嵌入式技術的多協(xié)議轉換系統(tǒng)研究

張 帆

（晉中信息學院 山西 晉中 030800）

0 引言

現(xiàn)場總線技術在工業(yè)控制中占有舉足輕重的地位，其所涉及的通信協(xié)議、總線種類繁多，且具有各類通信協(xié)議與總線并存的特點。由于不同種類的通信協(xié)議在市場上具有不同的產(chǎn)品，這就導致不同的總線標準、協(xié)議存在很大的差別，同時對常見信息聯(lián)通帶來了負面影響，最終嚴重降低通信網(wǎng)絡的開放程度。因為每個總線標準和協(xié)議都有自己的特點，所以用戶在對本身的產(chǎn)品進行升級、改造的過程中，為了實現(xiàn)減少投資、維護成本的目的，就不會再選擇其他種類的產(chǎn)品，更傾向于選擇正在使用的同類型總線協(xié)議產(chǎn)品，因此導致現(xiàn)階段在工業(yè)控制的整體過程中不同類型的通信協(xié)議存在通信標準、協(xié)議難以統(tǒng)一的問題。

隨著我國針對該項技術研發(fā)力度的加大，促使多協(xié)議轉換系統(tǒng)已經(jīng)能夠很好地解決上述問題。例如，現(xiàn)階段已有學者將S3C2440處理器作為基礎，實現(xiàn)了MQTT與多種協(xié)議之間的轉換[1]。還有學者在研究中設計了一個以ARM為基礎的協(xié)議轉換器，利用交換芯片中的端口，完成SPI、TCP協(xié)議之間的轉換[2]。本文在眾多學者的研究成果上，針對工業(yè)控制中較為常用的兩種協(xié)議，包括LIN、CAN協(xié)議，提出了以嵌入式技術為基礎的多協(xié)議轉換模型、設計，實現(xiàn)了LIN、CAN協(xié)議與總線間的多協(xié)議轉換。

1 多協(xié)議轉換系統(tǒng)模型

當前，世界范圍內(nèi)的現(xiàn)場總線標準種類很多，而各廠家所研制的加工設備所支持的協(xié)議接口標準也各不相同，這給各種加工設備的連接造成了很大的困擾。國際上較為認可的解決這種困難的方案為：第一，通過針對系統(tǒng)模型進行調(diào)整，促使管理系統(tǒng)對不同國家的設計總線進行統(tǒng)一支撐，以此確保存在差異性的處理裝置能夠得到良好互聯(lián)，并以此來達到協(xié)議之間的交換目的。發(fā)揮管理系統(tǒng)的作用，同時為協(xié)議轉換提供統(tǒng)一接口，在對協(xié)議轉換系統(tǒng)進行高度利用后可以最大程度實現(xiàn)不同類型總線協(xié)議的交換，最終轉換為一個能夠被管理系統(tǒng)所支持的總線協(xié)議，在此基礎上，所有工業(yè)車間中的海量數(shù)據(jù)均可以通過這種形式實現(xiàn)實時、高效的傳輸[3]。即便上述方案能夠解決問題，但是此種設計方案也存在一定缺陷，比如在采用該種設計方案時會對系統(tǒng)的后期維護以及創(chuàng)新開發(fā)形成阻礙。第二，利用協(xié)議轉換促使管理系統(tǒng)、加工設備相分離。這種方案的優(yōu)勢較為明顯，能夠對各類加工設備的增加、更換等起到積極作用，同樣也能夠實現(xiàn)不同類型協(xié)議之間的通信困難。因此，在解決方案的選擇上，本文更傾向于選擇第二種解決方案。

多協(xié)議轉換系統(tǒng)主要是通過對各種不同類型的協(xié)議進行分割和重構，從而使各種不同類型的通信協(xié)定能夠互相轉化。本文所設計的多協(xié)議系統(tǒng)模型，將RS485總線協(xié)議作為接口的一端，因RS485接口具有簡便性，與常用的計算機等設備的匹配程度相對較高，將LIN、CAN協(xié)議作為接口的另一端，設計原理就是利用一個總線協(xié)議向多個不同的總線協(xié)議進行轉換，從而實現(xiàn)統(tǒng)一應用。本文所設計的多協(xié)議系統(tǒng)模型詳見圖1。

