摘 要：針對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的現(xiàn)狀，提出一種新的基于工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集方案，在工業(yè)過程控制中實(shí)現(xiàn)基于Socket套接字的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。介紹了Socket 套接字的基本概念和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的最新發(fā)展，采用基于Rabbit2000高性能單片機(jī)擴(kuò)展的帶有以太網(wǎng)通信接口的核心模塊BL2100及其所時(shí)應(yīng)的 Dynamic C開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了基于Socket套接字的工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信，并且給出了比較詳細(xì)的流程。系統(tǒng)已經(jīng)有數(shù)十套成功地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，滿足了工業(yè)數(shù)據(jù)通信要求的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。
關(guān)鍵詞：工業(yè)數(shù)據(jù)通信; Socket; 工業(yè)以太網(wǎng)
1 引言
工業(yè)過程控制中需要測(cè)量和控制的變量很多，以往基于PC機(jī)外接的數(shù)據(jù)采集卡，采集的點(diǎn)數(shù)有限，而且要直接和PC機(jī)的串口或者并口相連，極大限制了PC 機(jī)資源的充分利用。工業(yè)以太網(wǎng)的出現(xiàn)為構(gòu)成開放式的模塊化的數(shù)據(jù)采集奠定了基礎(chǔ)，本項(xiàng)目開發(fā)一個(gè)基于工業(yè)以太網(wǎng)的嵌入式智能模塊的開放式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)，它不但應(yīng)用于商用網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)在近年來大舉進(jìn)軍工業(yè)控制領(lǐng)域，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。以太網(wǎng)最初得到應(yīng)用時(shí)，它采用帶有沖突檢測(cè)的多路載波偵聽協(xié)議（CSMA/CD）和二進(jìn)制指數(shù)回退算法[1]。在這種協(xié)議和算法下，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)繁忙時(shí)，它的非實(shí)時(shí)性和不確定性大大增加。因此，以太網(wǎng)在很長(zhǎng)的一段時(shí)間只能用于對(duì)實(shí)時(shí)性和確定性要求不是很高的辦公網(wǎng)絡(luò)，它在工業(yè)數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域的應(yīng)用受到很大限制。隨著交換技術(shù)和全雙工數(shù)據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)大大提高了在數(shù)據(jù)通信中的實(shí)時(shí)性和確定性，而且在許多工業(yè)領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。
2 以太網(wǎng)用于工業(yè)數(shù)據(jù)通信的技術(shù)基礎(chǔ)
以太網(wǎng)的交換技術(shù)和全雙工通信技術(shù)的支持。以太網(wǎng)的交換技術(shù)由原先的端對(duì)端的網(wǎng)橋連接發(fā)展到了現(xiàn)在的以太網(wǎng)交換機(jī)。在數(shù)據(jù)發(fā)送的過程中，目前廣泛應(yīng)用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，先把輸入端口的數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)起來，然后進(jìn)行CRC檢查，在對(duì)錯(cuò)誤包處理后才取出數(shù)據(jù)包的目的地址，通過查找表轉(zhuǎn)換成輸出端口送出包[2]。正因如此，存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)發(fā)方式在數(shù)據(jù)處理時(shí)延時(shí)大，這是它的不足，但它可以對(duì)進(jìn)入交換機(jī)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)，尤其重要的是它可以支持不同速度的輸入輸出端口間的轉(zhuǎn)換，保持高速端口與低速端口間的協(xié)同工作。
全雙工（Full-Duplex）技術(shù)也是隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展而被廣泛地用于以太網(wǎng)交換機(jī)的?，F(xiàn)在各大廠家都有基于IEEE802.3X全雙工通信協(xié)議的機(jī)型，這種交換機(jī)集成了目前以太網(wǎng)技術(shù)的最新成果。有了交換技術(shù)和全雙工技術(shù)的支持，以太網(wǎng)的不確定性和實(shí)時(shí)性差的確定得到很大的改觀，在工業(yè)數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域得到了眾多廠商的認(rèn)可。
網(wǎng)絡(luò)單片機(jī)的發(fā)展和相對(duì)應(yīng)的軟件開發(fā)環(huán)境隨著以太網(wǎng)通信技術(shù)的進(jìn)步，各大廠商紛紛推出基于嵌入式以太網(wǎng)的處理器，本系統(tǒng)所用的Rabbit2000就是其中的一種。Z-World公司推出的BL2100核心模塊使用了Rabbit2000處理器，它是專門應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域的以太網(wǎng)通信智能模塊，支持各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（如TCP，HTTP，F(xiàn)TP，SMTP，PPP等），開發(fā)過程中使用的是基于TCP/IP協(xié)議的Socket編程系統(tǒng)[3]。對(duì)應(yīng)于硬件配置，Z-World公司提供了相應(yīng)的軟件開發(fā)環(huán)境，即Dynamic C語言，它去掉了普通C語言中不符合實(shí)時(shí)性要求的部分，加入了適用于實(shí)時(shí)控制的功能，提供了眾多功能豐富的函數(shù)庫(kù)，包括數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)、I/O函數(shù)庫(kù)、串口通信函數(shù)庫(kù)、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)輸出函數(shù)庫(kù)，還有基于各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信所需要的函數(shù)庫(kù)[4]。BL2100在系統(tǒng)編程（ISP），程序開發(fā)調(diào)試方面非常方便。
