基于光纖的遠(yuǎn)程IO端口控制系統(tǒng)

王茹

（安徽師范大學(xué) 物理與電子信息工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

隨著單片機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集與控制設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。在很多工業(yè)測(cè)試系統(tǒng)中，單片機(jī)將采集到的信號(hào)送入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示或數(shù)據(jù)分析處理。然而有些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，工作人員不在現(xiàn)場(chǎng)，或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分布廣泛數(shù)據(jù)不易采集，這就需要計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)能夠在遠(yuǎn)端對(duì)設(shè)備I/O端口進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而及時(shí)地監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行有效控制。

所謂遠(yuǎn)程控制[1]是本地計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如Internet/Intranet，對(duì)遠(yuǎn)端進(jìn)行控制，完成對(duì)遠(yuǎn)端設(shè)備的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控。目前常用的遠(yuǎn)程控制一般支持下面的這些網(wǎng)絡(luò)方式：LAN、WAN、撥號(hào)方式及互聯(lián)網(wǎng)方式，現(xiàn)有的遠(yuǎn)程控制技術(shù)有藍(lán)牙遙控技術(shù)[2]、紅外遙控技術(shù)、專用無(wú)線電遙控技術(shù)、基于GSM的短消息控制技術(shù)[3]、基于有線網(wǎng)絡(luò)的控制技術(shù)、電話網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能[4]和基于GPRS的控制技術(shù)[5]等。但是藍(lán)牙、紅外控制技術(shù)存在傳輸距離近的缺點(diǎn)，專用無(wú)線電遙控技術(shù)存在開發(fā)成本高、傳輸距離受限制的問(wèn)題，基于有線網(wǎng)絡(luò)的控制技術(shù)存在覆蓋范圍有限的問(wèn)題，基于GPRS/GSM短消息的控制技術(shù)存在延遲時(shí)間長(zhǎng)、實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題。為了有效解決這一難題，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程，實(shí)時(shí)，經(jīng)濟(jì)的控制，本文介紹的基于光纖的遠(yuǎn)程I/O端口控制系統(tǒng)，不僅支持基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸方式，還增加了基于光纖的數(shù)據(jù)傳輸方式，解決了有線網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)存在覆蓋范圍有限而不能應(yīng)用于特殊應(yīng)用環(huán)境的問(wèn)題。以太網(wǎng)是最常見的網(wǎng)絡(luò)，而TCP/IP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)最常用的通信協(xié)議，將這兩種技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程I/O端口控制領(lǐng)域，將推動(dòng)著控制技術(shù)向著網(wǎng)絡(luò)化和開放性的方向發(fā)展，這種發(fā)展趨勢(shì)使I/O端口控制系統(tǒng)功能的擴(kuò)展更加靈活，性能提高，適用范圍更加廣泛，使用更加簡(jiǎn)便。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)模塊、主控模塊和IO端口模塊構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)模塊用以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)到光纖接口的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，以及以太網(wǎng)與光纖接口到IO端口的數(shù)據(jù)交互過(guò)程。主控模塊通過(guò)遠(yuǎn)端主機(jī)上相應(yīng)的配置軟件遠(yuǎn)程控制IO端口的端口數(shù)據(jù)采集及其輸出電平控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端主機(jī)與IO端口的數(shù)據(jù)采集和控制功能。IO端口控制模塊通過(guò)外接多種協(xié)轉(zhuǎn)電路以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，或外接相應(yīng)傳感器采集數(shù)據(jù)并向主控模塊傳輸。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路：以MCU單片機(jī)為主控模塊的核心，將IO端口模塊采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)光纖接口或以太網(wǎng)口通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端主機(jī)，主機(jī)用VB6.0實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理并作出相應(yīng)響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制IO端口并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

