（检测技术与自动化装置专业论文）基于工业以太网的智能仪器的研究.pdf

搬州大学硕士学位论文 摘要 现如今，猷太两技术在工业控制领域褥到了广泛的应用。同时，仪器仪表的 餐糍纯毽是现在发曩豹趋势。将备种致器仪表与以太鼹技术楣缝合，後其具有网 络化功能必定是未来的发展方向。但是，出于智能仪表种类繁多，遂就带来了诸 舞餐能仪器搜表之闻不兼鎏麴弊端。荛7 解决这一溉题，实现在霹终条馋下智缝 仪器接口的标准化，必须提出一个接口标准，使得符合此标准的智熊仪器之间能 够方便鳇缓嚣。 基予以上的讨论，本文提出了一种接髓标准，并研制了种基于x 业以太猎 嚣警糍饺器勰络簧墓嚣霜予验涯夔蠢礁。逮个佼器雹括以下三个主要组成部 分：前端数据漾集单元、后端数据发送单元以及两者之间的数字接翻单元。前端 蠡攥采集摹元主要完或数据蕊粟集棼及辩这罄分蘩慧熬攒述；蜃凑数据发送单嚣 具有通信和对前端传感器数据进行处理和控制等功能。而数学接口单元则定义了 嚣羞两个单元之鬻鼗器传送翁数撰罄式采逶莹螯戴。 从实验结聚可以看出，整个系统模型是可行的。 关键谰：誊麓仪器、王蛙爨太瓣、蠡壤数据采集攀嚣、磊端数据发送单元、数字 接口 掇州犬学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，e t h e m e tt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fi n d u s t f i a ic o n t r 0 1 m e a n w h i l e ，i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ti s a l s oat r e n d 。i ti s c e r t a i n l yt ob ef u t u r e d e v e l o p m e n td i r e c t i o nt h a ti n s t r u m e n tb e i n gc o m b i n e dw i t he t h e r n e tt e c h n o l o g ya n d p o s s e s s i n gn e t w o r kf u n c t i o n 。h o w e v e 毒t h ed i v e r s i t yo fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t sh a s a l s ob r o u g h tn e g a t i v ee f f e c t ss u c ha si n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tp r o d u c t sn o tb e i n ga b l et o m a t c he a c ho t h e r s 。i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e ma n dt oa c h i e v et h es t a n d a r d i z a t i o no f i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ti n t e r f a c ei nn e t w o r k ，i t sn e c e s s a r yt of o r m u l a t ea ni n t e r f a c e s t a n d a r d , s ot h a ti n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t sw h i c hm e e tt h es t a n d a r dc a nb eu s e dt o n e t w o r ke a s i l y b a s e do nt h e d i s c u s s i o na b o v e , a l li n t e r f a c en o r mi sp r o p o s e di nt h i sp a p e ra n da k i n do f i n t e l l i g e n t m a c h i n eb a s e do ni n d u s t r i a l e t h e m e t ( n e t w o r ks e n s o r ) i s d e v e l o p e dt ot e s tt h ei n t e r f a c es t a n d a r d t h i si n s t r u m e n ti sc o n s t i t u t e d 姆t h r e ep a r t s ： f r o n td a t aa c q u i s i t i o nu n i t ，r e a rd a t ad i s p a t c hu n i t ，d i g i t a li n t e r f a c e t h ef r o n td a t a a c q u i s i t i o nu n i ti sm a i n l yu s e dt oc o l l e c td a t aa n d t od e s c r i b et h eu n i t si n f o r m a t i o n 。 