基于嵌入式Web的HART儀表遠程控制系統

吳貞貞，寧永海

（河南科技大學信息工程學院，河南 洛陽 471003）

基于嵌入式Web的HART儀表遠程控制系統

吳貞貞，寧永海

（河南科技大學信息工程學院，河南 洛陽 471003）

為解決有線HART儀表在惡劣環境中遠程傳輸時易受影響、成本高等問題，結合嵌入式linux系統在遠程工業控制中的應用，提出了一種基于嵌入式Web的HART儀表遠程控制系統。采用S3C2440處理器和DM9000網絡芯片，在嵌入式系統上移植Boa Web服務器，并運用CGI技術實現動態網頁控制。利用該控制系統，客戶只需在室內通過瀏覽器即可對HART儀表進行遠程監控，且不需要專門的組態軟件。

HART，嵌入式linux，S3C2440，Boa Web服務器，CGI

引言

HART協議作為由模擬到數字的過渡性協議，廣泛應用于工業控制的各個領域。HART智能儀表的過程參數測量、診斷、校準等的實現都需要通過專門組態軟件或手操器到現場進行測量和維護，需要大量的人力和物力。隨著Internet的普及和快速發展，通過網絡實現數據檢測和設備監控變得尤為重要，嵌入式linux繼承了Linux操作系統開放性，可裁剪可定制，強大網絡功能等特點，為現場設備的Web遠程控制提供了橋梁。本文提出了一種經濟實用的嵌入式Web遠程HART儀表控制方法，采用linux嵌入式系統移植Boa服務器，運用CGI技術生成動態網頁，用戶只需要在室內通過Internet瀏覽器就能對HART現場儀表進行遠程監控，PC機上不需要安裝任何的組態軟件，使用方便、成本低。

1 系統總體設計及原理

該遠程HART儀表控制系統主要由HART智能儀表、HART通信模塊、基于S3C2440的嵌入式Web服務器3部分構成，其總體設計框架如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2 系統硬件平臺搭建

HART通信模塊采用 HT2015，HT2015支持HART協議，內部包含5個主要模塊：振蕩器模塊、控制邏輯模塊、載波檢測模塊、調制與發送波形整形模塊、接收濾波器與解調模塊。該芯片使用5 V電壓和外部460.8 kHz的時鐘，在半雙工狀態對數字邏輯信號和數字方波頻率信號進行調制解調。能輸出低有效的載波檢測信號含19.2 kHz的時鐘，不需要外部調節和偏置。

圖2 HART通信模塊與微處理器的硬件連接

圖2為HT2015調制芯片與S3C2440處理器的連接框圖，HT2015中引腳ORXD和ITXD分別和S3C2440的異步串行通信口的接收端RXD和發送端ITXD相連接。當服務器發送控制命令時，處理器通過串口發送給HT2015，進行調制和波形整形，發送到現場儀表設備。同時，電流環上的HART信號送到HT2015的濾波器進行濾波和解調為0、1數字信號，處理器接收到有效的HART通信幀后，進行命令解釋，并通過Web瀏覽器實時顯示。

嵌入式處理器選用三星的S3C2440 ARM9芯片，硬件框圖如圖3所示，主要包括S3C2440微處理器、網絡通信模塊、存儲、串口通信、電源、時鐘等外圍電路。

圖3 嵌入式硬件平臺

網絡部分采用DM9000網卡芯片，它可以自適應10/100M網絡，RJ-45接口，只需要普通的網線即可連接至路由器或交換機，使用方便可靠。

3 系統軟件設計

3.1 HART通信模塊的軟件設計

3.1.1 HART協議幀格式

HART的數據鏈路層規定了數據幀格式和數據通信規程，其通訊時是按字節接收和發送。HART幀主要被分為請求幀和響應幀兩類。請求幀是由主設備發出，從設備接收，響應幀是由從設備發出，主設備接收。如圖4所示。

圖4 HART數據幀格式

響應碼只存在于從機響應主機消息的時候，由2個字節表示，它將報告通訊中的錯誤、接收命令的狀態（如：設備忙、無法識別命令等）和從機的操作狀態。

一個十幾歲的孩子，身體都沒有發育好，卻要和大人一樣做農活，我曾經看過他割麥子的樣子，戴著一個草帽，握著鐮刀，一低頭幾乎就看不見他的人，烈日炎炎下他的動作緩慢卻堅定，就像《孤獨的守望者》那張插畫。

