基于嵌入式和無線通信技術(shù)的工業(yè)通信分布式網(wǎng)絡(luò)模型的實(shí)現(xiàn)

在工業(yè)控制中，需要將多個(gè)獨(dú)立工作的設(shè)備所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，傳統(tǒng)的通信方式，主要是采用固定的點(diǎn)與點(diǎn)之間的有線通信，但使用工業(yè)中常用的RS-485總線或者CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，需要把各設(shè)備利用網(wǎng)線連接起來，不僅施工麻煩，而且費(fèi)用很高。在每個(gè)采集數(shù)據(jù)的終端使用無線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，去掉通信設(shè)備之間的物理線路連接，不僅簡(jiǎn)化了施工難度和系統(tǒng)復(fù)雜度，還可以降低成本。文中提出了一種基于無線測(cè)控的工業(yè)通信分布式網(wǎng)絡(luò)模型，它將嵌入式技術(shù)、無線通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，采用兩級(jí)組網(wǎng)方式，將有線與無線技術(shù)結(jié)合起來，并結(jié)合嵌入式硬件平臺(tái)和無線通信模塊，解決了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸問題。該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、結(jié)構(gòu)小巧、開發(fā)費(fèi)用低廉，在現(xiàn)代工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)揮了經(jīng)濟(jì)效益。

1、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

分布式網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)際方案如圖1所示。

圖1 分布式網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)際方案

該方案中，服務(wù)器采用嵌入式硬件平臺(tái)，基于Linux操作系統(tǒng)，建立嵌入式Web服務(wù)器和分布式現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)控應(yīng)用程序。測(cè)控應(yīng)用程序通過驅(qū)動(dòng)CAN總線模塊，以輪詢方式實(shí)現(xiàn)嵌入式平臺(tái)與終端節(jié)點(diǎn)之間的通信。數(shù)據(jù)采集器使用無線通信與各終端設(shè)備連接，通過無線傳輸方式負(fù)責(zé)對(duì)測(cè)控應(yīng)用程序發(fā)出命令進(jìn)行響應(yīng)，啟動(dòng)無線通信過程，完成分布式現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和控制動(dòng)作執(zhí)行。

系統(tǒng)采用了分級(jí)組網(wǎng)的方式，由有線和無線通信兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)組成?？紤]到工業(yè)干擾比較嚴(yán)重，以及通信范圍能有較大的冗余，嵌入式服務(wù)器與數(shù)據(jù)采集器之間使用有線網(wǎng)絡(luò)，采用CAN總線傳輸。另外，系統(tǒng)使用了數(shù)據(jù)采集器作為中間媒介，將無線終端和ARM主控機(jī)連接在一起，解決了無線系統(tǒng)因受通信距離、空闖布局、外部干擾等因素的限制，致使無線通信的節(jié)點(diǎn)無法直接與主控機(jī)通信的問題。對(duì)附近的無線終端，數(shù)據(jù)采集器使用無線信道通信，對(duì)主控機(jī)，使用CAN連接，這樣就較好地解決了應(yīng)用環(huán)境對(duì)無線通信網(wǎng)絡(luò)的不利影響。而且，更為重要的是，可根據(jù)實(shí)際需要使用你N個(gè)數(shù)據(jù)采集器分別掛在CAN總線上，采用N個(gè)頻段傳輸，減少了無線通信中的沖突，增加了通信的可靠性。

系統(tǒng)由客戶端瀏覽器、嵌入式服務(wù)器平臺(tái)、無線通信模塊3部分組成?？蛻舳藶g覽器是運(yùn)行在桌面計(jì)算機(jī)中的通用瀏覽器應(yīng)用程序；嵌入式服務(wù)器是以S3C2410A芯片為核心組建的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)；無線通信模塊由數(shù)據(jù)采集器和終端節(jié)點(diǎn)2部分構(gòu)成，是以CCll00無線通信芯片和8051F310單片機(jī)為核心構(gòu)成的測(cè)控執(zhí)行部件。其中嵌入式服務(wù)器平臺(tái)是系統(tǒng)的核心部件，基于Linux操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行測(cè)控?cái)?shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)及與遠(yuǎn)程客戶端瀏覽器的數(shù)據(jù)交互。

通過公共網(wǎng)關(guān)接口CGI（Common Gateway Interface）實(shí)現(xiàn)嵌入式Web服務(wù)器和分布式現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)控應(yīng)用程序接口。CGI使編寫的程序處理wwW上客戶端送來的表單和數(shù)據(jù)，并對(duì)此做出響應(yīng)，這樣可使編寫的程序和Web服務(wù)器間的接口標(biāo)準(zhǔn)化。

