一种具有远程服务功能的嵌入式通用节点的制作方法

专利名称：一种具有远程服务功能的嵌入式通用节点的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种远程服务技术节点，特别涉及一种分布式强实时总线控制系统进行远程服务嵌入式通用节点。
背景技术：
计算机网络技术和自动化控制技术是现今世界的两个经典技术理论。一般认为，自动化控制技术主要是通过现场总线对现场传感器得到的信息进行处理，从而控制现场的执行器的动作，一般情况下专门的自动控制专家或者小组需要在现场工作，而计算机网络技术则是实现了所有连入Internet网络的计算机的资源共享。随着科学技术的发展，生活生产中的一项技术——监控技术也在迅速发展。监控技术是指利用计算机实现生产过程的检测、监督和控制功能，包括对生产过程中的大量的物理量、环境参数、工艺数据、特性参数等的实时检测、监督管理和自动控制。但是，目前绝大多数的分布式监控系统具有一定的局域性，只是局限在某一个地点内。随着计算机信息技术，尤其是Internet技术的出现，使人们实现了资源共享，为实现远程监控提供了便利条件。远程监控就是利用本地计算机通过网络监视和控制远端设备，实现对分散控制网络状态监控和设备诊断维护等功能。远程监控技术使专业人员虚拟地出现在现场监控地点，利用本地丰富的软硬件资源就可以方便地控制远程对象即现场设备，维护现场设备的正常运营，从而减少现场的工作人员，最终实现远端现场无人或者少人工作，以达到减员增效的目的。所以，现今的趋势是把现场总线设备作为Internet的一个设备终端，从而实现各个自动控制现场信息的资源共享，同时可以实现对现场设备的远程自动控制。
实用新型内容本实用新型是针对强实时分布式CAN总线控制系统的远程监控技术发展中面临的问题，提出并实现了一种建立在嵌入式系统基础上的具有远程服务功能的通用CAN总线节点，设计并实现了其远程服务功能，使CAN总线与远程监控技术结合，实现对强实时分布式CAN总线控制系统的数据采集于处理功能、监督功能、控制功能等，提高的采集现场运行数据的速度，减少了现场工作人员，提高了系统可维护性、经济性等。本实用新型的技术方案为:一种具有远程服务功能的嵌入式通用节点，其特征在于，包含CAN功能模块和嵌入式功能模块二个模块。CAN功能模块能实现对CAN总线上的数据接收和发送的CAN收发器；能够快速完成数据采集和处理，能提供与微处理器物理线路接口的CAN控制器；嵌入式功能模块含有远程服务功能的嵌入式Web服务器，能够使用其网络芯片通过Internet或者Ethernet发布数据信息和接受控制命令的输入,能够直接与Internet实现通信。嵌入式通用节点外部有四个节点接口:链接接口(LIF)、技术独立控制接口(TH)、技术依赖调试接口(TDI)和本地接口。具体功能实现:由CAN收发器接收到来自CAN总线上的系统数据，CAN控制器对接收的数据进行分析处理，送入远程服务节点主处理器，该主处理器通过内部的Linux嵌入式CGI，将数据处理结果以HTML页面形式发给Web服务器，最后Web服务器利用该节点的嵌入式网络芯片将数据与Internet通信。远程端的工作人员通过Web浏览器以表单的形式提交对控制对象设备的控制信息，网络芯片接收到该请求后，将它转发给主处理内部的嵌入式Web服务器，Web服务器将它转发给CGI，由CGI对来自Internet的数据进行解析和提取操作，再将相应的信息转发给CAN控制器，CAN控制器将数据通过CAN收发器发布到总线上，总线接收到消息后，将相应的控制信息发送给总线节点上的控制对象，控制对象做出相应的动作，完成控制任务。所述链接接口(LIF)和本地接口统称为运行接口，在节点正常运行期间使用；技术独立控制接口(TII)和技术依赖调试接口(TDI)统称为控制接口，用于控制、监视或调试节点，技术独立控制接口(TII)可与操作系统连接，用于节点的配置、复位、启动和重启，技术依赖调试接口(TDI)可与手操器连接用于实现对节点的内部诊断。