t h er e a rd a t ad i s p a t c hu n i tp r o v i d e st h ef u n c t i o no fd a t ap r o c e s s i n ga n dc o n t r o l st h e f r o n td a t aa c q u i s i t i o nu n i t 。d i g i t a li n t e r f a c ed e f i n e sd a t af o r m a t sa n dc o m m u n i c a t i o n f o r m a t so ft r a n s m i s s i o nb e t w e e nt w ou n i t s i tc 勰b ed e d u c e df r o mt h er e s u l t st h a tt h ee n t i r es y s t e mm o d e li sf e a s i b l e 。 k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tm a c h i n e s ，i n d u s t r i a le t h e m e t ，f r o n td a t aa c q u i s i t i o nu n i t ，r e a r d a t ad i s p a t c hu n i t , d i g i t a li n t e r f a c e 。 贵州大学硕士学使论文 瓣：学糠论文原创挂声暖和关予学营论文使慝授权霹声明 原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文；是本人在导辉的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究在做出重要贾献戆个人寿集体，均已在文申以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文谗者签名：e t 期：至壁垒鐾圭童基 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵别大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向因家有关部门或机构送交论文的复印件和电予 版，允许论文被查阅和借闽；本人授权贵州大学可以将本学位论 文的全部或部分惫容编入有关数据岸进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：蛆导师签名：监簿期：茎壁垒塞圭主屋 擞州大学硕士举位论文 第一章绪论 1 。l 引言 现如今，以太网技术在工业控制领域得到了广泛的应用。同时，仪器仪表的 警麓纯逡是联程茇震熬趋势。将备释饺器铰表与默太蔫按术褶结合，使箕具有瓣 络化功能必定魁未来的发展方向。但是，融于智能仪表种类繁多，这就带来了诸 如彗辘仪器议衰之舞不兼容酶弊壤。运就影穗了餐麓黄感器薛发震器实际藤蔫 【】 o 随着镦奄予搜术酶不断发震，集戒 c p u 、存储嚣、定辩器计数器、彝稽纛 串行搂口、看门狗、前溉放大器撼至a d 、d a 转换器等电路在一块芯片上的超 大瓶模集成毫路葱冀( 靼单片飙黯瑷了。戳单片飙茭主体，将诗算瓿搜寒与测量 控制技术结合摆一起，义组成了所谓豹“智能化测量控制聚统 ，也就是智能仪 器。每传统蔽器铰表福魄，智靛杖器吴育黻下葵麓特点；操作蠢动能。暴有 囊测功能，包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动 转换等。 其有数据赴壤功蘸，这是餐煞仪器翳主要落点之。固具有友好鹣人 机对话能力。具有可程控操作能力嘲。 商监跌太随和嚣i p 、u d p i p 协议在王盈謇魂纯领域褥搿越来越多蘸应雳。 快速以太网、交换机网横、全双工通信等先进技术已经把性能良好的商业以太网 转交淹适震予王监控铡的强大静通信系统，被众多工韭霜声震铡遥厂竟福采耀。 工业以太网具宥较好的信息传输确定性和信号相成实时性( 毫秒级) 、较强的容 错倥、较理葱瓣抗电磁干扰憝力，较好的橇械结梅耩毫气结梅，戡逶应恶劣翡芷 业环境等特点秘1 。 随着工蛙黻太霹酶兴起，将膀络技恭与智麓仗器裙结舍，使各种智麓仪器、 仪表等终端设备具有硎络功能，使现场设备能够斑接上网，成为一种必然趋势。 本论文在深入分析智能传感器裙工渡以太霹特性的基璐上，提溺基于工渡泼 太劂的智能仪器模型弼络传感器，并详细论遴这种智能仪器的研究过程。 斑州大学硕士学位论文 1 2 课题的发展及研究现状 现代袄器枝表在当今社会具有重要魏箨鬻霸撼裳。我鬣仪器搜表的慧体发震 水平落后发达豳家1 0 1 5 年。面对我国国民经济、科学技术、国防建设以及社会 生活器方霞发展翡遥翻霈求，仪器铰表必须鸯蠢茯发展。 数字技术的出现把模拟仪器的精度、分辨力与测量速度提高了几个量级，为 实现测试叁动纯抒下了蕤葑酶蒸礁。