Lonworks網絡虛擬監測系統研究

傳統儀器，無論是早期的模擬儀器，還是現在的數字化智能儀器，雖然它們的功能日益完善和強大，但是所有的功能塊都以硬件的形式存在，這使對它們的開發和應用都缺乏靈活性。虛擬儀器的出現是測試技術與計算機深層次的結合，從而使測試技術上升到一個新的層次。虛擬儀器在工程應用方面具有突出的優勢，它可在通用硬件平臺確定之后，用軟件取代傳統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需要通過軟件來定義，甚至能完成傳統儀器因工藝和制造水平的限制而難以完成的測試工作。隨著通信技術和網絡技術的不斷發展，將網絡技術應用到虛擬儀器領域，以形成網絡化虛擬儀器是虛擬儀器發展的一個趨勢。本文介紹了一種用于Ｌｏｎｗｏｒｋｓ網絡（簡稱ＬＯＮ網）的虛擬儀器監測系統，給出了采用ＬａｂＶＩＥＷ軟件開發平臺，并用Ｌｏｎｗｏｒｋｓ網絡作為信號傳輸通道來實現Ｌｏｎｗｏｒｋｓ網絡與虛擬儀器的接口設計以及通信方式。

１ Ｌｏｎｗｏｒｋｓ網絡虛擬儀器系統的結構

圖１所示是一種網絡虛擬儀器系統的結構框圖。圖中，虛擬儀器由一臺ＰＣ機和ＬａｂＶＩＥＷ開發的應用軟件構成。ＬａｂＶＩＥＷ 是一種基于圖形化編程語言的虛擬儀器軟件開發工具，它提供有豐富的功能模塊，可以支持ＧＰＩＢ、ＰＸＩ、ＶＸＩ、串口等多種總線標準。用戶可利用不同的模塊組合來編制圖形化軟件流程圖，以實現多種測試功能。該系統操作面板設計靈活，且不受“標準件”和“工藝”的限制。

Ｌｏｎｗｏｒｋｓ總線是Ｅｃｈｅｌｏｎ公司研制的一種局部操作網絡，是一種串行數字通信鏈路。它支持雙絞線、電力線、光纖、同軸電纜等通信媒介，并支持多種網絡拓撲，可用于建立生產領域中現場設備之間以及更高層次控制過程設備之間的聯系。Ｎｅｕｒｏｎ神經元芯片是Ｌｏｎｗｏｒｋｓ系統設備的核心器件。在Ｌｏｎ-ｗｏｒｋｓ網絡中，以Ｎｅｕｒｏｎ芯片為核心的智能節點主要完成各現場設備的信號采集和控制，一個Ｎｅｕｒｏｎ芯片可連接多個物理Ｉ／Ｏ設備，節點掛接在ｌｏｎｗｏｒｋｓ總線上即可形成現場測控網絡。通過Ｎｅｕｒｏｎ芯片和ＬｏｎＴａｌｋ通信協議便可實現各節點之間以及節點和上位機間的通信。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機一般都帶有串行接口，因此，可以通過串口來實現虛擬儀器與Ｌｏｎｗｏｒｋｓ網絡的交互，并通過操作軟面板形成控制信號，以控制給定的節點，然后由節點將現場設備的狀態信號送到虛擬儀器進行顯示和分析。

２ 虛擬儀器與Ｌｏｎｗｏｒｋｓ接口卡的設計

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、數據格式和通信方式方面仍有較大的局限性。網絡上節點間的通信是通過ＬｏｎＴａｌｋ通信協議用網絡變量或顯式消息報文的形式實現的。為了實現更靈活的應用，筆者設計了一塊ＬＯＮ－ＲＳ２３２接口卡以實現ＲＳ２３２協議與ＬｏｎＴａｌｋ協議的相互轉換，從而實現高速率、全雙工的通信。該接口卡的硬件結構如圖２所示。

該接口卡包括５１協議轉換模塊、ＬＯＮ網接口模塊和ＲＳ２３２通信模塊。接口卡采用雙ＣＰＵ技術。５１協議轉換模塊由Ｐ８９Ｃ５１單片機構成，Ｐ８９Ｃ５１也是接口卡的主ＣＰＵ，用于完成ＲＳ２３２標準信號與ＬｏｎＴａｌｋ協議之間的轉換。接口卡向上經ＲＳ２３２通信模塊與虛擬儀器進行通信；向下與ＴＭＰＮ３１５０進行并口通信。

