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基于嵌入式TCP/IP的实时数据传输 |
| 摘 要: 本文介绍一种实用的基于嵌入式TCP/IP技术的实时数据传输系统,分析了其硬件和软件系统。结合系统控制对象的分散性和网络化管理的特点,重点论述嵌入式操作系统、嵌入式TCP/IP技术、系统可靠性、安全性等关键技术。 关键字: 嵌入式系统, TCP/IP, 可靠性, 安全性 1 引言 目前,液化气广泛用于居民生活和工业生产的各个领域,液化气流通过程中大部分业务需要针对气体和液体进行流量计量。现有系统主要是称重计量仪表作为计量装置。以人工方式作计量数据的采集和统计汇总。人工方法存在费时费力,各个计量点都容易出现人为数据错误的缺点,造成不必要的损失和漏洞。而且人工处理石油液化气储运数据,是属于挂流水帐,各类原始数据的关系是分离的,不方便及时查询和管理,无法作出正确的经营决策。 将嵌入式系统应用到石油液化气储运数据中,首先可以对设备进行实时的运行状态监测,无需要人工干预即能自主运行;其次可以根据设备运行条件的改变,自适应地调节自身的功能来保证监控及诊断的准确性。杜绝石油液化气储运各个环节可能出现的漏洞,提高企业经济效益;最后可以把各类石油液化气储运原始数据有机地组合在一起,统筹处理数据的输入、查询、统计及显示和输出,使处理石油液化气储运数据的过程通畅、合理、快捷、准确。 2. 嵌入式系统及其石油液化气储运现场实时数据传输系统解决方案 2.1 嵌入式系统简介 嵌入式系统不以独立设备的物理形态出现,嵌入式系统的部件根据主体设备以及应用的需要,嵌入在主体设备内部,发挥着运算、处理、存储以及控制等作用。从体系结构看,嵌入式系统主要以嵌入式处理器、支撑硬件和嵌入式软件组成。早期的嵌人式系统以单个芯片为核心,大部分应用于工业控制系统中,后来发展为以嵌入式CPU、嵌入式实时操作系统（RTOS）为核心的新型组成结构。但随着信息技术的发展,网络通信已经是嵌入式系统设计所必须考虑的问题,可以说嵌入式TCP/IP技术是嵌入式计算机系统与Internet技术相互结合的产物,基于Internet的嵌入式系统成为一个研究热点。 2.2 系统的总体设计特点 本系统具有功耗低、可靠性高、功能完备等特点。系统的耗电量为1～3W,由于系统功耗很低,专用于工业级领域,因此在器件的选用、系统的抗干扰设计等各个方面都进行了严格的论证和实验分析,其运行可靠性得到了保证。系统使用400MHz以上主频的32位微处理器,总线为100MHz,无论是高速实时处理还是大容量数据传输都能够满足,全新的设计体系使得整个系统具有强大的处理能力和广泛的升级空间。该系统对于用户来说,由于操作系统的支持,使用中根本感受不到体系的差异,而对于进行开发人员来讲,以前在X86平台下编写的程序,也只需做一次重新编译简单移植一下即可,从而最大限度的保护了用户的资源,增强了系统的可扩展性。 2.3 硬件结构 针对传输数据量,实时数据采集控制盒中的核心控制芯片选用了Intel XScale 255。其它电路包括A/D接口、I/O接口芯片、电压变换芯片、充电保护芯片、滤波电路、显示驱动等部分组成。系统使用的网卡芯片是选用Realtek公司生产的RTL8019AS构成,它是一种低价位的通用以太网控制器,采用了高度集成化的设计。现场传感器采集的信号为温度、压力、流量信号,均为模拟信号,需进行A/D转换。硬件结构框图如图1所示:  图1 硬件结构框图 Fig.1 Hardware Structure 2.4 软件结构 2.4.1 操作系统 嵌入式操作系统是整个嵌入式系统的核心,通常包括与硬件相关的底层驱动程序、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形用户界面（GUI）等。专门负责管理存储器分配、中断处理、任务调度等功能。本设计采用嵌入式Linux作为操作系统,嵌入式Linux是一种由内核（kerne1）以及根据需要定制的系统模块组成的小型操作系统。相对于其他嵌入式RTOS,它具有鲜明的特点:微内核结构,最多几百KB;免费开放源代码,具有可裁剪性,能根据特定需求自行设计;具有优秀的网络、数据库支持功能,支持TCP/IP等常见协议,能够实现数据的网络通讯和实时处理。 系统在启动时,由BootRom将Linux内核从FLASH/ROM映像到RAM中,对系统的软硬件环境进行初始化。应用程序中相关内容的初始化作为应用程序引导模块,固化在FLASH/ROM上,以便主机上电后可以由内核程序将其读到RAM文件系统中,再由这部分引导应用程序运行模块。由于该系统是基于全IP的稳定网络,在考虑了网络带宽和系统通信量的基础上,我们选择心跳检测的正常阀值为1秒,数据恢复策略采用即时传送数据。 2.4.2 嵌入式TCP/IP技术 由于本系统的用户要求其可以在任意地点的通过web浏览器接入网络,实时查询各液化气站工作点储运数据,同时通过客户端可任意对实现工作点远程控制和管理,实现大范围的互联,因此数据的远程传输成了必须解决的问题。 嵌入式TCP/IP技术是一种设备接入技术,主要解决如何通过Web和嵌入式技术实现从不同子网、不同物理区域对接入到Internet的设备和异类子网进行监控、诊断、管理及维护等操作,使用户对接入到Internet上的各种设备或其他类型的子网具有远程监控、诊断和管理的能力。