嵌入式狀態監測與故障診斷裝置的設計

1 引 言

　　傳統的狀態監測與故障診斷裝置通常采用現場總線方式，但此方式具有很大局限性：現場總線類型多樣，相互之間差異較大，不能實現互操作，彼此連接困難，系統的信息共享和實時性不盡如人意。為了更好地搭起終端設備和遠程監控系統通信的橋梁，本文提出并設計了基于工業以太網的嵌入式狀態監測與故障診斷裝置，和傳統裝置相比，它有以下優勢：實現了系統的高效、統一;用戶可以通過Internet隨時隨地監控大范圍的終端設備，取代了大量前置PC，具有更好的實時、實效性[1,2]。本裝置將現場采集到的實時數據通過以太網直接傳送到內嵌的Web服務器上，服務器生成用于遠程監測和遠程故障診斷的web頁面，用戶通過鍵入設備的IP地址，就可以隨時瀏覽到被監測設備的現場運行情況、數據采集信息以及報警信息等。

2 裝置結構與特點

　　目前，機電設備的狀態監測與故障診斷的整個系統結構如圖1所示：

圖1 嵌入式狀態監測與故障診斷系統結構

　　本文設計開發了此體系的核心裝置――嵌入式機電設備監控裝置，主要分為3個模塊：

　　（1）數據采集模塊：包括多個現場數據采集單元。主要完成現場數據的檢測、采集。

　　（2）數據存儲與處理模塊：包括嵌入式現場總線/以太網監控工控機和數據庫。它通過EtherNet/IP協議，和現場總線數據采集單元進行通信，實現靈敏檢測和數據存儲。

　　（3）在線監測模塊：包括嵌入式Web服務器和監測網站。服務器生成用于遠程監測和故障診斷的web頁面。網絡用戶可以隨時掌握現場運轉情況，使遠程監控真正實現。

　　本裝置擁有以下三個先進的特征：

　　1）應用工業以太網，使Ethernet/IP設備和現場設備能夠通信。為了實現這個功能，我們將以太網協議移植進嵌入式Linux。

　　2）通過瀏覽器支持機電設備狀態的監控。我們在嵌入式Linux中移植了BOA，設計了動態網頁實時監控機電設備。

　　3）支持大容量數據存儲，用一個黑匣子對設備的實時數據資源進行監控。通過大容量IDE總線的擴展，連接IDE系統硬盤，存儲大量數據[3]。

3 裝置的硬件設計

　　AT91RM9200是ATMEL針對系統控制及通信領域推出的基于ARM920T內核的新微型控制器。它具有獨立的16KB指令和16KB數據cache、全功能的MMU虛擬內存管理單元、16KB SRAM和128KB ROM、64MB NAND Flash 存儲器、LCD控制器、EBI接口控制器、4個32位的PIO控制器、20通道的外設數據控制器（DMA）、3個同步串行控制器（SSC）、4個通用同步/異步接收/發送器（USART）、主/從串行設備接口SPI、16路12位ADC、1通道16位DAC、多媒體卡接口（MCI）、以太網10/100 Base-T 以太網媒體訪問控制器（MAC）、觸摸屏接口、IDE接口等。

　　在處理器豐富資源的基礎上，本裝置對其進行了相關的配置和擴展，將處理器通過16路12位ADC接口對機電設備的電壓或電流信號進行采集，IDE接口外掛大容量IDE硬盤，用于存儲web、采集的數據等。通過DM9161芯片，該微處理器把EMAC接口外擴為以太網接口RJ45，與工業以太網連接[4]。AT91RM9200通過SPI接口連接CAN控制器SJA1000，CAN控制器與CAN收發器PCA82C250相連，用于連接DeviceNet。硬件結構如圖2所示：

圖2 硬件結構圖

4 裝置的軟件架構

　　軟件結構如圖3所示：

圖3 軟件架構圖

　　4.1移植工業以太網協議

　　工業以太網EtherNet/IP，是一種適用于工業環境的通訊體系，能夠在廣闊的區域中支持大量現場設備的連接。它采用通用工業協議（CIP）作為其應用層協議。CIP協議支持各種控制、配置和信息處理服務，包括顯式報文（用于信息傳輸，靈活的報文交換）以及隱式報文（用于控制和實時I/O數據的傳輸），支持輪詢、周期和狀態改變數據傳輸觸發機制，點對點單播和廣播數據傳輸方式[5,6]。OE服務的設計簡化了EtherNet/IP的移植，只需要修改操作環境文件來適合ARM Linux操作體系。

　　4.2 移植BOA

　　從

圖4 UDP Socket通信B/S架構

　　系統動態頁面如圖5所示：

圖5 狀態監測與故障診斷系統主界面

5 結束語

　　本文作者創新點：將工業以太網技術、嵌入式Web Server技術、CGI技術、動態網頁技術應用于嵌入式狀態監測與故障診斷裝置中，用戶通過URL就可以隨時查看現場設備的運行情況和報警信息，與傳統監控裝置相比，提高了監控的實時性，縮短了檢修時間，節省了檢修費用，真正實現了維修制度從事故維修、定期維修向視情維修的轉變。