摘 要: 本文介紹一種實用的基于嵌入式TCP/IP技術的實時數據傳輸系統,分析了其硬件和軟件系統。結合系統控制對象的分散性和網絡化管理的特點,重點論述嵌入式操作系統、嵌入式TCP/IP技術、系統可靠性、安全性等關鍵技術。 關鍵字: 嵌入式系統, TCP/IP, 可靠性, 安全性 1 引言 　　目前,液化氣廣泛用于居民生活和工業生產的各個領域,液化氣流通過程中大部分業務需要針對氣體和液體進行流量計量。現有系統主要是稱重計量儀表作為計量裝置。以人工方式作計量數據的采集和統計匯總。人工方法存在費時費力,各個計量點都容易出現人為數據錯誤的缺點,造成不必要的損失和漏洞。而且人工處理石油液化氣儲運數據,是屬于掛流水帳,各類原始數據的關系是分離的,不方便及時查詢和管理,無法作出正確的經營決策。 　　將嵌入式系統應用到石油液化氣儲運數據中,首先可以對設備進行實時的運行狀態監測,無需要人工干預即能自主運行;其次可以根據設備運行條件的改變,自適應地調節自身的功能來保證監控及診斷的準確性。杜絕石油液化氣儲運各個環節可能出現的漏洞,提高企業經濟效益;最后可以把各類石油液化氣儲運原始數據有機地組合在一起,統籌處理數據的輸入、查詢、統計及顯示和輸出,使處理石油液化氣儲運數據的過程通暢、合理、快捷、準確。 2. 嵌入式系統及其石油液化氣儲運現場實時數據傳輸系統解決方案 　　2.1 嵌入式系統簡介 　　嵌入式系統不以獨立設備的物理形態出現,嵌入式系統的部件根據主體設備以及應用的需要,嵌入在主體設備內部,發揮著運算、處理、存儲以及控制等作用。從體系結構看,嵌入式系統主要以嵌入式處理器、支撐硬件和嵌入式軟件組成。早期的嵌人式系統以單個芯片為核心,大部分應用于工業控制系統中,后來發展為以嵌入式CPU、嵌入式實時操作系統（RTOS）為核心的新型組成結構。但隨著信息技術的發展,網絡通信已經是嵌入式系統設計所必須考慮的問題,可以說嵌入式TCP/IP技術是嵌入式計算機系統與Internet技術相互結合的產物,基于Internet的嵌入式系統成為一個研究熱點。 　　2.2 系統的總體設計特點 　　本系統具有功耗低、可靠性高、功能完備等特點。系統的耗電量為1～3W,由于系統功耗很低,專用于工業級領域,因此在器件的選用、系統的抗干擾設計等各個方面都進行了嚴格的論證和實驗分析,其運行可靠性得到了保證。系統使用400MHz以上主頻的32位微處理器,總線為100MHz,無論是高速實時處理還是大容量數據傳輸都能夠滿足,全新的設計體系使得整個系統具有強大的處理能力和廣泛的升級空間。該系統對于用戶來說,由于操作系統的支持,使用中根本感受不到體系的差異,而對于進行開發人員來講,以前在X86平臺下編寫的程序,也只需做一次重新編譯簡單移植一下即可,從而最大限度的保護了用戶的資源,增強了系統的可擴展性。 　　2.3 硬件結構 　　針對傳輸數據量,實時數據采集控制盒中的核心控制芯片選用了Intel XScale 255。其它電路包括A/D接口、I/O接口芯片、電壓變換芯片、充電保護芯片、濾波電路、顯示驅動等部分組成。系統使用的網卡芯片是選用Realtek公司生產的RTL8019AS構成,它是一種低價位的通用以太網控制器,采用了高度集成化的設計。現場傳感器采集的信號為溫度、壓力、流量信號,均為模擬信號,需進行A/D轉換。硬件結構框圖如圖1所示: [align=center]圖1 硬件結構框圖 Fig.1 Hardware Structure[/align] 　　2.4 軟件結構 　　2.4.1 操作系統 　　嵌入式操作系統是整個嵌入式系統的核心,通常包括與硬件相關的底層驅動程序、系統內核、設備驅動接口、通信協議、圖形用戶界面（GUI）等。專門負責管理存儲器分配、中斷處理、任務調度等功能。