在許多制造業(yè)的應(yīng)用當(dāng)中，客戶希望擁有一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAQ）來對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視，以便滿足故障處理和控制的需要。為了達(dá)到此項(xiàng)目的，許多制造業(yè)的應(yīng)用傾向于依靠一種專利權(quán)下的、由特定擁有者所有的接口和協(xié)議，由其提供狀態(tài)或者診斷端口來傳送信息。但是，如果建立一套基于一種標(biāo)準(zhǔn)接口的DAQ系統(tǒng)－例如以太網(wǎng)以及TCP/IP協(xié)議，用戶就可以作到既能夠節(jié)約開發(fā)的時(shí)間，又能夠降低開發(fā)的費(fèi)用。
在工業(yè)領(lǐng)域，采用以太網(wǎng)連接已經(jīng)成為一個(gè)趨勢。根據(jù)來自ARC研究公司的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在僅僅在歐洲就有3百萬到4百萬臺(tái)具備工業(yè)以太網(wǎng)能力的設(shè)備，其增長率甚至超過了IT行業(yè)的平均增長水平。一套基于以太網(wǎng)的DAQ系統(tǒng)可以為遠(yuǎn)程維護(hù)帶來極大的方便，因?yàn)樗朔藗鹘y(tǒng)串行接口的距離限制。另外，一個(gè)工廠所使用的來自于許多不同供應(yīng)商的機(jī)械設(shè)備可以通過一套基于以太網(wǎng)的DAQ系統(tǒng)整合到一個(gè)單一的系統(tǒng)里面，實(shí)現(xiàn)控制功能就會(huì)非常容易。
圖1：一個(gè)單片的以太網(wǎng)微型控制器包含了驅(qū)動(dòng)一臺(tái)設(shè)備中DAQ的所有功能。
一套典型的基于以太網(wǎng)的DAQ系統(tǒng)可以通過以太網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)另一端的中心辦公室進(jìn)行通訊，同時(shí)還可以通過位于網(wǎng)絡(luò)其它端點(diǎn)上的傳感器子系統(tǒng)所擁有的同步或者非同步通用接收器/變送器（USART）以及串行接口進(jìn)行通訊。對于制造行業(yè)的監(jiān)視和故障處理應(yīng)用，以太網(wǎng)所具有的不確定性特點(diǎn)不會(huì)帶來問題。
�。ㄒ蕴W(wǎng)在一直不斷的發(fā)展進(jìn)化，IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)仍然在努力提高以太網(wǎng)的確定性。采用新的精確時(shí)間同步協(xié)議（PTP）IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)用正在傳送過程數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)同時(shí)對傳感器、執(zhí)行器和其它模件當(dāng)中的本地時(shí)鐘進(jìn)行同步。）
對于制造行業(yè)應(yīng)用中的監(jiān)視和故障處理應(yīng)用，10 Mbps的數(shù)據(jù)傳送速率已經(jīng)足夠。例如，非連續(xù)的制造過程常常會(huì)使用數(shù)以百計(jì)的可編程邏輯控制器（PLCs），可編程邏輯控制器依靠基于RS-485的串行連接來交換數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)傳送速度只能達(dá)到幾千字節(jié)每秒。而在一個(gè)包含基金會(huì)現(xiàn)場總線H1的DAQ系統(tǒng)當(dāng)中，以太網(wǎng)通訊的運(yùn)行速度是31.25kbps。
三種實(shí)現(xiàn)方式
在DAQ系統(tǒng)應(yīng)用當(dāng)中采用以太網(wǎng)主要有三種途徑。第一，你可以采用老式的PCI/ISA控制器，這種控制器采用80-plus針形接口與8-bit微型計(jì)算機(jī)連接（MCUs）。這種基于PC的解決方案一般比較復(fù)雜，占用較大的安裝面積，價(jià)格昂貴。
第二，你也可以考慮采用一種基于串行接口的低針數(shù)的以太網(wǎng)控制器。在目前大多數(shù)以太網(wǎng)控制器都采用80針封裝或者更多針數(shù)的情況下，只有少數(shù)幾種產(chǎn)品采用28針的封裝，并且能夠以非常低的價(jià)格提供具有競爭力的性能。這類控制器簡化了設(shè)計(jì)，同時(shí)減少了印刷電路板所需要的空間。另外，這種等級的以太網(wǎng)控制器還設(shè)置了符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的串行外設(shè)接口（SPI）連接，因此只需要4根線就可以實(shí)現(xiàn)與主MCU的接口功能。
