基于MCF52233的通用遠程測控系統(tǒng)平臺的研究
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本文分析研究了遠程測控系統(tǒng)的共性，建立了測控系統(tǒng)的一般模型，利用嵌入式以太網(wǎng)、Web服務器、硬件構件和軟件可重用等技術，設計了一種面向測控領域的基于B/S與C/S相結合體系結構的通用軟硬件平臺。
1總體設計方案
1.1 一般測控系統(tǒng)的通用模型特點分析
基于通用設計思想的系統(tǒng)開發(fā)在設計思路上須遵循模塊化、可二次開發(fā)性和平臺化的設計原則。實際的應用系統(tǒng)需要處理的信號可能存在很大的差異，所以本文在系統(tǒng)總體設計過程中，分析了各種應用系統(tǒng)之間的共性，從現(xiàn)有的一般的測控系統(tǒng)中抽象出一個通用模型。
一個典型的嵌入式測控系統(tǒng)通常包括模擬量輸入模塊、開關量輸入模塊、模擬量輸出模塊、開關量輸出模塊、數(shù)據(jù)通信模塊[2]和MCU工作支撐電路。
實際模擬信號是物理世界的自然信號，需要通過傳感器將其轉換為電信號，然后由A/D轉換接口將電信號轉換為數(shù)字信號。由于傳感器輸出的電信號通常比較微弱，而且輸出的信號類型各異，因此，需要相應的轉換電路對其進行處理。實際開關信號一般來自開關類傳感器或手動開關，需要開關量轉換電路將實際開關信號轉換至MCU可接受的電信號范圍。
測控系統(tǒng)的執(zhí)行機構，包括開關量控制和模擬量控制。開關量執(zhí)行機構只有開和關兩種狀態(tài)。模擬量執(zhí)行機構需要連續(xù)變化的模擬量控制，MCU通過D/A轉換接口將數(shù)字量轉換為模擬量輸出控制。此外，由于MCU引腳的驅動能力在10 mA左右，不能直接控制這些執(zhí)行機構，因此需要借助于相應的驅動電路來實現(xiàn)。
通信接口模塊主要實現(xiàn)MCU與各外圍模塊或設備之間的通信，常用的通信方式有：UART、SPI、USB、以太網(wǎng)等。對于遠程測控系統(tǒng)，通常采用以太網(wǎng)與遠程主機進行通信。
通過分析，本文建立了如圖1所示的一般測控系統(tǒng)的通用模型。
1.2 通用模型特點分析
完整的測控系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。建立測控系統(tǒng)通用模型就是分別為軟、硬件建立相應的通用模型。硬件模型體現(xiàn)在測控終端控制器的硬件設計上；軟件模型根據(jù)所選擇的體系結構不同而有所差別。但不論是哪一種體系結構，對軟件的設計都是建立在硬件的基礎之上，所以整個通用模型的建立首先且關鍵是對硬件通用模型的建立。
1.2.1 遠程測控系統(tǒng)的硬件模型
遠程測控系統(tǒng)的測量與控制在硬件上主要體現(xiàn)在位于現(xiàn)場的網(wǎng)絡化測控終端對外界數(shù)據(jù)的采集以及控制量的輸出，其中數(shù)據(jù)采集部分通常包括模擬量輸入模塊和開關量輸入模塊；控制輸出部分通常包括模擬量輸出模塊和開關量輸出模塊。因此，通用模型的建立主要體現(xiàn)在對這四種輸入輸出模塊的設計上。
本文通過提供業(yè)內比較通用的信號類型來達到通用的目的。對于使用這些信號接口的測控設備，可直接互連；對于使用其他信號接口的測控設備，只需要增加相應的信號轉換電路即可互連。通過對多個具體測控系統(tǒng)的分析，采用了如下的硬件設計方案：
(1)模擬量輸入接口，提供8路模擬量輸入通道；考慮到市場上大多數(shù)傳感器或變送器都提供0~5 V電壓信號輸出，另一方面由于A/D轉換器通常以0~5 V電壓信號輸入，因此本文將模擬量輸入接口設計為可直接處理0~5 V電壓信號。另外為了便于給傳感器或外接的轉換電路供電，提供5 V和12 V電源接口。
(2)開關量輸入接口，提供8路開關量輸入通道，可直接處理12 V開關信號。對于其他類型的開關信號，需要外接轉換電路。
(3)模擬量輸出接口，提供8路模擬量輸出通道，提供0~12 V電壓信號輸出，對于其他類型的模擬信號，需要外接相應的驅動電路。
(4)開關量輸出接口，提供8路開關量輸出通道；可直接輸出12 V電壓信號，也可通過更換繼電器實現(xiàn)對其他電壓信號的輸出。
(5)通信接口，采用以太網(wǎng)作為傳輸媒介，與遠程主機進行信息交互，從而實現(xiàn)遠程測控功能；對于其他通信接口，由其他輔助模塊決定。
(6)提供良好的人機交互接口?，F(xiàn)場信息采用液晶顯示；對受控設備的現(xiàn)場手動干預采用SDF-1通用型手持編程器實現(xiàn)，以避免為所有的輸出接口配備相應的控制按鈕。
(7)在進行具體的硬件設計時，融入硬件構件的設計思想，將各個硬件模塊進行獨立的封裝，以提高硬件的可重用性[3]。
根據(jù)以上方案所設計的硬件模型如圖2所示。
1.2.2 遠程測控系統(tǒng)的軟件模型
采用何種網(wǎng)絡體系結構是開發(fā)網(wǎng)絡軟件時首當其沖考慮的問題。究竟是采用C/S模式還是B/S模式，或是兩者兼有的混合模式，這就需要分析它們各自的特點，揚長避短，這樣才能設計出最合適的網(wǎng)絡結構。為了實現(xiàn)實時方便地訪問任一臺終端控制器，查看當前的監(jiān)控信息，本文將終端控制器設計為一個嵌入式Web服務器。但是由于嵌入式系統(tǒng)資源很有限，無法實現(xiàn)對長時間歷史記錄的保存，因此必須借助于上位機的存儲能力，將所有的歷史記錄轉移到監(jiān)控上位機保存。另一方面，B/S結構采用瀏覽器訪問時，每次只能查看單個控制器的現(xiàn)場信息，無法實現(xiàn)集中監(jiān)控和管理功能，而C/S結構的客戶端軟件可以很好地解決這個問題。因此，本文采用B/S與C/S相結合的體系結構，對于瀏覽器客戶端采用HTTP協(xié)議與測控終端交互；對于監(jiān)控平臺軟件客戶端采用UDP協(xié)議進行通信。
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