摘 要：本文針對(duì)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)相互結(jié)合，互相促進(jìn)的市場(chǎng)需求，研究了基于TCP/IP在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用和工業(yè)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)時(shí)關(guān)鍵問(wèn)題，提出了一個(gè)基于TCP/IP的工業(yè)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)方案。重點(diǎn)介紹了各種工業(yè)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的幾個(gè)主要模塊：控制模塊、復(fù)位模塊、通信模塊的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)方案，包括對(duì)應(yīng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和設(shè)計(jì)原理圖。 關(guān)鍵詞: 自動(dòng)化;工業(yè)控制;聯(lián)網(wǎng)技術(shù);TCP/IP;通信模塊 1 前言 　　工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)作為一種特殊的網(wǎng)絡(luò)，直接面向生產(chǎn)過(guò)程，肩負(fù)著工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行一線測(cè)量與控制信息傳輸?shù)奶厥馊蝿?wù);它將多個(gè)分散在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，具有數(shù)字通信能力的測(cè)量控制儀表作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，采用公開、規(guī)范的通信協(xié)議，把現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備連接成可以相互溝通信息，共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)，并最終產(chǎn)生或引發(fā)物質(zhì)或能量的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)換。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)集成式控制系統(tǒng)運(yùn)行的動(dòng)脈，是控制系統(tǒng)通信的樞紐。相對(duì)于普通的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)大部分都是可編程控制器、變送器、執(zhí)行器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，節(jié)點(diǎn)智能程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上計(jì)算機(jī);工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)工作的環(huán)境也比普通的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)要惡劣許多。因此，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通常應(yīng)滿足開放性、互操作性、實(shí)時(shí)性、高可靠性、惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)性、總線供電等特殊要求;即工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有以下特點(diǎn)：其一、具有較好的響應(yīng)實(shí)時(shí)性。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不僅要求傳輸速度快，而且在工業(yè)自動(dòng)化控制中還要求響應(yīng)快，即響應(yīng)實(shí)時(shí)性要好;其二、可靠性，即能安裝在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，具有耐沖擊、耐振動(dòng)、耐腐蝕、防塵、防水以及較好的電磁兼容性，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)局部鏈路出現(xiàn)故障的情況下，能在很短的時(shí)間內(nèi)重新建立新的網(wǎng)絡(luò)鏈路;其三、開放性要好，即工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)要能夠易與企業(yè)信息網(wǎng)等互連互通。 　　工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是隨著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展而出現(xiàn)的。在傳統(tǒng)的測(cè)量控制系統(tǒng)中，從輸入設(shè)備到控制器，從控制器到輸出設(shè)備，均采用設(shè)備間一對(duì)一的并行連線，即點(diǎn)到點(diǎn)的信號(hào)傳送方式。傳遞的信號(hào)一般都采用電壓、電流等模擬信號(hào)。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，除了計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備，還存在大量檢測(cè)工藝參數(shù)數(shù)值的變送器和控制生產(chǎn)過(guò)程的控制設(shè)備。這些現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的各功能單元之間、設(shè)備與設(shè)備之間以及這些設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間遵照通信協(xié)議，利用數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)傳遞數(shù)據(jù)信息的過(guò)程，被稱為工業(yè)數(shù)據(jù)通信。當(dāng)需要在多點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)通信時(shí)，如果是采用數(shù)字信號(hào)的串行通信，就不必在每對(duì)通信節(jié)點(diǎn)間建立直達(dá)線路，而是采用網(wǎng)絡(luò)的連接方式來(lái)構(gòu)建數(shù)據(jù)通道。 2 聯(lián)網(wǎng)接口設(shè)計(jì)方案 　　工業(yè)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)接口是為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供以太網(wǎng)接口，使工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備成為工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)。