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1、2 6 工业仪表与自动化装置 2 0 0 8年第 6期 基 于 DS P的 网络 监控 系统 的设 计 郝晓弘，孙晓亮，张帆(兰州理工大学 电气工程与信息工程 学院，甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0)摘要：随着网络 的发展和应用，嵌入式系统在 网络方面的应用技术 日益广泛。在现场级的网络 中采用以太 网接 口，是工业的发展趋势。该文以 T M S 3 2 0 V C 5 4 0 2 D S P和 R T L S 0 1 9 A S为主要硬件，以 T C P I P为协议，分析 了嵌入式系统接入以太网的可能性，并阐述 了其硬件和软件设计。关键词：以太网；嵌入式 系统；D S P 中图分类号：T
2、 P 3 9 3 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 0 0 6 8 2(2 0 0 8)0 6 0 0 2 6 0 3 Th e d e s i g n o f a n e t wo r k mo ni t o r i n g-c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n DSP HAO Xi a o h o n g，S UN Xi a o l i a n g，ZHANG Fa n (C o l l e g e o fE l e cl n f o E n g u n d e r L a n z h o u U n i v e r s i ty o fT e
3、 c h n o l o g y，C a n s u L a n z h o u 7 3 0 0 5 0，C h i n a)Abs t r ac t：W i t h t h e r a p i d de v e l o pme n t a n d a p p l i c a t i o n o f n e t wo r k t e c h n o l o g y，a n e mb e d d e d s y s t e m h a s f 0 u n d w i d e u s e i n t h e i n t e r n e t I t i s t h e t r e n d o f i
4、 n d u s t r i a l d e v e l o p me n t t h a t t h e e t h e r n e t i n t e r f a c e s a r e u s e d i n i n d u s t r i a l n e t wo r k s Th i s p a p e r a n a l y s e s t h e f e a s i b i l i t y o f a n e mb e d d e d s y s t e m i n c o n n e c t i o n wi t h t h e e t h e r n e t t h a t
5、i s b a s e d o n t h e d e s i g n o f h a r d wa r e a n d s o f t wa r e a n d c o mp o s e d o f t h e TMS 3 2 0VC5 4 02 DS P，RTL S 01 9AS a n d t h e TCP I P p r o t o c o 1 Ke y wo r ds：e t he r ne t；e mb e d d e d s y s t e m；DS P 0 引言 现今，工业控制领域 的发展趋势体现在控制系 统的网络化和体系开放性上，为了对企业的各种信 息及时全面的了解，就要求
