基于雙冗余以太網通信的氣象實時觀測數據采集網絡傳輸系統的設計與實現

于慧彬 ，李小峰 ，齊 鵬

（1.山東省海洋環境監測技術重點實驗室，山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；2.中國科學院海洋研究所，山東 青島 266071；3.中國科學院海洋環流與波動重點實驗室，山東 青島 266071）

基于雙冗余以太網通信的氣象實時觀測數據采集網絡傳輸系統的設計與實現

于慧彬1，李小峰1，齊 鵬2,3

（1.山東省海洋環境監測技術重點實驗室，山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；2.中國科學院海洋研究所，山東 青島 266071；3.中國科學院海洋環流與波動重點實驗室，山東 青島 266071）

隨著以太網技術應用的日趨成熟，在海洋和大氣觀測領域，人們希望對傳統不具備網絡通訊能力的觀測儀器進行智能化和網絡節點化改造。設計和實現了一套氣象實時觀測數據采集與網絡傳輸系統。該系統采用基于ARM的嵌入式系統集成設計方案，實現了對外部傳感器實時觀測數據的采集和以太網通信。作為多級網絡系統中的一個網絡節點，該采集傳輸系統采用雙冗余以太網通信接口設計，使系統中的雙路以太網在一路局部故障或線路受損時可以自動冗余切換。這一設計特點大幅提高了作為網絡節點的數據采集傳輸系統在與外部其他設備通信時數據傳輸的可靠性。通過在以太網條件下，網絡閉環控制運行試驗等測試，證明所開發的氣象實時觀測數據采集網絡傳輸系統運行穩定可靠，雙冗余以太網接口切換正常，數據采集傳輸及時準確，可完全滿足實際應用的需要。

以太網通信；ARM嵌入式系統；冗余設計；數據采集系統；船用氣象儀

隨著以太網技術的飛速發展，工業控制領域正向以以太網為基礎的網絡化控制方向轉變。這種設計思想的轉變，避免了以往由于各種設備采用不同的總線形式，導致整個系統現場總線技術互不兼容的缺點。隨著以太網技術應用的日趨成熟，在海洋和大氣觀測領域，人們希望對傳統不具備網絡通訊能力的觀測儀器設備進行智能化和網絡節點化改造。本文設計的數據采集系統正是應用于船舶氣象儀這種船用氣象觀測設備。考慮到作為船用觀測設備，由于設備工作環境復雜多變，為保證系統與外界通信的可靠性，在設計通信接口時，采用了雙冗余以太網接口，即采集系統硬件設計有兩路獨立的以太網通訊電路，并通過軟件實現系統中的雙路以太網在一路局部故障或線路受損時可以自動冗余切換，提高了數據采集系統與外界其他設備進行通信時數據傳輸的可靠性。

1 系統的設計

為實現船舶氣象實時觀測與傳輸設計了本文的實時數據采集傳輸系統。其基本工作原理是通過該系統實時采集外部傳感器測量的氣溫、氣壓、濕度、風速和風向等氣象要素觀測數據，并將采集的各原始測量數據進行運算處理和匯總，通過以太網通信接口發送給網絡中的上級系統服務器。這樣，網絡中的其他設備就可以幾乎實時地得到這些氣象觀測數據，可用于業務部門進行天氣實況分析和數值天氣預報同化模式提供初始場。實時采集傳輸系統作為多級網絡系統中的一個網絡節點和數據源，與其他網絡設備共同組成一個如圖1所示的網絡運行系統。

圖1 實時采集與傳輸網絡系統示意圖

本文設計的實時采集與傳輸系統采用了基于ARM的嵌入式系統集成方案，實現了對系統外部各類傳感器數據的實時采集和以太網通信。由于該系統是建立在ARM嵌入式系統上,所以通過編制實際的設備驅動程序就可以實現對外部傳感器數據的實時讀取操作和對外部控制器進行相應的控制,同時，利用嵌入式系統的強大網絡功能,建立了基于TCP/IP協議的接口服務,方便遠程網絡終端通信。

本文設計的基于ARM的嵌入式數據采集處理總線系統其工作原理如圖2所示。可以看出，除以太網通信單元及電源模塊外，該數據采集處理模塊主要由ARM9_CPU核心單元和數據采集處理單元組成。這其中包括:電源電路，A/D轉換電路,并行I/O接口電路，Flash存儲器接口電路,SDRAM接口電路,以太網絡接口電路，光電隔離電路，串行通訊電路以及晶振電路與復位電路等。其核心是基于三星公司的32位ARM微處理器S3C2440。由于該課題的主要研發目標是對當前的船舶氣象儀實現數據的實時采集傳輸，使之成為網絡化的觀測節點，以及考慮到船舶氣象儀是經過長期實踐檢驗的成熟產品，各采樣電路均已經過理論驗證和長期實際應用的檢驗，技術成熟可靠，為此，這里的數據采集單元仍繼承之前數代產品積累的成熟技術，本文不再做過多的敘述。下面著重介紹雙冗余以太網通信的硬件設計及其軟件實現。

