基于工业以太网的现场智能控制模块设计

摘要:计算机和网络已经进入后PC时代,随着将以太网应用到工业自动化领域的研究再次兴起,在现场仪表和工业设备层应用以太网技术是工业控制网络的一个发展趋势。本文研究开发了一种基于工业以太网的工业现场智能控制模块的硬件结构,选择合适的微处理器和外围存储、通信等器件,构建了一个带有网络接口,可以接入工业以太网现场网络中的硬件平台。

关键字:智能控制;工业以太网;网络接口

1引言

工业网络控制系统顾名思义即网络化的工业控制系统。目前,国内外应用较多的工业网络控制系统是集散控制系统和现场总线控制系统,但是最有发展前景的是工业以太网控制系统。它们体现了控制系统向网络化、集成化、分布化、节点智能化的发展趋势,因此成为控制界研究的热点。本文结合仪表和控制网络,设计了具有工业以太网的现场智能控制模块的硬件设备。

2现场智能控制模块的硬件结构设计

硬件设计的主要任务在于设计接口电路来满足分布式控制的要求。按照系统功能围绕核心控制器Rabbit2000,可以将硬件系统分成如图1所示的四个模块,它们分别是:微控制器与存储器模块、开关量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、通讯模块。

图1硬件系统实现框图

整块电路板由5V直流供电,它集成了Rabbit2000微处理器、512K的FlashRAM、128K的SRAM和RJ-45以太网接口。Rabbit2000有5个8位并行接口,其中B口和D口的一部分用于和Realtek的以太网卡控制芯片RTL8019AS相连;C口可以用于RS485或RS232串行通讯。I/O采集的接口硬件电路和总线相连,整个控制器接口部分包含了9路模拟量输入通道,2路模拟量输出通道,8路开关量输入通道和8路开关量输出通道。其中,数/模和模/数转换芯片均为12位,精度基本可以满足一般控制对象的要求。

3现场智能控制模块的硬件详细设计

系统微控制器选择Rabbit半导体公司生产的Rabbit2000微处理器。Rabbit2000处理器是专门为新一代嵌入式系统设计的基于Z80架构的高性能8位微处理器,芯片为100针PQFP封装,工作电压为2.7V-5V,最大时钟频率为30MHZ,对嵌入式系统而言,其性能超过了很多16位,32位处理器,效率优于同类8位系列。Rabbit2000共有40条并行I/O口线(与串行口共用)。其中一些I/O口是定时器同步的,这就允许在组合软硬件控制下精确地产生边沿和脉冲。其中包含了4个串行口,这4个串行端口都可以在多种操作模式下实现异步工作。其中两个口还可以同步工作,实现与串行I/O设备的接口。片上集成了一个内置的看门狗定时器以及一个内置的电池供电的时间/日期部件。

3.1模拟量与数字量的输入输出模块

模拟量输入接口用来完成将现场模拟信号转换为微处理器可以识别并处理的数字量信号。由于工业场合被测对象一般为温度、压力、液位等缓变信号,要求采样频率较低。设计中对于模拟信号的采集使用TI公司的新型模数转换器TLC2543完成。数模转换器(DAC)接口用来输出模拟量信号。通过模数转换接口,微处理器可以把要输出的二进制表示的信号变成与该数字信号成比例的模拟电压或者电流信号。设计中选用了AD公司的12位的电压输出D/A转换器AD5320。

图2模拟量输入电路图

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