论文部分内容阅读
【摘要】数据通信是通信技术和计算机技术相结合而产生的一种通信方式，其通过传输信道将数据终端与计算机联结起来，而使不同地点的数据终端实现软、硬件和信息资源的共享。以太网方案进行3G 现场数据采集具有高速、高抗扰度、传输距离较长、无须编写设备驱动程序等优点。利用这些以太网方案对实时通信报警信息进行处理，并在此基础上再进行知识推理，形成智能报警分析处理系统，具有重要的现实意义。
【关键词】以太网技术 通信数据 采集分析
中图分类号：TN91文献标识码： A
近些年来，以太网通信速率的提高及交换式以太网技术的出现，使得以太网的通信性能大为改善，原来阻碍以太网进入工业控制领域的不确定性等问题基本得到解决，以太网开始从不同的途径进入到工业自动化和过程控制市场，很多组织和厂家开始开发基于以太网的数据采集与监控系。
以太网技术的含义
以太网是一种采用载波侦听多路访问／冲突检测和介质存取控制协议在共享上传输数据的技术。由于其具有使用简便、价格低、速率高等优点，因此从20世纪80年代出现以来，便很快成为局域网的主流。早期的以太网技术被称为共享以太网，是指多节点共享同一个传输媒体，节点间采用广播方式通讯，所以容易产生冲突，共享以太网CSMA／CD技术避免冲突，即发送方检测到冲突就暂停发送，随机延迟一段时间后再重新发送直到成功，因而共享以太网对时间响应具有不确定性。
二、以太网技术的分类
1、快速以太网。快速以太网也就是我们常说的百兆以太网，它在保持帧格式、MAC（介质存取控制）机制和MTU（最大传送单元）质量的前提下，其速率比10Base－T的以太网增加了10倍。二者之间的相似性使得10Base－T以太网现有的应用程序和网络管理工具能够在快速以太网上使用。快速以太网是基于扩充的IEEE802.3标准。
2、千兆以太网。千兆位以太网是一种新型高速局域网，它可以提供1Gbps的通信带宽，采用和传统10M、100M以太网同样的CSMA/CD协议、帧格式和帧长，因此可以实现在原有低速以太网基础上平滑、连续性的网络升级。只用于Point to Point，连接介质以光纤为主，最大传输距离已达到70km，可用于MAN的建设。
3、万兆以太网。万兆以太网技术与千兆以太网类似，仍然保留了以太网帧结构。通过不同的编码方式或波分复用提供10Gbit/s传输速度。所以就其本质而言，10G以太网仍是以太网的一种类型。
4、光纤以太网。光纤以太网产品可以借助以太网设备采用以太网数据包格式实现WAN通信业务。该技术可以适用于任何光传输网络——光纤直接传输、SDH以及DWDM网络传输。目前，光纤以太网可以实现10Mbps、100Mbps以及1Gbps等标准以太网速度。
5、端到端以太网。端到端以太网方案以以太网作为接入技术，不但成本低，而且带宽比现行的Cable Modem、ADSL、ISDN、Modem接入都要高，因此不但可以作为一般用户Internet连接，或者多媒体点播或广播用途，更可以作为企业用户实现VPN虚拟私有专网互联使用。
三、工业以太网
目前，工业自动化控制系统的网络结构发展越来越分散化，同时系统越来越复杂，内部的链接越来越高速化和紧密化“由于系统细分成了独立的控制孤岛，对驱动器和用户接口的需求越来越多”对于分布式实时控制来说，其前提即确定性的概念是一种网络技术，而在所有的网络技术中，以太网技术上较为理想的选择，它能满足如下的所有要求：
1、充分考虑今后的发展需要, 具有高传输速率, 目前到1000OMb/s ;
2、高速传输安全性和可靠性, 集线器技术的确定性;
3、几乎不考虑网络的拓扑结构;
4、传输物理介质: 双绞线、光纤、同轴电缆;
5、集线器的应用可不需考虑网络的扩展;
6、在整个网络中的随机网络存取技术。
四、系统方案
