CAN息线冗余的船舶监控系统设计
CAN息线冗余的船舶监控系统设计
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摘要：实现了一种全集成可变带宽中频宽带低通滤波器，讨论分析了跨导放大器-电容(OTA&C)连续时间型滤波器的结构、设计和具体实现，使用外部可编程电路对所设计滤波器带宽进行控制，并利用ADS软件进行电路设计和仿真验证。仿真结果表明，该滤波器带宽的可调范围为1～26 MHz，阻带抑制率大于35 dB，带内波纹小于0．5 dB，采用1．8 V电源，TSMC 0．18&m CMOS工艺库仿真，功耗小于21 mW，频响曲线接近理想状态。关键词：Butte
引 言&&& 近年来，我国的造船业取得了飞跃性的发展。据船舶工业统计快报报道，2007年，中国造船完工量1893万载重吨，比上年增长30％；新承接船舶订单9845万载重吨，比上年增长132％。随着自动化水平的提高，大大小小的船舶都安装了监控系统。目前船舶自动监测系统主要有主从分布式控制、集散式控制等，但这些控制方式都存在系统结构复杂、控制集中等缺点。本监控系统采用了冗余CAN总线设计船舱自动监测系统，将传统分布式监控系统中的控制功能下放到现场监控单元中，由分布于现场的各监控单元完成数据采集、处理、控制运算、输出等工作。与上位机的信息交互通过现场总线进行。在计算机中以文字、列表、曲线等形式显示现场的数据、变化趋势、故障情况和报警状态，为管理人员的操作提供可靠、准确的实时信息，从而实现实时监控。基于这种方式的监控系统是船舶自动监控系统的重要发展方向。1 系统工作原理及功能&&& 系统整体结构框图如图1所示，模拟量输入板卡和数字量输入板卡通过接插件连接到主控制器板上，由主控制器完成对数据的采集与转换。主控制器将数据打包，发送到其他CAN节点，同时接收并解析其他节点发送来的数据，完成对现场模块的控制。模拟量输入板卡主要是对外部模拟信号进行滤波、隔离、调理，滤波后变成一个适合于单片机进行采样的模拟电压。其采集的模拟信号主要有两种类型：O～10 V的模拟电压信号和4～20 mA的电流信号。这是工业现场中最常用的模拟信号。数字量输入板卡主要采集外部开关量信号，完成开关量的隔离、滤波，然后送到主控制器完成对数字量的采集。其中模拟量的隔离输入和冗余的CAN总线，是本设计比现有的一些基于现场总线的监控产品的先进之处。2 硬件电路设计2．1 主控制器选择&&& 为了减少外部器件，提高系统的稳定性，主控制器选用带有片内A／D和CAN控制器的MC9S08DZl6。该单片机是Freescale公司2007年推出的一款高性能8位单片机；基于HCS08内核，最高运行时钟频率为40 MHz，最多支持32个优先级；内部集成有16 KB Flash存储器，1 KB SRAM、512 B在线可编程EEPROM、1个12位的A／D转换器，多种节电模式以及2种超低功耗停止模式，同时内部集成CAN2．O A／B控制器以及多种标准串行接口。2．2 CAN总线的电气保护&&& 船舶机舱中工况条件十分恶劣，各种电磁干扰对物理链路及数据链路的正常工作都有严重的影响。这些对控制系统是极大的威胁，非常容易导致系统瘫痪。为了最大程度地保证网络系统正常工作，采取了以下两种措施：&&& 第一种措施是电气隔离。通信电缆是网络系统中受干扰最大的部分，而且各种干扰也极容易顺通信电缆进入系统，从而引起系统的工作不正常。为了切断这条干扰途径，保护CAN控制器，在CAN控制器与收发器之间增加了6N137，以进行光电隔离。&&& 第二种措施是在总线上增加保护器件。当发生雷击或其他强烈干扰时，巨大的能量如果来不及泄放，就会损坏收发器。为了防止干扰对收发器的损坏，增加了防雷管和TVS作总线保护。当受到雷击时，并接在总线上的防雷管能将能量泄放掉。但是一般情况下，防雷管的反应速度慢，钳位电压高(约为800 V)，因此本设计中，在防雷管后增加了TVS和PTC电阻。TVS能够将总线的压差钳制在6.8 V以下，这样当受到干扰时，TVS能较快地起到保护作用；而PTC电阻能保护收发器免受过流的冲击。在CAN H和CAN L与地之间各自接一个30 pF的小电容，可以起到滤除总线上的高频干扰和防电磁辐射的作用。CAN收发器电气保护原理如图2所示。2．3 冗余CAN总线设计&&& 虽然在设计时对CAN收发器采取了一些保护措施，但是在船舶机舱的电缆受拉、压、砸、挤等而造成故障的情况却很多，这就不是电气保护所能解决的了。因此，为了降低此类风险以及各种原因引起的收发器的电气损坏，最有效的方法就是实现CAN通信网络的冗余。&&& 在总线冗余处理上，可使用两套总线，每一套都包含有完整的总线电缆、总线驱动器和总线控制器，或将总线控制器与CPU集成于一体的MCU。实现冗余有两种方法：一种是后备方式，即一套运行，另一套“休眠”备用，当运行总线发生故障时，启用备用总线；另一种是同时运行方式，如果其中一套发生故障，另一套仍能维持系统的正常运行。这两种方法的优点是同时实现了物理介质、物理层及数据链路层甚至应用层的全面冗余，因此，可以称之为“全面冗余方法”。但全面冗余方法存在着某些不足之处，例如由于节点对系统的构成不敏感，因此，后备方式发现总线开路故障的能力和实时性较差，而同时运行方式下两路同时工作功耗大，且数据链路的冗余较为复杂。本设计使用一种介于两种方法之间的物理冗余技术。物理链路的冗余使用2条总线电缆和2个总线驱动器，且在总线控制器与2个总线驱动器之间增加了一个判断电路，如图3所示。