基於嵌入式TCP/IP的即時資料傳輸

基於嵌入式TCP/IP的即時資料傳輸時間：2009-06-19 13:54:15
來源：微電腦資訊 作者：周兵　吳文鬥　屠本偉

1 引言
目
前,液化氣廣泛用於居民生活和工業生產的各個領域,液化氣流通過程中大部分業務需要針對氣體和液體進行流量計量。現有系統主要是稱重計量儀錶作為計量裝
置。以人工方式作計量資料的採集和統計匯總。人工方法存在費時費力,各個計量點都容易出現人為資料錯誤的缺點,造成不必要的損失和漏洞。而且人工處理石油
液化氣儲運資料,是屬於掛流水帳,各類未經處理資料的關係是分離的,不方便及時查詢和管理,無法作出正確的經營決策。
將嵌入式系統應用到石油液化氣儲
運資料中,首先可以對裝置進行即時的運行狀態監測,無需要人工幹預即能自主運行;其次可以根據裝置運行條件的改變,自適應地調節自身的功能來保證監控及診
斷的準確性。杜絕石油液化氣儲運各個環節可能出現的漏洞,提高企業經濟效益;最後可以把各類石油液化氣儲運未經處理資料有機地組合在一起,統籌處理資料的輸
入、查詢、統計及顯示和輸出,使處理石油液化氣儲運資料的過程通暢、合理、快捷、準確。
2. 嵌入式系統及其石油液化氣儲運現場即時資料傳輸系統解決方案
2.1 嵌入式系統簡介
嵌
入式系統不以獨立裝置的物理形態出現,嵌入式系統的組件根據主體裝置以及應用的需要,嵌入在主體裝置內部,發揮著運算、處理、儲存以及控制等作用。從體系
結構看,嵌入式系統主要以嵌入式處理器、支撐硬體和嵌入式軟體組成。早期的嵌人式系統以單個晶片為核心,大部分應用於工業控制系統中,後來發展為以嵌入式
CPU、嵌入式即時作業系統(RTOS)為核心的新型組成結構。但隨著資訊技術的發展,網路通訊已經是嵌入式系統設計所必須考慮的問題,可以說嵌入式
TCP/IP技術是嵌入式電腦系統與Internet技術相互結合的產物,基於Internet的嵌入式系統成為一個研究熱點。
2.2 系統的總體設計特點
本
系統具有功耗低、可靠性高、功能完備等特點。系統的耗電量為1～3W,由於系統功耗很低,專用於工業級領域,因此在器件的選用、系統的抗幹擾設計等各個方
面都進行了嚴格的論證和實驗分析,其運行可靠性得到了保證。系統使用400MHz以上主頻的32位微處理器,匯流排為100MHz,無論是高速即時處理還是
大容量資料轉送都能夠滿足,全新的設計體系使得整個系統具有強大的處理能力和廣泛的升級空間。該系統對於使用者來說,由於作業系統的支援,使用中根本感受不
到體系的差異,而對於進行開發人員來講,以前在X86平台下編寫的程式,也只需做一次重新編譯簡單移植一下即可,從而最大限度的保護了使用者的資源,增強了
系統的可擴充性。
2.3  硬體結構
針對傳輸資料量,即時資料採集控制盒中的核心控制晶片選用了Intel
XScale255。其它電路包括A/D介面、I/O介面晶片、電壓變換晶片、充電保護晶片、濾波電路、顯示驅動等部分組成。系統使用的網卡晶片是選用
Realtek公司生產的RTL8019AS構成,它是一種低價位的通用乙太網路控制器,採用了高度整合化的設計。現場感應器採集的訊號為溫度、壓力、流量
訊號,均為類比訊號,需進行A/D轉換。硬體結構框圖1所示:

