精品文檔-下載后可編輯基于MCF52233的通用遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)平臺研究-設(shè)計應(yīng)用摘要：分析研究了遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的共性，建立了測控系統(tǒng)的一般模型，利用Freescale公司的32位ColdFire系列微控制器MCF52233，提出了基于嵌入式以太網(wǎng)的單芯片遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)通用平臺的設(shè)計方案。給出了利用該平臺對實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行二次開發(fā)的應(yīng)用方法與實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。實(shí)踐結(jié)果表明，這種平臺化的開發(fā)方法可以有效地提高軟硬件的可重用性、避免重復(fù)勞動、縮短開發(fā)周期。遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)是當(dāng)前工業(yè)自動化領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。遠(yuǎn)程測控已滲入工業(yè)自動化和辦公信息化的各個系統(tǒng)。這些測控系統(tǒng)大多是根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行專門設(shè)計的，實(shí)際上它們的功能或相同或相似，關(guān)聯(lián)較大。如果將每個系統(tǒng)看成獨(dú)立體，每次開發(fā)均從零開始，就會帶來大量的重復(fù)勞動，這無疑加大了設(shè)計成本[1]。現(xiàn)代測控系統(tǒng)的開發(fā)要求，需要設(shè)計人員在盡可能短的時間內(nèi)開發(fā)出滿足客戶需求的軟硬件系統(tǒng)。因此，如何提高軟硬件的可重用性，如何在保證系統(tǒng)性能的前提下，避免重復(fù)勞動，縮短開發(fā)周期，就成為越來越多的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員研究的熱點(diǎn)。本文分析研究了遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的共性，建立了測控系統(tǒng)的一般模型，利用嵌入式以太網(wǎng)、Web服務(wù)器、硬件構(gòu)件和軟件可重用等技術(shù)，設(shè)計了一種面向測控領(lǐng)域的基于B/S與C/S相結(jié)合體系結(jié)構(gòu)的通用軟硬件平臺。1總體設(shè)計方案1.1一般測控系統(tǒng)的通用模型特點(diǎn)分析基于通用設(shè)計思想的系統(tǒng)開發(fā)在設(shè)計思路上須遵循模塊化、可二次開發(fā)性和平臺化的設(shè)計原則。實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)需要處理的信號可能存在很大的差異，所以本文在系統(tǒng)總體設(shè)計過程中，分析了各種應(yīng)用系統(tǒng)之間的共性，從現(xiàn)有的一般的測控系統(tǒng)中抽象出一個通用模型。一個典型的嵌入式測控系統(tǒng)通常包括模擬量輸入模塊、開關(guān)量輸入模塊、模擬量輸出模塊、開關(guān)量輸出模塊、數(shù)據(jù)通信模塊[2]和MCU工作支撐電路。實(shí)際模擬信號是物理世界的自然信號，需要通過傳感器將其轉(zhuǎn)換為電信號，然后由A/D轉(zhuǎn)換接口將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。由于傳感器輸出的電信號通常比較微弱，而且輸出的信號類型各異，因此，需要相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路對其進(jìn)行處理。實(shí)際開關(guān)信號一般來自開關(guān)類傳感器或手動開關(guān)，需要開關(guān)量轉(zhuǎn)換電路將實(shí)際開關(guān)信號轉(zhuǎn)換至MCU可接受的電信號范圍。測控系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括開關(guān)量控制和模擬量控制。開關(guān)量執(zhí)行機(jī)構(gòu)只有開和關(guān)兩種狀態(tài)。模擬量執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要連續(xù)變化的模擬量控制，MCU通過D/A轉(zhuǎn)換接口將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量輸出控制。此外，由于MCU引腳的驅(qū)動能力在10mA左右，不能直接控制這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因此需要借助于相應(yīng)的驅(qū)動電路來實(shí)現(xiàn)。通信接口模塊主要實(shí)現(xiàn)MCU與各外圍模塊或設(shè)備之間的通信，常用的通信方式有：UART、SPI、USB、以太網(wǎng)等。對于遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)，通常采用以太網(wǎng)與遠(yuǎn)程主機(jī)進(jìn)行通信。通過分析，本文建立了如圖1所示的一般測控系統(tǒng)的通用模型。