基于Linux的現(xiàn)場總線無線通信卡的實現(xiàn)

1.引言

　　使用無線連接設備的便利已經(jīng)導致了在消費電子（商業(yè)）領域中無線技術被空前成功的應用。在此基礎上基于無線技術的應用開始出現(xiàn)在各個領域。在工業(yè)或工廠底層環(huán)境中，使用無線技術的優(yōu)勢更是多方面的。

　　第一，在工業(yè)環(huán)境中往往需要大量的布線，采用無線技術不僅會使安裝和維護的成本有效減少，而且會使設備的調(diào)整規(guī)劃和重新配置更加的容易。

　　第二，無線技術的引入對于解決在有化學腐蝕、震動和移動部件等惡劣環(huán)境中對各種線纜的潛在損傷等問題顯得更加有效。

　　第三，考慮到工廠設備中適應性和靈活性，固定系統(tǒng)可以通過無線技術和現(xiàn)有的移動子系統(tǒng)或移動機器人連接通信。

　　第四，對在工廠設備進行臨時訪問任務（如診斷或程序設計等）使用無線技術會更加簡化（如使用無線手持設備）。

　　在解決工業(yè)環(huán)境及過程控制環(huán)境下的許多移動對象，如移動機器人與自治運輸設備之間的協(xié)調(diào);旋轉(zhuǎn)對象，如機械臂;危險環(huán)境對象的監(jiān)測與控制問題，如分布式控制等工業(yè)環(huán)境無線技術發(fā)揮極大的作用。將無線技術應用到現(xiàn)場總線中來解決傳統(tǒng)現(xiàn)場總線存在的問題，正受到學術界和工業(yè)界的極大關注。

2.現(xiàn)場總線的無線接入方法

　　為了使無線技術能夠無縫而更廣泛地應用于工業(yè)現(xiàn)場，使現(xiàn)場設備無線接入到現(xiàn)存的現(xiàn)場總線，國內(nèi)外相關領域的技術人員進行了一定的嘗試。按在不同層上實現(xiàn)接入可以將接入方案分為三大類：用戶層接入、數(shù)據(jù)鏈路層接入和物理層接入。

　?。?）用戶層接入：在用戶層設一個OPC服務器,通過OPC服務器進行有線網(wǎng)段與無線網(wǎng)段之間的數(shù)據(jù)交換。該方案其優(yōu)點是簡單易實現(xiàn),雙方可保持原有結(jié)構不動,兩側(cè)的“連接”可隨時通過軟件的控制建立或分離。缺點是中間環(huán)節(jié)太多,實時性得不到保證。

　?。?）物理層的接入：在某些站點的有線連接“下”面加裝Modem。無線站點的信號經(jīng)過此無線收發(fā)裝置將幀格式轉(zhuǎn)換后,聯(lián)入有線網(wǎng)段接口,因此遠端的無線站點被“視為”同質(zhì)站點。這樣,所有的有線、無線站點均采用原有現(xiàn)場總線協(xié)議,只是在最底層的某些物理連接上,無線連接代替了有線的連接。其缺點是此方法僅實現(xiàn)了點對點的連接,無線站點不具有“漫游接入”的能力。

　　（3）數(shù)據(jù)鏈路層的接入：此方法源自WLAN和以太網(wǎng)的聯(lián)接方式,即在PHY層和DDL層之上加一個無線網(wǎng)關。該無線網(wǎng)關實現(xiàn)了無線網(wǎng)段數(shù)據(jù)與有線網(wǎng)段之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)發(fā)。原有的現(xiàn)場總線保持不動,加裝一個無線網(wǎng)段的AP接入點。當兩網(wǎng)段間有數(shù)據(jù)交換時,才會通過AP點經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到另一端。

　　數(shù)據(jù)鏈路層的接入是現(xiàn)階段最被關注的方法。其具體實現(xiàn)方法較多，但大多處于理論研究階段或需要對原有的現(xiàn)場總線進行改造，而工業(yè)廠家又不想使現(xiàn)正運行的現(xiàn)場總線暫停工作。這使得現(xiàn)階段的一些其無線接入技術在現(xiàn)場總線中應用變得困難。為了使無線現(xiàn)場設備能夠應用于工業(yè)現(xiàn)場，又不改動現(xiàn)有的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，目前較成熟的技術就是使用無線分散控制站來與原有的現(xiàn)場總線連接，實現(xiàn)現(xiàn)場設備的無線接入。無線分散控制站一般由IO模塊控制卡、無線通信卡兩部分組成。兩塊板卡通過IO模塊控制卡上的雙端口RAM交換數(shù)據(jù)，通過中斷觸發(fā)數(shù)據(jù)讀寫操作，從而達到通信效果。其關鍵技術就是如何實現(xiàn)無線通信卡的軟件設計。

3.基于Linux的無線通信卡

　　在無線分散控制站中無線通信卡使用AT91RM9200控制器并通過USB接口加載符合802.11b協(xié)議的無線傳輸模塊，其操作系統(tǒng)為Linux系統(tǒng)。

3.1基于Linux的無線通信卡的工作原理

　　無線通信卡運行著現(xiàn)場總線協(xié)議棧和功能塊（MAI，MAO，MDI，MDO）等。根據(jù)所接入的現(xiàn)場總線的不同選用相應的協(xié)議棧。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IO模塊控制卡來配置、讀取和控制現(xiàn)場設備。無線通信卡與IO模塊控制卡之間數(shù)據(jù)傳輸是直接通過讀寫IO模塊控制卡上的雙端口RAM實現(xiàn)的。另一方面，無線通信卡通過其上面的USB接口加載了符合802.11b協(xié)議的無線傳輸模塊，能夠通過該模塊實現(xiàn)與有線網(wǎng)絡相連，使其與相應的現(xiàn)場總線工作站通信，其結(jié)構示意圖如圖3-1所示：

圖3-1無線通信卡的結(jié)構示意圖