基于工業(yè)以太網(wǎng)的多組分智能測控平臺的設(shè)計

孔德鴻，程明霄，張 亮，朱增偉

(南京工業(yè)大學自動化與電氣工程學院，江蘇南京 211816)

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基于工業(yè)以太網(wǎng)的多組分智能測控平臺的設(shè)計

孔德鴻，程明霄，張 亮，朱增偉

(南京工業(yè)大學自動化與電氣工程學院，江蘇南京 211816)

針對分析儀器需求品種多、數(shù)量少的問題，分析儀器的結(jié)構(gòu)正向模塊化的方向發(fā)展。按照分析儀器結(jié)構(gòu)單元模塊化的設(shè)計思想，文中以DSP TMS320F2812作為控制核心，利用以太網(wǎng)控制器RTL8019AS設(shè)計了工業(yè)以太網(wǎng)接口，給出了基于工業(yè)以太網(wǎng)的分析儀器智能測控平臺的軟硬件設(shè)計方法。該智能測控平臺主要包括兩個單元：可供用戶選擇的傳感器信號調(diào)理電路板和DSP信號處理電路板。測試結(jié)果表明：該智能測控平臺響應(yīng)快速，靈敏度高，使用靈活，具有很高的實用價值。

DSP；工業(yè)以太網(wǎng)；分析儀器；RTL8019AS

0 引言

工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)體現(xiàn)了控制系統(tǒng)向集成化、分布化、網(wǎng)絡(luò)化和節(jié)點智能化的發(fā)展趨勢，因此成為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。本系統(tǒng)采用新型DSP芯片TMS320F2812作為控制核心，設(shè)計了3塊傳感器信號調(diào)理電路板，分別為氧化鋯檢測器信號調(diào)理電路板、熱導檢測器信號調(diào)理電路板和紅外檢測器信號調(diào)理電路板，用戶可以根據(jù)自己的需要來選擇。在此基礎(chǔ)上還增加了以以太網(wǎng)控制器RTL8019為核心的工業(yè)以太網(wǎng)接口，從而能夠?qū)崟r的把測量的數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心，以便做出決策調(diào)度，提高了過程控制水平。

1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

1.1 硬件系統(tǒng)的組成

按照分析儀器結(jié)構(gòu)單元模塊化的設(shè)計思想[3-4]，分析儀器智能測控平臺可分為傳感器信號調(diào)理電路板和DSP信號處理電路板兩部分。傳感器信號調(diào)理電路板一共有3塊，分別為氧化鋯檢測器信號調(diào)理電路板、熱導檢測器信號調(diào)理電路板和紅外檢測器信號調(diào)理電路板。DSP信號處理電路板包括電源及復(fù)位模塊、JTAG調(diào)試接口模塊、AD采樣模塊、實時時鐘模塊、串行存儲器模塊、模擬量輸出模塊，開關(guān)量輸入模塊、人機界面模塊、串行通訊模塊以及工業(yè)以太網(wǎng)模塊等。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.2 主要硬件的選擇

1.2.1 微處理器TMS320F2812

該系統(tǒng)的核心是TMS320F2812，是用于控制領(lǐng)域的32位低功耗定點數(shù)字信號處理器。它既具有數(shù)字信號處理能力，又具有強大的事件管理能力和嵌入式控制功能。該主芯片采用高性能的32位中央處理器，CPU可以尋址高達4G字的數(shù)據(jù)地址空間和4M字的程序地址空間；16通道高性能12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)提供了兩個采樣保持器，可以實現(xiàn)雙通道信號同步采樣；具有兩個事件管理器(EVA，EVB)，56個獨立的可編程、多用途通用I/O口(GPIO)。

2.2.2 以太網(wǎng)控制器RTL8019AS

RTL8019AS[5]是一款基于ISA總線的高度集成10M以太網(wǎng)接口控制芯片，該芯片性能優(yōu)良、價格低廉。它集成了介質(zhì)訪問控制子層(MAC)和物理層的功能，與NE2000標準相兼容，可以方便地和各種微控制器進行連接。該芯片支持以太網(wǎng)全雙工通信方式，收發(fā)速率可同時達到10 Mbps，內(nèi)置16 KB的SRAM，支持8/16位數(shù)據(jù)總線，具有8個中斷申請線以及16個I/O基地址選擇，支持UTP 、AUI和BNC自動檢測，還支持對10Base-T的自動極性修正，擁有4個診斷LED引腳可編程輸出。

