基于以太網的遠程監控改造

摘要：針對選煤企業老設備的改造，采用ATmega128單片機和嵌入TCP/IP協議的芯片W5300，成功地解決了老設備的遠程監控問題。

關鍵詞：設備改造；單片機；ATmega128；TCP/IP 協議；W5300

中圖分類號：TP338文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2011)04-0924-02

Using Remote Monitoring Based on Embedded TCP/IP Protocol

SANG Shu-li

(Huaibei Mining Group Company， Huaibei 235000， China)

Abstract: Through transformation the old equipment for Coal Dressing， Using Micro-chip ATmega128 and Based on Embedded TCP/ IP Protocol chip W5300， Successfully solved the problem of Remote Monitoring for Old Equipment.

Key words: transformation equipment; Micro chip; ATmega128; TCP/IP protocol; W5300

當前，工業控制系統網絡化已已得到廣泛應用，隨著信息技術的發展，互聯網已經越來越深入人們的工作和生活中，工業控制系統網絡化是技術發展的必然趨勢。以太網作為一種比較成熟的網絡已經廣泛應用于各領域，其TCP/ IP協議已成為互聯網事實上的標準協議。本文就淮北選煤廠對老生產系統改造過程中的以太網連接問題以及解決思路做一探討，值得其他工業企業老設備改造借鑒。

盡管目前以現場總線為基礎的工業控制網絡得到了廣泛應用，但各種現場總線之間不能互相兼容，不能實現更大范圍的連接，具有難以解決的許多局限性，而如果能通過以太網來實現各種形式的在線監控則可以極大地增強其靈活性，而免受到兼容性及傳輸范圍等方面的限制，同時也符合《煤炭工業調度信息化總體規劃綱要》。

為此在參照現行新設備的控制方法和各種方案的比較下，我們采用較成熟的ATmega128高速單片機對生產線上的水泵實現全自動保護的同時， 并結合韓國Wiznet公司生產的以太網控制芯片W5300實現系統與以太網互聯，通過以太網對水泵系統進行遠程實時監控，從而為水泵的安全運行、自動保護、最佳供水、節水提供了一個新的、低成本的解決方案。

1 系統的硬件性能

對于單片機來說，由于內部資源有限，既要完成監控項目的數據采集處理任務，又要實現TCP/IP協議棧，難度較大，經綜合考慮后本系統決定選用市場較為常用的的成熟芯片Atmel公司的AVR單片機ATmega128作為控制核心。ATmega128為基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進的指令集以及單周期指令執行時間，ATmega128的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega128具有如下特點：128K字節的系統內可編程Flash、4K字節的EEPROM、4K字節的SRAM、53個通用I/O口線、32個通用工作寄存器、實時時鐘RTC、4個靈活的具有比較模式和PWM功能的定時器/計數器(T/C)、兩個USART、面向字節的兩線接口TWI、8通道10位ADC(具有可選的可編程增益)、具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器、SPI串行端口、I2C、與IEEE 1149.1規范兼容的JTAG測試接口，以及六種可以通過軟件選擇的省電模式，這種芯片具有較高的性能價格比，可以出色地完成通信任務。

與以往的51系列單片機比較，ATmega128單片機具有明顯的優點: 指令以時鐘周期為運行單位， 實行流水作業；功耗低；既可通過網絡開關以硬件的方式實現I/O端口的靈活配置，也可通過設置相應的寄存器控制交叉開關把I/O口配置為所選擇的特殊功能端口。

總之， ATmega128是一種集成度高、功能強大的單片機， 非常適合于要求速度快、可靠性高、擴展功能強和節電的應用系統。

W5300 是由韓國Wiznet公司開發的一種與NE2000 兼容的8/16位ISA 總線網卡芯片， 遵循IEEE802.3標準；100腳PQFP封裝，縮小了PCB尺寸；支持即插即用、跳線模式；全雙工，收發可同時達到10MPS；內置16kBSRAM用于收發緩沖，降低了對主處理器的速度要求；支持AUI、UTP、BNC多種傳輸介質的自動偵測，支持對10BASE拓撲結構的自動記憶修正；內置的遠程DMA接口、本地DMA接口、MAC(介質訪問控制)邏輯、數據編碼解碼邏輯和其他端口MAC(介質訪問控制)邏輯， 可以完成以下功能: 當單片機向以太網發送數據時，先將一楨數據通過遠程DMA通道送到網絡芯片W5300中的發送緩沖區，然后發出傳送命令；當W5300完成了上一幀的發送后，再開始當前幀的發送。W5300接收到的數據通過MAC比較、CRC檢驗后；由FIF0存到接收緩沖區；收滿一幀后；以中斷或寄存器標志的方式通知主處理器FIF0邏輯對收發數據作16字節的緩沖；以減少對本地DMA請求的頻率，從而可以節省軟件的開銷，提高系統的執行效率。

