基于Lonworks總線的嵌入式智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

1 前言

LONWorks現(xiàn)場總線是美國Echelon公司推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)，它具有統(tǒng)一性、開放性、互操作性及支持多種通信介質(zhì)等優(yōu)良性能,是當(dāng)今最流行的現(xiàn)場總線之一。但是由于LonWorks控制節(jié)點(diǎn)的核心神經(jīng)元芯片(Neuron Chip)的應(yīng)用處理能力相對(duì)較弱，因而對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)用常使用主從處理器結(jié)構(gòu)，主處理器完成用戶的應(yīng)用功能，而把Neuron芯片作為通信協(xié)處理器。由于可以提高了節(jié)點(diǎn)的處理能力，節(jié)省資金和開發(fā)時(shí)間，因此，具有多功能的通用嵌入式主處理器具有很好的應(yīng)用前景。本文采用的MSP430F149主處理器是 TI公司基具有較高的集成度的芯片,簡化了應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì),適合作為多用途智能節(jié)點(diǎn)。

2 ShortSTack的介紹和實(shí)現(xiàn)

2.1 ShortStack的結(jié)構(gòu)

ShortStack微服務(wù)器是Echelon公司提供的一套開發(fā)包，其結(jié)構(gòu)圖如下：

由圖可看到，主處理器與ShortStack 微服務(wù)器通信通過ShortStack API函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，通常使用其中的5 個(gè)，lonInit()，lonEventHandler()，lonPropagateNv()，lonPollNv()和 lonsendServicePin()。ShortStack Micro Server,運(yùn)行ShortStack固件，運(yùn)行LonTalk協(xié)議的1～6層;主處理器運(yùn)行SCI串口驅(qū)動(dòng)程序，運(yùn)行ShortStack API函數(shù)，處理與Lonworks其他節(jié)點(diǎn)通信;主處理器應(yīng)用部分調(diào)用ShortStack API函數(shù)。主處理器設(shè)備的接口支持文件，由Neuron C model file 通過使用ShortStack向?qū)懋a(chǎn)生，產(chǎn)生數(shù)據(jù)表定義網(wǎng)絡(luò)變量和收發(fā)器參數(shù)。而Model file只需要聲明網(wǎng)絡(luò)變量NVs，配置屬性CPs和功能模塊FBs，因此，可以不需要熟悉Neuron C。

串行驅(qū)動(dòng)程序?yàn)橹魈幚砥骱蛷奶幚砥髦g提供一個(gè)獨(dú)立的接口。整個(gè)串行驅(qū)動(dòng)程序由兩部分構(gòu)成：上層驅(qū)動(dòng)程序?yàn)橹鲬?yīng)用程序提供一個(gè)接口;底層驅(qū)動(dòng)程序完成與神經(jīng)元芯片的硬件接口。上層和底層驅(qū)動(dòng)之間的數(shù)據(jù)交換通過緩沖隊(duì)列完成。底層驅(qū)動(dòng)程序與從處理器的通訊包括SCI上傳和SCI下傳兩類，SCI上傳是數(shù)據(jù)由神經(jīng)元芯片上傳到主處理器;SCI下傳是數(shù)據(jù)由主處理器下傳到神經(jīng)元芯片。

2.2 ShortStack的軟件實(shí)現(xiàn)

采用提供的Neuron C模板事例修改編寫。主要修改ldvsci.h和ldvsci.c中與MSP430F149處理器相關(guān)的語句。

在ldvsci.h中，修改為：

#define ENABLE_RX_TX() (ME1 | = UTXE0+URXE0)

#define ENABLE_TX_ISR() (IE1 |= 0x80)

#define ENABLE_TX_COMPLETE_ISR() (IFG1|=0x80) //USART0發(fā)送標(biāo)志

#define ENABLE_RX_ISR() (IE1|= 0x40) //enable SCI receive interrupt

#define DISABLE_TX_ISR() (IE1 &= ~0x80)

#define DISABLE_TX_COMPLETE_ISR() (IFG1 &= ~0x80) // USART0發(fā)送標(biāo)志復(fù)位

#define DISABLE_RX_ISR() (IE1 &= ~0x40)

#define CHECK_RTS() (P2OUT& 0x02) // check RTS

#define CHECK_CTS() (P2IN& 0x01) // check CTS

#define ASSERT_RTS() (P2OUT &= ~0x02) // assert RTS

#define DEASSERT_RTS() (P2OUT|= 0x01) // deassert RTS

#define DEASSERT_HRDY() (P2OUT |= 0x04) // deassert _HRDY

#define ASSERT_HRDY() (P2OUT &= ~0x04) // assert _HRDY

在ldvsci.h中，修改了void SysResetSCI(void) ，void SysInit(void)，

void SysUpdateWDT(void)， @interrupt void RxInt (void)以及@interrupt void TxInt (void)中與MSP430F149相關(guān)的程序。

