福州西门子授权代理商DP电缆供应商

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本文提出了电厂辅助系统实现计算机监控的经济及管理上的合理性，技术上的可能性，并结合电厂目前辅助控制系统的现状，提出技术方案。

1 引言

随着电力系统改革的进一步深入，保证设备的运行，提高劳动生产率，进一步提高经济效益成了电厂发展的目标。火电厂辅助系统的自动化控制是全厂热工控制的重要组成，其自动化水平直接影响全厂的自动化水平。因此，发电厂在对主设备技改及机组控制系统的DCS改造的同时，也加强了对辅助系统控制系统采用PLC技术的改造，新建机组辅助系统的自动化水平也相应大大提高。但总体来看，各辅助车间控制系统互不联系，与DCS间也鲜有通讯，形成多个自动化孤岛，造成运行管理不便，人员浪费严重，生产效率不高，影响全厂自动化水平的进一步提高。随着计算机控制技术的发展，通讯及网络技术的成熟，将火电厂各辅助车间联成一体，实现辅助系统的集中监控也成为可以实现的现实。

电力规划院在2002年召开的“电厂自动化若干问题研讨会”上的主要意见也指出：“随着辅助系统自动化水平的不断提高，目前绝大多数新建电厂都考虑了辅助系统PLC集中控制网络，为确保辅助系统PLC集中控制网络的正常投运，在初步设计阶段应对水、灰、煤PLC集中控制网络及全厂辅助系统PLC集中控制网络进行统一布线规划，并提出相应的辅助系统PLC集中控制网络布线规划图。”

根据国家电力公司《火电厂热工自动化技术改进研究》课题组调查显示，火电厂辅助车间监控系统实现网络化和集中控制任重道远。被统计的装备125MW及以上容量的168个火电厂中只有21个电厂不同程度实现了网络化，大批电厂的不少辅助车间集中控制还没实现，辅助车间运行人员过多，严重影响这些电厂减人增益的实现。预计，随着单元机组DCS改造的逐步完成，辅助车间自动化改造将很快开展。

2 火电厂辅助系统的特点

火电厂辅助系统包括输煤系统、燃油泵房、除灰除渣系统、化学水处理系统、凝结水处理系统、废水处理系统、循环水系统、锅炉吹灰系统等，它们的正常运行是机组甚至整个电厂经济运行的重要。其主要有以下几个特点：

（1）地点分散；除锅炉吹灰系统外，输煤系统、燃油泵房、除灰除渣系统、化学水处理系统、凝结水处理系统、废水处理系统、循环水系统等遍布于全厂，且几乎均有相应的控制室及配备有相应的运行人员。

（2）非连续控制，除循环水系统外，其余系统几乎都是间歇式运行，即在一定的要求后才进行操作，满足一定的条件后，系统停止运行，等待下一次运行。

（3）主控室要求随时对辅助系统的状态进行掌握，以保证整个电厂的正常运行。

（4）各系统应处于健康状态，出现问题应及时处理，否则将影响全厂的经济运行。

3 控制现状及存在问题

辅助控制系统的现状可以大致归纳如下：

（1）主要辅助控制系统的大部采用以PLC加上位计算机组成的控制系统，一些略为次要的辅助控制系统也逐步采用小型PLC进行控制，未采用PLC的则采用就地手操、远操和组合仪表等常规控制装置。

（2）辅助控制系统的集成较为分散，往往由不同的厂家供应，造成各个控制系统的PLC种类不一样。

（3）开关量控制占据着辅助系统控制的，大量的阀门、电磁阀、电动机等要受联锁条件的逻辑控制，主要以设备的状态、阀门的开关、电机的启停、压力流量和料液位的限值等条件进行控制。

（4）主要辅助系统如输煤系统、燃油泵房、除灰除渣系统、化学水处理系统、循环水系统等需提供专门的控制室并配备一定数量的运行人员进行值班操作。

（5）各个控制系统相互立，系统信息与主控室及相互之间的交换几乎没有，不用说与MIS之间的信息交换了。

因此辅助系统的控制现状带来以下一些问题：

（1）分散的控制室不仅增加了投资及运行维护费用，如装潢、空调等，而且还不易管理。

（2）PLC的控制造成值班人员工作量少，但总体人员偏多。如某厂机组主控人员每台机组5人，但外围设备值班人员达15人左右。

（3）各个辅助系统与主控室的信息自动交换少，主控室对辅助系统的控制要求往往通过电话方式联系，辅助控制不便而且不及时。

（4）各个辅助控制系统采用不同的硬件和软件，给备品备件管理、人员培训及维护造成一定的难度。

（5）各辅助系统的重要信息不能接入MIS网。

4 技术方案探讨

随着电力改革的深入，上述问题对全厂经济性的影响会变得越来越明显，因此国外及国内电厂也越来越重视解决这些问题。同时，计算机控制技术、计算机网络技术和计算机软件技术的发展也为解决这些问题创造了充分的条件。

