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引言 隨著(zhù)自動(dòng)化、電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，很多執行機構已經(jīng)具有現場(chǎng)總線(xiàn)通訊和智能控制的功能，閥門(mén)定位器是一種應用于工業(yè)總線(xiàn)過(guò)程控制的智能輔助控制儀表，它在一定程度上決定了過(guò)程控制的調節品質(zhì)。 EPA標準是一種基于以太網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、藍牙等信息網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)的，適用于工業(yè)自動(dòng)化控制系統裝置與儀器儀表間、工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表相互間數據通信的丁業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )通信標準。本文結合智能閥門(mén)定位器特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了符合EPA標準的通信卡，使其具有現場(chǎng)總線(xiàn)數據通訊功能，同時(shí)，在通信卡中嵌入ZIGBEE模塊也方便與手持設備通信。 1 ZIGBEE技術(shù)應用于EPA現場(chǎng)設備 ZIGBEE是一種低速率WPAN IEEE標準，它具有功耗低、架構簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)，滿(mǎn)足多種無(wú)線(xiàn)需求，尤其在工控(監視器、傳感器和自動(dòng)控制設備)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系統結構圖 在EPA總線(xiàn)現場(chǎng)設備中嵌入ZIGBEE模塊，擴展了現場(chǎng)設備數據傳送途徑，現場(chǎng)設備既可以直接通過(guò)總線(xiàn)交換數據，同時(shí)也可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)手持設備進(jìn)行現場(chǎng)數據采集，從而兼顧了對現場(chǎng)設備遠程監控和現場(chǎng)數據交換，圖l所示為嵌入ZIGBEE模塊EPA系統結構，這里主要介紹嵌入ZIGBEE模塊的EPA閥門(mén)定位器的實(shí)現過(guò)程，其中閥門(mén)定位器同EPA控制網(wǎng)絡(luò )數據通信功能的實(shí)現主要是通過(guò)嵌入閥門(mén)定位器內部的數據通信卡來(lái)完成。 2 閥門(mén)定位器通信卡設計 通信卡設計是一種典型的嵌入式系統設計，通過(guò)嵌入閥門(mén)定位器內部首先完成數據的采集．然后將數據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，內部運行程序由EPA協(xié)議棧及相應的硬件驅動(dòng)程序組成。 2．1通信卡硬件設計 圖2所示為嵌入ZIGBEE模塊的EPA閥門(mén)定位器通信卡系統框圖，主要包括處理器單元(C805IFl20)、SDRAM(靜態(tài)存儲器)、RESET及時(shí)鐘電路、以太網(wǎng)控制電路、ZIGBEE模塊及總線(xiàn)以太網(wǎng)供電模塊。
圖2嵌入ZIGBEE模塊的EPA閥門(mén)定位器通信卡系統框圖 處理器單元采用了新華龍公司低功耗、高性能的8位51內核處理器，它是完全集成的混合信號系統級MCU芯片，具有128K FLASH存儲器，8KB的片內RAM，64個(gè)數字I/O引腳．具有體積小和能適應工業(yè)環(huán)境應用等優(yōu)點(diǎn)，其穩定性和可靠性完全值得信賴(lài)，同時(shí)其運算速度完全可以滿(mǎn)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、執行基于IEEE802.3u局域網(wǎng)標準的10Mb/s和100Mb/s以太網(wǎng)控制功能，其地址總線(xiàn)與數據總線(xiàn)分別與CPU的地址/數據總線(xiàn)相連。按數據鏈路的不同，可以將RTL8019AS內部劃分為遠程DMA通道和本地DMA通道兩個(gè)部分，本地DMA完成控制器與網(wǎng)線(xiàn)的數據交換，主處理器收發(fā)數據只需對遠程DMA操作，當主處理器要向上發(fā)送數據時(shí)，先將一幀數據通過(guò)遠程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，完成與手持設備無(wú)線(xiàn)通信。這是一款完全符合IEEES02.15.4標準與ZIGBEE規范的2.4GHz無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，編碼方式是DSSS，調制方式為O_QPSK，數據速率為250kb/s，發(fā)射功率為-16.6~3.6dBm，傳輸距離可達到200m。 通信卡系統采用基于以太網(wǎng)的總線(xiàn)供電方式，連接到現場(chǎng)設備的線(xiàn)纜不僅能夠傳送數據信號，還要能夠為現場(chǎng)設備提供電源�？偩�(xiàn)供電采用調制解調法，在以太網(wǎng)集線(xiàn)器或交換機的以太網(wǎng)信號輸出端，將24~48V直流電源信號與以太網(wǎng)通信信號調制在一起，在現場(chǎng)設備端的以太網(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(guò)Dc—Dc轉換為現場(chǎng)設備用的直流工作電源，從而實(shí)現基于以太網(wǎng)的總線(xiàn)供電。 2.2 軟件設計 基于EPA標準的閥門(mén)定位器通信卡熱案件設計采用基于模塊化的設計方法，軟件開(kāi)發(fā)主要分成三個(gè)部分：現場(chǎng)設備數據采集模塊、ZIGBEE無(wú)線(xiàn)通信模塊、EPA協(xié)議模塊。具體軟件設計流程圖如圖3所示：