其他文件做少許改變，其中platform.h定義了BIG_ENDIAN and LITTLE_ENDIAN的區(qū)別，對(duì)應(yīng)于哈佛結(jié)構(gòu)和馮.諾伊曼體系結(jié)構(gòu)。由于MSP430F149核是馮.諾伊曼體系結(jié)構(gòu)的，所以ShortStack 需用LITTLE_ENDIAN(即高字節(jié)存在高位地址)。

2.3 ShortStack的硬件件實(shí)現(xiàn)

從處理器(如圖2)采用TP/FT-10F控制模塊，該模塊由微型電路板構(gòu)成, 包括一個(gè)3150 芯片、一塊閃存、一個(gè)通信收發(fā)器、電源連接器、I/O 口和網(wǎng)絡(luò)接口, 其中IO_0～I(xiàn)O_10 為神經(jīng)元芯片3150 的11 個(gè)I/O 管腳用于對(duì)控制設(shè)備的連接, DataA 和DataB 是FTT- 10收發(fā)器與網(wǎng)絡(luò)的連接口，它能夠?qū)⒅魈幚砥鹘?jīng)過處理輸出的數(shù)據(jù)發(fā)送到LON 總線，也可以將LON 總線上的消息傳送給主處理器。

主處理器與神經(jīng)元芯片之間的通信采用SCI模式。SCI接口是一個(gè)半雙工串行異步通信接口，通信的格式是：一個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位和一個(gè)停止位(LSB在先)。通信模式的選擇由IO3確定，IO3接地選擇SCI通信模式。IO5、IO6則用來選擇通訊速率。

3 μcos_Ⅱ的移植

μcos_Ⅱ的全部源代碼，共16個(gè)文件。移植工作涉及的源文件分為三部分：與處理器無關(guān)的代碼部分，這部分代碼完成操作系統(tǒng)的基本功能，包括10個(gè)文件，即：OS_CORE.C，OS_MBOX.C，OS_MEM.C，OS_Q.C，OS_SEM .C，OS_TASK.C，OS_TIME.C.OS_FLAG.C，OS MUTEX.C，uCOS_II.H。設(shè)置代碼部分，包括OS—CFG.H 和INCLUDES.H 兩個(gè)頭文件，用來進(jìn)行操作系統(tǒng)配置。

最主要的部分是與處理器有關(guān)部分的代碼，包括一個(gè)頭文件OS_CPU.H、一個(gè)C代碼文件 OS_CPU_C.C 及一個(gè)匯編文件OS_CPU_A.ASM，將其移植到MSP430F149處理器上，需要修改這3個(gè)與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件，代碼量大約是500行。下面分別介紹這3個(gè)文件的移植。

OS_CPU.H這部分代碼包括數(shù)據(jù)類型定義、堆棧單位定義、堆棧增長方向定義、關(guān)中斷和開中斷的宏定義以及進(jìn)行任務(wù)切換的宏定義等。其中，為了在不同的工作模式下調(diào)用系統(tǒng)的底層接口函數(shù)不受訪問權(quán)限的限制，使用軟中斷SWI。堆棧的單位與CPU的寄存器長度一致，結(jié)構(gòu)常量OS_STK_GROWTH置1，表示堆棧從由高地址向低地址增長。

OS_CPU_C.C要求編寫六個(gè)簡單的c函數(shù)：OSTaskSiklnit();OSTaskCreateHook();OSTaskDelHook();OSTaskSwHook();OSTaskStatHook();OSTimeTickHook() 唯一必要的函數(shù)是OSTaskStklnit()，其它五個(gè)函數(shù)必須聲明但沒必要包含。對(duì)于OSTaskStklnit()而言，OSTaskCreate()和OSTaskCreateExt()通過調(diào)用OSTaskStkInit()來初始化任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)，OSTaskStkInit()返回堆棧指針?biāo)傅牡刂?，OSTaskCreate()會(huì)獲得該地址并將它保存到任務(wù)控制塊(OS TCB)中。

CPU_ A.ASM要求編寫四個(gè)簡單的匯編語言函數(shù)：OSStartHighRdy();OSCtxSw();[!--empirenews.page--]

OSIntCtxSw();OSTickISR()。將所有與處理器相關(guān)的代碼放到OS_CPU_C.C文件中，而不必放在一些分散的匯編語言文件中。

(1)OSStartHighRdy()：運(yùn)行高優(yōu)先級(jí)就緒任務(wù)函數(shù) OSStartHighRdy()必須調(diào)用OSTaskSwHook()，因?yàn)镺STaskSwHook()可以通過檢查OSRunning而確定是 OSStartHighRdy()在調(diào)用它(OSRunning為FALSE)還是正常的任務(wù)切換在調(diào)用它(OSRunning為TRUE)。 OSStartHighRdy()還必須在最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)恢復(fù)之前和調(diào)用OSTaskSwHook()之后設(shè)置OSRunning為TRUE。