2 嵌入式技術的多協(xié)議轉換系統(tǒng)設計

本文所開展的多協(xié)議轉換系統(tǒng)設計是在嵌入式技術的基礎上實現(xiàn)的，在系統(tǒng)的中央處理模塊中以嵌入式處理器為主，并在中央處理模塊的外圍設有兩個協(xié)議，分別為CAN、LIN協(xié)議，以Linux系統(tǒng)作為軟件平臺，并編寫相應的驅動與應用程序，具體的硬件設計、軟件設計如下。

2.1 硬件設計

多協(xié)議轉換器需要具有LIN、CAN、RS485總線協(xié)議之間的交換功能。在整個硬件設備的要求中，在LIN、CAN、RS485總線協(xié)議中均應設置相應的硬件接口，并利用硬件來完成對多協(xié)議的分析。在本文的設計中，主要將處理器設定為Exynos4412處理器，并在其外圍增設多種協(xié)議的接口電路。本文具體的硬件設計方案詳見圖2。該多協(xié)議轉換器包括CAN總線接口電路、RS485總線接口電路和LIN接口電路和電源電路4個部件，該電路的電源主要采用Exynos4412的基礎電路和各個接口電路進行供電，通過Exynos4412芯片的協(xié)同作用，使得3種總線接口電路相互配合、井然有序地運行，并最終實現(xiàn)3種協(xié)議之間的相互轉換[4]。

LIN總線協(xié)議的接口部分采用RS232驅動器，SP232EEN芯片和TJA1020的收發(fā)機構成，TJA1020作為LIN主從協(xié)定的控制器與LIN內(nèi)局域網(wǎng)的實體總線的連接，它的核心是采用2.4-20Kbaud波特率，其TXD輸入一端的協(xié)議控制設備所發(fā)送的數(shù)據(jù)會由LIN的收發(fā)器轉換為一個總線信號，這種總線信號具有可控制轉換數(shù)量、調(diào)整波形的特點，并以此來減少EME。LIN總線的輸出管腳經(jīng)過它的內(nèi)部的末端電阻而被拉高[5]。

CAN總線協(xié)議的接口部分主要利用GPIO的擴展，選用型號為MCP2515的CAN控制芯片，同時選用與型號相匹配的接收器（TJA1050型）。本文所選用的型號為MCP2515的CAN控制芯片是一個能夠獨立控制局部網(wǎng)絡的控制器，利用該芯片可以實現(xiàn)對CAN的規(guī)范，該芯片可起到擴展數(shù)據(jù)等重要作用。同時，該芯片主要是由兩個接受掩碼、六個接受過濾波形器組成，其作用主要是過濾不必要的消息與數(shù)據(jù)，進而減低主機中MCU的消耗與開銷。MCP2515與微型控制器的連接主要是采用符合國家工業(yè)標準的串行外部設備接口SPI。

RS485總線協(xié)議的接收器主要采用了MAX3485芯片，該芯片是RS-485收發(fā)芯片的一種，一般來講，這種芯片的工作頻率是3.3 V，芯片的通信速率和效能是10 Mbps，這一指標與RS-485和RS-422串行通信的特點是一致的，主要采用半串或雙串方式，以差分波為主要驅動方式，并能有效地防止線路的短路。在相同的總線中，本方案最多能同時容納32臺收發(fā)信機，同時具有功率低，速率高，可靠性高等特點。

2.2 軟件設計

本文所采用的處理器為Exynos4412處理器，該處理器為4核處理器，在其內(nèi)部存在4個獨立運行的CPU，為了使該處理器的CPU資源利用得更加充分，本文將Linux系統(tǒng)作為主要的軟件平臺，該系統(tǒng)可最大限度滿足4個在微觀層面上同時運行的進程，無論是RS485處理協(xié)議還是CAN、LIN協(xié)議均可由該系統(tǒng)實現(xiàn)，通過建立相應的設備節(jié)點等文件，利用既定的應用程序可實現(xiàn)對節(jié)點文件的讀取、傳輸[6]。

2.2.1 驅動程序

在對Linux系統(tǒng)的驅動程序進行細化后大致可以將其分為以下3種不同類型，其一是字符驅動類，其中常見的包括RS485總線協(xié)議以及LIN協(xié)議；其二為塊設備驅動類，最后一種則是網(wǎng)絡設備驅動類。以下是CAN總線協(xié)議驅動程序的編寫實例。

