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適用于儀器儀表通信的若干新技術2003年10月(4)

①初始化單片機和所有的外圍電路(包括PDIUS-BD12);

②主循環部分,其任務是可以中斷的;

③中斷服務程序,其任務是對時間敏感的,必須馬上執行。根據USB協議,任何傳輸都是由主機(host)開始的,這樣,單片機作它的前臺工作,等待中斷。

主機首先要發令牌包給USB設備(這里是PDIUS-BD12),PDIUSBD12接收倒令牌包后就給單片機發中斷,單片機進入中斷服務程序,首先讀PDIUSBD12的中斷寄存器,判斷USB令牌包的類型,然后執行相應的操作。因此,USB單片機程序主要就是相對應的中斷服務程序。

對于主機部分的軟件設計,Windows98已提供多種USB設備的驅動程序,但還沒有一種是專門針對數據采集系統的,所以必須針對特定的設備來編制驅動程序。盡管系統已經提供了很多標準接口函數,但編制驅動程序仍然是USB開發中最困難的一件事情,通常采用WindowsDDK來實現。作為WIN98和WIN2K推薦的一項新技術來說,USB的驅動程序和以往的直接跟硬件打交道的WIN95的VXD方式的驅動程序不同,它屬于WDM類型。

4 現場總線通信

現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡,代表了當今自動化控制體系結構發展的一種方向,其基礎是智能儀表。

4.1 現場總線智能儀表

   現場總線智能儀表作為未來工業過程控制系統的主流儀表,它與現場總線一起成為構成現場總線控制系統(fieldbus control system,FCS)的兩個重要部分。

   現場總線智能儀表與一般智能儀表的重要區別在于它采用了標準化現場總線接口更便于構成現場總線控制系統。FCS采用現場總線在控制現場建立一條高可靠性的數據通信線路,實現各現場總線智能儀表變成網絡節點。這樣,基于現場總線的可靠通信功能,FCS就可以把各個現場總線智能儀表連接成了可以互相溝通信息,共同完成控制任務的網絡系統與控制系統,能有效地體現DCS中的“信息集中,控制分散”的功能,真正滿足現場實時形式傳輸的準確性、實時性的要求。

4.2 現場總線智能儀表的通信支持

   目前,現場總線的種類比較多,它們在對通信的處理方面均提供有各自專用器件和技術支持。如Lon-Works中的Neuron芯片和LonTalk協議,Profibus中的專用協議芯片等。下面以應用較為廣泛的Profibus中的專用協議芯片等。下面以應較為廣泛的Profibus現場總線儀表為例,探討其對通信技術的支持方式。

   Profibus的通信協議相對比較復雜。從原則上講,它可以在任何安裝有異步串行收發器(UART)的微處理器上借助軟件實現。然而,開發人員若使用專用的通信處理芯片,就可將繁雜的協議撇開。Profibus通信協議芯片已形成廣泛系列,使用這些協議芯片不僅使Profibus協議的具體實現簡單、方便、省時、省力,而且還可達到快速開發產品的目的。目前,適合于智能從站的ASIC種類較多,如西門子公司的SPC3通信協議芯片。作為從站的現場總線智能儀表,51系列單片機與SPC3的接口如圖7所示。

                    圖7  SPC3與51系列單片機的接口示意圖

  現場智能儀表作為現場總線的從站,其程序包括三個部分:SPC3的初始化程序、SPC3的中斷處理程序和具體的I/O應用程序。在SPC3正常工作之前,需要進行初始化,以配置各個需要的寄存器;中斷處理程序用于完成SPC3發生的各種事件的處理,主要包括對新的參數報文事件、全局控制命令報文事件、進入或退出數據交換狀態事件、新的配置報文事件新的地址設置報文事件、監測到波特率事件以及看門狗溢出事件等處理;數據輸入/輸出處理和用戶診斷數據輸入可以放在應用程序的循環中。當SPC3接收到由Profibus主站傳送的不同輸出數據時,會產生通過輪詢標志位來接收主站數據,或向主站發送數據或其它信息。對于實時性要求嚴格的系統,可采用中斷方式進行數據傳送和診斷數據處理。由此可見,現場儀表所處理的僅僅是數據傳送和處理,而繁瑣的協議大部分已由協議芯片完成。

