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1 引言
工業(yè)過程控制中需要測量和控制的變量很多,，以往基于PC機(jī)外接的數(shù)據(jù)采集卡，采集的點(diǎn)數(shù)有限,，而且要直接和PC機(jī)的串口或者并口相連,，極大限制了PC機(jī)資源的充分利用。工業(yè)以太網(wǎng)的出現(xiàn)為構(gòu)成開放式的模塊化的數(shù)據(jù)采集奠定了基礎(chǔ),，本項(xiàng)目開發(fā)一個(gè)基于工業(yè)以太網(wǎng)的嵌入式智能模塊的開放式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),。以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò),，它不但應(yīng)用于商用網(wǎng)絡(luò),，同時(shí)在近年來大舉進(jìn)軍工業(yè)控制領(lǐng)域，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益,。以太網(wǎng)最初得到應(yīng)用時(shí),，它采用帶有沖突檢測的多路載波偵聽協(xié)議（CSMA/CD）和二進(jìn)制指數(shù)回退算法[1]。在這種協(xié)議和算法下,，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)繁忙時(shí),，它的非實(shí)時(shí)性和不確定性大大增加。因此，以太網(wǎng)在很長的一段時(shí)間只能用于對實(shí)時(shí)性和確定性要求不是很高的辦公網(wǎng)絡(luò),，它在工業(yè)數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域的應(yīng)用受到很大限制,。隨著交換技術(shù)和全雙工數(shù)據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)大大提高了在數(shù)據(jù)通信中的實(shí)時(shí)性和確定性,，而且在許多工業(yè)領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。 2 以太網(wǎng)用于工業(yè)數(shù)據(jù)通信的技術(shù)基礎(chǔ) 以太網(wǎng)的交換技術(shù)和全雙工通信技術(shù)的支持,。以太網(wǎng)的交換技術(shù)由原先的端對端的網(wǎng)橋連接發(fā)展到了現(xiàn)在的以太網(wǎng)交換機(jī),。在數(shù)據(jù)發(fā)送的過程中，目前廣泛應(yīng)用存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù),，先把輸入端口的數(shù)據(jù)包存儲起來,，然后進(jìn)行CRC檢查，在對錯(cuò)誤包處理后才取出數(shù)據(jù)包的目的地址,，通過查找表轉(zhuǎn)換成輸出端口送出包[2],。正因如此，存儲/轉(zhuǎn)發(fā)方式在數(shù)據(jù)處理時(shí)延時(shí)大,，這是它的不足,，但它可以對進(jìn)入交換機(jī)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行錯(cuò)誤檢測，尤其重要的是它可以支持不同速度的輸入輸出端口間的轉(zhuǎn)換,，保持高速端口與低速端口間的協(xié)同工作,。 全雙工（Full-Duplex）技術(shù)也是隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展而被廣泛地用于以太網(wǎng)交換機(jī)的。現(xiàn)在各大廠家都有基于IEEE802.3X全雙工通信協(xié)議的機(jī)型,，這種交換機(jī)集成了目前以太網(wǎng)技術(shù)的最新成果,。有了交換技術(shù)和全雙工技術(shù)的支持，以太網(wǎng)的不確定性和實(shí)時(shí)性差的確定得到很大的改觀,，在工業(yè)數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域得到了眾多廠商的認(rèn)可,。 網(wǎng)絡(luò)單片機(jī)的發(fā)展和相對應(yīng)的軟件開發(fā)環(huán)境隨著以太網(wǎng)通信技術(shù)的進(jìn)步，各大廠商紛紛推出基于嵌入式以太網(wǎng)的處理器,，本系統(tǒng)所用的Rabbit2000就是其中的一種,。Z-World公司推出的BL2100核心模塊使用了Rabbit2000處理器，它是專門應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域的以太網(wǎng)通信智能模塊,，支持各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（如TCP,，HTTP，F(xiàn)TP,，SMTP,，PPP等），開發(fā)過程中使用的是基于TCP/IP協(xié)議的Socket編程系統(tǒng)[3],。對應(yīng)于硬件配置,，Z-World公司提供了相應(yīng)的軟件開發(fā)環(huán)境，即Dynamic C語言,，它去掉了普通C語言中不符合實(shí)時(shí)性要求的部分,，加入了適用于實(shí)時(shí)控制的功能,，提供了眾多功能豐富的函數(shù)庫，包括數(shù)學(xué)函數(shù)庫,、I/O函數(shù)庫,、串口通信函數(shù)庫、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)輸出函數(shù)庫,，還有基于各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信所需要的函數(shù)庫[4],。BL2100在系統(tǒng)編程（ISP），程序開發(fā)調(diào)試方面非常方便,。 3 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),，最上層為PC監(jiān)控機(jī)，中間層為網(wǎng)絡(luò)通信模塊BL2100,，現(xiàn)場層為MSP430智能控制節(jié)點(diǎn),。 PC機(jī)和BL2100之間的通信是基于工業(yè)以太網(wǎng)，BL2100和MSP430之間的通信是用RS-485總線來實(shí)現(xiàn)的,。 監(jiān)控PC機(jī)采用組態(tài)軟件開發(fā)出相應(yīng)的監(jiān)控界面,，可以實(shí)現(xiàn)多種多樣的數(shù)據(jù)處理功能，包括歷史數(shù)據(jù)存儲,、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)動態(tài)顯示,、報(bào)警信息輸出等。