２∞５年第４期计算机系统应用基于单片机的分布式以太网管理系统ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔＥｔｈｅｒｎｅｔＳｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＯｎｅ—ｃｈｉｐＣＯｍｐｕｔｅｒ张浩平（南京林业大学信息科学技术学院２１００３７）摘要：本文提出了一种以ＰＣ机为上位机，单片机为下位机而组建的分布式以太网交换机管理系统的设计和实现，阐述了基于单片机的ＴｃＰ／ＩＰ协议的实现，并给出了系统软、硬件的组成。关键词：以太网单片机ＴＣＰ／ＩＰ协议１系统功能工业以太网最大的优势之一就是可以和信息以太低、安装简单、实用性强。在正常情况下，网管中心服务器轮询网络管理节点设备，管理设备收到轮询命令后，将电源供电状况和环境温度数据上传给网管中心服务器，如果能顺利收到网管中心服务器的确认，则可以认为交换机工作正常。如果发生以下异常时，管理设备进入故障处理程序。利用温度传感器来测试交换机的环境温度，管理设备将环境温度信息上传给网管中心服务器。这对于需要安装空调设备的汇聚层交换机机房尤为有用，当因为空调设备发生故障而导致机房温度超限时，管理员能及时发现。网实现无缝集成，本项目尝试完全利用信息网络来实现分布式监控，具有一定的典型意义。我们设计了一种基于单片机的“外挂式”网络管理节点设备。该设备以单片机为核心，安装有ＴｃＰ／ｌＰ协议和以太网网卡，连接到被管理的交换机的端口上，一方面监控交换机、交换机供电电源等设备的运行状态，另一方面还可以通过网络与网管中心交换信息。实际上，该设备利用现有的信息网络构成了基于ＴＣＰ／ＩＰ协议的工业以太网，是整合工业以太网与信息以太网的典型应用。其系统架构如图１所示：２系统硬件组成光单片机具有成本低、功能强、抗干扰性能好等特点，一直是工业过程控制底层的首选机型，因此，以Ｐｃ机为上位机，单片机为下位机而组建的工业以太网是一种具有低成本、高效率的较为理想的控制网络系统。本系统是以网管中心服务器（ＰＣ机）作为上位机，以单片机为核心的管理设备作为下位机，并利用信息网络而构成的工业以太网。本系统的硬件按功能划分为两个部分：监控部分和通信部分。监控部分共由三个采集通道、一个控制通道图１系统架构图组成。处理器采用Ｃｙｇｎａｌ的Ｃ８０５１高速单片机，速度可达２５ＭＩＰＳ，片内４３５２字节数据鼬Ｍ，６４ＫＢＦｌａｓｈ程序存储器，８个８位的端口Ｉ／Ｏ，片内带有温度传感器。对供电电源状态的采集通道有两个，一个是基于单片机的“外挂式”网络管理节点设备拥有固定的ＩＰ地址和ＭＡＣ地址，按照ＵＤＰ协议规范与网络中其它设备进行通信，原有的网络无须作任何改动，在网络中可以将其视为普通的客户机节点，且成本很对２２０伏市电输出状态的采集，另一个是对ＵＰＳ逆变ＰｒｏｄｕｃｔＡｐｐｌｉｅｄ产品应用９１万方数据 计算机系统应用输出状态的采集，均为开关量。通过电流互感器、变送器采集到的电压经整流、稳压送入光电隔离器，最后接入单片机的Ｉ／Ｏ端口，单片机的监控程序通过采集端口状态来确认供电电源是否正常。另一个采集通道为环境温度采集，可借助单片机片自带的温度传感器来获得环境温度数据。控制通道用于执行交换机的重启操作，由单片机的Ｉ／Ｏ端口、光电隔离器和继电器构成。通信部分由１０Ｍ以太网控制芯片ＲＴＬ８０１９ＡＳ或ＲＴＬ８０２９ＡＳ、ＲＪ一４５接口等构成。