基于多現(xiàn)場總線的嵌入式智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)

與以往的ps485-232網(wǎng)絡(luò)相比，現(xiàn)場總線（如can、lonzer、deviceset等）具有反應(yīng)速度快、可靠性高的特點(diǎn)。它是工業(yè)和建筑領(lǐng)域分布網(wǎng)絡(luò)的主要設(shè)計方案。某智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)要求:①能覆蓋3萬~30萬m考慮上述因素,本文基于嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),采用多種通訊協(xié)議,在不同層面上滿足系統(tǒng)設(shè)計要求·1多協(xié)議混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.1主從式通訊監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成圖1為嵌入式智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖·系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,各個部分掛接于不同的總線,可根據(jù)建筑物規(guī)模和特定需求,增減相應(yīng)的功能單元;主控制器能直接控制8個設(shè)備巡檢回路,共1584個I/O點(diǎn),約可覆蓋3萬m系統(tǒng)各通訊協(xié)議選取如下:①系統(tǒng)基礎(chǔ)總線選用成本較低,且技術(shù)成熟的CAN總線,主控制器與區(qū)域控制器、繼電器集控器、聯(lián)動盤均掛接于CAN總線,各節(jié)點(diǎn)都處于對等地位,相互之間可以主動發(fā)送信息;②考慮遠(yuǎn)程顯示的遠(yuǎn)距、低速、不影響系統(tǒng)速度的特點(diǎn),采用RS485構(gòu)成主從式通訊;③監(jiān)控中心通過RS232與主控制器連接,僅負(fù)責(zé)監(jiān)控畫面的顯示和部分簡單的人工控制操作;④不通過PC機(jī),而由主控制器自身提供通過Ethernet進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問的能力;⑤操作人員的便攜PC通過USB接口與主控制器之間實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)傳輸·系統(tǒng)所使用的通訊協(xié)議如表1所示·1.2n-a-c-nn-a節(jié)點(diǎn)保護(hù)基本CAN通訊網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)最多為110個,通訊速率設(shè)為50kbit/s·考慮到建筑物內(nèi)電磁信號的復(fù)雜性,采用總線隔離器將基本通訊網(wǎng)絡(luò)分為內(nèi)、外兩部分·總線傳輸介質(zhì)采用普通雙絞線,最遠(yuǎn)通訊距離為1500m·根據(jù)CAN協(xié)議的特性,允許多站點(diǎn)同時發(fā)送信息,所采用的含循環(huán)冗余校驗(yàn)的短幀結(jié)構(gòu)保證了信息處理的實(shí)時性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴AN節(jié)點(diǎn)在出現(xiàn)嚴(yán)重錯誤的情況下,自動切斷與總線的聯(lián)系,以使總線上的其他操作不受影響·該子網(wǎng)絡(luò)包括1個主控制器及其所屬8個回路卡、12個區(qū)域控制器、20個繼電器集控器和32個總線聯(lián)動盤等5種類型共73個節(jié)點(diǎn)·按照重要程度,通過CAN總線標(biāo)識符將節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級劃定為:主控制器>區(qū)域控制器/回路卡>總線聯(lián)動盤>繼電器集控器·區(qū)域控制器同樣管理1584個監(jiān)控點(diǎn),具有完全的聯(lián)動控制能力,在與主控制器失去聯(lián)絡(luò)的情況下可以自主完成本區(qū)域的監(jiān)控·由于采用對等結(jié)構(gòu),主控制器損壞時,區(qū)域控制器仍能通過CAN總線與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