??? 摘? 要： 研究了基于ARM的嵌入式遠程監控系統。系統采用S3C2410 為主控芯片并且移植了具有一定實時性、源代碼公開的嵌入式系統Linux。ARM處理器實時監控現場設備的運行，并將得到的各種監控參數進行分析、處理，然后將處理結果通過以太網傳入Internet。遠程控制者就可以實現異地監視和控制現場設備。?
??? 關鍵詞: 嵌入式技術; 套接字; Linux; 遠程監控; ARM?
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??? 隨著計算機、通信、網絡控制及嵌入式等技術的飛速發展，信息交換溝通的領域不斷擴大，覆蓋了從現場設備到控制、管理的各個層次。嵌入式系統由于其穩定性、實時性較高已在工業、國防、運輸及航天等領域被廣泛地應用。如果將嵌入式系統連接到應用廣泛的網絡上，則可以方便、低廉地將信息傳到幾乎世界的任何一個地方，從而進行遠程監控。嵌入式遠程監控系統現已成為工業控制網絡重要的發展方向之一。基于ARM的遠程監控系統[1]是信息網絡與控制結合的產物，它借助網絡完成監視控制任務，將監視范圍擴大到更大的空間，進一步推進了控制技術向網絡化、分散化和開放化的發展。?
1 遠程監控系統總體結構?
??? 遠程監控系統實質是本地和遠程端共同構成能夠實現遠程監控的軟、硬件的系統，它是信息網絡與控制網絡結合的產物，目前已成為自動化控制領域的研究熱點。根據設計的要求，本監控系統包含三部分。?
??? (1)現場設備層：包括遠程I/O控制模塊和各種現場控制器。主要完成現場數據的采集、處理并通過總線接口與上層進行通信。
??? (2) 內部控制管理層：主要由企業內部以太網、ARM主控制器組成。主要完成整個系統的信息收集和發布，并對整個系統進行統一管理和監控。?
??? (3) 網絡層：該層通過交換機、路由器連接企業各個局域網，完成信息全球發布。?
??? 系統總體結構框圖如圖1所示。?
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2? 軟硬件設計?
??? 本系統的設計包括硬件設計與軟件設計。網絡系統硬件包括系統管理主機、服務器、網關、協議轉換器、集線器及底層智能化儀表。網絡系統軟件包括網絡操作軟件、服務器操作軟件、應用軟件數據庫、通信協議、網絡管理協議等。?
2.1? 硬件設計?
2.1.1? 控制器的設計?
??? ARM控制器作為嵌入式遠程控制系統的中央控制平臺是整個監控系統的核心，在系統中起著承上啟下的作用。向上連接企業的局域網，向下兼容測控專用的現場總線網絡；同時，它還承擔對外圍系統的數據采集和控制功能。該部分的整體結構由處理器、存儲器、電源、網絡功能、測控專用網絡、模擬信號采集、數字量輸入輸出等部分構成，其基本結構如圖2所示。在這個控制系統中核心板為基于AT91RM9200的最小系統，主要包括了AT91RM9200、Flash、SDRAM、電源模塊、以太網通信端口、RS-485和RS-232通信端口、JTAG調試端口等。?
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2.1.2? 嵌入式以太網的硬件設計?
??? 該系統采用的是Realtek 公司生產的RTL8019AS以太網控制器，由于其優良的性能、低廉的價格，使其在市場上在10Mb/s網卡中占有較高的比例。?
??? RTL8019AS的性能如下：?
??? (1) 符合以太網與IEEE802.3的標準;?
??? (2) 全雙工，收發可同時達到10Mb/s的速率；?
??? (3) 內置16KB的SRAM，用于收發緩沖，降低對主處理器的速度要求；?
??? (4)支持8/16位數據總線，8個中斷申請以及16個I/O基地址選擇；?
??? (5) 支持UTP、AUI、BNC自動檢測。還支持10Base-T拓撲結構的自動極性修正；?
??? (6) 允許4個診斷LED引腳可編程輸出。?
??? 由于開發資源非常豐富，所以對RTL8019AS開發比較容易。其網絡通信部分的接口電路如圖3所示。用RTL8019AS芯片設計的以太網控制器相關電路，可以通過RJ-45連上以太網，采用跳線工作方式即網卡的I/O和中斷由跳線決定，JP引腳高電平是選擇16位數據線。系統通過4條地址線A0～A3選擇RTL8019AS的寄存器地址和存儲器地址，控制并實現數據的讀取。RTL8019AS的TPIN+(59腳)，TPIN-(58腳)腳是TP的一對輸入腳，能以10Mb/s的速率從雙絞線接收差分曼徹斯特編碼的數據。TPOUT+(45腳)、TPOUT-(46腳)是一對曼徹斯特編碼的差分TP輸出信號。為了防止雙絞線超載，該輸出信號會被提前中斷，這樣可以減少擁塞。連接器的其他管腳都通過一個電容與地連接。最后，還必須在50、51腳之間接入一個20MHz的晶體振蕩器。網卡的復位信號由ARM產生，RST為高電平有效，信號寬度至少為800ns。ARM的一個引腳產生1μs以上的高電平就可以使RTL8019AS復位。
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2.1.3 底層采集模塊設計?
