Lonworks網(wǎng)絡(luò)虛擬監(jiān)測系統(tǒng)研究

傳統(tǒng)儀器，無論是早期的模擬儀器，還是現(xiàn)在的數(shù)字化智能儀器，雖然它們的功能日益完善和強(qiáng)大，但是所有的功能塊都以硬件的形式存在，這使對它們的開發(fā)和應(yīng)用都缺乏靈活性。虛擬儀器的出現(xiàn)是測試技術(shù)與計(jì)算機(jī)深層次的結(jié)合，從而使測試技術(shù)上升到一個新的層次。虛擬儀器在工程應(yīng)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(tǒng)儀器中的硬件來完成儀器的功能，儀器的功能可由用戶根據(jù)需要通過軟件來定義，甚至能完成傳統(tǒng)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(yīng)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)展的一個趨勢。本文介紹了一種用于Ｌｏｎｗｏｒｋｓ網(wǎng)絡(luò)（簡稱ＬＯＮ網(wǎng)）的虛擬儀器監(jiān)測系統(tǒng)，給出了采用ＬａｂＶＩＥＷ軟件開發(fā)平臺，并用Ｌｏｎｗｏｒｋｓ網(wǎng)絡(luò)作為信號傳輸通道來實(shí)現(xiàn)Ｌｏｎｗｏｒｋｓ網(wǎng)絡(luò)與虛擬儀器的接口設(shè)計(jì)以及通信方式。

１ Ｌｏｎｗｏｒｋｓ網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖１所示是一種網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖中，虛擬儀器由一臺ＰＣ機(jī)和ＬａｂＶＩＥＷ開發(fā)的應(yīng)用軟件構(gòu)成。ＬａｂＶＩＥＷ 是一種基于圖形化編程語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具，它提供有豐富的功能模塊，可以支持ＧＰＩＢ、ＰＸＩ、ＶＸＩ、串口等多種總線標(biāo)準(zhǔn)。用戶可利用不同的模塊組合來編制圖形化軟件流程圖，以實(shí)現(xiàn)多種測試功能。該系統(tǒng)操作面板設(shè)計(jì)靈活，且不受“標(biāo)準(zhǔn)件”和“工藝”的限制。

Ｌｏｎｗｏｒｋｓ總線是Ｅｃｈｅｌｏｎ公司研制的一種局部操作網(wǎng)絡(luò)，是一種串行數(shù)字通信鏈路。它支持雙絞線、電力線、光纖、同軸電纜等通信媒介，并支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，可用于建立生產(chǎn)領(lǐng)域中現(xiàn)場設(shè)備之間以及更高層次控制過程設(shè)備之間的聯(lián)系。Ｎｅｕｒｏｎ神經(jīng)元芯片是Ｌｏｎｗｏｒｋｓ系統(tǒng)設(shè)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(jié)點(diǎn)主要完成各現(xiàn)場設(shè)備的信號采集和控制，一個Ｎｅｕｒｏｎ芯片可連接多個物理Ｉ／Ｏ設(shè)備，節(jié)點(diǎn)掛接在ｌｏｎｗｏｒｋｓ總線上即可形成現(xiàn)場測控網(wǎng)絡(luò)。通過Ｎｅｕｒｏｎ芯片和ＬｏｎＴａｌｋ通信協(xié)議便可實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間以及節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)間的通信。由于總線具有串行特征，同時ＬａｂＶＩＥＷ又提供了對串口的支持，而且ＰＣ機(jī)一般都帶有串行接口，因此，可以通過串口來實(shí)現(xiàn)虛擬儀器與Ｌｏｎｗｏｒｋｓ網(wǎng)絡(luò)的交互，并通過操作軟面板形成控制信號，以控制給定的節(jié)點(diǎn)，然后由節(jié)點(diǎn)將現(xiàn)場設(shè)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(shè)計(jì)

