基于處理器和RTL8019AS芯片實現(xiàn)閥門定位器通信卡的設(shè)計

引言

隨著自動化、電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，很多執(zhí)行機(jī)構(gòu)已經(jīng)具有現(xiàn)場總線通訊和智能控制的功能，閥門定位器是一種應(yīng)用于工業(yè)總線過程控制的智能輔助控制儀表，它在一定程度上決定了過程控制的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

EPA標(biāo)準(zhǔn)是一種基于以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙等信息網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的，適用于工業(yè)自動化控制系統(tǒng)裝置與儀器儀表間、工業(yè)自動化儀器儀表相互間數(shù)據(jù)通信的丁業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)。本文結(jié)合智能閥門定位器特點，開發(fā)了符合EPA標(biāo)準(zhǔn)的通信卡，使其具有現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)通訊功能，同時，在通信卡中嵌入ZIGBEE模塊也方便與手持設(shè)備通信。

1 ZIGBEE技術(shù)應(yīng)用于EPA現(xiàn)場設(shè)備

ZIGBEE是一種低速率WPAN IEEE標(biāo)準(zhǔn)，它具有功耗低、架構(gòu)簡單、成本低的特點，滿足多種無線需求，尤其在工控（監(jiān)視器、傳感器和自動控制設(shè)備）等領(lǐng)域更是顯示出其獨有的優(yōu)勢。

圖1嵌入ZIGBEE模塊的EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在EPA總線現(xiàn)場設(shè)備中嵌入ZIGBEE模塊，擴(kuò)展了現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)傳送途徑，現(xiàn)場設(shè)備既可以直接通過總線交換數(shù)據(jù)，同時也可以通過無線手持設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，從而兼顧了對現(xiàn)場設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控和現(xiàn)場數(shù)據(jù)交換，圖l所示為嵌入ZIGBEE模塊EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這里主要介紹嵌入ZIGBEE模塊的EPA閥門定位器的實現(xiàn)過程，其中閥門定位器同EPA控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信功能的實現(xiàn)主要是通過嵌入閥門定位器內(nèi)部的數(shù)據(jù)通信卡來完成。

2 閥門定位器通信卡設(shè)計

通信卡設(shè)計是一種典型的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，通過嵌入閥門定位器內(nèi)部首先完成數(shù)據(jù)的采集．然后將數(shù)據(jù)從底層向上層傳送到EPA控制網(wǎng)絡(luò)。通信卡硬件方面由主控芯片及外圍電路組成，內(nèi)部運(yùn)行程序由EPA協(xié)議棧及相應(yīng)的硬件驅(qū)動程序組成。

2．1通信卡硬件設(shè)計

圖2所示為嵌入ZIGBEE模塊的EPA閥門定位器通信卡系統(tǒng)框圖，主要包括處理器單元（C805IFl20）、SDRAM（靜態(tài)存儲器）、RESET及時鐘電路、以太網(wǎng)控制電路、ZIGBEE模塊及總線以太網(wǎng)供電模塊。

圖2嵌入ZIGBEE模塊的EPA閥門定位器通信卡系統(tǒng)框圖

處理器單元采用了新華龍公司低功耗、高性能的8位51內(nèi)核處理器，它是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，具有128K FLASH存儲器，8KB的片內(nèi)RAM，64個數(shù)字I/O引腳．具有體積小和能適應(yīng)工業(yè)環(huán)境應(yīng)用等優(yōu)點，其穩(wěn)定性和可靠性完全值得信賴，同時其運(yùn)算速度完全可以滿足通信和控制的要求。

以太網(wǎng)控制器采用臺灣Realtek公司RTL8019AS芯片、執(zhí)行基于IEEE802.3u局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的10Mb/s和100Mb/s以太網(wǎng)控制功能，其地址總線與數(shù)據(jù)總線分別與CPU的地址/數(shù)據(jù)總線相連。按數(shù)據(jù)鏈路的不同，可以將RTL8019AS內(nèi)部劃分為遠(yuǎn)程DMA通道和本地DMA通道兩個部分，本地DMA完成控制器與網(wǎng)線的數(shù)據(jù)交換，主處理器收發(fā)數(shù)據(jù)只需對遠(yuǎn)程DMA操作，當(dāng)主處理器要向上發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將一幀數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程DMA通道送到RTL8019AS中的發(fā)送緩沖去，然后發(fā)送傳送命令。