4.1 总体构成

实现辅助系统计算机集中监控可以选择多种方案，可采用集中控制即将辅助系统的信号接入主控室的DCS系统集中监控，也可以采用相对集中即建立几个相对集中的控制点，先将物理位置相对较近或联系较为紧密的辅助系统集中在几个集中控制点进行集中监控，然后再将这几个子网络接入DCS和MIS网络中去。根据目前我国火电厂辅助系统控制特点，可将整个辅助控制系统划分为煤、灰、水三个控制网络，煤网络可以包括输煤程控及其相关的辅助系统、燃油泵房；灰网络可以包括除灰除渣系统、干灰输送系统、电除尘控制系统；水网络可以包括化学水处理、凝结水精处理、汽水取样及分析、加药系统、净水站、化学及生活废水处理、灰水处理、循环水加药等系统。其相应系统的控制机柜布置在辅助系统电子间或设备附近，上位机操作员站布置在三个控制点的就地集中控制室，实现操作监控功能，控制系统通过网络服务器与DCS及MIS相连实现通讯，实现在主控室的监控终端对辅助系统监控。辅助系统计算机集中监控的硬件设备可跟据不同的情况选用DCS、PLC加上位机或现场总线技术。

在此基础上形成电厂辅助车间的综合监控系统。这种辅助车间控制系统方案可分为四层：现场层（物理层）、控制层、监控层和管理层。

现场层包括现场I／O站和其它控制接口设备，对现场信号进行处理及输出控制信号。

控制层具体实施各辅助系统的控制程序，并提供辅助操作功能。

监控层实施按水、煤、灰工艺系统分开的辅助车间监控，包括过程监视、控制操作、系统维护等，包括操作员站和工程师站。

管理层实现生产车间的信息综合（包括DCS和各辅助车间），并提供与全厂网络的连接，协调各辅助车间与主控室DCS之间的运行，并管理日常事务处理，如工作票管理等。

各层之间通过通讯网络实现连接，成为一个完整的控制系统。在四个层之间通过通讯网络连接在一起，有三种通讯联络：现场I/O站与控制层CPU站之间的通讯联络、控制层与监控层间的通讯联络和监控层与管理层间的通讯联络。

4.2 采用DCS的方案

采用DCS控制技术，利用DCS的远程I/O设备，将信号引入主机DCS，配合合理的设计，进行集中监控。该方式的优点是全厂主设备和辅助车间可以采用同种DCS，运行维护及备品管理方便。对于新建电厂，如果性能价格比是可以接受的话，可以采用此种方式，但由于新建电厂往往采取分岛招标，控制仪表分别由不同工艺设备的供货商提供，因此业主和设计单位应及早协调各有关供货商解决DCS的选型及控制方案的设计。对于老机组，由于各辅助系统的控制可能已经采用了PLC或其它方案，实行这一方案要推翻原有的控制系统，因此有一定的难度并要考虑成本，不过也有老厂采用此方案，如某电厂1993和1994年建造的2台200MW机组即采用新华公司的XDPS——400型分散控制系统构成全厂辅机DCS系统，并按设备所属地域分为输煤、化水、灰渣三个子系统，先实施输煤和化水两个子系统的DCS改造，两大子系统及辅机控制室之间采用光缆连接，实现了系统间资源数据共享的监控一体化；灰渣子系统仍利用原有的（PLC+上位机）控制系统进行增容和完善，终通过网关实现与XDPS——400系统的集成，达到数据的共享和监控。在保持控制设备分散的原则下，终实现在#2机组主控室中辅机DCS控制台采用三台操作员站集中监控上述三个子系统的目的。

