計算機和網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，引發(fā)了控制領(lǐng)域深刻的技術(shù)變革?？刂葡到y(tǒng)向網(wǎng)絡化、開放型的方向發(fā)展將是控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主流。 以太網(wǎng)(Ethernet)作為目前最流行的局域網(wǎng)技術(shù)，最典型的應用形式是Ethernet+TCP/IP，即靈活的Ethernet底層加上幾乎已經(jīng)成為通用標準的網(wǎng)絡傳輸協(xié)議TCP/IP，使得以太網(wǎng)能夠非常容易地集成到以Ethernet和Web技術(shù)為代表的信息網(wǎng)絡中。
　　本文將著重介紹一種帶有以太網(wǎng)端口的智能過程控制儀表的硬件設(shè)計方案。該儀表可以實現(xiàn)儀表間的數(shù)據(jù)通信和儀表自控制、自調(diào)整、自診斷、自標定的功能，同時，儀表的以太網(wǎng)端口可以通過Internet對儀表實現(xiàn)遠程監(jiān)控。
1 智能儀表的硬件設(shè)計
1.1 RCM2200簡介
　　RCM2200以 Rabbit半導體公司推出的高性能八位器件——Rabbit 2000型微處理器為核心；采用帶RJ-45插口的內(nèi)置10Base-T端口，簡化了網(wǎng)絡連接，便于開發(fā)帶以太網(wǎng)接口的監(jiān)控、通信設(shè)備；配備有四個串行口，擴展方便；擁有26根并行的I/O" title="I/O">I/O引線以及16根可設(shè)置的I/O引線，無需擴展即可完成一半的I/O任務。擁有256K Flash、128K SRAM，用于代碼存儲和數(shù)據(jù)存儲；內(nèi)建時間、日期、看門狗、定時器等一應俱全；采用雙列直插式引腳封裝，尺寸僅為5×941×22mm。這種結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)集成的以太網(wǎng)連接，在減小體積的同時降低了成本，并大大縮短了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)周期。
　　RCM2200模塊的基本框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 硬件功能及原理框圖
　　本智能儀表選取嵌入式模塊RCM2200作為整個硬件系統(tǒng)的核心，再配以簡潔的外圍電路來實現(xiàn)。其主要功能如下：
　　(1) 由于通過嵌入式模塊RCM2200將一個10Base-T的以太網(wǎng)端口嵌入到現(xiàn)場儀表中，因此能夠通過以太網(wǎng)訪問儀表的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。
　　(2) 能夠通過儀表LCD顯示被控過程變量，調(diào)節(jié)參數(shù)。
　　(3) 能夠采集調(diào)理過的脈沖輸入信號和電壓模擬輸入信號。
　　(4) 可以完成四路獨立的自整定控制功能，出現(xiàn)典型故障時可以自動識別，并且有報警功能，為大批量工業(yè)生產(chǎn)打好基礎(chǔ)。
　　(5) 擴展出了RS-232和RS-485串行通訊接口。
　　(6) 具有四路數(shù)字量輸入和兩路數(shù)字量輸出。
　　(7) 由于在設(shè)計上強化了整個儀表的抗干擾能力以及自我恢復功能，保證了儀表能夠常年不間斷工作。
　　硬件系統(tǒng)的內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 外圍硬件電路設(shè)計
1.3.1 A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換電路
　　A/D轉(zhuǎn)換電路" title="轉(zhuǎn)換電路">轉(zhuǎn)換電路采用TLC1543來完成，它是一種十一個輸入通道、10位分辨率的高性價比A/D轉(zhuǎn)換器。TLC1543的A0～A10作為電壓模擬信號的輸入端口，ADDRESS作為串行數(shù)據(jù)輸入端。在I/O CLOCK的前四個脈沖上升沿輸入四位數(shù)據(jù)流到地址寄存器，控制十四通道模擬多路器從十一個模擬輸入和三個內(nèi)部自測電壓中選通一路送到采樣保持電路。該電路從第四個I/O下降沿開始對所選模擬輸入進行采樣，采樣一直持續(xù)六個I/O CLOCK周期，保持到第十個I/O CLOCK的下降沿。RCM2200的PB0、PB7、PD5構(gòu)成SPI同步串行接口，分別連接于TLC1543的CLOCK、CS、DOUT端口，CLOCK、CS、DOUT分別是A/D轉(zhuǎn)換器的時鐘、片選、串行數(shù)據(jù)輸出端。接口電路" title="接口電路">接口電路見圖3。

