引言

現場總線已成為自動化技術的集成組件，如今已獲得廣泛應用。它廢棄了DCS(分散控制系統)的控制站及其輸入／輸出單元，從根本上改變了DCS集中與分散相結合的集散控制系統體系，通過將控制功能高度分散到現場設備這一途徑，實現了徹底分散控制。雖然控制器CPU的性能發展迅猛，但傳統的現場總線系統正日趨成為控制系統性能發展的“瓶頸”。此外對于現場總線系統來說，整個系統的分層控制結構由幾層子系統構成，整個系統響應時間是控制器周期時間的3～5倍。工業以太網作為一種全新的“現場總線”是未來工業控制網絡的必然選擇，并實現了現場設備層與企業內部信息網(Intranet)的無縫連接。但如何使以太網總線實現傳統現場總線的實時性、確定性及可靠性，并滿足工業控制上不同的技術結構要求，如需要嚴格同步的運動控制采用Sercos、PROFIBUSDP v2等協議；因此本文圍繞這些問題設計了基于LPC2214和DM9000AE并以Ethernet為現場總線的面向多協議的網絡通信控制卡，并成功嵌入SERCOSIII協議與TCP／IP協議，設計了優化的任務調度以滿足系統的實時性，并通過仿真驗證了系統滿足實時性、確定性及可靠性的要求，系統可嵌入各種功用性的控制協議。

1 硬件設計

1．1硬件系統總體設計

硬件結構模塊如圖1所示。典型的工業以太網現場總線控制網絡系統結構分為線性拓撲和環形拓撲，如圖2和圖3所示，環形拓撲結構具有傳輸速率高、負載能力強、適合于實時傳輸等特點；線型拓撲結構具有結構簡單、可擴充性好、可靠性高等特點；且工業以太網以100Mbit／s～1Gbit／s的高傳輸速率完全滿足數控技術對運動控制總線的高速型要求，因此滿足現場總線實時可靠性的特點成為本文的研究重點。將工業控制界最具先進性、最超前的工業控制網絡應用于工業現場，其應用普及最終取決于是否能夠提供一個從協議直至網絡節點模塊的整體解決方案。并開發相應的應用軟件，實現從現場設備層到Internet層的無縫聯結，真正實現工業控制網絡的統一。因此系統的硬件結構圖與軟件協議結構圖1與圖6所示。

圖1 硬件結構模塊

圖2環形拓撲結構

根據系統性能要求，硬件系統總體方案為：基于ARM7嵌人式控制技術，實現數據傳輸速率100 Mbit／s，為滿足實時性，實時效據延遲時間小于2 ms。為滿足環形拓撲結構，控制卡應采用雙網卡結構，系統硬件結構圖如圖4所示。網絡控制系統以LPC2214作為處理器。它是NXP公司推出的基于ARM7TDMI內核的16／32位RISC處理器．功能強大，內置PLL鎖相環可以設置CPU的工作頻率達60MHz，為高速處理提供了保證，與以太網芯片DM9000A配合可滿足以太網實時性要求；內部帶256KB的FLASH和16KB RAM，為待嵌入的協議棧提供了必要的內存空間，片內帶有多個串行接口(包括工業標準的UART、高速I2c接口和SPI接口)和外部存儲器接口，非常適合通信網關、協議轉換器、嵌人式軟件調制解調器以及其它上層應用，滿足擴展AI／AO和DI／DO功能的要求。

圖3線型拓撲結構

圖4 系統硬件結構框圖

1．2網絡接口模塊

網絡接口電路是在微處理器的控制下通過舟卡對數據進行封裝或解封，來完成主站／從站的通信功能，以工業以太網的技術標準實現整個通信系統的物理層與數據鏈路層。接口電路以太罔控制器選用DAVIC0M公司的DM9000，它是一種高度集成、功能強大、引腳少、性價比高的單片快速以太網控制芯片，內部集成MAC和PHY，對其他硬件設備的依賴性非常小。并且，可對MAC和PHY獨立編程，能設定多種控制狀態，非常適用于嵌入式系統設計。