該芯片有3種工作模式：跳線(jumper)模式，網(wǎng)卡芯片的I/O和中斷由外部引腳決定；即插即用(Plug and Play)模式，網(wǎng)卡芯片的I/O和中斷由軟件進行自動配置，用戶不必干預(yù)，這種方式消耗的資源相對較多；無跳線模式(jumperless)，網(wǎng)卡芯片的I/O和中斷由外部的E2PROM93C46中的內(nèi)容決定。

1.3 系統(tǒng)主要部分電路設(shè)計

1.3.1 DSP與RTL8019AS的硬件連接電路設(shè)計

圖2為本設(shè)計中DSP與RTL8019AS的硬件連接電路圖。DSP與RTL8019AS的引腳連接主要取決于RTL8019AS的工作模式的選擇、I/O基地址的設(shè)置、地址/數(shù)據(jù)線的選擇與設(shè)置、中斷與復(fù)位引腳的選擇、傳輸介質(zhì)選擇以及讀寫控制等。

該設(shè)計中芯片RTL8019AS的第65腳JP引腳接VCC，選擇跳線模式，芯片的I/O和中斷由外部引腳決定。當系統(tǒng)上電復(fù)位后，在第33腳RSTDVR下降沿，RTL8019AS將讀入各個跳線引腳的狀態(tài)寫入到系統(tǒng)配置寄存器中作為系統(tǒng)默認的初始配置。芯片的I/O基地址由引腳IOS0～IOS3(芯片81，82，84和85腳)決定，由于芯片引腳內(nèi)部接有100 kΩ的下拉電阻，所以當引腳懸空時本身就默認為低電平，因此只需將這4個引腳懸空即可選擇網(wǎng)卡芯片的基地址為300H，即網(wǎng)卡芯片的I/O地址為0x0300～0x030f。網(wǎng)卡芯片的基地址為300H，地址總線的連接為SA19～SA10接地，SA9～SA8接VCC，SA7～SA5接地，SA4～SA0接F2812的低5位地址總線。RTL8019AS支持8/16位數(shù)據(jù)總線方式，它通過芯片的第96腳IOCS16引腳的高低電平的狀態(tài)來設(shè)置數(shù)據(jù)總線的寬度，高電平選擇16位總線方式，低電平選擇8位總線方式。文中將IOCS16引腳通過一個300 Ω的電阻接到VCC來選擇16位總線方式。

由于本文采用跳線方式工作，它的中斷輸出線就由引腳IRQS0～IRQS2(芯片78～80腳)上電復(fù)位時的狀態(tài)決定，設(shè)計中使這3個引腳都懸空，即默認為低電平來選擇中斷輸出線INT0。第4腳INT0中斷引腳經(jīng)電平轉(zhuǎn)換接到F2812的外部中斷1。RTL8019AS提供了4個LED輸出引腳，用來顯示RTL8019AS的工作狀態(tài)。當有事件發(fā)生時引腳上輸出低電平，引腳上的指示LED亮；無事件發(fā)生時引腳輸出高電平，引腳上的指示LED滅。LEDBNC(芯片60腳)為介質(zhì)類型指示引腳，因本設(shè)計只用了雙絞線所以不需要該指示燈；LED0(芯片61腳)默認用來檢測網(wǎng)絡(luò)通訊是否沖突，由于本設(shè)計中數(shù)據(jù)發(fā)送量較少，所以也不需要該指示燈；LED1(腳62)默認用來檢測是否正在接收網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)包、LED2(腳63)默認用來檢測是否正在向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)包。在電路設(shè)計中LED1和LED2分別通過一個1 kΩ的限流電阻接到VCC來反映網(wǎng)絡(luò)的通訊狀態(tài)。

圖2 DSP與RTL8019AS硬件連接電路圖

1.3.2 電勢信號調(diào)理電路

圖3為氧電勢信號調(diào)理電路，氧濃差電勢通過X1的1腳和2腳接入，首先經(jīng)過由C100、C101和R100構(gòu)成的π濾波器進行濾波，然后接到差分放大器AD707的負端進行放大。在設(shè)計差分放大電路時，調(diào)零電壓即差分放大器AD707的正端輸入電壓的可調(diào)節(jié)范圍設(shè)計為-0.4～+0.4 V，當被測氣體中氧氣的含量為20.95×10-8時，檢測器輸出的氧電勢為386.16 mV，當被測氣體中氧氣的含量為100%時，檢測器輸出的氧電勢為-32.77 mV，因此-0.4～+0.4 V的調(diào)零電壓范圍完全能夠滿足用戶的需求。差分放大器AD707的放大倍數(shù)為U5/(U2-U1)=4+80/Rx。

