专利名称：基于以太网和pstn通信方式的嵌入式远程监控系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及了网络通信技术和嵌入式系统技术领域。确切地说，本发明涉及了在嵌入式系统技术下开发多种网络通信方式的研究。
背景技术：
类似于通用计算机系统，嵌入式系统也是由硬件和软件两大部分组成。硬件部分是整个系统的物理基础，由高性能的微处理器和外围接口电路组成，它提供软件运行的平台和通信接口；软件部分一般由嵌入式操作系统和其上运行的应用程序构成，控制系统的运行；软件和硬件之间由中间层(BSP层，板级支持包)连接。
目前，工控领域大多数嵌入式系统仍处在单独应用的阶段，为了实现多个嵌入式系统之间的信息共享和交流，可以利用CAN、RS-232和RS-485等总线组网。但是网络的有效半径较短，并且孤立于公众网络之外。
发明内容
本发明的目的之一是利用异步串行通信接口芯片TL16C554A扩展出两个串口，便于挂接监控终端的外部串行设备。
本发明的另一个目的是建立一个多种网络通信方式的嵌入式远程监控系统。该系统采用嵌入式设备作为远程测控终端，使用RS485总线实现实时数据的采集、处理、存储，利用现有的公众计算机网络Internet和公用电话网PSTN将嵌入式终端连接上网，形成基于网络的嵌入式远程监控系统。
为实现以上目的，本发明提供了扩展串口的电路原理图、应用软件模块设计、通信模块的设计，包括监控终端与西门子S7-200PLC通信子模块；监控终端与主控中心应用服务器通信子模块。
根据本发明的扩展串口电路原理图，实现了外部串行设备Modem的接入。
根据本发明的应用软件模块设计，为了提高系统的运行效率，利用uClinux对多线程机制的支持，将远程终端的软件系统分为四个并发的线程实现。分别为数据采集线程、数据存储线程、数据发送线程和故障报警线程。
根据本发明的远程终端与PLC之间的通信子模块，主要包括远程终端向PLC采集数据，PLC反馈数据的过程。本系统采用串口通信方式，通过RS-485电缆，遵循串行通信协议以及西门子公司制定的点对点接口(Point-to-Point简称PPI)协议实现远程终端与PLC之间的数据交换。
根据本发明的远程终端与应用程序服务器通信子模块，主要包括以太网方式通信模块和Modem拨号方式通信模块。利用现有的互联网以及公众电话网资源，以及嵌入式操作系统对TCP/IP协议的支持，实现基于网络通信方式的远程监控系统。摆脱了传统控制系统传输距离较短，覆盖半径有限等缺点的束缚。
图1A是扩展串口接口电路原理图。
图1B是远程终端软件初始化流程1C是数据字典录入界面图2A是数据采集流程2B是本地数据存储流程2C是嵌入式监控终端发送数据流程3A是实时数据发送监视窗口图3B是嵌入式远程终端发送告警信息流程3C是以太网通信方式远程终端与应用服务器通信建立流程4A是Modem拨号通信流程图。
图4B(a)是Modem通信实际运行-建立连接4B(b)是Modem通信实际运行-断开连接图
具体实施例方式
现在结合附图描述本发明的优选实施例。
本发明是一种应用于基于网络通信方式远程监控系统。
根据本发明的优选实施例，该系统包含监控终端的扩展串口设计、应用软件设计、监控终端与西门子S7-200PLC通信子模块设计、监控终端与主控中心应用服务器通信子模块设计。
本发明优选实施例中的监控终端串口扩展部分包括串口扩展芯片TL16C554A，译码器芯片74LV138，电平转换芯片MAX3243和MAX3485。为了节约S3C44B0X的I/O接口资源，在电路设计中使用74LV138芯片作为地址译码器，控制串行通道的片选信号CSA、CSB、CSC和CSD，根据需要选择某个具体的串口进行通信。另外，本系统的bank4(存储体4)是空闲的，所以CPU的nGCS4信号线与74LV138的OE2A信号线相连，把TL16C554A挂载在bank4地址空间上。IOR和IOW与S3C44B0的RD、WR相连；片内寄存器选择引脚A0～A2与处理器的A0～A2相连，由处理器来直接选择寄存器。
