DeviceNet是一種連接工業(yè)底層控制設(shè)備的開放式網(wǎng)絡(luò)，自1994年提出以來，得到了廣泛的應(yīng)用。然而，組建控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時都面臨著布線的問題，雖然采用以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線相對來說成本低、維護(hù)方便，但在實(shí)際的應(yīng)用中仍然會受到客觀條件的限制，特別是在環(huán)境惡劣的條件下，不能采用布線來解決問題。在這種情況下，將無線技術(shù)引入到工業(yè)控制領(lǐng)域就顯得很有必要了。基于這一目的，在設(shè)計(jì)適配器過程中，以無線局域網(wǎng)協(xié)議IEEE802．1lb為基礎(chǔ)，結(jié)合DevlceNet應(yīng)用層協(xié)議和適用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間通信的通信方式，提出實(shí)現(xiàn)無線功能的DeviceNet從站適配器的設(shè)計(jì)方法。

　　1 DOViceNet總線與IEEE802.11b

　　1.1 DeviceNet總線

　　DevlceNet是一種連接工業(yè)底層控制設(shè)備的開放式網(wǎng)絡(luò)，采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，具有低成本、高效率、高可靠性、高性能的特點(diǎn)。它可以提供底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互連的低成本、高效率的解決方案，現(xiàn)場設(shè)備的智能化，主從和對等通信能力。兩個主要的用途為：傳送與現(xiàn)場設(shè)備相關(guān)的控制和狀態(tài)信息：傳送與被控制系統(tǒng)相關(guān)的診斷。配置等其他信息。

　　1.2 IEEE802.11b

　　1999年9月，電子和電氣工程師協(xié)會(IEEE)批準(zhǔn)了IEEE 802.11b規(guī)范。此規(guī)范稱為wi—Fi。IEEEE 802.11b定義了用于在共享的無線局域網(wǎng)(WLAN)進(jìn)行通信的物理層和媒體訪問控制(MAC)子層，是目前最流行的WLAN協(xié)議，使用2.4 GHz頻段；最高速率11 Mbps，實(shí)際使用速率根據(jù)距離和信號強(qiáng)度可變(150 m內(nèi)1～2 Mbps，50 m內(nèi)可達(dá)到11 Mbps)，802.11b的較低速率使得無線數(shù)據(jù)網(wǎng)的使用成本能夠被大眾接受(目前接入節(jié)點(diǎn)的成本僅為10～30美元)；具有增強(qiáng)物理層，可以和1 Mbps和2 Mbps的802.11bps DSSS系統(tǒng)互操作；編碼方式采用CCK(Complementary Code Keylng)技術(shù)。

　　2 系統(tǒng)總體框架和無線從站設(shè)計(jì)思路

　　2.1 無線網(wǎng)絡(luò)總體框架

　　整個網(wǎng)絡(luò)分為三個部分：組態(tài)軟件(上位機(jī))、主節(jié)點(diǎn)(一般為PLC)和從站。基于無線技術(shù)的DeviceNet網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。其中網(wǎng)絡(luò)組態(tài)軟件包括RockweU公司的RSIinx和RSworks實(shí)時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，并可對主從節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行配置。PC通過無線網(wǎng)卡與各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，在無主節(jié)點(diǎn)的情況下可直接對各從站進(jìn)行直接控制。在通信過程中，各節(jié)點(diǎn)模塊均需要相應(yīng)的接收和發(fā)送模塊。在對主、從節(jié)點(diǎn)之間配置后，可實(shí)現(xiàn)主從的控制過程。

