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基于嵌入式TCPIP协议的潜水排污泵群远程监控系统基于嵌入式TCPIP协议的潜水排污泵群远程监控系统

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20
金币
关 键 词:
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资源描述:
文 章 编 号 :100722284 (2006) 0520089203基 于 嵌 入 式 TCP /IP 协 议 的潜 水 排 污 泵 群 远 程 监 控 系 统施 卫 东 ,蒋 小 平 ,王   准 ,刘 厚 林 ,马 新 华(江 苏 大 学 ,江 苏 镇 江 212013)摘   要 :潜 水 排 污 泵 广 泛 应 用 于 污 水 处 理 、 市 政 、 纺 织 、 印 染 、 造 纸 、 食 品 加 工 、 农 田 排 灌 等 多 个 领 域 ,应 用 环 境 的 恶 劣要 求 它 具 有 高 度 的 安 全 可 靠 性 和 控 制 保 护 的 实 时 性 、 智 能 性 。 C8051F020 与 RTL8019AS 分 别 是 一 种 高 速 SoC 单 片 机和 一 种 成 熟 的 以 太 网 控 制 芯 片 。 在 分 析 二 者 功 能 和 特 点 的 基 础 上 ,提 出 了 以 它 们 为 核 心 、 通 过 简 化 的 TCP/ IP 协 议 实 现潜 水 排 污 泵 群 远 程 监 控 的 软 硬 件 方 法 ,指 出 该 系 统 具 有 实 时 化 、 智 能 化 ,界 面 友 好 、 可 视 性 强 ,能 摆 脱 监 控 系 统 现 场 对 计算 机 环 境 要 求 的 限 制 等 优 点 ,因 此 具 有 良 好 的 推 广 应 用 前 景 。关 键 词 :潜 水 排 污 泵 ; TCP/ IP 协 议 ;以 太 网 ;RTL8019AS ;SoC 单 片 机中 图 分 类 号 : T H311       文 献 标 识 码 :ARemote Monitoring System for Submerged Se wage Pumps Based on Embedded TCP/ IP ProtocolSHI Wei2dong , JIANG Xiao2ping , WANG Zhun , L IU Hou2lin , MA Xin2hua(Jiangsu University , Zhenjiang , 212013 , Jiangsu Province , China)Abstract : Submerged sewage pumps are widely used in the disposal of sewage and industrial waste , municipal works , textile , print2ing and dyeing , paper producing , food processing , and farmland drainage. High safety , and real2time and intelligent control are re2quired because of its bad working environment. C8051F020 and RTL8019AS are a kind of high speed SoC SCM and Ethernet controlchip , respectively. This paper briefly analyzes the characteristics of them. The method of designing the software and hardware of re2mote monitoring system of submerged sewage pump s through simplified TCP/ IP protocol using them is given. The system has manyadvantages such as real2time , intellectualized , friendly interfaces , high visualization , and it can also extricate the