Lonworks网络虚拟监测系统研究

摘要：网络技术应用到虚拟仪器系统是虚拟仪器发展的趋势。文中介绍了采用LabVIEW为开发平台，用Lonworks网络作为数据通道来实现远程监测的Lonworks网络虚拟监测系统的设计方法。同时详细介绍了虚拟仪器与Lonworks网络的接口设计和系统通信的实现方法。 关键词：虚拟仪器；Lonworks；LabVIEW 传统仪器，无论是早期的模拟仪器，还是现在的数字化智能仪器，虽然它们的功能日益完善和强大，但是所有的功能块都以硬件的形式存在，这使对它们的开发和应用都缺乏灵活性。虚拟仪器的出现是测试技术与计算机深层次的结合，从而使测试技术上升到一个新的层次。虚拟仪器在工程应用方面具有突出的优势，它可在通用硬件平台确定之后，用软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能，仪器的功能可由用户根据需要通过软件来定义，甚至能完成传统仪器因工艺和制造水平的限制而难以完成的测试工作。随着通信技术和网络技术的不断发展，将网络技术应用到虚拟仪器领域，以形成网络化虚拟仪器是虚拟仪器发展的一个趋势。本文介绍了一种用于Ｌｏｎｗｏｒｋｓ网络（简称ＬＯＮ网）的虚拟仪器监测系统，给出了采用ＬａｂＶＩＥＷ软件开发平台，并用Ｌｏｎｗｏｒｋｓ网络作为信号传输通道来实现Ｌｏｎｗｏｒｋｓ网络与虚拟仪器的接口设计以及通信方式。 １ Ｌｏｎｗｏｒｋｓ网络虚拟仪器系统的结构 图１所示是一种网络虚拟仪器系统的结构框图。图中，虚拟仪器由一台ＰＣ机和ＬａｂＶＩＥＷ开发的应用软件构成。ＬａｂＶＩＥＷ 是一种基于图形化编程语言的虚拟仪器软件开发工具，它提供有丰富的功能模块，可以支持ＧＰＩＢ、ＰＸＩ、ＶＸＩ、 串口等多种总线标准。用户可利用不同的模块组合来编制图形化软件流程图，以实现多种测试功能。该系统操作面板设计灵活，且不受“标准件”和“工艺”的限制。 Ｌｏｎｗｏｒｋｓ总线是Ｅｃｈｅｌｏｎ公司研制的一种局部操作网络，是一种串行数字通信链路。它支持双绞线、电力线、光纤、同轴电缆等通信媒介，并支持多种网络拓扑，可用于建立生产领域中现场设备之间以及更高层次控制过程设备之间的联系。Ｎｅｕｒｏｎ神经元芯片是Ｌｏｎｗｏｒｋｓ系统设备的核心器件。在Ｌｏｎ-ｗｏｒｋｓ网络中，以Ｎｅｕｒｏｎ芯片为核心的智能节点主要完成各现场设备的信号采集和控制，一个Ｎｅｕｒｏｎ芯片可连接多个物理Ｉ／Ｏ设备，节点挂接在ｌｏｎｗｏｒｋｓ总线上即可形成现场测控网络。通过Ｎｅｕｒｏｎ芯片和ＬｏｎＴａｌｋ通信协议便可实现各节点之间以及节点和上位机间的通信。由于总线具有串行特征，同时ＬａｂＶＩＥＷ又提供了对串口的支持，而且ＰＣ机一般都带有串行接口，因此，可以通过串口来实现虚拟仪器与Ｌｏｎｗｏｒｋｓ网络的交互，并通过操作软面板形成控制信号，以控制给定的节点，然后由节点将现场设备的状态信号送到虚拟仪器进行显示和分析。 ２ 虚拟仪器与Ｌｏｎｗｏｒｋｓ接口卡的设计 虽然Ｎｅｕｒｏｎ芯片的Ｉ／Ｏ引脚提供了ＲＳ２３２半双工异步串行工作方式，但是在传输速率、数据格式和通信方式方面仍有较大的局限性。网络上节点间的通信是通过ＬｏｎＴａｌｋ通信协议用网络变量或显式消息报文的形式实现的。为了实现更灵活的应用，笔者设计了一块ＬＯＮ－ＲＳ２３２接口卡以实现ＲＳ２３２协议与ＬｏｎＴａｌｋ协议的相互转换，从而实现高速率、全双工的通信。