電力線串口服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：設(shè)計(jì)了電力線串口服務(wù)器，它具有電力線通信、可配置IP地址和RS－232 UDP協(xié)議轉(zhuǎn)換功能等特點(diǎn)。換言之，不用再投資更新設(shè)備，使用電力線串口服務(wù)器便能將現(xiàn)有終端串口設(shè)備連接上電力線局域網(wǎng)。

關(guān)鍵詞：PLC； TCP/IP； 嵌入式系統(tǒng)； μC/OSⅡ； 任務(wù)

中圖法分類號(hào)：TN919文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001－3695(2006)09－0201－02

可以說，當(dāng)今我們已經(jīng)進(jìn)入數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的后PC[2](PostPC)時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛滲透到科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)、軍事技術(shù)、商業(yè)文化藝術(shù)、娛樂業(yè)以及人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗＞W(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，使各種家電設(shè)備、PDA、儀器儀表以及工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集與控制設(shè)備等正在逐漸向Internet靠攏，以共享互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中龐大的信息資源。嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化開發(fā)有著廣闊的前景。

1研究背景

（1）傳統(tǒng)串口通信的不足。

目前國(guó)內(nèi)很多終端設(shè)備還使用傳統(tǒng)串口（如RS232等）通信，這還是沿用國(guó)外十幾年前的技術(shù)路線。由于這類串口沒有完整的協(xié)議規(guī)范，不能很好地判斷報(bào)文的對(duì)錯(cuò)，遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)可靠性較差，且無法通過IP接入Internet，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上監(jiān)控。由于串口通信存在諸多缺陷，目前在西方發(fā)達(dá)國(guó)家串口通信已逐漸被淘汰。由于我國(guó)的實(shí)際情況，串口設(shè)備不可能一時(shí)被全部淘汰。

（2）電力線通信的快速發(fā)展。

電力線通信(PLC)技術(shù)是將載有信息的高頻信號(hào)加載到電力線上，用電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過專用的電力線調(diào)制解調(diào)器將高頻信號(hào)從電力線上分離出來，傳送到終端設(shè)備。目前，該技術(shù)在局域網(wǎng)接入領(lǐng)域很有競(jìng)爭(zhēng)力[3]。電力線通信技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)是覆蓋面廣、使用方便、不用布線、永久在線、施工費(fèi)用少、安裝周期短等，不需要重新建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，即只要有電源的地方就可以接入寬帶網(wǎng)，其覆蓋范圍僅次于無線網(wǎng)絡(luò)。無論如何，實(shí)現(xiàn)集電信網(wǎng)、電視網(wǎng)、因特網(wǎng)和電力網(wǎng)于一體的四網(wǎng)合一[4]將會(huì)是未來發(fā)展的趨勢(shì)。

綜合上述情況，本文將設(shè)計(jì)一種嵌入式串口服務(wù)器（即電力線串口服務(wù)器），它既具有電力線調(diào)制解調(diào)功能又具有RS232UDP協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，只要給它配置IP地址，終端串口設(shè)備便能通過此服務(wù)器實(shí)現(xiàn)電力線通信。如圖1所示，客戶機(jī)可以在電力線局域網(wǎng)內(nèi)訪問和控制終端串口設(shè)備，也可以跨網(wǎng)訪問終端串口設(shè)備（當(dāng)電力線局域網(wǎng)橋接到互聯(lián)網(wǎng)時(shí)）。這樣的服務(wù)器目前在市場(chǎng)上尚未出現(xiàn)。

2解決電力線串口服務(wù)器設(shè)計(jì)的技術(shù)難題

設(shè)計(jì)電力線串口服務(wù)器，需要解決以下三個(gè)技術(shù)難題：①傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)中的微控制器一般都是最簡(jiǎn)單的C51控制器，其運(yùn)行速度和系統(tǒng)資源根本無法運(yùn)行復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議。②TCP/IP協(xié)議在實(shí)時(shí)性方面不能滿足嵌入式應(yīng)用的實(shí)時(shí)要求。③電力線載波信號(hào)傳輸存在一些技術(shù)難點(diǎn)，譬如如何解決好電力線載波信號(hào)的信號(hào)衰減、電力線阻抗、阻抗調(diào)制、脈沖噪聲以及跨越變壓器等問題。

針對(duì)上述問題，可考慮以下解決思路：①裁剪TCP/IP協(xié)議棧并選用32位的嵌入式CPU。嵌入式系統(tǒng)往往只使用TCP/IP協(xié)議的部分功能，因此可以對(duì)復(fù)雜的TCP/IP棧進(jìn)行裁剪，以節(jié)約MCU的系統(tǒng)資源。此外，選用32位的嵌入式CPU和較大的存儲(chǔ)器，可以滿足運(yùn)行復(fù)雜的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議所需要的處理速度和系統(tǒng)資源。②使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），實(shí)時(shí)難題將迎刃而解。RTOS能提高系統(tǒng)的可靠性，提高開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期，并充分發(fā)揮32位CPU的多任務(wù)潛力。