圖3通信卡軟件設計流程圖 2．2．1現場(chǎng)設備數據采集模塊 閥門(mén)定位器采用的是現場(chǎng)總線(xiàn)式閥門(mén)定位器，它接受數字信號并使用數字式電子線(xiàn)路配合機械部件來(lái)定位閥門(mén)，全數字控制信號取代模擬控制信號，可通過(guò)將軟件命令植入閥門(mén)定位器存儲模塊來(lái)進(jìn)行雙向數字通信。 閥門(mén)定位器數據的采集實(shí)質(zhì)上是通信卡與閥門(mén)之間的雙向通信過(guò)程，系統初始化后通信卡通過(guò)UART0向閥門(mén)發(fā)送連接命令，等待連接成功后，向閥門(mén)發(fā)送讀／寫(xiě)數據信息，寫(xiě)入成功后，閥門(mén)返同相應數據信息。讀，寫(xiě)數據命令格式如下：
其中0X01為讀數據指令，0X02為寫(xiě)數據指令，占一個(gè)字節；Address(H)和Address(L)代表讀，寫(xiě)閥門(mén)定位器數據所在內存地址高低字節．共占兩個(gè)字節，可根據需要返回的數據設置此地址、數據主要有閥位、電流閥位上下限等。0X04為返回數據字節數，CRC為奇偶校驗，各占一個(gè)字節。 2.2.2 ZIGBEE無(wú)線(xiàn)通信模塊 (1) 接口程序 ZIGBEE無(wú)線(xiàn)通信模塊通過(guò)UART1與系統芯片相連，通過(guò)此模塊完成與手持設備之間進(jìn)行數據通信功能。 接口驅動(dòng)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(shí)器設置。在串口初始化之前應將C8051F120交叉開(kāi)關(guān)調整到UART1使能有效，然后選擇定時(shí)器1作為UART1波特率發(fā)生器。ZIGBEE無(wú)線(xiàn)通信模塊IP-LINK1270 通信波特率為38400bps，必須嚴格設置定時(shí)器使UART1與IP-LINK1270波特率相同，否則無(wú)法正常數據通信。 (2) 數據傳送 數據的傳送必須滿(mǎn)足zlGBEE無(wú)線(xiàn)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據封裝成幀，具體數據幀格式如下：
0X44代表數據格式，node為通信節點(diǎn)，這里默認通信節點(diǎn)具有相同的網(wǎng)絡(luò )號；0X07為ZIGBEE數據長(cháng)度，這里設定為7個(gè)字節即可滿(mǎn)足要求；Var-parameter為閥門(mén)參數，包括讀寫(xiě)命令，地址等信息，占3個(gè)字節；Var-data為閥門(mén)數據（閥位值或上下限），為占4個(gè)字節的浮點(diǎn)數；CRC為奇偶校驗。 (3) 與ZIGBEE無(wú)線(xiàn)手持設備通信 通過(guò)嵌入ZIGBEE模塊手持設備可以很方便的以無(wú)線(xiàn)的方式讀取閥門(mén)定位器數據，通信過(guò)程中，通信卡上ZIGBEE模塊充當服務(wù)器，數據讀取時(shí)， 通信卡發(fā)送一讀設備請求指令，通信卡ZIGBEE模塊接受指令，產(chǎn)生中斷響應，中斷服務(wù)程序根據手持設備請求指令返回相應的數據信息。除讀取閥門(mén)數據外，通信卡也可通過(guò)手持設備設置閥門(mén)定位器上下限以及閥門(mén)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(gè)部分：EPA確定性調度與精確時(shí)間同步算法、TCP(UDP)／IP協(xié)議軟件、EPA應用層服務(wù)、EPA應用層服務(wù)接口和EPA管理服務(wù)等。主要完成i個(gè)方面的任務(wù)：即數據(包括實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數據)傳輸服務(wù)的實(shí)現及其為用戶(hù)層提供的服務(wù)接口，以及EPA管理服務(wù)(包括設備自動(dòng)識別、系統時(shí)鐘同步、系統工作狀態(tài)的管理、設備位號及其他信息的管理等)。 其中數據的傳送必須滿(mǎn)足兩點(diǎn)：(I)數據格式轉換，從閥門(mén)讀出數據為四字節1EEE754格式的浮點(diǎn)型數據，必須轉換為兩字節的整型格式才能往上層打包傳送。(2)EPA標準報文格式封裝，EPA通信協(xié)議基于TCP(UDP)／IP協(xié)議，為用戶(hù)層的應用程序間提供實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數據傳輸服務(wù)，為保證數據傳輸的可靠性，數據的傳輸必須按照EPA標準封裝EPA報文字段。 3 現場(chǎng)數據采集測試
圖4 OPC監控圖 OPC服務(wù)器是一個(gè)典型的現場(chǎng)數據源程序，它收集現場(chǎng)設備數據(閥門(mén)數據)信息，通過(guò)數值轉換將數據轉換為十進(jìn)制在OPC界斷上顯示，其中數值轉換包括EPA報文分解和閥門(mén)浮點(diǎn)數據值還原。圖4中為典型EPA控制網(wǎng)絡(luò )中的OPC監控圖，IP值用于區分不同的設備。 4 結束語(yǔ) EPA標漫是我國具有完全自主知識產(chǎn)權基于工業(yè)以太網(wǎng)的現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準，通信卡的設計實(shí)現了琉場(chǎng)設備與EPA控制網(wǎng)絡(luò )的通信，本文以閥門(mén)定位播為例，介紹了其接人EPA控制網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現過(guò)程，也適用于其它現場(chǎng)設備如壓力計。溫度變送器等。同時(shí)，在通信卡中嵌入ZIGBEE模塊實(shí)現了與手持設備通信，極大的方便了工業(yè)現場(chǎng)數據的讀取。 本文創(chuàng )磁點(diǎn)：研究和設計了基于EPA標準的通信卡，給出了軟硬件設計，解決了現場(chǎng)設備同EPA控制網(wǎng)絡(luò )之間的數據通信。同時(shí)，在設計中引入一種低速率WPAN IEEE標準ZIGBEE無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，為現場(chǎng)設備數據獲取提供了新的途徑。 作者：胡國珍、李勇 來(lái)源： 《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第25卷第2-2期 |
