摘 要：本文針對計算機控制技術和工業(yè)自動化技術相互結合，互相促進的市場需求，研究了基于TCP/IP在工業(yè)自動化中的應用和工業(yè)設備聯(lián)網(wǎng)時關鍵問題，提出了一個基于TCP/IP的工業(yè)設備聯(lián)網(wǎng)設計方案。重點介紹了各種工業(yè)設備聯(lián)網(wǎng)的幾個主要模塊：控制模塊、復位模塊、通信模塊的詳細實現(xiàn)方案，包括對應的內(nèi)部結構圖和設計原理圖。 關鍵詞: 自動化;工業(yè)控制;聯(lián)網(wǎng)技術;TCP/IP;通信模塊 1 前言 　　工業(yè)控制網(wǎng)絡作為一種特殊的網(wǎng)絡，直接面向生產(chǎn)過程，肩負著工業(yè)生產(chǎn)運行一線測量與控制信息傳輸?shù)奶厥馊蝿?它將多個分散在生產(chǎn)現(xiàn)場，具有數(shù)字通信能力的測量控制儀表作為網(wǎng)絡節(jié)點，采用公開、規(guī)范的通信協(xié)議，把現(xiàn)場控制設備連接成可以相互溝通信息，共同完成自控任務的網(wǎng)絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)，并最終產(chǎn)生或引發(fā)物質或能量的運動和轉換。工業(yè)控制網(wǎng)絡是網(wǎng)絡集成式控制系統(tǒng)運行的動脈，是控制系統(tǒng)通信的樞紐。相對于普通的計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)，工業(yè)控制網(wǎng)絡的節(jié)點大部分都是可編程控制器、變送器、執(zhí)行器等現(xiàn)場設備，節(jié)點智能程度遠遠比不上計算機;工業(yè)控制網(wǎng)絡工作的環(huán)境也比普通的計算機網(wǎng)絡要惡劣許多。因此，工業(yè)控制網(wǎng)絡通常應滿足開放性、互操作性、實時性、高可靠性、惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境適應性、總線供電等特殊要求;即工業(yè)控制網(wǎng)絡應具有以下特點：其一、具有較好的響應實時性。工業(yè)控制網(wǎng)絡不僅要求傳輸速度快，而且在工業(yè)自動化控制中還要求響應快，即響應實時性要好;其二、可靠性，即能安裝在工業(yè)控制現(xiàn)場，具有耐沖擊、耐振動、耐腐蝕、防塵、防水以及較好的電磁兼容性，在現(xiàn)場設備或網(wǎng)絡局部鏈路出現(xiàn)故障的情況下，能在很短的時間內(nèi)重新建立新的網(wǎng)絡鏈路;其三、開放性要好，即工業(yè)控制網(wǎng)絡要能夠易與企業(yè)信息網(wǎng)等互連互通。 　　工業(yè)控制網(wǎng)絡是隨著計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展而出現(xiàn)的。在傳統(tǒng)的測量控制系統(tǒng)中，從輸入設備到控制器，從控制器到輸出設備，均采用設備間一對一的并行連線，即點到點的信號傳送方式。傳遞的信號一般都采用電壓、電流等模擬信號。在計算機控制系統(tǒng)中，除了計算機及其外圍設備，還存在大量檢測工藝參數(shù)數(shù)值的變送器和控制生產(chǎn)過程的控制設備。這些現(xiàn)場設備的各功能單元之間、設備與設備之間以及這些設備與計算機之間遵照通信協(xié)議，利用數(shù)據(jù)傳輸技術傳遞數(shù)據(jù)信息的過程，被稱為工業(yè)數(shù)據(jù)通信。當需要在多點之間實現(xiàn)通信時，如果是采用數(shù)字信號的串行通信，就不必在每對通信節(jié)點間建立直達線路，而是采用網(wǎng)絡的連接方式來構建數(shù)據(jù)通道。 