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适用于仪器仪表通信的若干新技术2003年10月(4)

①初始化单片机和所有的外围电路(包括PDIUS-BD12);

②主循环部分,其任务是可以中断的;

③中断服务程序,其任务是对时间敏感的,必须马上执行。根据USB协议,任何传输都是由主机(host)开始的,这样,单片机作它的前台工作,等待中断。

主机首先要发令牌包给USB设备(这里是PDIUS-BD12),PDIUSBD12接收倒令牌包后就给单片机发中断,单片机进入中断服务程序,首先读PDIUSBD12的中断寄存器,判断USB令牌包的类型,然后执行相应的操作。因此,USB单片机程序主要就是相对应的中断服务程序。

对于主机部分的软件设计,Windows98已提供多种USB设备的驱动程序,但还没有一种是专门针对数据采集系统的,所以必须针对特定的设备来编制驱动程序。尽管系统已经提供了很多标准接口函数,但编制驱动程序仍然是USB开发中最困难的一件事情,通常采用WindowsDDK来实现。作为WIN98和WIN2K推荐的一项新技术来说,USB的驱动程序和以往的直接跟硬件打交道的WIN95的VXD方式的驱动程序不同,它属于WDM类型。

4 现场总线通信

现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络,代表了当今自动化控制体系结构发展的一种方向,其基础是智能仪表。

4.1 现场总线智能仪表

   现场总线智能仪表作为未来工业过程控制系统的主流仪表,它与现场总线一起成为构成现场总线控制系统(fieldbus control system,FCS)的两个重要部分。

   现场总线智能仪表与一般智能仪表的重要区别在于它采用了标准化现场总线接口更便于构成现场总线控制系统。FCS采用现场总线在控制现场建立一条高可靠性的数据通信线路,实现各现场总线智能仪表变成网络节点。这样,基于现场总线的可靠通信功能,FCS就可以把各个现场总线智能仪表连接成了可以互相沟通信息,共同完成控制任务的网络系统与控制系统,能有效地体现DCS中的“信息集中,控制分散”的功能,真正满足现场实时形式传输的准确性、实时性的要求。

4.2 现场总线智能仪表的通信支持

   目前,现场总线的种类比较多,它们在对通信的处理方面均提供有各自专用器件和技术支持。如Lon-Works中的Neuron芯片和LonTalk协议,Profibus中的专用协议芯片等。下面以应用较为广泛的Profibus中的专用协议芯片等。下面以应较为广泛的Profibus现场总线仪表为例,探讨其对通信技术的支持方式。

   Profibus的通信协议相对比较复杂。从原则上讲,它可以在任何安装有异步串行收发器(UART)的微处理器上借助软件实现。然而,开发人员若使用专用的通信处理芯片,就可将繁杂的协议撇开。Profibus通信协议芯片已形成广泛系列,使用这些协议芯片不仅使Profibus协议的具体实现简单、方便、省时、省力,而且还可达到快速开发产品的目的。目前,适合于智能从站的ASIC种类较多,如西门子公司的SPC3通信协议芯片。作为从站的现场总线智能仪表,51系列单片机与SPC3的接口如图7所示。

                    图7  SPC3与51系列单片机的接口示意图

  现场智能仪表作为现场总线的从站,其程序包括三个部分:SPC3的初始化程序、SPC3的中断处理程序和具体的I/O应用程序。在SPC3正常工作之前,需要进行初始化,以配置各个需要的寄存器;中断处理程序用于完成SPC3发生的各种事件的处理,主要包括对新的参数报文事件、全局控制命令报文事件、进入或退出数据交换状态事件、新的配置报文事件新的地址设置报文事件、监测到波特率事件以及看门狗溢出事件等处理;数据输入/输出处理和用户诊断数据输入可以放在应用程序的循环中。当SPC3接收到由Profibus主站传送的不同输出数据时,会产生通过轮询标志位来接收主站数据,或向主站发送数据或其它信息。对于实时性要求严格的系统,可采用中断方式进行数据传送和诊断数据处理。由此可见,现场仪表所处理的仅仅是数据传送和处理,而繁琐的协议大部分已由协议芯片完成。

