基于嵌入式的無線手持控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

楊軍平，侯沛德，許存祿

(蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州 730030)

0 引言

對(duì)那些現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣或受客觀條件制約不適宜布線的場(chǎng)合，建立一個(gè)通暢可靠的無線信息傳輸渠道，實(shí)現(xiàn)控制信息和數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸是整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為此尋找一種安全可靠、低成本的解決方案，有著重要的社會(huì)意義和應(yīng)用前景［1］。Zigbee無線通信系統(tǒng)使用了抗干擾能力極強(qiáng)的直序擴(kuò)頻和動(dòng)態(tài)路由數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ欧绞剑揖哂泄牡?，成本低，ⅠSM 2.4GHz 頻段免費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)［2］。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，軟硬件可剪裁，適用于對(duì)功能，可靠性，成本，功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)［3］。嵌入式系統(tǒng)的迅速發(fā)展，恰恰滿足了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究對(duì)數(shù)據(jù)采集水平的日益提高這一強(qiáng)烈需求。將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用與工業(yè)控制相結(jié)合的研究及應(yīng)用正在世界范圍內(nèi)興起［4］。

硅鐵爐加料裝置的控制系統(tǒng)由基于嵌入式的無線手持控制單元、無線網(wǎng)關(guān)、西門子PLC控制柜、強(qiáng)電控制柜等幾部分組成。可以用手持控制單元和配電柜控制面板兩種方式完成加料動(dòng)作。通過配電柜控制面板上的控制按鈕和轉(zhuǎn)換開關(guān)直接控制PLC可完成各種加料動(dòng)作，但由于加料車在加料過程中配電控制柜跟隨加料車在不停運(yùn)動(dòng)，且距離硅鐵爐門較遠(yuǎn)不便于觀察爐內(nèi)加料情況，因此控制面板操作只作為應(yīng)急情況下的一種操作方式，加料主要依靠手持控制單元來完成。操作人員通過觸摸屏上的控制按鈕和狀態(tài)信號(hào)指示燈，控制加料車完成整個(gè)加料過程。硅鐵爐加料裝置的控制系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 硅鐵爐加料裝置的控制系統(tǒng)整體架構(gòu)

1 基于嵌入式無線手持控制終端硬件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目無線控制傳輸部分由基于嵌入式的無線手持控制終端和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的無線收發(fā)裝置兩部分組成。手持控制終端采用ARM11+CC2530+Linux系統(tǒng)的形式，ARM手持控制終端作為主處理器主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互畫面的顯示，設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)顯示、控制命令的發(fā)送、故障報(bào)警、系統(tǒng)設(shè)置與管理。CC2530作為從處理器負(fù)責(zé)控制命令和狀態(tài)數(shù)據(jù)的接收發(fā)送、以及數(shù)據(jù)在接收和發(fā)送過程的加密解密，提高數(shù)據(jù)的抗干擾能力。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的無線收發(fā)裝置負(fù)責(zé)接收手持終端發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)，并將從PLC讀取的狀態(tài)信息發(fā)送回手持終端。手持終端控制命令數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收通過Zigbee模塊來完成，在PLC端的Zigbee收發(fā)模塊，要將收到的控制命令和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成MODBUS協(xié)議要求的格式，再和PLC進(jìn)行自由口通信。從PLC中按MODBUS協(xié)議形式讀取的狀態(tài)數(shù)據(jù)也要進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成ZSTACK-PDU格式再由Zigbee模塊進(jìn)行發(fā)送。基于嵌入式的無線手持控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 基于嵌入式的無線手持控制系統(tǒng)框圖

1.1 ARM手持控制單元的硬件電路設(shè)計(jì)與選型

本項(xiàng)目選用UT-S3C6410開發(fā)板作為主控制器，UT-S3C6410采用“底板+核心板”的結(jié)構(gòu)形式［5］。核心板配置如下:SamsungS3C6410處理器，ARM1176JZF-S內(nèi)核，系統(tǒng)最高運(yùn)行頻率667MHz;128M DDR內(nèi)存作為RAM存儲(chǔ)器;256M nand flash作為隨機(jī)存儲(chǔ)器;MAX11T復(fù)位芯片作為控制系統(tǒng)復(fù)位操作。底板配置如下:采用AMD AM29LV160DB芯片2M Nor Flash存儲(chǔ)器;4路UART接口，采用3片Sipex SP3232EEA芯片，可通過2個(gè)8位撥碼開關(guān)選擇TTL電平或RS-232電平。選用7寸電阻式觸摸液晶屏，5V，4A直流電源。

