專利名稱：嵌入式網(wǎng)絡(luò)化遠程輸入輸出系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自動控制領(lǐng)域，具體地說是一種嵌入式網(wǎng)絡(luò)化遠程輸入輸出系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過32位單片機實現(xiàn)Internet網(wǎng)絡(luò)通訊的手段，與異地網(wǎng)絡(luò)上的計算機實現(xiàn)遠程聯(lián)接；通過RS-485接口與現(xiàn)場I/O模塊連接，來完成設(shè)備的監(jiān)測、監(jiān)控、診斷和維護，并借助計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，最終實現(xiàn)設(shè)備的維修和故障排除。
背景技術(shù)：
隨著Internet應(yīng)用的日益普及，信息共享的程度不斷提高。傳統(tǒng)的Internet應(yīng)用以PC為中心，當(dāng)今的Internet應(yīng)用將轉(zhuǎn)向以嵌入式設(shè)備為中心。對于以單片機應(yīng)用系統(tǒng)為中心的小型嵌入式設(shè)備，怎樣利用方便的Internet資源將嵌入式設(shè)備的信息共享到Internet上，成為當(dāng)今電子產(chǎn)品開發(fā)的重點。IA(Internet Appliance)概念的流行表明Internet應(yīng)用已經(jīng)進入嵌入式Internet時代。據(jù)網(wǎng)絡(luò)專家的預(yù)測，將來在Internet上傳輸?shù)男畔⒅?，將?0％的信息來自于小型嵌入式系統(tǒng)。
其中，利用單片機實現(xiàn)嵌入式Internet方案的技術(shù)難點在于1、如何利用單片機自身有限的資源對信息進行TCP/IP協(xié)議處理，使之變成可以在Internet上傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包。2、在單片機中運行實時內(nèi)核。從解決這一技術(shù)問題出發(fā)，目前有如下幾種方案1.Gateway+專用網(wǎng)采用專用網(wǎng)絡(luò)(如RS-232，RS-485，CAN Bus等)把一小批單片機連接在一起，然后再將該專用網(wǎng)絡(luò)連接到一個PC上，該PC作為網(wǎng)關(guān)將專用網(wǎng)絡(luò)上的信息轉(zhuǎn)換為TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)包，然后發(fā)到網(wǎng)上實現(xiàn)信息共享。該方案可以連接多種單片機。缺點a.需要依賴PC機作網(wǎng)關(guān)進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，在多個單片機系統(tǒng)分散的情況下，專用網(wǎng)絡(luò)布線極為不便；b.需要在PC機上安裝專門的協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件，該軟件通常由專門的第三方軟件商提供，費用較高。
2.32位MCU+RTOS采用32位的高檔單片機，在RTOS(實時多任務(wù)操作系統(tǒng))的平臺上進行軟件開發(fā)，在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)TCP/IP的協(xié)議處理。由于采用高檔單片機，該方案可以完成很多復(fù)雜的功能。但這種方案存在如下缺點 需要購買或選用免費的RTOS開發(fā)軟件，對開發(fā)人員的開發(fā)能力要求較高。
3.Scenix MCU+虛擬軟件包(網(wǎng)絡(luò)單片機)采用Scenix公司提供的8位單片機即可實現(xiàn)Internet接入功能。由于該單片機是迄今世界上最快的單片機(每秒1億條指令)，可以實現(xiàn)實時多任務(wù)操作(時間片輪詢)。在MCU執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和控制功能的同時把數(shù)據(jù)打包，發(fā)送到Internet上。該方案具有如下優(yōu)點a.不依賴PC機或高檔單片機，真正實現(xiàn)8位單片機系統(tǒng)直接接入Internet，整個系統(tǒng)完全自給自足；b.使用外圍器件少，系統(tǒng)成本低；c.由于Scenix公司免費提供用于Internet處理的軟件模塊，使開發(fā)周期大大縮短，開發(fā)成本大大降低。缺點外圍資源少，不是占先式的實時操作系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服PC機的高費用、8位或16位機外圍資源少，運行實時內(nèi)核上的困難，本發(fā)明的目的是提供一種不依賴PC機、費用低、易推廣、使用靈活、易于維護、外圍資源豐富，采用占先式實時操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化遠程輸入輸出系統(tǒng)。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下該系統(tǒng)由三部分組成NETWEB模塊、I/O模塊及控制程序模塊，其中NETWEB模塊運行Internet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，通過RS-845總線管理I/O模塊，完成分布式I/O控制，還通過網(wǎng)絡(luò)傳輸部分與以太網(wǎng)之間收發(fā)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸及通過Internet網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場設(shè)備進行遠程監(jiān)控，數(shù)據(jù)采集；控制程序存儲于NETWEB模塊中的程序存儲器里；I/O模塊通過RS-485總線與NETWEB模塊通訊，各輸入輸出功能模塊完成現(xiàn)場信號的采集、轉(zhuǎn)換，并對現(xiàn)場控制對象實施控制。
NETWEB模塊包括-第一單片機；-動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器，存儲NETWEB模塊中第一單片機運行的控制程序，還存儲所述I/O模塊采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)、現(xiàn)場的狀態(tài)信息和時間信息；-非易失性數(shù)據(jù)存儲器，主要存放為NETWEB模塊設(shè)定的通訊波特率、IP地址、子往掩碼、網(wǎng)關(guān)、I/O模塊組態(tài)信息參數(shù)；系統(tǒng)上電時由第一單片機讀?。?程序存儲器(FLASH)，用來存放操作系統(tǒng)內(nèi)核提供的調(diào)度程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP(UDP)/IP、各功能控制程序模塊和RS-485接口通訊協(xié)議，并通過第一單片機運行控制程序模塊中RS-485通訊模塊程序，經(jīng)RS-485接口與I/O模塊相連；-時鐘，為NETWEB模塊提供時間信息，NETWEB模塊斷電后，由電池獨立供電；-物理層，與第一單片機確連接，用來完成TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的第一層部分；-RS-485總線，連接NETWEB模塊和各I/O模塊，I/O模塊的初始化參數(shù)以及采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過該總線送往NETWEB模塊的動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器及非易失性數(shù)據(jù)存儲器，通過此接口，主要主站完成I/O模塊的識別、數(shù)據(jù)通訊操作。
NETWEB模塊提供網(wǎng)絡(luò)連接的物理接口可為以下的一種方式或其組合方式一是通過超五類非屏蔽雙絞線經(jīng)RJ45接口接入以太網(wǎng)方式，通過10M/100M網(wǎng)絡(luò)物理層驅(qū)動組成的以太網(wǎng)接口連接到以太網(wǎng)(Internet)上；二是通過調(diào)制解調(diào)器的電話接入方式，并通過RS-232接口與調(diào)制解調(diào)器連接，再經(jīng)RJ11接口及電話線路接入以太網(wǎng)，進行遠程傳輸數(shù)據(jù)、監(jiān)控，調(diào)制解調(diào)器接入功能為設(shè)備的可選功能，內(nèi)還運行程序功能模塊，與以太網(wǎng)接口、RS-485接口及RS-232接口雙向通訊。
所述NETWEB模塊既可以作為以太網(wǎng)現(xiàn)場的接入設(shè)備，也可作為RS-485通訊的主設(shè)備，第一單片機通過其內(nèi)部集成介質(zhì)訪問控制器(MAC)對發(fā)送的數(shù)據(jù)進行編碼，同時在接收數(shù)據(jù)過程中能自動地利用介質(zhì)訪問控制器對接收數(shù)據(jù)進行幀校驗。