monitoring systemfrom environmental limit in on2site uses , so it has good application prospects.Key words : submerged sewage pump ; TCP/ IP protocol ; Ethernet ; RTL8019AS ; SoC SCM1   概   述潜 水 排 污 泵 广 泛 应 用 于 污 水 处 理 、 市 政 、 纺 织 、 印 染 、 造 纸 、酿 造 、 水 产 、 制 糖 、 制 胶 以 及 食 品 加 工 、 农 田 排 灌 、 矿 山 排 涝 等 领域 ,随 着 环 保 意 识 的 进 一 步 增 强 ,其 应 用 范 围 越 来 越 广 。 由 于潜 水 排 污 泵 是 潜 入 水 下 工 作 , 所 以 运 行 时 必 须 具 有 高 度 的 安全 可 靠 性 ,这 虽 然 可 以 通 过 提 高 潜 水 排 污 泵 本 身 的 密 封 性 能 、优 化 结 构 设 计 、 提 高 制 造 水 平 等 来 实 现 ,但 更 重 要 的 是 要 提 高其 控 制 保 护 系 统 的 性 能 ,做 到 控 制 保 护 的 实 时 性 和 智 能 性 。收 稿 日 期 :2005206215基 金 项 目 :江 苏 省 “ 333 工 程 ” 培 养 资 金 资 助 项 目 及 江 苏 省 高 技 术 研究 项 目 (项 目 编 号 :B G 2004040) 。作 者 简 介 :施 卫 东 (19642) ,男 ,博 士 生 导 师 。目 前 ,市 场 上 的 潜 水 排 污 泵 保 护 装 置 已 经 能 对 潜 水 排 污 泵进 行 全 方 位 的 自 动 保 护 (如 过 载 、 缺 相 、 短 路 、 漏 电 、 漏 水 、 电 机过 热 、 轴 承 超 温 等 ) ,而 且 其 相 应 的 DCS(分 布 式 集 散 控 制 系 统 )在 工 程 中 已 得 到 广 泛 应 用 。 随 着 信 息 技 术 的 发 展 ,互 联 网 已 经越 来 越 深 入 人 们 的 工 作 和 生 活 中 ,工 业 控 制 系 统 网 络 化 是 技 术发 展 的 必 然 趋 势 。 以 太 网 作 为 一 种 比 较 成 熟 的 网 络 已 经 广 泛应 用 于 各 领 域 ,其 TCP/ IP 协 议 栈 已 成 为 互 联 网 事 实 上 的 标 准协 议 。 因 此 ,嵌 入 式 系 统 如 何 实 现 与 以 太 网 互 联 成 为 近 年 来 热门 的 研 究 课 题 ,虽 然 目 前 以 现 场 总 线 为 基 础 的 工 业 控 制 网 络 得到 了 广 泛 应 用 ,但 由 于 各 种 现 场 总 线 之 间 不 能 互 相 兼 容 ,不 能实 现 更 大 范 围 的 连 接 ,具 有 一 时 难 以 解 决 的 局 限 性 ,而 如 果 能通 过 以 太 网 来 实 现 各 种 形 式 的 在 线 监 控 则 不 会 受 到 这 方 面 的限 制 。 本 文 通 过 采 用 一 种 新 型 的 高 速 单 片 机 C8051F020 实 现潜 水 排 污 泵 群 的 全 自 动 保 护 , 并 扩 充 以 太 网 控 制 芯 片98中 国 农 村 水 利 水 电 · 2006 年 第 5 期© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.netRTL8019AS 实 现 系 统 与 以 太 网 互 联 ,通 过 以 太 网 对 潜 水 排 污泵 群 进 行 远 程 实 时 监 控 ,从 而 为 潜 水 排 污 泵 群 的 安 全 运 行 、 自动 保 护 提 供 了 一 种 新 的 、 低 成 本 的 解 决 方 案 。2   嵌 入 式 监 控 系 统 核 心 硬 件 分 析传 统 单 片 机 由 于 内 部 资 源 有 限 ,既 要 完 成 监 控 项 目 的 数 据采 集 处 理 任 务 ,又 要 实 现 TCP/ IP 协 议 栈 ,难 度 较 大 ,经 综 合 考虑 后 本 系 统 决 定 选 用 美 国 Cygnal 公 司 的 产 品 C8051F020 ,通讯 接 口 部 分 的 以 太 网 控 制 芯 片 选 用 与 N E2000 兼 容 的 产 品RTL8019AS ,这 种 芯 片 具 有 较 高 的 性 能 价 格 比 ,可 以 出 色 地 完成 通 信 任 务 。