試驗站遠程監控系統網絡接口的設計

遠程監控系統廣泛應用于工業遠程監控、智能樓宇、安防監控和網絡家電等方面，通過遠程監控，技術人員無須親臨現場就可以方便控制和掌握儀器、設備的運行狀態及各種參數，方便地利用本地豐富的軟硬件資源對遠程對象進行過程控制。

由于試驗數據在導線傳輸過程中容易受到電磁干擾和產生衰減，特別是處于運動狀態的設備或被隔離區域內設備的數據測量，敷設信號傳輸線將十分不便，而且安裝與維護比較麻煩。針對這種情況，我們設計了一種新型的無線數據傳輸網絡接口方案，可以克服傳統有線數據傳輸存在的弊端。
　　
方案選擇

1 遠程監控系統信號傳輸的基本要求

大型的試驗站多為自動測試系統，其試驗參數由各種變送器、變換器及測量儀器等測量所得。有些數據需要現場監控，但大多數測量數據需要傳輸到試驗間，由試驗人員監控并處理、分析波形、繪制特性曲線并生成報表。總體來說，信號傳輸有如下幾種要求。

● 傳輸數據通道及精度滿足試驗標準要求。

● 傳輸響應速度快。

● 運行穩定可靠性高。

● 可實現網絡信息化管理。

2 現狀分析及方案確定

基于以上要求，國內外目前可采用的無線傳輸方式有以下幾種方案。

● 數傳電臺遠程監控方案：它可采用編碼方式完成軟擴頻或是硬件擴頻以滿足數據傳輸的要求，但系統造價比較昂貴；數據傳輸可靠性低；維護困難。

● 基于CDPD網絡的遠程監控方案：在簡易再開發應用中，產品硬件部份造價太高；覆蓋范圍太小，無法應用于試驗站可能存在的偏僻地帶。

● 基于GSM-SMS模塊無線數據監測系統方案：具備網絡覆蓋面廣、用戶綜合投資小、運營費用少，數據傳輸安全可靠等諸多優點，對于解決監控采集點分散、覆蓋面廣、監控點移動、實時性要求較低的監控采集系統具有無可比擬的優勢，但受到公網業務開通狀況及信號覆蓋范圍的影響較大，受系統及網絡運行情況影響，不可控因素較大。

我們提出一種基于無線數據傳輸和以太網絡相結合的監控系統單片機網絡接口，把監控系統中的智能控制單元擴展到網絡上，嵌入TCP/IP協議的單片機數據通信系統，使試驗人員可以通過網絡主機或因特網了解并控制遠程設備。在TCP/IP協議和STC89C5x系列單片機及C51開發環境的基礎上進行系統、程序構架的設計，利用TCP/IP協議中的TCP、IP及簡單的應用層協議實現單片機之間以及單片機和上位機之間的網絡互連。這樣既提高了數據傳輸的速度，又保證了傳輸的正確性，同時還擴展了數據傳輸的有效作用半徑。

網絡接口的構成

無線傳輸系統網絡接口的控制器采用8位單片機+精簡TCP/IP協議棧方案。總體方案結構如圖1所示。

圖1 無線傳輸系統網絡接口的總體方案

儀器儀表或控制設備經過RS232/RS485接口連接無線傳輸模塊，發射與接收數據。無線傳輸的另一端經過TTL連接單片機，單片機再通過8位數據總線連接RTL8019AS，網絡控制器用RJ45接口與以太網連接。通過無線傳輸和以太網，儀器儀表或控制設備和遠程監控主機或Internet建立了網絡連接，利用遠程主機上的監控軟件可以讀取儀器儀表的數據，了解控制設備的工作狀態，根據采集到的數據進行分析并對現場設備進行控制。

系統組成

在工業測控系統中，多種儀器儀表測量的現場數據通過無線傳輸裝置無線發送，在監控主機（PC）端通過無線傳輸裝置無線接收數據，并對數據進行記錄、分析、存儲，實現信息化管理。

處于儀器儀表端的無線傳輸裝置接收的是PC發送過來的命令數據幀，無線發送的是從儀器儀表上讀取到的電量和非電量數據。處于監控主機端的無線傳輸裝置接收的是儀器儀表端發送過來的數據或參數，而發送的是讀取數據、參數或寫參數命令。

1 硬件接口電路設計

網絡接口的設計采用STC89C52RC來控制以太網芯片RTL8019AS進行數據的傳輸。

① RTL8019AS的工作方式

RTL8019AS支持三種工作方式：第一種為跳線方式，I/O基址和中斷由跳線決定；第二種為即插即用方式，由軟件自動配置相應的參數；第三種為免跳線方式，I/O和中斷由外接的93C46的內容決定。

RTL8019AS采用哪種工作方式由第65腳JP決定，JP是輸入引腳，當它為低電平時(其他引腳也是這樣，懸空的輸入引腳的電平為低電平，里面有一個100kΩ的下拉電阻)，RTL8019AS工作在第二種和第三種方式下，需要使用93C46芯片；當JP接高電平(接到Vcc或通過一個10kΩ的電阻上拉)，RTL8019AS工作在第一種方式下，不需要使用93C46。通常使用的計算機一般采用即插即用方式和免跳線方式，但本設計的外設不經常插拔，所以不支持即插即用的功能，也未使用93C46存儲以太網控制器參數(由微處理器初始化時設定)，而是采用易于控制的跳線方式。這時芯片的地址由85，84，82，81(IOS3...IOS0)幾個引腳決定，如表1所示。

