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基于嵌入式Web服務器的遠程故障診斷系統(tǒng)
摘要：介紹了一種基于嵌入式Web服務器的遠程故障診斷系統(tǒng)的硬件及軟件實現。該系統(tǒng)主要包括遠程數據采集、分析、診斷、仿真等功能。關鍵詞：嵌入式Web服務器數據采集故障診斷仿真
遠程診斷技術是通過設備診斷技術與計算機網絡技術相結合，在設備上建立狀態(tài)監(jiān)測點，采集設備狀態(tài)數據，在診斷中心對設備運行進行分析診斷的一項新技術。用于診斷的系統(tǒng)大致可以分為三類：
·大型的在線狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)；
·以便攜式數據采集器與巡檢裝置的計算機輔助診斷系統(tǒng)；
·利用Internet實現的遠程診斷系統(tǒng)。
在線式系統(tǒng)適用于連續(xù)的狀態(tài)監(jiān)測與診斷，系統(tǒng)構成復雜、費用昂貴、專用性強。而便攜式監(jiān)測與分析系統(tǒng)可以定時或不定時巡檢，適用面廣，用途廣泛。遠程診斷的實現既能使設備的故障診斷更加靈活方便，應用更加廣泛，又能實現資源共享，避免重復開發(fā)。因此，該技術近年來得到飛速的發(fā)展。一般的遠程診斷系統(tǒng)需要在現場配置專用計算機系統(tǒng)，成本較高，本文提出一種基于嵌入式Web服務器的數據采集與診斷系統(tǒng)，它不需要在現場配置專用計算系統(tǒng)。
1系統(tǒng)原理及組成
圖1是基于嵌入式Web服務器的數據采集與故障診斷系統(tǒng)的結構圖。從圖1中可以看出，整個遠程故障診斷系統(tǒng)可分為三個部分：嵌入式Web服務器的數據采集、客戶方局域網、遠程診斷服務器與網上診斷資源。
1.1嵌入式Web服務器
近年來互聯技術發(fā)展的一個重要趨勢就是它被越來越多地用于低成本的場合，如手持設備、智能家電等。8位處理器已經在很多場合替代昂貴的32位處理器實現互聯；而且這種策系統(tǒng)也有著自身的優(yōu)點，例如：低廉的價格、易于與各種傳感器和采集器接口、體積小巧，而且能很方便地擴展各種協(xié)議如UART、I2C、SPI協(xié)議等與以太網協(xié)議的轉換，從而實現遠程數據采集和遠程控制。
本系統(tǒng)中嵌入式Web服務器為客戶方局域網提供網絡接口，同時具有現場數據采集的功能，實現現場采集數據到客戶局域網的數據傳輸�？朔藗鹘y(tǒng)方法中需要現場配置PC機的缺陷，而且更能克服環(huán)境條件的限制。
�。�1）硬件結構
嵌入式Web服務器硬件結構如圖2所示。
本系統(tǒng)中嵌入式Web服務器選擇SX52BD作為主控CPU。SX52BD是美國Ubicom公司專門為網絡通信設計的一款8位超高速控制器，運行速度可高達50MHz。該芯片基于RISC架構、運算速度高、靈活的I/O控制、高效的數據操作，而且支持ISP在線編程。本系統(tǒng)選擇24LC256串行EEPROM作為數據存儲單元（網頁存儲單元）。24LC256是32K字節(jié)的串行EEPROM，通過I2C總線與SX52BD通信。可以存放采集數據或者網頁。如果需要存儲網頁，應該預留網絡下載接口（可以通過I/O口線擴展串行口，網頁內容通過PC機串口下載）。NIC芯片可選擇RTL8019AS或者美國DAVICON公司的DM9008。RTL8019AS是臺灣REALTEK半導體器件公司生產的10BaseT全雙工以太網收發(fā)控制器。這兩款控制器與NE2000完全兼容，只是管腳分布有些不同。數據采集部分可以根據需要自行選擇，具有相當的靈活性。
�。�2）軟件實現
本系統(tǒng)中嵌入式Web服務器的軟件主要由芯片初始化設置、TCP/IP協(xié)議棧的實現、數據采集及處理等模塊組成。在程序中加入基于TCP/IP協(xié)議的用戶自定義數據通信協(xié)議。這樣使客戶局域網中的PC機能夠與嵌入式Web服務器進行自定義的通信，如：發(fā)送數據采集命令、采集參數初始化命令等。
