CN101833312A - 一种光电耦合式终端装置 - Google Patents

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Abstract

一种光电耦合式终端装置，其特征在于：终端计算机C8051通过ADC模块进行信息采集，利用无线电收发模块和激光收发器模块通过多频谱无线光电信号和光纤网络进行通信，把测量信息发送给控制中心，再利用无线电收发模块和激光收发器模块通过多频谱无线光电信号和光纤网络进行通信，把控制中心的控制信息通过光纤网络发给终端计算机C8051，然后终端计算机C8051通过DAC模块把信息输入控制器进行控制。本发明的装置可以克服当前终端信息耦合的单一性，不可移动性的缺点，增强了网络信息交换能力，使总线可以通过多种媒体信息进行测控，构成移动式网络测控总线。

Description

一种光电耦合式终端装置
技术领域
本发明涉及的是一种自动化装置，具体的说是属于自动化领域中的工业控制总线的新型终端装置。
背景技术
网络化控制***的产生直接来源于计算机控制技术的发展与广泛应用。1962年，英国帝国化学工业公司首创了计算机直接数字控制***(DDC)，但到现在为止都是现场的仪表和变送器并未采用计算机作为终端；在通信方面，并未采用先进的通信技术，延用了落后的4-20mA的模拟信号和232、485总线。当前的计算机控制从结构上看，这种控制***过于集中，现场功能弱，所以集中式控制***越来越满足不了复杂现场信息处理与通信的实际需求。
Honeywell公司于1975年推出了第一套集散控制***，针对早期控制***单台计算机集中管理整个控制过程模式中集中的弊端，把一个控制过程分解为多个终端子***，由多台嵌入式计算机协同完成，每台计算机承担一部分功能，而由一台中央主机协调控制，接入第二级的计算机控制***。集散控制***在实际应用中取得了巨大的成功，但也存在一定不足。首先，集散***终端仍是模拟数字混合***，特别是控制终端与现场设备、终端之间的通信方式仍然是单一4-20mA的模拟信号以及232、485规范，其通信速度、通信距离、控制精度有限；其次，它在结构上遵循主从式的思想，终端没有完全突破集中控制思想的束缚；更重要的是，集中控制***DCS领域主要由Honeywell、Rockwell、ABB、横河、西门子等国外大公司占据，其所生产的DCS***都属于非开放式专用网络，相互之间不兼容，不利于提高***组态的灵活性和可维护性，并且不可能互相融合。
当前进入第三代的现场总线控制***，它和集散控制***相比，现场总线控制***(FCS)是一种开放的分布式控制***，它把封闭的专用协议变成标准开放协议，其设备节点中包含了数字处理器，因此具有较强的数字计算和数字通信能力，可实现真正意义上的分布式控制***。当前的控制领域存在19种现场总线协议，但是由于现场总线至今没有实现标准统一，无法实现工业企业综合自动化***中自上(信息管理层)而下(现场设备层)真正透明的信息互访和集成。为了满足现代大型工业生产自动化和过程控制要求复杂化的需求，提供更安全、更可靠、性能更高、集成性更高、数据传输速率更高、成本更低的控制***成为未来控制科学面临的重大问题，而网络控制***的提出和发展已经给出了这个问题的初步答案，如何将自动控制、计算机和光电信息技术三者更紧密的结合，这也成为计算机控制科学一个重要的发展方向。
发明内容
本发明目的是提供增强网络信息交换能力，使总线可以通过多种媒体信息进行测控，可以构成移动式网络测控总线的一种光电耦合式终端装置。
本发明的目的是这样实现的
终端计算机C8051通过ADC模块进行信息采集，利用无线电收发模块和激光收发器模块通过多频谱无线光电信号和光纤网络进行通信，把测量信息发送给控制中心，再利用无线电收发模块和激光收发器模块通过多频谱无线光电信号和光纤网络进行通信，把控制中心的控制信息通过光纤网络发给终端计算机C8051，然后终端计算机C8051通过DAC模块把信息输入控制器进行控制。
