在許多制造業(yè)的應用當中，客戶希望擁有一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAQ）來對網(wǎng)絡進行遠程監(jiān)視，以便滿足故障處理和控制的需要。為了達到此項目的，許多制造業(yè)的應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準接口的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)的時間，又能夠降低開發(fā)的費用。
在工業(yè)領域，采用以太網(wǎng)連接已經(jīng)成為一個趨勢。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4百萬臺具備工業(yè)以太網(wǎng)能力的設備，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)可以為遠程維護帶來極大的方便，因為它克服了傳統(tǒng)串行接口的距離限制。另外，一個工廠所使用的來自于許多不同供應商的機械設備可以通過一套基于以太網(wǎng)的DAQ系統(tǒng)整合到一個單一的系統(tǒng)里面，實現(xiàn)控制功能就會非常容易。
圖1：一個單片的以太網(wǎng)微型控制器包含了驅(qū)動一臺設備中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)絡另一端的中心辦公室進行通訊，同時還可以通過位于網(wǎng)絡其它端點上的傳感器子系統(tǒng)所擁有的同步或者非同步通用接收器/變送器（USART）以及串行接口進行通訊。對于制造行業(yè)的監(jiān)視和故障處理應用，以太網(wǎng)所具有的不確定性特點不會帶來問題。
�。ㄒ蕴W(wǎng)在一直不斷的發(fā)展進化，IEEE標準委員會仍然在努力提高以太網(wǎng)的確定性。采用新的精確時間同步協(xié)議（PTP）IEEE1588標準，現(xiàn)在已經(jīng)可以實現(xiàn)用正在傳送過程數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)同時對傳感器、執(zhí)行器和其它模件當中的本地時鐘進行同步。）
對于制造行業(yè)應用中的監(jiān)視和故障處理應用，10 Mbps的數(shù)據(jù)傳送速率已經(jīng)足夠。例如，非連續(xù)的制造過程常常會使用數(shù)以百計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)傳送速度只能達到幾千字節(jié)每秒。而在一個包含基金會現(xiàn)場總線H1的DAQ系統(tǒng)當中，以太網(wǎng)通訊的運行速度是31.25kbps。
三種實現(xiàn)方式
在DAQ系統(tǒng)應用當中采用以太網(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微型計算機連接（MCUs）。這種基于PC的解決方案一般比較復雜，占用較大的安裝面積，價格昂貴。
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格提供具有競爭力的性能。這類控制器簡化了設計，同時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)控制器還設置了符合工業(yè)標準的串行外設接口（SPI）連接，因此只需要4根線就可以實現(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，它具有一個片載的媒體訪問控制器（MAC）和為內(nèi)嵌以太網(wǎng)應用進行過優(yōu)化的物理層設備（PHY）。當你需要將少量信號（I/O）接入以太網(wǎng)網(wǎng)絡以便實現(xiàn)監(jiān)視和控制功能時，使用這種MCUs來進行基于以太網(wǎng)的DAQ子系統(tǒng)設計對于工廠應用是一種很好的選擇。這些DAQ子系統(tǒng)的典型特點包括：具備一個以太網(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)應用當中的監(jiān)視和故障處理應用，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這樣的子系統(tǒng)連接起來，這樣還可以將接線的費用減少到最低。使用相應的軟件，你可以對任務進行規(guī)劃。既可以采用時間觸發(fā)動作，也可以采用事件觸發(fā)動作來實現(xiàn)對工廠機械設備的監(jiān)視。與另外幾種選擇項（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比，因為另外幾種系統(tǒng)都需要單獨的以太網(wǎng)控制器、I/O卡板、機架、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。關于系統(tǒng)運行的信息可以通過這些接口獲得。針對不同的應用，你的基于以太網(wǎng)的DAQ系統(tǒng)設計可以象一個基于一片MCU（帶有一個片載的以太網(wǎng)控制器）的探測器系統(tǒng)一樣簡單。這個系統(tǒng)可以與傳感器的串行接口進行連接，還可以同各種各樣的子系統(tǒng)進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)傳送出去以便進行進一步的處理和應用。
另一方面，取決于需要采取的行動，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)。自動化工程師還可以使用這種探測器設計來發(fā)展出一種基于以太網(wǎng)的DAQ系統(tǒng)，或者把現(xiàn)有的工廠機械設備升級改造為一個基于以太網(wǎng)的DAQ系統(tǒng)，實現(xiàn)監(jiān)視和上位控制的應用。
圖2：DAQ系統(tǒng)被科學的布置在既可以監(jiān)視單獨的設備，又可以與更高層控制系統(tǒng)通訊的位置。
TCP/IP固件堆疊
在設計一個內(nèi)嵌的以太網(wǎng)設備時的另一個重要考慮就是TCP/IP固件堆疊。一個單獨的以太網(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行通訊的設備來說，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提供了TCP/IP堆疊功能，而另一些制造商則依靠收取前端費用以及/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TCP/IP堆棧，為你的應用提供WEB服務器功能。與目前市場上提供的多片式以太網(wǎng)相比較，一個集成的單片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)議以及相應的軟件以便在一臺PC或者手持設備上顯示狀態(tài)信息�，F(xiàn)在，你可以簡單的利用一個由微型控制器供應商免費提供的經(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用軟件來配置一套基于以太網(wǎng)的DAQ系統(tǒng)實現(xiàn)對制造系統(tǒng)的診斷和監(jiān)視功能。 |
