智能液位传感器工业以太网接口设计李坚5801211021文档格式.docx

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日期

智能液位传感器的工业以太网接口设计

专业：

测控技术与仪器学号：

58012110221

姓名：

李坚指导老师：

张宇

摘要

文章主要简单介绍了钢铁连铸工艺的起源和未来发展的趋势，以太网的起源、定义和其特点以及未来的发展和在工业上的应用。

也对于现场总线和工业以太网各自的技术特点和两者的优缺点加以比较，来说明以太网在工业中的重要性。

对于目前发展情况来说,将单片机嵌入TCP/IP协议栈的方法做为本系统的主体设计方案。

并通过整体方案的设计来实现系统的硬件和软件的完成。

设计出整体的硬件图，其中也重点说明了硬件中最重要的两个芯片RTL8019AS和C8051F020相关参数和它们在电路原理图中的连接。

通过对整体方案的说明，简单叙述了系统中各个硬件的作用和原理，说明了TCP/IP协议栈和网卡芯片RTL8019AS的收发数据以及是如何在整个系统中的完成通信的。

关键词:

钢铁连铸；

以太网；

RTL8019AS；

C8051F020；

TCP/IP协议

IndustrialEthernetinterfacedesignintelligentlevelsensor

Abstract

Thearticleintroducestheoriginandthefuturetrendofsteelcontinuouscastingprocess,Ethernetorigin,definitionandcharacteristicsaswellasitsfuturedevelopmentandapplicationinindustry.AlsothroughtheanalysisandcomparisonofthetechnicalcharacteristicsoffieldbusandindustrialEthernetaswellastheiradvantagesanddisadvantages.FurtherdescriptionofEthernetimportanceinindustry.

Forthecurrentdevelopmentsituation,thesingle-chipembeddedTCP/IPprotocolstackmethodasofthesystemdesign.Andbytheoverallschemeofthesystemhardwareandsoftwaredesign.TheoverallhardwaredesignmapalsohighlightstheconnectionthetwomostimportanthardwareandC8051F020chipRTL8019AScircuitparametersandspecificstructure.

Throughthewholeprogramdescription,abriefdescriptionofthesystem,theroleandprinciplesofvarioushardware,illustratingtheTCP/IPprotocolstack,andsendandreceivedataRTL8019AScardchipandhowtocompletethecommunicationintheentiresystem.

Keywords:

Steelcasting;

Ethernet;

RTL8019AS;

C8051F020;

TCP/IPprotocol

第一章绪论

1.1钢铁连铸工艺

连铸工序是炼钢和轧钢其中的环节之一，也是钢生产厂的一个非常关键的组成之一。

连铸机主要由大包、中间包、结晶器、结晶器振动装置、液位控制装置、二次冷却装置、拉坯装置和切割装置等部分组成[1]。

从网络技术诞生以来，网络技术不断地发展，一些外国的国家很好地改进了他们的管理连铸生产的技术，改进生产连铸的方法，让每一个步骤更好实现。

如果要让企业实现更好的自动生产化，则需要创造出一种可以在生产现场安全运作、性价比高的通信系统，使之成为现场的最下面的网络系统，这样就可以让现场的设备实现相互多方通信。

