基于多现场总线的嵌入式智能监控网络

基于多现场总线的嵌入式智能监控网络

与以往的ps485-232网络相比，现场总线（如can、lonzer、deviceset等）具有反应速度快、可靠性高的特点。它是工业和建筑领域分布网络的主要设计方案。某智能监控网络要求:①能覆盖3万~30万m考虑上述因素,本文基于嵌入式系统构建监控网络,采用多种通讯协议,在不同层面上满足系统设计要求·1多协议混合系统结构1.1主从式通讯监控系统构成图1为嵌入式智能监控网络的系统结构图·系统采用模块化结构进行设计,各个部分挂接于不同的总线,可根据建筑物规模和特定需求,增减相应的功能单元;主控制器能直接控制8个设备巡检回路,共1584个I/O点,约可覆盖3万m系统各通讯协议选取如下:①系统基础总线选用成本较低,且技术成熟的CAN总线,主控制器与区域控制器、继电器集控器、联动盘均挂接于CAN总线,各节点都处于对等地位,相互之间可以主动发送信息;②考虑远程显示的远距、低速、不影响系统速度的特点,采用RS485构成主从式通讯;③监控中心通过RS232与主控制器连接,仅负责监控画面的显示和部分简单的人工控制操作;④不通过PC机,而由主控制器自身提供通过Ethernet进行远程访问的能力;⑤操作人员的便携PC通过USB接口与主控制器之间实现快速数据传输·系统所使用的通讯协议如表1所示·1.2n-a-c-nn-a节点保护基本CAN通讯网络的节点数最多为110个,通讯速率设为50kbit/s·考虑到建筑物内电磁信号的复杂性,采用总线隔离器将基本通讯网络分为内、外两部分·总线传输介质采用普通双绞线,最远通讯距离为1500m·根据CAN协议的特性,允许多站点同时发送信息,所采用的含循环冗余校验的短帧结构保证了信息处理的实时性和数据传输的可靠性·CAN节点在出现严重错误的情况下,自动切断与总线的联系,以使总线上的其他操作不受影响·该子网络包括1个主控制器及其所属8个回路卡、12个区域控制器、20个继电器集控器和32个总线联动盘等5种类型共73个节点·按照重要程度,通过CAN总线标识符将节点优先级划定为:主控制器>区域控制器/回路卡>总线联动盘>继电器集控器·区域控制器同样管理1584个监控点,具有完全的联动控制能力,在与主控制器失去联络的情况下可以自主完成本区域的监控·由于采用对等结构,主控制器损坏时,区域控制器仍能通过CAN总线与其他节点进行联系,实现信息读取和动作控制·1.3远程显示终端的监控远程显示系统对实时性的要求相对较低·但由于其自身不存储系统配置信息,在事件发生时,全部信息内容需从主控制器下传,数据量较大·与监控装置相比,远程显示终端对系统反应速度要求较低,但对数据准确性要求较高·此外,远程显示终端的安装距离通常较远,最远达1500m·考虑上述因素,采用RS485构成主从式通讯是合适的·在设定通讯速率为20kbit/s的条件下,对于40字节的事件信息包,即使按最极端情况同时发生多个事件,系统也能够完全保证在20s内完成数据发送·在系统空闲时,由主控制器对该子网络进行在线状态扫描,判断缺失的远程显示终端并进行登记和报警·远程显示终端配备了一级基本汉字库的3000个汉字,具有中文显示能力,从而降低了中文信息的数据传输量·2监控网络通信基础设施的设计2.1对数据进行分析处理和数据检验主控制器是整个系统的核心,负责系统中所有节点和设备的数据管理和事件控制,实现与监控中心和数据管理软件之间的数据通讯·作为系统的通讯中枢,主控制器是所有信息终端的信息来源或目的地·其主要通讯功能是:通过各种物理接口接收这些信息,对其进行解析、转换和处理,按类别存入历史记录,或转发至指定的目的地;同时,对所有的新数据进行检验,按照逻辑运算关系式和规定的准则进行运算;然后,将控制信息按规定的格式封装为合适的数据包,传送给相应的物理接口进行分发·通讯中枢的信息处理流图如图2所示·系统信息来源包括键盘操作、定时事件、监视装置探测到的异常事件、便携PC的数据传输命令、监控中心的控制命令等·考虑系统对通讯性能的要求,主控制器的CPU选用32位微处理器MCF5282·其最高频率可达66MHz,外部可扩展存储空间达2MB程序Flash,16MB数据Flash和64MB数据RAM,内置CAN总线、UART和Ethernet接口,并具有很强的外设扩展能力,能够满足系统处理速度和通讯扩展需要·2.2控制器输出联动逻辑的保持系统在处理报警信息时,能够同时控制联动设备动作·联动逻辑的层次、覆盖范围与灵活性,在一定程度上决定了系统的智能程度·引入了联动矩阵的概念,当系统发生报警后,若控制器处于“自动”状态,控制器将自动完成联动控制输出·所采用的联动逻辑基本格式为输出元素=(控制条件每条控制逻辑的执行过程为:控制条件(为“真”)→逻辑关系(与、或)→控制输出·控制条件可以是单个的编址单元或具有一定逻辑关系的组,个数没有限制·它们之间的逻辑关系有6种:与、始与、终与、或、始或、终或·MCF5282强大的运算能力能够在极短时间内完成多达4层联动逻辑的运算,满足系统对复杂控制条件的处理,从而使系统的联动设计具有很高的灵活性和智能性·2.3基于面向虚拟仪器的受配式变桨恒频监控系统的flusac连续提取证据基于fluscarMCF5282集成的FlexCAN控制器支持CAN2·0B规范,主要由CAN内核、消息RAM