1.3.2 D/A轉(zhuǎn)換電路
　　D/A轉(zhuǎn)換電路采用的是帶有緩沖基準輸入的雙路10位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器TLC5617。該器件帶有與CMOS兼容的三線串行接口，因此可實現(xiàn)數(shù)字控制。TLC5617 的輸出電壓為基準電壓的兩倍,且單調(diào)變化。數(shù)字輸入端帶有施密特觸發(fā)器, 且具有較高的噪聲抑制能力。模擬輸出端雙緩沖鎖存器的使用可以使雙輸出通道同時輸出而互不影響。數(shù)字通信協(xié)議符合SPI、QSPI、MICROWIRE 標準。由于TLC5617 在5V電源下工作,因而功耗極低(慢速方式下為3mW, 快速方式下為8mW)，且具有上電復位功能。
　　在TLC5617與RCM2200的接口電路中，RCM2200的PE0、PE1接CS，作為片選信號控制線。PB0接SCLK,作為時鐘信號控制線。PD4接DIN,作為串行數(shù)據(jù)輸入線。接收的16位字中前四位產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳送模式, 中間10位產(chǎn)生模擬信號, 最后兩位為任意的LSB 位。本設(shè)計應用兩片TLC5617轉(zhuǎn)換器以生成四通道的模擬量輸出。接口電路見圖3。
1.3.3 LCD接口電路和鍵盤接口電路
　　考慮到LCD具有顯示信息多、體積小、功耗低的特點，本設(shè)計選用CGM-12864液晶顯示模塊。它使用兩片HD61202作為列驅(qū)動器，同時使用一片HD61202作為行驅(qū)動器，HD61202不與RCM2200發(fā)生聯(lián)系，只要提供電源就能產(chǎn)生行列驅(qū)動信號和各種同步信號。在本設(shè)計中，RCM2200的數(shù)據(jù)總線D0～D7通過74HC273同液晶的數(shù)據(jù)口相連，RCM2200的PA3、PA4作為液晶顯示模塊的片選信號，D/I、R/W和E分別同RCM2200的PA0、PA1、PA2端口相連接。VO是液晶需要的負壓，可通過與它連接的電位器來調(diào)節(jié)電壓大小(電壓變化范圍為-10V～0V)，從而達到調(diào)節(jié)顯示對比度的目的。經(jīng)測試，本設(shè)計中當負壓為-4.58V時，液晶處于最佳狀態(tài)。
　　在鍵盤電路設(shè)計中，提供了六個靜態(tài)式編碼鍵盤按鍵，通過鎖存器74LS245連接到RCM2200的數(shù)據(jù)總線D0～D5上。這六個鍵分別提供菜單、上翻、下翻、確認、移位、加一功能。
　　LCD顯示與鍵盤接口電路如圖4所示。

1.3.4 串行口接口電路
　　為了適應不同的通信接口，本設(shè)計通過RCM2200的串口C擴展出了一個RS-232串行接口和一個RS-485串行接口，采用的接口驅(qū)動芯片分別是MAX232和MAX485。MAX232和MAX485與RCM2200的連接方法很簡單，參照典型連接即可。
　　此外，本設(shè)計給儀表提供了5V和2.5V的直流電源，還擴展出了四路數(shù)字量輸入通道和兩路數(shù)字量輸出通道，在模擬電路和數(shù)字電路之間都采用521-4進行了隔離。
2 智能儀表的軟件設(shè)計
　　硬件部分是智能儀表的基礎(chǔ)，而軟件設(shè)計的優(yōu)劣更能體現(xiàn)出這個系統(tǒng)的可靠性和智能性。軟件的開發(fā)平臺采用Z-World公司專門開發(fā)的Dynamic C，它集成了C編譯器、編輯器、鏈接器、裝載器和調(diào)試器。對于標準C來說，Dynamic C 的改進使得在功能強大的嵌入式系統(tǒng)上進行實時編程變得非常容易。語言的擴展包括多任務和優(yōu)先多任務的構(gòu)造。標準C 函數(shù)庫、特定板的外圍驅(qū)動、芯片外圍設(shè)備以及其它性能以源代碼的形式包含在Dynamic C中。在Dynamic C的開發(fā)平臺上可以非常方便地編寫、調(diào)試用戶程序,并最終通過編程串行通信口下載到嵌入式模塊中，使節(jié)點按設(shè)計要求工作。
　　應用程序的編寫是區(qū)別不同功能系統(tǒng)的主要因素。本系統(tǒng)主要包括以下幾個功能模塊：數(shù)據(jù)采集分析模塊、LCD顯示和鍵盤模塊、串口通信模塊、智能自整定模塊和以太網(wǎng)通信模塊。其中，以太網(wǎng)通信模塊是本系統(tǒng)設(shè)計的重點和特色所在。其主程序流程圖如圖5所示。

　　本文設(shè)計的智能過程控制儀表以嵌入式模塊RCM2200為基礎(chǔ)，設(shè)計新穎，功能完善。大屏幕LCD可顯示過程被控變量、調(diào)節(jié)參數(shù)；儀表還可以根據(jù)不同的過程控制對象，設(shè)定不同的過程變量(流量、溫度、壓力、液位)；10MB/s的以太網(wǎng)接口可以利用廣泛存在的以太網(wǎng)資源傳送智能儀表數(shù)據(jù)，它不僅是對工業(yè)控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)男聡L試，而且將得到更廣泛的應用。