摘 要:介紹了工業以太網" title="工業以太網">工業以太網的體系結構及網絡接口" title="網絡接口">網絡接口在遠程監控" title="遠程監控">遠程監控中的作用，設計了EPA智能模塊" title="智能模塊">智能模塊網絡接口硬件電路并給出了軟件實現方法的程序流程框圖，實現了對現場設備的遠程監控和訪問的功能。
關鍵詞: 工業以太網（EPA）? 智能模塊? 遠程DMA? 數據封裝
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??? 基于工業以太網的現場總線控制系統是新型控制系統的發展方向。隨著計算機、控制、通信技術的發展，模擬儀表向智能儀表發展，計算機網絡向現場設備延伸，底層控制儀表由分立設備向共享設備發展[1]。
?在工業以太網遠程控制系統中，人們可以通過計算機網絡對工業現場" title="工業現場">工業現場設備的運行狀態進行監視，而且還可以通過網絡對現場設備的運行參數進行修改，使之按最佳的狀態運行，實現效益的最大化。如何使現場設備與局域網絡有效連接并實現可靠的網絡通信就成為工業控制領域關注的問題。筆者要探討的就是在EPA智能模塊中，如何實現網絡接口，使之與現場設備和局域網絡有效連接。
1 EPA系統的體系結構
《EPA（Ethernet for Plant Automation）標準》（全稱《用于工業測量與控制系統的EPA系統結構與通信標準》）是在國家“863”計劃支持下，由國內部分高校、科技院所、高新技術企業起草的我國第一個擁有自主知識產權的現場總線國家標準。該標準被國際電工委員會IEC作為PAS標準（Pulblic Available Specification）予以發布，并被IEC接收為正在制定的國際實時以太網標準IEC61784-2中的實時以太網類型14（Common Profile Family 14, CPF 14），成為我國第一個被國際認可和接受的工業自動化領域的標準。
??? 對于采用以太網等技術所帶來的網絡安全問題，《EPA標準》規定了從企業信息管理層、過程監控層和現場設備層三個層次（如圖1所示）的分層化的網絡安全管理措施[2]。
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EPA現場設備采用特定的網絡安全管理功能塊，對其接收到的所有報文進行訪問權限、訪問密碼等檢測，只有合法的報文才能得到處理，而其他非法報文將直接予以丟棄，避免了非法報文的干擾。
在過程監控層，采用EPA網絡對不同微網段進行邏輯隔離，以防止非法報文流量干擾EPA網絡的正常通信，占用網絡帶寬資源。
對于來自于互聯網上的遠程訪問，則采用EPA代理服務器以及各種可用的信息網絡安全管理措施，以防止遠程非法訪問。
筆者研究的EPA智能模塊就是為了解決現場設備層中現場設備與控制層的連接問題，以實現對現場設備的遠程監控和管理。而現場設備中有大量的參數或信息需要通過網絡進行遠程調節和控制，以滿足遠程監控要求。要實現這一過程，現場設備與局域網進行信息交換的橋梁——EPA智能模塊中的網絡接口電路部分成為關鍵，下面就這一問題進行探討。
2 電路主要芯片介紹
2.1?混合信號ISP FLASH微控制器C8051F020介紹
???? C8051F020是CYGNAL公司生產的100腳TQFT封裝8位MCU芯片，它使用CYGNAL的專利CIP－51微控制器內核。CIP-51與MCS-51TM 指令集完全兼容，可以使用標準803x/805x的匯編器和編譯器進行軟件開發。CIP-51內核具有標準8052的所有外設部件，包括5個16位的計數器/定時器、兩個全雙工UART、256字節內部RAM、128字節特殊功能寄存器SFR地址空間及8個字節寬的I/O端口[3]。
除了完全兼容8051并提高了執行速度，CIP－51還提供多達22個中斷源，允許大量的模擬和數字外設中斷微控制器。在設計一個多任務實時系統時這些增加的中斷源是非常有用的。CIP-51內部還有一個獨立運行的時鐘發生器，系統可以選擇使用內部時鐘或者外部時鐘，運行中可以進行切換， CIP-51內核還集成了64KB FLASH,4KB片內SRAM。包含的仿真電路和JTAG接口能夠方便用戶進行開發和在線調試。C8051F020在51內核的基礎上集成了許多模擬外設和數字外設以及在線編程控制模塊JTAG。
2.2?以太網控制器RTL8019AS介紹
??? RTL8019AS的結構如圖2所示。RTL8019AS是由Realtek公司生產的基于ISA總線的8/16位10MB以太網控制器。它的主要特點有：100腳PQFP封裝，體積小；支持Ethernet II 與IEEE802.3 10Base5,10Base2,10BaseT標準；支持全雙工通信，收發可以同時達到10Mbps的速度；內建數據預讀功能以提高性能；支持UTP、AUI和BNC三種接口且能自動檢測；支持對10BaseT拓撲結構的自動極性修正；內置16KB雙口SRAM，用于收發緩沖；支持8/16位數據總線，16個I/O基地址選擇，有8個中斷源；有4個診斷輸出引腳，可編程控制4個LED幫助了解工作狀態；支持三種節電方式[4]。
