專利名稱：基于工業(yè)以太網(wǎng)的溫濕度測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及工業(yè)以太網(wǎng)自動控制技術(shù)，具體是一種應(yīng)用于自動控制領(lǐng)域的基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的溫濕度測量儀。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，溫度和濕度一直是工業(yè)生產(chǎn)中的兩個重要的指標(biāo)，直接影響到生產(chǎn)工藝的正常進(jìn)行和產(chǎn)品質(zhì)量的提高。關(guān)于溫濕度測量儀，各種各樣的都司空見慣，最常用的是采用RS485總線傳輸方式(如基于RS-485總線的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)；可組網(wǎng)電子溫濕度測量儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn))，以及采用CAN總線傳輸方式(如基于CAN總線的智能溫室分布式監(jiān)控系統(tǒng))，這兩種實(shí)現(xiàn)方法都無法直接與上位機(jī)進(jìn)行相連，必須采用RS-232的轉(zhuǎn)換卡， 在工業(yè)現(xiàn)場使用起來，存在布線繁瑣、傳輸距離受限等缺陷。另一方面，傳統(tǒng)的溫濕度測量儀要求單獨(dú)的電源供電的同時，總線通信帶寬已經(jīng)不能滿足不斷增長的數(shù)據(jù)通信的需要。傳統(tǒng)的溫濕度測量儀大多是采用的低效率處理器+傳感器接口 +總線接口 +單獨(dú)電源供電的整體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)采集的溫濕度數(shù)據(jù)通過傳感器接口進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換并處理，然后通過RS485或者CAN總線接口傳送到RS232轉(zhuǎn)換卡進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后再傳送到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。這種整體結(jié)構(gòu)所采集的溫濕度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換次數(shù)太多，供電方式不靈活，信號衰減大，傳輸距離短，布線繁瑣，無法與上位機(jī)直接連接，用在工業(yè)場合極不合適。隨著hternet技術(shù)的飛速發(fā)展，基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)可以滿足工業(yè)控制系統(tǒng)各個層次的需求，它具有更高的通信帶寬，能夠滿足不斷增長的數(shù)據(jù)通信的需要，通過 TCP/IP協(xié)議族，可以方便的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層和監(jiān)控層的無縫連接。如果溫濕度測量儀能夠利用工業(yè)以太網(wǎng)作來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，那么工業(yè)以太網(wǎng)的強(qiáng)實(shí)時性、高可靠性、惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境適用性、總線供電等特點(diǎn)可以很好的解決傳統(tǒng)溫濕度測量儀布線繁瑣、傳輸距離受限、無法直接與上位機(jī)相連、以及以太網(wǎng)絡(luò)只用在控制級及以上的局限性的問題。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型新型溫濕度測量儀是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，為了解決傳統(tǒng)溫濕度測量儀布線繁瑣，傳輸距離受限，無法直接與上位機(jī)相連，以及以太網(wǎng)只用在控制級及以上的局限性等問題，提供了一種布線簡單、傳輸距離遠(yuǎn)以及能直接與上位機(jī)通信的“e網(wǎng)到底”溫濕度測量儀。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)一種基于工業(yè)以太網(wǎng)的溫濕度測量儀，包括，EPA總線供電模塊、 信號采集處理傳送模塊?？偩€供電模塊中通信控制芯片通過網(wǎng)絡(luò)接口②實(shí)現(xiàn)與后臺監(jiān)控平臺的通信連接，通過網(wǎng)絡(luò)接口①與信號采集處理傳送部分的網(wǎng)絡(luò)通信接口連接，為信號采集處理傳送模塊供電及數(shù)據(jù)傳送；信號采集處理傳送模塊包括傳感器、主控制電路、網(wǎng)絡(luò)通信接口和電源電路，電源電路與網(wǎng)絡(luò)通信接口相連，將網(wǎng)絡(luò)通信接口傳來的+24V電壓轉(zhuǎn)換成主控制電路、傳感器所需要的工作電壓值；主控制電路的輸入/輸出接口分別連接網(wǎng)絡(luò)通信接口、電源電路、傳感器接口，傳感器采集的溫濕度通過主控制電路處理，由網(wǎng)絡(luò)通信接口通過網(wǎng)絡(luò)接口①傳送到以太網(wǎng)，上位機(jī)通過RJ-45接口從網(wǎng)絡(luò)接口②讀取溫濕度。