基于Linux的EPA無(wú)線(xiàn)通信卡的實(shí)現

摘要：闡述了基于Linux的EPA無(wú)線(xiàn)通信卡的實(shí)現過(guò)程，成功地解決了IO模塊控制卡與其之間的通信問(wèn)題，從而為實(shí)現了基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的EPA網(wǎng)絡(luò )控制系統研發(fā)提供了可靠保證。同時(shí)進(jìn)行了簡(jiǎn)單測試，實(shí)驗證明測試系統運行效果良好，達到了預期目標。
關(guān)鍵詞：EPA通信卡；無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)；Linux驅動(dòng)

引言

在工業(yè)環(huán)境中，各種現場(chǎng)設備的數據采集，其相互間的數據傳送、信息共享以及控制信號的收發(fā)基本上都采用電纜進(jìn)行通信。盡管現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的成熟極大地減少了現場(chǎng)電纜的敷設數量，正逐漸代替傳統的DCS技術(shù)。但在某些工業(yè)現場(chǎng)中存在著(zhù)大量移動(dòng)設備，如空中起重機使之很難在空中布線(xiàn)，在加固混凝土的地板下面也無(wú)法敷設電纜，貨運通道也不便在地面布線(xiàn)。甚至在高溫高壓等特殊工業(yè)環(huán)境中，往往不能敷設連到計算機的電纜，現場(chǎng)設備間無(wú)法通過(guò)有線(xiàn)進(jìn)行相互間的通信，這給傳統的有線(xiàn)連接方式提出了挑戰。

無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)與現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)有機集成，有效地解決了工業(yè)現場(chǎng)面臨的諸多難題。

EPA標準概述

EPA系統結構
EPA系統是一種分布式系統，有三種子網(wǎng)：基于以太網(wǎng)(IEEE802.3)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(IEEE802.11)和藍牙(IEEE802.15)的子網(wǎng)：

1)一個(gè)或多個(gè)基于以太網(wǎng)的EPA子網(wǎng)，兼容IEEE802.3協(xié)議；
2)一個(gè)或多個(gè)基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的EPA子網(wǎng)，兼容IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g協(xié)議；
3)一個(gè)或多個(gè)基于藍牙技術(shù)的EPA子網(wǎng)，兼容IEEE802.15協(xié)議。

EPA系統中的網(wǎng)段也可以是不同類(lèi)型的子網(wǎng)，即兩種或三種的結合。如基于以太網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的兩種子網(wǎng)組成的混合網(wǎng)段。其EPA系統的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構如圖1所示。

圖1　EPA系統的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構

基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的EPA網(wǎng)絡(luò )控制系統
EPA標準制定工作組通過(guò)對適用于工業(yè)現場(chǎng)控制的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究，提出了支持無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)的實(shí)時(shí)分布式網(wǎng)絡(luò )控制系統體系結構。該體系結構結合工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境的特點(diǎn)，考慮了基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的EPA控制網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性、可變傳輸率下的通信性能、無(wú)線(xiàn)傳輸距離、無(wú)線(xiàn)通訊的抗干擾性和無(wú)線(xiàn)通訊的安全性等方面的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了基于EPA的無(wú)線(xiàn)分散控制站。EPA無(wú)線(xiàn)分散控制站由IO模塊控制卡、EPA無(wú)線(xiàn)通信卡兩部分組成。兩塊板卡通過(guò)IO模塊控制卡上的雙端口RAM交換數據，通過(guò)中斷觸發(fā)數據讀寫(xiě)操作，達到通信效果。

基于Linux的EPA無(wú)線(xiàn)通信卡

EPA無(wú)線(xiàn)通信卡使用AT91RM9200控制器并通過(guò)USB接口加載符合802.11b協(xié)議的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，操作系統為L(cháng)inux系統。

基于Linux的EPA無(wú)線(xiàn)通信卡的工作原理
EPA無(wú)線(xiàn)通信卡運行著(zhù)EPA協(xié)議棧和功能塊(MAI、MAO、MDI、MDO)等。使用向IO模塊控制卡發(fā)中斷及響應IO模塊控制卡中斷的方式，通過(guò)IO模塊控制卡來(lái)配置、讀取和控制現場(chǎng)設備。EPA無(wú)線(xiàn)通信卡與IO模塊控制卡之間數據傳輸是直接通過(guò)讀寫(xiě)IO模塊控制卡上的雙端口RAM實(shí)現的。EPA無(wú)線(xiàn)通信卡通過(guò)其上面的USB接口加載了符合802.11b協(xié)議的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，通過(guò)該模塊實(shí)現與EPA有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )相連，使其與相應的EPA工作站通信，其結構示意圖如圖2所示。

