基于Linux的現(xiàn)場總線無線通信卡的實(shí)現(xiàn)

1.引言

　　使用無線連接設(shè)備的便利已經(jīng)導(dǎo)致了在消費(fèi)電子（商業(yè)）領(lǐng)域中無線技術(shù)被空前成功的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上基于無線技術(shù)的應(yīng)用開始出現(xiàn)在各個(gè)領(lǐng)域。在工業(yè)或工廠底層環(huán)境中，使用無線技術(shù)的優(yōu)勢更是多方面的。

　　第一，在工業(yè)環(huán)境中往往需要大量的布線，采用無線技術(shù)不僅會(huì)使安裝和維護(hù)的成本有效減少，而且會(huì)使設(shè)備的調(diào)整規(guī)劃和重新配置更加的容易。

　　第二，無線技術(shù)的引入對于解決在有化學(xué)腐蝕、震動(dòng)和移動(dòng)部件等惡劣環(huán)境中對各種線纜的潛在損傷等問題顯得更加有效。

　　第三，考慮到工廠設(shè)備中適應(yīng)性和靈活性，固定系統(tǒng)可以通過無線技術(shù)和現(xiàn)有的移動(dòng)子系統(tǒng)或移動(dòng)機(jī)器人連接通信。

　　第四，對在工廠設(shè)備進(jìn)行臨時(shí)訪問任務(wù)（如診斷或程序設(shè)計(jì)等）使用無線技術(shù)會(huì)更加簡化（如使用無線手持設(shè)備）。

　　在解決工業(yè)環(huán)境及過程控制環(huán)境下的許多移動(dòng)對象，如移動(dòng)機(jī)器人與自治運(yùn)輸設(shè)備之間的協(xié)調(diào);旋轉(zhuǎn)對象，如機(jī)械臂;危險(xiǎn)環(huán)境對象的監(jiān)測與控制問題，如分布式控制等工業(yè)環(huán)境無線技術(shù)發(fā)揮極大的作用。將無線技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)場總線中來解決傳統(tǒng)現(xiàn)場總線存在的問題，正受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大關(guān)注。

2.現(xiàn)場總線的無線接入方法

　　為了使無線技術(shù)能夠無縫而更廣泛地應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，使現(xiàn)場設(shè)備無線接入到現(xiàn)存的現(xiàn)場總線，國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)行了一定的嘗試。按在不同層上實(shí)現(xiàn)接入可以將接入方案分為三大類：用戶層接入、數(shù)據(jù)鏈路層接入和物理層接入。

　?。?）用戶層接入：在用戶層設(shè)一個(gè)OPC服務(wù)器,通過OPC服務(wù)器進(jìn)行有線網(wǎng)段與無線網(wǎng)段之間的數(shù)據(jù)交換。該方案其優(yōu)點(diǎn)是簡單易實(shí)現(xiàn),雙方可保持原有結(jié)構(gòu)不動(dòng),兩側(cè)的“連接”可隨時(shí)通過軟件的控制建立或分離。缺點(diǎn)是中間環(huán)節(jié)太多,實(shí)時(shí)性得不到保證。

　　（2）物理層的接入：在某些站點(diǎn)的有線連接“下”面加裝Modem。無線站點(diǎn)的信號經(jīng)過此無線收發(fā)裝置將幀格式轉(zhuǎn)換后,聯(lián)入有線網(wǎng)段接口,因此遠(yuǎn)端的無線站點(diǎn)被“視為”同質(zhì)站點(diǎn)。這樣,所有的有線、無線站點(diǎn)均采用原有現(xiàn)場總線協(xié)議,只是在最底層的某些物理連接上,無線連接代替了有線的連接。其缺點(diǎn)是此方法僅實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對點(diǎn)的連接,無線站點(diǎn)不具有“漫游接入”的能力。

　?。?）數(shù)據(jù)鏈路層的接入：此方法源自WLAN和以太網(wǎng)的聯(lián)接方式,即在PHY層和DDL層之上加一個(gè)無線網(wǎng)關(guān)。該無線網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了無線網(wǎng)段數(shù)據(jù)與有線網(wǎng)段之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)發(fā)。原有的現(xiàn)場總線保持不動(dòng),加裝一個(gè)無線網(wǎng)段的AP接入點(diǎn)。當(dāng)兩網(wǎng)段間有數(shù)據(jù)交換時(shí),才會(huì)通過AP點(diǎn)經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到另一端。