每個(gè)智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備由于實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議通信功能，具有內(nèi)嵌的Web服務(wù)器，就可以直接連接到企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)中，和Internet上的Web瀏覽器進(jìn)行直接通訊。這種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)將本地控制和遠(yuǎn)程控制融合在一起，通過(guò)Internet上Web服務(wù)實(shí)現(xiàn)真正意義上的遠(yuǎn)程控制、維護(hù)和遠(yuǎn)程管理。 　　目前采用的通過(guò)在8位或16位微處理器外加接口芯片將工業(yè)儀表、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等接入以太網(wǎng)的方式，僅能完成簡(jiǎn)單、低速的數(shù)據(jù)傳輸，不能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)性和可靠性要求，特別是在連接請(qǐng)求較多或者控制任務(wù)較復(fù)雜的情況下;因此必須采用功能更強(qiáng)的32位微處理器，運(yùn)行基于特定應(yīng)用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行合理的任務(wù)調(diào)度，才能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。 　　方案設(shè)計(jì)的任務(wù)是為已有的現(xiàn)場(chǎng)控制器設(shè)計(jì)了一個(gè)以太網(wǎng)接口，以太網(wǎng)接口負(fù)責(zé)和以太網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備進(jìn)行通信，處理大量的以太網(wǎng)通信事務(wù)。以太網(wǎng)接口通過(guò)雙口RAM與現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備完成數(shù)據(jù)交換的功能。我們使用的現(xiàn)場(chǎng)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(guò)串口和CF卡實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換，內(nèi)部有3個(gè)程序控制模塊、4個(gè)單回路PID控制模塊、6個(gè)ON/OFF控制模塊，可以實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的控制方案，總體設(shè)計(jì)框圖如圖一。 　　現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化一個(gè)主要的任務(wù)是將TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧嵌入到設(shè)備中，并且使嵌入式設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)閃eb服務(wù)器接入現(xiàn)場(chǎng)底層通訊網(wǎng)絡(luò)中。TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)與要采用的硬件的性能以及實(shí)現(xiàn)的成本有關(guān)。從解決這一技術(shù)問(wèn)題出發(fā)，圍繞著工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的原則，有以下幾種具體的實(shí)現(xiàn)方法：第一種是使用嵌入式操作系統(tǒng)，此種方案可以描述為嵌入式TCP/IP協(xié)議棧+嵌入式操作系統(tǒng)+微控制器。在這個(gè)方案中，使用了嵌入式操作系統(tǒng)，即在嵌入式系統(tǒng)上首先安裝并運(yùn)行操作系統(tǒng)，然后運(yùn)行TCP/IP協(xié)議棧，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入，此方案要求較高的處理器速度和較大的存儲(chǔ)空間。第二種是使用硬件協(xié)議棧芯片，這種方案的核心思想是將TCP/IP協(xié)議固化到芯片中，將協(xié)議處理部分獨(dú)立出來(lái)，開發(fā)人員不必考慮復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和相關(guān)接口，主控制器只負(fù)責(zé)完成協(xié)議棧芯片的驅(qū)動(dòng)工作就可以完成網(wǎng)絡(luò)通信功能。由于使用硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，開發(fā)難度低，系統(tǒng)的可靠性也有保障，但不適合用于有較多通信任務(wù)的場(chǎng)合。第三種是直接實(shí)現(xiàn)協(xié)議棧方案，這種方案是直接在嵌入式處理器上實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入功能。它所采用的方法和第一種方案差不多，差別是省去了操作系統(tǒng)，這樣不僅可以大大節(jié)約系統(tǒng)資源，還可以省去嵌入式操作系統(tǒng)的版權(quán)費(fèi)用，從而可以在低成本、低速度、小內(nèi)存的MCU上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接?？紤]到速度和靈活性的問(wèn)題，在開發(fā)以太網(wǎng)接口的時(shí)候，我們選擇了第三種方案。硬件系統(tǒng)由基于ARM7TDMI內(nèi)核的32位嵌入式微處理器AT91R40008和10M/100M自適應(yīng)快速以太網(wǎng)控制器AX88796為核心構(gòu)成。硬件系統(tǒng)除了實(shí)現(xiàn)基本的以太網(wǎng)通信功能外，還注意了進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)、電源管理的設(shè)計(jì)、自治功能設(shè)計(jì)以及接口保護(hù)等功能設(shè)計(jì)。 　　硬件部分的設(shè)計(jì)分成控制模塊、復(fù)位電路模塊、以太網(wǎng)通信模塊三部分。控制模塊的核心是基于ARM7TDM工內(nèi)核的32位嵌入式微處理器AT91R408 ;復(fù)位電路采用復(fù)位芯片x25045用于為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的復(fù)位信號(hào)并防止系統(tǒng)死鎖;以太網(wǎng)通信模塊采用IOM/IOM自適應(yīng)網(wǎng)卡AX8796實(shí)現(xiàn)，并且通過(guò)網(wǎng)絡(luò)線圈HR61HSOL將本地網(wǎng)絡(luò)和傳輸網(wǎng)絡(luò)隔離開來(lái)。 3 控制模塊的設(shè)計(jì) 　　控制模塊是整個(gè)嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口的核心，我們采用了Atmel公司帶有ARM7TDMI內(nèi)核的32位嵌入式微處理器AT91R40008作為MCU。