C8051F020 是 美 国 Cygnal 公 司 新 近 推 出 的 8 位 单 片 机C8051F0XX系 列 中 的 一 种 , 它 采 用 100 脚 TQ FP 封 装 模 式 ,是 一 个 全 集 成 混 合 信 号 片 上 系 统 (SoC) 单 片 机 。 该 系 列 单 片机 内 含 CIP - 51 的 CPU 内 核 , 其 指 令 系 统 与 MCS - 51 完 全兼 容 。 C8051F020 单 片 机 片 内 的 主 要 资 源 有 : 64 kB Flash 程序 存 储 器 、 4352B 的 RAM、 8 个 I/ O 端 口 共 64 根 I/ O 口 线 、一 个 12 位 A/ D 转 换 器 和 一 个 8 位 A/ D 转 换 器 以 及 一 个 双 12位 D/ A 转 换 器 、 2 个 比 较 器 、 5 个 16 位 通 用 定 时 器 、 5 个 捕捉 / 比 较 模 块 的 可 编 程 计 数 / 定 时 器 阵 列 、 看 门 狗 定 时 器 、VDD 监 视 器 和 温 度 传 感 器 等 , 所 以 利 用 它 构 造 的 应 用 系 统 需外 扩 的 电 路 相 对 少 得 多 , 因 而 具 有 更 为 简 洁 的 电 路 结 构 。 与以 前 的 51 系 列 单 片 机 相 比 , C8051F020 单 片 机 具 有 明 显 的 优点 : 指 令 以 时 钟 周 期 为 运 行 单 位 , 实 行 流 水 作 业 ; 功 耗 低 ;既 可 通 过 网 络 开 关 以 硬 件 的 方 式 实 现 I/ O 端 口 的 灵 活 配 置 ,也 可 通 过 设 置 相 应 的 寄 存 器 控 制 交 叉 开 关 把 I/ O 口 配 置 为 所选 择 的 特 殊 功 能 端 口 ; 另 外 由 于 片 内 配 置 了 J TA G仿 真 电 路 ,故 可 直 接 在 应 用 系 统 上 对 单 片 机 进 行 非 侵 入 式 全 速 在 线 调 试 。总 之 , C8051F020 是 一 种 集 成 度 高 、 功 能 强 大 的 单 片 机 , 非常 适 合 于 要 求 速 度 快 、 可 靠 性 高 、 扩 展 功 能 强 和 节 电 的 应 用系 统 。RTL8019AS 是 由 台 湾 REL TEK 公 司 开 发 的 一 种 与N E2000 兼 容 的 8/ 16 位 ISA 总 线 网 卡 芯 片 , 遵 循 IEEE802. 3标 准 ; 100 脚 PQFP 封 装 , 缩 小 了 PCB 尺 寸 ; 支 持 即 插 即 用 、跳 线 模 式 ; 全 双 工 , 收 发 可 同 时 达 到 10 MPS ; 内 置 16 kBSRAM 用 于 收 发 缓 冲 , 可 降 低 对 主 处 理 器 的 速 度 要 求 ; 支 持AU I、 U TP、 BNC 多 种 传 输 介 质 的 自 动 侦 测 , 支 持 对10BASE 拓 扑 结 构 的 自 动 记 忆 修 正 ; 允 许 4 个 诊 断 L ED 引 脚编 程 输 出 ; 片 内 可 分 为 远 程 DMA 接 口 、 本 地 DMA 接 口 、MAC (介 质 访 问 控 制 ) 逻 辑 、 数 据 编 码 解 码 逻 辑 和 其 他 端 口MAC (介 质 访 问 控 制 ) 逻 辑 , 它 们 共 同 完 成 以 下 功 能 : 当 单片 机 向 以 太 网 发 送 数 据 时 , 先 将 一 桢 数 据 通 过 远 程 DMA 通道 送 到 网 络 芯 片 RTL8019AS 中 的 发 送 缓 冲 区 , 然 后 发 出 传送 命 令 ; 当 RTL8019AS 完 成 了 上 一 帧 的 发 送 后 , 再 开 始 当 前帧 的 发 送 。 RTL8019AS 接 收 到 的 数 据 通 过 MAC 比 较 、 CRC检 验 后 , 由 FIF0 存 到 接 收 缓 冲 区 ; 收 满 一 帧 后 , 以 中 断 或 寄存 器 标 志 的 方 式 通 知 主 处 理 器 FIF0 逻 辑 对 收 发 数 据 作 16 字节 的 缓 冲 , 以 减 少 对 本 地 DMA 请 求 的 频 率 , 从 而 可 以 节 省软 件 的 开 销 , 提 高 系 统 的 执 行 效 率 。3   潜 水 排 污 泵 群 网 络 监 控 系 统 设 计3. 