1.2 CC2530無線收發(fā)模塊的硬件電路設(shè)計(jì)

選用CC2530單片機(jī)作為核心處理芯片，32M和32.768M晶振，SP3232EEA串口電路，天線和巴比倫匹配電路，LED電路，AD轉(zhuǎn)換電路，8MRAM存儲(chǔ)器［2］。

2 開發(fā)環(huán)境搭建

2.1 ARM手持單元開發(fā)環(huán)境的搭建

本項(xiàng)目選用UT-6410開發(fā)板+CC2530開發(fā)板+linux系統(tǒng)作為開發(fā)平臺(tái)，按以下步驟搭建嵌入式linux 開發(fā)平臺(tái)［5］。

(1) 在電腦上安裝 Windows xp、Vmware7.0、ubuntu 10.04，下載 android6410-u-boot-v 2.0 .tgz、android6410-linux2.6.28-v2.0.tgz 、cross-4.2.2-eabi.tar.bz2 和 arm-none-linux-gnue abi-arm-2008q3-72-for-linux.tar.bz2、mini gui-rootfs.tgzmovi NAND_Fusing_Tool.exe、dnw.exe、USB 驅(qū)動(dòng)。

(2)安裝交叉編譯鏈arm-none-linux-gnueabiarm-2008q3 和 cross-4.2.2-eabi。

(3)編譯U-boot、修改內(nèi)核Kerner參數(shù)配置，編譯Kerner后保存退出。

(4)燒寫u-boot格式化SD卡(2G以內(nèi))，文件類型為 FAT32，用 moviNAND_Fusing_Tool.exe將 SD-boot.bin寫入SD卡，將SD卡插入開發(fā)板SD卡槽，設(shè)置撥碼開關(guān)SW1，設(shè)為SD卡啟動(dòng)模式。安裝USB驅(qū)動(dòng)程序，打開dnw.exe，正常啟動(dòng)開發(fā)板。格式化Nand Flash，在 SDboot命令行中輸入“nand erase 0 10000000”，回車。輸入“dnw c0008000”，回車。如果已經(jīng)安裝過USB下載驅(qū)動(dòng)，狀態(tài)欄顯示:［USB:OK］，信息提示:OTG cable Connected!點(diǎn)擊USB Port-＞Transmit-＞ Transmit，將linux2.6.28imageu-bootnand.bin讀到 ram 0xc0008000，輸入“nand write c0008000 0 100000”，回車。

(5)將開發(fā)板設(shè)置為Nand Flash啟動(dòng)模式，正常啟動(dòng)后，燒寫 zⅠmage。進(jìn)入 u-boot命令行后，輸入“dnw c0008000”，回車。點(diǎn)擊 USB Port-＞Transmit-＞Transmit，將配置好參數(shù)的 zⅠmage讀到 ram 0xc0008000地址，輸入“nand write c0008000 100000 300000”，回車。

(6)掛載NFS根文件系統(tǒng)，在linux主機(jī)(ubuntu 10.04)上安裝NFS服務(wù)，修改linux主機(jī)上NFS配置文件(/etc/exports)，添加如下內(nèi)容:/home/yang/nfs_share 192.168.1.10(rw，sync，no_root_squash)，其中/home/yang/nfs_share是服務(wù)器共享的目錄，192.168.1.10 是開發(fā)板的 ⅠP。

將minigui-rootfs.tgz復(fù)制到 linux主機(jī)共享目錄/home/yang/nfs_share 解壓，minigui-rootfs.tgz保留在nfs_share目錄下不動(dòng)，重啟linux主機(jī)NFS服務(wù)器。開發(fā)板插入網(wǎng)線，將開發(fā)板接入linux主機(jī)所在局域網(wǎng)內(nèi)，開發(fā)板開機(jī)，并進(jìn)入u-boot命令行、設(shè)置u-boot啟動(dòng)參數(shù)，設(shè)置bootcmd、bootargs，重啟開發(fā)板，內(nèi)核啟動(dòng)后，將自動(dòng)掛載NFS文件系統(tǒng)。

(7)修改串口驅(qū)動(dòng)程序，并重新加載［6］。

(8)對(duì)開發(fā)板的觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序、串口驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行測(cè)試，對(duì)觸摸屏進(jìn)行校正。

2.2 Zigbee開發(fā)環(huán)境的搭建

CC2530的內(nèi)核為 C8051，使用 ⅠAR Embedded Workbench軟件集成開發(fā)環(huán)境，Zigbee 2007棧協(xié)議。首先按照軟件提示，在Windos XP主機(jī)上安裝ⅠAR，安裝成功后點(diǎn)擊菜單欄的project選項(xiàng)下的Option項(xiàng)，彈出 Options for node“CC2530Test”對(duì)話框，按要求對(duì)開發(fā)環(huán)境進(jìn)行配置［2］。

