Ethernet接入模塊

模塊結構

Ethernet接入模塊實質上是一個網絡協議轉換器，主要完成TCP/IP協議與現場總線RS-232協議的轉換。模塊結構如圖2所示。該模塊將通用的8位單片機與以太網控制芯片相結合，加上相應的外圍電路而構成。可分成三個子模塊：以太網控制芯片子模塊，負責接收以太網幀，并把數據送給單片機處理；接收單片機發(fā)來的數據，按以太網幀格式發(fā)到以太網。單片機子模塊，負責控制整個模塊，從以太網控制芯片子模塊中將數據包讀入內存，進行拆包處理，并將有關數據發(fā)向RS-232串行接口；將RS-232串行口來的數據按有關協議進行打包，送以太網控制芯片子模塊發(fā)至以太網上。擴展子模塊，單片機外圍擴展了程序和數據存儲器，滿足程序和數據的存儲需要。

為模塊開發(fā)的軟件主要有：模塊初始化程序、以太網控制器驅動程序、TCP/IP協議棧程序、系統網絡配置程序等。模塊初始化程序用于設置單片機工作模式及外圍芯片選擇字；以太網控制器驅動程序用于設置以太網控制芯片的工作狀態(tài)及工作方式，配置收發(fā)數據的緩沖區(qū)；TCP/IP協議棧程序實現ARP、IP、UDP協議；系統網絡配置程序用于給監(jiān)測系統分配IP地址及域名。

TCP/IP協議“剪裁”

用于現場級的以太網TCP/IP協議如圖3所示。

受8位單片機自身結構和功能的限制，從實用、夠用角度出發(fā)，該模塊對嵌入單片機的TCP/IP協議棧進行了“瘦身”處理，對TCP/IP進行“剪裁”，主要保留數據傳輸的基本功能。

由于機動車安全性能檢測線負責監(jiān)控的站點相對固定，線上測控數據量非常小(一次數據傳送量一般不超過100Byte)，“剪裁”的方案是：在鏈路層，單片機維護一個靜態(tài)的IP地址與MAC地址的映射表，取消RARP，實現的ARP也僅響應網絡ARP請求，發(fā)送ARP回答包。請求者廣播出包含ARP請求的以太網幀(幀類型為0X0806)，目的以太網地址為全１的廣播地址，本模塊收到后，發(fā)送一個包含自身MAC地址的ARP回答，以使以太網上PC主機建立和維護IP地址和MAC地址的映射表；在網絡層，取消ICMP協議，在處理IP報頭時，不考慮數據分片和優(yōu)先權問題，在服務類型和標志偏移域全部填“0”，在“協議”域填“17”，程序僅對頭核校和和上層是否是UDP協議進行判斷； 在傳輸層，選擇基于無連接的UDP，而不用TCP。TCP雖然是基于連接的可靠性傳輸協議，但開銷大，對汽車安全性能檢測線監(jiān)控網絡而言，通過采用超時重發(fā)、應用層端口判斷、校驗值檢查等措施，可以有效解決UDP的無連接和不可靠問題。“剪裁”后的TCP/IP協議棧程序只有8KB大小，既適應了單片機的存儲結構，也完全滿足現場單片機通訊需求。

模塊工作流程

模塊上電、初始化后，單片機采用查詢方式判斷以太網控制芯片中是否收到數據包，若有就讀入內存，拆包，若是ARP包，則進行ARP響應；若是UDP包，拆包，檢查應用層端口、檢驗值，判斷應用層數據是否為I/O操作命令，是則執(zhí)行I/O操作命令，其中讀I/O端口的數據要打包發(fā)往網絡；若不是I/O操作命令，將應用層數據從TXD口送出。采用中斷方式接收RXD口來的數據，打包送以太網。UDP數據包在網絡中采用超時重發(fā)、出錯重發(fā)機制，保證模塊與控制節(jié)點間按流程進行通信。

監(jiān)控實現

主控機等監(jiān)控計算機與現場檢測模塊之間的節(jié)點通信、現場測控管理的實現以及從遠程監(jiān)控計算機對現場節(jié)點的訪問等全面監(jiān)控方式的實現在設計了Ethernet接入模塊后均可方便的直接觸及現場模塊，從現場實時采集數據、控制管理，真正做到點對點測控管理，簡化監(jiān)控管理的模型。

節(jié)點通信實現

主控機、監(jiān)控管理機和WEB服務器與各Ethernet接入模塊的通信基于Delphi6.0的TNMUDP組件，是無連接的Socket機制。UDP數據報傳送時，雙方各先建立一個套接字，然后將各自的套接字和本地網絡地址綁定在一起，調用sendto()函數發(fā)送數據，調用recvfrom()函數接收，UDP數據拆包后按定義的通信協議進行處理(包括安全驗證、出錯重發(fā)等)。

現場測控管理實現

用Delphi6.0結合SQL Server 2000開發(fā)主控機程序和監(jiān)控管理機程序。主控機將檢測項目分成若干工位，上線檢測的汽車登錄后在線上獲取唯一ID標識，并利用多線程技術控制多輛汽車同時在線，按登錄時確定的項目進行檢測。主控制機工作時，禁止網絡其它主機與現場檢測設備進行通信。監(jiān)控管理機一是在現場檢測設備工作時，從數據庫服務器實時地讀取車輛的檢測信息和設備狀態(tài)信息，監(jiān)控數據超差和狀態(tài)異常等情況；二是在檢測線空閑或出現故障時，可直接與現場設備分別進行通信，讀取設備的自檢信息和設備的狀態(tài)信息，分析判斷設備正常與否或故障原因。

遠程監(jiān)控實現

由于采用以太網技術給每個現場模塊設定IP地址，使其在網絡上具有了唯一性的節(jié)點，對其的訪問也就變得比其他總線形式更加簡單，主機只需要根據Socket編寫通用的訪問網絡節(jié)點的程序，Ethernet接入模塊均可按照UDP協議進行識別和處理，使得程序結構簡化。

本系統遠程監(jiān)控基于B/S模式，采用ActiveX控件通過Socket的機制與網關接口服務程序相連，由服務程序讀取數據庫檢測數據和信息，并送到客戶端。當檢測線需要遠程維護或診斷時，服務程序與各檢測設備的Ethernet接入模塊通信，讀出設備自檢和光電管、繼電器狀態(tài)等信息，顯示在遠程客戶端瀏覽器頁面上。為使遠程監(jiān)控或診斷具有更強的現場感和實時性，可將監(jiān)控管理機的程序功能移植于遠程客戶端，借助Internet上的VPN服務，遠程對現場各檢測設備直接進行測控。

安全控制措施

監(jiān)控系統在檢測線內網加裝測毒、殺毒軟件，內網與外網之間構筑防火墻，采用包過濾、應用網關技術和身份認證技術，防止非授權的外網用戶訪問內網數據或操作控制現場檢測設備。

結語

Ethernet接入模塊體積小，功耗低，成本低廉，接入方便，在機動車檢測線現場使用，減少了監(jiān)控網絡的結構層次，使整個工業(yè)管理現場總線統一化，信息管理層與現場控制層首次采用一樣的總線技術完成；省去了485總線方式中的多串口卡、串并行數據線等硬件設備和大量的數據線路；使控制程序與檢測設備之間的通信統一起來，有效解決了為適應不同設備的不同通信方式而更改控制軟件的問題，提高了控制軟件的獨立性，增強了軟件的移植性。通過現場工作驗證，本系統具有工作穩(wěn)定、可操作性強、通訊實時性好等特點。