ZIGBEE模塊零用的是北京赫立訊公司的IP_Link1270，完成與手持設(shè)備無線通信。這是一款完全符合IEEES02.15.4標(biāo)準(zhǔn)與ZIGBEE規(guī)范的2.4GHz無線收發(fā)模塊，編碼方式是DSSS，調(diào)制方式為O_QPSK，數(shù)據(jù)速率為250kb/s，發(fā)射功率為-16.6~3.6dBm，傳輸距離可達(dá)到200m。

通信卡系統(tǒng)采用基于以太網(wǎng)的總線供電方式，連接到現(xiàn)場設(shè)備的線纜不僅能夠傳送數(shù)據(jù)信號，還要能夠為現(xiàn)場設(shè)備提供電源。總線供電采用調(diào)制解調(diào)法，在以太網(wǎng)集線器或交換機(jī)的以太網(wǎng)信號輸出端，將24~48V直流電源信號與以太網(wǎng)通信信號調(diào)制在一起，在現(xiàn)場設(shè)備端的以太網(wǎng)信號輸入端，再將直流電源與以太網(wǎng)通信信號進(jìn)行分離，把其中的24~48V直流電源通過Dc—Dc轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場設(shè)備用的直流工作電源，從而實現(xiàn)基于以太網(wǎng)的總線供電。

2.2 軟件設(shè)計

基于EPA標(biāo)準(zhǔn)的閥門定位器通信卡熱案件設(shè)計采用基于模塊化的設(shè)計方法，軟件開發(fā)主要分成三個部分：現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)采集模塊、ZIGBEE無線通信模塊、EPA協(xié)議模塊。具體軟件設(shè)計流程圖如圖3所示：

圖3通信卡軟件設(shè)計流程圖

2．2．1現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)采集模塊

閥門定位器采用的是現(xiàn)場總線式閥門定位器，它接受數(shù)字信號并使用數(shù)字式電子線路配合機(jī)械部件來定位閥門，全數(shù)字控制信號取代模擬控制信號，可通過將軟件命令植入閥門定位器存儲模塊來進(jìn)行雙向數(shù)字通信。

閥門定位器數(shù)據(jù)的采集實質(zhì)上是通信卡與閥門之間的雙向通信過程，系統(tǒng)初始化后通信卡通過UART0向閥門發(fā)送連接命令，等待連接成功后，向閥門發(fā)送讀／寫數(shù)據(jù)信息，寫入成功后，閥門返同相應(yīng)數(shù)據(jù)信息。讀，寫數(shù)據(jù)命令格式如下：

其中0X01為讀數(shù)據(jù)指令，0X02為寫數(shù)據(jù)指令，占一個字節(jié)；Address（H）和Address（L）代表讀，寫閥門定位器數(shù)據(jù)所在內(nèi)存地址高低字節(jié)．共占兩個字節(jié)，可根據(jù)需要返回的數(shù)據(jù)設(shè)置此地址、數(shù)據(jù)主要有閥位、電流閥位上下限等。0X04為返回數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，CRC為奇偶校驗，各占一個字節(jié)。

2.2.2 ZIGBEE無線通信模塊

（1） 接口程序

ZIGBEE無線通信模塊通過UART1與系統(tǒng)芯片相連，通過此模塊完成與手持設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信功能。

接口驅(qū)動主要包括兩部分：串口初始化和作為波特率發(fā)生器的定時器設(shè)置。在串口初始化之前應(yīng)將C8051F120交叉開關(guān)調(diào)整到UART1使能有效，然后選擇定時器1作為UART1波特率發(fā)生器。ZIGBEE無線通信模塊IP-LINK1270 通信波特率為38400bps，必須嚴(yán)格設(shè)置定時器使UART1與IP-LINK1270波特率相同，否則無法正常數(shù)據(jù)通信。

（2） 數(shù)據(jù)傳送

數(shù)據(jù)的傳送必須滿足zlGBEE無線通信的要求，以一定的報文格式傳送，因此在傳送之前必須將數(shù)據(jù)封裝成幀，具體數(shù)據(jù)幀格式如下：