　　2．2設(shè)計(jì)思路

　　基于802.11b的DeviceNet無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)際上是將原來通過CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的過程交給無線收發(fā)器來完成。這里，網(wǎng)絡(luò)接口采用物理層接口，即指使用無線信道替代通常的有線信道，而物理層以上各層不變。這樣做的最大優(yōu)點(diǎn)是上層的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)及相應(yīng)的驅(qū)動程序可不做任何修改。這種接口方式在使用時一般作為有線網(wǎng)的集線器和無線轉(zhuǎn)發(fā)器，以實(shí)現(xiàn)有線局域網(wǎng)間互連或擴(kuò)大有線局域網(wǎng)的覆蓋面積。無線節(jié)點(diǎn)由適配器和從站構(gòu)成，根據(jù)物理層接口的原理，設(shè)計(jì)中無線收發(fā)完成信號的傳輸，而鏈路層的功能交給FPGA完成。

　　3 從站適配器的設(shè)計(jì)

　　3.1 適配器系統(tǒng)定位

　　某系列變頻器具備Modbus通信能力，但不具備DeviceNet通信能力。適配器位于從站和DeviceNet網(wǎng)絡(luò)之間，使變頻器能夠運(yùn)行于基于無線技術(shù)的DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上。

　　3.2硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)使用ADI公司16位定點(diǎn)DSP。Blackfin531。該款芯片可以實(shí)現(xiàn)400 MHz的連續(xù)工作，系統(tǒng)支持片外同、異步存儲器，具有2個雙通道全雙工同步串行接口和1個支持IrDA的通行串行口。其中DeviceNet端口使用FPGA+802.11b無線收發(fā)器與DeviceNet網(wǎng)絡(luò)連接。

　　802.1lb無線收發(fā)電路主要由MAX2820和MAX2242等組合實(shí)現(xiàn)。MAX2820是單片零中頻收發(fā)器．專為工作在2.4～2.5　GHz ISM(工作/科學(xué)/醫(yī)療)波段的802.11b應(yīng)用而設(shè)計(jì)，內(nèi)部包含實(shí)現(xiàn)802.11b射頻到基帶傳輸所需的所有電路，加上功率放大器MAX2242、RF開關(guān)和帶通濾波器等就可以構(gòu)建完整的前端電路。FPGA選用Xilinx公司的XCV50E，硬件電路如圖2所示。

　　3.3數(shù)據(jù)鏈路層

　　數(shù)據(jù)鏈路層主要包括邏輯鏈接子層(LLC)和媒體訪問控制子層(MAC)。另外，由于無線網(wǎng)絡(luò)和DeviceNet網(wǎng)絡(luò)頻率有差異，故應(yīng)有頻率轉(zhuǎn)換的功能。

　　(1)硬件選擇

　　數(shù)據(jù)鏈路功能由FPGA實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)選用Xilinx公司VirtexE系列系統(tǒng)級XcV50E。其主要資源有71 693個系統(tǒng)門、65 536位塊內(nèi)存和176個用戶I/O口(其中包括83對差分I/o口)。主要特性有：1.8 V超低核心電壓，支持20種高速總線標(biāo)準(zhǔn)，8個全數(shù)字延遲鎖定環(huán)，0.18μm 6層金屬工藝，支持IEEE 1149.1邊界掃描；具有卓越的整體性能和高速特性，是實(shí)現(xiàn)高速系統(tǒng)級設(shè)計(jì)的優(yōu)選芯片。

　　(2)數(shù)據(jù)幀格式和仲裁的實(shí)現(xiàn)

　　數(shù)據(jù)幀分為長幀結(jié)構(gòu)和短幀結(jié)構(gòu)，前者用于節(jié)點(diǎn)間的報(bào)文交換，結(jié)構(gòu)如圖3所示；后者用于仲裁，無數(shù)據(jù)區(qū)。

　　短幀實(shí)現(xiàn)仲裁正是利用到標(biāo)識符的11位。當(dāng)總線開放時，任何單元均可開始發(fā)送報(bào)文。若同時由兩個或者更多的單元開始發(fā)送，總線訪問沖突運(yùn)用逐位仲裁規(guī)則，借助標(biāo)識符ID解決。這種仲裁規(guī)則可以使信息和時間均無損失。標(biāo)識符包含兩個具體含義：一是在報(bào)文交換時，代表邊接的生產(chǎn)者/消費(fèi)者關(guān)系；二是代表報(bào)文本身的優(yōu)先級(越小優(yōu)先級越高)。無線網(wǎng)絡(luò)中最大節(jié)點(diǎn)數(shù)為64，掃描器(主站)地址定義為O，仲裁的過程如圖4所示。