ＬＯＮ網接口模塊由ＴＭＰＮ３１５０芯片、收發器ＦＴＴ－１０Ａ、程序存儲器、數據存儲器等組成，該模塊可將主ＣＰＵ接收的報文解析成ＬｏｎＴａｌｋ協議報文，然后通過收發器傳到ＬＯＮ網，或將從ＬＯＮ網上收到的ＬｏｎＴａｌｋ協議報文轉發給主ＣＰＵ。ＴＭＰＮ３１５０芯片通過１１個Ｉ／Ｏ口（ＩＯ０～ＩＯ１０）與Ｐ８９Ｃ５１進行連接，它采用并行Ｉ／Ｏ模式的從Ａ工作方式。在這種方式下，ＩＯ０～ＩＯ７將作為雙向數據線與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（Ｐ８９Ｃ５１）和從機（ＴＭＰＮ３１５０）之間的數據傳輸通過虛擬的寫令牌傳遞協議來實現，擁有令牌的一方具有對數據線的寫控制權。

ＲＳ２３２通信模塊由ＲＳ２３２接口芯片完成串口通信網絡的鏈路和協議。它由Ｐ８９Ｃ５１的ＵＡＲＴ進行驅動，采用中斷驅動方式。

３　系統通信方式的實現

通常，虛擬儀器測試的物理量較少，而且被測試的設備比較集中，因而信號通道一般采用并行方式。但是在設計網絡虛擬儀器系統時，除了要解決接口問題，還要考慮由于網絡的多種拓撲結構而要解決虛擬儀器與各個節點的有效通信問題，如尋址信息、控制信息以及數據傳輸等。

３．１ 控制信號的傳輸

一個Ｌｏｎｗｏｒｋｓ網絡包括多個節點，每個節點可以監測多個信號，即一個節點有多個測量通道。當虛擬儀器要獲取某個被測量數據時，必須同時指定該被測量所在的節點和通道?？稍谔摂M儀器的軟面板上根據實際要測量的物理量設置選擇開關，當選中某一開關時，這樣程序將根據預先的設置自動形成包含節點號、通道號的控制信息，其消息格式包括節點號、通道號、控制命令代號共３個字節。經過接口卡轉換后，節點號、通道號、控制命令代號將被寫入ＬｏｎＴａｌｋ顯式消息報文數據的前三個字節，報文消息代碼為ＣＯＮＴＲＬ＿ＭＳＧ，該報文以廣播方式在ＬＯＮ網上傳播。具體實現代碼如下：

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; ／／定義并口通信結構

ｆａｒ ｐｉｏ ｐ_ｉｎ;

ｍｓｇ_ｔａｇ ｔａｇ_ｏｕｔ０;

ｗｈｅｎ(ｉｏ_ｉｎ_ｒｅａｄｙ(ｓ_ｂｕｓ))? ／／并口有數據來

{

ｐ_ｉｎ．ｌｅｎｇｔｈ＝ＤＡＴＡ_ＳＩＺＥ?

ｉｏ_ｉｎ(ｓ_ｂｕｓ,＆ｐ_ｉｎ);? ／／從并口讀取數據

／／構造顯式報文

ｍｓｇ_ｏｕｔ．ｃｏｄｅ＝ＣＯＮＴＲＬ_ＭＳＧ? ／／ＣＯＮＴＲＬ_ＭＳＧ是預定義的消息代碼

ｍｅｍｃｐｙ(ｍｓｇ_ｏｕｔ．ｄａｔａ,ｐ_ｉｎ．ｄａｔａ,３);?

ｍｓｇ_ｏｕｔ．ｄｅｓｔ_ａｄｄｒ．ｂｃａｓｔ．ｔｙｐｅ＝ＢＲＯＡＤＣＡＳＴ;

ｍｓｇ_ｏｕｔ．ｄｅｓｔ_ａｄｄｒ．ｂｃａｓｔ．ｄｏｍａｉｎ＝０;?

ｍｓｇ_ｏｕｔ．ｄｅｓｔ_ａｄｄｒ．ｂｃａｓｔ．ｓｕｂｎｅｔ＝０;

ｍｓｇ_ｏｕｔ．ｔａｇ＝ｔａｇ_ｏｕｔ０;

ｍｓｇ_ｓｅｎｄ();??

