引言
在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中液位對象是一種十分普遍的對象，對液位對象的監(jiān)測與控制是系統(tǒng)實現(xiàn)其功能必不可少的環(huán)節(jié)。在過去，液位的監(jiān)控裝置多數(shù)是使用單片機實現(xiàn)點對點控制和顯示[1]，工作人員必須到工業(yè)現(xiàn)場操作這些儀器，且單片機功能十分有限，只能完成一些相對簡單的操作。
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)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)遠程監(jiān)測、控制和管理的有效集成[2]。使用遠程監(jiān)控系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)對工業(yè)生產(chǎn)過程進行監(jiān)測，及時了解現(xiàn)場信息，快速進行決策。
遠程控制的關(guān)鍵技術(shù)在于如何解決工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入問題。目前，主要有兩種方法：一種是使用PC機通過PC機端口（如RS232、USB接口）或數(shù)據(jù)采集卡來采集數(shù)據(jù)同時提供網(wǎng)絡(luò)接口[3]，這種方法利用強大的PC機軟件支持，容易實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能，但是PC機端口資源有限，專用采集卡成本較高，難以推廣;另一種就是在現(xiàn)場使用嵌入式系統(tǒng)實現(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、實時性強等特點，使用在工業(yè)控制現(xiàn)場比較合適。
本文將嵌入式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，在現(xiàn)場利用嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能以實時傳輸液位信號和控制信號，在客戶端PC機上通過套接字編程實現(xiàn)與現(xiàn)場嵌入式系統(tǒng)的遠程通信，從而達到對遠程液位的監(jiān)控。
1 遠程液位監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本文設(shè)計的遠程液位監(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進行A/D轉(zhuǎn)換來采集液位數(shù)據(jù)，通過擴展DAC0832實現(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)用程序的開發(fā)和對整個系統(tǒng)的管理;嵌入式TCP/IP協(xié)議棧LwIP移植到μC/OS-Ⅱ平臺上，實現(xiàn)對網(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;遠程PC機客戶端登錄到嵌入式系統(tǒng)服務(wù)器上，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)兩端數(shù)據(jù)的實時交互。
圖1 遠程液位監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2 硬件介紹與設(shè)計
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，通過擴展一系列通用外圍部件，提供豐富的外設(shè)功能。它的存儲系統(tǒng)具有8個存儲體，每個有32MB的存儲空間，通過nGCS0-7這8個片選來分配。本文使用的設(shè)計方案中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)可同時達到10Mbps的速度;支持8位、16位數(shù)據(jù)總線，8個中斷請求線可供選擇;支持UTP、AUI和BNC的自動檢測;內(nèi)置16K的SRAM，用于數(shù)據(jù)緩沖，以256B為單位的分頁結(jié)構(gòu)，可以自行分配用于收發(fā)的分頁的大小和位置，一般前12頁用于發(fā)送緩沖，后52頁用于接收緩沖;硬件自帶收發(fā)CRC校驗、FIFO邏輯隊列等，減少了主CPU處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的工作量。S3C44B0X對RTL8019AS的操作主要集中在對網(wǎng)卡寄存器的讀寫和網(wǎng)卡內(nèi)SRAM的處理。
3 軟件設(shè)計
3.1 基于嵌入式系統(tǒng)的服務(wù)器端程序設(shè)計
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)實時調(diào)度，擴展后可支持網(wǎng)絡(luò)功能、圖形界面等，使得應(yīng)用程序的開發(fā)更加簡單，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，開中斷宏、關(guān)中斷宏的實現(xiàn)，定義堆棧的生長方向;
（2） 用C語言編寫6個操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)：OSTaskStkInit（）初始化任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)，和5個鉤子函數(shù)OSTaskDelHook（）、OSTaskSwHook（）、OSTaskStatHook（）、OSTimeHook（）、OSTaskCreateHook（）;
（3） 用匯編語言編寫4個與處理器相關(guān)的函數(shù)：運行優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)函數(shù)OSStartHighRdy（），任務(wù)級的任務(wù)切換函數(shù)OS_TASK_SW（），中斷級的任務(wù)切換函數(shù)OSIntCtxSw（），時鐘節(jié)拍服務(wù)函數(shù)OSTickISR（）。
3.1.2 μC/OS-Ⅱ上TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)
LwIP（Light-weight IP）是瑞典計算機科學(xué)院（Swedish Institute of Computer Science）的Adam Dunkels等開發(fā)的一套開源的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)計時已經(jīng)把所有與硬件、操作系統(tǒng)、編譯器等移植相關(guān)的部分獨立出來，放在/src/arch目錄下。因此LwIP在μC/OS-Ⅱ上的實現(xiàn)就是修改這個目錄下的文件[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)長度、字的高低位順序等的定義，這些應(yīng)該與實現(xiàn)μC/OS-Ⅱ時參數(shù)的定義保持一致。另外，一般情況下C語言的結(jié)構(gòu)體struct是4字節(jié)對齊的，但是在處理數(shù)據(jù)包的時候，LwIP使用的是通過結(jié)構(gòu)體中不同數(shù)據(jù)的長度來讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，所以，一定要在定義struct的時候使用_packed關(guān)鍵字，讓編譯器放棄struct的字節(jié)對齊。