所述由NETWEB模塊最大可動態(tài)地控制、管理的所述I/O模塊可為32～256個，主要包括模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、脈寬調(diào)制輸出模塊等。
模擬量輸入模塊AI由第二單片機、第一模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、多路開關(guān)轉(zhuǎn)換器及第一光電隔離器組成，第二單片機通過開關(guān)轉(zhuǎn)換器選擇輸入被測信號，信號經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，送至第二單片機，再通過RS-485接口與NETWEB模塊通訊，在第一模數(shù)/轉(zhuǎn)換器和第二單片機之間設(shè)有第一光電隔離器；模擬量輸出模塊主要由第三單片機、第一～二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器及第二光電隔離器組成，第三單片機輸入信號來自NETWEB模塊，其輸出信號經(jīng)第二光電隔離器送至第一～二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，第一～二模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出信號送至外圍控制設(shè)備；開關(guān)量輸入模塊主要由第四單片機及第三光電隔離器組成，外界各種開關(guān)信號為光電隔離器輸入信號，第三光電隔離器輸出信號送至第四單片機，第四單片機經(jīng)RS-485接口與NETWEB模塊通信，將輸入數(shù)據(jù)傳送給NETWEB模塊；開關(guān)量輸出模塊主要由達林頓驅(qū)動器、第五單片機及第四光電隔離器組成，第五單片機經(jīng)RS-485接口與NETWEB模塊通信，通訊信息是的輸入信號，輸出端經(jīng)第四光電隔離器至達林頓驅(qū)動器，達林頓驅(qū)動器輸出信號分八路經(jīng)繼電器至控制現(xiàn)場。
I/O模塊包括模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、開關(guān)量輸出模塊、開關(guān)量輸入模塊中的每個模塊都包括一個配置信息存儲器，與單片機相連，與NETWEB模塊連接采用標(biāo)準(zhǔn)的RS-485接口方式，根據(jù)選用的RS-485接口的驅(qū)動芯片不同，最多可連接256個I/O模塊，NETWEB模塊能夠自動識別I/O模塊的類型，I/O模塊內(nèi)部按照NETWEB模塊的配置信息可以進行數(shù)據(jù)的線性化及量程轉(zhuǎn)換，存儲組態(tài)信息，完成對現(xiàn)場信號的采集和轉(zhuǎn)換。
軟件功能模塊(控制程序)包括1、設(shè)備組態(tài)模塊設(shè)備組態(tài)模塊提供本發(fā)明系統(tǒng)的定制功能，該模塊結(jié)合實際連接的現(xiàn)場設(shè)備I/O變量及用戶遠程服務(wù)的具體要求，通過標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器對本發(fā)明系統(tǒng)的組態(tài)參數(shù)進行設(shè)置，同時將用戶的配置信息提供給系統(tǒng)內(nèi)部的其它所有軟件模塊使用；其具體實現(xiàn)的功能如下本發(fā)明系統(tǒng)的IP地址配置；·I/O模塊的識別與配置功能，能夠自動識別連接的I/O模塊類型(如模擬量輸入模塊(AI)、模擬量輸出模塊(AO)、開關(guān)量輸出模塊(DO)、開關(guān)量輸入模塊(DI))，同時提供I/O參數(shù)的量程、工程單位、上下限等參數(shù)配置；·設(shè)備報警通知功能配置，提供用戶報警通知的電子郵件地址等功能；·數(shù)據(jù)遠程傳送參數(shù)配置，可以配置需要遠程傳送的I/O參數(shù)、傳送的方式(定時、按固定數(shù)量傳送等)、遠程服務(wù)器的地址等；·存儲組態(tài)信息及上載/下載I/O模塊的組態(tài)信息；·I/O模塊RS-485總線參數(shù)配置，數(shù)據(jù)采集率、RS-485通信參數(shù)等；·MODEM數(shù)據(jù)通信參數(shù)配置，如波特率、遠程服務(wù)中心電話號碼等。
具體流程為系統(tǒng)啟動后從非易失性數(shù)據(jù)存儲器中讀參數(shù)創(chuàng)建組態(tài)信息區(qū)，進入配置狀態(tài)，然后由用戶操作進行選擇，如選擇的是系統(tǒng)參數(shù)配置，則判斷存儲信息是否是存入非易失性數(shù)據(jù)存儲器，如存入非易失性數(shù)據(jù)存儲器，則修改組態(tài)變化標(biāo)志，修改組態(tài)信息區(qū)，組態(tài)信息存入非易失性數(shù)據(jù)存儲器，結(jié)束程序；如不是存入非易失性數(shù)據(jù)存儲器的情況下，結(jié)束程序；如選擇的是NETWEB模塊第一單片機中刷新設(shè)備列表，則先通過RS-485通訊模塊與從機通訊，再進行設(shè)備I/O參數(shù)配置，當(dāng)配置完成時，判斷是否存儲信息到非易失性數(shù)據(jù)存儲器中，如是，則修改組態(tài)變化標(biāo)志，修改組態(tài)信息區(qū)，組態(tài)信息存入非易失性數(shù)據(jù)存儲器，不是存入非易失性數(shù)據(jù)存儲器的情況下，結(jié)束程序。
2、數(shù)據(jù)采集/存儲模塊數(shù)據(jù)采集/存儲模塊提供現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與歷史數(shù)據(jù)存儲功能，該模塊通過RS-485通訊模塊，讀取由I/O模塊采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息，為其他模塊提供現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)，同時該模塊可以提供短期歷史數(shù)據(jù)存儲功能，為數(shù)據(jù)的定時發(fā)送及歷史回放提供數(shù)據(jù)信息；其具體功能為·現(xiàn)場數(shù)據(jù)定時采集，刷新實時數(shù)據(jù)區(qū)；·采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，存儲歷史數(shù)據(jù)。
具體流程為開始后由第一單片機將動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器存儲區(qū)讀寫標(biāo)志設(shè)為寫，再判斷NETWEB模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊是否讀完，如程序模塊沒讀完，重新判斷其可讀取標(biāo)志；如讀完，則將過濾數(shù)據(jù)存儲到動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器中，動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器的數(shù)據(jù)按照時間戳由高到低進行排列，隊列頭部是實時數(shù)據(jù)，然后都是歷史數(shù)據(jù)，將動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器存儲區(qū)讀寫標(biāo)志設(shè)為可讀，允許NETWEB模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊程序從存儲區(qū)讀數(shù)據(jù)，再設(shè)置NETWEB模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊程序可讀取標(biāo)志為可讀，使NETWEB模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊程序可以讀動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)，最后結(jié)束。
3、數(shù)據(jù)診斷報警模塊數(shù)據(jù)診斷報警模塊的作用是根據(jù)用戶提供的報警配置信息，檢測I/O數(shù)據(jù)的異常報警，同時提供報警信息的歷史存儲，通過電子郵件的方式通知指定的管理人員；其具體功能為·現(xiàn)場數(shù)據(jù)報警條件檢測；·I/O模塊掉電檢測報警；·報警信息的歷史存儲；報警的郵件通知功能。
具體流程為啟動后第一單片機等待報警通知，等不到時返回等待報警通知，等到時，程序的可讀標(biāo)志置為讀，判斷動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器報警數(shù)據(jù)區(qū)是否可讀，條件不滿足(不可讀)，繼續(xù)判斷，條件滿足(可讀)則復(fù)制報警數(shù)據(jù)到動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)區(qū)，并根據(jù)組態(tài)信息發(fā)電子郵件，然后把本程序的可讀標(biāo)志設(shè)為讀取完成，退出本程序模塊，否則返回，等待報警通知。
