工業(yè)總線設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化改造的實現(xiàn)

1、工業(yè)總線設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化改造的實現(xiàn)47工業(yè)總線設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化改造的實現(xiàn)王勇1,吳旭文2,張驚雷1,黃惟一1(1.東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程系,江蘇南京210096;2.南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院,江蘇南京210016摘要:利用低成本單片機與以太網(wǎng)控制芯片設(shè)計并實現(xiàn)了串口、現(xiàn)場總線轉(zhuǎn)以太網(wǎng)TCP/IP模塊,專門為單片機設(shè)計了由RTOS(嵌入式實時操作系統(tǒng)與裁減后的TCP/IP協(xié)議棧構(gòu)成的單片機嵌入式控制系統(tǒng)。完成了異種網(wǎng)絡(luò)的融合。軟件系統(tǒng)(包括TCP/IP協(xié)議棧能夠方便移植上各種8位、16位、32位處理器平臺,實現(xiàn)各種嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。成果對于工業(yè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化實現(xiàn)提供了網(wǎng)關(guān)服務(wù),滿足對功能、成本、體積和功耗等要

2、求。關(guān)鍵詞:單片機;TCP/IP;嵌入式系統(tǒng);Ethemet中圖分類號:TP336文獻標(biāo)識碼:B文章編號:10008829(200511004703Realization of Network Reconstructing Industry Bus EquipmentWANG Yon91,WU Xu.wen2,ZHANG Jingleil,HUANG Weiyil(1.Southeast University,Nanjing210096,China;2.College of Automatization,NUAA,Nanjing210016,ChinaAbstract:This design,

3、based on MCU series8051and Ethernet control chip,implements the TCP/IP module.The MCU has anespecially designed embedded system involving a RTOS and a predigested TCP/IP protocol stack.It runs with less realtime constraints and responds quickly to interrupts.The predigested TCP/IP stacks runs stably

4、.Having been put to test in LAN and WAN,it proves to meet the demand of lowrate communication in the industry field.The system,with the TCWIP stack,Can be transplanted to any of the8-digit,16digit,or 32一digit processor platform and manage all kinds of services on embedded networks.It enables the TCP

5、/IP gateway service as well as providing an economical,reliable and transplantable plan for the notification of in-dustrial equipment.Key words:MCU;TCP/IP;embedded system;Ethernet1工業(yè)以太網(wǎng):下一代現(xiàn)場總線目前的工業(yè)智能設(shè)備大多數(shù)還處于單獨應(yīng)用的階段,以微控制器(MCU為核心的嵌人式系統(tǒng)與一些監(jiān)測、伺服、指示設(shè)備配合實現(xiàn)一定的功能。在一些工業(yè)和汽車應(yīng)用中,為了實現(xiàn)多個MCU之間的信息交流,利用CAN、RS-232、R

6、S-485等總線將MCU組網(wǎng),但這種網(wǎng)絡(luò)的有效半徑有限,有關(guān)的通信協(xié)議比較少且開放性差。隨著現(xiàn)代化工廠管理模式的進展,企業(yè)對生產(chǎn)控制系統(tǒng)(PCS提出了新的要求。在PCS設(shè)計過程中,通常采用的是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS。應(yīng)該說,現(xiàn)場總線的出現(xiàn)確實給工業(yè)自動化帶來一場深層次的革命,但由于現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)傳送距離短,相互之間兼容性收稿日期:20050601作者簡介:王勇(1961一,男,副教授,在讀博士,主要研究方向為測控技術(shù)與儀器。差、生產(chǎn)現(xiàn)場自控設(shè)備種類繁多,導(dǎo)致不同的總線產(chǎn)品之間無法實現(xiàn)互連、互換、統(tǒng)一組態(tài)及互操作,信息網(wǎng)絡(luò)存在協(xié)議上的鴻溝導(dǎo)致出現(xiàn)“自動化孤島”等。近年來,以太網(wǎng)以其結(jié)構(gòu)簡單、投資