圖2　基于Linux的EPA無(wú)線(xiàn)通信卡的結構示意圖

基于Linux的EPA無(wú)線(xiàn)通信卡的軟件設計
EPA無(wú)線(xiàn)分散控制站中無(wú)線(xiàn)通信卡軟件開(kāi)發(fā)基于Linux操作系統。由于Linux系統基于802.11b協(xié)議的無(wú)線(xiàn)驅動(dòng)已經(jīng)很成熟了，而基于Linux操作系統的EPA協(xié)議棧軟件移植也比較容易。因此，選擇Linux系統會(huì )有效的提高EPA無(wú)線(xiàn)通信卡的開(kāi)發(fā)周期。

基于Linux的EPA無(wú)線(xiàn)通信卡與有線(xiàn)的EPA通信卡在EPA協(xié)議棧和功能塊方面大致相同，僅需將應用程序向Linux系統上移植即可。但由于采用了Linux系統在與IO模塊控制卡通信的實(shí)現上就相對比較復雜了。與IO模塊控制卡通信的程序流程如圖3所示。

圖3　與IO模塊控制卡通信的程序流程圖

軟件實(shí)現中關(guān)鍵性問(wèn)題的解決
在Linux操作系統下對于中斷及其他系統資源的操作有特定的規范，如內核模式操作和用戶(hù)模式操作具有不同操作權限，內核空間與用戶(hù)空間也不能隨意互訪(fǎng)。導致如EPA協(xié)議棧無(wú)法直接對雙端口RAM進(jìn)行讀寫(xiě)，也無(wú)法直接向I/O模塊控制卡收發(fā)中斷，在Linux系統下，只有在內核模式下才可以做到。那么，怎么樣將數據寫(xiě)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對方的中斷并從雙端口RAM中讀數是軟件實(shí)現中的關(guān)鍵性問(wèn)題。

發(fā)中斷與注冊中斷處理程序的實(shí)現
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系統下用戶(hù)程序無(wú)法直接對其硬件進(jìn)行操作。因此，必須編寫(xiě)相應的內核模塊，在內核模塊中完成發(fā)中斷與注冊中斷處理程序的操作。在用戶(hù)程序中動(dòng)態(tài)加載相應內核模塊來(lái)達到用戶(hù)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核模塊關(guān)鍵性代碼如下：

intinit_module(void) //中斷注冊模塊初始化
{
… /*初始化設置*/
AT91_SYS->AIC_SMR[25]|=0X20；
//設置中斷下跳沿觸發(fā)
if(request_irq(25，epa_interrupt，SA_INTERRUPT，
"MAIN_IRQ"，NULL))
//請求分配中斷號為25的快速中斷處理
//epa_interrupt為指向處理這個(gè)中斷的中斷處理程序的指針
{…/*進(jìn)行出錯處理*/}
else
{printk("1>request_irqok!")；
return0；}
}
voidcleanup_module(void)
{
…/*釋放資源*/
free_irq(25，NULL)； //釋放中斷線(xiàn)25
}

在用戶(hù)程序中發(fā)中斷時(shí)，通過(guò)調用system(send_riq)來(lái)動(dòng)態(tài)執行內核模塊程序來(lái)控制發(fā)送中斷的管腳的信號，從而實(shí)現在用戶(hù)程序發(fā)中斷的效果。其發(fā)中斷的內核模塊關(guān)鍵性代碼如下：

AT91_SYS->PIOC_PER|=AT91C_PIO_PC15；
//設置PC15IO使能
AT91_SYS->PIOC_OER|=AT91C_PIO_PC15；
//設置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；i1000；i++)；
//延時(shí)，內核中不能調用sleep()函數
AT91_SYS->PIOC_SODR|=AT91C_PIO_PC15；