③電力線載波信號(hào)傳輸技術(shù)難題的解決方案。首先，影響電力線信號(hào)傳輸?shù)闹饕行盘?hào)衰減、電力線阻抗、脈沖噪聲以及等幅振蕩波干擾等因素，一般采用電力線數(shù)字?jǐn)U頻技術(shù)（SST）[5]或正交頻分多路復(fù)用技術(shù)（OFDM）[5]來解決。其次，載波信號(hào)難跨越變壓器的問題已有解決的辦法。對(duì)于低頻調(diào)制信號(hào)，可以采用雙向工頻通信方式解決直接跨越變壓器傳輸數(shù)據(jù)的難題；而對(duì)于MHz級(jí)調(diào)制信號(hào)，則考慮采用旁路電容、使用額外電纜，或者選擇在變電站建設(shè)信息處理局部中心，處理后的信息接入不同的電話網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和電力信息網(wǎng)。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，將使用基于ARM7系列的32位CPU芯片LPC2210和多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OSⅡ的硬/軟件平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)。

3．1系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

電路功能模塊如圖2所示，其主要由嵌入式CPU、復(fù)位電路、系統(tǒng)時(shí)鐘電路、RS232轉(zhuǎn)換電路、片外存儲(chǔ)器電路、電力線調(diào)制解調(diào)電路等組成。系統(tǒng)用到的5V，3.3V，1.8V電源，均從電力線獲得。

3．2系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3．2．1μC/OSⅡ的幾個(gè)基本概念[6]

（1）任務(wù)。一個(gè)任務(wù)也就是一個(gè)線程，即一個(gè)程序，該程序可以認(rèn)為CPU完全只屬于它自己。每個(gè)任務(wù)均是整個(gè)應(yīng)用的一部分，被賦予一定的優(yōu)先級(jí)，并有自己的一套CPU寄存器和任務(wù)棧空間。

（2）信號(hào)量。它是一種約定機(jī)制，用于控制共享資源的使用權(quán)或標(biāo)志某事件的發(fā)生或使兩個(gè)任務(wù)的行為同步。信號(hào)量像一把鑰匙，任務(wù)要運(yùn)行下去，需先拿到這把鑰匙。

（3）消息郵箱。即用一個(gè)指針型變量、一個(gè)任務(wù)或一個(gè)中斷服務(wù)子程序，通過內(nèi)核服務(wù)可以將一則消息放到郵箱里去；同樣，一個(gè)或多個(gè)任務(wù)通過內(nèi)核服務(wù)可以接收這則消息。

3．2．2程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由四個(gè)任務(wù)模塊構(gòu)成，按優(yōu)先級(jí)先后順序分別是Task_Hardware_Rec，Task_UdpLayerProc，Task_SocketUdp和Task_Uart0。多個(gè)應(yīng)用任務(wù)啟動(dòng)后，系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)有數(shù)據(jù)時(shí)，如果判斷為UDP包并且端口正確，則拆包并寫入U(xiǎn)ART0（LPC2210的通用異步收發(fā)器0組件），并由串口發(fā)出，若端口號(hào)錯(cuò)誤則放棄；如果判斷為ARP包（或ICMP包），則按ARP協(xié)議（或ICMP協(xié)議）處理之后轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)串口有數(shù)據(jù)時(shí)，則從UART0讀出來，按UDP協(xié)議打包并發(fā)給網(wǎng)絡(luò)。

4實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

硬、軟件測(cè)試通過后，可以按圖4所示的連接關(guān)系對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境實(shí)驗(yàn)。用一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為終端串口設(shè)備，運(yùn)行在這臺(tái)計(jì)算機(jī)中的串口收/發(fā)軟件簡(jiǎn)單地模擬終端串口設(shè)備的功能；而另一臺(tái)計(jì)算機(jī)用作客戶機(jī)，在客戶機(jī)中運(yùn)行UDP收/發(fā)演示軟件。

從圖5可見，由終端串口設(shè)備的串口收/發(fā)演示軟件發(fā)送“HelloWorld!”字符串，可以在客戶機(jī)端收到完全相同的數(shù)據(jù)。反之，由客戶機(jī)UDP收/發(fā)演示軟件發(fā)送“123456789abcdefg”字符串時(shí)，在終端串口設(shè)備端也能收到相同的數(shù)據(jù)。

通過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明：電力線串口服務(wù)器有效地實(shí)現(xiàn)了所需的功能，能雙向通信，協(xié)議轉(zhuǎn)換正確，數(shù)據(jù)傳輸完好。可以說，本文的設(shè)計(jì)基本上達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

圖5演示實(shí)驗(yàn)軟件界面

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

吳小平(1975)，男，貴州黃平人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)多媒體技術(shù)應(yīng)用；

高平山，男，安徽人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)多媒體技術(shù)應(yīng)用；

劉士忠，男，內(nèi)蒙古人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)教育。