基于TCP/IP的工业设备联网设计方案

摘  要：本文针对计算机控制技术和工业自动化技术相互结合，互相促进的市场需求，研究了基于TCP/IP在工业自动化中的应用和工业设备联网时关键问题，提出了一个基于TCP/IP的工业设备联网设计方案。重点介绍了各种工业设备联网的几个主要模块：控制模块、复位模块、通信模块的详细实现方案，包括对应的内部结构图和设计原理图。
   关键词: 自动化;工业控制;联网技术;TCP/IP;通信模块
   1 前言
   　　工业控制网络作为一种特殊的网络，直接面向生产过程，肩负着工业生产运行一线测量与控制信息传输的特殊任务;它将多个分散在生产现场，具有数字通信能力的测量控制仪表作为网络节点，采用公开、规范的通信协议，把现场控制设备连接成可以相互沟通信息，共同完成自控任务的网络系统与控制系统，并最终产生或引发物质或能量的运动和转换。工业控制网络是网络集成式控制系统运行的动脉，是控制系统通信的枢纽。相对于普通的计算机网络系统，工业控制网络的节点大部分都是可编程控制器、变送器、执行器等现场设备，节点智能程度远远比不上计算机;工业控制网络工作的环境也比普通的计算机网络要恶劣许多。因此，工业控制网络通常应满足开放性、互操作性、实时性、高可靠性、恶劣的工业现场环境适应性、总线供电等特殊要求;即工业控制网络应具有以下特点：其一、具有较好的响应实时性。工业控制网络不仅要求传输速度快，而且在工业自动化控制中还要求响应快，即响应实时性要好;其二、可靠性，即能安装在工业控制现场，具有耐冲击、耐振动、耐腐蚀、防尘、防水以及较好的电磁兼容性，在现场设备或网络局部链路出现故障的情况下，能在很短的时间内重新建立新的网络链路;其三、开放性要好，即工业控制网络要能够易与企业信息网等互连互通。
   　　工业控制网络是随着计算机控制系统的发展而出现的。在传统的测量控制系统中，从输入设备到控制器，从控制器到输出设备，均采用设备间一对一的并行连线，即点到点的信号传送方式。传递的信号一般都采用电压、电流等模拟信号。在计算机控制系统中，除了计算机及其外围设备，还存在大量检测工艺参数数值的变送器和控制生产过程的控制设备。这些现场设备的各功能单元之间、设备与设备之间以及这些设备与计算机之间遵照通信协议，利用数据传输技术传递数据信息的过程，被称为工业数据通信。当需要在多点之间实现通信时，如果是采用数字信号的串行通信，就不必在每对通信节点间建立直达线路，而是采用网络的连接方式来构建数据通道。
   2 联网接口设计方案
   　　工业设备联网接口是为工业现场设备提供以太网接口，使工业现场设备成为工业以太网络上的一个智能节点。每个智能现场设备由于实现了以太网和TCP/IP协议通信功能，具有内嵌的Web服务器，就可以直接连接到企业信息网络中，和Internet上的Web浏览器进行直接通讯。这种网络体系结构将本地控制和远程控制融合在一起，通过Internet上Web服务实现真正意义上的远程控制、维护和远程管理。
   　　目前采用的通过在8位或16位微处理器外加接口芯片将工业仪表、现场设备等接入以太网的方式，仅能完成简单、低速的数据传输，不能满足工业现场的实时性和可靠性要求，特别是在连接请求较多或者控制任务较复杂的情况下;因此必须采用功能更强的32位微处理器，运行基于特定应用的嵌入式实时操作系统进行合理的任务调度，才能满足工业现场对实时性和可靠性的要求。
   　　方案设计的任务是为已有的现场控制器设计了一个以太网接口，以太网接口负责和以太网络上的设备进行通信，处理大量的以太网通信事务。以太网接口通过双口RAM与现场控制设备完成数据交换的功能。我们使用的现场控制器是采用32位ARM7微处理器的可编程多回路控制器。它具有控制、记录、分析等功能，可通过串口和CF卡实现与上位机的数据交换，内部有3个程序控制模块、4个单回路PID控制模块、6个ON/OFF控制模块，可以实现多种复杂的控制方案，总体设计框图如图一。
   
图 一：系统总体设计框图
   　　现场设备网络化一个主要的任务是将TCP/IP网络协议栈嵌入到设备中，并且使嵌入式设备转变为Web服务器接入现场底层通讯网络中。TCP/IP协议栈的实现与要采用的硬件的性能以及实现的成本有关。从解决这一技术问题出发，围绕着工业现场应用的原则，有以下几种具体的实现方法：第一种是使用嵌入式操作系统，此种方案可以描述为嵌入式TCP/IP协议栈+嵌入式操作系统+微控制器。在这个方案中，使用了嵌入式操作系统，即在嵌入式系统上首先安装并运行操作系统，然后运行TCP/IP协议栈，从而实现网络接入，此方案要求较高的处理器速度和较大的存储空间。第二种是使用硬件协议栈芯片，这种方案的核心思想是将TCP/IP协议固化到芯片中，将协议处理部分独立出来，开发人员不必考虑复杂的网络协议和相关接口，主控制器只负责完成协议栈芯片的驱动工作就可以完成网络通信功能。由于使用硬件设计简单，开发难度低，系统的可靠性也有保障，但不适合用于有较多通信任务的场合。第三种是直接实现协议栈方案，这种方案是直接在嵌入式处理器上实现TCP/IP协议来实现网络接入功能。它所采用的方法和第一种方案差不多，差别是省去了操作系统，这样不仅可以大大节约系统资源，还可以省去嵌入式操作系统的版权费用，从而可以在低成本、低速度、小内存的MCU上实现网络连接。考虑到速度和灵活性的问题，在开发以太网接口的时候，我们选择了第三种方案。硬件系统由基于ARM7TDMI内核的32位嵌入式微处理器AT91R40008和10M/100M自适应快速以太网控制器AX88796为核心构成。硬件系统除了实现基本的以太网通信功能外，还注意了进行可靠性设计、电源管理的设计、自治功能设计以及接口保护等功能设计。
   　　硬件部分的设计分成控制模块、复位电路模块、以太网通信模块三部分。控制模块的核心是基于ARM7TDM工内核的32位嵌入式微处理器AT91R408 ;复位电路采用复位芯片x25045用于为系统提供稳定的复位信号并防止系统死锁;以太网通信模块采用IOM/IOM自适应网卡AX8796实现，并且通过网络线圈HR61HSOL将本地网络和传输网络隔离开来。
   3 控制模块的设计
   　　控制模块是整个嵌入式网络接口的核心，我们采用了Atmel公司带有ARM7TDMI内核的32位嵌入式微处理器AT91R40008作为MCU。ARM芯片是指各大半导体公司采用ARM公司设计的系列ARM内核基础上设计生产的一系列芯片。ARM是一种通用的32位RISC功耗很低的高性能处理器，外部地址和数据总线是32位的，相比16位的同频处理器性能更强大。
   