本設計采用嵌入式Linux作為操作系統,嵌入式Linux是一種由內核（kerne1）以及根據需要定制的系統模塊組成的小型操作系統。相對于其他嵌入式RTOS,它具有鮮明的特點:微內核結構,最多幾百KB;免費開放源代碼,具有可裁剪性,能根據特定需求自行設計;具有優秀的網絡、數據庫支持功能,支持TCP/IP等常見協議,能夠實現數據的網絡通訊和實時處理。 　　系統在啟動時,由BootRom將Linux內核從FLASH/ROM映像到RAM中,對系統的軟硬件環境進行初始化。應用程序中相關內容的初始化作為應用程序引導模塊,固化在FLASH/ROM上,以便主機上電后可以由內核程序將其讀到RAM文件系統中,再由這部分引導應用程序運行模塊。由于該系統是基于全IP的穩定網絡,在考慮了網絡帶寬和系統通信量的基礎上,我們選擇心跳檢測的正常閥值為1秒,數據恢復策略采用即時傳送數據。 　　2.4.2 嵌入式TCP/IP技術 　　由于本系統的用戶要求其可以在任意地點的通過web瀏覽器接入網絡,實時查詢各液化氣站工作點儲運數據,同時通過客戶端可任意對實現工作點遠程控制和管理,實現大范圍的互聯,因此數據的遠程傳輸成了必須解決的問題。 　　嵌入式TCP/IP技術是一種設備接入技術,主要解決如何通過Web和嵌入式技術實現從不同子網、不同物理區域對接入到Internet的設備和異類子網進行監控、診斷、管理及維護等操作,使用戶對接入到Internet上的各種設備或其他類型的子網具有遠程監控、診斷和管理的能力。嵌入式系統由于其自身硬件資源有限,不同于通用計算機系統,因此由通用計算機操作系統內核實現的存儲器管理、設備管理、文件系統、網絡通信等功能模塊不可能在嵌入式操作系統的內核中全部實現。傳統的TCP/IP通信傳輸七層結構模式不再適用于嵌入式系統,必須根據實際傳輸數據的需求合理簡化協議。本系統采用圖2所示TCP/IP的四層結構子協議集。 [align=center]圖2 子協議集 Fig.2 Child Protocol[/align] 　　其中應用層負責實現HTTP協議;傳輸層負責數據采集現場與信息中心間可靠性的數據通信;互聯網層完成尋址、定址、數據打包和安排路徑,同時判斷網絡是否連通;數據鏈路層把幀送到線路中去,同時可以把需接收的幀從線路中取出來。 　　2.4.3 應用軟件結構 　　我們將應用軟件結構分為3層（如圖3所示）,即:客戶端、信息中心、現場。其中信息中心由Web服務器和應用服務器構成;數據庫設計考慮了位于信息中心層的本地數據庫服務器和客戶端的虛擬服務器;現場控制系統包括各類現場儀表,傳感器的控制系統軟件。我們可以將上述系統理解為一個較為復雜的B/S體系機構的軟件系統。 [align=center]圖3 應用軟件結構 Fig.3 Software Architecture[/align] 　　本系統采取這樣復雜的體系結構是由系統的功能設計及網絡結構決定的,這意味著一臺機器要與其他系統進行協作,它既提供服務,同時也需要其他系統的服務。該3層結構是指合理的利用系統資源,不同層次分工協作,使某項任務在多臺機器之間進行匹配,其中客戶機（Client）用來運行提供用戶接口和前端處理的應用程序,應用服務器及Web服務器用于發布信息、數據及指令的傳達。現場完成數據實時采集傳輸,并最終執行控制指令、實現控制目標和性能指標。 3.系統的可靠性設計 　　在保障功能的前提下,系統的可靠性是評價其性能的重要指標。石油液化氣儲運實時數據采集管理系統采用無人值守方式,為提高嵌入式遠程數據采集系統的可靠性,我們從硬件、軟件兩個方面進行系統設計。 　　3.1 硬件抗干擾措施 　　系統中所采用的嵌入式主機是為工業現場研制開發的。