　　3.4 應(yīng)用層設(shè)計(jì)

　　本節(jié)從對象建模與尋址、事件驅(qū)動與消息響應(yīng)兩個方面，簡要介紹無線從節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層設(shè)計(jì)。

　　(1)對象建模與尋址

　　本設(shè)計(jì)對適配器建立圖5所示的對象關(guān)系。圖5中可以看出，適配器包含10個對象，其中4個為DeviceNet節(jié)點(diǎn)必須包含的對象，5個與應(yīng)用相關(guān)的對象，1個組裝對象。DeviceNet應(yīng)用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)，將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)抽象為若干個對象類的集合，每個對象有特定的功能，具有自己的屬性和服務(wù)，表現(xiàn)出一定的行為。網(wǎng)絡(luò)尋址的過程是：根據(jù)節(jié)點(diǎn)的MACID值確定當(dāng)前被訪問的設(shè)備，并由對象、實(shí)例、屬性為路徑定位具體的操作。

　?。?）事件驅(qū)動與消息響應(yīng)

　　事件是指改變系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行流程的系統(tǒng)外部或內(nèi)部的變化，消息是表示事件是否發(fā)生的標(biāo)志。當(dāng)系統(tǒng)一有事件發(fā)生，系統(tǒng)并不立即處理，而是發(fā)送一個事件對應(yīng)的消息，系統(tǒng)的后臺不停地捕捉消息。根據(jù)收到的消息執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。這樣盡管系統(tǒng)事件的觸發(fā)是隨機(jī)、分散的，但是事件的處理是集中的，程序思路清晰，管理簡單。圖6是基于這種思想的軟件結(jié)構(gòu)。

　　適配器采用這種程序組織思路，定義了十多個事件。將這些事件分為6類，即故障事件、DeviceNet事件、Modbus事件、RS232事件、定時器事件、設(shè)備更新事件和空閑事件，每一類事件中又包含若干個子事件。利用全局變量Global[_]Event來定義各事件的優(yōu)先級，優(yōu)先級高的事件先處理，優(yōu)先級低的事件后處理。

　　4 總 結(jié)

　　設(shè)計(jì)將無線技術(shù)應(yīng)用于DevieNet網(wǎng)絡(luò)的從站適配器的設(shè)計(jì)中，使得無線領(lǐng)域的發(fā)展惠及傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域。其主要特點(diǎn)為：物理層使用了802.11b協(xié)議通信，傳送距離遠(yuǎn)，突破了傳統(tǒng)的鋪線環(huán)節(jié)的局限性；利用FPGA實(shí)現(xiàn)鏈路層功能，而對象建模和事件驅(qū)動與消息響應(yīng)則是協(xié)議軟件設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)?？傊跓o線技術(shù)是當(dāng)前總線技術(shù)領(lǐng)域中研究的重要方向，而802.11b具備應(yīng)用廣泛、價格低廉的特點(diǎn)，成為其中的熱點(diǎn)。

　　應(yīng)急聯(lián)動要求整個系統(tǒng)快速、靈活、高效地運(yùn)作，因此，必然要求這些子系統(tǒng)能夠協(xié)同工作，目前雖然各個 子系統(tǒng)的技術(shù)都已經(jīng)比較成熟，但都自成體系，往往由于接口、架構(gòu)的不統(tǒng)一使得這些本應(yīng)緊密集成的子系統(tǒng)成 為了一個個的“信息孤島”，相互間的協(xié)調(diào)配合往往在兩個系統(tǒng)之間單一進(jìn)行，每個系統(tǒng)要維護(hù)多個接口，系統(tǒng) 整合程度很低且存在瓶頸。各子系統(tǒng)間的信息整合基本上是基于點(diǎn)對點(diǎn)方式開發(fā)完成，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口；對 系統(tǒng)聯(lián)動缺乏統(tǒng)一的控制機(jī)制，并且開放性差，難以隨著應(yīng)急聯(lián)動業(yè)務(wù)要求的變化而靈活應(yīng)對。

