基于以太網(wǎng)多功能控制器的研究

陳威銘，苗長云，高 瑞

(天津工業(yè)大學電子與信息工程學院，天津 300387)

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基于以太網(wǎng)多功能控制器的研究

陳威銘，苗長云，高 瑞

(天津工業(yè)大學電子與信息工程學院，天津 300387)

為了滿足工業(yè)生產中輸送帶監(jiān)控系統(tǒng)功能一體化的需要，提出了一種以太網(wǎng)控制器的設計方案，研制了以太網(wǎng)控制器。以S3C2440為主控芯片設計了硬件電路；移植了Linux操作系統(tǒng)，在Linux系統(tǒng)下開發(fā)相應的驅動和應用程序；采用LabVIEW設計了上位機軟件，并進行實驗。結果表明該控制器實現(xiàn)了輸送帶開關檢測、速度控制；探測器開關控制，數(shù)據(jù)的采集、存儲和傳輸；傳感器數(shù)據(jù)的采集和傳輸?shù)裙δ?。利用該控制器、監(jiān)控設備和上位機組成的監(jiān)控系統(tǒng)，具有功能強大、通用性好、組網(wǎng)方便、傳輸速率高等優(yōu)點，在監(jiān)控系統(tǒng)中具有重要的應用價值。

輸送帶；以太網(wǎng)；控制器； S3C2440；Linux操作系統(tǒng)

0 引言

在工業(yè)生產中，為了輸送帶安全、可靠的運行，需要監(jiān)控系統(tǒng)對輸送帶進行控制、檢測以及對環(huán)境進行實時監(jiān)測。目前，典型監(jiān)控系統(tǒng)主要是由傳感器、監(jiān)控終端、分站和上位機組成。監(jiān)控終端和分站功能單一，不同的監(jiān)控終端一般只完成一種功能并且一個監(jiān)控終端通常只能連接一種類型傳感器，通用性差，不能實現(xiàn)功能一體化。這些系統(tǒng)通信方式為CAN總線、串行通信和無線通信等，存在組網(wǎng)不方便、傳輸效率低和傳輸距離短等問題。因此研究一款基于以太網(wǎng)通信的多功能通用控制器，在輸送帶監(jiān)控系統(tǒng)中有著重要的實際意義。

1 以太網(wǎng)控制器的系統(tǒng)設計方案

該系統(tǒng)框圖如圖1所示，由傳感器、探測器、輸送帶、以太網(wǎng)控制器和上位機組成，其工作過程：通過上位機查看輸送帶是否開啟，若開啟則啟動探測器，以太網(wǎng)控制器采集傳感器數(shù)據(jù)并通過UDP協(xié)議傳到上位機，而探測器的檢測數(shù)據(jù)可以采用3種傳輸方式：(1) 探測器通過交換機和上位機直接連接，將數(shù)據(jù)通過UDP協(xié)議發(fā)送至上位機；(2)探測器通過UDP協(xié)議將數(shù)據(jù)定時傳輸給控制器并存儲到控制器U盤中，等待上位機發(fā)送讀取數(shù)據(jù)指令后將數(shù)據(jù)通過TCP協(xié)議發(fā)送至上位機[1]；(3)探測器和上位機通過控制器直連，將數(shù)據(jù)通過UDP協(xié)議定時傳輸給上位機(此方法適用于交換機接口有限的情況)。如果檢測數(shù)據(jù)有問題立即關閉輸送帶，如果發(fā)現(xiàn)外部環(huán)境參數(shù)超標則關閉輸送帶或減慢其運行速度。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 以太網(wǎng)控制器的硬件設計

以太網(wǎng)控制器是由主控制器(S3C2440)、開關量檢測電路、開關量控制電路、模擬量檢測電路、頻率檢測電路、模擬量控制電路、以太網(wǎng)接口電路(DM9000A)、開關控制電路、電光轉換電路、USB接口電路、串行接口電路、JTAG電路、復位電路和電源電路等組成，其組成框圖如圖2所示。

圖2 以太網(wǎng)控制器組成框圖

2．1 以太網(wǎng)接口電路的設計

以太網(wǎng)控制器的網(wǎng)卡芯片選用的是DM9000A網(wǎng)絡接口芯片：集成一個10/100M自適應的PHY，內置3．3 V變2．5 V電源電路[2]，I/O端口支持3．3～5．0 V容差。以太網(wǎng)接口電路連接框圖如圖3所示，其中DM9000A外接2個開關轉換芯片TS3L110、2個網(wǎng)口和1個光口。通過主控制器控制TS3L110的E0，S0，E1，S14個端口的高低電平進行不同的排列組合可以實現(xiàn)三方通信，即：E0=0，S0=1，E1=1，S1=1時控制器和探測器通信；E0=0，S0=0，E1=1，S1=1時控制器和上位機通信；E0=1，S0=1，E1=0，S1=1時探測器和上位機通過控制器直連通信。當通信距離較近時選擇網(wǎng)線傳輸，距離較遠時選用光纖傳輸。