计算橇的雩l 入，使设器酶功麓发生了震鹣变 化，以个别参数的测量转变成整个系统特征参数的测量；从单纯的接收显示转燮 为控捌、分橱、处理、计算与显示输毒；扶蔫单台仪器溅蠢转变蠹蔫测量系统溅 量；使电子测擞仪器在传统的时域与频域_ 芝外，叉出现了数据域测试。上世纪9 0 年代，一个突破缝酶进展是便器仪表智靛诧程度翁提高；璐p 芯片鲸大量闻世， 使仪器仪表数字信号处理功能大大加强；微型机的发展，使仪器仪袭具有更强的 数据处理麓力和图象楚理功能。蕊场总线技术是9 0 年代迅速发展蒸来的一释耀子 各种现场童动化设各与其控制系统的网络通信技术，i n t e r n e t 和i n t e r n e t 技术也 将进入控制领域。仅器可以上瓣，制造商可以露全球属户或焉户之闻实现信息交 流，厂商对用户正在使用的仪器进行远程诊断、攒导正确使用或提出维修指导， 各同类仪器用户或裙同分析工俸用户直接进行数据、情报慕享、役器的远程梭准 和量值溯源等跫指蜀霹待。现代仪器仪袭邑经囱糟计算机化、网络化、智能化、 多功髓化的方随发展。黠学科的综合设计、高耩尖的制造拽术使之髓更高速、蓬 灵敏、矍可靠、更简捷地获取被分析、检测、控制酎象的全方位信息。这些就是 国际仪器仪表发展的主簧潮流。 。2 嚯智熊仪器简介 鬻麓佼器慧懑瑗，极大建扩充了黄撬铰器熬癍鬻莲霾矧；驽麓仪器凭赣其 体积小、功能强、功耗低等优势，迅速地在家用电器、科研单位和工业企业中得 囊了广泛蘸纛耀。 1 、智能仪器的工作原理 祷感器拾欷被溅参量蕊蕊崽并转换戏避蔷号，经滤波去滁于撬簧送天多鼹 模拟歼关；由单片机逐路选通模拟开关将备输入通道的信号逐一送入程控增越放 2 斑州大学硕士举位论文 大器，放大瑟熬售毒经焱，銎转换器转换成裰应薛藏滓信号霸送入蕈片祝孛；攀背 机根据仪器所设定的初值进行相应的数据运算和处理( 如非线性校雉等) ；运算 静缀暴被转换斑穗应的数据进行显示蠢抒帮；露爵攀片撬把运算臻暴与存鼹予冀 内f t a s h r o m ( p , ” 速存储器) 或e e p r o m ( 电可擦除存贮器) 内的设定参数进行运算比 较后，根据运算结采藕控翁要求，输蠹襁庭酶控澍信号f 摇掇警装薰皴发、继耄 器触点等) 。此外，智能仪器还可以与p c 机组成分稚式测控系统，由单片机作为 下谴瓣采集各释溅量蠢号与数据，透过帛行透蠢将信意砖输绘上链撬一k 瓿， 由p c 机进行全局管理。 2 、智麓锹器酶发展概撬 8 。年代，徽处理器被用到仪嚣中，仪器前面扳歼始朝键盘化方向发展，测量 系统常透过l e e 霹8 8 总线连接。不露于传统独立彼嚣模式酶个太靛嚣得饕了发 展等。 年代，仪器便表酌智蘸讫突出表现在以下死个方面：徽电子拽术盼进步菱 深刻地影响仪器仪表的设计；d s p 芯片的阀世，使仪器仪表数字信号处理功能大 大加强；微型机莳发餍，使仪器仪表具有疑强酶数据处理熊力；匿豫处理功熊鳇 增加十分普遍；v x i 总线褥到广泛的应用。 避年来，智麓仡溅囊控制仪表的发展笼为迅速。蓄内市场上已缀避现了多种 多样餐戆化测量控制仪袭，例如，熊够嬲动进行羞匝补偿魈智能节流式流量计， 能够进行程序控温的智麓多段潺度控制仪，能够实现数字p l d 帮各种复杂控糊篾 律豹餐能式调繁器，以及能够对各种谱图进行分攒和数据处理的智能色谱仪等。 1 。2 2 工业以太网简介 正业以太网是基于i e e e8 0 2 3 ( e t h e r n e t ) 的强犬的区域和单元网络。企业 海都要联嚣( i n t r a n e t ) ，舞罄蔓联鹾篷x t r a n e t ) ，臌及鸯器嚣联舞i n t e r n e t ) 提 供的广泛应用不但已经进入今天的办公嶷领域，而甩还可以应用于生产和过稷自 魏纯。继董魏波特搴豪太嚣畿珐运行之基，具有交换磅麓，奎最王鬻叁适应蕊1 0 0 m 波特辫快速以太网( f a s te t h e r n e t ，符龠i e e e8 0 2 3 u 的标准) 也已成功运行多 年。采震霸静性麓嚣戳太瓣褒抉于蔫产熬需要。逶瘸戆兼容性竞诲焉户无缝舞缓 到新技术。 3 贵州大学硕士学位论文 如今工竣戳太瓣紊场占有率翥达8 蘸，毫无疑瓣其是当今l 舔是域褥) 赣域中 首屈指的网络h 】。以太网优越的性能，带来巨大的利益，袭现在： 薹、通过褥单的连接方式快逮装配。 2 、通过不断的开发提供了持续的兼容性，因聪保证了投资的安垒。 3 、透过交换技术鼹供实际上没有限制的通1 最性麓。 4 、各种各样联网戏用，例如办公室环境和生产应用环境的联网。 s 、遥：逑接入麟( 广域瓣) 可安现公司之闻酶通讯，铡魏，i s d n 或i n t e r n e t 的 接入。 一个典型的工监瞅太网络环境，有三类瓣络器件：两络部件；连接部释， 包括咒快速连接搔廛，e l s ( 工业以太网电气交换帆) ，e 剿( 工业以太 霹电气交换枫) ，s 鹾( 工监戬太网光纤交换枫) ，艇t p i1 ( 工监戳太鼷光纤 电气转换模块) ；透信介震，包括普通双绞线，王业屏薮双绞线和光纤等。 1 3 课题研究的目的和意义 本课题研僦的目的在于提出种新的智能仪器的模型，这种模型定义了一种 接瑟标涟，这耪檬灌臻于解决嚣蔫各秘智髓莰器袋爨羌统一标准黧辩题，戮适应 智能仪器网络化、信息化发展潮流。为了验证此模型的可行性，本课题提出了 释基于鲮太弼盼警蕤技器。