嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制方案的研究

1、嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制方案的研究        摘要：分析了嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制技術(shù)相對現(xiàn)場總線的優(yōu)越性，提出了完整的網(wǎng)絡(luò)控制方案，具體分析了現(xiàn)場底層控制模塊的組成和開發(fā)細節(jié)，其中TCP/IP協(xié)議的開發(fā)是重點。方案結(jié)構(gòu)簡潔，控制靈活，可實現(xiàn)企業(yè)信息的實時傳輸和真正共享。      關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線；工業(yè)以太網(wǎng)；嵌入式；節(jié)點控制模塊 1引言對工業(yè)自動化領(lǐng)域而言，大量的智能設(shè)備可通過各種途徑連到Internet上，通過網(wǎng)絡(luò)相互傳遞信息和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)智能化現(xiàn)場設(shè)備的功能自治性

2、、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性以及監(jiān)管控一體化。現(xiàn)場總線(FieldBus)就是順應(yīng)這一形勢發(fā)展起來的新技術(shù)?，F(xiàn)場總線的出現(xiàn)，標(biāo)志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域又一新時代的開始。這一技術(shù)的發(fā)展，對實現(xiàn)面向設(shè)備的自動化系統(tǒng)起到了巨大的推動作用。與傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)(Distributed ControlSystem，DCS)相比，他具有全開放、全分散、互操作等優(yōu)點，但還是有很大的局限性，主要表現(xiàn)在以下幾方面：(1)目前的現(xiàn)場儀表和設(shè)備的計算能力和信息處理能力較低，復(fù)雜的控制功能仍集中在一臺控制計算機上，不能實現(xiàn)全分散控制，存在風(fēng)險集中的現(xiàn)象。(2)現(xiàn)場總線僅作為系統(tǒng)的一個組成部分，位于系統(tǒng)的底層，不足以實現(xiàn)系統(tǒng)的全

3、開放性結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)架構(gòu)呈垂直組合狀，數(shù)據(jù)通信存在瓶頸。(3)IEC61158標(biāo)準(zhǔn)包括8種類型的現(xiàn)場總線，相互之間差異較大，不能實現(xiàn)互操作，彼此連接存在一定困難。(4)系統(tǒng)中所有控制器獨立運行，各執(zhí)行獨立的數(shù)據(jù)處理，難以做到所有信息共享，導(dǎo)致系統(tǒng)實時性不盡如人意。    上面的闡述說明傳統(tǒng)經(jīng)典的PLC和現(xiàn)場總線技術(shù)已不適合這種要求。即使是像工業(yè)PC，OPC等技術(shù)，只要他們被鑲嵌在傳統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，也只能是對系統(tǒng)的功能作些邊緣性的提高。因此，為減輕繁重的編程工作和達到系統(tǒng)的簡單化，需要對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行變革。隨著信息技術(shù)的不斷飛躍發(fā)展，工業(yè)控制領(lǐng)域中必然會產(chǎn)生一種能夠彌補

4、現(xiàn)場總線缺陷，實現(xiàn)全系統(tǒng)統(tǒng)一、高效、實時的控制策略。工業(yè)以太網(wǎng)就是適應(yīng)這一需要而迅速發(fā)展起來的控制技術(shù)。在所有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，以太網(wǎng)技術(shù)是至今最理想的選擇，他能滿足如下所有要求：(1)充分考慮今后的發(fā)展需要，具有高傳輸速率，目前達到100 Mb/s。    (2)高傳輸安全性和可靠性，集線器技術(shù)的確定性。    (3)集線器的應(yīng)用可不需考慮網(wǎng)絡(luò)的擴展。    (4)建立了一種標(biāo)準(zhǔn)：一個新的工控總線標(biāo)準(zhǔn)。    (5)與IT連接，“世界標(biāo)準(zhǔn)”的TCP/IP技術(shù)的應(yīng)用。 

5、   (6)在整個網(wǎng)絡(luò)中的隨機網(wǎng)絡(luò)存取技術(shù)。以太網(wǎng)(Ethernet)，既是一種計算機接入局域網(wǎng)絡(luò)的術(shù)。由于以太網(wǎng)傳送速率的大幅度提高，物理層標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)化以及以太網(wǎng)集線器技術(shù)的形成，千兆以太網(wǎng)技術(shù)和無碰撞全雙工光纖技術(shù)的出現(xiàn)，使得這一先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被推進到早先認(rèn)為不適宜的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，形成了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。與目前的基于現(xiàn)場總線的控制網(wǎng)絡(luò)相比，基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的控制網(wǎng)絡(luò)是一種低成本(許多商用以太網(wǎng)的芯片組與技術(shù)可以借用)、高性能的控制網(wǎng)絡(luò)解決方案。2方案分析21嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)方案設(shè)計22嵌入式接口控制模塊的實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中，以太網(wǎng)作為連接智能控制模塊的系