5         Internet接入技术

网络化仪器是近年提出的全新概念,它是仪器检测技术与现代计算机技术、网络通信技术、微电子技术深度融合的结果。检测仪器接入Internet(或成为Inter-net中的独立节点 ),成为执行测量和控制任务的仪器Web站点。这种网络化仪器可以象普通仪器那样按设定程序对相关物理量进行自动测量、控制、存储和显示等;同时允许已授权的用户通过Internet远程对仪器进行操作、监控、故障诊断等。

5.1 接入Internet的方法

现代仪器、仪表的设计方法,是把嵌入式系统嵌入到仪器、仪表中,让其成为测量和控制的核心。通常,嵌入式仪器接入Internet成为网络仪器有三种方法:

①由32位高档MCU构成嵌入式仪器,除了可以实现复杂仪器功能外,还能进行网络通信的TCP/IP协议处理,因而可以成为直接接入Internet的网络仪器;

②对于低档8位机组成的嵌入式仪器,采用专用网络(如RS-485、Profibus、CAN等)把若干嵌入式仪器连在仪器,该网络再与PC相连,由此建成PC Gateway专用网,此时把PC作为网关,并由PC把该网络上的信息转换为TCP/IP协议数据包,发送到Internet上实现信息共享;

③由8位单片机组成直接接入Internet的嵌入式网络仪器,它要求单片机具有足够快的运行速度,采用实时多任务操作系统,在单片机执行数据采集和控制任务的同时,把数据打包后发送到Internet上。

5.2 支持芯片和网络仪器结构

   当前,由于8位微处理器芯片上能集成许多控制功能,故广泛应用于检测和控制领域。其中,Scenix公司开发了一种高速、高性能的8位CMOS微控制器(MCU)SX52,它允许通过软件来虚拟外围设备,使其支持的每种功能可纳入MCU程序存储器的软件模块。SX可通过执行虚拟软件模块直接驱动片上I/O实现UART、DTMF、PWM、D/A、FSK、I2C

等虚拟外设功能。高速MCU支持软件模拟从TCP/IP网络协议组到物理层接口及应用模块等实现网络通信,运行HTTP,SMTP,POP3,UDP,IP,PPP等流行的网络协议,还可以实现Ethernet  IEEE802.3协议。

以SX52为核心,采用RTL8091以太网接口芯片为网络仪器接口所组成的网络化仪器的基本结构如图8所示。其仪器设计主要包括通用测控前端(包括测量部件、控制部件等)、嵌入式系统(SX52MCU)和网络接口三个部分。

          图8 网络化仪器结构

数据传输和控制是通过SX52微控制器和网络芯片RTL8019共同配合完成。其中的RTL8019适用物理标准10BASE-T,使用两对双绞线,一对发送数据,另一对接收数据,使用型号为RJ-45的8针模块插头作为连接器。当RTL8019接收到数据后,首先进行解码和校验,如果校验正确便会用中断通知MCU;需要发送数据时,MCU把数据写入RTL8019中,由RTL8019自动加上信息头和校验位,并按曼彻斯特编码的格式发送数据。

将嵌入式仪器、仪表接入Internet是网络化仪器、仪表的发展方向之一,采用网络接口芯片和嵌入式系统的MCU相结合是其有效方法,它解决了接入Internet的主要问题,包括TCP/IP协议的实现,数据的封装、编码和发送等。

6         结束语

本文针对目前通信技术的发展和应用,较为系统、全面地综述了有关电力线、无线、现场总线通信技术地概念、器件支持和应用模式,简单叙述了基于USB接口地通信系统设计,分析了上述通信技术对仪器、仪表的支持,结合实例讨论了这些通令技术在仪器、仪表中的应用方式,最后通过对网络化仪器概念和组成结构的介绍,探讨了网络化仪器接入Internet的方法。这些通信技术必将会对仪器、仪表的网络化进程带来勃勃生机。


 


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以上资料摘录自《自动化仪表》杂志
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