摘 要: 計算機和網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)進入后PC時代，隨著將以太網(wǎng)應(yīng)用到工業(yè)自動化領(lǐng)域的研究再次興起，在現(xiàn)場儀表和工業(yè)設(shè)備層應(yīng)用以太網(wǎng)技術(shù)是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的一個發(fā)展趨勢。本文研究開發(fā)了一種基于工業(yè)以太網(wǎng)的工業(yè)現(xiàn)場智能控制模塊的硬件結(jié)構(gòu)，選擇合適的微處理器和外圍存儲、通信等器件，構(gòu)建了一個帶有網(wǎng)絡(luò)接口，可以接入工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)中的硬件平臺。 關(guān)鍵字: 智能控制; 工業(yè)以太網(wǎng); 網(wǎng)絡(luò)接口 1 引言 　　工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)顧名思義即網(wǎng)絡(luò)化的工業(yè)控制系統(tǒng)。目前，國內(nèi)外應(yīng)用較多的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，但是最有發(fā)展前景的是工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)。它們體現(xiàn)了控制系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化、集成化、分布化、節(jié)點智能化的發(fā)展趨勢，因此成為控制界研究的熱點。本文結(jié)合儀表和控制網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了具有工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)場智能控制模塊的硬件設(shè)備。 2 現(xiàn)場智能控制模塊的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 　　硬件設(shè)計的主要任務(wù)在于設(shè)計接口電路來滿足分布式控制的要求。按照系統(tǒng)功能圍繞核心控制器Rabbit2000，可以將硬件系統(tǒng)分成如圖1所示的四個模塊，它們分別是：微控制器與存儲器模塊、開關(guān)量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、通訊模塊。 [align=center] 圖1 硬件系統(tǒng)實現(xiàn)框圖[/align] 　　整塊電路板由5V直流供電，它集成了Rabbit2000微處理器、512K的FlashRAM、128K的SRAM和RJ-45以太網(wǎng)接口。Rabbit2000有5個8位并行接口，其中B口和D口的一部分用于和Realtek的以太網(wǎng)卡控制芯片RTL8019AS相連;C口可以用于RS485或RS232串行通訊。I/O采集的接口硬件電路和總線相連，整個控制器接口部分包含了9路模擬量輸入通道，2路模擬量輸出通道，8路開關(guān)量輸入通道和8路開關(guān)量輸出通道。其中，數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片均為12位，精度基本可以滿足一般控制對象的要求。 3 現(xiàn)場智能控制模塊的硬件詳細設(shè)計 　　系統(tǒng)微控制器選擇Rabbit半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的Rabbit2000微處理器。Rabbit2000處理器是專門為新一代嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的基于Z80架構(gòu)的高性能8位微處理器，芯片為100針PQFP封裝，工作電壓為2.7V-5V，最大時鐘頻率為30MHZ，對嵌入式系統(tǒng)而言，其性能超過了很多16位，32位處理器，效率優(yōu)于同類8位系列。Rabbit2000共有40條并行I/O口線（與串行口共用）。其中一些I/O口是定時器同步的，這就允許在組合軟硬件控制下精確地產(chǎn)生邊沿和脈沖。其中包含了4個串行口，這4個串行端口都可以在多種操作模式下實現(xiàn)異步工作。其中兩個口還可以同步工作，實現(xiàn)與串行I/O設(shè)備的接口。片上集成了一個內(nèi)置的看門狗定時器以及一個內(nèi)置的電池供電的時間/日期部件。 　　3.1 模擬量與數(shù)字量的輸入輸出模塊 　　模擬量輸入接口用來完成將現(xiàn)場模擬信號轉(zhuǎn)換為微處理器可以識別并處理的數(shù)字量信號。由于工業(yè)場合被測對象一般為溫度、壓力、液位等緩變信號，要求采樣頻率較低。設(shè)計中對于模擬信號的采集使用TI公司的新型模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC2543完成。數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）接口用來輸出模擬量信號。