嵌入式网络化多元输入输出系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种嵌入式网络化多元输入输出系统，包括嵌入式控制装置、与嵌入式控制装置通过网络连接通讯的IP摄像头、用于进行现场信号的采集、转换的现场设备；所述IP摄像头将图像视频信息传输给嵌入式控制装置；所述嵌入式控制装置接收IP摄像头和现场设备的数据，设置有网络模块、RFID模块和输入输出模块(I/O)，所述输入输出模块(I/O)，通过串口总线与嵌入式控制装置连接，用于对现场设备实施控制，使现场设备完成现场信号的采集、转换；所述网络模块与IP摄像头通讯控制传输图像视频信息。该系统不依赖PC机、费用低、易推广、使用灵活、易于维护、外围资源丰富，采用占先式实时操作系统。
【专利说明】嵌入式网络化多元输入输出系统
【技术领域】
[0001]本发明属于物联网【技术领域】，具体涉及一种嵌入式网络化多元输入输出系统。
【背景技术】
[0002]随着Internet应用及物联网应用的日益普及，信息共享的程度不断提高。传统的Internet应用以PC为中心，当今的Internet应用将转向以嵌入式设备为中心。对于以单片机应用系统为中心的小型嵌入式设备，怎样利用方便的Internet资源将嵌入式设备的信息共享到Internet上,成为当今电子产品开发的重点。IA(Internet Appliance)概念的流行表明Internet应用已经进入嵌入式Internet时代。据预测,将来在Internet上传输的信息中，将有70%的信息来自于小型嵌入式系统。其中，利用单片机实现嵌入式Internet方案的技术难点在于:1、如何利用单片机自身有限的资源对信息进行TCP/IP协议处理，使之变成可以在Internet上传输的IP数据包。2、在单片机中运行实时内核。
[0003]从解决这一技术问题出发，目前有如下几种方案:
[0004](I) Gateway+专用网:采用专用网络(如RS-232，RS-485，CAN Bus等)把一小批单片机连接在一起，然后再将该专用网络连接到一个PC上，该PC作为网关将专用网络上的信息转换为TCP/IP协议数据包，然后发到网上实现信息共享。该方案可以连接多种单片机。缺点:a.需要依赖PC机作网关进行协议转换，在多个单片机系统分散的情况下，专用网络布线极为不便；b.需要在PC机上安装专门的协议转换软件，该软件通常由专门的第三方软件商提供，费用较高。
[0005](2) 32位MCU+RT0S:采用32位的高档单片机，在RTOS (实时多任务操作系统)的平台上进行软件开发，在嵌入式系统中实现TCP/IP的协议处理。由于采用高档单片机，该方案可以完成很多复杂的功能。但这种方案存在如下缺点:需要购买或选用免费的RTOS开发软件，对开发人员的开发能力要求较高。
[0006](3)ARM MCU+嵌入式软件包:采用Pollux公司提供的32位单片机即可实现Internet接入功能。由于该单片机是迄今世界上最快的单片机(每秒I亿条指令)之一，可以实现实时多任务操作(时间片轮询)。在MCU执行数据采集和控制功能的同时可把数据打包，发送到Internet上。该方案具有如下优点:a.不依赖PC机,实现32位单片机系统直接接入Internet,整个系统完全自给自足；b.使用外围器件少,系统成本低；c.由于Pollux公司免费提供用于Internet处理的软件模块，使开发周期大大缩短，开发成本大大降低；d.是占先式的实时操作系统。缺点:外围资源少。本发明因此而来。
【发明内容】
[0007]本发明目的在于提供一种嵌入式网络化多元输入输出系统，解决了现有技术中利用单片机实现嵌入式Internet方案的技术难题。本系统不依赖PC机、费用低、易推广、使用灵活、易于维护、外围资源丰富，并采用占先式实时操作系统的网络化远程输入输出系统，其通过32位单片机实现Internet网络通讯的手段，与异地网络上的计算机实现远程联接；通过RS-232、RS485接口与现场I/O模块连接，来完成设备的监测、监控、诊断和维护，并借助计算机网络技术，最终实现设备的维修和故障排除。
[0008]为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是:
[0009]一种嵌入式网络化多元输入输出系统，其特征在于所述系统包括嵌入式控制装置、与嵌入式控制装置通过网络连接通讯的IP摄像头、用于进行现场信号的采集、转换的现场设备；所述IP摄像头用于进行视频录制采集，并将图像视频信息传输给嵌入式控制装置；所述嵌入式控制装置设置有运行嵌入式操作系统，接收IP摄像头和现场设备的数据，负责网络传输、网络监控、数据存储及逻辑处理，所述嵌入式控制装置设置有网络模块、RFID模块和输入输出模块(I/O)，所述RFID模块用于连接RFID读写器进行现场射频数据采集，并将采集数据传输给嵌入式控制装置；所述输入输出模块(1/0)，通过串口总线与嵌入式控制装置连接，用于对现场设备实施控制，使现场设备完成现场信号的采集、转换；所述网络模块采用通过以太网、WiFi接入以太网方式和/或通过、串行接口的接入方式与IP摄像头通讯控制传输图像视频信息。
