主頁(yè)（http://www.130131.com）：基于現(xiàn)場(chǎng)總線的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言
    當(dāng)今，工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化一直是業(yè)界比較關(guān)注的課題，對(duì)于大型的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，由于被控對(duì)象、測(cè)控裝置等設(shè)備的地域分散性，以及控制任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求，大多數(shù)控制設(shè)備還停留在單點(diǎn)本地通信，其作用距離短，無(wú)法實(shí)現(xiàn)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的相互融合。隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信和Internet技術(shù)的飛速發(fā)展和不斷進(jìn)步，嵌入式系統(tǒng)在家庭和工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，而如何將嵌入式系統(tǒng)和基于嵌入式的現(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)控制系統(tǒng)接入Internet，利用嵌入式系統(tǒng)作為中間件實(shí)現(xiàn)對(duì)FCS群控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理和控制，已成為人們?cè)絹?lái)越關(guān)注的研究課題。

    基于Web的B/S模式的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)具有非常重要的特點(diǎn)：即只要是有Internet接入的地方，用戶就可以通過(guò)Internet登錄服務(wù)器，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備群進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。這里從監(jiān)控設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化出發(fā)，利用現(xiàn)場(chǎng)總線、嵌入式系統(tǒng)和Internet技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)一種基于B/S模式、具有高可靠性和高安全性的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)。

l 嵌入式系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)總線
1.1 嵌入式系統(tǒng)
    嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。一般，嵌入式系統(tǒng)由處理器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出設(shè)備和軟件(包括操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序)4部分組成。由于Internet技術(shù)的滲透，嵌入式系統(tǒng)正變得越來(lái)越智能化并具有越來(lái)越多的網(wǎng)絡(luò)友好特性。Internet技術(shù)的飛速發(fā)展，給嵌入式系統(tǒng)進(jìn)入工業(yè)控制提供了絕佳的途徑。在現(xiàn)場(chǎng)儀表和工業(yè)設(shè)備層之間應(yīng)用嵌入式技術(shù)是工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，而把嵌入式技術(shù)和Internet技術(shù)結(jié)合起來(lái)用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)中，使得整個(gè)工控網(wǎng)絡(luò)易于和信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)
    現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測(cè)量控制儀表，使之?dāng)?shù)字化、智能化，采用可進(jìn)行簡(jiǎn)單連接的雙絞線等介質(zhì)將位于現(xiàn)場(chǎng)的各種智能設(shè)備及各種控制設(shè)備連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并按公開(kāi)、規(guī)范的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與信息交換。它突破了DCS相對(duì)封閉的限制，將測(cè)控任務(wù)分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，上位計(jì)算機(jī)只負(fù)責(zé)監(jiān)控以及一些復(fù)雜的優(yōu)化和先進(jìn)控制的功能。它依靠具有數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、控制、通信能力的微處理芯片，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化儀表對(duì)工業(yè)生產(chǎn)裝置實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制。它以現(xiàn)場(chǎng)分散的測(cè)量點(diǎn)，控制儀表的單個(gè)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，將這些點(diǎn)以總線形式連接起來(lái)，形成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。

    現(xiàn)場(chǎng)總線屬于最底層的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)，它將原來(lái)集散型的DCS系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)的基本功能，分散在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處。為此，可以將原來(lái)封閉、專用的系統(tǒng)變成開(kāi)放、標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，使得不同制造商的產(chǎn)品可以互連，是DCS系統(tǒng)的更新?lián)Q代產(chǎn)品。FCS簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了成本，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
    系統(tǒng)的整個(gè)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。在生產(chǎn)車間將整個(gè)設(shè)備通過(guò)FCS系統(tǒng)連接組網(wǎng)，形成統(tǒng)一的設(shè)備層，其組網(wǎng)方式是RS 485工業(yè)總線。中間件為嵌入式系統(tǒng)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)ARM板上的RS 485接口，實(shí)現(xiàn)與下層設(shè)備的相互通信。同時(shí)，在嵌入式系統(tǒng)中嵌入小型Web服務(wù)器用以實(shí)現(xiàn)對(duì)下層數(shù)據(jù)的接收與讀取。