第三種方法，如果你傾向于一種單片機(jī)的解決方案，你可以考慮采用最新的低成本8位MCUs，它具有一個(gè)片載的媒體訪問控制器（MAC）和為內(nèi)嵌以太網(wǎng)應(yīng)用進(jìn)行過優(yōu)化的物理層設(shè)備（PHY）。當(dāng)你需要將少量信號(hào)（I/O）接入以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)以便實(shí)現(xiàn)監(jiān)視和控制功能時(shí)，使用這種MCUs來進(jìn)行基于以太網(wǎng)的DAQ子系統(tǒng)設(shè)計(jì)對于工廠應(yīng)用是一種很好的選擇。這些DAQ子系統(tǒng)的典型特點(diǎn)包括：具備一個(gè)以太網(wǎng)接口、具備光隔離的數(shù)字量輸入通道、模擬量輸入通道、繼電器和模擬量輸出通道。他們還具有類似于RS-232和/或RS-485端口的串行接口。有些模件甚至配備有傳感器端口。 “對于制造行業(yè)應(yīng)用當(dāng)中的監(jiān)視和故障處理應(yīng)用，10 Mbps 的數(shù)據(jù)傳送速率已經(jīng)足夠了�！� 為了能夠處理大量的I/O，你可以采用菊花鏈的方式將幾個(gè)這樣的子系統(tǒng)連接起來，這樣還可以將接線的費(fèi)用減少到最低。使用相應(yīng)的軟件，你可以對任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃。既可以采用時(shí)間觸發(fā)動(dòng)作，也可以采用事件觸發(fā)動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)對工廠機(jī)械設(shè)備的監(jiān)視。與另外幾種選擇項(xiàng)（如上位控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）、PLCs或者集散控制系統(tǒng)（DCS）相比，這種方法具有比較高的效費(fèi)比，因?yàn)榱硗鈳追N系統(tǒng)都需要單獨(dú)的以太網(wǎng)控制器、I/O卡板、機(jī)架、電源、電纜和軟件。
已包含的連接
大多數(shù)連接到DAQ系統(tǒng)的傳感器子系統(tǒng)都已經(jīng)集成了某些類型的串行連接，通常是RS-232、RS-485、I2C或者CAN。關(guān)于系統(tǒng)運(yùn)行的信息可以通過這些接口獲得。針對不同的應(yīng)用，你的基于以太網(wǎng)的DAQ系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以象一個(gè)基于一片MCU（帶有一個(gè)片載的以太網(wǎng)控制器）的探測器系統(tǒng)一樣簡單。這個(gè)系統(tǒng)可以與傳感器的串行接口進(jìn)行連接，還可以同各種各樣的子系統(tǒng)進(jìn)行通訊以便獲取狀態(tài)信息。這些數(shù)據(jù)都可以通過以太網(wǎng)傳送出去以便進(jìn)行進(jìn)一步的處理和應(yīng)用。
另一方面，取決于需要采取的行動(dòng)，可以使用低速串行接口通過以太網(wǎng)將命令傳送給DAQ系統(tǒng)來激活傳感器和子系統(tǒng)。自動(dòng)化工程師還可以使用這種探測器設(shè)計(jì)來發(fā)展出一種基于以太網(wǎng)的DAQ系統(tǒng)，或者把現(xiàn)有的工廠機(jī)械設(shè)備升級改造為一個(gè)基于以太網(wǎng)的DAQ系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)視和上位控制的應(yīng)用。
圖2：DAQ系統(tǒng)被科學(xué)的布置在既可以監(jiān)視單獨(dú)的設(shè)備，又可以與更高層控制系統(tǒng)通訊的位置。
TCP/IP固件堆疊
在設(shè)計(jì)一個(gè)內(nèi)嵌的以太網(wǎng)設(shè)備時(shí)的另一個(gè)重要考慮就是TCP/IP固件堆疊。一個(gè)單獨(dú)的以太網(wǎng)模件僅僅能夠支持對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的處理工作。對于需要和外部世界進(jìn)行通訊的設(shè)備來說，比較高層的協(xié)議，例如IP、TCP以及UDP必須在固件層面得到支持。有些硅芯片的制造商免費(fèi)提供了TCP/IP堆疊功能，而另一些制造商則依靠收取前端費(fèi)用以及/或者提供授權(quán)的第三方。
今天，市場上有許多從64針到100針封裝的8位微處理器，它們還帶有128kilobytes的閃存和4kilobytes的SRAM。這些微處理器具有豐富的編碼空間來容納一個(gè)TCP/IP堆棧，為你的應(yīng)用提供WEB服務(wù)器功能。與目前市場上提供的多片式以太網(wǎng)相比較，一個(gè)集成的單片MCU DAQ系統(tǒng)解決方案可以減少68％的空間需求，并且降低約50％的成本。
在過去，工程師需要付出很可觀的努力來開發(fā)這種控制界面、協(xié)議以及相應(yīng)的軟件以便在一臺(tái)PC或者手持設(shè)備上顯示狀態(tài)信息。現(xiàn)在，你可以簡單的利用一個(gè)由微型控制器供應(yīng)商免費(fèi)提供的經(jīng)過了測試和試用的TCP/IP堆棧來方便的將控制器連接到internet上。然后就可以使用合適的應(yīng)用軟件來配置一套基于以太網(wǎng)的DAQ系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對制造系統(tǒng)的診斷和監(jiān)視功能。 |