[0010]优选的技术方案是:所述嵌入式控制装置包括:
[0011]第一单片机(CPUl);所述第一单片机分别与动态数据存储器(SDRAM)、非易失性数据存储器(NVRAM)、程序存储器(FLASH)、时钟(CLOCK)连接，并通过串行总线连接各输入输出模块(1/0)，通过TTL232接口或物理层(PHY)连入网络；
[0012]动态数据存储器(SDRAM)，用于存储嵌入式控制装置中第一单片机(CPUl)运行的控制程序；
[0013]非易失性数据存储器(NVRAM)，用于存储为嵌入式控制装置设定的信息参数、输入输出模块(I/o)采集的现场数据；并由第一单片机(CPUl)读取；
[0014]程序存储器(FLASH)，用于存储嵌入式操作系统内核程序、TCP(UDP)/IP网络协议、串行接口通讯协议，并通过第一单片机(CPUI)控制各个模块以及输入输出模块(I/O)通信；
[0015]时钟(CLOCK)，为嵌入式控制装置提供时间信息；
[0016]物理层(PHY)，与第一单片机(CPUl)连接，用来完成通讯协议中的第一层部分；
[0017]串行总线，连接第一单片机和各输入输出模块(I/O)，进行数据通讯操作。
[0018]优选的技术方案是:所述嵌入式控制装置采用ARM架构的嵌入式操作系统，由嵌入式控制装置动态控制、管理的输入输出模块(I/o)的数量为I?256个,所述输入输出模块(I/O)包括:开关量输入模块(DI)、开关量输出模块(D0)、模拟量输入模块(Al)和脉宽调制输出模块(PWM)。
[0019]优选的技术方案是:所述开关量输入模块(DI)由第二单片机(CPU2)、多路开关转换器(MUX)及第一光电隔离器(OPTl)组成，第二单片机(CPU2)通过开关转换器(MUX)选择输入被测信号，信号经第一光电隔离器(OPTl)，送至第二单片机(CPU2)，再通过RS-232接口与第一单片机(CPUl)通讯，在第一模数/转换器(A/D1)和第二单片机(CPU2)之间设有第一光电隔离器(OPTl)。
[0020]优选的技术方案是:所述开关量输出模块(DO)由第二单片机(CPU2)及第二光电隔离器(0PT2)组成，第二单片机(CPU2)输入信号来自第一单片机(CPU1)，其输出信号经第二光电隔离器(0PT2)送至外围控制设备。[0021]优选的技术方案是:所述开关量输入模块(DI)、开关量输出模块(DO)中的每个都包括一个配置信息存储器(EEPROM)，均与第二单片机(CPU2)相连。
[0022]优选的技术方案是:所述控制程序包括ARM系统控制模块、串行通讯模块、数据传送模块、数据诊断报警模块、设备组态模块、数据采集/存储模块，具体流程如下:
[0023]所述ARM系统控制模块流程:首先启动嵌入式操作系统，接收用户输入，第一单片机(CPUl)等待存储区标志设为可读，并且可读取标志设为可读，条件不满足时返回判断；条件满足时判断是否是实时数据，是实时数据则把动态数据存储器SDRAM中实时数据输出到数据传送模块；
[0024]所述串行通讯模块流程分ARM模块通讯流程和输入输出模块(I/O)中断响应流程为两部分，其中ARM模块通讯流程为:在入口处执行存储在动态数据存储器(SDRAM)中的串行接口驱动函数，发送地址至输入输出模块(1/0)，如从机有应答，则第一单片机(CPUl)发送命令字，否则重试；发送命令字后判断从机数据上传否，上传则发上传命令字，否则发下传命令字；发上传命令字后接收从机数据，接收成功时返回，不成功时，重新接收从机数据；发下传命令是发送主机数据或命令字给从机，发送成功时返回，不成功时，重新发送从机数据；所述输入输出模块(I/O)中断响应流程:在中断入口输入输出模块(I/O)接收数据，然后判断是地址命令还是数据命令，是地址命令再判断是否是本机地址，是本机地址时，输入输出模块(I/O)发应答信号给第一单片机(CPU1)，恢复现场、中断返回；不是本机地址时，直接恢复现场、中断返回；如是数据命令字，再判断是否是上传命令字，如是上传命令字，由输入输出模块(I/O)发送从机采集的数据给第一单片机(CPUl)，恢复现场、中断返回；如不是上传命令字，由输入输出模块(I/O)执行控制命令，恢复现场、中断返回；
[0025]所述数据传送模块流程为:启动后第一单片机(CPUl)等待动态数据存储器(SDRAM)数据存储区可读，程序的可读标志为正在读取，条件满足时打包数据，调用ARM模块，建立远程连接，将可读标志设为读取完成，再发送打包数据，执行延时操作，判断是否退出该程序，是则结束；如不退出该程序，可重新等待动态数据存储器(SDRAM)数据存储区可读，程序的可读标志为正在读取；条件不满足时，返回重新等待动态数据存储器(SDRAM)数据存储区可读，程序的可读标志为正在读取；