1   硬 件 组 成潜 水 排 污 泵 群 网 络 监 控 系 统 的 硬 件 结 构 组 成 如 图 1 所 示 。本 系 统 最 多 可 同 时 对 6 台 潜 水 排 污 泵 进 行 监 控 。 输 入 的 检 测信 号 有 温 度 信 号 (上 轴 承 数 字 温 度 传 感 器 、 下 轴 承 数 字 温 度 传感 器 、 定 子 绕 组 数 字 温 度 传 感 器 ) 、 漏 水 信 号 (接 线 腔 油 水 探 头 、中 间 腔 油 水 探 头 、 中 间 腔 浮 子 开 关 ) 、 强 电 信 号 (漏 电 、 缺 相 、 过载 ) 、 振 动 信 号 (振 动 传 感 器 ) 、 液 位 信 号 (浮 子 开 关 ) 等 ,这 些 信号 中 既 有 开 关 信 号 ,也 有 模 拟 信 号 ,开 关 信 号 通 过 光 电 隔 离 电路 输 入 C8051F020 ,模 拟 信 号 (其 中 强 电 信 号 通 过 互 感 器 后 ) 利用 C8051F020 的 A/ D 转 换 器 转 换 为 数 字 信 号 后 输 入 单 片 机中 。 输 出 的 控 制 信 号 包 括 报 警 信 号 、 启 动 信 号 、 停 机 信 号 等 ,它们 通 过 各 自 的 驱 动 电 路 (由 继 电 器 、 交 流 接 触 器 、 热 继 电 器 等 组成 )来 控 制 强 电 装 置 。图 1   系 统 硬 件 结 构 框 图单 片 机 C8051F020 与 网 络 控 制 芯 片 RTL8019AS 之 间 的接 口 原 理 图 如 图 2 所 示 。 其 中 ,C8051F020 的 数 据 总 线 D0~D7 与 RTL8019AS 的 数 据 总 线 SD0~ SD7 直 接 相 连 ,芯 片 的RD、 WR 是 读 写 信 号 线 , RTL8019AS 共 有 20 位 地 址 总 线 SA0~ SA19。 由 于 C8051F020 是 8 位 单 片 机 ,因 此 ,通 过 一 个 下 拉电 阻 使 IOCS16 接 地 来 设 定 RTL8019AS 工 作 在 8 位 模 式 。 为了 减 少 连 线 、 降 低 成 本 ,通 过 J P 脚 接 高 电 平 , 使 RTL8019AS工 作 在 跳 线 模 式 。 单 片 机 通 过 RTL8019AS 收 发 数 据 ,实 际 上也 就 是 控 制 RTL8019AS 的 32 个 端 口 寄 存 器 完 成 收 发 功 能 ,所 以 只 用 单 片 机 的 5 条 地 址 总 线 与 RTL8019AS 的 地 址 总 线 相连 即 可 。 芯 片 的 外 部 I/ O 脚 TPIN ± 、 TPOU T ± 通 过 光 电 耦合 隔 离 器 FC22 接 入 RJ45 ,实 现 与 以 太 网 的 物 理 连 接 。3. 2   软 件 实 现现 场 监 控 部 分 的 程 序 设 计 不 作 为 本 文 的 重 点 ,这 里 主 要 介绍 远 程 监 控 通 信 的 实 现 。 利 用 以 太 网 对 单 片 机 应 用 系 统 进 行远 程 实 时 监 控 的 实 质 就 是 在 硬 件 接 入 的 基 础 上 ,动 态 或 静 态 的分 配 给 单 片 机 应 用 系 统 一 个 IP 地 址 ,通 过 在 单 片 机 应 用 系 统内 嵌 入 TCP/ IP 协 议 栈 实 现 它 与 处 于 以 太 网 上 的 远 程 监 控 主机 之 间 的 通 信 。TCP/ IP 协 议 采 用 分 层 的 结 构 ,从 上 到 下 依 次 为 应 用 层 、 传输 层 、 网 络 层 、 数 据 链 路 层 、 物 理 层 ,每 一 层 只 对 相 邻 层 提 供 服务 。 由 于 TCP/ IP 协 议 过 于 复 杂 ,对 存 储 器 、 运 算 速 度 等 的 要求 比 较 高 ,如 果 想 在 单 片 机 内 部 实 现 此 协 议 将 占 用 大 量 的 系统 资 源 ,势 必 影 响 系 统 的 测 控 、 数 据 处 理 等 功 能 ,故 单 片 机 应 用09 基 于 嵌 入 式 TCP/ IP 协 议 的 潜 水 排 污 泵 群 远 程 监 控 系 统     施 卫 东   蒋 小 平   王   准   等© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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