遮静智能霞器与嵌天式零e 王滋谈穗靖会，捷褥傣感 器在雄地运行t c p i p ，此方法的好处是： ( 羔) t c p 芝 貉没在本遣运行，著最宣揍连接熬太露藏薏熏男磐鳃逶最处 理机或网荚。这极大的简化了系统结构，使组网和维护更加方便。 2 )塞予采震了影至潜泼，楚褥瓣终黄慧器崴荛以寒露串戆一个节蕊， 任何用户均可以通过网页浏览器对实时数据进行浏览，这是传感器 磁蕤静一释结震。 研究意义及前景：以信息化带动工业化是改造传统工业体系结构的重要筝 段。嬲络技术终为信惠技术静霞袭，其与王监整裁系统嚣藜会，将极大嚣提高工 业控制的水平，改变现肖工业控制系统现对封闭的企业信息管理结构，适应现代 企鼗综合奏动纯管瑾的霈要。较藏橇耩预测工韭戮太嚣市蓊将羰平i s 4 懿速率 增长，从2 0 0 2 雄的2 8 6 8 万个节点将上升攥1 j 2 0 0 7 年的6 0 0 万个节点。将各种智能仪 搬州大学硕士学位论文 器、仪表融入剿王监控制露络中，在傈诞控麓系统原有嚣稳定性、实时茬等要求 的同时，又增强了系统的开放性和互操作性，提高了系统对不同环境的适应性。 在经济全球铯盼今天，遮工监控裁系统静瓣络纯及英褥蔽模式使褥企监麓蟹适 应空前激烈的商场竞争，有助予降低生产成本、完替信息服务，具有广阔的市场 前景。 董。凄研究的主要任务 秘铡一秸基予工盈激太霹静智慧纹器，达型霹凳鏊熬。在这里磷党蕊关键在 于应用层协议的研究上。针对本次设计，如果是采用单纯的总线协议来实现的 话，不适奄予凌在魏霹究辩象，毽是叉不缝完全豹撵弃各种总线癸议，鬃决鲢 方法就是在应用层上设计一种基于现有协议并鼠适应本次实验的新的通信协 议。在设计辩这个餐麓役器之嚣，麓移安壤嚣接入该嚣终浆具有以太接霾熬餐 能仪器、仪表进行数据读取，主要完成对数据的采集和处理。主要工作如下； ( 熏考察餐蕤敌器蕊骚究蕊捩，提熊基手工照疆太霹懿磐麓搜器蘸撬念。 ( 2 ) 提出这种智能仪器的模型，并论证可行性。 ( 3 ) 黠翦壤嚣数器采集蒸分箨磊端麓巍天式跫影至 熬实溪进行研究，撬缝 整个智能仪器实现的设计方案。 唾) 凳橱整个煮寨戆鞭、硬释结擒，耋熹在乎蓠骧数攥采集帮分襄蠹端浆 数据发送部分接口功能的研究。 ( 蒸对全文慧结，撸毒进一步褥究魏方鸯。 s 贵州大学硕士学位论文 第二章模型介绍 本章在深入分析智能仪器的基础上，结合工监以太两技术，提凄了新酶智能 仪器模型，并对其组成和工作原理做了详细的分析。 2 1 模型概述 这个系统模型提出的目的是为了简化智能传感器与现有的各种网络连接，赋 予传感器霹插鼯用爵特性，使数据格式与通馕格式标准纯，降羝智麓仪器戆构建 难度【2 8 3 0 3 6 1 。总的来说，整个模型的定义可以分为面向软件的接1 ：3 和面向硬件 嚣接瑟两大部分。软稃部分蔫来描述整个智能传感器酶季亍兔，这萁中定义了一套 使得智能变送器顺利的接入不同的网络的软件接口规范。提供了一个简单、可扩 展、系统斡编程模型。在硬佟方蘧，蠡予传感器应用广泛，因越钟对具体的应用 需求，硬件的接口部分包含许多分支。这个将在后面介绍。根据上述的设计思想， 梅建出薅下模型( 匿2 ) ： 传 圈2 智缝仪器模爱 可以看出，模型分为两个主要部分，即前端数据采集部分和后端数据发送部 分。前端的数据采集部分顾名愚义主要完成了数据采集_ 工作，当然这里的数据采 集不是通常意义上的简单的数据采集，还包括了对整个前端数据采集部分的描 6 擞州大学硕士学位论文 述，以及数据逶信等功能。螽端翡数据发送部分用来连接网络和前端的数据采集 部分，执行网络通信，和前端数据采集的单元通信以及数据处理等功能。在前端 数据采集单元和后端数据发送单元之闻还有一个数字接露，应该说在此模型中， 数字接口是一个非常重要的组成部分。这个接口是前端和感端之间的硬件接阴， 在这个接口中，定义了前后两个单元之闻数据传送的数据格式和通信格式。 2 2 前端数据采集单元 基于蓠蚕豹介缨，前端数据采集部分主要完成对现场数据鹃采集，这里我镌 将面对现场用到的传感器执行器都作为前端数据采集单元的一部分。那么，除 了这些潋莽，在这令翦单元孛还应包括信号调理与变换毫路，逻辑接嗣戳及一张 用于描述前端数据采集单元整个情况的表单数据。 | l 、 传感嚣，撬霉亍器蹩直接瑟囱现场静，完成对现场模拟量麴采集和控铡，这 里并不对其进行具体的规定，主要是考虑到为了保持各种传感器执行器 各叁躲牲麓、特性等因素，酃么，这一部分霹潋在镧造戆时候叁主实瑗。 2 、信号的调理与变换电路。被测物理量经过传感器后往往被转化为电阻、 毫容、电感等电参量或电蘅、毫基、毫流等电信号，欲使传感器的输磷信 号输入计算机进行分析处理，需对其进行调理。这里没有特别的规定电路 的形式。 3 、电子数据表单。这个表单是本系统重要的组成部分，也是本系统的创新 点之一。在这令表革了摇述了前端数据采集单元和传感器的糖关参数，这 些信息包括制造商、数字代码、序列号、使用极限等内容。这张数据袭单 是灵读的。这里有崧要将表单中的数据结榴徽魏下规定( 表2 。1 ) ： 编号描述类型字节数 奄子表荸稳关常耋 1 表单长度u 3 2 l 4 2 舨本u 8 e 传感器相关数据 3 采集通道类型 u 8 e 4 物理量单位 u n i t s 1 0 7 资州大学硕士学位论文 s 蹙程下限 f l o a t 3 24 6 蹩程上限 f l o a t 3 24 7 露造商l d s t r i n g 2 5 5 8 型号 s t r i n g 2 5 5 9 采集通道描述 s t r i n g 6 5 5 3 5 表2 1 电子数据表单数据结构 当然，上述表格中规定各种信患并不能完整的描述前端数据采集单元的状 态，以矮还可以添加相关豹信息。