[0026]所述数据诊断报警模块流程:启动后第一单片机(CPUl)等待报警通知，等不到时返回等待报警通知，等到时，程序的可读标志置为读，判断动态数据存储器(SDRAM)报警数据区是否可读，条件不满足，继续判断，条件满足则复制报警数据到动态数据存储器(SDRAM)数据区，然后把本程序的可读标志设为读取完成，退出本程序模块，否则返回，等待报警通知；
[0027]所述设备组态模块流程为:系统启动后从非易失性数据存储器(NVRAM)中读参数创建组态信息区，进入配置状态，然后由用户操作进行选择，如选择的是系统参数配置，则判断存储信息是否是存入非易失性数据存储器(NVRAM)，如存入非易失性数据存储器(NVRAM)，则修改组态变化标志，修改组态信息区，组态信息存入非易失性数据存储器(NVRAM)，结束程序；如不是存入非易失性数据存储器(NVRAM)的情况下，则结束程序；如选择的是ARM模块第一单片机(CPUl)中刷新设备列表，则先通过串行通讯模块与从机通讯，再进行设备I/O参数配置，当配置完成时，判断是否存储信息到(NVRAM)中，如是，则修改组态变化标志，修改组态信息区，组态信息存入非易失性数据存储器(NVRAM)，不是存入非易失性数据存储器(NVRAM)的情况下，结束程序；
[0028]所述数据采集/存储模块流程为:开始后由第一单片机(CPUl)将动态数据存储器(SDRAM)存储区读写标志设为写，再判断ARM模块、数据传输模块是否读完，如程序模块没读完，重新判断其可读取标志；如读完，则将过滤数据存储到动态数据存储器(SDRAM)中，动态数据存储器(SDRAM)的数据按照时间戳由高到低进行排列，将动态数据存储器(SDRAM)存储区读写标志设为可读，允许ARM模块、数据传输模块程序从存储区读数据，再设置ARM模块、数据传输模块程序可读取标志为可读，使ARM模块、数据传输模块程序可以读动态数据存储器(SDRAM)数据，最后结束。
[0029]本发明技术方案提供了一种智能化、嵌入式、网络化远程控制及RFID采集系统，它是一个具有以太网、WiF1、RS232、RS485、USB、VGA接口以及触摸屏接口的分布式开关量及模拟量采集和开关量输出及PWM输出控制系统，主要应用于建筑智能化领域，由ARM系统模块、I/O模块及控制程序模块组成，ARM系统模块负责网络传输、网络监控、数据存储及逻辑处理，及可通过以太网接口、WiF1、RS232或RS485接口对现场数据进行采集、处理，控制I/O模块及RFID模块；1/0模块完成现场信号的采集和对现场的设备进行控制；控制程序模块存储于ARM系统模块中的程序存储器里。用户可以根据需求构成一个从几点到几百点的可大可小的远程监测/监控系统。该系统是一个分布式I/O系统，依靠客户端软件便可以实现监测、控制功能，其实时性能、网络性能、可靠性能是其他系统难以比拟的。
[0030]本发明的嵌入式控制装置运行嵌入式操作系统，通过串行总线管理I/O模块，可通过Intranet和Internet网络完成分布式I/O控制和RFID数据采集,还通过网络传输部分与以太网之间收发数据，实现数据的网络传输及通过Internet网络对现场设备进行远程监控、数据采集；控制程序存储于ARM模块中的程序存储器中；1/0模块通过串行总线与ARM系统模块通讯，各输入输出功能模块完成现场信号的采集、转换，并对现场控制对象实施控制。
[0031]所述网络传输采用通过以太网、WiFi接入以太网方式和/或通过、串行接口的接入方式。
[0032]所述嵌入式控制装置包括:
[0033]第一单片机(CPUl)；
[0034]动态数据存储器(SDRAM)，存储ARM系统模块中第一单片机(CPUl)运行的控制程序;
[0035]非易失性数据存储器(NVRAM)，主要存放为嵌入式控制装置设定的信息参数，还存储所述I/o模块采集的现场数据；由第一单片机(CPUl)读取；
[0036]程序存储器(FLASH)，用来存放操作系统内核程序、TCP(UDP)/IP网络协议、各功能控制程序模块和串行接口通讯协议，并通过第一单片机(CPUl)运行控制程序模块中通信模块程序，经串行通讯接口与I/o模块相连；
[0037]时钟(CLOCK)，为嵌入式控制装置提供时间信息；
[0038]物理层(PHY)，与第一单片机(CPUl)连接，用来完成多个通讯协议中的第一层部分；
[0039]串行总线，连接第一单片机(CPUl)和各I/O模块，进行数据通讯操作。