2 聯(lián)網(wǎng)接口設計方案 　　工業(yè)設備聯(lián)網(wǎng)接口是為工業(yè)現(xiàn)場設備提供以太網(wǎng)接口，使工業(yè)現(xiàn)場設備成為工業(yè)以太網(wǎng)絡上的一個智能節(jié)點。每個智能現(xiàn)場設備由于實現(xiàn)了以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議通信功能，具有內(nèi)嵌的Web服務器，就可以直接連接到企業(yè)信息網(wǎng)絡中，和Internet上的Web瀏覽器進行直接通訊。這種網(wǎng)絡體系結構將本地控制和遠程控制融合在一起，通過Internet上Web服務實現(xiàn)真正意義上的遠程控制、維護和遠程管理。 　　目前采用的通過在8位或16位微處理器外加接口芯片將工業(yè)儀表、現(xiàn)場設備等接入以太網(wǎng)的方式，僅能完成簡單、低速的數(shù)據(jù)傳輸，不能滿足工業(yè)現(xiàn)場的實時性和可靠性要求，特別是在連接請求較多或者控制任務較復雜的情況下;因此必須采用功能更強的32位微處理器，運行基于特定應用的嵌入式實時操作系統(tǒng)進行合理的任務調(diào)度，才能滿足工業(yè)現(xiàn)場對實時性和可靠性的要求。 　　方案設計的任務是為已有的現(xiàn)場控制器設計了一個以太網(wǎng)接口，以太網(wǎng)接口負責和以太網(wǎng)絡上的設備進行通信，處理大量的以太網(wǎng)通信事務。以太網(wǎng)接口通過雙口RAM與現(xiàn)場控制設備完成數(shù)據(jù)交換的功能。我們使用的現(xiàn)場控制器是采用32位ARM7微處理器的可編程多回路控制器。它具有控制、記錄、分析等功能，可通過串口和CF卡實現(xiàn)與上位機的數(shù)據(jù)交換，內(nèi)部有3個程序控制模塊、4個單回路PID控制模塊、6個ON/OFF控制模塊，可以實現(xiàn)多種復雜的控制方案，總體設計框圖如圖一。 　　現(xiàn)場設備網(wǎng)絡化一個主要的任務是將TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議棧嵌入到設備中，并且使嵌入式設備轉變?yōu)閃eb服務器接入現(xiàn)場底層通訊網(wǎng)絡中。TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)與要采用的硬件的性能以及實現(xiàn)的成本有關。從解決這一技術問題出發(fā)，圍繞著工業(yè)現(xiàn)場應用的原則，有以下幾種具體的實現(xiàn)方法：第一種是使用嵌入式操作系統(tǒng)，此種方案可以描述為嵌入式TCP/IP協(xié)議棧+嵌入式操作系統(tǒng)+微控制器。在這個方案中，使用了嵌入式操作系統(tǒng)，即在嵌入式系統(tǒng)上首先安裝并運行操作系統(tǒng)，然后運行TCP/IP協(xié)議棧，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡接入，此方案要求較高的處理器速度和較大的存儲空間。第二種是使用硬件協(xié)議棧芯片，這種方案的核心思想是將TCP/IP協(xié)議固化到芯片中，將協(xié)議處理部分獨立出來，開發(fā)人員不必考慮復雜的網(wǎng)絡協(xié)議和相關接口，主控制器只負責完成協(xié)議棧芯片的驅動工作就可以完成網(wǎng)絡通信功能。由于使用硬件設計簡單，開發(fā)難度低，系統(tǒng)的可靠性也有保障，但不適合用于有較多通信任務的場合。第三種是直接實現(xiàn)協(xié)議棧方案，這種方案是直接在嵌入式處理器上實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議來實現(xiàn)網(wǎng)絡接入功能。