基于以太網(wǎng)的電機控制與診斷的研究

　　摘要：隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域得到初步的應(yīng)用，針對工業(yè)的需求，結(jié)合實際，精選優(yōu)化各種方法，提出了1種基于以太網(wǎng)的電機控制與診斷方案，闡述了具體的實現(xiàn)過程。基于以太網(wǎng)的電機控制與診斷系統(tǒng)采用C8051F020單片機作為系統(tǒng)的核心控制器件，通過RTL8019AS網(wǎng)卡與Internet在物理上連接起來，并在C8051F020單片機嵌入了精簡優(yōu)化后的TCP/IP協(xié)議，通過單片機本身產(chǎn)生SPWM脈沖，控制變頻器，實現(xiàn)對電機的調(diào)速控制，通過參數(shù)的采集，可以有效的對電機故障進(jìn)行在線診斷。

　　引言

　　基于以太網(wǎng)的單片機設(shè)備的控制與診斷結(jié)合先進(jìn)的WEB技術(shù)與嵌入式技術(shù)，實現(xiàn)了PC與設(shè)備的直接跨平臺的信息交互，這樣PC就可以共享設(shè)備運行的信息，有效的實現(xiàn)對設(shè)備的控制與診斷。

　　1 基于以太網(wǎng)的電機控制與診斷的結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　基于以太網(wǎng)的單片機設(shè)備控制與診斷是以工業(yè)現(xiàn)場的三相電機為研究對象，其中包括對電機運行轉(zhuǎn)速的測量與控制，對電樞電流的采集，采集電機電勢參數(shù)，其他模相關(guān)擬量的采集。本設(shè)計的結(jié)構(gòu)主體就是WEB技術(shù)與單片機和客戶機的有機結(jié)合，建立電機設(shè)備的診斷與控制模型，其模型如圖1所示。模型主要由客戶機，網(wǎng)絡(luò)和過程控制底層，即單片機嵌入式系統(tǒng)組成，這里采用TCP/IP協(xié)議作為嵌入式系統(tǒng)的通信協(xié)議，嵌入式系統(tǒng)的WEB服務(wù)器與客戶機的WEB服務(wù)器進(jìn)行信息交互，上傳電機運行的參數(shù)，這樣客戶或是廠家均可通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對電機的控制與在線診斷。

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　　2 系統(tǒng)硬件電路的實現(xiàn)

　　基于以太網(wǎng)的電機控制與診斷系統(tǒng)以C8051F020單片機作為嵌入式系統(tǒng)的CPU,內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，以RTL8019AS作為網(wǎng)絡(luò)通信芯片，通過控制采樣開關(guān)采集電機參數(shù)和控制電機的轉(zhuǎn)速，并通過RTL8019AS網(wǎng)卡將采集到的溫度數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)、振動數(shù)據(jù)、磁場數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，客戶機通過服務(wù)器之間的交互，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，客戶根據(jù)具體的需求，利用單片機本身產(chǎn)生SPWM,在變頻器模擬量輸入端輸入0~10V或4~20mA信號，通過改變輸入模擬量的大小控制變頻器的輸出頻率調(diào)解變頻器，控制電機轉(zhuǎn)速，同時根據(jù)電機參數(shù)的數(shù)值，監(jiān)控電機的運行和診斷電機的故障，其硬件電路框圖如圖2所示。

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　　3 以太網(wǎng)幀格式

　　以太網(wǎng)協(xié)議有兩種，一種是IEEE802.2/IEEE802.3;另一種是以太網(wǎng)的封裝格式?，F(xiàn)代的操作系統(tǒng)均能同時支持這2種類型的協(xié)議格式，因此對我們來說只需要了解其中的一種就夠了，特別是對單片機來說，不可能支持太多的協(xié)議格式。本系統(tǒng)采用IEEE802.3以太網(wǎng)協(xié)議，表1給出了以太網(wǎng)幀格式的封裝形式。

　　表1以太網(wǎng)幀格式的封裝形式

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　　PR:同步位。

　　SD:分隔位。

　　DA:目的地址，以太網(wǎng)的地址為48位(6個字節(jié))二進(jìn)制地址，表明該幀傳輸給哪個網(wǎng)卡。

　　SA:源地址，48位，表明該幀的數(shù)據(jù)是哪個網(wǎng)卡發(fā)的，即發(fā)送端的網(wǎng)卡地址，同樣是6個字節(jié)。

　　TYPE:類型字段，表明該幀的數(shù)據(jù)是什么類型的數(shù)據(jù)。

　　DATA:數(shù)據(jù)段，該段數(shù)據(jù)不能超過1500字節(jié)。

　　FCS:32位數(shù)據(jù)校驗位。

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　本系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)包括系統(tǒng)時鐘、定時器、網(wǎng)卡RTL8019AS的初始化，初始化ARP協(xié)議，TCP協(xié)議和HTTP協(xié)議等來完成對電機參數(shù)的接收和發(fā)送，然后由主程序循環(huán)查詢rtl8019as看是否有新數(shù)據(jù)包到來。系統(tǒng)根據(jù)判斷事件的標(biāo)志，來讀取電機的參數(shù)，如圖3所示。其中事件的判斷執(zhí)行由單片機定時器中斷來完成，它貫穿了程序的始末。如TCP序列號每隔20ms增加6250,ARP地址解析時候的重發(fā)請求，每隔0.5s重發(fā)1次，連續(xù)2次重發(fā)的請求沒回應(yīng)，則終止重發(fā)，認(rèn)為這個IP地址不存。

　　ARP映射表管理，如果ARP地址映射表內(nèi)所記錄的MAC地址60s內(nèi)沒被使用，則從映射表中刪除該條映射記錄，進(jìn)行自動更新。最后本控制系統(tǒng)的WEBSERVER界面如圖4所示。

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　　圖3系統(tǒng)軟件流程

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　　圖4系統(tǒng)的WEBSERVER界面

　　5 結(jié)論

　　系統(tǒng)實現(xiàn)了基于8位單片機的TCP/IP協(xié)議的移植，并實現(xiàn)了網(wǎng)頁數(shù)據(jù)傳輸功能和電機參數(shù)的查詢和電機的控制，在這里應(yīng)用僅僅是一個實例，且由于嵌入式以太網(wǎng)的價格低廉，相信在不久的將來一定會在工業(yè)領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。