[0040]所述由嵌入式控制装置可动态地控制、管理的所述I/O模块可为I?256个，同时可连接RFID读写器进行射频数据采集以及连接IP摄像头实现视频录制及传输，主要包括:开关量输入模块(DI)、开关量输出模块(DO)、模拟量输入模块(Al)和脉宽调制输出模块(PWM)、RFID数据处理及传输模块(RFID)、监控视频数据存储及传输模块(IPCamera)。
[0041]开关量输入模块(DI)由第二单片机(CPU2)、多路开关转换器(MUX)及第一光电隔离器(OPTl)组成，第二单片机(CPU2)通过开关转换器(MUX)选择输入被测信号，信号经第一光电隔离器(OPTl)，送至第二单片机(CPU2)，再通过串行接口与ARM系统模块通讯，在第一模数/转换器(A/D1)和第二单片机(CPU2)之间设有第一光电隔离器(OPTl)。另外，本发明技术方案中RFID模块可由嵌入式控制装置中的RFID中间件软件组件和RS485接口来实现，控制IP摄像头的监控视频数据存储及传输模块可由嵌入式控制装置中的视频监控通讯软件组件来实现，和WiFi接口或者因特网接口配合实现IP摄像头的数据采集控制。
[0042]本发明涉及自动控制领域，具体地说是一种嵌入式网络化多元输入输出系统。该系统通过32位单片机实现Intranet和Internet网络通讯,与异地网络上的计算机实现远程联接；通过串行接口及WiFi接口与现场I/O模块连接，来完成设备的监测、监控、诊断和维护，并借助计算机网络技术，最终实现现场数据采集、设备控制、故障维修和排除。
[0043]为了克服PC机的高费用、8位或16位机外围资源少、运行实时内核上的困难，本发明的目的是提供一种不依赖PC机、费用低、易推广、使用灵活、易于维护、外围资源丰富，采用占先式实时操作系统的网络化远程输入输出系统。
[0044]相对于现有技术中的方案，本发明的优点是:
[0045]1.应用广泛。可以应用于建筑智能化、机械制造、能源、消防、银行监控等行业的自动化控制领域。
[0046]2.具有分散控制特点。本发明废弃了 DCS的输入/输出单元和控制站，把DCS控制站的控制功能和DCS的输入/输出功能分散到串行总线或TCPIP网络上的现场设备，实现了彻底的分散控制，体现了系统结构的高度分散性。
[0047]3.具有自动化综合能力。本发明突破了 DCS系统中由专用网络的封闭系统采用一对一的设备连绒，按控制回路分别进行连接来实现所造成的弊端，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案。采用了本系统，能够把原DCS系统中处于控制室的控制模块、输入输出模块置于现场设备，便于将规范的自动化设备通过串行总线连成系统，实现综合自动化的各种功能。
[0048]4.本发明具有使用的灵活性。模块间采用串行接口，用户很容易根据自己的需要，搭建自己的控制系统；同时，I/o模块采用标准的输入输出信号，也很容易与现场的传感器进行连接，对现场的设备监控。
[0049]5.具有现场设备的智能化与功能自治性。本发明将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备就可以完成自动控制的基本功能，并可以随时诊断设备的运行状态。
[0050]6.具有良好的可移动性。由于采用网络技术，用户可以在任何地点通过以太网网络，浏览该设备的状态，并发出控制命令。
[0051]7.本发明采用占先式实时操作系统，不依赖PC机。另外，外围资源丰富，如:程序存储器128M，可扩展至256M，数据存储器128M，可扩展到2048M，26个开关量输入端口，24个开关量输出端口，3个USB2.0Host接口，I个USB2.0Slave接口，I个RG45接口，I个W1-Fi接口，2个TTL232接口，I个RS485接口，PCF8563时钟一片。由于本发明有以上特点，使其从安装到正常运行及其检修、维护，都体现出它的优越性。比如:
[0052](I)节省硬件数量与投资。由于本发明分散在现扬的智能设备(I/O模块)能直接执行多种传感控制报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂连接，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，并可减少控制室的占地面积。
[0053](2)节省安装费用。由于采用RS485串行总线和以太网，使设备与该系统的连接变得大为简化，减少了设计、安装的工作量，节省了投资。
[0054](3)节省维护开销。由于本发明具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过网络将相关的诊断维护信息送往远程控制端，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间；同时由于系统结构简化，减少连线和维护工作量。