主控模塊包含一個(gè)主控芯片，本系統(tǒng)采用MCF5223X系列芯片為主控芯片，是32位微控制器系列中高端產(chǎn)品，具有32Kbytes內(nèi)部SRAM和256 kbytes flash存儲(chǔ)器，4個(gè)32-bit的DMA請(qǐng)求能力的定時(shí)器，4通道DMA控制器，快速以太網(wǎng)控制器，CAN模塊，I2CTM模塊，3個(gè) UART和一個(gè)隊(duì)列SPI，保證多功能遠(yuǎn)程IO端口控制系統(tǒng)功能的正常運(yùn)行。

主控模塊還包括電源轉(zhuǎn)換模塊、復(fù)位電路、LED指示電路、BDM模塊和看門狗電路。電源轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)將5V2A開關(guān)電源轉(zhuǎn)換成3.3 V，用于提供端口控制器正常運(yùn)行所需的電壓，也可使用恒定電源，最大可承受電壓達(dá)12 V。復(fù)位電路用于恢復(fù)電路至起始狀態(tài)。LED指示電路用于實(shí)現(xiàn)端口控制器功能及運(yùn)行情況指示。BDM模塊用于單片機(jī)的在線調(diào)試。看門狗電路用于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 網(wǎng)絡(luò)模塊

網(wǎng)絡(luò)模塊包括一個(gè)協(xié)轉(zhuǎn)芯片，從主控模塊接收數(shù)據(jù)并通過(guò)以太網(wǎng)或光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)端主機(jī)，用于以太網(wǎng)光纖協(xié)議交換功能的實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)中協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片采用常用的以太網(wǎng)光纖協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片IP113系列芯片。本系統(tǒng)采用ICPLUS公司出品的以太網(wǎng)至光纖收發(fā)器IP113芯片。IP113是二端口（包括TP端口和FX端口）10／100Mbps以太網(wǎng)集成交換器，由一個(gè)二端口交換控制器和兩個(gè)以太網(wǎng)快速收發(fā)器組成。每個(gè)收發(fā)器都遵守 IEEE802．3、IEEE802．3μ、IEEE802．3x 規(guī)則。 為幀緩沖保留了SSRAM，可以存儲(chǔ)1K字節(jié)的MAC地址，全數(shù)字自適應(yīng)調(diào)整和時(shí)序恢復(fù)，基線漂移校正，工作在10／100baseTX和100baseFX的全雙工／半雙工方式。使用2．5 V單電源，25 MHz單時(shí)鐘源，0．25μm工藝，128腳PQFP封裝。

2.3 IO端口模塊

IO端口可接多種協(xié)轉(zhuǎn)電路或相關(guān)傳感器，可接輸入/輸出電平控制電路、ESD電路和繼電器控制電路，實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換功能、抗靜電干擾功能、隔離電路功能和Ⅰ、Ⅲ型繼電器控制功能，各協(xié)轉(zhuǎn)電路既相互獨(dú)立，又可以通過(guò)接口連接組成新功能。

本系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用工作流程為:

本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)采用客戶機(jī)/服務(wù)器模式，遠(yuǎn)端主機(jī)作為監(jiān)控者為客戶機(jī)，被監(jiān)控的IO端口控制系統(tǒng)作為服務(wù)器端工作于服務(wù)器模式。客戶端通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器端發(fā)出獲取該端信息的請(qǐng)求，并實(shí)時(shí)顯示從服務(wù)器端發(fā)送回來(lái)的信息，或者向服務(wù)器端發(fā)送控制命令。服務(wù)器端響應(yīng)客戶端的請(qǐng)求并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送IO端口采集的信息至客戶端。服務(wù)器端程序被安放在主控模塊的主控芯片內(nèi)，客戶端程序安裝在遠(yuǎn)端主機(jī)上。服務(wù)器端先啟動(dòng)，客戶端在網(wǎng)絡(luò)上搜索服務(wù)器端，客戶端發(fā)指令獲得服務(wù)器端的連接指令，從而建立連接。服務(wù)器端實(shí)時(shí)監(jiān)聽和解析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，一旦捕捉到TCP/IP數(shù)據(jù)包后，查找當(dāng)前服務(wù)器端口號(hào)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)脚c之對(duì)應(yīng)的端口，保證數(shù)據(jù)高效的傳輸。同時(shí)，本系統(tǒng)中的IO端口模塊與外部設(shè)備相連，服務(wù)器端將從IO端口采集上來(lái)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行TCP/IP的打包處理，通過(guò)以太網(wǎng)口或光纖接口傳至遠(yuǎn)程主機(jī)即客戶端，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端主機(jī)遠(yuǎn)程控制IO端口。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括兩部分:一部分是使用相關(guān)配置軟件對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)配置，主要作用是響應(yīng)遠(yuǎn)端主機(jī)的命令、發(fā)送接收數(shù)據(jù)等。一部分是使用面向?qū)ο蟮目梢暬Z(yǔ)言編程軟件VB6.0對(duì)遠(yuǎn)端主機(jī)進(jìn)行程序編寫。

