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2005-10-11 來源： 《傳感器世界》 作者： 申柏華徐杜

注：廣州市科技攻關基金項目： （項目編號： 2002Z3-D0201 ）

當前傳感器向著微型化、數(shù)字化、 智能化、 網(wǎng)絡化的方向發(fā)展，論文從網(wǎng)絡化智能傳感器的結(jié)構(gòu)和特點入手，結(jié)合以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議的功能特點， 以W78E58單片機為核心控制器， 以8029芯片為網(wǎng)絡接入模塊，提出了一種基于以太網(wǎng)的智能傳感器設計思想，重點論述了該網(wǎng)絡傳感器的網(wǎng)絡接口的軟硬件設計方法。實驗表明，采用該方法設計的以網(wǎng)絡傳感器具有良好的檢測性能和網(wǎng)絡通信性能，并且具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點。該網(wǎng)絡傳感器已經(jīng)成功應用在廣東省農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的環(huán)境因子網(wǎng)絡測控平臺上。以太網(wǎng);TCP/IP;網(wǎng)絡化傳感器;智能傳感器

TP212.6 文獻標識碼： A

一、引言

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化、信源壓縮已成為發(fā)展的趨勢。傳[1]感技術(shù)與通信技術(shù)、計算機技術(shù)相互結(jié)合而構(gòu)成網(wǎng)絡化智能傳感技術(shù)，為傳感技術(shù)的發(fā)展開辟了一個新方向 ，并以精度高、可靠性好、能夠與計算機通信等特點，在過程控制中將得到很廣泛的應用。但是，傳統(tǒng)的智能傳感器已遠遠不能滿足現(xiàn)代化的需求， 因此，開發(fā)高可靠性、多功能的網(wǎng)絡化智能傳感器成為人們關注的熱點。

“網(wǎng)絡化智能傳感器”即在智能傳感技術(shù)上融合通信技術(shù)和計算機技術(shù)，使傳感器具備自檢、 自校、 自診斷及網(wǎng)絡通信功能，從而實現(xiàn)信息的“采集”、 “傳輸”和“處理”真正統(tǒng)一協(xié)調(diào)，是一種新型智能傳感器。而基于以太網(wǎng)(Ethernet)接口的網(wǎng)絡化智能傳感器則是把計算機網(wǎng)絡事實上的國際標準—TCP/IP協(xié)議(Transmission Control Protocol/Internet Protocol ，傳輸控制協(xié)議/互連網(wǎng)協(xié)議)和以太網(wǎng)協(xié)議引入到了傳感器中，即在傳感器中嵌入了TCP/IP協(xié)議和以太網(wǎng)協(xié)議，使傳感器不通過PC就能直接連上Internet/ Intranet[2、 3] 。相對于其他類型傳感器而言，這種傳感器由于內(nèi)部直接嵌入了TCP/IP協(xié)議和以太網(wǎng)協(xié)議，所以在傳感器現(xiàn)場級就具備了以太網(wǎng)功能，使得測控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、 信息發(fā)布及系統(tǒng)集成等方面都以企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)（Intranet）為依托，使得測控網(wǎng)和信息網(wǎng)統(tǒng)一起來。如果企業(yè)Intranet與Internet相連，各種現(xiàn)場信息均可在整個Internet上實時瀏覽，如果需要，這些信息在全球任何開通了Internet的地方均可實時瀏覽共享。

由上可以看出， 網(wǎng)絡化智能傳感器特別是基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡化智能傳感器，使傳感器從被動檢測向主動進行信息處理和信息發(fā)布方向發(fā)展；從孤立單一檢測向智能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡化發(fā)展；從本地測量向遠程實時在線測控發(fā)展，它代表了當今傳感器技術(shù)的發(fā)展方向[4、 6]。

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三、 網(wǎng)絡化智能傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及以太網(wǎng)接口設計針對網(wǎng)絡化智能傳感器的小型化、數(shù)字化、 網(wǎng)絡化的發(fā)展趨勢，設計了一種基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡化智能傳感器，其可與溫濕度傳感單元、光敏元件及氣敏元件等組成多功能集成的網(wǎng)絡化智能傳感器。下面介紹該傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及以太網(wǎng)接口的軟硬件實現(xiàn)方法。

