一種工業(yè)遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)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(yè)自動化公司)

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一種工業(yè)遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)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(yè)自動化公司)

為了解決當今工業(yè)生產中實時監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)μC/OS-II和LwIP網絡協(xié)議棧，并開發(fā)了人機監(jiān)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(yè)數據通信，達到了遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)的各項要求。

F28M35x；實時監(jiān)控系統(tǒng)；ModbusTCP；LwIP

引 言

本文提出了一種基于嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II的采用ModbusTCP協(xié)議來實現遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)的方案，有效地解決了工業(yè)應用中設備與監(jiān)控系統(tǒng)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(yè)自動化公司的印刷套色設備的遠程監(jiān)控系統(tǒng)中。

1 系統(tǒng)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(tǒng)ARM Cortex-M3核和控制系統(tǒng)TMS320C28x核組成，實際應用中，Cortex-M3內核主要負責數據通信、協(xié)議轉換及操作系統(tǒng)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(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)在運行過程中，系統(tǒng)現場套色設備各通道數據采集通過CAN總線協(xié)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(xié)議棧進程，協(xié)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(jiān)控設備和工業(yè)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(jiān)控的目的。工業(yè)現場的控制板為TI公司研發(fā)的以F28M35x為主芯片的開發(fā)板套件Concerto開發(fā)板。本系統(tǒng)整體原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體原理圖

2 系統(tǒng)實現

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

2.1 CAN協(xié)議在F28M35x上的實現

圖2 F28M35x軟件設計結構

CAN(Controller Area Network)總線協(xié)議目前已廣泛應用于工業(yè)通信中，是一種自動化系統(tǒng)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(xié)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(zhí)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(tǒng)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(jié)點狀態(tài)。定時查詢報文在200 ms定時中斷服務程序完成，從節(jié)點會將自己的狀態(tài)數據返回主站，主站再通過Modbus/TCP協(xié)議將此狀態(tài)傳給遠程實時人機監(jiān)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(zhí)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(yōu)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(chuàng)建、刪除、優(yōu)先級翻轉、掛起等。為了實現系統(tǒng)的各項功能，需要對任務進行劃分。主要包括TCP/IP協(xié)議棧進程、CAN數據收發(fā)進程、以太網數據收發(fā)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(fā)出去，用于減少網絡阻塞。監(jiān)控系統(tǒng)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(fā)送。

2.3 基于LwIP開源網絡協(xié)議棧的網絡協(xié)議移植

這部分任務是本系統(tǒng)的核心部分，ModbusTCP協(xié)議是通過移植LwIP開源協(xié)議棧實現的。LwIP是由瑞士計算機科學院開發(fā)的一套開源TCP/IP協(xié)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(tǒng)的協(xié)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(fā)板的EMAC模塊為網絡報文幀的收發(fā)模塊，當有數據包發(fā)來的時候會觸發(fā)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(xié)議棧，協(xié)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(jié))IP首部(20字節(jié))TCP首部(20字節(jié))Modbus報文MBAP(7字節(jié))功能碼數據以太網尾部

數據報交由LwIP協(xié)議棧處理的流程圖如圖4所示。

圖4 LwIP協(xié)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(fā)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(xié)議類型、IP地址、端口號、序列號、連接狀態(tài)、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(xié)議定義的一個7字節(jié)的報頭，包括2字節(jié)標識符、2字節(jié)協(xié)議碼、2字節(jié)長度和1字節(jié)單元標識符，接下來是1字節(jié)的功能碼和Modbus數據，應用層部分再作出相應回應。

發(fā)送數據時，應用層要發(fā)送的數據先被掛到TCP層的發(fā)送隊列，執(zhí)行函數為tcp_enquene()。在符合窗口滑動協(xié)議和擁塞控制協(xié)議情況下，將數據進行TCP頭部封裝后發(fā)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(fā)送出去，若沒有找到則發(fā)送ARP請求獲取目的MAC地址后再發(fā)送數據。

移植過程需要將LwIP移植于μC/OS-II操作系統(tǒng)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(chuàng)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(chuàng)建新線程函數，并為其分配好優(yōu)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(yè)自動化公司設備，人機監(jiān)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(tài)IP網絡，將F28M35x板子接入該靜態(tài)IP網絡，靜態(tài)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(xié)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(tài)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(tǒng)開始正常工作。實驗中在系統(tǒng)運行后斷開通道4、6、7三個通道的總線，監(jiān)控系統(tǒng)顯示如圖5所示。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)顯示圖

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

結 語

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李昕澤(碩士研究生)，研究方向為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、以太網通信及其他工業(yè)通信；鄧中華(博士生導師)，研究方向為嵌入式系統(tǒng)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)