2.4  軟體結構
2.4.1 作業系統
嵌
入式作業系統是整個嵌入式系統的核心,通常包括與硬體相關的底層驅動程式、系統核心、裝置驅動介面、通訊協定、圖形化使用者介面(GUI)等。專門負責管理存
儲器分配、中斷處理、任務調度等功能。本設計採用嵌入式Linux作為作業系統,嵌入式Linux是一種由核心(kerne1)以及根據需要定製的系統模
塊組成的小型作業系統。相對於其他嵌入式RTOS,它具有鮮明的特點:微核心結構,最多幾百KB;免費開放原始碼,具有可裁剪性,能根據特定需求自行設
計;具有優秀的網路、資料庫支援功能,支援TCP/IP等常見協議,能夠實現資料的網路通訊和即時處理。
系統在啟動時,由BootRom將
Linux核心從FLASH/ROM映像到RAM中,對系統的軟硬體環境進行初始化。應用程式中相關內容的初始化作為應用程式引導模組,固化在FLASH
/ROM上,以便主機上電後可以由核心程式將其讀到RAM檔案系統中,再由這部分引導應用程式運行模組。由於該系統是基於全IP的穩定網路,在考慮了網路
頻寬和系統通訊量的基礎上,我們選擇心跳檢測的正常閥值為1秒,資料恢複策略採用即時傳送資料。

2.4.2 嵌入式TCP/IP技術
由於本系統的使用者要求其可以在任意地點的通過web瀏覽器接入網路,即時查詢各液化氣站工作點儲運資料,同時通過用戶端可任意對實現工作點遠端控制和管理,實現大範圍的互聯,因此資料的遠程傳輸成了必須解決的問題。
嵌
入式TCP/IP技術是一種裝置接入技術,主要解決如何通過Web和嵌入式技術實現從不同子網、不同物理地區對接入到Internet的裝置和異類子網進
行監控、診斷、管理及維護等操作,使使用者對接入到Internet上的各種裝置或其他類型的子網具有遠程監控、診斷和管理的能力。嵌入式系統由於其自身硬
件資源有限,不同於通用電腦系統,因此由通用電腦作業系統核心實現的儲存空間管理、裝置管理、檔案系統、網路通訊等功能模組不可能在嵌入式作業系統的內
核中全部實現。傳統的TCP/IP通訊傳輸七層結構模式不再適用於嵌入式系統,必鬚根據實際傳輸資料的需求合理簡化協議。本系統採用圖2所示TCP/IP
的四層結構子協議集。

其中應用程式層負責實現HTTP協議;傳輸層負責資料擷取現場與資訊中心間可靠性的資料通訊;互連網層完成定址、定址、資料打包和安排路徑,同時判斷網路是否連通;資料連結層把幀送到線路中去,同時可以把需接收的幀從線路中取出來。
2.4.3 應用軟體結構
我
們將應用軟體結構分為3層(3所示),即:用戶端、資訊中心、現場。其中資訊中心由Web伺服器和應用伺服器構成;資料庫設計考慮了位於資訊中心層的
本機資料庫伺服器和用戶端的虛擬伺服器;現場控制系統包括各類現場儀錶,感應器的控制系統軟體。我們可以將上述系統理解為一個較為複雜的B/S體系機構的
軟體系統。