1.3.3 熱導檢測器信號調(diào)理電路

圖4為熱導檢測器信號調(diào)理電路，熱導傳感器的信號通過X1的1腳和2腳接入，首先經(jīng)過放大器AD708進行差模放大，放大后的信號送入到U20B的6腳，和調(diào)零電壓一起作為U20B的輸入電壓，經(jīng)過放大器U20B放大后送入到DSP進行采樣。

1.3.4 紅外檢測器光源驅(qū)動電路

圖5為檢測器的光源驅(qū)動電路[6]，本設(shè)計采用電學脈沖調(diào)制，選用定時器NE555發(fā)出1 Hz的方波來驅(qū)動光源。用定時器NE555及其外圍電路構(gòu)成占空比固定的多諧振蕩器，高電平時間Th=0.693×R13×C10，低電平時間Tl=0.693×R14×C10，占空比=Th/(Th+Tl)=R13/(R13+R14)。在設(shè)計中采用0.5 s開0.5 s關(guān)的間歇工作模式，在此模式下，傳感器、放大器和其他元件的寄生熱減少，可以極大的提高系統(tǒng)的信噪比和穩(wěn)定性。NE555的Q端為1 Hz方波的輸出端，LED1為光源指示燈，光源工作則LED1亮，正常工作時，LED1為一閃一閃的狀態(tài)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計所采用的開發(fā)環(huán)境DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS3.3(Code Composer Studio)，開發(fā)語言為C語言。本分析儀器智能測控平臺的系統(tǒng)軟件設(shè)計，主要包括A/D采樣、系統(tǒng)實時時鐘、LCD液晶顯示、Modbus通訊、以太網(wǎng)接口通訊軟件設(shè)計。系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)如圖6所示，軟件設(shè)計中最為重要的就是A/D采樣以太網(wǎng)接口通訊。

圖3 氧電勢信號調(diào)理電路

圖4 熱導檢測器信號調(diào)理電路圖

圖5 檢測器的光源驅(qū)動電路

圖6 系統(tǒng)軟件件總體設(shè)計

2.2 A/D采樣軟件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計規(guī)劃，A/D采樣將采用軟件中斷的方式觸發(fā)。F2812的AD模塊雖然有兩個獨立的8通道模塊，但只有一個轉(zhuǎn)換器，所以在應(yīng)用F2812進行多路采樣時就要考慮到對其序列發(fā)生器進行功能設(shè)置，這樣A/D模塊在每收到一個啟動轉(zhuǎn)換請求后它就可以自動執(zhí)行多個轉(zhuǎn)換。再通過模擬多路開關(guān)MUX，可選擇16個可用的輸入通道中的任何一路。轉(zhuǎn)換后，選擇通道的數(shù)字值保存在適當?shù)慕Y(jié)果寄存器中。下面給出的是A/D模塊控制寄存器的初始化程序：

//復(fù)位AD采樣模塊

AdcRegs.ADCTRL1.bit.RESET=1;

NOP;

AdcRegs.ADCTRL1.bit.RESET=0;

//設(shè)置AD模塊仿真模式

AdcRegs.ADCTRL1.bit.SUSMOD=3;

//設(shè)置采樣的時鐘

AdcRegs.ADCTRL1.bit.ACQ_PS=0;AdcRegs.ADCTRL1.bit.CPS=0;

//設(shè)置運行方式為啟動-停止方式

AdcRegs.ADCTRL1.bit.CONT_RUN=0;

//設(shè)置級聯(lián)方式采樣

AdcRegs.ADCTRL1.bit.SEQ_CASC=1;

//設(shè)置參考電源加電

AdcRegs.ADCTRL3.bit.ADCBGRFDN=3;for(i=0;i<10000;i++)NOP;

//設(shè)置核中的模擬電路加電

AdcRegs.ADCTRL3.bit.ADCPWDN=1;for(i=0;i<5000;i++)NOP;

//設(shè)置核時鐘分頻器

AdcRegs.ADCTRL3.bit.ADCCLKPS=15;

