基于網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙建新

（哈爾濱華德學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150025）

1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)層結(jié)構(gòu)

自動(dòng)化設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為三個(gè)部分：遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)、嵌入式服務(wù)器、智能CAN節(jié)點(diǎn)。其中現(xiàn)場(chǎng)層主要是指智能CAN節(jié)點(diǎn)與嵌入式服務(wù)器。智能CAN節(jié)點(diǎn)的主要功能是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并完成監(jiān)控端所發(fā)的指令，從而能夠順利進(jìn)行有效的通信傳遞，并與嵌入式服務(wù)器完成實(shí)時(shí)信息交流；嵌入式服務(wù)器在能夠?qū)崿F(xiàn)CAN總線通信功能的基礎(chǔ)上，還建立了遠(yuǎn)程監(jiān)控端通信系統(tǒng)，做到網(wǎng)上實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)CAN與Internet 報(bào)文之間的轉(zhuǎn)換，即CAN協(xié)議與TCP 協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

2 智能CAN 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)場(chǎng)層中的智能CAN 節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)對(duì)自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，智能CAN節(jié)點(diǎn)需要以單片機(jī)為中心進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)備傳感器對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行信號(hào)采集，接著由單片機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，并運(yùn)用CAN總線嵌入式服務(wù)器來(lái)滿足通信功能。具體CAN節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 CAN 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

在進(jìn)行CAN節(jié)點(diǎn)的軟件編寫(xiě)環(huán)節(jié)時(shí)，需要采用匯編語(yǔ)言，并結(jié)合模塊化設(shè)計(jì)思維進(jìn)行處理，實(shí)際操作環(huán)節(jié)主要包含以下三種功能模塊：

2.1 節(jié)點(diǎn)初始化模塊。該模塊具體涉及節(jié)點(diǎn)控制器初始化及CAN控制器初始化兩個(gè)環(huán)節(jié)。自動(dòng)化設(shè)備在系統(tǒng)上電后，就能夠完成節(jié)點(diǎn)控制器的初始化，而且可以自主進(jìn)行工作狀態(tài)的設(shè)定及判斷。CAN控制器需要設(shè)備進(jìn)行上電復(fù)位后才能實(shí)現(xiàn)初始化環(huán)節(jié)，而且必須在復(fù)位狀態(tài)下才能進(jìn)行后續(xù)設(shè)置，CAN 控制器的初始化設(shè)置主要涉及模塊設(shè)置、時(shí)鐘輸出寄存器設(shè)置、接收碼寄存器（ACR）設(shè)置、接收屏蔽碼寄存器（AMR）設(shè)置、總線定時(shí)器設(shè)置和輸出控制寄存器的設(shè)置。CAN控制器初始化流程如圖3 所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集處理模塊。該模塊的功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，具體是對(duì)AD 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取及處理。數(shù)據(jù)采集處理環(huán)節(jié)會(huì)受到多種外界干擾因素，因此在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)選用了屏蔽線，使得信號(hào)線寄生電容耦合信號(hào)過(guò)程中所產(chǎn)生的交流干擾得到有效屏蔽，再加上采取串聯(lián)電阻、以及添加旁路電容等一系列方法，也能夠有效降低隨機(jī)信號(hào)的影響。還有在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)時(shí)需要注意模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇，一般需要選擇共模抑制較高的，能夠避免一些共模干擾。除去以上幾種抑制干擾的情況外，針對(duì)尖脈沖干擾、工頻干擾和其他隨機(jī)干擾，需要通過(guò)軟件濾波的方式進(jìn)行削弱。