　　數(shù)據(jù)鏈路層的接入是現(xiàn)階段最被關(guān)注的方法。其具體實(shí)現(xiàn)方法較多，但大多處于理論研究階段或需要對原有的現(xiàn)場總線進(jìn)行改造，而工業(yè)廠家又不想使現(xiàn)正運(yùn)行的現(xiàn)場總線暫停工作。這使得現(xiàn)階段的一些其無線接入技術(shù)在現(xiàn)場總線中應(yīng)用變得困難。為了使無線現(xiàn)場設(shè)備能夠應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，又不改動(dòng)現(xiàn)有的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，目前較成熟的技術(shù)就是使用無線分散控制站來與原有的現(xiàn)場總線連接，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的無線接入。無線分散控制站一般由IO模塊控制卡、無線通信卡兩部分組成。兩塊板卡通過IO模塊控制卡上的雙端口RAM交換數(shù)據(jù)，通過中斷觸發(fā)數(shù)據(jù)讀寫操作，從而達(dá)到通信效果。其關(guān)鍵技術(shù)就是如何實(shí)現(xiàn)無線通信卡的軟件設(shè)計(jì)。

3.基于Linux的無線通信卡

　　在無線分散控制站中無線通信卡使用AT91RM9200控制器并通過USB接口加載符合802.11b協(xié)議的無線傳輸模塊，其操作系統(tǒng)為Linux系統(tǒng)。

3.1基于Linux的無線通信卡的工作原理

　　無線通信卡運(yùn)行著現(xiàn)場總線協(xié)議棧和功能塊（MAI，MAO，MDI，MDO）等。根據(jù)所接入的現(xiàn)場總線的不同選用相應(yīng)的協(xié)議棧。使用向IO模塊控制卡發(fā)中斷及響應(yīng)IO模塊控制卡中斷的方式，通過IO模塊控制卡來配置、讀取和控制現(xiàn)場設(shè)備。無線通信卡與IO模塊控制卡之間數(shù)據(jù)傳輸是直接通過讀寫IO模塊控制卡上的雙端口RAM實(shí)現(xiàn)的。另一方面，無線通信卡通過其上面的USB接口加載了符合802.11b協(xié)議的無線傳輸模塊，能夠通過該模塊實(shí)現(xiàn)與有線網(wǎng)絡(luò)相連，使其與相應(yīng)的現(xiàn)場總線工作站通信，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-1所示：

圖3-1無線通信卡的結(jié)構(gòu)示意圖[!--empirenews.page--]

3.2基于Linux的無線通信卡的軟件設(shè)計(jì)

　　無線分散控制站中無線通信卡軟件開發(fā)基于Linux操作系統(tǒng)。由于Linux系統(tǒng)基于802.11b協(xié)議的無線驅(qū)動(dòng)已經(jīng)很成熟了，而基于Linux操作系統(tǒng)的協(xié)議棧軟件移植也比較容易。因此，選擇Linux系統(tǒng)會(huì)有效的提高無線通信卡的開發(fā)周期。

　　基于Linux的無線通信卡與有線的通信卡在協(xié)議棧和功能塊方面大致相同，僅需將應(yīng)用程序向Linux系統(tǒng)上移植即可。但由于采用了Linux系統(tǒng)在與IO模塊控制卡通信的實(shí)現(xiàn)上就相對比較復(fù)雜了。與IO模塊控制卡通信的程序流程圖如下圖3-2所示：

圖3-2 與IO模塊控制卡通信的程序流程圖

3.3軟件實(shí)現(xiàn)中關(guān)鍵性問題的解決

　　在Linux操作系統(tǒng)下對于中斷及其它系統(tǒng)資源的操作有特定的規(guī)范，如內(nèi)核模式操作和用戶模式操作具有不同操作權(quán)限，內(nèi)核空間與用戶空間也不能隨意互訪。導(dǎo)致如協(xié)議棧無法直接對雙端口RAM進(jìn)行讀寫，也無法直接向I/O模塊控制卡收發(fā)中斷，在Linux系統(tǒng)下，只有在內(nèi)核模式下才可以做到。那么，怎么樣將數(shù)據(jù)寫入到雙端口RAM中，然后發(fā)送中斷信號通知對方及如何響應(yīng)對方的中斷并從雙端口RAM中讀數(shù)是軟件實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵性問題。

