試驗站遠程監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡接口的設計

遠程監(jiān)控系統(tǒng)廣泛應用于工業(yè)遠程監(jiān)控、智能樓宇、安防監(jiān)控和網(wǎng)絡家電等方面，通過遠程監(jiān)控，技術人員無須親臨現(xiàn)場就可以方便控制和掌握儀器、設備的運行狀態(tài)及各種參數(shù)，方便地利用本地豐富的軟硬件資源對遠程對象進行過程控制。

由于試驗數(shù)據(jù)在導線傳輸過程中容易受到電磁干擾和產(chǎn)生衰減，特別是處于運動狀態(tài)的設備或被隔離區(qū)域內(nèi)設備的數(shù)據(jù)測量，敷設信號傳輸線將十分不便，而且安裝與維護比較麻煩。針對這種情況，我們設計了一種新型的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡接口方案，可以克服傳統(tǒng)有線數(shù)據(jù)傳輸存在的弊端。
　　
方案選擇

1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸?shù)幕疽?/P>

大型的試驗站多為自動測試系統(tǒng)，其試驗參數(shù)由各種變送器、變換器及測量儀器等測量所得。有些數(shù)據(jù)需要現(xiàn)場監(jiān)控，但大多數(shù)測量數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)皆囼為g，由試驗人員監(jiān)控并處理、分析波形、繪制特性曲線并生成報表?？傮w來說，信號傳輸有如下幾種要求。

● 傳輸數(shù)據(jù)通道及精度滿足試驗標準要求。

● 傳輸響應速度快。

● 運行穩(wěn)定可靠性高。

● 可實現(xiàn)網(wǎng)絡信息化管理。

2 現(xiàn)狀分析及方案確定

基于以上要求，國內(nèi)外目前可采用的無線傳輸方式有以下幾種方案。

● 數(shù)傳電臺遠程監(jiān)控方案：它可采用編碼方式完成軟擴頻或是硬件擴頻以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，但系統(tǒng)造價比較昂貴；數(shù)據(jù)傳輸可靠性低；維護困難。

● 基于CDPD網(wǎng)絡的遠程監(jiān)控方案：在簡易再開發(fā)應用中，產(chǎn)品硬件部份造價太高；覆蓋范圍太小，無法應用于試驗站可能存在的偏僻地帶。

● 基于GSM-SMS模塊無線數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)方案：具備網(wǎng)絡覆蓋面廣、用戶綜合投資小、運營費用少，數(shù)據(jù)傳輸安全可靠等諸多優(yōu)點，對于解決監(jiān)控采集點分散、覆蓋面廣、監(jiān)控點移動、實時性要求較低的監(jiān)控采集系統(tǒng)具有無可比擬的優(yōu)勢，但受到公網(wǎng)業(yè)務開通狀況及信號覆蓋范圍的影響較大，受系統(tǒng)及網(wǎng)絡運行情況影響，不可控因素較大。

我們提出一種基于無線數(shù)據(jù)傳輸和以太網(wǎng)絡相結合的監(jiān)控系統(tǒng)單片機網(wǎng)絡接口，把監(jiān)控系統(tǒng)中的智能控制單元擴展到網(wǎng)絡上，嵌入TCP/IP協(xié)議的單片機數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，使試驗人員可以通過網(wǎng)絡主機或因特網(wǎng)了解并控制遠程設備。在TCP/IP協(xié)議和STC89C5x系列單片機及C51開發(fā)環(huán)境的基礎上進行系統(tǒng)、程序構架的設計，利用TCP/IP協(xié)議中的TCP、IP及簡單的應用層協(xié)議實現(xiàn)單片機之間以及單片機和上位機之間的網(wǎng)絡互連。這樣既提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋直ＷC了傳輸?shù)恼_性，同時還擴展了數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行ё饔冒霃健?/P>

網(wǎng)絡接口的構成

無線傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡接口的控制器采用8位單片機+精簡TCP/IP協(xié)議棧方案?？傮w方案結構如圖1所示。

圖1 無線傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡接口的總體方案

儀器儀表或控制設備經(jīng)過RS232/RS485接口連接無線傳輸模塊，發(fā)射與接收數(shù)據(jù)。無線傳輸?shù)牧硪欢私?jīng)過TTL連接單片機，單片機再通過8位數(shù)據(jù)總線連接RTL8019AS，網(wǎng)絡控制器用RJ45接口與以太網(wǎng)連接。通過無線傳輸和以太網(wǎng)，儀器儀表或控制設備和遠程監(jiān)控主機或Internet建立了網(wǎng)絡連接，利用遠程主機上的監(jiān)控軟件可以讀取儀器儀表的數(shù)據(jù)，了解控制設備的工作狀態(tài)，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進行分析并對現(xiàn)場設備進行控制。