4.3 PLC+通讯网＋上位机的方案

对于新机组，可采用型号相同的PLC加上位机加网络与DCS相连接的方式，使组态组网、运行维护及备品管理简单。但对老机组来说，由于原来各个系统采用的PLC种类可能不一定相同，并且有各自的上位机，考虑到与实用性并举，可利用原有的上位机作为网关计算机，在对不同的通讯协议进行转换后，再接入以太网，然后与DCS和MIS相连，通过控制室里的计算机实现监控。该方案的主要特点是：监控层采用PLC控制网络，可较好地保证监控实时性；管理层采用灵活的计算机网络，便于网络互连和系统扩展。如某电厂4×300MW机组辅助系统DCS将除灰控制系统、除渣控制系统和凝结水精处理控制系统、、净水、反渗透和输煤控制系统等七个互相立的系统组成一个DCS系统，并要连到主控室中，在主控室的上位机上统一对各系统进行监控，在单元机组的主控室中设三台监控上位机，它们互为热备，其中一台兼作工程师站，三台上位机各有立的数据库，信息均来自各辅助系统的PLC，通过交换机和光缆与各辅助系统的网关相连，一起组成一个Ethernet网与各辅助系统的通讯网络连接起来，从而实现对各自PLC的监控。

4.4 辅助系统计算机集中监控系统应具备以下功能

（1）完善的工艺流程图显示，设备状态，控制状态及运行参数的实时显示功能，根据工艺过程和监控的具体要求采用多层显示结构，包括概貌显示、功能组显示和设备细节显示，

（2）不同系统及画面的切换及控制设备的操作功能，系统及设备选择方便简单，并有操作权限的设置与限制，以满足不同操作层次的要求，

（3）参数报警及事故追忆功能，

（4）历史参数与曲线、事故追忆与操作记录、报警与报表的打印功能，

（5）上述各种功能的生成，参数的修改功能（即工程师站功能），

（6）的系统自诊断功能，以便能够及时诊断系统硬件及通讯网络的故障。

5 应注意的问题

（1）根据全厂自动化水平的整体要求和外围系统的工艺具体特点，确定合理的整体监控方案，以使其既能提高全厂自 动化水平满足电厂管理改革发展的需要，又结合现场的实际特点，切实可行。

（2）保证具体方案的性。确定的具体技术方案要确保系统运行的要求，采用冗余技术，并设计完善的自检和报警功能，确保整体网络、电源及PLC控制的性。

（3）人机对话界面应清晰明了，主辅画面之间、总貌与详图之间、各个子系统之间及各个不同的工艺系统之间切换应方便快速，应有正确的操作指导和顺控运行提示，操作人员易于监控。重要操作应有提示和确认，避免误操作。

（4）现场预留好调试及检修接口，便于现场调试及以后的检修工作。系统还应有一定的可扩展性和在线修改能力，以适应以后的发展和辅助控制系统的运行优化。

（5）辅助系统的现场环境比较恶劣，应重视现场一次设备的选型和现场安装调试工作。实践表明，一次设备质量的好坏，不仅直接影响控制系统的安装和调试工作，而且在系统正式运行后，也往往是影响整个辅助系统正常运行的主要因素。

（6）提前做好辅助系统运行人员的培训工作，使其对各个立的辅助系统均有充分的了解与运行经验，配合监控画面上有效的运行指导和提示，保证系统的正确运行。

6 结束语

（1）实现电厂辅助系统计算机集中监控可以实现减岗增效、提高全厂管理水平、提高劳动生产率，进而提高电厂的竞争力，使其在面对电力改革的深化过程中处于有利的地位。

（2）计算机控制及软硬件技术的飞速发展、网络技术的不断成熟，结合电厂辅助系统的工艺和运行特点，使得现阶段实现电厂辅助系统的计算机监控成为可能。

（3）辅助系统计算机集中监控总体方案的细致讨论，具体技术方案的周密实施，安装与调试的仔细组织，是该系统完善的保证。

（4）管理维护的有效分工，运行人员的提前培训，是充分发挥该系统效益的。

引言

因特网的普及为企事业、、金融机构等部门提供了为迅捷经济的通信方式,提高了他们的工作和管理效率;但另一方面,日益不的网络环境却严重威胁到这些用户的利益。如何保公网上传输数据的,已成为一个迫切需要解决的问题。为此,需开发一种由 (Virtual Private Network,简称 )网关、 客户端和管理三部份组成的系统。

目前,国内大部分 网关在硬件平台上使用基于x86 CPU的商用工控机主板。由于商用工控机是为一般的工业控制而设计的,作为网关使用时,存在功能冗余、成本及性难于控制等问题。因此,有必要自己设计一款性价比较高的硬件平台供网关使用。Motorola通信处理器PowerPC在通信业中使用广泛,并具有良好的性价比,可以满足网关的设计需要。另外,产品涉及一个国家的主权和敏感的信息,作为保为重要的操作系统和加密算法应该为自己掌握。因此,采用具有自主知识产权的操作系统和加密算法尤为重要。而L inux操作系统源代码的开放性及其在网络产品中的优异表现,使得我们可以用其构建具有自主知识产权的网关。