所述CAN功能模块与总线通信方法:CAN功能模块通过节点的链接接口向总线发送周期性数据，其它节点接收到该数据帧之后，将其作为参考帧，同步启动一个定时器，在2ms之内如果有事件触发性数据需要发送，则发送数据，基本周期内的其它时间如果有数据需要发送，则需要等到下一个周期。所述CAN功能模块通过节点链接接口与CAN总线相连，接收总线传输的数据以及将数据发布到CAN总线上，当CAN功能模块内部的CAN收发器接收端收到一个完整的标识符时，通知接收验收滤波器，验收滤波器响应这个信号，读出CAN控制器编号和标识符大小，查找匹配的标识符，如果找到匹配的标识符，通知CAN控制器将接收的报文放入接收缓冲中；否则，放弃接收这一帧信息。本实用新型作用和效果本实用新型具有远 程服务功能的嵌入式通用节点，可用于强实时分布式控制系统；是一个开放的系统(Boa与嵌入式系统),可以与任何遵守CAN总线协议以及Internet网络设备或系统连接；具有较强的抗干扰能力；可以实现远距离在线诊断设备的运行状态，可对现场设备进行远程控制；通过节点的TDI，可以实现对节点内部情况的诊断监护；由于TDI仅供深刻理解节点内部结构的人员使用，与LIF服务的用户或配置节点的系统工程师无关，可以节省人力资源；通过节点的TII，可以使得不同节点实现和不同的本地I/O子系统可以连接到一个节点，而不需要修改其他与该节点相互作用的节点；LIF与TII的严格分离，简化了应用软件，降低了节点的整体复杂性；节点设计内存占用小，速度快，可靠性高，稳定性好。

图1为本实用新型具有远程服务功能的嵌入式通用节点结构示意图；图2为本实用新型具有远程服务功能的嵌入式通用节点CAN功能模块结构图；图3为本实用新型具有远程服务功能的嵌入式通用节点嵌入式模块功能结构图；图4为本实用新型具有远程服务功能的嵌入式通用节点CAN收发器与CAN控制器通信硬件电路图；图5为本实用新型具有远程服务功能的嵌入式通用节点CAN控制器与嵌入式功能模块通信硬件电路图；图6为本实用新型具有远程服务功能的嵌入式通用节点嵌入式主处理器的硬件逻辑框图；图7为本实用新型具有远程服务功能的嵌入式通用节点Boa服务器体系结构图；图8为本实用新型具有远程服务功能的嵌入式通用节点Boa服务器工作流程图；图9为本实用新型具有远程服务功能的嵌入式通用节点CGI工作流程图；图10为本实用新型具有远程服务功能的嵌入式通用节点CAN发送数据流程图；图11为本实用新型具有远程服务功能的嵌入式通用节点CAN接收数据流程图。
具体实施方式
具有远程服务功能的嵌入式通用节点I结构示意图，如图1所示，内部包含CAN功能模块10和嵌入式功能模块11 二个功能模块，外部具有四个节点接口，分别是链接接口(LIF) 2、技术独立控制接口(TII) 3、本地接口 4、技术依赖调试接口(TDI) 5。CAN功能模块10与总线6通信方法:CAN功能模块10通过节点的链接接口 2向总线发送周期性数据，其它节点接收到该数据帧之后，将其作为参考帧，同步启动一个定时器，在2ms之内如果有事件触发性数据需要发送，则发送数据，基本周期内的其它时间如果有数据需要发送，则需要等到下一个周期。节点的接口，链接接口(LIF) 2提供指定的节点服务，与节点的实现无关。PM和PSM具有相同的链接接口。节点的访问接口为该节点所在簇的LIF。LIF是基于报文的运行接口，用于实现一个节点与簇内其它节点的互连，或者说用于把多个节点集成为一个簇。LIF是抽象化了的节点内部结构和本地接口。技术独立控制接口(TII) 3是控制接口，用于节点的配置、复位、启动和重启，必要时，也用于在运行期间监视和控制节点的资源需求(如电源)。节点配置包括为节点和其I/O端口指定适当的名称；将特定工作指定到可编程节点的硬件。技术依赖调试接口(TDI) 5是特殊控制接口，用于访问节点的内部情况，从而达到维护和调试节点的目的，如内部诊断。