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          EPA控制網(wǎng)絡(luò)中ZigBee接入點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)

          ——
          作者:王泉 劉雙梅 李敏 蔣建春 時(shí)間:2006-09-07 來源:單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 收藏
           引言

          在國家863計(jì)劃的連續(xù)滾動支持下,重慶郵電學(xué)院作為核心單位參與制定了國家標(biāo)準(zhǔn)——《用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA(Ethernet for plant automation)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和通信標(biāo)準(zhǔn)》(簡稱“EPA標(biāo)準(zhǔn)”)。在此基礎(chǔ)上形成的65C/357/NP以95.8%的得票率被國際電工委員會IEC 發(fā)布為IEC/PAS 62409,作為第14類型列入實(shí)時(shí)以太網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 617482、作為第14類型將列入現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158(修訂版)。

          EPA標(biāo)準(zhǔn)是一種基于以太網(wǎng)、局域網(wǎng)、藍(lán)牙等信息通信技術(shù),適用于工業(yè)自動化控制系統(tǒng)裝置與儀器儀表間、工業(yè)自動化儀器儀表相互間數(shù)據(jù)通信的工業(yè)控制通信標(biāo)準(zhǔn)。

          ZigBee是一種低速率(2 kbps~200 kbps)WPAN IEEE標(biāo)準(zhǔn),傳輸速率只有100 Kbps,同時(shí),它又具有低功耗,架構(gòu)簡單,成本低的特點(diǎn),適用于多種需求,尤其對工控(監(jiān)視器、傳感器和自動控制設(shè)備)等領(lǐng)域更是顯示出其獨(dú)有的優(yōu)勢。

          在EPA中,引入ZigBee技術(shù)是新提出的研究課題。本文重點(diǎn)研究如何將ZigBee通信與有線的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)進(jìn)行融合,提出一種 ZigBee接入EPA網(wǎng)絡(luò)的方案,并按照提出的方案設(shè)計(jì)一種實(shí)施實(shí)例設(shè)備——EPAZigBee接入點(diǎn)設(shè)備。經(jīng)過多次反復(fù)的測試、檢測,目前 EPAZigBee接入點(diǎn)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定,工作可靠、安全,可以滿足工作現(xiàn)場的多種需要。

          1  ZigBee接入EPA網(wǎng)絡(luò)的方案

          1.1  ZigBee接入點(diǎn)接入EPA組網(wǎng)方案

          EPA是有線的網(wǎng)絡(luò),而ZigBee是無線通信技術(shù),針對如何將ZigBee技術(shù)接入到EPA網(wǎng)絡(luò)這個(gè)研究課題,提出了一種組網(wǎng)方案。在這個(gè)方案中,EPA有線網(wǎng)絡(luò)由遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、應(yīng)用計(jì)算機(jī)、EPA服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫等構(gòu)成;ZigBee網(wǎng)絡(luò)由EPA現(xiàn)場設(shè)備和EPAZigBee接入點(diǎn)構(gòu)成。 EPA有線網(wǎng)絡(luò)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間通過EPAZigBee接入點(diǎn)連接,EPAZigBee接入點(diǎn)負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星形、樹形和網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)?,可以對多個(gè)ZigBee設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)。

          在整個(gè)方案中,ZigBee接入點(diǎn)是EPA控制網(wǎng)絡(luò)中的重要設(shè)備之一,是負(fù)責(zé)終端設(shè)備的管理及協(xié)調(diào)無線與有線網(wǎng)絡(luò)之間通信的關(guān)鍵部件。 ZigBee接入點(diǎn)具有將ZigBee設(shè)備接入EPA有線網(wǎng)絡(luò)的功能,是連接EPA有線網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的橋接設(shè)備。ZigBee接入點(diǎn)作為無線訪問點(diǎn),ZigBee終端設(shè)備采集現(xiàn)場數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、打包,通過無線鏈路發(fā)送到ZigBee接入點(diǎn)。這里EPAZigBee接入點(diǎn)是一個(gè)具有接入點(diǎn)功能的ZigBee模塊,相當(dāng)于一個(gè)EPA網(wǎng)關(guān),將ZigBee中的每一個(gè)現(xiàn)場設(shè)備映射一個(gè)IP地址與TCP/UDP端口,實(shí)現(xiàn)IP地址與 TCP/UDP端口與ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址的互相轉(zhuǎn)換,從而使EPA有線網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備可以通過IP地址與TCP/UDP端口訪問每一個(gè)現(xiàn)場設(shè)備。

          1.2  ZigBee接入EPA網(wǎng)絡(luò)層次協(xié)議模型

          考慮到控制網(wǎng)絡(luò)中傳送的信息多為短幀信息,且信息交換頻繁的特點(diǎn),同時(shí)為了使控制網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議簡單實(shí)用,提高工作效率和通信的實(shí)時(shí)性及時(shí)間的確定性,縮短系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間,在分析控制系統(tǒng)的特點(diǎn)、IEEE802.15.4協(xié)議與ZigBee協(xié)議的基礎(chǔ)上,以及在EPA中ZigBee接入可行性的基礎(chǔ)上,提出EPA接入設(shè)備與IEEE802.15.4/ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議層次,EPA接入設(shè)備與EPA有線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議層次的應(yīng)用模型。該通信協(xié)議的層次體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

                       epa中zigbee通信協(xié)議的應(yīng)用模型
                                          圖1  EPA中ZigBee通信協(xié)議的應(yīng)用模型

