基于以太網(wǎng)通信的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)

崔金委，陳機(jī)林

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094）

0 引言

隨著以太網(wǎng)技術(shù)的日益發(fā)展，以太網(wǎng)已經(jīng)成為最常用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)之一，而通過以太網(wǎng)通信技術(shù)來共享以單片機(jī)為中心的嵌入式系統(tǒng)的信息，已然成為當(dāng)今單片機(jī)領(lǐng)域的熱門話題。美國微芯公司（Microchip）推出了全球首枚28引腳獨立以太網(wǎng)控制器，可以為嵌入式應(yīng)用提供低引腳數(shù)、低成本且高效易用的遠(yuǎn)程通訊解決方案。在此之前嵌入式系統(tǒng)開發(fā)可選的獨立以太網(wǎng)控制器都是為個人計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的，它們不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，而且較為昂貴。本文以微芯公司的16位單片機(jī)PIC24HJ64GP506和以太網(wǎng)控制器ENC28J60為基礎(chǔ)，設(shè)計了一套工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)工作原理

由于工業(yè)現(xiàn)場中的工作環(huán)境較為惡劣，為了保證各種工業(yè)設(shè)備能夠正常工作，系統(tǒng)針對工業(yè)現(xiàn)場中的壓力、三相電壓和溫度設(shè)計了一套工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)來監(jiān)控設(shè)備的工作參數(shù)。系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

首先采用鉑制溫度傳感器、三相電壓光隔器和壓力傳感器來測量溫度、三相電壓和壓力信號，信號經(jīng)過濾波、放大等預(yù)處理之后傳給單片機(jī)A/D，單片機(jī)將收集到的各路信號與預(yù)先存儲在內(nèi)部的預(yù)警值和報警值進(jìn)行比較，當(dāng)信號發(fā)生異常時，系統(tǒng)進(jìn)行判斷:若信號超過報警值，系統(tǒng)輸出相應(yīng)的控制信號進(jìn)行聲光報警;如果超過預(yù)警值而未到達(dá)報警值，系統(tǒng)會驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行調(diào)節(jié)措施，將異常信號調(diào)節(jié)回到正常范圍內(nèi)。

圖1 工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)原理圖

監(jiān)控系統(tǒng)與上位機(jī)之間的通信由以太網(wǎng)模塊來完成，當(dāng)需要通信時，會通過中斷來觸發(fā)相應(yīng)的通信機(jī)制。系統(tǒng)的主控芯片為美國微芯公司的新型16位單片機(jī)產(chǎn)品PIC24HJ64GP506，在系統(tǒng)運行中可以用按鍵重設(shè)監(jiān)控系統(tǒng)的一些重要參數(shù)，這些參數(shù)不能存儲在RAM中，否則掉電參數(shù)會消失，本系統(tǒng)采用了基于I2C總線的EPPROM電路，把重要參數(shù)存儲在EEPROM中;報警模塊電路包括報警器和報警燈兩部分;以太網(wǎng)通信模塊由以太網(wǎng)控制器ENC28J60和以太網(wǎng)接頭HR911105A完成;而為了節(jié)約I/O口，LCD模塊采用了基于串行外設(shè)接口SPI的接口模式;由于單片機(jī)內(nèi)部集成了18路的A/D轉(zhuǎn)換電路，所以傳感器信號經(jīng)過調(diào)理電路后直接輸入到單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換;按鍵電路是基于單片機(jī)I/O口的新型功能—電平變化通知（chang notification，CN）完成的，電平變化通知引腳使PIC24H器件系列能夠向處理器發(fā)出中斷請求，以響應(yīng)所選擇的輸入引腳上的狀態(tài)變化。每個CN引腳內(nèi)部都連接有一個弱上拉電阻，該上拉電阻作為連接到引腳的電流源，并且當(dāng)有鍵或者鍵盤連接時減少對外部電阻的要求［2］。

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

系統(tǒng)主要以單片機(jī)PIC24HJ64GP506和以太網(wǎng)控制器ENC28J60為核心來實現(xiàn)硬件電路的設(shè)計，主要包括信息號采集部分、信號存儲部分、以太網(wǎng)通信部分、報警部分、控制信號輸出部分以及信號修改部分，由于篇幅有限，這里僅對部分系統(tǒng)重要模塊做一說明。