)信息讀取和動作控制·1.3遠(yuǎn)程顯示終端的監(jiān)控遠(yuǎn)程顯示系統(tǒng)對實(shí)時性的要求相對較低·但由于其自身不存儲系統(tǒng)配置信息,在事件發(fā)生時,全部信息內(nèi)容需從主控制器下傳,數(shù)據(jù)量較大·與監(jiān)控裝置相比,遠(yuǎn)程顯示終端對系統(tǒng)反應(yīng)速度要求較低,但對數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性要求較高·此外,遠(yuǎn)程顯示終端的安裝距離通常較遠(yuǎn),最遠(yuǎn)達(dá)1500m·考慮上述因素,采用RS485構(gòu)成主從式通訊是合適的·在設(shè)定通訊速率為20kbit/s的條件下,對于40字節(jié)的事件信息包,即使按最極端情況同時發(fā)生多個事件,系統(tǒng)也能夠完全保證在20s內(nèi)完成數(shù)據(jù)發(fā)送·在系統(tǒng)空閑時,由主控制器對該子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行在線狀態(tài)掃描,判斷缺失的遠(yuǎn)程顯示終端并進(jìn)行登記和報警·遠(yuǎn)程顯示終端配備了一級基本漢字庫的3000個漢字,具有中文顯示能力,從而降低了中文信息的數(shù)據(jù)傳輸量·2監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計2.1對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和數(shù)據(jù)檢驗(yàn)主控制器是整個系統(tǒng)的核心,負(fù)責(zé)系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)和設(shè)備的數(shù)據(jù)管理和事件控制,實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心和數(shù)據(jù)管理軟件之間的數(shù)據(jù)通訊·作為系統(tǒng)的通訊中樞,主控制器是所有信息終端的信息來源或目的地·其主要通訊功能是:通過各種物理接口接收這些信息,對其進(jìn)行解析、轉(zhuǎn)換和處理,按類別存入歷史記錄,或轉(zhuǎn)發(fā)至指定的目的地;同時,對所有的新數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn),按照邏輯運(yùn)算關(guān)系式和規(guī)定的準(zhǔn)則進(jìn)行運(yùn)算;然后,將控制信息按規(guī)定的格式封裝為合適的數(shù)據(jù)包,傳送給相應(yīng)的物理接口進(jìn)行分發(fā)·通訊中樞的信息處理流圖如圖2所示·系統(tǒng)信息來源包括鍵盤操作、定時事件、監(jiān)視裝置探測到的異常事件、便攜PC的數(shù)據(jù)傳輸命令、監(jiān)控中心的控制命令等·考慮系統(tǒng)對通訊性能的要求,主控制器的CPU選用32位微處理器MCF5282·其最高頻率可達(dá)66MHz,外部可擴(kuò)展存儲空間達(dá)2MB程序Flash,16MB數(shù)據(jù)Flash和64MB數(shù)據(jù)RAM,內(nèi)置CAN總線、UART和Ethernet接口,并具有很強(qiáng)的外設(shè)擴(kuò)展能力,能夠滿足系統(tǒng)處理速度和通訊擴(kuò)展需要·2.2控制器輸出聯(lián)動邏輯的保持系統(tǒng)在處理報警信息時,能夠同時控制聯(lián)動設(shè)備動作·聯(lián)動邏輯的層次、覆蓋范圍與靈活性,在一定程度上決定了系統(tǒng)的智能程度·引入了聯(lián)動矩陣的概念,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生報警后,若控制器處于“自動”狀態(tài),控制器將自動完成聯(lián)動控制輸出·所采用的聯(lián)動邏輯基本格式為輸出元素=(控制條件每條控制邏輯的執(zhí)行過程為:控制條件(為“真”)→邏輯關(guān)系(與、或)→控制輸出·控制條件可以是單個的編址單元或具有一定邏輯關(guān)系的組,個數(shù)沒有限制·它們之間的邏輯關(guān)系有6種:與、始與、終與、或、始或、終或·MCF5282強(qiáng)大的運(yùn)算能力能夠在極短時間內(nèi)完成多達(dá)4層聯(lián)動邏輯的運(yùn)算,滿