電子皮帶秤二次儀表近年來發展很快, 出現了兩大趨勢: 一是二次儀表的麵板更加簡化, 在麵板尺寸減少的同時, 顯示部分的尺寸增大, 顯示內容更為豐富, 操作鍵減少。 二是通信功能強化也是智能儀表的重要標誌, 通過 RS232 , RS485 , CAN 等現場總線方式進行多台皮帶秤聯網、 集中監控或與上位機係統通信。

新型電子皮帶秤二次儀表 XK3208- A1 就是應這種趨勢而開發、 生產的對皮帶運輸機所輸送物料進行動態連續計量的計量儀表。 該儀表以增強型 8052 微控製器為核心, 並配有液晶屏和輕觸式 PVC 按鍵, 操作簡單, 功能齊全。 通過以太網接口, 可以輕鬆實現多台電子皮帶秤的聯網,將瞬時K8凯发登录入口、 累計K8凯发登录入口、 皮帶速度等相關數據送入上位機, 實現對現場稱重儀表的集中監控管理。 本文重點介紹該儀表 Ethernet 接口部分的設計方法。

1 EtherNet/IP 協議介紹

在企業信息係統中, TCP/IP 以太網已經成為事實上的標準網絡, 將標準 TCP/IP 以太網延伸到工業實時控製, 將很好地幫助用戶獲得更加開放集成的工業自動化和信息化的整體解決方案。 EtherNet/IP 就是為實現這一目的的標準工業以太網技術, 它是標準 TCP/IP 以太網和通用工業協議 ( CIP ) 的結合。

EtherNet/IP 使用標準 TCP/IP 以太網, EtherNet/IP 支持在標準 TCP/IP以太網上為提供 IT 服務所開發的任何應用層協議, 如 HTTP , SNMPSMTP 等等, 實現工業自動化和企業信息係統的直接集成。 比如, 運行人員打開網頁瀏覽器軟件, 像訪問某個網站一樣, 可方便地瀏覽、 組態、 診斷並監視 EtherNet/IP 設備。

EtherNet/IP 使用標準 TCP/IP 以太網技術, 保證了用戶在工業環境場合可以使用工業等級的標準以太網交換機; 在非工業環境場合, 用戶還可利用已有的普通標準以太網交換機產品來擴展 EtherNet/IP 網絡, 這有助於實現更多的靈活性和更高的性價比的自動控製係統。

TCP/IP 協議是一套把因特網上的各種係統互聯起來的協議組, 保證因特網上數據的準確快速傳輸。 參考開放係統互聯 ( OSI ) 模型, TCP/IP 通常采用一種簡化的 4 層模型, 分別為: 應用層、 傳輸層、 網絡層、 鏈路層 。

符合 IEEE 802.3 標準的以太網幀的長度一般介於 64 字節與 1 518字節之間。 它們由 5 個或 6 個不同的字段組成, 分別是: 目標 MAC 地址、源 MAC 地址、 類型 / 長度字段、 數據有效負載、 可選的填充字段和循環冗餘校驗 ( CRC ) 字段。 另外, 當通過以太網介質發送數據包時, 一個 7 字節的前導字段和一個字節的幀起始定界符將被附加到以太網數據包的開頭。 因此, 在雙絞線上的傳輸格式如下:
 

2 uIP 棧

uIP TCP/IP 棧是使用於低至 8 位或 16 位微處理器的嵌入式係統的一個極輕型的 TCP/IP 協議棧, 它實現了 TCP/IP 協議組的 4 個基本協議:ARP 協議、 IP 協議、 ICMP 協議和 TCP 協議。 uIPTCP/IP 棧由瑞典單片機專家 AdamDunkels 編寫, 是一個免費的 TCP/IP 棧, 它使用 C 語言編程,可以方便地應用到電子衡器中。 uIP 的實現目標是保持代碼大小和儲存器使用量最小。 目前, uIP 代碼的大小和 RAM 的需求比其他的 TCP/IP 棧要小, 但是 uIP 與其他 TCP/IP 棧不同, 它的重發工作需要應用程序的幫助。 其他 TCP/IP 棧 RAM 中存儲著傳輸數據, 直到數據被確認已成功發送才釋放 RAM 空間。 如果數據需要重傳, 堆棧在沒有通知應用程序下監視著重傳工作, 在等待確認的過程期間, 數據必須緩存在 RAM 裏。 uIP 利用應用程序可以快速重新生成數據的特點, 在等待數據確認的過程中,RAM 中不必緩存數據, 而是等確認不成功信號到達時由應用程序重新快速生成數據。 例如, 一個 HTTP 服務器服務的大部分是 ROM 裏的靜態和半靜態頁, 不需要在 RAM 裏緩存靜態內容, 所以, 如果一個包丟失了,HTTP 服務器可以容易地從 ROM 裏重生數據, 使數據簡單地從原先的位置讀回來。