//設(shè)置并發(fā)采樣方式

AdcRegs.ADCTRL3.bit.SMODE_SEL=1;

//設(shè)置轉(zhuǎn)換通道數(shù)為16

AdcRegs.MAX_CONV.bit.MAX_CONV=15;

//設(shè)置序列狀態(tài)寄存器

AdcRegs.CHSELSEQ1.bit.CONV00=0;

………

AdcRegs.CHSELSEQ4.bit.CONV15=15;

//清除SEQ1、2中斷標志位

AdcRegs.ADC_ST_FLAG.bit.INT_SEQ1_CLR=1;

AdcRegs.ADC_ST_FLAG.bit.INT_SEQ2_CLR=1;

2.3 以太網(wǎng)接口通訊軟件設(shè)計

以太網(wǎng)接口通訊軟件由以太網(wǎng)控制器RTL8019AS的驅(qū)動程序和TCP/IP協(xié)議棧兩個部分組成：驅(qū)動程序包括以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的接收和發(fā)送，以太網(wǎng)控制器RTL8019AS的初始化，TCP/IP協(xié)議棧包括Internet層的IP協(xié)議和ICMP協(xié)議，數(shù)據(jù)鏈路層的ARP協(xié)議，傳輸層的TCP和UDP協(xié)議，應(yīng)用層的HTTP協(xié)議和DHCP協(xié)議等。

該文設(shè)計了RTL8019AS的驅(qū)動程序和用以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木員CP/IP協(xié)議棧。程序設(shè)計采用C/S模式，DSP TMS320F2812作為服務(wù)器端，服務(wù)器端使用C語言編程，采用DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS3.3，循環(huán)工作方式，完成數(shù)據(jù)采集及發(fā)送；遠程的PC機作為客戶端，客戶端采用 Java script腳本語言，實現(xiàn)網(wǎng)頁的動態(tài)刷新，以實時顯示監(jiān)控數(shù)據(jù)。

2.3.1 以太網(wǎng)控制器的初始化

初始化的第一步是對網(wǎng)卡芯片進行復(fù)位操作，Rtl8019AS的復(fù)位方法分為兩種：一種是硬件復(fù)位，即給RSTDVR復(fù)位引腳一個大于800 s的高電平，然后拉低，再延時20 ms即可確保完全復(fù)位，在實際的編程中，通常先給RSTDVR引腳一個大于1 μs的高電平，然后拉低，低電平的持續(xù)時間一般為100 ms以上，因為芯片在復(fù)位期間要進行寄存器初始化等一系列操作；另一種是軟件復(fù)位，即對RTL8019AS的復(fù)位端口讀或者寫任何數(shù)，也可使RTL8019AS芯片復(fù)位。本設(shè)計采用硬件復(fù)位，復(fù)位引腳RSTDRV高電平有效，程序中通過將RSTDRV引腳置為高電平一段時間后再置為低電平來復(fù)位網(wǎng)卡芯片。

初始化的第二步是對網(wǎng)卡芯片的寄存器進行設(shè)置，只需初始化頁0與頁1的相關(guān)寄存器，頁2的寄存器不用設(shè)置，因為它是只讀的，頁3的寄存器是網(wǎng)卡芯片自己定義的，只對本以太網(wǎng)控制器有效，不是兼容的，也不用設(shè)置。RTL8019AS的初始化程序如下所示：

void RTL8019Init(unsigned char LocalMACAddr[])

{

int i;

RTL8019_Hard_Reset();//硬件復(fù)位RTL8019

for(i=0;i<30000;i++);//硬件復(fù)位后，RTL8019需要一段時間進行自身的初始化

/* RTL8019寄存器初始化 */

WriteReg(CR,0x21);//選擇頁0的寄存器，使芯片處于停止模式

WriteReg(PSTART,0x4C);//設(shè)置接收緩沖區(qū)起始頁地址Pstart為0x4c

WriteReg(PSTOP,0x60);//設(shè)置接收緩沖區(qū)停止頁地址Pstop為0x60

WriteReg(BNRY,0x4C);//設(shè)置接收邊界指針BNRY為0x4c

WriteReg(TPSR,0x40);//設(shè)置發(fā)送緩沖區(qū)起始頁地址TPSR為0x40

WriteReg(RCR,0xCE);//設(shè)置接收配置寄存器

WriteReg(TCR,0xE0);//啟用CRC自動生成和校驗，工作在正常模式

WriteReg(DCR,0xC9);//使用FIFO緩存，普通模式,16位DMA

WriteReg(IMR,0x11);//允許接收錯誤中斷和接收緩沖區(qū)溢出中斷

WriteReg(ISR,0xFF);//清除中斷狀態(tài)寄存器

RTLPage(1);