上面说的就是现场总线技术，现场总线控制系统是计算机技术、通信技术、控制技术、显示技术和转化技术的综合和集成[2]。

工业以太网技术是这些年来使用最多的数据传输方式，也是数据传输效率最好的一种现场总线，现在在各大钢铁生产的工厂中已经广泛使用。

1.2工业以太网的发展进程

以太网（Ethernet）指的是由Xerox公司创建，是现在世界上现有局域网使用中最流行的一种通信协议的标准。

以太网是一种关于计算机局域网的技术。

IEEE802.3标准是全世界以太网使用的技术标准。

以太网是当今世界是运用最为广泛的局域网相关的技术。

以太网属于一种技术的规范，并不是字面意思上的网络。

Ethernet按照其传输速率可分成10Mbps、100Mbps、1000Mbps。

工业以太网则是在工厂的生产的过程中通过自动化和过程控制中以太网应用的相关设备组件和技术。

工业以太网遵循TCP/IP协议，也和IEEE802.3标准相匹配，每个不同的协议会通过应用层来添加。

以太网在工业生产过程中使用时必须具有实时性。

标准制定，可以让工厂使用的不同设备的有更好的相互联系性。

以太网运用范围很广，性价比高，导致工业以太网的成本可以有很多的减少的空间，但是它的使用能力可以伴着以太网技术的不断更新来提高。

时至今日，重视并发展相关以太网技术的国家不断增加，以太网技术的发展也就更快更好。

因此可以想象，在未来以太网肯定会在工业领域运用更加的广泛和深入。

1.3现场总线和以太网

1.3.1现场总线

现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线[3]。

现场总线与一般开关量不同，使用的是数字通信。

1.3.2现场总线的结构特点

现场总线最下一层的控制部件和可以让设备实现更好的智能化则是其最大的特点。

现场总线可以让设备的结构变得更加简洁，单一。

1.3.3现场总线技术特点

1）对复杂的现场环境适应力强

现场工作的设备需要面对各种各样的当时的周围的环境，现场总线运用在工厂生产网络的最下一层，是为当时生产的环境设计的，设备本身的防暴要求也可以达标。

2）系统的结构具有很好的分离性

现场总线可以组装成一种新的体系结构。

让系统的组成变得简单，更加安全稳定。

3）现场设备的自我管理性

现场设备能够独自完成自动传感测量、工程量处理等基本工作。

1.3.4现场总线优缺点

1）优点：

系统的更加安全稳定；

让用户选择多样化；

节约维护费用。

2）缺点：

数据包传输具有延迟，通信的瞬时错误和数据包没了，不具有时刻性等都会使得传统控制系统的确定性被破坏，降低控制系统的控制能力。

1.3.5以太网优缺点

1.3.5.1以太网优点：

1）网络好，传输效率高；

2）有一样的的通信协议，以太网和TCP/IP很简单可以放在到信息技术中；

3）一根总线上可以有不一样的的传输协议运行；

4）通过多年的技术积累，相关技术人员对其有更加深刻的理解和熟知。

1.3.5.2以太网缺点：

1）不具有确定性和实时性

实时性是工业网络控制所具有的最大的特点，数据实时刷新，设备需要不断地接收实时数据来进行控制。

因此以太网无法达到对工业设备随时监控的目的。

2）稳定性和可靠性

以太网的是通过购买零件来组装的，但是工业现场环境复杂，零件不一定满足这样的要求，因此以太网不能运用到对稳定性和可靠性很高的工业环境中。

1.4结晶器的液位检测

在工厂连铸的生产过程中，结晶器液位能否被正确测量出来是让液位自动控制的重要因素。

根据大学物理中法拉第电磁感应的原理，长条形金属在不断变化的磁场中或者是在磁场中作横向切割磁力线运动时，金属内部就会形成涡旋状的感应电流，这个产生的电流为电涡流，上诉说描述为电涡流效应。

电涡流式传感器是依据电涡流效应来实现的。

电涡流传感器优点：

1）可以进行静、动态的测量，适用于很多工业生产环境的条件。

2）价格和别的速度传感器相比，很便宜，性价比高。

3）结构简单稳定性高，尺寸不大，都是固定部件。

电涡流传感器系统可以应用到非常广泛领域，并且在未来应用之地会越来越多。

第二章

智能液位传感器的工业以太网接口的硬件计划

本课题使用的系统微控制单元为Cygnal公司的单片机C8051F020，该单片机是集成度非常高的系统级芯片，采用流水线结构，所有I/O口可以通过编程灵活配置。

单片机在数据采集时能够完成Internet的协议处理。

以太网的控制主件使用的是宝岛台湾的一家公司Realtek公司研发的以太网控制器RTL8019AS，它遵照EthernetII与IEEE802.3标准，可以把数据包发送到以太网，并且由以太网连接Internet从而把TCP/IP协议输入相关的组件中。