圖2 基于ARM的嵌入式數據采集處理總線系統原理圖

2 雙冗余以太網的硬件設計

圖3 以太網接口電路原理圖

在嵌入式系統中，為提高設備的可靠性和安全性，大多采用對硬件設備的冗余設計。S3C2440內部沒有內嵌的專用網卡控制器，在進行以太網口的冗余設計時，選用了DAVICOM公司的10/100 Mbps自適應以太網芯片DM9000，這款芯片是一款高綜合性、高性能、低成本的快速以太網控制器芯片，其性能包括：集成10/100 Mbps自適應收發器，支持8位、16位、32位數據總線寬度，寄存器操作簡單有效，兼容3.3 V和5.0 V輸入輸出電壓。該芯片所需的外圍電路非常簡單，并且DM9000的物理協議層接口完全支持使用10 Mbps下3類、4類、5類非屏蔽雙絞線和100 Mbps下5類非屏蔽雙絞線，這完全符合IEEE 802.3u的規格。它的自動協調功能將自動完成配置以最大限度地適合其線路帶寬。此外，該芯片還支持IEEE 802.3x全雙工流量控制，所以用戶可以容易地移植任何系統下的端口驅動程序，在后面對數據采集系統的硬件進行軟件編程時，這款芯片可以非常容易地完成針對嵌入式系統軟件驅動的開發。

以太網接口電路的原理如圖3所示。圖中僅給出了單路以太網接口的設計電路，實際設計時，采用了兩路同樣的設計電路，只是在片選信號/CS的連接上加以區分，分別連接到S3C2440的ETH_CS0和ETH_CS1（在本圖中省去了S3C2440芯片）。另外，將兩組DM9000以太網芯片的中斷引腳INT分別引出，連接至S3C2440的ETH_INT0和ETH_INT1。DM9000外接25 MHz晶振為芯片提供25 MHz的工作頻率。DM9000的SD0～SD15與芯片S3C2440的數據總線相連接。NRESET為DM9000以太網芯片的復位信號。在輸出端的設計上，考慮到信號隔離和電路保護，在DM9000與以太網接頭RJ45之間，設計時選用了網絡變壓器HS9016。該芯片可增強以太網信號，使信號的傳輸距離更遠；此外，它還能起到對信號（包括高頻噪音和干擾信號）濾波的作用。另外，考慮設備的初級與次級分屬不同的回路，該芯片還能起到使芯片端與外部隔離的作用，當連接到不同電平的網口時，不會對彼此設備造成影響。

3 雙冗余以太網的軟件實現

系統軟件主要由三部分組成:運行在ARM內核上的嵌入式操作系統內核；針對外部硬件的嵌入式設備驅動程序；考慮到需要該系統對輸入輸出的傳感器信號和數據進行一定的運算與處理,為此，還要在嵌入式系統中編寫相應的應用程序。

3.1 嵌入式系統內核

作為一款高性能的32位ARM微處理器,基于S3C2440的硬件系統無論是在運行速度還是在尋址能力方面,都足以支持嵌入式操作系統。在該系統中,選用代碼開發,性能優秀的嵌入式Linux作為操作系統。Linux豐富而強大的網絡支持功能在本系統中得到了充分的體現,極大地保證了數據采集系統通信的穩定性和實時性。

3.2 底層設備驅動程序

開放源代碼的嵌入式系統使得我們可以很方便地對其進行擴展,通過編寫適當的設備驅動程序,就可以對某個特定的硬件進行操作。從本質上講,驅動程序是常駐內存的低級硬件處理程序的共享庫,設備驅動程序就是對設備的抽象處理,也即是說,設備驅動程序是內核中具有高特權級的、常駐內存的、可共享的下層硬件處理程序。在眾多驅動中，包含一種稱為Bonding的驅動程序，它能為網卡提供冗余的軟件支持，它是數據采集系統雙冗余以太網的實現基礎。它可以把兩個網卡綁定到同一個IP地址，當一塊網卡發生物理性損壞時，另一塊網卡也能提供正常的服務。Bonding驅動提供一種方法，用以把多個網絡接口（network interface）組合成一個邏輯的"bonded"接口。Bonded接口的工作方式取決于驅動的模式：不同的模式提供了熱備份或負載均衡等不同的服務，在提供這些服務的同時，該驅動還會監控網絡鏈路的可用性。

另外，作為應用程序中需要調用的程序，Ifenslave也是實現雙冗余以太網設計的必須工具。該程序包是一款負載均衡工具，也包含在嵌入式系統的內核源碼中。Ifenslave共有（方式0～6）七種工作方式。考慮到數據采集模塊的具體應用需要，選擇工作方式1：主/備份策略模式。該模式下只有一個設備處于活動狀態。當處于活動狀態的設備出現中斷、掉線等情況時，另一個馬上由備份轉換為主設備。該模式下的mac地址是外部可見的，此模式為數據采集系統的以太網通信提供了容錯能力。

