C8051F基于ZNE-100PT的以太網監控系統

引 言
近年來，隨著網絡技術的發展，網絡化席卷全球。在工業現場中如何將測控系統等儀器和設備接入互聯網，實現信息共享和遠程控制成為人們關注的話題。傳統的工業測控現場所采用的總線技術(如RS232和RS485等)能夠很好地解決儀器與設備的互聯互通問題，并得到了廣泛的應用。但此類總線是專為工業所設計的，并不能解決因特網的接入問題。采用單片機配合以太網控制芯片構成測控系統，可解決測控系統與互聯網的接入問題，但卻需要花費大量的時問和精力進行開發。采用商品化的串口服務器或網絡服務器進行網絡互聯，雖可實現網絡互聯，但軟硬件成本很高。針對這些情況，我們采用低成本的RS232以太網轉換模塊作為網絡互聯媒介，設計了基于美國Cygnal公司的C8051F020的嵌入式以太網監控系統。結果表明，該監控系統充分利用了現有以太網資源，實現了遠程測控終端與監控中心的通信功能，從而實現了高可靠性、低成本的實時監控，達到了工業現場安全運行的目的。

1 RS232-以太網模塊及C8051F020簡介
ZNE-100PT是周立功公司開發的一款RS232-以太網模塊模塊，內部集成了TCP／IP協議棧，利用它用戶可以輕松實現嵌入式沒備的網絡功能。其主要特點是：
◆內嵌32位ARM7 CPU；
◆支持TCP／IP協議(包括Ethernet、ARP、IP、ICMP、IGMP、UDP、TCP、HTTP和DHCP)，工作方式可選擇為TCP Server、TCP Client、UDP、Real COM driver和GroupMode．TCP Auto組播地址工作端口目標IP和端口均可設定支持PairConnection對連方式工作；
◆10M以太網接口使用排針方式引出；
◆RS232或RS485串口，TTL電平方式，波特率為300～115200 bps。
采用RS232以太網模塊進行網絡互聯，可大幅度縮短軟件開發時間，且成本很低。
單片機C8051F020是一款完全集成的混合信號系統級芯片，與8051指令集完全兼容。它具有如下特點：
◆高速流水線結構的8051兼容的CIP-5l內核(可達25 MIPS)；
◆高速非侵入式的在線系統調試接口(片內)；
◆真正12位100Ksps的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開關；
◆2個12位DAC；
◆64 KB可在系統編程的Flash存儲器；
◆4352(4096+256)字節的片內存儲器；
◆可尋址64 KB地址空間的外部數據存儲器接口；
◆硬件實現的SPI、SMBus／I2C和2個UART串行接口；
◆5個通用16位定時器；
◆5個捕捉比較模塊的可編程計數器／定時器陣列；
◆片內看門狗定時器、VDD監視器和溫度傳感器。
C8051 F020是一款真正獨立工作的片上系統，將C8051F020用于嵌入式以太網監控系統，可大量減少外圍器件，充分發揮C8051F020的高速度特點，大大提高了系統的集成度。

2 嵌入式以太網監控系統的技術要求和硬件實現方案
2．1 技術要求
用戶對嵌入式以太網監控系統的要求如下：
◇8位全隔離數字輸入接口；
◇8位全隔離數字輸出接口；
◇8路12位模擬／數字輸入接口，輸入電壓DC為O～12 V：
◇2路12位數字／模擬輸出接口，輸出電壓DC為O～5 V；
◇RS232串行接口，最高波特率為19．2 khps；
◇RJ45 10M網絡接口。
2.2 實現方案
根據用戶提出的技術要求，以單片機C8051F020為核心，輔以RS232-以太網模塊ZNE-100PT及少量外圍電路，構成嵌入式以太網監控系統的硬件電路，如圖1所示。

圖1中，由于C8051F020具有2個標準串行接口，因而一個分配給ZNE-100PT模塊，作為以太網接口，另一個就分配給了RS232接口，作為與上位機的通信接口(其通信速率可根據用戶要求在300～19200 bps調整。
對于8路模擬信號輸入接口，要求其最高輸入電壓為+12V，而C8051F020的片內A／D轉換器最高輸入電壓為+3V。對于+12V的輸入電壓，可采用電阻分壓衰減電路，將+12 V的輸入電壓降為+3 V輸入；而對于8路O～5 V的模擬輸出電壓，則可直接利用運算放大器放大輸出，電路如圖2所示。

數字輸入部分采用光電耦合器將數字輸入信號與本系統隔離，從而減小了外界干擾對系統的影響；數字輸出部分也采用光電耦合器進行隔離，如圖3所示。

3 ZNE-100PT模塊的使用和網絡通信規約
在使用RS232-以太網模塊ZNE-100PT之前，應當按照ZNE-100PT的要求對模塊進行軟件配置。主要工作有配置模塊的IP地址、模塊的子網掩碼、模塊網關和串行接口的波特率等參數。配置完成后模塊即可使用。需要注意的是，設置模塊屬性時，可將幀起始字節和幀結束字節設為空。這樣，當模塊對通信數據劃分TCP／IP數據包時，就可按串口數據的幀間隔作為分包條件。
根據監控系統的要求，設定本系統與以太網之間的通信規約。
通信數據格式字頭+命令字+數據長度+數據體
①字頭：START。
②命令字：共計1個字。
第1字節：表示數據傳輸方向。由單片機→以太網為U；由以太網→單片機為P。
第2字節：為命令字。
命令l：由單片機→以太網時，表示后面數據為8路A／D輸入值和8路數字I／O輸入值；由以太網→單片機時，表示后面數據為2路D／A輸出值和8路數字I／O輸出值。
命令2：由單片機→以太網時，表示后面數據為RS232接口收到并轉發以太網的，數據體長度小于255字節；由以太網→單片機時，表示后面數據需經監控系統的RS232接口發出，數據傳送結束時監控系統返回OK，表示傳送結束。
③數據長度：>999字節，表示后面數據體的長度。
④數據體：所需傳輸的數據。

4 監控系統軟件流程
由于監控系統需要經由ZNE-100PT雙向傳輸數據并需進行相關操作，因此監控系統軟件流程如圖4所示。

圖4中，CPU首先進行初始化。之后分別采集以太網上發送過來數據以及本機的A／D和I／O輸入數據。采集完成后，如果收到的是D／A和I／O輸出數據，則進行D／A和I／O輸出數據的更新。如果是以太網的RS232輸出數據，則啟動RS232接口并發送數據；否則，定時向以太網發送本機的A／D和I／O輸入數據。如果是RS232接口的數據，則向以太網進行轉發。

結語
本文設計的基于SoC單片機C8051F020的嵌入式以太網監控系統，采用了RS232以太網模塊，從而使軟件開發的工作量大大減少，使監控系統得以依托以太網實現遠程測量及控制。本系統已用于日本某公司的生產線，且受到用戶的好評。將本系統的某些參數適當修改，也可以用于其他工業控制場合中。