&&& 将两个总线驱动器的发送端连在一起，当节点发送时，CAN总线控制器向两条通信线路同时发送相同的报文；而接收时，判断电路自动选择两条总线中的一个并将其报文送入总线控制器。判断电路以时间优先为选择原则，即哪一路报文抢先到来，哪一路报文就被选中。如果某一总线发生故障，则关闭它与总线控制器的信号通道，同时向cPU发出总线故障中断，而正常总线的信号通道不受影响。&&& 在判断电路中，设置了两个可重复触发的单稳态触发器，它们分别与两条总线对应，检测报文及其到来的情况。当报文到来时，总线驱动器首先出现一个低电平报文的帧起始位，其下降沿触发单稳，使其输出产生一个高电平宽脉冲。通过调整电容的充放电时间，该脉冲经报文中对应的多次下降沿触发而一直持续到报文结束。&&& 在总线正常的情况下，当出现报文时，两个单稳态触发器均产生高电平宽脉冲，该高电平脉冲送入RS触发器进行时间优先比较。对于优先者，触发器给对应的或非门低电平，开通相应总线的信号通道；对于滞后者，触发器用高电平关闭对应的或非门。&&& 当总线无报文时，两个信号通道均暂时关闭。一旦某一总线发生故障，对应的驱动器上的接收端保持在某一电平状态，相应的单稳态触发器不被触发，其输出始终保持在低电平上。因此，RS触发器用高电平封锁住或非门，使这个信号通道被关闭。异或门用来向cPU提供总线故障中断信号。接到中断后，通过I／0口分别查询两个单稳态触发器的输出即可对故障定位。随后，可以发送一个故障警报信号，通过正常总线通知给系统监视设备，以便及时处理。在异或门上设延时环节的目的是：避免两个报文不严格同步或两个单稳态触发电路输出脉宽不严格一致而引起误中断。需要注意的是，单稳态触发电路的单次触发所产生的脉宽应不小于报文中连续12个位的持续时间(主动错误标志的最大可能时间。正常情况下，报文中连续出现相同逻辑位数不超过5位)。2．4 4~20 mA电流模拟量的采集&&& 作为模拟仪表的信号标准，4～20 mA的电流信号在常用传感器中占有非常重要的地位。&&& 由于单片机无法直接对电流信号进行采样，所以需要先将电流信号转换为电压信号。在本设计中，充分考虑了对这种标准信号的采集转换。选用美国Burr一Brown公司生产的精密电流环接收器芯片RCV420，将4～20 mA电流信号转换为O～5 V电压信号，如图4所示。&&& RCV420包含1个高级运算放大器、1个片内精密电阻网络和1个精密10 V电压基准，其总转换精度为O．1％，共模抑制比CMR达86 dB，共模输入电压范围达±40 V。RCV420在满量程时，电压仅下降1．5 V，在环路中串有其他仪表负载，这对变送器电压有严格限制的应用场合非常有用。10 V电压基准提供了一个典型温漂为5×10-6／℃的精密10 V输出。&&& 为保证RCV420的输出在单片机的O V～VCC之间，需要适当减小运放增益。方法是在检测电阻Rs上并联匹配电阻Rx，如图5所示。&&& 调整后的增益值为：&&& &&& 通过调整并联电阻Rx的大小，可以调整RCV420的输出范围。为了保证高共模抑制，并联电阻Rx的匹配很重要。Rx的温度参数的任何不一致，都将引起增益误差和CMR的漂移。&&& 经过计算分析，输入为4～20 mA信号时，令Rx为1．8 kΩ可使输出为O～4．8 V，保证在单片机的ADC输入范围之内。&&& 在使用RCV420时，有一点需要特别注意：图5中的2个1μF的电容C1、C2必须是钽电容。最初实验时，C1、C2用的是1μF的铝电解电容，结果RCV420工作不正常，输出没有规律。检查电路板发现电源电压正常，输入的电流信号稳定，其他器件和连线也没有问题。查阅文献后发现此处必须使用钽电容。更换钽电容后，：RCV420工作正常，输出准确、稳定。当有多路4～20 mA电流信号输入时，先使用MAX308进行通路选择，再进行I／V转换。2．5 模拟量的隔离&&& 为了防止船舶机舱现场的干扰通过模拟量输入通道进入单片机系统，有必要对模拟电压信号进行隔离。实现直接线性隔离最简单的方法就是采用隔离放大器，而隔离放大器必须满足A／D变换精度和线性要求，如对12位A／D进行隔离，其隔离放大器要达到13位，甚至14位的精度。如此高精度的隔离放大器，价格十分昂贵。本设计中用线性光电耦合器实现了模拟量的隔离，经测试隔离效果良好。电气原理图如图6所示，其中HCNR200光电耦合器由3个光电元件组成。其1、2引脚间是一个A1GaAs发光二极管，3、4引脚，5、6引脚间是两个相邻匹配的光敏二极管。光敏二极管的PN结在反向偏置状态下运行，它的反向电流与光照强度成正比，这种封装结构决定了每一个光敏二极管都能从LED得到近似相等的光强，从而消除了LED的非线性和偏差特性所带来的误差。&&& 在左侧运算放大器达到平衡状态后，有Ipd1一=VIn／R1(Ipd1为光耦器件3脚到4脚的)输出电流，下式中Ipd2为6脚到5脚的输出电流，其大小与光耦器件内部的发光强度成正比)。Ipd1仅仅决定于输入电压以及R1的值，与LED的输出光强特性无关，因此在输入电压与光电二极管的电流之间就建立起很好的线性关系。另外，虽然LED的输出光强随着温度的变化而略受影响，但运放将通过调整发光管电流来进行补偿。由于HCNR200特殊的封装结构，2只光电二极管将得到近似的光强，有K=Ipd2／Ipd1。根据运算放大器的“虚断”和“虚短”特性，有可见，被测电压和输出电压之间存在正比的关系，只要适当选取电阻R1、R3、R4、R5的阻值，就可以得到一定比例的隔离输出电压。按照图6中的参数，通过调整R5的值，可使实际增益K=UAOUT／UAIN≈l。UAIN从O逐渐增大到5 V，测量输出端的电压UAOUT如表1所列。&&& 从上表数据中可以看到，经过模拟电压隔离的电压差在5 mV下，效果较好。