本发明有益效果为增强网络信息交换能力，使总线可以通过多种媒体信息进行测控，可以构成移动式网络测控总线。可以配合标准网络软件构建二级网络式总线；可用同时接收与发射多种媒体信息；可用克服终端供电的难题以及减少电磁干扰和电击与雷击损害；减低当前网络总线移动化的硬件和软件成本。克服当前终端信息耦合的单一性，不可移动性的缺点，解决固定式网络测控终端供电困难，抗电磁干扰能力不足的问题。为规范总线终端扩展功能，提供多级化结构。使移动终端方便地接入工业因特网络，以及工业测控因特网。
附图说明
图1是光电耦合式终端结构。
图2是光电耦合式终端的光纤网络程序。
图3是光电耦合式终端运行程序图。
图4是光纤以太网络嵌入式终端实现过程框图。
图5是采用以太网络光电耦合终端构成汽车监测***。
图6是光电耦合终端结构框图。
具体实施方式
1)光电耦合式终端与工业光纤以太网连接
①光电耦合式终端与工业光纤以太网连接采用无线网络中继方式，
②利用红外线无线激光和2.4G无线电的兼容性，采用统一的以太网平台。
③其分布有总线型和星形两种方式。
④和因特网的连接采用无线路由器和无线交换机两种传统方式。
2)光电耦合式终端结构，见图1
①终端计算机采用C8051构成，带有ADC与DAC和红外线光电收发器，无线网络收发器，收发器通过网络光电路由器和交换机与网络连接，通过网络进行远程信息传递。
②信息输入，作传感器输入通过ADC作为传感器信息采集与量化，通过网络终端模数转换器(ADC)，对物理量进行计量，结果数据通过网络进行远程传递。
③信息输出，通过DAC完成，通过网络终端接收主要计算机的控制指令进行远程控制。
3)光电耦合式终端与光纤网络连接的软件平台
①网络软件平台由LabWIEW+Windows+Quaaga路由包构成光纤以太网测控总线平台。LabWIEW与Windows远程控制功能属于常规软件，Quaaga软件***功能实现对瓦斯监测光纤网络局端机控制软件***的总体设计需求，即需要其实现的功能主要包括如下内容：(a)基于Windows构建一个稳定的操作***平台，为嵌入驱动和网管程序运行提供良好的平台支撑，并提供充足的配置文件存储空间。(b)稳定、可靠的驱动BCM5630X核心交换芯片，实现IEEE802.3z协议，建立正常的数据传输通道。(c)根据产品规格书的功能要求，实现对应的协议和功能。包括802.1p，802.1x，802.1q，802.1d，802.3x，IGMP，IGMP-snooping，ACL等等。(d)根据上层网管的需求，提供API接口函数，使得通过网管界面可以实现底层协议和功能的参数指配。支持下面的功能：(a)支持多种网管功能：CLI、WEB、SNMP、EMS等；(b)进程(任务)调度功能，支持特有的内部调度机制，而不是完全由Dos来调度；(c)IPC通讯方式：可以支持分布式IPC通讯的方式，这样可以支持多板间无缝通讯；(d)内存管理机制；可以监控内存分配和释放情况；(e)定时器管理机制；可以定义各种定时器：周期性定时器、相对定时器，绝对定时器等；(f)调试功能；可以设置调试开关来监控***运行的状态；(g)异常处理功能：扑获异常(死循环，内存非法访问)；(h)***可维护功能：内存监控功能、调试打印功能、日志功能、升级功能；建立一个稳定可靠的软件平台需要时间和经验的积累，完全从头开发自己的软件平台需要大量的时间。不妨在一个成熟的构架上作修改和移植，避免自己从头来建立一个构架，这样在软件开发过程中就可以重点关注本***的业务功能实现，迅速的开发出具有自身特色的产品。在开发业务产品的时候，如果认为现有的构架可能不够成熟或以后可能会完全建立自有的平台构架，可以在代码中调用该构架提供的接口函数时，对接口函数作一层封装。如在调用特殊平台提供的IPC通讯的代码，可以封装为ipc_sendmsg。
