是由美國LINEO公司出品的嵌入式系統uCsimm。它基于Motorola公司的DRAGONBALL-EZ CPU，使用SIMM72插卡并支持μClinux操作系統。它包括MC68EZ328 MPU、可啟動的FLASH MEMORY、DRAM以及UART、SPI、LCD、ETHERNET網卡等外圍設備接口。</P><P> 其嵌入式操作系統μClinux就是微內核的LINUX操作系統，是在LINUX 2.0版本的基礎上裁減掉存儲器管理單元（Memory Management Unit, MMU）得到的。此外，為了將uCsimm設置成網絡服務器，又另外添加并調試通過了支持CGI（Common Gateway Interface共用通道界面）的web server軟件BOA。</P><P> 它利用RS232串口線和以太網網線與PC機相連，組成可以交叉編譯的開發環境，支持C語言，而且可以對uCsimm內核進行擦寫，從而加入自己開發的應用程序或升級后的新操作系統。網上還有與之相關的郵件組，世界各地的開發人員通過它來溝通信息，彼此幫助。總之，這一切使得開發人員可以專心應用部分的系統開發，縮短了系統開發周期。目前，國內幾家公司（如華恒公司）也開始類似uCsimm產品的開發工作，并且也已經有了相關產品。</P><P> 三．系統結構簡介</P><P> 其系統結構圖見圖1。</P><P> </P><P> 圖1 嵌入式遠程監控系統</P><P> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/20038291162992615.gif" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/20038291162992615.gif" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A></P><P> 嵌入式系統uCsimm與下層數據采集節點組成主從（Master and Slave）關系，由主站不斷依次發出查詢信息，對下層節點進行輪詢，而數據結構參考Modbus協議。從站隨時監聽網絡，當發現地址段與自己的地址相同時，繼續檢查下面的功能段，比如要是讀取信息，則把自己測量的數據打包返回，要是寫入信息，則把數據段的信息寫入相應內存。這就是該系統下層結構流程。</P><P> 而uCsimm與Internet的互聯以及與用戶的交互功能，則由其嵌入式操作系統中的網絡服務器Web Server來完成。uCsimm上配有以太網接口RJ45，當用網線把uCsimm與Internet連接，配置好IP地址并運行網絡服務器后，用戶在Internet上任何一臺機器上就可以在瀏覽器中敲入IP地址，訪問存在uCsimm中的主頁了。</P><P> 而用戶與服務器的交互是通過CGI程序來完成的。CGI（Common Gateway Interface共用通道界面）簡單地講是個運行在Web服務器上的程序, 由瀏覽器的輸入觸發。這個腳本通常是客戶端與服務器中其他程序如數據庫的橋梁。用戶可以通過點擊頁面，監視下層數據，如溫度，開關狀態等；或發送命令，如開關電燈等。</P><P> 四．下層串行通訊協議及程序流程</P><P> 為了系統的開放性，我們參照國際流行的Modbus協議來定義串口通訊中的數據結構。Modbus是美國Modicon公司推出的可編程序控制器 (PLC)之間進行通訊的總線標準，目前國內使用的大部分PLC都遵從這一標準。該協議描述如何向其他設備發出請求，回應請求，報錯等過程，并建立了一種通用的數據結構（見圖2）。它可以使設備識別傳遞給自己的信息，判斷信息類別，并解釋數據。如果請求需要回答，還會按照協議要求構造回答信息。</P><P> 起始位 地址 功能碼 數據 CRC校驗 結束位 <BR> 16bit 16bit N*16bit 16bit </P><P> <BR> 圖2 Modbus數據結構</P><P> </P><P> Modbus對于數據的表達有兩種方式：ASCII和二進制。前者的起始位是3AH，結束位是0D、0AH，里面的數據也都用ASCII碼表示。對于后者起始位和結束位是一段至少3.5個字符長度的間斷。本系統應用ASCII表達方式，主站地址為00H，從站地址由01H到0FH。功能碼表示主站對從站的各種操作，Modbus有詳細的規定，這里借用其中幾個，見表1：</P><P> 功能碼 操作方式 <BR> 01 讀取指定從站的數據 <BR> <BR> 06 向指定從站寫數據 </P><P> <BR> 表1：系統中用到的功能碼</P><P> </P><P> CRC為通信校驗碼，用以提高通信的可靠性。它由所發送的數據經過較為復雜的計算而得到。當接收到的CRC與本機計算的CRC一致時，方認為接收數據正確，否則數據有誤，將拋棄該數據。</P><P> 在通訊中由主站發出具有上述格式的幀，在地址段填上從站的地址，在功能碼段、數據區段及校驗段填上相應的內容。從站將與本地地址一致的幀接受進來，應答幀的地址與功能碼不變，使主站能識別。在通訊過程中從站一直處于被動地位。若從站在接受過程中出錯，不發任何數據包，主站在規定時間內沒有收到應答則放棄。</P><P> 舉例如下，如主站想看地址為11H的從站溫度測量值，可發信號如表2：</P><P> 數據段名稱 數據值 <BR> 地址 11 <BR> 功能碼 01 <BR> 讀取地址高位 00 <BR> 讀取地址低位 00 <BR> 讀取數據個數高位 00 <BR> 讀取數據個數低位 01 <BR> 校驗碼CRC ―― </P><P> <BR> 而從站的回復信息為： <BR> 數據段名稱 數據值 <BR> 地址 11 <BR> 功能碼 01 <BR> 字節數 01 <BR> 數據1 1D <BR> 校驗碼CRC ―― </P><P> <BR> 表2：主從站應答數據結構</P><P> </P><P> 其主站程序流程圖如圖3：</P><P> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/20038291163762007.gif" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/20038291163762007.gif" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A></P><P> 圖3 主站程序流程圖</P><P> </P><P> 五．網絡服務器配置及主頁設計</P><P> 前面提到在uCsimm中安裝了網絡服務器軟件BOA。通過設置其配置文件，可以指定網頁和CGI程序所在路徑。這里CGI程序用C語言編寫，其實就是一些應用程序，如控制顯示燈的亮滅，處理串口數據等，只是它能由遠程瀏覽器通過點擊主頁而激活，從而實現瀏覽器和服務器的交互功能。流程如圖4：</P><P> </P><P> 圖4 客戶端與服務器通過CGI程序交互<BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/20038291164514442.gif" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/20038291164514442.gif" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A><BR> </P><P> 用戶在遠程瀏覽器輸入uCsimm的IP值以后，需要登錄用戶名及密碼，當得到服務器確認后，進入監控界面。上面有對uCsimm上LED燈的開關控制，和串口數據的顯示和下傳界面，如圖5。用主頁來顯示監控界面，不僅利用了現有IT技術，節省購買和開發監控顯示軟件的費用，而且使用戶不受地域的限制。后一點在智能大廈中十分有意義，比如住戶可以在工作單位查看家里的情況，下班前打開家中暖氣等。</P><P> </P><P> 六．總結</P><P> 利用以太網和IT技術對傳統控制領域進行革新，是市場的需要。在這個過程中，嵌入式系統因其體積小，處理能力強，支持以太網技術和網絡服務器等功能，無疑要扮演重要角色。相信以太網與嵌入式系統的結合，將是后PC時代的新的市場技術增長點。</P><P> </P><P> 參考文獻：</P><P> 1． An Introduction to Embedded Programming in a Linux Environment. LINEO company.</P><P> 2． CGI程序設計</P><P> 3． 主頁設計大全</P><P> 4． LINUX下的程序設計
