CN1604066A - 嵌入式网络化远程输入输出系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种嵌入式网络化远程输入输出系统，它是一个具有以太网接口的分布式输入输出系统，主要应用于工业自动化控制领域，由NETWEB模块、I/O模块及控制程序模块组成，NETWEB模块负责网络传输、网络监控，及通过RS－485接口对现场数据进行采集、处理，控制I/O模块；I/O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NETWEB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WEB浏览器便可以实现监测、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。
Description
技术领域
本发明涉及自动控制领域，具体地说是一种嵌入式网络化远程输入输出系统。该系统通过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-485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。
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-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。
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.Scenix MCU+虚拟软件包(网络单片机)：采用Scenix公司提供的8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1亿条指令)，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机或高档单片机，真正实现8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Scenix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
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。
为了实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：
该系统由三部分组成：NETWEB模块、I/O模块及控制程序模块，其中：
NETWEB模块运行Internet网络协议栈，通过RS-845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NETWEB模块中的程序存储器里；
I/O模块通过RS-485总线与NETWEB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。
NETWEB模块包括：
-第一单片机；
-动态数据存储器，存储NETWEB模块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；
-非易失性数据存储器，主要存放为NETWEB模块设定的通讯波特率、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；
-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RS-485接口通讯协议，并通过第一单片机运行控制程序模块中RS-485通讯模块程序，经RS-485接口与I/O模块相连；
-时钟，为NETWEB模块提供时间信息，NETWEB模块断电后，由电池独立供电；
-物理层，与第一单片机确连接，用来完成TCP/IP网络协议中的第一层部分；
-RS-485总线，连接NETWEB模块和各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NETWEB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，主要主站完成I/O模块的识别、数据通讯操作。
NETWEB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；二是通过调制解调器的电话接入方式，并通过RS-232接口与调制解调器连接，再经RJ11接口及电话线路接入以太网，进行远程传输数据、监控，调制解调器接入功能为设备的可选功能，内还运行程序功能模块，与以太网接口、RS-485接口及RS-232接口双向通讯。
所述NETWEB模块既可以作为以太网现场的接入设备，也可作为RS-485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。
所述由NETWEB模块最大可动态地控制、管理的所述I/O模块可为32～256个，主要包括：模拟量输入模块、模拟量输出模块、开关量输入模块、开关量输出模块、脉宽调制输出模块等。
模拟量输入模块AI由第二单片机、第一模/数转换器、多路开关转换器及第一光电隔离器组成，第二单片机通过开关转换器选择输入被测信号，信号经模/数转换器，送至第二单片机，再通过RS-485接口与NETWEB模块通讯，在第一模数/转换器和第二单片机之间设有第一光电隔离器；
模拟量输出模块主要由第三单片机、第一～二数/模转换器及第二光电隔离器组成，第三单片机输入信号来自NETWEB模块，其输出信号经第二光电隔离器送至第一～二数/模转换器，第一～二模/数转换器输出信号送至外围控制设备；
开关量输入模块主要由第四单片机及第三光电隔离器组成，外界各种开关信号为光电隔离器输入信号，第三光电隔离器输出信号送至第四单片机，第四单片机经RS-485接口与NETWEB模块通信，将输入数据传送给NETWEB模块；