6、把过程控制网络、实时操 作网络和工厂信息 网络融为一体，构成统一 的网络 平台；同时要求控制系统采用开放性、标准化、流行 的硬件 操作系统 网络技术，有效地减少对专用产 品的依赖，降低运行和维护成本。现今流行 的 I n t e r n e t 远程控制系统是一种三级结构，即现场级、企业 级和 I n t e r n e t 级，现场级采用专用设备、专用 网络，开放程度不够，系统升级维护不便。该文提出的基于 D S P嵌入式网络监控系统，通 过研究具有 自主知识产权的 E t h e r n e t T C P I P和利 用先进的嵌入式技术实现现场设备与 I n t e r n e t 的直
7、 收稿 日期：2 0 0 8一 O 1 2 5 基金项目：甘肃省教育厅科研基金项 目资助(0 6 0 3 B一 0 2)作者简介：郝晓弘(1 9 6 0一)，男，教授，博士生导 师，中国人工智 能学会理事，中国人工智能学会分布式智能专业委员会委员，主要研 究方向是复杂 系统 的控制、网络控制、智能控 制理论 与应 用、现场总 线与工业 以太 网。接连接，将以太网作为控制器的一部分，变三级结构 为二级结构，实现管理层与现场设备的透明通信。1 系统总体结构 该文主要是研究嵌入式系统 网络接人的技术可 行性，通过系统设计 的这个设备将嵌入式 系统接入 以太 网，然后再通过 以太网接人到 因特网来完成
8、嵌 入式系统 I n t e r n e t 接人。通过对因特网接人技术 的 一个解决方案的试验性设计与实现，验证技术实现 的可行性，实现数据通过 以太网接 I=1 传输至 P c机，实现嵌入式系统网络互联的基本协议解析和数据收 发。系统的总体结构如图 1 所示。网络测控系统大致分为 5 个层次，由下向上分别为：硬件 层、设备驱 动层、操作 系统、网 络协议模块和用户代码。系统 的硬 件 电路，包 括 D S P系 统和 以太 网控 制 芯片 R T L 8 0 1 9 A S的接 V I 电路，是系 图 系统的总体结构统的物理基、。以太 网驱动程序本身虽为软件，但与硬件结合 一一一一一一一一
9、一 2 0 0 8年第 6期 工业仪表与 自动化装置 2 7 紧密，为操 作 系 统 提 供 了访 问 以太 网控 制 芯 片 R T L S 0 1 9 A S的系统调用。t z C O SI I 操作 系统处于系统内核，为用户代 码统一管理系统软硬件资源，提供用 户所需 的底层 服务。嵌入式 T C P I P协议栈软件为 C O SI I 操 作系统扩展了网络通信能力。用户代码处理特定的应用程序细节，可 以直接 使用 T C P I P协议模 块提供 的 A P I函数，开发基 于 以太 网的通信项 目。2 硬件设计 基于 D S P的嵌入式网络测控系统平 台硬件框 图如图 2所示。图
10、2 系统硬件结构框 图 该系统通过 A D卡等外部接 口获取设备状态 信息，然后对设备状态信息进行分析处理，建立设备 运行状态数据库记录，根据设备运行状态通过 网络 发给远方的监控终端，远方可根据设备情况对 现场 进行操作，同时通过 网络提供设备运行状态历史数 据查询、当前设备运行状态信息、系统文件管理等功 能。系统主要包括 T MS 3 2 0 V C 5 4 0 2硬件设计、数据 采集单元设计和 T MS 3 2 0 V C 5 4 0 2与以太网控制芯片 R T 0 1 9 A S的接 口电路设计。T MS 3 2 0 V C 5 4 0 2 D S P是 T I 公 司的第 五代定 点
11、 D S P芯片，性能价格比高，操作速度可以达到 1 0 0 M I P S，其 内部资源配置为用户构造系统提供了很大便 利。面对表贴技术造成的测试上的不便，J T A G接 口 提供了简单灵活的调试手段，用户可以通过 J T A G 接 口，将 在 P C机 上交 叉编 译生 成 的结 果下 载 到 D S P中，或者通过 J T A G接 口即时查看 D S P内部 寄 存器和 R A M的值，对程序的行为进行调试。以太网控制芯片 R T L 8 0 1 9 A S通过 I S A接 口与 T MS 3 2 0 V C 5 4 0 2相连，通过网络 隔离器后，接人 以太 网络中 2 1 数