单片机则通过ＲＴＬ８０１９Ａｓ及ＲＪ一４５接口、５类双绞线接入交换机的端口。由台湾Ｒｅａｎｅｋ；公司生产的ＲＴＬ８０１９ＡＳ以太网控制器，由于其优良的性能、低廉的价格，使其在市场上的网卡中占有相当的比例。考虑到本系统的数据传输量不大，对实时性要求并不是非常高，为尽量节约单片机的Ｉ／Ｏ端口，采用了７４Ｈｃ５７３锁存器来实现地址线、数据线复用的方案。ＲＴＬ８０１９Ａｓ的ＭＡＣ地址由软件在初始化时写入，当单片机向网上发送数据时，先将一帧数据通过远程ＤＭＡ通道送到ＲＴＬ８０９１Ａｓ中的发送缓存区，然后发出传送命令；ＲＴＬ８０９１Ａｓ接收到的数据通过ＭＡＣ比较、ＣＲＣ校验后，由ＦＩＦＯ存到接收缓冲区；收满一帧后，以中断或寄存器标志的方式通知主处理器。３系统软件组成和硬件系统相对应，软件也由数据采集模块、控制模块和通信模块所构成。数据采集模块负责采集交换机的电源状态，控制模块负责交换机的重启操作，通信模块负责与网管中心的服务器交换信息。系统采用网管中心服务器轮询各管理设备的方法，管理设备收到轮询命令后，将现场数据上传给网管中心服务器，网管中心服务器再下发确认命令。如果管理设备与网管中心服务器失去联系（包括超过轮询周期依然未收到轮询命令或上传数据后收不到网管中心服务器的确认信息），则进行故障处理程序。故障处理的第一步是对交换机进行检测，以确认是否是交换机的故障，采取以下几个步骤进行检测：（１）继续与网管中心服务器联络１０次，以确认不是因为交换机偶尔的丢包而导致通信的暂时中断。如果依然不成功，进入下一步检测。９２产品应用ＰＩｏｄｕｃｌＡｐｐｌｉｅｄ万 方数据２００５年第４期（２）为确认不是因为网管中心服务器的故障而导致的通信中断，管理设备要和网络中其他“外挂式”网络管理节点设备进行联络，如果能收到其他管理设备的回应，说明交换机正常。（３）确认交换机供电电源是否正常。（４）检测自身的网卡是否正常，方法是进行自发自收的操作。经过以上几个步骤检测后，如果确认是交换机故障，则进入重启交换机的操作，方法是断开可控电源开关１０秒钟后再合上可控电源开关，３分钟后再进行检测，看交换机是否能恢复正常。如重启操作３次均不成功，则放弃操作。如果检测到市电掉电，但交换机工作正常。说明ｕＰｓ已投入工作，管理设备及时将报警信息上传给网管中心服务器。数据采集模块和控制模块的程序框图如图２所示。实现通信模块的关键技术之一是基于单片机的ＴＣＰ／ＩＰ协议的实现。由于单片机的资源规模很小，要实现庞大的ＴｃＰ／ＩＰ协议显得力不从心，而监控场合的一般数据量都很小，因而可以舍弃较为复杂的ＴＣＰ协议，而用ＵＤＰ协议取代之。为提高其可靠性，在高层协议上采取一些措施：采用上位机轮询、下位机回应的方法，并按照“三次握手”的规范进行通信，即下位机回应后，上位机再向下位机发一确认。同时增加校验码，对数据进行较严格的校验，以提高可靠性。４ＴＣＰ／ＩＰ协议的简化要在只有有限资源的单片机上实现ＴＣＰ／ＩＰ协议，无疑要进行简化，既要最大限度的减少程序量的开销，又要保证其正确性和实用性。根据本系统的特点，在以下几个方面进行简化。首先，在传输层采用ＵＤＰ协议，一方面ＵＤＰ协议简单而又高效，另一方面ＵＤＰ协议符合ＴＣＰ／ｌＰ规范，使得单片机与ＰＣ机的ＷｌＮＤＯＷＳ进程之间的通信不会有任何问题。更重要的是ＵＤＰ协议的程序开销要比ＴｃＰ协议的程序开销小得多。