基于Rabbit2000的嵌入式网络智能测控系统

1 引言

Internet技术的飞速进展，使得基于分组交换技术的通信性能、通信质量和可靠性得到稳步提高，基于8位、16位单片机的嵌入式设备(如仪器仪表、数据采集和显示、过程控制、工业自动化等)的实时应用，测控系统正在走向网络智能化^[1]。这就要求企业从现场控制层到管理层能实现全方位的无缝信息集成, 实现远程维护、智能诊断以及远程管理功能^[2], 提供一个开放的基础构架，并具有高可靠性、分散控制、集中监视和管理的功能。

Z-World^[3]公司以Rabbit2000微处理器为核心研制了一系列嵌入式系统模块，使用这些模块能够实现对集成了网络的嵌入式系统进行快速开发。本系统以Rabbit2000微处理器为核心，采用模块化和智能式的分布技术设计嵌入式网络智能测控系统。

2 Rabbit2000的性能特点

Rabbit2000是Rabbit半导体公司为嵌入式环境设计的高性能低价位的8位微处理器，以其C语言友好指令集和快速数字处理功能而受到瞩目。它和Z80系列微处理器有相似的结构和高度的兼容性，但性能有很大的提高。具有多达40个通用I/O引脚。内建日历、时钟、看门狗、定时器、多级中断、双DMA通道，可外扩4~8MB Flash，用于数据存储。对于8位总线的微处理器，Rabbit具有很高的计算速度，这对于实时操作系统是极为重要的。对于Rabbit2000，传统的微处理器硬件和软件的开发已被简化，不再需要在线仿真。用1根接口电缆把PC串行口和基于Rabbit2000的目标系统连接起来就可实现软件的开发。Rabbit2000具有4个串行端口，具有很强的组网通信能力。它能精确地产生脉冲和边沿，可实现多优先级中断。处理器速度和功耗在程序控制之下，在处理器持续执行指令的时候，能使用超低功耗模式实现计算和执行逻辑检测，为实现低功耗设计提供了方便。

Rabbit 2000芯片上外设包括5个8位并行I/O端口、4个串行端口、1个子端口、5个8位定时器、1个10位定时器、精确脉冲发生硬件和电池支持的RTC。其串口可采用同步或异步传输方式，采用29.4912MHz的系统频率，异步传输速率最高可达91.6kbps。

Rabbit2000以Z-World’s公司的C语言开发系统Dynamic C^[4]编译器为其开发工具。其特点是有1个交互式编译程序、编辑程序和调试程序，通过1个10线的简单接口可实现EPROM编程和在线仿真。此外，Rabbit2000可以运行流行的Internet协议栈，如HTTP、SMTP、POP3、TCP、UDP、ICMP、IP等，还可以在外接一个以太网控制芯片RTL8019的情况下，实现Ethernet (IEEE802.3)协议处理，使该系统可以直接通过RJ-45连到以太网上。

3 嵌入式网络智能测控系统设计

3.1 测控设备硬件结构

对于所要实现的嵌入式系统，系统硬件设计是围绕Rabbit 2000微处理器来进行的，包括存储器、处理器、振荡晶体、标准编程口、以太网接口、串行接口（RS232、RS485）、数字量I/O（DI/DO）接口、模拟量I/O（AI/AO）接口、扩展接口，在一些情况下还要包括功率控制器和系统供电设计，具体应用时可根据不同的应用要求对各种功能模块进行适当增减。图1为硬件实现框图。

图1 网络智能测控装置（MCD）

3.2 实现方案

图1所示的测控装置可实现多种监测和控制功能，并通过以太网接口（RJ-45接口）连到Hub后由路由器接入Internet构成网络智能测控系统。如图2所示。

图2 网络智能测控系统

本系统中，每台主机和测控装置（MCD）都有自己独立的IP地址，互相之间可进行通信，远程主机（Remote PC）可通过拨号连接(图中所示就是这种情况)或通过以太网网关接入Internet来访问测控装置，使用其提供的服务或对其进行系统编程和远程启动。测控装置具有一般单片机系统的所有测控能力，并且可根据需要提供各种网络服务，包括：作为一台简单的Web服务器，提供简单的网页供外部主机访问，提供可被远程主机修改的表格资料；提供文件传输服务（FTP），可作为FTP客户端或服务器；提供SMTP（简单邮件传输协议）服务，自动或定时向指定的电子邮箱发送E-mail，以传递系统的实时数据或报警信息；提供远程登录（TELNET）服务以及其他的Internet服务。

