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在工業控制中，需要將多個獨立工作的設備所產生的數據進行匯總，傳統的通信方式，主要是采用固定的點與點之間的有線通信，但使用工業中常用的RS-485總線或者CAN總線進行數據傳輸，需要把各設備利用網線連接起來，不僅施工麻煩，而且費用很高。在每個采集數據的終端使用無線的方式進行數據匯總，去掉通信設備之間的物理線路連接，不僅簡化了施工難度和系統復雜度，還可以降低成本。文中提出了一種基于無線測控的工業通信分布式網絡模型，它將嵌入式技術、無線通信技術和自動控制技術有機地結合起來，采用兩級組網方式，將有線與無線技術結合起來，并結合嵌入式硬件平臺和無線通信模塊，解決了數據采集系統和控制設備的數據傳輸問題。該系統實時性強、可靠性高、結構小巧、開發費用低廉，在現代工業測控系統已經發揮了經濟效益。 1、系統總體設計方案 分布式網絡模型實際方案如圖1所示。 圖1 分布式網絡模型實際方案 該方案中，服務器采用嵌入式硬件平臺，基于Linux操作系統，建立嵌入式Web服務器和分布式現場的測控應用程序。測控應用程序通過驅動CAN總線模塊，以輪詢方式實現嵌入式平臺與終端節點之間的通信。數據采集器使用無線通信與各終端設備連接，通過無線傳輸方式負責對測控應用程序發出命令進行響應，啟動無線通信過程，完成分布式現場的數據采集和控制動作執行。 系統采用了分級組網的方式，由有線和無線通信兩級網絡組成。考慮到工業干擾比較嚴重，以及通信范圍能有較大的冗余，嵌入式服務器與數據采集器之間使用有線網絡，采用CAN總線傳輸。另外，系統使用了數據采集器作為中間媒介，將無線終端和ARM主控機連接在一起，解決了無線系統因受通信距離、空闖布局、外部干擾等因素的限制，致使無線通信的節點無法直接與主控機通信的問題。對附近的無線終端，數據采集器使用無線信道通信，對主控機，使用CAN連接，這樣就較好地解決了應用環境對無線通信網絡的不利影響。而且，更為重要的是，可根據實際需要使用你N個數據采集器分別掛在CAN總線上，采用N個頻段傳輸，減少了無線通信中的沖突，增加了通信的可靠性。 系統由客戶端瀏覽器、嵌入式服務器平臺、無線通信模塊3部分組成。客戶端瀏覽器是運行在桌面計算機中的通用瀏覽器應用程序；嵌入式服務器是以S3C2410A芯片為核心組建的網絡服務平臺；無線通信模塊由數據采集器和終端節點2部分構成，是以CCll00無線通信芯片和8051F310單片機為核心構成的測控執行部件。其中嵌入式服務器平臺是系統的核心部件，基于Linux操作系統，負責對現場設備進行測控數據的處理、存儲、轉發及與遠程客戶端瀏覽器的數據交互。 通過公共網關接口CGI(Common Gateway Interface)實現嵌入式Web服務器和分布式現場的測控應用程序接口。CGI使編寫的程序處理wwW上客戶端送來的表單和數據，并對此做出響應，這樣可使編寫的程序和Web服務器間的接口標準化。 嵌入式服務器正常工作要引入文件系統。Linux操作系統可以提供文件系統；同時利用Linux操作系統自身所帶的TCP／IP協議棧，只要在應用層上利用操作系統提供的網絡API編寫服務器端程序即可，從而節省了開發時間。 2、系統硬件設計 對于一個嵌入式系統，硬件系統設計相當重要，一方面要考慮所選擇的器件是否適合應用要求，硬件資源是否足夠用來編程調試并保證系統性能優良；另一方面硬件資源要在滿足系統需求前提下盡可能降低成本。考慮以上因素，服務器的硬件采用模塊化設計，分為嵌入式服務器模塊、CAN通信接口模塊、無線測控模塊3部分。 2.1 嵌入式服務器模塊設計 該系統的嵌入式服務器平臺的設計如圖2所示。 圖2 嵌入式服務器設計方案 基于S3C2410A擴展了CAN接口模塊、sD卡等，CPU采用$3C2410A微處理器作為整個系統的控制核心。S3C2410A是基于ARM920內核開發的32位RISC微處理器，集成了豐富的外圍功能模塊，如以太網接121，便于低成本設計嵌入式應用系統。S3C2410A主要功能就是通過控制以太網接口芯片CS8900A及CAN通信接口芯片MCP2510的工作，實現CAN通信協議與以太網通信協議的轉換，使遠端用戶借助瀏覽器經由Intemet對現場設備實施遠程監控。 2.2 CAN通信接口模塊設計 由于多數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展CAN總線接口芯片是通用的解決方案。設計采用了MCP2510芯片作為CAN總線的控制器，該芯片支持CAN2.0B標準。TJAl050作為CAN總線的收發器。 MCP2510可在3-5.5 V范圍內供電，因此能直接與3.3V I／0口的嵌入式處理器連接。系統結構簡單，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CAN節電設計方案 相關的資源有：在電路中使用了2410的一個擴展的L／O口作為片選信號，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晶體作為輸入時鐘，MCP2510內部有振蕩電路，用晶體可直接起振。 