基于Linux的EPA無線通信卡的實現(xiàn)

摘要：闡述了基于Linux的EPA無線通信卡的實現(xiàn)過程，成功地解決了IO模塊控制卡與其之間的通信問題，從而為實現(xiàn)了基于無線局域網(wǎng)的EPA網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研發(fā)提供了可靠保證。同時進行了簡單測試，實驗證明測試系統(tǒng)運行效果良好，達到了預(yù)期目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：EPA通信卡；無線局域網(wǎng)；Linux驅(qū)動

引言

在工業(yè)環(huán)境中，各種現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，其相互間的數(shù)據(jù)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行通信。盡管現(xiàn)場總線技術(shù)的成熟極大地減少了現(xiàn)場電纜的敷設(shè)數(shù)量，正逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的DCS技術(shù)。但在某些工業(yè)現(xiàn)場中存在著大量移動設(shè)備，如空中起重機使之很難在空中布線，在加固混凝土的地板下面也無法敷設(shè)電纜，貨運通道也不便在地面布線。甚至在高溫高壓等特殊工業(yè)環(huán)境中，往往不能敷設(shè)連到計算機的電纜，現(xiàn)場設(shè)備間無法通過有線進行相互間的通信，這給傳統(tǒng)的有線連接方式提出了挑戰(zhàn)。

無線通信技術(shù)與現(xiàn)場總線技術(shù)有機集成，有效地解決了工業(yè)現(xiàn)場面臨的諸多難題。

EPA標(biāo)準概述

EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
EPA系統(tǒng)是一種分布式系統(tǒng)，有三種子網(wǎng)：基于以太網(wǎng)(IEEE802.3)、無線局域網(wǎng)(IEEE802.11)和藍牙(IEEE802.15)的子網(wǎng)：

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

EPA系統(tǒng)中的網(wǎng)段也可以是不同類型的子網(wǎng)，即兩種或三種的結(jié)合。如基于以太網(wǎng)和無線局域網(wǎng)的兩種子網(wǎng)組成的混合網(wǎng)段。其EPA系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　EPA系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

基于無線局域網(wǎng)的EPA網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)
EPA標(biāo)準制定工作組通過對適用于工業(yè)現(xiàn)場控制的無線局域網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究，提出了支持無線局域網(wǎng)技術(shù)的實時分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的特點，考慮了基于無線局域網(wǎng)的EPA控制網(wǎng)絡(luò)的實時性、可變傳輸率下的通信性能、無線傳輸距離、無線通訊的抗干擾性和無線通訊的安全性等方面的問題，開發(fā)了基于EPA的無線分散控制站。EPA無線分散控制站由IO模塊控制卡、EPA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，達到通信效果。

基于Linux的EPA無線通信卡

EPA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，操作系統(tǒng)為Linux系統(tǒng)。

基于Linux的EPA無線通信卡的工作原理
EPA無線通信卡運行著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(yīng)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(shè)備。EPA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。EPA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，通過該模塊實現(xiàn)與EPA有線網(wǎng)絡(luò)相連，使其與相應(yīng)的EPA工作站通信，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2　基于Linux的EPA無線通信卡的結(jié)構(gòu)示意圖

基于Linux的EPA無線通信卡的軟件設(shè)計
EPA無線分散控制站中無線通信卡軟件開發(fā)基于Linux操作系統(tǒng)。由于Linux系統(tǒng)基于802.11b協(xié)議的無線驅(qū)動已經(jīng)很成熟了，而基于Linux操作系統(tǒng)的EPA協(xié)議棧軟件移植也比較容易。因此，選擇Linux系統(tǒng)會有效的提高EPA無線通信卡的開發(fā)周期。

基于Linux的EPA無線通信卡與有線的EPA通信卡在EPA協(xié)議棧和功能塊方面大致相同，僅需將應(yīng)用程序向Linux系統(tǒng)上移植即可。但由于采用了Linux系統(tǒng)在與IO模塊控制卡通信的實現(xiàn)上就相對比較復(fù)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

軟件實現(xiàn)中關(guān)鍵性問題的解決
在Linux操作系統(tǒng)下對于中斷及其他系統(tǒng)資源的操作有特定的規(guī)范，如內(nèi)核模式操作和用戶模式操作具有不同操作權(quán)限，內(nèi)核空間與用戶空間也不能隨意互訪。導(dǎo)致如EPA協(xié)議棧無法直接對雙端口RAM進行讀寫，也無法直接向I/O模塊控制卡收發(fā)中斷，在Linux系統(tǒng)下，只有在內(nèi)核模式下才可以做到。那么，怎么樣將數(shù)據(jù)寫入到雙端口RAM中，然后發(fā)送中斷信號通知對方及如何響應(yīng)對方的中斷并從雙端口RAM中讀數(shù)是軟件實現(xiàn)中的關(guān)鍵性問題。