[0055](4)提高了系统的准确性与可靠性。由于本发明具有智能化、数字化功能，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差；同时由于系统的结构简化(串行总线)和无线网络技术的使用，设备间连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。
[0056](5)易于管理、监控。由于本发明采用以太网，现场数据可以无障碍的直接传送到管理层，便于企业管理入员检索数据，监控设备运行状况。
【专利附图】
【附图说明】
[0057]下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述:
[0058]图1为嵌入式网络化多元输入输出系统的系统架构图；
[0059]图2为嵌入式控制装置的结构示意图；
[0060]图3为嵌入式控制装置的控制程序结构框图；
[0061]图4为嵌入式控制装置通信模块的程序流程图；
[0062]图5为嵌入式控制装置RS-232模块中ARM模块通讯的程序流程图。
【具体实施方式】
[0063]以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
[0064]实施例
[0065]如图1所示，该嵌入式网络化多元输入输出系统，由嵌入式控制装置、与嵌入式控制装置通过网络连接通讯的IP摄像头、用于进行现场信号的采集、转换的现场设备组成；所述IP摄像头用于进行视频录制采集，并将图像视频信息传输给嵌入式控制装置；所述嵌入式控制装置设置有运行嵌入式操作系统，接收IP摄像头和现场设备的数据，负责网络传输、网络监控、数据存储及逻辑处理，所述嵌入式控制装置设置有网络模块、RFID模块和输入输出模块(I/O)，所述RFID模块用于连接RFID读写器进行现场射频数据采集，并将采集数据传输给嵌入式控制装置；所述输入输出模块(1/0)，通过串口总线与嵌入式控制装置连接，用于对现场设备实施控制，使现场设备完成现场信号的采集、转换；所述网络模块采用通过以太网、WiFi接入以太网方式和/或通过、串行接口的接入方式与IP摄像头通讯控制传输图像视频信息。
[0066]其中嵌入式控制装置运行Internet网络协议栈，通过串行总线管理I/O模块，完成分布式I/O控制，还通过网络传输部分与以太网之间收发数据，实现数据的网络传输及通过Internet网络对现场设备进行远程监控，数据采集；控制程序存储于嵌入式控制装置中的程序存储器里；I/O模块通过串行总线与嵌入式控制装置通讯，各输入输出功能模块完成现场信号的采集、转换，并对现场控制对象实施控制。
[0067]如图2所示，嵌入式控制装置的结构包括:
[0068]第一单片机；
[0069]动态数据存储器，存储嵌入式控制装置中第一单片机运行的控制程序，还存储所述I/o模块采集的现场数据、现场的状态信息和时间信息；
[0070]非易失性数据存储器，主要存放为嵌入式控制装置设定的通讯波特率、IP地址、子往掩码、网关、I/O模块组态信息参数；系统上电时由第一单片机读取；
[0071]程序存储器(FLASH)，用来存放操作系统内核提供的调度程序、网络协议TCP (UDP)/IP、各功能控制程序模块和串行接口通讯协议，并通过第一单片机运行控制程序模块中串行通讯模块程序，经串行接口与I/O模块相连；时钟，为嵌入式控制装置提供时间信息，嵌入式控制装置断电后，由电池独立供电；
[0072]物理层，与第一单片机连接，用来完成TCP/IP网络协议中的第一层部分；
[0073]串行总线，连接第一单片机和各I/O模块，I/ O模块的初始化参数以及采集的现场数据通过该总线送往ARM模块的动态数据存储器及非易失性数据存储器，通过此接口，主要主站完咸I/O模块的识别、数据通讯操作。
[0074]嵌入式控制装置采用ARM架构，提供网络连接的物理接口可为以下的一种方式或其组合方式:一是通过超五类非屏蔽双绞线经RJ45接口接入以太网方式，通过10M/100M网络物理层驱动组成的以太网接口连接到以太网(Internet)上；二是通过802.11 (a/b/g/n) WiFi接口接入以太网；三是通过RS485接口连接到485TCP交换机接入以太网。
[0075]所述嵌入式控制装置既可以作为以太网现场的接入设备，也可作为串行通讯的主设备，第一单片机通过其内部集成介质访问控制器(MAC)对发送的数据进行编码，同时在接收数据过程中能自动地利用介质访问控制器对接收数据进行帧校验。
[0076]由嵌入式控制装置最大可动态地控制、管理的所述I/O模块可为I?256个，主要包括:开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入、数字量输入、PWM输出等；
