摘 要: 計算機和網絡已經進入后PC時代，隨著將以太網應用到工業自動化領域的研究再次興起，在現場儀表和工業設備層應用以太網技術是工業控制網絡的一個發展趨勢。本文研究開發了一種基于工業以太網的工業現場智能控制模塊的硬件結構，選擇合適的微處理器和外圍存儲、通信等器件，構建了一個帶有網絡接口，可以接入工業以太網現場網絡中的硬件平臺。 關鍵字: 智能控制; 工業以太網; 網絡接口 1 引言 　　工業網絡控制系統顧名思義即網絡化的工業控制系統。目前，國內外應用較多的工業網絡控制系統是集散控制系統和現場總線控制系統，但是最有發展前景的是工業以太網控制系統。它們體現了控制系統向網絡化、集成化、分布化、節點智能化的發展趨勢，因此成為控制界研究的熱點。本文結合儀表和控制網絡，設計了具有工業以太網的現場智能控制模塊的硬件設備。 2 現場智能控制模塊的硬件結構設計 　　硬件設計的主要任務在于設計接口電路來滿足分布式控制的要求。按照系統功能圍繞核心控制器Rabbit2000，可以將硬件系統分成如圖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 硬件系統實現框圖[/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路開關量輸入通道和8路開關量輸出通道。其中，數/模和模/數轉換芯片均為12位，精度基本可以滿足一般控制對象的要求。 3 現場智能控制模塊的硬件詳細設計 　　系統微控制器選擇Rabbit半導體公司生產的Rabbit2000微處理器。Rabbit2000處理器是專門為新一代嵌入式系統設計的基于Z80架構的高性能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，對嵌入式系統而言，其性能超過了很多16位，32位處理器，效率優于同類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異步工作。其中兩個口還可以同步工作，實現與串行I/O設備的接口。片上集成了一個內置的看門狗定時器以及一個內置的電池供電的時間/日期部件。 　　3.1 模擬量與數字量的輸入輸出模塊 　　模擬量輸入接口用來完成將現場模擬信號轉換為微處理器可以識別并處理的數字量信號。由于工業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。設計中對于模擬信號的采集使用TI公司的新型模數轉換器TLC2543完成。數模轉換器（DAC）接口用來輸出模擬量信號。通過模數轉換接口，微處理器可以把要輸出的二進制表示的信號變成與該數字信號成比例的模擬電壓或者電流信號。設計中選用了AD公司的12位的電壓輸出D/A轉換器AD5320。 [align=center] 圖2 模擬量輸入電路圖[/align] 　　由于輸入的現場模擬信號可能接近于零值或滿量程值，或輸入信號源的內阻很大，因此在A/D轉換電路前端增加緩沖電路來調節輸入的模擬信號可以提高全量程轉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轉換中的量化誤差，AD轉換器的參考電壓選擇為4.096V，并由穩壓二級管LM4040-4.096給出，因此必須將輸入信號的量程轉換為0-4.096V，再送到A/D轉換器輸入端，通過圖中的電阻R39和R41用來調節信號隔離增益，使得輸入電壓可以變換到0-4.096V范圍以內，由R41和C64組成的阻容電路可以起到低通濾波的作用。 　　模擬量輸入信號經輸入緩沖電路至A/D轉換器輸入端口，A/D轉換器選用了TI公司的TLC2543，它是一款高速、低功耗，開關電容逐次逼近型12位模數轉換器（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與微處理器進行數據傳輸，片內還帶有14通道的多路選擇器，可以在11個的AD輸入通道和3個內部測試電壓之間切換。因而可廣泛運用于數據采集系統中。 　　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轉換器，單電源工作，電壓范圍為2.7V～5.5V。片內高精度輸出放大器提供滿電源幅度輸出，其基準來自電源輸入端，可以提供了較大的動態輸出范圍，它利用能與標準的SPI、QSPI、MICROWIRE和DSP接口標準兼容的3線串行接口與微處理器交換數據，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，此時移位寄存器復位。來自DIN線的數據在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據為16位寬，前2位是無關位，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位是數據位，它們代表著DA轉換器即將輸出的電壓值。在第16個時鐘下降沿，最后一位數據隨時鐘輸入并按照給定內容執行已編制好的功能。 　　數字量只表現為兩個狀態，在控制系統中如繼電器的接通或斷開兩個狀態。