基于处理器和RTL8019AS芯片实现阀门定位器通信卡的设计

作者：胡国珍,李勇,魏晻 

引言

随着自动化、电子和计算机技术的发展，很多执行机构已经具有现场总线通讯和智能控制的功能，阀门定位器是一种应用于工业总线过程控制的智能辅助控制仪表，它在一定程度上决定了过程控制的调节品质。

EPA标准是一种基于以太网、无线局域网、蓝牙等信息网络通信技术的，适用于工业自动化控制系统装置与仪器仪表间、工业自动化仪器仪表相互间数据通信的丁业控制网络通信标准。本文结合智能阀门定位器特点，开发了符合EPA标准的通信卡，使其具有现场总线数据通讯功能，同时，在通信卡中嵌入ZIGBEE模块也方便与手持设备通信。

1 ZIGBEE技术应用于EPA现场设备

ZIGBEE是一种低速率WPAN IEEE标准，它具有功耗低、架构简单、成本低的特点，满足多种无线需求，尤其在工控（监视器、传感器和自动控制设备）等领域更是显示出其独有的优势。

图1 嵌入ZIGBEE模块的EPA系统结构图

在EPA总线现场设备中嵌入ZIGBEE模块，扩展了现场设备数据传送途径，现场设备既可以直接通过总线交换数据，同时也可以通过无线手持设备进行现场数据采集，从而兼顾了对现场设备远程监控和现场数据交换，图l所示为嵌入ZIGBEE模块EPA系统结构，这里主要介绍嵌入ZIGBEE模块的EPA阀门定位器的实现过程，其中阀门定位器同EPA控制网络数据通信功能的实现主要是通过嵌入阀门定位器内部的数据通信卡来完成。

2 阀门定位器通信卡设计

通信卡设计是一种典型的嵌入式系统设计，通过嵌入阀门定位器内部首先完成数据的采集．然后将数据从底层向上层传送到EPA控制网络。通信卡硬件方面由主控芯片及外围电路组成，内部运行程序由EPA协议栈及相应的硬件驱动程序组成。

2．1通信卡硬件设计

图2所示为嵌入ZIGBEE模块的EPA阀门定位器通信卡系统框图，主要包括处理器单元（C805IFl20）、SDRAM（静态存储器）、RESET及时钟电路、以太网控制电路、ZIGBEE模块及总线以太网供电模块。

图2 嵌入ZIGBEE模块的EPA阀门定位器通信卡系统框图

以太网控制器采用台湾Realtek公司RTL8019AS芯片、执行基于IEEE802.3u局域网标准的10Mb/s和100Mb/s以太网控制功能，其地址总线与数据总线分别与CPU的地址/数据总线相连。按数据链路的不同，可以将RTL8019AS内部划分为远程DMA通道和本地DMA通道两个部分，本地DMA完成控制器与网线的数据交换，主处理器收发数据只需对远程DMA操作，当主处理器要向上发送数据时，先将一帧数据通过远程DMA通道送到RTL8019AS中的发送缓冲去，然后发送传送命令。

ZIGBEE模块零用的是北京赫立讯公司的IP_Link1270，完成与手持设备无线通信。这是一款完全符合IEEES02.15.4标准与ZIGBEE规范的2.4GHz无线收发模块，编码方式是DSSS，调制方式为O_QPSK，数据速率为250kb/s，发射功率为-16.6~3.6dBm，传输距离可达到200m。

通信卡系统采用基于以太网的总线供电方式，连接到现场设备的线缆不仅能够传送数据信号，还要能够为现场设备提供电源。总线供电采用调制解调法，在以太网集线器或交换机的以太网信号输出端，将24~48V直流电源信号与以太网通信信号调制在一起，在现场设备端的以太网信号输入端，再将直流电源与以太网通信信号进行分离，把其中的24~48V直流电源通过Dc—Dc转换为现场设备用的直流工作电源，从而实现基于以太网的总线供电。

2.2 软件设计

基于EPA标准的阀门定位器通信卡热案件设计采用基于模块化的设计方法，软件开发主要分成三个部分：现场设备数据采集模块、ZIGBEE无线通信模块、EPA协议模块。具体软件设计流程图如图3所示：

图3 通信卡软件设计流程图

2．2．1现场设备数据采集模块

阀门定位器采用的是现场总线式阀门定位器，它接受数字信号并使用数字式电子线路配合机械部件来定位阀门，全数字控制信号取代模拟控制信号，可通过将软件命令植入阀门定位器存储模块来进行双向数字通信。

