基于W78E58單片機和傳輸控制協議實現網絡化智能傳感器的應用方案

作者：孫永剛，廖戎，郭新成

針對當前各領域中傳感器的微型化、智能化、網絡化的發展趨勢，從網絡化智能傳感器的結構和特點入手，系統論述了一種基于TCP/IP 協議的網絡化智能傳感器的軟、硬件設計方法。實驗證明，采用該方法設計的智能傳感器具有良好的檢測性能和網絡通信性能。該智能網絡傳感器已經成功地應用在廣東省農業現代化的環境因子網絡測控平臺上。

傳感器是人類獲取信息的重要工具。它在工業生產、國防建設和科學技術領域發揮著巨大的作用，并在工業過程自動化、制造自動化等相關領域中得到了快速發展。但對于飛速發展的計算機技術來說，傳感器遠遠趕不上計算機的發展速度。傳統的智能傳感器已遠遠不能滿足現代化的需求，因此，開發高可靠性、多功能的網絡化智能傳感器成為人們關注的熱點。

基于TCP/IP 的網絡化智能傳感器概念及其功能特點

一般認為，網絡化智能傳感器在智能傳感技術上融合了通信技術和計算機技術，使傳感器具備自檢、自校、自診斷及網絡通信功能，從而實現信息的采集、傳輸和處理真正統一協調，是一種新型智能傳感器。而基于TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol ，傳輸控制協議/互連網協議） 的網絡化智能傳感器則是把計算機網絡的事實上的國際標準——TCP/IP 協議引入到了傳感器中，即在傳感器中嵌入了簡化的TCP/IP 協議，使傳感器不通過PC 或其他專用設備就能直接連上Internet/Intranet。

它相對于其他類型的傳感器而言，具有以下功能特點：

1） 結合了傳感技術、通信技術和計算機技術，分別完成對信息的采集、傳輸和處理，使各種現場數據在網絡上直接傳輸、發布和共享。

2） 基于TIP/ IP 的網絡化智能傳感器———基于現場總線的網絡化智能傳感器的最大區別：基于TIP/IP 的網絡化智能傳感器因其在傳感器現場級就具備了TCP/IP 功能，測控系統在數據采集、信息發布及系統集成等方面都以企業內部網（ Intranet） 為依托，使得測控網和信息網統一起來。如果企業Intranet 與Internet 相連，各種現場信息均可在整個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，網絡化智能傳感器特別是基于TCP/IP 的網絡化智能傳感器，使傳感器從被動檢測向主動進行信息處理和信息發布方向發展;從孤立單一檢測向智能化、系統化、網絡化發展;從本地測量向遠程實時在線測控發展，它代表了當今傳感器技術的發展方向。

基于TCP/IP 的網絡化智能傳感器的系統結構

針對網絡化智能傳感器的小型化、智能化、網絡化的發展趨勢，設計了一種基于TCP/IP 的網絡化智能傳感器，并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絡化智能傳感器。下面介紹該傳感系統的結構及軟硬件實現方法。

系統結構及組成

本系統由以下3 部分組成：傳感模塊、信號處理模塊和通訊模塊。

1） 傳感模塊

傳感模塊將各種物理量轉換為電量，主要由具體的傳感單元來實現，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 轉換、數字信號處理（如數字濾波、非線性補償、自診斷） 和數據輸出調度（選擇數據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，選用Winbond 公司的W78E58 單片機，該型號的單片機性價比高、速度快、程序空間大，能很好地滿足設計要求。

3） 通訊模塊

通訊模塊用來實現本地數據的遠程傳送及接收遠程控制命令等。 工業應用中采用的網絡形式有多種，早期的有RS232/485 ，近期的有各種現場總線等。 在這里采用的是在PC 機上廣泛使用的TCP/IP 協議，由于TCP/IP 協議已經成為計算機網絡通信中的事實標準協議，它具有開放性、低成本、高速度、高可靠性等特點，而且連網方便，有眾多的應用和開發軟件。

硬件結構圖

實現網絡接口的方式一般有兩種：軟件方式和硬件方式。 軟件方式是開發者將TCP/IP 協議嵌入到特定的芯片中，這種方法的優點是成本低，但實現較麻煩;硬件方式是直接使用已經嵌入了TCP/IP 協議的芯片，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，利用這些芯片組網動輒幾千元。綜合考慮實現的方便性及設備的成本問題，這里采用的是軟硬件結合的方式，即把TCPPIP 協議寫入到單片機中，用單片機驅動8029 芯片的網卡。

硬件結構設計

基于TCP/IP 的網絡化智能傳感器的硬件結構如圖1 所示。

硬件電路說明：圖1 中微處理器1 及其以下部分即傳統的智能傳感器，微處理器2 及其以上部分是網絡化接口，實現與遠程Internet 的通訊。復雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device ，CPLD） 用于實現單片機與網絡芯片8029 之間的邏輯轉換。RAM作為收發網絡數據緩沖區。EEPROM用于存放斷電需保存的數據，如本機IP 地址、網關IP 地址等，這些設置可在線修改。