7、經(jīng)濟、使用方便等優(yōu)點不斷地應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場。將單片機嵌入控制系統(tǒng)與Ethernet/Internet結(jié)合的想法很早就有了,主要困難在于Intemet上面的各種通信協(xié)議對于計算機存儲器、運算速度等要求較高,而工控用嵌入式系統(tǒng)大量的是8位和16位MCU,且片上資源有限。如何使嵌入式系統(tǒng)支持TCWIP等Intemet協(xié)議的研究非常有實際意義,因為嵌入式系統(tǒng)接入Intemet后將使遠程監(jiān)控、遠程診斷和遠程維護變得非常容易,異種網(wǎng)絡(luò)融合成為可能。本設(shè)計就是用單片機嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)異種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換,完成工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)廣域化。要將現(xiàn)場設(shè)備融人Ethernet/Internet網(wǎng)絡(luò),必須有簡明、可靠的TCW IP

8、協(xié)議棧,所以能夠成功移植TCP/IP協(xié)議成為設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化進程中最重要的問題。 48測控技術(shù)>>2005年第24卷第11期2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)2.1硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計目前在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用的處理芯片品種較多,技術(shù)都比較成熟,穩(wěn)定性好,選擇余地較大。8位單片機以51內(nèi)核單片機為代表,16位單片機以TI MSP430為代表。51內(nèi)核單片機是目前應(yīng)用最廣泛、涉足人數(shù)最多的單片機,工業(yè)控制產(chǎn)品大多數(shù)是基于51內(nèi)核單片機開發(fā)的。它的最大優(yōu)點是技術(shù)成熟,電磁兼容性好,價格便宜,開發(fā)成本低。已有許多公司開發(fā)了以51為內(nèi)核的功能強大、片上資源較豐富的單片機,如Cygnal,Atmel,SST,Dallas等,

9、而且有的單片機工作頻率提高到了100Mips,有的單片機提供片內(nèi)大容量的程序存儲FLASH,有的單片機帶USB接口,有的單片機提供在線調(diào)試、在線下載功能,大大地減輕了開發(fā)人員對仿真實驗平臺的依擇UT6225632K×8bit動態(tài)RAM作為數(shù)據(jù)緩存。考慮模塊產(chǎn)品化的要求,在模塊設(shè)計時用看門狗和電源復(fù)位電路,防止單片機由于外部干擾進入死循環(huán),還需要將模塊的配置信息保留在模塊內(nèi)部,所以使用了X25045看門狗復(fù)位芯片。該芯片內(nèi)部還有4 Kbit的E2PROM的存儲空間,可以用來存儲模塊的一些配置信息,如模塊的MAC地址、IP地址、網(wǎng)關(guān)、端口、遠端服務(wù)器地址等在模塊初始化需要配置的信息。硬件

10、的總體結(jié)構(gòu)如圖1,硬件模塊保障了基本功能的完成。RJ45接口HR61101G 卜:j?地瓠L一工一+。+I。lx5045E gM墟L粥3轤P1麓總線L控制器L爿RT8019A片S. 1MAX卜RXD<=今J1232_賴。由于都是基于51內(nèi)核結(jié)構(gòu),所以這些單片機的指令都是兼容的,程序的可移植性比較強?；谝陨系目紤],選擇SST公司的SST89E564RD 單片機作為系統(tǒng)核心處理芯片。該單片機最大的特點是具有在線調(diào)試和在線下載功能。內(nèi)部程序FLASH 64KB,達到51內(nèi)核單片機尋址最大范圍,能夠容納裁減后的TCP/IP協(xié)議。外部接口豐富,有1個SPI口,1個UART口,1路PWM輸出,可以

11、作為擴展外部電機控制。TCP/IP協(xié)議的最底層IP層,很多定義都是16位或32位的,這樣使得能夠處理16位、32位運算的CPU,如80386、ARM、MIPS、DSP等具有速度上的優(yōu)勢。由于指令及資源上的原因,在UNIX上實現(xiàn)的代P/IP協(xié)議的原代碼并不能夠直接移植到8位的單片機上。所以如何裁減TCP/IP協(xié)議、合理分配單片機內(nèi)外部資源、優(yōu)化代碼提高單片機程序執(zhí)行效率與提高程序代碼的可移植性是本課題中的研究重點。通過計算,10Mb/s的數(shù)據(jù)流大于SST89E564RD 單片機的處理能力,所以選擇價格低廉的10Mb/s ISA 總線接口的網(wǎng)絡(luò)芯片RTS019AS較為合適。目前在工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)

