基于MCF52233的通用遠程測控系統平臺的研究
本文分析研究了遠程測控系統的共性,建立了測控系統的一般模型,利用嵌入式以太網、Web服務器、硬件構件和軟件可重用等技術,設計了一種面向測控領域的基于B/S與C/S相結合體系結構的通用軟硬件平臺。
1總體設計方案
1.1 一般測控系統的通用模型特點分析
基于通用設計思想的系統開發在設計思路上須遵循模塊化、可二次開發性和平臺化的設計原則。實際的應用系統需要處理的信號可能存在很大的差異,所以本文在系統總體設計過程中,分析了各種應用系統之間的共性,從現有的一般的測控系統中抽象出一個通用模型。
一個典型的嵌入式測控系統通常包括模擬量輸入模塊、開關量輸入模塊、模擬量輸出模塊、開關量輸出模塊、數據通信模塊[2]和MCU工作支撐電路。
實際模擬信號是物理世界的自然信號,需要通過傳感器將其轉換為電信號,然后由A/D轉換接口將電信號轉換為數字信號。由于傳感器輸出的電信號通常比較微弱,而且輸出的信號類型各異,因此,需要相應的轉換電路對其進行處理。實際開關信號一般來自開關類傳感器或手動開關,需要開關量轉換電路將實際開關信號轉換至MCU可接受的電信號范圍。
測控系統的執行機構,包括開關量控制和模擬量控制。開關量執行機構只有開和關兩種狀態。模擬量執行機構需要連續變化的模擬量控制,MCU通過D/A轉換接口將數字量轉換為模擬量輸出控制。此外,由于MCU引腳的驅動能力在10 mA左右,不能直接控制這些執行機構,因此需要借助于相應的驅動電路來實現。
通信接口模塊主要實現MCU與各外圍模塊或設備之間的通信,常用的通信方式有:UART、SPI、USB、以太網等。對于遠程測控系統,通常采用以太網與遠程主機進行通信。
通過分析,本文建立了如圖1所示的一般測控系統的通用模型。
1.2 通用模型特點分析
完整的測控系統包括硬件和軟件兩部分。建立測控系統通用模型就是分別為軟、硬件建立相應的通用模型。硬件模型體現在測控終端控制器的硬件設計上;軟件模型根據所選擇的體系結構不同而有所差別。但不論是哪一種體系結構,對軟件的設計都是建立在硬件的基礎之上,所以整個通用模型的建立首先且關鍵是對硬件通用模型的建立。
1.2.1 遠程測控系統的硬件模型
遠程測控系統的測量與控制在硬件上主要體現在位于現場的網絡化測控終端對外界數據的采集以及控制量的輸出,其中數據采集部分通常包括模擬量輸入模塊和開關量輸入模塊;控制輸出部分通常包括模擬量輸出模塊和開關量輸出模塊。因此,通用模型的建立主要體現在對這四種輸入輸出模塊的設計上。
本文通過提供業內比較通用的信號類型來達到通用的目的。對于使用這些信號接口的測控設備,可直接互連;對于使用其他信號接口的測控設備,只需要增加相應的信號轉換電路即可互連。通過對多個具體測控系統的分析,采用了如下的硬件設計方案:
(1)模擬量輸入接口,提供8路模擬量輸入通道;考慮到市場上大多數傳感器或變送器都提供0~5 V電壓信號輸出,另一方面由于A/D轉換器通常以0~5 V電壓信號輸入,因此本文將模擬量輸入接口設計為可直接處理0~5 V電壓信號。另外為了便于給傳感器或外接的轉換電路供電,提供5 V和12 V電源接口。
(2)開關量輸入接口,提供8路開關量輸入通道,可直接處理12 V開關信號。對于其他類型的開關信號,需要外接轉換電路。
(3)模擬量輸出接口,提供8路模擬量輸出通道,提供0~12 V電壓信號輸出,對于其他類型的模擬信號,需要外接相應的驅動電路。
(4)開關量輸出接口,提供8路開關量輸出通道;可直接輸出12 V電壓信號,也可通過更換繼電器實現對其他電壓信號的輸出。
(5)通信接口,采用以太網作為傳輸媒介,與遠程主機進行信息交互,從而實現遠程測控功能;對于其他通信接口,由其他輔助模塊決定。
(6)提供良好的人機交互接口。現場信息采用液晶顯示;對受控設備的現場手動干預采用SDF-1通用型手持編程器實現,以避免為所有的輸出接口配備相應的控制按鈕。
(7)在進行具體的硬件設計時,融入硬件構件的設計思想,將各個硬件模塊進行獨立的封裝,以提高硬件的可重用性[3]。
根據以上方案所設計的硬件模型如圖2所示。
1.2.2 遠程測控系統的軟件模型
采用何種網絡體系結構是開發網絡軟件時首當其沖考慮的問題。究竟是采用C/S模式還是B/S模式,或是兩者兼有的混合模式,這就需要分析它們各自的特點,揚長避短,這樣才能設計出最合適的網絡結構。為了實現實時方便地訪問任一臺終端控制器,查看當前的監控信息,本文將終端控制器設計為一個嵌入式Web服務器。但是由于嵌入式系統資源很有限,無法實現對長時間歷史記錄的保存,因此必須借助于上位機的存儲能力,將所有的歷史記錄轉移到監控上位機保存。另一方面,B/S結構采用瀏覽器訪問時,每次只能查看單個控制器的現場信息,無法實現集中監控和管理功能,而C/S結構的客戶端軟件可以很好地解決這個問題。因此,本文采用B/S與C/S相結合的體系結構,對于瀏覽器客戶端采用HTTP協議與測控終端交互;對于監控平臺軟件客戶端采用UDP協議進行通信。
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