    系統(tǒng)的上層設(shè)計(jì)了可以與Internet直接相連的網(wǎng)絡(luò)接口，能夠?qū)⑾到y(tǒng)直接掛接入Internet信息網(wǎng)。只要給嵌入式操作系統(tǒng)分配一個(gè)IP地址，不用為每個(gè)生產(chǎn)設(shè)備在接入網(wǎng)絡(luò)之后都分配一個(gè)IP地址，整個(gè)底層設(shè)備統(tǒng)一由CGI編程采用自己設(shè)定的地址識(shí)別各個(gè)硬件設(shè)備，這樣就大大節(jié)約了IP地址的使用。

    遠(yuǎn)程客戶端，只要能夠上網(wǎng)，就可以授權(quán)用戶通過(guò)IP地址登錄到該系統(tǒng)，監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程和設(shè)備的相關(guān)信息。同時(shí)該系統(tǒng)還提供了一個(gè)接口，用以生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控，可讓一線員工在現(xiàn)場(chǎng)直觀地了解和記錄有關(guān)的生產(chǎn)信息。

2.2 系統(tǒng)方案分析
    該方案的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是采用B/S模式，相對(duì)于傳統(tǒng)的C/S模式結(jié)構(gòu)而言，三層的B/S體系結(jié)構(gòu)是把原來(lái)在客戶機(jī)一側(cè)的應(yīng)用程序模塊與顯示功能分開(kāi)，將它放到Web服務(wù)器上單獨(dú)組成一層，客戶機(jī)上只需通過(guò)單一的瀏覽器，這樣就可以把負(fù)荷均衡的分配給Web服務(wù)器，客戶機(jī)上的壓力大大減輕。B/S結(jié)構(gòu)主要是利用不斷成熟的Web瀏覽器技術(shù)，結(jié)合瀏覽器的多種編程語(yǔ)言和Web技術(shù)，用通用的瀏覽器就實(shí)現(xiàn)了原來(lái)需要復(fù)雜專用軟件才能實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)大功能，并節(jié)約了開(kāi)發(fā)成本。

    整個(gè)系統(tǒng)是在嵌入式系統(tǒng)中移植入實(shí)時(shí)的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，并安裝了Web服務(wù)器，充當(dāng)中間件的功能。底層控制網(wǎng)絡(luò)通過(guò)RS 485總線組網(wǎng)后，以RS 485總線接入系統(tǒng)的硬件端，將所采集的數(shù)據(jù)和相關(guān)信息放入到Linux Web服務(wù)器中，使得嵌入式設(shè)備與底層設(shè)備能互相通信。由于在一些環(huán)境惡劣的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，并不適合用PC機(jī)作服務(wù)器，采用ARM等系列嵌入式系統(tǒng)具有功耗低，穩(wěn)定性好，可靠性高等特點(diǎn)。

3 系統(tǒng)的硬件平臺(tái)
    該系統(tǒng)對(duì)車間浸油罐進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控，所選擇的嵌入式微處理器必須能夠在所生產(chǎn)的環(huán)境中進(jìn)行可靠的工作。這里所討論的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)所選擇的CPU是S3C2410處理器。S3C2410是韓國(guó)Sa―mstmg公司出產(chǎn)的一款基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微處理器，主要面向高性價(jià)比、低功耗的手持式設(shè)備的應(yīng)用。其整個(gè)硬件框圖如圖2所示。

    其中的核心模塊包括CS8900，RS 485總線接口，F(xiàn)LASH SDRAM，復(fù)位和時(shí)鐘電路等；主要功能是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信息采集和與遠(yuǎn)程客戶機(jī)的通信。由于Linux操作系統(tǒng)中直接包含有TCP/IP等各個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，因此直接在平臺(tái)上進(jìn)行Linux操作系統(tǒng)的移植，就免去了開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的難度。系統(tǒng)提供了一個(gè)RJ45以太網(wǎng)接口，直接可以與Internet進(jìn)行通信。該系統(tǒng)重點(diǎn)用以解決與Internet的通信問(wèn)題和信息發(fā)布問(wèn)題。