3 软件设计&&& 主控制器流程和数据处理流程如图7所示。主控制器首先完成初始化工作，然后就进行数据采集。同时，当接收到数据时，对数据进行解析，然后根据数据实现相应的控制功能。为了保证数据的可靠性，需要进行多次A／D采样，然后根据平均值滤波算法，完成数据的采集。CAN本身具有CRC校验功能，为了保证数据的可靠性，在发送的数据中增加了一个校验字节，即将要发送的数据进行异或运算，得到的值自动存于最后一个字节进行发送。结 语&&& CAN总线冗余设计的船舶监控系统是现场总线技术发展的一个缩影，代表未来船舶控制技术的发展方向。本设计中，利用线性光偶实现了模拟量的光电隔离，大大提高了产品的可靠性。另外，利用判断电路成功地解决了CAN总线冗余的问题，具有结构简单、成本低等优点，具有广阔的市场前景。
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历史上的今天
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blogTitle:'一种基于PLC 的ESD 系统的冗余设计与实现',
blogAbstract:'摘　要　介绍一种基于Siemens S7 —414DP PLC 的双机冗余紧急停车系统, 主要讨论该
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{list wl as x}{/list}城市轨道交通综合监控系统的安全性及可靠性设计
2013年51期目录&&&&浅谈网络时代之商业建筑的设计与规划 　　摘要:文章针对城市轨道交通综合监控系统对通讯网络的要求,研究了提高综合监控平台网络可靠性的方法,给出了具有高可靠性的轨道交通综合监控系统通讯网络的解决方案;讨论了使用双星形光纤冗余网络及VRRP虚拟路由技术等提高网络性能及可靠性的方法,并使用实际运行的轨道交通综合监控系统为实例进行了说明,为城市轨道交通综合监控系统网络的设计提供参考?&&&&关键词:城市轨道交通 综合监控 通讯网络 可靠性设计&&&&Abstract: the article in view of the urban rail transit comprehensive monitoring system for communication network, the method to improve the reliability of the network monitoring platform, and gives the rail transit comprehensive monitoring system with high reliability of communicati Discussed the use of redundant double star optical fiber network and virtual routing VRRP technology such as improve the network performance and the reliability of the method, and use the actual operation of the rail transit comprehensive monitoring system for example illustrates, the design of the comprehensive monitoring system for urban rail transit network to provide the reference.&&&&Key words: urban rail transit comprehensive monitoring communication network reliability design
　　中图分类号：P114.52 文献标识码：A文章编号：
　　1 前言
　　大力发展地铁和轻轨交通为主的城市轨道交通是解决我国目前城市交通堵塞的重要手段?截至2010年,有33个城市正规划建设地铁,已有28个城市获得批复?按照现有规划,2010年我国将建成地铁480公里,2020年总里程将达6100公里?年地铁建设投资规划额将达11568亿?
　　文献[2]通过国内多个轨道交通综合监控系统的建设和成功运营经验的总结,分析了地铁综合监控系统建设中如何提高系统可靠性等一系列关键问题?文献[3]分析了地铁以太网中为了保证QoS而需采取的一些措施:拥塞控制?调度?缓冲区管理?性能监控等?文献[4]讨论了通过采用虚拟局域网?IP组播技术以及服务质量控制等技术来提高船舶综合监控系统网络可靠性的设计方法?、轨道综合监控系统按两级管理(中央?车站)?三级控制(中央?车站及就地)进行设计?中央级可以对整个线路各个站点系统管辖范围内设备运行状态?故障情况进行监视,并向各个站点发布指令,统一指挥?协调各个站点的运行,一般采用双冗余的工业以太网;车站级设备的监控功能主要是完成本站点设备监控?管理,一般也采用双冗余的工业以太网;现场级作为车站级?中央级的被监控对象,是车站地铁机电设备的主体,由环境与设备监控系统(BAS)?火灾自动报警系统(FAS)?电力监控系统(PSCADA)?屏蔽门(PSD)?防淹门(FG)?电视监视系统(CCTV)?乘客信息系统(PIS)?信号系统(SIG)?自动售检票系统(AFC)?门禁系统(ACS)?广播系统(PA)等系统组成,一般采用现场总线或厂家的专利总线?