3.3.1發(fā)中斷與注冊中斷處理程序的實(shí)現(xiàn)

　　由于發(fā)中斷與注冊中斷處理程序是對硬件直接操作，在Linux系統(tǒng)下用戶程序無法直接對其硬件進(jìn)行操作。因此，必須編寫相應(yīng)的內(nèi)核模塊，在內(nèi)核模塊中完成發(fā)中斷與注冊中斷處理程序的操作。在用戶程序中動(dòng)態(tài)加載相應(yīng)內(nèi)核模塊來達(dá)到用戶程序發(fā)中斷與注冊中斷處理程序的效果。其注冊中斷處理程序的內(nèi)核模塊關(guān)鍵性代碼如下：

　　int init_module（void） //中斷注冊模塊初始化

　?。?…… /＊ 初始化設(shè)置 ＊/

　　AT91_SYS->AIC_SMR[25]|=0X20; //設(shè)置中斷下跳沿觸發(fā)

　　if （request_irq（n, interrupt_program, INTERRUPT," IRQ1",NULL））

　　// 請求分配中斷號為n的快速中斷處理

　　// interrupt_program為指向處理這個(gè)中斷的中斷處理程序的指針

　?。?……/＊沒有申請成功 根據(jù)返回值進(jìn)行出錯(cuò)處理 ＊ / ｝

　　else

　?。?printk（"<1> 注冊中斷成功 ! n"）;

　　return 0;｝

　　init_waitqueue_head（&my_queue）;

　?。?/p>

　　void cleanup_module（void）

　　｛ …… /＊ 釋放資源 ＊/

　　free_irq（n,NULL）; //釋放中斷線n

　?。?/p>

　　在用戶程序中發(fā)中斷時(shí)，通過調(diào)用system（send_riq）來動(dòng)態(tài)執(zhí)行內(nèi)核模塊程序來控制發(fā)送中斷的管腳的信號，從而實(shí)現(xiàn)在用戶程序發(fā)中斷的效果。其發(fā)中斷的內(nèi)核模塊關(guān)鍵性代碼如下：

　　AT91_SYS->PIOC_PER |= AT91C_PIO_PC15;//設(shè)置PC15IO使能

　　AT91_SYS->PIOC_OER |= AT91C_PIO_PC15;//設(shè)置PC15輸出使能

　　//發(fā)送一個(gè)方波中斷信號

　　AT91_SYS->PIOC_CODR |= AT91C_PIO_PC15;

　　for（i=1;i

　　AT91_SYS->PIOC_SODR |= AT91C_PIO_PC15;

3.3.2雙端口RAM驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

　　由于用戶程序不能直接對雙端口RAM進(jìn)行讀寫，因此必須根據(jù)用戶程序的需要編寫雙端口RAM的驅(qū)動(dòng)，以內(nèi)核模塊的形式動(dòng)態(tài)加載到系統(tǒng)中去。Linux系統(tǒng)將所有設(shè)備都看做是文件,對設(shè)備的讀寫相當(dāng)于對文件的讀寫。雙端口RAM驅(qū)動(dòng)模塊加載后，用戶程序就可以像讀寫文件一樣，間接的對雙端口RAM進(jìn)行讀寫了。其雙端口RAM驅(qū)動(dòng)模塊的主要實(shí)現(xiàn)過程如下：

　　static int write_dpram（struct file ＊file, const char ＊buf, u32 count, loff_t ＊f_pos）

　?。?…… /＊ 寫初始化 ＊/

　　copy_from_user（wMessage,buf,count）;

