基于工业以太网的现场智能控制模块设计

摘 要: 计算机和网络已经进入后PC时代，随着将以太网应用到工业自动化领域的研究再次兴起，在现场仪表和工业设备层应用以太网技术是工业控制网络的一个发展趋势。本文研究开发了一种基于工业以太网的工业现场智能控制模块的硬件结构，选择合适的微处理器和外围存储、通信等器件，构建了一个带有网络接口，可以接入工业以太网现场网络中的硬件平台。关键字: 智能控制; 工业以太网; 网络接口1 引言　　工业网络控制系统顾名思义即网络化的工业控制系统。目前，国内外应用较多的工业网络控制系统是集散控制系统和现场总线控制系统，但是最有发展前景的是工业以太网控制系统。它们体现了控制系统向网络化、集成化、分布化、节点智能化的发展趋势，因此成为控制界研究的热点。本文结合仪表和控制网络，设计了具有工业以太网的现场智能控制模块的硬件设备。2 现场智能控制模块的硬件结构设计　　硬件设计的主要任务在于设计接口电路来满足分布式控制的要求。按照系统功能围绕核心控制器Rabbit2000，可以将硬件系统分成如图1所示的四个模块，它们分别是：微控制器与存储器模块、开关量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、通讯模块。[align=center]图1 硬件系统实现框图[/align]　　整块电路板由5V直流供电，它集成了Rabbit2000微处理器、512K的FlashRAM、128K的SRAM和RJ-45以太网接口。Rabbit2000有5个8位并行接口，其中B口和D口的一部分用于和Realtek的以太网卡控制芯片RTL8019AS相连;C口可以用于RS485或RS232串行通讯。I/O采集的接口硬件电路和总线相连，整个控制器接口部分包含了9路模拟量输入通道，2路模拟量输出通道，8路开关量输入通道和8路开关量输出通道。其中，数/模和模/数转换芯片均为12位，精度基本可以满足一般控制对象的要求。3 现场智能控制模块的硬件详细设计　　系统微控制器选择Rabbit半导体公司生产的Rabbit2000微处理器。Rabbit2000处理器是专门为新一代嵌入式系统设计的基于Z80架构的高性能8位微处理器，芯片为100针PQFP封装，工作电压为2.7V-5V，最大时钟频率为30MHZ，对嵌入式系统而言，其性能超过了很多16位，32位处理器，效率优于同类8位系列。Rabbit2000共有40条并行I/O口线（与串行口共用）。其中一些I/O口是定时器同步的，这就允许在组合软硬件控制下精确地产生边沿和脉冲。其中包含了4个串行口，这4个串行端口都可以在多种操作模式下实现异步工作。其中两个口还可以同步工作，实现与串行I/O设备的接口。片上集成了一个内置的看门狗定时器以及一个内置的电池供电的时间/日期部件。　　3.1 模拟量与数字量的输入输出模块　　模拟量输入接口用来完成将现场模拟信号转换为微处理器可以识别并处理的数字量信号。由于工业场合被测对象一般为温度、压力、液位等缓变信号，要求采样频率较低。设计中对于模拟信号的采集使用TI公司的新型模数转换器TLC2543完成。数模转换器（DAC）接口用来输出模拟量信号。通过模数转换接口，微处理器可以把要输出的二进制表示的信号变成与该数字信号成比例的模拟电压或者电流信号。设计中选用了AD公司的12位的电压输出D/A转换器AD5320。[align=center]图2 模拟量输入电路图[/align]　　由于输入的现场模拟信号可能接近于零值或满量程值，或输入信号源的内阻很大，因此在A/D转换电路前端增加缓冲电路来调节输入的模拟信号可以提高全量程转换精度和微弱信号测量精度，具体的电路图如图2所示。为了减小AD转换中的量化误差，AD转换器的参考电压选择为4.096V，并由稳压二级管LM4040-4.096给出，因此必须将输入信号的量程转换为0-4.096V，再送到A/D转换器输入端，通过图中的电阻R39和R41用来调节信号隔离增益，使得输入电压可以变换到0-4.096V范围以内，由R41和C64组成的阻容电路可以起到低通滤波的作用。　　模拟量输入信号经输入缓冲电路至A/D转换器输入端口，A/D转换器选用了TI公司的TLC2543，它是一款高速、低功耗，开关电容逐次逼近型12位模数转换器（ADC）。供电电流仅需1mA，除了能够提供的最大采样率66ksps的高速转换能力外，还可以使用通用灵活的通用串行接口SPI与微处理器进行数据传输，片内还带有14通道的多路选择器，可以在11个的AD输入通道和3个内部测试电压之间切换。因而可广泛运用于数据采集系统中。　　模拟量输出通道选用了AD公司的单通道12位电压输出D/A转换器，单电源工作，电压范围为2.7V～5.5V。片内高精度输出放大器提供满电源幅度输出，其基准来自电源输入端，可以提供了较大的动态输出范围，它利用能与标准的SPI、QSPI、MICROWIRE和DSP接口标准兼容的3线串行接口与微处理器交换数据，接口简单。其接口电路如图3所示。[align=center]图3 D/A输出电路图[/align]　　工作过程中，将SYNC置为低电平时候启动写序列，在这个阶段，SYNC线至少要保持低电平一直到SCLK的第16个下降沿，DAC在这第16个下降沿被更新，如果在这之前SYNC被拉为高电平，就意味这写序列的中断，此时移位寄存器复位。来自DIN线的数据在SCLK的下降沿随时钟送入16位移位寄存器，输入移位寄存器的数据为16位宽，前2位是无关位，接下来2位是控制位，决定控制器件处于那种工作方式，最后12位是数据位，它们代表着DA转换器即将输出的电压值。