TL16C554A的复位信号RST为高电平有效，而S3C44B0X的复位信号nReset为低电平有效。因此，本系统中设计了一个简单的电压反向上拉电路连接在系统复位信号和TL16C554A的复位信号之间，实现整个系统的同步复位。
TL16C554A的数据线D0～D7与S3C44B0X的数据线直接相连。本系统中利用MAX3243和MAX3485芯片来实现电平转换。RS485的连接可采用双绞线，在提高了传输距离的情况下可屏蔽外部干扰，从而提高串口通信质量。
TL16C554A有两种工作方式查询方式和中断方式。在查询方式下，占用系统时间过多，降低了系统的性能。因此，在本系统中采用中断方式，把TL16C554A的INTA、INTB分别接到S3C44B0X的外部中断EXINT4～EXINT5。这样，扩展串口就可以独立地工作在中断方式下，保证了系统内部的高速通信。
根据本发明的优选实施例，应用软件设计包括软件初始化、实时数据采集、本地数据存储、实时和历史数据发送以及故障报警。
远程终端初始化过程的功能是为应用软件各个模块的有效运行设置入口参数如所监控机电设备的机组类型、机电设备的基本参数以及远程终端的通信方式。其流程如图1B所示。这些参数都存放在一个称为“数据字典”的文本文件中，当为一台机电设备安装远程测控终端时，数据字典跟着应用软件一同安装。不同机电设备的数据字典内容不同，但都遵循统一的格式，数据字典由工程人员根据具体情况填写，为了方便录入，系统设计了一个数据字典录入程序，其界面如图1C所示。
数据采集是整个软件的基础和关键，是应用软件的核心，也是整个机电设备远程监控系统的数据源，故将数据采集线程设计为应用软件的主线程，在初始化之后第一个调用。之后的本地记录存储、实时、历史数据发送以及故障报警线程的开发都有赖于本线程的实现。它根据初始化文件内容设置数据采集密度、根据机电设备的不同类型选择设置数据采集类型及数据存取格式。数据采集模块的软件流程如图2A所示。
从数据采集线程读取到的记录，如果没有接到主控中心的请求而存储到主控中心数据库中，就会被下一条记录覆盖，这一缺憾将导致受监控对象运行数据的长时间缺失。对于正常运行的机电设备而言，存储运行参数也许无用，但是一旦发生故障时，故障前后几天的数据对于机电设备的故障诊断和维修相当关键。因此，将机电设备运行数据作为记录存储起来显得十分必要。在远程终端系统中开辟了一块存储区域，将运行记录作为文件存储在本地，设定在测控终端存储最近4天的运行参数。这一功能的实现，将对机电设备的运行维护以及故障诊断提供详细的参考数据。增强了本远程监控系统朝向专家诊断系统完善的可扩展性。数据存储的流程如图2B所示。
基于网络的远程监控系统的主要任务是将位于远端的监测点的数据实时地发送至监控中心，并且能提供足够的记录数据作为日后设备的维护依据。本系统提供实时、历史数据发送功能来达到这一目的。本功能被设计为一个独立的线程，在主线程之后启动。由于通信条件的不同，实时、历史数据分为两种实现方式Modem和以太网。在进行数据传输时具体采用哪一种通信方式由工程人员选择设定，可以随时更换，具有很大的灵活性。发送实时、历史数据的基本发送流程均如图2C所示。数据发送过程如图3A所示。
故障报警功能的添加，提高了远程监控系统的实用性。当底层机电设备产生告警时，嵌入式远程终端会自动将告警数据发送给监控中心，其流程如图3B所示。远程终端发送告警信息是通过独立的线程完成的，嵌入式远程终端将根据应用软件初始化时设定的间隔定时启动告警信息检查线程，一旦检查到该信息为告警信息，立刻判断该机电设备是否已经同主控中心建立好了连接，如果没有建立连接，先建立连接，接着发送告警命令给主控中心，主控中心收到该命令后，接收告警信息，在主控中心弹出告警信息提示框。如果远程终端已经同主控中心建立好了连接，说明远程终端与主控中心应用服务器正在进行数据通信，这时需要判断远程终端发送的数据是历史信息还是实时信息。如果是历史信息，便等历史信息全部发送完毕后再发送告警命令和告警信息；如果发送的是实时信息，则在当前记录发送完毕，先发送告警命令给主控中心，接着发送告警信息。
根据本发明的优选实施例，监控终端开发与PLC之间的通信子模块软件，采用西门子公司制定的PPI协议作为嵌入式系统与S7-200CPU之间的通信协议，无需对PLC本身的程序进行修改，保证了工业控制系统的安全和稳定，并为向下兼容的远程监控系统提供了一种新的实现模式。