          在這個(gè)通信協(xié)議層次中,IEEE802.15.4/ZigBee各層協(xié)議的功能如下:

          ①  物理層。IEEE802.15.4運(yùn)行在2.4 GHz ISM頻段。采用直接序列擴(kuò)頻DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)調(diào)制方式,降低數(shù)字集成電路的成本,并且都使用相同的包結(jié)構(gòu),以便短作業(yè)周期、低功耗地運(yùn)作。

          ②  MAC層。它負(fù)責(zé)處理所有的物理無線信道訪問,并產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信號和同步信號,支持PAN連接和分離,提供兩個(gè)對等MAC實(shí)體之間可靠的鏈路等。

          ③  EPA應(yīng)用層。EPA應(yīng)用層為用戶應(yīng)用進(jìn)程間的數(shù)據(jù)通信提供接口。針對工業(yè)控制實(shí)時(shí)應(yīng)用,提供了變量訪問服務(wù)、事件管理服務(wù)、文件上裝/下載服務(wù)等實(shí)時(shí)通信服務(wù)。

          發(fā)送時(shí),EPA應(yīng)用進(jìn)程在調(diào)用應(yīng)用層服務(wù)時(shí),應(yīng)該提供所有服務(wù)所需要的參數(shù),然后由應(yīng)用層服務(wù)將數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼后,傳給網(wǎng)絡(luò)接口層對象,調(diào)用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

          接收時(shí),應(yīng)用層收到來自通信端口的數(shù)據(jù)后,上傳給應(yīng)用層服務(wù),由應(yīng)用層服務(wù)根據(jù)服務(wù)報(bào)文中的目的應(yīng)用進(jìn)程標(biāo)識ID,將接收到的數(shù)據(jù)傳送到應(yīng)用層中相應(yīng)的用戶應(yīng)用進(jìn)程,由用戶應(yīng)用進(jìn)程對相應(yīng)的參量進(jìn)行更新和進(jìn)一步處理。

          2  EPAZigBee接入點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

          ZigBee現(xiàn)場設(shè)備采集的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后通過無線鏈路傳送到ZigBee接入點(diǎn)。ZigBee接入點(diǎn)的接口電路如圖2所示。

          MCU采用新華龍公司代理的C8051F120。它是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片,具有128 KB Flash存儲器,8 448字節(jié)的片內(nèi)RAM,峰值為100,64個(gè)數(shù)字I/O引腳。采用C8050F120主要是考慮到系統(tǒng)處理的存儲量和處理速度,在接入點(diǎn)需要處理的請求較終端多,所以使用C8050F120更加合理。RAM存儲器的型號為IS62LV2568,存儲空間為256 KB,工作電壓也是3.3 V。采用RAM的主要目的是擴(kuò)展C8051F120的內(nèi)存,因?yàn)樵谶@里需要燒寫EPA協(xié)議堆棧,需要的內(nèi)存空間比較大。

          ZigBee模塊為IPLink1270。這是一款完全符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)與ZigBee規(guī)范的2.4 GHz無線收發(fā)模塊。模塊提供了一系列的命令,允許很方便地對模塊的各種關(guān)鍵屬性進(jìn)行配置,用戶可以使用終端配置工具或者利用模塊的UART進(jìn)行參數(shù)的配置。該模塊的功能主要是對工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備(同樣具有IPLink1270模塊)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制,數(shù)據(jù)和控制信息通過有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇C機(jī)上顯示或從PC 機(jī)上輸入。

          RTL8019AS以太網(wǎng)控制器是由Realtek公司生產(chǎn)的。這種高集成以太網(wǎng)控制器芯片集成了介質(zhì)訪問控制子層(MAC)和物理層的性能,可以方便地設(shè)計(jì)基于ISA總線的系統(tǒng),與通用單片機(jī)的接口簡單。另外,它還具有與NE2000兼容、軟件可移植性好,以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),在市場上的10 Mbps網(wǎng)卡中占有相當(dāng)?shù)谋壤?/P>

          3  EPAZigBee接入點(diǎn)的軟件實(shí)現(xiàn)

          接入點(diǎn)的軟件實(shí)現(xiàn)大致由3個(gè)模塊組成:ZigBee與C8051F120之間的驅(qū)動和通信,C8051F120與RTL8019之間的驅(qū)動和通信,ZigBee報(bào)文轉(zhuǎn)換為EPA報(bào)文。在介紹軟件實(shí)現(xiàn)部分之前先簡要介紹ZigBee接入點(diǎn)的協(xié)議模型。

