道岔監(jiān)測系統(tǒng)中的LonWorks網(wǎng)關(guān)開發(fā)

隋功浩 彭軍民 張 奇

隨著鐵路高速、高密度行車區(qū)段不斷增加，工務和電務的人工維護維修負擔越來越大，利用鐵路道岔監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)對道岔設備的綜合實時監(jiān)測已經(jīng)成了迫切要求。然而，鐵路現(xiàn)場工作環(huán)境比較復雜，各種電力通信電纜都集中鋪設在電纜溝中，電磁干擾很大。因此，需要一種可靠性高、兼容性好的現(xiàn)場總線。

LonWorks現(xiàn)場總線是由美國Echelon公司推出的局部操作系統(tǒng)，具有統(tǒng)一性、開放性、互操作性，以及支持多種通信媒質(zhì)等優(yōu)良性能。一般鐵路車站的道岔分布比較分散，呈片狀分布，難以通過單一總線連接所有軌旁箱。而LonWorks（LON）總線支持自由拓撲結(jié)構(gòu)，對現(xiàn)場的適應性更好。但是由于Neuron芯片的應用處理能力相對較弱，對于復雜的應用常使用主從處理器結(jié)構(gòu)，主處理器完成用戶應用功能，而把Neuron芯片作為通信網(wǎng)關(guān)。RS－232是異步串行通信中應用最普遍的標準總線，有必要開發(fā)一種LonWorks－RS－232的嵌入式網(wǎng)關(guān)，解決道岔監(jiān)測系統(tǒng)的通信需求。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

LonWorks總線利用道岔區(qū)域既有的一對雙絞線進行傳輸，網(wǎng)絡傳輸速率達到78kb／s。使用自由拓撲時，傳輸距離可達到500m，使用Doubly總線結(jié)構(gòu)時，傳輸距離可達到2700m。需要指出的是，當使用現(xiàn)場雙絞線／電力線時，傳輸距離有所下降。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，使用Neuron芯片完成LON－RS232網(wǎng)關(guān)功能，微處理器作為主處理器，完成數(shù)據(jù)處理等主要功能。

2 硬件設計

目前設計與實現(xiàn)LON－RS232嵌入式網(wǎng)關(guān)主要有2種方案。

第1種方案，如圖2所示，采用Neuron芯片與另外的控制器或并行接口芯片進行數(shù)據(jù)交換，通過軟件編程實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)。

第2種方案，Neuron芯片的串行輸入、輸出符合EIA－232（RS－232C）標準，直接采用Neuron芯片及其內(nèi)部軟件編程實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)，無需外圍接口芯片，硬件成本低。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 網(wǎng)關(guān)方案1原理圖

第1種方案需要占用Neuron芯片的多個IO管腳，與另外的控制器或并行接口芯片連接，并行傳輸數(shù)據(jù)速度快，硬件成本較高。

第2種方案硬件電路相對簡單，不需要增加額外的接口轉(zhuǎn)換硬件，串行接口是在固件中實現(xiàn)的。IO口方面，只需占用Neuron芯片的IO8和IO10 2個串行接口。

之前的LON－RS232的網(wǎng)關(guān)開發(fā)以第1種為主，因為當時芯片Neuron3150串行速度慢，10MHz晶振下，波特率最高只能達到4800b／s，所以雖然第2種方案硬件成本低，但是沒有得到很好的應用。新一代芯片F(xiàn)T5000的串口波特率最高支持115．2kb／s，目前看來，第2種方案更具有優(yōu)勢。

方案2網(wǎng)關(guān)的硬件框圖如圖3所示，主要由FT5000芯片及外圍電路組成。FT5000需要10MHz的外部晶振提供輸入時鐘，內(nèi)存結(jié)構(gòu)和之前的Neuron芯片不同，芯片內(nèi)嵌入16KB的ROM和64KB的RAM，沒有供開發(fā)使用的片上非易失的存儲器 （EEPROM或者flash）。FT5000可以使用SPI總線或者I2C總線擴展外部EEPROM／flash，支持最大64KB的存儲空間，其中用戶最大可用容量為42KB。也可以同時使用2種總線分別擴展EEPROM和flash，對于LON－RS232網(wǎng)關(guān)，使用I2C總線外擴單片EEPROM就可以滿足開發(fā)要求。

