基于Ethernet现场总线的多协议网络通信系统设计与实现

引言

现场总线已成为自动化技术的集成组件，如今已获得广泛应用。它废弃了DCS(分散控制系统)的控制站及其输入／输出单元，从根本上改变了DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，通过将控制功能高度分散到现场设备这一途径，实现了彻底分散控制。虽然控制器CPU的性能发展迅猛，但传统的现场总线系统正日趋成为控制系统性能发展的“瓶颈”。此外对于现场总线系统来说，整个系统的分层控制结构由几层子系统构成，整个系统响应时间是控制器周期时间的3～5倍。工业以太网作为一种全新的“现场总线”是未来工业控制网络的必然选择，并实现了现场设备层与企业内部信息网(Intranet)的无缝连接。但如何使以太网总线实现传统现场总线的实时性、确定性及可靠性，并满足工业控制上不同的技术结构要求，如需要严格同步的运动控制采用Sercos、PROFIBUSDP v2等协议；因此本文围绕这些问题设计了基于LPC2214和DM9000AE并以Ethernet为现场总线的面向多协议的网络通信控制卡，并成功嵌入SERCOSIII协议与TCP／IP协议，设计了优化的任务调度以满足系统的实时性，并通过仿真验证了系统满足实时性、确定性及可靠性的要求，系统可嵌入各种功用性的控制协议。

1 硬件设计

1．1硬件系统总体设计

硬件结构模块如图1所示。典型的工业以太网现场总线控制网络系统结构分为线性拓扑和环形拓扑，如图2和图3所示，环形拓扑结构具有传输速率高、负载能力强、适合于实时传输等特点；线型拓扑结构具有结构简单、可扩充性好、可靠性高等特点；且工业以太网以100Mbit／s～1Gbit／s的高传输速率完全满足数控技术对运动控制总线的高速型要求，因此满足现场总线实时可靠性的特点成为本文的研究重点。将工业控制界最具先进性、最超前的工业控制网络应用于工业现场，其应用普及最终取决于是否能够提供一个从协议直至网络节点模块的整体解决方案。并开发相应的应用软件，实现从现场设备层到Internet层的无缝联结，真正实现工业控制网络的统一。因此系统的硬件结构图与软件协议结构图1与图6所示。

图1 硬件结构模块

图2环形拓扑结构

根据系统性能要求，硬件系统总体方案为：基于ARM7嵌人式控制技术，实现数据传输速率100 Mbit／s，为满足实时性，实时效据延迟时间小于2 ms。为满足环形拓扑结构，控制卡应采用双网卡结构，系统硬件结构图如图4所示。网络控制系统以LPC2214作为处理器。它是NXP公司推出的基于ARM7TDMI内核的16／32位RISC处理器．功能强大，内置PLL锁相环可以设置CPU的工作频率达60MHz，为高速处理提供了保证，与以太网芯片DM9000A配合可满足以太网实时性要求；内部带256KB的FLASH和16KB RAM，为待嵌入的协议栈提供了必要的内存空间，片内带有多个串行接口(包括工业标准的UART、高速I2c接口和SPI接口)和外部存储器接口，非常适合通信网关、协议转换器、嵌人式软件调制解调器以及其它上层应用，满足扩展AI／AO和DI／DO功能的要求。

图3线型拓扑结构

图4 系统硬件结构框图

1．2网络接口模块

网络接口电路是在微处理器的控制下通过舟卡对数据进行封装或解封，来完成主站／从站的通信功能，以工业以太网的技术标准实现整个通信系统的物理层与数据链路层。接口电路以太罔控制器选用DAVIC0M公司的DM9000，它是一种高度集成、功能强大、引脚少、性价比高的单片快速以太网控制芯片，内部集成MAC和PHY，对其他硬件设备的依赖性非常小。并且，可对MAC和PHY独立编程，能设定多种控制状态，非常适用于嵌入式系统设计。

DM9000A是一款完全集成的和符合成本效益单芯片快速以太网MAC控制器与一般处理接口，一个10／100M自适应PHY和内部集成的16 KB的SRAM(其中13KB用作接收缓冲区，3 KB作为发送缓冲区)，对内部存储器访问支持8位和16位数据接口以适用于不同的徽处理器；数据存取使用16bit模式时，理论最高速度可达800Mbit／s(但DM9000A被设计为100M以太网．因此最大速度被限定为100 Mbit／s)。DM9000A功耗非常低，单电源3．3 V工作，内置3．3 V变2．5 V电源电路，I／O端口支持3．3 V～5 V的容差。

2 软件设计

2．1软件结构设计

在单片机的方案中实现多种嵌人的协议栈，一个很大的问题是单片机的资源有限。并且基于网络的环境．一定是多用户多任务的环境，因此，要达到实时性的要求，需要合理实现多种协议栈的流程，在单片机的实现方案下。必须进行任务的优化处理与调度。

本课题中以嵌入的SERCOSIII协议与TCP／IP协议栈实现为例，采用面向对象的编程思想，并重点介绍了SERCOS对象中SERCOSIII协议的实现与Main对象