基于Ethernet現場(chǎng)總線(xiàn)的多協(xié)議網(wǎng)絡(luò )通信系統設計與實(shí)現

引言

現場(chǎng)總線(xiàn)已成為自動(dòng)化技術(shù)的集成組件，如今已獲得廣泛應用。它廢棄了DCS(分散控制系統)的控制站及其輸入／輸出單元，從根本上改變了DCS集中與分散相結合的集散控制系統體系，通過(guò)將控制功能高度分散到現場(chǎng)設備這一途徑，實(shí)現了徹底分散控制。雖然控制器CPU的性能發(fā)展迅猛，但傳統的現場(chǎng)總線(xiàn)系統正日趨成為控制系統性能發(fā)展的“瓶頸”。此外對于現場(chǎng)總線(xiàn)系統來(lái)說(shuō)，整個(gè)系統的分層控制結構由幾層子系統構成，整個(gè)系統響應時(shí)間是控制器周期時(shí)間的3～5倍。工業(yè)以太網(wǎng)作為一種全新的“現場(chǎng)總線(xiàn)”是未來(lái)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )的必然選擇，并實(shí)現了現場(chǎng)設備層與企業(yè)內部信息網(wǎng)(Intranet)的無(wú)縫連接。但如何使以太網(wǎng)總線(xiàn)實(shí)現傳統現場(chǎng)總線(xiàn)的實(shí)時(shí)性、確定性及可靠性，并滿(mǎn)足工業(yè)控制上不同的技術(shù)結構要求，如需要嚴格同步的運動(dòng)控制采用Sercos、PROFIBUSDP v2等協(xié)議；因此本文圍繞這些問(wèn)題設計了基于LPC2214和DM9000AE并以Ethernet為現場(chǎng)總線(xiàn)的面向多協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )通信控制卡，并成功嵌入SERCOSIII協(xié)議與TCP／IP協(xié)議，設計了優(yōu)化的任務(wù)調度以滿(mǎn)足系統的實(shí)時(shí)性，并通過(guò)仿真驗證了系統滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性、確定性及可靠性的要求，系統可嵌入各種功用性的控制協(xié)議。

1 硬件設計

1．1硬件系統總體設計

硬件結構模塊如圖1所示。典型的工業(yè)以太網(wǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )系統結構分為線(xiàn)性拓撲和環(huán)形拓撲，如圖2和圖3所示，環(huán)形拓撲結構具有傳輸速率高、負載能力強、適合于實(shí)時(shí)傳輸等特點(diǎn)；線(xiàn)型拓撲結構具有結構簡(jiǎn)單、可擴充性好、可靠性高等特點(diǎn)；且工業(yè)以太網(wǎng)以100Mbit／s～1Gbit／s的高傳輸速率完全滿(mǎn)足數控技術(shù)對運動(dòng)控制總線(xiàn)的高速型要求，因此滿(mǎn)足現場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)時(shí)可靠性的特點(diǎn)成為本文的研究重點(diǎn)。將工業(yè)控制界最具先進(jìn)性、最超前的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )應用于工業(yè)現場(chǎng)，其應用普及最終取決于是否能夠提供一個(gè)從協(xié)議直至網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)模塊的整體解決方案。并開(kāi)發(fā)相應的應用軟件，實(shí)現從現場(chǎng)設備層到Internet層的無(wú)縫聯(lián)結，真正實(shí)現工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )的統一。因此系統的硬件結構圖與軟件協(xié)議結構圖1與圖6所示。

圖1 硬件結構模塊

圖2環(huán)形拓撲結構

根據系統性能要求，硬件系統總體方案為：基于A(yíng)RM7嵌人式控制技術(shù)，實(shí)現數據傳輸速率100 Mbit／s，為滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性，實(shí)時(shí)效據延遲時(shí)間小于2 ms。為滿(mǎn)足環(huán)形拓撲結構，控制卡應采用雙網(wǎng)卡結構，系統硬件結構圖如圖4所示。網(wǎng)絡(luò )控制系統以L(fǎng)PC2214作為處理器。它是NXP公司推出的基于A(yíng)RM7TDMI內核的16／32位RISC處理器．功能強大，內置PLL鎖相環(huán)可以設置CPU的工作頻率達60MHz，為高速處理提供了保證，與以太網(wǎng)芯片DM9000A配合可滿(mǎn)足以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性要求；內部帶256KB的FLASH和16KB RAM，為待嵌入的協(xié)議棧提供了必要的內存空間，片內帶有多個(gè)串行接口(包括工業(yè)標準的UART、高速I(mǎi)2c接口和SPI接口)和外部存儲器接口，非常適合通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉換器、嵌人式軟件調制解調器以及其它上層應用，滿(mǎn)足擴展AI／AO和DI／DO功能的要求。

圖3線(xiàn)型拓撲結構

圖4 系統硬件結構框圖

1．2網(wǎng)絡(luò )接口模塊

網(wǎng)絡(luò )接口電路是在微處理器的控制下通過(guò)舟卡對數據進(jìn)行封裝或解封，來(lái)完成主站／從站的通信功能，以工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)標準實(shí)現整個(gè)通信系統的物理層與數據鏈路層。接口電路以太罔控制器選用DAVIC0M公司的DM9000，它是一種高度集成、功能強大、引腳少、性?xún)r(jià)比高的單片快速以太網(wǎng)控制芯片，內部集成MAC和PHY，對其他硬件設備的依賴(lài)性非常小。并且，可對MAC和PHY獨立編程，能設定多種控制狀態(tài)，非常適用于嵌入式系統設計。