利用SX52BD實現的網絡協(xié)議棧中，物理層功能由網絡接口卡（NIC芯片）來完成。程序的初始化部分包含其驅動程序。網絡層部分加入了地址解析協(xié)議（ARP），實現IP地址到物理地址的映
射。整個結構如圖3所示。
協(xié)議棧的實現主要分為接收數據包的解釋以及發(fā)送數據包的打包。以太網數據以幀的格式進行傳輸，其幀格式如下：（字段沒有按比例畫出，數據單位為Octet）
如果幀類型字段值為0x0806，則為ARP包；如果為0x0800，則為IP數據包。接收幀時，根據不同的幀類型由不同的軟件模塊對它進行處理。發(fā)送數據幀時，也根據不同的幀類型由不同的程序進行打包處理�；痉椒ê吞幚斫邮諑嗤�，只是把讀操作改為寫操作。幀的接收和發(fā)送都是基于物理層對NIC的操作，包括讀接收緩沖區(qū)、寫發(fā)送緩沖區(qū)。NIC采用8位工作方式，對其緩沖區(qū)的操作需要逐一讀寫每個8位組。讀接收緩沖區(qū)時對不同的字段進行判斷、記錄處理。NIC操作具體內容可以參考芯片資料，限于篇幅，不作詳細介紹。
由于在Internet中都使用約定俗成的TCP/IP協(xié)議，因此，基于IP的TCP和UDP協(xié)議起著非常重要的作用。由于SX52BD是一種嵌入式微控制器，內存較小，不能用傳統(tǒng)的方法實現TCP和UCP。因此它們需要很大的緩沖區(qū)來構造套接字（SOCKET），一邊進行應用層的處理。發(fā)送數據時也是這樣，邊處理實用數據邊填充發(fā)送數據。這種方法極大地節(jié)約了內存資源，而且有效地提高了應用程序的處理速度。由于程序的主要功能是接收數據采集命令，真正傳送的數據量很小，不需巨大的緩存空間。
1.2客戶方局域網
客戶方局域網對設備進行在線監(jiān)測及一般故障的診斷，主要負責重要信息的存儲，為數據采集站或現場工作站提供簡單的診斷服務，與外界溝通獲得幫助。數據庫技術是這種監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的一項關鍵技術。系統(tǒng)必須利用數據庫對采樣子系統(tǒng)所采集的實時數據進行分析和處理生成歷史數據庫。庫中數據可以被用戶查詢并進一步分析，從而了解設備的運行狀況和發(fā)展趨勢。在故障發(fā)生后也可對相關測點進行追憶，為診斷和維修提供依據。在本系統(tǒng)中，客戶局域網能夠與嵌入式Web服務器進行通信，對嵌入式Web服務器進行控制�？赏ㄟ^命令應答的方式將采集的現場數據取回進行處理。如果嵌入式Web服務器配置了網頁存儲資源，也可通過訪問嵌入式Web服務器的網頁內容與之進行交互。
1.3遠程診斷服務器與網上診斷資源
遠程診斷服務器是診斷服務提供者在Internet上建立的服務站點。它通常包括：WWW服務器、ASP程序、CGI程序、JAVA小程序（JAVAApplet）。根據實際需要，可能還需建立FTP服務器、電子郵件服務器等。WWW服務器對網絡進行監(jiān)聽，接受用戶從瀏覽器發(fā)出的請求、診斷信息和相關斷，將有關的診斷結果文件及JAVA小程序近回給用戶。診斷服務的主要承擔者是診斷服務主程序和網上的診斷資源，包括診斷專家系統(tǒng)、診斷信號分析系統(tǒng)等。
圖4
2系統(tǒng)實現與應用
本系統(tǒng)用于發(fā)電機及低壓配電網中的變壓器故障檢測診斷，如振動、掉相、欠壓、過壓、超載、功率越界等。數據采集在嵌入式Web服務器的I/O端口上接入相應傳感器，使用實驗室的局域網資源，用一臺微機作為客戶機與嵌入式Web服務器通信，同時訪問遠程診斷服務器。遠程診斷服務器利用WindowsNT4.0及IIS4.0作為操作系統(tǒng)和WWW服務器，并在此基礎上分別利用MicrosoftInterdev和VisualC++開發(fā)建立遠程診斷系統(tǒng)。
診斷時，客戶端微機利用WWW瀏覽器登錄診斷服務器，并在交互式網頁中，利用表單提供故障征兆信息和數據文件，請求診斷服務。診斷服務器調用診斷資源進行診斷得到的診斷結果，利用交互式網頁和Java小程序返回給客戶機。
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