摘要：针对选煤企业老设备的改造，采用ATmega128单片机和嵌入TCP/IP协议的芯片W5300，成功地解决了老设备的远程监控问题。
关键词：设备改造；单片机；ATmega128；TCP/IP 协议；W5300
中图分类号：TP338文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)04-0924-02
Using Remote Monitoring Based on Embedded TCP/IP Protocol
SANG Shu-li
(Huaibei Mining Group Company, Huaibei 235000, China)
Abstract: Through transformation the old equipment for Coal Dressing, Using Micro-chip ATmega128 and Based on Embedded TCP/ IP Protocol chip W5300, Successfully solved the problem of Remote Monitoring for Old Equipment.
Key words: transformation equipment; Micro chip; ATmega128; TCP/IP protocol; W5300
当前，工业控制系统网络化已已得到广泛应用，随着信息技术的发展，互联网已经越来越深入人们的工作和生活中，工业控制系统网络化是技术发展的必然趋势。以太网作为一种比较成熟的网络已经广泛应用于各领域，其TCP/ IP协议已成为互联网事实上的标准协议。本文就淮北选煤厂对老生产系统改造过程中的以太网连接问题以及解决思路做一探讨，值得其他工业企业老设备改造借鉴。
尽管目前以现场总线为基础的工业控制网络得到了广泛应用，但各种现场总线之间不能互相兼容，不能实现更大范围的连接，具有难以解决的许多局限性，而如果能通过以太网来实现各种形式的在线监控则可以极大地增强其灵活性，而免受到兼容性及传输范围等方面的限制，同时也符合《煤炭工业调度信息化总体规划纲要》。
为此在参照现行新设备的控制方法和各种方案的比较下，我们采用较成熟的ATmega128高速单片机对生产线上的水泵实现全自动保护的同时, 并结合韩国Wiznet公司生产的以太网控制芯片W5300实现系统与以太网互联，通过以太网对水泵系统进行远程实时监控，从而为水泵的安全运行、自动保护、最佳供水、节水提供了一个新的、低成本的解决方案。
1 系统的硬件性能
对于单片机来说，由于内部资源有限,既要完成监控项目的数据采集处理任务,又要实现TCP/IP协议栈，难度较大，经综合考虑后本系统决定选用市场较为常用的的成熟芯片Atmel公司的AVR单片机ATmega128作为控制核心。ATmega128为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，ATmega128的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega128具有如下特点：128K字节的系统内可编程Flash、4K字节的EEPROM、4K字节的SRAM、53个通用I/O口线、32个通用工作寄存器、实时时钟RTC、4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器/计数器(T/C)、两个USART、面向字节的两线接口TWI、8通道10位ADC(具有可选的可编程增益)、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、SPI串行端口、I2C、与IEEE 1149.1规范兼容的JTAG测试接口，以及六种可以通过软件选择的省电模式,这种芯片具有较高的性能价格比,可以出色地完成通信任务。
与以往的51系列单片机比较，ATmega128单片机具有明显的优点: 指令以时钟周期为运行单位, 实行流水作业；功耗低；既可通过网络开关以硬件的方式实现I/O端口的灵活配置,也可通过设置相应的寄存器控制交叉开关把I/O口配置为所选择的特殊功能端口。
总之, ATmega128是一种集成度高、功能强大的单片机, 非常适合于要求速度快、可靠性高、扩展功能强和节电的应用系统。
W5300 是由韩国Wiznet公司开发的一种与NE2000 兼容的8/16位ISA 总线网卡芯片, 遵循IEEE802.3标准；100脚PQFP封装，缩小了PCB尺寸；支持即插即用、跳线模式；全双工，收发可同时达到10MPS；内置16kBSRAM用于收发缓冲，降低了对主处理器的速度要求；支持AUI、UTP、BNC多种传输介质的自动侦测，支持对10BASE拓扑结构的自动记忆修正；内置的远程DMA接口、本地DMA接口、MAC(介质访问控制)逻辑、数据编码解码逻辑和其他端口MAC(介质访问控制)逻辑, 可以完成以下功能: 当单片机向以太网发送数据时，先将一桢数据通过远程DMA通道送到网络芯片W5300中的发送缓冲区，然后发出传送命令；当W5300完成了上一帧的发送后，再开始当前帧的发送。W5300接收到的数据通过MAC比较、CRC检验后；由FIF0存到接收缓冲区；收满一帧后；以中断或寄存器标志的方式通知主处理器FIF0逻辑对收发数据作16字节的缓冲；以减少对本地DMA请求的频率，从而可以节省软件的开销，提高系统的执行效率。