圖3 以太網(wǎng)接口電路連接框圖

2．2 開關量檢測和開關量控制電路設計

開關量檢測電路用于讀取輸送帶的電平判斷其是否處于開啟狀態(tài)，其電路原理為：外部電平通過光耦隔離作用進行電-光-電的轉換，然后輸入到主控制器的I/O口中，這種電路設計具有很好的抗干擾能力和共模抑制能力。開關量控制電路用于控制探測器開啟和關閉，電路原理為：主控制器通過I/O口輸出高/低電平，經過光耦隔離后外接繼電器，通過小電流控制大電流實現(xiàn)對探測器開關。

2．3 模擬量檢測電路設計

模擬量檢測電路原理圖如圖4所示。

圖4 模擬量檢測電路

以太網(wǎng)控制器模擬量檢測電路可以外接的傳感器包括電流型兩線制傳感器、電流/電壓型三線制傳感器和電流/電壓型四線制傳感器并且可以給12 V和5 V的傳感器供電。其外部接口后方有3排共15個排針，通過每一路外部排針的不同方式短接可實現(xiàn)對不同類型傳感器的信號采集，非常適用于工業(yè)控制領域。模擬量檢測電路對模擬輸入信號進行一級跟隨，二級差分，三級調零和調量程處理，這種設計優(yōu)點是避免了外部干擾、設定了靜態(tài)工作點，同時也可以將0～10 V的模擬信號降到3．3 V量程以內，便于主控制器對數(shù)據(jù)進行A/D轉換。模擬量檢測電路外部接口還可以復用為頻率檢測用于外接脈沖傳感器，頻率檢測電路原理與開關量檢測類似在此不再贅述。

2．4 模擬量控制電路設計

模擬量控制電路用于控制電機等模擬量設備，原理圖如圖5所示。

圖5 模擬量輸出控制電路原理圖

主控制器將數(shù)字信號寫入SPI用于發(fā)送的8位寄存器，通過SPI 的GPOL=0,GPHA=1模式發(fā)送給AD5320芯片，AD5320芯片將得到的數(shù)字信號通過式(1)D/A轉換成0～3．3 V的電壓，通過放大電路將電壓值有效值的范圍擴大到0～10 V，可以有效控制電機速度。

(1)

式中：D表示的是十進制輸入代碼；VDD=5 V；R1=R2=10 kΩ。

3 以太網(wǎng)控制器的軟件設計

以太網(wǎng)控制器采用開源的Linux嵌入式操作系統(tǒng)，Linux操作系統(tǒng)在嵌入式開發(fā)中被廣泛應用。具有軟件代碼占用空間小、自動化程度高和響應速度快等特點，特別適用于要求實時性好和多任務的體系結構[3]。Linux操作系統(tǒng)是通過驅動程序來控制硬件設備的，驅動程序是操作系統(tǒng)和硬件之間的橋梁。驅動功能包括：對設備初始化和釋放；硬件和內核以及應用層數(shù)據(jù)傳輸；檢測和處理設備出現(xiàn)的錯誤[4]。

應用程序流程圖如圖6所示，由于Linux系統(tǒng)支持多任務操作，所以整個應用程序流程同時執(zhí)行了6個進程：開關量檢測進程、開關量控制進程、模擬量控制進程、傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸進程、檢測數(shù)據(jù)采集傳輸進程和通信模式選擇進程等。應用程序流程圖中檢測數(shù)據(jù)傳輸需要經過以太網(wǎng)控制器，所以其傳輸方式為第一節(jié)介紹3種方式的后2種。

4 上位機軟件的設計

上位機軟件采用LABVIEW設計實現(xiàn)，上位機作為客戶端，通過建立套接口和綁定對方端口號，可以和以太網(wǎng)控制器通信，以太網(wǎng)控制器將數(shù)據(jù)傳輸至上位機進行處理[5]并接收上位機命令做出相應控制。上一節(jié)提到以太網(wǎng)控制器上的Linux系統(tǒng)多任務同時工作，每個進程都占用一個不同的端口號，所以上位機軟件在設計的時候針對控制器上的每一個進程設計了相配套的通信模塊，這樣既可以根據(jù)不同情況靈活增加和裁剪模塊，同時也提高了工作效率。由于篇幅有限此處只列舉傳感器數(shù)據(jù)采集模塊，其程序框圖如圖7所示。