基于以太网技术的企业数据采集网络是以国际标准工业控制系统规程为构架，采用MIS层／监控层／现场层的网络体系，以计算机局域网和计算机数据采集网为依托的实时监控管理系统。系统内计算机之问、计算机与中心站之间的数据传输采用技术成熟、安全可靠的以太网技术和TCP／IP协议，不需任何网关转换，可直接接入企业的管理网，实现数据信息的共享。系统主要包括传感器模块、A／D转换器、单片机、网卡、以太网传输线、PC机等。本文以企业井下得到的相关数据(On瓦斯浓度、一氧化碳浓度、风速、温度、湿度、粉尘、压力等)作为为采集对象，当单片机接收到远程PC机端发送过来的命令(On开始采集命令)时，传感器模块随即将采集到的模拟信号经放大调理后，送至A／D转换器进行转换。单片机对A／D转換后的数字信号进行以太网协议封装后送至以太网控制器，经RJ45网络接口将数据帧传送到以太网上，实现数据发送功能；远程PC机端不断接收由数据采集端经以太网发送过来的数据帧，并对接收到的数据进行实时显示且在一定情况下完成相应的报警功能。
五、系统硬件选择
1、系统采用64 位微控制器S3C451OB 作为硬件设计的核心。备用电源系统。当AC220 掉电时，将自动切换到备用电池供电。可持续工作8 个小时。
2、具有报警功能。按照设置的报警上、下限触发报警功能，并可以及时上报到中心（方法有GPRS/CDMA 实时在线上报），且报警出现时自动按较小的间隔时间记录监测数据。
3、数据存储时间间隔可设置。历史数据存储间隔时间1-24 小时设置，报警数据1-60 分钟设置。
4、显示下端仪器的工作状态。数据采集仪自带8 个按键、8位数码管以及8 个状态指示灯。可在现场设置工作参数、指示设备的运行状态。
5、AD 转换器。10 通道，12 位分辨率，光电隔离型。外部通讯接口。RS232/RS485/HART 协议，支持波特率1200-9600 bps。
6、操作系统。使用实时操作系统，完成现场数据采集、保存与无线数据上报等任务。
7、文件系统。引入了文件系统的技术对NandFlash 的数据存取进行管理，大大地提高了历史数据存储和读取的性能。
六、系统软件设计
在系统的硬件做好之后，通过JTAG接口，使用H．JTAG调试代理软件和AXD对系统进行调试。系统的工作方式为，先将程序烧写入Nor Flash中，上电后程序首先从Nor Flash开始执行，运行Bootloader，通过执行一段地址重映射代码，将Nor Flash中的其它代码映射到SDRAM 中运行。系统的软件设计中，应用程序的编制任务绝大部分通过C语言来完成。
七、系统数据流程
将采集的现场数据，按照TCP／IP协议打包，通过以太网通讯模块发往以太网及Internet，远程用户通过与以太网通讯模块进行通讯，接收现场采集的数据，向现场设备发送命令。采用这种方式可以真正的实现现场数据的实时观测。但由于通信模块功能的限制及通信速率和安全性的考虑，同时与模块进行通信的PC机不能太多。因此，为了满足更多的用户及不同情况的需求，将这种方式与WEB方式结合起来，就构成了图2(b)所示的混合系统。
八、系统主要功能
数据采集、传输一体化设计。GPRS 实时在线功耗低，在线平均电流≤ 10 mA。支持域名解析功能。支持各家组态软件和用户自行开发软件系统。
以太网的速度优势、低廉的端口价格和优越的性能，对于传输数量量大、实时性要求高的工业控制生产领域来说，具有很大的吸引力。目前由以太网与工业现场相结合的工业以太网技术，已经成为工业控制网络建设的一种可行有效的解决办法。
参考文献：
[1]李素侠，段友祥．嵌入式TCP／IP协议的分析与研究[J]．微计算机信息，2005，21(10)：52—53．
[2]代勇，李昌禧．基于嵌入式以太网接口的数据采集处理系统[J]．微机发展，2005，15(5)：125-127．
[3]张金平，黄树红等．基于FIFO的旋转机械在线多通道振动数据采集系统设计[J]．测控技术，2006，25(1)：20·21．
