CN102722153A

CN102722153A - 嵌入式网络化远程输入输出系统

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Publication number: CN102722153A
Application number: CN2012101960521A
Authority: CN
Inventors: 湛红晖; 陈钧; 白亚建
Original assignee: Suzhou Logthing Electronic Science And Technology Co Ltd
Current assignee: Suzhou Logthing Electronic Science And Technology Co Ltd
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2012-10-10

Abstract

本发明公开了一种嵌入式网络化远程输入输出系统，包括ARM模块、I/O模块以及控制程序三部分，由ARM模块可动态地控制、管理的I/O模块可为1～256个，ARM模块运行WinCE5.0嵌入式操作系统，通过RS-232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，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(FLASH)里；I/O模块通过RS-232总线与ARM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。本发明不依赖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。

Description

嵌入式网络化远程输入输出系统

技术领域

本发明涉及自动控制领域，具体涉及一种嵌入式网络化远程输入输出系统。

背景技术

随着Internet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。据网络专家的预测，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。

从解决这一技术问题出发，目前有如下几种方案：

1．Gateway+专用网：采用专用网络（如RS-232，RS-232，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。

2. 32位MCU+RTOS: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。

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l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。

缺点：外围资源少，不是占先式的实时操作系统。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术所存在的不足，提供一种嵌入式网络化远程输入输出系统。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。

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：

一种嵌入式网络化远程输入输出系统，它包括ARM模块、I/O模块以及控制程序三部分，所述由ARM模块可动态地控制、管理的所述I/O模块可为1～256个，所述的ARM模块包括开关量输入模块( DI)、开关量输出模块(DO)，ARM模块运行WinCE5.0嵌入式操作系统，通过RS-232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，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(FLASH)里；I/O模块通过RS-232总线与ARM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。

对于上述技术方案，发明人还有进一步的详细优化措施。

作为优化，所述ARM模块包括：

第一单片机( CPUl)；

动态数据存储器（SDRAM），存储ARM模块中第一单片机( CPUl)运行的控制程序，还存储所述I/O模块采集的现场数据；

非易失性数据存储器（NVRAM），主要存放为ARM模蛱设定的信息参数，并由第一单片机( CPUl)读取；

程序存储器( FLASH)，用来存放操作系统内核程序、网络协议TCP( UDP)/IP、各功能控制程序模块和RS-232接口通讯协议，并通过第一单片机( CPUl)运行控制程序模块中RS-232通讯模块程序，经RS-232接口

与I/O模块相连；

时钟( CLOCK)，为ARM模块提供时间信息；

物理层( PHY)，与第一单片机(CPUl)连接，用来完成TCP/IP网络协议中的第一层部分；

RS-232总线，连接ARM模块和各I/O模块，进行数据通讯操作，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。

ARM模块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150M WiFi模块通讯。

所述ARM模块既可以作为以太网现场的接入设备，也可作为RS-232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。

进一步，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ARM模块通信，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。

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，与单片机相连，与ARM模块连接采用标准的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。

所述控制程序模块包括RS-232通讯模块、设备组态模块、数据采集/存储模块、数据诊断报警模块、数据传送模块以及控制台通信模块，其中：

RS-232模块为系统与系统I/O模块间提供数据访问通道；

设备组态模块用于配置现场设备参数，所述的现场设备参数包括系统IP地址、I/O模块的识别与配置参数、报警配置信息、RS-232总线参数、数据采集率以及RS-232通信参数等；

数据采集/存储模块通过RS-232通讯模块读取由I/O模块采集的现场数据信息并进行存储；

数据诊断报警模块根据设备组态模块所提供的报警配置信息并结合数据采集/存储模块所才记得到的数据监测I/O数据的异常报警，同时所述的数据诊断报警模块存储报警信息并将报警信息通过电子邮件发送至管理人员；

数据传送模块根据用户组态信息，利用以太网将现场所采集数据发送至远程服务中心；

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。

相比于现有技术中的解决方案，本发明优点是：

1. 应用广泛。可以应用于机械制造、石油、化工、石化、制药、冶金、采矿、电力、食品加工、能源、消防、银行监控等行业的自动化控制领域。

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RS-485总线上的现场设备，实现了彻底的分散控制，体现了系统结构的高度分散性。

