嵌入式LonWorks網(wǎng)絡(luò)智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)解析

內(nèi)容摘要：為了解決LonWorks設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)智能控制及遠(yuǎn)程監(jiān)控的需要，提出了通過(guò)嵌入式網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)LON網(wǎng)和以太網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換方案。本網(wǎng)關(guān)采用電力線(xiàn)收發(fā)器PL3150和帶有以太網(wǎng)控制器的微處理器LPC1778分別實(shí)現(xiàn)LonWorks網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)的接口功能。同時(shí)還利用LPC1778內(nèi)置以太網(wǎng)控制器搭建Web服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，達(dá)到了遠(yuǎn)程智能交互與監(jiān)控的目的。本文給出了該智能網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)的方案和實(shí)現(xiàn)方法。

LonWorks技術(shù)是美國(guó)Echelon公司于90年代初推出的一種現(xiàn)代總線(xiàn)技術(shù)，它具有開(kāi)放性、高速性和互操作性而已被各行業(yè)廣泛使用。而LonWorks設(shè)備往往工作環(huán)境惡劣，其自身各部分與周?chē)渌娮釉O(shè)備之間不可避免存在各種形式的電磁干擾和靜電放電，保證LonWorks設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重大的意義。

LonWorks設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中涉及的參數(shù)眾多，控制策略復(fù)雜，為了解決其現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的需要，有必要開(kāi)發(fā)出一款自動(dòng)化程度高的智能網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)LonWorks協(xié)議和TC/IP協(xié)議的轉(zhuǎn)換，將Lon網(wǎng)和以太網(wǎng)互連，從而達(dá)到對(duì)遠(yuǎn)方的LonWorks設(shè)備運(yùn)行集中的、遠(yuǎn)程的監(jiān)控的目的。

而傳統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)基本采用16位單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，受限于其運(yùn)算能力低、存儲(chǔ)空間小的特點(diǎn)，而不能夠適用于多任務(wù)、實(shí)時(shí)性高的應(yīng)用環(huán)境。本文設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)的一款嵌入式LonWorks網(wǎng)絡(luò)智能網(wǎng)關(guān)，采用32位的ARM為主控芯片并嵌入μC/OS—II操作系統(tǒng)，具有能夠滿(mǎn)足多任務(wù)、實(shí)時(shí)性、快速性高等復(fù)雜監(jiān)控環(huán)境的功能。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，下位機(jī)設(shè)備將收集到的監(jiān)控參數(shù)通過(guò)電力線(xiàn)上傳至智能網(wǎng)關(guān)，LonWorks網(wǎng)關(guān)根據(jù)電力通訊協(xié)議將已將收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換將Lon網(wǎng)協(xié)議的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成TCP協(xié)議數(shù)據(jù)包上傳到ARM內(nèi)置服務(wù)器;遠(yuǎn)端的監(jiān)視器作為嵌入式智能網(wǎng)關(guān)的人機(jī)界面互動(dòng)平臺(tái)將遠(yuǎn)程指令發(fā)送到智能網(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)通過(guò)電力線(xiàn)下傳至下位機(jī)設(shè)備，下位機(jī)設(shè)備根據(jù)電力線(xiàn)通訊協(xié)議接收相應(yīng)的遠(yuǎn)程指令，并完成相應(yīng)的遠(yuǎn)程控制。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件平臺(tái)由3個(gè)部分組成，包括由Lon網(wǎng)數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊、Lon網(wǎng)協(xié)議和LwIP協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和以太網(wǎng)通訊模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.1 Lon網(wǎng)協(xié)議和LwIP協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊

該模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其不僅包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，而且完成系統(tǒng)其它顯示傳輸功能。該模塊的主控芯片為NXP公司生產(chǎn)的LPC17 78，其片上資源包括512 Kb的FLASH存儲(chǔ)器、高達(dá)64 Kb的SRAM，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率可高達(dá)120 MHz，同時(shí)可內(nèi)嵌操作系統(tǒng)。LPC1778內(nèi)置外部總線(xiàn)控制器，通過(guò)總線(xiàn)方式讀寫(xiě)雙口RAM，從而完成與數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊的高速數(shù)據(jù)交換。另外，嵌入式WEB服務(wù)器的架構(gòu)需要大容量的存儲(chǔ)器，片上資源已不能夠滿(mǎn)足現(xiàn)有的需要，因此外部擴(kuò)展一片16 Mb的FLASH SST25VF016B。

