基于ARM的電子負(fù)載網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)
摘要： 文中提出了一種基于ARM的電子負(fù)載網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)軟硬件的結(jié)構(gòu)，充分利用以太網(wǎng)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)靈活、可靠的通訊。本系統(tǒng)可以完成對整個電子負(fù)載系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控，彌補(bǔ)了當(dāng)前市場上電子負(fù)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(wǎng)電子負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)，對于實(shí)現(xiàn)電源設(shè)備遠(yuǎn)程自動化測試有著重要意義。
Abstract：
Key words :
隨著電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，各種電源設(shè)備被使用，而電源設(shè)備運(yùn)行可靠與否直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和準(zhǔn)確性，因此對這些電源設(shè)備的檢驗(yàn)非常重要。電子負(fù)載即針對電源系統(tǒng)中輸出電能的設(shè)備或轉(zhuǎn)換裝置，如發(fā)電機(jī)、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(jìn)行全面測試的設(shè)備。現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的電子負(fù)載存在許多不足，如只能工作在單機(jī)面板操作模式下，缺乏上位機(jī)監(jiān)控功能，數(shù)據(jù)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(jìn)行操作，無法進(jìn)行編程控制測試；沒有以太網(wǎng)絡(luò)接口，無法進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊與控制。而基于網(wǎng)絡(luò)的電子負(fù)載系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)電子負(fù)載系統(tǒng)有以下突出優(yōu)點(diǎn)：
(1)測試工作在上位機(jī)集中進(jìn)行，通過自動測試降低測試人員勞動強(qiáng)度，減少冗余人員，提高測試效率；
(2)便于及時、準(zhǔn)確、全面直觀、高效、連續(xù)地反映電源測試狀態(tài)，利于科學(xué)管理；
(3)遠(yuǎn)程監(jiān)控可長期保存大量工作數(shù)據(jù)，并以此為依據(jù)進(jìn)行科學(xué)的測試分析。
目前，傳統(tǒng)電子負(fù)載通常利用RS232，RS485或CAN等總線進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊。但這些網(wǎng)絡(luò)的有效半徑較短，并且孤立于Internet網(wǎng)絡(luò)以外，無法采用現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)現(xiàn)大范圍高效率的遠(yuǎn)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(wǎng)電子負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)，對于實(shí)現(xiàn)電源設(shè)備遠(yuǎn)程自動化測試有著重要意義。
1 監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
電子負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)是一個以ARM為核心的通訊網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。
ARM在以太網(wǎng)通訊中作為服務(wù)器端構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)上的一個節(jié)點(diǎn)，具有獨(dú)立的IP地址，上位機(jī)作為客戶端通過對不同IP地址的訪問實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)上不同節(jié)點(diǎn)的ARM服務(wù)器通訊，連接或監(jiān)控某個節(jié)點(diǎn)上的電子負(fù)載。上位機(jī)通過以太網(wǎng)發(fā)送給負(fù)載的控制命令由ARM網(wǎng)絡(luò)控制器接收，再通過ARM網(wǎng)絡(luò)控制器由RS232總線發(fā)送給電子負(fù)載。電子負(fù)載根據(jù)接收到的控制命令將被測電源的各種數(shù)據(jù)和負(fù)載工作的各個參數(shù)通過RS232總線上傳給ARM。ARM將來自負(fù)載的數(shù)據(jù)采用TCP／IP協(xié)議通過以太網(wǎng)上傳給上位機(jī)，ARM可以通過擴(kuò)張串口連接多個負(fù)載，同時通過路由器擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多個ARM系統(tǒng)并行工作，提高整個監(jiān)控系統(tǒng)的負(fù)載能力。
2 ARM網(wǎng)絡(luò)控制器硬件設(shè)計(jì)
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(nèi)核，標(biāo)稱工作頻率為400 MHz，配置一片64 MBytes Nand Flash和兩片32 MBtyes SDRAM，網(wǎng)絡(luò)芯片采用DM9000A，配置了MAX3232擴(kuò)展串口與電子負(fù)載進(jìn)行連接。結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。
3 ARM網(wǎng)絡(luò)控制器軟件設(shè)計(jì)
ARM嵌入式網(wǎng)絡(luò)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(wù)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(jī)制滿足了測控系統(tǒng)的實(shí)時性要求，同時具有類似于桌面系統(tǒng)的人機(jī)界面和應(yīng)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(nèi)核定制，二是應(yīng)用程序的開發(fā)。
3．1 Windows CE內(nèi)核定制
由于應(yīng)用環(huán)境的多樣性，需要對Windows CE系統(tǒng)做不同的內(nèi)核定制。采用微軟公司的PlatformBuilder集成開發(fā)環(huán)境，針對電子負(fù)載網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的特點(diǎn)，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(wǎng)通訊支持，ActiveSync支持(軟件調(diào)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(shù)據(jù)的存放到Flash中保存實(shí)現(xiàn)程序的自啟動，參數(shù)掉電保存等功能。
