DeVicoNet的無線節(jié)點(diǎn)適配器設(shè)計
關(guān)鍵詞 Blackfin531 DeviceNet 802.11b 物理層接口 事件驅(qū)動與消息響應(yīng) FPGA
引 言
DeviceNet是一種連接工業(yè)底層控制設(shè)備的開放式網(wǎng)絡(luò)，自1994年提出以來，得到了廣泛的應(yīng)用。然而，組建控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時都面臨著布線的問題，雖然采用以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線相對來說成本低、維護(hù)方便，但在實(shí)際的應(yīng)用中仍然會受到客觀條件的限制，特別是在環(huán)境惡劣的條件下，不能采用布線來解決問題。在這種情況下，將無線技術(shù)引入到工業(yè)控制領(lǐng)域就顯得很有必要了。
基于這一目的，在設(shè)計適配器過程中，以無線局域網(wǎng)協(xié)議IEEE802．1lb為基礎(chǔ)，結(jié)合DevlceNet應(yīng)用層協(xié)議和適用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間通信的通信方式，提出實(shí)現(xiàn)無線功能的DeviceNet從站適配器的設(shè)計方法。
1 DOViceNet總線與IEEE802.11b
1.1 DeviceNet總線
DevlceNet是一種連接工業(yè)底層控制設(shè)備的開放式網(wǎng)絡(luò)，采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，具有低成本、高效率、高可靠性、高性能的特點(diǎn)。它可以提供底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互連的低成本、高效率的解決方案，現(xiàn)場設(shè)備的智能化，主從和對等通信能力。兩個主要的用途為：傳送與現(xiàn)場設(shè)備相關(guān)的控制和狀態(tài)信息：傳送與被控制系統(tǒng)相關(guān)的診斷。配置等其他信息。
1.2 IEEE802.11b
1999年9月，電子和電氣工程師協(xié)會(IEEE)批準(zhǔn)了IEEE 802.11b規(guī)范。此規(guī)范稱為wi—Fi。IEEEE 802.11b定義了用于在共享的無線局域網(wǎng)(WLAN)進(jìn)行通信的物理層和媒體訪問控制(MAC)子層，是目前最流行的WLAN協(xié)議，使用2.4 GHz頻段；最高速率11 Mbps，實(shí)際使用速率根據(jù)距離和信號強(qiáng)度可變(150 m內(nèi)1～2 Mbps，50 m內(nèi)可達(dá)到11 Mbps)，802.11b的較低速率使得無線數(shù)據(jù)網(wǎng)的使用成本能夠被大眾接受(目前接入節(jié)點(diǎn)的成本僅為10～30美元)；具有增強(qiáng)物理層，可以和1 Mbps和2 Mbps的802.11bps DSSS系統(tǒng)互操作；編碼方式采用CCK(Complementary Code Keylng)技術(shù)。
2 系統(tǒng)總體框架和無線從站設(shè)計思路
2.1 無線網(wǎng)絡(luò)總體框架
整個網(wǎng)絡(luò)分為三個部分：組態(tài)軟件(上位機(jī))、主節(jié)點(diǎn)(一般為PLC)和從站。基于無線技術(shù)的DeviceNet網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。其中網(wǎng)絡(luò)組態(tài)軟件包括RockweU公司的RSIinx和RSworks實(shí)時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，并可對主從節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行配置。PC通過無線網(wǎng)卡與各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，在無主節(jié)點(diǎn)的情況下可直接對各從站進(jìn)行直接控制。在通信過程中，各節(jié)點(diǎn)模塊均需要相應(yīng)的接收和發(fā)送模塊。在對主、從節(jié)點(diǎn)之間配置后，可實(shí)現(xiàn)主從的控制過程。
2．2設(shè)計思路
基于802.11b的DeviceNet無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)際上是將原來通過CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的過程交給無線收發(fā)器來完成。這里，網(wǎng)絡(luò)接口采用物理層接口，即指使用無線信道替代通常的有線信道，而物理層以上各層不變。這樣做的最大優(yōu)點(diǎn)是上層的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)及相應(yīng)的驅(qū)動程序可不做任何修改。這種接口方式在使用時一般作為有線網(wǎng)的集線器和無線轉(zhuǎn)發(fā)器，以實(shí)現(xiàn)有線局域網(wǎng)間互連或擴(kuò)大有線局域網(wǎng)的覆蓋面積。無線節(jié)點(diǎn)由適配器和從站構(gòu)成，根據(jù)物理層接口的原理，設(shè)計中無線收發(fā)完成信號的傳輸，而鏈路層的功能交給FPGA完成。
3 從站適配器的設(shè)計
3.1 適配器系統(tǒng)定位
某系列變頻器具備Modbus通信能力，但不具備DeviceNet通信能力。適配器位于從站和DeviceNet網(wǎng)絡(luò)之間，使變頻器能夠運(yùn)行于基于無線技術(shù)的DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上。
3.2硬件設(shè)計