2.2 以太網(wǎng)接口模塊

以太網(wǎng)接口是網(wǎng)關(guān)與以太網(wǎng)通信的關(guān)鍵部分，本設(shè)計(jì)中選用的主控芯片LPC1778內(nèi)嵌一個(gè)以太網(wǎng)控制器，通過(guò)擴(kuò)展網(wǎng)卡芯片DP83848C和一個(gè)RJ45接口來(lái)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通訊接口。以太網(wǎng)控制器支持精簡(jiǎn)的媒體獨(dú)立接口RMII，可在半雙工、全雙工模式下提供10M/100Mbps的以太網(wǎng)接入。我們采用RMII協(xié)議方式和MIIM(媒體獨(dú)立接口管理)串行總線(xiàn)、以及MDIO(管理數(shù)據(jù)輸入/輸出)相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)芯片的連接。使用RMII接口方式時(shí)需要接入一個(gè)50 MHz的外部有源晶振。

2.3 數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊

該模塊核心器件為電力線(xiàn)收發(fā)器PL3150。PL3150是Echelon公司生產(chǎn)的基于開(kāi)放性ANSI標(biāo)準(zhǔn)的電力智能收發(fā)器，其可按LonTalk協(xié)議與LonWorks網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。PL3150通過(guò)地址線(xiàn)、數(shù)據(jù)線(xiàn)以及控制信號(hào)線(xiàn)與雙口RAM連接。雙口RAM我們選用IDT71321，其支持總線(xiàn)讀寫(xiě)方式，有2 KB的存儲(chǔ)容量。雙口RAM作為PL3150和ARM之間數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的緩存區(qū)。該設(shè)計(jì)方案可實(shí)現(xiàn)兩模塊之間數(shù)據(jù)的高速、穩(wěn)定、低誤碼率的傳輸。

3 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

3.1 網(wǎng)關(guān)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括2個(gè)主要部分：

1)ARM端軟件設(shè)計(jì)。軟件平臺(tái)由嵌入式μC/OS—II操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)構(gòu)建，并利用LwIP協(xié)議實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，上層的應(yīng)用程序?yàn)閃EB服務(wù)程序以及網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序。

2)PL3150端設(shè)備接口數(shù)據(jù)通信程序。

3.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序

在網(wǎng)關(guān)中最重要的是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換。在LonWorks網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，常采用特定的網(wǎng)絡(luò)變量的形式進(jìn)行。網(wǎng)絡(luò)變量只有數(shù)據(jù)類(lèi)型相同的輸入網(wǎng)絡(luò)變量和輸出網(wǎng)絡(luò)變量才能建立連接。在本網(wǎng)關(guān)工作過(guò)程中，根據(jù)圖2所示的結(jié)構(gòu)原理，當(dāng)下位機(jī)設(shè)備需要向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)信息時(shí)，將會(huì)對(duì)自己的輸出網(wǎng)絡(luò)變量進(jìn)行更新，發(fā)送到LonWorks網(wǎng)絡(luò)上;當(dāng)PL3150監(jiān)測(cè)到這些網(wǎng)絡(luò)變量時(shí)，將對(duì)與之捆綁的輸入網(wǎng)絡(luò)變量進(jìn)行更新并發(fā)送到雙口RAM的數(shù)據(jù)緩沖區(qū);ARM芯片通過(guò)外部總線(xiàn)讀取雙口RAM，其內(nèi)部以太網(wǎng)控制器依據(jù)所使用協(xié)議將數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝，發(fā)送到以太網(wǎng)協(xié)議的應(yīng)用層。相反，當(dāng)上位機(jī)想要對(duì)遠(yuǎn)端現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制時(shí)，也要對(duì)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)變量進(jìn)行更改。

在協(xié)議轉(zhuǎn)換過(guò)程中，雙口RAM作為一個(gè)共享存儲(chǔ)器能夠進(jìn)行雙邊讀寫(xiě)操作。為了避免數(shù)據(jù)信息交換時(shí)的讀寫(xiě)沖突、產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，在讀寫(xiě)操作時(shí)要進(jìn)行控制以進(jìn)行同步訪(fǎng)問(wèn)。本文采用通過(guò)定時(shí)查詢(xún)控制地址的值來(lái)進(jìn)行同步訪(fǎng)問(wèn)操作。將2 KB的雙口RAM劃分為3個(gè)主要部分宋存放不同內(nèi)容：存放ARM對(duì)PL3150的控制信息;存放PL3150向ARM發(fā)送的數(shù)據(jù)信息;控制同步訪(fǎng)問(wèn)信息。

3.3 μC/OS—II操作系統(tǒng)移植

操作系統(tǒng)的加入使得我們的內(nèi)部資源能夠更好的利用。μC/OS—II操作系統(tǒng)是一款開(kāi)源的，針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)內(nèi)核操作系統(tǒng)，可以應(yīng)用于多種類(lèi)型的硬件平臺(tái)。它最近發(fā)布的版本最多可管理多達(dá)256個(gè)任務(wù)。μC/OS—II具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持，并且支持LwIP協(xié)議，為我們的網(wǎng)關(guān)服務(wù)搭建了一個(gè)很好的平臺(tái)。將μC/OS—II操作系統(tǒng)移植到ARM平臺(tái)上，只需處理μC/OS—II與Cortex—M3接口部分，即OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.S、OS_CPU.H這3個(gè)文件。

