基于TCP/IP的工業設備聯網設計方案
閱讀：856發布時間：2008-06-18
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煙臺勾股通信技術有限公司
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摘 要：本文針對計算機控制技術和工業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在工業自動化中的應用和工業設備聯網時關鍵問題，提出了一個基于TCP/IP的工業設備聯網設計方案。重點介紹了各種工業設備聯網的幾個主要模塊：控制模塊、復位模塊、通信模塊的詳細實現方案，包括對應的內部結構圖和設計原理圖。
關鍵詞: 自動化;工業控制;聯網技術;TCP/IP;通信模塊
1 前言
工業控制網絡作為一種特殊的網絡，直接面向生產過程，肩負著工業生產運行一線測量與控制信息傳輸的特殊任務;它將多個分散在生產現場，具有數字通信能力的測量控制儀表作為網絡節點，采用公開、規范的通信協議，把現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絡系統與控制系統，并zui終產生或引發物質或能量的運動和轉換。工業控制網絡是網絡集成式控制系統運行的動脈，是控制系統通信的樞紐。相對于普通的計算機網絡系統，工業控制網絡的節點大部分都是可編程控制器、變送器、執行器等現場設備，節點智能程度遠遠比不上計算機;工業控制網絡工作的環境也比普通的計算機網絡要惡劣許多。因此，工業控制網絡通常應滿足開放性、互操作性、實時性、高可靠性、惡劣的工業現場環境適應性、總線供電等特殊要求;即工業控制網絡應具有以下特點：其一、具有較好的響應實時性。工業控制網絡不僅要求傳輸速度快，而且在工業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，即能安裝在工業控制現場，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，在現場設備或網絡局部鏈路出現故障的情況下，能在很短的時間內重新建立新的網絡鏈路;其三、開放性要好，即工業控制網絡要能夠易與企業信息網等互連互通。
2 聯網接口設計方案
工業設備聯網接口是為工業現場設備提供以太網接口，使工業現場設備成為工業以太網絡上的一個智能節點。每個智能現場設備由于實現了以太網和TCP/IP協議通信功能，具有內嵌的Web服務器，就可以直接連接到企業信息網絡中，和Internet上的Web瀏覽器進行直接通訊。這種網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儀表、現場設備等接入以太網的方式，僅能完成簡單、低速的數據傳輸，不能滿足工業現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進行合理的任務調度，才能滿足工業現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場控制器設計了一個以太網接口，以太網接口負責和以太網絡上的設備進行通信，處理大量的以太網通信事務。以太網接口通過雙口RAM與現場控制設備完成數據交換的功能。我們使用的現場控制器是采用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卡實現與上位機的數據交換，內部有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，可以實現多種復雜的控制方案，總體設計框圖如圖一。
圖 一：系統總體設計框圖
現場設備網絡化一個主要的任務是將TCP/IP網絡協議棧嵌入到設備中，并且使嵌入式設備轉變為Web服務器接入現場底層通訊網絡中。TCP/IP協議棧的實現與要采用的硬件的性能以及實現的成本有關。從解決這一技術問題出發，圍繞著工業現場應用的原則，有以下幾種具體的實現方法：*種是使用嵌入式操作系統，此種方案可以描述為嵌入式TCP/IP協議棧+嵌入式操作系統+微控制器。在這個方案中，使用了嵌入式操作系統，即在嵌入式系統上首先安裝并運行操作系統，然后運行TCP/IP協議棧，從而實現網絡接入，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議棧芯片，這種方案的核心思想是將TCP/IP協議固化到芯片中，將協議處理部分獨立出來，開發人員不必考慮復雜的網絡協議和相關接口，主控制器只負責完成協議棧芯片的驅動工作就可以完成網絡通信功能。由于使用硬件設計簡單，開發難度低，系統的可靠性也有保障，但不適合用于有較多通信任務的場合。第三種是直接實現協議棧方案，這種方案是直接在嵌入式處理器上實現TCP/IP協議來實現網絡接入功能。它所采用的方法和*種方案差不多，差別是省去了操作系統，這樣不僅可以大大節約系統資源，還可以省去嵌入式操作系統的版權費用，從而可以在低成本、低速度、小內存的MCU上實現網絡連接。