TDI属于实现专用接口。TDI提供了查看节点内部情况和观测节点内部变量的方法。这类接口与成熟的手操器连接可以实现对该节点的内部诊断。本地接口 4用于实现节点与“外界”的链接，这里所说的“外界”是指节点所在簇的外部环境，如，物理设备中的传感器和执行器(过程I/O)、操作员或另一计算机系统等。CAN功能模块10结构图如图2所示，包括CAN收发器和CAN控制器，CAN收发器也叫总线驱动器，是CAN协议控制器和CAN物理总线之间的接口。CAN控制器用于实现CAN协议，对外提供与微处理器物理连线的接口。通过对它的编程，微处理器可以设置它的工作方式，控制它的工作状态，进行数据的发送和接收，把应用层建立在它的基础之上。CAN功能模块10通过节点链接接口 2与CAN总线6相连，接收总线传输的数据以及将数据发布到CAN总线6上。当CAN功能模块10内部的CAN收发器接收端收到一个完整的标识符时，通知接收验收滤波器。验收滤波器响应这个信号，读出CAN控制器编号和标识符大小，查找匹配的标识符。如果找到匹配的标识符，通知CAN控制器将接收的报文放入接收缓冲中；否则，放弃接收这一帧信息。嵌入式功能模块要通过S PI 口与CAN功能模块10连接实现通信。嵌入式功能模块11结构图如图3所示，包括嵌入式微处理器和网络芯片，嵌入式微处理器是能应用在嵌入式计算机系统中的微处理器，嵌入式微处理器含有嵌入式内核，标准宏单元和存储器单元，外部能提供完整的通用系统外设，能够实现以下片上功能:外部存储控制器、2通道SP1、3通道UART、相机接口等。网络芯片能够支持半双工流量控制，支持唤醒帧，链路状态改变和远程唤醒，支持通用I/O 口，可以包含自适应收发器。CAN控制器接收到的报文通过处理后，由SPI 口送入嵌入式功能模块11主处理器中，而由嵌入式功能模块11内部的指定CGI脚本来处理数据，CGI脚本运行的相关信息获取于环境变量，最后以HTML格式形式发送给Boa服务器。Boa服务器作为嵌入式Web服务器将结果利用嵌入式功能模块11网络芯片传给用户端的Web浏览器，这样远程端工作人员就可以通过Web浏览器实现远程监控等任务。CAN功能模块10内部的CAN收发器与CAN控制器通信硬件电路原理如图4所示。CAN收发器集成了 CAN协议物理层的部分功能，提供了 CAN控制器与物理总线之间的接口，以及对CAN总线6的差动发送和接收功能。S引脚用于选定CAN收发器的工作模式。有2种工作模式可供选择:高速模式和静音模式。如果S脚接地，则CAN收发器进入高速模式。在高速模式下，总线输出信号有固定的斜率，并且以尽量快的速度切换，收发器循环延迟最小。在CAN收发器中设计了一个超时定时器，用以对TXD端的低电位(此时CAN总线上为显性位)进行监视，可以防止由于CAN控制器失控或者硬件问题而造成网络阻塞。当TXD端低电位持续的时间超过了定时器的内部定时时间时，将关闭发送器，使CAN总线6回到隐性电位状态。而在TXD端信号的上升沿定时器将被复位，使CAN收发器恢复正常工作。CAN功能模块10的CAN控制器与嵌入式功能模块11中的主处理器通信硬件电路原理如图5所示。CAN控制器与主微处理器的连接是通过业界标准串行外设接口(SPI，Serial Peripheral Interface)来实现的。通过将报文发送请求位置I,可以启动CAN控制器发送相应发送寄存器内的报文。通过SPI接口启动报文发送后，可以同时将TXREQ位和TXP优先级控制位置I。当TXREQ位置I后，报文发送中止标志位、报文仲裁失败位和检测到发送错误位都将被自动清零。报文发送成功后，TXREQ位将被清零，INT位置1，允许产生发送结束中断，将产生中断。若报文发送失败，TXREQ将保持为1，表明该报文仍在等待发送。当报文传送至某一接收缓冲器时，与该接收缓冲器对应的INT位将置I。一旦缓冲器中的报文处理完毕，CAN控制器就必须将该位清零以接收下一条报文。
