一種基于Ethernet接入模塊的監(jiān)控系統(tǒng)

1、一種基于Ethernet接入模塊的監(jiān)控系統(tǒng)        摘   要：介紹了所開(kāi)發(fā)的Ethernet接入模塊，重點(diǎn)論述了基于Ethernet接入模塊的機(jī)動(dòng)車(chē)安全性能檢測(cè)線監(jiān)控系統(tǒng)各種功能的實(shí)現(xiàn)。  引言隨著以太網(wǎng)通訊速率成幾何級(jí)數(shù)的增長(zhǎng)，百兆/千兆網(wǎng)技術(shù)的成熟、交換機(jī)技術(shù)和全雙工通信方式的發(fā)展，以太網(wǎng)在低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷時(shí)通信響應(yīng)確定，并能可*傳輸工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，使以太網(wǎng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)具備了現(xiàn)實(shí)可能性。與其它現(xiàn)場(chǎng)總線相比，采用以太網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備成本低、傳輸距離遠(yuǎn)等諸多顯著的優(yōu)點(diǎn)

2、。以太網(wǎng)進(jìn)入控制現(xiàn)場(chǎng)的關(guān)鍵是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的嵌入式Internet技術(shù)，目前已開(kāi)發(fā)出的產(chǎn)品主要是在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的16位或32位高性能MCU上駐留TCP/IP協(xié)議棧，通過(guò)與設(shè)備上的WEB服務(wù)器交互來(lái)達(dá)到監(jiān)控設(shè)備的目的。對(duì)于中小型的普通工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)而言，這類(lèi)產(chǎn)品價(jià)位偏高，并不實(shí)用。筆者開(kāi)發(fā)了基于通用8位單片機(jī)的Ethernet接入模塊，應(yīng)用于機(jī)動(dòng)車(chē)安全性能檢測(cè)線現(xiàn)場(chǎng)，設(shè)計(jì)并完成了一套功能完備的機(jī)動(dòng)車(chē)安全性能檢測(cè)線監(jiān)控系統(tǒng)。 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)動(dòng)車(chē)安全性能檢測(cè)線監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示?，F(xiàn)場(chǎng)各檢測(cè)設(shè)備(含光電管、繼電器等)通過(guò)Ethernet接入模塊與監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、WEB服務(wù)器構(gòu)成總線式Ethern

3、et網(wǎng)絡(luò)，其物理層實(shí)質(zhì)上是基于交換式集線器的星形結(jié)構(gòu)。圖1  機(jī)動(dòng)車(chē)安全性能檢測(cè)線監(jiān)控系統(tǒng)圖2  Ethernet接入模塊結(jié)構(gòu)圖 3 現(xiàn)場(chǎng)級(jí)以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的通信協(xié)議 Ethernet接入模塊模塊結(jié)構(gòu)Ethernet接入模塊實(shí)質(zhì)上是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器，主要完成TCP/IP協(xié)議與現(xiàn)場(chǎng)總線RS-232協(xié)議的轉(zhuǎn)換。模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。該模塊將通用的8位單片機(jī)與以太網(wǎng)控制芯片相結(jié)合，加上相應(yīng)的外圍電路而構(gòu)成?？煞殖扇齻€(gè)子模塊：以太網(wǎng)控制芯片子模塊，負(fù)責(zé)接收以太網(wǎng)幀，并把數(shù)據(jù)送給單片機(jī)處理；接收單片機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，按以太網(wǎng)幀格式發(fā)到以太網(wǎng)。單片機(jī)子模塊，負(fù)責(zé)控制整個(gè)模塊，從以太網(wǎng)控

4、制芯片子模塊中將數(shù)據(jù)包讀入內(nèi)存，進(jìn)行拆包處理，并將有關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)向RS-232串行接口；將RS-232串行口來(lái)的數(shù)據(jù)按有關(guān)協(xié)議進(jìn)行打包，送以太網(wǎng)控制芯片子模塊發(fā)至以太網(wǎng)上。擴(kuò)展子模塊，單片機(jī)外圍擴(kuò)展了程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，滿足程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需要。為模塊開(kāi)發(fā)的軟件主要有：模塊初始化程序、以太網(wǎng)控制器驅(qū)動(dòng)程序、TCP/IP協(xié)議棧程序、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置程序等。模塊初始化程序用于設(shè)置單片機(jī)工作模式及外圍芯片選擇字；以太網(wǎng)控制器驅(qū)動(dòng)程序用于設(shè)置以太網(wǎng)控制芯片的工作狀態(tài)及工作方式，配置收發(fā)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)；TCP/IP協(xié)議棧程序?qū)崿F(xiàn)ARP、IP、UDP協(xié)議；系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置程序用于給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分配IP地址及域名。TCP/IP