表1  I/O基址的選擇

在本系統中將IS03...IS00設置為0000，對應的I/O Base為300H。

② RTL8019AS的網絡接口方式

RTL8019AS的網絡接口類型由PL0，PL1引腳決定，如表2所示。

表2 網絡媒介選擇

在本設計中采用PL1=0，PL0=0，即第一種自動檢測方式，RTL8019AS會自動檢測媒介是同軸電纜還是雙絞線。

RTL8019AS與以太網的接口采用無屏蔽雙絞線RJ45接口，中間需要接一個網絡隔離變壓器，也稱為發送/接收濾波器，用來把信號變成平衡信號傳輸，防止電涌，以減少共模干擾，提高傳輸效率。

本設計中使用的隔離變壓器是GROUP TEK的20F001N。在具體的連接中信號地線要通過一個10nF的電容接到電源地上，在20F001N的輸出口上必須加上一個200Ω的電阻來抑止輸入8019AS的電壓大小，這也是一種保護措施。

以太網控制器的外圍布線還包括RJ45接口以及LED指示燈的連接，其具體的連接原理圖如圖2所示。

圖2  以太網芯片RTL8019AS外圍電路原理圖

③ 單片機與RTL8019AS的連接

本設計中采用跳線方式，將65腳JP接高電平當系統上電復位后，在RSTDRV下降沿，8019AS將讀入各個跳線引腳的狀態，寫入系統配置寄存器中，作為系統默認的初始配置。

各跳線引腳連接：RQS0～IRQS2(78～80腳)為中斷口，本設計中采用查詢方式，所以中斷口選擇沒有影響；IOS0～IOS3(81、82、84、85腳)為I/O基地址選擇，用于選擇I/O口的起始地址，要使其全部置低電平，則起始地址從300H開始，地址總線連接必須與此相一致；PL0、PL1(74、77腳)為網絡介質類型選擇，本系統中設為“00”，表示進行連接檢測；BS0～BS4(67、69、71、72腳)用于BROM容量與基地址選擇，本系統中沒有連接BROM，只要將BS4、BS3設為低電平，就可禁止BROM。

由上所述可知，各跳線引腳全部配置為低電平即可。芯片引腳內部接有100kΩ的下拉電阻，所以當引腳懸空時，本身就默認為低電平，因而也可將這些引腳懸空，在相關電路設計和軟件設計中應注意要與這些跳線引腳配置相一致。

數據與地址總線連接：采用8位數據總線，將96腳IOCS16B接27kΩ下拉電阻即可使8019AS工作于8位數據總線方式。系統數據總線與SD0～SD7連接。8019AS內部寄存器和存儲器的讀寫地址為00H～1FH，只需要5根地址線就能進行選擇。但在系統跳線配置中已將起始地址設為300H，因而在地址選通時，還必須令地址線SA8、SA9為“1”。

其他還包括對晶振的連接，以及電源和地的連接。

2 TCP/IP協議棧的總體設計

該網絡的最終目的是實現網絡節點上任意兩點之間的數據通信，但是設計一個對所有可能的通信模式均是有效的、完整的、全面的協議是不可能實現的，于是將通信問題劃分成小塊，并為每個小塊設計單獨的協議，這樣使得每種協議變得容易設計、分析、執行和測試。一方面，每種協議應該處理其他協議沒有處理的通信問題，以免重復工作。另一方面，設計的協議應該能夠共享數據結構和信息，以提高執行效率。當然最重要的是各個協議之間能夠很好的協同工作，不能將每種協議設計成孤立的協議，這就需要將他們設計成一個相互支持、相互補充的系統，系統中的每種協議解決一部分通信問題，而所有的協議便能解決所有可能的網絡通信問題。

本系統網絡接口采用以太網接口，所以協議棧遵循TCP/IP模型來設計。考慮到系統的程序空間極為有限，所以設計時對標準協議棧進行了簡化，通過選擇合適的協議，可以降低對處理器硬件資源的需求。例如，由于對可靠性要求較高，可以只選擇使用TCP協議，而不使用不可靠的UDP協議。另外，對于己經選擇使用的協議，在具體實現時也進行了適當的簡化，保留其中必須具備的部分，以節約程序空間和執行時間。同時保證系統的可靠性與安全性，遵循分層設計思想和模塊化設計方法，各協議由對應的模塊實現，模塊對外提供接口函數供主程序調用，精簡的TCP/IP協議棧如圖3所示。

圖3  TCP/IP協議棧

網絡接口層是TCP/IP模型的最底層，由RTL8019AS的驅動程序來完成基本功能。RTL8019AS的驅動程序負責將單片機傳輸到Internet上的數據封裝成以太網數據包的格式發送，以及將網絡上傳來的數據包進行分析使其進入上一層的協議處理程序。

網絡層的功能則由ARP(地址解析協議)、IP(網際協議)和ICMP(因特網控制報文協議)協議共同完成。ARP協議能夠判斷數據幀中的目的地址是否與本地IP地址相同，如果相同則接收數據幀，否則將數據幀拋棄。而IP是TCP/IP協議棧最為核心的協議，所有的網絡層和運輸層的數據都是以IP數據報格式傳輸。ICMP允許主機或路由器報告差錯情況和提供有關異常情況的報告。

圖4 數據的封裝過程

系統需要傳輸的數據通過在每個協議層添加頭部信息，最后封裝成為以太網數據包，在物理網絡上進行傳輸，數據的封裝過程如圖4所示。

結論

對于工業控制領域，嵌入式Internet設備將測控網與Internet互連，由此實現測控網和信息網的統一。在這樣構成的網絡中，傳統儀器設備充當著網絡中獨立節點的角色，信息可跨越網絡傳輸至所及的任何領域，實時、動態(包括遠程)的在線測控成為現實。