EPA智能模块网络接口的设计及实现
2008-02-25
作者：陈清洪1，2，秦大同1
摘 要:介绍了工业以太网" title="工业以太网">工业以太网的体系结构及网络接口" title="网络接口">网络接口在远程监控" title="远程监控">远程监控中的作用，设计了EPA智能模块" title="智能模块">智能模块网络接口硬件电路并给出了软件实现方法的程序流程框图，实现了对现场设备的远程监控和访问的功能。
关键词: 工业以太网（EPA） 智能模块 远程DMA 数据封装
基于工业以太网的现场总线控制系统是新型控制系统的发展方向。随着计算机、控制、通信技术的发展，模拟仪表向智能仪表发展，计算机网络向现场设备延伸，底层控制仪表由分立设备向共享设备发展[1]。
在工业以太网远程控制系统中，人们可以通过计算机网络对工业现场" title="工业现场">工业现场设备的运行状态进行监视，而且还可以通过网络对现场设备的运行参数进行修改，使之按最佳的状态运行，实现效益的最大化。如何使现场设备与局域网络有效连接并实现可靠的网络通信就成为工业控制领域关注的问题。笔者要探讨的就是在EPA智能模块中，如何实现网络接口，使之与现场设备和局域网络有效连接。
1 EPA系统的体系结构
《EPA（Ethernet for Plant Automation）标准》（全称《用于工业测量与控制系统的EPA系统结构与通信标准》）是在国家“863”计划支持下，由国内部分高校、科技院所、高新技术企业起草的我国第一个拥有自主知识产权的现场总线国家标准。该标准被国际电工委员会IEC作为PAS标准（Pulblic Available Specification）予以发布，并被IEC接收为正在制定的国际实时以太网标准IEC61784-2中的实时以太网类型14（Common Profile Family 14, CPF 14），成为我国第一个被国际认可和接受的工业自动化领域的标准。
对于采用以太网等技术所带来的网络安全问题，《EPA标准》规定了从企业信息管理层、过程监控层和现场设备层三个层次（如图1所示）的分层化的网络安全管理措施[2]。
EPA现场设备采用特定的网络安全管理功能块，对其接收到的所有报文进行访问权限、访问密码等检测，只有合法的报文才能得到处理，而其他非法报文将直接予以丢弃，避免了非法报文的干扰。
在过程监控层，采用EPA网络对不同微网段进行逻辑隔离，以防止非法报文流量干扰EPA网络的正常通信，占用网络带宽资源。
对于来自于互联网上的远程访问，则采用EPA代理服务器以及各种可用的信息网络安全管理措施，以防止远程非法访问。
笔者研究的EPA智能模块就是为了解决现场设备层中现场设备与控制层的连接问题，以实现对现场设备的远程监控和管理。而现场设备中有大量的参数或信息需要通过网络进行远程调节和控制，以满足远程监控要求。要实现这一过程，现场设备与局域网进行信息交换的桥梁——EPA智能模块中的网络接口电路部分成为关键，下面就这一问题进行探讨。
2 电路主要芯片介绍
2.1 混合信号ISP FLASH微控制器C8051F020介绍
C8051F020是CYGNAL公司生产的100脚TQFT封装8位MCU芯片，它使用CYGNAL的专利CIP－51微控制器内核。CIP-51与MCS-51TM 指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件，包括5个16位的计数器/定时器、两个全双工UART、256字节内部RAM、128字节特殊功能寄存器SFR地址空间及8个字节宽的I/O端口[3]。
除了完全兼容8051并提高了执行速度，CIP－51还提供多达22个中断源，允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。在设计一个多任务实时系统时这些增加的中断源是非常有用的。CIP-51内部还有一个独立运行的时钟发生器，系统可以选择使用内部时钟或者外部时钟，运行中可以进行切换， CIP-51内核还集成了64KB FLASH,4KB片内SRAM。包含的仿真电路和JTAG接口能够方便用户进行开发和在线调试。C8051F020在51内核的基础上集成了许多模拟外设和数字外设以及在线编程控制模块JTAG。
2.2 以太网控制器RTL8019AS介绍
RTL8019AS的结构如图2所示。RTL8019AS是由Realtek公司生产的基于ISA总线的8/16位10MB以太网控制器。它的主要特点有：100脚PQFP封装，体积小；支持Ethernet II 与IEEE802.3 10Base5,10Base2,10BaseT标准；支持全双工通信，收发可以同时达到10Mbps的速度；内建数据预读功能以提高性能；支持UTP、AUI和BNC三种接口且能自动检测；支持对10BaseT拓扑结构的自动极性修正；内置16KB双口SRAM，用于收发缓冲；支持8/16位数据总线，16个I/O基地址选择，有8个中断源；有4个诊断输出引脚，可编程控制4个LED帮助了解工作状态；支持三种节电方式[4]。
