引言

目前，嵌入式網絡監控系統以其本身體積小、功能多、支持以太網技術等優點，已成為工控領域中的新熱點。網絡監控系統的方式可分為B/S(瀏覽器/服務器)和C/S(客戶機/服務器)兩種。對于B/S形式，要求嵌入式服務器的存儲器容量足夠大，而且對于監控設備結構調整或對監控內容更改頻繁的應用場合，就必須對嵌入式服務器中的網頁和CGI程序進行更改，這無疑會使普通用戶在對服務器進行維護和二次開發時遇到很大的困難。本文介紹的一種采用C/S結構的系統設計可以克服以上問題。由于監控對象和監控頁面的設置都由客戶機完成，服務器只需進行數據采集、響應客戶請求、利用TCP/IP網絡發送客戶請求數據等工作，同時客戶機的監控頁面采用通用的微軟Windows風格，降低了對操作人員的要求，利于二次開發。

嵌入式網絡監控系統的總體框架

以工廠生產自動化中監控PLC和CAN總線設備為例，為了實現工廠生產透明化，希望在任何地方都能通過網絡監控生產情況，并能夠隨著工廠生產內容的調整更換監控內容，因此，可采用C/S形式使監控對象及監控頁面由客戶自己根據具體要求定義。服務器由32位Freescale Coldfire系列中支持網絡通信的MCF5272芯片和專用于微控制的mClinux操作系統構成。

。由客戶機發出對設備的監控命令，嵌入式服務器接收并處理信息，根據客戶機請求對監控對象發出控制命令，或通過串口和CAN接口獲得客戶機感興趣的狀態，并將此信息通過網絡協議經過網絡連接返回客戶端，由客戶端分析并與設計的監控界面建立動畫連接或將現場設備的運行狀態顯示在界面上，并將此信息存儲到客戶端歷史數據庫供用戶打印輸出或統計。

客戶端軟件設計

客戶端系統要完成的任務是監控界面的制定和監控任務的執行，所以客戶端軟件有兩個功能模塊：界面開發環境和界面運行環境。本系統使用的是由VC6.0開發的組態軟件，客戶可以自定義監控界面風格，也可與國內生產組態軟件廠商合作設計通用的客戶端界面軟件。

其中界面開發環境的任務是生成監控的人機界面，開發環境應提供構成現場畫面所需要的對象，如線、填充圖形、文本及可直接調用的圖庫，對于有實際意義的圖形運行界面，還將提供會話式的對話框來使這些圖形與現場的控制單元建立動畫連接。當用戶通過開發環境自定義監控界面后，開發環境會根據此界面建立一系列數據文件，并生成最終的圖形目標應用文件，供運行環境使用。運行環境將開發環境生成的目標應用文件裝入內存并投入實時運行，一般由多個線程來完成。界面運行線程接收用戶請求事件，將用戶的請求按一定的數據格式發送到運行與內存的上行/ 下行消息隊列，實時消息管理線程將對消息隊列進行管理并收發數據。為了滿足監控對象的多樣性，消息收發線程在將用戶消息發送到服務器時，就會根據開發環境提供的監控PLC類型，在監控設備協議解釋層將發送消息根據此設備的通信協議進行組織。利用此方式可以方便地監控各種設備。同時，驅動程序用動態連接庫的形式給出，方便系統升級。

嵌入式服務器端系統設計

嵌入式服務器采用32位Freescale Coldfire 系列的MCF5272加mClinux微操作系統的方案，硬件結構如圖3所示。5272是Freescale生產的基于68K第二代Coldfire內核、可用于工業場合的嵌入式芯片，它集成以太網接口,運算速度66MIPS。ColdFire 微處理器上可以運行很多操作系統，但是mClinux 可以說是最合適，性價比最高的操作系統。

本系統中服務器端運行的mClinux系統的主要模塊有TCP/IP協議棧、PPPD模塊、以太網口、CAN驅動和串口驅動，應用程序有PPP撥號服務器模塊和經過網絡通信響應客戶機請求及與被控對象通信的服務程序。在編譯mClinux內核時要加入所需組件，應用程序編譯采用交叉編譯的方式，在運行REDHAT9.0的PC機上用Freescale Coldfire系列 專用編譯器編譯后下載到服務器的FLASH中。在以太網接收及與PLC的通信驅動程序中，服務器不斷監聽網絡端口，將客戶機發來的消息通過網絡通信得到，并將其轉發到連接PLC的串口。定義客戶機端發向服務器的請求消息就是符合該監控對象通信協議的請求消息，這樣服務器可連接任意系統支持的設備而不必設置監控對象的類型，因為該任務已經由客戶機在設計界面時完成。PPP服務器守護進程主要在客戶機通過modem經電話網撥入建立網絡連接時使用。

網絡通信及冗余技術

在監控系統的客戶機上運行的Windows操作系統中的客戶機監控界面與嵌入式服務器之間的TCP/IP網絡通信編程方法是使用BSD Socket (套接口)界面編程。通過它，網絡端點 (IP地址和端口地址)以套接口的形式出現。這種套接IPC(進程間通訊)方式的設計是為了能讓網絡程序的設計獨立于不同的底層通信設施。本系統中客戶機和服務器之間的Socket通信是在異構環境中進行的，客戶機采用WinSocket,服務器采用Linux下的Socket。

為了保證通信暢通，在利用以太網端口進行通信的基礎上，同時提供利用串口和modem撥號的方式作為與遠端服務器建立通信鏈路的冗余。為了實現modem撥號連接，必須在客戶機端運行撥號軟件，在服務器端運行撥號服務器程序。客戶機可以使用Windows自帶的撥號軟件，而在服務器端就必須在后臺運行撥號服務監控程序。撥號通信采用的是PPP點對點協議，mClinux中帶有這個協議組件，同時通過PPPD協議例程來提供PPP連接時的LCP(鏈路控制協議)、用戶認證、和IPCP(網絡協議配置)。

運行在嵌入式服務器端的撥號服務器守護進程的工作機理如下：對串口進行設置并打開串口 ，發送AT指令檢查外部modem的存在;如modem正常，用標準AT指令設置自動應答模式，之后進入檢測串口輸入循環;當有遠程modem撥入的鈴流，即串口有RING字符收到后，軟件將強制摘機，進入物理鏈路建立連接階段;連接成功后，串口出現CONNECT字符，此時程序將vfork一個進程，啟動PPPD進入PPP連接階段與撥入客戶機進行握手協商協議，用戶認證、配置遠程計算機IP，成功后將建立PPP連接;PPPD在連接成功后，將更改mClinux系統的路由表添加新的直接到達的路由路徑，這樣就可以在客戶端和嵌入式服務器端通過串口收發IP包進行網絡通信了。

結語

本文介紹的監控系統的服務器端采用32位CPU加mClinux操作系統的嵌入式方案，利于設備的小型化，采用C/S形式將監控界面交由客戶端設計，并且系統對監控對象無依賴性，可通過升級客戶機軟件來增加驅動以滿足新的監控任務，這樣的設計模式增加了該系統的通用性、靈活性和產品生命周期，利于用戶的二次開發。在嵌入式網絡設備日益滲透到工業生產和各種監控應用中的趨勢下，這種系統將會有很好的利用前景。■