（2） 與操作系統(tǒng)相關(guān)的部分
LwIP中需要使用信號量通信，所以在sys_arch.h、sys_arch.c中應(yīng)實現(xiàn)信號量結(jié)構(gòu)體sys_sem_t，和相關(guān)的信號量處理函數(shù)：包括創(chuàng)建一個信號量結(jié)構(gòu)sys_sem_new（），釋放一個信號量結(jié)構(gòu)sys_sem_free（），發(fā)送信號量sys_sem_signal（），請求信號量sys_arch_sem_wait（）。
LwIP使用消息隊列來緩沖、傳遞數(shù)據(jù)報文，因此要在sys_arch.h、sys_arch.c中實現(xiàn)消息隊列結(jié)構(gòu)體sys_mbox_t，以及相應(yīng)的操作函數(shù)：包括創(chuàng)建一個消息隊列sys_mbox_new（），釋放一個消息隊列sys_mbox_free（），向消息隊列發(fā)送消息sys_mbox_post（），從消息隊列中獲取消息sys_arch_mbox_fetch（）。
LwIP中每個與外界網(wǎng)絡(luò)連接的線程都有自己的timeout屬性，即等待超時時間，移植工作需要實現(xiàn)sys_arch_timeouts（）函數(shù)，返回當(dāng)前正處于運行態(tài)的線程所對應(yīng)的timeout隊列指針。
LwIP中網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理需要線程來操作，所以需要實現(xiàn)創(chuàng)建新線程函數(shù)sys_thread_new（）。而在μC/OS-Ⅱ中，沒有線程的概念，只有任務(wù)。因此必須要把創(chuàng)建新任務(wù)的函數(shù)OSTaskCreate（）封裝一下，才可以實現(xiàn)sys_thread_new（）。
（3） 相關(guān)庫函數(shù)的實現(xiàn)
LwIP協(xié)議棧中用到了8個外部函數(shù)，主要是來完成16位數(shù)據(jù)的高低字節(jié)交換、32位數(shù)據(jù)的大小頭對調(diào)、返回字符串長度、字符串比較、內(nèi)存數(shù)據(jù)塊拷貝、指定長度的數(shù)據(jù)塊清零等功能，與系統(tǒng)或編譯器有關(guān)，需要用戶實現(xiàn)。
（4） 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序
在LwIP中可以有多個網(wǎng)絡(luò)接口，每個網(wǎng)絡(luò)接口都對應(yīng)了一個netif結(jié)構(gòu)，這個netif包含了相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口的屬性、收發(fā)函數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序中主要就是實現(xiàn)四個網(wǎng)絡(luò)接口函數(shù)：網(wǎng)卡初始化、網(wǎng)卡接收數(shù)據(jù)、網(wǎng)卡發(fā)送數(shù)據(jù)以及網(wǎng)卡中斷處理函數(shù)。
3.2 PC機上客戶端程序的設(shè)計
VC++6.0環(huán)境下客戶端程序?qū)崿F(xiàn)包括以下幾個部分：
（1） 建立客戶端的Socket：客戶端應(yīng)用程序首先構(gòu)造一個CAsyncSocket[7]對象CltSock，然后調(diào)用（）函數(shù)來建立CltSock實體。
（2） 提出連接請求：客戶端套接字CltSock通過調(diào)用（strAddr,nPort）函數(shù)向服務(wù)器套接字提出連接請求。
（3） 傳輸數(shù)據(jù)：在客戶端應(yīng)用程序中重載消息處理函數(shù)OnReceive（）和OnSend（）。在OnReceive（）中通過調(diào)用（）函數(shù)從服務(wù)器端接收數(shù)據(jù);在OnSend（）中通過調(diào)用（）函數(shù)向服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)。
（4） 關(guān)閉連接：客戶端套接字CltSock通過調(diào)用（）函數(shù)來關(guān)閉連接。
4 遠程液位監(jiān)控應(yīng)用程序的開發(fā)
本文設(shè)計完成的基于以太網(wǎng)的遠程液位繼電自整定PID控制系統(tǒng)，其控制算法在遠端主機（客戶機）上實現(xiàn)，兩端通過TCP協(xié)議通信，本地的嵌入式系統(tǒng) （服務(wù)器）上一方面實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理，一方面完成對液位高度的采集與控制;遠端PC機上一方面處理網(wǎng)絡(luò)上的實時數(shù)據(jù)，一方面通過PID計算出控制量，顯示相關(guān)參數(shù)。實時液位變化狀況如圖2所示，從圖中可以看出，實際液位（紅色曲線）能夠穩(wěn)定在液位設(shè)定值（藍色曲線）處。同時，從用戶界面上既可以讀出液位高度值，PID自整定參數(shù)等，還可以改變液位高度設(shè)定值，從而真正實現(xiàn)了液位對象的遠程監(jiān)控。
圖2 遠程液位繼電自整定PID控制效果圖
5 結(jié)語
本文設(shè)計解決了在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的問題，引入并實現(xiàn)了一種新的設(shè)計方案，即采用三星ARM7處理器S3C44B0X+Realtek的10M網(wǎng)卡RTL8019AS硬件組合，通過在μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)內(nèi)核的支持下，添加嵌入式TCP/IP協(xié)議棧LwIP，來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的功能，與PC機客戶端的Socket通信，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了基于以太網(wǎng)的遠程液位監(jiān)控系統(tǒng)，達到了良好的控制效果。可以看出，這類系統(tǒng)在遠程監(jiān)控中的具有良好的應(yīng)用前景。
本文作者創(chuàng)新點:本文將嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入到工業(yè)過程遠程監(jiān)控領(lǐng)域，提出了自己的設(shè)計方案，并成功開發(fā)了一個遠程液位監(jiān)控系統(tǒng)。
