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随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域迅速扩大，覆盖了从企业的现场设备到控制、管理的各个层次，从工段车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。所以，如何更好的实现企业内现场控制、过程监控、经营管理、市场管理等各层次的汇通和数据共享，即实现“管理监控一体化”，是各个企业迫切需要解决的问题。工业控制网络和 Internet的无缝连接能够促进企业的网络化发展，顺应工业监控系统的发展潮流，具有强大的社会推动力和生命力。
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嵌入式系统与网络技术的结合是顺应着低成本、高性能、网络化的时代潮流，是嵌入式系统迅速发展的方向，开创着嵌入式技术的美好未来。嵌入式系统与网络技术结嵌入式网络设备服务器联网系统的研究与实现，就是开发基于TCP/IP协议栈的Internet互联的嵌入式系统，即嵌入式Internet设备。它可以实现远程监控、管理、诊断和维护现场设备，实现各种智能设备，例如家用电器、工业控制装置或仪器、安全监控系统、汽车电子等与Internet网络的互联。
如果在工业控制网络体系结构的纵向上，可以实现工业控制网络和Internet网络的无缝连接，那么整个工控网络就好像只有一种通信协议，可以满足控制系统各个层次的要求，实现生产、管理和控制一体化。如果在工业网络体系结构的横向上，可以使多种工业控制网络统一协议标准，那么企业生产底层具有各种总线类型接口的现场仪表和设备就可以通讯，实现设备无差别化。 嵌入式设备服务器组成结构 嵌入式网络设备服务器广泛应用于工业控制领域，实现对工业现场设备和仪器仪表的监控。针对各种工业现场的不同应用需求，嵌入式网络设备服务器在设计时按用途分为两大类，一类适用于对系统成本敏感，数据量少，对通讯指标要求低的场合，价格低廉、货源充足的8/16位嵌入式控制器是首选，即低端嵌入式服务器系统;另一类适用于数据量大，对通讯的实时性和可靠性要求高的场合，性价比高的16/32位的嵌入式微处理器是最佳选择，即中高端嵌入式服务器系统。因此，在设计前期需要考虑系统的应用环境，选择合适的方案最大程度的满足工业现场各方面的需求。 在嵌入式网络设备服务器联网系统的软件设计上，完成服务器和网络接口功能的是嵌入式HTTP协议、EGI接口函数、嵌入式TCP/IP协议栈、异构协议转换程序、网络芯片驱动程序、CAN协议驱动程序和RS485协议驱动程序。只要实现了低端嵌入式服务器接口的软件，在其基础上做适当的修改，就可以成功移植到中高端嵌入式服务器接口。 基于51单片机的嵌入式网络设备服务器应用于工业监控系统，连接现场总线和以太网，使得以太网中的管理层工作人员可以远程监控现场总线设备。考虑到单片机系统的资源局限性，基于51单片机的嵌入式系统就仅仅作为网络设备，完成网络设备服务器和网络接口功能，监控具有自诊断功能的智能型现场设备。智能型设备的自诊断功能能够处理设备运行中的突发问题，需要监控的信息主要是运行信息、报警信息和参数设置信息，传输数据量小，基于51单片机的嵌入式网络设备服务器能够满足其传输指标要求。考虑到现场总线协议的多样性，无法顾及，仅以CAN总线为例，设计嵌入式网络设备服务器系统的现场总线模块。 根据功能需要，本系统设计包括以下模块:嵌入式微控制器(Micro Control Unit简称MCU)的主控模块、工业现场总线CAN模块和RS485模块、与以太网连接的网络控制模块、系统调试用的串口RS232模块、键盘输入模块和LCD显示模块以及电源模块。整个系统的实现框架如图一所示。 图 一：嵌入式网络设备服务器系统的硬件结构图 嵌入式网络设备服务器系统需要实现网络功能，为了适应网络的传输速度以及有足够的时间解析数据包，仅仅依靠RTL8019AS内部的RAM是远远不够的，所以单片机外扩了一个32K的RAM存储器。