基于以太網(wǎng)的嵌入式電源監(jiān)控系統(tǒng)設計

王利霞

（河北建筑工程學院信息工程學院，河北張家口075000）

隨著網(wǎng)絡技術的不斷普及，遠程網(wǎng)絡控制在嵌入式應用業(yè)務中所占比例越來越大。一般來說，遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要包括兩個基本環(huán)節(jié)，一是現(xiàn)場控制系統(tǒng)，主要作用是采集現(xiàn)場設備的運行數(shù)據(jù)，執(zhí)行遠程監(jiān)控指令，保證現(xiàn)場設備的可靠運行；二是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)的遠程通信功能，成為連接遠程用戶與現(xiàn)場設備的樞紐，是遠程用戶與控制現(xiàn)場進行信息交互的中間橋梁。

電源遠程監(jiān)控系統(tǒng)，就是在現(xiàn)場控制系統(tǒng)的基礎上，利用各種通信技術，對分布的一個或多個電源，進行遙測、遙信、遙控，實時監(jiān)測其運行參數(shù)，監(jiān)測和處理故障，記錄和處理相關數(shù)據(jù)，從而達到提高設備的維護管理質(zhì)量、降低系統(tǒng)的維護成本、提高電源整體工作效率的目的。

由于電源是整個設備系統(tǒng)的運行保障，所以電源系統(tǒng)中各重要節(jié)點的電壓、電流、穩(wěn)定度以及絕緣程度都對整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行起著關鍵作用，這就對電源監(jiān)控系統(tǒng)的實時性、可靠性和智能化提出了更高的要求。本文以電源遠程監(jiān)控系統(tǒng)為研究背景，提出了將嵌入式微處理器和以太網(wǎng)技術應用到電源監(jiān)控系統(tǒng)中，從而達到提高電源遠程監(jiān)控的實時性、可靠性、智能化的基本要求。

1 工業(yè)控制網(wǎng)絡技術分析

工業(yè)控制網(wǎng)絡技術是在工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化環(huán)境下發(fā)展起來的，是計算機技術、控制技術和網(wǎng)絡技術綜合發(fā)展的結(jié)果。目前，工業(yè)控制網(wǎng)絡開始向數(shù)字化網(wǎng)絡的方向發(fā)展，形成了新的工業(yè)控制網(wǎng)絡。

工業(yè)控制系統(tǒng)的結(jié)構包括集散控制系統(tǒng)（DCS）、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）及工業(yè)以太網(wǎng)[1]。

傳統(tǒng)的電源監(jiān)控系統(tǒng)大多數(shù)都采用RS-422或RS-485通信接口，這種方式存在著傳輸距離短、通信速率低、支持節(jié)點數(shù)少、難以實現(xiàn)點對點自由通信及組網(wǎng)難度高等缺點。而集散控制系統(tǒng)很好地解決了以上問題，提高了控制系統(tǒng)的可靠性和可維護性，在今天的工業(yè)控制領域中仍然占據(jù)著重要的地位。但是DCS采用的是普通商業(yè)網(wǎng)絡的通信協(xié)議和網(wǎng)絡結(jié)構，不具備開放性，并且為了加強抗干擾和可靠性而采用冗余結(jié)構，也提高了控制系統(tǒng)的成本。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是在DCS的基礎上開發(fā)的一種新的控制方式。這種方式利用了適用于工業(yè)環(huán)境的網(wǎng)絡結(jié)構和網(wǎng)絡協(xié)議，從根本上解決了網(wǎng)絡控制系統(tǒng)自身的可靠性問題，利用現(xiàn)場的智能儀表就能完成數(shù)據(jù)采集、處理、控制運算和數(shù)據(jù)輸出等功能，將控制權徹底轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場，從而保證了數(shù)據(jù)處理的及時性和可靠性。但是現(xiàn)場總線結(jié)構缺乏統(tǒng)一的國際標準，造成不同現(xiàn)場總線的互聯(lián)非常困難，這就使得現(xiàn)場總線技術較難適應系統(tǒng)開放性、分散性和互操作性等要求。

隨著以太網(wǎng)技術在工業(yè)控制領域的實現(xiàn)，以太網(wǎng)進行現(xiàn)場通信的實時性、穩(wěn)定性、可靠性、安全性正在逐步改善和解決。而嵌入式技術的發(fā)展進一步推動了以太網(wǎng)技術在工業(yè)控制領域中的應用[2]。

隨著以太網(wǎng)速度及交換技術、全雙工工作方式等技術的融入，工業(yè)以太網(wǎng)被正式提出。工業(yè)以太網(wǎng)就是在以太網(wǎng)技術和TCP/IP技術的基礎上開發(fā)出來的一種工業(yè)網(wǎng)絡。目前，工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)應用中已經(jīng)成為技術熱點，有可能在不久的將來成為工業(yè)控制網(wǎng)絡結(jié)構的主要形式，形成一網(wǎng)到底的網(wǎng)絡結(jié)構。