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RS-232总线连成系统，实现综合自动化的各种功能。

4. 本发明具有使用的灵活性。模块间采用RS-232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。

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。

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。

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64M，可扩展至128M，数据存储器64M，可扩展到2048M，最少32个通用输入、输出端口( GPIO)，2个USB2.0接口，1个RG45接口，1个WiFi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：

1. 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。

2. 节省安装费用。由于采用RS-232总线，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。

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。

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（RS-485总线）和网络技术的使用，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。

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。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的硬件结构框图；

图2为ARM模块的原理框图；

图3为ARM模块的控制程序结构框图；

图4为控制台通信模块的程序流程图；

图5为RS-232通讯模块中ARM模块通讯的程序流程图；

图6为RS-232模块中I/O模块中断响应的程序流程图。

具体实施方式

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。

实施例：

本实施例描述了一种嵌入式网络化远程输入输出系统，其整体结构框图如图1所示，它包括ARM模块、I/O模块以及控制程序三部分，所述由ARM模块可动态地控制、管理的所述I/O模块可为1～256个，所述的ARM模块包括开关量输入模块( DI)、开关量输出模块(DO)，ARM模块运行WinCE5.0嵌入式操作系统，通过RS-232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，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(FLASH)里；I/O模块通过RS-232总线与ARM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。

所述ARM模块结构如图2所示，包括：

第一单片机( CPUl)；

与I/O模块相连；

时钟( CLOCK)，为ARM模块提供时间信息；

控制程序模块的结构如图3所示，其包括：

1、设备组态模块

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；其具体实现的功能如下：

本发明系统的IP地址配置；

I/O模块的识别与配置功能；

设备报警通知功能配置，提供用户报警通知的电子邮件地址等功能；

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；

I/O模块RS-232总线参数配置，数据采集率、RS-232通信参数等；

2、数据采集/存储模块

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，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。

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。

3、数据诊断报警模块

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；

I/O模块掉电检测报警；

报警信息的历史存储；

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。

4、数据传送模块

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。

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。

5、控制台通信模块

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；

其具体功能为：

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。

具体流程为：其工作程序流程图如图4所示，首先ARM启动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。

6、RS-232通信模块

RS-232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。

其具体功能为：

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/O模块的组态信息读写功能。

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模块通讯流程如图5所示，为：在入口处执行存储在动态数据存储器中的RS-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宇，否则重试（重试大于3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，否则发下传命令宇；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模块中断响应流程如图6所示：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SM2置O，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SM2置l，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，SM2置1，恢复现场、中断返回。

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。

Claims

1.一种嵌入式网络化远程输入输出系统，其特征在于，它包括ARM模块、I/O模块以及控制程序三部分，所述由ARM模块可动态地控制、管理的所述I/O模块可为1～256个，所述的ARM模块包括开关量输入模块( DI)、开关量输出模块(DO)，ARM模块运行WinCE5.0嵌入式操作系统，通过RS-232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，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(FLASH)里；I/O模块通过RS-232总线与ARM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。

2.根据权利要求1所述的嵌入式网络化远程输入输出系统，其特征在于，所述ARM模块包括：

第一单片机( CPUl)；

与I/O模块相连；

时钟( CLOCK)，为ARM模块提供时间信息；

RS-232总线，连接ARM模块和各I/O模块，进行数据通讯操作。

3.根据权利要求1所述的嵌入式网络化远程输入输出系统，其特征在于，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ARM模块通讯，在第一模数/转换器( A/Dl)和第二单片机(CPU2)之间设有第一光电隔离器( OPTl)。

4.根据权利要求1所述的嵌入式网络化远程输入输出系统，其特征在于，开关量输出模块( DO)主要由第二单片机(CPU2)及第二光电隔离器(OPT2)组成，第二单片机(CPU2)输入信号来自ARM模块，其输出信号经第二光电隔离器(OPT2)送至外围控制设备。

5.根据权利要求1或3或4所述的嵌入式网络化远程输入输出系统，其特征在于，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），与单片机相连。

6.根据权利要求1所述的嵌入式网络化远程输入输出系统，其特征在于，所述控制程序模块包括RS-232通讯模块、设备组态模块、数据采集/存储模块、数据诊断报警模块、数据传送模块以及控制台通信模块，其中：

RS-232模块为系统与系统I/O模块间提供数据访问通道；

数据传送模块根据用户组态信息，利用以太网将现场所采集数据发送至远程服务中心；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。