物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在運(yùn)動控制器中的研究和應(yīng)用

摘 要：目前工業(yè)控制領(lǐng)域硬件成本偏高，對操作者的專業(yè)水平要求較為苛刻，協(xié)同管理較為困難。文章采用在運(yùn)動控制器上加入以太網(wǎng)接口，簡化控制程序的輸入，降低設(shè)備硬件成本，實(shí)現(xiàn)控制信息的遠(yuǎn)程顯示，從而降低維護(hù)成本。

關(guān)鍵詞：W5500；以太網(wǎng)；Socket；C++；服務(wù)器；客戶端

引言

隨著自動化控制技術(shù)的飛速發(fā)展，基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制總線得到了廣泛的使用，給工業(yè)生產(chǎn)帶來了極大的效益，然而主流的現(xiàn)場控制總線成本較高，對維護(hù)和使用人員的技術(shù)有著較高的要求，這使得一些中小工廠無力享受技術(shù)進(jìn)步帶來的紅利，于是基于嵌入式系統(tǒng)的集成以太網(wǎng)芯片W5500應(yīng)運(yùn)而生。相關(guān)技術(shù)行業(yè)的發(fā)展，讓基于以太網(wǎng)的運(yùn)動控制系統(tǒng)變得多元化，有廣泛的應(yīng)用前景和潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在此基礎(chǔ)上研究使用便捷，適應(yīng)性強(qiáng)，信號傳輸穩(wěn)定，低成本的嵌入式以太網(wǎng)接口是非常有意義的。

基于嵌入式的以太網(wǎng)接口以往都采用軟協(xié)議棧，因此會占用大量的CPU資源，導(dǎo)致傳輸延遲較高，可連接客戶端較少且容易掉線，在這種情況下就需要一種基于硬件協(xié)議棧的以太網(wǎng)通信接口來滿足控制信號的穩(wěn)定高速傳輸。W5500是一款采用全硬件TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式以太網(wǎng)控制器，它能使嵌入式系統(tǒng)通過SPI（串行外設(shè)接口）接口輕松地連接到網(wǎng)絡(luò)，通過使用W5500，用戶只需通過使用一個(gè)簡單的socket程序就能實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的應(yīng)用，而不再需要處理一個(gè)復(fù)雜的以太網(wǎng)控制器了。

1 系統(tǒng)硬件平臺

主控芯片采用意法半導(dǎo)體公司的基于ARM-CortexM3內(nèi)核的STM32F103VCT6處理器作為系統(tǒng)核心，外圍器件有SPI2332，W5500配上一塊帶電容觸摸輸入的TFT液晶彩屏。

2 以太網(wǎng)客戶機(jī)端的搭建

2.1 以太網(wǎng)硬件接口的設(shè)計(jì)

本控制器通信接口采用W5500方案，將硬件TCP/IP協(xié)議棧，MAC層以及PHY層集成到一塊芯片里，大大簡化了硬件設(shè)計(jì)，通過SPI通信協(xié)議與MCU通信，且對CPU性能要求不高，節(jié)省了嵌入式處理器的I/O資源（圖1）。

2.2 通信部分軟件設(shè)計(jì)

由于TCP/IP協(xié)議棧已經(jīng)在W5500中實(shí)現(xiàn)，MCU只需要配置和讀取寄存器的數(shù)據(jù)即可，程序框圖如圖2所示。

3 基于socket編程的服務(wù)器端功能的實(shí)現(xiàn)

服務(wù)器是基于Vc++6.0平臺開發(fā)的，采用的是MFC和Socket套接字編程，Socket的版本為2.0.所采用的通信協(xié)議是TCP/IP協(xié)議。為了適用于多客戶端的連接要求，服務(wù)器采取多線程的編程方案，即可以同時(shí)響應(yīng)多客戶鏈接請求事件和數(shù)據(jù)讀取事件[1]。接下來介紹的是服務(wù)器的工作流程：

3.1 響應(yīng)連接請求

啟動服務(wù)器，首先進(jìn)行初始化，設(shè)置監(jiān)聽端口（監(jiān)聽的端口號為6000）及綁定計(jì)算機(jī)，無誤后開啟一個(gè)線程等待客戶端連接。當(dāng)一個(gè)客戶端連接成功后，服務(wù)器立即開啟一個(gè)新線程等待下一個(gè)客戶端連接，當(dāng)客戶端斷開連接后，相應(yīng)的線程也會隨之結(jié)束。這樣服務(wù)器便可以響應(yīng)多客戶端連接了。

3.2 數(shù)據(jù)區(qū)分與轉(zhuǎn)發(fā)

不僅僅是PC端要向服務(wù)器上傳數(shù)據(jù)，客戶機(jī)也要向服務(wù)器上傳設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，如何來區(qū)分和存儲這些數(shù)據(jù)顯然是一個(gè)頭號問題。這里采用的方法是給數(shù)據(jù)一個(gè)“身份證號”ID，每一個(gè)設(shè)備發(fā)的數(shù)據(jù)具有唯一的ID，這樣這些數(shù)據(jù)到任何一臺設(shè)備上都能被識別。具體做法在后文中說明。服務(wù)器在收到數(shù)據(jù)后用left（）函數(shù)取出前兩位進(jìn)行“身份識別”，然后將其存入相對應(yīng)的數(shù)組中，這樣便完成了數(shù)據(jù)的區(qū)分存儲。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)是服務(wù)器最重要的功能，服務(wù)器收到PC端發(fā)來的數(shù)據(jù)后向下位機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)，服務(wù)器收到下位機(jī)傳上來的收據(jù)后下PC端轉(zhuǎn)發(fā)。

以上功能的實(shí)現(xiàn)還需要用到以下幾個(gè)函數(shù)：

Listen（）：監(jiān)聽端口；

Accept（）：用于響應(yīng)連接請求；

Send（）：用于發(fā)送數(shù)據(jù)；

Receive（）：用于接收數(shù)據(jù)[2]。

還有一些用作數(shù)據(jù)存儲的數(shù)組，如csdata[]，csRundata[].

