嵌入式LonW orks網(wǎng)絡智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計

曾夢秋，吳 丹，陸 鋒，陳 瀟，凌 路，葉永強

（南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 210016）

LonWorks技術(shù)是美國Echelon公司于90年代初推出的一種現(xiàn)代總線技術(shù)，它具有開放性、高速性和互操作性而已被各行業(yè)廣泛使用[1]。而LonWorks設(shè)備往往工作環(huán)境惡劣，其自身各部分與周圍其他電子設(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)定運行有著重大的意義。

LonWorks設(shè)備運行過程中涉及的參數(shù)眾多，控制策略復雜，為了解決其現(xiàn)場遠程監(jiān)控的需要，有必要開發(fā)出一款自動化程度高的智能網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)Lonworks協(xié)議和TCP/IP協(xié)議的轉(zhuǎn)換，將Lon網(wǎng)和以太網(wǎng)互連，從而達到對遠方的LonWorks設(shè)備運行集中的、遠程的監(jiān)控的目的。

而傳統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)基本采用16位單片機來實現(xiàn)，受限于其運算能力低、存儲空間小的特點，而不能夠適用于多任務、實時性高的應用環(huán)境。本文設(shè)計的設(shè)計的一款嵌入式LonWorks網(wǎng)絡智能網(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)，具有能夠滿足多任務、實時性、快速性高等復雜監(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，下位機設(shè)備將收集到的監(jiān)控參數(shù)通過電力線上傳至智能網(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)置服務器；遠端的監(jiān)視器作為嵌入式智能網(wǎng)關(guān)的人機界面互動平臺將遠程指令發(fā)送到智能網(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)通過電力線下傳至下位機設(shè)備，下位機設(shè)備根據(jù)電力線通訊協(xié)議接收相應的遠程指令，并完成相應的遠程控制。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of system

2 硬件設(shè)計

硬件平臺由3個部分組成，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。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of hardwave system

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

該模塊是整個系統(tǒng)的核心，其不僅包括網(wǎng)絡協(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 LPC1778，其片上資源包括512 Kb的FLASH存儲器、高達64 Kb的SRAM，系統(tǒng)時鐘頻率可高達120MHz，同時可內(nèi)嵌操作系統(tǒng)。LPC1778內(nèi)置外部總線控制器，通過總線方式讀寫雙口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服務器的架構(gòu)需要大容量的存儲器，片上資源已不能夠滿足現(xiàn)有的需要，因此外部擴展一片16Mb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)計中選用的主控芯片LPC1778內(nèi)嵌一個以太網(wǎng)控制器，通過擴展網(wǎng)卡芯片DP83848C和一個RJ45接口來實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊接口。以太網(wǎng)控制器支持精簡的媒體獨立接口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（媒體獨立接口管理）串行總線、以及MDIO（管理數(shù)據(jù)輸入/輸出）相結(jié)合的方式來實現(xiàn)與網(wǎng)絡芯片的連接。使用RMII接口方式時需要接入一個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收發(fā)器PL3150。PL3150是Echelon公司生產(chǎn)的基于開放性ANSI標準的電力智能收發(fā)器，其可按LonTalk協(xié)議與LonWorks網(wǎng)絡上的所有節(jié)點進行通信。PL3150通過地址線、數(shù)據(jù)線以及控制信號線與雙口RAM連接。雙口RAM我們選用IDT71321，其支持總線讀寫方式，有2 KB的存儲容量。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)計方案可實現(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

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

軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括2個主要部分：

1)ARM端軟件設(shè)計。軟件平臺由嵌入式μC/OS-II操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)構(gòu)建，并利用LwIP協(xié)議實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，上層的應用程序為WEB服務程序以及網(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。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of soft system

3.2 網(wǎng)絡協(xié)議轉(zhuǎn)換程序

在網(wǎng)關(guān)中最重要的是實現(xiàn)兩個不同網(wǎng)絡的協(xié)議轉(zhuǎn)換。在LonWorks網(wǎng)絡中，節(jié)點與節(jié)點進行通信時，常采用特定的網(wǎng)絡變量的形式進行[2]。網(wǎng)絡變量只有數(shù)據(jù)類型相同的輸入網(wǎng)絡變量和輸出網(wǎng)絡變量才能建立連接。在本網(wǎng)關(guān)工作過程中，根據(jù)圖2所示的結(jié)構(gòu)原理，當下位機設(shè)備需要向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)信息時，將會對自己的輸出網(wǎng)絡變量進行更新，發(fā)送到LonWorks網(wǎng)絡上；當PL3150監(jiān)測到這些網(wǎng)絡變量時，將對與之捆綁的輸入網(wǎng)絡變量進行更新并發(fā)送到雙口RAM的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；ARM芯片通過外部總線讀取雙口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)包進行封裝，發(fā)送到以太網(wǎng)協(xié)議的應用層。相反，當上位機想要對遠端現(xiàn)場設(shè)備進行控制時，也要對相應的網(wǎng)絡變量進行更改。

在協(xié)議轉(zhuǎn)換過程中，雙口RAM作為一個共享存儲器能夠進行雙邊讀寫操作。為了避免數(shù)據(jù)信息交換時的讀寫沖突、產(chǎn)生競爭，在讀寫操作時要進行控制以進行同步訪問。本文采用通過定時查詢控制地址的值來進行同步訪問操作。將2 KB的雙口RAM劃分為3個主要部分來存放不同內(nèi)容：存放ARM對PL3150的控制信息；存放PL3150向ARM發(fā)送的數(shù)據(jù)信息；控制同步訪問信息。

