C8051F基于ZNE-100PT的以太網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)

引 言
近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化席卷全球。在工業(yè)現(xiàn)場中如何將測控系統(tǒng)等儀器和設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息共享和遠(yuǎn)程控制成為人們關(guān)注的話題。傳統(tǒng)的工業(yè)測控現(xiàn)場所采用的總線技術(shù)(如RS232和RS485等)能夠很好地解決儀器與設(shè)備的互聯(lián)互通問題，并得到了廣泛的應(yīng)用。但此類總線是專為工業(yè)所設(shè)計(jì)的，并不能解決因特網(wǎng)的接入問題。采用單片機(jī)配合以太網(wǎng)控制芯片構(gòu)成測控系統(tǒng)，可解決測控系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)的接入問題，但卻需要花費(fèi)大量的時(shí)問和精力進(jìn)行開發(fā)。采用商品化的串口服務(wù)器或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，雖可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，但軟硬件成本很高。針對(duì)這些情況，我們采用低成本的RS232以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換模塊作為網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)媒介，設(shè)計(jì)了基于美國Cygnal公司的C8051F020的嵌入式以太網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)充分利用了現(xiàn)有以太網(wǎng)資源，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程測控終端與監(jiān)控中心的通信功能，從而實(shí)現(xiàn)了高可靠性、低成本的實(shí)時(shí)監(jiān)控，達(dá)到了工業(yè)現(xiàn)場安全運(yùn)行的目的。

1 RS232-以太網(wǎng)模塊及C8051F020簡介
ZNE-100PT是周立功公司開發(fā)的一款RS232-以太網(wǎng)模塊模塊，內(nèi)部集成了TCP／IP協(xié)議棧，利用它用戶可以輕松實(shí)現(xiàn)嵌入式?jīng)]備的網(wǎng)絡(luò)功能。其主要特點(diǎn)是：
◆內(nèi)嵌32位ARM7 CPU；
◆支持TCP／IP協(xié)議(包括Ethernet、ARP、IP、ICMP、IGMP、UDP、TCP、HTTP和DHCP)，工作方式可選擇為TCP Server、TCP Client、UDP、Real COM driver和GroupMode．TCP Auto組播地址工作端口目標(biāo)IP和端口均可設(shè)定支持PairConnection對(duì)連方式工作；
◆10M以太網(wǎng)接口使用排針方式引出；
◆RS232或RS485串口，TTL電平方式，波特率為300～115200 bps。
采用RS232以太網(wǎng)模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，可大幅度縮短軟件開發(fā)時(shí)間，且成本很低。
單片機(jī)C8051F020是一款完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，與8051指令集完全兼容。它具有如下特點(diǎn)：
◆高速流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-5l內(nèi)核(可達(dá)25 MIPS)；
◆高速非侵入式的在線系統(tǒng)調(diào)試接口(片內(nèi))；
◆真正12位100Ksps的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開關(guān)；
◆2個(gè)12位DAC；
◆64 KB可在系統(tǒng)編程的Flash存儲(chǔ)器；
◆4352(4096+256)字節(jié)的片內(nèi)存儲(chǔ)器；
◆可尋址64 KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口；
◆硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBus／I2C和2個(gè)UART串行接口；
◆5個(gè)通用16位定時(shí)器；
◆5個(gè)捕捉比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器／定時(shí)器陣列；
◆片內(nèi)看門狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。
C8051 F020是一款真正獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)，將C8051F020用于嵌入式以太網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，可大量減少外圍器件，充分發(fā)揮C8051F020的高速度特點(diǎn)，大大提高了系統(tǒng)的集成度。

2 嵌入式以太網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)要求和硬件實(shí)現(xiàn)方案
2．1 技術(shù)要求
用戶對(duì)嵌入式以太網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的要求如下：
◇8位全隔離數(shù)字輸入接口；
◇8位全隔離數(shù)字輸出接口；
◇8路12位模擬／數(shù)字輸入接口，輸入電壓DC為O～12 V：
◇2路12位數(shù)字／模擬輸出接口，輸出電壓DC為O～5 V；
◇RS232串行接口，最高波特率為19．2 khps；
◇RJ45 10M網(wǎng)絡(luò)接口。
2.2 實(shí)現(xiàn)方案
根據(jù)用戶提出的技術(shù)要求，以單片機(jī)C8051F020為核心，輔以RS232-以太網(wǎng)模塊ZNE-100PT及少量外圍電路，構(gòu)成嵌入式以太網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路，如圖1所示。

