网络化智能传感器中以太网接口设计

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2005-10-11 来源： 《传感器世界》 作者： 申柏华徐杜

注：广州市科技攻关基金项目： （项目编号： 2002Z3-D0201 ）

当前传感器向着微型化、数字化、 智能化、 网络化的方向发展，论文从网络化智能传感器的结构和特点入手，结合以太网和TCP/IP协议的功能特点， 以W78E58单片机为核心控制器， 以8029芯片为网络接入模块，提出了一种基于以太网的智能传感器设计思想，重点论述了该网络传感器的网络接口的软硬件设计方法。实验表明，采用该方法设计的以网络传感器具有良好的检测性能和网络通信性能，并且具有成本低廉、结构简单、组网灵活等优点。该网络传感器已经成功应用在广东省农业现代化的环境因子网络测控平台上。以太网;TCP/IP;网络化传感器;智能传感器

TP212.6 文献标识码： A

一、引言

随着科学技术的发展，数字化、智能化、网络化、信源压缩已成为发展的趋势。传[1]感技术与通信技术、计算机技术相互结合而构成网络化智能传感技术，为传感技术的发展开辟了一个新方向 ，并以精度高、可靠性好、能够与计算机通信等特点，在过程控制中将得到很广泛的应用。但是，传统的智能传感器已远远不能满足现代化的需求， 因此，开发高可靠性、多功能的网络化智能传感器成为人们关注的热点。

“网络化智能传感器”即在智能传感技术上融合通信技术和计算机技术，使传感器具备自检、 自校、 自诊断及网络通信功能，从而实现信息的“采集”、 “传输”和“处理”真正统一协调，是一种新型智能传感器。而基于以太网(Ethernet)接口的网络化智能传感器则是把计算机网络事实上的国际标准—TCP/IP协议(Transmission Control Protocol/Internet Protocol ，传输控制协议/互连网协议)和以太网协议引入到了传感器中，即在传感器中嵌入了TCP/IP协议和以太网协议，使传感器不通过PC就能直接连上Internet/ Intranet[2、 3] 。相对于其他类型传感器而言，这种传感器由于内部直接嵌入了TCP/IP协议和以太网协议，所以在传感器现场级就具备了以太网功能，使得测控系统在数据采集、 信息发布及系统集成等方面都以企业内部网（Intranet）为依托，使得测控网和信息网统一起来。如果企业Intranet与Internet相连，各种现场信息均可在整个Internet上实时浏览，如果需要，这些信息在全球任何开通了Internet的地方均可实时浏览共享。

由上可以看出， 网络化智能传感器特别是基于以太网的网络化智能传感器，使传感器从被动检测向主动进行信息处理和信息发布方向发展；从孤立单一检测向智能化、系统化、网络化发展；从本地测量向远程实时在线测控发展，它代表了当今传感器技术的发展方向[4、 6]。

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三、 网络化智能传感器的系统结构及以太网接口设计针对网络化智能传感器的小型化、数字化、 网络化的发展趋势，设计了一种基于以太网的网络化智能传感器，其可与温湿度传感单元、光敏元件及气敏元件等组成多功能集成的网络化智能传感器。下面介绍该传感系统的结构及以太网接口的软硬件实现方法。

1 、系统结构及组成

本系统的由以下三部分组成：传感模块、信号处理模块和以太网通讯模块。

（1 ）传感模块

传感模块将各种物理量转换为电量，主要由具体的传感单元来实现，如温湿度传感单元、光敏传感单元及气敏传感单元等，其输出包括模拟量、数字量、开关量等。

（2）信号处理模块

信号处理模块以微处理器为核心，主要完成A/D转换、数字信号处理（如数字滤波、非线性补偿、 自诊断）和数据输出调度（选择数据远程输出还是本地输出等）。 从智能传感器高可靠性、低功耗、微体积等特点来考虑，微处理器选用Winbond公司的W78E516单片机，该型号的单片机性价比高、速度快、程序空间大(64KB)，能很好地满足设计要求。

（3）以太网通讯模块

通讯模块用来实现本地数据的远程传送及接收远程控制命令等。工业应用中采用的网络形式有多种，早期的RS232/485，近期的有各种现场总线等。在这里我们采用的是在PC机上广泛使用的TCP/IP协议和以太网协议，由于TCP/IP协议已经成为计算机网络通信中的事实标准协议，它具有开放性、低成本，高速度，高可靠性等特点，而且连网方便，有众多的应用和开发软件。

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实现网络接口的方式一般有两种：软件方式和硬件方式。软件方式是开发者将TCP/IP协议嵌入到特定的芯片中，这种方法的优点是成本低，但实现较麻烦；硬件方式是直接使用已经嵌入了TCP/IP协议的芯片，如研华的S-7600A，韩国Wiznet公司的Ether-3100，武汉力源公司的WebChip等，使用这些芯片操作简单，使用方便，但成本太高，利用这些芯片组网动辄几千元。综合考虑实现的方便性及设备的成本问题，这里采用的是软硬件结合的方式， 即把以太网协议和TCP/IP协议写入到单片机中，用单片机驱动8029网络芯片。