4、數(shù)據(jù)傳送模塊數(shù)據(jù)傳送模塊根據(jù)用戶組態(tài)的信息，利用以太網(wǎng)或電話線路將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)傳送到遠程服務(wù)中心，其功能為·數(shù)據(jù)的定時或根據(jù)用戶需求的遠程發(fā)送功能；·數(shù)據(jù)壓縮功能。
具體流程為啟動后第一單片機等待動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲區(qū)可讀，程序的可讀標(biāo)志為正在讀取，條件滿足時打包數(shù)據(jù)，調(diào)用NETWEB模塊，建立遠程連接，將可讀標(biāo)志設(shè)為讀取完成，再發(fā)送打包數(shù)據(jù)，執(zhí)行延時操作，判斷是否退出該程序，是則結(jié)束；如不退出該程序，可重新等待動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲區(qū)可讀，程序的可讀標(biāo)志為正在讀?。粭l件不滿足時，返回重新等待動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲區(qū)可讀，程序的可讀標(biāo)志為正在讀取。
5、WEB發(fā)布模塊WEB發(fā)布模塊提供嵌入式WEB數(shù)據(jù)發(fā)布功能，使用戶使用標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器可以訪問現(xiàn)場的實時/歷史數(shù)據(jù)及查詢設(shè)備的報警信息，同時通過WEB服務(wù)器提供相應(yīng)的設(shè)備配置功能；具體是·提供密碼保護功能，保證設(shè)備的安全性；·提供現(xiàn)場設(shè)備的實時顯示功能(最好完成圖形化界面)；·提供現(xiàn)場設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)、報警信息查詢功能；·提供用戶定制網(wǎng)頁上載功能，用戶自己開發(fā)的網(wǎng)頁可以通過該模塊提供的上載功能，載入到嵌入式設(shè)備中；·提供現(xiàn)場設(shè)備的組態(tài)功能網(wǎng)頁。
具體流程為首先NETWEB啟動Web服務(wù)，接收用戶輸入，第一單片機等待存儲區(qū)標(biāo)志設(shè)為可讀，并且可讀取標(biāo)志為可讀，條件不滿足時返回判斷；條件滿足時再判斷是否是實時數(shù)據(jù)，是實時數(shù)據(jù)則把動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器中實時數(shù)據(jù)輸出到網(wǎng)頁上，否則把動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器歷史數(shù)據(jù)輸出到網(wǎng)頁上，然后把可讀取標(biāo)志設(shè)為讀取完成，最后判斷是否退出Web服務(wù)，是則結(jié)束，否則返回接收用戶輸入。
6、RS-485通信模塊RS-485通信模塊提供本發(fā)明系統(tǒng)與其I/O模塊間的數(shù)據(jù)訪問通道，完成I/O模塊的管理及數(shù)據(jù)讀寫功能。
·提供I/O模塊的類型、地址等管理信息；·提供現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)的讀寫功能；·提供I/O模塊的組態(tài)信息讀寫功能。
具體流程分NETWEB模塊通訊流程和I/O模塊中斷響應(yīng)流程為兩部分，其中NETWEB模塊通訊流程為在入口處執(zhí)行存儲在動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器中的RS-485接口驅(qū)動函數(shù)，發(fā)送地址至I/O模塊，如從機有應(yīng)答，則第一單片機發(fā)送命令字，否則重試(重試大于3次作掉線處理，否則再次發(fā)送地址)；發(fā)送命令字后判斷從機數(shù)據(jù)上傳否，上傳則發(fā)上傳命令字，否則發(fā)下傳命令字；發(fā)上傳命令字后接收從機數(shù)據(jù)，接收成功時返回，不成功時，重新接收從機數(shù)據(jù)；發(fā)下傳命令是發(fā)送主機數(shù)據(jù)或命令字給從機，發(fā)送成功時返回，不成功時，重新發(fā)送從機數(shù)據(jù)。所述I/O模塊中斷響應(yīng)流程在中斷入口I/O模塊接收數(shù)據(jù)，然后判斷是地址命令還是數(shù)據(jù)命令，是地址命令再判斷是否是本機地址，是本機地址時，I/O模塊發(fā)應(yīng)答信號給第一單片機，通訊位SM2置0，恢復(fù)現(xiàn)場、中斷返回；不是本機地址時，直接恢復(fù)現(xiàn)場、中斷返回；如是數(shù)據(jù)命令字，再判斷是否是上傳命令字，如是上傳命令字，由I/O模塊發(fā)送從機采集的數(shù)據(jù)給第一單片機，令SM2置1，恢復(fù)現(xiàn)場、中斷返回；如不是上傳命令字，由I/O模塊執(zhí)行控制命令，SM2置1，恢復(fù)現(xiàn)場、中斷返回。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點1.應(yīng)用廣泛?？梢詰?yīng)用于機械制造、石油、化工、石化、制藥、冶金、采礦、電力、食品加工、能源、消防、銀行監(jiān)控等行業(yè)的自動化控制領(lǐng)域。
2.具有分散控制特點。本發(fā)明廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站，把DCS控制站的控制功能和DCS的輸入/輸出功能分散到RS-485總線上的現(xiàn)場設(shè)備，實現(xiàn)了徹底的分散控制，體現(xiàn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性。
3.具有自動化綜合能力。本發(fā)明突破了DCS系統(tǒng)中由專用網(wǎng)絡(luò)的封閉系統(tǒng)采用一對一的設(shè)備連線，按控制回路分別進行連接來實現(xiàn)所造成的弊端，把基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案。采用了本系統(tǒng)，能夠把原DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、輸入輸出模塊置于現(xiàn)場設(shè)備，便于將規(guī)范的自動化設(shè)備通過RS-485總線連成系統(tǒng)，實現(xiàn)綜合自動化的各種功能。
4.本發(fā)明具有使用的靈活性。模塊間采用RS-485接口，用戶很容易根據(jù)自己的需要，搭建自己的控制系統(tǒng)；同時，I/O模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出信號，也很容易與現(xiàn)場的傳感器進行連接，對現(xiàn)場的設(shè)備監(jiān)控。
5.具有現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性。本發(fā)明將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備就可以完成自動控制的基本功能，并可以隨時診斷設(shè)備的運行狀態(tài)。
6.具有良好的可移動性。由于采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，用戶可以在任何地點通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，瀏覽該設(shè)備的狀態(tài)，并發(fā)出控制命令。
7.本發(fā)明采用占先式實時操作系統(tǒng)，不依賴PC機。另外，外圍資源豐富，如程序存儲器4M，可擴展至8M，數(shù)據(jù)存儲器8M，可擴展到32M，40個通用輸入、輸出端口(GPIO)，1個RS-232接口，1個RS-485接口，1個網(wǎng)絡(luò)接口，32K非易失性數(shù)據(jù)存儲器(NVRAM)，可擴展到256K，PCF8563時鐘一片，串行EEPROM可連接256K。
由于本發(fā)明有以上特點，使其從安裝到正常運行及其檢修、維護，都體現(xiàn)出它的優(yōu)越性。比如1.節(jié)省硬件數(shù)量與投資。由于本發(fā)明分散在現(xiàn)場的智能設(shè)備(I/O模塊)能直接執(zhí)行多種傳感控制報警和計算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨的調(diào)節(jié)器、計算單元等，也不再需要DCS系統(tǒng)的信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離等功能單元及其復(fù)雜連接，還可以用工控PC機作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，并可減少控制室的占地面積。
2.節(jié)省安裝費用。由于采用RS-485總線，使設(shè)備與該系統(tǒng)的連接變得大為簡化，減少了設(shè)計、安裝的工作量，節(jié)省了投資。