　　中央监控网与地理分散的车站监控网组成轨道交通综合监控的骨干网(MBN)?在地铁综合监控系统建设中,MBN设计一般采用百兆或千兆冗余以太网?实现轨道交通综合监控系统的关键是建立一个稳定?高速?可靠的网络系统,本文主要就提高轨道交通综合监控系统骨干网可靠性的几种关键技术进行研究和探讨,为轨道交通综合监控系统网络的设计提供参考?
　　2 轨道交通综合监控网络的可靠性设计
　　2.1 综合监控网络方案的选择
　　综合监控系统平台骨干网的构成方案有异步传输模式(Asynchronous Transfer Mode,ATM)?同步光纤网络/同步数字系列(Synchronous Optical Networking/Synchronous Digital Hierarchy,SONET/SDH)?以太网(Ethernet)等?ATM?SDH主要用于移动通信等大型城域网,具有结构复杂?成本高?维护困难等问题,不适合用作轨道交通综合监控的骨干网?近年来,以太网光纤技术的迅速发展,1GHz以太网已经普及,10GHz以太网的应用也越来越多?由于其性能不断提高,技术不断成熟,以太网正逐步取代其它几种网络,广泛应用于从大型建筑自动化到城域网的各个领域,也成为轨道交通综合监控系统骨干网的首选方案[5,6]?
　　2.2 光纤工业以太网在轨道交通ISCS中的应用
　　工业以太网是指技术上与商用以太网(即IEEE802.3标准)兼容,但在材质的选用?产品的强度?适用性以及实时性?可互操作性?可靠性?抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要?
　　2.3 双星形冗余以太网
　　为提高系统可靠性,除数据中加冗余码(检错或纠错)?主站备份?信道备份外,采用双网冗余是另一重要设计方法?前者称信息冗余,后者称硬件冗余,且后者更具实用意义?为了尽可能提高产品的稳定性和可靠性,轨道交通综合监控普遍采用“热备冗余”系统?
　　由上式可以看出,冗余系统的可靠性比每一个构成并联系统的单个系统的可靠性还要高?以1:1冗余系统为例,假如两个系统的可靠度均为0.99,则由它们构成的并联冗余系统的可靠度为0.9999.
　　地铁综合监控系统中的以太网冗余技术包括:电源冗余?介质冗余?网络节点冗余?网络冗余及系统冗余等内容?系统采用了电源冗余,传输介质冗余,网络节点冗余等?
　　3.工程实例说明
　　深圳地铁五号线(环中线)工程自前海湾站至黄贝岭站,线路全长40.001km,其中高架线路3.42km,地下线路35.801km,过渡段0.776km,共设车站27座,其中高架站2座,地下站25座,平均站间距约1.454km.深圳达实智能股份有限公司提供的ISCS系统包括:车站机电设备监控和节能?车辆段机电设备监控与节能?门禁系统?控制指挥中心大屏幕投影墙?自动化总集成等?自动化控制中心集成了信号系统?闭路电视监控系统?电力监控系统?火灾自动报警系统?门禁系统?屏蔽门系统?自动售检票系统?公共广播系统?乘客信息系统?人防门系统?广告屏系统?无线通信系统?时钟系统?自动扶梯/电梯系统?导向标识系统28个子系统?
　　深圳地铁五号线(环中线)综合监控系统采用中央级和车站级两级管理,中央级?车站级和底层设备控制层(现场级)三级控制的分层分布式结构?该综合监控系统设备供电为Ⅰ类负荷,在车站?车辆段?停车场采用与其它弱电系统合设UPS的集中供电方式来实现电源冗余?系统设两层网络结构,车站级?中央级本地监控网络均采用以太网构建,其中,车站级(含车辆段/停车场)采用10M/100M双星形冗余以太网,中央级采用100M/1000M双星形冗余以太网,连接车站级?中央级本地监控网络的系统骨干传输网络的传输通道由通信传输网络提供,通信专业在控制中心?各车站?车辆段?停车场为综合监控系统提供双路冗余的主干网络传输通道,每路有效带宽为155Mbps,接口形式为千兆以太网口(光口)?网络节点的冗余是由双机热备冗余功能的IBM公司的X3850M2服务器?冗余配置的模块化三层以太网交换机MACHG-L3PHC等组成?
　　该系统网络冗余恢复时间小于等于50ms(光纤),支持环形结构超级冗余环技术?RSTP IEEE 802.1w(快速生成树协议)?环网耦合(主/备)?主/备链路切换技术?VRRP(虚拟冗余路由)等多种冗余协议;动态/静态链路聚合(最大支持7个trunk,每个trunk最多支持8个端口,支持LACP)?
　　4 结束语
　　高可靠性永远是网络必不可少的重要需求,一个可靠的网络系统,能够保证长期的正常运转,在极低的概率情况下才会出现故障?高可靠性的设备和可靠性技术(如冗余备份和IRF)是保证系统可靠运行的基础?本文对轨道交通综合监控系统建设中如何提高可靠性的分析来自于国内多条地铁线路综合监控系统的实践经验,在轨道交通综合监控系统网络设计中采用这些技术,可提高所设计网络的可靠性,满足轨道交通综合监控系统可靠性高?技术先进?组网简单灵活?易扩容?便于安装?维护及使用的要求?