其中，主控制電路利用套接字編程技術(shù)將溫濕度數(shù)字信號封裝成EPA數(shù)據(jù)報文格式包括 1 位 TYPE、20 位 IP Header,8 位 UDP Header、n 位 EPA AppDATA、4 位 CRC。微處理器可采用基于CIP-51內(nèi)核的C8051F120，完成溫濕度數(shù)字信號的處理、封裝，同時通過網(wǎng)絡(luò)通信接口接收上位機(jī)的命令對溫濕度測量儀的IP地址進(jìn)行在線修改。上位機(jī)的監(jiān)控平臺把需要修改的IP地址賦值到數(shù)據(jù)幀的IP地址位，然后通過“寫服務(wù)”把數(shù)據(jù)幀通過網(wǎng)絡(luò)接口②傳送到通信芯片幀轉(zhuǎn)發(fā)控制器，經(jīng)數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)后通過網(wǎng)絡(luò)接口①傳送給主控電路進(jìn)行解析，主控電路根據(jù)控制命令把修改的IP地址覆蓋原來的IP地址，從而實(shí)現(xiàn)在線IP地址的修改。本溫濕度測量儀采用網(wǎng)絡(luò)接口 RJ45直接與上位機(jī)連接，解決了傳統(tǒng)溫濕度測量儀無法直接與上位機(jī)通信，必須通過RS-232轉(zhuǎn)換卡的問題。同時利用EPA總線供電技術(shù)解決了傳統(tǒng)溫濕度測量儀傳輸距離短和電源布線繁瑣的問題。EPA不同于其它以太網(wǎng)技術(shù)， 它不僅僅用在控制級及以上各級，也用在了設(shè)備級，從管理層到現(xiàn)場設(shè)備控制層的“e網(wǎng)到底”，實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的兼容和統(tǒng)一，解決了實(shí)時通信，遠(yuǎn)距離傳輸以及傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)只用在控制級及以上的局限性等系列問題。本產(chǎn)品溫濕度測量儀整體結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，硬件組成主要包括EPA總線供電模塊、信號采集處理傳送模塊兩大部分。EPA總線供電模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能，和+24V 穩(wěn)壓供電。本實(shí)用新型的“e網(wǎng)到底”溫濕度測量儀采用高性能51系列處理器，配備2M RAM 的程序運(yùn)行空間，能夠更快更準(zhǔn)確地對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；采用高可靠性以太網(wǎng)幀轉(zhuǎn)發(fā)控制器TC3097-8以及RJ45網(wǎng)絡(luò)接口通過工業(yè)以外網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能夠更遠(yuǎn)的傳送數(shù)據(jù)，降低數(shù)據(jù)信號衰減，無需RS232轉(zhuǎn)換卡直接與上位機(jī)相連；內(nèi)置EPA總線供電電路，在傳送數(shù)據(jù)的同時對系統(tǒng)進(jìn)行供電，無需外部電源，布線更簡單，更靈活。

圖1為本實(shí)用新型電路結(jié)構(gòu)框圖；圖2為信號處理傳送模塊及外圍電路的原理框圖。
具體實(shí)施方式
接下來參照說明書附圖對本實(shí)用新型技術(shù)方案的實(shí)施作具體說明圖1所示為本實(shí)用新型溫濕度測量儀系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖。本溫濕度測量儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括兩部分，第一部份是總線供電部分，第二部分是數(shù)據(jù)處理傳送部分?？偩€供電模塊實(shí)現(xiàn)供電與通信的功能，主要由通信控制芯片(可采用TC3097-8)和網(wǎng)絡(luò)接口①、②組成。其中，網(wǎng)絡(luò)接口②實(shí)現(xiàn)通信芯片與后臺監(jiān)控平臺的通信連接；網(wǎng)絡(luò)接口①實(shí)現(xiàn)通信芯片與數(shù)據(jù)處理傳送部分的網(wǎng)絡(luò)通信接口連接。數(shù)據(jù)處理傳送模塊包括以下4個部分傳感器接口、主控制電路、網(wǎng)絡(luò)通信接口和電源電路。電源電路與網(wǎng)絡(luò)通信接口相連，將網(wǎng)絡(luò)通信接口傳來的+24V電壓轉(zhuǎn)換成主控制電路、傳感器接口所需要的工作電壓值。