概念

什么是

即虚拟网,是通过一定的机制在公用的网络如因特网中建立起与公网相对立和封闭的信息通道,以保护企业各子网之间、子网和移动用户之间、移动用户务器之间的通信数据的。利用公网的资源,让用户拥有同专网相同的性,并享受因特网带来的经济实惠和方便迅捷。

如何保护通信

不同类型的所采用的协议不同,使用的机制也不同。关于的协议比较多,但目前完善的、性的应属IPSec协议。它可使用CA数字证书来实现通信双方的身份认证;使用对称加密算法来对数据进行加密,保证数据的性;使用单向散列函数对数据计算摘要,并对摘要进行加密来保证数据的完整性。此外,节点之间通信,不可能每次都手工配置密钥,手工方式既不也不方便,可以采用因特网自动密钥交换协议来进行密钥的协商,设置每次会话密钥的生命期,在快要结束生命期时,自动协商下一个会话密钥。

当企业虚拟专网建立时,需要在各个子网的出口配置网关。网关负责对流出数据进行加密和计算校验和,对进入数据进行检验和解密,并实施访问控制。网关在其中具有举足轻重的作用。比如,当一台主机与另外一台主机通信时,会启动IKE (自动密钥协商)进程协商各种工作参数,包括加密算法、验证算法、密钥长度、密钥值等,并进行双向的身份认证,所有这些成为一个关联( Security Association) 。

的使用

网关与 Client软件配合使用,通过灵活配置隧道策略,不仅可以解决通信的问题,还可以解决用户对公司总部网络的访问授权问题。图1 是一个系统的典型网络拓扑图。

当网关与Client相连时,远程用户通过因特网访问公司总部时会通过网关,网关会对用户进行身份验证、协商密钥,终建立隧道并实现访问控制。不同的用户可能有着不同的访问权限。例如, Client1作为公司的主管,可以访问服务器A、B、C,而Client2作为普通员工,只能访问服务器A。通过管理员为不同的Client配置不同的策略,可以实现用户访问服务器的权限。此种应用适合移动用户接入公司内网。

当网关与网关相连时,通过管理或终端方式为需要相互通信的两台网关间配置对应的隧道,位于两台私口后的主机就能通过加密隧道进行通信,防止数据被丢失、篡改并保数据的完整。

网关设计方案概述

系统体系结构

的主要作用是采用加密、认和网络技术在公共互联网上构建相互信任方之间的加密信息传输通道,以期达到网络的效果。网关在其中将发挥非常重要的作用。

由图1可知,网关工作在本地局域网及与其通信的远程局域网的网关位置,具有加密和认证功能。相互信任的局域网间进行通信时,仍然使用互联网作为中间信道。但是,通过网关的加密功能确保信息在不的互联网通时是密文形式。这样,即便信息被截取,也无法或篡改其内容,互联网连接的局域网间通信的性、机密性、可认证性和完整性等性能。

网关的设计目标

(1) 完整实现IPSec协议簇,支持的要求。

(2) 要建立在具有自主版权的、性控制在自己手中的内核操作系统之上。

(3) 要确保自身的、协议的和信息通道的。采用国密办批准的加密算法,由硬件实现数据加。

(4) 要具有较高的性价比,满足低端网络的要求。明文吞吐率10Mbp s;启用IPSec协议,以隧道方式加密传输时,吞吐率大于4Mbp s。

(5) 设计与实现要采用的硬、软件技术和方法。

(6) 尽可能方便管理、灵活配置和界面友好。

技术思想

(1) 软件: ①自主开发的嵌入式操作系统内核;②由于L inux OS的源代码的开放性及其在网络产品中的优异表现,因而可以用其构建具有自主知识产权的网关(采用嵌入式L inux 2. 4. 4 For PowerPC,内核根据需要裁减,并加入相应的硬件驱动程序,完成对FlashMemory和DOC文件系统的支持) ;③网络协议和IPSec协议层; ④数据加/算法由采用国密办批准的硬件加密芯片SSF10B实现; ⑤管理系统层需支持手工和通过SMC (管理)配置IPSec策略。

(2) 硬件:根据设计要求,该网关将用于10Mbp s以太网环境中,设计采用目前在通信业中使用较广的Mo2torola通信处理器PowerPC MPC8xx作为主CPU,选用其中一款性价比较高的控制器MPC855T。在硬件平台的设计中,本着满足性能要求,保证高性和高性价比的原则,采用有多种硬件选项的设计,来满足设计要求。

