基于VC的執(zhí)行機(jī)構(gòu)以太網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

摘要：本文介紹了一種適用于過程控制領(lǐng)域的工業(yè)以太網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)，通過主控計(jì)算機(jī)和工業(yè)以太網(wǎng)，可以方便的將所設(shè)計(jì)的各種網(wǎng)絡(luò)化的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照我們的控制需要來連成網(wǎng)絡(luò)，形成系統(tǒng)。通過自定義的通訊協(xié)議，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性以及可靠性。通過通訊試驗(yàn)，證明了該控制系統(tǒng)是可行的。

1　引言

在工業(yè)控制領(lǐng)域中，隨著控制系統(tǒng)規(guī)模的不斷增大，集中控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足要求，控制網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到工業(yè)控制中�，F(xiàn)場總線就是順應(yīng)這一形式發(fā)展起來的技術(shù)，并在一定程度上解決了這一問題。但是，現(xiàn)場總線的開放性是有條件的，是不徹底的。當(dāng)現(xiàn)場總線的發(fā)展遇到阻礙時(shí)，以太網(wǎng)技術(shù)卻得到了迅猛發(fā)展。如果能將以太網(wǎng)技術(shù)成功地用于工業(yè)控制底層網(wǎng)絡(luò)，就可以打破傳統(tǒng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系，實(shí)現(xiàn)辦公自動化與工業(yè)自動化的無縫結(jié)合。

本課題正是在這種環(huán)境下提出。在設(shè)計(jì)中，我們選擇了傳輸速率高、實(shí)時(shí)性好，成本低的工業(yè)以太網(wǎng)，在繼承上一代產(chǎn)品中成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，將工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)融入到電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，使它們成為新一代的數(shù)字化產(chǎn)品。為了配合這些網(wǎng)絡(luò)化的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的使用，我們需要構(gòu)建一套適用于過程控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。它通過工業(yè)以太網(wǎng)，將主控計(jì)算機(jī)和多個(gè)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接起來，按照我們的需求通過計(jì)算機(jī)對底層進(jìn)行各種不同的控制，形成一個(gè)完整的控制網(wǎng)絡(luò)。

2　控制系統(tǒng)架構(gòu)

2.1　控制系統(tǒng)以太網(wǎng)架構(gòu)

整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在此，以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊相當(dāng)于完成一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)網(wǎng)卡的作用，用于完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)與以太網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換和交流。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)與以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊之間通過串行TTL電平進(jìn)行通訊，然后通過該模塊將電平信號以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的形式傳送到以太網(wǎng)上（此處以太網(wǎng)可以用HUB代替），然后進(jìn)一步傳送給上位機(jī)，從而形成一條從上位機(jī)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠的信道。

本系統(tǒng)所采用的以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊是國內(nèi)某公司開發(fā)的一款嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊，它內(nèi)部集成了TCP/IP 協(xié)議棧，用戶利用它可以實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)功能。該產(chǎn)品用于串口與以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，為串口設(shè)備增加以太網(wǎng)接口�？捎糜诖�口設(shè)備與主控計(jì)算機(jī)機(jī)之間，或者多個(gè)串口設(shè)備之間的遠(yuǎn)程通信。

圖1  控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2.2　電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊通訊的實(shí)現(xiàn)

串行通訊采用TTL電平，占用兩個(gè)I/O口，即輸入口（RxD）和輸出口（TxD），執(zhí)行機(jī)構(gòu)主控板需要提供+5V電源給以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊，硬件連接如圖2所示。

圖2　底層通訊的實(shí)現(xiàn)原理圖

本系統(tǒng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)所采用的主控芯片為INTEL 80C196MC。圖中P2.0作為80C196MC的串行輸出，P2.1作為80C196MC的串行輸入。網(wǎng)卡地線應(yīng)和主控制板的數(shù)字地即單片機(jī)的地連接。80C196MC與以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊之間采用異步通信，一幀長度為10位，包含8位數(shù)據(jù)，1位奇偶校驗(yàn)位和1位結(jié)束位。

3 軟件部分的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用基于VC++6.0的WinSock編程。套接字(SOCKET)已經(jīng)成為當(dāng)今最流行的網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用程序接口。套接字最初由加利福利亞大Berkeley分校為Unix操作系統(tǒng)開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)通信接口, 后來它又被移植到DOS與Windows 系統(tǒng),特別是近幾年互聯(lián)網(wǎng)在全世界范圍內(nèi)的廣泛普及, 進(jìn)一步奠定了它在網(wǎng)絡(luò)通信程序開發(fā)領(lǐng)域的主宰地位。

系統(tǒng)采用Client/Server模式。通過以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊的配置軟件，將該模塊設(shè)置成服務(wù)器模式，而主控計(jì)算機(jī)上的控制軟件部分為客戶端，每次啟動由主控計(jì)算機(jī)主動連接執(zhí)行機(jī)構(gòu)�？蛻舳撕头�務(wù)器采用面向連接的通信協(xié)議：控制計(jì)算機(jī)和模塊之間會建立一個(gè)虛擬連接，這個(gè)連接一旦建立，客戶端和服務(wù)器之間就可以把數(shù)據(jù)當(dāng)作一個(gè)雙向字節(jié)流進(jìn)行交換；如果連接建立不成功，則不會發(fā)送數(shù)據(jù)。另外，面向連接傳輸?shù)拿恳粋�(gè)報(bào)文都需要接收端確認(rèn)，未確認(rèn)報(bào)文被認(rèn)為是出錯(cuò)的報(bào)文。

通信過程

SOCKET有同步阻塞方式和異步非阻塞方式兩種使用，本系統(tǒng)應(yīng)用程序中創(chuàng)建了繼承于CAsyncSOCKET類的TestSOCKET類，它是一個(gè)異步非阻塞SOCKET封裝類。