圖3 CAN 控制器初始化流程圖

2.3 CAN通信模塊。（1）CAN用戶(hù)協(xié)議的制定。CAN通信模塊首先是進(jìn)行用戶(hù)協(xié)議制定，該環(huán)節(jié)的CAN 報(bào)文一般是選用11字節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)幀，其中表頭需要占用前3 個(gè)字節(jié)來(lái)表示，數(shù)據(jù)區(qū)則需要占用后8 個(gè)字節(jié)來(lái)表示。自動(dòng)化設(shè)備在進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控環(huán)節(jié)能夠接收四組表頭信息，每組表頭信息的標(biāo)識(shí)符占11 位，這四組表頭所含信息均不同，前三組主要負(fù)責(zé)對(duì)信息狀態(tài)進(jìn)行描述，第四組為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信息，其功能主要是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置，并實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)數(shù)據(jù)塊信息的傳輸。設(shè)備之間可以通過(guò)這些表頭信息自由進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而且可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)多和多對(duì)一的接收方式。如果其中某一設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，便可通過(guò)表頭數(shù)據(jù)傳輸主動(dòng)向嵌入式服務(wù)器提交信息，從而將信息裝換成實(shí)際故障情況轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)控平臺(tái)，并進(jìn)一步進(jìn)行報(bào)警及糾錯(cuò)處理。（2）CAN報(bào)文的發(fā)送。在制定完用戶(hù)協(xié)議后，需要進(jìn)行CAN報(bào)文發(fā)送，該環(huán)節(jié)需要通過(guò)用戶(hù)協(xié)議由控制器完成。首選需要選取發(fā)送內(nèi)容，命令節(jié)點(diǎn)控制器將設(shè)定好幀格式的內(nèi)容發(fā)送到緩沖器待命；其次需要判斷置位命令寄存器中發(fā)送請(qǐng)求的標(biāo)志位，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行狀態(tài)分析及命令判斷。一般情況CAN 報(bào)文的發(fā)送需要在程序中進(jìn)行定時(shí)設(shè)定，數(shù)據(jù)的發(fā)送頻率為1 次/10ms，數(shù)據(jù)需要在緩沖區(qū)待命。（3）CAN報(bào)文的接收。對(duì)于CAN報(bào)文的接收環(huán)節(jié)，需要運(yùn)用中斷方式，而且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的接收中斷及全局中斷，其中中斷接收是指數(shù)據(jù)暫時(shí)存儲(chǔ)在智能寄存器，通過(guò)CAN控制器來(lái)完成該操作，實(shí)現(xiàn)報(bào)文從總線到接收緩沖區(qū)的過(guò)度。報(bào)文正式接收需要進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的合格檢驗(yàn)，主要是運(yùn)用接收濾波器進(jìn)行檢測(cè)。如果需要承認(rèn)報(bào)文接收，則必須滿足標(biāo)識(shí)位與濾波器定義位值相等的情況，然后才能將報(bào)文存入緩沖區(qū)。CAN中斷程序在判斷中斷情況時(shí)，需要對(duì)中斷寄存器進(jìn)行讀取，接著進(jìn)行分類(lèi)，根據(jù)實(shí)際情況給出接收中斷、總線錯(cuò)誤中斷、數(shù)據(jù)超載中斷的結(jié)果。

3 嵌入式服務(wù)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 嵌入式服務(wù)器硬件設(shè)計(jì)。在對(duì)嵌入式服務(wù)器進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)，需要?jiǎng)澐痔幚砥?、存?chǔ)器及外圍設(shè)備。針對(duì)不用的用途及具體情況，需要合理設(shè)置硬件設(shè)施，并結(jié)合環(huán)境進(jìn)行后續(xù)的配置和調(diào)試工作。通常情況下嵌入式服務(wù)器需要滿足經(jīng)濟(jì)性及實(shí)用性，因此可以將核心板及擴(kuò)展板分開(kāi)設(shè)計(jì)，從而降低故障幾率，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖4 所示。