嵌入式L inux操作系统的构建

通常的嵌入式系统开发大致可以分为硬件设计、装载或引导嵌入式系统、在嵌入式系统上建立开发平台以及开发应用等四个步骤。

利用ppcboot引导

ppcboot是德国Denk软件工程开发的引导程序,我们在研究开发中使用了其中的ppcboot-1. 1. 5作为开发蓝本,对其代码进行了修改,以满足硬件设计的要求。

ppcboot源码树的目录结构

CHANGELOG　/ /记录历次版本升级时的修改内容

COPYING

CRED ITS

MAKEALL

Makefile　/ /制作文件

README　/ /必读的文件

System. map　/ /当编译连接完成后,所生成的ppcboot二进

/ /制中所有函数、数据的地址信息

board　/ /各种与板子硬件关联的. c模块

common　/ /一些通用ppcboot命令集的. c模块

config. mk

cpu　/ /与MPC8xx硬件关联的系统初始化. c代码

disk　/ /磁盘分区支持

doc　/ /技术文档目录

examp les　/ /一些简单的、操作系统的应用程序

fs　/ /ppcboot中对文件系统的支持

include　/ /头文件

net　/ /网络协议支持

ppc PowerPC　/ /处理器运行时环境支持

ppcboot　/ / elf32格式的ppcboot二进制执行文件

ppcboot. bin　/ / raw二进制格式的ppcboot执行文件

ppcboot. map　/ / s2record格式的ppcboot执行文件

rtc　/ /实时时钟支持

tools　/ /与ppcboot相关的一些工具软件

ppcboot的特点

经修改后, ppcboot-1. 1. 5 具有如下特性: ( 1 ) 支持bootm,直接从flash引导L inux,并提供软件工具集,可构建出终烧结用的影像; (2) 支持从doc或flash memory引导L inux,并提供工具集,可构建出终烧结用的影像; (3) 板上flash /doc读、写、擦除功能; (4) 支持串行口kermit协议下载代码或数据; (5) 支持scc1以太网口启动tftp下传数据:如内核、ramdisk、autoscrip t等影像; ( 6) 支持串行口srecord下载代码或数据; (7) 支持autoscrip t; (8) 提供板上内存读写,格式化显示,可进行简单测试。

当完成ppcboot-1. 1. 5的改写后,对其进行编译,得到二进制的ppcboot. bin代码,然后将其烧录在板上的BOOTEPROM中,这样就可以在上电后完成对系统的引导。

建立L inux开发平台

修改和编译嵌入式L inux内核

Linux内核有自己的结构体系,进程管理、内存管理和文件系统是其基本的三个子系统。图2 为L inux 内核的结构。图中虚线框中部分可以看成是Linux内核的单内核结构,因此修改内核注意各子系统间的协调。

Linux开发平台使用内核版本为2. 4. 4的PowerPC嵌入式L inux操作系统作为 网关的基本软件平台。为了支持硬件平台,需要对内核进行修改,并增加相应设备的驱动程序。

(1) 驱动程序列表。

DOC 驱动程序源码: /home / sjw01 / linux/drivers/mtd /devices/ doc2000. c;

以太网驱动程序源码: / home / sjw01 / linux/ arch /ppc /8xx _ io / enet_scc1. c fec. c;

RTC 驱动程序源码: /home / sjw01 / linux/drivers/unis _ rtc / rtc8xx. h rtc8xx. c setrtc8xx. cMkaefile setrtc8xx;

串口驱动程序源码: /home / sjw01 / linux/ arch /ppc /8xx_ io / uart. c;

flash memory 驱动程序源码: /home / sjw01 / linux/drivers/mtd / map s/unis. c。

(2) 交叉编译环境。

使用hardhat CDK2. 0作为开发工具,需将下面的路径加入用户环境变量＄PATH 中: /op t/hardhat/devkit/ppc /8xx/bin; #export PATH = ＄PATH: /op t/hardhat/devkit/ppc /8xx/bin或编辑“. bash_p rofile”文件的PATH行。对于应用软件,一般情况下只要替换编译器cc为ppc_8xx-gcc,重新编译一下源代码即可。

构建目标文件系统

配置DOC或FlashMemory中的文件系统是件很讲究的事情,主要是因为DOC /Flash容量有限,在保证正常功能的前提下,要尽可能地少占用资源。

总体上,文件分成如下几类: (1)共享库类:这类文件。(2) L inux/GNU系统实用工具:尽量用busybox、tinylogin代替,能减则减。(3)配置文件:多出现在/ etc下,不太占地方,但要注意协调关系。(4)用户应用程序:编译时尽量使用动态连接,编译后strip一下,放到固定位置。