开关量输出模块主要由达林顿驱动器、第五单片机及第四光电隔离器组成，第五单片机经RS-485接口与NETWEB模块通信，通讯信息是的输入信号，输出端经第四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模块包括模拟量输入模块、模拟量输出模块、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NETWEB模块连接采用标准的RS-485接口方式，根据选用的RS-485接口的驱动芯片不同，最多可连接256个I/O模块，NETWEB模块能够自动识别I/O模块的类型，I/O模块内部按照NETWEB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。
软件功能模块(控制程序)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，能够自动识别连接的I/O模块类型(如模拟量输入模块(AI)、模拟量输出模块(AO)、开关量输出模块(DO)、开关量输入模块(DI))，同时提供I/O参数的量程、工程单位、上下限等参数配置；
·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-485总线参数配置，数据采集率、RS-485通信参数等；
·MODEM数据通信参数配置，如波特率、远程服务中心电话号码等。
具体流程为：系统启动后从非易失性数据存储器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，如存入非易失性数据存储器，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，结束程序；如不是存入非易失性数据存储器的情况下，结束程序；如选择的是NETWEB模块第一单片机中刷新设备列表，则先通过RS-485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非易失性数据存储器中，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，不是存入非易失性数据存储器的情况下，结束程序。
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-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。
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NETWEB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NETWEB模块、数据传输模块程序从存储区读数据，再设置NETWEB模块、数据传输模块程序可读取标志为可读，使NETWEB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；
报警的邮件通知功能。
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，并根据组态信息发电子邮件，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，利用以太网或电话线路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求的远程发送功能；
·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NETWEB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、WEB发布模块
WEB发布模块提供嵌入式WEB数据发布功能，使用户使用标准的浏览器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WEB服务器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；
·提供用户定制网页上载功能，用户自己开发的网页可以通过该模块提供的上载功能，载入到嵌入式设备中；
·提供现场设备的组态功能网页。
具体流程为：首先NETWEB启动Web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网页上，否则把动态数据存储器历史数据输出到网页上，然后把可读取标志设为读取完成，最后判断是否退出Web服务，是则结束，否则返回接收用户输入。
6、RS-485通信模块
RS-485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。
·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NETWEB模块通讯流程和I/O模块中断响应流程为两部分，其中NETWEB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RS-485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I/O模块中断响应流程：在中断入口I/O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SM2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，SM2置1，恢复现场、中断返回。
本发明具有如下优点：
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线，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-485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-485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4M，可扩展至8M，数据存储器8M，可扩展到32M，40个通用输入、输出端口(GPIO)，1个RS-232接口，1个RS-485接口，1个网络接口，32K非易失性数据存储器(NVRAM)，可扩展到256K，PCF8563时钟一片，串行EEPROM可连接256K。
