基于嵌入式和无线通信技术的工业通信分布式网络模型的实现

    在工业控制中，需要将多个独立工作的设备所产生的数据进行汇总，传统的通信方式，主要是采用固定的点与点之间的有线通信，但使用工业中常用的RS-485总线或者CAN总线进行数据传输，需要把各设备利用网线连接起来，不仅施工麻烦，而且费用很高。在每个采集数据的终端使用无线的方式进行数据汇总，去掉通信设备之间的物理线路连接，不仅简化了施工难度和系统复杂度，还可以降低成本。文中提出了一种基于无线测控的工业通信分布式网络模型，它将嵌入式技术、无线通信技术和自动控制技术有机地结合起来，采用两级组网方式，将有线与无线技术结合起来，并结合嵌入式硬件平台和无线通信模块，解决了数据采集系统和控制设备的数据传输问题。该系统实时性强、可靠性高、结构小巧、开发费用低廉，在现代工业测控系统已经发挥了经济效益。

    1、系统总体设计方案

    分布式网络模型实际方案如图1所示。

    图1 分布式网络模型实际方案

    该方案中，服务器采用嵌入式硬件平台，基于Linux操作系统，建立嵌入式Web服务器和分布式现场的测控应用程序。测控应用程序通过驱动CAN总线模块，以轮询方式实现嵌入式平台与终端节点之间的通信。数据采集器使用无线通信与各终端设备连接，通过无线传输方式负责对测控应用程序发出命令进行响应，启动无线通信过程，完成分布式现场的数据采集和控制动作执行。

    系统采用了分级组网的方式，由有线和无线通信两级网络组成。考虑到工业干扰比较严重，以及通信范围能有较大的冗余，嵌入式服务器与数据采集器之间使用有线网络，采用CAN总线传输。另外，系统使用了数据采集器作为中间媒介，将无线终端和ARM主控机连接在一起，解决了无线系统因受通信距离、空闯布局、外部干扰等因素的限制，致使无线通信的节点无法直接与主控机通信的问题。对附近的无线终端，数据采集器使用无线信道通信，对主控机，使用CAN连接，这样就较好地解决了应用环境对无线通信网络的不利影响。而且，更为重要的是，可根据实际需要使用你N个数据采集器分别挂在CAN总线上，采用N个频段传输，减少了无线通信中的冲突，增加了通信的可靠性。

    系统由客户端浏览器、嵌入式服务器平台、无线通信模块3部分组成。客户端浏览器是运行在桌面计算机中的通用浏览器应用程序；嵌入式服务器是以S3C2410A芯片为  组建的网络服务平台；无线通信模块由数据采集器和终端节点2部分构成，是以CCll00无线通信芯片和8051F310单片机为  构成的测控执行部件。其中嵌入式服务器平台是系统的  部件，基于Linux操作系统，负责对现场设备进行测控数据的处理、存储、转发及与远程客户端浏览器的数据交互。

    通过公共网关接口CGI（Common Gateway Interface）实现嵌入式Web服务器和分布式现场的测控应用程序接口。CGI使编写的程序处理wwW上客户端送来的表单和数据，并对此做出响应，这样可使编写的程序和Web服务器间的接口标准化。

    嵌入式服务器正常工作要引入文件系统。Linux操作系统可以提供文件系统；同时利用Linux操作系统自身所带的TCP／IP协议栈，只要在应用层上利用操作系统提供的网络API编写服务器端程序即可，从而节省了开发时间。

    2、系统硬件设计

    对于一个嵌入式系统，硬件系统设计相当重要，一方面要考虑所选择的器件是否适合应用要求，硬件资源是否足够用来编程调试并保证系统性能优良；另一方面硬件资源要在满足系统需求前提下尽可能降低成本。考虑以上因素，服务器的硬件采用模块化设计，分为嵌入式服务器模块、CAN通信接口模块、无线测控模块3部分。

    2.1 嵌入式服务器模块设计

    该系统的嵌入式服务器平台的设计如图2所示。

    图2 嵌入式服务器设计方案

    基于S3C2410A扩展了CAN接口模块、sD卡等，CPU采用$3C2410A微处理器作为整个系统的控制  。S3C2410A是基于ARM920内核开发的32位RISC微处理器，集成了丰富的外围功能模块，如以太网接121，便于低成本设计嵌入式应用系统。S3C2410A主要功能就是通过控制以太网接口芯片CS8900A及CAN通信接口芯片MCP2510的工作，实现CAN通信协议与以太网通信协议的转换，使远端用户借助浏览器经由Intemet对现场设备实施远程监控。

    2.2 CAN通信接口模块设计

    由于多数嵌入式处理器都不带CAN总线控制器，在嵌入式处理器的外部总线上扩展CAN总线接口芯片是通用的解决方案。设计采用了MCP2510芯片作为CAN总线的控制器，该芯片支持CAN2.0B标准。TJAl050作为CAN总线的收发器。

    MCP2510可在3-5.5 V范围内供电，因此能直接与3.3V I／0口的嵌入式处理器连接。系统结构简单，与处理器之间的SPI串行接口，减少了总线的物理连接，提高了系统的可靠性。