　　智能應(yīng)用平臺（Intelligent Application Platform，IAP）是以智能網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助決 策，多種信息綜合處理的平臺。IAP 平臺就是為了解決前述的系統(tǒng)集成問題，作為粘合劑來連接系統(tǒng)內(nèi)外各種業(yè) 務(wù)相關(guān)的異構(gòu)系統(tǒng)、應(yīng)用以及數(shù)據(jù)源，從而滿足各個子系統(tǒng)之間無縫共享和交換數(shù)據(jù)的需要。其中適配器為各城 市應(yīng)急子系統(tǒng)接入到IAP 提供了適配轉(zhuǎn)換橋梁。 1. 智能應(yīng)用平臺（IAP）

　　智能應(yīng)用平臺(IAP)完成后應(yīng)用于城市應(yīng)急聯(lián)動系統(tǒng)中的理想結(jié)構(gòu)應(yīng)如圖1 所示，系統(tǒng)中各個功能子系統(tǒng)通 過對應(yīng)的適配器接入到智能應(yīng)用平臺（IAP）中，各子系統(tǒng)之間通過平臺實(shí)現(xiàn)了客戶請求與服務(wù)提供的關(guān)系，即 一個子系統(tǒng)向平臺注冊并提供其自身實(shí)現(xiàn)的功能（服務(wù)提供），同時它也可以向平臺查詢其需要的功能，并借助 平臺使用該功能（客戶請求）；這樣的客戶/服務(wù)關(guān)系由IAP 來統(tǒng)一管理，IAP 對建立在其之上的各個系統(tǒng)來說是 透明的。通過這樣統(tǒng)一的系統(tǒng)交換集成平臺，以取代原有系統(tǒng)間多對多的網(wǎng)狀聯(lián)接。

　　圖1 城市應(yīng)急系統(tǒng)IAP 示意圖

　　2. 基于IAP 的適配器設(shè)計(jì)

　　IAP 適配器位于結(jié)構(gòu)模型的接入層，它是各城市應(yīng)急子系統(tǒng)與平臺進(jìn)行交互的橋梁，實(shí)現(xiàn)各個子系統(tǒng)與IAP 平臺之間共享和交換數(shù)據(jù)。目前連接到IAP 的各子系統(tǒng)大部分以微軟的視窗操作系統(tǒng)為工作平臺，因此IAP 適 配器也是基于Windows 平臺下的。

　　2.1 IAP 適配器設(shè)計(jì)方案概述

　　Windows 下的適配器實(shí)現(xiàn)為ActiveX 控件的方式，適配器在系統(tǒng)中所處的位置如圖2 所示：

　　圖2 IAP 適配器示意圖

　　適配器嵌入到各子系統(tǒng)應(yīng)用中，提供調(diào)用方法，代理各子系統(tǒng)應(yīng)用向 IAP 平臺發(fā)送消息，同時在收到消息 的時候，通過觸發(fā)事件，將消息傳遞給各子系統(tǒng)應(yīng)用。在IAP 平臺側(cè)以接入服務(wù)的形式供適配器連接，適配器 與IAP 平臺之間的消息采用XML 規(guī)范實(shí)現(xiàn)，便于靈活擴(kuò)展。因此適配器必須實(shí)現(xiàn)XML 文檔的解析和XML 文 檔的生成。適配器與IAP 平臺的接入服務(wù)間采用Socket 連接，以后可以考慮采用SOAP（Simple Object Access Protocal，簡單對象接受協(xié)議），這是因?yàn)橛捎谙⒁呀?jīng)定義為XML 方式，可以比較方便地向SOAP 過渡。

