基于嵌入式系统的生产线智能监控终端络通信的设计

　摘 要：生产线智能监控系统是企业现在迫切需要快速、准确、高效的服务，而监控系统中监控数据的传输是其重要的研究内容。现以冲压自动化生产线为智能监控系统的研究背景，采用Linux操作系统，监控终端作为服务器，中央监控系统作为客户端，将上位机采集到生产线上各个传感器监控的数据，再通过工业以太网将监控数据汇总至中央服务器，采用套接字编程的方法，实现监控终端与中央监控系统之间的网络通信，完成了网络通信的低成本高效率解决方案。
　　关键词：智能监控系统；监控终端；中央监控系统；工业以太网
　　1 概述
　　冲压成形是我国现工业制造生产中最普遍的生产工艺，所以冲压设备被广泛使用，其中钣金件的90%是靠冲压成形。但是冲压自动化生产线集成冲压设备和冲压机器人等诸多设备，其复杂性也大大增加，所以故障率也大大增加。这种形势下，对整个金属零部件冲压自动化生产线的生产过程进行监控，才可以保证整条冲压生产线能够连续正常生产。智能监控系统可采用嵌入式设备的远程网络通信来显示和处理数据。作者设计的应用于嵌入式设备的网络通信解决方案，其程序简单，使用灵活方便，成本相当低廉。用在工业生产线上可提高冲压生产的工艺水平、制造质量及生产效率，降低生产成本。
　　2 硬件结构
　　冲压自动化生产线智能监控系统的实现是监控终端通过485总线，与压机、上下料机械臂等自动冲压线的各种装备进行通讯，汇总统计各项生产监控数据。然后与中央监控系统进行通讯，将采集到的冲床数据经以太网传入中央监控系统进行显示和处理。如图1所示。
　　根据系统要求，监控终端可采用以嵌入式处理器为核心的嵌入式设备，硬件架构采用核心板加底板的方式，可方便进行功能扩展。底板上不同功能电路分模块处理，且配备了多种通讯接口，使冲压生产线设备与各个模块可以灵活组合，增加系统的灵活性。
　　2.1 处理器选择
　　本设计采用的是三星推出的一款适用于智能手机和平板电脑等多媒体设备的应用处理器——S5PV210，S5PV210又名“蜂鸟”（Hummingbird）。具有低成本、低功耗、高性能、可扩展性强的特点。以S5PV210处理器为硬件平台的核心采用了ARM CortexTM-A8内核，ARMV7指令集，主频可达1 GHZ，性能强大，可以实现2亿条指令集/秒的高性能运算能力，具有强大的硬件编解码功能。
　　DM9000AEP是由台湾DAVICOM公司推出的一款完全集成的和符合成本效益高速以太网芯片，集成10/100M自适应收发器。48脚LQFP封装，可支持8位或16位工作模式，工作电压3.3V/5V，低功耗、高性能。
　　2.2 网络通信硬件设计
　　本设计的硬件平台即监控终端主要包含核心板和扩展板两部分，核心板含有S5PV210微处理器、DDR2芯片和FLASH芯片。扩展板主要扩展了两个串口、以太网口、USB HOST接口、LCD接口、SD卡接口、调试接口以及多个电路模块等等，可根据需要的功能采用电路模块。如图2所示。
　　3 软件平台
　　文章软件平台的设计采用C/S（客户端/服务器）模式，以中央监控系统即任意一台PC机为客户端，以带有S5PV210处理器的监控终端为服务器。当客户端需要查看数据时，就向服务器发送请求，服务器就会将信息通过网络传给客户端。下面讨论通信系统软件的具体设计与实现。
　　3.1 开发环境搭建
　　因为嵌入式设备的处理器与PC机上处理器有着不同的架构，即前者的运算能力和存储能力有限，因此需要使用交叉编译工具在PC机上构建出一个交叉编译环境以便在PC机上编译出能在嵌入式设备处理器架构上运行的程序。所以文章采用的交叉编译器为arm-linux-gcc，开发时在宿主机上的进行交叉编译生成可执行文件，然后，把可执行文件下载到目标机上运行。文章以PC机为宿主机，采用Linux操作系统，嵌入式硬件设备为目标板，目标机和宿主机之间通过网络完成数据传输等任务，宿主机与目标机开发模式。如图3所示。为了支持宿主机/目标机这种嵌入式开发模式，宿主机/目标机需要安装相应的软件并进行相应功能的配置，在进行嵌入式系统的开发过程中，使用的配置如表1所示。
　　3.2 操作系统移植
　　建立嵌入式开发的交叉编译环境之后，进行BootLoader的移植。BootLoader是在操作系统内核运行之前运行，可以初始化硬件设备、建立内存空间映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适状态，以便为最终运行操作系统内核、运行用户应用程序准备好正确的环境。BootLoader有很多种，ARM平台上有ARMboot、StrongARM、vivi、U-Boot等。本平台选择的是U-Boot，U-Boot的全称为Universal Boot Loader，是遵循GPL条款的开放源码项目。
　　一个完整的嵌入式Linux系统除了引导加载程序以外，还需要包括Linux内核、必要的设备驱动程序、以及文件系统，这是嵌入式Linux系统移植重要的部分。
　　进行Linux内核移植，首先进行初步配置，利用内核中已经存在的三星官方针对S5PV210处理器的监控终端进行配置，之后针对嵌入式系统硬件平台的不同以及移植过程中出现的问题，分别对网卡DM9000AEP、Nand flash、LCD等外设进行配置与移植，使得嵌入式Linux能够在嵌入式系统上运行。
　　进行嵌入式Linux的根文件系统的构建，先选择BusyBox进行构建嵌入式Linux根文件系统的工具集，进行BusyBox的配置与移植。之后再编译与安装后的BusyBox中进行建立一些目录，进行根文件系统的构建。同时建立一些脚本供BusyBox使用以及设置嵌入式Linux系统的环境变量。
　　3.3 Linux系统下网络通信套接字，英文名字socket，是一种双向的通信端口。网络程序设计全靠套接字接受和发送信息。套接字是一种使用标准UNIX文件描述符。套接字可以看作是处于不同主机之间的两个程序的通信连接端点。一方面程序将要传输的信息写入套接字中，另一方面则通过读取套接字内的数据来获得传输的信息。
　　常用的TCP/IP协议有三种套接字类型。
　　（1）流套接字（SOCK_STREAM）
　　（2）数据报套接字（SOCK_DGRAM）