2.1 PIC24HJ64GP506 功能簡介

微芯公司的新型16位單片機(jī)PIC24HJ64GP506，與傳統(tǒng)的8位51單片機(jī)不同，它采用改進(jìn)型的哈佛結(jié)構(gòu)，具有高性能的CPU，內(nèi)部集成了豐富的外設(shè)，包括用戶可選擇的18路10位/12位的A/D轉(zhuǎn)換器，用于通信的 CAN，UART，SPI，I2C等多個通信模塊，以及增強(qiáng)型定時器功能等。外設(shè)與雙端口RAM之間的集成式直接存儲器存?。―MA），提供了零開銷的數(shù)據(jù)傳輸，優(yōu)化了CPU吞吐量。相比于8位51單片機(jī)和8位PIC單片機(jī)，PIC24 16位單片機(jī)在性能、存儲器、外設(shè)及封裝方面，為用戶提供了更多的選擇。

2.2 以太網(wǎng)通信模塊

采用微芯公司的以太網(wǎng)控制器ENC28J60和漢仁公司的以太網(wǎng)接口HR911105A來完成以太網(wǎng)通信。目前市場上大部分以太網(wǎng)控制器采用的封裝均超過80引腳，并且大部分是為個人計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的，微芯公司推出符合IEEE802.3協(xié)議的ENC28J60只有28引腳，既提供了相應(yīng)的通信功能，又大大簡化相關(guān)的設(shè)計，減小了占板空間，只需4條連線即可與主控單片機(jī)連接。ENC28J60使用SPI連接接口方式，使得小型單片機(jī)也能具有網(wǎng)絡(luò)連接功能，內(nèi)部由于集成媒體接入控制器（MAC）和物理接口收發(fā)器（PHY）而無需其他外設(shè)，并且具有可編程過濾功能，可自動評價、接收或拒收多種信息包，減輕了主控單片機(jī)的處理負(fù)擔(dān)，內(nèi)部繼承可編程的8KB雙端口SRAM緩沖器，操作靈活方便。以太網(wǎng)通信接口電路原理圖如圖2所示。

圖2 以太網(wǎng)通信接口電路原理圖

在實際應(yīng)用中，ENC28J60的物理端口與隔離變壓器HR9011105A連接時必須符合IEEE802.3對物理層規(guī)范的要求，如RJ45的插孔與隔離變壓器的間隔應(yīng)盡量小，輸出和輸入差分信號對的走線要有很好的隔離。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

PIC24HJ64GP506單片機(jī)內(nèi)部具有18路可配置10位/12位的A/D輸入通道，當(dāng)傳感器信號經(jīng)過調(diào)理后，可以方便的進(jìn)行內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換，其中AD1CON1寄存器中的10位或12位工作模式（AD12B）位允許用戶應(yīng)用程序?qū)γ總€ADC模塊進(jìn)行配置，可以配置為10位、4采樣/保持ADC或是12位、1采樣/保持ADC，本系統(tǒng)由于輸入信號精度要求不高，故設(shè)置為前一種情況。

2.4 參數(shù)存儲模塊

監(jiān)控系統(tǒng)中的一些重要參數(shù)，如報警值會需要修改，將這些重要參數(shù)保存在單片機(jī)RAM中是不可靠的，系統(tǒng)掉電參數(shù)就會消失。而如果存儲在ROM中，每次參數(shù)需要燒錄才可以。為了防止這一情況的發(fā)生，系統(tǒng)設(shè)計了參數(shù)存儲模塊。通過單片機(jī)自帶的I2C總線連接的電可擦可編程只讀存儲器EEPROM芯片，數(shù)據(jù)可以采用電脈沖擦除，系統(tǒng)就可以保存更改參數(shù)了。