1 、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成

本系統(tǒng)的由以下三部分組成：傳感模塊、信號處理模塊和以太網(wǎng)通訊模塊。

（1 ）傳感模塊

傳感模塊將各種物理量轉(zhuǎn)換為電量，主要由具體的傳感單元來實現(xiàn)，如溫濕度傳感單元、光敏傳感單元及氣敏傳感單元等，其輸出包括模擬量、數(shù)字量、開關量等。

（2）信號處理模塊

信號處理模塊以微處理器為核心，主要完成A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理（如數(shù)字濾波、非線性補償、 自診斷）和數(shù)據(jù)輸出調(diào)度（選擇數(shù)據(jù)遠程輸出還是本地輸出等）。 從智能傳感器高可靠性、低功耗、微體積等特點來考慮，微處理器選用Winbond公司的W78E516單片機，該型號的單片機性價比高、速度快、程序空間大(64KB)，能很好地滿足設計要求。

（3）以太網(wǎng)通訊模塊

通訊模塊用來實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)的遠程傳送及接收遠程控制命令等。工業(yè)應用中采用的網(wǎng)絡形式有多種，早期的RS232/485，近期的有各種現(xiàn)場總線等。在這里我們采用的是在PC機上廣泛使用的TCP/IP協(xié)議和以太網(wǎng)協(xié)議，由于TCP/IP協(xié)議已經(jīng)成為計算機網(wǎng)絡通信中的事實標準協(xié)議，它具有開放性、低成本，高速度，高可靠性等特點，而且連網(wǎng)方便，有眾多的應用和開發(fā)軟件。

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實現(xiàn)網(wǎng)絡接口的方式一般有兩種：軟件方式和硬件方式。軟件方式是開發(fā)者將TCP/IP協(xié)議嵌入到特定的芯片中，這種方法的優(yōu)點是成本低，但實現(xiàn)較麻煩；硬件方式是直接使用已經(jīng)嵌入了TCP/IP協(xié)議的芯片，如研華的S-7600A，韓國Wiznet公司的Ether-3100，武漢力源公司的WebChip等，使用這些芯片操作簡單，使用方便，但成本太高，利用這些芯片組網(wǎng)動輒幾千元。綜合考慮實現(xiàn)的方便性及設備的成本問題，這里采用的是軟硬件結(jié)合的方式， 即把以太網(wǎng)協(xié)議和TCP/IP協(xié)議寫入到單片機中，用單片機驅(qū)動8029網(wǎng)絡芯片。

2、硬件結(jié)構(gòu)設計

基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡化智能傳感器的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中大虛線框起來部分是以太網(wǎng)絡接口，實現(xiàn)與遠程Internet的通訊。復雜可編程邏輯器件（ComplexProgrammable Logic Device,CPLD）用于實現(xiàn)單片機與網(wǎng)絡芯片8029之間的邏輯轉(zhuǎn)換。RAM作為收發(fā)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)緩沖區(qū)， EEPROM用于存放斷電需保存的數(shù)據(jù)，如本機IP地址、 網(wǎng)關IP地址等，這些設置可在線修改。

3、軟件設計

這里重點介紹網(wǎng)絡接口的軟件實現(xiàn)方法。本系統(tǒng)的網(wǎng)絡接口的實現(xiàn)采用的是軟硬件結(jié)合的方式，微處理器（采用Winbond公司的W78E516單片機）是整個系統(tǒng)的核心。一方面，它要處理外部輸入數(shù)據(jù)； 另一方面，它既要實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，即根據(jù)IP地址和端口把待發(fā)送的數(shù)據(jù)壓縮成能直接在Internet傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包送給網(wǎng)絡芯片8029發(fā)送，又要根據(jù)8029芯片的邏輯時序，對8029進行控制，實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

由上分析可知， 網(wǎng)絡接口設計的關鍵在于完成對待收發(fā)數(shù)據(jù)的解包打包及實現(xiàn)對8029芯片的控制（即8029驅(qū)動程序的編寫）。

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（1 ）網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的打包解

將待發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過某種變換，使之符合某種網(wǎng)絡協(xié)議，即稱之為網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的打包；解包與打包過程相反。限于篇幅，這里只論述網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的打包過程。