RTL8019AS内部可分为远程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。远程DMA接口是单片机对RTL8019AS内部RAM进行读写的总线，单片机收发数据只需对远程DMA操作。本地DMA接口是RTL8019AS与网线的连接通道，完成控制器与网线的数据交换。MAC（介质访问控制）逻辑完成以下功能：当单片机向网上发送数据时，先将一帧数据通过远程DMA通道送到RTL8019AS中的发送缓存区，然后发出传送命令；当RTL8019AS完成了上一帧的发送后，再开始此帧的发送。RTL8019接收到的数据通过MAC比较、CRC校验后，由FIFO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。FIFO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。要接收和发送数据包就必须通过DMA读写RTL8019AS内部的16KB RAM。它实际上是双端口的RAM，有两套总线连接到该RAM，一套总线是RTL8019AS读或写该RAM，即本地DMA；另一套总线是单片机读或写该RAM，即远程DMA。
RTL8019AS具有32位输入输出地址。其中00H～0FH共16个地址，为寄存器地址。寄存器分为4页：PAGE0、PAGE1、PAGE2、PAGE3，由RTL8019AS的CR（Command Register命令寄存器）中的PS1、PS0位来决定要访问的页。远程DMA地址包括10H～17H，都可以用来做远程DMA端口。复位端口包括18H～1FH共8个地址，功能一样，用于RTL8019AS复位。
3 硬件实现电路原理
网络接口的硬件实现电路如图3所示。RTL8019AS的JP引脚接高电平，使之工作在跳线工作模式；IOCS16B通过一个27
电阻接地，使RTL8019AS工作在8位数据传输方式；AEN是地址许可引脚，低电平有效；IORB与IOWB引脚分别与C8051F020的/RD和/WD相连；RTL8019AS的复位由C8051F020的P5口第2脚控制；RTL8019AS内置了10BASE-T收发器，它与以太网的连接通过一个隔离变压器后接入一个RJ45接口。
在本设计中采用了Hanrun公司的HR901170A作为连接网络的接口，它内部有隔离变压器，所以设计的智能模块网络接口电路不再需要考虑隔离变压器，简化了电路。
RTL8019AS的地址线有20根，在这里只用了SA0～SA9，低8位通过锁存器74HC573连接到C8051F020的P7口（A0～A7），SA8和SA9分别与C8051F020的P4.3、P6.7（A19与A15）连接。C8051F020访问RTL8019AS的寄存器的地址为0X8000～0X8010,其中0X8000～0X800F为访问4页寄存器用的地址（访问前要先指定页面），0X8010为远程DMA地址，RTL8019AS的复位端口地址没有使用。RTL8019AS的数据线有16根，因为工作于8位方式，所以只用了D7～D0，与C8051F020的P7口连接。地址线和数据线共用一个口，这样可以节约单片机的接口，用于智能模块的其他功能的实现，让EPA智能模块的功能更加强大。
同时在设计时还考虑了工业现场采集的各种信号对EPA智能模块的干扰问题，将智能模块的输入信号处理电路的供电与单片机及网络接口的供电完全独立，以消除干扰。
4 软件实现
系统软件实现流程图见图4所示。
系统在上电复位后，首先要进行系统初始化，即对其工作参数进行设置，以确保其正常工作。其中主要是对一些寄存器进行配置。例如接收配置寄存器、发送配置寄存器、数据配置寄存器、中断屏蔽寄存器、多组播地址寄存器等等，同时设置系统本身的48位物理地址（每个地址都是惟一的，在网络中进行区分）。另外，对芯片内置的16KB RAM进行分配。这里设置为发送缓冲区和接收缓冲区，各自的空间大小由自己决定，并有专门的内存指针确定地址的起始。当所有初始化完成之后，就开始查询工作。其软件流程图见图4。当有数据到来时，先将其目的地址与系统的物理地址相比较，如果地址不相符，则将该数据丢弃；如相符，则开始数据接收。当有数据要发送时，先将待发送的数据按帧格式进行封装，需要设置以太网目的地址、源地址、协议类型，再按所设置的协议类型来设置数据段；然后给出发送缓冲区首地址和数据包长度，启动发送命令，通过远程DMA通道送到RTL8019AS中的发送缓冲区，即可实现RTL8019AS的发送功能，并将结果写入状态寄存器中。再启动本地DMA，将数据发送到网络上。由于协议类型很多，有TCP、UDP、ARP、RARP、SNMP等，为了保证数据的可靠传输，在此采用了TCP数据封装。在单片机中写入相应的TCP控制程序，如数据的拆包、打包等处理，以确保测控时数据的正确传输。
本文所设计的EPA智能模块网络接口电路已应用到重庆某公司的国家创新基金项目《EPA智能模块》，完全实现了远程监控与访问，实现了远程参数的修改以调节现场设备的运行。对于那些生产现场工艺环节较多、控制精度和实时条件要求较高、需要随时了解现场设备运行情况以便进行参数调节和控制的工业现场，该模块提供了一种简便有效、经济实用的实现方法，可以推广到实行网络化控制的工业现场。
参考文献
[1] 冯冬芹.浅谈以太网应用于工业现场的关键技术[J].世界仪表与自动化，2002，(8).
[2] 高露，于海兵. EPA体系结构.计算机工程，2004,(9).
[3] 鲍可敬，赵念强.C8051F单片机原理及应用.北京：中国电力出版社，2006.
[4] Realtek Semiconductor CORP. Realtek Full-Duplex Ethernet Controller with Plug and Play Function,2001,4.
[5] Andrew S.Tanenbaum. Computer Networks.4th ed. 2004.