abstract: with the rapid development, ethernet has been ready to be introduced into industry control field to save cost and simplify the system. in this process, embedded system takes an active part in because of its small volume and technique for ethernet. the watch and control system is based o­n embedded system, communicates with data nodes by serial port and is directly connected to internet o­n the other side. authorized users can watch and control this system by internet in any place. there is widespread usage of it in automation building, control system and other fields.

keywords: embedded system, control system, web server, serial port

一．引言

隨著以太網(wǎng)技術(shù)在internet上的成功，它也逐步進(jìn)入傳統(tǒng)的工業(yè)控制領(lǐng)域。在各種于工控的現(xiàn)場總線協(xié)議爭奪市場的同時，已經(jīng)有人預(yù)言以太網(wǎng)將是。在各大公司紛紛推出其以太網(wǎng)計(jì)劃后，這個進(jìn)程被大大加快了。

將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)底層網(wǎng)絡(luò)中有以下好處：

1．其高速，大容量的特性適應(yīng)不斷增長的信息要求。

2．可以做到與上層信息管理層或決策層的無縫連接。

3．設(shè)備和軟件成本大幅下降。

4．以太網(wǎng)技術(shù)相對普及，人才成本下降。

這里開發(fā)的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)就是充分利用以太網(wǎng)技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，搭建的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，可以應(yīng)用于工控現(xiàn)場，智能大廈等多種領(lǐng)域。該系統(tǒng)體積小，可以放入機(jī)頂盒，控制面板，智能儀表等設(shè)備中，從而實(shí)現(xiàn)internet無處不在。

二．嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng) (embedded system)被定義為：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適應(yīng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。今天，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)無處不在，從汽車、家用微波爐、pda、電視機(jī)，到工控生產(chǎn)現(xiàn)場、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費(fèi)類產(chǎn)品等方面，都能發(fā)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的蹤影。

在本系統(tǒng)中，我們選擇的是由美國lineo公司出品的嵌入式系統(tǒng)ucsimm。它基于motorola公司的dragonball-ez cpu，使用simm72插卡并支持μclinux操作系統(tǒng)。它包括mc68ez328 mpu、可啟動的flash memory、dram以及uart、spi、lcd、ethernet網(wǎng)卡等外圍設(shè)備接口。

其嵌入式操作系統(tǒng)μclinux就是微內(nèi)核的linux操作系統(tǒng)，是在linux 2.0版本的基礎(chǔ)上裁減掉存儲器管理單元（memory management unit, mmu）得到的。此外，為了將ucsimm設(shè)置成網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，又另外添加并調(diào)試通過了支持cgi（common gateway interface共用通道界面）的web server軟件boa。

它利用rs232串口線和以太網(wǎng)網(wǎng)線與pc機(jī)相連，組成可以交叉編譯的開發(fā)環(huán)境，支持c語言，而且可以對ucsimm內(nèi)核進(jìn)行擦寫，從而加入自己開發(fā)的應(yīng)用程序或升級后的新操作系統(tǒng)。網(wǎng)上還有與之相關(guān)的郵件組，世界各地的開發(fā)人員通過它來溝通信息，彼此幫助?？傊@一切使得開發(fā)人員可以專心應(yīng)用部分的系統(tǒng)開發(fā)，縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期。目前，國內(nèi)幾家公司（如華恒公司）也開始類似ucsimm產(chǎn)品的開發(fā)工作，并且也已經(jīng)有了相關(guān)產(chǎn)品。

三．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介

其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

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嵌入式系統(tǒng)ucsimm與下層數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)組成主從（master and slave）關(guān)系，由主站不斷依次發(fā)出查詢信息，對下層節(jié)點(diǎn)進(jìn)行輪詢，而數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)參考modbus協(xié)議。從站隨時監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)地址段與自己的地址相同時，繼續(xù)檢查下面的功能段，比如要是讀取信息，則把自己測量的數(shù)據(jù)打包返回，要是寫入信息，則把數(shù)據(jù)段的信息寫入相應(yīng)內(nèi)存。這就是該系統(tǒng)下層結(jié)構(gòu)流程。

而ucsimm與internet的互聯(lián)以及與用戶的交互功能，則由其嵌入式操作系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器web server來完成。ucsimm上配有以太網(wǎng)接口rj45，當(dāng)用網(wǎng)線把ucsimm與internet連接，配置好ip地址并運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器后，用戶在internet上任何一臺機(jī)器上就可以在瀏覽器中敲入ip地址，訪問存在ucsimm中的主頁了。

而用戶與服務(wù)器的交互是通過cgi程序來完成的。cgi（common gateway interface共用通道界面）簡單地講是個運(yùn)行在web服務(wù)器上的程序, 由瀏覽器的輸入觸發(fā)。這個腳本通常是客戶端與服務(wù)器中其他程序如數(shù)據(jù)庫的橋梁。用戶可以通過點(diǎn)擊頁面，監(jiān)視下層數(shù)據(jù)，如溫度，開關(guān)狀態(tài)等；或發(fā)送命令，如開關(guān)電燈等。