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)是一款開源的，針對嵌入式系統(tǒng)的實時內(nèi)核操作系統(tǒng)，可以應用于多種類型的硬件平臺。它最近發(fā)布的版本最多可管理多達256個任務[3]。μC/OS-II具有強大的網(wǎng)絡支持，并且支持Lw IP協(xié)議，為我們的網(wǎng)關(guān)服務搭建了一個很好的平臺。將μC/OS-II操作系統(tǒng)移植到ARM平臺上，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 個文件[4]。

3.4 網(wǎng)關(guān)通訊協(xié)議TCP/IP實現(xiàn)

3.4.1 LW IP簡介

本文的TCP/IP協(xié)議選擇使用Lw IP協(xié)議棧來實現(xiàn)。Lw IP是由瑞典計算機科學研究院Adam Dunkels設(shè)計的開源的嵌入式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)。Lw IP既可以獨立運行，也可以移植到不同的操作系統(tǒng)上[4]。

3.4.2 TCP數(shù)據(jù)處理流程

在我們的應用中，使用Lw IP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，但是它為應用層提供可靠的字節(jié)流服務。TCP流程如圖4所示，當下位機數(shù)據(jù)信息到達時，通過tcp_write來構(gòu)造一個報文段，之后tcp_output被調(diào)用，同時與ip_route交互，填寫首部中的源IP地址字段，最后通過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[5]。

圖4 TCP數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.4 Flow diagram of TCP data process

3.4.3 Lw IP移植

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

移植需要添加以下文件，具體包括：1)與CPU和編譯器相關(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)。此文件中需要實現(xiàn)4個函數(shù):消息函數(shù)；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及信號函數(shù)；系統(tǒng)超時函數(shù)；創(chuàng)立新線程函數(shù)。

3)與網(wǎng)卡驅(qū)動相關(guān)的函數(shù)。Lw IP源碼提供者將ethernetif.c中的函數(shù)實現(xiàn)一個框架形式，用戶可以根據(jù)這個框架定制網(wǎng)卡驅(qū)動。

3.5 網(wǎng)關(guān)監(jiān)控平臺的實現(xiàn)

嵌入式處理器LPC1778在μC/OS-II操作系統(tǒng)平臺上，利用Lw IP協(xié)議的上層協(xié)議HTTP協(xié)議搭建輕型服務器，提供人性化的操作界面，實時監(jiān)控底層數(shù)據(jù)及控制輸出等功能。Web服務器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。當遠端的瀏覽器發(fā)送請求時，HTTP協(xié)議處理程序會將該請求發(fā)送給Web服務器處理；而CGI（通用網(wǎng)關(guān)接口）程序作為處理客戶端Web瀏覽器輸入數(shù)據(jù)的接口規(guī)范，用來解釋處理表單的輸入信息，并在服務器產(chǎn)生相應的處理，完成客戶機與服務器之間的交互操作功能[6]。

實現(xiàn)步驟如下：

1）通過在μC/OS-II建立相應的任務。當任務建立起來之后，任務的調(diào)度就由μC/OS-II的任務調(diào)度器調(diào)度。μC/OS-Ⅱ的任務調(diào)度是搶占式的，所以在設(shè)置任務優(yōu)先級的時候要考慮任務對實時性的要求。同時注意Lw IP的初始化要在μC/OS-II完全啟動之后。

2）Web服務器實現(xiàn)。由于本網(wǎng)關(guān)采用B/S通訊模式，嵌入式ARM則充當服務器，提供網(wǎng)頁數(shù)據(jù)信息。B/S模式需要HTTP協(xié)議的支持。它是基于請求/響應模式的，并使用TCP作為傳輸層。當服務器運行時，始終在80服務端口監(jiān)聽，等待請求的出現(xiàn)。Web服務器的編程是基于Lw IP的API函數(shù)編寫的。API函數(shù)專為Lw IP設(shè)計，充分利用LwIP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)其設(shè)計目標。

3）HTTP處理子函數(shù)在獲得請求報文之后，根據(jù)其請求報文進行相應處理。在HTTP請求報文中，第一行就是請求行，方式有GET和POST兩種。由于CGI程序中具有HTML生成和FORM解析功能，CGI程序會根據(jù)請求數(shù)據(jù)中的URL信息找到相應的網(wǎng)頁文件，并對文件中的程序代碼解析并執(zhí)行，然后生成HTML網(wǎng)頁回傳至瀏覽器。

4 網(wǎng)關(guān)的功能和應用

該監(jiān)控平臺每2 s就從下位機刷新一次實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以獲得例如下位機ID號、電壓、電流、功率等實時量。圖5為開發(fā)完成的網(wǎng)關(guān)嵌入式網(wǎng)頁服務頁面，可以控制某一個下位機的開閉狀態(tài)、功率因子大小，并可以定時上傳數(shù)據(jù)并具有數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。服務器的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框架如圖6所示。

圖5 網(wǎng)頁服務頁面示意圖Fig.5 Diagram ofwebserver’swebpage

圖6 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Structure diagram of system functions

本網(wǎng)關(guān)IP靜態(tài)地址設(shè)為192.168.0.100并與路由器相連，通過動態(tài)域名解析與一個固定域名綁定，用戶通過訪問固定域名便可遠程實時觀測。

5 結(jié)束語

文中系統(tǒng)地論述了嵌入式LonWorks網(wǎng)絡智能網(wǎng)關(guān)的實現(xiàn)方法，主要分析了嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件和軟件的實現(xiàn)方法。本網(wǎng)關(guān)的實現(xiàn)可為將來遠程監(jiān)測應用方面帶來很大便利，可廣泛應用與遠程查表、路燈控制等項目中，具有很好的社會價值。

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