嵌入式系统由于其自身硬件资源有限,不同于通用计算机系统,因此由通用计算机操作系统内核实现的存储器管理、设备管理、文件系统、网络通信等功能模块不可能在嵌入式操作系统的内核中全部实现。传统的TCP/IP通信传输七层结构模式不再适用于嵌入式系统,必须根据实际传输数据的需求合理简化协议。本系统采用图2所示TCP/IP的四层结构子协议集。  图2 子协议集 Fig.2 Child Protocol 其中应用层负责实现HTTP协议;传输层负责数据采集现场与信息中心间可靠性的数据通信;互联网层完成寻址、定址、数据打包和安排路径,同时判断网络是否连通;数据链路层把帧送到线路中去,同时可以把需接收的帧从线路中取出来。 2.4.3 应用软件结构 我们将应用软件结构分为3层（如图3所示）,即:客户端、信息中心、现场。其中信息中心由Web服务器和应用服务器构成;数据库设计考虑了位于信息中心层的本地数据库服务器和客户端的虚拟服务器;现场控制系统包括各类现场仪表,传感器的控制系统软件。我们可以将上述系统理解为一个较为复杂的B/S体系机构的软件系统。  图3 应用软件结构 Fig.3 Software Architecture 本系统采取这样复杂的体系结构是由系统的功能设计及网络结构决定的,这意味着一台机器要与其他系统进行协作,它既提供服务,同时也需要其他系统的服务。该3层结构是指合理的利用系统资源,不同层次分工协作,使某项任务在多台机器之间进行匹配,其中客户机（Client）用来运行提供用户接口和前端处理的应用程序,应用服务器及Web服务器用于发布信息、数据及指令的传达。现场完成数据实时采集传输,并最终执行控制指令、实现控制目标和性能指标。 3.系统的可靠性设计 在保障功能的前提下,系统的可靠性是评价其性能的重要指标。石油液化气储运实时数据采集管理系统采用无人值守方式,为提高嵌入式远程数据采集系统的可靠性,我们从硬件、软件两个方面进行系统设计。 3.1 硬件抗干扰措施 系统中所采用的嵌入式主机是为工业现场研制开发的。本身的机械和电气特性足以在恶劣环境条件下的连续运行,但为防止其它电磁干扰对开关电源的输出或数字系统的信号线造成冲击,从而导致嵌入式系统异常运行或死机。只有提高系统的电磁兼容性才能提高其可靠性。仔细分析造成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备。抑制电磁干扰的方式也从这3方面着手:抑制干扰源;消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射,切断电磁干扰的传播途径;提高受扰设备的抗干扰能力,降低其对噪声的敏感度。目前电子设备大多采用切断电磁干扰源和受扰设备之间的耦合通道对电磁干扰进行抑制,常用的方法包括屏蔽、接地和滤波。本系统采用了下述3种措施降低或消除电磁干扰所造成的影响:（1）电源采用本安电源供电,直接消除电源干扰的可能性。普通电源当接的负载过多时,电压降的现象很厉害,而本安电源的避免了这种情况;（2）嵌入式计算机主机外放置金属屏蔽外壳,且整个屏蔽罩与系统的机壳和地连接为一体;（2）在电源输入端加接由铁氧体磁性材料加工成的电磁干扰吸收元件,改善系统的滤波特性。 3.2 软件抗干扰措施 软件设计方面主要采用以下措施来保障程序运行的稳定性: （1）启动看门狗定时器,使其能在程序异常运行时自动重启整个系统。 （2）编写专门程序对CPU的可利用资源及内存可利用空间进行监控,如果CPU资源和内存无法满足应用程序的正常运行则重启系统,该监控程序独立运行。 4. 安全性 本系统设计的安全性涉及到两个方面,其一是数据传输安全性,其二是该系统的对象是易燃易爆物品,防止出现火情是另一个非常重要的问题。 数据传输安全性问题是由于系统采用Internet的访问技术,网络被攻击的可能性增大,网络安全防护成了大问题,必须采用多种技术手段和防范策略,确保系统不受病毒和黑客的破坏,以达到确保系统的数据完整性、统一性。主要解决策略是采用密码和防火墙策略,根据规则过滤掉外部的数据流,且数据传送必须加密,访问所有可能受到攻击的点都必须提供正确的用户名和密码才可以访问。另外采用只读访问策略,将关键信息和敏感信息标记为只读特性,尤其是从Intranet范围外的IP地址来的访问请求。 为防止由于现场采集系统导致石油液化气燃烧,发生意外,本设计采用了2个措施:（1）如前所述,前端控制盒电源采用本安电源,该电源工作极其稳定,不产生电火花,被广泛用于防爆工作环境;（2）由于监控设备需要长期运转,因此系统要求有很好的散热功能。系统的散热片结构由传统的一个改装成为两个散热片,使得系统适用于易燃易爆工作环境。 5. 小结与本文作者创新点 本文介绍的系统具有分层合理、模块划分清晰、可移植性好等特点,并且系统充分利用现成的电信网络,省去了现场建设及有线网络架设的费用。此外该系统的测试数据表明:系统能够实现对被管理设备的各项基本操作、管理和访问,满足一般嵌入式系统对系统监控、数据实时采集的应用需要,该设计思想可以广泛应用于其它类似的现场分散、网络化实时数据的采集传输管理系统,不论从经济效益还是社会效益角度来讲,都有着广泛的应用前景。 |