四．下層串行通訊協(xié)議及程序流程

為了系統(tǒng)的開放性，我們參照流行的modbus協(xié)議來定義串口通訊中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。modbus是美國modicon公司推出的可編程序控制器 (plc)之間進(jìn)行通訊的總線標(biāo)準(zhǔn)，目前國內(nèi)使用的大部分plc都遵從這一標(biāo)準(zhǔn)。該協(xié)議描述如何向其他設(shè)備發(fā)出請求，回應(yīng)請求，報錯等過程，并建立了一種通用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（見圖2）。它可以使設(shè)備識別傳遞給自己的信息，判斷信息類別，并解釋數(shù)據(jù)。如果請求需要回答，還會按照協(xié)議要求構(gòu)造回答信息。

起始位 地址 功能碼 數(shù)據(jù) crc校驗(yàn) 結(jié)束位
16bit 16bit n＊16bit 16bit

圖2 modbus數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

modbus對于數(shù)據(jù)的表達(dá)有兩種方式：ascii和二進(jìn)制。前者的起始位是3ah，結(jié)束位是0d、0ah，里面的數(shù)據(jù)也都用ascii碼表示。對于后者起始位和結(jié)束位是一段至少3.5個字符長度的間斷。本系統(tǒng)應(yīng)用ascii表達(dá)方式，主站地址為00h，從站地址由01h到0fh。功能碼表示主站對從站的各種操作，modbus有詳細(xì)的規(guī)定，這里借用其中幾個，見表1：

功能碼 操作方式
01 讀取從站的數(shù)據(jù)

06 向從站寫數(shù)據(jù)

表1：系統(tǒng)中用到的功能碼

crc為通信校驗(yàn)碼，用以提高通信的可靠性。它由所發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過較為復(fù)雜的計(jì)算而得到。當(dāng)接收到的crc與本機(jī)計(jì)算的crc一致時，方認(rèn)為接收數(shù)據(jù)正確，否則數(shù)據(jù)有誤，將拋棄該數(shù)據(jù)。

在通訊中由主站發(fā)出具有上述格式的幀，在地址段填上從站的地址，在功能碼段、數(shù)據(jù)區(qū)段及校驗(yàn)段填上相應(yīng)的內(nèi)容。從站將與本地地址一致的幀接受進(jìn)來，應(yīng)答幀的地址與功能碼不變，使主站能識別。在通訊過程中從站一直處于被動地位。若從站在接受過程中出錯，不發(fā)任何數(shù)據(jù)包，主站在規(guī)定時間內(nèi)沒有收到應(yīng)答則放棄。

舉例如下，如主站想看地址為11h的從站溫度測量值，可發(fā)信號如表2：

數(shù)據(jù)段名稱 數(shù)據(jù)值
地址 11
功能碼 01
讀取地址高位 00
讀取地址低位 00
讀取數(shù)據(jù)個數(shù)高位 00
讀取數(shù)據(jù)個數(shù)低位 01
校驗(yàn)碼crc ――

而從站的回復(fù)信息為：
數(shù)據(jù)段名稱 數(shù)據(jù)值
地址 11
功能碼 01
字節(jié)數(shù) 01
數(shù)據(jù)1 1d
校驗(yàn)碼crc ――

表2：主從站應(yīng)答數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

其主站程序流程圖如圖3：

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圖3 主站程序流程圖

五．網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器配置及主頁設(shè)計(jì)

前面提到在ucsimm中安裝了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器軟件boa。通過設(shè)置其配置文件，可以網(wǎng)頁和cgi程序所在路徑。這里cgi程序用c語言編寫，其實(shí)就是一些應(yīng)用程序，如控制顯示燈的亮滅，處理串口數(shù)據(jù)等，只是它能由遠(yuǎn)程瀏覽器通過點(diǎn)擊主頁而激活，從而實(shí)現(xiàn)瀏覽器和服務(wù)器的交互功能。流程如圖4：

圖4 客戶端與服務(wù)器通過cgi程序交互

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用戶在遠(yuǎn)程瀏覽器輸入ucsimm的ip值以后，需要登錄用戶名及密碼，當(dāng)?shù)玫椒?wù)器確認(rèn)后，進(jìn)入監(jiān)控界面。上面有對ucsimm上led燈的開關(guān)控制，和串口數(shù)據(jù)的顯示和下傳界面，如圖5。用主頁來顯示監(jiān)控界面，不僅利用了現(xiàn)有it技術(shù)，節(jié)省購買和開發(fā)監(jiān)控顯示軟件的費(fèi)用，而且使用戶不受地域的限制。后一點(diǎn)在智能大廈中十分有意義，比如住戶可以在工作單位查看家里的情況，下班前打開家中暖氣等。

六．總結(jié)

利用以太網(wǎng)和it技術(shù)對傳統(tǒng)控制領(lǐng)域進(jìn)行革新，是市場的需要。在這個過程中，嵌入式系統(tǒng)因其體積小，處理能力強(qiáng)，支持以太網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等功能，無疑要扮演重要角色。相信以太網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)的結(jié)合，將是后pc時代的新的市場技術(shù)增長點(diǎn)。