（1）首先通對CAN總線協(xié)議結構構造出Can_dev，獲取cedv以及系統(tǒng)緩沖區(qū)必備的數(shù)組字符器件；創(chuàng)建file_operations結構對象，即Can_fops。

（2）其次，利用系統(tǒng)編寫Can_init函數(shù)表達，目的是能夠創(chuàng)建一個Can_dev對象，創(chuàng)建完成后需要申請主設備號，設備號申請完成后綁定Can_fops對象；再次利用系統(tǒng)編寫Can_exit函數(shù)表達，編寫完成函數(shù)后刪除Can_dev對象，隨后釋放主設備號。

（3）利用系統(tǒng)編寫Can_open、read、write等函數(shù)表達，賦值Can_fops的open、read、write函數(shù)指針。

（4）編制代碼，生成代碼文件。

圖3為Can_read函數(shù)的部分代碼。

Linux的設備驅動通常包括一個堵塞和相互排斥的機制，使得整個驅動過程在資源爭奪失敗、資源爭奪成功但資源并不能被使用時，放棄CPU的使用權限，進而促使CPU進入一個休眠狀態(tài)，隨后在其可獲得資源的時候被喚醒。但是，從休眠至喚醒期間都會耗費大量的時間，從而會對總線協(xié)議的實時傳輸產(chǎn)生一定的干擾，因此，本文在驅動程序的設計中，CAN總線驅動、LIN驅動和RS485總線協(xié)議是相互獨立的，沒有任何的資源爭奪和相互排斥，從而為總線協(xié)議的構建過程提供了依據(jù)，利用非阻塞形式的讀取和寫入，以改善數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。

2.2.2 應用程序

上述步驟完成后需要利用程序讀取RS485總線協(xié)議緩沖區(qū)域數(shù)據(jù)，并且利用所獲取的數(shù)據(jù)對總線具體類型進行準確分辨，完成后將其納入到CAN、LIN總線協(xié)議得到輸出緩沖區(qū)域，選取上文中所提到的驅動設備，以此來完成多種數(shù)據(jù)、資料的傳輸工作。反之，利用應用程序對CAN、LIN總線協(xié)議緩沖區(qū)域的數(shù)據(jù)進行讀取，并施加一個相應的標識，最后將其寫入到RS485總線協(xié)議的輸入緩沖區(qū)域中，最終實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)、資料的接收工作。三組類型的數(shù)據(jù)傳輸和接收過程，沒有進程休眠，沒有搶占進程等問題，同時也克服了Linux的實時性能較差的問題。以CAN協(xié)議為例，其協(xié)議程序的流程圖詳見圖4。

在此過程中，程序會使用開放功能來開啟RS_driver和Can_drvier等設備文件，并將其分別存儲在具有文件標識的fd0和fd1兩個變量之中，同時利用這兩個文件表示持續(xù)、反復地利用非阻塞的方法對write和read進行調(diào)用，這個功能在CAN總線的驅動程序中會呼叫Can_write和Can_read功能來讀取這些數(shù)據(jù)；在此過程中，Rem_ident（）和Add_ident（）功能會刪除并增加對應的標識符號，以確保識別各種類型的協(xié)議數(shù)據(jù)。同樣以CAN協(xié)議為例，其部分代碼詳見圖5。

當一個進程被執(zhí)行時，它就會陷入一個永遠不會結束的死循環(huán)，并且在不被阻止的情況下，它不會停止讀取和寫入數(shù)據(jù)，并在此基礎上不間斷地發(fā)送數(shù)據(jù)，以確保及時的信息傳達。

3 針對嵌入式技術的多協(xié)議轉換系統(tǒng)設計開展實驗測試

在本文提出的嵌入式技術的多協(xié)議轉換系統(tǒng)設計的基礎上，對該設計的可行性等展開實驗測試，實驗將硬件平臺設置為Exynos4412嵌入式開發(fā)板，在外部連接RS485、CAN和LAN的總線接口，軟件平臺主要以Linux操作系統(tǒng)為主，通過編寫RS485、CAN和LAN的驅動程序和應用程序，實現(xiàn)多協(xié)議之間的數(shù)據(jù)傳輸與發(fā)送。

