吳貞貞，寧永海

（河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471003）

基于嵌入式Web的HART儀表遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

吳貞貞，寧永海

（河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471003）

為解決有線HART儀表在惡劣環(huán)境中遠(yuǎn)程傳輸時易受影響、成本高等問題，結(jié)合嵌入式linux系統(tǒng)在遠(yuǎn)程工業(yè)控制中的應(yīng)用，提出了一種基于嵌入式Web的HART儀表遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。采用S3C2440處理器和DM9000網(wǎng)絡(luò)芯片，在嵌入式系統(tǒng)上移植Boa Web服務(wù)器，并運用CGI技術(shù)實現(xiàn)動態(tài)網(wǎng)頁控制。利用該控制系統(tǒng)，客戶只需在室內(nèi)通過瀏覽器即可對HART儀表進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，且不需要專門的組態(tài)軟件。

HART，嵌入式linux，S3C2440，Boa Web服務(wù)器，CGI

引言

HART協(xié)議作為由模擬到數(shù)字的過渡性協(xié)議，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。HART智能儀表的過程參數(shù)測量、診斷、校準(zhǔn)等的實現(xiàn)都需要通過專門組態(tài)軟件或手操器到現(xiàn)場進(jìn)行測量和維護(hù)，需要大量的人力和物力。隨著Internet的普及和快速發(fā)展，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)檢測和設(shè)備監(jiān)控變得尤為重要，嵌入式linux繼承了Linux操作系統(tǒng)開放性，可裁剪可定制，強大網(wǎng)絡(luò)功能等特點，為現(xiàn)場設(shè)備的Web遠(yuǎn)程控制提供了橋梁。本文提出了一種經(jīng)濟實用的嵌入式Web遠(yuǎn)程HART儀表控制方法，采用linux嵌入式系統(tǒng)移植Boa服務(wù)器，運用CGI技術(shù)生成動態(tài)網(wǎng)頁，用戶只需要在室內(nèi)通過Internet瀏覽器就能對HART現(xiàn)場儀表進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，PC機上不需要安裝任何的組態(tài)軟件，使用方便、成本低。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計及原理

該遠(yuǎn)程HART儀表控制系統(tǒng)主要由HART智能儀表、HART通信模塊、基于S3C2440的嵌入式Web服務(wù)器3部分構(gòu)成，其總體設(shè)計框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件平臺搭建

HART通信模塊采用 HT2015，HT2015支持HART協(xié)議，內(nèi)部包含5個主要模塊：振蕩器模塊、控制邏輯模塊、載波檢測模塊、調(diào)制與發(fā)送波形整形模塊、接收濾波器與解調(diào)模塊。該芯片使用5 V電壓和外部460.8 kHz的時鐘，在半雙工狀態(tài)對數(shù)字邏輯信號和數(shù)字方波頻率信號進(jìn)行調(diào)制解調(diào)。能輸出低有效的載波檢測信號含19.2 kHz的時鐘，不需要外部調(diào)節(jié)和偏置。

圖2 HART通信模塊與微處理器的硬件連接

圖2為HT2015調(diào)制芯片與S3C2440處理器的連接框圖，HT2015中引腳ORXD和ITXD分別和S3C2440的異步串行通信口的接收端RXD和發(fā)送端ITXD相連接。當(dāng)服務(wù)器發(fā)送控制命令時，處理器通過串口發(fā)送給HT2015，進(jìn)行調(diào)制和波形整形，發(fā)送到現(xiàn)場儀表設(shè)備。同時，電流環(huán)上的HART信號送到HT2015的濾波器進(jìn)行濾波和解調(diào)為0、1數(shù)字信號，處理器接收到有效的HART通信幀后，進(jìn)行命令解釋，并通過Web瀏覽器實時顯示。

嵌入式處理器選用三星的S3C2440 ARM9芯片，硬件框圖如圖3所示，主要包括S3C2440微處理器、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、存儲、串口通信、電源、時鐘等外圍電路。

圖3 嵌入式硬件平臺

網(wǎng)絡(luò)部分采用DM9000網(wǎng)卡芯片，它可以自適應(yīng)10/100M網(wǎng)絡(luò)，RJ-45接口，只需要普通的網(wǎng)線即可連接至路由器或交換機，使用方便可靠。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 HART通信模塊的軟件設(shè)計

3.1.1 HART協(xié)議幀格式

HART的數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了數(shù)據(jù)幀格式和數(shù)據(jù)通信規(guī)程，其通訊時是按字節(jié)接收和發(fā)送。HART幀主要被分為請求幀和響應(yīng)幀兩類。請求幀是由主設(shè)備發(fā)出，從設(shè)備接收，響應(yīng)幀是由從設(shè)備發(fā)出，主設(shè)備接收。如圖4所示。

圖4 HART數(shù)據(jù)幀格式

響應(yīng)碼只存在于從機響應(yīng)主機消息的時候，由2個字節(jié)表示，它將報告通訊中的錯誤、接收命令的狀態(tài)（如：設(shè)備忙、無法識別命令等）和從機的操作狀態(tài)。