通過一個集成有TCP/IP協議和10/100M的以太網MAC和PHY的單芯片可以非常簡單和快捷地實現Internet連接。W5300與主機（MCU）采用總線接口，通過直接訪問方式或間接訪問方式，W5300可以很容易與主機連接，就像訪問SRAM存儲器。W5300的通信數據可以通過每個端口的TX/RX FIFO寄存器訪問，容易使用W5300實現Internet連接。W5300不需要主機的干預，內部處理所有的通信協議。W5300基于TOE（TCP/IP Offload引擎），通過減少主機處理TCP/IP協議時的負荷，可以極大地提升主機的性能。

2 網絡監控系統總成

2.1 硬件連接

水泵網絡監控系統的硬件結構組成如圖1所示。輸入的檢測信號有溫度信號(兩端軸承溫度傳感器、定子繞組溫度傳感器) 、水位信號(水源水位探頭) 、強電信號(漏電、缺相、過載) 、振動信號(振動傳感器)、液位信號(浮子開關)等，這些信號中既有開關信號，也有模擬信號，開關信號通過光電隔離電路輸入ATmega128，模擬信號(其中強電信號通過互感器后) 利用ATmega128的A/ D 轉換器轉換為數字信號后輸入ATmega128中。輸出的控制信號包括報警信號、啟動信號、停機信號等，它們通過各自的驅動電路(由繼電器、交流接觸器、熱繼電器等組成) 來控制強電裝置。

單片機ATmega128與網絡控制芯片W5300之間的接口原理圖如圖2所示。由于ATmega128是8位單片機， 因此，通過BITI6EN接地來設定W5300工作在8位模式。W5300共有10位地址總線ADDR0～ADDR9。為了減少連線、降低成本，ATmega128的數據總線ADDR0～ADDR2與W5300的數據總線ADDR0～ADDR2直接相連，ADDR3～ADDR9懸空，芯片的RD、WR是讀寫信號線。單片機通過W5300收發數據，實際上也就是控制W5300的32個端口寄存器完成收發功能，所以只用單片機的3條地址總線與W5300的地址總線相連即可。W5300芯片的可以直接接入RJ45 ，實現與以太網的物理連接，使得外圍元件大為減少。

2.2 軟件實現

限于篇幅，對現場監控部分程序不作描述，主要介紹遠程監控通信的實現方法。利用以太網對單片機應用系統進行遠程實時監控的實質就是在硬件接入的基礎上，動態或靜態的分配給單片機應用系統一個IP地址，通過在單片機應用系統內嵌入TCP/IP協議棧實現它與處于以太網上的遠程監控主機之間的通信。TCP/IP協議采用分層的結構，從上到下依次為應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層、物理層，每一層只對相鄰層提供服務。由于TCP/IP協議比較復雜，對存儲器、運算速度等的要求比較高，若想在單片機內部實現此協議將占用大量的系統資源，勢必影響系統的測控、數據處理等功能，故單片機應用系統接入以太網，需要將其原有的TCP/IP協議進行簡化。數據鏈路層部分由W5300的驅動程序提供一個與物理層的接口，完成數據收發和物理編碼轉換等功能。網絡層的主要協議有IP、ARP、ICMP等。其中IP協議是核心協議，它主要完成主機到主機之間的通信；傳輸層的主要協議有TCP、UDP，主要完成進程到進程的通信，具體負責將從底層來的數據交付給正確的進程，實現完整的數據傳輸。TCP是面向連接的、可靠的傳輸層協議，它采用一些復雜的機制來確保數據傳輸的正確性，如建立連接時的“三向握手”，通信終止時的“四向握手”。在流控制方面，TCP采用滑動窗口協議，在要發送數據的緩存上定義一個窗口，每次發送數據的多少由窗口決定，只有收到接收端發來的確認時才可以移動窗口繼續發送。由于工業控制中數據傳輸量少，本監控系統內存只有4K字節，因此可以將滑動窗口設置為一個固定值，每次數據接收最大1500字節，這樣可簡化流控制方面的一些不必要任務；另外由于水泵遠程監控系統需處理的任務不多，主要強調實時性，所以可將多任務并發機制改為單任務循環機制。最上層為應用層，主要完成用戶的應用程序，協議有HT2TP、TFTP等，本系統只需實現HTTP協議、UDP協議即可。

3 總結

利用單片機結合以太網控制芯片，通過對TCP/IP協議的簡化實現以太網和Internet與單片機的實時通訊，達到水泵監控系統的遠程化、網絡化、實時化、智能化，使得界面友好，可視性強，擺脫了監控系統現場對計算機環境要求的限制，也可以克服分布式集散控制系統本身的局限性，為老設備監控系統改造積累了經驗。

參考文獻：

[1] 鄭學堅，周斌.微型計算機原理及應用[M].3版.北京:清華出版社，2010.

[2] 選煤廠集控裝置選擇的技術規定[S].1990.

[3] W5300數據手冊[Z].