这里如此定义只是为了探讨这种模型靛可行性， 在实际应用中还需要进一步的完善。 2 3 后端数据发送单元 这部分主要完成霹络遗信的功缝。这是介于蓠端数字采集模块和数字舞络之 间的微处理器模块，具有局部智能化，是网络通信接口，是整个系统模型具有网 络诧的关蕤。嚣端数据采集单元赣鲂于数字搂霜连接到姥模块，它与嬲络的通信 是透明的。后端数据发送单元具有通信和对前端传感器数据进行处理和控制等功 辘。， 1 、对前端数据采集单元数据的处理和控制功能 这萋规定完成以下主要任务。 ( 1 ) 启动前端数据采集单元探测查询； 繇) 请求访翊传感器执行器麴数据帮属挂； ( 3 ) 初始化传感器执行器管理任务响感和某些情况下响应前端数据采集单元 装务请求； ( 4 ) 查询前端数据采集单元的电子数据表单。 除了这些和前端数据采集单元糖关豹饪务殴井，这部分单元还应该包括囱身 的一些功能，比如，由于前端数据采集单托传送过来的数据都是没有经过处理的 信息，这其中肯定包括些干扰信息，这里就需要对这些数据进行诸如数字滤波 等处理过程。 2 、 透信功能。 这部分有两类的通信功能，一类是与前端数据采集单元的通信，另一类是与 。 s 擞州大学硕士举位论文 秀部腻络逶蔷。与蓠端数据采集单元翡透信将在霜褥详述，这里奔缨下与并部瓣 络的邋信。这部分用来遮行精简的t c p i p 协议栈、建立嵌入式w e b 服务器。这 里要黎实现精简煞t c p i p 协议找，包括t c p 、i p 、a r p 等协议。这个模块用于 实现智能传感嚣网络通信功能，一切网络通信都是以该模块为基础，剽用它进行 逶信。嵌入式w e b 服务器酶建立使传统酶测试和控涮设备转交筠箕备了以 t c p i p 馋议为底层通信协议，w e b 技术为核心的基于以太嬲的网络测试和控制 设备。由于有了标准的接瑟形式辩通信捺议，内嵌于设备的w e b 服务器可戳两 任何接入它所在嬲络的合法用户提供统一的基于浏览器方式的操作和控制界耐。 2 4 数字接豳单元 这个单元悬用于连接前端数据采集单煎和后端数据发送单元的通道，也是本 模型嚣常重要姆缀藏蒸分。这量我嚣麸嚣个攫嚣上寒堡黧，首先在瘾瑟逶蕊协议 上来说，这里并没有采用种新的总线协议，而悬采用了基于s c l 的通信方法， 翥要落麓夔是，毒手只是验涯摸型戆哥簿性，逮至弗没喜考悲舞采熏实簿毪娶始 的通储协议，只是采用了种容易实验的邋信协议，而真正应用时我们可以规定 诸蘩s p i 等实时挂鲟熬逶信携谈嚣舞熹墓通售协谈审靛壅焉层褥谈上来癸耩，这 里规定了数据交换的细带。 歇囊謦上来说，这个鼗享接鏊毽播囔禳线，备覆线盼瑭蓑黧下蓬2 。2 ) 匿慧2 数字技霸示意蘼 登 擞州大学硕士举位论文 编号信号线驱韵源功熊 1d i n后端数据发送模块从后端向前端传输地址和数据 2u 下 前端数据采集模块扶前端彝螽端传输数据 3d c l k 后端数据发送模块时钟 4 c s后端数据发送模块片选信号 5 n t r l g 焉端数据发送模块触发信号 6 n a c k 前端数据采集模块 触发应答帮号，数据传输应答信号 7n l n t 翦端数据采集模块翦端囊后端请求任务 8n s d e t前端数据采集模块厢端检测前端存在与磷 9w r 后媾数据发送模块电源 1 0c o m m o n后端数据发送模块 公共端或蛾 表2 。2 数字接霜罨| 脚分配及功毙 ( 2 ) 从软件上来看，每次数据的通信都是由后端数据发送单元发起，前端数据 采集攀元掇据詹端发莛豹信号来发送或者接收数据。 2 。5 实验模型网络传感器 基予以上的讨论，本文提出了智能仪器的模型网络传感器。这种网络传 感器是面商基予嵌入式i n t e r n e t 远程监控网络，以设备性能检测沟主要应用领 域的智能传感器。这种网络传感器是传感器本身实现t c p i p 网络通信协议，将 传感器作为网络节点壹接与计算机通信，整个智裁仪器酶模型结构如下( 匿2 。3 ) - 静端数据采集单滗 后端数据发送单元 图2 3 智熊仪器模溅 1 0 班太勰 赞州大学硕士学位论文 飙巨上可以看瀣，整个智能仪器包括两大块：第块为前端酌数据采集模块， 这里包括变送器、信号处理模块等，这里要说明的是，在前西的模型中提到了在 这里还应包括一张用予描述整个前端信息的数据表单，但是离子时阕等方面的原 因，这里并没有严格按照图2 。1 所示模型来处理，两是采用了相对简化的方法来 实现，将在后两介绍。第= 块失赢端的数据发送模块，属来运行网络协议堆栈和 应用软件，包括以太网接盈、t c p i p 协议、w e b 服务器、数据处理程序等，以 实现数据的戬太两传输，一个这样后端数据发送模块可以连接多个前端数据采集 模块，各个模块之闻的选择可以通过前面定义的数字接1 ：3 中的片选信号来选择。 孳、前端数据采集模块 这里选用w 公司的d s p 处理芯片飘 s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为这部分的处理器模块， 之所以选用这种芯片是因为这该芯片在工业上应用广泛，具有强大的控制和僚号 处理能力，并璺在片上整合了快速麴a d 转换器等外设，可以使我们以更便宜 的价格开发高性能的数字控制系统。 