12、接口芯片大多選擇10Mb/s的芯片。由于需要處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包,一個最大網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包有1514B,而SST89E564RD內(nèi)部的RAM只有256B,所以需要外擴RAM。同時TCP/IP協(xié)議棧需要考慮數(shù)據(jù)阻塞、超時重發(fā)等,需要比較大的數(shù)據(jù)緩存空間,選圖1硬件框圖2.2軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件采用模塊化思想設(shè)計,見圖2。主要有以下幾個功能模塊:(1串行通信模塊。用于與外部的串行總線進行通信,所有數(shù)據(jù)的收發(fā)都在模塊內(nèi)部完成,對其他的模塊不構(gòu)成影響。模塊收發(fā)數(shù)據(jù)的處理參考雙口RAM的概念。(2TCP/IP協(xié)議棧¨o。將傳送數(shù)據(jù)封裝TCP/IP協(xié)議,然后通過以太網(wǎng)接口芯片發(fā)送至以太網(wǎng)中,模塊內(nèi)部使用透明

13、模塊的設(shè)計方法,輸入輸出數(shù)據(jù)由網(wǎng)絡(luò)模塊自動完成,無須外部干預(yù)。在嵌入式Internet的環(huán)境里實現(xiàn)完整的協(xié)議簇(約80KB是不合適的,需要對協(xié)議模塊簡化與修正。如放棄對拆分功能的支持,因為實現(xiàn)拆分和重組將浪費CPU的程序空間和執(zhí)行時間;代碼要求短小,以節(jié)省ROM空間;增加頭部預(yù)測算法,以提高輸入中斷的處理速度;單包發(fā)送,不實現(xiàn)滑動窗口協(xié)議,不考慮流量控制和擁塞控制等。-。J.里竺竺堅豎竺整一j圖2軟件總體結(jié)構(gòu)RFCll22定義了TCP/IP實現(xiàn)的兼容性建議,并 工業(yè)總線設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化改造的實現(xiàn)49說明了TCP的功能需求。裁減過程就是將RFCll22的所有需求列表,然后根據(jù)系統(tǒng)資源和應(yīng)用實際需求決定

14、裁減、支持還是部分支持,并增加一些改善系統(tǒng)性能的內(nèi)容,根據(jù)需要選擇實現(xiàn)服務(wù)器端的TCP有限狀態(tài)機。協(xié)議棧接口設(shè)計不遵循BSD Socket接口標(biāo)準(zhǔn),軟件狀態(tài)機由事件或用戶來觸發(fā)。簡化后的協(xié)議包括IP、UDP和TCP等協(xié)議核心的全部或部分功能,且盡可能使網(wǎng)絡(luò)協(xié)議保持功能和機制上的完整性。整個TCP協(xié)議的實現(xiàn),基于TCP狀態(tài)機,每個狀態(tài)機對應(yīng)各自的處理函數(shù)。在TCP協(xié)議中用系統(tǒng)時鐘計時判斷數(shù)據(jù)包發(fā)送是否超時,單片機內(nèi)部的3個時鐘,一個作為串口波特率發(fā)生器,用另一個作為系統(tǒng)時鐘,考慮到使用實時操作系統(tǒng),所以TCP計時器的時鐘使用操作系統(tǒng)的時鐘,就是將一個計時器,分為多個操作系統(tǒng)時鐘源,這樣TCP計時

