专利名称：基于工业以太网的温湿度测量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及工业以太网自动控制技术，具体是一种应用于自动控制领域的基于工业以太网技术的温湿度测量仪。
背景技术：
现有技术中，温度和湿度一直是工业生产中的两个重要的指标，直接影响到生产工艺的正常进行和产品质量的提高。关于温湿度测量仪，各种各样的都司空见惯，最常用的是采用RS485总线传输方式(如基于RS-485总线的温湿度监控系统设计；可组网电子温湿度测量仪的设计与实现)，以及采用CAN总线传输方式(如基于CAN总线的智能温室分布式监控系统)，这两种实现方法都无法直接与上位机进行相连，必须采用RS-232的转换卡， 在工业现场使用起来，存在布线繁琐、传输距离受限等缺陷。另一方面，传统的温湿度测量仪要求单独的电源供电的同时，总线通信带宽已经不能满足不断增长的数据通信的需要。传统的温湿度测量仪大多是采用的低效率处理器+传感器接口 +总线接口 +单独电源供电的整体结构，这种结构采集的温湿度数据通过传感器接口进行AD转换并处理，然后通过RS485或者CAN总线接口传送到RS232转换卡进行电平转换后再传送到上位机进行数据分析。这种整体结构所采集的温湿度数据转换次数太多，供电方式不灵活，信号衰减大，传输距离短，布线繁琐，无法与上位机直接连接，用在工业场合极不合适。随着hternet技术的飞速发展，基于TCP/IP协议的以太网可以满足工业控制系统各个层次的需求，它具有更高的通信带宽，能够满足不断增长的数据通信的需要，通过 TCP/IP协议族，可以方便的实现现场设备层和监控层的无缝连接。如果温湿度测量仪能够利用工业以太网作来进行数据传输，那么工业以太网的强实时性、高可靠性、恶劣的工业现场环境适用性、总线供电等特点可以很好的解决传统温湿度测量仪布线繁琐、传输距离受限、无法直接与上位机相连、以及以太网络只用在控制级及以上的局限性的问题。
发明内容本实用新型新型温湿度测量仪是针对现有技术存在的上述缺陷，为了解决传统温湿度测量仪布线繁琐，传输距离受限，无法直接与上位机相连，以及以太网只用在控制级及以上的局限性等问题，提供了一种布线简单、传输距离远以及能直接与上位机通信的“e网到底”温湿度测量仪。本实用新型设计一种基于工业以太网的温湿度测量仪，包括，EPA总线供电�？�、 信号采集处理传送�？�。总线供电�？橹型ㄐ趴刂菩酒ü缃涌冖谑迪钟牒筇嗫仄教ǖ耐ㄐ帕樱ü缃涌冖儆胄藕挪杉泶筒糠值耐缤ㄐ沤涌诹樱藕挪杉泶湍？楣┑缂笆荽停恍藕挪杉泶湍？榘ù衅�、主控制电路、网络通信接口和电源电路，电源电路与网络通信接口相连，将网络通信接口传来的+24V电压转换成主控制电路、传感器所需要的工作电压值；主控制电路的输入/输出接口分别连接网络通信接口、电源电路、传感器接口，传感器采集的温湿度通过主控制电路处理，由网络通信接口通过网络接口①传送到以太网，上位机通过RJ-45接口从网络接口②读取温湿度。其中，主控制电路利用套接字编程技术将温湿度数字信号封装成EPA数据报文格式包括 1 位 TYPE、20 位 IP Header,8 位 UDP Header、n 位 EPA AppDATA、4 位 CRC。微处理器可采用基于CIP-51内核的C8051F120，完成温湿度数字信号的处理、封装，同时通过网络通信接口接收上位机的命令对温湿度测量仪的IP地址进行在线修改。上位机的监控平台把需要修改的IP地址赋值到数据帧的IP地址位，然后通过“写服务”把数据帧通过网络接口②传送到通信芯片帧转发控制器，经数据帧转发后通过网络接口①传送给主控电路进行解析，主控电路根据控制命令把修改的IP地址覆盖原来的IP地址，从而实现在线IP地址的修改。本温湿度测量仪采用网络接口 RJ45直接与上位机连接，解决了传统温湿度测量仪无法直接与上位机通信，必须通过RS-232转换卡的问题。同时利用EPA总线供电技术解决了传统温湿度测量仪传输距离短和电源布线繁琐的问题。