3．2 ARM端通訊軟件開發(fā)
ARM網(wǎng)絡(luò)控制器作為負(fù)載和上位機(jī)連接的橋梁，實(shí)現(xiàn)RS232總線和以太網(wǎng)的互聯(lián)完成電子負(fù)載的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能。因此，ARM端通訊軟件功能包括：與多個電子負(fù)載的串行通信；與上位機(jī)基于TCP／IP協(xié)議的通信，提供可視化界面顯示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)連接參數(shù)和狀態(tài)，用戶可以通過觸摸屏設(shè)置網(wǎng)絡(luò)連接參數(shù)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(shí)現(xiàn)RS232總線和以太網(wǎng)的通訊互聯(lián)，互聯(lián)模塊采用多線程的調(diào)用方式，保證了系統(tǒng)通訊的實(shí)時性。
通訊幀格式定義為長度26位，格式為：同步頭，負(fù)載地址，命令字，4～25 bit為相關(guān)信息內(nèi)容，校驗(yàn)碼。
(1)同步頭為AAH，占l bit；
(2)負(fù)載地址范圍為0～FE，占1 bit，確定該幀發(fā)送的目標(biāo)負(fù)載或接收源負(fù)載；
(3)命令字占1 bit，標(biāo)示了該幀的功能；
(4)4～25 bit為命令參數(shù)和反饋參數(shù)。
套接字即Socket是支持TCP／IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)通訊程序。Embedded VC++中基于TCP的Socket編程的服務(wù)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(shè)置為監(jiān)聽模式，接收上位機(jī)的請求(listen)；
(4)等待上位機(jī)請求，當(dāng)請求到來后，接受連接請求，返回一個新的對應(yīng)于此次連接的套接字accept()；
(5)用返回的套接字于上位機(jī)進(jìn)行通信(send／reev)；
(6)關(guān)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(shù)打開串口，ReadFile和WriteFile函數(shù)讀寫串口數(shù)據(jù)。
修改注冊表使ARM系統(tǒng)上電后自動運(yùn)行通訊軟件：首先進(jìn)行串口和以太網(wǎng)的初始化，對每個串口創(chuàng)建單獨(dú)的接收線程和發(fā)送線程，Socket監(jiān)聽到上位機(jī)連接后，創(chuàng)建與上位機(jī)連接的數(shù)據(jù)收發(fā)線程。當(dāng)串口的接收線程接收到數(shù)據(jù)時，觸發(fā)相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，調(diào)用Socket的發(fā)送線程把數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給ARM服務(wù)器時，Socket的接收線程觸發(fā)相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，根據(jù)幀中負(fù)載地址，調(diào)用對應(yīng)的串口發(fā)送線程向指定的目標(biāo)負(fù)載轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。工作流程，如圖3所示。
用戶界面提供了各項(xiàng)通訊參數(shù)設(shè)置，服務(wù)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(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)
上位機(jī)監(jiān)控軟件采用Delphi作為開發(fā)環(huán)境，控制電子負(fù)載在不同的工作模式下運(yùn)行如恒電流模式，恒電阻模式，恒功率模式等。依據(jù)電子負(fù)載的實(shí)時反饋數(shù)據(jù)，將整個工作過程中負(fù)載的電壓、電流、功率等參數(shù)的變化以圖像、文本等多種形式顯示和記錄，同時對負(fù)載瞬態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，計(jì)算相關(guān)的性能指標(biāo)。上位機(jī)作為監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)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(dú)的接收線程實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊，軟件工作流程，如圖5所示。
上位機(jī)在初始化過程中按照設(shè)置的IP地址和端口范圍對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行掃描，得到網(wǎng)絡(luò)中ARM服務(wù)器的運(yùn)行狀態(tài)，將可用ARM服務(wù)器IP地址和端口返回。用戶選擇可用的目標(biāo)ARM服務(wù)器完成負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對負(fù)載的監(jiān)控。上位機(jī)監(jiān)控軟件按照設(shè)定時間間隔向目標(biāo)負(fù)載發(fā)送控制命令，如狀態(tài)參數(shù)查詢命令，負(fù)載接收到命令后發(fā)送返回?cái)?shù)據(jù)，監(jiān)控軟件根據(jù)返回?cái)?shù)據(jù)得到負(fù)載當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息。
上位機(jī)監(jiān)控軟件采用多頁面，對每個負(fù)載動態(tài)生成單獨(dú)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(fù)載全局運(yùn)行狀態(tài)的顯示和全局控制功能按鈕，便于對全體負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行觀察并且完成多負(fù)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(fù)載網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)軟硬件的結(jié)構(gòu)，充分利用以太網(wǎng)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)靈活、可靠的通訊。本系統(tǒng)可以完成對整個電子負(fù)載系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控，彌補(bǔ)了當(dāng)前市場上電子負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)的不足。本系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某科研單位電源實(shí)驗(yàn)室的電源測試系統(tǒng)中，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，擴(kuò)展了監(jiān)控范圍，提高了電源測試效率。
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