雙端口RAM驅動(dòng)的實(shí)現
由于用戶(hù)程序不能直接對雙端口RAM進(jìn)行讀寫(xiě)，因此必須根據用戶(hù)程序的需要編寫(xiě)雙端口RAM的驅動(dòng)，以?xún)群四K的形式動(dòng)態(tài)加載到系統中去。Linux系統將所有設備都看作是文件，對設備的讀寫(xiě)相當于對文件的讀寫(xiě)。雙端口RAM驅動(dòng)模塊加載后，用戶(hù)程序就可以像讀寫(xiě)文件一樣，間接的對雙端口RAM進(jìn)行讀寫(xiě)了。其雙端口RAM驅動(dòng)模塊的主要實(shí)現過(guò)程如下：

staticintwrite_dpram(structfile*file，constchar*buf，u32count，loff_t*f_pos)
{…… /*寫(xiě)初始化*/
copy_from_user(wMessage，buf，count)；
…… /*進(jìn)行數據處理*/
for(i=0；icount；i++)
{writeb(wMessage[i]，base+wadd)；
wadd++；}…… /*向IO模塊控制卡發(fā)中斷信號*/
}
staticintread_dpram(structfile*file，char*buf，u32count，loff_t*f_pos)
{…… /*讀函數則調用相應的readb()和copy_to_user()函數，與寫(xiě)函數同理*/}
staticintopen_dpram(structinode*inode，structfile*file)
{…… /*初始化*/
if(!request_mem_region(AT91_DPRAM，
BUF_LEN3sizeof(u8)，DEVICE_NAME))
{…… /*未申請到該內存空間時(shí)進(jìn)行相應處理*/}
//申請使用內存空間
base=ioremap(AT91_DPRAM，BUF_LEN3sizeof(u8))；
//為設備內存區域分配虛擬地址
…… /*設置DPRAM讀寫(xiě)時(shí)序*/
}
staticintrelease_dpram(structinode3inode，structfile3file)
{……/*釋放相應資iounmap()和release_mem_region()；}

以上為DPRAM設備驅動(dòng)的打開(kāi)、讀寫(xiě)、關(guān)閉函數的實(shí)現，然后通過(guò)以下標記化結構將其驅動(dòng)的功能映射到前面的具體實(shí)現函數上：

staticstructfile_operationstest_fops={
read：read_dpram，
write：write_dpram，
open：open_dpram，
release：release_dpram
}；

另外，在驅動(dòng)程序初始化時(shí)必須通過(guò)register_chrdev()注冊。在加載該驅動(dòng)前要使用system("mknod/dev/設備名c主設備號次設備號")創(chuàng )建設備文件并為該設備分配設備號。

測試系統

本項目所搭建的測試系統包括EPA無(wú)線(xiàn)通信卡和IO模塊控制卡兩套EPA無(wú)線(xiàn)設備、一臺PC機及一個(gè)燈箱，如圖4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(guò)設備A發(fā)送到以太網(wǎng)上。設備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(guò)AO模塊輸出4mA～20mA電流，控制燈箱內的可控硅模塊，進(jìn)而驅動(dòng)燈箱內的燈泡，開(kāi)始加熱；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，使燈箱內的溫度下降，從而達到保持燈箱內溫度恒定的目的。

實(shí)驗證明，EPA無(wú)線(xiàn)通信卡與IO模塊控制卡之間數據傳輸穩定，這個(gè)系統運行效果良好，達到了預期目標，能夠滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)設備的通信要求。

圖4　測試系統示意圖

結語(yǔ)

EPA系統是一種分布式系統，將分布在現場(chǎng)的若干個(gè)設備連接起來(lái)一起運作，共同完成工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程和操作中的測量和控制。目前，無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制中的應用已成為當今工業(yè)控制領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。但將無(wú)線(xiàn)技術(shù)應用于工業(yè)現場(chǎng)設備間的通信，并形成完整的分布式網(wǎng)絡(luò )控制系統還是空白，也沒(méi)相關(guān)的行業(yè)標準、國家標準和國際標準，專(zhuān)利也很少。因此，研究開(kāi)發(fā)基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的EPA通訊體系和工業(yè)現場(chǎng)控制設備原理樣機及相關(guān)軟件，形成基于EPA的分布式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制系統，具有很強的原創(chuàng )性。