EPA不同于其它以太网技术， 它不仅仅用在控制级及以上各级，也用在了设备级，从管理层到现场设备控制层的“e网到底”，实现通信协议的兼容和统一，解决了实时通信，远距离传输以及传统网络只用在控制级及以上的局限性等系列问题。本产品温湿度测量仪整体结构采用�？榛杓疲布槌芍饕‥PA总线供电模块、信号采集处理传送�？榱酱蟛糠�。EPA总线供电模块主要实现数据通信功能，和+24V 稳压供电。本实用新型的“e网到底”温湿度测量仪采用高性能51系列处理器，配备2M RAM 的程序运行空间，能够更快更准确地对采集数据进行处理；采用高可靠性以太网帧转发控制器TC3097-8以及RJ45网络接口通过工业以外网进行数据传输，能够更远的传送数据，降低数据信号衰减，无需RS232转换卡直接与上位机相连；内置EPA总线供电电路，在传送数据的同时对系统进行供电，无需外部电源，布线更简单，更灵活。
图1为本实用新型电路结构框图；图2为信号处理传送�？榧巴馕У缏返脑砜蛲�。
具体实施方式
接下来参照说明书附图对本实用新型技术方案的实施作具体说明图1所示为本实用新型温湿度测量仪系统整体结构框图。本温湿度测量仪系统结构包括两部分，第一部份是总线供电部分，第二部分是数据处理传送部分。总线供电�？槭迪止┑缬胪ㄐ诺墓δ埽饕赏ㄐ趴刂菩酒�(可采用TC3097-8)和网络接口①、②组成。其中，网络接口②实现通信芯片与后台监控平台的通信连接；网络接口①实现通信芯片与数据处理传送部分的网络通信接口连接。数据处理传送�？榘ㄒ韵�4个部分传感器接口、主控制电路、网络通信接口和电源电路。电源电路与网络通信接口相连，将网络通信接口传来的+24V电压转换成主控制电路、传感器接口所需要的工作电压值。网络通信接口与电源电路、主控制电路相连，同时也与第一部分的网络接口②相连接，传感器接口与主控制电路通过I/O 口相连。传感器接口负责采集外部温度与湿度，并模数转换后的数字信号通过I/O 口传送给主控制电路；主控制电路对采集到的温度与湿度数字信号利用套接字编程技术按照EPA 数据报文格式进行封装处理，EPA数据报文格式由协议类型TYPE、网络之间互连协议报文头IP Header、用户数据包协议报文头UDP Header、用于工业现场设备的以太网协议应用层数据EPA AppDATA以及循环冗余校验码CRC组成，其中TYPE 1位、IP Header 20位、UDP Header 8位、EPA AppDATA η位(η最小长度为46个字节，根据所传输的数据大小取值)、CRC 4位。EPA数据报文封装过后，主控制电路把EPA数据报文通过网络通信接口传送给第一部分总线供电�？榈耐缃涌冖�(总线供电模块的网络输入接口)，网络接口①负责将 EPA数据报文通过通信芯片以太网帧转发控制器TC3097-8传送到网络接口②(总线供电模块的网络输出接口)，最后由网络接口②把数据报文传送到后台监控平台进行报文解析。本实用新型为用户提供了一个在只要具有电源与网络接口的工业现�。静饬恳蔷湍芊奖憬尤胂低车谋憬萃ǖ�。简单，价廉、传输距离远、维护方便的以太网技术得以体现。本实用新型温湿度测量仪通过图1第二部分的网络接口①与总线供电部分相连， 总线供电部分通过网线a把+24V电源接入电源电路转换后给温湿度测量仪供电。同时，将如图1所示第二部分封装处理好的EPA数据报文通过网线a传给总线供电部分，数据报文通过通信芯片转发后传送到监控平台进行报文解析。图1所示第一部分的网线b利用EPA 通信协议实现EPA数据报文上传和下传，从而实现本实用新型温湿度测量仪与后台监控平台的实时通信。两根网线完成所有布线，体现了其布线的便捷，这种设计方案解决了传统的布线繁琐，传输距离受限等实际问题，也起到了节省材料损耗的作用。如图2所示为图1中主控制电路及外围电路的原理框图，主控电路包括微处理器 CPU,静态数据存储器SRAM、电源接口、程序下载接口、通信接口以及复位电路。