嵌入式网络化远程输入输出系统技术方案

本发明专利技术公开一种嵌入式网络化远程输入输出系统，它是一个具有以太网接口的分布式输入输出系统，主要应用于工业自动化控制领域，由ＮＥＴＷＥＢ模块、Ｉ／Ｏ模块及控制程序模块组成，ＮＥＴＷＥＢ模块负责网络传输、网络监控，及通过ＲＳ－４８５接口对现场数据进行采集、处理，控制Ｉ／Ｏ模块；Ｉ／Ｏ模块完成现场信号的采集和对现场的设备进行控制；控制程序模块存储于ＮＥＴＷＥＢ模块中的程序存储器里。用户可以根据需求构成一个从几点到几百点的可大可小的远程监测／监控系统。该系统是一个分布式Ｉ／Ｏ系统，依靠ＷＥＢ浏览器便可以实现监测、控制功能，其实时性能、网络性能、可靠性能是其他系统难以比拟的。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及自动控制领域，具体地说是一种嵌入式网络化远程输入输出系统。该系统通过32位单片机实现Internet网络通讯的手段，与异地网络上的计算机实现远程联接；通过RS-485接口与现场I/O模块连接，来完成设备的监测、监控、诊断和维护，并借助计算机网络技术，最终实现设备的维修和故障排除。
技术介绍
随着Internet应用的日益普及，信息共享的程度不断提高。传统的Internet应用以PC为中心，当今的Internet应用将转向以嵌入式设备为中心。对于以单片机应用系统为中心的小型嵌入式设备，怎样利用方便的Internet资源将嵌入式设备的信息共享到Internet上，成为当今电子产品开发的重点。IA(Internet Appliance)概念的流行表明Internet应用已经进入嵌入式Internet时代。据网络专家的预测，将来在Internet上传输的信息中，将有70％的信息来自于小型嵌入式系统。其中，利用单片机实现嵌入式Internet方案的技术难点在于1、如何利用单片机自身有限的资源对信息进行TCP/IP协议处理，使之变成可以在Internet上传输的IP数据包。2、在单片机中运行实时内核。从解决这一技术问题出发，目前有如下几种方案1.Gateway+专用网采用专用网络(如RS-232，RS-485，CAN Bus等)把一小批单片机连接在一起，然后再将该专用网络连接到一个PC上，该PC作为网关将专用网络上的信息转换为TCP/IP协议数据包，然后发到网上实现信息共享。该方案可以连接多种单片机。缺点a.需要依赖PC机作网关进行协议转换，在多个单片机系统分散的情况下，专用网络布线极为不便；b.需要在PC机上安装专门的协议转换软件，该软件通常由专门的第三方软件商提供，费用较高。2.32位MCU+RTOS采用32位的高档单片机，在RTOS(实时多任务操作系统)的平台上进行软件开发，在嵌入式系统中实现TCP/IP的协议处理。由于采用高档单片机，该方案可以完成很多复杂的功能。但这种方案存在如下缺点 需要购买或选用免费的RTOS开发软件，对开发人员的开发能力要求较高。3.Scenix MCU+虚拟软件包(网络单片机)采用Scenix公司提供的8位单片机即可实现Internet接入功能。由于该单片机是迄今世界上最快的单片机(每秒1亿条指令)，可以实现实时多任务操作(时间片轮询)。在MCU执行数据采集和控制功能的同时把数据打包，发送到Internet上。该方案具有如下优点a.不依赖PC机或高档单片机，真正实现8位单片机系统直接接入Internet，整个系统完全自给自足；b.使用外围器件少，系统成本低；c.由于Scenix公司免费提供用于Internet处理的软件模块，使开发周期大大缩短，开发成本大大降低。缺点外围资源少，不是占先式的实时操作系统。
技术实现思路
为了克服PC机的高费用、8位或16位机外围资源少，运行实时内核上的困难，本专利技术的目的是提供一种不依赖PC机、费用低、易推广、使用灵活、易于维护、外围资源丰富，采用占先式实时操作系统的网络化远程输入输出系统。为了实现上述目的，本专利技术的具体技术方案如下该系统由三部分组成NETWEB模块、I/O模块及控制程序模块，其中NETWEB模块运行Internet网络协议栈，通过RS-845总线管理I/O模块，完成分布式I/O控制，还通过网络传输部分与以太网之间收发数据，实现数据的网络传输及通过Internet网络对现场设备进行远程监控，数据采集；控制程序存储于NETWEB模块中的程序存储器里；I/O模块通过RS-485总线与NETWEB模块通讯，各输入输出功能模块完成现场信号的采集、转换，并对现场控制对象实施控制。