　　参考文献：
　　[1] 张慎明.王军.新一代综合监控系统若干问题的研究和探讨[J].现代城市轨道交通,-21
　　[2] 魏晓东.地铁综合监控系统建设的关键问题分析[J].自动化博览,-37
　　[3] Raahemi B.; Chiruvolu G.; Ge, A. Metro Ethernet Quality of Services[C]. Alcatel Telecommunications Review , Technology White Paper: 1-10.
　　[4] 江立军.船舶综合监控系统通讯网络的可靠性设计[J].机电工程技术,):62-64
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06:45:04 06:24:46 21:40:54 16:56:03 16:44:52 16:32:51 16:18:55 13:21:22 12:05:15 11:47:46您的论文得到两院院士关注
文章编号：１００８－０５７０（２００８）０９－１－００９９－０３
基于以太网远程温度监控系统的设计
ＤｅｓｉｇｎｏｆＲｅｍｏｔｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄＣｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｏｎＥｔｈｅｒｎｅｔ
（１．西安文理学院；２．西安科技大学）
ＳＵＮＪｉｎｇＷＡＮＧＺａｉ－ｙｉｎｇ
摘要：本文提出一种基于８位单片机的远程温控系统的设计方案，文中给出了系统的硬件框图，以及简化ＴＣＰ／ＩＰ协议栈和嵌入式Ｗｅｂ服务器的实现方法。该方案使用户能通过任意ＩＥ浏览器实现对远程端温度的监控。关键词：单片机；以太网；ＴＣＰ／ＩＰ协议；ＤＳ１８Ｂ２０中图分类号：ＴＰ３９３．１文献标识码：Ｂ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｖｉｄｅｓａｓｏｌｕｔｉｏｎｔｏｄｅｓｉｇｎａｒｅｍｏｔｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎ８－ｂｉｔｍｉｃｒｏｃｏｎ－ｔｒｏｌｌｅｒ．Ｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｆｒａｍｅｐｉｃｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄＴＣＰ／ＩＰｓｔａｃｋａｎｄｅｍｂｅｄｄｅｄｗｅｂｓｅｒｖｅｒｈａｖｅｂｅｅｎｇｉｖｅｎ．ＵｓｅｒｓｃａｎｍｏｎｉｔｏｒｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｈｒｏｕｇｈＩｎｔｅｒｎｅｔｅｘｐｌｏｒｅｒｂｙｔｈｉｓｓｃｈｅｍｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；Ｅｔｈｅｒｎｅｔ；ＴＣＰ／ＩＰ；ＤＳ１８Ｂ２０
随着通讯技术、网络技术和半导体技术的飞速发展，嵌入式系统接入网络已成为其应用的一个重要方向。越来越多的嵌入式系统选择Ｗｅｂ服务器的方式与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ进行数据交换。而以太网是构筑现代Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络的基础，因此选择基于以太网的嵌入式Ｗｅｂ服务器技术实现数据交换将具有较高的实用价值。温度是程控机房、档案室、图书馆、农业生产基地等众多场所需要实时监控的一个重要物理量。温度监控系统在实际生活中有着重要的作用。本文主要针对ＭＣＳ－５１系列单片机，结合嵌入式Ｗｅｂ服务器技术，提出了基于以太网的远程温度监控系统的设计方案。该方案成功的实现了温度采集和控制的网络化，具有结构简单，成本低，传输稳定等优点。
收发器，所以网络接口的电路比较简单，只需外接一个隔离低
通滤波器。ＬＥＤ０，ＬＥＤ１各接一个发光二极管以反映通讯状态。术温度采集采用单总线数字温度传感器ＤＳ１８Ｂ２０。串口主要用于
程序下载和调试。由于外部扩展了６４Ｋ的ＲＡＭ，所以这里存在创片选问题。片选采用ＧＡＬ器件ＡＴＦ１６Ｖ８Ｂ，其译码逻辑为：
数据存储器片选ｒａｍｌｃｓ＝Ａ１５；新
ｒａｍｈｃｓ＝Ａ１５＆Ａ１４＆Ａ１３＆Ａ１２＆Ａ１１＆Ａ１０＆Ａ９＃！Ａ１５；数据
存储器片选
８０１９ｃｓ！＝（Ａ１５＆Ａ１４＆Ａ１３＆Ａ１２＆Ａ１１＆Ａ１０＆Ａ９）；
ＲＴＬ８０１９ＡＳ片选
２远程温度监控系统的硬件电路设计
远程温度监控系统硬件平台主要由微处理器Ｗ７８Ｅ５１６Ｂ、以太网控制器ＲＴＬ８０１９ＡＳ、数据存储器ＷＳ６２２５６、网络隔离变压器２０Ｆ－０１、用于片选的ＡＴＦ１６Ｖ８Ｂ以及数字化温度传感器
