一種工業遠程實時監控系統的實現

李昕澤，鄧中華

(1.華中科技大學，武漢 430074； 2.武漢華茂工業自動化公司)

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一種工業遠程實時監控系統的實現

李昕澤1，鄧中華2

(1.華中科技大學，武漢 430074； 2.武漢華茂工業自動化公司)

為了解決當今工業生產中實時監控系統通信距離短和傳輸速率慢的問題，提出了一種基于CAN總線和ModbusTCP的遠程監控系統方案。該方案以異構雙核處理器F28M35x為硬件平臺核心，移植了嵌入式實時操作系統μC/OS-II和LwIP網絡協議棧，并開發了人機監控程序。實驗結果表明該方案有效地實現了遠距離、高速率的工業數據通信，達到了遠程實時監控系統的各項要求。

F28M35x；實時監控系統；ModbusTCP；LwIP

引 言

本文提出了一種基于嵌入式實時操作系統μC/OS-II的采用ModbusTCP協議來實現遠程實時監控系統的方案，有效地解決了工業應用中設備與監控系統通信速率慢、傳輸距離短的問題，并成功將其應用于武漢華茂工業自動化公司的印刷套色設備的遠程監控系統中。

1 系統結構

本文采用的主控制器為TI公司生產的異構雙核處理器F28M35x，該芯片雙核由主系統ARM Cortex-M3核和控制系統TMS320C28x核組成，實際應用中，Cortex-M3內核主要負責數據通信、協議轉換及操作系統的植入，TMS320C28x內核的浮點運算功能支持高效可靠的控制算法，雙核間通過片上IPC(Inter-Process Communication)模塊進行數據交互。本文中的監控設備采用HITECH公司生產的支持Ethernet通信的HMI設備PWS6800C。

本遠程實時監控系統在運行過程中，系統現場套色設備各通道數據采集通過CAN總線協議傳輸給主芯片F28M35x，CAN模塊將CAN郵箱里的數據取出來，分析計算后將核心參數交給協議棧進程，協議棧對該數據進行各層封裝后再通過EMAC模塊傳輸到以太網總線上，在監控設備和工業現場的控制板已經建立了通信的基礎上，遠程的HMI人機設備可以通過以太網實時獲取套色設備的數據，達到遠程監控的目的。工業現場的控制板為TI公司研發的以F28M35x為主芯片的開發板套件Concerto開發板。本系統整體原理圖如圖1所示。

圖1 系統整體原理圖

2 系統實現

系統的實現需要完成的主要任務有：嵌入式操作系統μC/OS-II在F28M35x上的移植、CAN協議在F28M35x上的實現、基于LwIP協議棧的ModbusTCP網絡協議在μC/OS-II上的實現及上位機HMI觸摸屏程序的開發。F28M35x軟件設計結構如圖2所示。

2.1 CAN協議在F28M35x上的實現

圖2 F28M35x軟件設計結構

CAN(Controller Area Network)總線協議目前已廣泛應用于工業通信中，是一種自動化系統常用的多主方式的串行通信總線。CAN的標準報文幀結構如圖3所示。

具體實現CAN協議的主要任務是CAN初始化函數和中斷處理函數。CAN初始化函數需要對各寄存器配置來完成模塊啟動、位定時、郵箱參數、波特率設置、運行模式選擇等任務，然后初始化函數打開內核級中斷和子中斷。中斷服務程序完成的任務有檢測中斷來源、執行相關的數據提取和回應等。

圖3 CAN的標準報文幀結構

本系統中，在CAN基本通信實現后，加入了定時查詢報文，旨在獲取套色各通道的節點狀態。定時查詢報文在200 ms定時中斷服務程序完成，從節點會將自己的狀態數據返回主站，主站再通過Modbus/TCP協議將此狀態傳給遠程實時人機監控設備。

2.2 μC/OS-II在F28M35x上的移植

μC/OS-II是一個完整的搶占式多任務內核，執行效率高，占用空間較小，實時性能和可擴展性較強。其源代碼完全公開，移植性很強，適合在各種微處理器上運行。μC/OS-II為每個任務賦予了不同的優先級，不支持時間輪轉調度法。μC/OS-II提供了任務管理的各種函數可供移植者調用，包括任務的創建、刪除、優先級翻轉、掛起等。為了實現系統的各項功能，需要對任務進行劃分。主要包括TCP/IP協議棧進程、CAN數據收發進程、以太網數據收發進程、I/O任務、時鐘信號等任務。

移植過程中，主要實現的內容是與處理器相關的文件編寫，包括C語言編寫的OS_CPU.H和OS_CPU_C.C，以及匯編語言編寫的OS_CPU_A.S。具體配置時，應注意配置參數TCP_NODELAY，該參數用于屏蔽NAGLE算法。NAGLE算法是將網絡上的小包組成大包發出去，用于減少網絡阻塞。監控系統中傳輸的數據包多為小包，為了提升實時性，即使小量的數據也應該及時發送。

2.3 基于LwIP開源網絡協議棧的網絡協議移植

這部分任務是本系統的核心部分，ModbusTCP協議是通過移植LwIP開源協議棧實現的。LwIP是由瑞士計算機科學院開發的一套開源TCP/IP協議棧，它只占用了幾十KB的RAM和40 KB的ROM，是專用于嵌入式系統的協議棧。LwIP主要實現的模塊有IP、ICMP、TCP、UDP和ARP，另外也包括IGMP、PPPoE和DNS等服務。

