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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，在設備上建立狀態監測點，采集設備狀態數據，在診斷中心對設備運行進行分析診斷的一項新技術。用于診斷的系統大致可以分為三類：大型的在線狀態監測與診斷系統； 以便攜式數據采集器與巡檢裝置的計算機輔助診斷系統；利用Internet實現的遠程診斷系統。 在線式系統適用于連續的狀態監測與診斷，系統構成復雜、費用昂貴、專用性強。而便攜式監測與分析系統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。因此，該技術近年來得到飛速的發展。一般的遠程診斷系統需要在現場配置專用計算機系統，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，它不需要在現場配置專用計算系統。 1 系統原理及組成 圖1是基于嵌入式Web服務器的數據采集與故障診斷系統的結構圖。從圖1中可以看出，整個遠程故障診斷系統可分為三個部分：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；而且這種策系統也有著自身的優點，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議如UART、I2C、SPI協議等與以太網協議的轉換，從而實現遠程數據采集和遠程控制。 本系統中嵌入式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。克服了傳統方法中需要現場配置PC機的缺陷，而且更能克服環境條件的限制。 （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 本系統中嵌入式Web服務器的軟件主要由芯片初始化設置、TCP/IP協議棧的實現、數據采集及處理等模塊組成。在程序中加入基于TCP/IP協議的用戶自定義數據通信協議。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。 協議棧的實現主要分為接收數據包的解釋以及發送數據包的打包。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。基本方法和處理接收幀相同，只是把讀操作改為寫操作。幀的接收和發送都是基于物理層對NIC的操作，包括讀接收緩沖區、寫發送緩沖區。NIC采用8位工作方式，對其緩沖區的操作需要逐一讀寫每個8位組。讀接收緩沖區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協議，因此，基于IP的TCP和UDP協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，不能用傳統的方法實現TCP和UCP。因此它們需要很大的緩沖區來構造套接字（SOCKET），一邊進行應用層的處理。發送數據時也是這樣，邊處理實用數據邊填充發送數據。這種方法極大地節約了內存資源，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測與診斷系統的一項關鍵技術。系統必須利用數據庫對采樣子系統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展趨勢。在故障發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。可通過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（JAVA Applet）。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聽，接受用戶從瀏覽器發出的請求、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、診斷信號分析系統等。 2 系統實現與應用 本系統用于發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Windows NT4.0及IIS4.0作為操作系統和WWW服務器，并在此基礎上分別利用Microsoft Interdev和Visual C++開發建立遠程診斷系統。 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。 |