同時(shí)操作人員根據(jù)不同的控制要求可以發(fā)出不同的控制命令,。BL2100網(wǎng)絡(luò)模塊帶有工業(yè)以太網(wǎng)接口和RS-485接口,，多個(gè)網(wǎng)絡(luò)模塊可以通過以太網(wǎng)交換機(jī)來連接PC監(jiān)控機(jī)，在局域網(wǎng)內(nèi)可以充分利用豐富的IP地址資源而不受外網(wǎng)的限制,，適合于工廠內(nèi)部環(huán)境,。MSP430智能節(jié)點(diǎn)主要作用是接收采集命令，進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集,，通過RS-485總線傳給BL2100,。根據(jù)不同的硬件配置，可以在每條總線上掛接多達(dá)128個(gè)MSP430智能節(jié)點(diǎn),。BL2100一方面通過RS-485和MSP430進(jìn)行數(shù)據(jù)通信獲得各個(gè)節(jié)點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù),，另一方面把數(shù)據(jù)處理打包以Socket套接字通信的方式發(fā)送給PC監(jiān)控機(jī)。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示,。
圖1 系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)示意圖 4 系統(tǒng)軟件開發(fā) 網(wǎng)絡(luò)模塊程序總體框圖如圖2所示,。
圖2 網(wǎng)絡(luò)模塊程序總體框圖 網(wǎng)絡(luò)模塊BL2100運(yùn)行過程中，程序首先進(jìn)行必要的硬件初始化,，然后接收PC監(jiān)控機(jī)發(fā)送的命令,，確定系統(tǒng)各個(gè)采樣通道的配置，包括采樣周期、濾波參數(shù)設(shè)置等,，然后通過RS-485總線發(fā)出命令,，MSP430接到命令進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集完畢發(fā)送給BL2100,，再通過工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)送給PC機(jī),。 在本系統(tǒng)使用的Dynamic C語言開發(fā)環(huán)境中，提供了基于TCP/IP協(xié)議的Socket網(wǎng)絡(luò)通信編程所需的全部庫函數(shù),。Socket通信首先要?jiǎng)?chuàng)建套接字,，其次給套接字賦予地址信息，再建立Socket連接,，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,。通訊過程中還要有網(wǎng)絡(luò)狀況偵聽功能和網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤處理子程序,。本系統(tǒng)的通信有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)兩部分信息流,，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括采樣得到的數(shù)據(jù)流，非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)主要是各種各樣的采樣控制參數(shù)流,。數(shù)據(jù)通信以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流為主兼之以非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流,，程序設(shè)計(jì)按照Server/Client的形式，網(wǎng)絡(luò)模塊BL2100為服務(wù)器,，PC機(jī)為客戶機(jī),。下面以運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)模塊上的數(shù)據(jù)發(fā)送程序來說明Socket通信設(shè)計(jì)的主要流程： 首先定義Socket套接字，它是基于TCP協(xié)議的,，必須包含一個(gè)完整的TCP連接所需要的全部信息,。但是它還不是一個(gè)具體的針對某一連接的，只是一個(gè)定義;其次初始化Socket套接字開發(fā)環(huán)境,，主要是在Dynamic C語言的編譯環(huán)境中聲明,，獲得開發(fā)環(huán)境的支持。該函數(shù)載入Rabbit2000關(guān)于TCP,，Socket的相關(guān)驅(qū)動程序,，它必須在所有的TCP，Socket相關(guān)函數(shù)調(diào)用之前調(diào)用;最后調(diào)用發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的子程序,，在這里面要具體的創(chuàng)建套接字,，建立、連接,、發(fā)送數(shù)據(jù),。 子程序的部分源碼如下： Void RealTimeDataSend（tcp_Socket＊ sock, long ＊buff, int＊ state,word my_port） ｛switch（＊ state） Case 0: if（tcp_open（…）!=0）//偵聽網(wǎng)絡(luò)建立連接 printf（“Connect success”）; else sock_tick（…）;//套接字管理,，完畢后轉(zhuǎn)往sock_err（）函數(shù) timer_2=MS_TIMER;//定時(shí)器 ?。ǎ猻tate）++; break; Case 1: if（sock_established（sock））//建立本連接的套接字 ｛//建立套接字成功 ＊state=2; …… Printf（“Socket success establish!!!”）; ?。?/span> else if（MS_TIMER-time_2>OUT_TIME） ?。?/超時(shí)處理 ＊state=3; …… ?。?/span> Case 2://發(fā)送數(shù)據(jù) if（send_start=0）//是第一次發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送全部的實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)參變量 ?。鹲ock_fastwrite（buff）;//往發(fā)送緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù) send_start=1; ｝ else if（send_start=1） ?。?