PPI协议是一种主-从通信协议通信的设备分为主站和从站。PLC默认为从站，嵌入式系统作为主站。以作为主站的嵌入式系统向作为从站的PLC发起一个请求为例。首先，主站以目的地址02H、源地址00H生成一个数据请求帧，对于读取请求，方式字FC为7CH。生成的数据请求帧为(以十六进制表示)68H 1BH 1BH 68H 2H 0H 6CH 32H 1H 0H 0H 6H 6H 0H EH 0H 0H 4H 1H 12HAH 10H 4H 0H 1H 0H 1H 84H 0H 4H 40H BAH 16H。主站发出这一请求并等待1秒钟之后读取串口，如果PLC正确响应，则会发送一个确认字节E5H，主站读取到这个字节后，知道可以进一步发送数据请求确认帧，则在规定时间间隔内发送数据请求确认帧到串口。确认帧内容为10H 02H 00H 5CH 5EH 16H。当PLC正确收到这个确认帧后，就读取数据请求帧中所指定的寄存器值，并按照PPI协议规定的发送数据帧格式打包，将数据通过串口发送出去。嵌入式主站接收到这个含有所需请求参数值的数据帧，就根据协议的规定，将数据解析出来，并存储在本地FLASH中，从而完成一次数据采集和存储的过程。
根据本发明的优选实施例远程终端与应用程序服务器通信模块包括以太网方式通信模块和Modem拨号方式通信模块。以太网通信模块应用程序实施过程如下由于在计算机中，数据存储有两种字节优先顺序高位字节优先和低位字节优先。在互联网上，数据是以高位字节优先顺序传输的，所以对于在内部以低位字节优先方式存储的数据，需要进行转换才能在互联网上传输。
*struct sockaddr用来保存socket信息struct sockaddr{unsigned short sa_family；/*地址族，AF_xxx*/char sa_data[14]；/*14字节的协议地址*/}*struct sockaddr_in；/*用来进行数据类型的转换*/struct sockaddr in{short int sin_family；/*地址族*/unsigned short int sin_port；/*端口号*/sruct in_addr sin_addr；/*IP地址*/unsigned char sin_zero[8]；/*填充0，以保持与struct sockaddr同样大小*/}；远程测控终端与监控中心通信主机之间的通信，本系统采用面向连接的客户机——服务器模型，其连接流程如图3C所示。
在服务器端当监控主机调用socket()函数，建立一个socket(套接字)，指定TCP及相关协议；之后将本地创建的socket地址(包括本地主机地址和本地端口号)与所创建地socket号绑定；主机在该端口号上进行监听；调用accept()接受远程测控终端发来的连接请求；通过read()函数接收远程测控终端发来的服务请求；通过write()函数响应远程测控终端的请求。
在客户机端当远程测控终端类似服务器端调用一个socket()函数，建立一个socket(套接字)，指定TCP及相关协议；通过connect()将本地端口号和地址信息传给监控中心主机，请求建立连接；之后通过read()和write()函数进行连接服务请求的发送与响应的接收。
Modem拨号方式通信模块设计实施过程根据Modem通信的规则和标准等基本理论，本系统中远程测控终端与主控中心应用服务器通过PSTN通信的流程设计如图4A所示(以主叫方为例，被叫方程序流程与此类似，只是拨号改为监听)。
考虑到本远程监控系统是不间断运转的，每次通信结束(或线路中断)后，要求Modem具有自主复位功能，因此在软件设计过程中，普通Modem挂机操作(ATH0)之后，由程序发送ATZ命令，人为控制Modem复位，恢复到初始加电状态待命。
打开用于Modem通信的串口，进行串口波特率、数据位、校验方式等设置，系统将用于通信的Modem初始化为可以自动接听状态，然后监听串口上是否有Modem的CONNECT响应，如果没有，则继续监听；如果监听到CONNECT响应，说明远程有Modem连接请求，并且已经建立连接，可以发送数据。