WriteReg(CURR,0x4D);//設(shè)置接收指針CURR為0x4d

WriteReg(PRA0,LocalMACAddr[0]);//設(shè)置網(wǎng)卡物理地址

WriteReg(PRA1,LocalMACAddr[1]);

WriteReg(PRA2,LocalMACAddr[2]);

WriteReg(PRA3,LocalMACAddr[3]);

WriteReg(PRA4_,LocalMACAddr[4]);

WriteReg(PRA5,LocalMACAddr[5]);

WriteReg(CR,0x22);//選擇頁0寄存器，進入正常工作狀態(tài)

}

CR=0x21選擇頁0的寄存器，網(wǎng)卡停止運行，禁止接收或發(fā)送包。Pstart=0x4c設(shè)置接受緩沖器的開始頁面地址；Pstop=0x60設(shè)置接受緩沖器的停止頁面地址，該頁不用于接收，Pstart和Pstop這兩個寄存器用于構(gòu)造緩沖環(huán)。BNRY=0x4c設(shè)置邊界寄存器，指向已經(jīng)被讀取頁的下一頁，初始時網(wǎng)卡沒有接收到任何數(shù)據(jù)包，所以BNRY設(shè)置為指向第一個接收緩沖區(qū)的頁0x4c；BNRY由用戶來操作，用戶從網(wǎng)卡讀走一頁數(shù)據(jù)，要將BNRY加1，然后再寫到BNRY寄存器，當BNRY加到最后的空頁0x60時，要將BNRY變成第一個接收頁0x4c。TPSR=0x40設(shè)置發(fā)送頁的起始頁地址，初始化為指向第一個發(fā)送緩沖區(qū)的頁即0x40。

RCR=0xce設(shè)置接收配置寄存器，將接收到的數(shù)據(jù)包緩存到存儲器，物理地址必須與PAR0-PAR5的地址匹配，接收多播和廣播地址的數(shù)據(jù)，接受小于64 Byte長度的數(shù)據(jù)，不接收校驗錯誤的數(shù)據(jù)包。TCR=0xe0設(shè)置發(fā)送配置寄存器，允許CRC自動生成和自動校驗,工作在正常模式。DCR=0xc9設(shè)置數(shù)據(jù)配置寄存器，使用FIFO緩存，發(fā)送數(shù)據(jù)包命令不執(zhí)行，普通模式,字節(jié)順序為高字節(jié)在前，低字節(jié)在后，16位數(shù)據(jù)DMA。IMR=0x11設(shè)置中斷屏蔽寄存器，允許接收錯誤中斷和接收緩沖區(qū)溢出中斷。ISR=0xff設(shè)置中斷狀態(tài)寄存器，全部清0。

CURR=0x4d，CURR是網(wǎng)卡寫內(nèi)存的指針，指向當前正在寫的頁的下一頁，初始化時指向0x4c+1=0x4d；網(wǎng)卡寫完接收緩沖區(qū)一頁，就將這個頁地址自動加1，當CURR到達了接收緩沖頁的底部0x60時，CURR又會自動指向到0x4c。PAR0～PAR5設(shè)置系統(tǒng)的MAC地址，可由用戶自己設(shè)置，也可以先從網(wǎng)卡中讀出MAC地址，再寫到寄存器中。

3.3.2 嵌入式TCP/IP協(xié)議?？傮w框架設(shè)計

在嵌入式系統(tǒng)中，由于程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器空間的約束，其嵌入式TCP/IP協(xié)議棧不必追求協(xié)議的全面移植，而是按照“夠用即可”的原則對完整TCP/IP協(xié)議族進行剪裁和取舍，該設(shè)計參考嵌入式TCP/IP協(xié)議棧ZLIP對TCP/IP協(xié)議進行了剪裁和取舍。

