Ethernet接入模塊

模塊結(jié)構(gòu)

Ethernet接入模塊實質(zhì)上是一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器，主要完成TCP/IP協(xié)議與現(xiàn)場總線RS-232協(xié)議的轉(zhuǎn)換。模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。該模塊將通用的8位單片機與以太網(wǎng)控制芯片相結(jié)合，加上相應(yīng)的外圍電路而構(gòu)成。可分成三個子模塊：以太網(wǎng)控制芯片子模塊，負責接收以太網(wǎng)幀，并把數(shù)據(jù)送給單片機處理；接收單片機發(fā)來的數(shù)據(jù)，按以太網(wǎng)幀格式發(fā)到以太網(wǎng)。單片機子模塊，負責控制整個模塊，從以太網(wǎng)控制芯片子模塊中將數(shù)據(jù)包讀入內(nèi)存，進行拆包處理，并將有關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)向RS-232串行接口；將RS-232串行口來的數(shù)據(jù)按有關(guān)協(xié)議進行打包，送以太網(wǎng)控制芯片子模塊發(fā)至以太網(wǎng)上。擴展子模塊，單片機外圍擴展了程序和數(shù)據(jù)存儲器，滿足程序和數(shù)據(jù)的存儲需要。

為模塊開發(fā)的軟件主要有：模塊初始化程序、以太網(wǎng)控制器驅(qū)動程序、TCP/IP協(xié)議棧程序、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置程序等。模塊初始化程序用于設(shè)置單片機工作模式及外圍芯片選擇字；以太網(wǎng)控制器驅(qū)動程序用于設(shè)置以太網(wǎng)控制芯片的工作狀態(tài)及工作方式，配置收發(fā)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)；TCP/IP協(xié)議棧程序?qū)崿F(xiàn)ARP、IP、UDP協(xié)議；系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置程序用于給監(jiān)測系統(tǒng)分配IP地址及域名。

TCP/IP協(xié)議“剪裁”

用于現(xiàn)場級的以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議如圖3所示。

受8位單片機自身結(jié)構(gòu)和功能的限制，從實用、夠用角度出發(fā)，該模塊對嵌入單片機的TCP/IP協(xié)議棧進行了“瘦身”處理，對TCP/IP進行“剪裁”，主要保留數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕竟δ堋?/SPAN>

由于機動車安全性能檢測線負責監(jiān)控的站點相對固定，線上測控數(shù)據(jù)量非常小(一次數(shù)據(jù)傳送量一般不超過100Byte)，“剪裁”的方案是：在鏈路層，單片機維護一個靜態(tài)的IP地址與MAC地址的映射表，取消RARP，實現(xiàn)的ARP也僅響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)ARP請求，發(fā)送ARP回答包。請求者廣播出包含ARP請求的以太網(wǎng)幀(幀類型為0X0806)，目的以太網(wǎng)地址為全１的廣播地址，本模塊收到后，發(fā)送一個包含自身MAC地址的ARP回答，以使以太網(wǎng)上PC主機建立和維護IP地址和MAC地址的映射表；在網(wǎng)絡(luò)層，取消ICMP協(xié)議，在處理IP報頭時，不考慮數(shù)據(jù)分片和優(yōu)先權(quán)問題，在服務(wù)類型和標志偏移域全部填“0”，在“協(xié)議”域填“17”，程序僅對頭核校和和上層是否是UDP協(xié)議進行判斷； 在傳輸層，選擇基于無連接的UDP，而不用TCP。TCP雖然是基于連接的可靠性傳輸協(xié)議，但開銷大，對汽車安全性能檢測線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)而言，通過采用超時重發(fā)、應(yīng)用層端口判斷、校驗值檢查等措施，可以有效解決UDP的無連接和不可靠問題?！凹舨谩焙蟮?/SPAN>TCP/IP協(xié)議棧程序只有8KB大小，既適應(yīng)了單片機的存儲結(jié)構(gòu)，也完全滿足現(xiàn)場單片機通訊需求。

模塊工作流程

模塊上電、初始化后，單片機采用查詢方式判斷以太網(wǎng)控制芯片中是否收到數(shù)據(jù)包，若有就讀入內(nèi)存，拆包，若是ARP包，則進行ARP響應(yīng)；若是UDP包，拆包，檢查應(yīng)用層端口、檢驗值，判斷應(yīng)用層數(shù)據(jù)是否為I/O操作命令，是則執(zhí)行I/O操作命令，其中讀I/O端口的數(shù)據(jù)要打包發(fā)往網(wǎng)絡(luò)；若不是I/O操作命令，將應(yīng)用層數(shù)據(jù)從TXD口送出。采用中斷方式接收RXD口來的數(shù)據(jù)，打包送以太網(wǎng)。UDP數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中采用超時重發(fā)、出錯重發(fā)機制，保證模塊與控制節(jié)點間按流程進行通信。

