基于MCF52233的通用遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)平臺的研究
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本文分析研究了遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的共性，建立了測控系統(tǒng)的一般模型，利用嵌入式以太網(wǎng)、Web服務(wù)器、硬件構(gòu)件和軟件可重用等技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種面向測控領(lǐng)域的基于B/S與C/S相結(jié)合體系結(jié)構(gòu)的通用軟硬件平臺。
1總體設(shè)計(jì)方案
1.1 一般測控系統(tǒng)的通用模型特點(diǎn)分析
基于通用設(shè)計(jì)思想的系統(tǒng)開發(fā)在設(shè)計(jì)思路上須遵循模塊化、可二次開發(fā)性和平臺化的設(shè)計(jì)原則。實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)需要處理的信號可能存在很大的差異，所以本文在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)過程中，分析了各種應(yīng)用系統(tǒng)之間的共性，從現(xiàn)有的一般的測控系統(tǒng)中抽象出一個(gè)通用模型。
一個(gè)典型的嵌入式測控系統(tǒng)通常包括模擬量輸入模塊、開關(guān)量輸入模塊、模擬量輸出模塊、開關(guān)量輸出模塊、數(shù)據(jù)通信模塊[2]和MCU工作支撐電路。
實(shí)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(zhuǎn)換為電信號，然后由A/D轉(zhuǎn)換接口將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)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(yīng)的轉(zhuǎn)換電路對其進(jìn)行處理。實(shí)際開關(guān)信號一般來自開關(guān)類傳感器或手動開關(guān)，需要開關(guān)量轉(zhuǎn)換電路將實(shí)際開關(guān)信號轉(zhuǎn)換至MCU可接受的電信號范圍。
測控系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括開關(guān)量控制和模擬量控制。開關(guān)量執(zhí)行機(jī)構(gòu)只有開和關(guān)兩種狀態(tài)。模擬量執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要連續(xù)變化的模擬量控制，MCU通過D/A轉(zhuǎn)換接口將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量輸出控制。此外，由于MCU引腳的驅(qū)動能力在10 mA左右，不能直接控制這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因此需要借助于相應(yīng)的驅(qū)動電路來實(shí)現(xiàn)。
通信接口模塊主要實(shí)現(xiàn)MCU與各外圍模塊或設(shè)備之間的通信，常用的通信方式有：UART、SPI、USB、以太網(wǎng)等。對于遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)，通常采用以太網(wǎng)與遠(yuǎn)程主機(jī)進(jìn)行通信。
通過分析，本文建立了如圖1所示的一般測控系統(tǒng)的通用模型。
1.2 通用模型特點(diǎn)分析
完整的測控系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。建立測控系統(tǒng)通用模型就是分別為軟、硬件建立相應(yīng)的通用模型。硬件模型體現(xiàn)在測控終端控制器的硬件設(shè)計(jì)上；軟件模型根據(jù)所選擇的體系結(jié)構(gòu)不同而有所差別。但不論是哪一種體系結(jié)構(gòu)，對軟件的設(shè)計(jì)都是建立在硬件的基礎(chǔ)之上，所以整個(gè)通用模型的建立首先且關(guān)鍵是對硬件通用模型的建立。
1.2.1 遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的硬件模型
遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的測量與控制在硬件上主要體現(xiàn)在位于現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)化測控終端對外界數(shù)據(jù)的采集以及控制量的輸出，其中數(shù)據(jù)采集部分通常包括模擬量輸入模塊和開關(guān)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(guān)量輸出模塊。因此，通用模型的建立主要體現(xiàn)在對這四種輸入輸出模塊的設(shè)計(jì)上。
本文通過提供業(yè)內(nèi)比較通用的信號類型來達(dá)到通用的目的。對于使用這些信號接口的測控設(shè)備，可直接互連；對于使用其他信號接口的測控設(shè)備，只需要增加相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換電路即可互連。通過對多個(gè)具體測控系統(tǒng)的分析，采用了如下的硬件設(shè)計(jì)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(shù)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)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(zhuǎn)換電路供電，提供5 V和12 V電源接口。
(2)開關(guān)量輸入接口，提供8路開關(guān)量輸入通道，可直接處理12 V開關(guān)信號。對于其他類型的開關(guān)信號，需要外接轉(zhuǎn)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(yīng)的驅(qū)動電路。
(4)開關(guān)量輸出接口，提供8路開關(guān)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(shí)現(xiàn)對其他電壓信號的輸出。
(5)通信接口，采用以太網(wǎng)作為傳輸媒介，與遠(yuǎn)程主機(jī)進(jìn)行信息交互，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(jī)交互接口?，F(xiàn)場信息采用液晶顯示；對受控設(shè)備的現(xiàn)場手動干預(yù)采用SDF-1通用型手持編程器實(shí)現(xiàn)，以避免為所有的輸出接口配備相應(yīng)的控制按鈕。
(7)在進(jìn)行具體的硬件設(shè)計(jì)時(shí)，融入硬件構(gòu)件的設(shè)計(jì)思想，將各個(gè)硬件模塊進(jìn)行獨(dú)立的封裝，以提高硬件的可重用性[3]。
根據(jù)以上方案所設(shè)計(jì)的硬件模型如圖2所示。
1.2.2 遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的軟件模型
采用何種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是開發(fā)網(wǎng)絡(luò)軟件時(shí)首當(dāng)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(diǎn)，揚(yáng)長避短，這樣才能設(shè)計(jì)出最合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)方便地訪問任一臺終端控制器，查看當(dāng)前的監(jiān)控信息，本文將終端控制器設(shè)計(jì)為一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器。但是由于嵌入式系統(tǒng)資源很有限，無法實(shí)現(xiàn)對長時(shí)間歷史記錄的保存，因此必須借助于上位機(jī)的存儲能力，將所有的歷史記錄轉(zhuǎn)移到監(jiān)控上位機(jī)保存。另一方面，B/S結(jié)構(gòu)采用瀏覽器訪問時(shí)，每次只能查看單個(gè)控制器的現(xiàn)場信息，無法實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控和管理功能，而C/S結(jié)構(gòu)的客戶端軟件可以很好地解決這個(gè)問題。因此，本文采用B/S與C/S相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)，對于瀏覽器客戶端采用HTTP協(xié)議與測控終端交互；對于監(jiān)控平臺軟件客戶端采用UDP協(xié)議進(jìn)行通信。
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