15、中斷由操作系統(tǒng)產(chǎn)生,同時這個時鐘可以被多個任務(wù)同時使用,由操作系統(tǒng)分配時鐘間隔和產(chǎn)生中斷向量。這樣的使用方法比較靈活,可以有效地擴展為其他時鐘的中斷源。(3任務(wù)調(diào)度模塊。串口模塊、外部設(shè)備管理、TCP/IP協(xié)議棧、RT8019AS驅(qū)動需要有一個調(diào)度程序進行任務(wù)調(diào)度,系統(tǒng)的時鐘源和中斷向量也由這個部分產(chǎn)生,所以主控模塊的任務(wù)調(diào)度能力以及中斷響應(yīng)的實時性都應(yīng)比較好心J。本設(shè)計中,采用實時嵌入式操作系統(tǒng)的概念完成這個主控模塊的設(shè)計,以保證任務(wù)調(diào)度的正確,系統(tǒng)內(nèi)部資源不易溢出,能夠處理異常的錯誤,整個模塊的工作穩(wěn)定、實時、高效。(4外圍設(shè)備驅(qū)動。外圍設(shè)備包括RT8019AS、X25045、串口及總線設(shè)

16、備,通過設(shè)備驅(qū)動的接口函數(shù)對這些外設(shè)進行讀寫,從而達到將整個系統(tǒng)融為一體的效果,使單片機內(nèi)部對這些設(shè)備操作,如同操作內(nèi)部寄存器一樣方便。驅(qū)動程序要求規(guī)范,以保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)的正確性。2.3系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度模塊的設(shè)計與實現(xiàn)這個部分是整個程序的核心部分,稱為內(nèi)核。內(nèi)核負責(zé)管理各個任務(wù),或者說為每個任務(wù)分配CPU時間,并且負責(zé)任務(wù)之間的通信。內(nèi)核提供的基本服務(wù)是任務(wù)切換。實時內(nèi)核允許將應(yīng)用分成若干個任務(wù),并由實時內(nèi)核來管理它們M J。網(wǎng)絡(luò)部分和串口、總線部分都有比較多的任務(wù)需要通過系統(tǒng)調(diào)度來完成,運用實時嵌入式操作系統(tǒng)(RTOS的概念,參考相應(yīng)的RTOS舊1源碼根據(jù)51內(nèi)核單片機的硬件特點,自行編寫了簡

17、單實用、具有時間輪盤和實時任務(wù)調(diào)度的嵌入式操作系統(tǒng)。(1時間輪盤的實現(xiàn)。單片機SST89E564自帶3個計數(shù)器,用Timer0產(chǎn)生1ms的時間中斷,中斷處理函數(shù)內(nèi)用計數(shù)器以25ms為間隔給不同的任務(wù)標(biāo)志置位。程序結(jié)構(gòu)如下: void timer0_int(voidinterrupt1/1ms中斷static int count=0;switch(countcase25:system_event l=EVENT_AItI-RETRANSMIT;/不同的時間間隔給不同的事件標(biāo)志置位case50:systemevent l=EVENT-1CP_RETRANSMIT;if(count=100count

18、=0;/完成一次循環(huán),重新計數(shù)count+:(2任務(wù)調(diào)度的實現(xiàn)。任務(wù)調(diào)度的實現(xiàn)通過在主循環(huán)中不斷地輪詢時間標(biāo)志位,如果為真,則執(zhí)行;為假,則跳過。程序結(jié)構(gòu)如下:while(1if(system_event&EVENT_ETHARRIVEDEA=0;/關(guān)閉中斷,防止函數(shù)重入system_event&=(EVENT_ETH_ARRIVED;/恢復(fù)標(biāo)志位EA=1;EthRECE(;else if(system_event&EVENT_ARP-RETRANSMITEA=0;/關(guān)閉中斷,防止函數(shù)重入system_event&=(EVENT_ARP_RETRANSMIT;/

19、恢復(fù)標(biāo)志位EA=1;ARP_RETRANSMIT(;else if(system_event&EVENr-TCP_RETRANSMIT EA=0;/關(guān)閉中斷,防止函數(shù)重入system_event&=(EVENT_TCP_RETRANSMllr;/恢復(fù)標(biāo)志位EA=1;TCP_RETRANSMrr(;系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度模塊(內(nèi)核是整個系統(tǒng)的框架,也是之后其他模塊運行的平臺,一切系統(tǒng)中斷事件的產(chǎn)生與任務(wù)調(diào)度管理都是由這個部分完成。(下轉(zhuǎn)第65頁 采樣延遲對調(diào)制自適應(yīng)均衡性能影響的研究65(n爪P,(”/T、(”(n/1、+.("吖(V k塒%獻蘆矸(一八一嘛磚。X口/凍胡/莓P?