6、統(tǒng)總線，內(nèi)部和外部的數(shù)據(jù)通訊在此沒有區(qū)別。集線器技術(shù)被集成在每個控制器中，通過分配地址空間把內(nèi)部通訊從外部通訊中分離出來。其中集線器技術(shù)和底層協(xié)議的集成，確保了以太網(wǎng)的確定性、兼容性和整體性。目前在傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議基本上已經(jīng)統(tǒng)一，TCP/IP已成為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，這是以太網(wǎng)正常運作的“中樞”。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)中關(guān)鍵一環(huán)是：在現(xiàn)場級的節(jié)點控制模塊(如遠程I/O模塊)中實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，即建立協(xié)議棧。隨著電子和信息技術(shù)的高速發(fā)展，通過軟件方式或硬件方式將TCP/IP協(xié)議嵌入到節(jié)點模塊已經(jīng)成為可能。軟件方式將TCP/IP嵌入到微處理器的ROM中，硬件方式是設(shè)計嵌入式處理器和ASIC器件芯

7、片而直接用作網(wǎng)絡(luò)接口。方案采用基于RISC結(jié)構(gòu)的單片機，帶有片上Flash程序存儲器，具有在系統(tǒng)編程、調(diào)試功能。由于采用CPU并行流水線方式及單時鐘周期指令，在100 MHz晶振驅(qū)動下指令執(zhí)行速度可達100 MI/s，所有I/O管腳可以通過編程靈活配置。基于以上特點，可實現(xiàn)虛擬外設(shè)(Virtual Peripheral)功能：CPU通過執(zhí)行虛擬軟件模塊直接驅(qū)動普通I/O口實現(xiàn)硬件外設(shè)功能(如UART，I2RJ45為此系統(tǒng)與局域網(wǎng)的接口。數(shù)據(jù)的流向為：請求信息從局域網(wǎng)中來，通過RJ45送到網(wǎng)卡控制芯片，處理后05的數(shù)據(jù)包送入單片機協(xié)議棧，由協(xié)議棧對數(shù)據(jù)包進行解析，得到原始請求信息。請求信息再經(jīng)過

8、單片機的處理，產(chǎn)生回復(fù)信息?；貜?fù)信息到局域網(wǎng)的過程與上面正好相反。    接口控制模塊的特點：(1)不依賴PC機或高檔單片機，真正實現(xiàn)8 b單片機系統(tǒng)直接接入Internet，整個系統(tǒng)完全自給自足。    (2)使用外圍器件少，系統(tǒng)成本低。(3)支持IP，TCP，UDP，ICMP，HTTP，SMTP協(xié)議。(4)系統(tǒng)提供10/100 Base-T網(wǎng)絡(luò)接口，直接支持EthernetIEEE8023協(xié)議。(5)通過系統(tǒng)內(nèi)置的RS232串行接口、支持Web頁面下載功能，可以實時、動態(tài)顯示并控制監(jiān)控點數(shù)據(jù)。23以太網(wǎng)通信協(xié)議開發(fā)以太網(wǎng)是按照局域

9、網(wǎng)的要求設(shè)計的。以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)(IEEE8023)定義了OSI參考模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。在物理層定義了電纜類型、連接器和信號電平；數(shù)據(jù)鏈路層定義了幀格式、差錯控制方式、信道分配方法等。但以太網(wǎng)不能完成OSI模型第3層以上的功能，從這個意義上來說，他不屬于完整的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。如何在現(xiàn)有協(xié)議基礎(chǔ)上實現(xiàn)OSI模型的網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層以及應(yīng)用層，才是解決問題的關(guān)鍵所在。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧實現(xiàn)原理如圖3所示。2PROM)中，他的容量決定了WebServer的資源文件的大小。HTTP使用統(tǒng)一資源定位器來指定返回給客戶端的網(wǎng)絡(luò)資源(如HTML、文本文檔、圖像、Java腳本、Java applet、PDF文檔等)。網(wǎng)絡(luò)中任何

10、類型Web服務(wù)器都可與之進行交互式通信，實現(xiàn)遠程、實時控制。24系統(tǒng)應(yīng)用平臺的開發(fā)工業(yè)控制應(yīng)用軟件的開發(fā)，主要是基于B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，控制底層通過建立智能節(jié)點模塊實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息的收集并建立Web資源服務(wù)器，客戶端只需要通過瀏覽器即可實時讀取到其中的數(shù)據(jù)，并可將控制命令傳達。這種應(yīng)用系統(tǒng)的重點在于底層服務(wù)器的開發(fā)。同時，系統(tǒng)的監(jiān)控軟件采用網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計，具有良好的擴展性和互聯(lián)性，帶有參數(shù)集中顯示、數(shù)據(jù)實時查詢等功能，還有所有設(shè)備聯(lián)網(wǎng)所帶來的特殊功能如：控制模塊自動切換、網(wǎng)絡(luò)故障檢測、資源共享等。3結(jié)語參考文獻1許華杰，明健基于SX單片機實現(xiàn)WebServer和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧J單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，20

11、01，(11):62-65.2樂德廣，郭東輝基于SX微處理器的嵌入式Internet技術(shù)及其應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計J嵌入式系統(tǒng)論文集，2000,(11):127-132.3UBICOM，IncApplication note37 Web serversend emailclient implementation with Ethernet as the physical layer S.January 2000,34-40.4劉三山，萬曼影以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的混合網(wǎng)絡(luò)設(shè)計J自動化與儀表,2001,(6):20-23.5吳譽，張衛(wèi)東，許曉鳴以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線的互聯(lián)方法J測控技術(shù),2000,(1):11-14.6Dick JohnsonEthernet edges toward proces