目标文件系统列表如表1所示。

所有配置文件、可执行文件、库文件的位置均符合L inux操作系统的惯例。

IPSec实现中的硬件加密算法

在网关中,加密算法的、,是网关性和有效性的重要保证。为此,在设计中采用了一种硬件加密模块的方式,使得我们的网关可以在硬件上使用不同的加密算法。在我们的默认配置中,使用国密办批准的分组加密算法芯片SSF10。

为了使用硬件加密模块,需要在L inux内核的IPSec实现中添加和修改相应的代码,下面对其简单说明。由于IPSec实现在内核中的特殊位置,并且MPC855T的主频较低(80MHz) ,采用访问设备驱动文件的方式访问硬件SSF10加密模块会造成速率大幅降低。因此,我们采用I/O直接访问硬件SSF10芯片。这需要将模块驱动中的操作分散到IPSec实现的相关部分,替换原来的软件加密算法。同理,可以使用硬件DES/3DES、硬件AES算法和其他国密办批准的算法,用硬件实现数据加密。对IPSec的一个实现freeswan算法部分进行修改,使其可以实现硬件算法。与硬件加密算法有关的文件如下:

freeswan-1. 94 /klip s/net/ ip sec /Config. in;

freeswan-1. 94 / libdes/des_enc. c;

freeswan-1. 94 /klip s/net/ ip sec / ip sec_sa. h;

freeswan-1. 94 /klip s/net/ ip sec / ip sec_tunnel. c;

freeswan-1. 94 /klip s/net/ ip sec / ssf10. h;

freeswan-1. 94 /klip s/net/ ip sec / ip sec_init. c;

freeswan-1. 94 /klip s/net/ ip sec /pfkey_v2_parser. c;

freeswan-1. 94 /klip s/net/ ip sec_rcv. c。

完成修改后, 使用内核make menuconfig 命令, 选中Networking op tions→[* ] IPSEC: Use SSF10..,重新编译即可使用SSF10硬件算法模块。

结束语

为了满足网关设计的目标,本文在基于Motorola PowerPC和嵌入式L inux的网关设计中使用Motorola通信处理器PowerPC、采用L inux和加密算法,构建出了具有自主知识产权的网关。理论分析表明,本文提出的网关设计方案、嵌入式L inux操作系统的构建方法以及硬件加密模块的实现方法能够满足10Mbp s的网络环境中提供虚拟网的服务。但是,由于其定位在低端,不适合在100Mbp s的网络环境中使用。如果要在100Mbp s的环境中使用网关,就要考虑使用基于PowerPCMPC82xx的硬件平台。

引言

随着通信技术和网络技术的迅猛发展, 通过网络远程实时监控重要场所已倍受人们关注, 网络摄像机在此背景下产生, 并成为人们关注的焦点。网络摄像机要将高清晰度的实时通过互联网传送到监控终端, 因其信息量, 所以压缩。通常人们采用DSP 与MPEG- 4 算法相结合的方案来实现, 不仅编程工作量大, 而且产品的成本高。本文所介绍的网络摄像机采用的MPEG- 4 压缩芯片、以嵌入式Linux 作为操作系统, 不仅开发便捷、廉, 而且实时性好, 适用范围广。

系统总体设计

系统总体设计包括硬件设计和软件设计两部分。硬件设计模块主要包括微控制器模块、压缩编码模块、网络接口模块和相机控制模块四部分。微控制器模块主要由主控芯片、DataFlash 和SDRAM(1)组成。其中, 主控芯片是整个控制系统的, 它负责整个系统的调度工作。DataFlash 里固化了嵌入式Linux 内核、及其文件系统、应用软件和系统配置文件。SDRAM(1)作为内存供系统运行使用。压缩编码模块由视频数据采集芯片、MPEG- 4 压缩编码芯片、SDRAM(2)组成,负责将视频流转化为MPEG- 4 码流。网络接口模块主要是配合主控芯片传送MPEG- 4 码流。相机的控制模块主要由串口芯片组成, 其完成转发控制相机命令的功能。当系统启动时, 微控制器通SPI( Serial PeripheralInterface, 串行外设接口) 将Linux 内核转入SDRAM( 1) 中, 系统从SDRAM( 1) 中启动。系统启动后, 微控制器通过HPI(Host Peripherial Interface, 主机接口)控制MPEG- 4 编码模块。统结构如图1 所示。