该接口卡的硬件结构如图２所示。 该接口卡包括５１协议转换模块、ＬＯＮ网接口模块和ＲＳ２３２通信模块。接口卡采用双ＣＰＵ技术。５１协议转换模块由Ｐ８９Ｃ５１单片机构成，Ｐ８９Ｃ５１也是接口卡的主ＣＰＵ，用于完成ＲＳ２３２标准信号与ＬｏｎＴａｌｋ协议之间的转换。接口卡向上经ＲＳ２３２通信模块与虚拟仪器进行通信；向下与ＴＭＰＮ３１５０进行并口通信。 ＬＯＮ网接口模块由ＴＭＰＮ３１５０芯片、收发器ＦＴＴ－１０Ａ、程序存储器、数据存储器等组成，该模块可将主ＣＰＵ接收的报文解析成ＬｏｎＴａｌｋ协议报文，然后通过收发器传到ＬＯＮ网，或将从ＬＯＮ网上收到的ＬｏｎＴａｌｋ协议报文转发给主ＣＰＵ。ＴＭＰＮ３１５０芯片通过１１个Ｉ／Ｏ口（ＩＯ０～ＩＯ１０）与Ｐ８９Ｃ５１进行连接，它采用并行Ｉ／Ｏ模式的从Ａ工作方式。在这种方式下，ＩＯ０～ＩＯ７将作为双向数据线与Ｐ８９Ｃ５１的Ｐ０．０～Ｐ０．７连接，ＩＯ８作为片选信号线连接到Ｐ２．０脚，ＩＯ９为读写信号线，连接于Ｐ８９Ｃ５１的ＷＲ脚，ＩＯ１０为握手信号线，接Ｐ２．１脚，主机（Ｐ８９Ｃ５１）和从机（ＴＭＰＮ３１５０）之间的数据传输通过虚拟的写令牌传递协议来实现，拥有令牌的一方具有对数据线的写控制权。 ＲＳ２３２通信模块由ＲＳ２３２接口芯片完成串口通信网络的链路和协议。它由Ｐ８９Ｃ５１的ＵＡＲＴ进行驱动，采用中断驱动方式。 ３　系统通信方式的实现 通常，虚拟仪器测试的物理量较少，而且被测试的设备比较集中，因而信号通道一般采用并行方式。但是在设计网络虚拟仪器系统时，除了要解决接口问题，还要考虑由于网络的多种拓扑结构而要解决虚拟仪器与各个节点的有效通信问题，如寻址信息、控制信息以及数据传输等。 ３．１ 控制信号的传输 一个Ｌｏｎｗｏｒｋｓ网络包括多个节点，每个节点可以监测多个信号，即一个节点有多个测量通道。当虚拟仪器要获取某个被测量数据时，必须同时指定该被测量所在的节点和通道。可在虚拟仪器的软面板上根据实际要测量的物理量设置选择开关，当选中某一开关时，这样程序将根据预先的设置自动形成包含节点号、通道号的控制信息，其消息格式包括节点号、通道号、控制命令代号共３个字节。经过接口卡转换后，节点号、通道号、控制命令代号将被写入ＬｏｎＴａｌｋ显式消息报文数据的前三个字节，报文消息代码为ＣＯＮＴＲＬ＿ＭＳＧ，该报文以广播方式在ＬＯＮ网上传播。具体实现代码如下： ＩＯ_０ ｐａｒａｌｌｅｌ ｓｌａｖｅ ｓ_ｂｕｓ; 　／／定义并口Ｉ／Ｏ对象 ＃ｄｅｆｉｎｅ ＤＡＴＡ_ＳＩＺＥ ２５５ Ｔｙｐｅｄｅｆ ｓｔｒｕｃｔ { ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｌｅｎｇｔｈ; ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｄａｔａ[２５５]; } ｐｉｏ; ／／定义并口通信结构 ｆａｒ ｐｉｏ ｐ_ｉｎ; ｍｓｇ_ｔａｇ ｔａｇ_ｏｕｔ０; ｗｈｅｎ(ｉｏ_ｉｎ_ｒｅａｄｙ(ｓ_ｂｕｓ)) ／／并口有数据来 { ｐ_ｉｎ．ｌｅｎｇｔｈ＝ＤＡＴＡ_ＳＩＺＥ ｉｏ_ｉｎ(ｓ_ｂｕｓ,＆ｐ_ｉｎ); ／／从并口读取数据 ／／构造显式报文 ｍｓｇ_ｏｕｔ．