通過模數(shù)轉(zhuǎn)換接口，微處理器可以把要輸出的二進制表示的信號變成與該數(shù)字信號成比例的模擬電壓或者電流信號。設(shè)計中選用了AD公司的12位的電壓輸出D/A轉(zhuǎn)換器AD5320。 [align=center] 圖2 模擬量輸入電路圖[/align] 　　由于輸入的現(xiàn)場模擬信號可能接近于零值或滿量程值，或輸入信號源的內(nèi)阻很大，因此在A/D轉(zhuǎn)換電路前端增加緩沖電路來調(diào)節(jié)輸入的模擬信號可以提高全量程轉(zhuǎn)換精度和微弱信號測量精度，具體的電路圖如圖2所示。為了減小AD轉(zhuǎn)換中的量化誤差，AD轉(zhuǎn)換器的參考電壓選擇為4.096V，并由穩(wěn)壓二級管LM4040-4.096給出，因此必須將輸入信號的量程轉(zhuǎn)換為0-4.096V，再送到A/D轉(zhuǎn)換器輸入端，通過圖中的電阻R39和R41用來調(diào)節(jié)信號隔離增益，使得輸入電壓可以變換到0-4.096V范圍以內(nèi)，由R41和C64組成的阻容電路可以起到低通濾波的作用。 　　模擬量輸入信號經(jīng)輸入緩沖電路至A/D轉(zhuǎn)換器輸入端口，A/D轉(zhuǎn)換器選用了TI公司的TLC2543，它是一款高速、低功耗，開關(guān)電容逐次逼近型12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。供電電流僅需1mA，除了能夠提供的最大采樣率66ksps的高速轉(zhuǎn)換能力外，還可以使用通用靈活的通用串行接口SPI與微處理器進行數(shù)據(jù)傳輸，片內(nèi)還帶有14通道的多路選擇器，可以在11個的AD輸入通道和3個內(nèi)部測試電壓之間切換。因而可廣泛運用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。 　　模擬量輸出通道選用了AD公司的單通道12位電壓輸出D/A轉(zhuǎn)換器，單電源工作，電壓范圍為2.7V～5.5V。片內(nèi)高精度輸出放大器提供滿電源幅度輸出，其基準(zhǔn)來自電源輸入端，可以提供了較大的動態(tài)輸出范圍，它利用能與標(biāo)準(zhǔn)的SPI、QSPI、MICROWIRE和DSP接口標(biāo)準(zhǔn)兼容的3線串行接口與微處理器交換數(shù)據(jù)，接口簡單。其接口電路如圖3所示。 [align=center] 圖3 D/A輸出電路圖[/align] 　　工作過程中，將SYNC置為低電平時候啟動寫序列，在這個階段，SYNC線至少要保持低電平一直到SCLK的第16個下降沿，DAC在這第16個下降沿被更新，如果在這之前SYNC被拉為高電平，就意味這寫序列的中斷，此時移位寄存器復(fù)位。來自DIN線的數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿隨時鐘送入16位移位寄存器，輸入移位寄存器的數(shù)據(jù)為16位寬，前2位是無關(guān)位，接下來2位是控制位，決定控制器件處于那種工作方式，最后12位是數(shù)據(jù)位，它們代表著DA轉(zhuǎn)換器即將輸出的電壓值。在第16個時鐘下降沿，最后一位數(shù)據(jù)隨時鐘輸入并按照給定內(nèi)容執(zhí)行已編制好的功能。 　　數(shù)字量只表現(xiàn)為兩個狀態(tài)，在控制系統(tǒng)中如繼電器的接通或斷開兩個狀態(tài)。嵌入式微處理器是一個數(shù)字信號處理系統(tǒng)，它給出的控制量本來就是一個數(shù)字量，但是為了防止工業(yè)現(xiàn)場強電磁干擾或工頻電壓通過輸入輸出通道串入測控系統(tǒng)一般要將整個控制器與外設(shè)隔離開來，即需采用隔離技術(shù)。因此數(shù)字量輸入輸出通道的技術(shù)主要是抗干擾而不是精度的要求。 　　3.2 通訊模塊 [align=center] 圖4 通訊模塊構(gòu)成示意圖[/align] 　　如圖4所示，該模塊主要由以太網(wǎng)控制器RTL8019AS、網(wǎng)絡(luò)變壓器以及串口電平轉(zhuǎn)換芯片組成。通訊模塊分為三個部分，RS232串行通訊接口，RS485串行通訊接口和Ethernet通訊接口。Rabbit2000負責(zé)網(wǎng)絡(luò)控制器的初始化，數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送?？紤]到以太網(wǎng)接口芯片RTL8019AS負責(zé)數(shù)據(jù)包和電信號之間的轉(zhuǎn)換，即把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成物理幀格式在物理信道上傳輸，并將收到物理信號還原成數(shù)據(jù)按指定格式存放在芯片RAM區(qū)內(nèi)，以便主機程序讀取。串行接口芯片MAX483和MAX232負責(zé)TTL電平到RS-232和RS-485電平信號轉(zhuǎn)換。 　　在設(shè)計整個現(xiàn)場智能控制模塊時，考慮到要與傳統(tǒng)的總線型控制系統(tǒng)相融合的問題，控制器添加了RS-485串行通信接口。RS-485具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、硬軟件支持豐富、安裝方便，并且與傳統(tǒng)DCS兼容，與現(xiàn)場儀表接口簡單，系統(tǒng)實施容易等特點，尤其是在國內(nèi)，RS485總線系統(tǒng)在一定時間內(nèi)仍是一些中小型控制系統(tǒng)的主要形式。