/只發(fā)送實(shí)時(shí)變量 sock_fastwrite（buff）; ?。猻tate=2; break; …… ｝ Case3: sock_abort（sock）;//關(guān)閉套接字 break; …… sock_err（…）;//套接字錯(cuò)誤處理 ?。?/span> 以上介紹的是網(wǎng)絡(luò)模塊向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的流程,。但是這只是單方向的數(shù)據(jù)流動，如上所述,，現(xiàn)在的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)支持全雙工的通信,，即數(shù)據(jù)的雙向流動可以完美地實(shí)現(xiàn)，基于此,，現(xiàn)場的智能節(jié)點(diǎn)在不斷向PC機(jī)發(fā)送采集數(shù)據(jù)的同時(shí)也可以隨時(shí)接受來自PC機(jī)的控制信息及其對應(yīng)的數(shù)據(jù)流,。本文設(shè)計(jì)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)接收子程序。函數(shù)定義如下： UnRealTimeDataReceive （tcp_Socket ＊sock, long ＊buff, int ＊state, word my port） ?。?hellip;… Case2: sock_fastread（buff）;//從接收緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù) …… ?。?/span> 參數(shù)的定義和接收子程序相比，只有在＊state等于2時(shí)有所不同,，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)模塊接收數(shù)據(jù),，它根據(jù)緩沖區(qū)第一個(gè)數(shù)據(jù)獲得所要接收的參數(shù)的索引號，將緩沖區(qū)第二個(gè)數(shù)據(jù)賦給具體的參數(shù)變量,。還有一點(diǎn)要說明的是,，工作人員進(jìn)行監(jiān)控操作，這個(gè)過程不是實(shí)時(shí)進(jìn)行的,，帶有很強(qiáng)的隨機(jī)性,。因此控制信息流不是實(shí)時(shí)存在的，而是隨機(jī)的,，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)模塊會不斷地偵聽網(wǎng)絡(luò)來查看有沒有對應(yīng)本模塊的數(shù)據(jù)包,，如果有則進(jìn)入接收子程序。 5 結(jié)束語 本文結(jié)合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)討論了工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用,，介紹了在Dynamic C環(huán)境下基于TCP協(xié)議的Socket網(wǎng)絡(luò)編程,。本系統(tǒng)開發(fā)以后，用于一套皮革噴漆自動控制系統(tǒng)中,，得到了成功的應(yīng)用,。實(shí)踐證明,，基于工業(yè)以太網(wǎng)的通信運(yùn)行很穩(wěn)定，延遲很小,，在一臺PC監(jiān)控機(jī)同時(shí)和多臺皮革噴漆系統(tǒng)連接工作的情況下,，運(yùn)行同樣穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性和確定性都得到了有效的保證,?？梢灶A(yù)見，工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用必將日益廣泛,，基于TGP/IP協(xié)議的Socket套接字通信方式作為實(shí)現(xiàn)的方法簡單實(shí)用穩(wěn)定,，已經(jīng)獲得了大多數(shù)工業(yè)監(jiān)控開發(fā)軟件的支持。目前集管理和控制于一體的工業(yè)生產(chǎn)過程計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)（CIPS）正在快速地發(fā)展,，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)使CIPS進(jìn)人工廠企業(yè)的步伐大大加快,，這極大地促進(jìn)制造業(yè)的信息化進(jìn)程。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：針對工業(yè)數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的現(xiàn)狀,，提出一種新的基于工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集方案,，采用基于Rabbit2000高性能單片機(jī)擴(kuò)展的帶有以太網(wǎng)通信接口的核心模塊BL2100及其所時(shí)應(yīng)的Dynamic C開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了基于Socket套接字的工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信,，并成功地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中,，滿足了工業(yè)數(shù)據(jù)通信要求的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性,。 參考文獻(xiàn) [1] 馮曄,，馮忠義.基于Socket網(wǎng)絡(luò)編程接口實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)視頻傳輸?shù)膽?yīng)用研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，1998,，14：5：17-20. [2] Tarerbaum A S.潘愛民譯. Computer networks （fourth edition）[M].北京：清華大學(xué)出版社,，2004. [3] Z-World Inc. Dynamic C premier for semiconductor microprocessors integrated C development system user’s manual[M]. California: Z-world Corporation, 1999.
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