ＤＳ１８Ｂ２０等器件组成。硬件总体框图如图１所示。
数据线和地址线均采取总线方式，即８位数据线和１６位地址线。在实际应用中ＲＴＬ８０１９ＡＳ需要用到的管脚有，ＳＡ０￣ＳＡ１９为网卡的地址线，ＳＤ０￣ＳＤ７为网卡的数据线。ＲＴＬ８０１９ＡＳ的６４、７４、７７三个管脚悬空，ＲＴＬ８０１９ＡＳ芯片会自动检测，如果检测到ｌ０ＢＡＳＥ－Ｔ信号，则选择接口类型ＵＴＰ，否则选择接口类型为ＢＮＣ。ＲＴＬ８０１９ＡＳ提供三种配置Ｉ／Ｏ端口和中断的模式，由于单片机资源有限，不需要实现即插即用，而ＲＴ免跳线模式需要外接一个Ｅ２ＰＲＯＭ（９３４６），因此这里选择跳线模式，虽然
这是最简单的一种模式，但是系统需要的功能完全可以实现。选择跳线模式，ＪＰ端接高电平。ＲＴＬ８０１９ＡＳ内置了１０ＢＡＳＥ－Ｔ
图１远程温度监控系统的硬件框图
３远程温度监控系统的程序设计
系统程序在ＫＥＩＬＣ５１下实现，主要包括三部分：一是以太网接口驱动程序的实现；二是ＴＣＰ／ＩＰ协议栈的实现；三是
ＤＳ１８Ｂ２０的温度采集程序。
３．１以太网接口驱动程序的实现
以太网接口驱动程序相当于实现ＰＣ机中网卡的驱动程序功能，主要通过ＲＴＬ８０１９ＡＳ处理以太网协议，完成以太网数据帧的收发。首先要对ＲＴＬ８０１９ＡＳ进行复位，并将其设置为跳线模式，然后设置ＲＴＬ８０１９ＡＳ的工作参数，使其开始工作。
ＲＴＬ８０１９ＡＳ正常工作后，通过读写ＲＴＬ８０１９ＡＳ的ＲＡＭ，完成
孙静：助教工学硕士
基金项目：西安文理学院专项科研基金资助项目（ＫＹ２００６４１）ＰＬＣ技术应用２００例》
数据包的接收和发送。数据传输中介质访问控制逻辑由硬件自动完成。
：３６０元／年－
中文核心期刊《微计算机信息》（测控自动化）２００８年第２４卷第９－１期
没有数据，表明没有收到数据包。用户通过这个判断可以知道有没有数据包可以读。当上述条件不成立时，表示接收到新的数据包，用户读取数据包。直到上述条件成立时，表示所有数据包已经读完，此时停止读取数据包。
（１）ＲＴＬ８０１９ＡＳ的初始化
ＲＴＬ８０１９ＡＳ通过ＲＳＴＤＲＶ管脚来进行复位操作。ＲＳＴＤＲＶ为高电平有效，至少需要８００ｎｓ宽度的脉冲。复位过程将执行一些操作，至少需要２ｍｓ的时间，推荐等待更久的时间之后（如
复位后，应对ＲＴＬ８０１９ＡＳ１００ｍｓ）再对它操作，以确保完全复位。
初始化，初始化页０与页１的相关寄存器；页２的寄存器是只读的，不可以设置；页３的寄存器不是ＮＥ２０００兼容的，不用设
置。具体设置如下：
３．２ＴＣＰ／ＩＰ协议栈的实现
①ＣＲ＝０ｘ２１，选择页０的寄存器，芯片处于停止模式，这时
进行寄存器设置。
②网卡含有１６Ｋ字节的ＲＡＭ，每２５６个字节称为一页，共有６４页。页的地址就是地址的高８位，页地址范围为０ｘ４０～０ｘ７ｆ。这１６ｋ的ＲＡＭ的一部分用来存放接收的数据包，一部分用来存储待发送的数据包。文中使用０ｘ４０～０ｘ４ｂ为网卡的发送缓冲区（共１２页），刚好可以存储２个最大的以太网数据包；使用０ｘ４ｃ～０ｘ７ｆ为网卡的接收缓冲区（共５２页）。因此，ＰＳＴＡＲＴ＝０ｘ４ｃ，ＰＳＴＯＰ＝０ｘ８０（０ｘ８０为停止页，就是直到０ｘ７ｆ是接收缓冲区，不包括０ｘ８０）。刚开始网卡没有接收到任何数据包，所以ＢＮＲＹ设置为指向第一个接收缓冲区的页０ｘ４ｃ，ＣＵＲＲ指向当前正在写的页的下一页，那么初始化时应该设置为０ｘ４ｄ。
③ＲＣＲ＝０ｘｃｃ，使用接收缓冲区，仅接收目标物理地址和设
置物理地址一致的数据包、广播地址数据包和多点播送地址包，小于６４字节的包丢弃，校验错的数据包不接收。
图２ＴＣＰ／ＩＰ协议栈主流程框图
ＴＣＰ／ＩＰ协议栈的设计是以ＴＣＰ／ＩＰ协议参考模型为核心。
参考模型中的物理层和数据链路层由网络接口芯片
ＲＴＬ８０１９ＡＳ及其驱动程序完成的。ＴＣＰ／ＩＰ协议栈的主体设计分
为横向和纵向两条主线。横向主线包括收发缓存设计和定时器设计。纵向主线包括ＡＲＰ（ＡｄｄｒｅｓｓＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎＰｒｏｔｏｃｏｌ，地址解析协议）模块、ＩＰ（ＩｎｔｅｒｎｅｔＰｒｏｔｏｃｏｌ，互联网协议）模块、ＩＣＭＰ（Ｉｎｔｅｒ－
④ＴＣＲ＝０ｘｅ０，启用ＣＲＣ自动生成和校验，工作在正常模式。
⑤ＤＣＲ＝０ｘｃ８，使用ＦＩＦＯ缓存，普通模式，８位数据ＤＭＡ。⑥ＩＭＲ＝０ｘ００，设置中断屏蔽寄存器，屏蔽所有中断。⑦设置组播地址寄存器ＭＡＲ０～ＭＡＲ７，均设置为０ｘ００。⑧设置网卡物理地址寄存器ＰＡＲ０～ＰＡＲ５。
⑨ＣＲ＝０ｘ２２，选择页０的寄存器，进入正常工作状态。⑩设置ＩＳＲ＝０ｘｆｆ，清除所有中断标志位。（２）ＲＴＬ８０１９ＡＳ发送数据