圖4 嵌入式服務(wù)器硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 嵌入式服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)的技術(shù)創(chuàng)新要求。（1）嵌入式操作系統(tǒng)移植。嵌入式服務(wù)器的系統(tǒng)移植必須滿足可裝卸方便，而且軟件所占空間較小的要求。系統(tǒng)移植需要實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，在各種設(shè)備控制中能夠自如應(yīng)用。設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需要注意接口的統(tǒng)一性，當(dāng)接入設(shè)備后安裝圖標(biāo)及內(nèi)部圖形界面清晰易懂，而且系統(tǒng)移植過(guò)程需要設(shè)計(jì)好各種設(shè)備的預(yù)留接口，系統(tǒng)安裝后需要能夠支持TCP/IP 協(xié)議及相關(guān)常見(jiàn)協(xié)議，并且需要提供TCP／UDP／IP／PPP 協(xié)議，支持及統(tǒng)一的MAC訪問(wèn)層接口。嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)還需要注意，移植后的管理及維護(hù)操作需要盡量簡(jiǎn)單，不需要用戶(hù)過(guò)多進(jìn)行干預(yù)，接口的設(shè)計(jì)不用向用戶(hù)提供操作命令，直接由系統(tǒng)指令從而更便捷地提供服務(wù)。在進(jìn)行嵌入系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還需注意系統(tǒng)及應(yīng)用軟件應(yīng)固化在計(jì)算機(jī)的ROM中，實(shí)現(xiàn)代碼固化處理。軟件系統(tǒng)應(yīng)適應(yīng)硬件系統(tǒng)，滿足移植性良好的要求，而且結(jié)合新的Linux2.6 內(nèi)核特性，需要針對(duì)性的進(jìn)行軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。（2）設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。自動(dòng)化設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)要求應(yīng)滿足驅(qū)動(dòng)底層硬件設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行需求，驅(qū)動(dòng)程序的讀寫(xiě)環(huán)節(jié)需結(jié)合實(shí)際環(huán)境及硬件需求，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)寄存器信息的提取，待加載驅(qū)動(dòng)后，指令設(shè)備各項(xiàng)硬件完成各自功能。一般驅(qū)動(dòng)程序采用的是Linux操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)下分為字符設(shè)備和塊設(shè)備。在對(duì)字符設(shè)備進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，因其屬于順序的數(shù)據(jù)流設(shè)備，因此讀寫(xiě)環(huán)節(jié)保證字符連續(xù)從而形成一個(gè)數(shù)據(jù)流。針對(duì)塊設(shè)備的讀寫(xiě)需要注意的是，由于其不是順序流模式，而是隨機(jī)的的存取數(shù)據(jù)，所以讀寫(xiě)環(huán)節(jié)是需要按塊的模式進(jìn)行，需要將待讀取數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)后進(jìn)行識(shí)別。驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行需要對(duì)硬件設(shè)備形式進(jìn)行區(qū)分，在訪問(wèn)硬件設(shè)備時(shí)如果出現(xiàn)的是字符流形式，則屬于字符設(shè)備。如果訪問(wèn)硬件時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)是無(wú)需的狀態(tài)，則為塊設(shè)備。經(jīng)常用的Linux 操作系統(tǒng)中涉及的驅(qū)動(dòng)設(shè)備主要有串口、JTAG、網(wǎng)絡(luò)等。（3）CAN/TCP 網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)。網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)是最后一步連接各項(xiàng)程序的樞紐，設(shè)備間數(shù)據(jù)的傳輸需要通過(guò)網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行，其中扮演溝通角色的是嵌入式服務(wù)器，負(fù)責(zé)接收工作的是異性協(xié)議網(wǎng)絡(luò)。CAN/TCP 網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)中主要涉及的是CAN總線網(wǎng)絡(luò)及Internet 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換，該轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)主要有兩種形式：第一種是實(shí)現(xiàn)CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換到TCP 協(xié)議，由于最終的轉(zhuǎn)換格式要求是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，因此需要嵌入式服務(wù)器將CAN 接收到的報(bào)文轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包格式。第二種是實(shí)現(xiàn)TCP 協(xié)議轉(zhuǎn)換到CAN協(xié)議，這個(gè)環(huán)節(jié)同樣需要嵌入式服務(wù)器處理TCP 發(fā)來(lái)的協(xié)議，并在遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的控制命令配合下將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺AN節(jié)點(diǎn)上。

這其中的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)必須滿足現(xiàn)階段新的技術(shù)要求，統(tǒng)一應(yīng)用C/S實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)，而這其中涉及到的嵌入式網(wǎng)關(guān)需要滿足多臺(tái)服務(wù)器端同時(shí)對(duì)接及控制請(qǐng)求。其次還需要設(shè)置權(quán)限驗(yàn)證，對(duì)需要對(duì)接的監(jiān)控端設(shè)置好登錄限制，用戶(hù)名及密碼正確才能登錄，連續(xù)錯(cuò)誤輸入一定次數(shù)則需限制登錄。嵌入式網(wǎng)關(guān)應(yīng)做到最高識(shí)別要求，必須比CAN總線基本ID高出6 位，才能和符合IP 要求的終端對(duì)接。并且網(wǎng)關(guān)程序的設(shè)計(jì)需要滿足多個(gè)環(huán)節(jié)的對(duì)接及數(shù)據(jù)傳輸要求，必須隨時(shí)對(duì)CAN 總線波特率、接收路徑及濾波器ID值進(jìn)行修改及完善，以滿足樞紐的中心職責(zé)。現(xiàn)階段針對(duì)自動(dòng)化設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要保證系統(tǒng)上電后，能夠自動(dòng)加載mcp2510.ko 模塊，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)程序的啟動(dòng)環(huán)節(jié)，由于設(shè)備的復(fù)雜性及實(shí)際遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的環(huán)境要求，需要網(wǎng)關(guān)程序同時(shí)滿足較多功能，因此最好使用多線程方式來(lái)完成程序的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，就是運(yùn)用多個(gè)連接對(duì)多個(gè)監(jiān)控設(shè)置相應(yīng)的線程，并將所有線程連接到主線程。例如要實(shí)現(xiàn)手機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，就應(yīng)滿足手機(jī)接入端口的要求。

4 結(jié)論

網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)層主要為智能CAN 節(jié)點(diǎn)與嵌入式服務(wù)器，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)重點(diǎn)分析實(shí)際監(jiān)控環(huán)境，根據(jù)環(huán)境需求設(shè)置相應(yīng)功能。硬件設(shè)備應(yīng)及時(shí)更新以便降低維護(hù)成本、提升運(yùn)行效率，軟件設(shè)計(jì)應(yīng)及時(shí)完善系統(tǒng)，以滿足其他對(duì)接設(shè)備的版本要求，從而提升監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用范圍。