它所采用的方法和第一種方案差不多，差別是省去了操作系統(tǒng)，這樣不僅可以大大節(jié)約系統(tǒng)資源，還可以省去嵌入式操作系統(tǒng)的版權費用，從而可以在低成本、低速度、小內(nèi)存的MCU上實現(xiàn)網(wǎng)絡連接。考慮到速度和靈活性的問題，在開發(fā)以太網(wǎng)接口的時候，我們選擇了第三種方案。硬件系統(tǒng)由基于ARM7TDMI內(nèi)核的32位嵌入式微處理器AT91R40008和10M/100M自適應快速以太網(wǎng)控制器AX88796為核心構成。硬件系統(tǒng)除了實現(xiàn)基本的以太網(wǎng)通信功能外，還注意了進行可靠性設計、電源管理的設計、自治功能設計以及接口保護等功能設計。 　　硬件部分的設計分成控制模塊、復位電路模塊、以太網(wǎng)通信模塊三部分?？刂颇K的核心是基于ARM7TDM工內(nèi)核的32位嵌入式微處理器AT91R408 ;復位電路采用復位芯片x25045用于為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的復位信號并防止系統(tǒng)死鎖;以太網(wǎng)通信模塊采用IOM/IOM自適應網(wǎng)卡AX8796實現(xiàn)，并且通過網(wǎng)絡線圈HR61HSOL將本地網(wǎng)絡和傳輸網(wǎng)絡隔離開來。 3 控制模塊的設計 　　控制模塊是整個嵌入式網(wǎng)絡接口的核心，我們采用了Atmel公司帶有ARM7TDMI內(nèi)核的32位嵌入式微處理器AT91R40008作為MCU。ARM芯片是指各大半導體公司采用ARM公司設計的系列ARM內(nèi)核基礎上設計生產(chǎn)的一系列芯片。ARM是一種通用的32位RISC功耗很低的高性能處理器，外部地址和數(shù)據(jù)總線是32位的，相比16位的同頻處理器性能更強大。 　　聯(lián)網(wǎng)接口的電路圖如圖2所示，AT91R40008 通過16位并行數(shù)據(jù)總線和24位地址總線與以太網(wǎng)卡AX88796,FLASH存儲器進行數(shù)據(jù)的交互;通過片選腳NCS0-NCS1以及讀寫控制NRD、NWRO對它們進行讀寫控制;通過I00-I14共15個I/0腳可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集電路的讀寫控制和數(shù)據(jù)交互，I/O腳的工作模式可以通過I/O教寄存器進行配置;來自以太網(wǎng)卡AX88796的外部中斷由IRQ2送入MCU, 觸發(fā)中斷處理程序，接收來自以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)。AT91R40008的VDD為3.3V，VDDCORE為1.8V。 　　FLASH存儲器選用的是SST公司生產(chǎn)的16位寬16Mbit多用途低功耗芯片SST39VF160。它采用2.7-3.6V供電，工作電流為12mA，備用模式電流為4uA, 自動低功耗模式電流為4uA，它支持扇區(qū)擦除、地址數(shù)據(jù)鎖存和快速擦除和字寫入，快速讀訪問時間為70ns。 4 復位電路的設計 　　復位芯片采用X25045，AT91R40008 提供4個I/O腳來控制看門狗芯片X25045。當系統(tǒng)上電時X25045芯片會保持復位電平一段時間，當系統(tǒng)電壓穩(wěn)定后在取消復位電平，這樣可以保證系統(tǒng)CPU在上電階段正常啟動。 　　為了防止系統(tǒng)軟件出錯，使用了X25045的看門狗功能，每隔600ms對其進行一次取反操作。如果一段時間內(nèi)沒有進行取反操作，X25045芯片會自動輸出一個復位電平，復位電平會保持一段時間保證系統(tǒng)復位，防止系統(tǒng)的死鎖。這樣當程序跑飛時X25045芯片會自動復位系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的可靠運行。