发送数据时，先将待发送的数据按以太网Ⅱ帧格式封装，通过远程ＤＭＡ操作将数据写入ＲＴＬ８０１９ＡＳ的ＲＡＭ，然后给出发送缓冲区首地址和数据包长度（写入ＴＰＳＲ、ＴＢＣＲ０、ＴＢＣＲ１），存放数据长度是低位放在ＴＢＣＲ０，高位放在ＴＢＣＲ１，启动发送命令（ＣＲ＝０ｘ３Ｅ），启动本地ＤＭＡ，将数据发送网上。ＲＴＬ８０１９ＡＳ
会自动按以太网协议完成发送并将结果写入状态寄存器。
ＴＣＰｎｅｔＣｏｎｔｒｏｌＭｅｓｓａｇｅｓＰｒｏｔｏｃｏｌ，因特网控制报文协议）模块、
（ＴｒａｎｓｆｅｒＣｏｎｔｒｏｌＰｒｏｔｏｃｏｌ，传输控制协议）模块和ＨＴＴＰ（ＨｙｐｅｒＴｅｘｔＴｒａｎｓｆｅｒＰｒｏｔｏｃｏｌ，超文本传输协议）模块的设计。在应用层以ＨＴＴＰ协议和公共网关接口ＣＧＩ技术为基础，构建了嵌入式Ｗｅｂ服务器，实现浏览器和服务器的动态交互。ＴＣＰ／ＩＰ协议栈主流程框图如图２，各模块的功能如下：
①ＨＴＴＰ实现Ｗｅｂ功能。响应客户机的请求，实现动态交
端对端②传输层采用ＴＣＰ方式。ＴＣＰ协议是面向连接的、
的可靠通信协议。ＴＣＰ采取了很多机制来保证它的可靠性，包括ＴＣＰ连接的建立与关闭机制、超时重传机制、数据包确认机制、流量控制机制。
ＲＴＬ８０１９ＡＳ无法将整个数据包通过ＤＭＡ通道一次存入ＦＩＦＯ，
因此在构成一个新的数据包之前必须先等待前一数据包发送完成。为提高发送效率，设计中将１２页的发送缓存区分为两个
③ＩＰ实现对数据包的校验检测和传输，ＩＣＭＰ是调试响应ＰＩＮＧ的请求，检测网路是否通顺。ＡＲＰ是地址解析协议，具体处理过程为，当接收到ＡＲＰ数据包，处理器就查看ＩＰ地址是请求还是响应，如果是响应，则将响应中的网卡地址存到ＡＲＰ高速缓存表中（该表保留的是最近１０次与服务器通信的网卡地
址）；如果是请求，处理器将返回自己的网卡物理地址给对方。
６页的发送缓存区，一个用于数据包发送，另一个用于构造数据
包，通过标志位区分，交替使用，提高发送效率。
（３）ＲＴＬ８０１９ＡＳ接收数据
接收数据采用查询方式。接收数据时，接收缓冲区构成一个循环ＦＩＦＯ队列。ＰＳＴＡＲＴ、ＰＳＴＯＰ两个寄存器限定了循环队列的开始和结束页；ＣＵＲＲ为写入指针，受芯片控制；ＢＮＲＹ为读出指针，由主机程序控制。根据ＣＵＲＲ、ＢＮＲＹ＋１可以判断是否收到新的数据包，新收到的数据包存于以ＣＵＲＲ指出的地址为首址的ＲＡＭ中。当ＣＵＲＲ＝ＢＮＲＹ时，表示缓冲区全部被存满，数据没有被用户读走，这时网卡将停止往ＲＡＭ写数据，新收到的数据包将被丢弃不要，而不会覆盖旧的数据，实际上此时出现了内存溢出。当ＣＵＲＲ＝ＢＮＲＹ＋１，网卡的接收缓冲区里
④Ｅｔｈｅｒｎｅｔ层即接口层的工作主要由网卡控制器芯片
ＲＴＬ８０１９ＡＳ来完成，负责接收和发送数据。
３．３ＤＳ１８Ｂ２０的温度采集程序
温度采集并没有采用传统的温度传感器与Ａ／Ｄ组合的采集方式，而是采用ＤＡＬＬＡＳ最新单线数字温度传感器
它具有体积更小、适用电压宽、经济便宜等特点。简单ＤＳ１８Ｂ２０。
的硬件接口是以相对复杂的接口编程为代价的，各器件与单片机之间的接口协议（包括初始化、写０、写ｌ、读０、读１等协议）要通过严格的时序来保证。
４运行结果
单片机远程温度监控系统软件设计完成后，客户端主要通
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过浏览器来实现远程温度监控。Ｗｅｂ页面用ＨＴＭＬ语言编写，写好后以字符数组的形式存放。客户端的操作主要通过三个页面和远程温控系统实现交互式操作。这三个页面分别是登录页面，登录失败页面和温度显示控制页面。客户端在ＩＥ浏览器中输入远程温控系统的ＩＰ地址，将出现登录页面。在登录页面中输入正确的用户名和密码后，出现温度显示控制页面，同时在页面中显示了系统当前的温度和电源的开关状态。电源通电时，对应的页面如图３（ａ）所示。通过点击页面上的开关，嵌入式远程温控系统在收到信息后将会执行切断电源的操作，并且更换相应的信息重新发送页面，其页面显示如图３（ｂ）所示。
机信息，２００６，６－２：１０７－１０９。
作者简介：孙静（１９８１－），江苏南京人，女，助教，工学硕士，研究方向：智能控制；王再英（１９６１－），陕西宝鸡人，男，教授，硕
士生导师，工学博士，研究方向：过程控制与智能控制。
Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＳＵＮＪｉｎｇ（１９８０－），ＮａｔｉｖｅＰｌａｃｅ：ＪｉａｎｇｓｕＰｒｏｖｉｎｃｅ，Ｆｅｍａｌｅ，Ａｓｓｉｓｔａｎｔ，Ｍａｓｔｅｒ，Ｒｅｓｅａｒｃｈｆｉｅｌｄ：ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＣｏｎｔｒｏｌ．（７１００６５陕西西安西安文理学院机械电子工程系）孙静
（７１００５４陕西省西安市西安科技大学电气与控制工程学院）