ARM芯片是指各大半導(dǎo)體公司采用ARM公司設(shè)計(jì)的系列ARM內(nèi)核基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)生產(chǎn)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(shù)據(jù)總線是32位的，相比16位的同頻處理器性能更強(qiáng)大。 　　聯(lián)網(wǎng)接口的電路圖如圖2所示，AT91R40008 通過(guò)16位并行數(shù)據(jù)總線和24位地址總線與以太網(wǎng)卡AX88796,FLASH存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互;通過(guò)片選腳NCS0-NCS1以及讀寫控制NRD、NWRO對(duì)它們進(jìn)行讀寫控制;通過(guò)I00-I14共15個(gè)I/0腳可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集電路的讀寫控制和數(shù)據(jù)交互，I/O腳的工作模式可以通過(guò)I/O教寄存器進(jìn)行配置;來(lái)自以太網(wǎng)卡AX88796的外部中斷由IRQ2送入MCU, 觸發(fā)中斷處理程序，接收來(lái)自以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)。AT91R40008的VDD為3.3V，VDDCORE為1.8V。 　　FLASH存儲(chǔ)器選用的是SST公司生產(chǎn)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(dòng)低功耗模式電流為4uA，它支持扇區(qū)擦除、地址數(shù)據(jù)鎖存和快速擦除和字寫入，快速讀訪問(wèn)時(shí)間為70ns。 4 復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 　　復(fù)位芯片采用X25045，AT91R40008 提供4個(gè)I/O腳來(lái)控制看門狗芯片X25045。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)X25045芯片會(huì)保持復(fù)位電平一段時(shí)間，當(dāng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定后在取消復(fù)位電平，這樣可以保證系統(tǒng)CPU在上電階段正常啟動(dòng)。 　　為了防止系統(tǒng)軟件出錯(cuò)，使用了X25045的看門狗功能，每隔600ms對(duì)其進(jìn)行一次取反操作。如果一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有進(jìn)行取反操作，X25045芯片會(huì)自動(dòng)輸出一個(gè)復(fù)位電平，復(fù)位電平會(huì)保持一段時(shí)間保證系統(tǒng)復(fù)位，防止系統(tǒng)的死鎖。這樣當(dāng)程序跑飛時(shí)X25045芯片會(huì)自動(dòng)復(fù)位系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。復(fù)位電路由X25045芯片和74LS00芯片組成，其中/NRST連接到JTAG接口的復(fù)位引腳和AT91R40008的復(fù)位引腳。當(dāng)沒(méi)有連接JTAG接口時(shí)X25045接管當(dāng)前系統(tǒng)的復(fù)位管理，當(dāng)連接上JTAG后由于Rl的作用使得X25045的復(fù)位信號(hào)被JTAG屏蔽，這樣保證了在調(diào)試階段和正常工作階段都可以正常的運(yùn)行。當(dāng)看門狗電路復(fù)位時(shí)，RESET=1 ，經(jīng)過(guò)復(fù)位電路，產(chǎn)生/NRST=0的復(fù)位信號(hào)，對(duì)MCU進(jìn)行復(fù)位，產(chǎn)生NICRST=1的復(fù)位信號(hào)，對(duì)以太網(wǎng)卡進(jìn)行復(fù)位。此外，如果MCU需要對(duì)以太網(wǎng)卡進(jìn)行復(fù)位操作，則輸出低電平信號(hào)給復(fù)位電路，產(chǎn)生NICRST=1的復(fù)位信號(hào)對(duì)以太網(wǎng)卡進(jìn)行復(fù)位。 5 通信模塊的設(shè)計(jì) 　　網(wǎng)絡(luò)通信模塊的核心是10M/100M自適應(yīng)網(wǎng)卡AX88796。這是臺(tái)灣Asix公司推出的NE2000兼容快速以太網(wǎng)控制器。其內(nèi)部集成有10M/100M自適應(yīng)的物理層收發(fā)器和8K×16位的SRAM。AX88796執(zhí)行基于IEEE802.3/IEEE802.3u局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的10Mb/s和100Mb/s以太網(wǎng)控制功能，并提供IEEE802.3u兼容的媒質(zhì)無(wú)關(guān)接口MII，用以支持在其它媒質(zhì)上的應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)框圖如圖三所示。 　　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(tǒng)中應(yīng)用。AX88796的地址總線和數(shù)據(jù)總線分別與MCU的地址、數(shù)據(jù)總線相連。MCU通過(guò)I/0讀寫寄存器來(lái)控制AX88796的工作狀態(tài)，通過(guò)遠(yuǎn)程DMA的FIFO與AX88796的內(nèi)部緩存SRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。SRAM與MAC核之間進(jìn)本地DMA將數(shù)據(jù)發(fā)送至MAC層，再經(jīng)由內(nèi)部的PHY層發(fā)送至RJ45接口，或者經(jīng)過(guò)MII接口送至外部的物理層芯片。SEEPROM接口可以用來(lái)連接串行EEPROM。EEPROM主要用于存儲(chǔ)MAC地址，供AX88796每次初始化時(shí)讀取。 　　以太網(wǎng)收發(fā)器AX88796通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變壓器HR61H50L與RJ45接口相連，網(wǎng)絡(luò)變壓器將AX88796的收發(fā)信號(hào)TPOP、TPON和TPIP、TPIN通過(guò)線圈耦合到連接RJ45的網(wǎng)線端，這樣不但使網(wǎng)線和AX88796的PHY層之間沒(méi)有物理上的連接，隔斷了信號(hào)中的直流分量，還可以在不同電平的設(shè)備中傳送數(shù)據(jù)。此外，由于網(wǎng)絡(luò)變壓器本身就是設(shè)計(jì)為耐2-3KV電壓的，所以網(wǎng)絡(luò)變壓器的應(yīng)用也起到了防雷感應(yīng)保護(hù)的作用。 5 創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié) 　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于提出了一種面向工業(yè)控制的聯(lián)網(wǎng)接口的硬件設(shè)計(jì)方案，該方案基于TCP/IP協(xié)議棧，可以方便、靈活、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)各種工業(yè)設(shè)備之間的互連，并且重點(diǎn)介紹了控制模塊電路、復(fù)位電路、通信接口電路的設(shè)計(jì)。 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