圖3 網(wǎng)關(guān)方案2原理圖

FT5000芯片內(nèi)嵌了高性能的Neuron核收發(fā)器，和FT－X3通信變壓器配合使用即可以和Lon－Works網(wǎng)絡通信。LON－RS232網(wǎng)關(guān)電路所占面積較少，可以和其他電路做到1塊PCB板上，這樣FT5000的串口管腳IO8、IO10可以和其他微處理器的串口直接相連。也可以做成單獨的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，將串口經(jīng)過MAX232驅(qū)動后，符合RS－232的電平標準，就可以和計算機進行通信了。FT5000的最高串口速率為115．2kb／s，大于LonWorks網(wǎng)絡上的速率78kb／s，數(shù)據(jù)流水線傳輸時，可以確保LonWorks網(wǎng)絡以78kb／s的速率進行傳輸。

3 網(wǎng)關(guān)軟件設計

網(wǎng)關(guān)軟件程序使用Neuron C語言完成。Neuron C不使用main（）函數(shù)結(jié)構(gòu)，而是由一系列的when（）語句組成。調(diào)度程序以循環(huán)的方式檢測，以隊列形式登錄when語句，為真則執(zhí)行，為假則跳過。利用Neuron C的消息傳送機制，將收到的串口信息解析后用網(wǎng)絡報文傳送到LonWorks網(wǎng)絡上。同樣的，將通過LonWorks網(wǎng)絡收到的網(wǎng)絡報文解析后發(fā)送至串口，完成LON－RS232的網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換功能。

3．1 網(wǎng)關(guān)協(xié)議

網(wǎng)關(guān)除了完成LON－RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換外，還要根據(jù)數(shù)據(jù)幀協(xié)議進行可靠傳輸。如表1所示，協(xié)議首先要進行幀頭校驗，校驗正確后，按照數(shù)據(jù)長度進行數(shù)據(jù)接收，接收完畢后，需要對收到的數(shù)據(jù)進行校驗。如果正確，則接收；如果錯誤，則要求重新發(fā)送。FT5000支持最長255個字節(jié)的數(shù)據(jù)幀。

3．2 編程考慮

下面，給出了軟件設計中需要關(guān)注的一些重點語句。

IO＿8sci baud （SCI＿115200）iosci；／／將IO8和IO10設置成串口，波特率115．2kb／s

when （reset）／／設置上電初始化

when （io＿in＿ready （iosci））／／串口數(shù)據(jù)接收完畢

when （msg＿arrives）／／LON 網(wǎng)絡上有消息傳來

msg＿send（）；／／將數(shù)據(jù)發(fā)送到LON網(wǎng)絡上

io＿out＿request（iosci）／／發(fā)送串口數(shù)據(jù)

3．3 軟件流程

FT5000芯片需要完成LON－RS232數(shù)據(jù)的雙向轉(zhuǎn)換處理，網(wǎng)關(guān)的軟件流程如圖4所示。

4 實例應用

在鐵路道岔監(jiān)測系統(tǒng)中，利用道岔區(qū)域既有的一對雙絞線，組成LonWorks網(wǎng)絡。上行線和下行線的監(jiān)測分機分別利用嵌入式LON－RS232網(wǎng)關(guān)和LonWorks總線連接，上行線LON網(wǎng)和下行線LON網(wǎng)中間通過機械室內(nèi)的網(wǎng)絡路由器橋接，將LonWorks總線上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)線傳輸?shù)街行姆掌鞴┓治鲇涗浭褂?。通過道岔監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場檢驗，很好的驗證了該網(wǎng)關(guān)的實用性。

圖4 軟件流程圖

5 結(jié)束語

文中系統(tǒng)地論述了嵌入式LonWorks網(wǎng)關(guān)的實現(xiàn)方法，主要分析了嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件和軟件的實現(xiàn)方法。本文設計的LON－RS232網(wǎng)關(guān)，為串口設備和LonWorks網(wǎng)絡之間的直接通信提供了一種有效的方法，為今后LonWorks網(wǎng)絡的開發(fā)提供了一種新的方法。網(wǎng)關(guān)硬件成本低，具有結(jié)構(gòu)簡單、小型化、模塊化等特點，非常適合于工程現(xiàn)場使用。

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［2］ 胡秋林 ．基于LonWorks現(xiàn)場總線的工業(yè)控制網(wǎng)關(guān)研究［D］．南京理工大學碩士論文2005．

［3］ Echelon Corporation．Series 5000Chip Data Book 2009．

［4］ Echelon Corporation．Neuron?C Programmer’s Guide 2009．

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