引言

隨著自動化、電子和計算機技術的發(fā)展，很多執(zhí)行機構已經(jīng)具有現(xiàn)場總線通訊和智能控制的功能，閥門定位器是一種應用于工業(yè)總線過程控制的智能輔助控制儀表，它在一定程度上決定了過程控制的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

EPA標準是一種基于以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、藍牙等信息網(wǎng)絡通信技術的，適用于工業(yè)自動化控制系統(tǒng)裝置與儀器儀表間、工業(yè)自動化儀器儀表相互間數(shù)據(jù)通信的丁業(yè)控制網(wǎng)絡通信標準。本文結合智能閥門定位器特點，開發(fā)了符合EPA標準的通信卡，使其具有現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)通訊功能，同時，在通信卡中嵌入ZIGBEE模塊也方便與手持設備通信。

1 ZIGBEE技術應用于EPA現(xiàn)場設備

ZIGBEE是一種低速率WPAN IEEE標準，它具有功耗低、架構簡單、成本低的特點，滿足多種無線需求，尤其在工控（監(jiān)視器、傳感器和自動控制設備）等領域更是顯示出其獨有的優(yōu)勢。

圖1嵌入ZIGBEE模塊的EPA系統(tǒng)結構圖

在EPA總線現(xiàn)場設備中嵌入ZIGBEE模塊，擴展了現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)傳送途徑，現(xiàn)場設備既可以直接通過總線交換數(shù)據(jù)，同時也可以通過無線手持設備進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，從而兼顧了對現(xiàn)場設備遠程監(jiān)控和現(xiàn)場數(shù)據(jù)交換，圖l所示為嵌入ZIGBEE模塊EPA系統(tǒng)結構，這里主要介紹嵌入ZIGBEE模塊的EPA閥門定位器的實現(xiàn)過程，其中閥門定位器同EPA控制網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信功能的實現(xiàn)主要是通過嵌入閥門定位器內(nèi)部的數(shù)據(jù)通信卡來完成。

2 閥門定位器通信卡設計

通信卡設計是一種典型的嵌入式系統(tǒng)設計，通過嵌入閥門定位器內(nèi)部首先完成數(shù)據(jù)的采集．然后將數(shù)據(jù)從底層向上層傳送到EPA控制網(wǎng)絡。通信卡硬件方面由主控芯片及外圍電路組成，內(nèi)部運行程序由EPA協(xié)議棧及相應的硬件驅動程序組成。

2．1通信卡硬件設計

圖2所示為嵌入ZIGBEE模塊的EPA閥門定位器通信卡系統(tǒng)框圖，主要包括處理器單元（C805IFl20）、SDRAM（靜態(tài)存儲器）、RESET及時鐘電路、以太網(wǎng)控制電路、ZIGBEE模塊及總線以太網(wǎng)供電模塊。

圖2嵌入ZIGBEE模塊的EPA閥門定位器通信卡系統(tǒng)框圖

處理器單元采用了新華龍公司低功耗、高性能的8位51內(nèi)核處理器，它是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，具有128K FLASH存儲器，8KB的片內(nèi)RAM，64個數(shù)字I/O引腳．具有體積小和能適應工業(yè)環(huán)境應用等優(yōu)點，其穩(wěn)定性和可靠性完全值得信賴，同時其運算速度完全可以滿足通信和控制的要求。

以太網(wǎng)控制器采用臺灣Realtek公司RTL8019AS芯片、執(zhí)行基于IEEE802.3u局域網(wǎng)標準的10Mb/s和100Mb/s以太網(wǎng)控制功能，其地址總線與數(shù)據(jù)總線分別與CPU的地址/數(shù)據(jù)總線相連。按數(shù)據(jù)鏈路的不同，可以將RTL8019AS內(nèi)部劃分為遠程DMA通道和本地DMA通道兩個部分，本地DMA完成控制器與網(wǎng)線的數(shù)據(jù)交換，主處理器收發(fā)數(shù)據(jù)只需對遠程DMA操作，當主處理器要向上發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將一幀數(shù)據(jù)通過遠程DMA通道送到RTL8019AS中的發(fā)送緩沖去，然后發(fā)送傳送命令。