NETWEB模块包括-第一单片机；-动态数据存储器，存储NETWEB模块中第一单片机运行的控制程序，还存储所述I/O模块采集的现场数据、现场的状态信息和时间信息；-非易失性数据存储器，主要存放为NETWEB模块设定的通讯波特率、IP地址、子往掩码、网关、I/O模块组态信息参数；系统上电时由第一单片机读取；-程序存储器(FLASH)，用来存放操作系统内核提供的调度程序、网络协议TCP(UDP)/IP、各功能控制程序模块和RS-485接口通讯协议，并通过第一单片机运行控制程序模块中RS-485通讯模块程序，经RS-485接口与I/O模块相连；-时钟，为NETWEB模块提供时间信息，NETWEB模块断电后，由电池独立供电；-物理层，与第一单片机确连接，用来完成TCP/IP网络协议中的第一层部分；-RS-485总线，连接NETWEB模块和各I/O模块，I/O模块的初始化参数以及采集的现场数据通过该总线送往NETWEB模块的动态数据存储器及非易失性数据存储器，通过此接口，主要主站完成I/O模块的识别、数据通讯操作。NETWEB模块提供网络连接的物理接口可为以下的一种方式或其组合方式一是通过超五类非屏蔽双绞线经RJ45接口接入以太网方式，通过10M/100M网络物理层驱动组成的以太网接口连接到以太网(Internet)上；二是通过调制解调器的电话接入方式，并通过RS-232接口与调制解调器连接，再经RJ11接口及电话线路接入以太网，进行远程传输数据、监控，调制解调器接入功能为设备的可选功能，内还运行程序功能模块，与以太网接口、RS-485接口及RS-232接口双向通讯。所述NETWEB模块既可以作为以太网现场的接入设备，也可作为RS-485通讯的主设备，第一单片机通过其内部集成介质访问控制器(MAC)对发送的数据进行编码，同时在接收数据过程中能自动地利用介质访问控制器对接收数据进行帧校验。所述由NETWEB模块最大可动态地控制、管理的所述I/O模块可为32～256个，主要包括模拟量输入模块、模拟量输出模块、开关量输入模块、开关量输出模块、脉宽调制输出模块等。模拟量输入模块AI由第二单片机、第一模/数转换器、多路开关转换器及第一光电隔离器组成，第二单片机通过开关转换器选择输入被测信号，信号经模/数转换器，送至第二单片机，再通过RS-485接口与NETWEB模块通讯，在第一模数/转换器和第二单片机之间设有第一光电隔离器；模拟量输出模块主要由第三单片机、第一～二数/模转换器及第二光电隔离器组成，第三单片机输入信号来自NETWEB模块，其输出信号经第二光电隔离器送至第一～二数/模转换器，第一～二模/数转换器输出信号送至外围控制设备；开关量输入模块主要由第四单片机及第三光电隔离器组成，外界各种开关信号为光电隔离器输入信号，第三光电隔离器输出信号送至第四单片机，第四单片机经RS-485接口与NETWEB模块通信，将输入数据传送给NETWEB模块；开关量输出模块主要由达林顿驱动器、第五单片机及第四光电隔离器组成，第五单片机经RS-485接口与NETWEB模块通信，通讯信息是的输入信号，输出端经第四光电隔离器至达林顿驱动器，达林顿驱动器输出信号分八路经继电器至控制现场。I/O模块包括模拟量输入模块、模拟量输出模块、开关量输出模块、开关量输入模块中的每个模块都包括一个配置信息存储器，与单片机相连，与NETWEB模块连接采用标准的RS-485接口方式，根据选用的RS-485接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种嵌入式网络化远程输入输出系统，其特征在于：包括ＮＥＴＷＥＢ模块、Ｉ／Ｏ模块及控制程序三部分，其中：　　　　ＮＥＴＷＥＢ模块运行Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络协议栈，通过ＲＳ－４８５总线管理Ｉ／Ｏ模块，完成分布式Ｉ／Ｏ控制，还通过网络传输部分与以太网之间收发数据，实现数据的网络传输及通过Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络对现场设备进行远程监控，数据采集；　　　　控制程序存储于ＮＥＴＷＥＢ模块中的程序存储器（ＦＬＡＳＨ）里；　　　　Ｉ／Ｏ模块通过ＲＳ－４８５总线与ＮＥＴＷＥＢ模块通讯，各输入输出功能模块完成现场信号的采集、转换，并对现场控制对象实施控制。

【技术特征摘要】
