基于ARM的電子負載網絡監(jiān)控系統(tǒng)
摘要： 文中提出了一種基于ARM的電子負載網絡監(jiān)控系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)軟硬件的結構，充分利用以太網的優(yōu)勢，實現靈活、可靠的通訊。本系統(tǒng)可以完成對整個電子負載系統(tǒng)的運行監(jiān)控，彌補了當前市場上電子負載監(jiān)控系統(tǒng)的不足。文中采用三星公司高性能的ARM處理器S3C2440作為核心，開發(fā)了基于以太網電子負載監(jiān)控系統(tǒng)，對于實現電源設備遠程自動化測試有著重要意義。
Abstract：
Key words :
隨著電子產品的廣泛應用，各種電源設備被使用，而電源設備運行可靠與否直接關系到系統(tǒng)運行的安全性和準確性，因此對這些電源設備的檢驗非常重要。電子負載即針對電源系統(tǒng)中輸出電能的設備或轉換裝置，如發(fā)電機、AC／DC、DC／AC變換器、蓄電池、整流器及電感、電容等部件的輸出特性、可靠性(老化放電)進行全面測試的設備?，F在廣泛應用的電子負載存在許多不足，如只能工作在單機面板操作模式下，缺乏上位機監(jiān)控功能，數據顯示缺乏圖形界面，顯示不直觀，人性化；測試過程必須全程有人員進行操作，無法進行編程控制測試；沒有以太網絡接口，無法進行遠程通訊與控制。而基于網絡的電子負載系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)電子負載系統(tǒng)有以下突出優(yōu)點：
(1)測試工作在上位機集中進行，通過自動測試降低測試人員勞動強度，減少冗余人員，提高測試效率；
(2)便于及時、準確、全面直觀、高效、連續(xù)地反映電源測試狀態(tài)，利于科學管理；
(3)遠程監(jiān)控可長期保存大量工作數據，并以此為依據進行科學的測試分析。
目前，傳統(tǒng)電子負載通常利用RS232，RS485或CAN等總線進行網絡通訊。但這些網絡的有效半徑較短，并且孤立于Internet網絡以外，無法采用現代化網絡管理實現大范圍高效率的遠程監(jiān)控。針對以上不足，文中采用三星公司高性能的ARM處理器S3C2440作為核心，開發(fā)了基于以太網電子負載監(jiān)控系統(tǒng)，對于實現電源設備遠程自動化測試有著重要意義。
1 監(jiān)控系統(tǒng)的總體結構
電子負載監(jiān)控系統(tǒng)是一個以ARM為核心的通訊網絡。系統(tǒng)結構，如圖1所示。
ARM在以太網通訊中作為服務器端構成網絡上的一個節(jié)點，具有獨立的IP地址，上位機作為客戶端通過對不同IP地址的訪問實現與網絡上不同節(jié)點的ARM服務器通訊，連接或監(jiān)控某個節(jié)點上的電子負載。上位機通過以太網發(fā)送給負載的控制命令由ARM網絡控制器接收，再通過ARM網絡控制器由RS232總線發(fā)送給電子負載。電子負載根據接收到的控制命令將被測電源的各種數據和負載工作的各個參數通過RS232總線上傳給ARM。ARM將來自負載的數據采用TCP／IP協(xié)議通過以太網上傳給上位機，ARM可以通過擴張串口連接多個負載，同時通過路由器擴展網絡，實現多個ARM系統(tǒng)并行工作，提高整個監(jiān)控系統(tǒng)的負載能力。
2 ARM網絡控制器硬件設計
ARM系統(tǒng)硬件部分采用三星公司的ARM芯片S3C2440，S3C2440基于32 bit ARM920T內核，標稱工作頻率為400 MHz，配置一片64 MBytes Nand Flash和兩片32 MBtyes SDRAM，網絡芯片采用DM9000A，配置了MAX3232擴展串口與電子負載進行連接。結構圖，如圖2所示。
3 ARM網絡控制器軟件設計
ARM嵌入式網絡控制器的操作系統(tǒng)采用WindowsCE 5．0，Windows CE 5．0是一個32位、多線程、多任務的操作系統(tǒng)，同時也是模塊型的操作系統(tǒng)，可選擇、組合和配置windows CE 5．0的模塊和組件來創(chuàng)建用戶版的操作系統(tǒng)。windows CE 5．0通過中斷嵌套與優(yōu)先級處理機制滿足了測控系統(tǒng)的實時性要求，同時具有類似于桌面系統(tǒng)的人機界面和應用程序開發(fā)工具。
在windows CE 5．0的開發(fā)中。有兩個重要的方面，一是內核定制，二是應用程序的開發(fā)。
3．1 Windows CE內核定制
由于應用環(huán)境的多樣性，需要對Windows CE系統(tǒng)做不同的內核定制。采用微軟公司的PlatformBuilder集成開發(fā)環(huán)境，針對電子負載網絡監(jiān)控的特點，添加、刪除和修改某些系統(tǒng)模塊，包括添加串口通信支持，以太網通訊支持，ActiveSync支持(軟件調試時的通信支持)等。此外，注冊表模式修改為HIVE模式，使掉電后數據的存放到Flash中保存實現程序的自啟動，參數掉電保存等功能。
3．2 ARM端通訊軟件開發(fā)
