Lonworks網(wǎng)絡(luò )虛擬監測系統研究

傳統儀器，無(wú)論是早期的模擬儀器，還是現在的數字化智能儀器，雖然它們的功能日益完善和強大，但是所有的功能塊都以硬件的形式存在，這使對它們的開(kāi)發(fā)和應用都缺乏靈活性。虛擬儀器的出現是測試技術(shù)與計算機深層次的結合，從而使測試技術(shù)上升到一個(gè)新的層次。虛擬儀器在工程應用方面具有突出的優(yōu)勢，它可在通用硬件平臺確定之后，用軟件取代傳統儀器中的硬件來(lái)完成儀器的功能，儀器的功能可由用戶(hù)根據需要通過(guò)軟件來(lái)定義，甚至能完成傳統儀器因工藝和制造水平的限制而難以完成的測試工作。隨著(zhù)通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的不斷發(fā)展，將網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用到虛擬儀器領(lǐng)域，以形成網(wǎng)絡(luò )化虛擬儀器是虛擬儀器發(fā)展的一個(gè)趨勢。本文介紹了一種用于Ｌｏｎｗｏｒｋｓ網(wǎng)絡(luò )（簡(jiǎn)稱(chēng)ＬＯＮ網(wǎng)）的虛擬儀器監測系統，給出了采用ＬａｂＶＩＥＷ軟件開(kāi)發(fā)平臺，并用Ｌｏｎｗｏｒｋｓ網(wǎng)絡(luò )作為信號傳輸通道來(lái)實(shí)現Ｌｏｎｗｏｒｋｓ網(wǎng)絡(luò )與虛擬儀器的接口設計以及通信方式。

１ Ｌｏｎｗｏｒｋｓ網(wǎng)絡(luò )虛擬儀器系統的結構

圖１所示是一種網(wǎng)絡(luò )虛擬儀器系統的結構框圖。圖中，虛擬儀器由一臺ＰＣ機和ＬａｂＶＩＥＷ開(kāi)發(fā)的應用軟件構成。ＬａｂＶＩＥＷ 是一種基于圖形化編程語(yǔ)言的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具，它提供有豐富的功能模塊，可以支持ＧＰＩＢ、ＰＸＩ、ＶＸＩ、串口等多種總線(xiàn)標準。用戶(hù)可利用不同的模塊組合來(lái)編制圖形化軟件流程圖，以實(shí)現多種測試功能。該系統操作面板設計靈活，且不受“標準件”和“工藝”的限制。

Ｌｏｎｗｏｒｋｓ總線(xiàn)是Ｅｃｈｅｌｏｎ公司研制的一種局部操作網(wǎng)絡(luò )，是一種串行數字通信鏈路。它支持雙絞線(xiàn)、電力線(xiàn)、光纖、同軸電纜等通信媒介，并支持多種網(wǎng)絡(luò )拓撲，可用于建立生產(chǎn)領(lǐng)域中現場(chǎng)設備之間以及更高層次控制過(guò)程設備之間的聯(lián)系。Ｎｅｕｒｏｎ神經(jīng)元芯片是Ｌｏｎｗｏｒｋｓ系統設備的核心器件。在Ｌｏｎ-ｗｏｒｋｓ網(wǎng)絡(luò )中，以Ｎｅｕｒｏｎ芯片為核心的智能節點(diǎn)主要完成各現場(chǎng)設備的信號采集和控制，一個(gè)Ｎｅｕｒｏｎ芯片可連接多個(gè)物理Ｉ／Ｏ設備，節點(diǎn)掛接在ｌｏｎｗｏｒｋｓ總線(xiàn)上即可形成現場(chǎng)測控網(wǎng)絡(luò )。通過(guò)Ｎｅｕｒｏｎ芯片和ＬｏｎＴａｌｋ通信協(xié)議便可實(shí)現各節點(diǎn)之間以及節點(diǎn)和上位機間的通信。由于總線(xiàn)具有串行特征，同時(shí)ＬａｂＶＩＥＷ又提供了對串口的支持，而且ＰＣ機一般都帶有串行接口，因此，可以通過(guò)串口來(lái)實(shí)現虛擬儀器與Ｌｏｎｗｏｒｋｓ網(wǎng)絡(luò )的交互，并通過(guò)操作軟面板形成控制信號，以控制給定的節點(diǎn)，然后由節點(diǎn)將現場(chǎng)設備的狀態(tài)信號送到虛擬儀器進(jìn)行顯示和分析。

２ 虛擬儀器與Ｌｏｎｗｏｒｋｓ接口卡的設計

雖然Ｎｅｕｒｏｎ芯片的Ｉ／Ｏ引腳提供了ＲＳ２３２半雙工異步串行工作方式，但是在傳輸速率、數據格式和通信方式方面仍有較大的局限性。網(wǎng)絡(luò )上節點(diǎn)間的通信是通過(guò)ＬｏｎＴａｌｋ通信協(xié)議用網(wǎng)絡(luò )變量或顯式消息報文的形式實(shí)現的。為了實(shí)現更靈活的應用，筆者設計了一塊ＬＯＮ－ＲＳ２３２接口卡以實(shí)現ＲＳ２３２協(xié)議與ＬｏｎＴａｌｋ協(xié)議的相互轉換，從而實(shí)現高速率、全雙工的通信。該接口卡的硬件結構如圖２所示。