软件设计部分主要包括嵌入式Linux 移植、MPEG- 4 压缩编码模块、CGI 控制程序和MPEG- 4 解码程序四部分。嵌入式Linux 系统存放到由AT91RM9200 控制的DataFlash 里,它负责整个系统软件的调度工作。MPEG- 4 压缩编码模块主要负责模拟视频流的采集, 并将数字视频流压缩为MPEG- 4 数据流。CGI 控制程序主要负责对摄像机的控制和对MPEG- 4 视频流的相关设置。MPEG- 4 解码程序主要负责对通过网络得到的MPEG- 4 数据流的解码工作。

硬件设计

微控制器模块

微控制器是本系统的部件, 选用的是ATMEL公司的AT91RM9200。它是一款基于ARM920T 核的32位微控制器。其主频为180MHz, 处理速度快, 功能强, , 能很好满足嵌入式Linux 系统的需求。它在系统中的主要作用是在系统上电时配置其他芯片的功能寄存器, 在正常工作状态下调度控制整个系统工作, 通过片内以太网控制器控制物理层芯片发送码流。

AT91RM9200 通过片内的SPI 总线和SDRAM控制器实现对外围DataFlash 和SDRAM的控制, 利用片内的USART 实现对串口芯片的控制, 通过片内的以太网控制器对片络芯片进行控制。其控制原理图如图2 所示。

压缩编码模块

压缩编码模块包括模拟视频采集模块和MPEG- 4压缩模块。视频采集芯片采用TI 公司的TVP5150, 数据压缩芯片采用映佳公司的MPG440。TVP5150 输入端可是两种混合视频信号也可是S- Video 端子的视频信号, 支持NTSC、PAL、SECAM等3 种制式, 其输出的数据色彩格式可以为8bit 4: 2: 2 数字信号或者8bit 同步ITU- R BT.656 数字信号。MPG440 芯片具有符合工业标准的16b/32b 的双向主机接口, 分别用来与视频采集芯片和微控制器芯片通信。同时, 具有移动侦测、防伪水印、动态调整IP 画格比率、动态调整图像质量等特性, 支持D1、VGA、CIF、QVGA、QCI 等五种分辨率模式。微控制器通过主机接口实现MPG440 的初始配置, 也由此接收MPEG- 4 码流。压缩编码模块的硬件设计原理如图3 所示。

TVP5150 的AI 模拟输入口与模拟摄像头输出端连接, 向视频处理芯片传送模拟视频信号。模拟信号经过采样处理之后通过YOUT0～YOUT7 引脚送到MPG440, 采样数据在PCLK 的上升沿有效, MPG440的VIDEO_CLK 在收到PCLK 的上升沿时获得YOUT的信号。TVP5150 分场同步脉冲和行同步脉冲, 分别对应其输出端VSYNC、HSYNC。MPG440 正是根据与之相连的VSYNC 和HSYNC 信号线来实现图像的场同步和行同步操作。MPG440 的视频输入数据线DATA_TV0 ～DATA_TV7 与TVP5150 的YOUT0 ～YOUT7 相连。MPG440 在接收数据的同时, 将其得到的数据流传送给MPEG- 4 压缩编码单元, 编码后的MPEG- 4 数据流暂存到SDRAM(2)中。MPG440 片内PDMA 控制器根据配置寄存器的设置准确发起对SDRAM(2)访问, 同时将得到的数据流输送往HPI(主机总线接口,Host Peripherial Interface) , 以等待AT91RM9200 通过DMA 通道将数据发送到网络。

MPG440 通过HPI 与AT91RM9200 通信,AT91RM9200 将MPG440 的寄存器、存储空间等资源作为其本身内存寻址访问。MPG440 由AT91RM9200选通线NCS4 来选通, 其在AT91RM9200 寻址空间中的地址段为0X50000000 到0X5FFFFFFF。通过对MPG440 一系列寄存器的设置, 可以访问MPG440 系统存储空间。MPG440 中断信号RSC_INT0 从通用I/O引脚的PB29 输入, 当缓冲器填满时, RSC_INT0 引脚置低提示AT91RM9200 通过DMA 通道提取MPEG- 4数据流。编码后视频数据读取过程和MPG440 与主机通信过程由AT91RM9200 读信号CFRD 和写信号CFWE 控制。
网络模块

网络模块硬件设计原理如图4 所示。

AT91RM9200 的在片以太网卡端口和网络物理层芯片DM9161E 的MII 接口通信。发送数据时, 置发送使能信号ETXEN 有效。数据发送端ETX0～ETX1与DM9161 的ETXO～ETX1 引脚对应连接, 作为数据发送通道, 以DM9161E 的时钟信号REF_CLK 发送数据。数据接收端ERX 0～ERX1 与DM9161E 的RXDO～RXD1 引脚对应连接, 作为数据接收通道。管理时钟信号EMDC 和管理数据输入输出信号EMDIO 用来芯片控制参数的写入和读取。DM9161E 的MDINTR 端用来产生中断信号。