1.2通用模型特點(diǎn)分析完整的測控系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。建立測控系統(tǒng)通用模型就是分別為軟、硬件建立相應(yīng)的通用模型。硬件模型體現(xiàn)在測控終端控制器的硬件設(shè)計上；軟件模型根據(jù)所選擇的體系結(jié)構(gòu)不同而有所差別。但不論是哪一種體系結(jié)構(gòu)，對軟件的設(shè)計都是建立在硬件的基礎(chǔ)之上，所以整個通用模型的建立首先且關(guān)鍵是對硬件通用模型的建立。遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)有兩種類型，一種是生產(chǎn)現(xiàn)場沒有現(xiàn)場測控系統(tǒng)，而是將數(shù)據(jù)采集后直接送到遠(yuǎn)程計算機(jī)進(jìn)行處理，這種遠(yuǎn)程測控與一般的現(xiàn)場測控沒有多大的區(qū)別，只是數(shù)據(jù)傳輸距離比現(xiàn)場測控系統(tǒng)要遠(yuǎn)，其它部分則和現(xiàn)場測控系統(tǒng)相同；另一種是現(xiàn)場測控與遠(yuǎn)程測控并存。一般是采用現(xiàn)場總線技術(shù)將分布于各個設(shè)備的傳感器、監(jiān)控設(shè)備等連接起來，這樣就從分立單元階段進(jìn)入了集成單元階段，然后各個管理站點(diǎn)的服務(wù)再用局域網(wǎng)連接起來，這樣就形成了企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)（Intranet）。由于建立了基本的網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，設(shè)備監(jiān)測、維護(hù)技術(shù)進(jìn)入了集成系統(tǒng)階段，在一個單位的內(nèi)部基本上實(shí)現(xiàn)了資源和信息共享。遠(yuǎn)程測制所實(shí)現(xiàn)的功能如下：采集與處理功能：主要是對生產(chǎn)過程的各種模擬或數(shù)字量進(jìn)行檢測、采樣和必要的預(yù)處理，并且以一定的形式輸出，如打印報表、顯示屏和電視等，為生產(chǎn)人員提供詳實(shí)的數(shù)據(jù)，幫助他們進(jìn)行分析，以便了解生產(chǎn)情況；監(jiān)督功能：將檢測到的實(shí)時數(shù)據(jù)、還有生產(chǎn)人員在生產(chǎn)過程中發(fā)出的指令和輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、歸納、整理、計算等二次加工，并分別作為實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)加以存儲；管理功能：利用己有的有效數(shù)據(jù)、圖像、報表等對工況進(jìn)行分析、故障診斷、險情預(yù)測，并以聲光電的形式對故障和突發(fā)事件報警；控制功能：在檢測的基礎(chǔ)上進(jìn)行信息加工，根據(jù)事先決定的控制策略形成控制輸出，直接作用于生產(chǎn)過程?；贐/S和C/S的遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)是以網(wǎng)絡(luò)作為通信平臺的監(jiān)控系統(tǒng)，以HTTP技術(shù)為基礎(chǔ)，具有簡單、高效等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為信息網(wǎng)絡(luò)的一種普遍應(yīng)用的信息交互平臺[2]。利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)Socket技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)及面向?qū)ο蟮溶浖夹g(shù)實(shí)現(xiàn)了整個系統(tǒng)的系統(tǒng)管理、用戶管理、設(shè)備監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示及報警等模塊，其優(yōu)點(diǎn)是充分利用了現(xiàn)有的局域網(wǎng)資源和廣域網(wǎng)資源，以的性能價格比，以信息的實(shí)時獲取和實(shí)時控制為中心，實(shí)現(xiàn)信息、資源及任務(wù)的綜合共享和全局一體化的管理。例如：監(jiān)控系統(tǒng)將設(shè)備運(yùn)行情況提供給服務(wù)器，并由服務(wù)器發(fā)送到各個節(jié)點(diǎn)客戶機(jī)，工作人員在客戶機(jī)端（一般為遠(yuǎn)端）便可了解整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)及運(yùn)行情況。簡單地講，對企業(yè)來說就是充分利用現(xiàn)代技術(shù)解決實(shí)時數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理以及進(jìn)行實(shí)時控制的問題。正是它的這些優(yōu)點(diǎn)使得它得以飛速發(fā)展。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，遠(yuǎn)程測控將更多地應(yīng)用在企業(yè)生產(chǎn)過程的管理中，技術(shù)人員可以通過互聯(lián)網(wǎng)來管理和維護(hù)生產(chǎn)過程，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高設(shè)備的可用率，終降低生產(chǎn)成本，提高效益。