系統(tǒng)組成

在工業(yè)測控系統(tǒng)中，多種儀器儀表測量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過無線傳輸裝置無線發(fā)送，在監(jiān)控主機（PC）端通過無線傳輸裝置無線接收數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行記錄、分析、存儲，實現(xiàn)信息化管理。

處于儀器儀表端的無線傳輸裝置接收的是PC發(fā)送過來的命令數(shù)據(jù)幀，無線發(fā)送的是從儀器儀表上讀取到的電量和非電量數(shù)據(jù)。處于監(jiān)控主機端的無線傳輸裝置接收的是儀器儀表端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)或參數(shù)，而發(fā)送的是讀取數(shù)據(jù)、參數(shù)或?qū)憛?shù)命令。

1 硬件接口電路設計

網(wǎng)絡接口的設計采用STC89C52RC來控制以太網(wǎng)芯片RTL8019AS進行數(shù)據(jù)的傳輸。

① RTL8019AS的工作方式

RTL8019AS支持三種工作方式：第一種為跳線方式，I/O基址和中斷由跳線決定；第二種為即插即用方式，由軟件自動配置相應的參數(shù)；第三種為免跳線方式，I/O和中斷由外接的93C46的內(nèi)容決定。

RTL8019AS采用哪種工作方式由第65腳JP決定，JP是輸入引腳，當它為低電平時(其他引腳也是這樣，懸空的輸入引腳的電平為低電平，里面有一個100kΩ的下拉電阻)，RTL8019AS工作在第二種和第三種方式下，需要使用93C46芯片；當JP接高電平(接到Vcc或通過一個10kΩ的電阻上拉)，RTL8019AS工作在第一種方式下，不需要使用93C46。通常使用的計算機一般采用即插即用方式和免跳線方式，但本設計的外設不經(jīng)常插拔，所以不支持即插即用的功能，也未使用93C46存儲以太網(wǎng)控制器參數(shù)(由微處理器初始化時設定)，而是采用易于控制的跳線方式。這時芯片的地址由85，84，82，81(IOS3...IOS0)幾個引腳決定，如表1所示。

表1  I/O基址的選擇

在本系統(tǒng)中將IS03...IS00設置為0000，對應的I/O Base為300H。

② RTL8019AS的網(wǎng)絡接口方式

RTL8019AS的網(wǎng)絡接口類型由PL0，PL1引腳決定，如表2所示。

表2 網(wǎng)絡媒介選擇

在本設計中采用PL1=0，PL0=0，即第一種自動檢測方式，RTL8019AS會自動檢測媒介是同軸電纜還是雙絞線。

RTL8019AS與以太網(wǎng)的接口采用無屏蔽雙絞線RJ45接口，中間需要接一個網(wǎng)絡隔離變壓器，也稱為發(fā)送/接收濾波器，用來把信號變成平衡信號傳輸，防止電涌，以減少共模干擾，提高傳輸效率。

本設計中使用的隔離變壓器是GROUP TEK的20F001N。在具體的連接中信號地線要通過一個10nF的電容接到電源地上，在20F001N的輸出口上必須加上一個200Ω的電阻來抑止輸入8019AS的電壓大小，這也是一種保護措施。

以太網(wǎng)控制器的外圍布線還包括RJ45接口以及LED指示燈的連接，其具體的連接原理圖如圖2所示。

圖2  以太網(wǎng)芯片RTL8019AS外圍電路原理圖

③ 單片機與RTL8019AS的連接

本設計中采用跳線方式，將65腳JP接高電平當系統(tǒng)上電復位后，在RSTDRV下降沿，8019AS將讀入各個跳線引腳的狀態(tài)，寫入系統(tǒng)配置寄存器中，作為系統(tǒng)默認的初始配置。

各跳線引腳連接：RQS0～IRQS2(78～80腳)為中斷口，本設計中采用查詢方式，所以中斷口選擇沒有影響；IOS0～IOS3(81、82、84、85腳)為I/O基地址選擇，用于選擇I/O口的起始地址，要使其全部置低電平，則起始地址從300H開始，地址總線連接必須與此相一致；PL0、PL1(74、77腳)為網(wǎng)絡介質(zhì)類型選擇，本系統(tǒng)中設為“00”，表示進行連接檢測；BS0～BS4(67、69、71、72腳)用于BROM容量與基地址選擇，本系統(tǒng)中沒有連接BROM，只要將BS4、BS3設為低電平，就可禁止BROM。

由上所述可知，各跳線引腳全部配置為低電平即可。芯片引腳內(nèi)部接有100kΩ的下拉電阻，所以當引腳懸空時，本身就默認為低電平，因而也可將這些引腳懸空，在相關電路設計和軟件設計中應注意要與這些跳線引腳配置相一致。