嵌入式服務(wù)器正常工作要引入文件系統(tǒng)。Linux操作系統(tǒng)可以提供文件系統(tǒng)；同時(shí)利用Linux操作系統(tǒng)自身所帶的TCP／IP協(xié)議棧，只要在應(yīng)用層上利用操作系統(tǒng)提供的網(wǎng)絡(luò)API編寫服務(wù)器端程序即可，從而節(jié)省了開發(fā)時(shí)間。

2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)相當(dāng)重要，一方面要考慮所選擇的器件是否適合應(yīng)用要求，硬件資源是否足夠用來編程調(diào)試并保證系統(tǒng)性能優(yōu)良；另一方面硬件資源要在滿足系統(tǒng)需求前提下盡可能降低成本。考慮以上因素，服務(wù)器的硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，分為嵌入式服務(wù)器模塊、CAN通信接口模塊、無線測(cè)控模塊3部分。

2.1 嵌入式服務(wù)器模塊設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的嵌入式服務(wù)器平臺(tái)的設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 嵌入式服務(wù)器設(shè)計(jì)方案

基于S3C2410A擴(kuò)展了CAN接口模塊、sD卡等，CPU采用$3C2410A微處理器作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。S3C2410A是基于ARM920內(nèi)核開發(fā)的32位RISC微處理器，集成了豐富的外圍功能模塊，如以太網(wǎng)接121，便于低成本設(shè)計(jì)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。S3C2410A主要功能就是通過控制以太網(wǎng)接口芯片CS8900A及CAN通信接口芯片MCP2510的工作，實(shí)現(xiàn)CAN通信協(xié)議與以太網(wǎng)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，使遠(yuǎn)端用戶借助瀏覽器經(jīng)由Intemet對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.2 CAN通信接口模塊設(shè)計(jì)

由于多數(shù)嵌入式處理器都不帶CAN總線控制器，在嵌入式處理器的外部總線上擴(kuò)展CAN總線接口芯片是通用的解決方案。設(shè)計(jì)采用了MCP2510芯片作為CAN總線的控制器，該芯片支持CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)。TJAl050作為CAN總線的收發(fā)器。

MCP2510可在3-5.5 V范圍內(nèi)供電，因此能直接與3.3V I／0口的嵌入式處理器連接。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與處理器之間的SPI串行接口，減少了總線的物理連接，提高了系統(tǒng)的可靠性。

S3C2410A帶有SPI總線控制器，可直接與MCP2510連接。如圖3所示。

圖3 嵌入式節(jié)CAN節(jié)電設(shè)計(jì)方案

相關(guān)的資源有：在電路中使用了2410的一個(gè)擴(kuò)展的L／O口作為片選信號(hào)，低電平有效；使用了2410的外部中斷0作為中斷引腳，低電平有效；16 MHz晶體作為輸入時(shí)鐘，MCP2510內(nèi)部有振蕩電路，用晶體可直接起振。

中心模塊端，可對(duì)C，8051F310采用模擬SPI口的方式與MCP2510連接。

2.3 無線測(cè)控模塊設(shè)計(jì)

典型的無線結(jié)構(gòu)包括一個(gè)無線發(fā)射器（包括數(shù)據(jù)源、調(diào)制器、RF源、RF功率放大器、天線、電源）和一個(gè)無線接收器BJ（包括數(shù)據(jù)接收電路、RF解調(diào)器、譯碼器、RF低噪聲放大器、天線、電源）。發(fā)射器的數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射出去，接收器天線接收后進(jìn)行處理，得到經(jīng)過校驗(yàn)的正確數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)中選用了CC1100射頻芯片作為無線收發(fā)器，理由如下：

（1） 該器件有著極為優(yōu)秀的傳輸能力，空曠傳輸距離可以達(dá)到500m，加了PA的模塊則可以達(dá)到1200m，完全滿足了一般的工廠測(cè)控距離要求。

（2） 2-FSK，GFSK和MSK支持，抗干擾能力極強(qiáng)，適用于工廠環(huán)境惡劣的生產(chǎn)車間。

（3） CC1100是一種低成本、真正單片的UHF收發(fā)器，可以根據(jù)自己的需要配置MCU，使用靈活，且功耗很低，完全可以采用電池供電。

（4） 它具有433／868／915 MHz3個(gè)波段載波頻率，也可以容易地設(shè)置在300—348 MHz、400—464 MHz和800—928 MHz的其他頻率上。

該系統(tǒng)選用了C8051F310作為CCI 100的微控制器。它具有一個(gè)增強(qiáng)型外設(shè)接口（SPIO），具有訪問一個(gè)全雙工同步串行總線的能力，具有29個(gè)I／O端口、lO位逐次逼近型的ADC和一個(gè)25通道差分輸入多路選擇器，滿足了作為數(shù)據(jù)采集的通常需求。