外扩的存储器缓存以太网帧。嵌入式网络设备服务器不仅要实现与以太网、CAN、RS4851232的通讯，还要提供人机交互接口LCD和键盘。因此，微控制器W77E58B需要访问多个外部设备，又不能占用太多的引脚。译码器74HC 138为W77E58B访问外部设备提供方便，只需W77E58B通过三个引脚A15,A14和A13就可以分别片选外扩RAM存储器HM62256B,网络接口芯片RTL8019AS, CAN总线控制器SJA1000, LCD显示芯片的ACM12232-E1和ACM12232-E2。 X5325芯片为单片机系统提供复位信号、32K的存储空间和看门狗机制。X5325中的EEPROM是掉电不丢失信息的数据存储器，所以用户通过人机交互接口键盘输入的信息可以存储在X5325中。当系统再次上电，W77E58B会从X5325的EEPROM中读取用户的设置信息在LCD上显示。 因此，嵌入式网络设备服务器的最小系统由微控制器芯片W77E58B、静态RAM存储器芯片HM62256B、地址锁存器74HC373、译码器74HC138、晶振电路和复位芯片X5325组成。系统设计中，W77E58B的参考时钟由11.0592 MHz的晶体振荡器产生。工业现场总线CAN和RS485的接口部分需要使用光电隔离措施。使用光耦6N137组成的光电隔离电路，隔离CAN的收发控制模块PCA82C250和RS485的电平转换模块MAX485的电源。 完整的以太网接口除了以太网控制芯片外，还需要RJ45插座连接网络传输的物理介质双绞线。除此之外还需要隔离变压器进行信号隔离以及两个指示灯指示以太网的工作状态。一个指示灯指示以太网是否连通，另一个指示灯指示嵌入式系统是否接收或发送以太网帧。 |
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嵌入式UDP/IP协议栈的实现
UDP/IP协议栈是一个复杂的综合体，在实际运用中，并不需要实现其全部协议。根据系统需要对网络协议进行裁剪，设计并实现UDP/IP协议簇的一个子集，即嵌入式UDP/IP协议栈只实现ARP。 IP和UDP协议，如此便避免了单片机的系统速度和内存的瓶颈。这样，嵌入式UDP/IP协议具有向下兼容性和易移植性，不仅满足嵌入式微处理器的高质量通讯任务的基本需求，必要时可方便增加部分协议处理，又可以满足单片机的联网需要。嵌入式UDP/IP协议栈符合经济型嵌入式工业设备联网的设计要求。 系统采用以太网的接入方式，因此必须实现IEEE802.3标准，主要由RTL8019AS完成。为了保证系统能够在以太网内通信，还需要实现ARP协议。ARP协议的本质就是完成网络地址到物理地址的映射，从而保证网络的正确传输。整个ARP处理过程由ARP请求和ARP应答两个函数实现。根据ARP报头格式定义ARP报头结构体ARPHeader如下所示。其中，当Operation=1时表示ARP请求数据包;当Operation =2时表示ARP应答数据包。 实现协议栈的主要函数分发送部分和接收部分，发送函数有:①void fun_NetSendEther (void):封装以太网帧。将上层协议的数据包封装在以太网帧的数据部分，从EthernetHeader结构体中读取信息，填充以太网帧的帧头并发送以太网帧。②void fun_NetSendIP(void):封装IP数据包。将上层协议的数据包封装在IP数据包的数据部分，从IpHeader结构体、数组Deslp和数组NodeIp中读取信息，调用fun_NetCheckSum函数计算校验和，填充IP数据包的报头部分，判断上层协议是TCP协议(协议标识06)还是UDP(协议标识17)协议，并将不同的协议标识添加到IP数据包报头，发送IP数据包。③void fun_NetSendUDP(void):封装UDP数据包。