②光电耦合测控终端网络连接软件采用以太网通用软件。同时具备(a)设备升级功能：提供电信级别的在线升级功能，在***运行的过程中可以通过tftp协议将新的软件加载到设备的Flash中，可以在线升级ppcboot/linuxkernel/ramdisk。API调试功能：由于软件划分的关系，嵌入式项目组向网管提供的是一些API集合，网管通过调用这些API函数完成对设备的维护，这样需要有一个能模拟网管的模块来调用这些API函数集，这样，可以在CLI中实现APIdebug模式，在该模式下可以输入说有嵌入式项目的API调试命令接口，这样方便联调时的问题定位和跟踪。(b)可移植性，构架代码所有代码采用标准C来实现，代码可以直接在PC/linux和ppc/linux上自由的移植，但由于个别模块采用了linux的一些***调用，不能自由的移植到其它os如：windows和VxWorks上，但这样的代码很少，如果需要的化，可以考虑化人力来将这部分代码改写为完全可移植的代码。
可分为(a)管理子***，包含SNMP agent、Web Server和Telnet三个子模块。SNMP agent即SNMP协议的代理进程，提供和EMS的通讯接口，通过SMUX(SNMP多路复用管理)协议实现对其他模块中MIB(管理信息库)的访问控制。Web Server即HTTP访问服务器模块，通过运行的管理配置页面，响应基于HTTP协议的访问请求，并通过snmp协议来实现对MIB的访问，从而完成WEB方式的***配置和维护。Telnet即TelnetClient登录服务模块，使用标准的telnetclient就可以登录到***的主控盘上，通过CLI提供的各种命令，实现相关的测试、升级等操作。如图可知，管理应用模块如下：SNMP agent：SNMP协议的代理进程，提供和EMS网管软件SNMP Manager的通讯接口，并实现对MIB的访问控制。本模块基于Net-SNMP5.0.2开放源代码软件包进行移植开发，支持snmpv1/v2c，支持标准MIB2/EtherMIB等，通过SMUX(扩展代理协议)实现对其他功能模块中MIB的访问控制。Web Server：HTTP访问服务器模块，通过运行的管理配置页面，响应基于HTTP协议的访问请求，并通过snmp协议来实现对smib的访问，从而完成WEB方式的***配置和维护。Telnet：Telnet Client登录服务模块，使用标准的telnet client就可以登录到SCU上，提供ANSI/VT100兼容的全屏控制界面，通过CLI提供的各种命令，实现相关的诊断、测试、升级等操作。telnet功能模块和***业务模块、***支撑模块统一编译为一个SAM进程。(b)业务子***，业务子***的主要功能由各个业务子模块分别提供，由支持子***将它们连接起来实现EPON的具体功能，整体上划分为功能业务类、驱动接口类和底层硬件驱动类三大类。如上框图功能业务类包含如下功能子模块：23Hot Plug Detection(即热插拔检测及处理)：热插拔检测及处理功能模块，用于实时检测***硬件板卡的在位状态，并执行相应的软件处理。RedundantProtection Swap(主控冗余保护和倒换处理)：主控冗余保护和倒换处理模块，保证***中在位的两块主控盘在同一时间只有一块处于工作状态，另一块处于备用状态，并实时监测相关运行状态，一旦发生故障就进行自动倒换，以保障***的稳定连续工作。Upgrade(软件升级)：C8000***还提供了软件在线升级的功能，通过tftp协议将软件加载到SCU上后，在分别加载到各个单板上，完成各个单板软件的在线升级。VLAN(虚拟局域网)：用来提供对底层VLAN处理的API函数的进一步封装，为上层管理接口提供简单清晰的配置接口，实现802.1Q VLAN的管理配置功能。IGMP(组播)：用来提供对底层IGMP snooping处理的API函数的进一步封装，为上层管理接口提供简单清晰的配置接口，实现IGMP snooping的管理配置功能。