3.節(jié)省維護開銷。由于本發(fā)明具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)的診斷維護信息送往遠程控制端，用戶可以查詢所有設(shè)備的運行，診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除，縮短了維護停工時間；同時由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，減少連線和維護工作量。
4.提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。由于本發(fā)明具有智能化、數(shù)字化功能，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的精確度，減少了傳送誤差；同時由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化(RS-485總線)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的使用，設(shè)備間連線減少，現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。
5.易于管理、監(jiān)控。由于本發(fā)明采用以太網(wǎng)，現(xiàn)場數(shù)據(jù)可以無障礙的直接傳送到管理層，便于企業(yè)管理人員檢索數(shù)據(jù)，監(jiān)控設(shè)備運行狀況。


圖1是本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu)框圖。
圖2-1是圖1中NETWEB模塊原理框圖。
圖2-2是圖2-1的電路原理圖。
圖3是模擬量輸入模塊原理圖。
圖4是模擬量輸出模塊原理圖。
圖5是開關(guān)量輸入模塊原理圖。
圖6是開關(guān)量輸出模塊原理圖。
圖7是NETWEB模塊的控制程序流程框圖。
圖8是WEB發(fā)布模塊的程序流程圖。
圖9-1是RS-485通訊模塊中NETWEB模塊(主機)通訊的程序流程圖。
圖9-2是RS-485通訊模塊中I/O模塊(從機)中斷響應(yīng)的程序流程圖。
圖10是數(shù)據(jù)傳送模塊的控制程序流程圖。
圖11是數(shù)據(jù)診斷報警模塊的程序流程圖。
圖12是設(shè)備組態(tài)模塊的程序流程圖。
圖13是數(shù)據(jù)采集/存儲模塊的程序流程圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。
如圖1所示，本發(fā)明包括NETWEB模塊和I/O模塊，圖2-1是NETWEB模塊原理框圖，NETWEB模塊內(nèi)的第一單片機CPU1運行ThreadX實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，程序存儲器FLASH中各個程序功能模塊依據(jù)其優(yōu)先級的不同，由操作系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度、運行。NETWEB的硬件組成如下采用Netsilicon公司提供的ARM系列中的NET+50型號的第一單片機CPU1，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能。AM29DL323DB-90EI 4M 32位程序存儲器FLASH，48LC2M32B2-7 8M16位動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器SDRAM，AT28LV64B 32K 8位并行非易失性數(shù)據(jù)存儲器NVRAM，具有MII接口的物理層PHY(驅(qū)動芯片LXT971ALE)作為以太網(wǎng)接口，PCF8563 I2C芯片接口的時鐘CLOCK，MAX3241接口驅(qū)動芯片組成RS-232接口，MAX485接口驅(qū)動芯片組成RS-485接口，及隔離電源DIA等。
所述單片機是32位機，RISC結(jié)構(gòu)，集成有10/100BaseT以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制器(MAC)、10MB ENDEC接口、10通道DMA控制器、2個獨立的串行口、總線接口、定時器、通用I/O等等，采用RS-485總線將外圍模塊連接起來，軟件開發(fā)采用NetSilicon公司提供的NET+OS軟件包進行二次開發(fā)。該開發(fā)軟件包包括.ThreadX占先式實時內(nèi)核；.Green HillsMulti 2000 IDE；.NET+OS驅(qū)動器、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；.NetSilicon提供的其它工具。
如圖2-1、2-2所示，本系統(tǒng)包括NETWEB模塊和I/O模塊，NETWEB模塊通過RS-485接口與I/O模塊相連接；NETWEB模塊由第一單片機CPU1、動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器SDRAM、程序存儲器FLASH、時鐘CLOCK、非易失性數(shù)據(jù)存儲器NVRAM及物理層PHY組成，第一單片機CPU1連接于物理層PHY與動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器SDRAM、程序存儲器FLASH、時鐘CLOCK、非易失性數(shù)據(jù)存儲器NVRAM之間，物理層PHY還通過以太網(wǎng)接口、RJ45至以太網(wǎng)，并經(jīng)RS-232接口由MODEM接入以太網(wǎng)，程序存儲器FLASH內(nèi)存有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP(UDP)/IP、實時操作系統(tǒng)內(nèi)核、RS-485通訊協(xié)議，并通過第一單片機CPU1運行RS-485通訊模塊程序，經(jīng)RS-485接口與I/O模塊相連。
如圖7所示，上電時第一單片機CPU1將程序存儲器FLASH中程序拷貝到動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器SDRAM中，包括以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP(UDP)/IP、實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，及完成各功能的控制程序模塊，控制程序模塊為WEB發(fā)布模塊、485通訊模塊、數(shù)據(jù)傳送模塊、數(shù)據(jù)診斷報警模塊、設(shè)備組態(tài)模塊、數(shù)據(jù)采集/存儲模塊，具體流程如下如圖8所示，WEB發(fā)布模塊流程首先NETWEB啟動Web服務(wù)，接收用戶輸入，第一單片機CPU1等待并判斷存儲區(qū)標(biāo)志是否設(shè)為可讀，并且可讀取標(biāo)志為可讀，條件不滿足時返回判斷；條件滿足時再判斷是否是實時數(shù)據(jù)，是實時數(shù)據(jù)則把動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器SDRAM中實時數(shù)據(jù)輸出到網(wǎng)頁上，否則把動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器SDRAM歷史數(shù)據(jù)輸出到網(wǎng)頁上，然后把可讀取標(biāo)志設(shè)為讀取完成，最后判斷是否退出Web服務(wù)么，是則結(jié)束，否則返回接收用戶輸入。
如圖9-1、9-2所示，485通訊模塊流程分NETWEB模塊(主機)通訊流程和I/O模塊(從機)中斷響應(yīng)流程為兩部分，其中NETWEB模塊(主機)通訊流程為在入口處執(zhí)行存儲在動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器SDRAM中的RS-485接口驅(qū)動函數(shù)，發(fā)送地址至I/O模塊，如從機有應(yīng)答，則第一單片機CPU1發(fā)送命令字，否則重試(重試大于3次作掉線處理，否則再次發(fā)送地址)；發(fā)送命令字后判斷從機數(shù)據(jù)上傳否，上傳則發(fā)上傳命令字，否則發(fā)下傳命令字；發(fā)上傳命令字后接收從機數(shù)據(jù)，接收成功時返回，不成功時，重新接收從機數(shù)據(jù)；發(fā)下傳命令是發(fā)送主機數(shù)據(jù)或命令字給從機，發(fā)送成功時返回，不成功時，重新發(fā)送從機數(shù)據(jù)。
I/O模塊(從機)中斷響應(yīng)流程在中斷入口I/O模塊接收數(shù)據(jù)，然后判斷是地址命令還是數(shù)據(jù)命令，是地址命令再判斷是否是本機地址，是本機地址時，I/O模塊發(fā)應(yīng)答信號給第一單片機CPU1，通訊位SM2置0，恢復(fù)現(xiàn)場、中斷返回；不是本機地址時，直接恢復(fù)現(xiàn)場、中斷返回；如是數(shù)據(jù)命令字，再判斷是否是上傳命令字，如是上傳命令字，由I/O模塊發(fā)送從機采集的數(shù)據(jù)給第一單片機CPU1，令SM2置1，恢復(fù)現(xiàn)場、中斷返回；如不是上傳命令字(如主機發(fā)送的是控制命令字)，由I/O模塊執(zhí)行控制命令，SM2置1，恢復(fù)現(xiàn)場、中斷返回。