復位電路由X25045芯片和74LS00芯片組成，其中/NRST連接到JTAG接口的復位引腳和AT91R40008的復位引腳。當沒有連接JTAG接口時X25045接管當前系統(tǒng)的復位管理，當連接上JTAG后由于Rl的作用使得X25045的復位信號被JTAG屏蔽，這樣保證了在調(diào)試階段和正常工作階段都可以正常的運行。當看門狗電路復位時，RESET=1 ，經(jīng)過復位電路，產(chǎn)生/NRST=0的復位信號，對MCU進行復位，產(chǎn)生NICRST=1的復位信號，對以太網(wǎng)卡進行復位。此外，如果MCU需要對以太網(wǎng)卡進行復位操作，則輸出低電平信號給復位電路，產(chǎn)生NICRST=1的復位信號對以太網(wǎng)卡進行復位。 5 通信模塊的設計 　　網(wǎng)絡通信模塊的核心是10M/100M自適應網(wǎng)卡AX88796。這是臺灣Asix公司推出的NE2000兼容快速以太網(wǎng)控制器。其內(nèi)部集成有10M/100M自適應的物理層收發(fā)器和8K×16位的SRAM。AX88796執(zhí)行基于IEEE802.3/IEEE802.3u局域網(wǎng)標準的10Mb/s和100Mb/s以太網(wǎng)控制功能，并提供IEEE802.3u兼容的媒質無關接口MII，用以支持在其它媒質上的應用。其結構框圖如圖三所示。 　　AX88796提供了本地MCU總線接口，可以直接和MCS51系列、80186系列和MC68K等微處理器相連接，非常適合在嵌入式系統(tǒng)中應用。AX88796的地址總線和數(shù)據(jù)總線分別與MCU的地址、數(shù)據(jù)總線相連。MCU通過I/0讀寫寄存器來控制AX88796的工作狀態(tài)，通過遠程DMA的FIFO與AX88796的內(nèi)部緩存SRAM進行數(shù)據(jù)交換。SRAM與MAC核之間進本地DMA將數(shù)據(jù)發(fā)送至MAC層，再經(jīng)由內(nèi)部的PHY層發(fā)送至RJ45接口，或者經(jīng)過MII接口送至外部的物理層芯片。SEEPROM接口可以用來連接串行EEPROM。EEPROM主要用于存儲MAC地址，供AX88796每次初始化時讀取。 　　以太網(wǎng)收發(fā)器AX88796通過網(wǎng)絡變壓器HR61H50L與RJ45接口相連，網(wǎng)絡變壓器將AX88796的收發(fā)信號TPOP、TPON和TPIP、TPIN通過線圈耦合到連接RJ45的網(wǎng)線端，這樣不但使網(wǎng)線和AX88796的PHY層之間沒有物理上的連接，隔斷了信號中的直流分量，還可以在不同電平的設備中傳送數(shù)據(jù)。此外，由于網(wǎng)絡變壓器本身就是設計為耐2-3KV電壓的，所以網(wǎng)絡變壓器的應用也起到了防雷感應保護的作用。 5 創(chuàng)新點總結 　　本文的創(chuàng)新點在于提出了一種面向工業(yè)控制的聯(lián)網(wǎng)接口的硬件設計方案，該方案基于TCP/IP協(xié)議棧，可以方便、靈活、穩(wěn)定地實現(xiàn)各種工業(yè)設備之間的互連，并且重點介紹了控制模塊電路、復位電路、通信接口電路的設計。 參考文獻： 　　1 周澤魁 控制儀表與計算機控制裝置[M]. 化學工業(yè)出版社，2002 　　2 陽憲惠 工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡[M] 清華大學出版社，2003 　　3 馮冬芹 黃文君等. 工業(yè)通信網(wǎng)絡與系統(tǒng)集成[M].清華大學出版社，2003 　　4 惠鴻忠 基于工業(yè)以太網(wǎng)混合模型的污水處理監(jiān)控系統(tǒng)[J]，微計算機信息，2006,8-1:P169～171