2 基于工業(yè)以太網(wǎng)的電源監(jiān)控系統(tǒng)整體設計

本電源監(jiān)控系統(tǒng)以底層數(shù)據(jù)采集設備為源頭，以工業(yè)以太網(wǎng)為主體，以嵌入式系統(tǒng)為核心，實現(xiàn)對電源系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。

整個系統(tǒng)分為三個層次。第一層次為底層數(shù)據(jù)采集中心，這一部分通過各種電壓、電流、溫度、濕度等傳感器將現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行收集，傳感器作為智能終端，內(nèi)置嵌入式系統(tǒng)及以太網(wǎng)卡，因此具有一定的數(shù)據(jù)處理及運算功能。網(wǎng)絡拓撲結(jié)構依據(jù)設備的特性可采用星形或網(wǎng)狀結(jié)構來完成。第二層次為數(shù)據(jù)融合層，這一層的數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸至數(shù)據(jù)運算和處理中心，進行數(shù)據(jù)的進一步處理。這一層設置有現(xiàn)場PC機，可以在處理數(shù)據(jù)的基礎上，對現(xiàn)場狀況進行初步分析，做出應急決策。第三層為向上的通信層，利用PC機將工業(yè)以太網(wǎng)與公網(wǎng)相連，將數(shù)據(jù)傳送至遠程控制中心。公網(wǎng)可以是Internet網(wǎng)絡，也可以是移動通信的GPRS或3G網(wǎng)絡。遠程控制中心設置遠程控制數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫中存儲與設備運行狀態(tài)相關的參數(shù)及相應的遠程控制命令，以便于實現(xiàn)設備的遠程控制。

基于本系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理精度及實時性要求的考慮，數(shù)據(jù)融合層的嵌入式芯片采用32位的ARM系統(tǒng)處理器LPC2214，硬件整體結(jié)構如圖1所示，主要包括處理器LPC2214、網(wǎng)卡芯片RTL8019AS、電源、系統(tǒng)JTAG調(diào)試接口等幾部分電路。其中處理器LPC2214采用μCLinux嵌入式操作系統(tǒng)。RTL8019AS以太網(wǎng)控制芯片為系統(tǒng)提供以太網(wǎng)接入的物理信道。通過該接口，可以將系統(tǒng)以10Mb/s的速率接入以太網(wǎng)。RTL8019AS芯片與主處理器的集成方式如圖2所示。網(wǎng)卡與主處理器之間的通信主要通過總線SEP3203和一些控制信號來完成。而系統(tǒng)中各智能終端上的以太網(wǎng)控制器也選用RTL8019AS芯片，通過EM I的CSD片連接網(wǎng)卡控制器片選引腳，從而完成數(shù)據(jù)的采集和處理功能。JTAG接口完成對芯片內(nèi)部的所有部件進行訪問，并通過該接口對系統(tǒng)進行調(diào)試和編程。檢測信號及數(shù)據(jù)是電源監(jiān)控系統(tǒng)的輸入部分，完成對采樣數(shù)據(jù)進行分析、運算并將其通過以太網(wǎng)傳送至中央監(jiān)控中心的功能。E2PROM與控制器采用SPI通信，主要是故障代碼及門限參數(shù)的存儲中心。

傳統(tǒng)的以太網(wǎng)都是采用TCP/IP協(xié)議作為傳輸協(xié)議。為了增加本系統(tǒng)通信的實時性和精確性，本系統(tǒng)選用Lw IP作為TCP/IP協(xié)議棧，在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎上減少了對RAM的占用，從而形成了更為有效的以太網(wǎng)芯片RTL8019AS的收發(fā)數(shù)據(jù)驅(qū)動功能。

圖1 硬件整體結(jié)構

圖2 網(wǎng)卡模塊接口

3 總結(jié)

隨著計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展，Internet正在把全世界的計算機系統(tǒng)、通信系統(tǒng)逐漸集成起來，形成信息高速公路，形成公用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，工業(yè)控制網(wǎng)絡技術正是在這種環(huán)境下發(fā)展起來的。

本文選用LPC2214及RTL8019AS以太網(wǎng)控制芯片來構建工業(yè)以太網(wǎng)，并選用μCLinux嵌入式操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺，并增加了LWIP作為TCP/IP協(xié)議棧，實現(xiàn)了電源的以太網(wǎng)遠程監(jiān)控功能。與現(xiàn)場總線形式相比，具有速度快、開放性好、運行可靠安全的基本特性。

[1] 吳鏑.基于以太網(wǎng)的嵌入式電源監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].長春：長春理工大學，2008.

[2] 屈軍鎖.物聯(lián)網(wǎng)通信技術[M].北京：中國鐵道出版社，2011：25-27.