軟件設計

限于篇幅，這里重點介紹網絡接口的軟件實現方法。 本系統的網絡接口的實現采用的是軟硬件結合的方式，微處理器2 （采用Winbond 公司的W78E58 單片機） 是整個系統的核心。一方面，它要處理傳統傳感器部分傳過來的數據;另一方面，它既要實現TCP/IP 協議，即根據IP 地址和端口把待發送的數據壓縮成能直接在Internet 傳輸的數據包送給網絡芯片8029 發送，又要根據8029 芯片的邏輯時序，對8029 進行控制，實現網絡數據的發送和接收。

由上分析可知，網絡接口設計的關鍵在于完成對待收發數據的解包打包及實現對8029 芯片的控制（即8029 驅動程序的編寫） 。

網絡數據的打包解包

將待發送的數據經過某種變換，使之符合某種網絡協議，即稱之為網絡數據的打包;解包與打包過程相反。 限于篇幅，這里只論述網絡數據的打包過程.TCP/IP 體系結構及其與OSI7 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3 層;TCP/UDP 協議層與OSI 運輸層相當; IP 協議層與OSI 網絡層相當。TCP/IP 體系中沒有對最低的兩層做出規定。本系統中對網絡接口層采用的是IEEE802.3 標準的以太網協議。具體應用到網絡數據封裝中的順序如下：

1） 在待發送數據前后加上http 協議或telnet 等協議內容形成應用層數據包;

2） 在應用層數據包前加上TCP 或UDP 協議對應的幀頭形成TCP 或UDP 數據幀;

3） 在TCP 或UDP 數據幀前加上IP 協議頭形成IP 數據幀;

4） 在IP 數據幀前后加上IEEE802.3 局域網的MAC 幀格式形成最后的的網絡數據包，將此、數據包交給8029 芯片發送。

接收數據時的解包過程與打包過程剛好相反。

本系統中，采用是IPV4 版本的IP 協議，簡化后的TCP/IP 協議嵌入到微處理器2 中后約占用8kB 存儲空間，上層功能主要支持http 協議和telnet 協議。

8029 驅動程序的編寫

8029 芯片驅動程序主要包括以下幾個步驟：

1） 8029 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120 ns 的低電平信號，然后拉高，即可使其復位。

2） 8029 芯片初始化

完成復位之后，還需對8029 的工作參數進行設置，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3 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絡數據包的流程圖如圖3 所示。 在以太網幀中，協議類型值為0x0800 時表明下一層協議為IP 協議，為0x0806 時表明下一層協議是ARP（Address Resolution Protocol ，地址轉換協議） 協議; IP 幀中，協議類型值為1 時表明下一層協議是ICMP（ InternetControl Message Protocol ，Internet 控制報文協議） ，為6 時表明下一層協議是TCP 協議，為17 時表明下一層協議是UDP（User Datagram Protocol ，用戶數據報協議） 協議。由于網絡數據量可能非常大，因此采用了專門的單片機（圖1 中微處理器2） 對網絡數據進行處理和控制，微處理器2 對網絡數據的處理采用是定時查詢的方式，對微處理器1 傳來的數據或命令采用的是中斷方式。微處理器2將微處理器1 傳來的數據放到接收緩沖區RXD-BUF 中，IsCommand 變量用來標志接收到的是數據還是命令。微處理器2 處理一次接收到的指令的流程圖如圖4 所示。

應用實例

圖5 為應用于廣東省農業現代化環境因子測控平臺中的基于TCP/IP 的智能網絡傳感器設備連接圖1 已經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絡接口設備接入到現場以太網，系統中的傳感器、設備與微機可以通過以太網相互通信，實現多機協同工作。實際應用結果表明，基于TCP/IP 的智能網絡測控平臺的測量結果與原來單個傳感測量結果是一致的，測量結果是可靠的。這是基于TCP/IP 的智能網絡測控系統，現場測量的結果通過網絡采用數字信號傳輸，系統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。

結束語

網絡化智能傳感器是將智能傳感技術和計算機通信技術相結合而提出的一個全新概念?；赥CP/IP 的網絡化智能傳感器在傳感器現場級實現了TCP/IP 協議，且組網方便可靠，組網費用低廉，在過程控制領域將得到廣泛應用。采用文中所介紹的軟硬件設計方法設計的智能傳感器及其網絡接口，已在農業現代化的環境參數測控平臺上得到成功應用。實踐證明，該設備運行穩定可靠，組網十分方便，使監控系統的兼容性和可擴充性得到很大提高。 文中所介紹的網絡接口軟、硬件設計方案，不僅適用于環境參數測控系統，而且可以推廣到其它過程控制系統的網絡監控模塊設計中。

責任編輯：gt