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场的智能设备(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-485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，与模拟信号相比，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，便于企业管理人员检索数据，监控设备运行状况。
附图说明
图1是本发明的硬件结构框图。
图2-1是图1中NETWEB模块原理框图。
图2-2是图2-1的电路原理图。
图3是模拟量输入模块原理图。
图4是模拟量输出模块原理图。
图5是开关量输入模块原理图。
图6是开关量输出模块原理图。
图7是NETWEB模块的控制程序流程框图。
图8是WEB发布模块的程序流程图。
图9-1是RS-485通讯模块中NETWEB模块(主机)通讯的程序流程图。
图9-2是RS-485通讯模块中I/O模块(从机)中断响应的程序流程图。
图10是数据传送模块的控制程序流程图。
图11是数据诊断报警模块的程序流程图。
图12是设备组态模块的程序流程图。
图13是数据采集/存储模块的程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明包括NETWEB模块和I/O模块，图2-1是NETWEB模块原理框图，NETWEB模块内的第一单片机CPU1运行ThreadX实时操作系统内核，程序存储器FLASH中各个程序功能模块依据其优先级的不同，由操作系统统一调度、运行。NETWEB的硬件组成如下：采用Netsilicon公司提供的ARM系列中的NET+50型号的第一单片机CPU1，实现网络功能。AM29DL323DB-90EI 4M 32位程序存储器FLASH，48LC2M32B2-7 8M16位动态数据存储器SDRAM，AT28LV64B 32K 8位并行非易失性数据存储器NVRAM，具有MII接口的物理层PHY(驱动芯片LXT971ALE)作为以太网接口，PCF8563 I2C芯片接口的时钟CLOCK，MAX3241接口驱动芯片组成RS-232接口，MAX485接口驱动芯片组成RS-485接口，及隔离电源DIA等。
所述单片机是32位机，RISC结构，集成有10/100BaseT以太网介质访问控制器(MAC)、10MB ENDEC接口、10通道DMA控制器、2个独立的串行口、总线接口、定时器、通用I/O等等，采用RS-485总线将外围模块连接起来，软件开发采用NetSilicon公司提供的NET+OS软件包进行二次开发。该开发软件包包括：
.ThreadX占先式实时内核；
.Green HillsMulti 2000 IDE；
.NET+OS驱动器、网络协议和网络服务；
.NetSilicon提供的其它工具。
如图2-1、2-2所示，本系统包括NETWEB模块和I/O模块，NETWEB模块通过RS-485接口与I/O模块相连接；NETWEB模块由第一单片机CPU1、动态数据存储器SDRAM、程序存储器FLASH、时钟CLOCK、非易失性数据存储器NVRAM及物理层PHY组成，第一单片机CPU1连接于物理层PHY与动态数据存储器SDRAM、程序存储器FLASH、时钟CLOCK、非易失性数据存储器NVRAM之间，物理层PHY还通过以太网接口、RJ45至以太网，并经RS-232接口由MODEM接入以太网，程序存储器FLASH内存有网络协议TCP(UDP)/IP、实时操作系统内核、RS-485通讯协议，并通过第一单片机CPU1运行RS-485通讯模块程序，经RS-485接口与I/O模块相连。
如图7所示，上电时第一单片机CPU1将程序存储器FLASH中程序拷贝到动态数据存储器SDRAM中，包括：以太网网络通过网络协议TCP(UDP)/IP、实时操作系统内核，及完成各功能的控制程序模块，控制程序模块为：WEB发布模块、485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：
如图8所示，WEB发布模块流程：首先NETWEB启动Web服务，接收用户输入，第一单片机CPU1等待并判断存储区标志是否设为可读，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SDRAM中实时数据输出到网页上，否则把动态数据存储器SDRAM历史数据输出到网页上，然后把可读取标志设为读取完成，最后判断是否退出Web服务么，是则结束，否则返回接收用户输入。
如图9-1、9-2所示，485通讯模块流程分NETWEB模块(主机)通讯流程和I/O模块(从机)中断响应流程为两部分，其中NETWEB模块(主机)通讯流程为：在入口处执行存储在动态数据存储器SDRAM中的RS-485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CPU1发送命令字，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。
I/O模块(从机)中断响应流程：在中断入口I/O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CPU1，通讯位SM2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CPU1，令SM2置1，恢复现场、中断返回；如不是上传命令字(如主机发送的是控制命令字)，由I/O模块执行控制命令，SM2置1，恢复现场、中断返回。
如图10所示，数据传送模块流程为：启动后第一单片机CPU1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NETWEB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数据存储区是可读，程序的可读标志为正在读取。
如图11所示，数据诊断报警模块流程：所述数据诊断报警模块流程：启动后第一单片机CPU1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(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SDRAM数据区，并根据组态信息发电子邮件，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；