1.2.1遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的硬件模型遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的測量與控制在硬件上主要體現(xiàn)在位于現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)化測控終端對外界數(shù)據(jù)的采集以及控制量的輸出，其中數(shù)據(jù)采集部分通常包括模擬量輸入模塊和開關(guān)量輸入模塊；控制輸出部分通常包括模擬量輸出模塊和開關(guān)量輸出模塊。因此，通用模型的建立主要體現(xiàn)在對這四種輸入輸出模塊的設(shè)計上。本文通過提供業(yè)內(nèi)比較通用的信號類型來達(dá)到通用的目的。對于使用這些信號接口的測控設(shè)備，可直接互連；對于使用其他信號接口的測控設(shè)備，只需要增加相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換電路即可互連。通過對多個具體測控系統(tǒng)的分析，采用了如下的硬件設(shè)計方案：（1）模擬量輸入接口，提供8路模擬量輸入通道；考慮到市場上大多數(shù)傳感器或變送器都提供0~5V電壓信號輸出，另一方面由于A/D轉(zhuǎn)換器通常以0~5V電壓信號輸入，因此本文將模擬量輸入接口設(shè)計為可直接處理0~5V電壓信號。另外為了便于給傳感器或外接的轉(zhuǎn)換電路供電，提供5V和12V電源接口。（2）開關(guān)量輸入接口，提供8路開關(guān)量輸入通道，可直接處理12V開關(guān)信號。對于其他類型的開關(guān)信號，需要外接轉(zhuǎn)換電路。（3）模擬量輸出接口，提供8路模擬量輸出通道，提供0~12V電壓信號輸出，對于其他類型的模擬信號，需要外接相應(yīng)的驅(qū)動電路。（4）開關(guān)量輸出接口，提供8路開關(guān)量輸出通道；可直接輸出12V電壓信號，也可通過更換繼電器實(shí)現(xiàn)對其他電壓信號的輸出。（5）通信接口，采用以太網(wǎng)作為傳輸媒介，與遠(yuǎn)程主機(jī)進(jìn)行信息交互，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測控功能；對于其他通信接口，由其他輔助模塊決定。（6）提供良好的人機(jī)交互接口?，F(xiàn)場信息采用液晶顯示；對受控設(shè)備的現(xiàn)場手動干預(yù)采用SDF-1通用型手持編程器實(shí)現(xiàn)，以避免為所有的輸出接口配備相應(yīng)的控制按鈕。（7）在進(jìn)行具體的硬件設(shè)計時，融入硬件構(gòu)件的設(shè)計思想，將各個硬件模塊進(jìn)行獨(dú)立的封裝，以提高硬件的可重用性[3]。根據(jù)以上方案所設(shè)計的硬件模型如圖2所示。1.2.2遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的軟件模型采用何種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是開發(fā)網(wǎng)絡(luò)軟件時首當(dāng)其沖考慮的問題。究竟是采用C/S模式還是B/S模式，或是兩者兼有的混合模式，這就需要分析它們各自的特點(diǎn)，揚(yáng)長避短，這樣才能設(shè)計出合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時方便地訪問任一臺終端控制器，查看當(dāng)前的監(jiān)控信息，本文將終端控制器設(shè)計為一個嵌入式Web服務(wù)器。但是由于嵌入式系統(tǒng)資源很有限，無法實(shí)現(xiàn)對長時間歷史記錄的保存，因此必須借助于上位機(jī)的存儲能力，將所有的歷史記錄轉(zhuǎn)移到監(jiān)控上位機(jī)保存。另一方面，B/S結(jié)構(gòu)采用瀏覽器訪問時，每次只能查看單個控制器的現(xiàn)場信息，無法實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控和管理功能，而C/S結(jié)構(gòu)的客戶端軟件可以很好地解決這個問題。因此，本文采用B/S與C/S相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)，對于瀏覽器客戶端采用HTTP協(xié)議與測控終端交互；對于監(jiān)控平臺軟件客戶端采用UDP協(xié)議進(jìn)行通信。根據(jù)上述的體系結(jié)構(gòu)，通用平臺的軟件系統(tǒng)應(yīng)該包括3部分：測控終端內(nèi)的嵌入式軟件、提供可配置功能的二次開發(fā)軟件以及用于集中監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲的監(jiān)控管理軟件，由于后兩種軟件都是在PC上運(yùn)行的，本文將其合二為一集成在同一個軟件系統(tǒng)——監(jiān)控平臺軟件中實(shí)現(xiàn)。其軟件模型如圖3所示。2通用模型的軟硬件解決方案2.1基于MCF52233的單芯片方案單芯片解決方案是一種選用帶有以太網(wǎng)接口MCU的以太網(wǎng)接入方案，因此，以太網(wǎng)驅(qū)動與TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)需要開發(fā)人員完成，軟件實(shí)現(xiàn)相對較復(fù)雜。但是與多芯片解決方案相比，單芯片解決方案具有硬件設(shè)計簡單、集成度高、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，而且便于修改和擴(kuò)充。