ZIGBEE模塊零用的是北京赫立訊公司的IP_Link1270，完成與手持設備無線通信。這是一款完全符合IEEES02.15.4標準與ZIGBEE規(guī)范的2.4GHz無線收發(fā)模塊，編碼方式是DSSS，調(diào)制方式為O_QPSK，數(shù)據(jù)速率為250kb/s，發(fā)射功率為-16.6~3.6dBm，傳輸距離可達到200m。

通信卡系統(tǒng)采用基于以太網(wǎng)的總線供電方式，連接到現(xiàn)場設備的線纜不僅能夠傳送數(shù)據(jù)信號，還要能夠為現(xiàn)場設備提供電源?？偩€供電采用調(diào)制解調(diào)法，在以太網(wǎng)集線器或交換機的以太網(wǎng)信號輸出端，將24~48V直流電源信號與以太網(wǎng)通信信號調(diào)制在一起，在現(xiàn)場設備端的以太網(wǎng)信號輸入端，再將直流電源與以太網(wǎng)通信信號進行分離，把其中的24~48V直流電源通過Dc—Dc轉換為現(xiàn)場設備用的直流工作電源，從而實現(xiàn)基于以太網(wǎng)的總線供電。

2.2 軟件設計

基于EPA標準的閥門定位器通信卡熱案件設計采用基于模塊化的設計方法，軟件開發(fā)主要分成三個部分：現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)采集模塊、ZIGBEE無線通信模塊、EPA協(xié)議模塊。具體軟件設計流程圖如圖3所示：

圖3通信卡軟件設計流程圖

2．2．1現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)采集模塊

閥門定位器采用的是現(xiàn)場總線式閥門定位器，它接受數(shù)字信號并使用數(shù)字式電子線路配合機械部件來定位閥門，全數(shù)字控制信號取代模擬控制信號，可通過將軟件命令植入閥門定位器存儲模塊來進行雙向數(shù)字通信。

閥門定位器數(shù)據(jù)的采集實質(zhì)上是通信卡與閥門之間的雙向通信過程，系統(tǒng)初始化后通信卡通過UART0向閥門發(fā)送連接命令，等待連接成功后，向閥門發(fā)送讀／寫數(shù)據(jù)信息，寫入成功后，閥門返同相應數(shù)據(jù)信息。讀，寫數(shù)據(jù)命令格式如下：

其中0X01為讀數(shù)據(jù)指令，0X02為寫數(shù)據(jù)指令，占一個字節(jié)；Address（H）和Address（L）代表讀，寫閥門定位器數(shù)據(jù)所在內(nèi)存地址高低字節(jié)．共占兩個字節(jié)，可根據(jù)需要返回的數(shù)據(jù)設置此地址、數(shù)據(jù)主要有閥位、電流閥位上下限等。0X04為返回數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，CRC為奇偶校驗，各占一個字節(jié)。

2.2.2 ZIGBEE無線通信模塊

（1） 接口程序

ZIGBEE無線通信模塊通過UART1與系統(tǒng)芯片相連，通過此模塊完成與手持設備之間進行數(shù)據(jù)通信功能。

接口驅動主要包括兩部分：串口初始化和作為波特率發(fā)生器的定時器設置。在串口初始化之前應將C8051F120交叉開關調(diào)整到UART1使能有效，然后選擇定時器1作為UART1波特率發(fā)生器。ZIGBEE無線通信模塊IP-LINK1270 通信波特率為38400bps，必須嚴格設置定時器使UART1與IP-LINK1270波特率相同，否則無法正常數(shù)據(jù)通信。

（2） 數(shù)據(jù)傳送

數(shù)據(jù)的傳送必須滿足zlGBEE無線通信的要求，以一定的報文格式傳送，因此在傳送之前必須將數(shù)據(jù)封裝成幀，具體數(shù)據(jù)幀格式如下：