如圖10所示，數(shù)據(jù)傳送模塊流程為啟動后第一單片機CPU1等待動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器SDRAM數(shù)據(jù)存儲區(qū)可讀，程序的可讀標(biāo)志為正在讀取，條件滿足時打包數(shù)據(jù)，調(diào)用NETWEB模塊，建立遠程連接，將可讀標(biāo)志設(shè)為讀取完成，再發(fā)送打包數(shù)據(jù)，執(zhí)行延時操作，判斷是否退出該程序，是則結(jié)束；如不退出該程序，可重新等待動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器SDRAM數(shù)據(jù)存儲區(qū)可讀，程序的可讀標(biāo)志為正在讀??；條件不滿足時，返回重新等待動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器SDRAM數(shù)據(jù)存儲區(qū)是可讀，程序的可讀標(biāo)志為正在讀取。
如圖11所示，數(shù)據(jù)診斷報警模塊流程所述數(shù)據(jù)診斷報警模塊流程啟動后第一單片機CPU1等待報警通知，等不到時返回等待報警通知，等到時，程序的可讀標(biāo)志置為讀，判斷動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器SDRAM報警數(shù)據(jù)區(qū)是否可讀，條件不滿足(不可讀)，繼續(xù)判斷，條件滿足(可讀)則復(fù)制報警數(shù)據(jù)到動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器SDRAM數(shù)據(jù)區(qū)，并根據(jù)組態(tài)信息發(fā)電子郵件，然后把本程序的可讀標(biāo)志設(shè)為讀取完成，退出本程序模塊，否則返回，等待報警通知；如圖12所示，設(shè)備組態(tài)模塊流程為系統(tǒng)啟動后從非易失性數(shù)據(jù)存儲器NVRAM中讀參數(shù)創(chuàng)建組態(tài)信息區(qū)，進入配置狀態(tài)，然后由用戶操作進行選擇，如選擇的是系統(tǒng)參數(shù)配置(電話號、IP等)，則判斷存儲信息是否是存入非易失性數(shù)據(jù)存儲器NVRAM，如是存入非易失性數(shù)據(jù)存儲器NVRAM，修改組態(tài)變化標(biāo)志，修改組態(tài)信息區(qū)，組態(tài)信息存入非易失性數(shù)據(jù)存儲器NVRAM，結(jié)束程序；不是存入非易失性數(shù)據(jù)存儲器NVRAM的情況下，結(jié)束程序；如選擇的是NETWEB模塊第一單片機CPU1中刷新設(shè)備列表(如上下限、數(shù)據(jù)類型等)，則先通過RS-485通訊模塊與從機通訊，再進行設(shè)備I/O參數(shù)配置，當(dāng)配置完成時，判斷是否存儲信息到NVRAM中，如是，則修改組態(tài)變化標(biāo)志，修改組態(tài)信息區(qū)，組態(tài)信息存入非易失性數(shù)據(jù)存儲器NVRAM，不是存入非易失性數(shù)據(jù)存儲器NVRAM的情況下，結(jié)束程序。
如圖13所示，數(shù)據(jù)采集/存儲模塊流程為開始后由第一單片機CPU1將動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器SDRAM存儲區(qū)讀寫標(biāo)志設(shè)為寫，再判斷NETWEB模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊是否讀完，如程序模塊沒讀完，重新判斷其可讀取標(biāo)志；如讀完，則將過濾數(shù)據(jù)存儲到動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器SDRAM中，動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器SDRAM的數(shù)據(jù)按照時間戳由高到低進行排列，隊列頭部是實時數(shù)據(jù)，然后都是歷史數(shù)據(jù)(可采用循環(huán)隊列的方法存儲)，將動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器SDRAM存儲區(qū)讀寫標(biāo)志設(shè)為可讀，允許NETWEB模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊程序從存儲區(qū)讀數(shù)據(jù)，再設(shè)置NETWEB模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊程序可讀取標(biāo)志為可讀，使NETWEB模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊程序可以讀動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器SDRAM數(shù)據(jù)，最后結(jié)束。
本實施例I/O模塊(如圖1所示)包括四種，即圖3所示的八通道模擬量輸入模塊AI、圖4所示的八通道模擬量輸出模塊AO、圖5所示的八通道開關(guān)量輸入模塊DI、圖6所示的八通道開關(guān)量輸出模塊DO。其硬件組成如下1.模擬量輸入模塊AI
如圖3所示，模擬量輸入模塊AI適用于工業(yè)現(xiàn)場，可輸入8路電壓信號或電流信號，并通過RS-485接口，與NETWEB模塊進行實時通訊。
本模塊由第二單片機CPU2、第一模/數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D1、多路開關(guān)轉(zhuǎn)換器MUX及第一光電隔離器OPT1組成，第二單片機CPU2通過開關(guān)轉(zhuǎn)換器MUX選擇輸入被測信號，信號經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D1，送至第二單片機CPU2，再通過RS-485接口(采用MAX485芯片)與NETWEB模塊通訊，在第一模數(shù)/轉(zhuǎn)換器A/D1和第二單片機CPU2之間設(shè)有第一光電隔離器OPT1。
本模塊選用AT89C52為第二單片機CPU2和AD7705、16位第一模/數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D1，采用ADG508為多路開關(guān)轉(zhuǎn)換器MUX，可輸入1～5V電壓信號或4～20mA電流信號(通過跳線選擇)，并通過RS-485接口(帶有ESD靜電保護)與NETWEB模塊通訊，本模塊在第一模數(shù)/轉(zhuǎn)換器A/D1和第二單片機CPU2之間采用了光電隔離技術(shù)，使供電電源和通訊與模擬輸入分開，使模塊的抗干擾能力進一步加強。
2.模擬量輸出模塊AO如圖4所示，模擬量輸出模塊AO適用于工業(yè)現(xiàn)場，可輸出4路電壓信號和4路電流信號，并通過RS-485接口，與NETWEB模塊進行實時通訊。
本模塊主要由第三單片機CPU3、第一～二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器D/AI～D/A2及第二光電隔離器OPT2組成，第三單片機CPU3輸入信號來自NETWEB模塊，其輸出信號經(jīng)第二光電隔離器OPT2送至第一～二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器D/AI～D/A2，第一～二模/數(shù)轉(zhuǎn)換器D/AI～D/A2輸出信號送至外圍控制設(shè)備。
本模塊選用AT89C52為第三單片機CPU3和BB公司的DAC7615為第一～二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器D/A1～D/A2進行12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換，可輸出-10V～+10V電壓信號或4-20mA電流信號，對外圍設(shè)備進行控制(如手操器)，并通過RS-485接口(帶有ESD靜電保護)與NETWEB模塊進行通訊。本模塊在數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和第三單片機CPU3之間采用了光電隔離技術(shù)，使供電電源和通訊與模擬輸出分開，使模塊的抗干擾能力進一步加強。
3.開關(guān)量輸入模塊DI如圖5所示，本模塊主要由第四單片機CPU4及第三光電隔離器OPT3組成，外界各種開關(guān)信號為光電隔離器輸入信號，第三光電隔離器OPT3輸出信號送至第四單片機CPU4，第四單片機CPU4經(jīng)RS-485接口與NETWEB模塊通信，將輸入數(shù)據(jù)傳送給NETWEB模塊。
