道岔監(jiān)測系統(tǒng)中的LonWorks網關開發(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)實現對道岔設備的綜合實時監(jiān)測已經成了迫切要求。然而，鐵路現場工作環(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、兼容性好的現場總線。

LonWorks現場總線是由美國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構，對現場的適應性更好。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構，主處理器完成用戶應用功能，而把Neuron芯片作為通信網關。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的嵌入式網關，解決道岔監(jiān)測系統(tǒng)的通信需求。

1 系統(tǒng)總體結構

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

2 硬件設計

目前設計與實現LON－RS232嵌入式網關主要有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據交換，通過軟件編程實現網關。

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芯片及其內部軟件編程實現網關，無需外圍接口芯片，硬件成本低。

圖1 系統(tǒng)結構示意圖

圖2 網關方案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，并行傳輸數據速度快，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換硬件，串行接口是在固件中實現的。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的網關開發(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FT5000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網關的硬件框圖如圖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，內存結構和之前的Neuron芯片不同，芯片內嵌入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網關，使用I2C總線外擴單片EEPROM就可以滿足開發(fā)要求。

圖3 網關方案2原理圖

FT5000芯片內嵌了高性能的Neuron核收發(fā)器，和FT－X3通信變壓器配合使用即可以和Lon－Works網絡通信。LON－RS232網關電路所占面積較少，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關產品，將串口經過MAX232驅動后，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網絡上的速率78kb／s，數據流水線傳輸時，可以確保LonWorks網絡以78kb／s的速率進行傳輸。

3 網關軟件設計

網關軟件程序使用Neuron C語言完成。Neuron C不使用main（）函數結構，而是由一系列的when（）語句組成。調度程序以循環(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絡報文傳送到LonWorks網絡上。同樣的，將通過LonWorks網絡收到的網絡報文解析后發(fā)送至串口，完成LON－RS232的網關轉換功能。

3．1 網關協(xié)議

網關除了完成LON－RS232協(xié)議轉換外，還要根據數據幀協(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，按照數據長度進行數據接收，接收完畢后，需要對收到的數據進行校驗。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)的數據幀。

3．2 編程考慮

下面，給出了軟件設計中需要關注的一些重點語句。

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））／／串口數據接收完畢

when （msg＿arrives）／／LON 網絡上有消息傳來

msg＿send（）；／／將數據發(fā)送到LON網絡上

io＿out＿request（iosci）／／發(fā)送串口數據

3．3 軟件流程

FT5000芯片需要完成LON－RS232數據的雙向轉換處理，網關的軟件流程如圖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網絡。上行線和下行線的監(jiān)測分機分別利用嵌入式LON－RS232網關和LonWorks總線連接，上行線LON網和下行線LON網中間通過機械室內的網絡路由器橋接，將LonWorks總線上的數據轉換成以太網協(xié)議數據，通過網線傳輸到中心服務器供分析記錄使用。通過道岔監(jiān)測系統(tǒng)的現場檢驗，很好的驗證了該網關的實用性。

圖4 軟件流程圖

5 結束語

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

［1］ 楊玉紅．LON網絡控制技術及應用［M］．西安：西安電子科技大學出版社，1999．

［2］ 胡秋林 ．基于LonWorks現場總線的工業(yè)控制網關研究［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．

［5］ 曾夢秋 ．嵌入式LonWorks網絡智能網關設計［J］電子設計工程，2014（9）．