本身的機械和電氣特性足以在惡劣環境條件下的連續運行,但為防止其它電磁干擾對開關電源的輸出或數字系統的信號線造成沖擊,從而導致嵌入式系統異常運行或死機。只有提高系統的電磁兼容性才能提高其可靠性。仔細分析造成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設備。抑制電磁干擾的方式也從這3方面著手:抑制干擾源;消除干擾源和受擾設備之間的耦合和輻射,切斷電磁干擾的傳播途徑;提高受擾設備的抗干擾能力,降低其對噪聲的敏感度。目前電子設備大多采用切斷電磁干擾源和受擾設備之間的耦合通道對電磁干擾進行抑制,常用的方法包括屏蔽、接地和濾波。本系統采用了下述3種措施降低或消除電磁干擾所造成的影響:（1）電源采用本安電源供電,直接消除電源干擾的可能性。普通電源當接的負載過多時,電壓降的現象很厲害,而本安電源的避免了這種情況;（2）嵌入式計算機主機外放置金屬屏蔽外殼,且整個屏蔽罩與系統的機殼和地連接為一體;（2）在電源輸入端加接由鐵氧體磁性材料加工成的電磁干擾吸收元件,改善系統的濾波特性。 　　3.2 軟件抗干擾措施 　　軟件設計方面主要采用以下措施來保障程序運行的穩定性: 　　（1）啟動看門狗定時器,使其能在程序異常運行時自動重啟整個系統。 　　（2）編寫專門程序對CPU的可利用資源及內存可利用空間進行監控,如果CPU資源和內存無法滿足應用程序的正常運行則重啟系統,該監控程序獨立運行。 4. 安全性 　　本系統設計的安全性涉及到兩個方面,其一是數據傳輸安全性,其二是該系統的對象是易燃易爆物品,防止出現火情是另一個非常重要的問題。 　　數據傳輸安全性問題是由于系統采用Internet的訪問技術,網絡被攻擊的可能性增大,網絡安全防護成了大問題,必須采用多種技術手段和防范策略,確保系統不受病毒和黑客的破壞,以達到確保系統的數據完整性、統一性。主要解決策略是采用密碼和防火墻策略,根據規則過濾掉外部的數據流,且數據傳送必須加密,訪問所有可能受到攻擊的點都必須提供正確的用戶名和密碼才可以訪問。另外采用只讀訪問策略,將關鍵信息和敏感信息標記為只讀特性,尤其是從Intranet范圍外的IP地址來的訪問請求。 　　為防止由于現場采集系統導致石油液化氣燃燒,發生意外,本設計采用了2個措施:（1）如前所述,前端控制盒電源采用本安電源,該電源工作極其穩定,不產生電火花,被廣泛用于防爆工作環境;（2）由于監控設備需要長期運轉,因此系統要求有很好的散熱功能。系統的散熱片結構由傳統的一個改裝成為兩個散熱片,使得系統適用于易燃易爆工作環境。 5. 小結與本文作者創新點 　　本文介紹的系統具有分層合理、模塊劃分清晰、可移植性好等特點,并且系統充分利用現成的電信網絡,省去了現場建設及有線網絡架設的費用。此外該系統的測試數據表明:系統能夠實現對被管理設備的各項基本操作、管理和訪問,滿足一般嵌入式系統對系統監控、數據實時采集的應用需要,該設計思想可以廣泛應用于其它類似的現場分散、網絡化實時數據的采集傳輸管理系統,不論從經濟效益還是社會效益角度來講,都有著廣泛的應用前景。 參考文獻 　　[1] Miohael Barr.Programming Embedded Systems in C and C+ +[M].USA: O‘Reilly, 1999.12-24 　　[2] 鄒思軼. 嵌入式Linux設計與應用[M].北京:清華大學出版社,2002.15-18. 　　[3] 婁小平, 鄧文怡, 呂乃光等. 基于WindowsCE.net的嵌入式水質自動監測系統[J].計算機工程與應用,2005,41（26）:120-122. 　　[4] 李峰, 應宏, 張軍, 利用TCP/IP實現Windows與Vxworks的通信[J]. 微計算機信息, 2006,2-2: P80-82