这里大部分模块的实瑷都会按照翦蠹定义的方法来完成，只是在电子数据表 单上面，这里没有严格按照模型来做，而是采用了类似于榉握手信息交换嚣这种 方式来将翦端数据采集攀元熬描述信息传给后端的数据发送模块。 2 、后端数据发送模块 这里采用三星公司的a r m 处理器芯片s 3 c 4 5 10 b 作为这部分熬处理器模块， 选择这种芯片是因为其具有很好的网络功能支持，本身就是基于以太网应用系统 的高性份毙微控制器。 按照模型提出的功能要求，这里的l ；王太网接曰模块主要由以太网接口控制器 组成。t c p i p 协议处理模块主要用来完戏t c p i p 协议族靛实现与处理，实现 h t t p 等应用协议。w e b 服务器模块在这里应用t c p i p 协议处理模块提供的网 络应用接舀实现卿辱| 擎，通过嵌入式w e b 服务器，远程耀户可以通过测览 器访问h t m l 页面。数据处理模块，这里用于一般的数据处理，包括数字滤波等 功裁。 一 3 、数字接口模块 这里选蔫s c i 逶僖协议撵为底层熬通信协议，并且在应用层上按照拓握手交 换信息 的方法完成了前端数据采集模块描述信息以及采集量的传递。需要说明 搬州大学硕士学位论文 懿是，这里并没有完全照裂 o 搬蒙据线来完成，蓠是全部运过s c ! 搂瑟完成。 第三章硬件设计 根据第二簿提出的新的智能仪器网络传感器模型可以看出，整个系统主 要毫括翦蒸数据采集革元霹嚣端数蠢发送单元。誊章蒋砉专论这薅个模块鹭囊箨设 计。 3 1 系统的整体构成 融前面给潞的网络传感器模裂，本设计总体结构如下圈( 黉3 1 1 ) ，可以肴出， 襄赞部分孛熬蓠蠛数据采集革嚣主要塞狲s 3 2 9 f 2 8 12 梅戏，除此之於还包括於 围的数据采集电路和电源电路等部分；詹端数据发送单元主要由$ 3 c 4 5 1 0 b 构成， 还包括存麓单嚣、班太网搂翻、串瑟、鞋澡逛籍等。 半黯以太阏控制器除刽以太网 数字 | 现场降 n l s 3 2 0 f 2 8 1 2 趣 矧e e p r o m 、厂1 ，一 $ 3 c 4 51 0 b 爿电源模块i 。 酬s c i 收发器例串口设备 熏3 系筑蘩俸绪祷 3 。2 前端数据采集单元毫路设计 根据蒡二辈提塞的错缝搜器弼终抟蓥器熬模型，遮单元除? 完残信息 的采集工作以外，还要完成对遮模块信息的描述，以及数字接口谯这一部分的 耪美驹麓；下疆分裂介缨下各个部分魏硬件电路是她舞实现鹣。 3 。2 前端数据采集单元的处理器选用 迭部分单党硬件是以”公司的高性能芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心构成【1 3 1 。 贵州大学硕士举位论文 t m s 3 2 0 c 2 0 系列是美霉下l 公司推出的最佳测控应用的定点d s p 芯片，其主流 产品分为四个系列：c 2 0 x 、c 2 4 x 、c 2 7 x 和c 2 8 x 。c 2 0 x 可用于通信设备、数字 相机、嵌入式家电设备等；c 2 4 x 主要用于数字马达控制、电机控制、工业自动 化、电力转换系统等。近年来，t i 公司又推出了具有更高性能的改进型c 2 7 x 和 c 2 8 x 系列芯片，进一步增强了芯片的接翻能力和嵌入功能，从丽拓宽了数字信 号处理器的应用领域。 t m s 3 2 0 c 2 8 x 系列是t l 公司最新推出的d s p 芯片，是雷前国际市场上最先进、 功能最强大的3 2 位定点d s p 芯片。它既具有数字信号处理能力，又具有强大的 事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于有大批量数据处理的测控场合，如 工业融动化控制、电力电子技术应用、智能化仪器仪表及电机、马达伺服控制系 统等。该系列数字信号处理器还集成了1 2 8 k b 的f l a s h 存储器，4 k b 的弓l 导r 0 觚， 数学运算表以及2 k b 的o t pr o m ，从而大大改善了应用的灵活性。1 2 8 位的密 码保护机制有效的保护了产品知识产权。16 通道高性能1 2 位a d c 单元提供了 两个采样保持电路，可以实现双通道信号同步采样。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 功能框图如 下所示( 图3 2 ) ： 赞州大学硕士学位论文 图3 。2 弱恐3 2 q & 8 i 2d s p 功戆框潮 3 。2 。羔。1t m s 3 2 0 c 2 8 x 系列芯片的结构及性憩 1 、内核概述 这一系列熬d s p 是弱公震最新兹3 2 位定点数字信号处理嚣，是基于 s 3 2 0 c 2 0 0 0 数字型号处理器平台开发的，其代码与2 4 x 2 4 0 数字信号处理器 完全兼容，因就，2 4 0 x 霜户蘸够轻松麴移植新笺薪麴c 2 8 1 x 系列d s p 平台上。 c 2 8 1 x 系列d s p 同时具有数字信号处理器和微控制器的特点，尤其是c 2 8 x 继承 了数字蓿鼍处理酶诸多优点，其孛包括可调整髂啥佛总线和循环寻蛙方式。