于浩洋

(黑龍江工程學院電子工程系，黑龍江 哈爾濱 150050)

0 引言

隨著電子技術的迅猛發(fā)展，各種工業(yè)過程數(shù)字儀表應運而生。目前，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，數(shù)據(jù)通信普遍采用傳統(tǒng)的一對一數(shù)據(jù)通信模式或自封閉的集散系統(tǒng)。這使得設備之間以及系統(tǒng)與外界之間的信息交換難以實現(xiàn)［1］。

因此，現(xiàn)今的大多數(shù)智能儀表接口都只單純地適應以太網(wǎng)而不能同時兼容Internet［2］。開發(fā)具有以太網(wǎng)和Internet功能的智能儀表接口電路，不僅能夠很好地解決傳統(tǒng)的一對一的數(shù)據(jù)傳輸模式和數(shù)據(jù)“孤島”問題，更為日益加快的信息化進程提供了一條可靠的過渡渠道［3］。

1 總體結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)由以太網(wǎng)控制器、微控制器(MCU)、網(wǎng)絡接口、RS-485接口和網(wǎng)關等模塊構(gòu)成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，主控器單片機以查詢的方式詢問以太網(wǎng)控制器是否有數(shù)據(jù)接收。如有數(shù)據(jù)接收，則根據(jù)數(shù)據(jù)包類型交由相關的程序處理;如有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則根據(jù)數(shù)據(jù)包類型進行封裝，并投遞至以太網(wǎng)中。若目標地址(IP)隸屬于Internet，則查詢地址解析協(xié)議緩存表;若沒有相應的IP、物理地址(MAC)映射，則以廣播方式查詢該映射，然后通過網(wǎng)關投遞數(shù)據(jù)包［4］。圖1中的虛線部分由硬件電路實現(xiàn)，其余部分通過軟件編程來實現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of the system

2 硬件設計

硬件電路的設計大體上可分為單片機控制電路、以太網(wǎng)控制器電路、串口擴展電路和RS-485端口通信電路4部分。

2.1 單片機控制電路的選取和設計

PIC24F16KA101系列是通用的16位微控制器，采用nanoWatt XLPTM超低功耗技術，可使休眠電流低至20 nA，非常適用于各種電池供電或電力有限的應用;具備集成的E2PROM存儲器，體積小巧，采用低引腳數(shù)(20引腳和28引腳)封裝［5］，是具有廣泛的外設功能和增強的計算性能的16位微控制器。PIC24F16KA101相關電路主要指與以太網(wǎng)控制器、串口擴展芯片的引腳連接。2個I/O引腳用于兩芯片的片選信號輸出;3個串口(SPI)引腳接入串口總線，通過接口電路數(shù)據(jù)的串行方式來進行數(shù)據(jù)傳輸;2個中斷接口被用作外部中斷輸入，當網(wǎng)絡中有數(shù)據(jù)包接收時，給予主控器中斷信號，然后予以處理［6］。

2.2 以太網(wǎng)控制器電路設計

ENC28J60以太網(wǎng)控制器為Microchip Technology公司推出的28引腳獨立以太網(wǎng)控制器，是目前全世界最小封裝的以太網(wǎng)控制器，它可為嵌入式應用提供低引腳數(shù)、低成本且高效易用的遠程通信解決方案［7］。相關電路如圖2所示。

圖2 以太網(wǎng)控制電路Fig.2 Control circuit of Ethernet

圖2中，根據(jù)ENC28J60的工作頻率要求，需在OSC1和OSC2引腳間接25 MHz晶振及接地電容。ENC28J60的內(nèi)部模擬電路需要在RBIAS引腳與地之間外接一個2 kΩ(精度為1%)的電阻。以太網(wǎng)接口采用含有以太網(wǎng)隔離變壓器的RJ45插座HR901170A［8］。

2.3 串口擴展電路的設計

串口擴展電路的設計是為了提高接口電路的網(wǎng)絡范圍，增加網(wǎng)絡最大允許節(jié)點數(shù)。本文采用GM8142作為串口擴展芯片，將一個標準SPI接口擴展成4個標準的通用異步收發(fā)器(UART)。工作模式采用廣播模式，即按各子串口設置的波特率、數(shù)據(jù)幀長和校驗方式同時發(fā)送到所有子串口中。工作模式、各子串口的工作波特率、數(shù)據(jù)幀長等各種通信設置均通過軟件進行設置，從而減少了微控制器的輸入輸出接口的需求，有效降低了芯片的功耗。

2.4 RS-485端口通信電路的設計

為了使接口電路擁有與RS-485網(wǎng)絡通信的能力，本文采用ADM2587E作為RS-485收發(fā)器。ADM2587E包含一個集成式隔離直流電源，不再需要外部隔離電源模塊。作為帶隔離的增強型RS-485收發(fā)器，它還具備±15 kV靜電釋放保護功能的完全集成式隔離數(shù)據(jù)收發(fā)器，其適用于多點傳輸線路上的高速通信應用。ADM2587E驅(qū)動器還帶有一個高電平有效使能電路，可以提供一個高電平接收機有效禁用電路，使接收機輸出進入高阻抗狀態(tài)。