、消息处理单元和控制寄存器组成·共有16个随意配置为发送和接收的消息体,每个都有自己的识别掩码,所有的数据传输和接收滤波都是由CAN控制器完成的·通讯中枢的CAN总线通讯以FlexCAN控制器为基础进行设计,充分利用了10个消息体:①其中8个消息体配置为4对,每对各有一个负责接收和发送,专用于处理其他CAN节点的信息,包括区域控制器、继电器卡、联动盘、回路卡等;②1对消息体用于负责发送信息广播和接收节点登记信息·消息体的机制使得中枢节点CAN信息的处理十分简捷而及时,保证了系统的响应速度·CAN总线的收发器采用了Philips公司的PCA82C250,中间采用6N137高速光电隔离器,避免干扰信号进入主控制器·2.4usb接口电路设计主控制器USB接口采用的PDIUSBD12芯片符合USB1·1规范,是一款高性能接口器件·由于MCF5282的读写时序与D12芯片不符,采用XC95108型CPLD芯片对时序进行调整·具体做法是:将D12的片选,MCF5282的CLKOUT,RD,WR等4个信号作为输入引入CPLD,按照D12芯片读写时序生成逻辑读写信号·该系统的接口原理如图3所示·为了不影响程序的执行效率,采用中断方式完成固件编写,将IRQ7分配给USB传输,并设为最高优先级·在中断服务程序中设置USB事件标志·在主循环中轮番查询事件标志,并转向相应处理程序·PDIUSBD12支持所有4种USB数据传输方式·实际使用了控制传输、中断传输和批量传输·控制传输只用来传递控制信息,固定使用端点0;中断传输使用端点1,用来传送网络状态信息;批量传输用来实现主机和CAN节点之间的数据传送,使用端点2·经测试,采用USB接口,PC机与主控制器间的通讯速率达到4400kbit/s·2.5u2009eth-接口MCF5282的UART接口通过MAX232CPE芯片容易实现RS232扩展·但UART接口数量不足,通过QSPI接口和MAX3100芯片实现RS485扩展·QSPI模块提供队列传输性能的串行外围接口,最多可扩展15路外设,MAX3100组合了一个UART、一个SPI接口的波特率发生器及一个中断发生器·通过将一个长度为16位的字写入到写状态寄存器中形成一个通用异步接收发送器·扩展方案选用了1.8432MHz晶振,波特率达到300kbit/s·MCF5282内部集成了快速以太网媒体存取控制,支持100Mbit/s?MII,10Mbit/s?MII和10Mbit/s7线接口,使以太网连接从板级扩展到芯片级·系统采用AMD公司Am79C874和磁性元件PE69012实现了Ethernet接口物理层的扩展·主控制器中运行的嵌入式系统uCos-Ⅱ对TCP/IP系统提供协议支持,当有网络发送请求时,相应数据组成一帧数据包,写入网络控制器的缓冲区进行发送,在数据送往总线后,系统将挂起网络任务,直到应答信号到达·3节点信息转换在系统中使用多总线通讯协议,主要考虑的问题是:合理安排各总线的工作间隙,以避免数据冲突;保证数据收发的准确性和实时性;避免多主通讯的数据丢失;实现总线间的信息快速转换与传递·首先采用令牌环协议,避免节点间的数据冲突,保证紧急事件得到及时处理·与控制器存在频繁信息交换的节点采用此协议,如区域控制器节点·令牌携带控制数据,由控制器发出,按系统存在的节点顺序依次传递·收到令牌后,节点按约定的优先级将数据包发回控制器·主机对于节点回送的信息,做如下处理:①大事先报,若节点回送的信息具有高优先级,则由主机连续发给令牌,直到该节点的信息变为低优先级;②无事轮询,即若节点回送信息为低优先级,则仅接收一次,然后收回令牌,发给下一节点,目的是避免高优先级事件无法得到及时处理;③死亡注销,3次令牌轮询节点无应答,并经核实无回复,则判定该节点死亡,将其移出令牌发送队列,放入故障挂起队列中,避免浪费通讯流量;④恢复活动,若收到的信息来自故障挂起队列中的节点,则经3次查询并得到有效应答后,将节点重新置于令牌发送队列之中·其次,采用中断实时处理和多任务查询机制,解决未采用令牌协议的节点(如联动盘与继电器集控器)数据收发准确性和实时性的问题·对于规律不可预测的事件,采用中断方式进行数据接收,按节点优先级设置其处理次序;发送重要数据若未收到有效回复,则按一定概率随机重试,从而保证数据能够被可靠接收;多任务查询方式则用于定时事件或非重要事件的查询·通过设置低优先级的任务,在系统空闲时循环查询设备的信息·第三,引入总线协议栈,实现多协议间信息的相互转换·定义5个容量为512字节的缓冲区作为系统协议栈处理所有的5种事件信息·从各种总线上接收的数据帧、剥离帧首部和尾部信息经过处理后以数据包形式按规定格式送入协议栈,并赋予其一定的生命周期·收到信息请求时,信息经过相应协议格式的数据封装,再与请求信息的总线设备进行通讯,系统定时检查总线协议栈,若某数据包生命周期不为零则使其数值减一,否则判为失效,清除该数据包·第四,针对多主通讯存在的数据丢失问题,提出了一种公函式数据报的通讯协议,定义规则为:①计时处理规则,即发出数据包后开始计时;②重新发送规则,若超时无回复或回复有差异,则重新发送;③过期作废规则,即旧数据还在,则由新数据取代之;④数据回复优先·此外,所有信息源在启动通讯时,都需要按照约定的格式,与中枢先行握手,再进行数据交换·这些规则的制定,有效地解决了数