2、硬件结构设计

基于以太网的网络化智能传感器的硬件结构如图1所示。

其中大虚线框起来部分是以太网络接口，实现与远程Internet的通讯。复杂可编程逻辑器件（ComplexProgrammable Logic Device,CPLD）用于实现单片机与网络芯片8029之间的逻辑转换。RAM作为收发网络数据缓冲区， EEPROM用于存放断电需保存的数据，如本机IP地址、 网关IP地址等，这些设置可在线修改。

3、软件设计

这里重点介绍网络接口的软件实现方法。本系统的网络接口的实现采用的是软硬件结合的方式，微处理器（采用Winbond公司的W78E516单片机）是整个系统的核心。一方面，它要处理外部输入数据； 另一方面，它既要实现TCP/IP协议，即根据IP地址和端口把待发送的数据压缩成能直接在Internet传输的数据包送给网络芯片8029发送，又要根据8029芯片的逻辑时序，对8029进行控制，实现网络数据的发送和接收。

由上分析可知， 网络接口设计的关键在于完成对待收发数据的解包打包及实现对8029芯片的控制（即8029驱动程序的编写）。

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（1 ）网络数据的打包解

将待发送的数据经过某种变换，使之符合某种网络协议，即称之为网络数据的打包；解包与打包过程相反。限于篇幅，这里只论述网络数据的打包过程。

TCP/IP体系结构及其与OSI七层模型对照关系如图2所示。

TCP/IP体系的最高层为应用层，相当于OSI的最高三层； TCP/UDP协议层与OSI运输层相当； IP协议层与OSI网络层相当。 TCP/IP体系中没有对最低的两层做出规定。本系统中对网络接口层采用的是IEEE802.3标准的以太网协议。具体应用到网络数据封装中的顺序如下：

①在待发送数据前后加上http协议或telnet等协议内容形成应用层数据包；

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②在应用层数据包前加上TCP或UDP协议对应的帧头形成TCP或UDP数据帧；

③在TCP或UDP数据帧前加上IP协议头形成IP数据帧

④在IP数据帧前后加上IEEE802.3局域网的MAC帧格式形成最后的的网络数据包，将此数据包交给8029芯片发送。

接收数据时的解包过程与打包过程刚好相反。

本系统中，采用是IPV4版本的IP协议，简化后的TCP/IP和Ethernet协议嵌入到微处理器中后约占用10KB存储空间，上层功能主要支持http协议和telnet协议。

（2） 8029驱动程序的编写

8029芯片驱动程序主要包括以下几个步骤：

①8029芯片上电复位

8029芯片跟复位有关的引脚是89脚RSTB，只需给该引脚一个至少120ns的低电平信号，然后拉高， 即可使其复位。

②8029芯片初始化

完成复位之后，还需对8029的工作参数进行设置， 以使芯片开始工作。主要是对8029芯片的各个工作寄存器的设置，如三个配置寄存器（CONFIG0,CONFIG2,CONFIG3）及命令寄存器（Command Register， CR）等。设置完各个工作寄存器后，还需设置芯片的IP地址。通过上述设置后， 8029芯片就可以正常工作了。8029芯片正常工作后，微处理器处理一次网络数据包的流程图如图3所示。在以太网帧中，协议类型值为0x0800时表明下一层协议为IP协议，为0x0806时表明下一层协议是ARP （Address Resolution Protocol ，地址转换协议）协议； IP帧中，协议类型值为1时表明下一层协议是ICMP （Internet Control Message Protocol ，Internet控制报文协议），为6时表明下一层协议是TCP协议，为17时表明下一层协议是UDP （User DatagramProtocol ，用户数据报协议）协议。 由于网络数据量可能比较大， 因此这里采用了专门的RAM对网络数据进行缓冲处理，微处理器对网络数据的处理采用是定时查询的方式，对本地所测数据和本地命令的处理采用的是中断方式。图4所示为微处理器内部命令处理流程图。

图5为该基于以太网的智能网络传感器应用于广东省农业现代化环境因子测控平台中的设备连接图， 已经标定后的基于热敏电阻温度传感和基于高分子电阻式湿度传感器通过网络接口设备接入到现场以太网，系统中的传感器、设备与微机可以通过以太网相互通信，实现多机协同工作。

实际应用结果表明，基于以太网的智能网络测控平台的测量结果与原来单个传感测量结果是一致的，测量结果是可靠的。这是基于以太网的智能网络测控系统，现场测量的结果通过网络采用数字信号传输，系统的测量准确度主要取决于所连接的传感器件的测量准确度。 [7]