作者：何偉，江華明，俞立，徐建明

在工業過程控制系統中液位對象是一種十分普遍的對象，對液位對象的監測與控制是系統實現其功能必不可少的環節。在過去，液位的監控裝置多數是使用單片機實現點對點控制和顯示，工作人員必須到工業現場操作這些儀器，且單片機功能十分有限，只能完成一些相對簡單的操作。

隨著網絡通信技術的發展，以太網在工業控制領域的應用日趨廣泛，基于以太網的遠程監控系統實現遠程監測、控制和管理的有效集成。使用遠程監控系統通過網絡對工業生產過程進行監測，及時了解現場信息，快速進行決策。

遠程控制的關鍵技術在于如何解決工業現場設備的網絡接入問題。目前，主要有兩種方法：一種是使用PC機通過PC機端口（如RS232、USB接口）或數據采集卡來采集數據同時提供網絡接口，這種方法利用強大的PC機軟件支持，容易實現網絡通信功能，但是PC機端口資源有限，專用采集卡成本較高，難以推廣;另一種就是在現場使用嵌入式系統實現網絡接入，嵌入式系統具有功耗低、體積小、成本低、可靠性高、實時性強等特點，使用在工業控制現場比較合適。

本文將嵌入式技術和網絡技術相結合，在現場利用嵌入式系統實現網絡通信功能以實時傳輸液位信號和控制信號，在客戶端PC機上通過套接字編程實現與現場嵌入式系統的遠程通信，從而達到對遠程液位的監控。

1 遠程液位監控系統結構

本文設計的遠程液位監控系統結構如圖1所示：其中，處理器芯片采用ARM微處理器S3C44B0X;S3C44B0X自帶8路10位ADC進行A/D轉換來采集液位數據，通過擴展DAC0832實現D/A轉換以輸出控制量;S3C44B0X連接10M以太網卡RTL8019AS，提供網絡功能的硬件接口;μC/OS-Ⅱ移植到S3C44B0X上，提供操作系統的支持，方便了應用程序的開發和對整個系統的管理;嵌入式TCP/IP協議棧LwIP移植到μC/OS-Ⅱ平臺上，實現對網絡數據的軟件處理，從而為嵌入式系統提供網絡通信功能;遠程PC機客戶端登錄到嵌入式系統服務器上，通過以太網實現兩端數據的實時交互。

圖1 遠程液位監控系統結構圖

2 硬件介紹與設計

三星的S3C44B0X微處理器芯片采用ARM公司16/32位ARM7TDMI RISC結構的CPU核，主頻為66MHz，通過擴展一系列通用外圍部件，提供豐富的外設功能。它的存儲系統具有8個存儲體，每個有32MB的存儲空間，通過nGCS0-7這8個片選來分配。本文使用的設計方案中nGCS0接Flash芯片AM29LV160DB，起始地址0x00000000，大小為2MB，nGCS6接SDRAM芯片HY57V641620ET-7，起始地址為0x0c000000，大小為8MB，nGCS3接RTL8019AS，起始地址為0x06000000。

RTL8019AS是一款高度集成的全雙工以太網控制器，收發可同時達到10Mbps的速度;支持8位、16位數據總線，8個中斷請求線可供選擇;支持UTP、AUI和BNC的自動檢測;內置16K的SRAM，用于數據緩沖，以256B為單位的分頁結構，可以自行分配用于收發的分頁的大小和位置，一般前12頁用于發送緩沖，后52頁用于接收緩沖;硬件自帶收發CRC校驗、FIFO邏輯隊列等，減少了主CPU處理網絡數據的工作量。S3C44B0X對RTL8019AS的操作主要集中在對網卡寄存器的讀寫和網卡內SRAM的處理。

3 軟件設計

3.1 基于嵌入式系統的服務器端程序設計

3.1.1 S3C44B0X上μC/OS-Ⅱ的移植

嵌入式操作系統μC/OS-Ⅱ可以運行于各種不同類型的微處理器上，其內核小、效率高，并且具有高度的模塊化和可移植性，支持多任務實時調度，擴展后可支持網絡功能、圖形界面等，使得應用程序的開發更加簡單，功能更加豐富。

在使用μC/OS-Ⅱ之前，要先將它移植到S3C44B0X上，移植工作主要包括三個方面：

（1） 設置與處理器和編譯器相關的代碼，包括一系列數據類型的定義，開中斷宏、關中斷宏的實現，定義堆棧的生長方向;

（2） 用C語言編寫6個操作系統相關的函數：OSTaskStkInit（）初始化任務的堆棧結構，和5個鉤子函數OSTaskDelHook（）、OSTaskSwHook（）、OSTaskStatHook（）、OSTimeHook（）、OSTaskCreateHook（）;

（3） 用匯編語言編寫4個與處理器相關的函數：運行優先級最高的就緒任務函數OSStartHighRdy（），任務級的任務切換函數OS_TASK_SW（），中斷級的任務切換函數OSIntCtxSw（），時鐘節拍服務函數OSTickISR（）。

3.1.2 μC/OS-Ⅱ上TCP/IP協議棧的實現

LwIP（Light-weight IP）是瑞典計算機科學院（Swedish Institute of Computer Science）的Adam Dunkels等開發的一套開源的TCP/IP協議棧，LwIP在保持TCP/IP協議主要功能的基礎上減少對RAM的占用，這使得它適合在低端嵌入式系統中使用。