3.1.2 HART通信軟件

HART通信程序即HART協議數據鏈路層和應用層的軟件實現。在HART通信中，用戶通過Web服務器發送命令幀，智能變送器模塊通過串行口中斷接收到后，作出相應的數據處理，然后把要發回的應答幀通過MCU觸發發送中斷，發出應答幀，從而完成一次命令的交換。在初始化完成之后，通信系統一直處于準備接收狀態，一旦服務器有命令發過來，HT2015的載波檢測端口DCO變為低電平，觸發中斷啟動接收，程序進入接收部分。然后處理接收到的數據并執行相應的操作，形成應答幀并發送出去。其軟件流程如圖5所示。

圖5 HART通信軟件流程圖

3.2 嵌入式Web服務器的軟件設計

該遠程控制系統是構建在嵌入式Linux平臺上的，為完成儀表信息的數據發布，需首先在Linux系統下安裝Web服務器，Linux下的嵌入式web服務器主要有http、thttp、goAhead和Boa幾種類型，其中thttp和Boa都支持認證、CGI等功能。但由于Boa源代碼開放、性能好等特性，特別適合應用在嵌入式系統中，本文采用Boa作為Web服務器。

3.2.1 嵌入式Boa服務器的移植與配置

（1）首先從http：//www.boa.org/下載Boa源碼，并將其加壓到“/src”目錄下，生成子目錄boa-0. 94.13：

（5）在嵌入式linux系統的/etc目錄下創建一個boa目錄，并將第（3）步中生成的boa可執行文件和boa.conf拷貝到該目錄。同時根據boa.conf創建日志文件目錄/var/log/boa，HTML主文檔存儲目錄/www，CGI腳本存儲目錄/www/cgi-bin，另外還需將PC機linux系統/etc目錄下的mime.types文件復制到嵌入式linux的/etc目錄下。

3.2.2 嵌入式CGI程序設計

CGI（Common Gateway Interface）規定了Web服務器調用其他可執行程序接口的協議標準。Web服務器通過調用CGI程序實現和Web瀏覽器的交互，根據Web瀏覽器的發送請求，服務器調用指定的外部可執行程序進行處理，并將響應結果再反饋給服務器，服務器再將處理結果發送到瀏覽器進行顯示。CGI程序可以用任何程序設計語言編寫，如shell腳本語言、Perl、Fortran、C語言等，但C語言編寫的CGI程序具有執行速度快、安全性高等特點，本文采用C語言進行CGI的程序編寫。

圖6為CGI工作流程圖。

圖6 CGI工作流程

本文CGI程序主要包括：串口發送HART請求幀模塊、串口獲取HART響應幀模塊和對響應幀的解析模塊等，用戶只需通過瀏覽器即可進入主頁，即可實現對HART儀表進行遠程監控，不需專門的組態軟件。

4 測試結果

用戶在瀏覽器輸入相應的IP地址，可登錄到遠程控制系統主頁，實驗室簡單效果圖如圖7所示。

圖7 嵌入式Web控制界面部分截圖

5 結 論

本文從硬件和軟件兩個方面分析了基于嵌入式Web的遠程HART儀表監控，借助CGI技術，采用TCP/IP網絡協議，實時對儀表控制信息進行顯示和控制，為智能儀表和Web服務器的完美結合提供了依據。該系統的硬件資源豐富，易于移植、擴展和升級，具有很大的應用前景和推廣價值。

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HART Instrument Remote Control System Based on Embedded Web

WU Zhen-zhen，NING Yong-hai
（College of Information Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471003，China）

To solve wired HART instruments is easily influenced by poor environments and cost issues in the remote transmission，combining the application of embedded Linux system on the remote industrial control field，a HART instrument remote control system based on embedded Web is proposed. Boa server is transplanted on the embedded system with the S3C2440 processor and network chip DM9000，and the CGI technology is used to achieve dynamic web control.With this control system，HART instrument is remote monitoring through Web browser by clients indoors，and a special configuration software is not needed.

HART，embedded Linux，S3C2440，Boa Web server，CGI

TP216

A

1002-0640（2014）11-0168-03

2013-09-09

2013-11-07

吳貞貞（1989- ），女，河南漯河人，碩士生。研究方向：嵌入式技術和無線通信。