对于硬件的编程则包括两个部分：

一是对网卡芯片的初始化、对数据帧接收与发送；

二为单片机C8051F020对其它设备数据采集和控制，以及TCP/IP协议栈的完成等。

2.1单片机C8051F020的介绍

单片机C8051F020是集成度非常高的微控制单元芯片，包含了六十四个数字I/O端口。

C8051F020包含了八个8位的I/O使用端，尽可能地降低了与外部设备的连线和元器件的扩展，很大程度上增加了其稳定性。

C8051F020的内部电路包括CIP-51微控制器内核及RAM、ROM、I/O口、定时/计数器、ADC、DAC、PCA（PrintedCircuitAssembly印制电路组装）、SPI（SerialPeripheralInterface--串行外设接口）和SMBus（SystemManagementBus）等部件，集成度很高。

2.1.1C8051F020特性

1）真正12位（C8051F020）、100ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关；

2）64K字节可在系统编程的FLASH存储器；

3）4352（4096+256）字节的片内RAM；

4）硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口；

2.1.2C805lF020部分引脚说明

VDD:

数字电源，必须接+2.7--+3.6V；

DGND:

数字地，必须接地；

AV+:

模拟电源，必须接+2.7--+3.6V；

AGND:

模拟地，必须接地；

RST:

器件复位。

当VDD小于2.7V并且MONEN为高时则被拉为低电平；

XTAL1：

晶体输入；

XTAL2：

晶体输出；

MONEN:

VDD监视器使能端口；

CP0+:

比较器0的同相输入端；

CP0-:

比较器0的反相输入端；

CP1+:

比较器1的同相输入端；

CP1-:

比较器1的反相输入端；

DAC0：

数模转换器0的电压输出；

DAC1:

数模转换器1的电压输出；

ALE/P0.5：

外面的存储器地址的总线ALE选通；

RD/P0.6:

外面的储存器接口的RD选通；

WR/P0.7：

外面储存器接口的WR选通；

AIN1.0/A8/P1.0：

ADC1输入通道0。

图2-1C8051F020内部结构图

图2-2C8051F020单片机管脚图

2.2以太网控制芯片RTL8019AS

网卡芯片RTL8019AS是目前全球普遍使用用来实现设备接入以太网的一种芯片。

为100脚的PQFP封装，芯片是全双工收发而且可以一起达到10Mb/s的传输速度，芯片内部拥有大小为16KB的SDRAM。

2.2.1RTL8019AS主要引脚功能如下

引脚1－4,97－100：

中断控制INT0-7;

引脚33：

复位控制；

引脚34：

使能控制端口AEN,对于低电平作用时生效；

引脚6,17,70,89：

数字电源，+5V；

引脚14,28,83,86：

数字地GND;

引脚47,57：

模拟电源：

+5V；

引脚44,52：

模拟地；

引脚5,7－13,15,16,18－27：

ISA地址总线；

引脚36－43,87,88,90－95：

ISA数据总线；

引脚31：

BootROM读操作控制；

引脚32：

BootROM写操作控制；

引脚62：

RX接收数据显示LED1脚；

引脚63：

TX发送数据显示LED2脚；

引脚58,59:

接收数据TPIN+/-；

引脚45,46:

发送数据TPOUT+/-；

引脚50,51:

外接晶体；

引脚29：

ISAI/O读使能；

引脚30：

ISAI/O写使能；

引脚77:

9346连续数据输出；

引脚78:

9346连续数据输入；

引脚79:

9346连续数据时钟。

2.2.2RTL8019AS具有的一些特性

1）100PINPQFP封装

2）支持EthernetII和IEEE802.310Base5,10Base2,10BaseT

3）软件兼容8位或16位的NE2000模式

4）支持跳线和非跳线模式

5）支持8路中断请求（IRQ）

6）支持16/8位I/O地址

7）内建16KRAM

2.2.3RTL8019AS寄存器

2.2.3.1寄存器配置

网卡芯片RTL8019AS总计拥有32个输入和输出地址，它的第一个地址是通过IOS3-IOS0来决定，地址的偏离数为00H--1FH。

如IOS3-IOS0都为0，则首地址为300H；

那么300H的偏移量为00H，31FH的偏移量为1FH。

芯片总共具有16个寄存器。

共分成4页PAGE0－PAGE3，

18H作为网卡芯片的复位地址，一旦向这个地址进行读出或写进数据，网卡就会进行复位。

寄存表：

图2-3RTL8019AS寄存表

2.2.3.2RAM和常用寄存器

网卡芯片中的RAM具有16K的字节，它的地址具体为0x4000-0x7fff，如果把256个字节作为一页进行划分，则总共16K的字节就会有64页。

页的地址为地址高8位，页地址为0x40-0x7f，这16K的RAM分为两部分[4]。

是接收的数据包和存储即将发送的数据包的地方。

TPSR：

发送RAM起始页地址（04H,Type＝Winpage0）

PSTART：

接收RAM起始页地址（01H,Type=Winpage0,Type=Rinpage2）

PSTOP：

接收RAM结束页地址（02H,Type=WinPage0,Type=RinPage2）

BNRY：

读接收RAM起始页地址（03H,Type＝R/Winpage0）

CURR：

当前接收结束页地址（07H,Type=R/WinPage1）

TBCR1,0：

要发送数据包的字节数（06HTBCR1,05HTBCR0,Type＝Winpage0）

RSAR1,0：

读或写网卡RAM的起始地址高8位和低8位（09HRSAR1,08HRSAR0,Type=WinPage0）

RBCR1,0：

读网卡RAM字节数的高8位和低8位（0BHRBCR1,0AHRBCR0,Type=WinPage0）

PAR0-5：

MAC地址寄存器（01H-06H,Type=R/WinPage1）

初始化时，BNRY=CURR=PSTART，当没有数据包接收时，BNRY=CURR=PSTART。

在数据接收的时候，网卡芯片就会自主的增大CURR的数值，但是如果接收到很多数据包的情况下，则会从网卡芯片的RAM里读取出一个数据包然后把下一个即将需要读取进入的数据包的页地址写进BNRY里面，然后在读取下一个数据包的时候就会从刚刚的页开始进行读取，接下来需要要读取的数据包的页地址就是本次读取的数据包的第二个字节。

接收数据的缓存区域则是圆形的被用区域，一旦CURR的数值到达了最大的数量值PSTOP时，那么它会被网卡芯片主动地设定为PSTART，缓存数据的缓冲区满值之后，后来发送过来的数据无法被读取进入下一元器件时，网卡内存达到极值并溢出，此后网卡就不会继续网缓冲区进行数据的写入，最终别的接收包就没用并被舍弃。

2.2.3.3寄存器的读写

RTL8019AS寄存器的对地址的访问和一般的不一样，网卡芯片的寄存器是采用分页方式的，总共有4页，在访问寄存器的时候，一开始要页进行选择，并且于此同时要把STA、STP设置成开始指令，不对RAM操作，RD2-RD0置为100，TXP写0。

