基于Ethernet現(xiàn)場總線的多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

引言

現(xiàn)場總線已成為自動化技術(shù)的集成組件，如今已獲得廣泛應(yīng)用。它廢棄了DCS(分散控制系統(tǒng))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(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，通過將控制功能高度分散到現(xiàn)場設(shè)備這一途徑，實現(xiàn)了徹底分散控制。雖然控制器CPU的性能發(fā)展迅猛，但傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)正日趨成為控制系統(tǒng)性能發(fā)展的“瓶頸”。此外對于現(xiàn)場總線系統(tǒng)來說，整個系統(tǒng)的分層控制結(jié)構(gòu)由幾層子系統(tǒng)構(gòu)成，整個系統(tǒng)響應(yīng)時間是控制器周期時間的3～5倍。工業(yè)以太網(wǎng)作為一種全新的“現(xiàn)場總線”是未來工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的必然選擇，并實現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備層與企業(yè)內(nèi)部信息網(wǎng)(Intranet)的無縫連接。但如何使以太網(wǎng)總線實現(xiàn)傳統(tǒng)現(xiàn)場總線的實時性、確定性及可靠性，并滿足工業(yè)控制上不同的技術(shù)結(jié)構(gòu)要求，如需要嚴格同步的運動控制采用Sercos、PROFIBUSDP v2等協(xié)議；因此本文圍繞這些問題設(shè)計了基于LPC2214和DM9000AE并以Ethernet為現(xiàn)場總線的面向多協(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(shè)計了優(yōu)化的任務(wù)調(diào)度以滿足系統(tǒng)的實時性，并通過仿真驗證了系統(tǒng)滿足實時性、確定性及可靠性的要求，系統(tǒng)可嵌入各種功用性的控制協(xié)議。

1 硬件設(shè)計

1．1硬件系統(tǒng)總體設(shè)計

硬件結(jié)構(gòu)模塊如圖1所示。典型的工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為線性拓撲和環(huán)形拓撲，如圖2和圖3所示，環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)具有傳輸速率高、負載能力強、適合于實時傳輸?shù)忍攸c；線型拓撲結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、可擴充性好、可靠性高等特點；且工業(yè)以太網(wǎng)以100Mbit／s～1Gbit／s的高傳輸速率完全滿足數(shù)控技術(shù)對運動控制總線的高速型要求，因此滿足現(xiàn)場總線實時可靠性的特點成為本文的研究重點。將工業(yè)控制界最具先進性、最超前的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，其應(yīng)用普及最終取決于是否能夠提供一個從協(xié)議直至網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊的整體解決方案。并開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用軟件，實現(xiàn)從現(xiàn)場設(shè)備層到Internet層的無縫聯(lián)結(jié)，真正實現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一。因此系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖與軟件協(xié)議結(jié)構(gòu)圖1與圖6所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)模塊

圖2環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)性能要求，硬件系統(tǒng)總體方案為：基于ARM7嵌人式控制技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速率100 Mbit／s，為滿足實時性，實時效據(jù)延遲時間小于2 ms。為滿足環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)，控制卡應(yīng)采用雙網(wǎng)卡結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)以LPC2214作為處理器。它是NXP公司推出的基于ARM7TDMI內(nèi)核的16／32位RISC處理器．功能強大，內(nèi)置PLL鎖相環(huán)可以設(shè)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配合可滿足以太網(wǎng)實時性要求；內(nèi)部帶256KB的FLASH和16KB RAM，為待嵌入的協(xié)議棧提供了必要的內(nèi)存空間，片內(nèi)帶有多個串行接口(包括工業(yè)標準的UART、高速I2c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(zhuǎn)換器、嵌人式軟件調(diào)制解調(diào)器以及其它上層應(yīng)用，滿足擴展AI／AO和DI／DO功能的要求。

圖3線型拓撲結(jié)構(gòu)

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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舟卡對數(shù)據(jù)進行封裝或解封，來完成主站／從站的通信功能，以工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)標準實現(xiàn)整個通信系統(tǒng)的物理層與數(shù)據(jù)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、性價比高的單片快速以太網(wǎng)控制芯片，內(nèi)部集成MAC和PHY，對其他硬件設(shè)備的依賴性非常小。并且，可對MAC和PHY獨立編程，能設(shè)定多種控制狀態(tài)，非常適用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。