RS-485總線傳送距離遠（90KB/S下可傳1200米），以差分平衡方式傳輸信號，具有很強的抗共模干擾的能力，允許一對雙絞線上一個發(fā)送器驅(qū)動多個負載設(shè)備。因此很多工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)中都采用該總線標(biāo)準(zhǔn)進行數(shù)據(jù)傳輸。 　　RS232是目前最常用的串行標(biāo)準(zhǔn)接口，其適用于IBM-PC機與其它外部設(shè)備之間進行異步通信。為了保證二進制數(shù)據(jù)能夠正確傳送、設(shè)備控制準(zhǔn)確的完成，有必要使所使用的信號電平保持一致，為滿足此要求，RS-232規(guī)定了數(shù)據(jù)和控制信號的電壓范圍，它其采用負邏輯，規(guī)定+3-+15V之間的任意電壓表示邏輯“1”電平，-3V——15V之間的任意電壓表示邏輯“0”電平。由于在計算機接口芯片中，大都為TTL或CMOS電平，而RS-232電平與TTL和CMOS電平是不同的，所以二者在通信時，必須進行電平轉(zhuǎn)換，主要用到芯片MAX232。MAX232是MAXIM公司生產(chǎn)的雙路RS232收發(fā)器，采用+5V供電，支持TTL電平和CMOS電平輸入，滿足EIA RS232C標(biāo)準(zhǔn)，而且功耗較低。 　　3.3 以太網(wǎng)接口模塊實現(xiàn)原理 　　現(xiàn)場智能控制模塊的硬件設(shè)計主要難點就在于網(wǎng)絡(luò)接口模塊的設(shè)計，現(xiàn)場控制模塊要發(fā)送數(shù)據(jù)時應(yīng)該做的工作是，首先對需要發(fā)送的數(shù)據(jù)進行曼切斯特編碼，然后對編碼后的數(shù)據(jù)進行預(yù)扭曲處理，使其發(fā)送的數(shù)據(jù)適合在10BaseT的以太網(wǎng)絡(luò)上傳輸，最后把處理好的數(shù)據(jù)以10M的速度發(fā)送到以太網(wǎng)絡(luò)上。同時，為了保證數(shù)據(jù)的有效發(fā)送，系統(tǒng)還應(yīng)具用沖突檢測和重發(fā)的功能。從以上的數(shù)據(jù)發(fā)送過程可以看出，直接用普通的低速微控制器來實現(xiàn)上述功能非常困難。解決這個問題的方法是采用專門的網(wǎng)絡(luò)接口芯片RTL8019AS來實現(xiàn)，芯片遵循IEEE802.3所規(guī)定的CSMA/CD協(xié)議，除了提供物理鏈路所需要的電氣性能外，還提供曼切斯特編碼、沖突檢測和重發(fā)的功能，它可以與很少的外圍電路一起完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能，Rabbit2000處理器只需為接口芯片提供初始配置和數(shù)據(jù)接口即可。 　　RTL8019AS為微處理器提供的是標(biāo)準(zhǔn)的ISA接口，ISA總線共有98個信號，直接實現(xiàn)ISA接口比較復(fù)雜，而且也沒有必要，由于設(shè)計目標(biāo)是一個運行于小型的嵌入式系統(tǒng)中的Web服務(wù)器，通過對網(wǎng)卡工作原理的分析，可以直接通過對RTL8019AS的數(shù)據(jù)線和地址線的訪問來實現(xiàn)控制并將接口信號線減至最少。網(wǎng)卡接口電路可分為兩部分：一是與計算機ISA總線相連，包括數(shù)據(jù)總線讀寫、存儲器讀寫信號以及端口讀寫信號的引入等：二是對網(wǎng)卡內(nèi)部的操作，包括對緩沖RAM的讀寫，對RTL8019AS的控制，讀棧地址PROM以及自舉ROM等。設(shè)置網(wǎng)卡選擇8位模式、工作在跳線方式下、網(wǎng)絡(luò)接口類型使用自動檢測，則控制信號只需引入讀寫控制IORB、IOWB、配置網(wǎng)卡I/O和中斷所需的BD5、BD6和BD7信號以及復(fù)位信號RSTDRY;網(wǎng)卡的基地址選擇為0x300，對內(nèi)部寄存器訪問只需5條地址線;數(shù)據(jù)線為8位。綜合以上分析，Rabbit2000只要提供6條控制線（復(fù)位線接系統(tǒng)復(fù)位）、8條數(shù)據(jù)線和5條地址線就可以完成對RTL8019AS的控制。 　　本文作者的創(chuàng)新點在于:工業(yè)以太網(wǎng)有著廣泛的應(yīng)用前景，目前已經(jīng)引起了各國控制領(lǐng)域的關(guān)注。提出了現(xiàn)場智能控制模塊的硬件設(shè)計思路以及具體實現(xiàn)方案，并實現(xiàn)了以Rabbit2000微處理器和RTL8019AS網(wǎng)卡芯片為核心，結(jié)合數(shù)據(jù)采集和處理電路，構(gòu)成一個具有現(xiàn)場測控功能的多用途模塊的方案。 參考文獻: 　　[1] 楊鵬等. 工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展及其技術(shù)特點[J],微計算機信息,2006,22-4:32-24. 　　[2] 鄔寬明. 80C51 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