0X44代表數(shù)據(jù)格式，node為通信節(jié)點，這里默認通信節(jié)點具有相同的網(wǎng)絡號；0X07為ZIGBEE數(shù)據(jù)長度，這里設定為7個字節(jié)即可滿足要求；Var-parameter為閥門參數(shù)，包括讀寫命令，地址等信息，占3個字節(jié)；Var-data為閥門數(shù)據(jù)（閥位值或上下限），為占4個字節(jié)的浮點數(shù)；CRC為奇偶校驗。

（3） 與ZIGBEE無線手持設備通信

通過嵌入ZIGBEE模塊手持設備可以很方便的以無線的方式讀取閥門定位器數(shù)據(jù)，通信過程中，通信卡上ZIGBEE模塊充當服務器，數(shù)據(jù)讀取時， 通信卡發(fā)送一讀設備請求指令，通信卡ZIGBEE模塊接受指令，產(chǎn)生中斷響應，中斷服務程序根據(jù)手持設備請求指令返回相應的數(shù)據(jù)信息。除讀取閥門數(shù)據(jù)外，通信卡也可通過手持設備設置閥門定位器上下限以及閥門其它特性值。

2．2．3 EPA協(xié)議模塊

EPA通信棧模塊包括以下幾個部分：EPA確定性調(diào)度與精確時間同步算法、TCP（UDP）／IP協(xié)議軟件、EPA應用層服務、EPA應用層服務接口和EPA管理服務等。主要完成i個方面的任務：即數(shù)據(jù)（包括實時和非實時數(shù)據(jù)）傳輸服務的實現(xiàn)及其為用戶層提供的服務接口，以及EPA管理服務（包括設備自動識別、系統(tǒng)時鐘同步、系統(tǒng)工作狀態(tài)的管理、設備位號及其他信息的管理等）。

其中數(shù)據(jù)的傳送必須滿足兩點：（I）數(shù)據(jù)格式轉換，從閥門讀出數(shù)據(jù)為四字節(jié)1EEE754格式的浮點型數(shù)據(jù)，必須轉換為兩字節(jié)的整型格式才能往上層打包傳送。（2）EPA標準報文格式封裝，EPA通信協(xié)議基于TCP（UDP）／IP協(xié)議，為用戶層的應用程序間提供實時和非實時數(shù)據(jù)傳輸服務，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，?shù)據(jù)的傳輸必須按照EPA標準封裝EPA報文字段。

3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集測試

圖4 OPC監(jiān)控圖

OPC服務器是一個典型的現(xiàn)場數(shù)據(jù)源程序，它收集現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)（閥門數(shù)據(jù)）信息，通過數(shù)值轉換將數(shù)據(jù)轉換為十進制在OPC界斷上顯示，其中數(shù)值轉換包括EPA報文分解和閥門浮點數(shù)據(jù)值還原。圖4中為典型EPA控制網(wǎng)絡中的OPC監(jiān)控圖，IP值用于區(qū)分不同的設備。

4 結束語

EPA標漫是我國具有完全自主知識產(chǎn)權基于工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線國際標準，通信卡的設計實現(xiàn)了琉場設備與EPA控制網(wǎng)絡的通信，本文以閥門定位播為例，介紹了其接人EPA控制網(wǎng)絡的實現(xiàn)過程，也適用于其它現(xiàn)場設備如壓力計。溫度變送器等。同時，在通信卡中嵌入ZIGBEE模塊實現(xiàn)了與手持設備通信，極大的方便了工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的讀取。

本文創(chuàng)磁點：研究和設計了基于EPA標準的通信卡，給出了軟硬件設計，解決了現(xiàn)場設備同EPA控制網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)通信。同時，在設計中引入一種低速率WPAN IEEE標準ZIGBEE無線通信技術，為現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)獲取提供了新的途徑。

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