嵌入式微處理器是一個數字信號處理系統，它給出的控制量本來就是一個數字量，但是為了防止工業現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一般要將整個控制器與外設隔離開來，即需采用隔離技術。因此數字量輸入輸出通道的技術主要是抗干擾而不是精度的要求。 　　3.2 通訊模塊 [align=center] 圖4 通訊模塊構成示意圖[/align] 　　如圖4所示，該模塊主要由以太網控制器RTL8019AS、網絡變壓器以及串口電平轉換芯片組成。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負責網絡控制器的初始化，數據的接收、發送。考慮到以太網接口芯片RTL8019AS負責數據包和電信號之間的轉換，即把數據包轉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據按指定格式存放在芯片RAM區內，以便主機程序讀取。串行接口芯片MAX483和MAX232負責TTL電平到RS-232和RS-485電平信號轉換。 　　在設計整個現場智能控制模塊時，考慮到要與傳統的總線型控制系統相融合的問題，控制器添加了RS-485串行通信接口。RS-485具有結構簡單、成本低廉、硬軟件支持豐富、安裝方便，并且與傳統DCS兼容，與現場儀表接口簡單，系統實施容易等特點，尤其是在國內，RS485總線系統在一定時間內仍是一些中小型控制系統的主要形式。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送器驅動多個負載設備。因此很多工業現場控制系統中都采用該總線標準進行數據傳輸。 　　RS232是目前最常用的串行標準接口，其適用于IBM-PC機與其它外部設備之間進行異步通信。為了保證二進制數據能夠正確傳送、設備控制準確的完成，有必要使所使用的信號電平保持一致，為滿足此要求，RS-232規定了數據和控制信號的電壓范圍，它其采用負邏輯，規定+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，必須進行電平轉換，主要用到芯片MAX232。MAX232是MAXIM公司生產的雙路RS232收發器，采用+5V供電，支持TTL電平和CMOS電平輸入，滿足EIA RS232C標準，而且功耗較低。 　　3.3 以太網接口模塊實現原理 　　現場智能控制模塊的硬件設計主要難點就在于網絡接口模塊的設計，現場控制模塊要發送數據時應該做的工作是，首先對需要發送的數據進行曼切斯特編碼，然后對編碼后的數據進行預扭曲處理，使其發送的數據適合在10BaseT的以太網絡上傳輸，最后把處理好的數據以10M的速度發送到以太網絡上。同時，為了保證數據的有效發送，系統還應具用沖突檢測和重發的功能。從以上的數據發送過程可以看出，直接用普通的低速微控制器來實現上述功能非常困難。解決這個問題的方法是采用專門的網絡接口芯片RTL8019AS來實現，芯片遵循IEEE802.3所規定的CSMA/CD協議，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、沖突檢測和重發的功能，它可以與很少的外圍電路一起完成數據的發送和接收功能，Rabbit2000處理器只需為接口芯片提供初始配置和數據接口即可。 　　RTL8019AS為微處理器提供的是標準的ISA接口，ISA總線共有98個信號，直接實現ISA接口比較復雜，而且也沒有必要，由于設計目標是一個運行于小型的嵌入式系統中的Web服務器，通過對網卡工作原理的分析，可以直接通過對RTL8019AS的數據線和地址線的訪問來實現控制并將接口信號線減至最少。網卡接口電路可分為兩部分：一是與計算機ISA總線相連，包括數據總線讀寫、存儲器讀寫信號以及端口讀寫信號的引入等：二是對網卡內部的操作，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。設置網卡選擇8位模式、工作在跳線方式下、網絡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、配置網卡I/O和中斷所需的BD5、BD6和BD7信號以及復位信號RSTDRY;網卡的基地址選擇為0x300，對內部寄存器訪問只需5條地址線;數據線為8位。綜合以上分析，Rabbit2000只要提供6條控制線（復位線接系統復位）、8條數據線和5條地址線就可以完成對RTL8019AS的控制。 　　本文作者的創新點在于:工業以太網有著廣泛的應用前景，目前已經引起了各國控制領域的關注。提出了現場智能控制模塊的硬件設計思路以及具體實現方案，并實現了以Rabbit2000微處理器和RTL8019AS網卡芯片為核心，結合數據采集和處理電路，構成一個具有現場測控功能的多用途模塊的方案。 參考文獻: 　　[1] 楊鵬等. 工業以太網的發展及其技術特點[J],微計算機信息,2006,22-4:32-24. 　　[2] 鄔寬明. 80C51 XA十六位為控制器系統設計[M],器件和應用開發,北京航空航天大學出版社,1996. 　　[3] 史久根,張培仁,陳真勇. CAN現場總線系統設計技術[M],國防工業出版社,2004. 　　[4] 周國慶,尹燕磊,張留全,張允剛. 基于以太網的電力智能監控終端的研究[J]. 微計算機信息, 2007, 3-2: 37-38