图 二：联网接口电路示意图
   　　联网接口的电路图如图2所示，AT91R40008 通过16位并行数据总线和24位地址总线与以太网卡AX88796,FLASH存储器进行数据的交互;通过片选脚NCS0-NCS1以及读写控制NRD、NWRO对它们进行读写控制;通过I00-I14共15个I/0脚可以实现对数据采集电路的读写控制和数据交互，I/O脚的工作模式可以通过I/O教寄存器进行配置;来自以太网卡AX88796的外部中断由IRQ2送入MCU, 触发中断处理程序，接收来自以太网的数据。AT91R40008的VDD为3.3V，VDDCORE为1.8V。
   　　FLASH存储器选用的是SST公司生产的16位宽16Mbit多用途低功耗芯片SST39VF160。它采用2.7-3.6V供电，工作电流为mA，备用模式电流为4uA, 自动低功耗模式电流为4uA，它支持扇区擦除、地址数据锁存和快速擦除和字写入，快速读访问时间为70ns。
   4 复位电路的设计
   　　复位芯片采用X25045，AT91R40008 提供4个I/O脚来控制看门狗芯片X25045。当系统上电时X25045芯片会保持复位电平一段时间，当系统电压稳定后在取消复位电平，这样可以保证系统CPU在上电阶段正常启动。
   　　为了防止系统软件出错，使用了X25045的看门狗功能，每隔600ms对其进行一次取反操作。如果一段时间内没有进行取反操作，X25045芯片会自动输出一个复位电平，复位电平会保持一段时间保证系统复位，防止系统的死锁。这样当程序跑飞时X25045芯片会自动复位系统，保证了系统的可靠运行。复位电路由X25045芯片和74LS00芯片组成，其中/NRST连接到JTAG接口的复位引脚和AT91R40008的复位引脚。当没有连接JTAG接口时X25045接管当前系统的复位管理，当连接上JTAG后由于Rl的作用使得X25045的复位信号被JTAG屏蔽，这样保证了在调试阶段和正常工作阶段都可以正常的运行。当看门狗电路复位时，RESET=1 ，经过复位电路，产生/NRST=0的复位信号，对MCU进行复位，产生NICRST=1的复位信号，对以太网卡进行复位。此外，如果MCU需要对以太网卡进行复位操作，则输出低电平信号给复位电路，产生NICRST=1的复位信号对以太网卡进行复位。
   5 通信模块的设计
   　　网络通信模块的核心是10M/100M自适应网卡AX88796。这是台湾Asix公司推出的NE2000兼容快速以太网控制器。其内部集成有10M/100M自适应的物理层收发器和8K×16位的SRAM。AX88796执行基于IEEE802.3/IEEE802.3u局域网标准的10Mb/s和100Mb/s以太网控制功能，并提供IEEE802.3u兼容的媒质无关接口MII，用以支持在其它媒质上的应用。其结构框图如图三所示。
   
图 三：AX88796内部结构框图
   　　AX88796提供了本地MCU总线接口，可以直接和MCS51系列、80186系列和MC68K等微处理器相连接，非常适合在嵌入式系统中应用。AX88796的地址总线和数据总线分别与MCU的地址、数据总线相连。MCU通过I/0读写寄存器来控制AX88796的工作状态，通过远程DMA的FIFO与AX88796的内部缓存SRAM进行数据交换。SRAM与MAC核之间进本地DMA将数据发送至MAC层，再经由内部的PHY层发送至RJ45接口，或者经过MII接口送至外部的物理层芯片。SEEPROM接口可以用来连接串行EEPROM。EEPROM主要用于存储MAC地址，供AX88796每次初始化时读取。
   　　以太网收发器AX88796通过网络变压器HR61H50L与RJ45接口相连，网络变压器将AX88796的收发信号TPOP、TPON和TPIP、TPIN通过线圈耦合到连接RJ45的网线端，这样不但使网线和AX88796的PHY层之间没有物理上的连接，隔断了信号中的直流分量，还可以在不同电平的设备中传送数据。此外，由于网络变压器本身就是设计为耐2-3KV电压的，所以网络变压器的应用也起到了防雷感应保护的作用。
   5 创新点总结
   　　本文的创新点在于提出了一种面向工业控制的联网接口的硬件设计方案，该方案基于TCP/IP协议栈，可以方便、灵活、稳定地实现各种工业设备之间的互连，并且重点介绍了控制模块电路、复位电路、通信接口电路的设计。
   参考文献：
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