12、据采集模块 数据采集模块接收模拟量和数字量等工业现场 标准信号，模拟信号经 A D转换，开关量信号经滤 波及光 电隔离等运算、处理后，送人 C P U单元，并经 过以太网络接 口利用 T C P I P协议传送给远方控制 端；同时接收远方传来的控制信息，实现工业现场设 备的远程管理与控制。数据采集单元可接收 8路模 拟量输人和 1 6路开关量输入。其 中 A D转换选用 了 M A X1 2 5。MA X1 2 5是 美国 MA X I M公 司生产 的 一种 8通道高速 l 4位模数转换器件，它采用了逐次 逼近转换技术，其 内部集成 了一个 8通道的多路开 关，一个具有 1 4位分 辨率 的
13、 A D转换器，4个同步 采样保持器，一个可编程序列发生器，两组 1 4路 的模数转换结果可 以补码的形式存放于 4个 l 4位 R A M 中。2 2 存储器的扩展 由于系统在计算分析过程 中，涉及到采样、谐波 计算等大数据量的运算及通讯数据 的存储；而且逻 辑处理单元需要对现场采集 的各种数据进行保存，因此系统需要高效且大容量 的存储器来保存数据。D S P扩展的数据存储器 C Y 7 C 1 0 2 1 V是一款高 性能 C MO S静态存储器，存储容量 6 4 K1 6，地址线 1 6根，数据线 1 6根。存储器 的读写操作 通过 C E、WE、O E置高低电平实现。器件的读写周期为
14、1 2 n s，可 以用来进行快速存储。D S P扩展 的程序存储器 A M2 9 F 1 0 0是 6 4 K，1 6 根数据线，l 6根地址线，5 0 V供 电的 F l a s h m e m o，它通过外部编程器将程序写人，程序执行时将程序 读如内存执行。它的存储时间可以达到 1 2 0 n s。2 3以太网控制器 系统选用带有即插即用功能的全双工以太 网控 制器 R T L S 0 1 9 A S，R T L S 0 1 9采用 1 0 0引脚，P Q F P封 装，性能优 良，价格低。它 支持 P n P 自动探，符合 E t h e r n e t I I 与1 E E E 8
15、0 2 3(1 0 B a s e 5、1 0 B a s e 2、1 0 B a s e T)标准，内嵌 1 6 K B S R A M，用于收发缓冲，减 低对主处理器的要求；支持 U T P、A U I、B N C、自动检 测，还支持对 1 0 B a s e T拓扑结构的 自动极性修正；有 全双工通信接口，可以通过交换机在双绞线上同时 发送和接收数据，使带宽从 1 0 MH z 增加到 2 0 MH z，是进行以太网通信的理想器件。由于 R T L S 0 1 9 A S 工作电压为 5 V，而数字信号 处理器 T MS 3 2 0 V C 5 4 0 2的工作 电压 为 3 3 V，所
16、 以 R T L S 0 1 9 A S的输出信号要经过电平转换。中断信 号也要经过 电平转换反 向送给 D S P。事实上，5 4 0 2 2 8 工业仪表与自动化装置 2 0 0 8年第 6期 的输出电平符合 R T L 8 0 1 9 A S的输入 电平范 围，可以 将它们 的地 址线 直接 相连。但 是 为方 便 D S P对 R T L 8 0 1 9 A S的逻辑控制，还是通过译码 电平变换 以 后将其连接。译码、电平变 换及 反 向功 能 由 X C 9 5 1 4 4 X L完 成。它是 X I L I N X公 司生 产的低 功耗 C P L D器件。另外，C P L D还实
17、现对 A D芯片 的控制和地址锁存 的任务。C P L D内部逻辑 电路 的设计，可用原理 图、v c r i l o g H D L语言和 V H D L语言等方法实现，文 中是 用 V H D L实现。3 软件设计 软件设计是整个嵌入式网络测控系统的重要部 分，主要完成 R T L 8 0 1 9 A S的驱动、Ix C O SI I 对应 用系统 的管理和嵌人式 T C P I P协议栈的实现。传统的程序设计基本是顺序结构，效率低下，嵌 入式 网络测控单元软件设计基于 C O SI I实时 操作系统，其主要特点为：源代码公开、代码结构清 晰、可移植性好；可裁剪、可固化；内核属于抢 占式，
