摘要:計算機和網絡已經進入后PC時代,隨著將以太網應用到工業自動化領域的研究再次興起,在現場儀表和工業設備層應用以太網技術是工業控制網絡的一個發展趨勢。本文研究開發了一種基于工業以太網的工業現場智能控制模塊的硬件結構,選擇合適的微處理器和外圍存儲、通信等器件,構建了一個帶有網絡接口,可以接入工業以太網現場網絡中的硬件平臺。

關鍵字:智能控制;工業以太網;網絡接口

1引言

工業網絡控制系統顧名思義即網絡化的工業控制系統。目前,國內外應用較多的工業網絡控制系統是集散控制系統和現場總線控制系統,但是最有發展前景的是工業以太網控制系統。它們體現了控制系統向網絡化、集成化、分布化、節點智能化的發展趨勢,因此成為控制界研究的熱點。本文結合儀表和控制網絡,設計了具有工業以太網的現場智能控制模塊的硬件設備。

2現場智能控制模塊的硬件結構設計

硬件設計的主要任務在于設計接口電路來滿足分布式控制的要求。按照系統功能圍繞核心控制器Rabbit2000,可以將硬件系統分成如圖1所示的四個模塊,它們分別是:微控制器與存儲器模塊、開關量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、通訊模塊。

圖1硬件系統實現框圖

整塊電路板由5V直流供電,它集成了Rabbit2000微處理器、512K的FlashRAM、128K的SRAM和RJ-45以太網接口。Rabbit2000有5個8位并行接口,其中B口和D口的一部分用于和Realtek的以太網卡控制芯片RTL8019AS相連;C口可以用于RS485或RS232串行通訊。I/O采集的接口硬件電路和總線相連,整個控制器接口部分包含了9路模擬量輸入通道,2路模擬量輸出通道,8路開關量輸入通道和8路開關量輸出通道。其中,數/模和模/數轉換芯片均為12位,精度基本可以滿足一般控制對象的要求。

3現場智能控制模塊的硬件詳細設計

系統微控制器選擇Rabbit半導體公司生產的Rabbit2000微處理器。Rabbit2000處理器是專門為新一代嵌入式系統設計的基于Z80架構的高性能8位微處理器,芯片為100針PQFP封裝,工作電壓為,最大時鐘頻率為30MHZ,對嵌入式系統而言,其性能超過了很多16位,32位處理器,效率優于同類8位系列。Rabbit2000共有40條并行I/O口線(與串行口共用)。其中一些I/O口是定時器同步的,這就允許在組合軟硬件控制下精確地產生邊沿和脈沖。其中包含了4個串行口,這4個串行端口都可以在多種操作模式下實現異步工作。其中兩個口還可以同步工作,實現與串行I/O設備的接口。片上集成了一個內置的看門狗定時器以及一個內置的電池供電的時間/日期部件。

3.1模擬量與數字量的輸入輸出模塊

模擬量輸入接口用來完成將現場模擬信號轉換為微處理器可以識別并處理的數字量信號。由于工業場合被測對象一般為溫度、壓力、液位等緩變信號,要求采樣頻率較低。設計中對于模擬信號的采集使用TI公司的新型模數轉換器TLC2543完成。數模轉換器(DAC)接口用來輸出模擬量信號。通過模數轉換接口,微處理器可以把要輸出的二進制表示的信號變成與該數字信號成比例的模擬電壓或者電流信號。設計中選用了AD公司的12位的電壓輸出D/A轉換器AD5320。

圖2模擬量輸入電路圖