中心模塊端，可對C,8051F310采用模擬SPI口的方式與MCP2510連接。 2.3 無線測控模塊設計 典型的無線結構包括一個無線發射器(包括數據源、調制器、RF源、RF功率放大器、天線、電源)和一個無線接收器BJ(包括數據接收電路、RF解調器、譯碼器、RF低噪聲放大器、天線、電源)。發射器的數據通過無線發射出去，接收器天線接收后進行處理，得到經過校驗的正確數據。 系統中選用了CC1100射頻芯片作為無線收發器，理由如下： (1) 該器件有著極為優秀的傳輸能力，空曠傳輸距離可以達到500m，加了PA的模塊則可以達到1200m，完全滿足了一般的工廠測控距離要求。 (2) 2-FSK，GFSK和MSK支持，抗干擾能力極強，適用于工廠環境惡劣的生產車間。 (3) CC1100是一種低成本、真正單片的UHF收發器，可以根據自己的需要配置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個波段載波頻率，也可以容易地設置在300—348 MHz、400—464 MHz和800—928 MHz的其他頻率上。 該系統選用了C8051F310作為CCI 100的微控制器。它具有一個增強型外設接口(SPIO)，具有訪問一個全雙工同步串行總線的能力，具有29個I／O端口、lO位逐次逼近型的ADC和一個25通道差分輸入多路選擇器，滿足了作為數據采集的通常需求。 CC1100模塊與CPU是采用SPI口進行通信的，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數據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 現場測控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、數據的發送和接收之外，還需要根據需要在CCll00的引腳產生中斷，并由所編寫的中斷管理程序進行狀態檢測以及切換，并執行相應的中斷操作，使得無線通信可以在發射和接收以及待機之間切換。 3、軟件設計 軟件設計主要包括了CAN總線通信程序模塊、無線通信部分等，其中驅動程序的設計是在LINUX下多任務操作系統下實現的，多任務系統中的CAN總線通信程序結構設計流程圖。如圖5所示。 圖5 多任務系統中的CAN總線通信程序結構 CAN總線通信程序的設計可分為發送數據、接收數據和中斷處理3個模塊來實現。系統中CAN總線的數據發送和接收是兩個不同的線程。在驅動程序中建立數據發送和接收緩沖區。中斷處理程序只負責填充(或者讀取)緩沖區中的數據，然后喚醒等待接收(或發送)數據的任務。數據的發送和接收都通過獨立的緩沖區由中斷來實現。操作系統的中斷響應時間在軟件上決定了CAN總線數據的最快收發速度。 MCP2510的初始化，通過函數static int MCP-device-init(void)實現。可通過設置MCP2510中的CNFl、CNF2、CNF3 3個寄存器，實現不同時鐘下CAN總線通信波特率的設置。 對于無線通信模塊，軟件設計主要包括09051F310的初始化和CCI 100的初始化以及接收數據程序、發送數據程序，通過寄存器的配置實現其頻率、通道、通信速率等的設置。函數void halRfWritePdSettings(RF SETHNGS木pRtSettings)即實現配置CCll00的寄存器的功能。發送數據通過函數void halRf-SendPacket(unsigned char譬txBuffer，unsigned char size)實現，接收數據通過函數unsigned char halRfBeceivePacket(unsigned char rxBuffer，unsigned char length)實現。在采集模塊中為了做到低功耗還采用了隨機定時喚醒功能，這樣加上CCll00自帶的CCA功能，可以最大限度地防止信息相撞，從而達到穩定可靠的通信狀態。 4、結束語 該系統把短距離無線通信技術與嵌入式技術結合在一起，并且采用兩級組網方式，將有線與無線技術結合起來，與傳統技術相比，該方案的成本更低、功耗更低、抗干擾能力更強、軟件開發簡易，可廣泛應用于工廠自動監控、生物信號采集、水文氣象監控等領域。基于CAN總線和無線技術的遠程集中監控系統是數據采集、網絡傳輸、計算機軟件等多種技術的綜合應用，適用于對遠端現場環境進行實時監控，自動化管理，保障工業生產的安全穩定運行。而隨著網絡及通信技術的飛速發展，短距離無線通信以其特有的抗干擾能力強、可靠性高、安全性好、受地理條件限制較少、安裝施工簡便靈活等特點，在測控系統中的應用越來越廣泛，如何根據實際需要選擇合適的網絡拓撲結構，開發自己的測控系統成為一個越來越廣泛的課題。在該設計中采用的CCll00芯片有其局限性，只能實現星形組網，如果需要組建Mesh網絡，可考慮把方案中的CCll00換成適用于ZIGBEE協議的CC2420芯片。 |