如图12所示，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(电话号、IP等)，则判断存储信息是否是存入非易失性数据存储器NVRAM，如是存入非易失性数据存储器NVRAM，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；不是存入非易失性数据存储器NVRAM的情况下，结束程序；如选择的是NETWEB模块第一单片机CPU1中刷新设备列表(如上下限、数据类型等)，则先通过RS-485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。
如图13所示，数据采集/存储模块流程为：开始后由第一单片机CPU1将动态数据存储器SDRAM存储区读写标志设为写，再判断NETWEB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，队列头部是实时数据，然后都是历史数据(可采用循环队列的方法存储)，将动态数据存储器SDRAM存储区读写标志设为可读，允许NETWEB模块、数据传输模块程序从存储区读数据，再设置NETWEB模块、数据传输模块程序可读取标志为可读，使NETWEB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。
本实施例I/O模块(如图1所示)包括四种，即图3所示的八通道模拟量输入模块AI、图4所示的八通道模拟量输出模块AO、图5所示的八通道开关量输入模块DI、图6所示的八通道开关量输出模块DO。其硬件组成如下：
1.模拟量输入模块AI
如图3所示，模拟量输入模块AI适用于工业现场，可输入8路电压信号或电流信号，并通过RS-485接口，与NETWEB模块进行实时通讯。
本模块由第二单片机CPU2、第一模/数转换器A/D1、多路开关转换器MUX及第一光电隔离器OPT1组成，第二单片机CPU2通过开关转换器MUX选择输入被测信号，信号经模/数转换器A/D1，送至第二单片机CPU2，再通过RS-485接口(采用MAX485芯片)与NETWEB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OPT1。
本模块选用AT89C52为第二单片机CPU2和AD7705、16位第一模/数转换器A/D1，采用ADG508为多路开关转换器MUX，可输入1～5V电压信号或4～20mA电流信号(通过跳线选择)，并通过RS-485接口(带有ESD静电保护)与NETWEB模块通讯，本模块在第一模数/转换器A/D1和第二单片机CPU2之间采用了光电隔离技术，使供电电源和通讯与模拟输入分开，使模块的抗干扰能力进一步加强。
2.模拟量输出模块AO
如图4所示，模拟量输出模块AO适用于工业现场，可输出4路电压信号和4路电流信号，并通过RS-485接口，与NETWEB模块进行实时通讯。
本模块主要由第三单片机CPU3、第一～二数/模转换器D/AI～D/A2及第二光电隔离器OPT2组成，第三单片机CPU3输入信号来自NETWEB模块，其输出信号经第二光电隔离器OPT2送至第一～二数/模转换器D/AI～D/A2，第一～二模/数转换器D/AI～D/A2输出信号送至外围控制设备。
本模块选用AT89C52为第三单片机CPU3和BB公司的DAC7615为第一～二数/模转换器D/A1～D/A2进行12位模/数转换，可输出-10V～+10V电压信号或4-20mA电流信号，对外围设备进行控制(如手操器)，并通过RS-485接口(带有ESD静电保护)与NETWEB模块进行通讯。本模块在数/模转换器和第三单片机CPU3之间采用了光电隔离技术，使供电电源和通讯与模拟输出分开，使模块的抗干扰能力进一步加强。
3.开关量输入模块DI
如图5所示，本模块主要由第四单片机CPU4及第三光电隔离器OPT3组成，外界各种开关信号为光电隔离器输入信号，第三光电隔离器OPT3输出信号送至第四单片机CPU4，第四单片机CPU4经RS-485接口与NETWEB模块通信，将输入数据传送给NETWEB模块。
开关量输入模块DI选用AT89C52为第四单片机CPU4。用于工业现场，可采集8路开关量输入信号的状态，通过RS-485接口(带有ESD静电保护)，与NETWEB模块实时通讯。同时在输入信号和第四单片机CPU4之间采用了光电隔离技术，使第四单片机CPU4和开关量输入分开，使模块的抗干扰能力进一步加强。
4.开关量输出模块DO
如图6所示，本模块主要由达林顿驱动器ULN、第五单片机CPU5及第四光电隔离器OPT4组成，第五单片机CPU5经RS-485接口与NETWEB模块通讯，通讯信息是第五单片机CPU5的输入信号，输出端经第四光电隔离器OPT4至达林顿驱动器ULN，达林顿驱动器ULN输出信号分八路经继电器RELAY至控制现场。
开关量输出模块DO选用AT89C52为第五单片机CPU5，适用于工业现场，内部驱动8路继电器，通过RS-485接口(带有ESD静电保护)，与NETWEB模块实时通讯。同时在输出信号和第五单片机CPU5之间采用了光电隔离和达林顿驱动技术，使供电电源和通讯与第五单片机CPU5分开，使模块的抗干扰能力进一步加强。
模拟量输入模块AI、模拟量输出模块AO、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(其内集成看门狗WDOG，英文原名：Microprocessor Reset IC with Watchdog PartSummary)，与单片机相连，存有模块类型、I/O地址、配置参数等信息，I/O地址在0-32之间选取。
本实施例模拟量输入模块AI、模拟量输出模块AO、开关量输入模块DI、开关量输出模块DO每个模块都包括一个配置信息存储器EEPROM，存有模块类型、I/O地址、配置参数等信息，I/O地址在0-32之间选取。
NETWEB模块通过RS-485总线与I/O模块之间连接，(根据采用的RS-485驱动芯片的不同，I/O模块可连接32、128或256不等)，目前NETWEB模块最多可与32个I/O模块进行连接。NETWEB模块通过RS-485总线读取每个I/O模块的配置信息，采集现场数据并进行处理，再通过以太网发送给远端计算机，或将远端的控制信息传递给指定的模块，参与控制。详细功能如下：