CC1100模塊與CPU是采用SPI口進(jìn)行通信的，只需把CCll00的SPI口接到CPU的硬件SPI口上，另外，再將CCll00的GD00或GD02也接在CPU的任意引腳上。如果想要用中斷處理收發(fā)數(shù)據(jù)或是想做無線喚醒的話，該引腳必須接在CPU的外部中斷引腳上。如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控C8051F310與CC1100連接示意圖

微控制器除了完成基本的芯片初始化工作、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收之外，還需要根據(jù)需要在CCll00的引腳產(chǎn)生中斷，并由所編寫的中斷管理程序進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)以及切換，并執(zhí)行相應(yīng)的中斷操作，使得無線通信可以在發(fā)射和接收以及待機(jī)之間切換。

3、軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括了CAN總線通信程序模塊、無線通信部分等，其中驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)是在LINUX下多任務(wù)操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)的，多任務(wù)系統(tǒng)中的CAN總線通信程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖。如圖5所示。

圖5 多任務(wù)系統(tǒng)中的CAN總線通信程序結(jié)構(gòu)

CAN總線通信程序的設(shè)計(jì)可分為發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)和中斷處理3個(gè)模塊來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中CAN總線的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收是兩個(gè)不同的線程。在驅(qū)動(dòng)程序中建立數(shù)據(jù)發(fā)送和接收緩沖區(qū)。中斷處理程序只負(fù)責(zé)填充（或者讀取）緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，然后喚醒等待接收（或發(fā)送）數(shù)據(jù)的任務(wù)。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都通過獨(dú)立的緩沖區(qū)由中斷來實(shí)現(xiàn)。操作系統(tǒng)的中斷響應(yīng)時(shí)間在軟件上決定了CAN總線數(shù)據(jù)的最快收發(fā)速度。

MCP2510的初始化，通過函數(shù)static int MCP-device-init（void）實(shí)現(xiàn)。可通過設(shè)置MCP2510中的CNFl、CNF2、CNF3 3個(gè)寄存器，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)鐘下CAN總線通信波特率的設(shè)置。

對(duì)于無線通信模塊，軟件設(shè)計(jì)主要包括09051F310的初始化和CCI 100的初始化以及接收數(shù)據(jù)程序、發(fā)送數(shù)據(jù)程序，通過寄存器的配置實(shí)現(xiàn)其頻率、通道、通信速率等的設(shè)置。函數(shù)void halRfWritePdSettings（RF SETHNGS木pRtSettings）即實(shí)現(xiàn)配置CCll00的寄存器的功能。發(fā)送數(shù)據(jù)通過函數(shù)void halRf-SendPacket（unsigned char譬txBuffer，unsigned char size）實(shí)現(xiàn)，接收數(shù)據(jù)通過函數(shù)unsigned char halRfBeceivePacket（unsigned char rxBuffer，unsigned char length）實(shí)現(xiàn)。在采集模塊中為了做到低功耗還采用了隨機(jī)定時(shí)喚醒功能，這樣加上CCll00自帶的CCA功能，可以最大限度地防止信息相撞，從而達(dá)到穩(wěn)定可靠的通信狀態(tài)。

4、結(jié)束語

該系統(tǒng)把短距離無線通信技術(shù)與嵌入式技術(shù)結(jié)合在一起，并且采用兩級(jí)組網(wǎng)方式，將有線與無線技術(shù)結(jié)合起來，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，該方案的成本更低、功耗更低、抗干擾能力更強(qiáng)、軟件開發(fā)簡(jiǎn)易，可廣泛應(yīng)用于工廠自動(dòng)監(jiān)控、生物信號(hào)采集、水文氣象監(jiān)控等領(lǐng)域。基于CAN總線和無線技術(shù)的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、計(jì)算機(jī)軟件等多種技術(shù)的綜合應(yīng)用，適用于對(duì)遠(yuǎn)端現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，自動(dòng)化管理，保障工業(yè)生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。而隨著網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，短距離無線通信以其特有的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、安全性好、受地理?xiàng)l件限制較少、安裝施工簡(jiǎn)便靈活等特點(diǎn)，在測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，如何根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開發(fā)自己的測(cè)控系統(tǒng)成為一個(gè)越來越廣泛的課題。在該設(shè)計(jì)中采用的CCll00芯片有其局限性，只能實(shí)現(xiàn)星形組網(wǎng)，如果需要組建Mesh網(wǎng)絡(luò)，可考慮把方案中的CCll00換成適用于ZIGBEE協(xié)議的CC2420芯片。

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