在這里我們使用多功能以太網(wǎng)雙串口服務(wù)器對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的配置。設(shè)定本系統(tǒng)的名稱、IP地址、端口號(hào)、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)地址，設(shè)置IO口的數(shù)據(jù)流方向（輸入/輸出），在此，我們可以對(duì)系統(tǒng)中的IO端口分別進(jìn)行數(shù)據(jù)流方向設(shè)置，可以選擇“輸入”和“輸出”，系統(tǒng)工作時(shí)，系統(tǒng)IO端口的狀態(tài)將以此為準(zhǔn)則，設(shè)置為“輸入”的端口只能采集輸入信號(hào)，設(shè)置為“輸出”的端口可以按照需要輸出高低電平。首先通過(guò)TCP連接到本系統(tǒng)即服務(wù)器端，設(shè)置本服務(wù)器IP地址為“192.168.159.201”，端口號(hào)為10000，使用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手調(diào)試及測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 調(diào)試結(jié)果Fig.2 Debugging results

對(duì)于遠(yuǎn)端主機(jī)軟件設(shè)計(jì)，我們使用可視化語(yǔ)言編程軟件VB6.0中的winsock控件，可以為兩個(gè)或多個(gè)Internet節(jié)點(diǎn)建立連接并交換數(shù)據(jù)。Winsock控件提供了訪問(wèn)TCP和UDP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的方便途徑。設(shè)置控件的屬性，通過(guò)用Winsock.Connect連接，在Winsock_DataArrival事件中處理服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)，就可以連接遠(yuǎn)端主機(jī)與本系統(tǒng)并雙向交換數(shù)據(jù)[9]。

通訊測(cè)試如圖3所示。

圖3 通訊測(cè)試Fig.3 Communication test

IP地址用于填寫本系統(tǒng)的IP地址，填入正確的IP地址后，按下“連接”按鈕，連接成功則提示“已連接”。

IO端口數(shù)據(jù)用于IO狀態(tài)的獲取和設(shè)置。點(diǎn)擊“獲取IO狀態(tài)”4個(gè)指示燈分別表示4個(gè)IO端口的狀態(tài)，燈亮表示高電平，反之表示低電平。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)將單片機(jī)接入以太網(wǎng)，通過(guò)光纖傳輸數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)端主機(jī)使用可視化語(yǔ)言編程軟件VB6.0實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制IO端口。基于光纖的數(shù)據(jù)傳輸速度快，具有頻帶寬、通信容量大、損耗低的優(yōu)點(diǎn)，且光纖是絕緣體的材料，不受自然界的雷電干擾、電離層的變化和太陽(yáng)黑子活動(dòng)的干擾。本系統(tǒng)通過(guò)增設(shè)電源控制電路使得本系統(tǒng)可適用于不同電壓，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理安全可靠的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)中的各個(gè)組成單元采用的元器件均選用了標(biāo)準(zhǔn)器件，減少了非標(biāo)準(zhǔn)器件的開發(fā)，使得本系統(tǒng)成本低廉，具有很廣泛的應(yīng)用前景。

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