圖1中，由于C8051F020具有2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串行接口，因而一個(gè)分配給ZNE-100PT模塊，作為以太網(wǎng)接口，另一個(gè)就分配給了RS232接口，作為與上位機(jī)的通信接口(其通信速率可根據(jù)用戶要求在300～19200 bps調(diào)整。
對(duì)于8路模擬信號(hào)輸入接口，要求其最高輸入電壓為+12V，而C8051F020的片內(nèi)A／D轉(zhuǎn)換器最高輸入電壓為+3V。對(duì)于+12V的輸入電壓，可采用電阻分壓衰減電路，將+12 V的輸入電壓降為+3 V輸入；而對(duì)于8路O～5 V的模擬輸出電壓，則可直接利用運(yùn)算放大器放大輸出，電路如圖2所示。

數(shù)字輸入部分采用光電耦合器將數(shù)字輸入信號(hào)與本系統(tǒng)隔離，從而減小了外界干擾對(duì)系統(tǒng)的影響；數(shù)字輸出部分也采用光電耦合器進(jìn)行隔離，如圖3所示。

3 ZNE-100PT模塊的使用和網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)約
在使用RS232-以太網(wǎng)模塊ZNE-100PT之前，應(yīng)當(dāng)按照ZNE-100PT的要求對(duì)模塊進(jìn)行軟件配置。主要工作有配置模塊的IP地址、模塊的子網(wǎng)掩碼、模塊網(wǎng)關(guān)和串行接口的波特率等參數(shù)。配置完成后模塊即可使用。需要注意的是，設(shè)置模塊屬性時(shí)，可將幀起始字節(jié)和幀結(jié)束字節(jié)設(shè)為空。這樣，當(dāng)模塊對(duì)通信數(shù)據(jù)劃分TCP／IP數(shù)據(jù)包時(shí)，就可按串口數(shù)據(jù)的幀間隔作為分包條件。
根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的要求，設(shè)定本系統(tǒng)與以太網(wǎng)之間的通信規(guī)約。
通信數(shù)據(jù)格式字頭+命令字+數(shù)據(jù)長度+數(shù)據(jù)體
①字頭：START。
②命令字：共計(jì)1個(gè)字。
第1字節(jié)：表示數(shù)據(jù)傳輸方向。由單片機(jī)→以太網(wǎng)為U；由以太網(wǎng)→單片機(jī)為P。
第2字節(jié)：為命令字。
命令l：由單片機(jī)→以太網(wǎng)時(shí)，表示后面數(shù)據(jù)為8路A／D輸入值和8路數(shù)字I／O輸入值；由以太網(wǎng)→單片機(jī)時(shí)，表示后面數(shù)據(jù)為2路D／A輸出值和8路數(shù)字I／O輸出值。
命令2：由單片機(jī)→以太網(wǎng)時(shí)，表示后面數(shù)據(jù)為RS232接口收到并轉(zhuǎn)發(fā)以太網(wǎng)的，數(shù)據(jù)體長度小于255字節(jié)；由以太網(wǎng)→單片機(jī)時(shí)，表示后面數(shù)據(jù)需經(jīng)監(jiān)控系統(tǒng)的RS232接口發(fā)出，數(shù)據(jù)傳送結(jié)束時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)返回OK，表示傳送結(jié)束。
③數(shù)據(jù)長度：>999字節(jié)，表示后面數(shù)據(jù)體的長度。
④數(shù)據(jù)體：所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程
由于監(jiān)控系統(tǒng)需要經(jīng)由ZNE-100PT雙向傳輸數(shù)據(jù)并需進(jìn)行相關(guān)操作，因此監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

圖4中，CPU首先進(jìn)行初始化。之后分別采集以太網(wǎng)上發(fā)送過來數(shù)據(jù)以及本機(jī)的A／D和I／O輸入數(shù)據(jù)。采集完成后，如果收到的是D／A和I／O輸出數(shù)據(jù)，則進(jìn)行D／A和I／O輸出數(shù)據(jù)的更新。如果是以太網(wǎng)的RS232輸出數(shù)據(jù)，則啟動(dòng)RS232接口并發(fā)送數(shù)據(jù)；否則，定時(shí)向以太網(wǎng)發(fā)送本機(jī)的A／D和I／O輸入數(shù)據(jù)。如果是RS232接口的數(shù)據(jù)，則向以太網(wǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

結(jié)語
本文設(shè)計(jì)的基于SoC單片機(jī)C8051F020的嵌入式以太網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，采用了RS232以太網(wǎng)模塊，從而使軟件開發(fā)的工作量大大減少，使監(jiān)控系統(tǒng)得以依托以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測量及控制。本系統(tǒng)已用于日本某公司的生產(chǎn)線，且受到用戶的好評(píng)。將本系統(tǒng)的某些參數(shù)適當(dāng)修改，也可以用于其他工業(yè)控制場合中。