系統(tǒng)使用ADI公司16位定點(diǎn)DSP。Blackfin531。該款芯片可以實(shí)現(xiàn)400 MHz的連續(xù)工作，系統(tǒng)支持片外同、異步存儲器，具有2個雙通道全雙工同步串行接口和1個支持IrDA的通行串行口。其中DeviceNet端口使用FPGA+802.11b無線收發(fā)器與DeviceNet網(wǎng)絡(luò)連接。
802.1lb無線收發(fā)電路主要由MAX2820和MAX2242等組合實(shí)現(xiàn)。MAX2820是單片零中頻收發(fā)器．專為工作在2.4～2.5 GHz ISM(工作/科學(xué)/醫(yī)療)波段的802.11b應(yīng)用而設(shè)計，內(nèi)部包含實(shí)現(xiàn)802.11b射頻到基帶傳輸所需的所有電路，加上功率放大器MAX2242、RF開關(guān)和帶通濾波器等就可以構(gòu)建完整的前端電路。FPGA選用Xilinx公司的XCV50E，硬件電路如圖2所示。
3.3數(shù)據(jù)鏈路層
數(shù)據(jù)鏈路層主要包括邏輯鏈接子層(LLC)和媒體訪問控制子層(MAC)。另外，由于無線網(wǎng)絡(luò)和DeviceNet網(wǎng)絡(luò)頻率有差異，故應(yīng)有頻率轉(zhuǎn)換的功能。
(1)硬件選擇
數(shù)據(jù)鏈路功能由FPGA實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計選用Xilinx公司VirtexE系列系統(tǒng)級XcV50E。其主要資源有71 693個系統(tǒng)門、65 536位塊內(nèi)存和176個用戶I/O口(其中包括83對差分I/o口)。主要特性有：1.8 V超低核心電壓，支持20種高速總線標(biāo)準(zhǔn)，8個全數(shù)字延遲鎖定環(huán)，0.18μm 6層金屬工藝，支持IEEE 1149.1邊界掃描；具有卓越的整體性能和高速特性，是實(shí)現(xiàn)高速系統(tǒng)級設(shè)計的優(yōu)選芯片。
(2)數(shù)據(jù)幀格式和仲裁的實(shí)現(xiàn)
數(shù)據(jù)幀分為長幀結(jié)構(gòu)和短幀結(jié)構(gòu)，前者用于節(jié)點(diǎn)間的報文交換，結(jié)構(gòu)如圖3所示；后者用于仲裁，無數(shù)據(jù)區(qū)。
短幀實(shí)現(xiàn)仲裁正是利用到標(biāo)識符的11位。當(dāng)總線開放時，任何單元均可開始發(fā)送報文。若同時由兩個或者更多的單元開始發(fā)送，總線訪問沖突運(yùn)用逐位仲裁規(guī)則，借助標(biāo)識符ID解決。這種仲裁規(guī)則可以使信息和時間均無損失。標(biāo)識符包含兩個具體含義：一是在報文交換時，代表邊接的生產(chǎn)者/消費(fèi)者關(guān)系；二是代表報文本身的優(yōu)先級(越小優(yōu)先級越高)。無線網(wǎng)絡(luò)中最大節(jié)點(diǎn)數(shù)為64，掃描器(主站)地址定義為O，仲裁的過程如圖4所示。
3.4 應(yīng)用層設(shè)計
本節(jié)從對象建模與尋址、事件驅(qū)動與消息響應(yīng)兩個方面，簡要介紹無線從節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層設(shè)計。
(1)對象建模與尋址
本設(shè)計對適配器建立圖5所示的對象關(guān)系。圖5中可以看出，適配器包含10個對象，其中4個為DeviceNet節(jié)點(diǎn)必須包含的對象，5個與應(yīng)用相關(guān)的對象，1個組裝對象。DeviceNet應(yīng)用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)，將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)抽象為若干個對象類的集合，每個對象有特定的功能，具有自己的屬性和服務(wù)，表現(xiàn)出一定的行為。網(wǎng)絡(luò)尋址的過程是：根據(jù)節(jié)點(diǎn)的MACID值確定當(dāng)前被訪問的設(shè)備，并由對象、實(shí)例、屬性為路徑定位具體的操作。
（2）事件驅(qū)動與消息響應(yīng)
事件是指改變系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行流程的系統(tǒng)外部或內(nèi)部的變化，消息是表示事件是否發(fā)生的標(biāo)志。當(dāng)系統(tǒng)一有事件發(fā)生，系統(tǒng)并不立即處理，而是發(fā)送一個事件對應(yīng)的消息，系統(tǒng)的后臺不停地捕捉消息。根據(jù)收到的消息執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。這樣盡管系統(tǒng)事件的觸發(fā)是隨機(jī)、分散的，但是事件的處理是集中的，程序思路清晰，管理簡單。圖6是基于這種思想的軟件結(jié)構(gòu)。
適配器采用這種程序組織思路，定義了十多個事件。將這些事件分為6類，即故障事件、DeviceNet事件、Modbus事件、RS232事件、定時器事件、設(shè)備更新事件和空閑事件，每一類事件中又包含若干個子事件。利用全局變量Global_Event來定義各事件的優(yōu)先級，優(yōu)先級高的事件先處理，優(yōu)先級低的事件后處理。
4 總 結(jié)
本設(shè)計將無線技術(shù)應(yīng)用于DevieNet網(wǎng)絡(luò)的從站適配器的設(shè)計中，使得無線領(lǐng)域的發(fā)展惠及傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域。其主要特點(diǎn)為：物理層使用了802.11b協(xié)議通信，傳送距離遠(yuǎn)，突破了傳統(tǒng)的鋪線環(huán)節(jié)的局限性；利用FPGA實(shí)現(xiàn)鏈路層功能，而對象建模和事件驅(qū)動與消息響應(yīng)則是協(xié)議軟件設(shè)計中的重點(diǎn)。總之，基于無線技術(shù)是當(dāng)前總線技術(shù)領(lǐng)域中研究的重要方向，而802.11b具備應(yīng)用廣泛、價格低廉的特點(diǎn)，成為其中的熱點(diǎn)。
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