DeVicoNet的無線節點適配器設計

引 言
DeviceNet是一種連接工業底層控制設備的開放式網絡，自1994年提出以來，得到了廣泛的應用。然而，組建控制系統網絡時都面臨著布線的問題，雖然采用以太網的現場總線相對來說成本低、維護方便，但在實際的應用中仍然會受到客觀條件的限制，特別是在環境惡劣的條件下，不能采用布線來解決問題。在這種情況下，將無線技術引入到工業控制領域就顯得很有必要了。

基于這一目的，在設計適配器過程中，以無線局域網協議IEEE802．1lb為基礎，結合DevlceNet應用層協議和適用于工業現場設備間通信的通信方式，提出實現無線功能的DeviceNet從站適配器的設計方法。

1 DOViceNet總線與IEEE802.11b
1.1 DeviceNet總線
DevlceNet是一種連接工業底層控制設備的開放式網絡，采用先進的網絡通信技術，具有低成本、高效率、高可靠性、高性能的特點。它可以提供底層網絡設備互連的低成本、高效率的解決方案，現場設備的智能化，主從和對等通信能力。兩個主要的用途為：傳送與現場設備相關的控制和狀態信息：傳送與被控制系統相關的診斷。配置等其他信息。

1.2 IEEE802.11b
1999年9月，電子和電氣工程師協會(IEEE)批準了IEEE 802.11b規范。此規范稱為wi―Fi。IEEEE 802.11b定義了用于在共享的無線局域網(WLAN)進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協議，使用2.4 GHz頻段；最高速率11 Mbps，實際使用速率根據距離和信號強度可變(150 m內1～2 Mbps，50 m內可達到11 Mbps)，802.11b的較低速率使得無線數據網的使用成本能夠被大眾接受(目前接入節點的成本僅為10～30美元)；具有增強物理層，可以和1 Mbps和2 Mbps的802.11bps DSSS系統互操作；編碼方式采用CCK(Complementary Code Keylng)技術。

2 系統總體框架和無線從站設計思路
2.1 無線網絡總體框架
整個網絡分為三個部分：組態軟件(上位機)、主節點(一般為PLC)和從站。基于無線技術的DeviceNet網絡如圖1所示。其中網絡組態軟件包括RockweU公司的RSIinx和RSworks實時監控網絡的狀態，并可對主從節點的信息進行配置。PC通過無線網卡與各節點進行通信，在無主節點的情況下可直接對各從站進行直接控制。在通信過程中，各節點模塊均需要相應的接收和發送模塊。在對主、從節點之間配置后，可實現主從的控制過程。

2．2設計思路
基于802.11b的DeviceNet無線網絡，實際上是將原來通過CAN網絡進行通信的過程交給無線收發器來完成。這里，網絡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。這樣做的最大優點是上層的網絡操作系統及相應的驅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的集線器和無線轉發器，以實現有線局域網間互連或擴大有線局域網的覆蓋面積。無線節點由適配器和從站構成，根據物理層接口的原理，設計中無線收發完成信號的傳輸，而鏈路層的功能交給FPGA完成。

3 從站適配器的設計
3.1 適配器系統定位
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網絡之間，使變頻器能夠運行于基于無線技術的DeviceNet網絡上。

3.2硬件設計
系統使用ADI公司16位定點DSP。Blackfin531。該款芯片可以實現400 MHz的連續工作，系統支持片外同、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無線收發器與DeviceNet網絡連接。

802.1lb無線收發電路主要由MAX2820和MAX2242等組合實現。MAX2820是單片零中頻收發器．專為工作在2.4～2.5　GHz ISM(工作/科學/醫療)波段的802.11b應用而設計，內部包含實現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開關和帶通濾波器等就可以構建完整的前端電路。FPGA選用Xilinx公司的XCV50E，硬件電路如圖2所示。

3.3數據鏈路層
數據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，由于無線網絡和DeviceNet網絡頻率有差異，故應有頻率轉換的功能。

(1)硬件選擇
數據鏈路功能由FPGA實現。本設計選用Xilinx公司VirtexE系列系統級XcV50E。其主要資源有71 693個系統門、65 536位塊內存和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種高速總線標準，8個全數字延遲鎖定環，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，是實現高速系統級設計的優選芯片。

(2)數據幀格式和仲裁的實現
數據幀分為長幀結構和短幀結構，前者用于節點間的報文交換，結構如圖3所示；后者用于仲裁，無數據區。

短幀實現仲裁正是利用到標識符的11位。當總線開放時，任何單元均可開始發送報文。若同時由兩個或者更多的單元開始發送，總線訪問沖突運用逐位仲裁規則，借助標識符ID解決。這種仲裁規則可以使信息和時間均無損失。標識符包含兩個具體含義：一是在報文交換時，代表邊接的生產者/消費者關系；二是代表報文本身的優先級(越小優先級越高)。無線網絡中最大節點數為64，掃描器(主站)地址定義為O，仲裁的過程如圖4所示。

3.4 應用層設計
本節從對象建模與尋址、事件驅動與消息響應兩個方面，簡要介紹無線從節點的應用層設計。

(1)對象建模與尋址
本設計對適配器建立圖5所示的對象關系。圖5中可以看出，適配器包含10個對象，其中4個為DeviceNet節點必須包含的對象，5個與應用相關的對象，1個組裝對象。DeviceNet應用面向對象的技術，將網絡節點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，表現出一定的行為。網絡尋址的過程是：根據節點的MACID值確定當前被訪問的設備，并由對象、實例、屬性為路徑定位具體的操作。

（2）事件驅動與消息響應
事件是指改變系統運行狀態和運行流程的系統外部或內部的變化，消息是表示事件是否發生的標志。當系統一有事件發生，系統并不立即處理，而是發送一個事件對應的消息，系統的后臺不停地捕捉消息。根據收到的消息執行相應的任務。這樣盡管系統事件的觸發是隨機、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構。

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來定義各事件的優先級，優先級高的事件先處理，優先級低的事件后處理。

4 總 結
本設計將無線技術應用于DevieNet網絡的從站適配器的設計中，使得無線領域的發展惠及傳統的控制領域。其主要特點為：物理層使用了802.11b協議通信，傳送距離遠，突破了傳統的鋪線環節的局限性；利用FPGA實現鏈路層功能，而對象建模和事件驅動與消息響應則是協議軟件設計中的重點?？傊?，基于無線技術是當前總線技術領域中研究的重要方向，而802.11b具備應用廣泛、價格低廉的特點，成為其中的熱點。