劉法龍，劉 俊，高炳像

(杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引言

在現(xiàn)代實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，各種遠(yuǎn)距離分散工業(yè)設(shè)備的工作狀態(tài)、溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)變量實(shí)時(shí)監(jiān)控問(wèn)題廣泛存在于煤炭、石化、電力、水利、氣象、交通等重要生產(chǎn)部門［1］。由于這些重要部門與人們的生活息息相關(guān)，其對(duì)數(shù)據(jù)采集的可靠性與監(jiān)控的實(shí)時(shí)性要求非常嚴(yán)格。目前，大多數(shù)生產(chǎn)部門一般選擇使用數(shù)傳電臺(tái)、GPRS/CDMA、以太網(wǎng)等數(shù)據(jù)傳輸模式中的某一種，但卻無(wú)法滿足實(shí)際工業(yè)領(lǐng)域中對(duì)于數(shù)據(jù)變量采集的可靠性要求［2］。針對(duì)這一問(wèn)題，研發(fā)出一套集成多種通信模式的通用數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，確保了數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)目煽啃裕⒔o出對(duì)應(yīng)的通用工業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控組網(wǎng)設(shè)計(jì)方案。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明該設(shè)備使用方便，系統(tǒng)組網(wǎng)工作可靠穩(wěn)定。

1 基于PLC的常用參數(shù)采集方案設(shè)計(jì)

工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中經(jīng)常需要采集溫度、壓力、流量等變量。下面給出基于PLC的幾種常用參數(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中溫度這個(gè)參數(shù)是無(wú)處不在的，因?yàn)槠淠苤苯臃从吵錾a(chǎn)設(shè)備是否處于最佳狀態(tài)［3］。溫度的測(cè)量變送系統(tǒng)如圖1所示，熱電偶(溫度傳感器)測(cè)得的溫度經(jīng)溫度變送器變送成為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào):4—20mA，經(jīng)過(guò)數(shù)顯儀表在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行顯示，然后由PLC的模擬量采集通道送給上位機(jī)，壓力與流量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理同上。

圖1 溫度變送模塊

2 通用數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備設(shè)計(jì)方案

2.1 通用數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備硬件組成及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一套集成多種通信模式的通用數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，通用數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。其硬件部分包括微控制器以及RAM與Flash單元，網(wǎng)絡(luò)通信模塊與其他輔助模塊。微控制器(MCU)采用 ARM7－LPC2214，外擴(kuò)512KB的SRAM和2MB的片外FLASH用于參數(shù)保存，網(wǎng)絡(luò)通信模塊包括內(nèi)嵌 TCP/IP協(xié)議棧GPRS模塊MC55，CDMA模塊EM200，以太網(wǎng)模塊同樣采用內(nèi)嵌協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)芯片W5100。其中以太網(wǎng)模塊與微處理器之間通過(guò)并行總線相連，而CDMA和GPRS模塊均通過(guò)串行總線與微處理器相連，由于LPC2214自身的兩組串口已分配完畢，因此便需要通過(guò)串口擴(kuò)展單元新建兩組串口用于連接CDMA與GPRS單元，串口擴(kuò)展單元通過(guò)LPC2214外部擴(kuò)展并行總線與微處理器單元相連。

圖2 通用數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 實(shí)時(shí)通信設(shè)計(jì)方案

微控制器需要管理兩組串口，考慮到實(shí)時(shí)性的要求，采用輪詢的方式來(lái)處理串口收發(fā)明顯是不合理的，下面結(jié)合GPRS單元中的MC55模塊來(lái)具體闡述收發(fā)端數(shù)據(jù)傳送的基本過(guò)程。如圖3、4所示列出了收發(fā)端數(shù)據(jù)傳送示意圖。

2.2.1 接收端的處理

圖3中，串口0用于通信終端與外部工業(yè)控制設(shè)備交換數(shù)據(jù)，MC55模塊則通過(guò)串口1與微控制器通信。接收端將來(lái)自GPRS網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，其中串口1采取中斷方式接收數(shù)據(jù)，串口0采取查詢方式發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.2.2 發(fā)送端的處理

