基于以太網(wǎng)的嵌入式電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王利霞

（河北建筑工程學(xué)院信息工程學(xué)院，河北張家口075000）

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷普及，遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制在嵌入式應(yīng)用業(yè)務(wù)中所占比例越來(lái)越大。一般來(lái)說(shuō)，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要包括兩個(gè)基本環(huán)節(jié)，一是現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)，主要作用是采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，執(zhí)行遠(yuǎn)程監(jiān)控指令，保證現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的可靠運(yùn)行；二是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通信功能，成為連接遠(yuǎn)程用戶與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的樞紐，是遠(yuǎn)程用戶與控制現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行信息交互的中間橋梁。

電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，就是在現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用各種通信技術(shù)，對(duì)分布的一個(gè)或多個(gè)電源，進(jìn)行遙測(cè)、遙信、遙控，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行參數(shù)，監(jiān)測(cè)和處理故障，記錄和處理相關(guān)數(shù)據(jù)，從而達(dá)到提高設(shè)備的維護(hù)管理質(zhì)量、降低系統(tǒng)的維護(hù)成本、提高電源整體工作效率的目的。

由于電源是整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)行保障，所以電源系統(tǒng)中各重要節(jié)點(diǎn)的電壓、電流、穩(wěn)定度以及絕緣程度都對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著關(guān)鍵作用，這就對(duì)電源監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性和智能化提出了更高的要求。本文以電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)為研究背景，提出了將嵌入式微處理器和以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到電源監(jiān)控系統(tǒng)中，從而達(dá)到提高電源遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)時(shí)性、可靠性、智能化的基本要求。

1 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是在工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化環(huán)境下發(fā)展起來(lái)的，是計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜合發(fā)展的結(jié)果。目前，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始向數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的方向發(fā)展，形成了新的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。

工業(yè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括集散控制系統(tǒng)（DCS）、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）及工業(yè)以太網(wǎng)[1]。

傳統(tǒng)的電源監(jiān)控系統(tǒng)大多數(shù)都采用RS-422或RS-485通信接口，這種方式存在著傳輸距離短、通信速率低、支持節(jié)點(diǎn)數(shù)少、難以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)自由通信及組網(wǎng)難度高等缺點(diǎn)。而集散控制系統(tǒng)很好地解決了以上問(wèn)題，提高了控制系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，在今天的工業(yè)控制領(lǐng)域中仍然占據(jù)著重要的地位。但是DCS采用的是普通商業(yè)網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不具備開(kāi)放性，并且為了加強(qiáng)抗干擾和可靠性而采用冗余結(jié)構(gòu)，也提高了控制系統(tǒng)的成本。

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是在DCS的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的一種新的控制方式。這種方式利用了適用于工業(yè)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，從根本上解決了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)自身的可靠性問(wèn)題，利用現(xiàn)場(chǎng)的智能儀表就能完成數(shù)據(jù)采集、處理、控制運(yùn)算和數(shù)據(jù)輸出等功能，將控制權(quán)徹底轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場(chǎng)，從而保證了數(shù)據(jù)處理的及時(shí)性和可靠性。但是現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)缺乏統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，造成不同現(xiàn)場(chǎng)總線的互聯(lián)非常困難，這就使得現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)較難適應(yīng)系統(tǒng)開(kāi)放性、分散性和互操作性等要求。

隨著以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的實(shí)現(xiàn)，以太網(wǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)通信的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、可靠性、安全性正在逐步改善和解決。而嵌入式技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步推動(dòng)了以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用[2]。

隨著以太網(wǎng)速度及交換技術(shù)、全雙工工作方式等技術(shù)的融入，工業(yè)以太網(wǎng)被正式提出。工業(yè)以太網(wǎng)就是在以太網(wǎng)技術(shù)和TCP/IP技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。目前，工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)應(yīng)用中已經(jīng)成為技術(shù)熱點(diǎn)，有可能在不久的將來(lái)成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主要形式，形成一網(wǎng)到底的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2 基于工業(yè)以太網(wǎng)的電源監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本電源監(jiān)控系統(tǒng)以底層數(shù)據(jù)采集設(shè)備為源頭，以工業(yè)以太網(wǎng)為主體，以嵌入式系統(tǒng)為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