[4]吕西臣，孙俊杰等．基于嵌入式技术的新型高速多通道数据采集系统的研制[J]．现代制造技术与装备，2006(5)：15—18．
[5]黄训诚．基于KTLS019AS的单片机TCP／IP网络通信[J]．微电子学与计算机，2005，22(3)：228-235．
【关键词】以太网技术 通信数据 采集分析
中图分类号：TN91文献标识码： A
近些年来，以太网通信速率的提高及交换式以太网技术的出现，使得以太网的通信性能大为改善，原来阻碍以太网进入工业控制领域的不确定性等问题基本得到解决，以太网开始从不同的途径进入到工业自动化和过程控制市场，很多组织和厂家开始开发基于以太网的数据采集与监控系。
以太网技术的含义
以太网是一种采用载波侦听多路访问／冲突检测和介质存取控制协议在共享上传输数据的技术。由于其具有使用简便、价格低、速率高等优点，因此从20世纪80年代出现以来，便很快成为局域网的主流。早期的以太网技术被称为共享以太网，是指多节点共享同一个传输媒体，节点间采用广播方式通讯，所以容易产生冲突，共享以太网CSMA／CD技术避免冲突，即发送方检测到冲突就暂停发送，随机延迟一段时间后再重新发送直到成功，因而共享以太网对时间响应具有不确定性。
二、以太网技术的分类
1、快速以太网。快速以太网也就是我们常说的百兆以太网，它在保持帧格式、MAC（介质存取控制）机制和MTU（最大传送单元）质量的前提下，其速率比10Base－T的以太网增加了10倍。二者之间的相似性使得10Base－T以太网现有的应用程序和网络管理工具能够在快速以太网上使用。快速以太网是基于扩充的IEEE802.3标准。
2、千兆以太网。千兆位以太网是一种新型高速局域网，它可以提供1Gbps的通信带宽，采用和传统10M、100M以太网同样的CSMA/CD协议、帧格式和帧长，因此可以实现在原有低速以太网基础上平滑、连续性的网络升级。只用于Point to Point，连接介质以光纤为主，最大传输距离已达到70km，可用于MAN的建设。
3、万兆以太网。万兆以太网技术与千兆以太网类似，仍然保留了以太网帧结构。通过不同的编码方式或波分复用提供10Gbit/s传输速度。所以就其本质而言，10G以太网仍是以太网的一种类型。
4、光纤以太网。光纤以太网产品可以借助以太网设备采用以太网数据包格式实现WAN通信业务。该技术可以适用于任何光传输网络——光纤直接传输、SDH以及DWDM网络传输。目前，光纤以太网可以实现10Mbps、100Mbps以及1Gbps等标准以太网速度。
5、端到端以太网。端到端以太网方案以以太网作为接入技术，不但成本低，而且带宽比现行的Cable Modem、ADSL、ISDN、Modem接入都要高，因此不但可以作为一般用户Internet连接，或者多媒体点播或广播用途，更可以作为企业用户实现VPN虚拟私有专网互联使用。
三、工业以太网
目前，工业自动化控制系统的网络结构发展越来越分散化，同时系统越来越复杂，内部的链接越来越高速化和紧密化“由于系统细分成了独立的控制孤岛，对驱动器和用户接口的需求越来越多”对于分布式实时控制来说，其前提即确定性的概念是一种网络技术，而在所有的网络技术中，以太网技术上较为理想的选择，它能满足如下的所有要求：
1、充分考虑今后的发展需要, 具有高传输速率, 目前到1000OMb/s ;
2、高速传输安全性和可靠性, 集线器技术的确定性;
3、几乎不考虑网络的拓扑结构;
4、传输物理介质: 双绞线、光纤、同轴电缆;
5、集线器的应用可不需考虑网络的扩展;
6、在整个网络中的随机网络存取技术。
四、系统方案