??? 以總線技術為核心的工業控制系統，在底層設計時采用傳感器和各種智能儀器共同控制現場設備的正常運行。由于各種總線采用的網絡協議和通信介質各不相同，使得不同總線設備之間實現互連和互操作存在困難。這層信息參數主要包括生產裝置運行參數的測量值、控制量、開關閥門的工作位置、報警狀態、設備的資源與維護信息、系統組態、參數修改、零點與量程調整信息等，所以要協調好各種總線及控制節點間的關系，以保證系統的正常運行。具體設計如圖4所示。?
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2.2? 軟件設計?
??? 軟件總體設計包括嵌入式Linux[2-3]文件系統設計、網絡通信程序設計、驅動程序設計和遠程數據處理程序設計。?
??? 遠程數據采集終端主要完成對電壓、流量、壓力、電流等信號的采樣及A/D轉換。?
??? 網絡通信程序[4]是指上位機和下位機之間通過以太網進行通信的程序。在以太網中應用的 TCP/IP協議，其核心內容在傳輸層、網絡層和設備接口層，而這三層的功能一般是在操作系統的內核中實現的。要在以太網上正確傳輸數據，網絡協議是必不可少的，而TCP/IP協議是首選。使用完整的TCP/IP協議當然能夠實現上述要求，但由于使用了嵌入式系統，其資源有限，因此必須對協議進行精簡。?
2.2.1 驅動程序設計?
??? 以太網驅動程序[5]主要實現以太網數據包的發送和接收。這是以太網通信中最基本也最重要的，其實現的好壞直接影響整個協議的性能。驅動程序在發送數據時，將要發送的數據包按指定的格式寫入RTL8019AS并啟動發送命令，RTL8019AS會自動把數據包轉換成物理幀格式在物理通道上傳輸。在接收數據時，RTL8019AS收到物理信號后將其轉換成數據，按指定格式存放，以太網驅動程序按照網絡層可以接收的形式對接收到的數據進行處理并交付。簡言之，RTL8019AS完成數據包和電信號之間的相互轉換，而以太網驅動程序就是物理接口與網絡層交互的軟件接口。以太網驅動程序具體如下：?
??? Static int rtl8019_init (struct net_device * dev);?
??? Static int rtl8019_open (struct net_device * dev);?
??? Static int rtl8019_release (struct net_device * dev);?
??? Static int rtl8019_config (struct net_device * dev, struct?ifmap *map);?
??? Static int rtl8019_tx(struct sk_buff * dev, struct net_device *map);?
??? Int rtl8019_init_module (void);?
??? Void rtl8019_cleanup (void)；?
2.2.2? 數據處理?
??? 系統內部首先注冊RTL8019AS網絡設備，從而利用Linux為網絡設備所提供的數據傳輸功能接口，實現專用網卡的數據傳輸。數據發送時，首先數據由塊設備的數據接口從用戶態拷入核心態的系統緩沖區中，再由RTL8019AS的發送接口將數據發送到網絡硬件設備。Linux在進程調度或從系統調用返回時，調度程序判斷是否被激活，然后判斷寫隊列是否有請求塊。若有則將數據發送給對方進程，在確認信號到來后，將請求塊移去。若數據發送后響應的為重傳信號，則根據約定進一步處理。重復處理下一個請求塊直至請求隊列為空。若隊列空且有進程睡眠則喚醒睡眠進程。在接收時，通過RTL8019AS的設備接口將數據接收到系統緩沖區中，再通過塊設備接口將數據發送到用戶緩沖區中。當有數據收到時，激活中斷服務子程序，中斷服務子程序將數據讀入數據隊列，若有讀睡眠進程則喚醒該進程，同時將到來的數據進行校驗，數據正確則發回信號，否則發回重傳信號，如圖5所示。?
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??? 隨著網絡通信技術的發展，工業控制領域也迎來了深刻技術變革，控制系統結構網絡化與控制系統體系開放性將是控制系統技術發展的趨勢。近年來出現的基于ARM的嵌入式遠程監控系統作為一種全新的概念成為計算機技術與自動控制技術深度融合的產物，其高度的開放性、通用性、統一性使其相對于傳統監控模式具有巨大的優勢，其應用前景也被人們寄予厚望。?
參考文獻?
[1] 劉甜甜,連耀華. 基于ARM的嵌入式遠程監控系統[J].電子技術, 2007(4)：58-62.?
[2] 陳阿林,肖嵬,肖丹燕,等. 基于嵌入式Linux的網絡監測系統的設計與實現[J].重慶師范學院學報(自然科學版),2004,21(1)：23-25. ?
[3] 李善平. Linux與嵌入式系統[M].北京:清華大學出版社,2003.?
[4] 林宇,郭凌云. Linux網絡編程. 北京:機械工業出版社,?2000.?
[5] RUBINI A. Linux設備驅動程序[M]. 魏永明, 譯.2版.北京：中國電力出版社,2002.?