經(jīng)過比較，本文采用了單芯片的以太網(wǎng)接入方案，主控MCU選用Freescale公司的32位ColdFire系列微控制器MCF52233[4]。它內(nèi)部集成了快速以太網(wǎng)控制器FEC（FastEthernetController）和以太網(wǎng)物理層收發(fā)器EPHY（EthernetPhysicalTransceiver），實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)的單芯片解決方案；還擁有UART、I2C、QSPI、PWM以及A/D轉(zhuǎn)換模塊等豐富的外圍接口，包含32KB片內(nèi)SRAM，256KB片內(nèi)Flash，總線頻率可達(dá)60MHz，是Freescale公司大學(xué)計劃2022年主推的芯片之一。根據(jù)硬件模型的設(shè)計，測控終端的具體硬件總體設(shè)計框圖如圖4所示，按硬件模塊劃分為：電源轉(zhuǎn)換模塊、開關(guān)量輸入模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、開關(guān)量輸出模塊、PWM輸出模塊、以太網(wǎng)通信模塊、液晶顯示模塊、手持編程器模塊和時鐘模塊?；谶m配性和通用性考慮，預(yù)留了8路模擬量輸入、8路模擬量輸出和8路開關(guān)量輸入、8路開關(guān)量輸出作為二次開發(fā)的可配置接口。此外，報警燈蜂鳴器控制2個引腳、LCD顯示控制3個引腳以及以太網(wǎng)/系統(tǒng)運(yùn)行指示燈控制3個引腳。在數(shù)據(jù)通信過程中，串行通信、以太網(wǎng)通信以及I2C通信各需要2個、2個以及4個引腳，共8個引腳。經(jīng)過仔細(xì)分析，測控終端需44個I/O引腳。根據(jù)MCU與外圍模塊的選型原則，以及對控制器的功能需求與輸入輸出分析，本文選了表1所示的外圍器件和模塊，從而確保測控終端芯片工作穩(wěn)定，進(jìn)而滿足測控系統(tǒng)的通用性。本文選用80引腳LQFP封裝的MCF52233作為測控終端的主控MCU[5]，在充分考慮到布線以及編程的方便后，為各個模塊分配了如表2所示的I/O引腳。2.2監(jiān)控平臺的軟件設(shè)計監(jiān)控平臺軟件主要實(shí)現(xiàn)對測控終端的配置式二次開發(fā)，對所有已配置測控終端的實(shí)時信息進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并將這些信息存入數(shù)據(jù)庫中以便管理。它是測控系統(tǒng)通用平臺必不可少的組成部分，待開發(fā)完成后，它就只是作為監(jiān)控并存儲各測控終端信息的輔助工具。監(jiān)控平臺軟件按功能劃分為數(shù)據(jù)庫管理模塊、功能界面模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊3部分，其中功能界面模塊包括二次開發(fā)模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊、物理量回歸的動態(tài)在線校準(zhǔn)模塊[6]、歷史記錄查詢與導(dǎo)出模塊、系統(tǒng)維護(hù)模塊、用戶管理模塊以及輔助功能模塊共8部分。除了輔助功能模塊之外，其他模塊都涉及到數(shù)據(jù)庫的操作，包括記錄的添加、查詢檢索、修改、刪除等。目前，越來越多的企業(yè)集團(tuán)呈跨地域的發(fā)展趨勢，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測控，對企業(yè)降低生產(chǎn)成本，提高勞動生產(chǎn)率，提高企業(yè)產(chǎn)品的科技含量，以及增強(qiáng)企業(yè)的綜合競爭實(shí)力等方面都具有十分重要的意義。3配置式二次開發(fā)界面配置式二次開發(fā)主要是添加接入網(wǎng)絡(luò)中的測控終端控制器，以及對控制器的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和各通道及其控制關(guān)系的配置。添加控制器的界面如圖5所示，其中單元名和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)屬于必配項(xiàng)，其他通道配置由實(shí)際項(xiàng)目需求確定。單元名用于直觀地表示各控制器的名稱，用戶可以根據(jù)控制器所放置的監(jiān)控現(xiàn)場對其命名，之后的監(jiān)控界面都以該名稱標(biāo)識對應(yīng)的控制器。實(shí)際通信時以IP地址確定一個控制器，對于同一版終端軟件，其配置的IP地址、MAC地址等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)皆相同，接入網(wǎng)絡(luò)后會出現(xiàn)IP地址沖突，無法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。所以在添加控制器時需要修改其網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)?？刂破鞯哪J(rèn)IP地址為64，在新增控制器時，需確保PC到控制器之間的網(wǎng)絡(luò)是連通的。對于控制器提供的模擬量輸入、開關(guān)量輸入、模擬量輸出、開關(guān)量輸出等通道，本系統(tǒng)默認(rèn)不作任何配置，因此在添加控制器時需要根據(jù)實(shí)際需求配置傳感器和輸入輸出設(shè)備所接的相應(yīng)通道。將所有通道配置信息填好之后，就可以通過“新增”按鈕將這些配置信息寫入數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)會自動將這些信息寫入需要配置的新控