18、最多可以管理 6 4个任务。程序采用多任务设计 的思路，有效提高了系统资源的利用率，按优先级由 高到低排列的主要任务有：(1)定时读取和处理数据采集模块的实时数据。(2)网络接 口管理，进行网络通信，完成远程数 据传输。(3)接收远程终端控制命令，创建 网络 通信子 任务，实现对现场设备 的远程管理和控制。T C P I P是一个分层的协议，每一层协议实现一 个明确的功能。为了有效利用资源，对原有复杂繁 多的 T C P I P协议实行了简化，选择实现了 A R P、I P、I C M P、U D P等大部分功能，通过划分模块，构造 网络 任务，使整个软件代码量较小，结构清晰，易于扩充 和移植
19、。3 1 网卡初始化 t x C O SI I 主要 负责管理 网卡初始化、创建系 统资源、创建任务等 3 部分工作。在系统资源的创 建上，使用 了信号量 R x S e m、T x S e m、A p p R x S e m、A p p T x S e m。当要发送或接收数据时，触发 R T L 8 0 1 9 A S 中断，C P U将从 中断 向量进 入 中断服务子程序，进 入事件处理。中断服务子程序根据 R T L 8 0 1 9 A S内 部 中断状态寄存器的值确定系统所处状态，通过信 号量切换系统任务，使相应任务进入就绪态。发送 数据帧的过程是通过检查 信号量 T x S e m而
20、进行 的 相应处理。在接收和发送数据之前要进行必要的检测和初 始化，对 网卡的初始化就是对相关寄存 器进行初始 化，建立网络接 口的收发的条件。网卡初始化流程 如图 3所示。初始化 R B C R、T P S R +设置 P S T A R T、P S T O P +写入 网卡地 址+清除中断标志 f 屏蔽中 断f 启动网卡芯片 3 2 数据发送过程 发送过程首先将待发送 的数 据 帧 封 装，通 过 远 程 D MA通 道 将 数 据 帧 写 入 R T L 8 0 1 9 A S的 发 送 缓 冲 区 中，然后启动 R T L 8 0 1 9 A S的 发送命令，将数据帧送到传 输线上。R
21、 T L S 0 1 9 A S处理 的 数据帧必须严格按照以太网 I E E E 8 0 2 3协议来进行。数 图3 网卡初始化流程图 据帧发送流程如图4所示。图 4 数据发送流程图 3 3数据接收过程 D S P响应 网卡的中断 申请后，进人中断服务程 序并开始接收数据。数据帧的接收过程分两步：由 R T L S 0 1 9 A S将网络上 的数据通过本地 D MA存储 到环形接收缓 冲区；通过远程 D M A读取缓 冲环 中的数据帧，将其读人内存。流程图如图 5所示。4 结论 传统的工业现场设备普遍具有数据传输量小、时滞大、企业管理网络不兼容等问题。随着 以太网 技术的飞速发展，以太网应
22、用于工业控制领域的障 碍已基本解除，不仅在控制 系统 的管理层 和控制层 等中上层网络通信 中得到 了广泛应用，并有直接向 下延伸应用于工业现场设备间通信的趋势，成为近 年来工业 自动化领域研究的热点。该文提出的面向(下转第 7 O页)7 0 工业仪表与自动化装置 2 0 0 8 年第 6期 可以在 S i mu l i n k环境下 使用 O P C模块读取其他应 用程序数据。在实现方法中，也存在 回调 函数编写困难 的 问题，文中采用方法实现模糊控制系统，具体过程 如下：在构建的模糊控制模型中分别添加 O P C模块 库中的“O P C C o n fi g u r a t i o n”，
23、“O P C R e a d”，“O P C Wri t e”三个模块，在 O P C C o n fi g u r a t i o n模块 中配置 i F I X O P C服务器：I n t e l l u t i o n O P C i F I X 1，连接成功，窗口中显示如下信息：“l o c a l h o s t I n t e l l u t io n O P C i-F I X1 T i m e o u t=1 0，C o n n e c t e d ”，然后 分别在两 个 O P C R e a d模块 中添加 S i m u l i n k读取的数据块：p H设定值(p H