TCP/IP體系結(jié)構(gòu)及其與OSI七層模型對照關系如圖2所示。

TCP/IP體系的最高層為應用層，相當于OSI的最高三層； TCP/UDP協(xié)議層與OSI運輸層相當； IP協(xié)議層與OSI網(wǎng)絡層相當。 TCP/IP體系中沒有對最低的兩層做出規(guī)定。本系統(tǒng)中對網(wǎng)絡接口層采用的是IEEE802.3標準的以太網(wǎng)協(xié)議。具體應用到網(wǎng)絡數(shù)據(jù)封裝中的順序如下：

①在待發(fā)送數(shù)據(jù)前后加上http協(xié)議或telnet等協(xié)議內(nèi)容形成應用層數(shù)據(jù)包；

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②在應用層數(shù)據(jù)包前加上TCP或UDP協(xié)議對應的幀頭形成TCP或UDP數(shù)據(jù)幀；

③在TCP或UDP數(shù)據(jù)幀前加上IP協(xié)議頭形成IP數(shù)據(jù)幀

④在IP數(shù)據(jù)幀前后加上IEEE802.3局域網(wǎng)的MAC幀格式形成最后的的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，將此數(shù)據(jù)包交給8029芯片發(fā)送。

接收數(shù)據(jù)時的解包過程與打包過程剛好相反。

本系統(tǒng)中，采用是IPV4版本的IP協(xié)議，簡化后的TCP/IP和Ethernet協(xié)議嵌入到微處理器中后約占用10KB存儲空間，上層功能主要支持http協(xié)議和telnet協(xié)議。

（2） 8029驅(qū)動程序的編寫

8029芯片驅(qū)動程序主要包括以下幾個步驟：

①8029芯片上電復位

8029芯片跟復位有關的引腳是89腳RSTB，只需給該引腳一個至少120ns的低電平信號，然后拉高， 即可使其復位。

②8029芯片初始化

完成復位之后，還需對8029的工作參數(shù)進行設置， 以使芯片開始工作。主要是對8029芯片的各個工作寄存器的設置，如三個配置寄存器（CONFIG0,CONFIG2,CONFIG3）及命令寄存器（Command Register， CR）等。設置完各個工作寄存器后，還需設置芯片的IP地址。通過上述設置后， 8029芯片就可以正常工作了。8029芯片正常工作后，微處理器處理一次網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的流程圖如圖3所示。在以太網(wǎng)幀中，協(xié)議類型值為0x0800時表明下一層協(xié)議為IP協(xié)議，為0x0806時表明下一層協(xié)議是ARP （Address Resolution Protocol ，地址轉(zhuǎn)換協(xié)議）協(xié)議； IP幀中，協(xié)議類型值為1時表明下一層協(xié)議是ICMP （Internet Control Message Protocol ，Internet控制報文協(xié)議），為6時表明下一層協(xié)議是TCP協(xié)議，為17時表明下一層協(xié)議是UDP （User DatagramProtocol ，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）協(xié)議。 由于網(wǎng)絡數(shù)據(jù)量可能比較大， 因此這里采用了專門的RAM對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行緩沖處理，微處理器對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的處理采用是定時查詢的方式，對本地所測數(shù)據(jù)和本地命令的處理采用的是中斷方式。圖4所示為微處理器內(nèi)部命令處理流程圖。

圖5為該基于以太網(wǎng)的智能網(wǎng)絡傳感器應用于廣東省農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化環(huán)境因子測控平臺中的設備連接圖， 已經(jīng)標定后的基于熱敏電阻溫度傳感和基于高分子電阻式濕度傳感器通過網(wǎng)絡接口設備接入到現(xiàn)場以太網(wǎng)，系統(tǒng)中的傳感器、設備與微機可以通過以太網(wǎng)相互通信，實現(xiàn)多機協(xié)同工作。

實際應用結(jié)果表明，基于以太網(wǎng)的智能網(wǎng)絡測控平臺的測量結(jié)果與原來單個傳感測量結(jié)果是一致的，測量結(jié)果是可靠的。這是基于以太網(wǎng)的智能網(wǎng)絡測控系統(tǒng)，現(xiàn)場測量的結(jié)果通過網(wǎng)絡采用數(shù)字信號傳輸，系統(tǒng)的測量準確度主要取決于所連接的傳感器件的測量準確度。 [7]