開關(guān)量輸入模塊DI選用AT89C52為第四單片機CPU4。用于工業(yè)現(xiàn)場，可采集8路開關(guān)量輸入信號的狀態(tài)，通過RS-485接口(帶有ESD靜電保護)，與NETWEB模塊實時通訊。同時在輸入信號和第四單片機CPU4之間采用了光電隔離技術(shù)，使第四單片機CPU4和開關(guān)量輸入分開，使模塊的抗干擾能力進一步加強。
4.開關(guān)量輸出模塊DO如圖6所示，本模塊主要由達林頓驅(qū)動器ULN、第五單片機CPU5及第四光電隔離器OPT4組成，第五單片機CPU5經(jīng)RS-485接口與NETWEB模塊通訊，通訊信息是第五單片機CPU5的輸入信號，輸出端經(jīng)第四光電隔離器OPT4至達林頓驅(qū)動器ULN，達林頓驅(qū)動器ULN輸出信號分八路經(jīng)繼電器RELAY至控制現(xiàn)場。
開關(guān)量輸出模塊DO選用AT89C52為第五單片機CPU5，適用于工業(yè)現(xiàn)場，內(nèi)部驅(qū)動8路繼電器，通過RS-485接口(帶有ESD靜電保護)，與NETWEB模塊實時通訊。同時在輸出信號和第五單片機CPU5之間采用了光電隔離和達林頓驅(qū)動技術(shù)，使供電電源和通訊與第五單片機CPU5分開，使模塊的抗干擾能力進一步加強。
模擬量輸入模塊AI、模擬量輸出模塊AO、開關(guān)量輸入模塊DI、開關(guān)量輸出模塊DO中的每個都包括一個配置信息存儲器EEPROM(其內(nèi)集成看門狗WDOG，英文原名Microprocessor Reset IC with Watchdog PartSummary)，與單片機相連，存有模塊類型、I/O地址、配置參數(shù)等信息，I/O地址在0-32之間選取。
本實施例模擬量輸入模塊AI、模擬量輸出模塊AO、開關(guān)量輸入模塊DI、開關(guān)量輸出模塊DO每個模塊都包括一個配置信息存儲器EEPROM，存有模塊類型、I/O地址、配置參數(shù)等信息，I/O地址在0-32之間選取。
NETWEB模塊通過RS-485總線與I/O模塊之間連接，(根據(jù)采用的RS-485驅(qū)動芯片的不同，I/O模塊可連接32、128或256不等)，目前NETWEB模塊最多可與32個I/O模塊進行連接。NETWEB模塊通過RS-485總線讀取每個I/O模塊的配置信息，采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并進行處理，再通過以太網(wǎng)發(fā)送給遠端計算機，或?qū)⑦h端的控制信息傳遞給指定的模塊，參與控制。詳細(xì)功能如下1)組態(tài)系統(tǒng)工程師在系統(tǒng)投入使用前，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的應(yīng)用情況，通過設(shè)備組態(tài)模塊配置本發(fā)明，組態(tài)客戶端(遠端)使用標(biāo)準(zhǔn)的互連網(wǎng)瀏覽器，通過嵌入在本發(fā)明的WEB發(fā)布模塊、設(shè)備組態(tài)模塊來設(shè)置系統(tǒng)的運行參數(shù)及I/O模塊相關(guān)參數(shù)。
2)工況查詢在進入到正常工作狀態(tài)后，本發(fā)明通過WEB發(fā)布模塊，將隨時監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備運行情況?？蛻敉ㄟ^標(biāo)準(zhǔn)的互連網(wǎng)瀏覽器查看現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)信息，同時可以回放現(xiàn)場的部分歷史信息。在用戶權(quán)限允許的條件下，可以對遠程設(shè)備進行簡單控制。
3)報警信息查詢在進入到正常工作狀態(tài)后，本發(fā)明通過數(shù)據(jù)診斷報警模塊，將根據(jù)系統(tǒng)工程師設(shè)定的報警參數(shù)，檢測設(shè)備報警條件，同時將報警信息存儲到本地，客戶通過標(biāo)準(zhǔn)的互連網(wǎng)瀏覽器查看現(xiàn)場的報警信息。
4)電子郵件接收在進入到正常工作狀態(tài)后，本發(fā)明通過WEB發(fā)布模塊，將根據(jù)用戶設(shè)定的報警參數(shù)，檢測設(shè)備報警條件，同時按照系統(tǒng)工程師設(shè)定的EMAIL接收客戶名單，將數(shù)據(jù)診斷、報警信息發(fā)送到指定的客戶郵箱中。
5)客戶定制網(wǎng)頁下載本發(fā)明在系統(tǒng)投入使用前，可以本發(fā)明通過WEB發(fā)布模塊、設(shè)備組態(tài)模塊使用第三方的HTML編輯器，按照系統(tǒng)提供的網(wǎng)頁編輯說明，開發(fā)自定義的用戶網(wǎng)頁，發(fā)布現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)，客戶通過標(biāo)準(zhǔn)的互連網(wǎng)瀏覽器下載用戶的定制網(wǎng)頁。
6)遠程服務(wù)中心在進入到正常工作狀態(tài)后，本發(fā)明通過WEB發(fā)布模塊，按照系統(tǒng)工程師的組態(tài)信息，將現(xiàn)場設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)通過互連網(wǎng)或電話線路傳送到遠程的服務(wù)中心，遠程服務(wù)中心的數(shù)據(jù)接受軟件將這些歷史數(shù)據(jù)存儲到用戶選定的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，遠程服務(wù)中心也可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)分析的情況對現(xiàn)場的連接設(shè)備發(fā)出控制指令。
本發(fā)明解決了以下幾項關(guān)鍵技術(shù)1)通過嵌入式實時操作系統(tǒng)和TCP(UDP)/IP協(xié)議將離散I/O模塊無縫接入以太網(wǎng)，從而在以太網(wǎng)中可以透明訪問各I/O模塊；2)數(shù)據(jù)診斷模塊、數(shù)據(jù)采集/存儲模塊提供對I/O模塊診斷和動態(tài)管理的功能；3)RS-485接口完成與I/O模塊之間的RS-485通訊；4)通過WEB發(fā)布模塊實現(xiàn)基于瀏覽器的組態(tài)軟件的WEB發(fā)布功能；本發(fā)明能完成工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與控制，并通過互連網(wǎng)傳送到遠程(異地)。同時通過標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器軟件，可以進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)訪問，報警信息查詢等遠程檢測/監(jiān)視/控制功能；整個系統(tǒng)的配置及遠程監(jiān)控采用Browse/Server結(jié)構(gòu)，與目前流行的互連網(wǎng)瀏覽器軟件任何一種Web瀏覽器都可以照讀不誤，大到10Mbyte的完備桌面瀏覽器，小到600kbyte的Mosaic瀏覽器，也無論是Microsoft的瀏覽器還是Netscape瀏覽器均適用；本發(fā)明提供現(xiàn)場的數(shù)據(jù)遠程采集和傳輸功能，將現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)定時或按用戶需求傳送到遠程服務(wù)中心的數(shù)據(jù)庫中，為現(xiàn)場設(shè)備的故障診斷和設(shè)備維護提供現(xiàn)場數(shù)據(jù)。
本發(fā)明具有以下功能1)數(shù)據(jù)采集與遠程控制功能。本發(fā)明能夠連接標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)現(xiàn)場信號，通過I/O模塊，完成模擬量及開關(guān)量信號的采集，同時進行簡單的遠程控制。
2)系統(tǒng)的組態(tài)配置及組態(tài)信息上載功能。本發(fā)明提供基于瀏覽器的設(shè)備組態(tài)模塊的軟件，根據(jù)應(yīng)用現(xiàn)場的不同，賦予嵌入式網(wǎng)絡(luò)化遠程輸入輸出系統(tǒng)靈活的性能，同時提供模塊組態(tài)信息上載功能。
3)I/O模塊擴展功能。本發(fā)明采用RS-485通訊結(jié)構(gòu)，根據(jù)現(xiàn)場信號種類和數(shù)量的不同，可以自由選擇I/O模塊，擴展系統(tǒng)的I/O連接能力，實現(xiàn)模塊掉電組態(tài)信息的保存。
4)I/O模塊的自動識別與配置功能。由于本發(fā)明采用設(shè)備組態(tài)模塊，可以自動識別連接模塊的類型(如模擬量輸入模塊AI、模擬量輸出模塊AO、開關(guān)量輸出模塊DO、開關(guān)量輸入模塊DI等)，配置模塊的組態(tài)參數(shù)(如IP地址、量程、線性化參數(shù)等)。
5)短期數(shù)據(jù)存儲功能。本發(fā)明采用數(shù)據(jù)診斷報警模塊和數(shù)據(jù)采集/存儲模塊，可以存儲短期(臨時)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)及規(guī)定數(shù)量的報警信息，實現(xiàn)設(shè)備故障前數(shù)據(jù)的回放。