　　…… /＊ 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 ＊/

　　for （i=0;i

　?。?writeb（wMessage[i], base+wadd）;

　　wadd++; ｝

　　…… /＊向IO模塊控制卡發(fā)中斷信號＊/

　?。?/p>

　　static int read_dpram（struct file ＊file,char ＊buf,u32 count,loff_t ＊f_pos）

　　｛ …… /＊讀函數(shù)則調(diào)用相應(yīng)的readb（ ）和copy_to_user（ ）函數(shù)，與寫函數(shù)同理＊/｝

　　static int open_dpram（struct inode ＊inode,struct file ＊file ）

　　｛ …… /＊初始化＊/

　　if （!request_mem_region（AT91_DPRAM,BUF_LEN＊sizeof（u8）,DEVICE_NAME））

　?。?…… /＊未申請到該內(nèi)存空間時(shí)進(jìn)行相應(yīng)處理＊/｝ //申請使用內(nèi)存空間

　　base =ioremap（AT91_DPRAM,BUF_LEN＊sizeof（u8））;//為設(shè)備內(nèi)存區(qū)域分配虛擬地址

　　…… /＊ 設(shè)置DPRAM讀寫時(shí)序＊/

　　｝

　　static int release_dpram（struct inode ＊inode,struct file ＊file ）

　?。?…… /＊ 釋放相應(yīng)資iounmap（ ）和release_mem_region（）;｝

　　以上為DPRAM設(shè)備驅(qū)動(dòng)的打開、讀寫、關(guān)閉函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，然后通過以下標(biāo)記化結(jié)構(gòu)將其驅(qū)動(dòng)的功能映射到前面的具體實(shí)現(xiàn)函數(shù)上：

　　static struct file_operations test_fops = ｛

　　read:read_dpram,

　　write:write_dpram,

　　open: open_dpram,

　　release:release_dpram

　　｝;[!--empirenews.page--]

　　另外，在驅(qū)動(dòng)程序初始化時(shí)必須通過register_chrdev（ ）注冊。在加載該驅(qū)動(dòng)前要使用system（"mknod /dev/設(shè)備名 c 主設(shè)備號 次設(shè)備號"）創(chuàng)建設(shè)備文件并為該設(shè)備分配設(shè)備號。該雙端口RAM驅(qū)動(dòng)是通用的，無論什么功能的板卡上面有雙端口RAM并且是基于Linux的系統(tǒng)的都可以使用該驅(qū)動(dòng)。

4. 測試

　　為了測試該無線通信卡的性能，該測試選用了符合EPA（Ethernet for Plant Automation）標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)進(jìn)行無線擴(kuò)展。EPA是我國第一個(gè)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。所搭建的測試系統(tǒng)基本和有線EPA演示系統(tǒng)一致。包括一個(gè)EPA無線現(xiàn)場設(shè)備B（包括EPA無線通信卡和IO模塊控制卡）和一個(gè)EPA無線接入網(wǎng)橋、一臺PC機(jī)及一個(gè)燈箱，如圖4-1所示。燈箱中的溫度傳感器與AI模塊相連，將溫度值傳遞給AI模塊，并通過設(shè)備A發(fā)送到以太網(wǎng)上。設(shè)備B接收到此溫度值后，將其與額定溫度值相比較，如果低于額定溫度值，則通過AO模塊輸出電流來控制燈箱內(nèi)燈泡加熱;如果高于額定溫度值，則中斷AO模塊的輸出電流，切斷燈泡的電流輸入，使燈箱內(nèi)的溫度下降，從而達(dá)到保持燈箱內(nèi)溫度恒定的目的。

圖4-1測試系統(tǒng)示意圖

　　實(shí)驗(yàn)證明，無線通信卡與IO模塊控制卡之間數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，這個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的通信要求。同時(shí)，并沒有改變和影響原來的有線現(xiàn)場總線的正常工作。

5.小結(jié)

　　通過使用無線分散控制站和無線網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場總線的無線接入，目前是比較穩(wěn)定、便捷的無限擴(kuò)展方法。本文提出的無線分散控制站中無線通信卡的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法是一個(gè)通用的快捷開發(fā)方案。無線技術(shù)給工業(yè)帶來很多益處如減少設(shè)備配置和安裝時(shí)間。市場也提供了較成熟的無線技術(shù)如IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn), IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)和藍(lán)牙技術(shù)。但在工業(yè)現(xiàn)場無線技術(shù)仍不能被廣泛使用。原因之一是無線信道的實(shí)時(shí)性和出錯(cuò)率達(dá)不到要求。隨著合適的協(xié)議機(jī)制和傳輸調(diào)度的設(shè)計(jì)，并細(xì)致結(jié)合這些方案，無線技術(shù)必將會(huì)在工業(yè)現(xiàn)場總線中得到廣泛使用。