通过一个集成有TCP/IP协议和10/100M的以太网MAC和PHY的单芯片可以非常简单和快捷地实现Internet连接。W5300与主机（MCU）采用总线接口，通过直接访问方式或间接访问方式，W5300可以很容易与主机连接，就像访问SRAM存储器。W5300的通信数据可以通过每个端口的TX/RX FIFO寄存器访问，容易使用W5300实现Internet连接。W5300不需要主机的干预，内部处理所有的通信协议。W5300基于TOE（TCP/IP Offload引擎），通过减少主机处理TCP/IP协议时的负荷，可以极大地提升主机的性能。
2 网络监控系统总成
2.1 硬件连接
水泵网络监控系统的硬件结构组成如图1所示。输入的检测信号有温度信号(两端轴承温度传感器、定子绕组温度传感器) 、水位信号(水源水位探头) 、强电信号(漏电、缺相、过载) 、振动信号(振动传感器)、液位信号(浮子开关)等，这些信号中既有开关信号,也有模拟信号,开关信号通过光电隔离电路输入ATmega128，模拟信号(其中强电信号通过互感器后) 利用ATmega128的A/ D 转换器转换为数字信号后输入ATmega128中。输出的控制信号包括报警信号、启动信号、停机信号等,它们通过各自的驱动电路(由继电器、交流接触器、热继电器等组成) 来控制强电装置。
单片机ATmega128与网络控制芯片W5300之间的接口原理图如图2所示。由于ATmega128是8位单片机, 因此,通过BITI6EN接地来设定W5300工作在8位模式。W5300共有10位地址总线ADDR0～ADDR9。为了减少连线、降低成本,ATmega128的数据总线ADDR0～ADDR2与W5300的数据总线ADDR0～ADDR2直接相连,ADDR3～ADDR9悬空，芯片的RD、WR是读写信号线。单片机通过W5300收发数据,实际上也就是控制W5300的32个端口寄存器完成收发功能，所以只用单片机的3条地址总线与W5300的地址总线相连即可。W5300芯片的可以直接接入RJ45 ,实现与以太网的物理连接，使得外围元件大为减少。
2.2 软件实现
限于篇幅，对现场监控部分程序不作描述，主要介绍远程监控通信的实现方法。利用以太网对单片机应用系统进行远程实时监控的实质就是在硬件接入的基础上，动态或静态的分配给单片机应用系统一个IP地址，通过在单片机应用系统内嵌入TCP/IP协议栈实现它与处于以太网上的远程监控主机之间的通信。TCP/IP协议采用分层的结构,从上到下依次为应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层，每一层只对相邻层提供服务。由于TCP/IP协议比较复杂,对存储器、运算速度等的要求比较高，若想在单片机内部实现此协议将占用大量的系统资源，势必影响系统的测控、数据处理等功能，故单片机应用系统接入以太网，需要将其原有的TCP/IP协议进行简化。数据链路层部分由W5300的驱动程序提供一个与物理层的接口，完成数据收发和物理编码转换等功能。网络层的主要协议有IP、ARP、ICMP等。其中IP协议是核心协议，它主要完成主机到主机之间的通信；传输层的主要协议有TCP、UDP，主要完成进程到进程的通信,具体负责将从底层来的数据交付给正确的进程，实现完整的数据传输。TCP是面向连接的、可靠的传输层协议，它采用一些复杂的机制来确保数据传输的正确性，如建立连接时的“三向握手”，通信终止时的“四向握手”。在流控制方面，TCP采用滑动窗口协议，在要发送数据的缓存上定义一个窗口，每次发送数据的多少由窗口决定，只有收到接收端发来的确认时才可以移动窗口继续发送。由于工业控制中数据传输量少，本监控系统内存只有4K字节，因此可以将滑动窗口设置为一个固定值，每次数据接收最大1500字节，这样可简化流控制方面的一些不必要任务；另外由于水泵远程监控系统需处理的任务不多，主要强调实时性，所以可将多任务并发机制改为单任务循环机制。最上层为应用层，主要完成用户的应用程序，协议有HT2TP、TFTP等，本系统只需实现HTTP协议、UDP协议即可。
3 总结
利用单片机结合以太网控制芯片，通过对TCP/IP协议的简化实现以太网和Internet与单片机的实时通讯，达到水泵监控系统的远程化、网络化、实时化、智能化，使得界面友好，可视性强，摆脱了监控系统现场对计算机环境要求的限制，也可以克服分布式集散控制系统本身的局限性，为老设备监控系统改造积累了经验。
参考文献：
[1] 郑学坚,周斌.微型计算机原理及应用[M].3版.北京:清华出版社,2010.
[2] 选煤厂集控装置选择的技术规定[S].1990.
[3] W5300数据手册[Z].