当然，由于ＵＤＰ协议省略了如错误校验、流量控制等保证通信可靠性的功能，属不可靠的无连接协议，但在局域网中，其网络环境比较优越且误码率很低，因此，我们只须在高层协议中根据实际情况加入一些错误校验手段，完全可以保２００５年第４期证数据的可靠性和正确性。ＩＰ协议是网络通信的基础，必须保证其完整性。为了保证单片机能与ＰＣ机的ｗｉｎｓｏｃｋ建立通信连接，我们先分析～下ｗ．ｎｓｏｃｋ的通信流程。计算机系统应用管中心服务器所连接的核心交换机的静态ＡＲＰ表中，当网管中心服务器的ｗ．ｎｓｏｃｋ发ＡＲＰ请求时，核心交换机立刻就能向网管中心服务器返回管理设备的ＭＡｃ地址，从而可以省略单片机的回应ＡＲＰ请求功能。反过来，当单片机作为客户端发信时，可以将上位机的ＭＡＣ地址以人工方式事先存入单片机，在发起通信时就不必发送ＡＲＰ请求，直接按照上位机的网卡地址发送Ｉｐ数据报，这样，单片机就可以完全省略ＡＲＰ协议。５网管中心服务器网管中心服务器是分布式网络管理设备的控制中心，负责以轮询方式汇总各个监控点的实时数据，并加以分析和处理，同时以模拟图形方式予以显示。一旦发现异常情况，即以报警图形方式显示，通知管理员及时处理，同时将异常情况存入“日志数据库”，便于日后查询。考虑到本系统的数据传输量不大，对图２程序流程框图ＵＤＰ服务器端和一个ＵＤＰ客户端通信的程序过程如图３所示。服务器端创建一个Ｓｏｃｋｅｔ把Ｓｏｃｋｅｔ和本机的客户端实时性要求并不是非常高，网管中心服务器采用普通ＰＣ机来承担。其软件用ＶＢ编写，整个系统由通信模块、数据分析模块、图形显示模块、数据库管理模块和人机交互模块构成。创建一个Ｓｏｃｋｅｔ以广播方式发ＡＲＰ请求，征求服务器的ＩＰ地址所对应的物理地址◆为提高系统的效率和可靠性，网管中心服务器在轮询各个监控点时，以“群发”方式进行。当轮询开始时，管理中心连续地向所有监控点发送轮询命令，并按照人工设置的时限等待回应。对超过时限没有回应的管理设备进行定点查询，以确认是否发生了故障。ＩＰ，ＵＤＰ端口绑定ＡＲＰ回应接收数据关闭Ｓｏｃｋｅｔ获得服务器端的物理地址发送数据关闭Ｓｏｃｋｅｔ．．卜图３参考文献１郑文波，控制网络技术，清华大学出版社，２００１年。２张常年、郭书军，计算机通信与工业控制，化学工业出版社，２００２年。３张浩平，现场总线网络的媒体访问控制技术，“工业控制计算机”，２００２年第７期。ＰＩＤｄｕｃｔ本系统采用的是轮询方式，因此，上位机（网管中心服务器）是作为客户端与作为服务器端的下位机（以单片机为核心的管理设备）进行通信的，由此可以看出单片机的ＡＲＰ协议似乎不可省略。但我们可以将单片机的ｌＰ地址和物理地址（即ＭＡＣ地址）设置到网Ａｐｐｌ矧产品应用９３万方数据 基于单片机的分布式以太网管理系统
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：
张浩平
南京林业大学,信息科学技术学院,210037计算机系统应用
COMPUTER SYSTEMS & APPLICATIONS2005，(4)0次
参考文献(3条)
1.郑文波 控制网络技术 2001
2.张常年.郭书军 计算机通信与工业控制 2002
3.张浩平 现场总线网络的媒体访问控制技术[期刊论文]-工业控制计算机 2002(7)
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引证文献(1条)
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