基于以太网技术的企业数据采集网络是以国际标准工业控制系统规程为构架，采用MIS层／监控层／现场层的网络体系，以计算机局域网和计算机数据采集网为依托的实时监控管理系统。系统内计算机之问、计算机与中心站之间的数据传输采用技术成熟、安全可靠的以太网技术和TCP／IP协议，不需任何网关转换，可直接接入企业的管理网，实现数据信息的共享。系统主要包括传感器模块、A／D转换器、单片机、网卡、以太网传输线、PC机等。本文以企业井下得到的相关数据(On瓦斯浓度、一氧化碳浓度、风速、温度、湿度、粉尘、压力等)作为为采集对象，当单片机接收到远程PC机端发送过来的命令(On开始采集命令)时，传感器模块随即将采集到的模拟信号经放大调理后，送至A／D转换器进行转换。单片机对A／D转換后的数字信号进行以太网协议封装后送至以太网控制器，经RJ45网络接口将数据帧传送到以太网上，实现数据发送功能；远程PC机端不断接收由数据采集端经以太网发送过来的数据帧，并对接收到的数据进行实时显示且在一定情况下完成相应的报警功能。
五、系统硬件选择
1、系统采用64 位微控制器S3C451OB 作为硬件设计的核心。备用电源系统。当AC220 掉电时，将自动切换到备用电池供电。可持续工作8 个小时。
2、具有报警功能。按照设置的报警上、下限触发报警功能，并可以及时上报到中心（方法有GPRS/CDMA 实时在线上报），且报警出现时自动按较小的间隔时间记录监测数据。
3、数据存储时间间隔可设置。历史数据存储间隔时间1-24 小时设置，报警数据1-60 分钟设置。
4、显示下端仪器的工作状态。数据采集仪自带8 个按键、8位数码管以及8 个状态指示灯。可在现场设置工作参数、指示设备的运行状态。
5、AD 转换器。10 通道，12 位分辨率，光电隔离型。外部通讯接口。RS232/RS485/HART 协议，支持波特率1200-9600 bps。
6、操作系统。使用实时操作系统，完成现场数据采集、保存与无线数据上报等任务。
7、文件系统。引入了文件系统的技术对NandFlash 的数据存取进行管理，大大地提高了历史数据存储和读取的性能。
六、系统软件设计
在系统的硬件做好之后，通过JTAG接口，使用H．JTAG调试代理软件和AXD对系统进行调试。系统的工作方式为，先将程序烧写入Nor Flash中，上电后程序首先从Nor Flash开始执行，运行Bootloader，通过执行一段地址重映射代码，将Nor Flash中的其它代码映射到SDRAM 中运行。系统的软件设计中，应用程序的编制任务绝大部分通过C语言来完成。
七、系统数据流程
将采集的现场数据，按照TCP／IP协议打包，通过以太网通讯模块发往以太网及Internet，远程用户通过与以太网通讯模块进行通讯，接收现场采集的数据，向现场设备发送命令。采用这种方式可以真正的实现现场数据的实时观测。但由于通信模块功能的限制及通信速率和安全性的考虑，同时与模块进行通信的PC机不能太多。因此，为了满足更多的用户及不同情况的需求，将这种方式与WEB方式结合起来，就构成了图2(b)所示的混合系统。
八、系统主要功能
数据采集、传输一体化设计。GPRS 实时在线功耗低，在线平均电流≤ 10 mA。支持域名解析功能。支持各家组态软件和用户自行开发软件系统。
以太网的速度优势、低廉的端口价格和优越的性能，对于传输数量量大、实时性要求高的工业控制生产领域来说，具有很大的吸引力。目前由以太网与工业现场相结合的工业以太网技术，已经成为工业控制网络建设的一种可行有效的解决办法。
参考文献：
[1]李素侠，段友祥．嵌入式TCP／IP协议的分析与研究[J]．微计算机信息，2005，21(10)：52—53．
[2]代勇，李昌禧．基于嵌入式以太网接口的数据采集处理系统[J]．微机发展，2005，15(5)：125-127．
[3]张金平，黄树红等．基于FIFO的旋转机械在线多通道振动数据采集系统设计[J]．测控技术，2006，25(1)：20·21．
[4]吕西臣，孙俊杰等．基于嵌入式技术的新型高速多通道数据采集系统的研制[J]．现代制造技术与装备，2006(5)：15—18．
[5]黄训诚．基于KTLS019AS的单片机TCP／IP网络通信[J]．微电子学与计算机，2005，22(3)：228-235．