考慮到速度和靈活性的問題，在開發以太網接口的時候，我們選擇了第三種方案。硬件系統由基于ARM7TDMI內核的32位嵌入式微處理器AT91R40008和10M/100M自適應快速以太網控制器AX88796為核心構成。硬件系統除了實現基本的以太網通信功能外，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、以太網通信模塊三部分?？刂颇K的核心是基于ARM7TDM工內核的32位嵌入式微處理器AT91R408 ;復位電路采用復位芯片x25045用于為系統提供穩定的復位信號并防止系統死鎖;以太網通信模塊采用IOM/IOM自適應網卡AX8796實現，并且通過網絡線圈HR61HSOL將本地網絡和傳輸網絡隔離開來。
3 控制模塊的設計
控制模塊是整個嵌入式網絡接口的核心，我們采用了Atmel公司帶有ARM7TDMI內核的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內核基礎上設計生產的一系列芯片。ARM是一種通用的32位RISC功耗很低的高性能處理器，外部地址和數據總線是32位的，相比16位的同頻處理器性能更強大。
圖 二：聯網接口電路示意圖
聯網接口的電路圖如圖2所示，AT91R40008 通過16位并行數據總線和24位地址總線與以太網卡AX88796,FLASH存儲器進行數據的交互;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腳可以實現對數據采集電路的讀寫控制和數據交互，I/O腳的工作模式可以通過I/O教寄存器進行配置;來自以太網卡AX88796的外部中斷由IRQ2送入MCU, 觸發中斷處理程序，接收來自以太網的數據。AT91R40008的VDD為3.3V，VDDCORE為1.8V。
FLASH存儲器選用的是SST公司生產的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，它支持扇區擦除、地址數據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。當系統上電時X25045芯片會保持復位電平一段時間，當系統電壓穩定后在取消復位電平，這樣可以保證系統CPU在上電階段正常啟動。
為了防止系統軟件出錯，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復位，防止系統的死鎖。這樣當程序跑飛時X25045芯片會自動復位系統，保證了系統的可靠運行。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 ，經過復位電路，產生/NRST=0的復位信號，對MCU進行復位，產生NICRST=1的復位信號，對以太網卡進行復位。此外，如果MCU需要對以太網卡進行復位操作，則輸出低電平信號給復位電路，產生NICRST=1的復位信號對以太網卡進行復位。
5 通信模塊的設計
網絡通信模塊的核心是10M/100M自適應網卡AX88796。這是中國臺灣Asix公司推出的NE2000兼容快速以太網控制器。其內部集成有10M/100M自適應的物理層收發器和8K×16位的SRAM。AX88796執行基于IEEE802.3/IEEE802.3u局域網標準的10Mb/s和100Mb/s以太網控制功能，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。
圖 三：AX88796內部結構框圖
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中應用。AX88796的地址總線和數據總線分別與MCU的地址、數據總線相連。MCU通過I/0讀寫寄存器來控制AX88796的工作狀態，通過遠程DMA的FIFO與AX88796的內部緩存SRAM進行數據交換。SRAM與MAC核之間進本地DMA將數據發送至MAC層，再經由內部的PHY層發送至RJ45接口，或者經過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。
以太網收發器AX88796通過網絡變壓器HR61H50L與RJ45接口相連，網絡變壓器將AX88796的收發信號TPOP、TPON和TPIP、TPIN通過線圈耦合到連接RJ45的網線端，這樣不但使網線和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據。此外，由于網絡變壓器本身就是設計為耐2-3KV電壓的，所以網絡變壓器的應用也起到了防雷感應保護的作用。
5 創新點總結
本文的創新點在于提出了一種面向工業控制的聯網接口的硬件設計方案，該方案基于TCP/IP協議棧，可以方便、靈活、穩定地實現各種工業設備之間的互連，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。