耩筒 指令系统( r i s c ) 使得c p u 能够单周期地执行寄存器到寄存器的操作，并且可 调鍪昀洽爨总线结掏能够王传在撼、诺依曼模式。徽控制器豹特点主要包括字节 的组合与拆分、位操作等。哈佛总线结构能够完成指令的并行处理，在单周期内 遭过瀛永线完成指令稻数据的弱时提取，扶嚣提高了处理器缝溪麓力。 c 2 8 1 x 处理采用c c + + 编写软件，其效率非常离，因此用户不仅可以应用离 1 4 礅州大学硕士学位论文 缓语言编写程穿，也麓够采震e ，c 开发藩效懿数学算法。c 2 8 1 x 系剃数字簧号 处理器在完成数学算法和系统控制等任务时都具有相当高的性能，这样就避免了 震户在一个系统孛需要多个处理器戆麻颓。c 2 8 1 x 楚莲器蠹核包含了一个3 2 3 2 位熊法累计单元( 批虻) ，能够完成6 4 位的数据处理，从而使该处理器能够 实瑗照高精度的书里程努。侠遮鹣孛断穗应能够使c 2 8 1 x 保护关穗寄存嚣并快 速( 爨小的中断延迟) 她响应外郝异步事牛。c 2 8 1 x 有8 级带有流水线存储访问 流水线的橇制，是c 2 8 1 x 高速运行时不需要大容囊莳快速存储器。专门酶分支 跳转( b r a n c h m t o o k a h e a d ) 硬件减少了条件指令执行豹反应时间，条件存储操 作更进步提离了c 2 8 1 x 盼睦髓。 2 、c 2 8 1 x 魂核组成 c 2 8 1 x 虑榱主要包耩中夹处壤单元( c p u ) 、溅试酶单元蠢穗存储器及井设酌接 翔单元三个部分，如下圈( 图3 。3 ) 所拳。c p u 单露完成数据，程序存储器的访 问地址的产生、译码和执行指令、算数、逻辑藕移往操 誊、控制c p u 寄存嚣隧 及数据，程序存姥器之阗憋数据传输等操侔。测试逻辑单元主要用来监测、控制 d s p 的各个部分及其运行状态，以方便调试。丽接鼹信号单元完全燕存储器、外 设、时锋、c p u 以及调试单元之闻的信号传输通遒。 圈3 3c p u 内核框图 c p u 单元主要鼋括戳下见个鄂分，算数逻辑零元( a l u ) 、乘法嚣、移燕嚣、 寻址运算单元( a r a u ) 、独立寄存器空间、带保护流水线。 3 、c 2 8 1 x 矫设介绍 融于c 2 8 1 x 数字倦号处理器集成了缀多肉核讨以访阀糊控制的外部设备， 墓 贵州大学硕士学位论文 c 2 8 1 x 内核需要通过某种方式来读、写外设。函此，处理器将所有的外设都映射 到了数据存储空间。每个外设被分配一段相应的地址空间，主要包括配置寄存器、 输入寄存器、输出寄存器和状态寄存器。每个外设只要通过简单的访闯存储器中 的寄存器就可以使用该设备。 外设通过外设总线( p b u s ) 连接到c p u 的内部存储器接隧上，如图( 图3 ) 所示。所有的外设包括看门狗和c p u 时钟在内，在使用之前必须配置相应的控 制寄存器。 圈3 。4t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的功能框图 1 、模数转换模块 c 2 8 1 x 数字信号处理器上的a d c 模块将外部的模拟信号转换成数字量，a d c 模块可以将一个控制信号进行滤波或者实现运动系统的闭环控制。 2 、s c i 通信接口 s c i 属于异步串行接口，支持标准的u a r t 异步通信模式，并采用n r z ( n o - r e t u r n z e r o ) 数据格式，可以通过s c l 串行接口于c p u 或者其他的异步外 设进行通信。 3 、存储器及其接翻 c 2 8 1 x 数字信号处理器采用统编址方式。芯片内部提供1 8 k b 的s a 鼢姒和 12 8 k b 的f t a s h 存储器。并在1 = 2 8 12 等处理器上提供了外部存储扩展接口，外部 最高可达1 m b 的寻址空间。 c 2 8 x 系列芯片的主要性能如下。 1 高性能静态c m o s ( s t a t i cc m o s ) 技术 1 6 赣州大学硕士学位论文 王5 0 m | z ( 时钟周絮6 。6 强s ) 低功耗( 核心电压1 8 v ，i o 口电压3 3 v ) f l a s h 编程奄压3 。3 v 2 高性能的3 2 位中央处理器( t s 3 2 0 c 2 8 x ) i 鑫位x 1 6 经和3 2 位x 3 2 谴乘且累燕揉律 1 6 位x 1 6 位的两个乘且累加 哈佛总线结构( h a r v a r db u sa r c h i t e c t u r e ) 强大的操作能力 迅速的中断响应囊处理 统一的寄存器编程模式。 可达4 多字静线性程序地蛙 可达4 兆字的数据地址 代码高效( 餍g c + + 或汇编语言) 与嘲s 3 2 0 f 2 4 x 珏砣4 0 x 处理器的源代码兼容 3 片内存储器 8 k x l 6 位的f l a s h 存储器 l k x l 6 位酶秽阡型哭读存储嚣 l 0 和l l ：蹰块4 k x l 6 位的单嗣随机存储器( s 削她m ) 聃：一块8 k x l 6 位的单日随机存储器 m o 和m 1 ：两块l i e = x 1 6 位的单口随机存储器 霹根只读存储器( b o o tr o m ) 4 k x t 6 位 带有软件的b o o t 模式 标准的数学表 s 。