(2)OSCtxSw()、OSIntCtxSw()：上下文切換函數(shù)任務(wù)級(jí)的切換是通過發(fā)軟中斷命令來完成的，其中斷向量地址必須指向OSCtxSw()。中斷級(jí)的切換由OSIntExit()通過調(diào)用OSintCtxSw()來執(zhí)行切換功能。

(3)OSTickISR()：定時(shí)中斷函數(shù)OSTickISR()函數(shù)主要負(fù)責(zé)進(jìn)人中斷時(shí)保存處理器寄存器內(nèi)容，完成任務(wù)切換退出時(shí)恢復(fù)處理器寄存器內(nèi)容并返回，相當(dāng)于中斷服務(wù)程序的入口。

4 μc/os_Ⅱ與ShortStack的結(jié)合

因?yàn)?mu;c/os_Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)代碼和ShortStack應(yīng)用程序代碼的固有的特征，兩者可以有機(jī)的結(jié)合在一起。μcos_Ⅱ由系統(tǒng)服務(wù)，如郵箱、內(nèi)存管理、消息隊(duì)列、信號(hào)量管理等，對(duì)于這些服務(wù)是在OS_CFG.h定義了的，當(dāng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要使用這些服務(wù)時(shí)只需要將定義的值改為1即可。將ShortStack應(yīng)用程序中的常量定義全部放在OS_CFG.h中。這樣可以同時(shí)對(duì)操作系統(tǒng)各種服務(wù)函數(shù)和 ShortStack 的API和APP函數(shù)實(shí)現(xiàn)了裁減。

將ShortStack應(yīng)用程序當(dāng)作μcos_Ⅱ操作系統(tǒng)的一個(gè)任務(wù)運(yùn)行。先定義堆棧，以便保存本任務(wù)在任務(wù)切換時(shí)單片機(jī)的寄存器的當(dāng)前值，當(dāng)μcos_Ⅱ下次調(diào)度到該任務(wù)運(yùn)行時(shí)就可以從堆?；謴?fù)CPU的值，從而該任務(wù)繼續(xù)運(yùn)行。程序如下：

OS_STK TaskStartStk[TASK_STK_SIZE]; //任務(wù)Task1的任務(wù)堆棧

OS_STK ShortStackStk[TASK_STK_SIZE]; //ShortStack的任務(wù)堆棧

…　　//其他任務(wù)堆棧

Void main(void)

{

OSInit();

OSTaskCreat(Task1，(void *)0,& TaskStartStk[TASK_STK_SIZE-1],0);

OSTaskCreat(ShortStack，(void *)0,& ShortStackStk[0],2);

…　　//創(chuàng)建其他任務(wù)

OSStart();

return 0;

}

void ShortStack(void)

{

lonInit();

for(; ; )

{

lonEventHandler();//周期性調(diào)用檢查是否有任何LonWorks事件要處理

}

}

由于μc/os_Ⅱ操作系統(tǒng)沒有任何的硬件驅(qū)動(dòng)，所以用戶自己將ShortStack串口驅(qū)動(dòng)、輸入輸出隊(duì)列操作部分?jǐn)U展為該操作系統(tǒng)的一部分。此外，系統(tǒng)可以添加其他特定的任務(wù)，通過系統(tǒng)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的合理利用，增加節(jié)點(diǎn)的實(shí)用性。如圖4所示。

最后，將帶有TP/FT-10F控制模塊的MSP430F149芯片接入Gizmo4開發(fā)板，通過Nodebuilder開發(fā)工具編譯，進(jìn)入調(diào)試界面，利用LonMaker連接為兩節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，測試兩節(jié)點(diǎn)是否通訊。

5 結(jié)束語

MSP430F149是16bit的RISC微處理器，該處理器特別適用于手持式設(shè)備以及高性價(jià)比、低功耗的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它集成了中斷控制、功率控制、存儲(chǔ)控制、UART、PWM、ADC等豐富的資源。由于工業(yè)、家庭網(wǎng)絡(luò)化的需求，以及 LonWorks總線便捷的入網(wǎng)方式，可以使該多用途智能節(jié)點(diǎn)分散自制，每個(gè)節(jié)點(diǎn)一方面分散地解決其特定的任務(wù)，另一方面通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通訊，解決節(jié)點(diǎn)之間的信息傳輸，實(shí)現(xiàn)分散基礎(chǔ)上的融合。上位機(jī)要完成對(duì)LON 網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控與管理功能，二者之間必須能進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換。LON 總線技術(shù)還提供了DDE Server 軟件。DDE Server 能夠?qū)崿F(xiàn)LON網(wǎng)絡(luò)和任何具有DDE 功能的Windows 應(yīng)用程序間交換網(wǎng)絡(luò)變量和信息。系統(tǒng)提供給用戶一個(gè)十分友好的人機(jī)界面，用戶可通過上位機(jī)設(shè)置各節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況以及歷史運(yùn)行記錄、打印等。