基于以太网的远程液位监控系统设计与开发.docx

基于以太网的远程液位监控系统设计与开发ronggang导语：本文主要解决在基于以太网的远程液位监控系统中怎样实现网络通讯的问题，在本地嵌入式系统上，选择ARM微处理器S3C44B0X和以太网控制器RTL8019AS作为硬件平台摘要：本文主要解决在基于以太网的远程液位监控系统中怎样实现网络通讯的问题，在本地嵌入式系统上，选择ARM微处理器S3C44B0X和以太网控制器RTL8019AS作为硬件平台，在实时操纵系统C/OS-上移植嵌入式TCP/IP协议栈LwIP，通过对LwIP编程实现效劳器程序;在远端PC机上，通过对VC+6.0环境下的套接字编程，实现客户端程序。在此根底上成功开发了远程液位监控系统，实验结果说明到达了良好的效果。关键词：嵌入式系统;网络;C/OS-;LwIP;Socket在工业经过控制系统中液位对象是一种特别普遍的对象，对液位对象的监测与控制是系统实现其功能必不可少的环节。在过去，液位的监控装置多数是使用单片机实现点对点控制和显示1，工作人员必须到工业现场操纵这些仪器，且单片机功能特别有限，只能完成一些相对简单的操纵。随着网络通讯技术的开展，以太网在工业控制领域的应用日趋广泛，基于以太网的远程监控系统实现远程监测、控制和治理的有效集成2。使用远程监控系统通过网络对工业消费经过进展监测，及时理解现场信息，快速进展决策。远程控制的关键技术在于怎样解决工业现场设备的网络接入问题。目前，主要有两种方法：一种是使用PC机通过PC机端口如RS232、USB接口或者数据收集卡来收集数据同时提供网络接口3，这种方法利用强大的PC机软件支持，轻易实现网络通讯功能，但是PC机端口资源有限，专用收集卡本钱较高，难以推广;另一种就是在现场使用嵌入式系统实现网络接入，嵌入式系统具有功耗低、体积小、本钱低、可靠性高、实时性强等特点，使用在工业控制现场比拟适宜。本文将嵌入式技术和网络技术相结合，在现场利用嵌入式系统实现网络通讯功能以实时传输液位信号和控制信号，在客户端PC机上通过套接字编程实现与现场嵌入式系统的远程通讯，进而到达对远程液位的监控。1远程液位监控系统构造本文设计的远程液位监控系统构造如图1所示：其中，处理器芯片采用ARM微处理器S3C44B0X;S3C44B0X自带8路10位ADC进展A/D转换来收集液位数据，通过扩展DAC0832实现D/A转换以输出控制量;S3C44B0X连接10M以太网卡RTL8019AS，提供网络功能的硬件接口;C/OS-移植到S3C44B0X上，提供操纵系统的支持，方便了应用程序的开发和对整个系统的治理;嵌入式TCP/IP协议栈LwIP移植到C/OS-平台上，实现对网络数据的软件处理，进而为嵌入式系统提供网络通讯功能;远程PC机客户端登录到嵌入式系统效劳器上，通过以太网实现两端数据的实时交互。align=center图1远程液位监控系统构造图/align2硬件介绍与设计三星的S3C44B0X微处理器芯片采用ARM公司16/32位ARM7TDMIRISC构造的CPU核，主频为66MHz，通过扩展一系列通用外围部件，提供丰富的外设功能。它的存储系统具有8个存储体，每个有32MB的存储空间，通过nGCS0-7这8个片选来分配。本文使用的设计方案中nGCS0接Flash芯片AM29LV160DB，起始地址0x00000000，大小为2MB，nGCS6接SDRAM芯片HY57V641620ET-7，起始地址为0x0c000000，大小为8MB，nGCS3接RTL8019AS，起始地址为0x06000000。RTL8019AS是一款高度集成的全双工以太网控制器，收发可同时到达10Mbps的速度;支持8位、16位数据总线，8个中断恳求线可供选择;支持UTP、AUI和BNC的自动检测;内置16K的SRAM，用于数据缓冲，以256B为单位的分页构造，可以自行分配用于收发的分页的大小和位置，一般前12页用于发送缓冲，后52页用于接收缓冲;硬件自带收发CRC校验、FIFO逻辑队列等，减少了主CPU处理网络数据的工作量。S3C44B0X对RTL8019AS的操纵主要集中在对网卡存放器的读写和网卡内SRAM的处理。3软件设计3.1基于嵌入式系统的效劳器端程序设计3.1.1S3C44B0X上C/OS-的移植嵌入式操纵系统C/OS-可以运行于各种不同类型的微处理器上，其内核小、效率高，并且具有高度的模块化和可移植性，支持多任务实时调度，扩展后可支持网络功能、图形界面等，使得应用程序的开发更加简单，功能更加丰富。在使用C/OS-之前，要先将它移植到S3C44B0X上，移植工作主要包括三个方面4：1设置与处理器和编译器相关的代码，包括一系列数据类型的定义，开中断宏、关中断宏的实现，定义堆栈的生长方向;2用C语言编写6个操纵系统相关的函数：OSTaskStkInit初始化任务的堆栈构造，和5个钩子函数OSTaskDelHook、OSTaskSwHook、OSTaskStatHook、OSTimeHook、OSTaskCreateHook;3用汇编语言编写4个与处理器相关的函数：运行优先级最高的停当任务函数OSStartHighRdy，任务级的任务切换函数OS_TASK_SW，中断级的任务切换函数OSIntCtxSw，时钟节拍效劳函数OSTickISR。3.1.2C/OS-上TCP/IP协议栈的实现LwIPLight-weightIP是瑞典计算机科学院SwedishInstituteofComputerScience的AdamDunkels等开发的一套开源的TCP/IP协议栈5，LwIP在保持TCP/IP协议主要功能的根底上减少对RAM的占用，这使得它合适在低端嵌入式系统中使用。