一种基于现场总线的智能仪表设计

论文导读：现场总线控制系统被认为是DCS的有力取代者。增加高速以太网HSE(HighSpeedEthernet)连接器或相应转换设备。本文设计的智能仪表并不仅是一个变送器或执行器。现场总线控制系统，论文大全，一种基于现场总线的智能仪表设计。
关键词：现场总线控制系统，高速以太网，智能仪表，Linux操作系统
 

1引言

现场总线控制系统被认为是DCS的有力取代者，由于现场总线的协议众多,不同协议的兼容性问题一直困扰工业界。为此许多现场总线组织（或生产厂家）提出基于以太网的控制系统标准。目前，各生产厂家的作法都是在自身的现场总线设备基础上，增加高速以太网HSE(High Speed Ethernet)连接器或相应转换设备。同样存在不同生产厂家设备的互换性问题；到目前为止还没有完全基于高速以太网的自动化仪表（变送器和执行器）。本文设计的智能仪表并不仅是一个变送器或执行器，而是具备必备的上层控制功能，能够完成必要的控制过程，相当于将现有DCS控制功能分散于各个底层设备中。而上层设备只有相当于DCS的工程师站和操作员站。结合通用组态软件可以完成控制系统的组态、下载，形成底层的智能自动化仪表和高层的智能系统软件。为控制系统实现分散化、智能化、协调性、集成方式打下基础。

2 总体方案

2.1 系统功能

系统主要功能是实现工业中的智能仪表的数据和上位机之间高速以太网的传输。通过仪表的智能前端把智能仪表的数据采集起来，智能前端利用内部的TCP/IP协议，通过高速以太网以数据包的形式发送给上位机中。在上位机将适当的控制算法模块联结起来之后，将它形成一个组态文件，下载到智能仪表中运行，调用相应的算法，从而来完成特定的控制功能。本设计系统图的对比如下：

2.2 分层结构描述

相邻控制关联密切的在同一交换机下，形成一个相对独立的控制子网，整个控制可以有几个到几十个甚至上百个控制子网。子网间由上层核心交换机完成（必要时可以使用多个），子网间只通信必要的信息。核心交换机可以连接数据服务器与工程师站和操作员站。这样就使得控制功能彻底分散到底层智能仪表中。上层完成数据存储管理、工程师站、操作员站功能。网络都是冗余系统，同时每个智能仪表采用双网卡结构，必要时仪表可以采用双CPU冗余设计。论文大全，现场总线控制系统。。

2.3 智能仪表控制功能的实现

每个智能仪表完成部分乃至全部的控制策略，在组态过程中可以将整个系统内的智能仪表看作一个整体进行组态、下装。控制功能实现可以由仪表间进行远程调用，控制可由智能仪表间协作完成，可采用如（DCOM、COORBRA）或采用群Agent的方法。控制功能可以在子网内迁移，协作完成整个控制任务。整个控制功能可以在线互为备份。

3 硬件结构

3.1 系统结构

智能仪表的智能前端通过TCP/IP网络协议连接到交换机上。我们对每个智能仪表分配一个IP地址，上位机通过不同的IP地址，从而实现对特定仪表的通讯。当数据传输距离增大时，可以通过增加交换机来实现远距离传输。

3.2智能前端的硬件结构

智能前端主要由基于ARM内核的微处理器AT91RM9200，100M以太网控制器芯片RTL8100，串口电平转换芯片MAX232以及RS232串口与RJ45接口组成。结构如图1所示

3.3以太网接口电路及实现方法

以太网接口硬件电路使用的芯片主要有微处理器AT91RM9200、RTL8100、AM29I、V002B、74LVl38等。

其中AM29L、V002B是Flash存储器，主要用来存放程序，由于AT91RM9200微处理器内带16kB的SRAM和126k的Boot ROM，足够存放数据。故此方案无需扩展RAM。TS7023是个隔离滤波器，RJ45为100BaseT的以太网接口连接器。74LVl38提供RTL8100的片选信号。

RTL8100是性价比高且带有即插即用功能的全双工以太网控制器。它的主要特性包括：符合EtherenetlI与IEEE802.3标准；全双工，收发可同时达到100Mbit／s的速率；内置16kB的SRAM，用于收发缓冲，降低对主处理器的要求；支持UTP，AUI，BNC自动检测，还支持对100BaseT拓扑结构的自动极性修正。RTL8100内部有两块RAM区一块16kB，地址为0x4000～0x7fff；一块32字节，地址为0x0000～0x001f。RAM按页存储，每256字节为一页。本方案中将RTL8100的RAM的前12页(0x4000～0x4bff)作为发送缓冲区，后52页(0x4c00~0x7fff)作为接收缓冲区，第0页只有32个字节，用来存储以太网的物理地址。RTL8100具有32个输出／输入地址，地址偏移量为00H~1FH。其中00H～0FH共16个地址为寄存器地址，寄存器分为page0、pagel、page2、page3，由RTL8100中的命令寄存器CR中的PSl和PS0位来决定要访问的页。复位端口包括18H～1FH共8个地址，用于RTL8100的复位。

4.软件结构

linux作为支撑系统，所有程序均采用基于GGC的C语言编写，而且它具有可读性强、容易移植、开发简单、调试方便的优点。论文大全，现场总线控制系统。。

4.1 linux简介

Linux是由Linus Benedict Torvalds等众多软件高手共同开发的，是一种能运行于多种平台(如PC及其兼容机、Alpha工作站、SUN Sparc工作站)、源代码公开、免费、功能强大、遵守POSIX标准、与Unix兼容的操作系统。Linux运行的硬件平台起初是Intel 386、486、Pentium、PentiumPro等。现在，还包括A1pha、PowerPC、Sparc等。Linux不但支持32位，还支持64位如A1pha。Linux不但支持单CPU，还支持多CPU。

4.2 以太网接口程序设计

编写控制以太网接口程序的步骤为：

（1）用C语言库函数作为源文件加入项目中，将用到的头文件包含进项目中。

（2）RTL8100 初始化

控制ARM对RTL8100复位引脚rest 进行复位, 启动RTL8100工作。 设置接收状态寄存器RCR和发送状态寄存器TCR ,划分接收缓冲区和发送缓冲区,并使之处于接收状态。

（3）传输数据包

发送过程是通过执行远程DMA写操作进行,给要发送数据加上以太网首部,即目的地址、源地址和类型字段，使之符合以太网帧格式, 传至RTL8100发送缓冲区，启动包发送命令即可。

(4 ) 接收数据包

RTL8100通过DMA 方式读写数据。首先查询状态寄存器CURR判断是否有数据分组到达。如果有则启动远程DMA读,接收数据,并根据接收数据的状态值判断数据包是否完好,以便继续读取其它数据,进而根据所读以太网首部中的协议类型,转向相应的协议处理程序。

5.结束语

本系统采用了一种新颖的嵌入式控制器，在产品性能上有了很大的提高，价格便宜，可以在工业控制中使用，并且为控制系统实现分散化、智能化、协调性、集成方式打下基础。论文大全，现场总线控制系统。。同时建立具有我国自主知识产权的技术体系。采用这样的控制系统可以大量节省控制设备投资，简化控制系统设计，整体提高控制系统的可靠性。打破国外对现场总线控制技术的垄断，为我国控制技术设备在一个高层次上发展提供很好的技术支持。