足系統(tǒng)對復(fù)雜控制條件的處理,從而使系統(tǒng)的聯(lián)動設(shè)計具有很高的靈活性和智能性·2.3基于面向虛擬儀器的受配式變槳恒頻監(jiān)控系統(tǒng)的flusac連續(xù)提取證據(jù)基于fluscarMCF5282集成的FlexCAN控制器支持CAN2·0B規(guī)范,主要由CAN內(nèi)核、消息RAM、消息處理單元和控制寄存器組成·共有16個隨意配置為發(fā)送和接收的消息體,每個都有自己的識別掩碼,所有的數(shù)據(jù)傳輸和接收濾波都是由CAN控制器完成的·通訊中樞的CAN總線通訊以FlexCAN控制器為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計,充分利用了10個消息體:①其中8個消息體配置為4對,每對各有一個負(fù)責(zé)接收和發(fā)送,專用于處理其他CAN節(jié)點(diǎn)的信息,包括區(qū)域控制器、繼電器卡、聯(lián)動盤、回路卡等;②1對消息體用于負(fù)責(zé)發(fā)送信息廣播和接收節(jié)點(diǎn)登記信息·消息體的機(jī)制使得中樞節(jié)點(diǎn)CAN信息的處理十分簡捷而及時,保證了系統(tǒng)的響應(yīng)速度·CAN總線的收發(fā)器采用了Philips公司的PCA82C250,中間采用6N137高速光電隔離器,避免干擾信號進(jìn)入主控制器·2.4usb接口電路設(shè)計主控制器USB接口采用的PDIUSBD12芯片符合USB1·1規(guī)范,是一款高性能接口器件·由于MCF5282的讀寫時序與D12芯片不符,采用XC95108型CPLD芯片對時序進(jìn)行調(diào)整·具體做法是:將D12的片選,MCF5282的CLKOUT,RD,WR等4個信號作為輸入引入CPLD,按照D12芯片讀寫時序生成邏輯讀寫信號·該系統(tǒng)的接口原理如圖3所示·為了不影響程序的執(zhí)行效率,采用中斷方式完成固件編寫,將IRQ7分配給USB傳輸,并設(shè)為最高優(yōu)先級·在中斷服務(wù)程序中設(shè)置USB事件標(biāo)志·在主循環(huán)中輪番查詢事件標(biāo)志,并轉(zhuǎn)向相應(yīng)處理程序·PDIUSBD12支持所有4種USB數(shù)據(jù)傳輸方式·實(shí)際使用了控制傳輸、中斷傳輸和批量傳輸·控制傳輸只用來傳遞控制信息,固定使用端點(diǎn)0;中斷傳輸使用端點(diǎn)1,用來傳送網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息;批量傳輸用來實(shí)現(xiàn)主機(jī)和CAN節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳送,使用端點(diǎn)2·經(jīng)測試,采用USB接口,PC機(jī)與主控制器間的通訊速率達(dá)到4400kbit/s·2.5u2009eth-接口MCF5282的UART接口通過MAX232CPE芯片容易實(shí)現(xiàn)RS232擴(kuò)展·但UART接口數(shù)量不足,通過QSPI接口和MAX3100芯片實(shí)現(xiàn)RS485擴(kuò)展·QSPI模塊提供隊(duì)列傳輸性能的串行外圍接口,最多可擴(kuò)展15路外設(shè),MAX3100組合了一個UART、一個SPI接口的波特率發(fā)生器及一個中斷發(fā)生器·通過將一個長度為16位的字寫入到寫狀態(tài)寄存器中形成一個通用異步接收發(fā)送器·擴(kuò)展方案選用了1.8432MHz晶振,波特率達(dá)到300kbit/s·MCF5282內(nèi)部集成了快速以太網(wǎng)媒體存取控制,支持100Mbit/s?MII,10Mbit/s?MII和10Mbit/s7線接口,使以太網(wǎng)連接從板級擴(kuò)展到芯片級·系統(tǒng)采用AMD公司Am79C874和磁性元件PE69012實(shí)現(xiàn)了Ethernet接口物理層的擴(kuò)展·主控制器中運(yùn)行的嵌入式系統(tǒng)uCos-Ⅱ?qū)CP/IP系統(tǒng)提供協(xié)議支持,當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)發(fā)送請求時,相應(yīng)數(shù)據(jù)組成一幀數(shù)據(jù)包,寫入網(wǎng)絡(luò)控制器的緩沖區(qū)進(jìn)行發(fā)送,在數(shù)據(jù)送往總線后,系統(tǒng)將掛起網(wǎng)絡(luò)任務(wù),直到應(yīng)答信號到達(dá)·3節(jié)點(diǎn)信息轉(zhuǎn)換在系統(tǒng)中使用多總線通訊協(xié)議,主要考慮的問題是:合理安排各總線的工作間隙,以避免數(shù)據(jù)沖突;保證數(shù)據(jù)收發(fā)的準(zhǔn)確性和實(shí)時性;避免多主通訊的數(shù)據(jù)丟失;實(shí)現(xiàn)總線間的信息快速轉(zhuǎn)換與傳遞·首先采用令牌環(huán)協(xié)議,避免節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)沖突,保證緊急事件得到及時處理·與控制器存在頻繁信息交換的節(jié)點(diǎn)采用此協(xié)議,如區(qū)域控制器節(jié)點(diǎn)·令牌攜帶控制數(shù)據(jù),由控制器發(fā)出,按系統(tǒng)存在的節(jié)點(diǎn)順序依次傳遞·收到令牌后,節(jié)點(diǎn)按約定的優(yōu)先級將數(shù)據(jù)包發(fā)回控制器·主機(jī)對于節(jié)點(diǎn)回送的信息,做如下處理:①大事先報,若節(jié)點(diǎn)回送的信息具有高優(yōu)先級,則由主機(jī)連續(xù)發(fā)給令牌,直到該節(jié)點(diǎn)的信息變?yōu)榈蛢?yōu)先級;②無事輪詢,即若節(jié)點(diǎn)回送信息為低優(yōu)先級,則僅接收一次,然后收回令牌,發(fā)給下一節(jié)點(diǎn),目的是避免高優(yōu)先級事件無法得到及時處理;③死亡注銷,3次令牌輪詢節(jié)點(diǎn)無應(yīng)答,并經(jīng)核實(shí)無回復(fù),則判定該節(jié)點(diǎn)死亡,將其移出令牌發(fā)送隊(duì)列,放入故障掛起隊(duì)列中,避免浪費(fèi)通訊流量;④恢復(fù)活動,若收到的信息來自故障掛起隊(duì)列中的節(jié)點(diǎn),則經(jīng)3次查詢并得到有效應(yīng)答后,將節(jié)點(diǎn)重新置于令牌發(fā)送隊(duì)列之中·其次,采用中斷實(shí)時處理和多任務(wù)查詢機(jī)制,解決未采用令牌協(xié)議的節(jié)點(diǎn)(如聯(lián)動盤與繼電器集控器)數(shù)據(jù)收發(fā)準(zhǔn)確性和實(shí)時性的問題·對于規(guī)律不可預(yù)測的事件,采用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)接收,按節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級設(shè)置其處理次序;發(fā)送重要數(shù)據(jù)若未收到有效回復(fù),則按一定概率隨機(jī)重試,從而保證數(shù)據(jù)能夠被可靠接收;多任務(wù)查詢方式則用于定時事件或非重要事件的查詢·通過設(shè)置低優(yōu)先級的任務(wù),在系統(tǒng)空閑時循環(huán)查詢設(shè)備的信息·第三,引入總線協(xié)議棧,實(shí)現(xiàn)多協(xié)議間信息的相互轉(zhuǎn)換·定義5個容量為512字節(jié)的緩沖區(qū)作為系統(tǒng)協(xié)議棧處理所有的5種事件信息·從各種總線上接收的數(shù)據(jù)幀、剝離幀首部和尾部信息經(jīng)過處理后以數(shù)據(jù)包形式按規(guī)定格式送入?yún)f(xié)議棧,并賦予其一定的生命周期·收到信息請求時,信息經(jīng)過相應(yīng)協(xié)議格式的數(shù)據(jù)封裝,再與請求信息的總線設(shè)備進(jìn)行通訊,系統(tǒng)定時檢查總線協(xié)議棧,若某數(shù)據(jù)包生命周期不為零則使其數(shù)值減一,否則判為失效,清除該數(shù)據(jù)包·第四,針對多主通訊存在的數(shù)據(jù)丟失問題,提出了一種公函式數(shù)據(jù)報的通訊協(xié)議,定義規(guī)則為:①計時處理規(guī)則,即發(fā)出數(shù)據(jù)包后開始計時;②重新發(fā)送規(guī)則,若超時無回復(fù)或回復(fù)有差異,則重新發(fā)送;③過期作廢規(guī)則,即舊數(shù)據(jù)還在,則由新數(shù)據(jù)取代之;④數(shù)據(jù)回復(fù)優(yōu)先·此外,所有信息源在啟動通訊時,都需要按照約定的格式,與中樞先行握手,再進(jìn)行數(shù)據(jù)交換·這些規(guī)則的制定,有效地解決了數(shù)