1.一种嵌入式网络化远程输入输出系统，其特征在于包括NETWEB模块、I/O模块及控制程序三部分，其中NETWEB模块运行Internet网络协议栈，通过RS-485总线管理I/O模块，完成分布式I/O控制，还通过网络传输部分与以太网之间收发数据，实现数据的网络传输及通过Internet网络对现场设备进行远程监控，数据采集；控制程序存储于NETWEB模块中的程序存储器(FLASH)里；I/O模块通过RS-485总线与NETWEB模块通讯，各输入输出功能模块完成现场信号的采集、转换，并对现场控制对象实施控制。2.按照权利要求1所述嵌入式网络化远程输入输出系统，其特征在于所述网络传输采用通过以太网接口的接入以太网方式和/或通过调制解调器(MODEM)的电话接入方式。3.按照权利要求1所述嵌入式网络化远程输入输出系统，其特征在于所述NETWEB模块包括-第一单片机(CPU1)；-动态数据存储器(SDRAM)，存储NETWEB模块中第一单片机(CPU1)运行的控制程序，还存储所述I/O模块采集的现场数据；-非易失性数据存储器(NVRAM)，主要存放为NETWEB模块设定的信息参数；由第一单片机(CPU1)读取；-程序存储器(FLASH)，用来存放操作系统内核程序、网络协议TCP(UDP)/IP、各功能控制程序模块和RS-485接口通讯协议，并通过第一单片机(CPU1)运行控制程序模块中RS-485通讯模块程序，经RS-485接口与I/O模块相连；-时钟(CLOCK)，为NETWEB模块提供时间信息；-物理层(PHY)，与第一单片机(CPU1)连接，用来完成TCP/IP网络协议中的第一层部分；-RS-485总线，连接NETWEB模块和各I/O模块，进行数据通讯操作。4.按照权利要求1所述嵌入式网络化远程输入输出系统，其特征在于所述由NETWEB模块可动态地控制、管理的所述I/O模块可为32～256个，主要包括模拟量输入模块(AI)、模拟量输出模块(AO)、开关量输入模块(DI)、开关量输出模块(DO)、脉宽调制输出模块(PWM)。5.按照权利要求4所述嵌入式网络化远程输入输出系统，其特征在于模拟量输入模块(AI)由第二单片机(CPU2)、第一模/数转换器(A/D1)、多路开关转换器(MUX)及第一光电隔离器(OPT1)组成，第二单片机(CPU2)通过开关转换器(MUX)选择输入被测信号，信号经模/数转换器(A/D1)，送至第二单片机(CPU2)，再通过RS-485接口与NETWEB模块通讯，在第一模数/转换器(A/D1)和第二单片机(CPU2)之间设有第一光电隔离器(OPT1)。6.按照权利要求4所述嵌入式网络化远程输入输出系统，其特征在于模拟量输出模块(AO)主要由第三单片机(CPU3)、第一～二数/模转换器(D/A1～D/A2)及第二光电隔离器(OPT2)组成，第三单片机(CPU3)输入信号来自NETWEB模块，其输出信号经第二光电隔离器(OPT2)送至第一～二数/模转换器(D/A1～D/A2)，第一～二模/数转换器(D/A1～D/A2)输出信号送至外围控制设备。7.按照权利要求4所述嵌入式网络化远程输入输出系统，其特征在于开关量输入模块(DI)主要由第四单片机(CPU4)及第三光电隔离器(OPT3)组成，外界各种开关信号为光电隔离器(OPT3)输入信号，第三光电隔离器(OPT3)输出信号送至第四单片机(CPU4)，第四单片机(CPU4)经RS-485接口与NETWEB模块通讯，将输入数据传送给NETWEB模块。8.按照权利要求4所述嵌入式网络化远程输入输出系统，其特征在于开关量输出模块(DO)主要由达林顿驱动器(ULN)、第五单片机(CPU5)及第四光电隔离器(OPT4)组成，第五单片机(CPU5)经RS-485接口与NETWEB模块通讯，通讯信息是第五单片机(CPU5)的输入信号，输出端经第四光电隔离器(OPT4)至达林顿驱动器(ULN)，达林顿驱动器(ULN)输出信号分八路经继电器(RELAY)至控制现场。9.按照权利要求5、6、7或8所述嵌入式网络化远程输入输出系统，其特征在于模拟量输入模块(AI)、模拟量输出模块(AO)、开关量输入模块(DI)、开关量输出模块(DO)中的每个都包括一个配置信息存储器(EEPROM)，与单片机相连。10.按照权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：于海斌，王宏，张彦武，林跃，杨铁，王兴旭，石刚，李正，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]