摘要:隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域得到初步的應用,針對工業(yè)的需求,結(jié)合實際,精選優(yōu)化各種方法,提出了1種基于以太網(wǎng)的電機控制與診斷方案,闡述了具體的實現(xiàn)過程。基于以太網(wǎng)的電機控制與診斷系統(tǒng)采用C8051F020單片機作為系統(tǒng)的核心控制器件,通過RTL8019AS網(wǎng)卡與Internet在物理上連接起來,并在C8051F020單片機嵌入了精簡優(yōu)化后的TCP/IP協(xié)議,通過單片機本身產(chǎn)生SPWM脈沖,控制變頻器,實現(xiàn)對電機的調(diào)速控制,通過參數(shù)的采集,可以有效的對電機故障進行在線診斷。
0 引言
隨著Internet技術(shù)的發(fā)展、普及和單片機技術(shù)的進步,基于單片機的小型嵌入式系統(tǒng)正逐步走向工業(yè)過程控制的底層,也就是設(shè)備層,這就給工業(yè)設(shè)備帶來了新的控制和診斷方法。基于以太網(wǎng)的單片機設(shè)備的控制與診斷結(jié)合先進的WEB技術(shù)與嵌入式技術(shù),實現(xiàn)了PC與設(shè)備的直接跨平臺的信息交互,這樣PC就可以共享設(shè)備運行的信息,有效的實現(xiàn)對設(shè)備的控制與診斷。而這一實現(xiàn)不僅帶來了控制技術(shù)的改變,同時也給診斷技術(shù)帶來了生機,可以遠程甚至跨國界進行設(shè)備的在線診斷。
1 基于以太網(wǎng)的電機控制與診斷的結(jié)構(gòu)設(shè)計 基于以太網(wǎng)的單片機設(shè)備控制與診斷是以工業(yè)現(xiàn)場的三相電機為研究對象,其中包括對電機運行轉(zhuǎn)速的測量與控制,對電樞電流的采集,采集電機電勢參數(shù),其他模相關(guān)擬量的采集。本設(shè)計的結(jié)構(gòu)主體就是WEB技術(shù)與單片機和客戶機的有機結(jié)合,建立電機設(shè)備的診斷與控制模型,其模型如圖1所示。模型主要由客戶機,網(wǎng)絡(luò)和過程控制底層,即單片機嵌入式系統(tǒng)組成,這里采用TCP/IP協(xié)議作為嵌入式系統(tǒng)的通信協(xié)議,嵌入式系統(tǒng)的WEB服務器與客戶機的WEB服務器進行信息交互,上傳電機運行的參數(shù),這樣客戶或是廠家均可通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對電機的控制與在線診斷。
2 系統(tǒng)硬件電路的實現(xiàn)
基于以太網(wǎng)的電機控制與診斷系統(tǒng)以C8051F020單片機作為嵌入式系統(tǒng)的CPU,內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議,以RTL8019AS作為網(wǎng)絡(luò)通信芯片,通過控制采樣開關(guān)采集電機參數(shù)和控制電機的轉(zhuǎn)速,并通過RTL8019AS網(wǎng)卡將采集到的溫度數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)、振動數(shù)據(jù)、磁場數(shù)據(jù)上傳到服務器,客戶機通過服務器之間的交互,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享,客戶根據(jù)具體的需求,利用單片機本身產(chǎn)生SPWM,在變頻器模擬量輸入端輸入0~10V或4~20mA信號,通過改變輸入模擬量的大小控制變頻器的輸出頻率調(diào)解變頻器,控制電機轉(zhuǎn)速,同時根據(jù)電機參數(shù)的數(shù)值,監(jiān)控電機的運行和診斷電機的故障,其硬件電路框圖如圖2所示。
3 以太網(wǎng)幀格式
以太網(wǎng)協(xié)議有兩種,一種是IEEE802.2/IEEE802.3;另一種是以太網(wǎng)的封裝格式?,F(xiàn)代的操作系統(tǒng)均能同時支持這2種類型的協(xié)議格式,因此對我們來說只需要了解其中的一種就夠了,特別是對單片機來說,不可能支持太多的協(xié)議格式。本系統(tǒng)采用IEEE802.3以太網(wǎng)協(xié)議,表1給出了以太網(wǎng)幀格式的封裝形式。
表1以太網(wǎng)幀格式的封裝形式
PR:同步位。
SD:分隔位。
DA:目的地址,以太網(wǎng)的地址為48位(6個字節(jié))二進制地址,表明該幀傳輸給哪個網(wǎng)卡。
SA:源地址,48位,表明該幀的數(shù)據(jù)是哪個網(wǎng)卡發(fā)的,即發(fā)送端的網(wǎng)卡地址,同樣是6個字節(jié)。
TYPE:類型字段,表明該幀的數(shù)據(jù)是什么類型的數(shù)據(jù)。
DATA:數(shù)據(jù)段,該段數(shù)據(jù)不能超過1500字節(jié)。
FCS:32位數(shù)據(jù)校驗位。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
本系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)包括系統(tǒng)時鐘、定時器、網(wǎng)卡RTL8019AS的初始化,初始化ARP協(xié)議,TCP協(xié)議和HTTP協(xié)議等來完成對電機參數(shù)的接收和發(fā)送,然后由主程序循環(huán)查詢rtl8019as看是否有新數(shù)據(jù)包到來。系統(tǒng)根據(jù)判斷事件的標志,來讀取電機的參數(shù),如圖3所示。其中事件的判斷執(zhí)行由單片機定時器中斷來完成,它貫穿了程序的始末。如TCP序列號每隔20ms增加6250,ARP地址解析時候的重發(fā)請求,每隔0.5s重發(fā)1次,連續(xù)2次重發(fā)的請求沒回應,則終止重發(fā),認為這個IP地址不存。
ARP映射表管理,如果ARP地址映射表內(nèi)所記錄的MAC地址60s內(nèi)沒被使用,則從映射表中刪除該條映射記錄,進行自動更新。最后本控制系統(tǒng)的WEBSERVER界面如圖4所示。
圖3系統(tǒng)軟件流程
圖4系統(tǒng)的WEBSERVER界面
5 結(jié)論
本文提出了1種基于以太網(wǎng)的單片機的電機控制與診斷,在文中采用了具有高性價比的以太網(wǎng)RTL8019AS芯片,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送,系統(tǒng)實現(xiàn)了基于8位單片機的TCP/IP協(xié)議的移植,并實現(xiàn)了網(wǎng)頁數(shù)據(jù)傳輸功能和電機參數(shù)的查詢和電機的控制,在這里應用僅僅是一個實例,且由于嵌入式以太網(wǎng)的價格低廉,相信在不久的將來一定會在工業(yè)領(lǐng)域得到更廣泛的應用。
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