發(fā)中斷與注冊中斷處理程序的實現(xiàn)
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(tǒng)下用戶程序無法直接對其硬件進行操作。因此，必須編寫相應(yīng)的內(nèi)核模塊，在內(nèi)核模塊中完成發(fā)中斷與注冊中斷處理程序的操作。在用戶程序中動態(tài)加載相應(yīng)內(nèi)核模塊來達到用戶程序發(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(nèi)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(shè)置*/
AT91_SYS->AIC_SMR[25]|=0X20；
//設(shè)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為指向處理這個中斷的中斷處理程序的指針
{…/*進行出錯處理*/}
else
{printk("1>request_irqok!")；
return0；}
}
voidcleanup_module(void)
{
…/*釋放資源*/
free_irq(25，NULL)； //釋放中斷線25
}

在用戶程序中發(fā)中斷時，通過調(diào)用system(send_riq)來動態(tài)執(zhí)行內(nèi)核模塊程序來控制發(fā)送中斷的管腳的信號，從而實現(xiàn)在用戶程序發(fā)中斷的效果。其發(fā)中斷的內(nèi)核模塊關(guān)鍵性代碼如下：

AT91_SYS->PIOC_PER|=AT91C_PIO_PC15；
//設(shè)置PC15IO使能
AT91_SYS->PIOC_OER|=AT91C_PIO_PC15；
//設(shè)置PC15輸出使能
//發(fā)送一個方波中斷信號
AT91_SYS->PIOC_CODR|=AT91C_PIO_PC15；
for(i=1；i1000；i++)；
//延時，內(nèi)核中不能調(diào)用sleep()函數(shù)
AT91_SYS->PIOC_SODR|=AT91C_PIO_PC15；

雙端口RAM驅(qū)動的實現(xiàn)
由于用戶程序不能直接對雙端口RAM進行讀寫，因此必須根據(jù)用戶程序的需要編寫雙端口RAM的驅(qū)動，以內(nèi)核模塊的形式動態(tài)加載到系統(tǒng)中去。Linux系統(tǒng)將所有設(shè)備都看作是文件，對設(shè)備的讀寫相當(dāng)于對文件的讀寫。雙端口RAM驅(qū)動模塊加載后，用戶程序就可以像讀寫文件一樣，間接的對雙端口RAM進行讀寫了。其雙端口RAM驅(qū)動模塊的主要實現(xiàn)過程如下：

staticintwrite_dpram(structfile*file，constchar*buf，u32count，loff_t*f_pos)
{…… /*寫初始化*/
copy_from_user(wMessage，buf，count)；
…… /*進行數(shù)據(jù)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(shù)則調(diào)用相應(yīng)的readb()和copy_to_user()函數(shù)，與寫函數(shù)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(nèi)存空間時進行相應(yīng)處理*/}
//申請使用內(nèi)存空間
base=ioremap(AT91_DPRAM，BUF_LEN3sizeof(u8))；
//為設(shè)備內(nèi)存區(qū)域分配虛擬地址
…… /*設(shè)置DPRAM讀寫時序*/
}
staticintrelease_dpram(structinode3inode，structfile3file)
{……/*釋放相應(yīng)資iounmap()和release_mem_region()；}

以上為DPRAM設(shè)備驅(qū)動的打開、讀寫、關(guān)閉函數(shù)的實現(xiàn)，然后通過以下標(biāo)記化結(jié)構(gòu)將其驅(qū)動的功能映射到前面的具體實現(xiàn)函數(shù)上：

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

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

測試系統(tǒng)

本項目所搭建的測試系統(tǒng)包括EPA無線通信卡和IO模塊控制卡兩套EPA無線設(shè)備、一臺PC機及一個燈箱，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，并通過設(shè)備A發(fā)送到以太網(wǎng)上。設(shè)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AO模塊輸出4mA～20mA電流，控制燈箱內(nèi)的可控硅模塊，進而驅(qū)動燈箱內(nèi)的燈泡，開始加熱；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(nèi)的溫度下降，從而達到保持燈箱內(nèi)溫度恒定的目的。

實驗證明，EPA無線通信卡與IO模塊控制卡之間數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，這個系統(tǒng)運行效果良好，達到了預(yù)期目標(biāo)，能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的通信要求。

圖4　測試系統(tǒng)示意圖

結(jié)語

EPA系統(tǒng)是一種分布式系統(tǒng)，將分布在現(xiàn)場的若干個設(shè)備連接起來一起運作，共同完成工業(yè)生產(chǎn)過程和操作中的測量和控制。目前，無線局域網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制中的應(yīng)用已成為當(dāng)今工業(yè)控制領(lǐng)域中的研究熱點。但將無線技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間的通信，并形成完整的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)還是空白，也沒相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準、國家標(biāo)準和國際標(biāo)準，專利也很少。因此，研究開發(fā)基于無線局域網(wǎng)的EPA通訊體系和工業(yè)現(xiàn)場控制設(shè)備原理樣機及相關(guān)軟件，形成基于EPA的分布式無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，具有很強的原創(chuàng)性。