基于PROFINET現(xiàn)場總線技術實現(xiàn)NetX片上系統(tǒng)采集系統(tǒng)的設計

隨著網絡信息技術、工業(yè)控制的不斷發(fā)展，遠程監(jiān)控應用領域不斷拓寬，特別是實現(xiàn)現(xiàn)場控制嵌入式智能設備的通信和配置診斷，通過這些智能設備所提供的通信接口直接利用Internet將其接入集中監(jiān)控管理系統(tǒng)，采用Web Sever訪問技術，在遠程實時獲取設備運行的各種參數(shù)和實時數(shù)據(jù)，發(fā)送遙控命令，配置參數(shù)，獲取設備的報警信息和運行狀態(tài)等方面，具有深刻的現(xiàn)實意義和長遠意義。PROFINET是一種最新的實時工業(yè)以太網協(xié)議，可以提供辦公室和自動化領域的開放、一致連接，是實現(xiàn)工業(yè)實時以太網通信的主流技術之一。德國赫優(yōu)訊NetX中包含EtherCAT，CANopen，Modbus，PROFINET等現(xiàn)場總線協(xié)議，是一種高度集成的網絡控制器，具有全新的系統(tǒng)優(yōu)化結構，適合工業(yè)通信及大規(guī)模數(shù)據(jù)吞吐；研究基于NetX片上系統(tǒng)（NetX Soc）實現(xiàn)PROFINET實時以太網接入、本地數(shù)據(jù)快速處理、數(shù)據(jù)存貯技術及基于Web Server的遠程數(shù)據(jù)訪問，以便為一些工業(yè)實時通信控制提供良好的解決策略。

1 系統(tǒng)結構

圖1為分布式遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網絡結構，包括多個與主站掛接的NXIO（赫優(yōu)訊實時以太網從站IO測試板），通過PROFINET實時以太網把若干個嵌入式控制器與主站監(jiān)控計算機連接，然后再將主站監(jiān)控計算機接入Internet，監(jiān)控計算機將數(shù)據(jù)實時發(fā)送到數(shù)據(jù)庫服務器，同時將采集到的從站數(shù)據(jù)和監(jiān)控信息可以發(fā)布出去。另外，主站監(jiān)控計算機還可以通過RS-232總線與NXIO從站實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制處理。采用該方式，用戶無論在多遠，只要能夠連接到Internet，就可以通過Internet網絡訪問所有控制設備的實時和歷史數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)庫服務器用來存儲采集到的從站數(shù)據(jù)及相關的配置數(shù)據(jù)，供主站監(jiān)控計算機運行時讀取和寫入并設置其自身的工作狀態(tài)。管理員可通過瀏覽器訪問和修改數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)。Web應用程序服務器實現(xiàn)數(shù)據(jù)在網絡上的發(fā)布，接受在Internet上的任一用戶查詢?yōu)g覽，并允許授權用戶更改監(jiān)控主站計算機工作參數(shù)，存儲在數(shù)據(jù)庫服務器上。有用戶請求時，Web應用程序服務器通過Internet從數(shù)據(jù)庫服務器中讀取用戶請求數(shù)據(jù)，再通過Internet網絡把這些數(shù)據(jù)發(fā)送到請求數(shù)據(jù)用戶，用戶的一些參數(shù)設置信息保存到數(shù)據(jù)庫服務器上，或通過NetX主站將配置信息下達到NXIO從站。

2 NetX SoC主從站間數(shù)據(jù)通信設計

2．1 系統(tǒng)設計思路及程序部署

利用赫優(yōu)訊cifX實時以太網主站板卡、赫優(yōu)訊實時以太網從站IO測試板NXIO，搭建PROFINET實時以太網通信平臺，實現(xiàn)主從站PROFINET網絡通信及相應通信程序設計。圖2描述了主從站間基于PROFINET和RS232通信的主從站的控制程序、NXIO從站基于rcX嵌入式系統(tǒng)下的實時控制任務程序、數(shù)據(jù)存儲及Web方式下的數(shù)據(jù)訪問程序的部署。

2．2 系統(tǒng)程序主要功能描述

1）主站Web Server界面控制顯示程序：由ASP．Net設計的主站Web Server界面程序，監(jiān)控從站按鈕、指示燈狀態(tài)，同時實現(xiàn)主從站通信參數(shù)配置，并實現(xiàn)與主站通信程序的數(shù)據(jù)交互。

2）主站數(shù)據(jù)通信程序：SYCON．NET系統(tǒng)配置軟件實現(xiàn)對卡驅動、網絡診斷并實現(xiàn)主從站PROFINET通信，另外，采用C#串口通信類事件驅動完成基于RS232通信下對從站串口通信的配置和數(shù)據(jù)交互。

