1 引言

随着计算机、通信、网络等信息技术的发展,信息交换的领域已经覆盖了工厂、企业乃至世界各地的市场,因此,需要建立包含从工业现场设备层到控制层、管理层等各个层次的综合自动化网络平台,建立以工业控制网络技术为基础的企业信息化系统。

与此同时,以太网也悄悄地进入了控制领域。近年来,以太网不仅垄断了办公自动化领域的网络通信,而且在工业控制领域管理层和控制层等中上层网络通信中也得到了广泛应用,并有直接向下延伸应用于工业现场设备间通信的趋势,成为近年来工业控制网络新的研究热点。用于工业控制,以太网具有以下优点:应用广泛;成本低廉;通信速率高;软硬件资源丰富;可持续发展潜力大;易于与Internet连接,能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无缝集成。

2 温度控制系统主要改进技术

工业以太网标准主要的改进技术为用智能交换设备取代了普通的集线器,目前智能控制器节点的处理器芯片主要采用x86、ARM等32位CPU,对实现自动化领域的可靠性、实时处理能力的高要求,是一种具有高性能价格比的解决方案。随着微电子技术的快速发展,单片机的数据处理能力和功能得到了极大的提高,作为智能控制器节点的处理器在实时性要求不太高的情况下完全能够满足技术要求,且价格低廉。本文将设计基于单片机的以太网温度智能控制系统。

3 温度控制系统硬件设计

3.1 总体设计

本文选用电加热炉为被控对象。电加热炉是典型的工业过程控制对象,被广泛应用于冶金、化工、机械、食品等行业的工业生产和实验。控制方法的优劣,运行效果的好坏,直接影响到产品的质量、能源的消耗、设备的生产效率。搭建温度控制系统,其总体框图如下:

图1 温度控制系统总体框图

3.2 NMC-20XX核心模块

NMC-20XX 核心模块是为了用于工业测控包括以太网测控功能而设计的,模块中包含有功能非常强的C8051F020单片机;片外扩展的1MBitSRAM、IS62LV1024;片外以串行方式扩展的4MBit Flash存储器AT45DB081;该模块用4层PCB板设计面积仅为42.5mm×53.8mm,模块上设计有连接F020单片机的JTAG调试接口,有用于扩展和应用连接的2×40P双排针,该双排针可与不同用户设计的应用系统连接。如在该系统上将和系统实验板连接。核心模块的组成框图如图2。

图2 核心模块组成框图

3.3 C8051F单片机

C8051Fxxx系列单片机采用流水线处理(pipe line)技术,不再区分时钟周期和机器周期,能在执行指令期间预处理下一条指令,提高了指令执行效率。而且大部分C8051F单片机具备控制系统所需的模拟和数字外设,包括看门狗、ADC、DAC、电压比较器、电压基准输出、定时器、PWM、定时器捕捉和方波输出等,并具备多种总线接口,包括UART、SPI、SMBUS(与 I2C 兼容)总线以及CAN总线。C8051F 系列单片机采用 Flash ROM 技术,集成 JTAG,支持在线编程。

C8051F020片上系统单片机片内资源:

a.模块外设。逐次逼近型8路12位ADC0;8路8位ADC1输入与P1口复用;两个12位DAC;两个模拟电压比较器;电压基准内部提供2.43V;精确的VDD监视器。

b.高速8051微控制器内核。流水线式指令结构速度可达25MIPS,22个矢量中断源。

c.存储器。片内4352字节数据RAM;64KBFlash程序存储器可作非易失性存储;外部可扩展的64KB数据存储器接口。

d.数字外设。8个8位的端口I/O;I2CSPI2个增强型UART串口;可编程的16位计数器/定时器阵列(PCA);5个通用16位计数器/定时器;专用的看门狗WDT。

e. JTAG 调试和边界扫描接口,可实现在线实时动态调试。

C8051F 单片机丰富的片上资源及高运算速度为实现复杂的控制算法提供了保障而且几乎不需系统扩展即可满足控制系统对硬件资源的需求,极大地提高了系统的可靠性。

3.4 以太网控制器RTL8019AS

本文所用的网卡主芯片为RTL8019AS。由于其优良的性能、低廉的价格,使其在市场上10Mbps网卡中占有相当的比例。

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。内部结构如图3所示。

图3 RTL8019AS内部结构

远程DMA接口是指单片机对RTL8019AS内部RAM进行读写的总线,即 ISA总线的接口部分。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中的发送缓冲区,然后发出传送命令;当RTL8019AS完成了上帧的发送后,再开始此帧的发送。RTL8019AS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。

