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關(guān)鍵詞：IP傳感器 網(wǎng)絡(luò)化接口 W31OOA 荷重傳感器
工業(yè)生產(chǎn)中，傳統(tǒng)測控系統(tǒng)已逐漸由集中式向分散式方向發(fā)展。分布在現(xiàn)場的傳感器和執(zhí)行機構(gòu)的智能越來越強，它們之間也越來越表現(xiàn)出對通信的迫切要求。隨著Intelnet的迅速發(fā)展，TCP／IP協(xié)議正逐漸成為一種世界通用的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。如果讓處于現(xiàn)場的傳感器實現(xiàn)TCP／IP協(xié)議，也就是把網(wǎng)絡(luò)連接功能嵌入到現(xiàn)場傳感器中，使傳統(tǒng)的傳感器真正成為一個獨立的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點，數(shù)據(jù)采集、信息傳輸?shù)榷寄苤苯釉贗ntranet／Internet上以Web方式進行，既統(tǒng)一了標(biāo)準(zhǔn)，又達(dá)到了遠(yuǎn)程控制和操作的目的�；赪3IOOA的嵌入式IP荷重傳感器正是為實現(xiàn)這種目的而設(shè)計的。
1 IP荷重傳感器結(jié)構(gòu)
嵌入式IP荷重傳感器是在智能傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的具有Internet功能的新型傳感器。其實質(zhì)是在傳統(tǒng)傳感器的基礎(chǔ)上實現(xiàn)TCP／IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議接口，將傳感器作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點直接與計算機網(wǎng)絡(luò)通信。它的組成主要有：敏感單元、智能處理單元和TCP／IP通信協(xié)議接口。
圖l為嵌入式IP荷重傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。整個傳感器的工作原理如下:傳統(tǒng)的傳感器將被測荷重信號轉(zhuǎn)換為電信號，先通過A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再經(jīng)過微處理器的數(shù)據(jù)處理(濾波、校準(zhǔn))將結(jié)果傳送給網(wǎng)絡(luò)；與網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換由基于TCP／IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)接口模塊完成。嵌入式IP荷重傳感器的內(nèi)部存儲器存儲傳感器的物理特征，如偏移、靈敏度、校準(zhǔn)參數(shù)等；微處理器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理及輸出校準(zhǔn)；TCP／IP協(xié)議實現(xiàn)傳感器的網(wǎng)絡(luò)連接。與傳統(tǒng)的傳感器相比，基于W3100A的嵌入式IP傳感器具有可靠、便宜、擴展性好的優(yōu)點，而且可以在內(nèi)部直接對原始數(shù)據(jù)加工、處理，并通過Intranet／Internet與外界進行數(shù)據(jù)交換，因而它具有微型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的特點。由于傳感器可與Intranet／Internet互連，因而實現(xiàn)了資源共享。
2 TCP／lP協(xié)議棧的幾種實現(xiàn)方案
IP傳感器實現(xiàn)的關(guān)鍵在于網(wǎng)絡(luò)化接口的設(shè)計，而網(wǎng)絡(luò)化接口實現(xiàn)的關(guān)鍵在于TCP／IP通信協(xié)議的實現(xiàn)。目前，實現(xiàn)的方法有下面兩種：
①基于軟件來實現(xiàn)TCP／IP協(xié)議棧。通過將TCP／IP協(xié)議棧移植到系統(tǒng)中，然后調(diào)用相關(guān)的API函數(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信�；蛘卟徊捎靡浦驳姆椒�，參照標(biāo)準(zhǔn)的TCP／IP協(xié)議精簡相應(yīng)的協(xié)議層，編寫相關(guān)的API函數(shù)完成簡易的TCP／IP通信。但是這種方法需要有操作系統(tǒng)、高性能MCU及大容量存儲器的支持。
�、谥苯硬捎肨CP／IP協(xié)議棧芯片。這種方案的主要優(yōu)點在于，應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計不必考慮任何網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，只需要解釋并執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)芯片傳送過來的指令和數(shù)據(jù)就可以實現(xiàn)與Internet網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)的傳送，且不需要操作系統(tǒng)的支持。本文基于W3IOOA芯片的嵌入式IP荷重傳感器就是采用這種方法實現(xiàn)的。
3 傳感器系統(tǒng)硬件設(shè)計
3.1 W3100A芯片簡介