本
系統採取這樣複雜的體繫結構是由系統的功能設計及網路結構決定的,這意味著一台機器要與其他系統進行協作,它既提供服務,同時也需要其他系統的服務。該3
層結構是指合理的利用系統資源,不同層次分工協作,使某項任務在多台機器之間進行匹配,其中客戶機(Client)用來運行提供使用者介面和前端處理的應用
程式,應用伺服器及Web伺服器用於發布資訊、資料及指令的傳達。現場完成資料即時採集傳輸,並最終執行控制指令、實現控制目標和效能指標。
3.系統的可靠性設計
在保障功能的前提下,系統的可靠性是評價其效能的重要指標。石油液化氣儲運即時資料採集管理系統採用無人值守方式,為提高嵌入式遠端資料採集系統的可靠性,我們從硬體、軟體兩個方面進行系統設計。
3.1 硬體抗幹擾措施
系
統中所採用的嵌入式主機是為工業現場研製開發的。本身的機械和電氣特性足以在惡劣環境條件下的連續運行,但為防止其它電磁幹擾對開關電源的輸出或數字系統
的訊號線造成衝擊,從而導致嵌入式系統異常運行或死機。只有提高系統的電磁相容性才能提高其可靠性。仔細分析造成電磁幹擾的三要素是幹擾源、傳播途徑和受
擾裝置。抑制電磁幹擾的方式也從這3方面著手:抑制幹擾源;消除幹擾源和受擾裝置之間的耦合和輻射,切斷電磁幹擾的傳播途徑;提高受擾裝置的抗幹擾能力,
降低其對雜訊的敏感度。目前電子裝置大多採用切斷電磁幹擾源和受擾裝置之間的耦合通道對電磁幹擾進行抑制,常用的方法包括屏蔽、接地和濾波。本系統採用了
下述3種措施降低或消除電磁幹擾所造成的影響:(1)電源採用本安電源供電,直接消除電源幹擾的可能性。普通電源當接的負載過多時,電壓降的現象很厲害,
而本安電源的避免了這種情況;(2)嵌入式電腦主機外放置金屬屏蔽外殼,且整個屏蔽罩與系統的機殼和地串連為一體;(2)在電源輸入端加接由鐵氧體磁性
材料加工成的電磁幹擾吸收元件,改善系統的濾傳輸速率性。

3.2 軟體抗幹擾措施
軟體設計方面主要採用以下措施來保障程式啟動並執行穩定性:
(1)啟動看門狗定時器,使其能在程式異常運行時自動重啟整個系統。
(2)編寫專門程式對CPU的可利用資源及記憶體可利用空間進行監控,如果CPU資源和記憶體無法滿足應用程式的正常運行則重啟系統,該監控程式獨立運行。
4. 安全性
本系統設計的安全性涉及到兩個方面,其一是資料轉送安全性,其二是該系統的對象是易燃易爆物品,防止出現火情是另一個非常重要的問題。
數
據傳輸安全性問題是由於系統採用Internet的訪問技術,網路被攻擊的可能性增大,網路安全防護成了大問題,必須採用多種技術手段和防範策略,確保系
統不受病毒和駭客的破壞,以達到確保系統的資料完整性、統一性。主要解決方案策略是採用密碼和防火牆策略,根據規則過濾掉外部的資料流,且資料傳送必須加密,
訪問所有可能受到攻擊的點都必須提供正確的使用者名稱和密碼才可以訪問。另外採用唯讀存取原則,將關鍵資訊和敏感資訊標記為唯讀特性,尤其是從
Intranet範圍外的IP地址來的訪問請求。
為防止由於現場採集系統導致石油液化氣燃燒,發生意外,本設計採用了2個措施:(1)如前所述,
前端控制盒電源採用本安電源,該電源工作極其穩定,不產生電火花,被廣泛用於防爆工作環境;(2)由於監控裝置需要長期運轉,因此系統要求有很好的散熱功
能。系統的散熱片結構由傳統的一個改裝成為兩個散熱片,使得系統適用於易燃易爆工作環境。
5. 小結與本文作者創新點
本文介紹的系統具有
分層合理、模組劃分清晰、可移植性好等特點,並且系統充分利用現成的電信網路,省去了現場建設及有線網路架設的費用。此外該系統的測試資料表明:系統能夠
實現對被管理裝置的各項基本操作、管理和訪問,滿足一般嵌入式系統對系統監控、資料即時採集的應用需要,該設計思想可以廣泛應用於其它類似的現場分散、網
絡化即時資料的採集傳輸管理系統,不論從經濟效益還是社會效益角度來講,都有著廣泛的應用前景。