2.5 報警調(diào)節(jié)模塊

報警調(diào)節(jié)模塊由燈光報警和蜂鳴器報警組成。當(dāng)監(jiān)控到相應(yīng)的溫度、三相電壓或壓力信號發(fā)生異常時，系統(tǒng)判斷是否超過報警值。如果超過會觸發(fā)相應(yīng)的軟件執(zhí)行模塊，輸出控制報警的信號，否則采取降溫降壓等調(diào)節(jié)信號給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使設(shè)備恢復(fù)到正常工作環(huán)境，來達(dá)到工業(yè)設(shè)備既能避免劇烈工作環(huán)境變換帶來的損失，又能在一定范圍內(nèi)自動恢復(fù)調(diào)節(jié)的目的。

3 系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計

系統(tǒng)主流程:通電、初始化、從EEPROM中讀取重要的參數(shù)，數(shù)據(jù)采集與A/D轉(zhuǎn)換，將采集的數(shù)據(jù)與預(yù)存在單片機(jī)內(nèi)部的報警值數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果超過報警值，相應(yīng)的異常標(biāo)志位將會置位，當(dāng)監(jiān)控到有異常標(biāo)志位置位值時，會輸出相應(yīng)的報警、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號，進(jìn)而采取報警、脫扣等一系列措施，其工作流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)流程示意圖

3.1 以太網(wǎng)通信程序設(shè)計

以太網(wǎng)通信模塊程序主要包括模塊的初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)包和接收數(shù)據(jù)包三個方面。

a）模塊的初始化

在ENC28J60接收和發(fā)送數(shù)據(jù)之前，需要對芯片的寄存器進(jìn)行設(shè)置和初始化，具體操作步驟示意圖見圖4（a）。

b）模塊的發(fā)送數(shù)據(jù)

在ENC28J60發(fā)送數(shù)據(jù)之前，必須監(jiān)控發(fā)送邏輯是否為空，當(dāng)發(fā)送邏輯為空的時候才可以進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)操作，否則不能發(fā)送具體步驟示意圖，如圖4（b）所示。

c）模塊的接收數(shù)據(jù)

在中斷類型中只啟用了接收數(shù)據(jù)包待處理中斷，因此當(dāng)產(chǎn)生中斷時無需查詢中斷類型，直接進(jìn)入讀取數(shù)據(jù)包階段。讀取數(shù)據(jù)的操作步驟示意圖見圖4（c）所示。

圖4 以太網(wǎng)收發(fā)操作步驟示意圖

3.2 數(shù)字PID算法設(shè)計

在工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中，當(dāng)信號發(fā)生異常時，如果異常信號大于預(yù)警值且小于報警值，可以靠控制算法來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使工作設(shè)備恢復(fù)到正常工作環(huán)境下，本文采用了數(shù)字PID控制算法。具體的調(diào)節(jié)過程為:被控制量經(jīng)過傳感器采集、信號處理后傳入單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換后，判斷信號是否發(fā)生異常，當(dāng)信號發(fā)生異常但異常值信號大于預(yù)警值且小于報警值，則將采集值與給定值比較得到的差值量輸入到PID控制器，經(jīng)數(shù)字PID控制器調(diào)節(jié)后輸出調(diào)節(jié)電壓，調(diào)節(jié)電壓通過D/A轉(zhuǎn)換后，經(jīng)驅(qū)動電路輸出調(diào)節(jié)電壓去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)（控制對象），從而達(dá)到被控對象的相應(yīng)要求。數(shù)字PID的控制原理圖如圖5所示。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于美國微芯公司的新型16位單片機(jī)和最小以太網(wǎng)控制器為基礎(chǔ)的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，相對于采用其他方案的監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)所占體積小，節(jié)約了占板空間和系統(tǒng)成本，經(jīng)濟(jì)又不失為實用。在實際工作環(huán)境中，可以應(yīng)用于機(jī)械、紡織等多種工作場合。

［1］祁樹勝.SPI接口以太網(wǎng)控制器ENC28J60及應(yīng)用［J］.微計算機(jī)信息，2006（22）:266-268.

［2］［意］Lucio Di Jasio著，李中華，張雨濃，黃曉紅.《16位單片機(jī)C語言編程-基于PIC24》［M］北京:人民郵電出版社，2010.

［3］于海生，等.計算機(jī)控制技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.