每发送一次数据，则检查是否有Modem响应返回，如果有响应返回，判断是不是“NO CARRIER”信号，如果返回信号为“NO CARRIER”，说明Modem通信断线或者是主控中心挂机，则停止发送数据，继续监听。系统实际运行中，Modem拨号连接过程如图4B(a)、4B(b)所示。
权利要求
1.监控终端硬件平台包括CPU部分，选取的S3C44B0X芯片是三星公司设计的一款高性价比和高性能的16/32位RISC微处理器，内含一个低功耗、高性能16/32位ARM7TDMI处理器内核(最高主频66MHz)，适用于对价格及功耗敏感的场合。外围电路部分，包括存储器系统、串行通信接口、以太网接口、时钟系统和其他电路系统。存储器系统包括SDRAM、NOR和NAND Flash存储器；串行通信接口包括S3C44B0X微处理器自带的两个串行接口和利用异步串行通信接口芯片TL16C554A扩展的两个串口；时钟系统包括系统主时钟和实时时钟；其他电路包括电源电路、复位电路和JTAG接口电路。
2.本系统中外部串行设备较多，需要同时连接Modem(调制解调器)、PLC(可编程逻辑控制器)等多个外围串行设备，权利要求1所述的S3C44B0X芯片的原有串口资源难以满足系统的需求，因此，利用TI(美国德州仪器)公司生产的异步通信芯片TL16C554A实现了串口的扩展，而自带的两个串口COM0和COM1用于连接宿主机和挂接监控系统的外部设备PLC。
3.根据权利要求2所述的异步串行通信接口芯片TL16C554A，其特征在于由四个增强型TL16C550B异步通信单元(ACE)加驱动逻辑组成。每个ACE都可以把从外围设备或者调制解调器接收到的数据进行串/并转换或者把CPU传输过来的数据字符进行并/串转换。监控终端使用该芯片扩展出两个串行通信接口，挂接监控系统的外部设备Modem。
4.监控系统应用软件部分，包括PLC中数据的实时采集、处理、存储部分；以太网方式通信模块软件部分；Modem拨号方式通信模块软件部分。在监控系统上实现了多种网络通信方式，其特征在于使用Modem拨号和以太网通信两种方式互为补充的模拟网(PSTN)和数字网相结合方案，可根据现场监控点的硬件条件和应用状况去选择数据传输的方式。
5.根据权利要求4所述的PLC中数据的实时采集、处理、存储部分的软件设计，包括软件初始化、实时数据采集、本地数据存储、实时和历史数据发送以及故障报警等功能。
6.根据权利要求4所述的以太网方式通信模块软件部分采用Linux下开发以太网应用程序的关键技术socket通信机制。远程测控终端与监控中心通信主机之间的通信采用的是面向连接的客户机——服务器模型。
7.根据权利要求4所述的Modem拨号方式通信模块软件部分实现了远程监控终端与主控中心应用服务器通过PSTN(公众电话网)通信。监控系统是不间断运转的，每次通信结束(或线路中断)后，要求Modem具有自主复位功能，因此在软件设计过程中，普通Modem挂机操作(ATH0)之后，由程序发送ATZ命令，人为控制Modem复位，恢复到初始加电状态待命。
全文摘要
一种基于以太网和PSTN两种通信方式和嵌入式技术的远程监控系统，包含监控终端硬件平台(基于ARM处理器)部分和嵌入式操作系统(uClinux)部分，监控系统的应用软件使用C语言并基于uClinux的多线程技术开发，通过RS－485总线实现对机电设备控制器PLC中运行数据的实时采集、处理、存储。以网络作为数据信息的传输载体，根据监控中心主机的命令将采集的数据实时传送给监控中心。根据监控当地的实际通信状况，设计了独立的通信模块，使测控终端可以灵活地选择经由以太网或者PSTN公众电话网方式与监控中心进行数据通信。根据本发明的技术方案，不但节省了远程监控网络的投资费用和维护成本，而且保证了数据和控制信息传输的灵活性、实时性、可靠性和适应性，还提高了系统网络功能的可扩展性以及可移植性。
文档编号H04M3/22GK1845084SQ20061008071
公开日2006年10月11日 申请日期2006年5月12日 优先权日2006年5月12日
发明者罗军, 万江文 申请人:罗军, 万江文