該接口卡包括５１協(xié)議轉換模塊、ＬＯＮ網(wǎng)接口模塊和ＲＳ２３２通信模塊。接口卡采用雙ＣＰＵ技術(shù)。５１協(xié)議轉換模塊由Ｐ８９Ｃ５１單片機構成，Ｐ８９Ｃ５１也是接口卡的主ＣＰＵ，用于完成ＲＳ２３２標準信號與ＬｏｎＴａｌｋ協(xié)議之間的轉換。接口卡向上經(jīng)ＲＳ２３２通信模塊與虛擬儀器進(jìn)行通信；向下與ＴＭＰＮ３１５０進(jìn)行并口通信。

ＬＯＮ網(wǎng)接口模塊由ＴＭＰＮ３１５０芯片、收發(fā)器ＦＴＴ－１０Ａ、程序存儲器、數據存儲器等組成，該模塊可將主ＣＰＵ接收的報文解析成ＬｏｎＴａｌｋ協(xié)議報文，然后通過(guò)收發(fā)器傳到ＬＯＮ網(wǎng)，或將從ＬＯＮ網(wǎng)上收到的ＬｏｎＴａｌｋ協(xié)議報文轉發(fā)給主ＣＰＵ。ＴＭＰＮ３１５０芯片通過(guò)１１個(gè)Ｉ／Ｏ口（ＩＯ０～ＩＯ１０）與Ｐ８９Ｃ５１進(jìn)行連接，它采用并行Ｉ／Ｏ模式的從Ａ工作方式。在這種方式下，ＩＯ０～ＩＯ７將作為雙向數據線(xiàn)與Ｐ８９Ｃ５１的Ｐ０．０～Ｐ０．７連接，ＩＯ８作為片選信號線(xiàn)連接到Ｐ２．０腳，ＩＯ９為讀寫(xiě)信號線(xiàn)，連接于Ｐ８９Ｃ５１的ＷＲ腳，ＩＯ１０為握手信號線(xiàn)，接Ｐ２．１腳，主機（Ｐ８９Ｃ５１）和從機（ＴＭＰＮ３１５０）之間的數據傳輸通過(guò)虛擬的寫(xiě)令牌傳遞協(xié)議來(lái)實(shí)現，擁有令牌的一方具有對數據線(xiàn)的寫(xiě)控制權。

ＲＳ２３２通信模塊由ＲＳ２３２接口芯片完成串口通信網(wǎng)絡(luò )的鏈路和協(xié)議。它由Ｐ８９Ｃ５１的ＵＡＲＴ進(jìn)行驅動(dòng)，采用中斷驅動(dòng)方式。

３　系統通信方式的實(shí)現

通常，虛擬儀器測試的物理量較少，而且被測試的設備比較集中，因而信號通道一般采用并行方式。但是在設計網(wǎng)絡(luò )虛擬儀器系統時(shí)，除了要解決接口問(wèn)題，還要考慮由于網(wǎng)絡(luò )的多種拓撲結構而要解決虛擬儀器與各個(gè)節點(diǎn)的有效通信問(wèn)題，如尋址信息、控制信息以及數據傳輸等。

３．１ 控制信號的傳輸

一個(gè)Ｌｏｎｗｏｒｋｓ網(wǎng)絡(luò )包括多個(gè)節點(diǎn)，每個(gè)節點(diǎn)可以監測多個(gè)信號，即一個(gè)節點(diǎn)有多個(gè)測量通道。當虛擬儀器要獲取某個(gè)被測量數據時(shí)，必須同時(shí)指定該被測量所在的節點(diǎn)和通道?？稍谔摂M儀器的軟面板上根據實(shí)際要測量的物理量設置選擇開(kāi)關(guān)，當選中某一開(kāi)關(guān)時(shí)，這樣程序將根據預先的設置自動(dòng)形成包含節點(diǎn)號、通道號的控制信息，其消息格式包括節點(diǎn)號、通道號、控制命令代號共３個(gè)字節。經(jīng)過(guò)接口卡轉換后，節點(diǎn)號、通道號、控制命令代號將被寫(xiě)入ＬｏｎＴａｌｋ顯式消息報文數據的前三個(gè)字節，報文消息代碼為ＣＯＮＴＲＬ＿ＭＳＧ，該報文以廣播方式在ＬＯＮ網(wǎng)上傳播。具體實(shí)現代碼如下：

ＩＯ_０ ｐａｒａｌｌｅｌ ｓｌａｖｅ ｓ_ｂｕｓ; ?。x并口Ｉ／Ｏ對象

＃ｄｅｆｉｎｅ ＤＡＴＡ_ＳＩＺＥ ２５５

Ｔｙｐｅｄｅｆ ｓｔｒｕｃｔ

{

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｌｅｎｇｔｈ;

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｄａｔａ[２５５];

} ｐｉｏ; ／／定義并口通信結構

ｆａｒ ｐｉｏ ｐ_ｉｎ;

ｍｓｇ_ｔａｇ ｔａｇ_ｏｕｔ０;