3 軟件設計

本文將美國微芯科技公司協(xié)議棧的TCP/IP用于網(wǎng)絡服務［9］。系統(tǒng)程序流程如圖3所示。

圖3 程序流程圖Fig.3 Flowchart of the program

圖3中，單片機PIC24F16KA101的初始化包括時鐘模式的確定和復用引腳的相關寄存器的設置。串口初始化是對單片機中的串行口1狀態(tài)和控制寄存器、串行口控制寄存器1和串行口控制寄存器2進行相應的設置。ENC28J60初始化工作包括接收和發(fā)送緩沖器、接收過濾器、晶振的啟動時間、介質(zhì)訪問控制寄存器和物理層寄存器的設置。初始化芯片之前先關閉單片機的中斷輸入，對復位引腳給定一個持續(xù)的低電平復位信號，然后對相應的寄存器進行設置。設置完成所有需要的寄存器后，判斷以太網(wǎng)狀態(tài)中的時鐘啟動標志位是否置位，然后開中斷。

4 實際應用

將上述設計應用于智能抄表系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。圖4中，PIC24F16KA101作為控制器，通過串口SPI和中斷引腳INT1連接串口擴展模塊GM8142，并通過ADM2587E形成4個獨立的RS-485網(wǎng)段(每個網(wǎng)段可連接32個RS-485節(jié)點)。通過擴展SIM(用戶身份鑒別模塊)卡接口，管理網(wǎng)關配置和通信加密。實現(xiàn)Web服務應用時，擴展的外部并行RAM和SPI接口的E2ROM，分別用于超文本傳輸協(xié)議HTTP緩沖和Web頁存儲。由于GM8142擴展的4個串口具有獨立的通信設置和8字節(jié)的先進先出口，因此，可靈活地適應不同的測控節(jié)點通信。網(wǎng)關復位后，單片機對通用同步/異步傳送器口進行設置。本文選擇串口的通信方式為半雙工模式［10］，設置波特率寄存器 UBRRH和 UBRRL，使波特率為9600 bit/s，設置狀態(tài)寄存器UCSRB，以使能接收器與發(fā)送器，并通過狀態(tài)寄存器UCSRC設置幀格式。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Structure of the system

5 結(jié)束語

由PIC24F16KA101為控制器的微處理器，配以ENC28J60構(gòu)成的嵌入式以太網(wǎng)模塊電路連接簡單、功能強大;與目前大多數(shù)需要并行數(shù)據(jù)和地址總線的控制器相比，不需要小封裝的微控制器外擴地址和數(shù)據(jù)總線，并可以將電路做到最小尺寸，符合未來工業(yè)以太網(wǎng)控制器的發(fā)展趨勢。同時，該電路擁有跨越網(wǎng)關的能力。

本設計的創(chuàng)新之處就在于不僅使接口電路實現(xiàn)了兼有在以太網(wǎng)和Internet下進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽铱朔私涌陔娐菲毡榇嬖诘碾娐方Y(jié)構(gòu)復雜、連線較多和容易出錯的缺陷。實際應用顯示，數(shù)據(jù)傳輸準確，電路兼容性較好。

［1］Axeison J.嵌入式Ethernet和Internet通信設計技術［M］.駱麗，張岳強，歐小龍，譯.北京:北京航空航天大學出版社，2006:4－12.

［2］艾樹峰.基于89C51單片機以太網(wǎng)-CAN網(wǎng)關的接口設計與實現(xiàn)［J］.電訊技術，2007，47(6):167 －171.

［3］吳強.基于單片機的以太網(wǎng)嵌入式控制器設計［J］.微計算機信息，2008，24(3 －2):104 －106.

［4］Doyle J，Carrou J.TCP/IP 路由技術(第1 卷)［M］.葛建立，吳劍章，譯.北京:人民郵電出版社，2007:243－258.

［5］祈國梁，付明陽，王健曉.基于單片機的以太網(wǎng)串口服務器原理［J］.自動化與儀表，2007(4):45－48.

［6］李綱.智能網(wǎng)絡設備開發(fā)中的硬件設計［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2002(10):12 －16.

［7］張偉業(yè)，黃云龍，陳國定.基于ENC28J60以太網(wǎng)通信接口的設計與實現(xiàn)［J］.機電工程，2008，25(1):28 －30.

［8］于浩洋，邵國平，秦杰.基于ENC28J60以太網(wǎng)控制器的SPI接口設計［J］.黑龍江工程學院學報:自然科學版，2009，23(2):64 －66.

［9］Scaglia S.嵌入式 Internet TCP/IP基礎、實現(xiàn)及應用［M］.潘琢金，徐蕾，拱長青，等，譯.北京:北京航空航天大學出版社，2008:133－142.

［10］何瑾，劉杰，田明.C8051在水表計費系統(tǒng)中的應用［J］.自動化儀表，2006，27(6):60－62.