3 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最上層為PC監(jiān)控機(jī)，中間層為網(wǎng)絡(luò)通信模塊BL2100，現(xiàn)場(chǎng)層為MSP430智能控制節(jié)點(diǎn)。
PC機(jī)和BL2100之間的通信是基于工業(yè)以太網(wǎng)，BL2100和MSP430之間的通信是用RS-485總線來實(shí)現(xiàn)的。
監(jiān)控PC機(jī)采用組態(tài)軟件開發(fā)出相應(yīng)的監(jiān)控界面，可以實(shí)現(xiàn)多種多樣的數(shù)據(jù)處理功能，包括歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示、報(bào)警信息輸出等。同時(shí)操作人員根據(jù)不同的控制要求可以發(fā)出不同的控制命令。BL2100網(wǎng)絡(luò)模塊帶有工業(yè)以太網(wǎng)接口和RS-485接口，多個(gè)網(wǎng)絡(luò)模塊可以通過以太網(wǎng)交換機(jī)來連接PC監(jiān)控機(jī)，在局域網(wǎng)內(nèi)可以充分利用豐富的IP地址資源而不受外網(wǎng)的限制，適合于工廠內(nèi)部環(huán)境。MSP430智能節(jié)點(diǎn)主要作用是接收采集命令，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，通過RS-485總線傳給BL2100。根據(jù)不同的硬件配置，可以在每條總線上掛接多達(dá)128個(gè)MSP430智能節(jié)點(diǎn)。BL2100一方面通過RS- 485和MSP430進(jìn)行數(shù)據(jù)通信獲得各個(gè)節(jié)點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)，另一方面把數(shù)據(jù)處理打包以Socket套接字通信的方式發(fā)送給PC監(jiān)控機(jī)。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)示意圖
4 系統(tǒng)軟件開發(fā)
網(wǎng)絡(luò)模塊程序總體框圖如圖2所示。
圖2 網(wǎng)絡(luò)模塊程序總體框圖
網(wǎng)絡(luò)模塊BL2100運(yùn)行過程中，程序首先進(jìn)行必要的硬件初始化，然后接收PC監(jiān)控機(jī)發(fā)送的命令，確定系統(tǒng)各個(gè)采樣通道的配置，包括采樣周期、濾波參數(shù)設(shè)置等，然后通過RS-485總線發(fā)出命令，MSP430接到命令進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集完畢發(fā)送給BL2100，再通過工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)送給PC機(jī)。
在本系統(tǒng)使用的Dynamic C語言開發(fā)環(huán)境中，提供了基于TCP/IP協(xié)議的Socket網(wǎng)絡(luò)通信編程所需的全部庫(kù)函數(shù)。Socket通信首先要?jiǎng)?chuàng)建套接字，其次給套接字賦予地址信息，再建立Socket連接，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。通訊過程中還要有網(wǎng)絡(luò)狀況偵聽功能和網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤處理子程序。本系統(tǒng)的通信有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)兩部分信息流，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括采樣得到的數(shù)據(jù)流，非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)主要是各種各樣的采樣控制參數(shù)流。數(shù)據(jù)通信以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流為主兼之以非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，程序設(shè)計(jì)按照Server/Client的形式，網(wǎng)絡(luò)模塊BL2100為服務(wù)器，PC機(jī)為客戶機(jī)。下面以運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)模塊上的數(shù)據(jù)發(fā)送程序來說明 Socket通信設(shè)計(jì)的主要流程：
首先定義Socket套接字，它是基于TCP協(xié)議的，必須包含一個(gè)完整的TCP連接所需要的全部信息。但是它還不是一個(gè)具體的針對(duì)某一連接的，只是一個(gè)定義;其次初始化Socket套接字開發(fā)環(huán)境，主要是在Dynamic C語言的編譯環(huán)境中聲明，獲得開發(fā)環(huán)境的支持。該函數(shù)載入Rabbit2000 關(guān)于TCP，Socket的相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序，它必須在所有的TCP，Socket相關(guān)函數(shù)調(diào)用之前調(diào)用;最后調(diào)用發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的子程序，在這里面要具體的創(chuàng)建套接字，建立、連接、發(fā)送數(shù)據(jù)。
子程序的部分源碼如下：
Void RealTimeDataSend（tcp_Socket＊ sock, long ＊buff, int＊ state,word my_port）
?。鹲witch（＊ state）
Case 0:
if（tcp_open（…）!=0）//偵聽網(wǎng)絡(luò)建立連接
printf（“Connect success”）;
else
