基于A(yíng)RM和μC/OS—II的LonWorks網(wǎng)絡(luò )智能網(wǎng)關(guān)

　　摘要：為了解決LonWorks設備現場(chǎng)智能控制及遠程監控的需要，提出了通過(guò)嵌入式網(wǎng)關(guān)實(shí)現LON網(wǎng)和以太網(wǎng)協(xié)議的轉換方案。本網(wǎng)關(guān)采用電力線(xiàn)收發(fā)器PL3150和帶有以太網(wǎng)控制器的微處理器LPC1778分別實(shí)現LonWorks網(wǎng)絡(luò )和以太網(wǎng)的接口功能。同時(shí)還利用LPC1778內置以太網(wǎng)控制器搭建Web服務(wù)器，實(shí)現了一個(gè)遠程監控平臺，達到了遠程智能交互與監控的目的。本文給出了該智能網(wǎng)關(guān)硬件平臺和軟件平臺的方案和實(shí)現方法。

　　LonWorks技術(shù)是美國Echelon公司于90年代初推出的一種現代總線(xiàn)技術(shù)，它具有開(kāi)放性、高速性和互操作性而已被各行業(yè)廣泛使用。而LonWorks設備往往工作環(huán)境惡劣，其自身各部分與周?chē)渌娮釉O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設備的安全穩定運行有著(zhù)重大的意義。

　　LonWorks設備運行過(guò)程中涉及的參數眾多，控制策略復雜，為了解決其現場(chǎng)遠程監控的需要，有必要開(kāi)發(fā)出一款自動(dòng)化程度高的智能網(wǎng)關(guān)，實(shí)現LonWorks協(xié)議和TC/IP協(xié)議的轉換，將Lon網(wǎng)和以太網(wǎng)互連，從而達到對遠方的LonWorks設備運行集中的、遠程的監控的目的。

　　而傳統的網(wǎng)關(guān)基本采用16位單片機來(lái)實(shí)現，受限于其運算能力低、存儲空間小的特點(diǎn)，而不能夠適用于多任務(wù)、實(shí)時(shí)性高的應用環(huán)境。本文設計的設計的一款嵌入式LonWorks網(wǎng)絡(luò )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，具有能夠滿(mǎn)足多任務(wù)、實(shí)時(shí)性、快速性高等復雜監控環(huán)境的功能。

　　1 系統總體結構

　　圖1給出了系統結構示意圖，下位機設備將收集到的監控參數通過(guò)電力線(xiàn)上傳至智能網(wǎng)關(guān)，LonWorks網(wǎng)關(guān)根據電力通訊協(xié)議將已將收集到的數據通過(guò)協(xié)議轉換將Lon網(wǎng)協(xié)議的數據包轉換成TCP協(xié)議數據包上傳到ARM內置服務(wù)器;遠端的監視器作為嵌入式智能網(wǎng)關(guān)的人機界面互動(dòng)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(guò)電力線(xiàn)下傳至下位機設備，下位機設備根據電力線(xiàn)通訊協(xié)議接收相應的遠程指令，并完成相應的遠程控制。

　　2 硬件設計

　　硬件平臺由3個(gè)部分組成，包括由Lon網(wǎng)數據采集收發(fā)模塊、Lon網(wǎng)協(xié)議和LwIP協(xié)議轉換模塊和以太網(wǎng)通訊模塊結構框圖如圖2所示。

　　2.1 Lon網(wǎng)協(xié)議和LwIP協(xié)議轉換模塊

　　該模塊是整個(gè)系統的核心，其不僅包括網(wǎng)絡(luò )協(xié)議轉換功能，而且完成系統其它顯示傳輸功能。該模塊的主控芯片為NXP公司生產(chǎn)的LPC17 78，其片上資源包括512 Kb的FLASH存儲器、高達64 Kb的SRAM，系統時(shí)鐘頻率可高達120 MHz，同時(shí)可內嵌操作系統。LPC1778內置外部總線(xiàn)控制器，通過(guò)總線(xiàn)方式讀寫(xiě)雙口RAM，從而完成與數據采集收發(fā)模塊的高速數據交換。另外，嵌入式WEB服務(wù)器的架構需要大容量的存儲器，片上資源已不能夠滿(mǎn)足現有的需要，因此外部擴展一片16 Mb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，本設計中選用的主控芯片LPC1778內嵌一個(gè)以太網(wǎng)控制器，通過(guò)擴展網(wǎng)卡芯片DP83848C和一個(gè)RJ45接口來(lái)實(shí)現以太網(wǎng)通訊接口。以太網(wǎng)控制器支持精簡(jiǎn)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(xiàn)、以及MDIO(管理數據輸入/輸出)相結合的方式來(lái)實(shí)現與網(wǎng)絡(luò )芯片的連接。使用RMII接口方式時(shí)需要接入一個(gè)50 MHz的外部有源晶振。