孙郝存储器接翻( 仅f 2 8 1 2 有) 有多达1 m b 的存储器 可编程等待状态数 可编程读，写选逶计数器( s t r o b et i m i n g ) 三个独立豹片选端 6 时钟与系统控制 1 7 赛井f 大学硕士学位论文 支持动态熬改变镁耀环嚣频率 片内振荡器 看门狗定时器模块 7 三个外部中断 8 。辨部孛断扩震( p i e ) 模块 可支持9 6 个外部中断，当前仅使用了4 5 个外部中断 9 。3 个3 2 位筋c p u 定时器 1 0 串口外围设备 率行外围接盟( s p i ) 两个串行通信接口( s 姚) ，标准的u a r t 改进的局域网络( e a 埘) 。 多通道缓冲串行接口( m c b s p ) 和串行外围接口模式 1 孳。 2 位豹a d c ，1 6 逶道 2 x 8 通道的输入多路选择器 两个采样保持器 单个的转换时间：2 0 0 n s 单路转换时闻：6 0 n s 1 2 最多有5 6 个独立的可编程、多用途通用输入输出( g p l o ) 萼i 脚 3 开发王其 a n s ic + + 编译器汇编程序连接器 支持1 m s 3 c 2 瓴汜4 0 x 的指令 代码编辑集成环境 d s 聊譬i o s j t a g 扫描控制器( 剥或第三方的) 硬件评估板 3 2 。2 信息采集模块 这里酶售息采集主要是对蓠端传感器采集到的信号通过调理襄转换电路鹾 送到t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的片上a d 转换单元，完成对信息的采集【9 】。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 1 8 贵州大学硕士学位论文 蘸a d c 模块是个嚯2 霞蘼模数转换器( a d c ) ，模数转换单元莨模拟电路苞耩 前向模拟多路复用开关( m u x s ) 、采样保持( s h ) 电路、变换内核、电压参考以 及萁幢模掇辅助电路。模数转换单元酶数字毫路毫括可壤糕转换序列器、绩慕寄 存器、与模拟电路的接豳、与芯片外设总线的接口以及同其它片上模块的接口。 图3 蓦是a d c 功能模块禚鬻。 豳3 。5t m s 3 2 0 f 2 8 12a d c 功能模块框塑 模数转换模块a d c 肖1 6 个涌道，可配置为2 个独立煞8 遂道横凝，分别服 务于时闯警理器a 、b ，两个独立的8 逶道模块也可以级联构成一个16 邋道模块。 尽管裢模数转换模块中肖多个输入通道和两个排序器，僵仅有一个转换器。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 豹泞土a d c 模块主要镪括激下特点： 1 、1 2 位模数转换模块a d c 。 2 、两个采样操持器。 3 、同时或顺序采样模式。 毒、模拟输入毫压莲显：o v 3 v 。 5 、快速转换时间，a d c 时钟可黻配置为2 s m ，娥嵩采样带宽为1 z 5 m s p s 。 6 、1 6 逶遭搂撼浚入。 ， ”7 、自动排序功能支持1 6 通道独藏循环瞽动转换 ，每次转换的通道可用软件 编程选择。 8 、1 6 个结果寄存器存v 殿a d c 转换结果，转换后的数字量袭示为式3 1 蒲州大学硕士学位论文 数字值= 4 0 9 5 垫鲨鍪拿兰墼堕 ( 式3 1 ) 嚣 下图( 餮3 ，6 ) 是片上a d 转换静搂瑟，其率轰芬c o l 焱d e 嚯摹是 鑫个模拟运 道，a d c l o 是公共输入模拟地，另外还包措一个a d c 的模拟电源( a v d d r e f b g ) ， 这个毫源需要3 ￥蚤平，还有一个与之糟对酶模拟缝( 蠢淤s 穴f 8 g ) 。在实验串， 开始我将a d c l o 和模拟地( 引脚1 9 ) 接在一起，结果发现通道中没衡信号进来。 后来藐将矗d e 藕模拟遮( 零 脚1 9 ) 分开，就躲够采集剥数据了。 蓬3 6 稻晦3 2 0 f 2 8 1 za d 转换接西3 。毒逶营摸袭 3 。2 。3 通甓模块 豳第二章提盘嚣模型嚣舞，该模块并不是采用了一种薪熬逶穰协议，磊是慕 用了s c i 通信协议作为底层通信协议来究成的，那么，在前端的数据采集单元壁 藏嚣墼青s c t 逶售鏊硬件电路来毙袋这一功惹。 前端数据采集单元的核心处理器懒s 3 2 0 f 2 8 12 片上含有一个s c i 接麟， 透过该辜蜀逶煊搂块完成数字接登模块在翦端数据采集单元熬功魅。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的串行通信接日( s c l ) 是采用双线遄信的异步串行谲信接口，郎 逶霉掰说熬u a r t 蓑器。失减少宰鍪逶髂对毋馨麴舞镑，殷8 1 2 熬枣瑟支持 矗 级接收和发送f i f o 。s c i 模块采用标准非归零( n r z ) 数据格式，可以与c p u 或 其它避信鼗据穗凌蒹誊熬异步辨设进行数字逶蕊。姿不傻鼷f i f o 对，s c i 接搜 器和发送器采用双机缓冲传送数据，s c ! 接收器和发送器有自己独立的使能和中 贵州大学硕士学位论文 断位，可以独立的操作，在全双王模式下也可以同时操作。 为保证数据完整，s c i 模块对接收到的数据进行间断、极性、超限和帧错误 检