發(fā)送端接收工業(yè)控制設(shè)備的數(shù)據(jù)，將其通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)送至接收端。若仍采用上面中斷加輪詢的方式是不可取的，MCU通過(guò)串口1對(duì)MC55的操作是依照AT指令集來(lái)完成，執(zhí)行下一條AT指令需要模塊執(zhí)行后返回值的指示，在MCU要求MC55通過(guò)TCP/UDP協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)返回值指示成功后才可以開始下一次發(fā)送。即串口0需要接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)，同時(shí)串口1需要接收來(lái)自MC55的AT命令執(zhí)行后的響應(yīng)，在接收時(shí)間上兩者產(chǎn)生沖突的概率較大。

在實(shí)際工作中，為了保證無(wú)丟失地接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)，串口0的中斷優(yōu)先級(jí)必然要求高于串口1，但是串口1發(fā)送給MCU的應(yīng)答響應(yīng)是下一步操作的依據(jù)，因此也要完整接收。在實(shí)際測(cè)試中，若串口0和串口1均設(shè)定在較高波特率(如115 200bps);即使MCU的兩個(gè)串口自帶16Byte緩沖區(qū)，卻仍然難以兼顧兩個(gè)串口的接收操作，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，在兩個(gè)串口同時(shí)連續(xù)接收50 000個(gè)字節(jié)后，高中斷優(yōu)先級(jí)的串口0可以無(wú)丟失地接收這50 000個(gè)字節(jié)，而低中斷優(yōu)先級(jí)的串口1會(huì)丟失近6 000個(gè)字節(jié)。因此需要在確保串口0無(wú)丟失接收現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)的前提下對(duì)串口1的接收進(jìn)行特殊處理。

解決方案是擴(kuò)大串口1自帶緩沖區(qū)，使其能夠完整容納TCP/UDP發(fā)送數(shù)據(jù)AT指令的應(yīng)答結(jié)果，根據(jù)MC55技術(shù)手冊(cè)，通過(guò)TCP/UDP協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)指令的響應(yīng)結(jié)果在18至21個(gè)字節(jié) ，因此緩沖區(qū)須大于等于21個(gè)字節(jié)，MCU自身串口緩沖區(qū)有16個(gè)字節(jié)，擴(kuò)大串口1的緩沖區(qū)須另選擇芯片，綜合考慮選擇具備64個(gè)字節(jié)緩沖區(qū)的TL16C752B。該芯片具有64Byte的FIFO，觸發(fā)中斷FIFO深度可設(shè)定，可支持最高3Mbps的波特率，支持硬件自動(dòng)流控。

此方案在實(shí)際中可滿足實(shí)時(shí)性要求，圖4中，串口0中斷接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，MCU將其按照一定的AT指令格式打包發(fā)送給MC55模塊，MC55完成發(fā)送后，將響應(yīng)結(jié)果通過(guò)串口1返回給MCU，若其正忙于接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，則響應(yīng)結(jié)果被壓入芯片緩沖區(qū)中，并通過(guò)中斷的方式停止MCU對(duì)串口1的接收操作，當(dāng)MCU檢測(cè)到串口0處于接收空閑狀態(tài)時(shí)便立即讀取緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，MCU視應(yīng)答響應(yīng)結(jié)果成功與否，判斷是否啟動(dòng)新一輪數(shù)據(jù)的發(fā)送。

3 通用工業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

整個(gè)通信終端組網(wǎng)示意圖如圖5所示，通信終端通過(guò)串口與工業(yè)控制設(shè)備相連，工業(yè)控制設(shè)備再與各類傳感器相連，傳感器負(fù)責(zé)采集溫度、壓力、流量等各種模擬量及引起報(bào)警的量值，將采集到的實(shí)時(shí)值數(shù)據(jù)傳到發(fā)送端，通信終端有GPRS、Ethernet、CDMA與數(shù)傳電臺(tái)四種通信模式可以選擇，這樣便可以根據(jù)具體的實(shí)際情況選擇不同的通信模式，充分利用多種通信模式的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)各自的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。其中應(yīng)該說(shuō)明一點(diǎn)的是當(dāng)采用GPRS、Ethernet、CDMA這3種網(wǎng)絡(luò)模式之一時(shí)，由于其所采用的TCP協(xié)議并不支持客戶端之間的直接通信，需要通過(guò)引入中間服務(wù)器的方式實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信［4］。