20、("LJ畿(”。:(。Uwn圖2LSL自適應(yīng)均衡網(wǎng)絡(luò)(n,占。b(n為誤差模的平方即模方,。+。(n為偏反射系數(shù)。在隨后的算法迭代運算中,還有y。(n為新舊數(shù)據(jù)空間夾角參量,艿為軟約束初始化系數(shù)。對于自適應(yīng)均衡算法,遺忘因子A是重要的一參數(shù),一般取值在0.950.9995之間,用此因子對輸入信號加指數(shù)權(quán)A”,即時間越近加權(quán)越大。這樣使算法更能反映當(dāng)前情況,加強對非平穩(wěn)信號的適應(yīng)性。A較大時,抗噪能力強,但跟蹤能力差。算法的迭代式如下:初始值為e。b(O=。(0=07。(0=1幺(o=占:(o=艿對于n1,迭代循環(huán)用下列各式e:(n=(n=菇(n占:(n=磊(n=蠢(rt一1+菇2(n

21、 yo(n=1對于0m一1,各參數(shù)量由下列各式迭代求得:偏反射系數(shù)。+。(n=。+。(n一1+蘭:群前向預(yù)測誤差“(n=(n一壘竺生!掣后向預(yù)測誤差b小-e6。o(n-1一警前向誤差模方F:+,(n=占:(n一:;÷!告后向誤差模方占。b+。(n:占:(n一1一壘毒號S妥上新113數(shù)據(jù)空間夾角參量y。+。(凡一1=y。(n一1一措2QSPK(正交相移鍵控調(diào)制數(shù)傳終端調(diào)制可分單道方式、雙道方式兩類,單道方式如二進制、戈進制,雙道方式即正交調(diào)制方式,如正交調(diào)幅(QAM、正交移相鍵控(QPSK。QSPK是一種四相制的相位鍵控調(diào)制,每個碼元包含兩位二進制信息,通過載波的4種不同相位信息表征傳

22、遞數(shù)的字信息。雙比特碼元中兩個信息比特通常按格雷編碼排列00、01、10、11,采用格雷編碼的好處在于相鄰的雙比特碼元中兩個信息比特只會有一個變化,從而消除(上接第49頁評價系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度模塊(內(nèi)核是否符合要求,有兩個關(guān)鍵的指標(biāo),一個是對系統(tǒng)CPU占用的時間,另一個是實時響應(yīng)能力。通過內(nèi)核空負載運行與滿負載運行測試內(nèi)核的CPU占用時間,整個內(nèi)核最小基本上不占用CPU資源,最大CPU占用時間與任務(wù)數(shù)量有關(guān)系,每多一個任務(wù)對CPU的占用率也是非常低的,這就表明內(nèi)核對CPU的占用率非常低,能夠?qū)缀跞康腃PU資源留給系統(tǒng)任務(wù)使用,大大提供了內(nèi)核的運行能力。整個系統(tǒng)完成后的測試結(jié)果表明,本設(shè)計實現(xiàn)的基于51內(nèi)核單片機的嵌入式實時操作系統(tǒng)能夠滿足比較復(fù)雜的任務(wù)調(diào)度,實時響應(yīng)能力好,能夠應(yīng)付許多對實時響應(yīng)要求比較高的工控場合。3結(jié)束語經(jīng)調(diào)測,整套程序已經(jīng)比較穩(wěn)定,TCP和UDP收發(fā)數(shù)據(jù)正常,TCP超時重傳效果很好,在測試數(shù)據(jù)發(fā)送時斷開網(wǎng)線3min內(nèi)TCP狀態(tài)保持良好,斷開網(wǎng)線3min以上TCP能自動關(guān)閉原有連接,重新建立新的連接,并將繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。協(xié)議棧穩(wěn)定性測試證明,整個單片機TCP/IP協(xié)議棧表現(xiàn)良好。設(shè)備實運行3個月狀態(tài)正常。本系統(tǒng)(包括TCP