24、 S e t)和 p H反馈值(p HR e a 1)，在 O P C Wri t e模块中添加输出数据块：控制量输出(C o n v e r t-F R)，将设置好的输 人输 出模块连入设计 的控制模 型，即可实现两者的 O P C通信。5 结论(1)从模块化的角度 出发，通过设计数据传输 模块，使 i F I X与 S i m u l i n k之间实现了真正意义上 的 无缝集成，通过更换 S i m u l i n k中控制部分的模块，可 实现其他各种复杂 的控制算法；通过在 S i mu l i n k中 设计故障诊断模块，也可以开发基于 i F I X的实时故 障诊断系统，通用性强，
25、具有广阔应用前景。(2)在 电厂 水汽 化 学过 程监 控 系 统 中，利 用 D D E和 O P C技术实现了 i F I X和 MA T L A B问的数据 交换，拓 宽 了 i F I X 的功 能，充分 发挥 了 i F I X 和 MA T L A B各 自的优势，开发周期短，难度低，是一种 高效的设计方法。参考文献：1 G E F a u n c I n t e l l u t i o n I n c i F I X 4 0 e b o o k z 2 0 0 3 2 张志涌 精通 M A T L A B 6 5 M 北京：北京航空航天 大学 出版社，2 0 0 3 3 郭红晓，
26、莫德举 O P C技术及其软件的开发 J 北京 化工大学学报，2 0 0 2，2 9(3)：7 1 7 8 4 T h e Ma t h Wo r k s l n c O P C T o o l b o x F o r U s e w i t h MA T L A B E B O L 2 0 0 6，2 0 6，2 3 0 (h t t p：w w w m a t h wo r k s c o m a c c e s s h e l p d e s k h e l p p d fd o c o p c o p c p d f 1)5 胡智文，陈连运，余增亮 利用 A c t i v e X技术
27、的 V B与 M A T L A B问的无缝集成 J 计算机工程，2 0 0 4，3 0 f 7)：6 46 5 6 苏金明，黄国明，刘 波 MA T L A B与外部程序接口 M 北京：电子工业出版社，2 0 0 4 7 曹顺安，侯力，宋晖 基于 B P神经网络的火电厂 水质调节系统的 S mi t hP I D自适应控制 J 工业仪 表与 自动化装置，2 0 0 4，(6)：1 4 2 5 8 崔红，庞中华，刘军 基于组态王 6 0和 M A T L A B 的实时监控系统 J 青岛科技大学学报，2 0 0 5，2 6 (2)：1 7 31 7 6 9 李安伏，崔亚量 基于 O P C的
28、Ma t l a b与组态王的数据 通信 J 电力 自动化设备，2 0 0 7，2 7(7)：1 1 31 1 5 1 0 张静 MA T L A B在控制系统中的应用 M 北京：电子工业 出版社，2 0 0 7 (上接第 2 8页)读取 CU R R和 B N RY 设置 R B C R、R S A R 设置 C R并启动远程 D MA 取得数据帧帧长和下一帧页地址 P A G 下一帧页地址 MA X P A Y 调取 B R NY指向下帧地址(坚 )图5 数据接收流程图 现场设备的网络监控系统，能很好的实现现场设备 的状态监测和远程控制、管理，代码可移植性高，试 验结果表明效果 良好。参考
29、文献：1 乔瑞萍，崔 涛，张芳娟 T MS 3 2 0 V C 5 x D S P原理与应用 M 西安：西安电子科技大学出版社，2 0 0 5 2 胡晓莉，吴 刚 R T L S 0 1 9 A S在嵌入式以太网系统中应 用 J 电子测量技术，2 0 0 5，(3)：8 1 8 2 3 R T L 8 0 1 9 A S D a t a s h e e t E B O L h t t p：w w w r e a h e k c o m t a i wa n 4 (美)J e a n J L a b r o s s e 嵌入式实时操作系统 Ix C O S一 M(第 2版)邵贝贝，译 北京：北京航空航天大 学出版社，2 0 0 3