[0077]开关量输入模块主要由第二单片机及第一光电隔离器组成，外界各种开关信号为光电隔离器输入信号，第一光电隔离器输出信号送至第二单片机，第二单片机经RS-232接口与第一单片机通信，将输入数据传送给ARM模块；开关量输出模块主要由达林顿驱动器、第二单片机及第二光电隔离器组成，第二单片机经RS-232接口与ARM模块通信，通讯信息是的输入信号，输出端经第二光电隔离器至达林顿驱动器，达林顿驱动器输出信号分八路经继电器至控制现场。
[0078]I/O模块包括开关量输出模块、开关量输入模块中的每个模块都包括一个配置信息存储器，与第一单片机相连，与嵌入式控制装置连接采用标准的RS-232接口方式，根据选用RS-232接口的驱动芯片不同，最多可连接256个I/O模块，ARM模块能够自动识别I/O模块的类型，I/O模块内部按照ARM模块的配置信息可以进行数据的线性化及量程转换，存储组态信息，完成对现场信号的采集和转换。
[0079]其中嵌入式控制装置的软件功能模块(控制程序)包括:
[0080]1、设备组态模块
[0081]设备组态模块提供本发明系统的定制功能，该模块结合实际连接的现场设备I/O变量及用户远程服务的具体要求，通过标准的浏览器对本发明系统的组态参数进行设置，同时将用户的配置信息提供给系统内部的其它所有软件模块使用；其具体实现的功能包括:
[0082]系统的IP地址配置、I/O模块的映射设置功能、输出控制延时设置、RFID模块的识别与配置功能、设备报警通知功能配置、数据远程传送参数配置，可以配置需要远程传送的I/o参数、传送的方式(定时、按固定数量传送等)、远程服务器的地址等；存储组态信息及上载/下载I/o模块的组态信息；1/0模块串行总线参数配置，数据采集率、通信参数等。
[0083]2、数据采集/存储模块
[0084]数据采集/存储模块提供现场数据采集与历史数据存储功能，该模块通过RS-232通讯模块或RS-485通讯模块，读取由I/O模块采集的现场数据信息，为其他模块提供现场的实时数据，同时该模块可以提供短期历史数据存储功能，为数据的定时发送及历史回放提供数据信息；其具体功能为:现场数据定时采集，刷新实时数据区；采集现场数据，存储历史数据。
[0085]具体流程为:开始后由第一单片机将动态数据存储器存储区读写标志设为写，再判断ARM模块、数据传输模块是否读完，如程序模块没读完，重新判断其可读职标志；如读完，则将过滤数据存储到动态数据存储器中，动态数据存储器的数据按照时间戳由高到低进行排列，队列头部是实时数据，然后都是历史数据，将动态数据存储器存储区读写标志设为可读，允许ARM模块、数据传输模块程序从存储区读数据，再设置ARM模块、数据传输模块程序可读取标志为可读，使ARM模块、数据传输模块程序可以读动态数据存储器数据，最后结束。
[0086]3、数据诊断报警模块
[0087]数据诊断报警模块的作用是根据用户提供的报警配置信息，检测I/O数据的异常报警，同时提供报警信息的历史存储，通过电子邮件的方式通知指定的管理人员；其具体功能为:现场数据报警条件检测；1/0模块掉电检测报警；报警信息的历史存储。
[0088]具体流程为:启动后第一单片机等待报警通知，等不到时返回等待报警通知，等到时，程序的可读标志置为读，判断动态数据存储器报警数据区是否可读，条件不满足(不可读)，继续判断，条件满足(可读)则复制报警数据到动态数据存储器数据区，然后把本程序的可读标志设为读取完成，退出本程序模块，否则返回，等待报警通知。
[0089]4、数据传送模块
[0090]数据传送模块根据用户组态的信息，利用以太网将现场的数据传送到远程服务中心，其功能为:数据的定时或根据用户需隶的远程发送功能；数据压缩功能。
[0091]具体流程为:启动后第一单片机等待动态数据存储器数据存储区可读，程序的可读标志为正在读取，条件满足时打包数据，调用ARM模块，建立远程连接，将可读标志设为读取完成，再发送打包数据，执行延时操作，判断是否退出该程序，是则结束；如不退出该程序，可重新等待动态数据存储器数据存储区可读，程序的可读标志为正在读取；条件不满足时，返回重新等待动态数据存储器数据存储区可读，程序的可读标志为正在读取。
[0092]5、控制台通信模块
[0093]控制台通信模块提供嵌入式数据发布功能，使用户使用标准的TCP套接字(socket)连接即可以访问现场的实时/历史数据及查询设备的报警信息，同时通过TCP服务提供相应的设备配置功能。具体是:提供密码保护功能，保证设备的安全性；提供现场设备的实时显示功能(最好完成图形化界面)；提供现场设备的历史数据、报警信息查询功能；提供现场设备的组态功能。
[0094]具体流程为:首先ARM启动wince系统后启动进入TCP服务，接收用户输入，第一单片机等待存储区标志设为可读，并且可读取标志为可读，条件不满足时返回判断；条件满足时再判断是否是实时数据，是实时数据则把动态数据存储器中实时数据输出到TCP套接字上，否则把动态数据存储器历史数据输出到客户端，然后把可读取标志设为读取完成，最后判断是否退出TCP服务，是则结束，否则返回接收用户输入。