一個十幾歲的孩子，身體都沒有發(fā)育好，卻要和大人一樣做農(nóng)活，我曾經(jīng)看過他割麥子的樣子，戴著一個草帽，握著鐮刀，一低頭幾乎就看不見他的人，烈日炎炎下他的動作緩慢卻堅定，就像《孤獨的守望者》那張插畫。

3.1.2 HART通信軟件

HART通信程序即HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的軟件實現(xiàn)。在HART通信中，用戶通過Web服務(wù)器發(fā)送命令幀，智能變送器模塊通過串行口中斷接收到后，作出相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，然后把要發(fā)回的應(yīng)答幀通過MCU觸發(fā)發(fā)送中斷，發(fā)出應(yīng)答幀，從而完成一次命令的交換。在初始化完成之后，通信系統(tǒng)一直處于準(zhǔn)備接收狀態(tài)，一旦服務(wù)器有命令發(fā)過來，HT2015的載波檢測端口DCO變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)中斷啟動接收，程序進(jìn)入接收部分。然后處理接收到的數(shù)據(jù)并執(zhí)行相應(yīng)的操作，形成應(yīng)答幀并發(fā)送出去。其軟件流程如圖5所示。

圖5 HART通信軟件流程圖

3.2 嵌入式Web服務(wù)器的軟件設(shè)計

該遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是構(gòu)建在嵌入式Linux平臺上的，為完成儀表信息的數(shù)據(jù)發(fā)布，需首先在Linux系統(tǒng)下安裝Web服務(wù)器，Linux下的嵌入式web服務(wù)器主要有http、thttp、goAhead和Boa幾種類型，其中thttp和Boa都支持認(rèn)證、CGI等功能。但由于Boa源代碼開放、性能好等特性，特別適合應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中，本文采用Boa作為Web服務(wù)器。

3.2.1 嵌入式Boa服務(wù)器的移植與配置

（1）首先從http：//www.boa.org/下載Boa源碼，并將其加壓到“/src”目錄下，生成子目錄boa-0. 94.13：

（5）在嵌入式linux系統(tǒng)的/etc目錄下創(chuàng)建一個boa目錄，并將第（3）步中生成的boa可執(zhí)行文件和boa.conf拷貝到該目錄。同時根據(jù)boa.conf創(chuàng)建日志文件目錄/var/log/boa，HTML主文檔存儲目錄/www，CGI腳本存儲目錄/www/cgi-bin，另外還需將PC機linux系統(tǒng)/etc目錄下的mime.types文件復(fù)制到嵌入式linux的/etc目錄下。

3.2.2 嵌入式CGI程序設(shè)計

CGI（Common Gateway Interface）規(guī)定了Web服務(wù)器調(diào)用其他可執(zhí)行程序接口的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。Web服務(wù)器通過調(diào)用CGI程序?qū)崿F(xiàn)和Web瀏覽器的交互，根據(jù)Web瀏覽器的發(fā)送請求，服務(wù)器調(diào)用指定的外部可執(zhí)行程序進(jìn)行處理，并將響應(yīng)結(jié)果再反饋給服務(wù)器，服務(wù)器再將處理結(jié)果發(fā)送到瀏覽器進(jìn)行顯示。CGI程序可以用任何程序設(shè)計語言編寫，如shell腳本語言、Perl、Fortran、C語言等，但C語言編寫的CGI程序具有執(zhí)行速度快、安全性高等特點，本文采用C語言進(jìn)行CGI的程序編寫。

圖6為CGI工作流程圖。

圖6 CGI工作流程

本文CGI程序主要包括：串口發(fā)送HART請求幀模塊、串口獲取HART響應(yīng)幀模塊和對響應(yīng)幀的解析模塊等，用戶只需通過瀏覽器即可進(jìn)入主頁，即可實現(xiàn)對HART儀表進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，不需專門的組態(tài)軟件。

4 測試結(jié)果

用戶在瀏覽器輸入相應(yīng)的IP地址，可登錄到遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主頁，實驗室簡單效果圖如圖7所示。

圖7 嵌入式Web控制界面部分截圖

5 結(jié) 論

本文從硬件和軟件兩個方面分析了基于嵌入式Web的遠(yuǎn)程HART儀表監(jiān)控，借助CGI技術(shù)，采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實時對儀表控制信息進(jìn)行顯示和控制，為智能儀表和Web服務(wù)器的完美結(jié)合提供了依據(jù)。該系統(tǒng)的硬件資源豐富，易于移植、擴展和升級，具有很大的應(yīng)用前景和推廣價值。

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HART Instrument Remote Control System Based on Embedded Web

WU Zhen-zhen，NING Yong-hai
（College of Information Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471003，China）

To solve wired HART instruments is easily influenced by poor environments and cost issues in the remote transmission，combining the application of embedded Linux system on the remote industrial control field，a HART instrument remote control system based on embedded Web is proposed. Boa server is transplanted on the embedded system with the S3C2440 processor and network chip DM9000，and the CGI technology is used to achieve dynamic web control.With this control system，HART instrument is remote monitoring through Web browser by clients indoors，and a special configuration software is not needed.

HART，embedded Linux，S3C2440，Boa Web server，CGI

TP216

A

1002-0640（2014）11-0168-03

2013-09-09

2013-11-07

吳貞貞（1989- ），女，河南漯河人，碩士生。研究方向：嵌入式技術(shù)和無線通信。