    S3C2410A带有SPI总线控制器，可直接与MCP2510连接。如图3所示。

    图3 嵌入式节CAN节电设计方案

    相关的资源有：在电路中使用了2410的一个扩展的L／O口作为片选信号，低电平有效；使用了2410的外部中断0作为中断引脚，低电平有效；16 MHz晶体作为输入时钟，MCP2510内部有振荡电路，用晶体可直接起振。

    中心模块端，可对C，8051F310采用模拟SPI口的方式与MCP2510连接。

    2.3 无线测控模块设计

    典型的无线结构包括一个无线发射器（包括数据源、调制器、RF源、RF功率放大器、天线、电源）和一个无线接收器BJ（包括数据接收电路、RF解调器、译码器、RF低噪声放大器、天线、电源）。发射器的数据通过无线发射出去，接收器天线接收后进行处理，得到经过校验的正确数据。

    系统中选用了CC1100射频芯片作为无线收发器，理由如下：

    （1） 该器件有着极为  的传输能力，空旷传输距离可以达到500m，加了PA的模块则可以达到1200m，完全满足了一般的工厂测控距离要求。

    （2） 2-FSK，GFSK和MSK支持，抗干扰能力极强，适用于工厂环境恶劣的生产车间。

    （3） CC1100是一种低成本、真正单片的UHF收发器，可以根据自己的需要配置MCU，使用灵活，且功耗很低，完全可以采用电池供电。

    （4） 它具有433／868／915 MHz3个波段载波频率，也可以容易地设置在300—348 MHz、400—464 MHz和800—928 MHz的其他频率上。

    该系统选用了C8051F310作为CCI 100的微控制器。它具有一个增强型外设接口（SPIO），具有访问一个全双工同步串行总线的能力，具有29个I／O端口、lO位逐次逼近型的ADC和一个25通道差分输入多路选择器，满足了作为数据采集的通常需求。

    CC1100模块与CPU是采用SPI口进行通信的，只需把CCll00的SPI口接到CPU的硬件SPI口上，另外，再将CCll00的GD00或GD02也接在CPU的任意引脚上。如果想要用中断处理收发数据或是想做无线唤醒的话，该引脚必须接在CPU的外部中断引脚上。

    微控制器除了完成基本的芯片初始化工作、数据的发送和接收之外，还需要根据需要在CCll00的引脚产生中断，并由所编写的中断管理程序进行状态检测以及切换，并执行相应的中断操作，使得无线通信可以在发射和接收以及待机之间切换。

    3、软件设计

    软件设计主要包括了CAN总线通信程序模块、无线通信部分等，其中驱动程序的设计是在LINUX下多任务操作系统下实现的，多任务系统中的CAN总线通信程序结构设计流程图。如图5所示。

    CAN总线通信程序的设计可分为发送数据、接收数据和中断处理3个模块来实现。系统中CAN总线的数据发送和接收是两个不同的线程。在驱动程序中建立数据发送和接收缓冲区。中断处理程序只负责填充（或者读取）缓冲区中的数据，然后唤醒等待接收（或发送）数据的任务。数据的发送和接收都通过独立的缓冲区由中断来实现。操作系统的中断响应时间在软件上决定了CAN总线数据的  快收发速度。

    MCP2510的初始化，通过函数static int MCP-device-init（void）实现。可通过设置MCP2510中的CNFl、CNF2、CNF3 3个寄存器，实现不同时钟下CAN总线通信波特率的设置。

    对于无线通信模块，软件设计主要包括09051F310的初始化和CCI 100的初始化以及接收数据程序、发送数据程序，通过寄存器的配置实现其频率、通道、通信速率等的设置。函数void halRfWritePdSettings（RF SETHNGS木pRtSettings）即实现配置CCll00的寄存器的功能。发送数据通过函数void halRf-SendPacket（unsigned char譬txBuffer，unsigned char size）实现，接收数据通过函数unsigned char halRfBeceivePacket（unsigned char rxBuffer，unsigned char length）实现。在采集模块中为了做到低功耗还采用了随机定时唤醒功能，这样加上CCll00自带的CCA功能，可以  限度地防止信息相撞，从而达到稳定可靠的通信状态。

    4、结束语

    该系统把短距离无线通信技术与嵌入式技术结合在一起，并且采用两级组网方式，将有线与无线技术结合起来，与传统技术相比，该方案的成本更低、功耗更低、抗干扰能力更强、软件开发简易，可广泛应用于工厂自动监控、生物信号采集、水文气象监控等领域。基于CAN总线和无线技术的远程集中监控系统是数据采集、网络传输、计算机软件等多种技术的综合应用，适用于对远端现场环境进行实时监控，自动化管理，保障工业生产的安全稳定运行。而随着网络及通信技术的飞速发展，短距离无线通信以其特有的抗干扰能力强、可靠性高、安全性好、受地理条件限制较少、安装施工简便灵活等特点，在测控系统中的应用越来越广泛，如何根据实际需要选择合适的网络拓扑结构，开发自己的测控系统成为一个越来越广泛的课题。在该设计中采用的CCll00芯片有其局限性，只能实现星形组网，如果需要组建Mesh网络，可考虑把方案中的CCll00换成适用于ZIGBEE协议的CC2420芯片。