4 温度控制器软件设计

4.1 Cygnal集成开发环境软件简介

Cygnal集成开发环境软件提供了开发和测试项目所必须的工具。具有如下特点:

a.源代码编辑器

编辑器包括所有标准的Windows编辑功能,包括剪切、粘贴、复制、取消/重复、查找/替换及书签等。并为8051汇编语言和C语言提供了彩色句法加亮功能。用户可以扩充加亮的关键字的目录,也可以定义所使用的颜色,用户可配置字体、文本颜色与Tab键设置。

b.项目管理器

一个项目由源文件、目标与库文件、工具配置和IDE查看等组成。项目管理保存了查看与工具设置,及在编译中所使用的多卷文件,包括要通过第三方汇编器、编译器和连接器处理的文件。

c.集成 8051 宏汇编程序

8051 宏汇编程序与 IDE 结合成一体。此汇编程序接受Intel MCS-51可兼容源文件并且创立可下载的Intel十六进制文件。它也产生所有的必要调试信息,提供汇编语言源程序级调试。

d. FLASH 编程器

编译之后,在IDE界面集成的FLASH编程器允许代码立即下载至MCU在片闪存,将源代码修改与在系统调试之间的时间最小化。

e.非侵入调试

连接到MCU片上调试电路的 IDE,使用最终应用中安装的MCU进行全速、非侵入式、在系统编程调试。片上调试逻辑比使用ICE芯片、目标仿真头与有噪声的电缆的仿真系统性能更优越,为评估用户的混合信号设计的实际模拟性能提供了必要的信号完整性。

f.源程序级调试

源程序窗口也是工作调试窗口。当监控寄存器与存储器内容时,你可以在源程序中观察当前的程序计数器位置,设置并且清除断点,执行单步运行。

g.断点

断点可以设置在源程序行中,在执行指定源程序行的第一指令之前,立即停止执行。断点由 MCU 的片上调试电路支持,并且不影响程序的实时执行。

h.存储器观察点

当一个或者多个数据存储器位置或者寄存器与指定的值符合或者改变时,可以有条件的定义存储器观察点,停止程序执行。

i.第三方工具支持

完全支持 FLASH 编程和Intel OMF-51绝对目标文件的源程序级调试,允许在软件开发时使用第三方链接工具。

j.配置向导

配置向导自动地产生 MCU 和片上外设初始化代码。单击检验栏,并且在对话框中输入数值产生所需的带注释的汇编语言代码,使能和配置外部设备,设定输入/输出端口功能,并指定 MCU 等操作。

4.2 程序运行

本系统利用Cygnal集成开发环境软件,加载TCP/IP协议和用户程序,完成了以太网测试程序的调试。

5 控制算法的实现

以模糊控制、专家系统、神经网络等为代表的智能控制技术被广泛应用于工业控制领域,并取得了良好的效果。智能控制技术特点是把人工智能的方法引入控制系统,利用人的实践经验、逻辑推理和自学习能力,从定性和定量相结合的方法入手,对那些因结构复杂、参数时变而难以用精确数学模型来描述的被控对象给出灵活的控制策略。正是因为智能控制具备这些优点,本系统选用模糊控制方法来解决电加热炉的控制问题。

6 本文小结与作者创新点

本系统应用新型Cygnal C8051F单片机NCD-CIP51F020 系统搭建了基于以太网的温度控制系统,并采用模糊逻辑推理算法,实现了对电加热炉温度的控制。该系统具有如下特点:采用新型单片机Cygnal C8051F作为智能控制器节点的核心器件,不但资源丰富,易于扩展以太网接口,并且速度快,对于温度控制完全能够满足实时性的要求。采用模糊逻辑推理算法对电加热炉温度控制,具有自适应功能,不但能适应不同控制对象的要求、通用性好,而且控制精度高,可靠性强。

参考文献:

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[4] 刘颖慧,凌云,王兵. 基于模糊理论的电弧冶炼炉的单片机改造[J]. 微计算机信息, 2006, 8-2: 136-138