0X44代表數(shù)據(jù)格式，node為通信節(jié)點，這里默認(rèn)通信節(jié)點具有相同的網(wǎng)絡(luò)號；0X07為ZIGBEE數(shù)據(jù)長度，這里設(shè)定為7個字節(jié)即可滿足要求；Var-parameter為閥門參數(shù)，包括讀寫命令，地址等信息，占3個字節(jié)；Var-data為閥門數(shù)據(jù)（閥位值或上下限），為占4個字節(jié)的浮點數(shù)；CRC為奇偶校驗。

（3） 與ZIGBEE無線手持設(shè)備通信

通過嵌入ZIGBEE模塊手持設(shè)備可以很方便的以無線的方式讀取閥門定位器數(shù)據(jù)，通信過程中，通信卡上ZIGBEE模塊充當(dāng)服務(wù)器，數(shù)據(jù)讀取時， 通信卡發(fā)送一讀設(shè)備請求指令，通信卡ZIGBEE模塊接受指令，產(chǎn)生中斷響應(yīng)，中斷服務(wù)程序根據(jù)手持設(shè)備請求指令返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。除讀取閥門數(shù)據(jù)外，通信卡也可通過手持設(shè)備設(shè)置閥門定位器上下限以及閥門其它特性值。

2．2．3 EPA協(xié)議模塊

EPA通信棧模塊包括以下幾個部分：EPA確定性調(diào)度與精確時間同步算法、TCP（UDP）／IP協(xié)議軟件、EPA應(yīng)用層服務(wù)、EPA應(yīng)用層服務(wù)接口和EPA管理服務(wù)等。主要完成i個方面的任務(wù)：即數(shù)據(jù)（包括實時和非實時數(shù)據(jù)）傳輸服務(wù)的實現(xiàn)及其為用戶層提供的服務(wù)接口，以及EPA管理服務(wù)（包括設(shè)備自動識別、系統(tǒng)時鐘同步、系統(tǒng)工作狀態(tài)的管理、設(shè)備位號及其他信息的管理等）。

其中數(shù)據(jù)的傳送必須滿足兩點：（I）數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，從閥門讀出數(shù)據(jù)為四字節(jié)1EEE754格式的浮點型數(shù)據(jù)，必須轉(zhuǎn)換為兩字節(jié)的整型格式才能往上層打包傳送。（2）EPA標(biāo)準(zhǔn)報文格式封裝，EPA通信協(xié)議基于TCP（UDP）／IP協(xié)議，為用戶層的應(yīng)用程序間提供實時和非實時數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，?shù)據(jù)的傳輸必須按照EPA標(biāo)準(zhǔn)封裝EPA報文字段。

3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集測試

圖4 OPC監(jiān)控圖

OPC服務(wù)器是一個典型的現(xiàn)場數(shù)據(jù)源程序，它收集現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)（閥門數(shù)據(jù)）信息，通過數(shù)值轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制在OPC界斷上顯示，其中數(shù)值轉(zhuǎn)換包括EPA報文分解和閥門浮點數(shù)據(jù)值還原。圖4中為典型EPA控制網(wǎng)絡(luò)中的OPC監(jiān)控圖，IP值用于區(qū)分不同的設(shè)備。

4 結(jié)束語

EPA標(biāo)漫是我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)基于工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)，通信卡的設(shè)計實現(xiàn)了琉場設(shè)備與EPA控制網(wǎng)絡(luò)的通信，本文以閥門定位播為例，介紹了其接人EPA控制網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)過程，也適用于其它現(xiàn)場設(shè)備如壓力計。溫度變送器等。同時，在通信卡中嵌入ZIGBEE模塊實現(xiàn)了與手持設(shè)備通信，極大的方便了工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的讀取。

本文創(chuàng)磁點：研究和設(shè)計了基于EPA標(biāo)準(zhǔn)的通信卡，給出了軟硬件設(shè)計，解決了現(xiàn)場設(shè)備同EPA控制網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信。同時，在設(shè)計中引入一種低速率WPAN IEEE標(biāo)準(zhǔn)ZIGBEE無線通信技術(shù)，為現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)獲取提供了新的途徑。

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