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??? RTL8019AS內部可分為遠程DMA接口、本地DMA接口、MAC（介質訪問控制）邏輯、數據編碼解碼邏輯和其他端口。遠程DMA接口是單片機對RTL8019AS內部RAM進行讀寫的總線，單片機收發數據只需對遠程DMA操作。本地DMA接口是RTL8019AS與網線的連接通道，完成控制器與網線的數據交換。MAC（介質訪問控制）邏輯完成以下功能：當單片機向網上發送數據時，先將一幀數據通過遠程DMA通道送到RTL8019AS中的發送緩存區，然后發出傳送命令；當RTL8019AS完成了上一幀的發送后，再開始此幀的發送。RTL8019接收到的數據通過MAC比較、CRC校驗后，由FIFO存到接收緩沖區；收滿一幀后，以中斷或寄存器標志的方式通知主處理器。FIFO邏輯對收發數據作16字節的緩沖，以減少對本地DMA請求的頻率。要接收和發送數據包就必須通過DMA讀寫RTL8019AS內部的16KB RAM。它實際上是雙端口的RAM，有兩套總線連接到該RAM，一套總線是RTL8019AS讀或寫該RAM，即本地DMA；另一套總線是單片機讀或寫該RAM，即遠程DMA。
RTL8019AS具有32位輸入輸出地址。其中00H～0FH共16個地址，為寄存器地址。寄存器分為4頁：PAGE0、PAGE1、PAGE2、PAGE3，由RTL8019AS的CR（Command Register命令寄存器）中的PS1、PS0位來決定要訪問的頁。遠程DMA地址包括10H～17H，都可以用來做遠程DMA端口。復位端口包括18H～1FH共8個地址，功能一樣，用于RTL8019AS復位。
3? 硬件實現電路原理
?? ?網絡接口的硬件實現電路如圖3所示。RTL8019AS的JP引腳接高電平，使之工作在跳線工作模式；IOCS16B通過一個27
電阻接地，使RTL8019AS工作在8位數據傳輸方式；AEN是地址許可引腳，低電平有效；IORB與IOWB引腳分別與C8051F020的/RD和/WD相連；RTL8019AS的復位由C8051F020的P5口第2腳控制；RTL8019AS內置了10BASE-T收發器，它與以太網的連接通過一個隔離變壓器后接入一個RJ45接口。
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? 在本設計中采用了Hanrun公司的HR901170A作為連接網絡的接口，它內部有隔離變壓器，所以設計的智能模塊網絡接口電路不再需要考慮隔離變壓器，簡化了電路。
RTL8019AS的地址線有20根，在這里只用了SA0～SA9，低8位通過鎖存器74HC573連接到C8051F020的P7口（A0～A7），SA8和SA9分別與C8051F020的P4.3、P6.7（A19與A15）連接。C8051F020訪問RTL8019AS的寄存器的地址為0X8000～0X8010,其中0X8000～0X800F為訪問4頁寄存器用的地址（訪問前要先指定頁面），0X8010為遠程DMA地址，RTL8019AS的復位端口地址沒有使用。RTL8019AS的數據線有16根，因為工作于8位方式，所以只用了D7～D0，與C8051F020的P7口連接。地址線和數據線共用一個口，這樣可以節約單片機的接口，用于智能模塊的其他功能的實現，讓EPA智能模塊的功能更加強大。
同時在設計時還考慮了工業現場采集的各種信號對EPA智能模塊的干擾問題，將智能模塊的輸入信號處理電路的供電與單片機及網絡接口的供電完全獨立，以消除干擾。
4 軟件實現
????系統軟件實現流程圖見圖4所示。
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??? 系統在上電復位后，首先要進行系統初始化，即對其工作參數進行設置，以確保其正常工作。其中主要是對一些寄存器進行配置。例如接收配置寄存器、發送配置寄存器、數據配置寄存器、中斷屏蔽寄存器、多組播地址寄存器等等，同時設置系統本身的48位物理地址（每個地址都是惟一的，在網絡中進行區分）。另外，對芯片內置的16KB RAM進行分配。這里設置為發送緩沖區和接收緩沖區，各自的空間大小由自己決定，并有專門的內存指針確定地址的起始。當所有初始化完成之后，就開始查詢工作。其軟件流程圖見圖4。當有數據到來時，先將其目的地址與系統的物理地址相比較，如果地址不相符，則將該數據丟棄；如相符，則開始數據接收。當有數據要發送時，先將待發送的數據按幀格式進行封裝，需要設置以太網目的地址、源地址、協議類型，再按所設置的協議類型來設置數據段；然后給出發送緩沖區首地址和數據包長度，啟動發送命令，通過遠程DMA通道送到RTL8019AS中的發送緩沖區，即可實現RTL8019AS的發送功能，并將結果寫入狀態寄存器中。再啟動本地DMA，將數據發送到網絡上。由于協議類型很多，有TCP、UDP、ARP、RARP、SNMP等，為了保證數據的可靠傳輸，在此采用了TCP數據封裝。在單片機中寫入相應的TCP控制程序，如數據的拆包、打包等處理，以確保測控時數據的正確傳輸。
??? 本文所設計的EPA智能模塊網絡接口電路已應用到重慶某公司的國家創新基金項目《EPA智能模塊》，完全實現了遠程監控與訪問，實現了遠程參數的修改以調節現場設備的運行。對于那些生產現場工藝環節較多、控制精度和實時條件要求較高、需要隨時了解現場設備運行情況以便進行參數調節和控制的工業現場，該模塊提供了一種簡便有效、經濟實用的實現方法，可以推廣到實行網絡化控制的工業現場。
參考文獻
[1]? 馮冬芹.淺談以太網應用于工業現場的關鍵技術[J].世界儀表與自動化，2002，(8).
[2]? 高露，于海兵. EPA體系結構.計算機工程，2004,(9).
[3]? 鮑可敬，趙念強.C8051F單片機原理及應用.北京：中國電力出版社，2006.
[4]? Realtek Semiconductor CORP. Realtek Full-Duplex Ethernet Controller with Plug and Play Function,2001,4.
[5]? Andrew S.Tanenbaum. Computer Networks.4th ed. 2004.