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(shù)據(jù)格式和通信方式方面仍有較大的局限性。網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)間的通信是通過ＬｏｎＴａｌｋ通信協(xié)議用網(wǎng)絡(luò)變量或顯式消息報(bào)文的形式實(shí)現(xiàn)的。為了實(shí)現(xiàn)更靈活的應(yīng)用，筆者設(shè)計(jì)了一塊ＬＯＮ－ＲＳ２３２接口卡以實(shí)現(xiàn)ＲＳ２３２協(xié)議與ＬｏｎＴａｌｋ?yún)f(xié)議的相互轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)高速率、全雙工的通信。該接口卡的硬件結(jié)構(gòu)如圖２所示。

該接口卡包括５１協(xié)議轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換模塊由Ｐ８９Ｃ５１單片機(jī)構(gòu)成，Ｐ８９Ｃ５１也是接口卡的主ＣＰＵ，用于完成ＲＳ２３２標(biāo)準(zhǔn)信號與ＬｏｎＴａｌｋ?yún)f(xié)議之間的轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)存儲器等組成，該模塊可將主ＣＰＵ接收的報(bào)文解析成ＬｏｎＴａｌｋ?yún)f(xié)議報(bào)文，然后通過收發(fā)器傳到ＬＯＮ網(wǎng)，或?qū)模蹋希尉W(wǎng)上收到的ＬｏｎＴａｌｋ?yún)f(xié)議報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給主ＣＰＵ。ＴＭＰＮ３１５０芯片通過１１個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(shù)據(jù)線與Ｐ８９Ｃ５１的Ｐ０．０～Ｐ０．７連接，ＩＯ８作為片選信號線連接到Ｐ２．０腳，ＩＯ９為讀寫信號線，連接于Ｐ８９Ｃ５１的ＷＲ腳，ＩＯ１０為握手信號線，接Ｐ２．１腳，主機(jī)（Ｐ８９Ｃ５１）和從機(jī)（ＴＭＰＮ３１５０）之間的數(shù)據(jù)傳輸通過虛擬的寫令牌傳遞協(xié)議來實(shí)現(xiàn)，擁有令牌的一方具有對數(shù)據(jù)線的寫控制權(quán)。

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(qū)動，采用中斷驅(qū)動方式。

３　系統(tǒng)通信方式的實(shí)現(xiàn)

通常，虛擬儀器測試的物理量較少，而且被測試的設(shè)備比較集中，因而信號通道一般采用并行方式。但是在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器系統(tǒng)時，除了要解決接口問題，還要考慮由于網(wǎng)絡(luò)的多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而要解決虛擬儀器與各個節(jié)點(diǎn)的有效通信問題，如尋址信息、控制信息以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

３．１ 控制信號的傳輸

一個Ｌｏｎｗｏｒｋｓ網(wǎng)絡(luò)包括多個節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)可以監(jiān)測多個信號，即一個節(jié)點(diǎn)有多個測量通道。當(dāng)虛擬儀器要獲取某個被測量數(shù)據(jù)時，必須同時指定該被測量所在的節(jié)點(diǎn)和通道?？稍谔摂M儀器的軟面板上根據(jù)實(shí)際要測量的物理量設(shè)置選擇開關(guān)，當(dāng)選中某一開關(guān)時，這樣程序?qū)⒏鶕?jù)預(yù)先的設(shè)置自動形成包含節(jié)點(diǎn)號、通道號的控制信息，其消息格式包括節(jié)點(diǎn)號、通道號、控制命令代號共３個字節(jié)。經(jīng)過接口卡轉(zhuǎn)換后，節(jié)點(diǎn)號、通道號、控制命令代號將被寫入ＬｏｎＴａｌｋ顯式消息報(bào)文數(shù)據(jù)的前三個字節(jié)，報(bào)文消息代碼為ＣＯＮＴＲＬ＿ＭＳＧ，該報(bào)文以廣播方式在ＬＯＮ網(wǎng)上傳播。具體實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)

ｆａｒ ｐｉｏ ｐ_ｉｎ;

ｍｓｇ_ｔａｇ ｔａｇ_ｏｕｔ０;