Ethernet接入模塊

模塊結(jié)構(gòu)

Ethernet接入模塊實(shí)質(zhì)上是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器，主要完成TCP/IP協(xié)議與現(xiàn)場(chǎng)總線RS-232協(xié)議的轉(zhuǎn)換。模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。該模塊將通用的8位單片機(jī)與以太網(wǎng)控制芯片相結(jié)合，加上相應(yīng)的外圍電路而構(gòu)成。可分成三個(gè)子模塊：以太網(wǎng)控制芯片子模塊，負(fù)責(zé)接收以太網(wǎng)幀，并把數(shù)據(jù)送給單片機(jī)處理；接收單片機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)，按以太網(wǎng)幀格式發(fā)到以太網(wǎng)。單片機(jī)子模塊，負(fù)責(zé)控制整個(gè)模塊，從以太網(wǎng)控制芯片子模塊中將數(shù)據(jù)包讀入內(nèi)存，進(jìn)行拆包處理，并將有關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)向RS-232串行接口；將RS-232串行口來的數(shù)據(jù)按有關(guān)協(xié)議進(jìn)行打包，送以太網(wǎng)控制芯片子模塊發(fā)至以太網(wǎng)上。擴(kuò)展子模塊，單片機(jī)外圍擴(kuò)展了程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，滿足程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需要。

為模塊開發(fā)的軟件主要有：模塊初始化程序、以太網(wǎng)控制器驅(qū)動(dòng)程序、TCP/IP協(xié)議棧程序、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置程序等。模塊初始化程序用于設(shè)置單片機(jī)工作模式及外圍芯片選擇字；以太網(wǎng)控制器驅(qū)動(dòng)程序用于設(shè)置以太網(wǎng)控制芯片的工作狀態(tài)及工作方式，配置收發(fā)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)；TCP/IP協(xié)議棧程序?qū)崿F(xiàn)ARP、IP、UDP協(xié)議；系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置程序用于給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分配IP地址及域名。

TCP/IP協(xié)議“剪裁”

用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議如圖3所示。

受8位單片機(jī)自身結(jié)構(gòu)和功能的限制，從實(shí)用、夠用角度出發(fā)，該模塊對(duì)嵌入單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行了“瘦身”處理，對(duì)TCP/IP進(jìn)行“剪裁”，主要保留數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕竟δ堋?/SPAN>

由于機(jī)動(dòng)車安全性能檢測(cè)線負(fù)責(zé)監(jiān)控的站點(diǎn)相對(duì)固定，線上測(cè)控?cái)?shù)據(jù)量非常小(一次數(shù)據(jù)傳送量一般不超過100Byte)，“剪裁”的方案是：在鏈路層，單片機(jī)維護(hù)一個(gè)靜態(tài)的IP地址與MAC地址的映射表，取消RARP，實(shí)現(xiàn)的ARP也僅響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)ARP請(qǐng)求，發(fā)送ARP回答包。請(qǐng)求者廣播出包含ARP請(qǐng)求的以太網(wǎng)幀(幀類型為0X0806)，目的以太網(wǎng)地址為全１的廣播地址，本模塊收到后，發(fā)送一個(gè)包含自身MAC地址的ARP回答，以使以太網(wǎng)上PC主機(jī)建立和維護(hù)IP地址和MAC地址的映射表；在網(wǎng)絡(luò)層，取消ICMP協(xié)議，在處理IP報(bào)頭時(shí)，不考慮數(shù)據(jù)分片和優(yōu)先權(quán)問題，在服務(wù)類型和標(biāo)志偏移域全部填“0”，在“協(xié)議”域填“17”，程序僅對(duì)頭核校和和上層是否是UDP協(xié)議進(jìn)行判斷； 在傳輸層，選擇基于無連接的UDP，而不用TCP。TCP雖然是基于連接的可靠性傳輸協(xié)議，但開銷大，對(duì)汽車安全性能檢測(cè)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)而言，通過采用超時(shí)重發(fā)、應(yīng)用層端口判斷、校驗(yàn)值檢查等措施，可以有效解決UDP的無連接和不可靠問題。“剪裁”后的TCP/IP協(xié)議棧程序只有8KB大小，既適應(yīng)了單片機(jī)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，也完全滿足現(xiàn)場(chǎng)單片機(jī)通訊需求。

模塊工作流程

模塊上電、初始化后，單片機(jī)采用查詢方式判斷以太網(wǎng)控制芯片中是否收到數(shù)據(jù)包，若有就讀入內(nèi)存，拆包，若是ARP包，則進(jìn)行ARP響應(yīng)；若是UDP包，拆包，檢查應(yīng)用層端口、檢驗(yàn)值，判斷應(yīng)用層數(shù)據(jù)是否為I/O操作命令，是則執(zhí)行I/O操作命令，其中讀I/O端口的數(shù)據(jù)要打包發(fā)往網(wǎng)絡(luò)；若不是I/O操作命令，將應(yīng)用層數(shù)據(jù)從TXD口送出。采用中斷方式接收RXD口來的數(shù)據(jù)，打包送以太網(wǎng)。UDP數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中采用超時(shí)重發(fā)、出錯(cuò)重發(fā)機(jī)制，保證模塊與控制節(jié)點(diǎn)間按流程進(jìn)行通信。

