基于以太网的嵌入式电源监控系统设计

王利霞

（河北建筑工程学院信息工程学院，河北张家口075000）

随着网络技术的不断普及，远程网络控制在嵌入式应用业务中所占比例越来越大。一般来说，远程监控系统主要包括两个基本环节，一是现场控制系统，主要作用是采集现场设备的运行数据，执行远程监控指令，保证现场设备的可靠运行；二是数据通信系统，完成数据的远程通信功能，成为连接远程用户与现场设备的枢纽，是远程用户与控制现场进行信息交互的中间桥梁。

电源远程监控系统，就是在现场控制系统的基础上，利用各种通信技术，对分布的一个或多个电源，进行遥测、遥信、遥控，实时监测其运行参数，监测和处理故障，记录和处理相关数据，从而达到提高设备的维护管理质量、降低系统的维护成本、提高电源整体工作效率的目的。

由于电源是整个设备系统的运行保障，所以电源系统中各重要节点的电压、电流、稳定度以及绝缘程度都对整个系统的安全稳定运行起着关键作用，这就对电源监控系统的实时性、可靠性和智能化提出了更高的要求。本文以电源远程监控系统为研究背景，提出了将嵌入式微处理器和以太网技术应用到电源监控系统中，从而达到提高电源远程监控的实时性、可靠性、智能化的基本要求。

1 工业控制网络技术分析

工业控制网络技术是在工业生产的现代化环境下发展起来的，是计算机技术、控制技术和网络技术综合发展的结果。目前，工业控制网络开始向数字化网络的方向发展，形成了新的工业控制网络。

工业控制系统的结构包括集散控制系统（DCS）、现场总线控制系统（FCS）及工业以太网[1]。

传统的电源监控系统大多数都采用RS-422或RS-485通信接口，这种方式存在着传输距离短、通信速率低、支持节点数少、难以实现点对点自由通信及组网难度高等缺点。而集散控制系统很好地解决了以上问题，提高了控制系统的可靠性和可维护性，在今天的工业控制领域中仍然占据着重要的地位。但是DCS采用的是普通商业网络的通信协议和网络结构，不具备开放性，并且为了加强抗干扰和可靠性而采用冗余结构，也提高了控制系统的成本。

现场总线控制系统是在DCS的基础上开发的一种新的控制方式。这种方式利用了适用于工业环境的网络结构和网络协议，从根本上解决了网络控制系统自身的可靠性问题，利用现场的智能仪表就能完成数据采集、处理、控制运算和数据输出等功能，将控制权彻底转移到现场，从而保证了数据处理的及时性和可靠性。但是现场总线结构缺乏统一的国际标准，造成不同现场总线的互联非常困难，这就使得现场总线技术较难适应系统开放性、分散性和互操作性等要求。

随着以太网技术在工业控制领域的实现，以太网进行现场通信的实时性、稳定性、可靠性、安全性正在逐步改善和解决。而嵌入式技术的发展进一步推动了以太网技术在工业控制领域中的应用[2]。

随着以太网速度及交换技术、全双工工作方式等技术的融入，工业以太网被正式提出。工业以太网就是在以太网技术和TCP/IP技术的基础上开发出来的一种工业网络。目前，工业以太网在工业应用中已经成为技术热点，有可能在不久的将来成为工业控制网络结构的主要形式，形成一网到底的网络结构。

2 基于工业以太网的电源监控系统整体设计

本电源监控系统以底层数据采集设备为源头，以工业以太网为主体，以嵌入式系统为核心，实现对电源系统的远程监控。

整个系统分为三个层次。第一层次为底层数据采集中心，这一部分通过各种电压、电流、温度、湿度等传感器将现场数据进行收集，传感器作为智能终端，内置嵌入式系统及以太网卡，因此具有一定的数据处理及运算功能。网络拓扑结构依据设备的特性可采用星形或网状结构来完成。第二层次为数据融合层，这一层的数据通过工业以太网传输至数据运算和处理中心，进行数据的进一步处理。这一层设置有现场PC机，可以在处理数据的基础上，对现场状况进行初步分析，做出应急决策。第三层为向上的通信层，利用PC机将工业以太网与公网相连，将数据传送至远程控制中心。公网可以是Internet网络，也可以是移动通信的GPRS或3G网络。远程控制中心设置远程控制数据库，在数据库中存储与设备运行状态相关的参数及相应的远程控制命令，以便于实现设备的远程控制。

基于本系统对数据处理精度及实时性要求的考虑，数据融合层的嵌入式芯片采用32位的ARM系统处理器LPC2214，硬件整体结构如图1所示，主要包括处理器LPC2214、网卡芯片RTL8019AS、电源、系统JTAG调试接口等几部分电路。其中处理器LPC2214采用μCLinux嵌入式操作系统。RTL8019AS以太网控制芯片为系统提供以太网接入的物理信道。通过该接口，可以将系统以10Mb/s的速率接入以太网。RTL8019AS芯片与主处理器的集成方式如图2所示。网卡与主处理器之间的通信主要通过总线SEP3203和一些控制信号来完成。而系统中各智能终端上的以太网控制器也选用RTL8019AS芯片，通过EM I的CSD片连接网卡控制器片选引脚，从而完成数据的采集和处理功能。JTAG接口完成对芯片内部的所有部件进行访问，并通过该接口对系统进行调试和编程。检测信号及数据是电源监控系统的输入部分，完成对采样数据进行分析、运算并将其通过以太网传送至中央监控中心的功能。E2PROM与控制器采用SPI通信，主要是故障代码及门限参数的存储中心。

传统的以太网都是采用TCP/IP协议作为传输协议。为了增加本系统通信的实时性和精确性，本系统选用Lw IP作为TCP/IP协议栈，在保持TCP协议主要功能的基础上减少了对RAM的占用，从而形成了更为有效的以太网芯片RTL8019AS的收发数据驱动功能。

图1 硬件整体结构

图2 网卡模块接口

3 总结

随着计算机网络技术的发展，Internet正在把全世界的计算机系统、通信系统逐渐集成起来，形成信息高速公路，形成公用数据网络，工业控制网络技术正是在这种环境下发展起来的。

本文选用LPC2214及RTL8019AS以太网控制芯片来构建工业以太网，并选用μCLinux嵌入式操作系统作为软件开发平台，并增加了LWIP作为TCP/IP协议栈，实现了电源的以太网远程监控功能。与现场总线形式相比，具有速度快、开放性好、运行可靠安全的基本特性。

[1] 吴镝.基于以太网的嵌入式电源监控系统的研究[D].长春：长春理工大学，2008.

[2] 屈军锁.物联网通信技术[M].北京：中国铁道出版社，2011：25-27.