3.1 智能選擇接入網(wǎng)絡(luò)

通用數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備有手動(dòng)模式與自動(dòng)模式兩種可供用戶選擇的通信組網(wǎng)方式，當(dāng)使用手動(dòng)模式時(shí)，用戶根據(jù)所需要的具體通信模式對(duì)設(shè)備撥碼開關(guān)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。由于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中不同領(lǐng)域?qū)νㄐ拍Ｊ降慕尤敕绞揭蟛煌?，因此本套設(shè)備引入了自動(dòng)模式用于智能選擇接入網(wǎng)絡(luò)。智能選擇網(wǎng)絡(luò)是指通信終端在使 Ethernet、GPRS、CDMA 這三種網(wǎng)絡(luò)模式時(shí)，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信中，根據(jù)自身所處網(wǎng)絡(luò)環(huán)境智能選擇最后用于通信的網(wǎng)絡(luò)。

圖5 通用數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備組網(wǎng)設(shè)計(jì)圖

舉例說(shuō)明智能選擇的具體過(guò)程:以Ethernet接入為例，將撥碼開關(guān)設(shè)置為自動(dòng)模式后，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)啟動(dòng)后先進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)測(cè)試任務(wù)，該任務(wù)先讀取Flash中的參數(shù)，然后對(duì)以太網(wǎng)單元初始化，完成后開始以太網(wǎng)測(cè)試任務(wù)，首先指定服務(wù)器端測(cè)試端口為60 000，通信終端向服務(wù)器的60 000端口發(fā)出鏈接請(qǐng)求，建立鏈接后，服務(wù)器每隔1s向通信終端發(fā)送100個(gè)字節(jié)的測(cè)試數(shù)據(jù)，反復(fù)發(fā)送20次，通信終端收到2 000個(gè)字節(jié)后立刻向服務(wù)器發(fā)出關(guān)閉鏈接請(qǐng)求，服務(wù)器收到請(qǐng)求后停止向通信終端發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)，至此該測(cè)試鏈接關(guān)閉，客戶端計(jì)算出接收該20次數(shù)據(jù)所用時(shí)間，檢查這2 000個(gè)字節(jié)中是否有誤，出現(xiàn)錯(cuò)誤字節(jié)則標(biāo)記該網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，CDMA和GPRS網(wǎng)絡(luò)測(cè)試完全同上，3種網(wǎng)絡(luò)測(cè)試完成后，比較其中穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，正式通信時(shí)即采用該網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)束語(yǔ)

油田、煤礦、化工等工業(yè)生產(chǎn)部門常常分布在人煙稀少的偏僻地區(qū)，分布區(qū)域廣且現(xiàn)場(chǎng)人員較少，面臨人為和自然因素破壞的危險(xiǎn)，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理是安全生產(chǎn)管理的重要環(huán)節(jié)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控任務(wù)較為艱巨［5］。本文研發(fā)的通用工業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以最大程度地適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)的接入環(huán)境，具有智能選擇最佳網(wǎng)絡(luò)的功能，由于本套系統(tǒng)中的通用數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備集成了多種通信模式的特點(diǎn)，其可應(yīng)用于煤礦、電力、油田、城市水處理、報(bào)警系統(tǒng)、灌溉、森林等系統(tǒng)或設(shè)施中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。

［1］ 湯宗清.GPRS/CDMA在高速公路電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.機(jī)電技術(shù)，2011，8(4):95－99.

［2］ 郭雷宇，魏長(zhǎng)軍.無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)在供水調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.電子元器件應(yīng)用，2010，12(5):64－65.

［3］ 郭榮祥，馬和平，陳樹樹.數(shù)傳電臺(tái)與GPRS相結(jié)合的水廠遙控系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)［J］.通信與信息處理，2010，29(11):54－57.

［4］ Yang Li，Cao Xie－dong，Yuan Hai－ yan.Technologies research of remote monitor system on oil-gas production ［J］.Computer Engineering，2009，35(1):247 －249.

［5］ Gu Yaning，Su Hongye，Dong Lida，Shen Lihui.Remote surveillance industrial terminal base on wireless communication techniques［J］.Computer Measurement＆ Control，2007.15(3):288 －290.