1)组态
系统工程师在系统投入使用前，应根据现场的应用情况，通过设备组态模块配置本发明，组态客户端(远端)使用标准的互连网浏览器，通过嵌入在本发明的WEB发布模块、设备组态模块来设置系统的运行参数及I/O模块相关参数。
2)工况查询
在进入到正常工作状态后，本发明通过WEB发布模块，将随时监测现场设备运行情况。客户通过标准的互连网浏览器查看现场的实时数据信息，同时可以回放现场的部分历史信息。在用户权限允许的条件下，可以对远程设备进行简单控制。
3)报警信息查询
在进入到正常工作状态后，本发明通过数据诊断报警模块，将根据系统工程师设定的报警参数，检测设备报警条件，同时将报警信息存储到本地，客户通过标准的互连网浏览器查看现场的报警信息。
4)电子邮件接收
在进入到正常工作状态后，本发明通过WEB发布模块，将根据用户设定的报警参数，检测设备报警条件，同时按照系统工程师设定的EMAIL接收客户名单，将数据诊断、报警信息发送到指定的客户邮箱中。
5)客户定制网页下载
本发明在系统投入使用前，可以本发明通过WEB发布模块、设备组态模块使用第三方的HTML编辑器，按照系统提供的网页编辑说明，开发自定义的用户网页，发布现场的实时数据，客户通过标准的互连网浏览器下载用户的定制网页。
6)远程服务中心
在进入到正常工作状态后，本发明通过WEB发布模块，按照系统工程师的组态信息，将现场设备的历史数据通过互连网或电话线路传送到远程的服务中心，远程服务中心的数据接受软件将这些历史数据存储到用户选定的关系型数据库中，远程服务中心也可以根据这些数据分析的情况对现场的连接设备发出控制指令。
本发明解决了以下几项关键技术：
1)通过嵌入式实时操作系统和TCP(UDP)/IP协议将离散I/O模块无缝接入以太网，从而在以太网中可以透明访问各I/O模块；
2)数据诊断模块、数据采集/存储模块提供对I/O模块诊断和动态管理的功能；
3)RS-485接口完成与I/O模块之间的RS-485通讯；
4)通过WEB发布模块实现基于浏览器的组态软件的WEB发布功能；
本发明能完成工业现场数据的采集与控制，并通过互连网传送到远程(异地)。同时通过标准的浏览器软件，可以进行现场数据访问，报警信息查询等远程检测/监视/控制功能；整个系统的配置及远程监控采用Browse/Server结构，与目前流行的互连网浏览器软件任何一种Web浏览器都可以照读不误，大到10Mbyte的完备桌面浏览器，小到600kbyte的Mosaic浏览器，也无论是Microsoft的浏览器还是Netscape浏览器均适用；
本发明提供现场的数据远程采集和传输功能，将现场实时数据定时或按用户需求传送到远程服务中心的数据库中，为现场设备的故障诊断和设备维护提供现场数据。
本发明具有以下功能：
1)数据采集与远程控制功能。本发明能够连接标准的工业现场信号，通过I/O模块，完成模拟量及开关量信号的采集，同时进行简单的远程控制。
2)系统的组态配置及组态信息上载功能。本发明提供基于浏览器的设备组态模块的软件，根据应用现场的不同，赋予嵌入式网络化远程输入输出系统灵活的性能，同时提供模块组态信息上载功能。
3)I/O模块扩展功能。本发明采用RS-485通讯结构，根据现场信号种类和数量的不同，可以自由选择I/O模块，扩展系统的I/O连接能力，实现模块掉电组态信息的保存。
4)I/O模块的自动识别与配置功能。由于本发明采用设备组态模块，可以自动识别连接模块的类型(如模拟量输入模块AI、模拟量输出模块AO、开关量输出模块DO、开关量输入模块DI等)，配置模块的组态参数(如IP地址、量程、线性化参数等)。
5)短期数据存储功能。本发明采用数据诊断报警模块和数据采集/存储模块，可以存储短期(临时)的现场数据及规定数量的报警信息，实现设备故障前数据的回放。
6)数据远程传输功能。本发明通过数据传送模块，根据用户的组态信息(定时、实时、按用户需求等)，提供数据的异地传输。
7)多种网络接入功能。本发明采用以太网接口，及调制解调器MODEM两种接入方式接入以太网。
8)WEB数据发布功能。根据用户的组态信息，提供现场数据的WEB发布功能，用户使用标准的浏览器，自由访问现场实时数据。
9)报警及诊断功能。本发明根据用户的组态信息、采用数据诊断报警模块提供上下限报警，I/O模块掉电报警，电子邮件通知，诊断信息查询显示。
10)远程数据接收功能。在远程上位机中实现数据接收功能，本发明是通过数据诊断报警模块及WEB发布模块提供数据的开放式访问接口，提供数据共享与信息集成手段。
11)提供通用的I/O扩展接口及工业常用接口到以太网的网关功能，如RS-232到以太网转换网关等。
另外，本发明NETWEB模块提供网络连接的物理接口还可以单独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；亦可以单独通过调制解调器MODEM的电话接入方式，并通过RS-232接口(由MAX3241驱动芯片提供)与调制解调器MODEM连接，再经RJ11接口及电话线路接入以太网，进行远程传输数据、监控，调制解调器MODEM接入功能为设备的可选功能，内还运行程序功能模块，与以太网接口、RS-485接口及RS-232接口双向通讯。
Claims (10)
1.一种嵌入式网络化远程输入输出系统，其特征在于：包括NETWEB模块、I/O模块及控制程序三部分，其中：
NETWEB模块运行Internet网络协议栈，通过RS-485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NETWEB模块中的程序存储器(FLASH)里；
I/O模块通过RS-485总线与NETWEB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.按照权利要求1所述嵌入式网络化远程输入输出系统，其特征在于：所述网络传输采用通过以太网接口的接入以太网方式和/或通过调制解调器(MODEM)的电话接入方式。
3.按照权利要求1所述嵌入式网络化远程输入输出系统，其特征在于：所述NETWEB模块包括：
-第一单片机(CPU1)；
-动态数据存储器(SDRAM)，存储NETWEB模块中第一单片机(CPU1)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NETWEB模块设定的信息参数；由第一单片机(CPU1)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-485接口通讯协议，并通过第一单片机(CPU1)运行控制程序模块中RS-485通讯模块程序，经RS-485接口与I/O模块相连；