5、協(xié)議“剪裁” 用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議如圖3所示。受8位單片機(jī)自身結(jié)構(gòu)和功能的限制，從實(shí)用、夠用角度出發(fā)，該模塊對(duì)嵌入單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行了“瘦身”處理，對(duì)TCP/IP進(jìn)行“剪裁”，主要保留數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕竟δ?。由于機(jī)動(dòng)車(chē)安全性能檢測(cè)線負(fù)責(zé)監(jiān)控的站點(diǎn)相對(duì)固定，線上測(cè)控?cái)?shù)據(jù)量非常小(一次數(shù)據(jù)傳送量一般不超過(guò)100Byte)，“剪裁”的方案是：在鏈路層，單片機(jī)維護(hù)一個(gè)靜態(tài)的IP地址與MAC地址的映射表，取消RARP，實(shí)現(xiàn)的ARP也僅響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)ARP請(qǐng)求，發(fā)送ARP回答包。請(qǐng)求者廣播出包含ARP請(qǐng)求的以太網(wǎng)幀(幀類(lèi)型為0X0806)，目的以太網(wǎng)地址為全的廣播地址，本模塊收到后，發(fā)送一

6、個(gè)包含自身MAC地址的ARP回答，以使以太網(wǎng)上PC主機(jī)建立和維護(hù)IP地址和MAC地址的映射表；在網(wǎng)絡(luò)層，取消ICMP協(xié)議，在處理IP報(bào)頭時(shí)，不考慮數(shù)據(jù)分片和優(yōu)先權(quán)問(wèn)題，在服務(wù)類(lèi)型和標(biāo)志偏移域全部填“0”，在“協(xié)議”域填“17”，程序僅對(duì)頭核校和和上層是否是UDP協(xié)議進(jìn)行判斷； 在傳輸層，選擇基于無(wú)連接的UDP，而不用TCP。TCP雖然是基于連接的可*性傳輸協(xié)議，但開(kāi)銷(xiāo)大，對(duì)汽車(chē)安全性能檢測(cè)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)而言，通過(guò)采用超時(shí)重發(fā)、應(yīng)用層端口判斷、校驗(yàn)值檢查等措施，可以有效解決UDP的無(wú)連接和不可*問(wèn)題?！凹舨谩焙蟮腡CP/IP協(xié)議棧程序只有8KB大小，既適應(yīng)了單片機(jī)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，也完全滿足現(xiàn)場(chǎng)單片機(jī)通訊

7、需求。模塊工作流程模塊上電、初始化后，單片機(jī)采用查詢(xún)方式判斷以太網(wǎng)控制芯片中是否收到數(shù)據(jù)包，若有就讀入內(nèi)存，拆包，若是ARP包，則進(jìn)行ARP響應(yīng)；若是UDP包，拆包，檢查應(yīng)用層端口、檢驗(yàn)值，判斷應(yīng)用層數(shù)據(jù)是否為I/O操作命令，是則執(zhí)行I/O操作命令，其中讀I/O端口的數(shù)據(jù)要打包發(fā)往網(wǎng)絡(luò)；若不是I/O操作命令，將應(yīng)用層數(shù)據(jù)從TXD口送出。采用中斷方式接收RXD口來(lái)的數(shù)據(jù)，打包送以太網(wǎng)。UDP數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中采用超時(shí)重發(fā)、出錯(cuò)重發(fā)機(jī)制，保證模塊與控制節(jié)點(diǎn)間按流程進(jìn)行通信。 監(jiān)控實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)現(xiàn)由于采用以太網(wǎng)技術(shù)給每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)模塊設(shè)定IP地址，使其在網(wǎng)絡(luò)上具有了唯一性的節(jié)點(diǎn)，對(duì)其的訪問(wèn)也就變得比其他總線形式更加簡(jiǎn)單，主機(jī)只需要根據(jù)Socket編寫(xiě)通用的訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的程序，Ethernet接入模塊均可按照UDP協(xié)議進(jìn)行識(shí)別和處理，使得程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。安全控制措施監(jiān)控系統(tǒng)在檢測(cè)線內(nèi)網(wǎng)加裝測(cè)毒、殺毒軟件，內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)之間構(gòu)筑防火墻，采用包過(guò)濾、應(yīng)用網(wǎng)關(guān)技術(shù)和身份認(rèn)證技術(shù)，防止非授權(quán)的外網(wǎng)用戶訪問(wèn)內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)或操作控制現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備。 結(jié)語(yǔ) 參考文獻(xiàn)：1.