本設(shè)計遵循分層設(shè)計思想和模塊化設(shè)計方法，各協(xié)議由其對應(yīng)的模塊實現(xiàn)，模塊對外提供接口函數(shù)供其它模塊或主程序調(diào)用，而內(nèi)部數(shù)據(jù)對外是不可見的，體現(xiàn)了封裝的思想?？傮w數(shù)據(jù)流圖如圖7所示，箭頭為數(shù)據(jù)流方向。

圖7 總體數(shù)據(jù)流圖

發(fā)送數(shù)據(jù)時，選擇的是面向連接的TCP協(xié)議，應(yīng)用程序?qū)⒂脩魯?shù)據(jù)交給TCP協(xié)議模塊處理，TCP協(xié)議模塊在用戶數(shù)據(jù)前面加上TCP首部信息后封裝成TCP報文。將封裝好的TCP報文交付給IP協(xié)議模塊，IP協(xié)議模塊在其上面添加IP首部，封裝成IP報文，然后將IP報文發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)接口層，利用ARP協(xié)議找到目的IP地址對應(yīng)的硬件地址，在IP報文前面添加上MAC幀首部，就封裝成了以太網(wǎng)MAC幀，交由以太網(wǎng)控制器的驅(qū)動程序發(fā)送出去。以太網(wǎng)幀的封裝過程如圖8所示。

圖8 以太網(wǎng)幀的封裝過程

3 實驗

3.1 網(wǎng)絡(luò)連接有效性測試

Ping程序是用來測試兩臺主機是否在IP層連通的常用工具，它使用ICMP回顯請求報告和回顯應(yīng)答報告來測試信宿是否可達，該設(shè)計所實現(xiàn)的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧支持Ping服務(wù)，因此可以通過Ping命令來測試分析儀器測控平臺與PC機是否連接有效。

該實驗采用Ping命令來測試以太網(wǎng)連接的有效性，首先采用交叉網(wǎng)線把分析儀器測控平臺與PC機相連(或者采用標準網(wǎng)線把PC機和分析儀器測控平臺連接在同一個網(wǎng)絡(luò))，接著設(shè)置分析儀器測控平臺的IP地址為192.168.2.13，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，設(shè)置PC機的IP地址為192.168.2.10，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，默認網(wǎng)關(guān)為192.168.2.1，最后在PC機上點擊開始運行在文本框中輸入cmd回車，進入命令提示符窗口，在命令提示符窗口中鍵入ping 192.168.2.13后回車，根據(jù)屏幕顯示來判斷連接的有效性。實驗結(jié)果如圖9所示，從實驗的結(jié)果可以看出，PC機發(fā)出的ping請求得到了相應(yīng)，這說明網(wǎng)絡(luò)連接是有效的。

圖9 以太網(wǎng)連接有效性測試

3.2 網(wǎng)絡(luò)通訊測試

該設(shè)計采用Visual Basic語言編寫了TCP客戶端測試程序，其中主要使用winsock控件來完成TCP連接的建立與釋放。以分析儀器測控平臺作為服務(wù)器，PC機作為客戶端，使用VB設(shè)計的TCP客戶端進行測試。建立連接后，發(fā)送任意字符串，接收到同樣的字符串，說明分析儀器測控平臺能夠接收到PC機發(fā)來的數(shù)據(jù)且能正確的發(fā)送給PC機。網(wǎng)絡(luò)通訊實驗結(jié)果如圖10所示，從實驗結(jié)果可以看出，分析儀器測控平臺能夠接收到PC機發(fā)來的數(shù)據(jù)且能正確的發(fā)送給PC機。

圖10 客戶端測試窗口

實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)通訊是為了通過網(wǎng)絡(luò)將實時數(shù)據(jù)傳到遠程監(jiān)控中心，以方便處于遠程監(jiān)控中心的工作人員能夠通過發(fā)送的實時數(shù)據(jù)來判斷儀器的工作狀態(tài)，一旦儀器發(fā)生故障，相關(guān)工作人員能夠做出正確的決策調(diào)度，從而提高過程控制的水平。該設(shè)計的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧由于存儲器空間的約束沒有實現(xiàn)應(yīng)用層協(xié)議，所以在這里僅做了簡單的通訊測試，如果在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)了HTTP協(xié)議，則用戶可以在客戶端通過IE瀏覽器對服務(wù)器進行訪問，瀏覽存儲在Flash芯片中的網(wǎng)頁以及對分析儀器測控平臺的配置進行修改等。