其中微处理器CPU采用基于CIP-51内核的C8051F120，实现温湿度数据的采集处理和封装发送，同时接收监控平台的命令对IP进行在线修改；静态数据存储器采用IS62LV2568，它的容量为2M 字节，8位数据总线，与CPU的内存接口相连接，用于临时数据的存储和增加程序运行空间。本实用新型温湿度测量仪还具有程序在线修改功能。这种设计能方便的在测量仪上线时，通过网线实现底层程序的修正和程序在线升级。如为了实现测量仪应用于不同网段的工业现�。托枰陨璞窱P进行修改，我们就可以利用上位机后台的监控平台把需修改的内容以固定的数据帧格式通过自定义的“写服务”发送给测量仪，在IP进行修改中，数据帧包括了以下几部分MAC地址位、IP地址位、设备ID位、设备类型标识位和4个字节的保留位。把需要修改的IP地址赋值到数据帧对应的IP地址位。然后通过“写服务”把数据帧通过网络接口②传送到通信芯片帧转发控制器，数据帧通过转发后通过网络接口①再传送给主控电路进行解析，主控电路根据控制命令把修改的程序覆盖原来的程序，从而实现在线IP地址的修改。在本温湿度测量仪中，传感器接口采用稳定性和密封性良好的四脚航空插头形式，这种接口适合于恶劣的工业环境现�。潭ù衅鞯暮娇詹逋芬圆灏蔚姆绞浇尤氩饬恳牵庵稚杓瓶梢钥旖莘奖愀徊煌砍痰奈率却衅骼绰愎ひ迪殖〔煌笨蹋煌ば蚨晕率日饬街只肪巢问男枨�。[0025] 本实用新型信号采集处理传送模块主要由传感器，数据处理部分和以太网接口电路组成。其中，传感器可采用由瑞士 knsirion推出的一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器SHT70，它14位(温度)、12位(湿度)高分辨率为本产品数据采集的精确度提供了保证；数据处理部分可采用C8051F120处理芯片为核心，外拓展2M RAM以便有足够的空间运行程序；为了与上位机通信，还设计了一个IOM的以太网接口及控制电路，此部分以RTL8019AS芯片为核心，外加网络隔离变压器，保证了数据传输的精确性。
权利要求1.基于工业以太网的温湿度测量仪，包括，EPA总线供电�？�、信号采集处理传送模块，其特征在于总线供电�？橹型ㄐ趴刂菩酒ü缃涌冖谑迪钟牒筇嗫仄教ǖ耐ㄐ帕樱ü缃涌冖儆胄藕挪杉泶筒糠值耐缤ㄐ沤涌诹樱藕挪杉泶湍？楣┑缂笆荽停恍藕挪杉泶湍？榘ù衅�、主控制电路、网络通信接口和电源电路，电源电路与网络通信接口相连，将网络通信接口传来的+24V电压转换成主控制电路、传感器所需要的工作电压值；主控制电路的输入/输出接口分别连接网络通信接口、电源电路、传感器接口，传感器采集的温湿度通过主控制电路处理，由网络通信接口通过网络接口①传送到以太网，上位机通过RJ-45接口从网络接口②读取温湿度。
2.根据权利要求1所述的温湿度测量仪，其特征在于主控制电路利用套接字编程技术将温湿度数字信号封装成EPA数据报文格式。
3.根据权利要求1所述的温湿度测量仪，其特征在于所述主控电路包括微处理器 CPU、静态数据存储器SRAM、电源接口、程序下载接口、通信接口以及复位电路，其中微处理器采用基于CIP-51内核的C8051F120，完成温湿度数字信号的处理、封装，同时通过网络通信接口接收上位机的命令对温湿度测量仪的IP地址进行在线修改。
专利摘要本实用新型请求保护一种基于工业以太网的温湿度测量仪，涉及工业以太网自动控制技术，为了解决传统终端控制机传输总线繁琐，无法直接与上位机相连的局限性。无需通过RS-232转换卡，只需通过网线接口，采用工业以太网EPA技术便可直接与上位机连接，并且上位机可以直接对测量仪进行数据采集和程序升级的技术方案。此方案实现了现场测量仪通信协议的兼容和统一，解决了实时通信，远距离传输以及传统网络只用在控制级及以上的局限性等系列问题。
文档编号G01K7/00GK202084173SQ20112014560
公开日2011年12月21日 申请日期2011年5月10日 优先权日2011年5月10日
发明者付蔚, 何培, 干超, 张浩淼, 方建, 王平 申请人:重庆邮电大学
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