在第16个时钟下降沿，最后一位数据随时钟输入并按照给定内容执行已编制好的功能。　　数字量只表现为两个状态，在控制系统中如继电器的接通或断开两个状态。嵌入式微处理器是一个数字信号处理系统，它给出的控制量本来就是一个数字量，但是为了防止工业现场强电磁干扰或工频电压通过输入输出通道串入测控系统一般要将整个控制器与外设隔离开来，即需采用隔离技术。因此数字量输入输出通道的技术主要是抗干扰而不是精度的要求。　　3.2 通讯模块[align=center]图4 通讯模块构成示意图[/align]　　如图4所示，该模块主要由以太网控制器RTL8019AS、网络变压器以及串口电平转换芯片组成。通讯模块分为三个部分，RS232串行通讯接口，RS485串行通讯接口和Ethernet通讯接口。Rabbit2000负责网络控制器的初始化，数据的接收、发送。考虑到以太网接口芯片RTL8019AS负责数据包和电信号之间的转换，即把数据包转换成物理帧格式在物理信道上传输，并将收到物理信号还原成数据按指定格式存放在芯片RAM区内，以便主机程序读取。串行接口芯片MAX483和MAX232负责TTL电平到RS-232和RS-485电平信号转换。　　在设计整个现场智能控制模块时，考虑到要与传统的总线型控制系统相融合的问题，控制器添加了RS-485串行通信接口。RS-485具有结构简单、成本低廉、硬软件支持丰富、安装方便，并且与传统DCS兼容，与现场仪表接口简单，系统实施容易等特点，尤其是在国内，RS485总线系统在一定时间内仍是一些中小型控制系统的主要形式。RS-485总线传送距离远（90KB/S下可传1200米），以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰的能力，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备。因此很多工业现场控制系统中都采用该总线标准进行数据传输。　　RS232是目前最常用的串行标准接口，其适用于IBM-PC机与其它外部设备之间进行异步通信。为了保证二进制数据能够正确传送、设备控制准确的完成，有必要使所使用的信号电平保持一致，为满足此要求，RS-232规定了数据和控制信号的电压范围，它其采用负逻辑，规定+3-+15V之间的任意电压表示逻辑“1”电平，-3V——15V之间的任意电压表示逻辑“0”电平。由于在计算机接口芯片中，大都为TTL或CMOS电平，而RS-232电平与TTL和CMOS电平是不同的，所以二者在通信时，必须进行电平转换，主要用到芯片MAX232。MAX232是MAXIM公司生产的双路RS232收发器，采用+5V供电，支持TTL电平和CMOS电平输入，满足EIA RS232C标准，而且功耗较低。　　3.3 以太网接口模块实现原理　　现场智能控制模块的硬件设计主要难点就在于网络接口模块的设计，现场控制模块要发送数据时应该做的工作是，首先对需要发送的数据进行曼切斯特编码，然后对编码后的数据进行预扭曲处理，使其发送的数据适合在10baseT的以太网络上传输，最后把处理好的数据以10M的速度发送到以太网络上。同时，为了保证数据的有效发送，系统还应具用冲突检测和重发的功能。从以上的数据发送过程可以看出，直接用普通的低速微控制器来实现上述功能非常困难。解决这个问题的方法是采用专门的网络接口芯片RTL8019AS来实现，芯片遵循IEEE802.3所规定的CSMA/CD协议，除了提供物理链路所需要的电气性能外，还提供曼切斯特编码、冲突检测和重发的功能，它可以与很少的外围电路一起完成数据的发送和接收功能，Rabbit2000处理器只需为接口芯片提供初始配置和数据接口即可。　　RTL8019AS为微处理器提供的是标准的ISA接口，ISA总线共有98个信号，直接实现ISA接口比较复杂，而且也没有必要，由于设计目标是一个运行于小型的嵌入式系统中的Web服务器，通过对网卡工作原理的分析，可以直接通过对RTL8019AS的数据线和地址线的访问来实现控制并将接口信号线减至最少。网卡接口电路可分为两部分：一是与计算机ISA总线相连，包括数据总线读写、存储器读写信号以及端口读写信号的引入等：二是对网卡内部的操作，包括对缓冲RAM的读写，对RTL8019AS的控制，读栈地址PROM以及自举ROM等。设置网卡选择8位模式、工作在跳线方式下、网络接口类型使用自动检测，则控制信号只需引入读写控制IORB、IOWB、配置网卡I/O和中断所需的BD5、BD6和BD7信号以及复位信号RSTDRY;网卡的基地址选择为0x300，对内部寄存器访问只需5条地址线;数据线为8位。综合以上分析，Rabbit2000只要提供6条控制线（复位线接系统复位）、8条数据线和5条地址线就可以完成对RTL8019AS的控制。　　本文作者的创新点在于:工业以太网有着广泛的应用前景，目前已经引起了各国控制领域的关注。提出了现场智能控制模块的硬件设计思路以及具体实现方案，并实现了以Rabbit2000微处理器和RTL8019AS网卡芯片为核心，结合数据采集和处理电路，构成一个具有现场测控功能的多用途模块的方案。参考文献:　　[1] 杨鹏等. 工业以太网的发展及其技术特点[J],微计算机信息,2006,22-4:32-24.　　[2] 邬宽明. 80C51 XA十六位为控制器系统设计[M],器件和应用开发,北京航空航天大学出版社,1996.　　[3] 史久根,张培仁,陈真勇. CAN现场总线系统设计技术[M],国防工业出版社,2004.　　[4] 周国庆,尹燕磊,张留全,张允刚. 基于以太网的电力智能监控终端的研究[J]. 微计算机信息, 2007, 3-2: 37-38