　　2.3 數據采集收發(fā)模塊

　　該模塊核心器件為電力線(xiàn)收發(fā)器PL3150。PL3150是Echelon公司生產(chǎn)的基于開(kāi)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(luò )上的所有節點(diǎn)進(jìn)行通信。PL3150通過(guò)地址線(xiàn)、數據線(xiàn)以及控制信號線(xiàn)與雙口RAM連接。雙口RAM我們選用IDT71321，其支持總線(xiàn)讀寫(xiě)方式，有2 KB的存儲容量。雙口RAM作為PL3150和ARM之間數據接收和發(fā)送的緩存區。該設計方案可實(shí)現兩模塊之間數據的高速、穩定、低誤碼率的傳輸。

　　3 網(wǎng)關(guān)軟件設計

　　3.1 網(wǎng)關(guān)軟件結構設計

　　軟件結構如圖3所示，包括2個(gè)主要部分：

　　1)ARM端軟件設計。軟件平臺由嵌入式μC/OS—II操作系統為基礎構建，并利用LwIP協(xié)議實(shí)現TCP/IP協(xié)議，上層的應用程序為WEB服務(wù)程序以及網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉換程序。

　　2)PL3150端設備接口數據通信程序。

　　3.2 網(wǎng)絡(luò )協(xié)議轉換程序

　　在網(wǎng)關(guān)中最重要的是實(shí)現兩個(gè)不同網(wǎng)絡(luò )的協(xié)議轉換。在LonWorks網(wǎng)絡(luò )中，節點(diǎn)與節點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，常采用特定的網(wǎng)絡(luò )變量的形式進(jìn)行。網(wǎng)絡(luò )變量只有數據類(lèi)型相同的輸入網(wǎng)絡(luò )變量和輸出網(wǎng)絡(luò )變量才能建立連接。在本網(wǎng)關(guān)工作過(guò)程中，根據圖2所示的結構原理，當下位機設備需要向上位機發(fā)送數據信息時(shí)，將會(huì )對自己的輸出網(wǎng)絡(luò )變量進(jìn)行更新，發(fā)送到LonWorks網(wǎng)絡(luò )上;當PL3150監測到這些網(wǎng)絡(luò )變量時(shí)，將對與之捆綁的輸入網(wǎng)絡(luò )變量進(jìn)行更新并發(fā)送到雙口RAM的數據緩沖區;ARM芯片通過(guò)外部總線(xiàn)讀取雙口RAM，其內部以太網(wǎng)控制器依據所使用協(xié)議將數據包進(jìn)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場(chǎng)設備進(jìn)行控制時(shí)，也要對相應的網(wǎng)絡(luò )變量進(jìn)行更改。

　　在協(xié)議轉換過(guò)程中，雙口RAM作為一個(gè)共享存儲器能夠進(jìn)行雙邊讀寫(xiě)操作。為了避免數據信息交換時(shí)的讀寫(xiě)沖突、產(chǎn)生競爭，在讀寫(xiě)操作時(shí)要進(jìn)行控制以進(jìn)行同步訪(fǎng)問(wèn)。本文采用通過(guò)定時(shí)查詢(xún)控制地址的值來(lái)進(jìn)行同步訪(fǎng)問(wèn)操作。將2 KB的雙口RAM劃分為3個(gè)主要部分宋存放不同內容：存放ARM對PL3150的控制信息;存放PL3150向ARM發(fā)送的數據信息;控制同步訪(fǎng)問(wèn)信息。

　　3.3 μC/OS—II操作系統移植