6)數(shù)據(jù)遠程傳輸功能。本發(fā)明通過數(shù)據(jù)傳送模塊，根據(jù)用戶的組態(tài)信息(定時、實時、按用戶需求等)，提供數(shù)據(jù)的異地傳輸。
7)多種網(wǎng)絡(luò)接入功能。本發(fā)明采用以太網(wǎng)接口，及調(diào)制解調(diào)器MODEM兩種接入方式接入以太網(wǎng)。
8)WEB數(shù)據(jù)發(fā)布功能。根據(jù)用戶的組態(tài)信息，提供現(xiàn)場數(shù)據(jù)的WEB發(fā)布功能，用戶使用標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器，自由訪問現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)。
9)報警及診斷功能。本發(fā)明根據(jù)用戶的組態(tài)信息、采用數(shù)據(jù)診斷報警模塊提供上下限報警，I/O模塊掉電報警，電子郵件通知，診斷信息查詢顯示。
10)遠程數(shù)據(jù)接收功能。在遠程上位機中實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收功能，本發(fā)明是通過數(shù)據(jù)診斷報警模塊及WEB發(fā)布模塊提供數(shù)據(jù)的開放式訪問接口，提供數(shù)據(jù)共享與信息集成手段。
11)提供通用的I/O擴展接口及工業(yè)常用接口到以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)功能，如RS-232到以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)等。
另外，本發(fā)明NETWEB模塊提供網(wǎng)絡(luò)連接的物理接口還可以單獨通過超五類非屏蔽雙絞線經(jīng)RJ45接口接入以太網(wǎng)方式，通過10M/100M網(wǎng)絡(luò)物理層驅(qū)動組成的以太網(wǎng)接口連接到以太網(wǎng)(Internet)上；亦可以單獨通過調(diào)制解調(diào)器MODEM的電話接入方式，并通過RS-232接口(由MAX3241驅(qū)動芯片提供)與調(diào)制解調(diào)器MODEM連接，再經(jīng)RJ11接口及電話線路接入以太網(wǎng)，進行遠程傳輸數(shù)據(jù)、監(jiān)控，調(diào)制解調(diào)器MODEM接入功能為設(shè)備的可選功能，內(nèi)還運行程序功能模塊，與以太網(wǎng)接口、RS-485接口及RS-232接口雙向通訊。
權(quán)利要求
1.一種嵌入式網(wǎng)絡(luò)化遠程輸入輸出系統(tǒng)，其特征在于包括NETWEB模塊、I/O模塊及控制程序三部分，其中NETWEB模塊運行Internet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，通過RS-485總線管理I/O模塊，完成分布式I/O控制，還通過網(wǎng)絡(luò)傳輸部分與以太網(wǎng)之間收發(fā)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸及通過Internet網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場設(shè)備進行遠程監(jiān)控，數(shù)據(jù)采集；控制程序存儲于NETWEB模塊中的程序存儲器(FLASH)里；I/O模塊通過RS-485總線與NETWEB模塊通訊，各輸入輸出功能模塊完成現(xiàn)場信號的采集、轉(zhuǎn)換，并對現(xiàn)場控制對象實施控制。
2.按照權(quán)利要求1所述嵌入式網(wǎng)絡(luò)化遠程輸入輸出系統(tǒng)，其特征在于所述網(wǎng)絡(luò)傳輸采用通過以太網(wǎng)接口的接入以太網(wǎng)方式和/或通過調(diào)制解調(diào)器(MODEM)的電話接入方式。
3.按照權(quán)利要求1所述嵌入式網(wǎng)絡(luò)化遠程輸入輸出系統(tǒng)，其特征在于所述NETWEB模塊包括-第一單片機(CPU1)；-動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器(SDRAM)，存儲NETWEB模塊中第一單片機(CPU1)運行的控制程序，還存儲所述I/O模塊采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)；-非易失性數(shù)據(jù)存儲器(NVRAM)，主要存放為NETWEB模塊設(shè)定的信息參數(shù)；由第一單片機(CPU1)讀?。?程序存儲器(FLASH)，用來存放操作系統(tǒng)內(nèi)核程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP(UDP)/IP、各功能控制程序模塊和RS-485接口通訊協(xié)議，并通過第一單片機(CPU1)運行控制程序模塊中RS-485通訊模塊程序，經(jīng)RS-485接口與I/O模塊相連；-時鐘(CLOCK)，為NETWEB模塊提供時間信息；-物理層(PHY)，與第一單片機(CPU1)連接，用來完成TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的第一層部分；-RS-485總線，連接NETWEB模塊和各I/O模塊，進行數(shù)據(jù)通訊操作。
4.按照權(quán)利要求1所述嵌入式網(wǎng)絡(luò)化遠程輸入輸出系統(tǒng)，其特征在于所述由NETWEB模塊可動態(tài)地控制、管理的所述I/O模塊可為32～256個，主要包括模擬量輸入模塊(AI)、模擬量輸出模塊(AO)、開關(guān)量輸入模塊(DI)、開關(guān)量輸出模塊(DO)、脈寬調(diào)制輸出模塊(PWM)。
5.按照權(quán)利要求4所述嵌入式網(wǎng)絡(luò)化遠程輸入輸出系統(tǒng)，其特征在于模擬量輸入模塊(AI)由第二單片機(CPU2)、第一模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D1)、多路開關(guān)轉(zhuǎn)換器(MUX)及第一光電隔離器(OPT1)組成，第二單片機(CPU2)通過開關(guān)轉(zhuǎn)換器(MUX)選擇輸入被測信號，信號經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D1)，送至第二單片機(CPU2)，再通過RS-485接口與NETWEB模塊通訊，在第一模數(shù)/轉(zhuǎn)換器(A/D1)和第二單片機(CPU2)之間設(shè)有第一光電隔離器(OPT1)。
6.按照權(quán)利要求4所述嵌入式網(wǎng)絡(luò)化遠程輸入輸出系統(tǒng)，其特征在于模擬量輸出模塊(AO)主要由第三單片機(CPU3)、第一～二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(D/A1～D/A2)及第二光電隔離器(OPT2)組成，第三單片機(CPU3)輸入信號來自NETWEB模塊，其輸出信號經(jīng)第二光電隔離器(OPT2)送至第一～二數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(D/A1～D/A2)，第一～二模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(D/A1～D/A2)輸出信號送至外圍控制設(shè)備。
7.按照權(quán)利要求4所述嵌入式網(wǎng)絡(luò)化遠程輸入輸出系統(tǒng)，其特征在于開關(guān)量輸入模塊(DI)主要由第四單片機(CPU4)及第三光電隔離器(OPT3)組成，外界各種開關(guān)信號為光電隔離器(OPT3)輸入信號，第三光電隔離器(OPT3)輸出信號送至第四單片機(CPU4)，第四單片機(CPU4)經(jīng)RS-485接口與NETWEB模塊通訊，將輸入數(shù)據(jù)傳送給NETWEB模塊。
8.按照權(quán)利要求4所述嵌入式網(wǎng)絡(luò)化遠程輸入輸出系統(tǒng)，其特征在于開關(guān)量輸出模塊(DO)主要由達林頓驅(qū)動器(ULN)、第五單片機(CPU5)及第四光電隔離器(OPT4)組成，第五單片機(CPU5)經(jīng)RS-485接口與NETWEB模塊通訊，通訊信息是第五單片機(CPU5)的輸入信號，輸出端經(jīng)第四光電隔離器(OPT4)至達林頓驅(qū)動器(ULN)，達林頓驅(qū)動器(ULN)輸出信號分八路經(jīng)繼電器(RELAY)至控制現(xiàn)場。
9.按照權(quán)利要求5、6、7或8所述嵌入式網(wǎng)絡(luò)化遠程輸入輸出系統(tǒng)，其特征在于模擬量輸入模塊(AI)、模擬量輸出模塊(AO)、開關(guān)量輸入模塊(DI)、開關(guān)量輸出模塊(DO)中的每個都包括一個配置信息存儲器(EEPROM)，與單片機相連。