阀门定位器数据的采集实质上是通信卡与阀门之间的双向通信过程，系统初始化后通信卡通过UART0向阀门发送连接命令，等待连接成功后，向阀门发送读／写数据信息，写入成功后，阀门返同相应数据信息。读，写数据命令格式如下：

其中0X01为读数据指令，0X02为写数据指令，占一个字节；Address（H）和Address（L）代表读，写阀门定位器数据所在内存地址高低字节．共占两个字节，可根据需要返回的数据设置此地址、数据主要有阀位、电流阀位上下限等。0X04为返回数据字节数，CRC为奇偶校验，各占一个字节。

2.2.2 ZIGBEE无线通信模块

（1） 接口程序

ZIGBEE无线通信模块通过UART1与系统芯片相连，通过此模块完成与手持设备之间进行数据通信功能。

接口驱动主要包括两部分：串口初始化和作为波特率发生器的定时器设置。在串口初始化之前应将C8051F120交叉开关调整到UART1使能有效，然后选择定时器1作为UART1波特率发生器。ZIGBEE无线通信模块IP-LINK1270 通信波特率为38400bps，必须严格设置定时器使UART1与IP-LINK1270波特率相同，否则无法正常数据通信。

（2） 数据传送

数据的传送必须满足zlGBEE无线通信的要求，以一定的报文格式传送，因此在传送之前必须将数据封装成帧，具体数据帧格式如下：

0X44代表数据格式，node为通信节点，这里默认通信节点具有相同的网络号；0X07为ZIGBEE数据长度，这里设定为7个字节即可满足要求；Var-parameter为阀门参数，包括读写命令，地址等信息，占3个字节；Var-data为阀门数据（阀位值或上下限），为占4个字节的浮点数；CRC为奇偶校验。

（3） 与ZIGBEE无线手持设备通信

通过嵌入ZIGBEE模块手持设备可以很方便的以无线的方式读取阀门定位器数据，通信过程中，通信卡上ZIGBEE模块充当服务器，数据读取时， 通信卡发送一读设备请求指令，通信卡ZIGBEE模块接受指令，产生中断响应，中断服务程序根据手持设备请求指令返回相应的数据信息。除读取阀门数据外，通信卡也可通过手持设备设置阀门定位器上下限以及阀门其它特性值。

2．2．3 EPA协议模块

EPA通信栈模块包括以下几个部分：EPA确定性调度与精确时间同步算法、TCP（UDP）／IP协议软件、EPA应用层服务、EPA应用层服务接口和EPA管理服务等。主要完成i个方面的任务：即数据（包括实时和非实时数据）传输服务的实现及其为用户层提供的服务接口，以及EPA管理服务（包括设备自动识别、系统时钟同步、系统工作状态的管理、设备位号及其他信息的管理等）。

其中数据的传送必须满足两点：（I）数据格式转换，从阀门读出数据为四字节1EEE754格式的浮点型数据，必须转换为两字节的整型格式才能往上层打包传送。（2）EPA标准报文格式封装，EPA通信协议基于TCP（UDP）／IP协议，为用户层的应用程序间提供实时和非实时数据传输服务，为保证数据传输的可靠性，数据的传输必须按照EPA标准封装EPA报文字段。

3 现场数据采集测试

图4 OPC监控图

OPC服务器是一个典型的现场数据源程序，它收集现场设备数据（阀门数据）信息，通过数值转换将数据转换为十进制在OPC界断上显示，其中数值转换包括EPA报文分解和阀门浮点数据值还原。图4中为典型EPA控制网络中的OPC监控图，IP值用于区分不同的设备。

4 结束语

EPA标漫是我国具有完全自主知识产权基于工业以太网的现场总线国际标准，通信卡的设计实现了琉场设备与EPA控制网络的通信，本文以阀门定位播为例，介绍了其接人EPA控制网络的实现过程，也适用于其它现场设备如压力计。温度变送器等。同时，在通信卡中嵌入ZIGBEE模块实现了与手持设备通信，极大的方便了工业现场数据的读取。

本文创磁点：研究和设计了基于EPA标准的通信卡，给出了软硬件设计，解决了现场设备同EPA控制网络之间的数据通信。同时，在设计中引入一种低速率WPAN IEEE标准ZIGBEE无线通信技术，为现场设备数据获取提供了新的途径。