數(shù)據(jù)與地址總線連接：采用8位數(shù)據(jù)總線，將96腳IOCS16B接27kΩ下拉電阻即可使8019AS工作于8位數(shù)據(jù)總線方式。系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線與SD0～SD7連接。8019AS內(nèi)部寄存器和存儲器的讀寫地址為00H～1FH，只需要5根地址線就能進行選擇。但在系統(tǒng)跳線配置中已將起始地址設為300H，因而在地址選通時，還必須令地址線SA8、SA9為“1”。

其他還包括對晶振的連接，以及電源和地的連接。

2 TCP/IP協(xié)議棧的總體設計

該網(wǎng)絡的最終目的是實現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)點上任意兩點之間的數(shù)據(jù)通信，但是設計一個對所有可能的通信模式均是有效的、完整的、全面的協(xié)議是不可能實現(xiàn)的，于是將通信問題劃分成小塊，并為每個小塊設計單獨的協(xié)議，這樣使得每種協(xié)議變得容易設計、分析、執(zhí)行和測試。一方面，每種協(xié)議應該處理其他協(xié)議沒有處理的通信問題，以免重復工作。另一方面，設計的協(xié)議應該能夠共享數(shù)據(jù)結構和信息，以提高執(zhí)行效率。當然最重要的是各個協(xié)議之間能夠很好的協(xié)同工作，不能將每種協(xié)議設計成孤立的協(xié)議，這就需要將他們設計成一個相互支持、相互補充的系統(tǒng)，系統(tǒng)中的每種協(xié)議解決一部分通信問題，而所有的協(xié)議便能解決所有可能的網(wǎng)絡通信問題。

本系統(tǒng)網(wǎng)絡接口采用以太網(wǎng)接口，所以協(xié)議棧遵循TCP/IP模型來設計?？紤]到系統(tǒng)的程序空間極為有限，所以設計時對標準協(xié)議棧進行了簡化，通過選擇合適的協(xié)議，可以降低對處理器硬件資源的需求。例如，由于對可靠性要求較高，可以只選擇使用TCP協(xié)議，而不使用不可靠的UDP協(xié)議。另外，對于己經(jīng)選擇使用的協(xié)議，在具體實現(xiàn)時也進行了適當?shù)暮喕?，保留其中必須具備的部分，以?jié)約程序空間和執(zhí)行時間。同時保證系統(tǒng)的可靠性與安全性，遵循分層設計思想和模塊化設計方法，各協(xié)議由對應的模塊實現(xiàn)，模塊對外提供接口函數(shù)供主程序調(diào)用，精簡的TCP/IP協(xié)議棧如圖3所示。

圖3  TCP/IP協(xié)議棧

網(wǎng)絡接口層是TCP/IP模型的最底層，由RTL8019AS的驅(qū)動程序來完成基本功能。RTL8019AS的驅(qū)動程序負責將單片機傳輸?shù)絀nternet上的數(shù)據(jù)封裝成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的格式發(fā)送，以及將網(wǎng)絡上傳來的數(shù)據(jù)包進行分析使其進入上一層的協(xié)議處理程序。

網(wǎng)絡層的功能則由ARP(地址解析協(xié)議)、IP(網(wǎng)際協(xié)議)和ICMP(因特網(wǎng)控制報文協(xié)議)協(xié)議共同完成。ARP協(xié)議能夠判斷數(shù)據(jù)幀中的目的地址是否與本地IP地址相同，如果相同則接收數(shù)據(jù)幀，否則將數(shù)據(jù)幀拋棄。而IP是TCP/IP協(xié)議棧最為核心的協(xié)議，所有的網(wǎng)絡層和運輸層的數(shù)據(jù)都是以IP數(shù)據(jù)報格式傳輸。ICMP允許主機或路由器報告差錯情況和提供有關異常情況的報告。

圖4 數(shù)據(jù)的封裝過程

系統(tǒng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過在每個協(xié)議層添加頭部信息，最后封裝成為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，在物理網(wǎng)絡上進行傳輸，數(shù)據(jù)的封裝過程如圖4所示。

結論

對于工業(yè)控制領域，嵌入式Internet設備將測控網(wǎng)與Internet互連，由此實現(xiàn)測控網(wǎng)和信息網(wǎng)的統(tǒng)一。在這樣構成的網(wǎng)絡中，傳統(tǒng)儀器設備充當著網(wǎng)絡中獨立節(jié)點的角色，信息可跨越網(wǎng)絡傳輸至所及的任何領域，實時、動態(tài)(包括遠程)的在線測控成為現(xiàn)實。