監(jiān)控實現(xiàn)

主控機等監(jiān)控計算機與現(xiàn)場檢測模塊之間的節(jié)點通信、現(xiàn)場測控管理的實現(xiàn)以及從遠程監(jiān)控計算機對現(xiàn)場節(jié)點的訪問等全面監(jiān)控方式的實現(xiàn)在設(shè)計了Ethernet接入模塊后均可方便的直接觸及現(xiàn)場模塊，從現(xiàn)場實時采集數(shù)據(jù)、控制管理，真正做到點對點測控管理，簡化監(jiān)控管理的模型。

節(jié)點通信實現(xiàn)

主控機、監(jiān)控管理機和WEB服務(wù)器與各Ethernet接入模塊的通信基于Delphi6.0的TNMUDP組件，是無連接的Socket機制。UDP數(shù)據(jù)報傳送時，雙方各先建立一個套接字，然后將各自的套接字和本地網(wǎng)絡(luò)地址綁定在一起，調(diào)用sendto()函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，調(diào)用recvfrom()函數(shù)接收，UDP數(shù)據(jù)拆包后按定義的通信協(xié)議進行處理(包括安全驗證、出錯重發(fā)等)。

現(xiàn)場測控管理實現(xiàn)

用Delphi6.0結(jié)合SQL Server 2000開發(fā)主控機程序和監(jiān)控管理機程序。主控機將檢測項目分成若干工位，上線檢測的汽車登錄后在線上獲取唯一ID標識，并利用多線程技術(shù)控制多輛汽車同時在線，按登錄時確定的項目進行檢測。主控制機工作時，禁止網(wǎng)絡(luò)其它主機與現(xiàn)場檢測設(shè)備進行通信。監(jiān)控管理機一是在現(xiàn)場檢測設(shè)備工作時，從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器實時地讀取車輛的檢測信息和設(shè)備狀態(tài)信息，監(jiān)控數(shù)據(jù)超差和狀態(tài)異常等情況；二是在檢測線空閑或出現(xiàn)故障時，可直接與現(xiàn)場設(shè)備分別進行通信，讀取設(shè)備的自檢信息和設(shè)備的狀態(tài)信息，分析判斷設(shè)備正常與否或故障原因。

遠程監(jiān)控實現(xiàn)

由于采用以太網(wǎng)技術(shù)給每個現(xiàn)場模塊設(shè)定IP地址，使其在網(wǎng)絡(luò)上具有了唯一性的節(jié)點，對其的訪問也就變得比其他總線形式更加簡單，主機只需要根據(jù)Socket編寫通用的訪問網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的程序，Ethernet接入模塊均可按照UDP協(xié)議進行識別和處理，使得程序結(jié)構(gòu)簡化。

本系統(tǒng)遠程監(jiān)控基于B/S模式，采用ActiveX控件通過Socket的機制與網(wǎng)關(guān)接口服務(wù)程序相連，由服務(wù)程序讀取數(shù)據(jù)庫檢測數(shù)據(jù)和信息，并送到客戶端。當檢測線需要遠程維護或診斷時，服務(wù)程序與各檢測設(shè)備的Ethernet接入模塊通信，讀出設(shè)備自檢和光電管、繼電器狀態(tài)等信息，顯示在遠程客戶端瀏覽器頁面上。為使遠程監(jiān)控或診斷具有更強的現(xiàn)場感和實時性，可將監(jiān)控管理機的程序功能移植于遠程客戶端，借助Internet上的VPN服務(wù)，遠程對現(xiàn)場各檢測設(shè)備直接進行測控。

安全控制措施

監(jiān)控系統(tǒng)在檢測線內(nèi)網(wǎng)加裝測毒、殺毒軟件，內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)之間構(gòu)筑防火墻，采用包過濾、應(yīng)用網(wǎng)關(guān)技術(shù)和身份認證技術(shù)，防止非授權(quán)的外網(wǎng)用戶訪問內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)或操作控制現(xiàn)場檢測設(shè)備。

結(jié)語

Ethernet接入模塊體積小，功耗低，成本低廉，接入方便，在機動車檢測線現(xiàn)場使用，減少了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)層次，使整個工業(yè)管理現(xiàn)場總線統(tǒng)一化，信息管理層與現(xiàn)場控制層首次采用一樣的總線技術(shù)完成；省去了485總線方式中的多串口卡、串并行數(shù)據(jù)線等硬件設(shè)備和大量的數(shù)據(jù)線路；使控制程序與檢測設(shè)備之間的通信統(tǒng)一起來，有效解決了為適應(yīng)不同設(shè)備的不同通信方式而更改控制軟件的問題，提高了控制軟件的獨立性，增強了軟件的移植性。通過現(xiàn)場工作驗證，本系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定、可操作性強、通訊實時性好等特點。