3 係統的硬件設計

微 控 製 器 選 用 美 國某公司 的 模 擬 微 控 製 器ADuC845 , 它內部集成有兩個獨立的 24 位 Σ - Δ ADC 、 8 路模擬量輸入通道 ( MQFP 封裝) 、 單周期 8051 兼容內核、 62kb 片內程序存儲器、 4 kb 片內 Flash/EE 數據存儲器、 2 kb片內 XRAM 、 12 位電壓輸出型 DAC 、雙 16 位 Σ - Δ DAC/PWM 、 片內溫度傳感器。

以太網控製器選用美國某公司的ENC28J60 28 引腳獨立以太網控製器。 目前市場上大部分以太網控製器采用的封裝均超過 80 引腳, 而符合 IEEE802.3 協議的 ENC28J60 隻有 28 引腳, 就能既提供相應的功能, 又可以大大簡化相關設計, 並減少占板空間。 此外,ENC28J60 以太網控製器采用業界標準的 SPI TM 串行接口,隻需 4 條連線即可與主控單片機連接。

ENC28J60 的硬件設計需要注意複位電路、 時鍾振蕩器、 振蕩器啟動定時器、 時鍾輸出引腳、 變壓器、 終端和其他外部器件、 輸入 / 輸出電平等幾個方麵。

ENC28J60 是一個工作電壓為 3.3 V 的器件, 它被設計為易於集成到5 V 的係統中。 SPI 的 CS , SCK 和 SI 輸入以及 RESET 引腳都可以承受 5V 的電壓。另一方麵, 主控製器 ADuC845 是運行在 5 V 電壓下, 當 SPI 和中斷輸入由 ENC28J60 上的 3.3 VCMOS 輸出驅動時, 它很可能不符合規範要求, 此時需要一個單向電平轉換器。 可以使用一個廉價的 74ACT125( 四三態緩衝器) , 便於係統集成, 並與其他器件共享 SPI 總線。

4 單片機通信係統的軟件設計

在使用 ENC28J60 發送和接收數據包前, 必須對器件進行初始化設置。 通常初始化任務會在複位後立即完成, 並且不再需要更改。 初始化包括接收緩衝器的初始化、發送緩衝器的初始化、接收過濾器的初始化、MAC 初始化設置和 PHY 初始化設置。

ENC28J60 內的 MAC 在發送時會自動生成前導符和幀起始定界符。此外, MAC 可根據配置生成填充 ( 如果需要) 和 CRC 字段。 主控製器必須生成所有其他幀字段, 並將它們寫入緩衝存儲器, 以待發送。 ENC28J60還要求在待發送的數據包前添加一個包控製字節。 

5 上位機程序設計

為了實現和單片機的通信, 本文用 VC++ 在用戶終端 PC 機上編程了一個數據傳輸的應用程序。給程序的編寫如同一般的網絡編程, 采用Winsock 編程, 先創建一個套接字, 綁定 IP 地址和端口號, 本文使用 UDP數據報, 與嵌入 uIP TCP/IP 棧的單片機係統的套接字建立連接。 上位機先調用 Send ( ) 函數發出查詢某一參數命令, 當有網絡數據到達時,VC++ 響應 Receive ( ) 消息, 讀取數據並處理。

6 結語

在電子皮帶秤二次儀表中添加了以太網接口, 可實現電子皮帶秤和上位機的通信, 可以使工程技術人員通過網頁瀏覽器了解電子皮帶秤的運行情況, 其具有傳輸速度快、 使用方便等優點, 有著廣泛的應用前景。

參考文獻

[ 1 ] 方原柏 . 電子皮帶秤二次儀表的發展 [ J ] . 衡器, 2004 ( 4 ) : 1- 4.

 

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