}

一般情況下，節點通過ｗｈｅｎ(ｍｓｇ_ａｒｒｉｖｅｓ(ＣＯＮＴＲＬ_ＭＳＧ))接收該消息，然后判斷消息數據的第一個字節的節點信息，如果不是本節點，則不作處理，如果是本節點，再判斷第二個字節的通道號，然后作相應的處理并將選中通道的數據傳送出去。

    ３．２ 測量數據的傳輸

在測控系統中，各個需要測量的參數每次需要采集的數據個數可能各不相同，少的可能只有一個數據，多的可能有上千個數據，因此節點收到虛擬儀器傳來的控制信號后，選中通道的監測數據要采用顯式消息報文傳輸。在ＬＯＮ網中，設計的接口卡也是一個節點，當其余節點收到發給本節點的控制信號后，會同時將相應通道的數據都發送到接口卡上。筆者采用的是消息標簽尋址。消息標簽是顯式消息的一個連接點。網絡管理工具給輸入標簽和每個輸出標簽都會賦一個唯一的網絡地址。這樣，利用捆綁器可將各個節點發送給接口卡的顯式報文的消息標簽與接口卡節點的消息輸入對象ｍｓｇ＿ｉｎ連接起來，這樣就可以實現點對點的數據傳送。下面以節點２收到要求發送給１號通道的數據，且該通道每次發送４０個字節的數據為例，給出其發送程序：

ｍｓｇ_ｔａｇ ＬＯＮ_２３２;

ｗｈｅｎ(ｍｓｇ_ａｒｒｉｖｅｓ(ＣＯＮＴＲＬ_ＭＳＧ))

{

ｉｆ(ｍｓｇ_ｉｎ．ｄａｔａ[０]＝＝２)

{

ｓｗｉｔｃｈ(ｍｓｇ_ｉｎ．ｄａｔａ[１])?

{ ｃａｓｅ １: ／／通道１

ｍｓｇ_ｏｕｔ．ｔａｇ＝ＬＯＮ_２３２;

ｍｓｇ_ｏｕｔ．ｃｏｄｅ＝０ｘ０ｃ;? ／／消息代碼，接口卡依此處理接收的數據

ｍｓｇ_ｏｕｔ．ｓｅｒｖｉｃｅ＝ＡＣＫＤ;

ｍｅｍｃｐｙ(?ｍｓｇ_ｏｕｔ．ｄａｔａ,ｃｈ１_ｂｕｆ,４０);

ｍｓｇ_ｓｅｎｄ();??

ｂｒｅａｋ;

ｃａｓｅ ２: ／／其他通道的處理

．．．．．．

}

}

}

ＬＯＮ_２３２是定義的輸出消息標簽，由網絡管理器將ＬＯＮ_２３２與接口卡的輸入消息標簽ｍｓｇ_ｉｎ相關聯。在接口卡上對該消息進行處理的程序如下：

ｆａｒ ｐｉｏ ｐ_ｏｕｔ;

ｗｈｅｎ(ｍｓｇ_ａｒｒｉｖｅｓ(０ｘ０ｃ))

{

ｐ_ｏｕｔ．ｌｅｎｇｔｈ＝ｍｓｇ_ｉｎ．ｌｅｎ;

ｍｅｍｃｐｙ(ｐ_ｏｕｔ．ｄａｔａ,ｍｓｇ_ｉｎ．ｄａｔａ,ｍｓｇ_ｉｎ．ｌｅｎ);

／／接收從ＬＯＮ網來的數據

ｍｉｏ_ｏｕｔ_ｒｅｑｕｅｓｔ(ｓ＿ｂｕｓ);? ／／向并口總線請求獲取令牌

}

ｗｈｅｎ(ｉｏ_ｏｕｔ_ｒｅａｄｙ(ｓ_ｂｕｓ))

{

ｉｏ_ｏｕｔ(ｓ_ｂｕｓ,＆ｐ_ｏｕｔ); ／／數據傳向并口總線

}

４　結束語

采用Ｌｏｎｗｏｒｋｓ網絡化虛擬儀器，可將所有測量通道的數據都在Ｌｏｎｗｏｒｋｓ總線上進行傳輸，從而避免了多通道并行布線的弊端，有效實現了遠程數據的采集和控制。通過該網絡接口卡可使虛擬儀器任意掛接在ＬＯＮ網的任何地方，因而可以做成便攜式儀器，并方便靈活地在ＬＯＮ網上進行測試。