3.3 工作过程

图2中测控装置的主要任务是与探测器通信，以获取现场信息并对信息进行集中处理后， Rabbit2000的串行口将这些信息传至PC，或由PC来查询。PC机在获取测控装置上的报警信息后，按一定的协议格式对报警信息进行包装，并将之传送到远程PC上，这样形成一个星形的网络结构，以此构成测控信息的局域网

系统有两种类型的网络节点：一种是与PC进行通信的节点；另一种是测控装置与探测器进行通信的探测器节点。传输协议采用规范化数据结构，设有BBC校验位，且采用软件容错技术。管理软件设有容错陷阱，有效地消除随机干扰引起的死机或误报现象。主机为PC机，其网络ID号为0，每个测控装置都有1个唯一的大于0的ID号。PC与测控装置通信采用标准的协议格式，它所发出的信息帧中携有目的控制器的ID号。如果目的控制器的ID号为0，则为广播信息，否则只有和目的控制器的ID号相同的控制器才接收该帧并对帧格式和CRC检验和进行判断。在紧急报警时，探测器的报警信息中携有地址编号和时间信息，而在自动故障报警时，报警信息由故障地址编号和故障等级信息组成。控制器有2种运行模式：模式A是双向运行，收到报警信息时立即将该信息转发给PC机；模式B是单向运行，收到报警信息后首先在控制器的数据库中保存该条信息。当PC机来查询火警信息时才发送给PC机。

PC机由后台的基于Winsock的网络程序将报警信息发往外部网络。在Rabbit2000的协议栈中，对TCP/IP的实现是通过Dynamic C提供的TCP/IP应用程序接口来实现的：

#define MY-GATEWAY “202.196.187.1” //网关

#define MY-IP-ADDRESS “202.196.187.28” //IP地址

#define MY-NETMASK “255.255.255.0” //子网掩码

#memmap xmem //代码存储在扩展存储区

#use “dcritcp.lib” //数据库

Sock_init() //TCP连接初始化

tcp_reserveport(MY_PORT) //TCP连接保持

tcp_open(socket,0,ip,PORT,NULL) //主机建立会话

tcp_listen(socket,MY_PORT,0,0,NULL,0) //监听端口

sock_established(socket) //建立TCP连接

sock_dataready(socket) //取得等待输出的字符数

sock_gets(socket,buffer,len) //从套接字中读取字符串

sock_twrites(socket,buffer,len) //向套接字中写入字符串

sock_close(socket) //连接断开

图3 系统程序执行过程图

系统的工作过程如图3。

通过安装在上位机中的Web浏览器，在客户端的浏览器中输入现场设备的IP地址（202.196.187.28），即可获得对现场设备的访问权，可直接访问接入工业以太网的现场设备，获得监测数据，如图4所示。

图4 监控页面

4结论

随着以太网技术的不断发展，嵌入式系统与以太网相结合应用于工业控制领域是一种发展趋势。Rabbit2000微处理器在同类8位微处理器中具有功能强、成本低、速度快等特点，同时提供了一套嵌入式开发工具以及网络支持的Dynamic C，使得网络功能开发简便、快捷，也证明了将嵌入式系统和以太网应用于工业控制的可行性和实用性。

本系统的应用较广：

1）智能大厦。随着计算机的普及应用以及网络和自动化技术的发展，大厦内所有公共设备都将采用嵌人式智能测控系统来提高服务能力。

2）工业自动化。工业现场应用了大量的8、16、32位嵌入式微控制器，其网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源的主要途径，在工业过程控制、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工等系统中具有广阔的应用前景。

3）智能仪器。根据不同要求，只需对软硬件做部分修改，简化系统，大大地提高了开发效率，具有广阔的应用空间。

4）矿井智能监测。能解决矿山网络传输中有关安全信息数据的采集问题，应用前景广阔。

本文作者创新点：1. 64路开关量输入、8路模拟量输入及16路开关量输出，反映敏捷；2.输入、输出全部电气隔离、具有声光报警的功能；3. 控制器有2种运行模式：双向运行和单向运行，保证信息传递的目的性；4. 支持Dynamic C，支持多任务，可以满足各种复杂控制、运算的要求及远程在线编程、维护；5. 与同类产品相比，具有功能齐全，性能可靠，使用方便等特点。

参考文献

[1]俞新祥，翁一武.基于Internet 的分布式供能远程监控系统[J].微计算机信息,2006,7-1:4-6

[2]鲍吉龙，叶平.工业监控系统的网络化发展[J].微计算机信息,2006,6-1:66-68

[3]Z-World.Rabbit2000 Microprocessor User’s Manual.1999.

[4]Z-World. Dynamic C Premier for Rabbit Semiconductor Microprocessors(Integrated C Development System User’s Manua1)[Z].1999