3.4 網(wǎng)關(guān)通訊協(xié)議TCP/IP實(shí)現(xiàn)

3.4.1 LWIP簡(jiǎn)介

本文的TCP/IP協(xié)議選擇使用LwIP協(xié)議棧來(lái)實(shí)現(xiàn)。LWIP是由瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)研究院Adam Dunkels設(shè)計(jì)的開(kāi)源的嵌入式TCP/IP協(xié)議。它是輕型的TCP/IP協(xié)議棧，適用于資源緊張的嵌入式系統(tǒng)。LwIP既可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以移植到不同的操作系統(tǒng)上。

3.4.2 TCP數(shù)據(jù)處理流程

在我們的應(yīng)用中，使用LwIP的TCP協(xié)議，它屬于傳輸層協(xié)議，雖然相比UDP協(xié)議傳輸速度較慢，但是它為應(yīng)用層提供可靠的字節(jié)流服務(wù)TCP流程如圖4所示，當(dāng)下位機(jī)數(shù)據(jù)信息到達(dá)時(shí)，通過(guò)tcp_write來(lái)構(gòu)造一個(gè)報(bào)文段，之后tcp_output被調(diào)用，同時(shí)與ip_route交互，填寫(xiě)首部中的源IP地址字段，最后通過(guò)ip_output發(fā)送給鏈路層，加上以太網(wǎng)幀頭發(fā)送到以太網(wǎng)中。同理可以得知TCP輸入流程。

3.4.3 LwIP移植

LwIP的移植主要是為了實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)模擬層，它是操作系統(tǒng)和協(xié)議棧的一個(gè)接口，可為進(jìn)程處理同步、消息傳送機(jī)制以及定時(shí)器等操作系統(tǒng)服務(wù)提供統(tǒng)一接口。

移植需要添加以下文件，具體包括：

1)與CPU和編澤器相關(guān)的頭文件。

2)與操作系統(tǒng)相關(guān)的文件。sys_arch.h的內(nèi)容是與操作系統(tǒng)相關(guān)的結(jié)構(gòu)和函數(shù)。此文件中需要實(shí)現(xiàn)4個(gè)函數(shù)：消息函數(shù);數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及信號(hào)函數(shù);系統(tǒng)超時(shí)函數(shù);創(chuàng)立新線(xiàn)程函數(shù)。

3)與網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)相關(guān)的函數(shù)。LwIP源碼提供者將ethernetif.c中的函數(shù)實(shí)現(xiàn)一個(gè)框架形式，用戶(hù)可以根據(jù)這個(gè)框架定制網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)。

3.5 網(wǎng)關(guān)監(jiān)控平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

嵌入式處理器LPC1778在μC/OS—II操作系統(tǒng)平臺(tái)上，利用LwIP協(xié)議的上層協(xié)議HTTP協(xié)議搭建輕型服務(wù)器，提供人性化的操作界面，實(shí)時(shí)監(jiān)控底層數(shù)據(jù)及控制輸出等功能。Web服務(wù)器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)遠(yuǎn)端的瀏覽器發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，HTTP協(xié)議處理程序會(huì)將該請(qǐng)求發(fā)送給Web服務(wù)器處理;而CGI(通用網(wǎng)關(guān)接口)程序作為處理客戶(hù)端Web瀏覽器輸入數(shù)據(jù)的接口規(guī)范，用來(lái)解釋處理表單的輸入信息，并在服務(wù)器產(chǎn)生相應(yīng)的處理，完成客戶(hù)機(jī)與服務(wù)器之間的交互操作功能。

實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1)通過(guò)在μC/OS—II建立相應(yīng)的任務(wù)。當(dāng)任務(wù)建立起來(lái)之后，任務(wù)的調(diào)度就由μC/OS—II的任務(wù)調(diào)度器調(diào)度。μC/OS-II的任務(wù)調(diào)度是搶占式的，所以在設(shè)置任務(wù)優(yōu)先級(jí)的時(shí)候要考慮任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。同時(shí)注意LwIP的初始化要在μC/OS-II完全啟動(dòng)之后。

2)Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)。由于本網(wǎng)關(guān)采用B/S通訊模式，嵌入式ARM則充當(dāng)服務(wù)器，提供網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)信息。B/S模式需要HTTP協(xié)議的支持。它是基于請(qǐng)求/響應(yīng)模式的，并使用TCP作為傳輸層。當(dāng)服務(wù)器運(yùn)行時(shí)，始終在80服務(wù)端口監(jiān)聽(tīng)，等待請(qǐng)求的出現(xiàn)。Web服務(wù)