2.3片外存储器62256

62256是一种拥有32K的RAM功耗非常低的存储器，如果需要扩展外部的RAM则需要通过端口P0和P2来实现的。

62256地址区间为0000H——7FFFH。

2.3.162256引脚功能

A0-A14——地址总线（Address）

D0/D7——输入/输出口（nput/output）

CS——选择端口（Chipselect）

WE——输入始能（Writeenable）

OE——输出始能端口（Outputenable）

VCC——电源始能（Powersupply）

VSS——接地（Ground）

2.3.2片外存储器62256说明图

图2-462256引脚图

2.4MAX706

MAX706是一组CMOS监控电路，可以监视控制电源的电压、电池的故障问题和监控微控制器的工作状态[5]。

功能说明：

2.4.1MAX706的RESET/RESET操作说明

MPU/MCU的开启是通过能够使其复位的信号来实现，使其进到已经知道的循环程序再让它按着程序来执行。

当MPU/MCU进入的状态是不知道的时候，则需要对系统进行复位操作。

MAX706通电的时候，当接电源端Vcc电压是超过1.0V的时候，则可以确保输出的电压值小于或者等于0.4V的低电平电压。

如果是电源电压值Vcc变大的时候，引脚RESET会保持一个低电平的状态除非电源电压值增加并超过复位门限的电压值。

当电压值超出门限以后，芯片内部的定时器就会开始保持大概200ms，这样就会促发RESET引脚，然后就会回到高电平的状态。

电源的电压值一旦小于复位门限的电压数值的时候，RESET引脚端的电压数值就会下降。

在电压变小的时候，一旦电源的电压值Vcc是小于复位门限的电压值并且超过1.0V，则RESET端的电压值就可以保持在不超过0.4V的低电平状态。

2.4.2看门狗定时器

MAX706可以通过芯片内部的定时器来监视控制MPU/MCU的具体运行情况。

只要复位信号没有了但是同时有持续时间最少为50ns的低电平或者是高电平在WDI输入端发生跳变，那么此时定时器就会开始进行维持1.6s的时间计数。

当引脚WDI没有电平的时候，那么WDO脚可以用于电源跌落检测器的一个输出端。

因为当WDI引脚没有电压的时候就会让芯片里面部的定时器停止继续工作，仅仅在电源电压Vcc小于复位门限的电压值的时候，WDO端电压值才会变小，这样可以就可以记录到到电源跌落。

2.4.3人工复位

人工手动的复位输入端口对于作用在其上的低电平是具有效果的，如果芯片内部大小为250mA的上拉电流源作用该端口，则该端口电压就会增加至高电平，如果外面接过来的CMOS/TTL逻辑电路作用于它也会变成低电平。

2.4.4电源故障比较器

MAX706芯片内部拥有一个帮助其它功能的比较器，同时拥有不会相互干扰的同相输入端（PFI）和同相输出端（PFO），反相输入端里面连上了一个电压值为1.25V的参考的电压源。

如果需要搭建一个能够对电源出问题时预防发现和警示的电路，则一种方法是在其搭建一条电阻分压支路接在PFI引脚端口上，被电路连接的被监视的端口处往往出现在稳定的电源电压集中的电路之前。

在MPU/MCU提供的中断信号中，如果加以利用，就能够做到足够的准备来预防并且应对马上要出现的电源掉电问题。

2.574HC573锁存器

74HC573为八进制3态非反转透明锁存器，它是高性能硅门CMOS器件[6]。

如果锁存的使能输出端是高电平的时候，锁存器对数据进行锁存到时候是无暗箱操作的。

一旦锁存器中的锁存使能值开始变小，用来对时间进行维持的数据就会被锁存上。

特性：

输出能直接接到CMOS，NMOS和TTL接口上；

操作电压范围：

2.0V~6.0V；

低输入电流：

1.0uA。

功能表：

图2-574HC573功能表

注：

X=不用关心；

Z＝高阻抗

最大值范围：

图2-674HC573最大值范围

2.6MAX487

MAX487是一种损耗非常小的收发器，每一块MAX487芯片里都有一个驱动器以及一个接收器。

MAX487芯片可以进行在低点流时候断开的操作，而且损耗只有零点几uA。

且工作在5V单电源下。

驱动器对于短路电流是有限定的，若是将驱动器必要输出变成高阻状态则必须通过热关断电路来实现，这样可以起到避免功率过度的消耗。

接收器的输是可以起到失效保护的作用，只要输入时保持开路的情况，就必定可以输出逻辑高电平。

MAX487内部引脚图：

图2-7MAX487内部引脚图

2.7MAX543

MAX543是采用12位的串行输入，并且使用电流输出，采用CMOS工艺的芯片。

DA基准电压采用50KHz正弦波信号，CLK/SRI/LOAD端口作为调制幅值数字输入端的数据、时钟和控制端口，与主MPUAduC812IO口相连，给定12位调制幅值。

对传感器输出的信号采集使用到的方式为差分放大方式，使用放大器AD620。

只需要对电涡流的线圈信号进行一定的处理并通过差分放大的方式就可以获取微弱差分信号。

获得的微弱差分测量信号，经TL084放大电路，将测量信号进一步放大，同时对50KHz测量信号进行带通滤波后对放大滤波后的50KHz测量信号进行整流处理，将正弦信