圖6 應用程序流程圖

圖7 傳感器數(shù)據(jù)采集程序框圖

5 實驗及結果

如圖8所示，實驗結果為：開關量檢測第一路檢測到輸送帶開啟； 控制第一路探測器開啟；8路傳感器數(shù)據(jù)實時采集，從圖中可以看出環(huán)境溫度已經超標；模擬量控制對電機輸出電壓值為7 V；檢測數(shù)據(jù)指示燈亮，說明U盤中的fasong．txt文本數(shù)據(jù)已經向上位機發(fā)送完畢，上位機將數(shù)據(jù)存儲到jieshou．txt文本中，將文本中的數(shù)據(jù)導入檢測專用軟件顯示結果，圖中數(shù)據(jù)顯示框中顯示的是剛才上傳的數(shù)據(jù)；從模式選擇指燈可以看出通信狀態(tài)此時是控制器和上位機通信。

選擇4路傳感器對傳感器數(shù)據(jù)采集功能進行實驗，實驗結果如表1所示，其中溫度傳感器是模擬量傳感器，其余3路傳感器是脈沖傳感器。

表1 傳感器數(shù)據(jù)采集實驗

圖8 上位機軟件前面板

由表1可知，在常規(guī)溫度下溫度傳感器測量值和環(huán)境實際溫度值相對誤差最大為1%，而3路脈沖傳感器測量值和環(huán)境實際值的相對誤差都在1%以內。實驗證明傳感器數(shù)據(jù)采集功能誤差較小、可靠性較高并且通用性能較好。

表2是模擬量控制實驗數(shù)據(jù)，由表2可知實際輸出電壓和目標電壓最大偏差為0．1 V，相對誤差都在1．5%以內，實驗證明模擬量輸出電壓誤差較小、精度較高，達到控制要求。

表2 模擬量控制實驗

如圖9(a)所示利用長度為3 km光纖對控制器做遠距離數(shù)據(jù)傳輸可靠性實驗，圖9(b)為控制器和電腦通信實驗結果，圖9(c)為電腦和電腦通過控制器直連通信實驗結果，實驗證明控制器遠距離通信時傳輸速率和可靠性良好，達到預期要求。

6 結束語

本文研制了一種以太網(wǎng)控制器，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)了對輸送帶的控制、檢測和監(jiān)測等功能，構建成一個功能強大、統(tǒng)組網(wǎng)方便和數(shù)據(jù)遠距離可靠傳輸?shù)谋O(jiān)控系統(tǒng)；同時提出了通用傳感器接口設計方案和檢測數(shù)據(jù)的3種傳輸方式，使其具有很好的通用性。實驗證明以太網(wǎng)控制器工作狀況良好，達到預期結果。

(a) 光纖通信測試實測圖

(b) 控制器和電腦通信測試結果

(c)電腦和電腦通信測試結果圖9 測試裝置及測試結果圖

[1] 安彩華，苗長云，張志剛，等．基于X光的鋼絲繩芯輸送帶檢測系統(tǒng)傳輸控制器的研究．天津理工大學學報，2014，30(2):1-4．

[2] 施勇，溫陽東．基于DM9000A的嵌入式以太網(wǎng)接口設計與實現(xiàn)．合肥工業(yè)大學學報，2011，34(4):519-524．

[3] 劉永毓．基于ARM的嵌入式系統(tǒng)設備驅動及內核開發(fā)研究：[學位論文]．廣州:華南理工大學，2011．

[4] 魏長江，張凌云，張國財．基于uClinux的設備驅動程序設計方法及應用實例．煤礦機械，2005(8):64-66．

[5] 閆興德，陶晉宜，申紅燕，等．基于X射線的鋼絲 繩芯輸送帶檢測系統(tǒng)．煤礦機電，2011(1):68-71．

Research on Ethernet Multifunction Controller

CHEN Wei-ming,MIAO Chang-yun,GAO Rui

(School of Electronics and Information Engineering,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China)

In order to meet the function integration needs of the conveyor belt monitoring system of industrial production,the design of an Ethernet controller was presented and the Ethernet controller was developed．The hardware of the controller was designed by using S3C2440 as main control chip．Linux operating system was ported,and the appropriate drivers and application program were developed under Linux system．The PC software is designed by using LABVIEW,and experiments were conducted．The results show that the controller has the functions of detecting conveyer belt switch,speed control,detector switch control,data collection,storage and transmission,data acquisition and transmission of the sensor,and so on．The Ethernet controller,along with the monitoring of equipment and PC,can be used to form a monitoring system with the virtues of powerful,common good,convenient networking and high transmission rate,and has important application value in monitoring systems．

the conveyor belt;Ethernet;controller;S3C2440;Linux operating system

礦用輸送帶縱向撕裂故障在線監(jiān)測及系統(tǒng)關鍵問題的研究(51274150)

2014-08-27 收修改稿日期：2015-02-14

TP332

A

1002-1841(2015)07-0048-04

陳威銘(1989—)，碩士研究生，主要從事嵌入式研究。 E-mail：dianke081chen@163．com 苗長云(1962—)，教授，主要從事通信技術及系統(tǒng)研究。 E-mail：miaochangyun@tjpu．edu．cn