　　2.2 IAP 適配器模塊結(jié)構(gòu)

　　適配器內(nèi)部可分為三個模塊，分別為通訊模塊、消息轉(zhuǎn)換模塊、子系統(tǒng)接口模塊，其結(jié)構(gòu)如圖 3 所示：

　　圖 3 IAP 適配器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　　各模塊功能敘述如下： 通訊模塊：處理與IAP 平臺接入服務(wù)之間的底層通訊，數(shù)據(jù)包的收發(fā)。通訊層包含收發(fā)一對線程，確保通訊 層不成為性能瓶頸。通訊層與接入服務(wù)間建立并維護(hù)一條Socket 連接，適配器作為客戶端。

　　消息轉(zhuǎn)換模塊：包含一個工作線程，通訊模塊完成消息包的接收后，即把包發(fā)往消息轉(zhuǎn)換模塊的工作線程， XML 消息的解析是在工作線程中完成的。同時也處理將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為XML 格式數(shù)據(jù)包發(fā)給通訊模塊。 子系統(tǒng)接口模塊：接收消息轉(zhuǎn)換模塊發(fā)來解析后的消息，并觸發(fā)ActiveX 事件。同時，接收各子系統(tǒng)應(yīng)用對 其接口方法的調(diào)用，并將有關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給消息轉(zhuǎn)換模塊處理。

　　2.3 適配器消息處理機(jī)制

　　適配器的消息處理分為從 IAP 接收及向IAP 發(fā)送兩個方向。從IAP 接收請求的消息處理流程如圖4 所示：

　　圖4 接收IAP 消息處理流程圖

　　A) 通訊層收到業(yè)務(wù)請求消息，完成消息的接收后，將其發(fā)送到業(yè)務(wù)層的工作線程；

　　B) 工作線程將消息中的XML 字串解析后，得到命令碼，根據(jù)不同的命令碼調(diào)用不同的處理函數(shù)，對XML 字串進(jìn)行進(jìn)一步解析；

　　C) 完成 XML 的解析后，將消息中的各參數(shù)提取出來，如果帶有應(yīng)用數(shù)據(jù)的附件，則將提取附件。將消息打 包成內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用窗口消息的方式發(fā)送給接口層的控件窗口；

　　D) 控件窗口接收到業(yè)務(wù)層發(fā)來的消息，從消息中解出觸發(fā)ActiveX 事件所需要的參數(shù)，如果需要生成 VARIANT 則進(jìn)行參數(shù)的打包，然后觸發(fā)事件，將業(yè)務(wù)調(diào)用請求傳遞給各子系統(tǒng)應(yīng)用； 向IAP 發(fā)送請求的消息處理流程則與從IAP 接收消息流程相反，敘述如下：

　　a) 各子系統(tǒng)應(yīng)用通過調(diào)用 ActiveX 控件的方法，將業(yè)務(wù)請求的參數(shù)傳遞給適配器；

　　b) 適配器接口層將調(diào)用參數(shù)打包成 XML 消息，如果帶有終端應(yīng)用數(shù)據(jù)，則將其作為附件打包；

　　c) 調(diào)用通訊層的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送接口，通過通訊層的發(fā)送線程將消息發(fā)送給 IAP 的接入服務(wù)。 向IAP 發(fā)送請求消息流程如圖5 所示：

　　圖5 向IAP 發(fā)送消息處理流程圖

　　2.4 適配器各模塊設(shè)計(jì)

　?。?）通訊模塊設(shè)計(jì)

　　針對用于Windows 平臺的ActiveX 控件，考慮采用Windows 下的異步Socket 機(jī)制來實(shí)現(xiàn)，Socket 事件掛接 一個窗口句柄，該窗口句柄在接收線程中創(chuàng)建，因此共享該線程的消息循環(huán)。對于Socket 的寫消息，在接收線 程收到后轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)送線程處理，業(yè)務(wù)層對Socket 的寫操作也發(fā)送到發(fā)送線程處理。 以上機(jī)制封裝在基類CSocketBase 中，同時它還封裝了作為服務(wù)端進(jìn)行監(jiān)聽的機(jī)制，在它的派生類中根據(jù)是 作為客戶端或服務(wù)端，初始化為不同的方式。