網(wǎng)絡(luò)通信接口與電源電路、主控制電路相連，同時也與第一部分的網(wǎng)絡(luò)接口②相連接，傳感器接口與主控制電路通過I/O 口相連。傳感器接口負(fù)責(zé)采集外部溫度與濕度，并模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過I/O 口傳送給主控制電路；主控制電路對采集到的溫度與濕度數(shù)字信號利用套接字編程技術(shù)按照EPA 數(shù)據(jù)報文格式進(jìn)行封裝處理，EPA數(shù)據(jù)報文格式由協(xié)議類型TYPE、網(wǎng)絡(luò)之間互連協(xié)議報文頭IP Header、用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議報文頭UDP Header、用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的以太網(wǎng)協(xié)議應(yīng)用層數(shù)據(jù)EPA AppDATA以及循環(huán)冗余校驗(yàn)碼CRC組成，其中TYPE 1位、IP Header 20位、UDP Header 8位、EPA AppDATA η位(η最小長度為46個字節(jié)，根據(jù)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小取值)、CRC 4位。EPA數(shù)據(jù)報文封裝過后，主控制電路把EPA數(shù)據(jù)報文通過網(wǎng)絡(luò)通信接口傳送給第一部分總線供電模塊的網(wǎng)絡(luò)接口①(總線供電模塊的網(wǎng)絡(luò)輸入接口)，網(wǎng)絡(luò)接口①負(fù)責(zé)將 EPA數(shù)據(jù)報文通過通信芯片以太網(wǎng)幀轉(zhuǎn)發(fā)控制器TC3097-8傳送到網(wǎng)絡(luò)接口②(總線供電模塊的網(wǎng)絡(luò)輸出接口)，最后由網(wǎng)絡(luò)接口②把數(shù)據(jù)報文傳送到后臺監(jiān)控平臺進(jìn)行報文解析。本實(shí)用新型為用戶提供了一個在只要具有電源與網(wǎng)絡(luò)接口的工業(yè)現(xiàn)場，本測量儀就能方便接入系統(tǒng)的便捷通道。簡單，價廉、傳輸距離遠(yuǎn)、維護(hù)方便的以太網(wǎng)技術(shù)得以體現(xiàn)。本實(shí)用新型溫濕度測量儀通過圖1第二部分的網(wǎng)絡(luò)接口①與總線供電部分相連， 總線供電部分通過網(wǎng)線a把+24V電源接入電源電路轉(zhuǎn)換后給溫濕度測量儀供電。同時，將如圖1所示第二部分封裝處理好的EPA數(shù)據(jù)報文通過網(wǎng)線a傳給總線供電部分，數(shù)據(jù)報文通過通信芯片轉(zhuǎn)發(fā)后傳送到監(jiān)控平臺進(jìn)行報文解析。圖1所示第一部分的網(wǎng)線b利用EPA 通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)EPA數(shù)據(jù)報文上傳和下傳，從而實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型溫濕度測量儀與后臺監(jiān)控平臺的實(shí)時通信。兩根網(wǎng)線完成所有布線，體現(xiàn)了其布線的便捷，這種設(shè)計(jì)方案解決了傳統(tǒng)的布線繁瑣，傳輸距離受限等實(shí)際問題，也起到了節(jié)省材料損耗的作用。如圖2所示為圖1中主控制電路及外圍電路的原理框圖，主控電路包括微處理器 CPU,靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器SRAM、電源接口、程序下載接口、通信接口以及復(fù)位電路。其中微處理器CPU采用基于CIP-51內(nèi)核的C8051F120，實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的采集處理和封裝發(fā)送，同時接收監(jiān)控平臺的命令對IP進(jìn)行在線修改；靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器采用IS62LV2568，它的容量為2M 字節(jié)，8位數(shù)據(jù)總線，與CPU的內(nèi)存接口相連接，用于臨時數(shù)據(jù)的存儲和增加程序運(yùn)行空間。本實(shí)用新型溫濕度測量儀還具有程序在線修改功能。這種設(shè)計(jì)能方便的在測量儀上線時，通過網(wǎng)線實(shí)現(xiàn)底層程序的修正和程序在線升級。如為了實(shí)現(xiàn)測量儀應(yīng)用于不同網(wǎng)段的工業(yè)現(xiàn)場，就需要對設(shè)備IP進(jìn)行修改，我們就可以利用上位機(jī)后臺的監(jiān)控平臺把需修改的內(nèi)容以固定的數(shù)據(jù)幀格式通過自定義的“寫服務(wù)”發(fā)送給測量儀，在IP進(jìn)行修改中，數(shù)據(jù)幀包括了以下幾部分MAC地址位、IP地址位、設(shè)備ID位、設(shè)備類型標(biāo)識位和4個字節(jié)的保留位。