LwIP協議棧在設計時已經把所有與硬件、操作系統、編譯器等移植相關的部分獨立出來，放在/src/arch目錄下。因此LwIP在μC/OS-Ⅱ上的實現就是修改這個目錄下的文件。

（1） 與CPU、編譯器相關的部分

主要是cc.h、cpu.h、peRF.h文件中有關數據長度、字的高低位順序等的定義，這些應該與實現μC/OS-Ⅱ時參數的定義保持一致。另外，一般情況下C語言的結構體struct是4字節對齊的，但是在處理數據包的時候，LwIP使用的是通過結構體中不同數據的長度來讀取相應的數據，所以，一定要在定義struct的時候使用_packed關鍵字，讓編譯器放棄struct的字節對齊。

（2） 與操作系統相關的部分

LwIP中需要使用信號量通信，所以在sys_arch.h、sys_arch.c中應實現信號量結構體sys_sem_t，和相關的信號量處理函數：包括創建一個信號量結構sys_sem_new（），釋放一個信號量結構sys_sem_free（），發送信號量sys_sem_signal（），請求信號量sys_arch_sem_wait（）。

LwIP使用消息隊列來緩沖、傳遞數據報文，因此要在sys_arch.h、sys_arch.c中實現消息隊列結構體sys_mbox_t，以及相應的操作函數：包括創建一個消息隊列sys_mbox_new（），釋放一個消息隊列sys_mbox_free（），向消息隊列發送消息sys_mbox_post（），從消息隊列中獲取消息sys_arch_mbox_fetch（）。

LwIP中每個與外界網絡連接的線程都有自己的timeout屬性，即等待超時時間，移植工作需要實現sys_arch_timeouts（）函數，返回當前正處于運行態的線程所對應的timeout隊列指針。

LwIP中網絡數據的處理需要線程來操作，所以需要實現創建新線程函數sys_thread_new（）。而在μC/OS-Ⅱ中，沒有線程的概念，只有任務。因此必須要把創建新任務的函數OSTaskCreate（）封裝一下，才可以實現sys_thread_new（）。

（3） 相關庫函數的實現

LwIP協議棧中用到了8個外部函數，主要是來完成16位數據的高低字節交換、32位數據的大小頭對調、返回字符串長度、字符串比較、內存數據塊拷貝、指定長度的數據塊清零等功能，與系統或編譯器有關，需要用戶實現。

（4） 網絡設備驅動程序

在LwIP中可以有多個網絡接口，每個網絡接口都對應了一個netif結構，這個netif包含了相應網絡接口的屬性、收發函數。在網絡設備驅動程序中主要就是實現四個網絡接口函數：網卡初始化、網卡接收數據、網卡發送數據以及網卡中斷處理函數。

3.2 PC機上客戶端程序的設計

VC++6.0環境下客戶端程序實現包括以下幾個部分：

（1） 建立客戶端的Socket：客戶端應用程序首先構造一個CAsyncSocket對象CltSock，然后調用CltSock.Create（）函數來建立CltSock實體。

（2） 提出連接請求：客戶端套接字CltSock通過調用CltSock.Connect（strAddr，nPort）函數向服務器套接字提出連接請求。

（3） 傳輸數據：在客戶端應用程序中重載消息處理函數OnReceive（）和OnSend（）。在OnReceive（）中通過調用CltSock.Receive（）函數從服務器端接收數據;在OnSend（）中通過調用CltSock.Send（）函數向服務器端發送數據。

（4） 關閉連接：客戶端套接字CltSock通過調用CltSock.Close（）函數來關閉連接。

4 遠程液位監控應用程序的開發

本文設計完成的基于以太網的遠程液位繼電自整定PID控制系統，其控制算法在遠端主機（客戶機）上實現，兩端通過TCP協議通信，本地的嵌入式系統 （服務器）上一方面實現對網絡數據的處理，一方面完成對液位高度的采集與控制;遠端PC機上一方面處理網絡上的實時數據，一方面通過PID計算出控制量，顯示相關參數。實時液位變化狀況如圖2所示，從圖中可以看出，實際液位（紅色曲線）能夠穩定在液位設定值（藍色曲線）處。同時，從用戶界面上既可以讀出液位高度值，PID自整定參數等，還可以改變液位高度設定值，從而真正實現了液位對象的遠程監控。

圖2 遠程液位繼電自整定PID控制效果圖

5 結語

本文設計解決了在嵌入式系統中實現網絡功能的問題，引入并實現了一種新的設計方案，即采用三星ARM7處理器S3C44B0X+Realtek的10M網卡RTL8019AS硬件組合，通過在μC/OS-Ⅱ操作系統內核的支持下，添加嵌入式TCP/IP協議棧LwIP，來實現網絡通信的功能，與PC機客戶端的Socket通信，在此基礎上開發了基于以太網的遠程液位監控系統，達到了良好的控制效果。可以看出，這類系統在遠程監控中的具有良好的應用前景。

本文作者創新點：本文將嵌入式網絡技術引入到工業過程遠程監控領域，提出了自己的設計方案，并成功開發了一個遠程液位監控系統。

責任編輯：gt