sock_tick（…）;//套接字管理，完畢后轉(zhuǎn)往sock_err（）函數(shù)
timer_2=MS_TIMER;//定時(shí)器
?。ǎ猻tate）++;
break;
Case 1:
if（sock_established（sock））//建立本連接的套接字
?。?/建立套接字成功
＊state=2;
……
Printf（“Socket success establish!!!”）;
?。?/p>
else if（MS_TIMER-time_2>OUT_TIME）
｛//超時(shí)處理
＊state=3;
……
?。?/p>
Case 2://發(fā)送數(shù)據(jù)
if（send_start=0）//是第一次發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送全部的實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)參變量
?。鹲ock_fastwrite（buff）;//往發(fā)送緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)
send_start=1;
?。?/p>
else if（send_start=1）
?。?/只發(fā)送實(shí)時(shí)變量
sock_fastwrite（buff）;
?。猻tate=2;
break;
……
｝
Case3:
sock_abort（sock）;//關(guān)閉套接字
break;
……
sock_err（…）;//套接字錯(cuò)誤處理
?。?/p>
以上介紹的是網(wǎng)絡(luò)模塊向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的流程。但是這只是單方向的數(shù)據(jù)流動(dòng)，如上所述，現(xiàn)在的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)支持全雙工的通信，即數(shù)據(jù)的雙向流動(dòng)可以完美地實(shí)現(xiàn)，基于此，現(xiàn)場(chǎng)的智能節(jié)點(diǎn)在不斷向PC機(jī)發(fā)送采集數(shù)據(jù)的同時(shí)也可以隨時(shí)接受來自PC機(jī)的控制信息及其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)流。本文設(shè)計(jì)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)接收子程序。函數(shù)定義如下：
UnRealTimeDataReceive （tcp_Socket ＊sock, long ＊buff, int ＊state, word my port）
｛……
Case2:
sock_fastread（buff）;//從接收緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)
……
｝
參數(shù)的定義和接收子程序相比，只有在＊state等于2時(shí)有所不同，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)模塊接收數(shù)據(jù)，它根據(jù)緩沖區(qū)第一個(gè)數(shù)據(jù)獲得所要接收的參數(shù)的索引號(hào)，將緩沖區(qū)第二個(gè)數(shù)據(jù)賦給具體的參數(shù)變量。還有一點(diǎn)要說明的是，工作人員進(jìn)行監(jiān)控操作，這個(gè)過程不是實(shí)時(shí)進(jìn)行的，帶有很強(qiáng)的隨機(jī)性。因此控制信息流不是實(shí)時(shí)存在的，而是隨機(jī)的，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)模塊會(huì)不斷地偵聽網(wǎng)絡(luò)來查看有沒有對(duì)應(yīng)本模塊的數(shù)據(jù)包，如果有則進(jìn)入接收子程序。
5 結(jié)束語
本文結(jié)合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)討論了工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用，介紹了在Dynamic C環(huán)境下基于TCP協(xié)議的Socket網(wǎng)絡(luò)編程。本系統(tǒng)開發(fā)以后，用于一套皮革噴漆自動(dòng)控制系統(tǒng)中，得到了成功的應(yīng)用。實(shí)踐證明，基于工業(yè)以太網(wǎng)的通信運(yùn)行很穩(wěn)定，延遲很小，在一臺(tái)PC監(jiān)控機(jī)同時(shí)和多臺(tái)皮革噴漆系統(tǒng)連接工作的情況下，運(yùn)行同樣穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性和確定性都得到了有效的保證?？梢灶A(yù)見，工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用必將日益廣泛，基于TGP/IP協(xié)議的Socket套接字通信方式作為實(shí)現(xiàn)的方法簡(jiǎn)單實(shí)用穩(wěn)定，已經(jīng)獲得了大多數(shù)工業(yè)監(jiān)控開發(fā)軟件的支持。目前集管理和控制于一體的工業(yè)生產(chǎn)過程計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)（CIPS）正在快速地發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)使CIPS進(jìn)人工廠企業(yè)的步伐大大加快，這極大地促進(jìn)制造業(yè)的信息化進(jìn)程。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：針對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的現(xiàn)狀，提出一種新的基于工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集方案，采用基于Rabbit2000高性能單片機(jī)擴(kuò)展的帶有以太網(wǎng)通信接口的核心模塊BL2100及其所時(shí)應(yīng)的Dynamic C開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了基于Socket套接字的工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信，并成功地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，滿足了工業(yè)數(shù)據(jù)通信要求的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。