10.按照權(quán)利要求1所述嵌入式網(wǎng)絡(luò)化遠程輸入輸出系統(tǒng)，其特征在于所述控制程序模塊為WEB發(fā)布模塊、485通訊模塊、數(shù)據(jù)傳送模塊、數(shù)據(jù)診斷報警模塊、設(shè)備組態(tài)模塊、數(shù)據(jù)采集/存儲模塊，具體流程如下所述WEB發(fā)布模塊流程首先NETWEB啟動Web服務(wù)，接收用戶輸入，第一單片機(CPU1)等待存儲區(qū)標(biāo)志設(shè)為可讀，并且可讀取標(biāo)志為可讀，條件不滿足時返回判斷；條件滿足時判斷是否是實時數(shù)據(jù)，是實時數(shù)據(jù)則把動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器SDRAM中實時數(shù)據(jù)輸出到網(wǎng)頁上，否則把動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器(SDRAM)歷史數(shù)據(jù)輸出到網(wǎng)頁上，然后把可讀取標(biāo)志設(shè)為讀取完成，最后判斷是否退出Web服務(wù)，是則結(jié)束，否則返回接收用戶輸入；所述485通訊模塊流程分NETWEB模塊通訊流程和I/O模塊中斷響應(yīng)流程為兩部分，其中NETWEB模塊通訊流程為在入口處執(zhí)行存儲在動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器(SDRAM)中的RS-485接口驅(qū)動函數(shù)，發(fā)送地址至I/O模塊，如從機有應(yīng)答，則第一單片機(CPU1)發(fā)送命令字，否則重試；發(fā)送命令字后判斷從機數(shù)據(jù)上傳否，上傳則發(fā)上傳命令字，否則發(fā)下傳命令字；發(fā)上傳命令字后接收從機數(shù)據(jù)，接收成功時返回，不成功時，重新接收從機數(shù)據(jù)；發(fā)下傳命令是發(fā)送主機數(shù)據(jù)或命令字給從機，發(fā)送成功時返回，不成功時，重新發(fā)送從機數(shù)據(jù)；所述I/O模塊中斷響應(yīng)流程在中斷入口I/O模塊接收數(shù)據(jù)，然后判斷是地址命令還是數(shù)據(jù)命令，是地址命令再判斷是否是本機地址，是本機地址時，I/O模塊發(fā)應(yīng)答信號給第一單片機(CPU1)，恢復(fù)現(xiàn)場、中斷返回；不是本機地址時，直接恢復(fù)現(xiàn)場、中斷返回；如是數(shù)據(jù)命令字，再判斷是否是上傳命令字，如是上傳命令字，由I/O模塊發(fā)送從機采集的數(shù)據(jù)給第一單片機(CPU1)，恢復(fù)現(xiàn)場、中斷返回；如不是上傳命令字，由I/O模塊執(zhí)行控制命令，恢復(fù)現(xiàn)場、中斷返回；所述數(shù)據(jù)傳送模塊流程為啟動后第一單片機(CPU1)等待動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器(SDRAM)數(shù)據(jù)存儲區(qū)可讀，程序的可讀標(biāo)志為正在讀取，條件滿足時打包數(shù)據(jù)，調(diào)用NETWEB模塊，建立遠程連接，將可讀標(biāo)志設(shè)為讀取完成，再發(fā)送打包數(shù)據(jù)，執(zhí)行延時操作，判斷是否退出該程序，是則結(jié)束；如不退出該程序，可重新等待動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器(SDRAM)數(shù)據(jù)存儲區(qū)可讀，程序的可讀標(biāo)志為正在讀??；條件不滿足時，返回重新等待動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器(SDRAM)數(shù)據(jù)存儲區(qū)可讀，程序的可讀標(biāo)志為正在讀??；所述數(shù)據(jù)診斷報警模塊流程啟動后第一單片機(CPU1)等待報警通知，等不到時返回等待報警通知，等到時，程序的可讀標(biāo)志置為讀，判斷動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器(SDRAM)報警數(shù)據(jù)區(qū)是否可讀，條件不滿足，繼續(xù)判斷，條件滿足則復(fù)制報警數(shù)據(jù)到動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器(SDRAM)數(shù)據(jù)區(qū)，并根據(jù)組態(tài)信息發(fā)電子郵件，然后把本程序的可讀標(biāo)志設(shè)為讀取完成，退出本程序模塊，否則返回，等待報警通知；所述設(shè)備組態(tài)模塊流程為系統(tǒng)啟動后從非易失性數(shù)據(jù)存儲器(NVRAM)中讀參數(shù)創(chuàng)建組態(tài)信息區(qū)，進入配置狀態(tài)，然后由用戶操作進行選擇，如選擇的是系統(tǒng)參數(shù)配置，則判斷存儲信息是否是存入非易失性數(shù)據(jù)存儲器(NVRAM)，如存入非易失性數(shù)據(jù)存儲器(NVRAM)，則修改組態(tài)變化標(biāo)志，修改組態(tài)信息區(qū)，組態(tài)信息存入非易失性數(shù)據(jù)存儲器(NVRAM)，結(jié)束程序；如不是存入非易失性數(shù)據(jù)存儲器(NVRAM)的情況下，則結(jié)束程序；如選擇的是NETWEB模塊第一單片機(CPU1)中刷新設(shè)備列表，則先通過RS-485通訊模塊與從機通訊，再進行設(shè)備I/O參數(shù)配置，當(dāng)配置完成時，判斷是否存儲信息到(NVRAM)中，如是，則修改組態(tài)變化標(biāo)志，修改組態(tài)信息區(qū)，組態(tài)信息存入非易失性數(shù)據(jù)存儲器(NVRAM)，不是存入非易失性數(shù)據(jù)存儲器(NVRAM)的情況下，結(jié)束程序；所述數(shù)據(jù)采集/存儲模塊流程為開始后由第一單片機(CPU1)將動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器(SDRAM)存儲區(qū)讀寫標(biāo)志設(shè)為寫，再判斷NETWEB模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊是否讀完，如程序模塊沒讀完，重新判斷其可讀取標(biāo)志；如讀完，則將過濾數(shù)據(jù)存儲到動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器(SDRAM)中，動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器(SDRAM)的數(shù)據(jù)按照時間戳由高到低進行排列，將動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器(SDRAM)存儲區(qū)讀寫標(biāo)志設(shè)為可讀，允許NETWEB模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊程序從存儲區(qū)讀數(shù)據(jù)，再設(shè)置NETWEB模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊程序可讀取標(biāo)志為可讀，使NETWEB模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊程序可以讀動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器(SDRAM)數(shù)據(jù)，最后結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明公開一種嵌入式網(wǎng)絡(luò)化遠程輸入輸出系統(tǒng)，它是一個具有以太網(wǎng)接口的分布式輸入輸出系統(tǒng)，主要應(yīng)用于工業(yè)自動化控制領(lǐng)域，由NETWEB模塊、I/O模塊及控制程序模塊組成，NETWEB模塊負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)傳輸、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，及通過RS－485接口對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集、處理，控制I/O模塊；I/O模塊完成現(xiàn)場信號的采集和對現(xiàn)場的設(shè)備進行控制；控制程序模塊存儲于NETWEB模塊中的程序存儲器里。用戶可以根據(jù)需求構(gòu)成一個從幾點到幾百點的可大可小的遠程監(jiān)測/監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個分布式I/O系統(tǒng)，依靠WEB瀏覽器便可以實現(xiàn)監(jiān)測、控制功能，其實時性能、網(wǎng)絡(luò)性能、可靠性能是其他系統(tǒng)難以比擬的。
文檔編號G06F13/14GK1604066SQ03135038
公開日2005年4月6日 申請日期2003年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月29日
發(fā)明者于海斌, 王宏, 張彥武, 林躍, 楊鐵, 王興旭, 石剛, 李正 申請人:中國科學(xué)院沈陽自動化研究所