（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎＡｒｔｉｃｌｅａｎｄＳｃｉｅｎｃｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００６５，Ｓｈａａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ）ＳＵＮＪｉｎｇ
ａｎＳｃｉｅｎｃｅ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’
ａｎ７１００５４，Ｓｈａａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ）ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’
ＷＡＮＧＺａｉ－ｙｉｎｇ
通讯地址：（７１００６５陕西省西安市文理学院机械电子工程系）
（收稿日期：２００８．７．１３）（修稿日期：２００８．８．２５）
（ａ）开启
（上接第９４页）
器、激光测头、计算机等部件设计的偏心调整机构能够对回转体工件的偏心进行自动调整，具有安全可靠，精度高的特点。
本文创新点：用三坐标测量机、激光测头、数控转台和控制器等部件设计了偏心自动调整机构，在零件轮廓测量系统中达到了自动调整偏心的目的，已用于实际测量。
（ｂ）关闭
图３远程温度监控系统Ｗｅｂ页面
远程温度监控系统运行稳定，具有扩展能力强、性价比高等特点。使用该系统时无需专线，也不用铺设现场总线，只要有以太网即可通信，可充分利用广泛存在的以太网资源。该系统还提供了一个完整的接入以太网的方案，为嵌入式系统接入网络提供了一个有效的方法，具有一定的应用前景。
本文的创新点在于根据嵌入式系统网络化的特点，提出一种基于８位单片机的远程温度监控系统的设计方案。该方案实现了简化ＴＣＰ／ＩＰ协议栈，构建了嵌入式Ｗｅｂ服务器，实现了Ｂ／Ｓ结构的控制模式。该平台具有可裁减，可移植，可扩展等特点，为嵌入式以太网Ｗｅｂ技术在监控领域中的应用做出了有益的探索和尝试。
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ＰＬＣ技术应用２００例》
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［５］杨仁平，张国雄，刘书桂等．回转曲面测量技术［Ｊ］．天津大学学报．２００５，３８（：５）３８５－３９０．
［６］日本Ｋｅｙｅｎｃｅ公司产品样本［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｋｅｙｅｎｃｅ．ｃｏｍ．作者简介：贺国权（１９６２—），男，汉族，重庆垫江人，副教授（通讯联系人），主要从事传感器及信息处理技术方面的研究。
Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＨＥＧｕｏ－ｑｕａｎ（１９６２－），ｍａｌｅ，Ｔｈｅｈａｎｎａｔｉｏｎａｌｉｔｙ，ａｓ－ｓｏｃｉａｔｅｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，ｂｏｒｎｉｎＤｉａｎｊｉａｎｇｃｏｕｎｔｒｙｏｆＣｈｏｎｇｑｉｎｇ，Ｔｈｅｒｅ－ｓｅａｒｃｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎｉｓｔｈｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆｓｅｎｓｏｒａｎｄｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．（４０８０００长江师范学院电子信息工程系重庆）贺国权
（３０００７２天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津）
贺国权刘书桂
（Ｄｅｐｔ．ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＹａｎｇｔｚｅＮｏｒ－ｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ，４０８０００，Ｃｈｉｎａ）ＨＥＧｕｏ－ｑｕａｎ
（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎＭｅａｓｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ；Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７２；Ｃｈｉｎａ）ＨＥＧｕｏｑｕａｎＬＩＵＳｈｕ－ｇｕｉ
通讯地址：（４０８０００重庆市涪陵区通信建设有限公司办公室）
雷中东转贺国权
（收稿日期：２００８．０７．１３）（修稿日期：２００８．０８．２５）
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