[0095]6、串行通信模块
[0096]串行通信模块提供本发明系统与其I/O模块间的数据访问通道，完成I/O模块的管理及数据读写功能。
[0097]具体是:提供I/O模块的类型、地址等管理信息；提供现场设备数据的读写功能；提供I /0 I旲块的组态/[目息读与功能。
[0098]具体流程分ARM模块通讯流程和I/O模块中断响应流程为两部分，其中ARM模块通讯流程为:在入口处执行存储在动态数据存储器中的TTL-232接口驱动函数，发送地址至I/O模块，如从机有应答，则第一单片机发送命令字，否则重试(重试大于三次，作掉线处理，否则再次发送地址)；发送命令字后判断从机数据上传否，上传则发上传命令字，否则发下传命令字；发上传命令字后接收从机数据，接收成功时返回，不成功对，重新接收从机数据；发下传命令是发送主机数据或命令字给从机，发送成功时返回，不成功时，重新发送从机数据。所述I/O模块中断响应流程:在中断入口模块接收数据，然后判断是地址命令还是数据命令，是地址命令再判断是否是本机地址，是本机地址时，I/O模块发应答信号给第一单片机，通讯位S102置0，恢复现场、中断返回；不是本机地址时，直接恢复现场、中断返回；如是数据命令字，再判断是否是上传命令字，如是上传命令字，由I/O模块发送从机采集的数据给第一单片机，令S102置1，恢复现场、中断返回；如不是上传命令字，由I/O模块执行控制命令，S102置1，恢复现场、中断返回。
[0099]上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种嵌入式网络化多元输入输出系统，其特征在于所述系统包括嵌入式控制装置、与嵌入式控制装置通过网络连接通讯的IP摄像头、用于进行现场信号的采集、转换的现场设备；所述IP摄像头用于进行视频录制采集，并将图像视频信息传输给嵌入式控制装置；所述嵌入式控制装置设置有运行嵌入式操作系统，接收IP摄像头和现场设备的数据，负责网络传输、网络监控、数据存储及逻辑处理，所述嵌入式控制装置设置有网络模块、RFID模块和输入输出模块(I/O)，所述RFID模块用于连接RFID读写器进行现场射频数据采集，并将采集数据传输给嵌入式控制装置；所述输入输出模块(1/0)，通过串口总线与嵌入式控制装置连接，用于对现场设备实施控制，使现场设备完成现场信号的采集、转换；所述网络模块采用通过以太网、WiFi接入以太网方式和/或通过、串行接口的接入方式与IP摄像头通讯控制传输图像视频信息。
2.根据权利要求1所述的嵌入式网络化多元输入输出系统，其特征在于所述嵌入式控制装置包括: 第一单片机(CTOl);所述第一单片机分别与动态数据存储器(SDRAM)、非易失性数据存储器(NVRAM)、程序存储器(FLASH)、时钟(CLOCK)连接，并通过串行总线连接各输入输出模块(I/O)，通过TTL232接口或物理层(PHY)连入网络； 动态数据存储器(SDRAM)，用于存储嵌入式控制装置中第一单片机(CPUl)运行的控制程序； 非易失性数据存储器(NVRAM)，用于存储为嵌入式控制装置设定的信息参数、输入输出模块(I/O)采集的现场数据；并由第一单片机(CPUl)读取； 程序存储器(FLASH)，用于存储嵌入式操作系统内核程序、TCP (UDP)/IP网络协议、串行接口通讯协议，并通过第一 单片机(CPUl)控制各个模块以及输入输出模块(I/O)通信； 时钟(CLOCK)，为嵌入式控制装置提供时间信息； 物理层(PHY)，与第一单片机(CPUl)连接，用来完成通讯协议中的第一层部分； 串行总线，连接嵌入式控制装置和各输入输出模块(I/O)，进行数据通讯操作。
3.根据权利要求2所述的嵌入式网络化多元输入输出系统，其特征在于所述嵌入式控制装置采用ARM架构的嵌入式操作系统，由嵌入式控制装置动态控制、管理的输入输出模块(I/O)的数量为I~256个，所述输入输出模块(I/O)包括:开关量输入模块(DI)、开关量输出模块(DO)、模拟量输入模块(Al)和脉宽调制输出模块(PWM)。
4.根据权利要求3所述的嵌入式网络化多元输入输出系统，其特征在于所述开关量输入模块(DI)由第二单片机(CPU2)、多路开关转换器(MUX)及第一光电隔离器(OPTl)组成，第二单片机(CPU2)通过开关转换器(MUX)选择输入被测信号，信号经第一光电隔离器(OPTl)，送至第二单片机(CPU2)，再通过RS-232接口与第一单片机(CPU1)通讯，在第一模数/转换器(A/D1)和第二单片机(CPU2)之间设有第一光电隔离器(OPTl)。