W3100A是韓國Wiznet公司生產(chǎn)的一種TCP／1P協(xié)議棧芯片，其中包含的協(xié)議層有TCP(傳輸控制協(xié)議)、IP(網(wǎng)際協(xié)議)、UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)、ICMP(因持網(wǎng)控制報文協(xié)議)和協(xié)議的DLC(數(shù)據(jù)鏈路控制)，以及MAC協(xié)議。該芯片提供2個接口給上層應(yīng)用層——MCU接口和I2C接口，1個MII(Media Independent Interface)接口給底層物理層。芯片支持全雙工4 M～5 Mb／s的數(shù)據(jù)通信；內(nèi)部帶有雙口RAM的數(shù)據(jù)緩沖器，64引腳LQFP封裝，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。
芯片內(nèi)部提供512 B的控制寄存器存儲空間和16 KB的數(shù)據(jù)存儲緩沖器。其中8 KB傳輸數(shù)據(jù)緩沖器供Mcu傳輸數(shù)據(jù)用，MCU只能寫而不能讀；8 KB接收數(shù)據(jù)緩沖器供MCU接收數(shù)據(jù)用，MCU只能讀而不能寫。芯片提供寄存器供MCU訪問，具體的寄存器分類如下；控制寄存器(命令、狀態(tài)及中斷)；系統(tǒng)寄存器(網(wǎng)關(guān)地址、子網(wǎng)掩碼、IP地址等)；用于數(shù)據(jù)收、發(fā)的指針寄存器；通道操作的通道寄存器。各寄存器功能和地址參閱文獻(xiàn)。
3.2 硬件接口及其數(shù)據(jù)傳輸
W3100A提供了并口和串口兩種方式實現(xiàn)與MCU的通信。圖3為基于12C的串口連接方式。其中MCU為傳感器中的處理器，以太網(wǎng)物理層設(shè)備選用RTIL8201芯片。W3100A提供MII接口與RTL820l相連，其中引腳RX_CLK、RXDV、RXD[3；O]以及COL用于數(shù)據(jù)的接收，而TX_CLK、TXE、TXD[3：O]用于數(shù)據(jù)的發(fā)送。MCU中提供模擬的I2C接口與W3lOOA通信。I2C是串行通信總線方式，由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL配合完成通信。
TCP連接分主動連接(TCP客戶機模式)和被動連接(TCP服務(wù)器模式)。本文主要用到TCP被動連接方式，具體過程如圖4所示。首先，要完成芯片的TCP／IP初始化，初始化主要是對必要的寄存器進行相應(yīng)的設(shè)置。這些寄存器包括GAR、SMR、SHAR以及SIPR等。
上述寄存器被設(shè)置后通過執(zhí)行控制寄存器CO_CR的0位Sys_init激活芯片。其次，設(shè)置相應(yīng)通道，如0通道，的協(xié)議選擇寄存器C0_SOPR為0X01，選擇TCP協(xié)議。執(zhí)行通道O控制寄存器CO_CR中的Socket_Init，同時將C0_Tw_PR、C0_TR_PR及CO_TA_PR置成同一值。然后執(zhí)行C0_CR的Connect和Listen命令位，TCP連接建立。
TCP數(shù)據(jù)傳送和接收要在連接建立后才能進行，通過設(shè)置RMSR和TMSR來規(guī)定數(shù)據(jù)緩沖器空間大小。TCP數(shù)據(jù)傳送過程是通過使用C0_TW_PR、CO_TA_PR來進行的，它們的初始值相同。然后MCU根據(jù)要傳送數(shù)據(jù)的多少增加C0_TW_PR的值。最后，C0_TW_PR、C0_TA_PR兩者之差為空閑數(shù)據(jù)緩沖器空間大小，執(zhí)行傳送命令，同時增加C0_TA_PR的值，數(shù)據(jù)傳送完畢后它們的值又相同。
4 傳感器系統(tǒng)軟件設(shè)計
IP荷重傳感器的工作流程是：首先采集荷重信號，其次將信號進行A／D轉(zhuǎn)換后將結(jié)果存儲在EEPROM中，并可將信號和處理結(jié)果嵌入到存儲在EEPROM中的事先定制好的網(wǎng)頁中供客戶機通過Internet訪問，同時在本機LCD上顯示荷重信號的數(shù)據(jù)。W31130A的工作方式類似于Windows的Socket API，因此程序是在Cygnal公司的集成開發(fā)環(huán)境下，把儀器作為服務(wù)器，基于Socket API用C語言編寫的。對C8051F021而言，由于是用W3100A來完成TCP協(xié)議，其程序簡單了許多。通信主程序流程如圖5所示。
網(wǎng)絡(luò)配置文件預(yù)先存儲在EEPR()M中，對于儀器的本地IP地址設(shè)置為一個靜態(tài)IP地址，如果沒有一個靜態(tài)IP地址也可以采用動態(tài)主機配置協(xié)議(DHCP)來動態(tài)獲取一個IP地址。
5 應(yīng)用實例
紅礬鈉是一種重要的無機化工原料。在紅礬鈉的生產(chǎn)中，配料是一個十分重要的工序。由于配料現(xiàn)場的環(huán)境惡劣，帶毒粉塵多，噪聲大，嚴(yán)重影響工人的身體健康[…。傳統(tǒng)的計算機配料系統(tǒng)由于其傳感器遠(yuǎn)傳能力有限，對配料系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控往往力不從心，因此，開發(fā)具有web功能的IP傳感器十分必要�；贗P傳感器的紅礬鈉配料系統(tǒng)組成框圖如圖6所示。
系統(tǒng)中Web的工作基于C／S模型，傳感器由Web瀏覽器和Web服務(wù)器構(gòu)成，兩者之間采用HTTP協(xié)議進行通信，因此在傳感器的上層協(xié)議應(yīng)該采用HTTP協(xié)議。同時要實現(xiàn)瀏覽器與嵌入式Web傳感器交互，除了要解決上述TCP／IP通信協(xié)議接口外，在傳感器中應(yīng)提供一個EEPROM存儲相應(yīng)的網(wǎng)頁文件。交互時，HTTP通過統(tǒng)一資源定位器URL(Uniforrm Resource Locator)確定傳感器應(yīng)該為瀏覽器提供哪些資源。為了節(jié)省空間，通過一種靈活的Hllsh算法實現(xiàn)。EEPROM的每一個文件都有一個不同的Hush值與之相對應(yīng)，存取時可以很快計算出文件的地址。此外，它可以根據(jù)網(wǎng)頁中嵌入的特殊標(biāo)志實現(xiàn)動態(tài)網(wǎng)頁，即顯示實時采集的數(shù)據(jù)并進行控制操作。