Others模块是已提供或者有待扩展的配置功能，C8000***提供的配置功能还包括802.1p优先级、SLA业务水平协定、ACL访问控制列表、带宽分配等等，都需要对底层的相应处理函数作二次封装，为上层管理接口提供清晰统一的API接口。驱动接口类包括PON芯片：提供对PON芯片的访问控制和接口函数，并在初始化后运行若干线程，实现OLT/ONU的检测、自动发现及配置，授权及加密管理、业务指配、统计量收集等功能。主交换芯片：通过***调用(ioctl)方法和主交换芯片(BCM Kernel Driver)内核驱动模块通讯，提供对bcm5690芯片的访问控制和接口函数。MCU(单片机)提供对***盘卡上单片机的访问控制和接口函数。底层硬件驱动类主要是主交换芯片Kernel Driver模块，Broadcom交换芯片的驱动程序，作为内核模块运行。用户空间的应用程序通过***调用(ioctl)方式实现访问。(c)***支撑子***，***支撑模块完成构架设计，将业务功能连接起来，下面主要讲述***支撑功能模块的功能：通过Smux协议支持私有mib的snmp的管理接口；通过telnet协议支持类IOS的CLI命令行管理接口；通过socket以C-S结构的方式完成了分布式IPC的多板通讯方式；内部多线程库，在一个进程中可以同时监听多个用户同时操作、多个其它进程同时和核心进程通讯；具有丰富的功能模块，如内存管理、链表管理、定时器管理、日志管理。通过telnet协议支持类IOS的CLI命令行管理接口，SAM模块的CLI模块支持类似IOS的CLI命令行方式的维护接口，SAM进程通过监听一个sockt端口来完成telnet登陆的情况，并可以同时接受多个client端的命令输入和输出。CLI提供了命令自动帮助、telnet server、telnet vty、用户鉴权等功能。VTY模块：VTY模块提供了虚拟终端的功能，和telnet配合，可以提供telnet方式的虚拟终端功能；和readline模块配合提供控制台的虚拟终端的功能；CMD模块：CMD模块是我们需要的核心，CMD模块提供了类似IOS的命令行的接口，它主要提供了命令模板管理、命令行注册，命令行解析，命令执行等功能，为我们提供了强大的命令行接口。
③基本运行程序，见图2，图3。
在需要完成工业测控总线终端任务场合，先构建工业化的以太网，然后把本发明的光电耦合式终端通过多频率以及多光谱收发器连接起来，配合相应的终端测控硬件与通用以太网网络软件，即可实现工业测控网络各种功能。如图4所示。
实例：采用以太网络嵌入光电耦合终端构成汽车监测***。
由于汽车的移动性，监测总线终端最佳的信息耦合***就是采用光电耦合方式。汽车带有光电耦合终端，作为带有IP地址的节点可以有效接收与发射测控信息与工业测控网络进行移动中信息交换。大大提高汽车监测的工作效率。如图5所示。
①设备需要。连有工业以太网的计算机一套，汽车发动机传感器一套，汽车遥控传感器一套，汽车移动计费***一套，光电耦合终端3个，，带光电收发器的网络理由器，交换机各一个。
②网络测控终端结构。网络控制终端由低功耗C8051单片机构成，通过ADC、DAC连接汽车发动机传感器，汽车遥控传感器，汽车移动计费***，通过光电耦合终端连接光电收发器的网络理由器，交换机，采用通用以太网软件实现移动目标的网络化测控功能。见图6。

Claims (1)

1.一种光电耦合式终端装置，其特征是：终端计算机C8051通过ADC模块进行信息采集，利用无线电收发模块和激光收发器模块通过多频谱无线光电信号和光纤网络进行通信，把测量信息发送给控制中心，再利用无线电收发模块和激光收发器模块通过多频谱无线光电信号和光纤网络进行通信，把控制中心的控制信息通过光纤网络发给终端计算机C8051，然后终端计算机C8051通过DAC模块把信息输入控制器进行控制。
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