把需要修改的IP地址賦值到數(shù)據(jù)幀對應(yīng)的IP地址位。然后通過“寫服務(wù)”把數(shù)據(jù)幀通過網(wǎng)絡(luò)接口②傳送到通信芯片幀轉(zhuǎn)發(fā)控制器，數(shù)據(jù)幀通過轉(zhuǎn)發(fā)后通過網(wǎng)絡(luò)接口①再傳送給主控電路進(jìn)行解析，主控電路根據(jù)控制命令把修改的程序覆蓋原來的程序，從而實(shí)現(xiàn)在線IP地址的修改。在本溫濕度測量儀中，傳感器接口采用穩(wěn)定性和密封性良好的四腳航空插頭形式，這種接口適合于惡劣的工業(yè)環(huán)境現(xiàn)場，固定傳感器的航空插頭以插拔的方式接入測量儀，這種設(shè)計(jì)可以快捷方便更換不同量程的溫濕度傳感器來滿足工業(yè)現(xiàn)場不同時刻，不同工序?qū)貪穸冗@兩種環(huán)境參數(shù)的需求。[0025] 本實(shí)用新型信號采集處理傳送模塊主要由傳感器，數(shù)據(jù)處理部分和以太網(wǎng)接口電路組成。其中，傳感器可采用由瑞士 knsirion推出的一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器SHT70，它14位(溫度)、12位(濕度)高分辨率為本產(chǎn)品數(shù)據(jù)采集的精確度提供了保證；數(shù)據(jù)處理部分可采用C8051F120處理芯片為核心，外拓展2M RAM以便有足夠的空間運(yùn)行程序；為了與上位機(jī)通信，還設(shè)計(jì)了一個IOM的以太網(wǎng)接口及控制電路，此部分以RTL8019AS芯片為核心，外加網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_性。
權(quán)利要求1.基于工業(yè)以太網(wǎng)的溫濕度測量儀，包括，EPA總線供電模塊、信號采集處理傳送模塊，其特征在于總線供電模塊中通信控制芯片通過網(wǎng)絡(luò)接口②實(shí)現(xiàn)與后臺監(jiān)控平臺的通信連接，通過網(wǎng)絡(luò)接口①與信號采集處理傳送部分的網(wǎng)絡(luò)通信接口連接，為信號采集處理傳送模塊供電及數(shù)據(jù)傳送；信號采集處理傳送模塊包括傳感器、主控制電路、網(wǎng)絡(luò)通信接口和電源電路，電源電路與網(wǎng)絡(luò)通信接口相連，將網(wǎng)絡(luò)通信接口傳來的+24V電壓轉(zhuǎn)換成主控制電路、傳感器所需要的工作電壓值；主控制電路的輸入/輸出接口分別連接網(wǎng)絡(luò)通信接口、電源電路、傳感器接口，傳感器采集的溫濕度通過主控制電路處理，由網(wǎng)絡(luò)通信接口通過網(wǎng)絡(luò)接口①傳送到以太網(wǎng)，上位機(jī)通過RJ-45接口從網(wǎng)絡(luò)接口②讀取溫濕度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫濕度測量儀，其特征在于主控制電路利用套接字編程技術(shù)將溫濕度數(shù)字信號封裝成EPA數(shù)據(jù)報文格式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫濕度測量儀，其特征在于所述主控電路包括微處理器 CPU、靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器SRAM、電源接口、程序下載接口、通信接口以及復(fù)位電路，其中微處理器采用基于CIP-51內(nèi)核的C8051F120，完成溫濕度數(shù)字信號的處理、封裝，同時通過網(wǎng)絡(luò)通信接口接收上位機(jī)的命令對溫濕度測量儀的IP地址進(jìn)行在線修改。
專利摘要本實(shí)用新型請求保護(hù)一種基于工業(yè)以太網(wǎng)的溫濕度測量儀，涉及工業(yè)以太網(wǎng)自動控制技術(shù)，為了解決傳統(tǒng)終端控制機(jī)傳輸總線繁瑣，無法直接與上位機(jī)相連的局限性。無需通過RS-232轉(zhuǎn)換卡，只需通過網(wǎng)線接口，采用工業(yè)以太網(wǎng)EPA技術(shù)便可直接與上位機(jī)連接，并且上位機(jī)可以直接對測量儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和程序升級的技術(shù)方案。此方案實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場測量儀通信協(xié)議的兼容和統(tǒng)一，解決了實(shí)時通信，遠(yuǎn)距離傳輸以及傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)只用在控制級及以上的局限性等系列問題。
文檔編號G01K7/00GK202084173SQ20112014560
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月10日
發(fā)明者付蔚, 何培, 干超, 張浩淼, 方建, 王平 申請人:重慶郵電大學(xué)