          3.1  ZigBee接入點(diǎn)的通信過程

          下面是設(shè)計(jì)的ZigBee接入點(diǎn)的協(xié)議模型,如圖3所示。基本原理就是在ZigBee的MAC層之上,通過網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建ZigBee PAN實(shí)現(xiàn)模式之一自組織網(wǎng)絡(luò)SON。這是帶有ZigBee的設(shè)備間所形成的網(wǎng)絡(luò)??蛻舳撕徒尤朦c(diǎn)都是PAN的成員,同時(shí)對接入點(diǎn)來說又要實(shí)現(xiàn) ZigBee PAN的另一種實(shí)現(xiàn)模式網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)NAP功能,其他帶有ZigBee的設(shè)備在是PAN成員的基礎(chǔ)上才能通過NAP接入有線網(wǎng)絡(luò)。

          zigbee接入點(diǎn)接口電路 


                                                  圖2  ZigBee接入點(diǎn)接口電路

                                       zigbee接入點(diǎn)的協(xié)議模型圖
                                                  圖3  ZigBee接入點(diǎn)的協(xié)議模型圖

          用網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)ZigBee接入點(diǎn)的通信過程是,連接完全建立之后,ZigBee設(shè)備與以太網(wǎng)設(shè)備之間的通信過程可描述如下:應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)經(jīng) MAC層和LLC層打包后,再分別加上各層的分組頭對其進(jìn)行封裝,然后將封裝過的數(shù)據(jù)包通過物理層發(fā)送給EPAZigBee接入點(diǎn)設(shè)備的對應(yīng)物理層。在 EPAZigBee接入點(diǎn)設(shè)備中,各對應(yīng)層將對接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解包,整個(gè)解包的過程與封裝的順序相反。解出的數(shù)據(jù)包將交給LLC層重新進(jìn)行封裝,并經(jīng) 802.3 MAC層進(jìn)一步封裝之后通過物理層接口傳到EPA網(wǎng)絡(luò)上。EPA現(xiàn)場設(shè)備接收到上述數(shù)據(jù)包后,也將執(zhí)行解包的過程,直到得到發(fā)送端應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)為止。

          3.2  ZigBee與C8051F120之間的驅(qū)動和通信

          ZigBee模塊為2.4 GHz的無線收發(fā)模塊,采用的串口波特率是38 400 bps。ZigBee模塊與C8051F120的連接采用UART1串口驅(qū)動。(編寫UART1的串口驅(qū)動程序,實(shí)現(xiàn)ZigBee模塊與C8051F120通信連接的源程序略)

          3.3  C8051F120與RTL8019之間的驅(qū)動和通信

          RTL8019與C8051F120之間的連接由數(shù)據(jù)線、地址線和控制線組成,要完成它們之間的通信需要編寫兩者的串口驅(qū)動和通信程序。

          3.4  ZigBee報(bào)文轉(zhuǎn)換為EPA報(bào)文

          需要將接收到的ZigBee報(bào)文轉(zhuǎn)化為EPA報(bào)文,才能最終完成工業(yè)現(xiàn)場中的ZigBee應(yīng)用。ZigBee模塊接收到的是按照ZigBee協(xié)議封裝的報(bào)文,需要將其中的數(shù)據(jù)字段(DATA)取出,并加上EPA協(xié)議定義的報(bào)頭、包尾等字段,將其轉(zhuǎn)化為EPA協(xié)議定義的標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文格式。

          從ZigBee協(xié)議格式中提取設(shè)備的數(shù)據(jù)參數(shù):

              #ifdef ADD_ZIGBEE_MODLE
            static void perform_ZigBee_cmd(void);
            void init_task_ZigBee(void)
            加載EPA報(bào)文字段:
            VarDistribute(); //變量發(fā)布
            void setdata(float arg1, float arg2)

          4  結(jié)論

          工業(yè)環(huán)境對ZigBee技術(shù)的需求已經(jīng)越來越受到業(yè)界的關(guān)注。ZigBee技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用不同于其他的應(yīng)用,在工業(yè)應(yīng)用中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息較短,但非常重要,信息傳輸要準(zhǔn)確,而且工業(yè)設(shè)備通常置于很惡劣的環(huán)境,如高溫﹑強(qiáng)列震動等;同時(shí)功耗也是一個(gè)重要問題,若使用電池,則需要經(jīng)常人為更換,其可用性就有待考慮。ZigBee技術(shù)低速率、低功耗、低成本,架構(gòu)簡單、體積小,正好滿足工業(yè)現(xiàn)場的需求,同時(shí)安全性和可靠性使它的應(yīng)用前景非常樂觀。

          綜合起來, ZigBee接入點(diǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)和接入EPA網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn),證明了ZigBee接入EPA網(wǎng)絡(luò)的可行性。ZigBee接入EPA網(wǎng)絡(luò)是對現(xiàn)有EPA無線接入方式的重要和有意義的補(bǔ)充。編者注: 本文為期刊縮略版,全文見本刊網(wǎng)站: www.mesnet.com.cn

                 參考文獻(xiàn)

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