計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)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(luò)化、開(kāi)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)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(luò)中。
　　本文將著重介紹一種帶有以太網(wǎng)端口的智能過(guò)程控制儀表的硬件設(shè)計(jì)方案。該儀表可以實(shí)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(biāo)定的功能，同時(shí)，儀表的以太網(wǎng)端口可以通過(guò)Internet對(duì)儀表實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
1 智能儀表的硬件設(shè)計(jì)
1.1 RCM2200簡(jiǎn)介
　　RCM2200以 Rabbit半導(dǎo)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(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)連接，便于開(kāi)發(fā)帶以太網(wǎng)接口的監(jiān)控、通信設(shè)備；配備有四個(gè)串行口，擴(kuò)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(wú)需擴(kuò)展即可完成一半的I/O任務(wù)。擁有256K Flash、128K SRAM，用于代碼存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；內(nèi)建時(shí)間、日期、看門(mén)狗、定時(shí)器等一應(yīng)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(shí)現(xiàn)集成的以太網(wǎng)連接，在減小體積的同時(shí)降低了成本，并大大縮短了嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)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(gè)硬件系統(tǒng)的核心，再配以簡(jiǎn)潔的外圍電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。其主要功能如下：
　　(1) 由于通過(guò)嵌入式模塊RCM2200將一個(gè)10Base-T的以太網(wǎng)端口嵌入到現(xiàn)場(chǎng)儀表中，因此能夠通過(guò)以太網(wǎng)訪問(wèn)儀表的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
　　(2) 能夠通過(guò)儀表LCD顯示被控過(guò)程變量，調(diào)節(jié)參數(shù)。
　　(3) 能夠采集調(diào)理過(guò)的脈沖輸入信號(hào)和電壓模擬輸入信號(hào)。
　　(4) 可以完成四路獨(dú)立的自整定控制功能，出現(xiàn)典型故障時(shí)可以自動(dòng)識(shí)別，并且有報(bào)警功能，為大批量工業(yè)生產(chǎn)打好基礎(chǔ)。
　　(5) 擴(kuò)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(jì)上強(qiáng)化了整個(gè)儀表的抗干擾能力以及自我恢復(fù)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(jì)
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(lái)完成，它是一種十一個(gè)輸入通道、10位分辨率的高性?xún)r(jià)比A/D轉(zhuǎn)換器。TLC1543的A0～A10作為電壓模擬信號(hào)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(gè)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(gè)模擬輸入和三個(gè)內(nèi)部自測(cè)電壓中選通一路送到采樣保持電路。該電路從第四個(gè)I/O下降沿開(kāi)始對(duì)所選模擬輸入進(jìn)行采樣，采樣一直持續(xù)六個(gè)I/O CLOCK周期，保持到第十個(gè)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(shí)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(jiàn)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(zhǔn)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(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。TLC5617 的輸出電壓為基準(zhǔn)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(shí)輸出而互不影響。數(shù)字通信協(xié)議符合SPI、QSPI、MICROWIRE 標(biāo)準(zhǔn)。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(fù)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(hào)控制線。PB0接SCLK,作為時(shí)鐘信號(hào)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(hào), 最后兩位為任意的LSB 位。本設(shè)計(jì)應(yīng)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(jiàn)圖3。
1.3.3 LCD接口電路和鍵盤(pán)接口電路
　　考慮到LCD具有顯示信息多、體積小、功耗低的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用CGM-12864液晶顯示模塊。它使用兩片HD61202作為列驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)使用一片HD61202作為行驅(qū)動(dòng)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(dòng)信號(hào)和各種同步信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中，RCM2200的數(shù)據(jù)總線D0～D7通過(guò)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(hào)，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(fù)壓，可通過(guò)與它連接的電位器來(lái)調(diào)節(jié)電壓大小(電壓變化范圍為-10V～0V)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)顯示對(duì)比度的目的。經(jīng)測(cè)試，本設(shè)計(jì)中當(dāng)負(fù)壓為-4.58V時(shí)，液晶處于最佳狀態(tài)。
　　在鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)中，提供了六個(gè)靜態(tài)式編碼鍵盤(pán)按鍵，通過(guò)鎖存器74LS245連接到RCM2200的數(shù)據(jù)總線D0～D5上。這六個(gè)鍵分別提供菜單、上翻、下翻、確認(rèn)、移位、加一功能。
　　LCD顯示與鍵盤(pán)接口電路如圖4所示。

1.3.4 串行口接口電路
　　為了適應(yīng)不同的通信接口，本設(shè)計(jì)通過(guò)RCM2200的串口C擴(kuò)展出了一個(gè)RS-232串行接口和一個(gè)RS-485串行接口，采用的接口驅(qū)動(dòng)芯片分別是MAX232和MAX485。MAX232和MAX485與RCM2200的連接方法很簡(jiǎn)單，參照典型連接即可。
　　此外，本設(shè)計(jì)給儀表提供了5V和2.5V的直流電源，還擴(kuò)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(jìn)行了隔離。
2 智能儀表的軟件設(shè)計(jì)
　　硬件部分是智能儀表的基礎(chǔ)，而軟件設(shè)計(jì)的優(yōu)劣更能體現(xiàn)出這個(gè)系統(tǒng)的可靠性和智能性。軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用Z-World公司專(zhuān)門(mén)開(kāi)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(duì)于標(biāo)準(zhǔn)C來(lái)說(shuō)，Dynamic C 的改進(jìn)使得在功能強(qiáng)大的嵌入式系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)時(shí)編程變得非常容易。語(yǔ)言的擴(kuò)展包括多任務(wù)和優(yōu)先多任務(wù)的構(gòu)造。標(biāo)準(zhǔn)C 函數(shù)庫(kù)、特定板的外圍驅(qū)動(dòng)、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(kāi)發(fā)平臺(tái)上可以非常方便地編寫(xiě)、調(diào)試用戶程序,并最終通過(guò)編程串行通信口下載到嵌入式模塊中，使節(jié)點(diǎn)按設(shè)計(jì)要求工作。
　　應(yīng)用程序的編寫(xiě)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(gè)功能模塊：數(shù)據(jù)采集分析模塊、LCD顯示和鍵盤(pán)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(jì)的重點(diǎn)和特色所在。其主程序流程圖如圖5所示。

　　本文設(shè)計(jì)的智能過(guò)程控制儀表以嵌入式模塊RCM2200為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)新穎，功能完善。大屏幕LCD可顯示過(guò)程被控變量、調(diào)節(jié)參數(shù)；儀表還可以根據(jù)不同的過(guò)程控制對(duì)象，設(shè)定不同的過(guò)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(duì)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(yīng)用。