整個(gè)系統(tǒng)分為三個(gè)層次。第一層次為底層數(shù)據(jù)采集中心，這一部分通過(guò)各種電壓、電流、溫度、濕度等傳感器將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，傳感器作為智能終端，內(nèi)置嵌入式系統(tǒng)及以太網(wǎng)卡，因此具有一定的數(shù)據(jù)處理及運(yùn)算功能。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)依據(jù)設(shè)備的特性可采用星形或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來(lái)完成。第二層次為數(shù)據(jù)融合層，這一層的數(shù)據(jù)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸至數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理。這一層設(shè)置有現(xiàn)場(chǎng)PC機(jī)，可以在處理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀況進(jìn)行初步分析，做出應(yīng)急決策。第三層為向上的通信層，利用PC機(jī)將工業(yè)以太網(wǎng)與公網(wǎng)相連，將數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程控制中心。公網(wǎng)可以是Internet網(wǎng)絡(luò)，也可以是移動(dòng)通信的GPRS或3G網(wǎng)絡(luò)。遠(yuǎn)程控制中心設(shè)置遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)庫(kù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)的參數(shù)及相應(yīng)的遠(yuǎn)程控制命令，以便于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

基于本系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理精度及實(shí)時(shí)性要求的考慮，數(shù)據(jù)融合層的嵌入式芯片采用32位的ARM系統(tǒng)處理器LPC2214，硬件整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括處理器LPC2214、網(wǎng)卡芯片RTL8019AS、電源、系統(tǒng)JTAG調(diào)試接口等幾部分電路。其中處理器LPC2214采用μCLinux嵌入式操作系統(tǒng)。RTL8019AS以太網(wǎng)控制芯片為系統(tǒng)提供以太網(wǎng)接入的物理信道。通過(guò)該接口，可以將系統(tǒng)以10Mb/s的速率接入以太網(wǎng)。RTL8019AS芯片與主處理器的集成方式如圖2所示。網(wǎng)卡與主處理器之間的通信主要通過(guò)總線SEP3203和一些控制信號(hào)來(lái)完成。而系統(tǒng)中各智能終端上的以太網(wǎng)控制器也選用RTL8019AS芯片，通過(guò)EM I的CSD片連接網(wǎng)卡控制器片選引腳，從而完成數(shù)據(jù)的采集和處理功能。JTAG接口完成對(duì)芯片內(nèi)部的所有部件進(jìn)行訪問(wèn)，并通過(guò)該接口對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和編程。檢測(cè)信號(hào)及數(shù)據(jù)是電源監(jiān)控系統(tǒng)的輸入部分，完成對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、運(yùn)算并將其通過(guò)以太網(wǎng)傳送至中央監(jiān)控中心的功能。E2PROM與控制器采用SPI通信，主要是故障代碼及門限參數(shù)的存儲(chǔ)中心。

傳統(tǒng)的以太網(wǎng)都是采用TCP/IP協(xié)議作為傳輸協(xié)議。為了增加本系統(tǒng)通信的實(shí)時(shí)性和精確性，本系統(tǒng)選用Lw IP作為TCP/IP協(xié)議棧，在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少了對(duì)RAM的占用，從而形成了更為有效的以太網(wǎng)芯片RTL8019AS的收發(fā)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)功能。

圖1 硬件整體結(jié)構(gòu)

圖2 網(wǎng)卡模塊接口

3 總結(jié)

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，Internet正在把全世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)逐漸集成起來(lái)，形成信息高速公路，形成公用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正是在這種環(huán)境下發(fā)展起來(lái)的。

本文選用LPC2214及RTL8019AS以太網(wǎng)控制芯片來(lái)構(gòu)建工業(yè)以太網(wǎng)，并選用μCLinux嵌入式操作系統(tǒng)作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并增加了LWIP作為TCP/IP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)了電源的以太網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。與現(xiàn)場(chǎng)總線形式相比，具有速度快、開(kāi)放性好、運(yùn)行可靠安全的基本特性。

[1] 吳鏑.基于以太網(wǎng)的嵌入式電源監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2008.

[2] 屈軍鎖.物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2011：25-27.