監(jiān)控實(shí)現(xiàn)

主控機(jī)等監(jiān)控計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)模塊之間的節(jié)點(diǎn)通信、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控管理的實(shí)現(xiàn)以及從遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的訪問等全面監(jiān)控方式的實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)了Ethernet接入模塊后均可方便的直接觸及現(xiàn)場(chǎng)模塊，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、控制管理，真正做到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)控管理，簡(jiǎn)化監(jiān)控管理的模型。

節(jié)點(diǎn)通信實(shí)現(xiàn)

主控機(jī)、監(jiān)控管理機(jī)和WEB服務(wù)器與各Ethernet接入模塊的通信基于Delphi6.0的TNMUDP組件，是無連接的Socket機(jī)制。UDP數(shù)據(jù)報(bào)傳送時(shí)，雙方各先建立一個(gè)套接字，然后將各自的套接字和本地網(wǎng)絡(luò)地址綁定在一起，調(diào)用sendto()函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，調(diào)用recvfrom()函數(shù)接收，UDP數(shù)據(jù)拆包后按定義的通信協(xié)議進(jìn)行處理(包括安全驗(yàn)證、出錯(cuò)重發(fā)等)。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控管理實(shí)現(xiàn)

用Delphi6.0結(jié)合SQL Server 2000開發(fā)主控機(jī)程序和監(jiān)控管理機(jī)程序。主控機(jī)將檢測(cè)項(xiàng)目分成若干工位，上線檢測(cè)的汽車登錄后在線上獲取唯一ID標(biāo)識(shí)，并利用多線程技術(shù)控制多輛汽車同時(shí)在線，按登錄時(shí)確定的項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)。主控制機(jī)工作時(shí)，禁止網(wǎng)絡(luò)其它主機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行通信。監(jiān)控管理機(jī)一是在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備工作時(shí)，從數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器實(shí)時(shí)地讀取車輛的檢測(cè)信息和設(shè)備狀態(tài)信息，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)超差和狀態(tài)異常等情況；二是在檢測(cè)線空閑或出現(xiàn)故障時(shí)，可直接與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分別進(jìn)行通信，讀取設(shè)備的自檢信息和設(shè)備的狀態(tài)信息，分析判斷設(shè)備正常與否或故障原因。

遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)現(xiàn)

由于采用以太網(wǎng)技術(shù)給每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)模塊設(shè)定IP地址，使其在網(wǎng)絡(luò)上具有了唯一性的節(jié)點(diǎn)，對(duì)其的訪問也就變得比其他總線形式更加簡(jiǎn)單，主機(jī)只需要根據(jù)Socket編寫通用的訪問網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的程序，Ethernet接入模塊均可按照UDP協(xié)議進(jìn)行識(shí)別和處理，使得程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。

本系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控基于B/S模式，采用ActiveX控件通過Socket的機(jī)制與網(wǎng)關(guān)接口服務(wù)程序相連，由服務(wù)程序讀取數(shù)據(jù)庫(kù)檢測(cè)數(shù)據(jù)和信息，并送到客戶端。當(dāng)檢測(cè)線需要遠(yuǎn)程維護(hù)或診斷時(shí)，服務(wù)程序與各檢測(cè)設(shè)備的Ethernet接入模塊通信，讀出設(shè)備自檢和光電管、繼電器狀態(tài)等信息，顯示在遠(yuǎn)程客戶端瀏覽器頁面上。為使遠(yuǎn)程監(jiān)控或診斷具有更強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)感和實(shí)時(shí)性，可將監(jiān)控管理機(jī)的程序功能移植于遠(yuǎn)程客戶端，借助Internet上的VPN服務(wù)，遠(yuǎn)程對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各檢測(cè)設(shè)備直接進(jìn)行測(cè)控。

安全控制措施

監(jiān)控系統(tǒng)在檢測(cè)線內(nèi)網(wǎng)加裝測(cè)毒、殺毒軟件，內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)之間構(gòu)筑防火墻，采用包過濾、應(yīng)用網(wǎng)關(guān)技術(shù)和身份認(rèn)證技術(shù)，防止非授權(quán)的外網(wǎng)用戶訪問內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)或操作控制現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備。

結(jié)語

Ethernet接入模塊體積小，功耗低，成本低廉，接入方便，在機(jī)動(dòng)車檢測(cè)線現(xiàn)場(chǎng)使用，減少了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)層次，使整個(gè)工業(yè)管理現(xiàn)場(chǎng)總線統(tǒng)一化，信息管理層與現(xiàn)場(chǎng)控制層首次采用一樣的總線技術(shù)完成；省去了485總線方式中的多串口卡、串并行數(shù)據(jù)線等硬件設(shè)備和大量的數(shù)據(jù)線路；使控制程序與檢測(cè)設(shè)備之間的通信統(tǒng)一起來，有效解決了為適應(yīng)不同設(shè)備的不同通信方式而更改控制軟件的問題，提高了控制軟件的獨(dú)立性，增強(qiáng)了軟件的移植性。通過現(xiàn)場(chǎng)工作驗(yàn)證，本系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定、可操作性強(qiáng)、通訊實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。