ARM網絡控制器作為負載和上位機連接的橋梁，實現RS232總線和以太網的互聯完成電子負載的遠程網絡監(jiān)控功能。因此，ARM端通訊軟件功能包括：與多個電子負載的串行通信；與上位機基于TCP／IP協(xié)議的通信，提供可視化界面顯示當前網絡連接參數和狀態(tài)，用戶可以通過觸摸屏設置網絡連接參數如波特率和IP地址等，系統(tǒng)提供連接日志供用戶查閱。其中的核心功能是實現RS232總線和以太網的通訊互聯，互聯模塊采用多線程的調用方式，保證了系統(tǒng)通訊的實時性。
通訊幀格式定義為長度26位，格式為：同步頭，負載地址，命令字，4～25 bit為相關信息內容，校驗碼。
(1)同步頭為AAH，占l bit；
(2)負載地址范圍為0～FE，占1 bit，確定該幀發(fā)送的目標負載或接收源負載；
(3)命令字占1 bit，標示了該幀的功能；
(4)4～25 bit為命令參數和反饋參數。
套接字即Socket是支持TCP／IP協(xié)議的網絡通信的基本操作單元。通過Socket編程，可以方便的訪問TCP／IP開發(fā)以太網通訊程序。Embedded VC++中基于TCP的Socket編程的服務器端程序工作流程如下：
(1)創(chuàng)建套接字Socket()；
(2)將套接字綁定到一個本地地址和端口上bind()；
(3)將套接字設置為監(jiān)聽模式，接收上位機的請求(listen)；
(4)等待上位機請求，當請求到來后，接受連接請求，返回一個新的對應于此次連接的套接字accept()；
(5)用返回的套接字于上位機進行通信(send／reev)；
(6)關閉套接字。
串口通訊在Windows CE環(huán)境下與桌面Windows環(huán)境下類似，通過CreateFile函數打開串口，ReadFile和WriteFile函數讀寫串口數據。
修改注冊表使ARM系統(tǒng)上電后自動運行通訊軟件：首先進行串口和以太網的初始化，對每個串口創(chuàng)建單獨的接收線程和發(fā)送線程，Socket監(jiān)聽到上位機連接后，創(chuàng)建與上位機連接的數據收發(fā)線程。當串口的接收線程接收到數據時，觸發(fā)相應的回調函數，調用Socket的發(fā)送線程把數據發(fā)送給上位機。當上位機發(fā)送數據給ARM服務器時，Socket的接收線程觸發(fā)相應的回調函數，根據幀中負載地址，調用對應的串口發(fā)送線程向指定的目標負載轉發(fā)數據。工作流程，如圖3所示。
用戶界面提供了各項通訊參數設置，服務器控制，系統(tǒng)連接狀態(tài)顯示，日志記錄顯示功能。使用Embedded VC++中的Remote Zoomin抓取的軟件界面，如圖4所示。
4 上位機監(jiān)控軟件設計
上位機監(jiān)控軟件采用Delphi作為開發(fā)環(huán)境，控制電子負載在不同的工作模式下運行如恒電流模式，恒電阻模式，恒功率模式等。依據電子負載的實時反饋數據，將整個工作過程中負載的電壓、電流、功率等參數的變化以圖像、文本等多種形式顯示和記錄，同時對負載瞬態(tài)運行數據進行綜合分析，計算相關的性能指標。上位機作為監(jiān)控網絡中的客戶端，采用Intelnet Direct(Indy)控件，Indy是一組開放源代碼的Internet組件，采用阻塞通訊方式，為避免通訊環(huán)節(jié)中阻塞主線程工作，所以創(chuàng)建單獨的接收線程實現網絡通訊，軟件工作流程，如圖5所示。
上位機在初始化過程中按照設置的IP地址和端口范圍對網絡進行掃描，得到網絡中ARM服務器的運行狀態(tài)，將可用ARM服務器IP地址和端口返回。用戶選擇可用的目標ARM服務器完成負載監(jiān)控系統(tǒng)的網絡連接，實現上位機對負載的監(jiān)控。上位機監(jiān)控軟件按照設定時間間隔向目標負載發(fā)送控制命令，如狀態(tài)參數查詢命令，負載接收到命令后發(fā)送返回數據，監(jiān)控軟件根據返回數據得到負載當前運行狀態(tài)信息。
上位機監(jiān)控軟件采用多頁面，對每個負載動態(tài)生成單獨的監(jiān)控界面，保證系統(tǒng)資源的有效利用。保留公共控制區(qū)域負載全局運行狀態(tài)的顯示和全局控制功能按鈕，便于對全體負載運行狀態(tài)進行觀察并且完成多負載同步操作。監(jiān)控軟件工作狀態(tài)；如圖6所示。
文中提出了一種基于ARM的電子負載網絡監(jiān)控系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)軟硬件的結構，充分利用以太網的優(yōu)勢，實現靈活、可靠的通訊。本系統(tǒng)可以完成對整個電子負載系統(tǒng)的運行監(jiān)控，彌補了當前市場上電子負載監(jiān)控系統(tǒng)的不足。本系統(tǒng)已成功應用于某科研單位電源實驗室的電源測試系統(tǒng)中，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，擴展了監(jiān)控范圍，提高了電源測試效率。
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