将上层协议的数据包封装在UDP数据包的数据部分，从UdpHeader结构体、数组DesIp和数组Nodelp中读取信息，调用fun NetCheckSum函数计算校验和，填充UDP数据包的报头部分，并发送UDP数据包。 接收的函数主要有：①void fun_NetRecEther(void):该函数从接收的数据包中提取发送方的MAC地址，以便发送回复信息时，填充数据包的接收方MAC地址。查看网络层协议，判断是IP协议还是ARP协议，并针对各种协议调用相应的处理函数。②void fun_NetRecARPReq (void):将相应的信息存储在ARP结构体中，以便回复时填充ARP数据包的报头部分。分析ARP的请求数据包，若是发送给本IP的ARP请求，则将发送ARP应答数据包，告知本IP地址对应的MAC地址。③void funwe NetRecIP(void): IP协议的处理程序。首先检验校验和，若校验和正确，就将IP信息存储在IP结构体中，以便回复时填充IP数据包的报头，否则丢弃整个数据包。查看下层协议是UDP还是TCP协议，调用相应的函数处理程序。④void fun_etRecUDP (void):首先检验校验和，若校验和正确，就将UDP信息存储在UDP结构体中，以便回复时填充UDP数据包的报头，否则丢弃整个数据包。 图 二：数据收发流程 数据的整个收发流程如图二所示。嵌入式网络设备服务器系统接收到以太网数据帧，就调用嵌入式UDP/IP协议栈的接收函数接收，并按照协议栈的层次关系分析数据包。需要注意的是系统自动丢弃ARP应答数据包。 |
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4 现场总线技术实现
现场总线上连续传输的N个CAN协议帧。每帧10个字节，其中控制字段占2个字节，包括标准CAN协议帧的仲裁场和控制场，信息字段占8个字节，包括标准CAN协议帧的数据场。其中，信息字段由8个字节组成，发送CAN数据帧时，信息字段由单片机W77E58B通过写SJA1000的发送缓冲器的TXDATAO-TXDATA8设定。信息字段的数据信息内容也由通讯双方自定义。为适应实际应用的需要，数据信息分成了功能码和数据信息两个部分。功能码有两个作用，一是区分设备类型，另一个是区分信息类别。工业现场中有多种类型的设备都集成了CAN总线接口，都需要进行CAN总线通讯，所以在设计CAN协议帧时就需要提供可以区分不同设备的标识，利用一个字节(8bits)的3 bit可以区分8种不同的设备。设备在通讯过程中需要交互各种类型的信息，例如动态遥测数据，报警遥测数据和设置参数等，就必须有标识能够区分，使得通讯方分析CAN协议帧时知道是何种类型信息的数据，那么余下的5 bit就用于信息类别的区分。5bit能够区分32种信息类别。接收到CAN协议帧，W77E58B读SJA 1000的接收缓冲器的RDIDO, RDIDI和RDDATAO-RDDATA8，分析接收的数据信息。 工作人员在监控软件的查询或设置子菜单中填写从机的寄存器信息发送到嵌入式网络设备服务器联网系统上，嵌入式系统分析此信息，根据从机的寄存器信息表，填充Modbus请求数据帧，发送到对应的从机设备。当从机设备返回Modbus应答数据帧后，分析数据帧，提取寄存器的数据信息，将信息回复给工作人员。实际上，监控软件中工作人员发送的查询信息，例如A相电流，从机接收的是该信息所对应的内部寄存器地址。两者之间的对应转换，由嵌入式网络设备服务器联网系统根据从机设备的寄存器信息表完成。 5 创新点总结 本文的创新点是提出了嵌入式网络设备联网服务器实现方案，根据嵌入式网络设备的性能特点和实际工控领域的环境要求，提出了一种以单片机机为核心CPU的，适合嵌入式网络设备的联网服务器架构。实现了现场总线和以太网相结合的“管控一体化”。设计的嵌入式系统通过实验，测试和验证了系统的安全性、可靠性和实时性性能。 |
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