完成上述部分后,一個基本的包含網絡通信功能的嵌入式系統就完成了。若要該系統對輸入輸出信號能夠進行一定的實時智能處理,那么就還需要在嵌入式系統中編寫相關的應用程序,以調用設備驅動程序,完成信號邏輯關系的轉換,傳感器采樣數值的計算以及輸入輸出數據的處理。

4 系統測試與結果

4.1 測試環境

如圖4所示，測試環境由數據采集系統樣機（目標機）和PC臺式計算機（主機）以及10/100 Mbps自適應以太網交換機組成。主機和目標機分別通過網線與交換機相連。在測試開始前還要將主機和目標機兩者通過串口相連，首先通過串口由主機向目標機加載測試程序，同時在主機上運行以太網口調試程序。測試程序加載完畢之后就可以針對以太網接口來進行相關的測試工作。

圖4 雙冗余以太網測試環境示意圖

4.2 雙冗余以太網通信功能的測試

測試過程中，在目標機上分別運行自行編制的基于TCP協議的netsend()和netrecive()兩個測試用程序，其功能是實現最簡單的TCP服務器端程序和Client客戶端程序。上位機運行NetAssist以太網調試助手，由兩端組成基于TCP的Client-Sever系統進行網絡接口的連接測試、冗余切換測試和可靠性測試。測試項目、方法及測試結果見表1。

表1 測試項目、方法及結果

4.3 測試結果評價

通過對所開發的數據采集系統以太網傳輸功能的測試，證明該系統雙冗余以太網接口實現了所有先期設計的功能，并在數據傳輸的可靠性和數據傳輸的準確性上得到了驗證。試驗證明，該系統能夠滿足大批量數據的網絡實時傳輸工作。

5 結語

本文研發的帶雙冗余以太網通訊接口的船用氣象數據實時采集傳輸系統，由于采用了高集成度的ARM嵌入式處理器，并對通訊接口采用了冗余設計，使之具有系統小型化，低成本，低功耗，運行穩定，數據傳輸安全可靠等優點。通過系統測試和樣機在實際海上環境中的應用，證明其功能和工作可靠性完全滿足實際復雜海洋環境下實時觀測的需要。所開發的觀測數據實時采集傳輸網絡化系統適用于對傳統不具備網絡通訊能力的觀測儀器設備進行智能化網絡節點化改造，同時也適用于新型智能觀測儀器的開發，具有廣闊的應用前景。

[1]于明，范書瑞，曾祥燁.ARM9嵌入式系統設計與開發教程[M].北京：電子工業出版社，2006.

[2]柴毅，王玉堂，陳禾.基于以太網數據采集與控制模塊的設計與應用[J].計算機測量與控制，2004,12（12）：1188-1190.

[3]陳學泉，關宇東.嵌入式TCP/IP協議單片機技術在網絡通信中的應用[J].電子技術應用，2002,（8）：48-49.

[4]周立功，等.嵌入式設計及Linux驅動開發指南—基于ARM9處理器[M].北京：電子工業出版社，2005.

Design&Implementation of Acquisition and Transmission Network System for Meteorological Real-time Data Based on Dual-redundancy Ethernet Communication

YU Hui-bin1,LI Xiao-feng1,QI Peng2,3
(1.Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environment Monitoring Technology,Shandong Academy of Sciences Institute of Oceanographic Instrumentation,Qingdao Shandong 266001,China;2.Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Qingdao Shandong 266071,China;3.Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves(KLOCAW),Chinese Academy of Sciences,Qingdao Shandong 266071,China)

With Ethernet technology maturing,in the field of ocean and atmosphere observation,it is hoped that the traditional observation instruments without network communication ability could become intelligent and networking.A meteorological real-time data acquisition and transmission network system was designed and implemented based on the Ethernet communication technology,which adopts the embedded system single-chip solution based on ARM,collects the external sensors data and communicates in the Ethernet.As a network node in the multi-level system,this acquisition system adopts dual-redundancy Ethernet communication connector design and makes the twin channel Ethernet in the system redundancy switch automatically when one part breakdowns or the communication line fault happens.It increases the dependability of data transmission when communicates between the data acquisition system as network node and other external equipments.Under the condition of network,the closed-loop control experiment proved that the real-time data acquisition system could run steadily and dependably,the dual-redundancy Ethernet connectors could switch normally,data acquisition could communicate timely and accurately.The system could fulfill the needs of practical application completely.

Ethernet communication;ARM embedded system;redundancy design;data acquisition system;marine meteorological instrument

TP311.13

B

1003-2029（2012）01-0031-05

2011-08-20

海洋公益性行業科研專項經費項目子課題（201105002-2）；青島市公共領域科技支撐計劃項目（09-1-1-92-nsh）

于慧彬（1980-），男，碩士，主要從事海洋儀器軟件設計與開發工作。

齊鵬，博士，研究員。Email：pqi@qdio.ac.cn