將RS485總線的接口與PC機相結合，將CAN和LIN接口與兩臺單獨的MCU相結合，將兩臺微處理器串成計算機。在PC機上采用RS485總線，采用多路傳輸技術實現(xiàn)了對多路傳輸?shù)目刂疲⑵鋫鬏數(shù)組CU中的CAN、LIN總線。

處于單片機中的CAN、LIN總線協(xié)議可以利用多協(xié)議轉換系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行發(fā)送，處于上位機的RS485總線協(xié)議可以利用多協(xié)議轉換系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行發(fā)送。

將01、02作為CAN、LIN總線協(xié)議所接收、發(fā)送的數(shù)據(jù)標識，通過多協(xié)議系統(tǒng)對01、02標識的數(shù)據(jù)進行識別。同時，上位機利用cutecom工具對從CAN、LIN總線協(xié)議接收到的數(shù)據(jù)進行顯示，采用單片機和 PC機之間的串行接口，通過顯示器輔助從RS485總線上采集資料與數(shù)據(jù)。具體的數(shù)據(jù)接收詳見圖6～圖8。

開展多次發(fā)送數(shù)據(jù)的實驗測試，其中圖6、圖7中CAN和LIN總線接收到的數(shù)據(jù)與表2中的數(shù)字相對應，由此可見，利用本文所提出的多協(xié)議轉換系統(tǒng)設計可以很好地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的準確傳輸。在整個的傳輸過程中并沒有利用RS485總線協(xié)議發(fā)送標識。表明多協(xié)議轉換系統(tǒng)可以利用標記識別數(shù)據(jù)，在去掉標記的前提下將各類數(shù)據(jù)經(jīng)由CAN和LIN總線協(xié)議發(fā)送到單片機中。圖8則與上文中的表1相對應。同樣可以明確的是本文所提出的多協(xié)議轉換系統(tǒng)設計可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的準確傳輸，且在整個數(shù)據(jù)的傳輸過程中多出了01、02兩種標識，利用這兩種標識可以有效識別CAN和LIN總線協(xié)議發(fā)送的數(shù)據(jù)。由此可以得出結論：本文所提出的多協(xié)議轉換設計，可以在CAN和LIN兩種協(xié)議上增加相應的標識（01、02），并通過RS485總線協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，上位機也可通過01、02這種標識識別CAN和LIN兩種協(xié)議，并對所接收的數(shù)據(jù)展開下一步的處理工作。

4 結語

綜上所述，本文為了解決工業(yè)領域內(nèi)存在的各種通信協(xié)議之間的通信問題，提出了一種多協(xié)議轉換系統(tǒng)設計，并利用嵌入式技術實現(xiàn)了多協(xié)議轉換系統(tǒng)的信息傳輸。將Exynos4412嵌入式開發(fā)板作為主要的硬件設備，將Linux操作系統(tǒng)作為主要軟件設備，利用Exynos4412構建RS485、CAN、LIN總線接口的硬件平臺，在Linux系統(tǒng)環(huán)境中對RS485、CAN、LIN總線協(xié)議的驅動、應用進行編程。為了驗證所提出的嵌入式技術的多協(xié)議轉換系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性、可行性，開展了相應的實驗測試，根據(jù)實驗的最終結果證明，利用單片機、上位機等可以實現(xiàn)CAN、LIN、RS485的數(shù)據(jù)傳輸，證明了本文提出的多協(xié)議轉換系統(tǒng)設計具有可靠性和準確性，在某種意義上克服了通信協(xié)議的異構性，同時次系統(tǒng)還可以在其他各種總線上進行多個通信協(xié)定的變換。

隨著當今世界范圍內(nèi)計算技術的高速發(fā)展，集散式控制系統(tǒng)應運而生，該系統(tǒng)實現(xiàn)了最大程度降低各個分通信點的個數(shù)，然而即便如此，該系統(tǒng)仍然存在不可忽視的問題，即在實踐中應用繁瑣的、采用一對一形式的物理連接。因此，未來相關研究依舊需要加大對該項技術的研發(fā)力度，提升系統(tǒng)應用效率，促進計算機技術的發(fā)展。