-时钟(CLOCK)，为NETWEB模块提供时间信息；
-物理层(PHY)，与第一单片机(CPU1)连接，用来完成TCP/IP网络协议中的第一层部分；
-RS-485总线，连接NETWEB模块和各I/O模块，进行数据通讯操作。
4.按照权利要求1所述嵌入式网络化远程输入输出系统，其特征在于：所述由NETWEB模块可动态地控制、管理的所述I/O模块可为32～256个，主要包括：模拟量输入模块(AI)、模拟量输出模块(AO)、开关量输入模块(DI)、开关量输出模块(DO)、脉宽调制输出模块(PWM)。
5.按照权利要求4所述嵌入式网络化远程输入输出系统，其特征在于：模拟量输入模块(AI)由第二单片机(CPU2)、第一模/数转换器(A/D1)、多路开关转换器(MUX)及第一光电隔离器(OPT1)组成，第二单片机(CPU2)通过开关转换器(MUX)选择输入被测信号，信号经模/数转换器(A/D1)，送至第二单片机(CPU2)，再通过RS-485接口与NETWEB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(OPT1)。
6.按照权利要求4所述嵌入式网络化远程输入输出系统，其特征在于：模拟量输出模块(AO)主要由第三单片机(CPU3)、第一～二数/模转换器(D/A1～D/A2)及第二光电隔离器(OPT2)组成，第三单片机(CPU3)输入信号来自NETWEB模块，其输出信号经第二光电隔离器(OPT2)送至第一～二数/模转换器(D/A1～D/A2)，第一～二模/数转换器(D/A1～D/A2)输出信号送至外围控制设备。
7.按照权利要求4所述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)主要由第四单片机(CPU4)及第三光电隔离器(OPT3)组成，外界各种开关信号为光电隔离器(OPT3)输入信号，第三光电隔离器(OPT3)输出信号送至第四单片机(CPU4)，第四单片机(CPU4)经RS-485接口与NETWEB模块通讯，将输入数据传送给NETWEB模块。
8.按照权利要求4所述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)主要由达林顿驱动器(ULN)、第五单片机(CPU5)及第四光电隔离器(OPT4)组成，第五单片机(CPU5)经RS-485接口与NETWEB模块通讯，通讯信息是第五单片机(CPU5)的输入信号，输出端经第四光电隔离器(OPT4)至达林顿驱动器(ULN)，达林顿驱动器(ULN)输出信号分八路经继电器(RELAY)至控制现场。
9.按照权利要求5、6、7或8所述嵌入式网络化远程输入输出系统，其特征在于：模拟量输入模块(AI)、模拟量输出模块(AO)、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。
10.按照权利要求1所述嵌入式网络化远程输入输出系统，其特征在于：所述控制程序模块为：WEB发布模块、485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WEB发布模块流程：首先NETWEB启动Web服务，接收用户输入，第一单片机(CPU1)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中实时数据输出到网页上，否则把动态数据存储器(SDRAM)历史数据输出到网页上，然后把可读取标志设为读取完成，最后判断是否退出Web服务，是则结束，否则返回接收用户输入；
所述485通讯模块流程分NETWEB模块通讯流程和I/O模块中断响应流程为两部分，其中NETWEB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RS-485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(CPU1)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I/O模块中断响应流程：在中断入口I/O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(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I/O模块发送从机采集的数据给第一单片机(CPU1)，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，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(CPU1)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NETWEB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(CPU1)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，并根据组态信息发电子邮件，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NETWEB模块第一单片机(CPU1)中刷新设备列表，则先通过RS-485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(CPU1)将动态数据存储器(SDRAM)存储区读写标志设为写，再判断NETWEB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NETWEB模块、数据传输模块程序从存储区读数据，再设置NETWEB模块、数据传输模块程序可读取标志为可读，使NETWEB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。
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