基于以太网的电机控制与诊断的研究

摘要：随着电子技术的飞速发展，嵌入式系统在工业领域得到初步的应用，针对工业的需求，结合实际，精选优化各种方法，提出了1种基于以太网的电机控制与诊断方案，阐述了具体的实现过程。基于以太网的电机控制与诊断系统采用C8051F020单片机作为系统的核心控制器件，通过RTL8019AS网卡与Internet在物理上连接起来，并在C8051F020单片机嵌入了精简优化后的TCP/IP协议，通过单片机本身产生SPWM脉冲，控制变频器，实现对电机的调速控制，通过参数的采集，可以有效的对电机故障进行在线诊断。

　　引言

　　基于以太网的单片机设备的控制与诊断结合先进的WEB技术与嵌入式技术，实现了PC与设备的直接跨平台的信息交互，这样PC就可以共享设备运行的信息，有效的实现对设备的控制与诊断。

　　1 基于以太网的电机控制与诊断的结构设计

　　基于以太网的单片机设备控制与诊断是以工业现场的三相电机为研究对象，其中包括对电机运行转速的测量与控制，对电枢电流的采集，采集电机电势参数，其他模相关拟量的采集。本设计的结构主体就是WEB技术与单片机和客户机的有机结合，建立电机设备的诊断与控制模型，其模型如图1所示。模型主要由客户机，网络和过程控制底层，即单片机嵌入式系统组成，这里采用TCP/IP协议作为嵌入式系统的通信协议，嵌入式系统的WEB服务器与客户机的WEB服务器进行信息交互，上传电机运行的参数，这样客户或是厂家均可通过网络实现对电机的控制与在线诊断。

　　2 系统硬件电路的实现

　　基于以太网的电机控制与诊断系统以C8051F020单片机作为嵌入式系统的CPU,内嵌TCP/IP协议，以RTL8019AS作为网络通信芯片，通过控制采样开关采集电机参数和控制电机的转速，并通过RTL8019AS网卡将采集到的温度数据、转速数据、电流数据、振动数据、磁场数据上传到服务器，客户机通过服务器之间的交互，实现数据的共享，客户根据具体的需求，利用单片机本身产生SPWM,在变频器模拟量输入端输入0~10V或4~20mA信号，通过改变输入模拟量的大小控制变频器的输出频率调解变频器，控制电机转速，同时根据电机参数的数值，监控电机的运行和诊断电机的故障，其硬件电路框图如图2所示。

　　3 以太网帧格式

　　以太网协议有两种，一种是IEEE802.2/IEEE802.3;另一种是以太网的封装格式。现代的操作系统均能同时支持这2种类型的协议格式，因此对我们来说只需要了解其中的一种就够了，特别是对单片机来说，不可能支持太多的协议格式。本系统采用IEEE802.3以太网协议，表1给出了以太网帧格式的封装形式。

　　表1以太网帧格式的封装形式

　　PR:同步位。

　　SD:分隔位。

　　DA:目的地址，以太网的地址为48位(6个字节)二进制地址，表明该帧传输给哪个网卡。

　　SA:源地址，48位，表明该帧的数据是哪个网卡发的，即发送端的网卡地址，同样是6个字节。

　　TYPE:类型字段，表明该帧的数据是什么类型的数据。

　　DATA:数据段，该段数据不能超过1500字节。

　　FCS:32位数据校验位。

　　4 系统软件设计

　　本系统软件的实现包括系统时钟、定时器、网卡RTL8019AS的初始化，初始化ARP协议，TCP协议和HTTP协议等来完成对电机参数的接收和发送，然后由主程序循环查询rtl8019as看是否有新数据包到来。系统根据判断事件的标志，来读取电机的参数，如图3所示。其中事件的判断执行由单片机定时器中断来完成，它贯穿了程序的始末。如TCP序列号每隔20ms增加6250,ARP地址解析时候的重发请求，每隔0.5s重发1次，连续2次重发的请求没回应，则终止重发，认为这个IP地址不存。

　　ARP映射表管理，如果ARP地址映射表内所记录的MAC地址60s内没被使用，则从映射表中删除该条映射记录，进行自动更新。最后本控制系统的WEBSERVER界面如图4所示。

　　图3系统软件流程

　　图4系统的WEBSERVER界面

　　5 结论

　　系统实现了基于8位单片机的TCP/IP协议的移植，并实现了网页数据传输功能和电机参数的查询和电机的控制，在这里应用仅仅是一个实例，且由于嵌入式以太网的价格低廉，相信在不久的将来一定会在工业领域得到更广泛的应用。