3 應(yīng)用程序開發(fā)

本項(xiàng)目用到的應(yīng)用程序包括:基于MiniGUⅠ的加料車無線手持單元圖形界面，Zigbee無線通信程序，Zigbee無線通訊模塊和UT-6410開發(fā)板之間串口通信程序，MODBUS協(xié)議與Zigbee協(xié)議之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。

3.1 基于MiniGUI的加料車無線手持單元圖形界面的開發(fā)

(1)在linux主機(jī)上安裝minigui程序首先需要下載如下組件，libminigui-gpl-3_0_12.tar.gz、mgsamples-3_0_12.tar.gz、freetype-1_3_1.tar.gz、jpegsrc_v7.tar.gz、libpng-1_2_37.tar.gz、minigui-res-be-3_0_12.tar.gz、zlib-1_2_2.tar.gz、qvfb2-2.0、libmgplus-1.2.4、libqt3-mt、libqt3-mt-dev、alien、qt-devel-3.3.8-4.fc7.i386.rpm。其次，按如下順序安裝各組件:libminigui-gpl-3_0_12.tar.gz、minigui-res-be-3_0_12.tar.gz、freetype-1_3_1.tar.gz、PNG 庫(kù)、JPEG庫(kù)、zlib 庫(kù)、libmgplus-1.2.4、qvfb2、mg-samples-3_0_12。最后運(yùn)行 helloword程序，檢驗(yàn) linux主機(jī)上的miniGUⅠ是否安裝成功。

(2)對(duì)開發(fā)板進(jìn)行交叉編譯 首先安裝交叉編譯器 cross-2.95.3.tar.bz2，再安裝 zlib 庫(kù)、png 庫(kù)、jpeg庫(kù)、libttf庫(kù)、編譯安裝 libminigui、popt庫(kù)，將庫(kù)文件安裝到/usr/local/arm/2.95.3/arm-linu文件夾下。

(3)把miniGUⅠ移植到開發(fā)板 嵌入式系統(tǒng)的根目錄為/opt/rootfs，把 /usr/local/arm/2.95.3/armlinux/lib中相應(yīng)的庫(kù)復(fù)制到 /opt/rootfs/usr/local/lib目錄下，修改MiniGUⅠ.cfg并保存退出。安裝并修改mde-1.3.0.tar.gz，保存退出，制作根文件系統(tǒng)鏡像，把 root.cramfs燒到板子里。

(4)基于Minigui的圖形界面開發(fā)。

3.2 基于Zigbee無線通信模塊程序的開發(fā)

(1)組建網(wǎng)絡(luò) 協(xié)調(diào)器(手持終端)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組建、維護(hù)、控制終端節(jié)點(diǎn)加入無線網(wǎng)絡(luò)等任務(wù)，Zigbee棧協(xié)議采用事件驅(qū)動(dòng)的方式。當(dāng)系統(tǒng)上電后，協(xié)調(diào)器首先進(jìn)行初始化，自動(dòng)選擇一個(gè)信道，然后選擇一個(gè)網(wǎng)絡(luò)號(hào)，建立無線網(wǎng)絡(luò)，等待終端節(jié)點(diǎn)(無線網(wǎng)關(guān))發(fā)出的請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)的信標(biāo)(Beacon)信號(hào)，協(xié)調(diào)器對(duì)收到的終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求作出應(yīng)答，終端節(jié)點(diǎn)收到協(xié)調(diào)器的應(yīng)答后，發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，請(qǐng)求協(xié)調(diào)器分配網(wǎng)絡(luò)地址，協(xié)調(diào)器對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求作出應(yīng)答，將分配的網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)使用自己的網(wǎng)絡(luò)地址和協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。

(2)發(fā)送控制命令或數(shù)據(jù) 操作人員通過觸摸屏發(fā)出各種控制命令或數(shù)據(jù)，ARM處理器接到發(fā)送控制命令或數(shù)據(jù)的請(qǐng)求后，將待發(fā)送的數(shù)據(jù)存入串口緩存，對(duì)串口進(jìn)行初始化，設(shè)置串口參數(shù)，和CC2530的串口進(jìn)行通信，CC2530將接收到的數(shù)據(jù)存入串口緩存，CC2530處理器讀取數(shù)據(jù)，將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的端口，調(diào)用Zigbee棧協(xié)議中的發(fā)送函數(shù)與相關(guān)硬件函數(shù)最終將數(shù)據(jù)通過天線發(fā)送出去。