5.根据权利要求3所述的嵌入式网络化多元输入输出系统，其特征在于所述开关量输出模块(DO)由第二单片机(CPU2)及第二光电隔离器(0PT2)组成，第二单片机(CPU2)输入信号来自第一单片机(CPU1),其输出信号经第二光电隔离器(0PT2)送至外围控制设备。
6.根据权利要求3所述的嵌入式网络化多元输入输出系统，其特征在于所述开关量输入模块(DI)、开关量输出模块(DO)中的每个都包括一个配置信息存储器(EEPR0M)，均与第二单片机(CPU2)相连。
7.根据权利要求2所述的嵌入式网络化多元输入输出系统，其特征在于所述控制程序包括ARM系统控制模块、串行通讯模块、数据传送模块、数据诊断报警模块、设备组态模块、数据采集/存储模块，具体流程如下: 所述ARM系统控制模块流程:首先启动嵌入式操作系统，接收用户输入，第一单片机(CPUl)等待存储区标志设为可读，并且可读取标志设为可读，条件不满足时返回判断；条件满足时判断是否是实时数据，是实时数据则把动态数据存储器SDRAM中实时数据输出到数据传送模块； 所述串行通讯模块流程分ARM模块通讯流程和输入输出模块(I/O)中断响应流程为两部分，其中ARM模块通讯流程为:在入口处执行存储在动态数据存储器(SDRAM)中的串行接口驱动函数，发送地址至输入输出模块(I/0)，如从机有应答，则第一单片机(CPUl)发送命令字，否则重试；发送命令字后判断从机数据上传否，上传则发上传命令字，否则发下传命令字；发上传命令字后接收从机数据，接收成功时返回，不成功时，重新接收从机数据；发下传命令是发送主机数据或命令字给从机，发送成功时返回，不成功时，重新发送从机数据；所述输入输出模块(I/O)中断响应流程:在中断入口输入输出模块(I/O)接收数据，然后判断是地址命令还是数据命令，是地址命令再判断是否是本机地址，是本机地址时，输入输出模块(I/O)发应答信号给第一单片机(CPUl)，恢复现场、中断返回；不是本机地址时，直接恢复现场、中断返回；如是数据命令字，再判断是否是上传命令字，如是上传命令字，由输入输出模块(I/O)发送从机采集的数据给第一单片机(CPUl)，恢复现场、中断返回；如不是上传命令字，由输入输出模块(I/O)执行控制命令，恢复现场、中断返回； 所述数据传送模块流程为:启动后第一单片机(CPUl)等待动态数据存储器(SDRAM)数据存储区可读，程序的可读标志为正在读取，条件满足时打包数据，调用ARM模块，建立远程连接，将可读标志设为读取完成，再发送打包数据，执行延时操作，判断是否退出该程序，是则结束；如不退出该程序，可重新等待动态数据存储器(SDRAM)数据存储区可读，程序的可读标志为正在读取；条件不满足时，返回重新等待动态数据存储器(SDRAM)数据存储区可读，程序的可读标志为正在读取； 所述数据诊断报警模块流程:启动后第一单片机(CPUl)等待报警通知，等不到时返回等待报警通知，等到时，程序的可读标志置为读，判断动态数据存储器(SDRAM)报警数据区是否可读，条件不满足，继续判断，条件满足则复制报警数据到动态数据存储器(SDRAM)数据区，然后把本程序的可读标志设为读取完成，退出本程序模块，否则返回，等待报警通知； 所述设备组态模块流程为:系统启动后从非易失性数据存储器(NVRAM)中读参数创建组态信息区，进入配置状态，然后由用户操作进行选择，如选择的是系统参数配置，则判断存储信息是否是存入非易失性数据存储器(NVRAM)，如存入非易失性数据存储器(NVRAM)，则修改组态变化标志，修改组态信息区，组态信息存入非易失性数据存储器(NVRAM)，结束程序；如不是存入非易失性数据存储器(NVRAM)的情况下，则结束程序；如选择的是第一单片机(CPUl)中刷新设备列表，则先通过串行通讯模块与从机通讯，再进行设备I/O参数配置，当配置完成时，判断是否存储信息到(NVRAM)中，如是，则修改组态变化标志，修改组态信息区，组态信息存入非易失性数据存储器(NVRAM)，不是存入非易失性数据存储器(NVRAM)的情况下，结束程序；所述数据采集/存储模块流程为:开始后由第一单片机(CPUl)将动态数据存储器(SDRAM)存储区读写标志设为写，再判断数据传输模块是否读完，如程序模块没读完，重新判断其可读取标志；如读完，则将过滤数据存储到动态数据存储器(SDRAM)中，动态数据存储器(SDRAM)的数据按照时间戳由高到低进行排列，将动态数据存储器(SDRAM)存储区读写标志设为可读，允许数据传输模块程序从存储区读数据，再设置ARM模块、数据传输模块程序可读取标志为可读，使数据传输模块程序可以读动态数据存储器(SDRAM)数据，最后结束。`
【文档编号】G05B19/418GK103676866SQ201310654378
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月6日 优先权日:2013年12月6日
【发明者】陈钧, 万旺金, 蔡艳, 刘岭 申请人:苏州朗捷通智能科技有限公司