ｃｏｄｅ＝ＣＯＮＴＲＬ_ＭＳＧ ／／ＣＯＮＴＲＬ_ＭＳＧ是预定义的消息代码 ｍｅｍｃｐｙ(ｍｓｇ_ｏｕｔ．ｄａｔａ,ｐ_ｉｎ．ｄａｔａ,３); ｍｓｇ_ｏｕｔ．ｄｅｓｔ_ａｄｄｒ．ｂｃａｓｔ．ｔｙｐｅ＝ＢＲＯＡＤＣＡＳＴ; ｍｓｇ_ｏｕｔ．ｄｅｓｔ_ａｄｄｒ．ｂｃａｓｔ．ｄｏｍａｉｎ＝０; ｍｓｇ_ｏｕｔ．ｄｅｓｔ_ａｄｄｒ．ｂｃａｓｔ．ｓｕｂｎｅｔ＝０; ｍｓｇ_ｏｕｔ．ｔａｇ＝ｔａｇ_ｏｕｔ０; ｍｓｇ_ｓｅｎｄ(); } 一般情况下，节点通过ｗｈｅｎ(ｍｓｇ_ａｒｒｉｖｅｓ(ＣＯＮＴＲＬ_ＭＳＧ))接收该消息，然后判断消息数据的第一个字节的节点信息，如果不是本节点，则不作处理，如果是本节点，再判断第二个字节的通道号，然后作相应的处理并将选中通道的数据传送出去。 ３．２ 测量数据的传输 在测控系统中，各个需要测量的参数每次需要采集的数据个数可能各不相同，少的可能只有一个数据，多的可能有上千个数据，因此节点收到虚拟仪器传来的控制信号后，选中通道的监测数据要采用显式消息报文传输。在ＬＯＮ网中，设计的接口卡也是一个节点，当其余节点收到发给本节点的控制信号后，会同时将相应通道的数据都发送到接口卡上。笔者采用的是消息标签寻址。消息标签是显式消息的一个连接点。网络管理工具给输入标签和每个输出标签都会赋一个唯一的网络地址。这样，利用捆绑器可将各个节点发送给接口卡的显式报文的消息标签与接口卡节点的消息输入对象ｍｓｇ＿ｉｎ连接起来，这样就可以实现点对点的数据传送。下面以节点２收到要求发送给１号通道的数据，且该通道每次发送４０个字节的数据为例，给出其发送程序： ｍｓｇ_ｔａｇ ＬＯＮ_２３２; ｗｈｅｎ(ｍｓｇ_ａｒｒｉｖｅｓ(ＣＯＮＴＲＬ_ＭＳＧ)) { ｉｆ(ｍｓｇ_ｉｎ．ｄａｔａ[０]＝＝２) { ｓｗｉｔｃｈ(ｍｓｇ_ｉｎ．ｄａｔａ[１]) { ｃａｓｅ １: ／／通道１ ｍｓｇ_ｏｕｔ．ｔａｇ＝ＬＯＮ_２３２; ｍｓｇ_ｏｕｔ．ｃｏｄｅ＝０ｘ０ｃ; ／／消息代码，接口卡依此处理接收的数据 ｍｓｇ_ｏｕｔ．ｓｅｒｖｉｃｅ＝ＡＣＫＤ; ｍｅｍｃｐｙ(ｍｓｇ_ｏｕｔ．ｄａｔａ,ｃｈ１_ｂｕｆ,４０); ｍｓｇ_ｓｅｎｄ(); ｂｒｅａｋ; ｃａｓｅ ２: ／／其他通道的处理 ．．．．．． } } } ＬＯＮ_２３２是定义的输出消息标签，由网络管理器将ＬＯＮ_２３２与接口卡的输入消息标签ｍｓｇ_ｉｎ相关联。在接口卡上对该消息进行处理的程序如下： ｆａｒ ｐｉｏ ｐ_ｏｕｔ; ｗｈｅｎ(ｍｓｇ_ａｒｒｉｖｅｓ(０ｘ０ｃ)) { ｐ_ｏｕｔ．ｌｅｎｇｔｈ＝ｍｓｇ_ｉｎ．ｌｅｎ; ｍｅｍｃｐｙ(ｐ_ｏｕｔ．ｄａｔａ,ｍｓｇ_ｉｎ．ｄａｔａ,ｍｓｇ_ｉｎ．ｌｅｎ); ／／接收从ＬＯＮ网来的数据 ｍｉｏ_ｏｕｔ_ｒｅｑｕｅｓｔ(ｓ＿ｂｕｓ); ／／向并口总线请求获取令牌 } ｗｈｅｎ(ｉｏ_ｏｕｔ_ｒｅａｄｙ(ｓ_ｂｕｓ)) { ｉｏ_ｏｕｔ(ｓ_ｂｕｓ,＆ｐ_ｏｕｔ); ／／数据传向并口总线 } ４　结束语 采用Ｌｏｎｗｏｒｋｓ网络化虚拟仪器，可将所有测量通道的数据都在Ｌｏｎｗｏｒｋｓ总线上进行传输，从而避免了多通道并行布线的弊端，有效实现了远程数据的采集和控制。通过该网络接口卡可使虚拟仪器任意挂接在ＬＯＮ网的任何地方，因而可以做成便携式仪器，并方便灵活地在ＬＯＮ网上进行测试。