3.3 實驗數(shù)據(jù)分析

為了檢驗分析儀器智能測控平臺的的實際測量精度，針對3種不同的傳感器，分別采用5組標準濃度的氣體進行了測試。

(1)實驗時選擇氧化鋯傳感器，設(shè)定氣體種類為O2，氣體的單位為%，氣體的量程為0～1%，在25 ℃的環(huán)境溫度和標準大氣壓下，控制高純氮氣流量為300 mL/min，開機后20 min，氧化鋯傳感器的溫度被穩(wěn)定的控制在(700±1 )℃，且儀器的讀數(shù)穩(wěn)定，此時進行零點校準，零點校準以后通入1.004%的量程氣，等到儀器讀數(shù)穩(wěn)定進行量程校準，量程校準以后，分別通入5組標準濃度的氧氣，實際測試數(shù)據(jù)如表1所示，儀器測量的氧氣含量絕對誤差小于0.02%，達到了2級表的要求。

表1 5組標準氧氣實驗測試數(shù)據(jù) %

(2)實驗時選擇熱導傳感器，設(shè)定氣體種類為H2，氣體的單位為%，氣體的量程為0～100%，在25 ℃的環(huán)境溫度和標準大氣壓下，控制高純氮氣流量為200 mL/min，開機后20 min，熱導傳感器的溫度被控制在(63±0.2)℃，且此時儀器讀數(shù)穩(wěn)定，此時進行零點校準，零點校準以后通入99.53%的量程氣，等到儀器讀數(shù)穩(wěn)定進行量程校準，量程校準以后，分別通入5組標準濃度的氫氣，實際測試數(shù)據(jù)如表2所示，儀器測量的氫氣含量絕對誤差小于滿量程的2%，達到了2級表的要求(熱工儀表中習慣使用儀表測量的絕對誤差/儀表的滿量程來表示儀表的精度，如測量的絕對誤差/滿量程﹤5%，則表示儀表精度達到了5級表的要求)。

表2 5組標準氫氣實驗測試數(shù)據(jù) %

(3)實驗時選擇非非光紅外檢測器，在25 ℃的環(huán)境溫度和標準大氣壓下，控制標準氣體流量為500 mL/min，首先使用高純氮氣進行零點校準，然后使用2.995%的CO氣體進行滿量程校準，校準以后分別通入5組標準CO氣體進行測量，測試結(jié)果如表3所示，儀器測量的CO含量絕對偏差小于0.06%，達到了2級表的要求。

表3 5組標準CO氣體實驗測試數(shù)據(jù) %

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)設(shè)計的基于工業(yè)以太網(wǎng)的智能測控平臺，采用高性能的微處理器TMS320F2812數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)；模塊化的信號調(diào)理模塊能夠連接3種不同的傳感器從而檢測多組氣體；性價比較高的以太網(wǎng)接口控制芯片RTL8019AS能夠快速準確地發(fā)送測量和報警信息。與傳統(tǒng)的檢測平臺相比，具有響應(yīng)速度快、測量精度高等優(yōu)勢，此外，該分析平臺的設(shè)計加快了在線分析儀器的智能化、模塊化、集成化的發(fā)展趨勢。從而更好地滿足了工業(yè)氣體分析的需求，而且還有很好的市場應(yīng)用價值和廣闊的發(fā)展前景。

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Design of Multicomponent Intelligent Measurement and ControlPlatform Based on Industry Ethernet

KONG De-hong,CHENG Ming-xiao,ZHANG Liang，ZHU Zeng-wei

(College of Automation and Electrical Engineering，Nanjing 211816，China)

In order to meet the analysis instruments variety needs and solve the less quantity problem,the structure of analysis instruments develops toward modular.According to the analysis instrument modular design thoughts,using DSP TMS320F2812 as the control core,based on Ethernet controller RTL8019AS,industrial Ethernet interface was designed and the hardware and software design of intelligent measurement and control platform were completed.The intelligent measurement and control platform mainly included two modules: one was available for the user to select sensor signal conditioning circuit board,the other was DSP signal processing circuit board.Test results show that the platform is of rapid response,high sensitivity,agile use and high practical value.

DSP；industry Ethernet；analytical instruments；RTL8019AS

2014-03-03 收修改稿日期：2014-10-07

TP212

A

1002-1841(2015)03-0060-06

孔德鴻(1989—)，碩士研究生，研究方向為分析儀器設(shè)計。E-mail:297864230@qq.com