　?。?）消息轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

　　消息轉(zhuǎn)換模塊以一個工作線程類CworkThread 來實(shí)現(xiàn)，類中考慮線程池機(jī)制，即可以啟動多個工作線程。工 作線程處理IAP 平臺發(fā)來的消息中XML 部分的解析，同時對終端應(yīng)用的調(diào)用，生成相應(yīng)的XML 文檔，并發(fā)送到通 訊層。工作線程從收到的XML 子串中解析出命令字，對不同的命令，調(diào)用不同的處理函數(shù)來進(jìn)行處理；完成XML 字串的解析后，將其轉(zhuǎn)換為內(nèi)部格式，發(fā)送到接口層。生成XML 文檔處理的流程與上述方式相反。XML 轉(zhuǎn)換的具體實(shí)現(xiàn)采用開放源碼的xerces 庫，并對其做二次封裝以方便調(diào)用。

　　（3）子系統(tǒng)接口模塊設(shè)計(jì)

　　子系統(tǒng)接口模塊放在整個適配器的主線程中，包含控件窗口的消息循環(huán)。各子系統(tǒng)應(yīng)用將業(yè)務(wù)請求以窗口消 息的形式發(fā)送給控件窗口，由窗口類中映射的消息進(jìn)行處理，將請求傳遞給轉(zhuǎn)換模塊。反之，接口模塊在收到消 息后，根據(jù)不同的消息觸發(fā)不同的ActiveX 事件，從而將響應(yīng)傳遞給各子系統(tǒng)應(yīng)用處理。接口層必須觸發(fā)的事件 包括：

　　與 IAP 平臺接入服務(wù)Socket 連接建立事件；

　　向 IAP 注冊并收到注冊應(yīng)答消息事件；

　　與平臺間的鏈路斷開后事件；

　　收到平臺發(fā)送的業(yè)務(wù)請求事件（應(yīng)支持應(yīng)用數(shù)據(jù)以字符串的方式和二進(jìn)制的方式傳遞）；

　　收到平臺發(fā)送的業(yè)務(wù)請求應(yīng)答事件（應(yīng)支持應(yīng)用數(shù)據(jù)以字符串的方式和二進(jìn)制的方式傳遞）；

　　同時，各子系統(tǒng)應(yīng)用通過調(diào)用適配器實(shí)現(xiàn)的ActiveX 方法與平臺交互，方法包括：

　　初始化適配器方法；

　　建立與 IAP 平臺間的Socket 連接方法；

　　斷開與平臺的網(wǎng)絡(luò)連接方法；

　　向平臺注冊方法；

　　從平臺中注銷方法；

　　發(fā)起業(yè)務(wù)請求方法；

　　收到業(yè)務(wù)請求并處理后，發(fā)送處理結(jié)果方法；

　　考慮到ActiveX 控件需要跨語言環(huán)境使用，例如需要在Web 頁面中使用，方法與事件傳遞中需要傳遞數(shù)組的 情況均采用VARIANT 參數(shù)來傳遞，為了從VARIANT 中解出數(shù)據(jù)，對此操作進(jìn)行了封裝。

　　3. 總結(jié)

　　本文設(shè)計(jì)的基于智能應(yīng)用平臺的適配器依托企業(yè)研發(fā)環(huán)境，很快地進(jìn)入實(shí)用階段，并很快體現(xiàn)出較好的實(shí)用 價值。四川省開縣應(yīng)急聯(lián)動系統(tǒng)在智能應(yīng)用平臺使用前每日能實(shí)現(xiàn)的話務(wù)量小于1000 個，應(yīng)用該平臺后日話務(wù) 量可到5000 多個，大大提高了整體工作性能。