3）從站循環(huán)掃描控制IO程序：基于reX實時操作系統(tǒng)，通過調用板級支持包中的系統(tǒng)函數(shù)實現(xiàn)IO控制。

4）從站數(shù)據(jù)通信程序：基于BSP、串口通信協(xié)議和PROFINET IO協(xié)議棧實現(xiàn)與主站的通信。

5）從站間多任務數(shù)據(jù)交互：從站控制作業(yè)如LED控制任務與通信任務采用信號量通信的方式獲得共享內存區(qū)（ARM數(shù)據(jù)POOL）的訪問權限，實現(xiàn)任務間的數(shù)據(jù)交互。

3 NetX SoC主從站數(shù)據(jù)通信及Web訪問設計

3．1 主從站通信配置

SYCON．NET是基于現(xiàn)場設備工具（FDT）／設備類型管理器（DTM）技術的配置工具。FDT不依賴通信協(xié)議及主機系統(tǒng)或現(xiàn)場設備的軟件環(huán)境，它具有標準的接口規(guī)范，對智能儀表實現(xiàn)綜合集成；DTlM可以實現(xiàn)設備的驅動、設置及通信，在FDT下運行。采用FDT／DTM可提高系統(tǒng)對現(xiàn)場設備進行診斷和維護的能力，實現(xiàn)快速響應，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。如圖3所示，SYCON.NET配置工具可以實現(xiàn)PROFINET IO網絡配置、連接、診斷和相關NXD配置文件的導出。方式是在SYCON．NET配置工具中，在右側Hilscher GmbH列表中選擇Master文件夾中的NetX500 PNM模塊拖到左側網絡線上。同樣的方法可以將NXIO從站加入到左側主站網絡線上，并利用DTM配置相應的主從站。對于其他廠家的從站設備，需要加入設備的GSD文件。

3．2 主站通信設計

主站通信利用C-Toolkit配置cifX卡，包括初始化、內存操作、字符操作、事件處理、文件處理、同步定時、PLC的配置讀寫等，如圖4所示。Visual Studio．NET平臺下，采用C#（C-sharp）結合C-Toolkit下提供的關于cifX卡固件加載的Lab文件、API函數(shù)及通信授權協(xié)議實現(xiàn)主站通信程序的設計，包括從站數(shù)據(jù)并入庫、向從站發(fā)送相關的配置信息等。圖5是串口通信類事件驅動完成對NXIO從站串口通信的配置，以及通過RS-232實現(xiàn)控制從站IO接口的開關及LED狀態(tài)顯示，同時程序包含Socket類實現(xiàn)接受Web下發(fā)的從站配置和控制信息。

主站通信網絡程序中定義Socket類，用于監(jiān)聽Web頁面上客戶端發(fā)送的配置信息。如下是主站Socket通信部分代碼：

3．3 Web控制及配置程序設計

基于VisualStudio．Net開發(fā)平臺，實現(xiàn)Web Server服務器對Slave Device NXIO的串口配置及LED燈的監(jiān)控。圖6是二號從站LED燈控制的一個測試界面。Web頁面封裝一個含有Socket的ActiveX控件：用于與服務器端的Socket通信，當配置從站信息和接受從站采集信息，觸發(fā)事件并實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。Web方式不適合實時監(jiān)控數(shù)據(jù)的實時查詢顯示，可用Web頁面刷新方式查詢各個監(jiān)控點的數(shù)據(jù)狀態(tài)。如每兩秒刷新一次監(jiān)控頁面，則可在HTML文件中加入代碼：《meta http-equiv=“refresh”content=“2”》。

4 NetX SoC從站系統(tǒng)技術研究

4．1 嵌入式NetX硬件平臺的通信設計

NetX嵌入系統(tǒng)用戶程序包括實時通信和控制程序。在rcX嵌入式下進行實時通信程序和控制程序設計，實時多任務操作系統(tǒng)中依據(jù)時間片和中斷進行任務調度。圖7為NXIO從站軟件系統(tǒng)架構。實時通信程序和控制程序可通過雙端口內存（DPM）交換數(shù)據(jù)，相對獨立；實時通信程序采用消息通信機制時，利用接收發(fā)送標志位可提高通信數(shù)據(jù)的完整性。

4．2 NetX從站程序設計及實現(xiàn)

從站控制程序是基于rcX實時操作系統(tǒng)，通過調用板級支持包中的系統(tǒng)函數(shù)實現(xiàn)IO控制、串口通信程序以及基于PROFINET實時通信程序的設計。從站的實現(xiàn)流程如下：在Hitop IDE開發(fā)環(huán)境下完成硬件初始化，主函數(shù)實現(xiàn)任務的初始化及配置，LED控制任務、串口通信任務、PROFINET實時通信及各個任務間的調度，實現(xiàn)程序下載并駐留到在rcX嵌入式控制器中。從站通信及控制程序的軟件層次如圖8所示。

5 結論

通過NetX SoC配置PROFINET協(xié)議棧等通信技術研究，實現(xiàn)了PROFINET實時以太網接入、NetX SoC主從站間PROFINET和UART數(shù)據(jù)通信，以及Web方式下依托控制主站對從站實施遠程配置管理及監(jiān)控，為采用PROFINET實現(xiàn)遠程控制、監(jiān)管提供了一種可行的技術解決方案。

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