5         Internet接入技術

網絡化儀器是近年提出的全新概念,它是儀器檢測技術與現代計算機技術、網絡通信技術、微電子技術深度融合的結果。檢測儀器接入Internet(或成為Inter-net中的獨立節點 ),成為執行測量和控制任務的儀器Web站點。這種網絡化儀器可以象普通儀器那樣按設定程序對相關物理量進行自動測量、控制、存儲和顯示等;同時允許已授權的用戶通過Internet遠程對儀器進行操作、監控、故障診斷等。

5.1 接入Internet的方法

現代儀器、儀表的設計方法,是把嵌入式系統嵌入到儀器、儀表中,讓其成為測量和控制的核心。通常,嵌入式儀器接入Internet成為網絡儀器有三種方法:

①由32位高檔MCU構成嵌入式儀器,除了可以實現復雜儀器功能外,還能進行網絡通信的TCP/IP協議處理,因而可以成為直接接入Internet的網絡儀器;

②對于低檔8位機組成的嵌入式儀器,采用專用網絡(如RS-485、Profibus、CAN等)把若干嵌入式儀器連在儀器,該網絡再與PC相連,由此建成PC Gateway專用網,此時把PC作為網關,并由PC把該網絡上的信息轉換為TCP/IP協議數據包,發送到Internet上實現信息共享;

③由8位單片機組成直接接入Internet的嵌入式網絡儀器,它要求單片機具有足夠快的運行速度,采用實時多任務操作系統,在單片機執行數據采集和控制任務的同時,把數據打包后發送到Internet上。

5.2 支持芯片和網絡儀器結構

   當前,由于8位微處理器芯片上能集成許多控制功能,故廣泛應用于檢測和控制領域。其中,Scenix公司開發了一種高速、高性能的8位CMOS微控制器(MCU)SX52,它允許通過軟件來虛擬外圍設備,使其支持的每種功能可納入MCU程序存儲器的軟件模塊。SX可通過執行虛擬軟件模塊直接驅動片上I/O實現UART、DTMF、PWM、D/A、FSK、I2C

等虛擬外設功能。高速MCU支持軟件模擬從TCP/IP網絡協議組到物理層接口及應用模塊等實現網絡通信,運行HTTP,SMTP,POP3,UDP,IP,PPP等流行的網絡協議,還可以實現Ethernet  IEEE802.3協議。

以SX52為核心,采用RTL8091以太網接口芯片為網絡儀器接口所組成的網絡化儀器的基本結構如圖8所示。其儀器設計主要包括通用測控前端(包括測量部件、控制部件等)、嵌入式系統(SX52MCU)和網絡接口三個部分。

          圖8 網絡化儀器結構

數據傳輸和控制是通過SX52微控制器和網絡芯片RTL8019共同配合完成。其中的RTL8019適用物理標準10BASE-T,使用兩對雙絞線,一對發送數據,另一對接收數據,使用型號為RJ-45的8針模塊插頭作為連接器。當RTL8019接收到數據后,首先進行解碼和校驗,如果校驗正確便會用中斷通知MCU;需要發送數據時,MCU把數據寫入RTL8019中,由RTL8019自動加上信息頭和校驗位,并按曼徹斯特編碼的格式發送數據。

將嵌入式儀器、儀表接入Internet是網絡化儀器、儀表的發展方向之一,采用網絡接口芯片和嵌入式系統的MCU相結合是其有效方法,它解決了接入Internet的主要問題,包括TCP/IP協議的實現,數據的封裝、編碼和發送等。

6         結束語

本文針對目前通信技術的發展和應用,較為系統、全面地綜述了有關電力線、無線、現場總線通信技術地概念、器件支持和應用模式,簡單敘述了基于USB接口地通信系統設計,分析了上述通信技術對儀器、儀表的支持,結合實例討論了這些通令技術在儀器、儀表中的應用方式,最后通過對網絡化儀器概念和組成結構的介紹,探討了網絡化儀器接入Internet的方法。這些通信技術必將會對儀器、儀表的網絡化進程帶來勃勃生機。


 


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以上資料摘錄自《自動化儀表》雜志
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