2020年09月02日 | 教你设计工业以太网监控系统电路

随着工业以太网的应用，大家对工业以太网也越来越了解。为进一步增进大家对工业以太网的认识，本文将基于两方面介绍工业以太网相关内容：1. 如何设计高性能嵌入式工业以太网监控系统电路，2. 嵌入式工业以太网应用介绍。如果你对工业以太网具有兴趣，不妨继续往下阅读哦。

一、工业以太网监控系统电路设计

现场智能监控装置是构建控制网络的基础和关键，采用高端嵌入式技术实现以太网现场智能装置开发是其重要发展趋势。本文提出基于嵌入式工业以太网技术的监控系统，详细阐述了嵌入式工业以太网监控装置的硬件和软件的设计过程，包括 32 位微处理器系统的实现、以太网接口单元模块的实现、uCLinux 嵌入式操作系统分析和移植，uCLinux 下驱动程序的分析和实现、 Socket 套接字分析、HTTP 协议分析、嵌入式 Web 服务器的实现等。本文设计了一种以以太网为主体的双环冗余高速工业监控网络体系，其系统结构示意图如图 1 所示。

嵌入式工业以太网监控系统硬件

嵌入式系统硬件包括微处理器、外围控制电路、只读存储器、可读写存储器和外围设备。本文将介绍和分析自主研制的嵌入式以太网监控系统装置，该装置以 53C4510B 嵌入式微处理器为核心，采用 MAX1422 作为 12 位高速 AD 转换器，连接 RTL82OIBL 以太网物理层接口电路，外加 SST39VF160 和 HY57V641620 作 FlashROM 和 SDRAM 单元，构成基本硬件平台。

图 1 双环冗余高速以太网结构示意图

RS-232 串行通信接口

RS-232 串行接口电路用于嵌入式微处理器串行模块与外部串行资源的对等连接，实现 LUTTL 电平与 RS-232 电平之间的转换，本文设计使用一路 RS-232 串口电路。图 2 为 RS-232 串行接口电路图，UART0 的数据发送信号 UATXD0 接 MAX3232E 的 T11，转换成 RS- 232-C 电平后，由 T10 接到 9 芯插头的 RXD 引脚。9 芯插头的 TXD 信号连接到 MAX3232E 的 R11，转换成 LVTTL 电平后，由 R10 连接到 UARTO 的数据接收引脚 UARXD0。

图 2 RS-232 串行接口电路图

存储单元设计

存储单元电路由大容量的 F1ashROM 和 SDRAM 组成。根据嵌入式系统的工作方式，系统启动时首先使用 Boot Loader 代码将 FlashROM 中的操作系统内核和应用程序拷贝进 SDRAM，并进行存储器的重定位，然后跳转到 SDRAM 对应的地址执行程序。S3C4510B 支持 8 位 /16 位 /32 位的存储器组，对应的可以构建 8 位 /16 位 /32 位的 F1ashROM 存储器系统。存储器数据总线越宽，系统的性能就越高。但考虑成本和功耗等因素后，设计采用一片 SST39VF160 构成 16 位的 F1ashROM 存储器系统，内存 700kB 左右大小的 uClinux 内核和其他应用程序。参照 S3C4510B 的工作特性，设计选用 2 片 HY57 V 641620 并联构建 32 位的 SDRAM 存储器电路，充分发挥 32 位 CPU 的数据处理能力，满足嵌入式操作系统及各种复杂应用的要求。

在基于建立无缝的企业信息集成的发展趋势、32 位嵌入式处理器系统与工业以太网技术相互结合的先进控制理念下，本文提出的高性能嵌入式工业以太网监控系统的设计方案、重点分析并实现了新型嵌入式工业以太网监控装置的硬件架构和嵌入式软件体系。

二、嵌入式工业以太网应用

随着网络技术的发展，工业以太网成为了各国工控界的一个研究热点领域。国内开展这项研究较早的浙江大学，中科院沈阳自动化所，浙大中控等单位在国家“863”课题的支持下，起草了“用于工业测量和控制系统的 EPA 系统结构和通信标准”，并力图在化工领域建成几个示范性应用项目。广东工业大学联合中南大学，中科院自动化所开展了嵌入式工业以太网的研究，并进行了“基于 uClinux 嵌入式系统的工业以太网控制器开发”，致力于发挥嵌入式系统在工控领域的优势。

压力、温度、水位和流量是化工、污水处理以及钢铁等行业中最常用的控制系统，为了研究在各种行业、不同工艺流程下的通用网络控制系统，所以本文中将不强调工艺流程。而应用试验的对象也将使用中南大学率先研发的仿工业现场的被控对象，本文将对最常用的压力、温度、水位和流量四个控制系统进行全面仿真工业现场的试验。

将企业现场网络分为控制层和设备层。针对现场对网络可靠性参数的严格要求，在控制层网络改进传统以太网拓扑结构。采用环形网络拓扑，可以增加网络的可靠性。

而解决网络的实时性问题则采用了控制区域(Control Domain)概念，将控制现场分区，减少各个控制区资源竞争的情况。而控制区域之间的是通过以太网交换机(交换式)来通信。

改进后的网络结构如下图所示。控制层网络由 100M 以太网构成组成环形网络。

每个控制区域(Control Domain)包含以太网交换机和嵌入式的工业以太网控制器，以及一些变送器和执行机构。如下图所示。

而位于控制区域中的工业以太网控制器采用嵌入式系统来设计。