3.3 服務(wù)器工作流程圖（圖3）

4 基于socket編程的PC端的實(shí)現(xiàn)

（1）PC端是服務(wù)器的控制終端，開發(fā)平臺和技術(shù)支持和上面服務(wù)器一樣，這里不再介紹。PC端的功能是通過連接服務(wù)器向下位機(jī)傳輸控制數(shù)據(jù)。

（2）PC端操作界面（圖4）：

操作界面一共五個(gè)區(qū)域。其中三個(gè)操作區(qū)，操作區(qū)一和二都是指令和數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)，一共10組。每組的指令都相同，一共有六個(gè)，分別是：位移，時(shí)間，速度，輸入，輸出，掃描和跳轉(zhuǎn)；每個(gè)指令對應(yīng)唯一的ID，見表1，默認(rèn)為空。每個(gè)數(shù)據(jù)為四位，和前面的指令I(lǐng)D組成一個(gè)數(shù)據(jù)塊，指令I(lǐng)D在前，數(shù)據(jù)在后。在發(fā)送時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)塊依順序連在一起組成數(shù)據(jù)鏈。數(shù)據(jù)塊的個(gè)數(shù)放在數(shù)據(jù)鏈的開頭，再加上能夠被其它設(shè)備識別的幀頭和幀尾，形成一個(gè)數(shù)據(jù)包。格式如下：

Ni+A5+number+數(shù)據(jù)塊1+數(shù)據(jù)塊2+……+數(shù)據(jù)塊N+5A

Ni：下位機(jī)代號（i=1，2，3…）；

A5： 幀頭；

Number： 數(shù)據(jù)塊個(gè)數(shù)；

數(shù)據(jù)塊：指令+數(shù)據(jù)；

5A： 幀尾。

操作區(qū)三是控制區(qū)，執(zhí)行連接服務(wù)器和相關(guān)操作。還有兩個(gè)區(qū)是顯示區(qū)，其中左顯示區(qū)顯示軟件的運(yùn)行狀況，右顯示區(qū)顯示服務(wù)器返回的客戶機(jī)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)。

操作界面上的“連接”和“上傳”兩個(gè)按鈕分別執(zhí)行連接服務(wù)器和向服務(wù)器上傳數(shù)據(jù)的功能。

（3）PC端工作流程圖（圖5）

5 云端服務(wù)器實(shí)現(xiàn)

云服務(wù)器采用阿里云方案，采用Windows Server操作系統(tǒng)。具體搭建過程：

5.1 租用合適的服務(wù)器

進(jìn)入阿里云首頁，選擇彈性計(jì)算中的云服務(wù)器ECS，點(diǎn)擊立即購買后選擇服務(wù)器配置，由于本控制器不需要做大規(guī)模的運(yùn)算，所以選擇最為廉價(jià)的簡約型t1，將服務(wù)器地址選為最為便宜的青島地區(qū)，由于簡約型t1服務(wù)器僅有1核志強(qiáng)E5 CPU和1GB內(nèi)存，所以在操作系統(tǒng)選項(xiàng)中選擇32位的Windows Server 2008標(biāo)準(zhǔn)版SP2 32位中文版，購買后系統(tǒng)會自動安裝。

5.2 配置服務(wù)器系統(tǒng)

服務(wù)器系統(tǒng)安裝完成后，在實(shí)例詳情中點(diǎn)擊連接管理終端，輸入密碼后可以對云端服務(wù)器進(jìn)行操作。首先，為了今后操作方便，在個(gè)性化中把計(jì)算機(jī)，用戶文件等常用快捷方式添加到桌面，接著，為了程序不因內(nèi)存過小而運(yùn)行不了，在計(jì)算快捷方式上右鍵，點(diǎn)擊高級系統(tǒng)設(shè)置，選擇性能-高級-虛擬內(nèi)存，將C盤作為托管的系統(tǒng)，然后，為了方便將調(diào)試程序傳輸?shù)椒?wù)器系統(tǒng)，在服務(wù)器系統(tǒng)中下載安裝百度云，至此，服務(wù)器系統(tǒng)部分基本搭建完成。

6 服務(wù)器與客戶機(jī)通信協(xié)議的制定和實(shí)現(xiàn)

根據(jù)事先約定：

（1）客戶機(jī)上傳的數(shù)據(jù)以Di開頭，Di結(jié)尾（i是客戶機(jī)號，如1、2、3）；（2）PC端上傳的數(shù)據(jù)格式：Ni+A5+數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)+數(shù)據(jù)塊+5A。（i是客戶機(jī)號，如1、2、3）。

7 結(jié)束語

采用W5500作為以太網(wǎng)接口的運(yùn)動控制器與云端服務(wù)器連接穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳送延遲低，PC端客戶機(jī)數(shù)據(jù)傳輸順利，可以及時(shí)觀測到運(yùn)動控制器的工作情況。

參考文獻(xiàn)

[1]汪曉平，鐘軍，等.Visual C++網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議分析與應(yīng)用實(shí)現(xiàn)[M]. 北京：人民郵電出版社，2003，2.

[2]梁偉.Visual C++網(wǎng)絡(luò)編程經(jīng)典案例詳解[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010，6.

作者簡介：賀順，性別：男，年齡：21，籍貫：浙江省紹興市，職稱：學(xué)生，學(xué)歷：在讀本科，南京工程學(xué)院，研究方向：自動化。

俞鵬：南京工程學(xué)院。

王永：南京工程學(xué)院。