(3)接收終端節(jié)點(diǎn)返回的狀態(tài)數(shù)據(jù) 當(dāng)協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)后，Zigbee棧協(xié)議將接收到的數(shù)據(jù)封裝成一個(gè)消息，然后放入消息隊(duì)列中，每個(gè)消息都有一個(gè)ⅠD，使用Zigbee棧協(xié)議中的osal_msg_receive函數(shù)從消息隊(duì)列中接收一個(gè)消息，然后使用switch-case語句對(duì)消息類型進(jìn)行判斷，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，將處理好的數(shù)據(jù)存入串口緩存，打開串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至ARM開發(fā)板的串口緩存，ARM處理器讀取數(shù)據(jù)，對(duì)觸摸屏上的狀態(tài)指示燈進(jìn)行刷新［7］。

3.3 無線網(wǎng)關(guān)程序開發(fā)

無線網(wǎng)關(guān)的主要作用是完成MODBUS協(xié)議和Zigbee無線協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換協(xié)議中使用了兩種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)格式 MODBUS-PDU和 ZSTACK-PDU，PLC設(shè)備能夠響應(yīng)的協(xié)議數(shù)據(jù)為MODBUS-PDU，Zigbee網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)?Z-Stack協(xié)議數(shù)據(jù)為 ZSTACK-PDU。MODBUS協(xié)議數(shù)據(jù)以站號(hào)指定通信目的地址(無線終端)，需要將MODBUS命令中的地址信息提取出來并根據(jù)此信息得到相應(yīng)的PLC設(shè)備綁定的Zigbee無線終端的無線網(wǎng)絡(luò)地址，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址將MODBUS命令數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至對(duì)應(yīng)的無線終端。無線手持終端發(fā)送的控制命令是Zigbee無線協(xié)議數(shù)據(jù)，無線網(wǎng)關(guān)將接收到ZSTACK-PDU經(jīng)過與上面相反的過程得到MODBUS-PDU數(shù)據(jù)發(fā)送至與之相連 PLC設(shè)備完成一次命令的接收。

在本項(xiàng)目中無線網(wǎng)關(guān)內(nèi)部維護(hù)地址映射表，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的所有PLC設(shè)備的站號(hào)和與其綁定的無線終端的Zigbee網(wǎng)絡(luò)地址以及通信協(xié)議端口記錄在映射表中。實(shí)際通信過程中將通過查詢表格得到對(duì)應(yīng)的PLC站號(hào)和無線終端網(wǎng)絡(luò)地址。當(dāng)PLC通過串口將MODBUS協(xié)議命令數(shù)據(jù)發(fā)送給 Zigbee模塊時(shí)，首先在應(yīng)用層將目的站號(hào)解析出來，查詢網(wǎng)絡(luò)映射表得到無線終端網(wǎng)絡(luò)地址，在 MODBUS協(xié)議命令的基礎(chǔ)上加上自己Zigbee的ⅠEEE地址，并將這些數(shù)據(jù)作為應(yīng)用層數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)層封裝，然后交給ZSTACK協(xié)議棧來完成發(fā)送，當(dāng)無線終端收到信息，發(fā)送響應(yīng)信息給發(fā)送方，完成一次通信過程。這個(gè)通信過程需要設(shè)置通信超時(shí)機(jī)制，當(dāng)超過一段時(shí)間無法接收到回復(fù)和應(yīng)答將作為通信失敗處理，請(qǐng)求重新發(fā)送［8］。

4 結(jié)語

在青海進(jìn)行了硅鐵爐加料實(shí)驗(yàn)，整個(gè)設(shè)備移動(dòng)范圍最大不超過 30 m，通過 TexasⅠnstruments Packet Sniffer軟件進(jìn)行抓包實(shí)驗(yàn)，無線手持終端發(fā)送控制命令、接收監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的誤碼率為零，整個(gè)加料裝置運(yùn)轉(zhuǎn)正常，反應(yīng)靈敏，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

［1］ 王 泉，陳加林.工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)Zigbee手持控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2009(2):5-2.

［2］ 王小強(qiáng)，歐陽駿.黃寧淋.Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

［3］ 弓 雷.ARM嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)詳解［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010.

［4］ 胡國(guó)珍，王 泉，魏 旻.基于 Zigbee的工業(yè)無線網(wǎng)關(guān)研究［J］.技術(shù)縱橫，2009(2):5-25.

［5］ 北京飛漫技術(shù)有限公司.XM6410原型機(jī)Linux2.6.28使用手冊(cè)［Z］.北京:2011.

［6］ 宋寶華，何昭然.精通Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)［M］.北京:人民郵電出版社，2012.

［7］ 蔣 挺，趙成林.紫峰技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:北京郵電大學(xué)出版社，2006.

［8］ Modbus.org.Modbus Application Protocol Specification V1.1［EB/OL］.httP://www.Modbus.org.