`[0029]嵌入式微处理器的硬件逻辑框图如图6所示。嵌入式微处理器的I/O 口电压与CAN控制器工作电压相同可以直接相连，通过SPI串行接口连入处理器，这样可以减少总线的物理连接，增强系统的可靠性。嵌入式web服务器使用环境变量将有关的请求信息传送到CGI程序，这些环境变量分为以下几类:与服务器相关的环境变量，包括服务器的名字等；与客户机相关的环境变量，包括域名地址和客户端的IP地址、CGI和服务器的版本号信息等；与客户端请求相关的环境变量，包括客户端请求的类型，请求方式、请求内容、编码方式等。CGI使用系统提供的API读取环境变量值，获取相关信息。Boa服务器体系结构如图7所示，Boa核心部分主要由HTTP引擎、文件系统、应用程序接口模块和配置模块组成。其中，HTTP引擎主要接受来自客户的各种请求并进行相应的处理；文件系统为嵌入式Web服务器提供文件服务；应用程序接口模块用来完成和嵌入式应用系统之间的动态数据交互，主要的程序接口模块是采用CGI (Common GatewayInterface)的形式；配置模块主要用来实现设置嵌入式Web服务器的某些参数。Boa服务器被用来处理来自用户的请求，并把处理的结果返回给浏览器。若要动态的访问Web服务器，则调用在服务器中存贮的CGI程序。Boa服务器工作流程图8所示。CGI工作流程图如图9所示，CGI处理数据步骤:1、嵌入式Web服务器通过Internet接收来自用户的请求通过；2、嵌入式Web服务器把接收到的用户请求传递给CGI程序进行处理；3、CGI程序将处理好的结果再传送至嵌入式Web服务器；4、嵌入式Web服务器将结果传回给用户端的IE浏览器。具有远程服务功能的嵌入式通用节点，实现远程服务功能除了必要的硬件电路夕卜，软件实现是非常重要的一个内容。CAN总线通信协议中只是定义了物理层和数据链路层。因此，在进行CAN总线通信设计时，要根据需求设计适合自己应用的CAN总线应用层通信协议。应用层协议模块部分，主要包括了报文标识符的分配、数据交换方式和报文滤波机制等内容的设计CAN总线通信软件设计包括CAN初始化、接收数据和发送数据。如图10、11所示CAN发送数据流程图、接收数据流程图。嵌入式系统下Web服务器的实现，根据功能的需要在嵌入式系统内核里注册了 CAN总线控制器的驱动。然后选取了嵌入式系统下Boa服务器以及在嵌入式系统环境下构建Boa服务器；实现动态Web页面的CGI技术，与嵌入式Web服务器进行交互，最后根据实际情况，制定CAN通信协议的应用层协议，用来实现IE浏览器、嵌入式Web服务器和CAN总线之间的通信。嵌入式系统软件程序由三部分组成:1、引导程序:负责引导加载内核。系统上电后，首先执行的是引导程序。2、内核:加载文件系统。内核是嵌入式系统的核心，是运行程序、管理磁盘和打印机等硬件设备的核心程序。包括CPU调度、作业管理、内存管理、文件管理、磁盘管理等。3、文件系统:由内核加载，包含嵌入式系统启动时所必需的目录和关键性的文件。CGI程序从服务器上接收用户信息，对该信息进行必要处理，最后返回处理结果。根据CGI规范，CGI程序需要完成以下步骤:(I)接收用户信息。用户浏览器将请求通过HTML页面发送给服务器，有服务器创建一个子进程，在这个子 进程中调用CGI程序，将信息传递给CGI程序。(2)解码用户信息。用户浏览器的请求在向服务器传送前，首先被编码，以便使用HTTP协议在网络上传输。因此，当用户信息通过服务器传递给CGI程序时，要先对信息进行解码,还原成初始信息。(3)生成HTML页面。CGI程序的处理结果要以HTML的形式返回给浏览器。这就要求CGI程序能够根据程序处理结果动态生成HTML。