F28M35x開發板的EMAC模塊為網絡報文幀的收發模塊，當有數據包發來的時候會觸發以太網接收中斷，中斷子服務程序再通過μDMA(Micro Direct Memory Access)模塊將接收的數據通過接收線程傳給LwIP協議棧，協議棧再對接收的數據包進行分析、重組、掛起、丟棄等操作。其中μDMA模塊為直接內存訪問，數據直接傳輸而不需要CPU的參與，增強了數據傳輸的實時性和速率。EMAC模塊接收到的以太網數據包結構如下所示。

以太網首部(14字節)IP首部(20字節)TCP首部(20字節)Modbus報文MBAP(7字節)功能碼數據以太網尾部

數據報交由LwIP協議棧處理的流程圖如圖4所示。

圖4 LwIP協議棧流程

圖4中，netif結構為網卡參數結構體，結構體中的兩個指針函數netif->input()和netif->output()分別為數據的以太網層的數據收發函數。接收到的數據包依次經過IP層和TCP層解析，檢驗校驗和、協議類型、IP地址、端口號、序列號、連接狀態、確認序號等是否正確，如果是正確的報文幀，LwIP就把它交給應用層處理。這些數據是一個帶MBAP報頭的Modbus報文，MBAP報頭是Modbus/TCP協議定義的一個7字節的報頭，包括2字節標識符、2字節協議碼、2字節長度和1字節單元標識符，接下來是1字節的功能碼和Modbus數據，應用層部分再作出相應回應。

發送數據時，應用層要發送的數據先被掛到TCP層的發送隊列，執行函數為tcp_enquene()。在符合窗口滑動協議和擁塞控制協議情況下，將數據進行TCP頭部封裝后發送至IP層，IP層封裝了IP頭部后，再在arp緩存表尋找有沒有符合目的IP地址的MAC地址。若有則調用netif->output()函數將數據包發送出去，若沒有找到則發送ARP請求獲取目的MAC地址后再發送數據。

移植過程需要將LwIP移植于μC/OS-II操作系統上，LwIP中需要使用信號量進行通信，所以在sys_arch中應實現相應的信號量結構體struct sys_semt、處理函數sys_sem_new()、sys_sem_free()、sys_sem_signal()和sys_arch_sem_wait()。μC/OS-II已經實現了信號量OSEVENT的各種操作，只需要稍作修改直接調用就可以了。另外，LwIP通過消息隊列來緩沖、傳輸數據報文，因此需要實現相應的消息隊列結構和操作函數，在μC/OS-II中需要通過其內存管理模塊實現對消息的創建、使用、刪除和回收。μC/OS-II中沒有線程(thread)的概念，因此移植時還需要在μC/OS-II中創建新線程函數，并為其分配好優先級。

3 測 試

本次實驗套色盒子和儀器設備均為武漢華茂工業自動化公司設備，人機監控設備使用的是HITECH公司生產的支持網絡通信的HMI設備PWS6800C，該人機設備程序的編寫使用的是專用于人機程序編程的軟件ADP6.5。在該軟件的工程參數設定中，選擇通信方式為Ethernet通信，人機類型為網絡型，PLC種類為ModbusTCP/IP master。

本次實驗中人機設備接入路由器的網絡，該路由器IP地址為183.94.7.80，人機設備本機IP地址設為子網地址192.168.101.100。本公司有5M靜態IP網絡，將F28M35x板子接入該靜態IP網絡，靜態IP地址為113.57.163.146。程序中本地IP地址填為路由器子網IP：192.168.101.72，并在路由器設置界面的協議轉換選項中建立好映射192.168.101.72對應于端口號502。人機程序軟件設定中將目的IP地址和目的端口號填為之前設定的靜態IP113.57.163.146和502端口。8個套色盒子通過CAN總線連到F28M35x上，然后上電系統開始正常工作。實驗中在系統運行后斷開通道4、6、7三個通道的總線，監控系統顯示如圖5所示。

圖5 監控系統顯示圖

檢查各通道參數，與工業現場控制計算機所存儲的參數一樣。通過實驗表明，系統準確地完成了遠程實時監控任務，功能強大，可擴展性強，使得工業監控不再有地域的限制，工業設備調試未來也可通過遠程實現。

結 語

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[3] 王海，張娟，朱曉陽，等．TCP/IP協議族[M]. 北京：清華大學出版社，2011:300-319.

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[7] 景柏豪，沈孟良.CAN-Modbus/TCP協議轉換的設計與實現[J].計算機工程與設計，2013,5(34)：2-6.

李昕澤(碩士研究生)，研究方向為嵌入式系統開發、以太網通信及其他工業通信；鄧中華(博士生導師)，研究方向為嵌入式系統研究、自動控制原理、計算機網絡等。

An Industrial Implementation of Remote Real-time Monitoring System

Li Xinze1, Deng Zhonghua2

(1.Huazhong University of Science & Technology, Wuhan 430074，China; 2.Huamao Industrial Automation Company in Wuhan)

In order to solve the problems of short communication distance and low transmission rate in nowadays' industrial production, the paper proposes a remote real-time monitoring system based on CAN-Bus and ModbusTCP. In this program, the heterogeneous dual-core processor F28M35x works as the core of hardware platform, it transplantes embedded real-time operating system μC/OS-II and LwIP network protocol stack, and the HMI monitoring program is developed. The experimental results show that the programs effectively achieves long-distance, high-speed data communications of industry,and reaches requirements of remote real-time monitoring system and remote real-time monitoring system requirements.

F28M35x; real-time monitoring system; ModbusTCP；LwIP

TP368.1

A

迪娜

2013-07-29)