一种基于Ethernet接入模块的监控系统

1、一种基于Ethernet接入模块的监控系统        摘   要：介绍了所开发的Ethernet接入模块，重点论述了基于Ethernet接入模块的机动车安全性能检测线监控系统各种功能的实现。  引言随着以太网通讯速率成几何级数的增长，百兆/千兆网技术的成熟、交换机技术和全双工通信方式的发展，以太网在低网络负荷时通信响应确定，并能可*传输工业现场数据，使以太网用于工业现场具备了现实可能性。与其它现场总线相比，采用以太网的工业控制网络具有结构简单、设备成本低、传输距离远等诸多显著的优点

2、。以太网进入控制现场的关键是现场设备的嵌入式Internet技术，目前已开发出的产品主要是在现场设备的16位或32位高性能MCU上驻留TCP/IP协议栈，通过与设备上的WEB服务器交互来达到监控设备的目的。对于中小型的普通工业控制现场而言，这类产品价位偏高，并不实用。笔者开发了基于通用8位单片机的Ethernet接入模块，应用于机动车安全性能检测线现场，设计并完成了一套功能完备的机动车安全性能检测线监控系统。 监控系统结构机动车安全性能检测线监控系统如图1所示。现场各检测设备(含光电管、继电器等)通过Ethernet接入模块与监控节点、数据库服务器、WEB服务器构成总线式Ethern

3、et网络，其物理层实质上是基于交换式集线器的星形结构。图1  机动车安全性能检测线监控系统图2  Ethernet接入模块结构图 3 现场级以太网节点的通信协议 Ethernet接入模块模块结构Ethernet接入模块实质上是一个网络协议转换器，主要完成TCP/IP协议与现场总线RS-232协议的转换。模块结构如图2所示。该模块将通用的8位单片机与以太网控制芯片相结合，加上相应的外围电路而构成。可分成三个子模块：以太网控制芯片子模块，负责接收以太网帧，并把数据送给单片机处理；接收单片机发来的数据，按以太网帧格式发到以太网。单片机子模块，负责控制整个模块，从以太网控

4、制芯片子模块中将数据包读入内存，进行拆包处理，并将有关数据发向RS-232串行接口；将RS-232串行口来的数据按有关协议进行打包，送以太网控制芯片子模块发至以太网上。扩展子模块，单片机外围扩展了程序和数据存储器，满足程序和数据的存储需要。为模块开发的软件主要有：模块初始化程序、以太网控制器驱动程序、TCP/IP协议栈程序、系统网络配置程序等。模块初始化程序用于设置单片机工作模式及外围芯片选择字；以太网控制器驱动程序用于设置以太网控制芯片的工作状态及工作方式，配置收发数据的缓冲区；TCP/IP协议栈程序实现ARP、IP、UDP协议；系统网络配置程序用于给监测系统分配IP地址及域名。TCP/IP

5、协议“剪裁” 用于现场级的以太网TCP/IP协议如图3所示。受8位单片机自身结构和功能的限制，从实用、够用角度出发，该模块对嵌入单片机的TCP/IP协议栈进行了“瘦身”处理，对TCP/IP进行“剪裁”，主要保留数据传输的基本功能。由于机动车安全性能检测线负责监控的站点相对固定，线上测控数据量非常小(一次数据传送量一般不超过100Byte)，“剪裁”的方案是：在链路层，单片机维护一个静态的IP地址与MAC地址的映射表，取消RARP，实现的ARP也仅响应网络ARP请求，发送ARP回答包。请求者广播出包含ARP请求的以太网帧(帧类型为0X0806)，目的以太网地址为全的广播地址，本模块收到后，发送一

6、个包含自身MAC地址的ARP回答，以使以太网上PC主机建立和维护IP地址和MAC地址的映射表；在网络层，取消ICMP协议，在处理IP报头时，不考虑数据分片和优先权问题，在服务类型和标志偏移域全部填“0”，在“协议”域填“17”，程序仅对头核校和和上层是否是UDP协议进行判断； 在传输层，选择基于无连接的UDP，而不用TCP。TCP虽然是基于连接的可*性传输协议，但开销大，对汽车安全性能检测线监控网络而言，通过采用超时重发、应用层端口判断、校验值检查等措施，可以有效解决UDP的无连接和不可*问题。“剪裁”后的TCP/IP协议栈程序只有8KB大小，既适应了单片机的存储结构，也完全满足现场单片机通讯

7、需求。模块工作流程模块上电、初始化后，单片机采用查询方式判断以太网控制芯片中是否收到数据包，若有就读入内存，拆包，若是ARP包，则进行ARP响应；若是UDP包，拆包，检查应用层端口、检验值，判断应用层数据是否为I/O操作命令，是则执行I/O操作命令，其中读I/O端口的数据要打包发往网络；若不是I/O操作命令，将应用层数据从TXD口送出。采用中断方式接收RXD口来的数据，打包送以太网。UDP数据包在网络中采用超时重发、出错重发机制，保证模块与控制节点间按流程进行通信。 监控实现节点通信实现远程监控实现由于采用以太网技术给每个现场模块设定IP地址，使其在网络上具有了唯一性的节点，对其的访问也就变得比其他总线形式更加简单，主机只需要根据Socket编写通用的访问网络节点的程序，Ethernet接入模块均可按照UDP协议进行识别和处理，使得程序结构简化。安全控制措施监控系统在检测线内网加装测毒、杀毒软件，内网与外网之间构筑防火墙，采用包过滤、应用网关技术和身份认证技术，防止非授权的外网用户访问内网数据或操作控制现场检测设备。 结语 参考文献：1.