权利要求1.一种具有远程服务功能的嵌入式通用节点，其特征在于: 所述嵌入式通用节点内部具有CAN功能模块和嵌入式功能模块二个模块， 所述嵌入式通用节点外部有四个节点接口:链接接口 LIF、技术独立控制接口 TH、技术依赖调试接口 TDI和本地接口 ； 其中，所述CAN功能模块包括CAN收发器和CAN控制器， 所述嵌入式功能模块包括主处理器和网络芯片， 所述CAN功能模块通过所述节点的链接接口与CAN总线实现数据交互，当所述CAN收发器接收到所述总线上传输的数据，所述CAN控制器对接收的所述数据进行处理，将所述数据送入所述嵌入式功能模块中的主处理器，所述主处理器通过内部的嵌入式CGI将数据处理，使数据成为能通过Web服务器和浏览器能访问的形式，然后通过所述节点的本地接口实现与Internet通信，也可以通过所述本地接口实现本地PC机上的数据采集和系统控制；远程端的人员通过Web浏览器以表单的形式提交对控制对象的控制信息，所述嵌入式功能模块通过所述本地接口接收到该请求后，对来自Internet的数据进行解析和提取操作，再将相应的信息转发给所述CAN功能模块，CAN功能模块将数字量数据转换为模拟量数据，通过所述节点的链接接口发布到所述CAN总线上，所述CAN总线接收到消息后，将相应的控制信息发送给总线节点上的控制对象，所述控制对象做出相应的动作。
2.根据权利要求1所述具有远程服务功能的嵌入式通用节点，其特征在于，所述链接接口 LIF和所述本地接口统称为运行接口，在所述节点正常运行期间使用；技术独立控制接口 TII和技术依赖调试接口 TDI统称为控制接口，用于控制、监视或调试节点，技术独立控制接口 TII可与操作系统连接，用于节点的配置、复位、启动和重启，技术依赖调试接口TDI可与手操器连接用于实现对节点的内部诊断。
3.根据权利要求1所述具有远程服务功能的嵌入式通用节点，其特征在于，所述CAN收发器也叫总线驱动器，是CAN协议控制器和CAN物理总线之间的接口 ；所述CAN控制器用于实现CAN协议，对外提供与微处理器物理连线的接口 ；所述CAN功能模块通过节点的链接接口向总线发送周期性数据，其它节点接收到该数据帧之后，将其作为参考帧，同步启动一个定时器，在2ms之内如果有事件触发性数据需要发送，则发送数据，基本周期内的其它时间如果有数据需要发送，则需要等到下一个周期。
4.根据权利要求1所述具有远程服务功能的嵌入式通用节点，其特征在于，所述嵌入式微处理器是能应用在嵌入式计算机系统中的微处理器，是32位内部集成了 ARM920T内核的微处理器S3C2440A，含有嵌入式内核，标准宏单元和存储器单元，外部能提供完整的通用系统外设，所述网络芯片DM900A能够支持半双工流量控制，支持唤醒帧，链路状态改变和远程唤醒，支持通用I/O 口，可以包含自适应收发器，所述CAN控制器接收到的报文通过处理后，由SPI 口送入所述嵌入式功能模块主处理器中，而由所述嵌入式功能模块内部的指定CGI脚本来处理数据，CGI脚本运行的相关信息获取于环境变量，最后以HTML格式形式发送给Boa服务器，Boa服务器作为嵌入式Web服务器将结果利用嵌入式功能模块中网络芯片传给用户端的Web浏览器。
专利摘要本实用新型涉及一种具有远程服务功能的嵌入式通用节点，该节点可用于控制、监视或调试节点，实现对强实时分布式CAN总线控制系统的数据采集于处理功能、监督功能、控制功能、诊断功能等。嵌入式通用节点包含CAN功能模块和嵌入式功能模块二个模块，外部有四个节点接口链接接口(LIF)、技术独立控制接口(TII)、技术依赖调试接口(TDI)和本地接口，链接接口(LIF)和本地接口为运行接口，在节点正常运行期间使用；技术独立控制接口(TII)和技术依赖调试接口(TDI)为控制接口。外部的强实时分布式CAN总线控制系统通过节点接口相连接，能够实现对强实时系统与主干网络Internet网络之间的通信，从而实现对系统的远程监控、数据传输等功能。
文档编号H04L12/40GK203104513SQ201220656470
公开日2013年7月31日 申请日期2012年12月2日 优先权日2012年12月2日
发明者张凤登, 张晓霞, 陈悫, 张大庆, 李红雨 申请人:上海理工大学