片内以太网过DMA 通道进行数据的发送,不影响AT91RM9200 的正常运行。正确设置传送控制寄存器和传送地址寄存器的传送数据块字节数、数据块存储地址等参数, 随后依次从数据存储区地址读取1024b 数据, 送入内部发送缓冲器中, 由 对数据进行封装发送, 同时记录已传送字节数,直到数据块发送完毕。当发送完一组数据后, 发出DMA中断请求, 由AT91RM9200 进行相应的处理。整个网络子系统电路由AT91RM9200 控制和调度。

软件设计

嵌入式Linux 系统主要由四个部分组成: 引导内核启动的文件( bootloader) 、Linux 内核文件( kernel) 、虚拟磁盘文件( ramdisk) 、用户空间文件( user) 。它们分别被放在DataFlash 内的四个分区模块中。根据不同模块的具体功能采用不同的文件系统: bootloader、kernel、ramdisk, 移植完成后不需要动态改变, 使用较节省空间的ROMFS 只读文件系统user 模块内放置一些可以动态新的配置文件等, 需要进行较多的读写操作, 所以使用支持动态擦写保存的JFFS2 文件系统。

Linux 移植技术已经成熟, 本文不作详细的阐述。下文主要介绍MPEG- 4 压缩编码模块和CGI 模块的程序设计。

MPEG- 4 压缩编码模块程序设计

该模块主要完成MPG440 和TI5150 相关寄存器的配置, 并保证MPEG- 4 码流的正常输出。当嵌入式Linux系统启动后,配置MPG440 的相关寄存器, 其初始化完成后, 通过I2C总线对TVP5150 进行初始化配置。当系统开始压缩编码时,MPEG- 4 码流接收存储程序由MPEG- 440 的数据流缓冲器标志信号控制。当1024b 缓冲器满时, RISC_INT0 置于低电平, 微控制器通过DMA通道从MPG440 的HPI 口将码流送到PC 机端。MPEG-4 压缩编码模块程序流程如图4 所示。

CGI 程序模块设计

CGI(Common Gateway Interface) 是外部扩展应用程序与WWW 服务器交互的一个标准接口。本系统CGI 的工作过程: 在PC 机端的IE 浏览器中输入网络摄像机IP 地址, 嵌入式网络服务器根据请求, 将相应的控制页面反馈给IE 浏览器, 用户填写表单, 然后提交, CGI 程序提取表单的信息, 根据不同信息来分别处理相应的事件, 如调节MPEG- 4 相关属性、相机的相关操作等。CGI 控制原理如图5 所示。

CGI 模块的设计主要包括三部分: 嵌入式web 服务器的配置、html 页面的编写、CGI 程序的设计。

嵌入式web 服务器采用的是Apache, 其配置是以配置文件的形式提供, 放在Ramdisk 中/etc/httpd/conf/目录下。其配置主要涉及以下三个方面:

①配置根文件的路径:“DocumentRoot /home/httpd/html”, html 页面放到此目录下。

②配置CGI 外部程序所放的路径:“bbbbbbAlias /cgi- bin/ home/httpd/cgi- bin/”。

③配置环境变量:“SetEenv D_LIBRARY_PATH=/lib:/usr/local/lib:/usr/lib”, 该变量将会被传送到CGI 脚本和SSI 页面, 以保证CGI 程序能正确找到所依赖的库。

网页编写采用html 与shtml 相结合的方式。html 的解析速度较快, shtml 可以在普通网页中嵌入外部CGI程序, 通过这种方式将系统的默认配置反馈给客户端。

CGI 程序采用的是C 语言和shell 脚本相结合的方式, 具体编写过程, 与通常的了Linux 下编程相同。限于篇幅, 不再赘述。

MPEG- 4 解码程序

映佳科技已提供供二次开发的MPEG- 4 解码插件OCX, OCX 在PC 机端注册后, OCX 函数可方便地被网页调用, 从而实现在PC 机端观看实时图像。

总结

本文介绍了一种利用AT91RM9200、TVP5150,MPG440 和DM9161E 等芯片设计的嵌入式网络摄像机。经测试, 该系统稳定、、实时性好、图像质量出色。该产品可广泛应用于交通监控和工业监控以及家庭监控、视频会议话等众多领域。