LwIP协议栈在设计时已经把所有与硬件、操纵系统、编译器等移植相关的局部独立出来，放在/src/arch目录下。因此LwIP在C/OS-上的实现就是修改这个目录下的文件6。1与CPU、编译器相关的局部主要是cc.h、cpu.h、perf.h文件中有关数据长度、字的上下位顺序等的定义，这些应该与实现C/OS-时参数的定义保持一致。另外，一般情况下C语言的构造体struct是4字节对齐的，但是在处理数据包的时候，LwIP使用的是通过构造体中不同数据的长度来读取相应的数据，所以，一定要在定义struct的时候使用_packed关键字，让编译器放弃struct的字节对齐。2与操纵系统相关的局部LwIP中需要使用信号量通讯，所以在sys_arch.h、sys_arch.c中应实现信号量构造体sys_sem_t，和相关的信号量处理函数：包括创立一个信号量构造sys_sem_new，释放一个信号量构造sys_sem_free，发送信号量sys_sem_signal，恳求信号量sys_arch_sem_wait。LwIP使用消息队列来缓冲、传递数据报文，因此要在sys_arch.h、sys_arch.c中实现消息队列构造体sys_mbox_t，以及相应的操纵函数：包括创立一个消息队列sys_mbox_new，释放一个消息队列sys_mbox_free，向消息队列发送消息sys_mbox_post，从消息队列中获取消息sys_arch_mbox_fetch。LwIP中每个与外界网络连接的线程都有自己的timeout属性，即等待超时时间，移植工作需要实现sys_arch_timeouts函数，返回当前正处于运行态的线程所对应的timeout队列指针。LwIP中网络数据的处理需要线程来操纵，所以需要实现创立新线程函数sys_thread_new。而在C/OS-中，没有线程的概念，只有任务。因此必需要把创立新任务的函数OSTaskCreate封装一下，才可以实现sys_thread_new。3相关库函数的实现LwIP协议栈中用到了8个外部函数，主要是来完成16位数据的上下字节交换、32位数据的大小头对调、返回字符串长度、字符串比拟、内存数据块拷贝、指定长度的数据块清零等功能，与系统或者编译器有关，需要用户实现。4网络设备驱动程序在LwIP中可以有多个网络接口，每个网络接口都对应了一个netif构造，这个netif包含了相应网络接口的属性、收发函数。在网络设备驱动程序中主要就是实现四个网络接口函数：网卡初始化、网卡接收数据、网卡发送数据以及网卡中断处理函数。3.2PC机上客户端程序的设计VC+6.0环境下客户端程序实现包括以下几个局部：1建立客户端的Socket：客户端应用程序首先构造一个CAsyncSocket7对象CltSock，然后调用CltSock.Create函数来建立CltSock实体。2提出连接恳求：客户端套接字CltSock通过调用CltSock.ConnectstrAddr,nPort函数向效劳器套接字提出连接恳求。3传输数据：在客户端应用程序中重载消息处理函数OnReceive和OnSend。在OnReceive中通过调用CltSock.Receive函数从效劳器端接收数据;在OnSend中通过调用CltSock.Send函数向效劳器端发送数据。4关闭连接：客户端套接字CltSock通过调用CltSock.Close函数来关闭连接。4远程液位监控应用程序的开发本文设计完成的基于以太网的远程液位继电自整定PID控制系统，其控制算法在远端主机客户机上实现，两端通过TCP协议通讯，本地的嵌入式系统效劳器上一方面实现对网络数据的处理，一方面完成对液位高度的收集与控制;远端PC机上一方面处理网络上的实时数据，一方面通过PID计算出控制量，显示相关参数。实时液位变化状况如图2所示，从图中可以看出，实际液位红色曲线可以稳定在液位设定值蓝色曲线处。同时，从用户界面上既可以读出液位高度值，PID自整定参数等，还可以改变液位高度设定值，进而真正实现了液位对象的远程监控。align=center图2远程液位继电自整定PID控制效果图/align本文设计解决了在嵌入式系统中实现网络功能的问题，引入并实现了一种新的设计方案，即采用三星ARM7处理器S3C44B0X+Realtek的10M网卡RTL8019AS硬件组合，通过在C/OS-操纵系统内核的支持下，添加嵌入式TCP/IP协议栈LwIP，来实现网络通讯的功能，与PC机客户端的Socket通讯，在此根底上开发了基于以太网的远程液位监控系统，到达了良好的控制效果。可以看出，这类系统在远程监控中的具有良好的应用前景。本文作者创新点:本文将嵌入式网络技术引入到工业经过远程监控领域，提出了自己的设计方案，并成功开发了一个远程液位监控系统。1张念鲁，王红，李秉权，采用多单片机的液位监控仪，单片机与嵌入式系统应用，2005No.1：59-60.2李建平，基于以太网络的远程监控系统，郑州大学学报工学版，2002Vol.23No.3：81-83.3梁惺彦，和卫星，LabVIEW实现远程数据收集与传输，微计算机信息，2004Vol.20No.9：44-45.4JeanJ.Labrosse,邵贝贝等译.嵌入式实时操纵系统C/OS-.北京：北京航空航天大学出版社.2003.5AdamDunkels.DesignandImplementationoftheLwIPTCP/IPStack.SwedishInstituteofComputerScience.2001.6杨晔，实时操纵系统C/OS-下TCP/IP协议栈的实现，单片机与嵌入式系统应用，2003，No.7：80-83.7马亲民，熊文辉，利用MFCSocket类实现TCP/IP通讯，通讯技术，2002，No.1：37-39.